254 nm에서 UVC 방사선 측정 및 모니터링

저압 수은 램프의 253.7 nm 선은 UV 수처리 및 공기 정화 소독에서 중심적인 방사선원입니다. 기준 측정, 설비 모니터링 및 조사량 평가는 각각 서로 다른 센서 개념을 필요로 합니다. 중요한 것은 분광 정합성, 측정 기하구조, 장기 안정성 및 실제 광원에 맞는 교정입니다.

이 페이지에서는 세 가지 측정 과제를 구분하고, 센서와 광원이 일치하지 않을 때 발생하는 오차를 보여줍니다.

자외선(UV) 조사(照射)의 살균 효과는 파장에 따라 달라집니다. 이는 본질적으로 핵산의 흡수 특성을 따르며, 약 265 nm 부근에서 최대값에 도달합니다. 저압 수은 램프의 주요 방출선은 253.7 nm로, 최대값에 정확히 위치하지는 않지만 그 부근에 자리하여 효과의 상당 부분을 포착합니다.

그러나 파장만이 결정적인 요소는 아닙니다. 효과는 파장, 복사 노출량(복사조도 × 시간), 그리고 해당 미생물의 감수성에 따라 결정됩니다. 254 nm가 기술 표준으로 자리 잡은 것은 실용적인 이유이기도 합니다. 이 광원은 효율이 높고 스펙트럼이 좁아 측정학적으로 명확하게 평가할 수 있으며, 공기 및 물에서의 투과율이 실용적으로 유의미한 경로에서 충분하고, 규범적 기반이 수십 년에 걸쳐 구축되어 왔습니다.

아래 그림은 Opsytec 분광 데이터베이스에서 얻은 저압 수은 램프의 측정 스펙트럼과, 253.7 nm에서 정규화된 Bacillus subtilis 포자에 대한 살균 작용 스펙트럼(Cabaj 등, 2002)을 함께 보여줍니다. 185 nm 공명선은 측정 범위를 벗어나므로 개략적으로 표시되어 있습니다.

저압 수은 램프는 수은 방울과 시동 가스(보통 아르곤)를 포함하는 석영관 내부의 기체 방전입니다. 수은 증기압은 수 파스칼이며, 내부 전체 압력은 약 10 mbar까지 이릅니다. 이 방전은 강하게 비열적(非熱的)입니다: 전자는 수 전자볼트에 도달하지만 기체는 거의 차갑게 유지됩니다. 바로 이 불균형 때문에 공급된 전력이 열보다는 주로 여기(勵起)에 사용됩니다.

전자 충돌은 수은 원자를 공명 준위로 여기시키며, 바닥 상태로의 붕괴는 두 개의 공명선을 만들어 냅니다. 253.7 nm에는 주 발광선이 위치하며, 따라서 살균에 사용되는 부분입니다. 185 nm의 두 번째 선은 외피 재료가 이를 투과할 때에만 램프를 벗어나며, 공기 중에서는 오존을 생성하므로 응용에 따라 산화 공정에 의도적으로 사용되거나 도핑된 석영 유리에 의해 억제됩니다(수은 증기 램프 개요, 독일어).

두 선 모두 공명 상태이기 때문에 광자는 플라즈마 내부에서 반복적으로 흡수되고 재방출됩니다. 이러한 복사 포획(radiation trapping)은 효율을 수은 증기압, 나아가 벽 온도와 직접 연결시킵니다: 가장 차가운 벽 지점의 최적값은 약 40 °C이며, 이보다 높거나 낮으면 254 nm 출력이 감소합니다. 따라서 설비에서는 매질 온도와 유량이 방출되는 복사 전력에 직접적으로 작용합니다. 아말감 램프는 이 최적점을 더 높은 온도로 이동시켜 상당히 높은 전력 밀도를 가능하게 합니다.

수명 기간 동안 선의 위치는 안정적으로 유지되는 반면 복사 전력은 감소합니다. 측정 관점에서 이는 유리한 경우입니다: 센서의 분광 가중치는 여전히 유효하며 진폭만 감소합니다. 중압 램프와 UVC LED의 경우 분광 분포도 함께 변화하는데, 이것이 뒤에서 설명하는 불일치(mismatch)가 발생하는 원인입니다.

효과가 기술보다 먼저 나타났습니다. 1877년 다운스(Downes)와 블런트(Blunt)는 햇빛이 세균 증식을 억제한다는 것을 보여주었고, 1903년 닐스 리베리 핀센(Niels Ryberg Finsen)은 광선요법으로 노벨상을 수상했습니다. 이에 상응하는 광원도 함께 등장했습니다: 레오 아론스(Leo Arons)는 1892년의 연구를 바탕으로 수은증기램프의 발명자로 여겨지며, 1905년부터는 석영유리 선램프(sun lamp)가 뒤를 이었고, 1923년부터 1934년 사이에는 수은 방전램프가 저압, 중압, 고압 버전으로 상용화되었습니다(수은증기램프 개요, 독일어). 최초의 UV 음용수 소독 설비는 이미 1910년 마르세유에서 가동되었습니다.

효과가 측정 가능하고 비교 가능해진 것은 훨씬 나중의 일이었습니다. 1930년 R. L. 게이츠(R. L. Gates)는 살균 효과에 대한 최초의 체계적 연구를 발표하여 살균 작용 스펙트럼을 도입했습니다. 1980년대부터는 음용수 처리 분야에서 규범적 근거가 마련되었으며, 독일에서는 DVGW 지침 W 294와 DIN 19294가 오늘날 시험, 설비 센서 및 기준 측정을 규정하고 있습니다.

이러한 발전은 세 단계로 이루어졌습니다: 19세기의 생물학적 관찰, 20세기 전반부의 제어 가능한 광원, 그리고 20세기 후반부의 계측 및 규범적 보증입니다. 세 번째 단계에 이르러서야 비로소 하나의 효과가 모니터링 가능한 절차로 전환됩니다.

가장 큰 응용 분야는 유량형 반응기에서의 상수도, 공정수 및 폐수 소독이며, 독일에서는 DVGW W 294 및 DIN 19294-3에 따른 설비 센서 및 기준 측정과 함께 이루어집니다. 이와 더불어 병원 및 식품·의약품 생산 현장, 환기 덕트 및 클린룸에서의 공기 및 표면 소독, 그리고 음료 및 식품 산업에서의 포장재, 컨베이어 및 충전 라인 처리도 포함됩니다.

185 nm 선이 방출되면 광화학적 효과가 추가됩니다: UV 산화 및 TOC 저감은 광경로에서 생성되는 오존과 이로부터 발생하는 라디칼을 이용하여 작동합니다. 더 짧은 파장을 사용하는 순수 광화학적 대안은 제논 엑시머 램프의 172 nm VUV 복사 측정 페이지에서 설명됩니다. 실험실에서 254 nm 복사는 예를 들어 시준광 조사 장치에서의 용량-반응 연구를 위한 정의된 기준으로 사용됩니다. 효과, 절차 및 표준에 대해서는 응용 페이지 UV 소독에서 자세히 다루고 있습니다.

어떤 경우든 동일한 관계가 성립합니다: 중요한 것은 매체 내에서 실제로 작용하는 복사 노출량이지, 램프의 공칭 출력이 아닙니다. 복사조도, 체류 시간, 유량 및 투과율이 함께 결과를 결정하며, 이 때문에 측정은 절차에 부수적인 것이 아니라 절차의 일부입니다.

• 기준 측정. 측정 소급성이 확보된 교정 기준 복사계로 정해진 위치에서 복사조도를 측정합니다. 예를 들어 설비 센서를 점검하는 데 사용됩니다. 이때 중요한 것은 낮은 측정 불확도와 정의된 형상입니다.
• 설비 모니터링. 영구 설치된 센서가 광원을 지속적으로 감시하여 제어 시스템에 신호를 공급합니다. 이때 중요한 것은 장기 안정성, 매체 및 세정에 대한 내성, 그리고 적합한 인터페이스입니다.
• 조사량 또는 유효조사량 평가. 매체와 관련된 복사 노출량은 직접 측정되는 것이 아니라 복사조도, 체류 시간, 유량 및 매체의 투과율로부터 산출되거나, 생물학적 선량 측정법으로 결정됩니다.

이 세 가지 과제는 각각 별도로 정의됩니다. 설비 센서는 기준 측정을 대체하지 않으며, 기준 측정은 조사량 평가를 대체하지 않습니다.

254 nm용으로 설계된 센서는 저압 램프의 좁은 선 스펙트럼에 맞춰져 있습니다. 동일한 센서를 중압 램프나 UVC LED에 사용하면 원래 의도되지 않은 응답도 곡선으로 다른 스펙트럼을 평가하게 됩니다. 그 결과 발생하는 계통적 편차는 광원별 보정 계수를 통해서만 해결할 수 있습니다.

스펙트럼은 동일한 광원 유형 내에서도 수명에 따라 변화합니다. 저압 램프의 경우 출력은 감소하지만 선의 위치는 안정적으로 유지되는 반면, 중압 램프와 LED의 경우 분광 분포 자체도 변화합니다. 따라서 광원 유형을 비교하거나 전환하려는 경우에는 분광 분해된 기준값이 필요합니다.

연속 흐름 반응기에서는 센서가 센서 윈도우를 통해 정해진 장착 위치에서 측정을 수행합니다. 이때 측정되는 것은 매체에 작용하는 복사 노출량 자체가 아니라, 설비 설계를 통해 이와 연결된 신호입니다. 윈도우 오염, 광원의 노화 및 매체의 투과율은 이 신호에 서로 다른 영향을 미치므로, 센서 위치, 교정 및 평가 규칙을 함께 정의해야 합니다.

실험실에서는 collimated beam 장치를 통해 시료에 정의된, 거의 평행한 조사(照射)가 가능하며, 이를 통해 신뢰할 수 있는 조사량-반응 관계를 얻을 수 있습니다. 반응기로의 전환은 단일 측정값이 아니라 밸리데이션을 통해 이루어집니다. 이 절차는 UV 반응기 밸리데이션 페이지에 설명되어 있습니다.

• UVC 측정기 – 모든 UVC 측정기 및 센서 비교.
• DVGW 기준 복사계 – DIN 19294-3에 따른 정수 설비 기준 측정.
• UVC-SE 및 UVx-SE – 설비의 상시 모니터링을 위한 내압형 센서.
• RMD Pro와 UVC 센서 – 램프, 챔버 및 표면에서의 휴대용 측정.
• SR900 – 광원 유형을 비교하거나 스펙트럼을 알 수 없는 경우의 분광 분해 기준 측정.

모든 측정 체인은 공인 교정기관에서 소급성 있게 교정됩니다. 응용 페이지 자외선(UV) 소독에서는 이 측정을 효과, 공정 및 표준의 맥락에서 다룹니다.

Dr.-Ing. Mark Paravia는 에틀링엔(Ettlingen) 소재 Opsytec Dr. Gröbel GmbH의 대표이사이며 공인 교정기관을 이끌고 있습니다. KIT 조명공학연구소에서 펄스 제논 엑시머 방전에 관한 연구를 수행한 이후, 현재는 광학 복사측정에 주력하고 있습니다. 그는 DIN 표준위원회 FNL 7 "광학 복사"의 부위원장이며 DVGW의 UV 소독 프로젝트 그룹 위원입니다.