Meten en bewaken van UVC-straling bij 254 nm

De 253,7 nm-lijn van kwiklampen met lage druk is een centrale stralingsbron bij UV-desinfectie van water en lucht. Referentiemeting, procesbewaking en dosisbepaling vragen elk om andere sensorconcepten. Van belang zijn de spectrale afstemming, meetgeometrie, langetermijnstabiliteit en een kalibratie die overeenkomt met de daadwerkelijke bron.

Deze pagina onderscheidt de drie meettaken en laat zien welke fouten ontstaan wanneer sensor en bron niet op elkaar zijn afgestemd.

Het kiemdodende effect van UV-straling is afhankelijk van de golflengte. Het volgt in essentie de absorptie van nucleïnezuren en bereikt zijn maximum in het gebied rond 265 nm. De hoofdemissielijn van de kwiklaagdruklamp ligt op 253,7 nm en dus dichtbij: hierdoor wordt een groot deel van het effect benut zonder precies op het maximum te liggen.

De golflengte alleen is echter niet doorslaggevend. Het effect is het resultaat van golflengte, stralingsexpositie – bestralingssterkte maal tijd – en de gevoeligheid van het betreffende micro-organisme. Dat 254 nm de technische standaard is geworden, is dan ook net zo goed een praktische kwestie: de bron werkt met een hoog rendement, het spectrum is smal en daardoor metrologisch eenduidig te evalueren, de transmissie in lucht en water is over praktisch relevante afstanden voldoende, en de normatieve basis is in de loop van decennia opgebouwd.

De onderstaande afbeelding toont het gemeten spectrum van een kwiklaagdruklamp uit de spectrale database van Opsytec samen met een microbicide werkingsspectrum voor sporen van Bacillus subtilis (Cabaj et al. 2002, genormaliseerd op 253,7 nm). De resonantielijn bij 185 nm is schematisch weergegeven omdat deze buiten het gemeten bereik ligt.

De lagedruk-kwiklamp is een gasontlading in een kwartsbuis die een druppel kwik en een startgas, meestal argon, bevat. De kwikdampdruk bedraagt enkele pascal, de totale interne druk tot circa 10 mbar. De ontlading is sterk niet-thermisch: de elektronen bereiken enkele elektronvolt terwijl het gas bijna koud blijft. Precies deze onbalans zorgt ervoor dat het toegevoerde vermogen vooral naar excitatie gaat en niet naar warmte.

Botsingen met elektronen brengen kwikatomen naar de resonantieniveaus; hun terugval naar de grondtoestand levert de twee resonantielijnen op. Bij 253,7 nm ligt de hoofdemissielijn en dus het aandeel dat kiemdodend wordt gebruikt. De tweede lijn bij 185 nm verlaat de lamp alleen als het mantelmateriaal deze doorlaat; in lucht vormt deze ozon en wordt, afhankelijk van de toepassing, bewust gebruikt voor oxidatieprocessen of onderdrukt door gedoteerd kwartsglas (overzicht van de kwikdamplamp, in het Duits).

Omdat beide lijnen resonant zijn, worden de fotonen binnen het plasma herhaaldelijk geabsorbeerd en opnieuw uitgezonden. Deze stralingsopsluiting koppelt de efficiëntie direct aan de kwikdampdruk en dus aan de wandtemperatuur: het optimum van de koudste wandplek ligt rond 40 °C, en daarboven en daaronder neemt de 254 nm-output af. In een installatie werken mediumtemperatuur en doorstroming daarom direct in op het uitgezonden stralingsvermogen. Amalgaamlampen verschuiven dit optimum naar hogere temperaturen en maken aanzienlijk hogere vermogensdichtheden mogelijk.

Over de levensduur blijft de positie van de lijn stabiel terwijl het stralingsvermogen afneemt. Voor meting is dit het gunstige geval: de spectrale weging van de sensor blijft geldig en alleen de amplitude daalt. Bij middendruklampen en UVC-LED's verandert ook de spectrale verdeling – vandaar de mismatch die verder onderaan wordt beschreven.

Het effect kwam vóór de technologie. In 1877 toonden Downes en Blunt aan dat zonlicht bacteriegroei remt; in 1903 ontving Niels Ryberg Finsen de Nobelprijs voor lichttherapie. De bijpassende bron ontstond parallel daaraan: Leo Arons wordt beschouwd als de uitvinder van de kwikdamplamp op basis van werk uit 1892, de kwartsglazen zonlamp volgde vanaf 1905, en tussen 1923 en 1934 werden kwikontladingslampen commercieel op de markt gebracht als lage-, midden- en hogedrukversies (overzicht van de kwikdamplamp, in het Duits). De eerste UV-installatie voor drinkwaterdesinfectie ging al in 1910 in Marseille in bedrijf.

Pas later werd het effect meetbaar en vergelijkbaar. In 1930 publiceerde R. L. Gates de eerste systematische studie naar het bactericide effect en introduceerde daarmee het kiemdodende actiespectrum. Vanaf de jaren 1980 volgde de normatieve verankering in de drinkwaterbehandeling; in Duitsland bepalen het DVGW-werkblad W 294 en DIN 19294 vandaag de dag de keuring, installatiesensoren en referentiemeting.

De ontwikkeling verliep dus in drie stappen: biologische waarneming in de 19e eeuw, een regelbare bron in de eerste helft van de 20e eeuw, en metrologische en normatieve borging in de tweede helft ervan. Pas de derde stap maakt van een effect een controleerbare procedure.

Het grootste toepassingsgebied is de desinfectie van drink-, proces- en afvalwater in doorstroomreactoren, in Duitsland met installatiesensoren en referentiemeting volgens DVGW W 294 en DIN 19294-3. Daarnaast is er de desinfectie van lucht en oppervlakken in klinieken en in de productie van voedingsmiddelen en farmaceutica, in ventilatiekanalen en cleanrooms, evenals de behandeling van verpakkingen, transportbanden en vullijnen in de drank- en voedingsmiddelenindustrie.

Wordt de 185 nm-lijn vrijgegeven, dan komt het fotochemische effect erbij: UV-oxidatie en TOC-reductie werken met de ozon die in de stralingsbaan ontstaat en de radicalen die daaruit voortkomen. Een nog korfgolvigere, puur fotochemische alternatief wordt beschreven op de pagina meten van 172 nm VUV-straling van xenon-excimerlampen. In het laboratorium dient 254 nm-straling ten slotte als gedefinieerde referentie, bijvoorbeeld voor dosis-responsonderzoeken in een collimated-beam-opstelling. Effect, procedures en normen worden in context geplaatst op de toepassingspagina UV-desinfectie.

In elk geval geldt dezelfde relatie: wat telt is de daadwerkelijk in het medium effectieve stralingsexpositie, niet het nominale vermogen van de lamp. Bestralingssterkte, verblijftijd, doorstroming en transmissie bepalen samen het resultaat – daarom is meten onderdeel van het proces en geen accessoire ervan.

• Referentiemeting. Een traceerbaar gekalibreerde referentieradiometer bepaalt de bestralingssterkte op een gedefinieerde positie, bijvoorbeeld om een installatiesensor te controleren. Hier zijn een lage meetonzekerheid en een gedefinieerde geometrie van belang.
• Bewaking van de installatie. Een permanent geïnstalleerde sensor bewaakt de bron continu en levert een signaal aan het besturingssysteem. Hier zijn langetermijnstabiliteit, bestendigheid tegen het medium en tegen reiniging, en een geschikte interface van belang.
• Bepaling van dosis of fluentie. De op het medium betrokken stralingsexpositie wordt niet direct gemeten, maar afgeleid uit bestralingssterkte, verblijftijd, doorstroming en de transmissie van het medium, of biodosimetrisch bepaald.

Deze drie taken worden afzonderlijk gedefinieerd. Een installatiesensor vervangt geen referentiemeting, en een referentiemeting vervangt geen dosisbepaling.

Een sensor die is ontworpen voor 254 nm is afgestemd op het smalle lijnspectrum van de lagedruklamp. Als dezelfde sensor wordt gebruikt bij een middendruklamp of een UVC-LED, evalueert deze een ander spectrum met een gevoeligheidscurve die daar niet voor bedoeld is. Het resultaat is een systematische afwijking die alleen kan worden verholpen met een bronspecifieke correctiefactor.

Het spectrum verandert ook gedurende de levensduur binnen één type bron. Bij lagedruklampen blijft de lijnpositie stabiel terwijl het uitgangsvermogen daalt; bij middendruklampen en LED's verandert ook de spectrale verdeling. Wie brontypes vergelijkt of overschakelt, heeft daarom een spectraal opgeloste referentie nodig.

In doorstroomreactoren meet een sensor op een gedefinieerde montagepositie door een sensorvenster. Wat wordt gemeten, is niet de stralingsexpositie die op het medium inwerkt, maar een signaal dat door het ontwerp van de installatie daarmee verbonden is. Vervuiling van het venster, veroudering van de bron en de transmissie van het medium beïnvloeden dit signaal op verschillende wijze – daarom moeten sensorpositie, kalibratie en evaluatieregel gezamenlijk worden vastgelegd.

In het laboratorium maken collimated-beam-opstellingen een gedefinieerde, bijna parallelle bestraling van een monster mogelijk en daarmee een betrouwbare dosis-responsrelatie. De overdracht naar de reactor gebeurt door validatie, niet door één enkele meetwaarde. De procedure wordt beschreven op de pagina UV-reactorvalidatie.

• UVC-meter – alle UVC-meters en sensoren vergeleken.
• DVGW-referentieradiometer – referentiemeting op drinkwaterinstallaties conform DIN 19294-3.
• UVC-SE en UVx-SE – druktbestendige sensoren voor permanente installatiebewaking.
• RMD Pro met een UVC-sensor – handmatige meting op lampen, kamers en oppervlakken.
• SR900 – spectraal opgeloste referentie wanneer brontypes worden vergeleken of het spectrum onbekend is.

Alle meetketens worden herleidbaar gekalibreerd in het geaccrediteerde kalibratielaboratorium. De toepassingspagina UV-desinfectie plaatst de meting in de context van effect, proces en normen.

Dr.-Ing. Mark Paravia is algemeen directeur van Opsytec Dr. Gröbel GmbH in Ettlingen en leidt het geaccrediteerde kalibratielaboratorium. Na zijn onderzoek naar gepulseerde xenon-excimerontladingen aan het Institute of Lighting Technology van het KIT ligt zijn focus vandaag op optische stralingsmeting. Hij is vicevoorzitter van het DIN-normcomité FNL 7 "Optical radiation" en lid van de DVGW-projectgroep voor UV-desinfectie.