Radiometrische grootheden met symbolen en eenheden

Radiometrische grootheden beschrijven elektromagnetische straling in energetische termen, onafhankelijk van de gevoeligheid van het oog – in technische toepassingen vooral UV- en IR-straling. De vier basisgrootheden zijn stralingsflux Φ in watt, bestralingssterkte E in W/m² of mW/cm², stralingsdichtheid L en stralingsintensiteit I. Dit vakgebied heet radiometrie; de op het oog afgestemde tegenhangers zijn de fotometrische grootheden.

Radiometrische grootheden zijn gemeten grootheden die betrekking hebben op de totale elektromagnetische straling. In technische toepassingen wordt dit gebruikt als UV-straling of IR-straling. Dit vakgebied heet radiometrie. Straling wordt geclassificeerd op basis van de golflengte van de straling.

Het volgende diagram toont de vier radiometrische grootheden. De tabel bevat voor elke grootheid een visuele weergave, wiskundige definitie, eenheid en korte toelichting.

1. Stralingsflux Φ
2. Bestralingssterkte E
3. Stralingsdichtheid L
4. Stralingsintensiteit I

Tabel om te downloaden: Radiometrische grootheden en eenheden (XLSX) – met omrekeningsfactoren en de spectrale bereiken volgens DIN/ISO 20473. De op het oog gewogen tegenhangers staan vermeld onder fotometrische grootheden, de kleurgerelateerde onder colorimetrische grootheden, de bandgrenzen onder spectrale bereiken en normen. Alle grootheden samen – met symbool, eenheid en de bijbehorende rekentool – staan in het glossarium van optische grootheden.

Stralingsflux

Stralingsflux, ook wel stralingsvermogen genoemd, is de totale hoeveelheid energie die een stralingsbron per tijdseenheid in alle richtingen uitzendt. De eenheid van stralingsflux is de watt (W).

• Formuletken: Φ
• Eenheid: W
• Definitie: Het totale uitgezonden stralingsvermogen.

Voorbeeld:

Een standaard gloeilamp met een opgenomen vermogen van 60 watt zendt ongeveer 57 watt uit als stralingsflux, terwijl de rest als warmte verloren gaat. Deze 57 watt is verdeeld over het zichtbare en infrarode spectrum.

De stralingsflux wordt gemeten in een integrerende bol.

Bestralingssterkte

Bestralingssterkte is een fysische grootheid die de vermogensdichtheid van de straling die op een oppervlak valt, beschrijft. Ze wordt gedefinieerd als het stralingsvermogen per oppervlakte-eenheid dat op een oppervlakelement valt. De eenheid van bestralingssterkte is watt per vierkante meter (W/m²) of milliwatt per vierkante centimeter (mW/cm²). Een UV-meter is geschikt voor het meten van de bestralingssterkte.

• Formuletken: E
• Eenheid: W/m², mW/cm²
• Definitie: Stralingsvermogen dat op een oppervlakelement valt, betrokken op de oppervlakte ervan.

De bestralingssterkte geeft aan hoeveel energie in de vorm van straling per tijdseenheid op een bepaald oppervlak valt. Schuin invallende straling telt mee met de cosinus van de invalshoek; meetkoppen zijn daarom cosinusgecorrigeerd.
Tip: W/m² omrekenen naar mW/cm²

Voorbeeld:

De gemiddelde bestralingssterkte van de zon op het aardoppervlak op een heldere dag is ongeveer 1000 W/m². Dit betekent dat elke vierkante meter van het aardoppervlak 1000 watt aan straling ontvangt.

De bestralingssterkte wordt gemeten met een radiometer.

Stralingsdichtheid

Stralingsdichtheid is een fysische grootheid die het stralingsvermogen beschrijft dat een stralingsbron per oppervlakte-eenheid en per ruimtehoekeenheid uitzendt. Ze wordt gemeten in watt per vierkante meter per steradiaal (W/(m²-sr)).

• Formuletken: L
• Eenheid: W/(sr m²)
• Definitie: Quotiënt van de uitgezonden stralingsflux en het product van oppervlakelement en ruimtehoek.

De stralingsdichtheid houdt rekening met zowel het oppervlak van de stralingsbron als de ruimtehoek waarin de straling wordt uitgezonden.

Voorbeeld:

De zon heeft een hoge stralingsdichtheid omdat ze een grote hoeveelheid stralingsenergie over een relatief klein oppervlak de ruimte in zendt.

Stralingsintensiteit

Stralingsintensiteit is een fysische grootheid die de stroom van straling in een bepaalde richting per ruimtehoekeenheid beschrijft. Ze wordt gebruikt om de intensiteit van straling in een specifieke richting aan te geven. De eenheid van stralingsintensiteit is watt per steradiaal (W/sr).

• Formuletken: I
• Eenheid: W/sr
• Definitie: Quotiënt van de in een bepaalde richting uitgezonden stralingsflux en het ruimtehoekelement.

De stralingsintensiteit beschrijft de hoeveelheid energie die een stralingsbron in een specifieke richting binnen een ruimtehoek uitzendt. Het is een maat voor de richtingsafhankelijkheid van het uitgezonden vermogen.

Voorbeeld:

Een LED met een stralingsflux van 1 W heeft een stralingsintensiteit van 10 W/sr als hij het licht uitzendt binnen een ruimtehoek van 0,1 sr. Dit betekent dat de uitgezonden energie sterk geconcentreerd is op een kleine ruimtehoek.

Wat is het verschil tussen bestralingssterkte en dosis?
Bestralingssterkte E (W/m² of mW/cm²) is het momentane vermogen per oppervlakte-eenheid; stralingsexpositie – in de volksmond de dosis – is de integraal daarvan over de tijd, H (J/m² of mJ/cm²). Bij constante bestralingssterkte geldt H = E · t. De bestralingssterkte bepaalt hoe snel een dosis wordt bereikt; of het beoogde effect optreedt, wordt meestal bepaald door de dosis. Beide grootheden dienen daarom afzonderlijk in de documentatie te worden opgenomen – een tijdsduur alleen is geen bewijs.

Wat onderscheidt fluence van dosis?
Stralingsexpositie betreft een vast, vlak ontvangend oppervlak en weegt schuin invallende straling met de cosinus van de invalshoek. Fluence daarentegen betreft een object dat straling vanuit alle richtingen kan ontvangen – bijvoorbeeld een micro-organisme in een reactor of een luchtkanaal. In een gericht stralingsveld komen beide overeen; in een diffuus veld kan de fluence aanzienlijk groter zijn dan de expositie die op een vlak wordt gemeten. Waar dit verschil het proces bepaalt, wordt getoond in UV-desinfectie.

Waarom is het elektrische lampvermogen geen meetgrootheid?
Tussen het opgenomen elektrische vermogen en het effect op de procesplaats liggen het elektro-optische rendement, de spectrale verdeling van de bron, afstand en invalshoek, de transmissie van vensters en beschermhulzen, en vervuiling en veroudering. Geen van deze factoren is constant over de levensduur. Het nominale vermogen beschrijft daarom de bedrijfstoestand van de bron, niet het resultaat op het werkstuk, het organisme of het monster. Hoe dit leidt tot een betrouwbare procesvrijgave in een installatie, wordt behandeld onder automatisering en procesintegratie.

Wat onderscheidt bestralingssterkte van radiantie?
Bestralingssterkte is een ontvangergrootheid: ze beschrijft wat op een oppervlak aankomt, ongeacht de richting. Radiantie is een brongrootheid: ze beschrijft wat een bron per oppervlakte-eenheid en ruimtehoek uitzendt. Het vrijgeven van een proces hangt af van de bestralingssterkte op het werkpunt; het beoordelen van uitgebreide bronnen volgens IEC 62471 hangt daarentegen af van de radiantie – zie arbeidsveiligheid en fotobiologische veiligheid.

Wanneer is een breedbandmeting voldoende en wanneer is een spectrale meting nodig?
Een breedbandmeting is voldoende als de bron bekend en spectraal stabiel is en de sensor tegen precies die bron werd gekalibreerd. Een spectrale meting is vereist zodra verschillende brontechnologieën worden vergeleken, het spectrum verschuift door veroudering of dimmen, een actiespectrum moet worden toegepast, of meerdere spectrale banden afzonderlijk moeten worden beoordeeld. De onderliggende fout is spectrale mismatch.