UV積算光量と放射照度の正しい測定
放射照度とUV積算光量は、UVプロセスの異なる特性を表します。放射照度は単位面積あたりの瞬間的な放射パワーであり、積算光量――規格用語では放射露光量――はその時間積分値です。信頼できる結果を得るには、分光範囲、測定範囲、校正光源、測定距離、および測定幾何形状が用途に適合している必要があります。移動プロセスの場合は、照射の時間プロファイルも加わります。
このページでは各物理量を整理し、測定結果に影響する要因を示し、どのクラスの測定器がどの課題に適しているかを説明します。具体的な測定器の選定については、カテゴリUV測定器および放射計で扱っています。
放射照度、放射露光量、積算光量
放射照度Eとは、面に到達する放射パワーのことで、W/m²、またはUV工学では一般的にmW/cm²で表されます。放射露光量Hはその時間積分であり、J/m²またはmJ/cm²で表されます。放射照度が時間的に一定の場合、H = E・tとなりますが、変動する場合は実際のプロファイルを積分する必要があります。
実務上、放射露光量は通常「積算光量」と呼ばれます。この用語は定着していますが、厳密さに欠けます。水処理の消毒分野では、フルエンスはあらゆる方向から体積要素に到達する放射を表すのに対し、光生物学では積算光量にさらに作用スペクトルによる重み付けが加えられます。したがって、プラント間、供給者間、あるいは試験報告書間で値を比較する際には、どの物理量、どの波長範囲、どの測定ジオメトリを指しているのかを常に明記する必要があります。
測定結果を左右する要因
測定値は、それが取得された条件と同程度にしか信頼できません。以下の5つの要因が結果を左右します。
- 分光応答度。ブロードバンド放射計は、センサの応答度曲線を用いて光源を評価します。光源のスペクトルが校正時の光源と異なる場合、スペクトルミスマッチが発生します。これは光源が変わった際に生じる系統誤差の中で最大のものです。
- 測定ジオメトリ。拡張光源または面光源からの放射照度を測定するには、コサイン補正された入力光学系が必要です。コサイン補正がない場合、斜入射光は過小評価されます。
- 測定距離と測定面。自由空間中ではなく、プロセスが行われる場所、すなわち部品面または試料面で測定してください。点光源やスポット光源の場合、放射照度は距離によって大きく変化します。
- 校正。校正は、波長範囲、測定範囲、および可能な限り使用する光源の種類に一致している必要があり、トレーサブルな形で文書化されていなければなりません。
- 測定範囲、直線性、温度。非常に高い放射照度、パルス光源、および測定点における高温は、使用できるセンサを制限します。
静的測定とプロセス内測定
光源と部品がいずれも静止している場合は、部品面における放射照度を静的に測定すれば十分であり、積算光量は放射照度と照射時間から求められます。部品または光源が動く場合、部品における放射照度は時間依存性を持つようになります。その場合、ピーク放射照度、時間プロファイル、およびそこから積算した積算光量を記録する必要があり、ランプ下での単発の静的測定値ではプロセスを表すことはできません。
コンベア方式、印刷ライン、通過方式のラインでこのような測定をどのように構成するかについては、コンベアシステム向けUV測定のページをご覧ください。
どの機器がどの用途に適するか
- 既知のスペクトルを持つ安定した光源、スポット測定：分光範囲に合ったセンサを備えたRMD ProやRM-12などの校正済み広帯域放射計。
- 変化する光源、LED波長、経年変化試験：実験室でのUVpad、UVpad E、またはSR900などの分光測定機器。
- 稼働中プロセスにおける積算光量：ワークピースと共にラインを移動するcurelogやtinyTrackerなどのフラットロガー。
- 設備の常時モニタリング：適切な評価用電子機器を備えた常設のUVセンサ。
これらのいずれの構成にも当てはまることですが、センサ、評価、校正は、実証すべきプロセス値に一致していなければなりません。測定タスク別の選定支援については、カテゴリUVメーターをご覧ください。また、機器クラス間の区別については、ページ分光放射計か広帯域放射計かをご覧ください。
放射照度と積算光量に関するよくある質問
UVシステムで監視すべき量は何ですか？
主に、プロセスに最も近い接近可能な地点における放射照度（W/m²）であり、そこから時間積分として積算光量（J/m²）を求めます。換算式：10 W/m²は1 mW/cm²に相当します。センサおよび光源の温度もあわせて確認すべき項目です。プロセスウィンドウは2つの次元で規定する必要があり、両方の量について下限値と上限値を設定します。ランプの電力はプロセスの測定量ではありません。
プロセスのどこで測定を行いますか？
実際にプロセスが行われる部品や試料の位置で測定します。自由空間中やランプハウジングでは測定しません。拡張光源や面光源では、コサイン補正された入力光学系が必要です。そうしないと、斜め入射光が過小に評価されます。点光源やスポット光源では、放射照度は距離によって大きく変化します。目安として、測定距離は発光面の最大寸法の10倍以上とすべきです。
UVシステムの放射照度は太陽と比較してどの程度高いですか？
基準は地表における太陽光です。最適な条件下では全天日射量は約1,000 W/m²であり、そのうちUVAは約62 W/m²、UVBは5.6 W/m²です。したがって、80 W/m²のUVA試験チャンバーはその1.3倍、50 W/m²のUVBチャンバーは9倍に相当します。UV-LEDシステムは8,000 W/m²以上に達し、太陽光のUVAのおよそ130倍です。UVCについては比較ができません。なぜなら、280 nm未満の放射は地表に到達しないためです。このような倍数には、必ず2つの付随情報が必要です。すなわち、対象とする分光範囲と、測定を行った測定面です。これらがなければ、その数値を検証することはできません。
