UV-spektroradiometre og optiske spektrometre

UV-spektroradiometre og optiske spektrometre registrerer stråling oppløst etter bølgelengde. Dette gjør det mulig å vurdere den spektrale fordelingen, toppens plassering, båndbredden og spektrale endringer i en UV-kilde. Absolutt irradians krever i tillegg en radiometrisk kalibrering av hele målekjeden. Valget bestemmes framfor alt av bølgelengdeområde, spektral oppløsning, dynamisk område, streilysegenskaper og målegeometri.

Porteføljen omfatter de bærbare UV-spektroradiometrene UVpad og UVpad E samt array-spektrometeret SR900 for forskning, utvikling og kvalitetssikring. Skrivemåten spektroradiometer og samlebetegnelsen spektralt måleinstrument er også vanlige – det er det samme instrumentet det er snakk om.

Alle tre er absolutt kalibrert; kalibreringen skjer i vårt laboratorium akkreditert etter ISO 17025 og er sporbar til PTB. De tilhørende størrelsene og enhetene er beskrevet under radiometriske størrelser, områdegrensene under spektralområder og standarder.

Begge begrepene beskriver samme optiske konstruksjon, men to ulike måleoppgaver. Forskjellen ligger ikke i optikken, men i kalibreringen og inngangsgeometrien: et spektrometer spalter lyset og gir ut en relativ kurve. Et spektroradiometer er et absolutt kalibrert spektrometer – det leverer spektral irradians i W/(m²·nm) og ut fra den mW/cm², lux eller PPFD.

Trenger du en irradians eller en dose, trenger du et spektroradiometer; alt annet måler relativt. Alle instrumenter i denne kategorien er spektroradiometre. For måling av transmisjon og UVT i prosessen – en fotometrisk og ikke en radiometrisk oppgave – tilbyr Opsytec prosessfotometeret ZPM.

Et spektrometer leverer counts – tall som avhenger av detektoren, integrasjonstiden, inngangsspalten og lyslederen. De sier hvor kilden emitterer, ikke hvor mye. Bare en absolutt kalibrering mot en standard tilordner en fysisk verdi til hver bølgelengde og gjør kurven til en måling.

Til det trengs tre ting, og et vanlig spektrometer har ingen av dem:

• En sporbar kalibrering mot en standard som selv går tilbake til et nasjonalt institutt – hos Opsytec til PTB. Uten den er verdien ikke sammenlignbar, ikke engang med ditt eget instrument fra i fjor.
• En definert inngangsoptikk. Irradians er effekt per areal, så instrumentet må samle inn et kjent areal med cosinusriktig vekting. En lysleder uten diffusor gjør ikke det.
• Korreksjon for spredt lys. I UV-C-området er signalet ofte flere størrelsesordener svakere enn i det synlige. Uten korreksjon er det du måler der stort sett spredt lys fra instrumentets innside.

Et bredbåndsradiometer måler raskere, koster mindre og er mer robust i daglig bruk; det vekter imidlertid strålingen med sin egen spektrale følsomhet og er bare korrekt når kilden ligner på kalibreringskilden. For kontinuerlig overvåking av et kjent anlegg er det fortsatt det riktige valget – det er nettopp det bredbåndsradiometre for prosess- og dosekontroll er til for.

Så snart kilden endres, flere bølgelengder må vurderes hver for seg eller et virkningsspektrum må legges til grunn, kommer man ikke unna spekteret. Den fullstendige sammenligningen av de to konstruksjonene, inkludert feilkildene deres, finner du under når et spektroradiometer er nødvendig.

Første spørsmål: trenger du en absoluttverdi? Hvis det bare handler om plasseringen av toppen, FWHM eller å sammenligne to partier, er en relativ måling nok – et spektrometer holder. Så snart det må komme ut et tall i mW/cm², lux eller J/cm², kommer du ikke forbi absolutt kalibrering.

Andre spørsmål: hvilket bølgelengdeområde? Ren UV til 440 nm, UV pluss begynnelsen av det synlige til 480 nm, eller hele det optiske spekteret til 1 100 nm – det avgjør instrumentet.

Tredje spørsmål: hvor foretas målingen? Ingen kabel går ut av et lukket kammer; der må instrumentet måle og lagre autonomt. På arbeidsplassen eller på en linje i drift er et sensorhode på kabel riktig. På den optiske benken er det området og oppløsningen som teller, ikke størrelsen.

Den siste raden er ingen selvmotsigelse, men det vanligste svaret i praksis: mål spektralt én gang, og overvåk deretter bredbåndet. Den spektrale målingen fastslår hvordan bredbåndssensoren avviker ved denne kilden; etter det er det raske instrumentet tilstrekkelig for gjentatte kontroller – så lenge kilden forblir den samme. Bytter du lampe, starter kjeden på nytt.

Et spektrometer deler lyset opp i bølgelengdene sine og måler intensiteten til hver enkelt av dem. Inngangsoptikken bestråles først. Et dispersivt element – et prisme eller et gitter – skiller bølgelengdene romlig; fotodioder eller CCD-matriser detekterer dem deretter. Det resulterende spekteret gir grunnlag for konklusjoner om en lampe, en LED eller en prøve.

Den vanligste konstruksjonen er Czerny-Turner-spektrometeret: to speil og et gitter, plassert slik at optiske avbildningsfeil holdes små og den spektrale oppløsningen holdes høy. Konstruksjonen er kompakt nok for mobile instrumenter og små laboratoriebenker.

Man må skille mellom tre konstruksjoner.

Array-spektrometre bruker en rekke detektorer, vanligvis CCD eller CMOS, som fanger opp hele spekteret på én gang. Det gjør målingen rask og krever ingen bevegelige deler. Alle spektroradiometre fra Opsytec fungerer på denne måten.

Monokromatorer har en spalte og et roterende gitter og slipper gjennom én bølgelengde om gangen. De måler svært nøyaktig og med høy spektral renhet, men de trenger tid – én bølgelengde etter den andre. Typisk for forskning og kvalitetskontroll der det er valget av bølgelengde som betyr noe.

Dobbeltmonokromatorer plasserer to monokromatorer i serie. Det reduserer streulys ytterligere og er nødvendig overalt der svært svake signaler ligger ved siden av sterke – i UV-området og i laboratoriemetrologi med høy nøyaktighet.

Ett enkelt spektrum gir flere størrelser:

• Belysningsstyrke – den fotometrisk vektede lysintensiteten
• Korrelert fargetemperatur (CCT) – beskriver hvor varmt eller kaldt lyset virker
• Fargegjengivelsesindekser – hvor nøyaktig en kilde gjengir farger
• CIE-fargekoordinater – fargestedet i standardfargerommet
• Spektral effektfordeling – hvordan energien fordeler seg over spekteret
• Topp- og dominerende bølgelengde – hvor den høyeste og den visuelt dominerende energien ligger

Et bredbåndsradiometer gir derimot bare én enkelt verdi.

Hva de enkelte størrelsene betyr, er forklart under kolorimetriske størrelser; symbol, enhet og definisjon for hver optisk størrelse finner du i ordlisten over optiske størrelser.

Ordet spektrometer strekker seg langt utover lysmåling. Tre instrumenttyper dukker jevnlig opp i samme søk og måler noe helt annet:

Massespektrometre skiller ioner etter masse-til-ladning-forholdet. De identifiserer de minste mengdene av et stoff og brukes i kjemisk analyse, biokjemi, miljøvitenskap og legemiddelindustrien.

Atomabsorpsjonsspektrometre måler hvordan fordampede metallatomer absorberer lys, og bestemmer ut fra dette metallkonsentrasjoner i løsning – miljøanalyse, toksikologi og materialvitenskap, først og fremst for tungmetaller.

Spektrofotometre, ofte kalt UV-Vis-spektrometre, måler absorpsjonen eller transmisjonen til en prøve og utleder konsentrasjoner av dette. Utbredt innen klinisk diagnostikk, vannanalyse og næringsmiddelkontroll. For transmisjon og UVT i prosessen tilbyr Opsytec ZPM-prosessfotometeret.

Et spektroradiometer måler derimot spektral irradians mot en absolutt kalibrering. Inngangsoptikken er en diffusor, vanligvis tilkoblet via en lysleder – som i SR900-spektroradiometeret.

Hva skiller et spektrometer fra et spektroradiometer?
Et spektrometer gir relative verdier; et spektroradiometer er absoluttkalibrert og gir spektral irradians. Alle instrumenter i denne kategorien er spektroradiometre.

Hvilket bølgelengdeområde og hvilken oppløsning trenger jeg?
Området må dekke emisjonen og eventuelle sekundærbånd i sin helhet – kun UV opp til 440 nm, UV pluss begynnelsen av det synlige opp til 480 nm, eller hele det optiske spekteret opp til 1 100 nm. Oppløsningen avgjør om tett liggende topper eller smale linjer fortsatt skilles fra hverandre.

Hvilke målefeil oppstår med array-spektrometre?
Fremfor alt spredt lys: deler av sterke bølgelengder dukker opp der de ikke hører hjemme. I UV-C er signalet ofte flere størrelsesordener svakere enn i det synlige området – uten korreksjon for spredt lys er det i hovedsak instrumentets eget spredte lys som måles der. I tillegg kommer mørkestrøm, ulinearitet og temperaturdrift.

Hvilke størrelser kan beregnes ut fra et spekter?
Spektral irradians gir nesten enhver måltallsverdi ved integrasjon og vekting: irradians per spektralområde, UV-dose, belysningsstyrke via V(λ), PPFD og virkningsvektede verdier som de etter IEC 62471. Nettopp det er fordelen sammenlignet med bredbåndsradiometre for prosess- og dosekontroll.

Finn riktig sensor: UV-sensorfinneren foreslår de tre best egnede UV-sensorene og måleinstrumentene etter bruksområde, bølgelengde og formfaktor – med nøkkelverdier, systempartner og begrunnelse.