Måling og overvåking av UVC-stråling ved 254 nm

253,7 nm-linjen fra kvikksølvlavtrykkslamper er en sentral strålingskilde i UV-vannbehandling og luftrensing ved desinfeksjon. Referansemåling, anleggsovervåking og doseevaluering krever hver sine sensorkonsepter. Det som er avgjørende, er spektral tilpasning, målegeometri, langtidsstabilitet og en kalibrering som stemmer med den faktiske kilden.

Denne siden skiller de tre måleoppgavene og viser hvilke feil som oppstår når sensor og kilde ikke stemmer med hverandre.

Den germicide effekten av UV-stråling avhenger av bølgelengde. Den følger i hovedsak absorpsjonen av nukleinsyrer og når sitt maksimum i området rundt 265 nm. Hovedemisjonslinjen til lavtrykks-kvikksølvlampen ligger på 253,7 nm og dermed i nærheten: den fanger opp en stor del av effekten uten å ligge nøyaktig på maksimumet.

Bølgelengde alene er imidlertid ikke avgjørende. Effekten er et resultat av bølgelengde, stråleeksponering – irradians multiplisert med tid – og sensitiviteten til den aktuelle mikroorganismen. At 254 nm har blitt den tekniske standarden, er derfor like mye et praktisk spørsmål: kilden fungerer med høy effektivitet, spekteret er smalt og dermed entydig å evaluere metrologisk, transmisjonen i luft og vann er tilstrekkelig over praktisk relevante avstander, og det normative grunnlaget er bygget opp over flere tiår.

Figuren nedenfor viser det målte spekteret til en lavtrykks-kvikksølvlampe fra Opsytecs spektraldatabase sammen med et mikrobicid aksjonsspekter for sporer av Bacillus subtilis (Cabaj et al. 2002, normalisert ved 253,7 nm). Resonanslinjen ved 185 nm er tegnet skjematisk fordi den ligger utenfor det målte området.

Kvikksølv-lavtrykkslampen er en gassutladning i et kvartsrør som inneholder en dråpe kvikksølv og en startgass, vanligvis argon. Kvikksølvdampen har et trykk på noen få pascal, det totale innvendige trykket er opptil omtrent 10 mbar. Utladningen er sterkt ikke-termisk: elektronene når noen få elektronvolt, mens gassen forblir nesten kald. Det er nettopp denne ubalansen som gjør at den tilførte effekten hovedsakelig går til eksitasjon i stedet for til varme.

Elektronkollisjoner hever kvikksølvatomer til resonansnivåene; deres henfall til grunntilstanden gir de to resonanslinjene. Ved 253,7 nm ligger hovedemisjonslinjen og dermed den germicid brukte andelen. Den andre linjen ved 185 nm forlater lampen bare hvis omhyllingsmaterialet slipper den gjennom; i luft danner den ozon og blir, avhengig av bruksområdet, enten brukt bevisst til oksidasjonsprosesser eller undertrykt av dopet kvartsglass (oversikt over kvikksølvdamplampen, på tysk).

Fordi begge linjene er resonante, blir fotonene gjentatte ganger absorbert og reemittert inne i plasmaet. Denne strålingsinnfangingen knytter effektiviteten direkte til kvikksølvdamptrykket og dermed til veggtemperaturen: optimum for det kaldeste veggpunktet ligger omkring 40 °C, og over og under dette faller 254 nm-utgangseffekten. I et anlegg påvirker derfor medietemperatur og gjennomstrømning direkte den utsendte strålingseffekten. Amalgamlamper flytter dette optimumet til høyere temperaturer og gir betydelig høyere effekttettheter.

Over levetiden forblir linjens posisjon stabil, mens strålingseffekten avtar. For måling er dette det gunstige tilfellet: sensorens spektrale veiing forblir gyldig, og bare amplituden faller. Med mellomtrykkslamper og UVC-LED-er endres også den spektrale fordelingen – noe som er opprinnelsen til det avviket som beskrives videre nedenfor.

Effekten kom før teknologien. I 1877 viste Downes og Blunt at sollys hemmer bakterievekst; i 1903 mottok Niels Ryberg Finsen nobelprisen for lysterapi. Den tilhørende strålekilden ble utviklet parallelt: Leo Arons regnes som oppfinneren av kvikksølvdamplampen på grunnlag av arbeider fra 1892, sollampen av kvartsglass fulgte fra 1905, og mellom 1923 og 1934 ble kvikksølvutladningslamper kommersialisert som lav-, mellom- og høytrykksvarianter (oversikt over kvikksølvdamplampen, på tysk). Det første UV-anlegget for desinfeksjon av drikkevann ble satt i drift i Marseille allerede i 1910.

Først senere ble effekten målbar og sammenlignbar. I 1930 publiserte R. L. Gates den første systematiske studien av den bakteriedrepende effekten og innførte dermed det germicide virkningsspekteret. Fra 1980-årene kom den normative forankringen i drikkevannsbehandlingen; i Tyskland preger DVGW-regelverket W 294 og DIN 19294 i dag testing, anleggssensorer og referansemåling.

Utviklingen skjedde altså i tre trinn: biologisk observasjon i det 19. århundret, en kontrollerbar strålekilde i første halvdel av det 20. århundret, og måleteknisk og normativ sikring i andre halvdel av det. Først det tredje trinnet gjør en effekt til en overvåkbar prosedyre.

Det største bruksområdet er desinfeksjon av drikkevann, prosessvann og avløpsvann i gjennomstrømningsreaktorer, i Tyskland med anleggssensorer og referansemåling iht. DVGW W 294 og DIN 19294-3. I tillegg kommer desinfeksjon av luft og overflater i klinikker og i mat- og legemiddelproduksjon, i ventilasjonskanaler og rene rom, samt behandling av emballasje, transportbånd og fyllelinjer i drikkevare- og næringsmiddelindustrien.

Hvis 185 nm-linjen frigjøres, kommer den fotokjemiske effekten i tillegg: UV-oksidasjon og TOC-reduksjon virker med ozonet som dannes i strålebanen og radikalene som oppstår fra det. Et enda kortbølget, rent fotokjemisk alternativ er beskrevet på siden måling av 172 nm VUV-stråling fra xenon-eksimerlamper. I laboratoriet fungerer til slutt 254 nm-stråling som en definert referanse, for eksempel for dose-respons-studier i et kollimert strålingsoppsett. Effekt, prosedyrer og standarder settes i sammenheng på applikasjonssiden UV-desinfeksjon.

I alle tilfeller gjelder det samme forholdet: det som teller, er stråleeksponeringen som faktisk er effektiv i mediet, ikke lampens nominelle effekt. Irradians, oppholdstid, strømning og transmisjon bestemmer resultatet sammen – derfor er måling en del av prosedyren og ikke et tilbehør til den.

• Referansemåling. Et metrologisk sporbart kalibrert referanseradiometer bestemmer irradiansen ved en definert posisjon, for eksempel for å kontrollere en anleggssensor. Her er det lav målingsusikkerhet og en definert geometri som teller.
• Anleggsovervåking. En permanent installert sensor overvåker kilden kontinuerlig og gir et signal til kontrollsystemet. Her er det langtidsstabilitet, motstand mot mediet og mot rengjøring, samt et egnet grensesnitt som teller.
• Dose- eller fluensvurdering. Stråleeksponeringen relatert til mediet måles ikke direkte, men avledes fra irradians, oppholdstid, strømning og mediets transmittans, eller bestemmes biodosimetrisk.

Disse tre oppgavene er definert separat. En anleggssensor erstatter ikke en referansemåling, og en referansemåling erstatter ikke en dosevurdering.

En sensor designet for 254 nm er tilpasset det smale linjespekteret til lavtrykkslampen. Hvis samme sensor brukes på en mellomtrykkslampe eller en UVC-LED, evaluerer den et annet spekter med en responskurve som ikke er tiltenkt dette. Resultatet er en systematisk avvikelse som bare kan korrigeres med en kildespesifikk korreksjonsfaktor.

Spekteret endres også over levetiden innenfor én type kilde. Hos lavtrykkslamper forblir linjeposisjonen stabil mens utgangseffekten faller; hos mellomtrykkslamper og LED-er endres også den spektrale fordelingen. Alle som sammenligner eller bytter kildetype trenger derfor en spektralt oppløst referanse.

I gjennomstrømningsreaktorer måler en sensor på en definert monteringsposisjon gjennom et sensorvindu. Det som måles, er ikke stråleeksponeringen som virker på mediet, men et signal som er knyttet til denne gjennom anleggets utforming. Tilsmussing av vinduet, aldring av kilden og transmittansen til mediet påvirker dette signalet forskjellig – derfor må sensorposisjon, kalibrering og evalueringsregel defineres sammen.

I laboratoriet gir kollimert stråleoppsett en definert, nesten parallell bestråling av en prøve, og dermed en pålitelig dose–respons-sammenheng. Overføring til reaktoren skjer gjennom validering, ikke gjennom en enkeltmåling. Prosedyren er beskrevet på siden UV-reaktorvalidering.

• UVC-måler – alle UVC-målere og sensorer sammenlignet.
• DVGW referanseradiometer – referansemåling på drikkevannsanlegg i henhold til DIN 19294-3.
• UVC-SE og UVx-SE – trykktette sensorer for permanent anleggsovervåking.
• RMD Pro med en UVC-sensor – håndholdt måling på lamper, kamre og overflater.
• SR900 – spektralt oppløst referanse der kildetyper sammenlignes eller spekteret er ukjent.

Alle målekjeder kalibreres metrologisk sporbart i det akkrediterte kalibreringslaboratoriet. Applikasjonssiden UV-desinfeksjon setter målingen i kontekst av effekt, prosess og standarder.

Dr.-Ing. Mark Paravia er daglig leder for Opsytec Dr. Gröbel GmbH i Ettlingen og leder det akkrediterte kalibreringslaboratoriet. Etter sin forskning på pulserte xenon-eksimerutladninger ved Institute of Lighting Technology ved KIT, er fokuset hans i dag optisk strålingsmåling. Han er nestleder for DIN-standardiseringskomiteen FNL 7 «Optical radiation» og medlem av DVGW-prosjektgruppen for UV-desinfeksjon.