254 nmにおけるUVC放射の測定と監視

低圧水銀ランプの253.7 nm輝線は、UV水処理および空気消毒における中心的な放射源です。基準測定、設備監視、積算光量評価は、それぞれ異なるセンサ方式を必要とします。重要なのは、分光整合性、測定ジオメトリ、長期安定性、そして実際の光源に合致した校正です。

本ページでは、これら3つの測定タスクを切り分け、センサと光源が一致しない場合にどのような誤差が生じるかを示します。

紫外線の殺菌効果は波長に依存します。これは基本的に核酸の吸収特性に従い、265 nm付近の領域で最大となります。低圧水銀ランプの主発光線は253.7 nmにあり、この最大値に近接しています。すなわち、正確に最大値に位置しているわけではないものの、効果の大部分を捉えています。

ただし、波長だけが決定的な要因ではありません。効果は、波長、放射露光量（放射照度×時間）、そして対象となる微生物の感受性によって決まります。したがって、254 nmが技術標準として定着した背景には実用上の理由も大きく関わっています。すなわち、この光源は高い効率で動作し、そのスペクトルは狭帯域であるため計測評価上明確であり、実用上重要な光路長において大気中および水中での透過率も十分であり、さらに規範的な基盤が数十年にわたって蓄積されてきたことです。

下図は、Opsytecのスペクトルデータベースから得られた低圧水銀ランプの実測スペクトルと、Bacillus subtilis芽胞に対する殺菌作用スペクトル（Cabaj et al. 2002、253.7 nmで規格化）を示しています。185 nmの共鳴線は測定範囲外にあるため、模式的に描かれています。

低圧水銀ランプは、水銀の滴と始動用ガス（通常はアルゴン）を封入した石英管内のガス放電です。水銀蒸気圧は数パスカル、内部の全圧は約10 mbarまでです。この放電は強く非熱平衡であり、電子は数電子ボルトに達する一方でガスはほぼ低温のままです。まさにこの不均衡により、供給される電力は熱ではなく主に励起へと向かいます。

電子衝突により水銀原子は共鳴レベルへ励起され、基底状態への遷移によって2本の共鳴線が生じます。253.7 nmが主発光線であり、殺菌用途に利用される成分です。もう一方の185 nmの線は、外套材がこれを透過する場合にのみランプ外へ出て、空気中ではオゾンを発生させます。用途によっては酸化プロセスに意図的に利用されるか、ドープ石英ガラスによって抑制されます（水銀蒸気ランプの概要（ドイツ語））。

両方の線は共鳴線であるため、光子はプラズマ内で繰り返し吸収・再放出されます。この放射トラッピングにより、効率は水銀蒸気圧、すなわち管壁温度に直接結びつきます。最も低温な壁部分の最適温度は約40 ℃付近にあり、それより高くても低くても254 nmの出力は低下します。したがって設備においては、媒体の温度と流れが放射出力に直接影響を与えます。アマルガムランプはこの最適点をより高温側へ移し、大幅に高い出力密度を可能にします。

使用期間中、線の位置は安定したままですが、放射出力は低下します。測定の観点からはこれは好ましい状況です。センサの分光重み付けは有効なまま、振幅のみが低下します。中圧ランプおよびUVC LEDでは分光分布自体も変化するため、これが後述するミスマッチの原因となります。

その効果は技術より先に存在していました。1877年、DownesとBluntは太陽光が細菌の増殖を抑制することを示し、1903年にはNiels Ryberg Finsenが光線療法によりノーベル賞を受賞しました。それに対応する光源も並行して登場しました。Leo Aronsは1892年の研究に基づき水銀灯の発明者とされ、1905年には石英ガラス製の太陽灯が続き、1923年から1934年の間に水銀放電灯が低圧、中圧、高圧のバージョンとして商業化されました（水銀灯の概要（ドイツ語））。飲料水消毒用の最初のUVプラントは、早くも1910年にマルセイユで稼働を開始しました。

その効果が測定可能かつ比較可能になったのは、その後のことでした。1930年、R. L. Gatesは殺菌効果に関する初の系統的研究を発表し、これにより殺菌作用スペクトルが導入されました。1980年代以降は、飲料水処理における規格化が進み、ドイツではDVGW指針W 294およびDIN 19294が、今日の試験、設備センサ、および基準測定の基盤を形成しています。

したがって、この発展は3つの段階を経ています。19世紀における生物学的観察、20世紀前半における制御可能な光源の登場、そして20世紀後半における計量的および規格的な確立です。この第三の段階によってのみ、効果は監視可能な手順へと変わるのです。

最大の応用分野は、流水式反応槽における飲料水、プロセス水、排水の消毒であり、ドイツではDVGW W 294およびDIN 19294-3に準拠したプラントセンサおよび基準測定が用いられます。これに加えて、病院や食品・医薬品製造における空気や表面の消毒、換気ダクトやクリーンルームでの消毒、さらに飲料・食品業界における包装、コンベア、充填ラインの処理が挙げられます。

185 nm線が放出される場合、光化学効果が加わります。すなわち、ビーム経路中に生成されるオゾンとそこから生じるラジカルによって、UV酸化およびTOC削減が作用します。さらに短波長で純粋に光化学的な代替手法については、キセノンエキシマランプからの172 nm VUV放射の測定のページで説明されています。実験室では、254 nm放射は最終的に、例えばコリメートビーム構成での線量反応試験のための明確な基準として用いられます。効果、手順、規格については、応用ページUV消毒で詳しく解説されています。

いずれの場合も同じ関係が成り立ちます。重要なのはランプの公称出力ではなく、媒体中で実際に有効となる放射露光量です。放射照度、滞留時間、流量、透過率が共に結果を決定するため、測定は手順の一部であり、付属的なものではありません。

• 基準測定。計量トレーサビリティのある校正済み基準放射計により、例えばプラントセンサを確認するために、定められた位置での放射照度を求めます。ここでは低い測定不確かさと定められた幾何学的配置が重要です。
• プラント監視。常設センサが光源を継続的に監視し、制御システムへ信号を供給します。ここでは長期安定性、媒体や洗浄に対する耐性、適切なインタフェースが重要です。
• 積算光量またはフルエンスの評価。媒体に関連する放射露光量は直接測定されるのではなく、放射照度、滞留時間、流量、媒体の透過率から導出されるか、生物学的線量測定によって求められます。

これら3つのタスクはそれぞれ別個に定義されています。プラントセンサは基準測定の代わりにはならず、基準測定は積算光量の評価の代わりにはなりません。

254 nmに合わせて設計されたセンサは、低圧ランプの狭帯域線スペクトルに整合するように調整されています。同じセンサを中圧ランプやUVC LEDに使用すると、本来意図されていない応答度曲線で異なるスペクトルを評価することになります。その結果、光源固有の補正係数でしか是正できない系統的な偏差が生じます。

また、スペクトルは同一種類の光源であっても寿命にわたって変化します。低圧ランプでは出力が低下する一方で輝線の位置は安定していますが、中圧ランプやLEDでは分光分布そのものも変化します。したがって、光源の種類を比較または切り替える場合には、分光分解された基準値が必要となります。

流通式リアクターでは、センサはセンサ窓を通して定められた取付位置で測定します。測定されるのは媒体に作用する放射露光量そのものではなく、プラント設計によってそれと関連付けられた信号です。窓の汚れ、光源の経年劣化、媒体の透過率はこの信号にそれぞれ異なる影響を与えます。そのため、センサ位置、校正、評価ルールを併せて定める必要があります。

実験室では、コリメートビーム構成により試料への規定された、ほぼ平行な照射が可能となり、信頼できる線量反応関係が得られます。リアクターへの適用は、単一の読み取り値によってではなく、バリデーションを通じて行われます。この手順については、UVリアクターバリデーションのページで説明しています。

• UVC計 – すべてのUVC計とセンサの比較。
• DVGW基準放射計 – DIN 19294-3に準拠した飲料水プラントでの基準測定。
• UVC-SEおよびUVx-SE – プラントの常時監視向け耐圧センサ。
• UVCセンサ搭載のRMD Pro – ランプ、チャンバー、表面でのハンディ測定。
• SR900 – 光源の種類を比較する場合やスペクトルが不明な場合の分光基準測定。

すべての測定チェーンは認定校正機関でトレーサブルに校正されています。アプリケーションページ「UV消毒」では、効果、プロセス、規格の観点から測定を位置づけています。

マーク・パラヴィア博士（Dr.-Ing.）は、エッティンゲンにあるOpsytec Dr. Gröbel GmbHの代表取締役であり、認定校正機関の責任者を務めています。KIT（カールスルーエ工科大学）照明工学研究所においてパルスキセノンエキシマ放電に関する研究に従事した後、現在は光放射計測を専門としています。同氏はDIN規格委員会FNL 7「光放射」の副委員長であり、DVGWのUV消毒に関するプロジェクトグループのメンバーでもあります。