Długość fali to pierwsza rzecz, o którą pyta się w kontekście zastosowania UV – i pierwsze miejsce, w którym pojawiają się nieporozumienia. 254 nm i 265 nm dzieli jedenaście nanometrów i pochodzą z zupełnie różnych źródeł; 395 nm i 405 nm dzieli jeszcze mniej, a mimo to jedna z nich mieści się w zakresie UVA, a druga już w świetle widzialnym. Ten eksplorator umieszcza dowolną długość fali między 150 a 800 nm i podaje wielkości, które pojawiają się w kartach danych i normach.
Druga część zestawia obok siebie popularne długości fal. Interesującą kolumną jest tam liczba fotonów na dżul: wyjaśnia ona, dlaczego parametru procesu nie można po prostu przenieść z jednej długości fali na drugą. Reakcja fotochemiczna reaguje na pochłonięte fotony, a nie na dżule – a przy tej samej dawce 405 nm dostarcza około 60 procent więcej fotonów niż 254 nm.
To, która długość fali jest właściwa, decyduje ostatecznie widmo absorpcji substancji, a nie sama liczba fotonów. A ile natężenia napromienienia faktycznie dociera, decyduje pomiar. Opsytec Dr. Gröbel opracowuje, produkuje i wzorcuje niezbędne czujniki, radiometry i spektroradiometry we własnym akredytowanym laboratorium.
Przeliczenia między długością fali, częstotliwością, liczbą falową a energią fotonu obowiązują w próżni; w ośrodku o współczynniku załamania n długość fali i prędkość propagacji ulegają zmianie, natomiast częstotliwość i energia fotonu pozostają bez zmian. Zakresy widmowe są zgodne z CIE S 017 (ILV); wcześniej stosowana norma DIN 5031-7 została wycofana. Wymienione źródła i zastosowania są typowymi przykładami, a nie wyczerpującym wykazem; nie zastępują one ani projektu systemu, ani oceny ryzyka. Liczy się pomiar za pomocą wzorcowanych przyrządów.
Podstawy
Długość fali, częstotliwość, liczba falowa i energia fotonu opisują to samo promieniowanie z czterech punktów widzenia i przeliczają się wzajemnie bez żadnych dodatkowych informacji. Zależności te to ν = c / λ, σ = 1 / λ oraz E = h · c / λ; przy długości fali wyrażonej w nanometrach ta ostatnia upraszcza się do postaci E[eV] = 1239.842 / λ[nm]. Liczba falowa w cm⁻¹ jest powszechnie stosowana w spektroskopii, ponieważ jest wprost proporcjonalna do energii — w przeciwieństwie do długości fali. Molowa energia fotonu w kJ/mol wiąże z kolei promieniowanie z entalpiami reakcji i pozwala określić, czy jest ono w ogóle w stanie zerwać dane wiązanie.
Zgodnie z DIN 5031-7 UVC obejmuje zakres od 100 do 280 nm, UVB od 280 do 315 nm, a UVA od 315 do 400 nm.
| Zakres | Długość fali | Typowe źródła |
|---|---|---|
| VUV | 100–200 nm | ekscimer ksenonowy 172 nm |
| UVC | 200–280 nm | rtęciowa lampa niskoprężna 254 nm, KrCl 222 nm, diody LED UVC 265 i 280 nm |
| UVB | 280–315 nm | ekscimer XeCl 308 nm, lampy fluorescencyjne UVB 311 nm |
| UVA | 315–400 nm | lampy fluorescencyjne UVA 340 nm, diody LED UVA od 365 do 395 nm |
| VIS | 380–780 nm | diody LED fioletowe i niebieskie od 405 nm |
Między 380 a 400 nm zakresy UVA i widzialny nakładają się na siebie — norma przypisuje ten odcinek do obu zakresów. Promieniowanie w tym zakresie jest postrzegane jako słaby fiolet i nadal jest oceniane jako UVA. Dlatego źródło o długości fali 405 nm bywa nazywane źródłem UV lub źródłem światła, w zależności od punktu widzenia.
Dawka to energia przypadająca na jednostkę powierzchni. Dzieląc ją przez energię pojedynczego fotonu, otrzymuje się liczbę fotonów na jednostkę powierzchni — a to właśnie na nią reagują fotochemia i fotobiologia. Ponieważ energia fotonu maleje wraz ze wzrostem długości fali, ta sama dawka zawiera więcej fotonów przy dłuższych falach. Przy 254 nm jest to około 1,28 · 10¹⁸ fotonów na dżul, przy 405 nm około 2,04 · 10¹⁸. Każdy, kto przekształca system z lampy rtęciowej na diody UVA LED, zmienia nie tylko widmo, ale także stosunek energii do liczby fotonów.
Sama długość fali nic nie mówi o tym, czy dana aplikacja zadziała. Liczy się to, czy substancja pochłania promieniowanie przy danej długości fali: fotoinicjator pochłaniający w zakresie UVA reaguje na 365 nm i pozostaje w dużej mierze niewrażliwy przy 254 nm, mimo że pojedyncze fotony niosą tam więcej energii. Umiejscowienie długości fali nie zastępuje też oceny bezpieczeństwa — zagrożenie zależy od widma działania, a nie od nazwy zakresu.
Często zadawane pytania
Zgodnie z DIN 5031-7: UVC od 100 do 280 nm, UVB od 280 do 315 nm, UVA od 315 do 400 nm. Zakres widzialny zaczyna się już od 380 nm i tym samym nakłada się na górną część zakresu UVA. Inne zbiory norm umieszczają granicę między UVA a zakresem widzialnym na 400 nm — w przypadkach granicznych warto sprawdzić, jaka norma jest stosowana. Więcej informacji pod adresem zakresy widmowe i normy.
Za pomocą wzoru E[eV] = 1239,842 / λ[nm]. Dla 254 nm otrzymujemy 4,88 eV, dla 365 nm 3,40 eV, dla 405 nm 3,06 eV. Liczba ta jest iloczynem stałej Plancka i prędkości światła, podzielonym przez ładunek elementarny.
Liczba falowa σ = 1/λ, podawana w cm⁻¹, jest wprost proporcjonalna do energii. W spektroskopii odległość między pasmami podaje się zatem w liczbach falowych, a nie w nanometrach: różnica 4670 cm⁻¹ oznacza tę samą różnicę energii wszędzie, różnica 75 nm już nie.
254 nm to linia rezonansowa niskociśnieniowej lampy rtęciowej — bardzo wąska linia z bardzo wydajnego źródła. 265 nm leży bliżej maksimum absorpcji DNA i jest generowana przez diody LED UVC, które zazwyczaj mają szerokość pasma od 10 do 12 nm. Osiągnięcie tego samego efektu bakteriobójczego wymaga zatem różnych dawek; przeliczenie między nimi wymaga widma działania.
Nie bez przeprowadzenia testów. Fotoinicjator musi absorbować przy nowej długości fali, a wraz z nią zmienia się liczba fotonów na dżul. W praktyce zwolnienie procesu musi zostać powtórzone, wraz z pomiarem dawki w miejscu obrabianego przedmiotu. Obliczenia znajdują się w kalkulatorze dawki UV.
Poniżej 200 nm czujnik VUV z przepłukiwaniem azotem; w zakresie UVC czujnik z ważeniem widmowym — zgodny z DVGW dla systemów dezynfekcji; w zakresie UVA czujnik UVA lub radiometr z odpowiednią głowicą; w zakresie widzialnym fotometr lub spektroradiometr. Eksplorator wskazuje odpowiednie rozwiązanie dla każdej długości fali; wielkości leżące za tym są wyjaśnione w wielkościach radiometrycznych.
Autor: dr inż. Mark Paravia
Dr inż. Mark Paravia jest dyrektorem zarządzającym Opsytec Dr. Gröbel GmbH w Ettlingen i kieruje akredytowanym laboratorium wzorcującym. Po badaniach nad impulsowymi wyładowaniami ekscymerowymi w ksenonie w Instytucie Techniki Świetlnej Politechniki w Karlsruhe (KIT) jego obecne zainteresowania skupiają się na technice pomiaru promieniowania optycznego. Jest wiceprzewodniczącym Komitetu Normalizacyjnego DIN FNL 7 „Promieniowanie optyczne" oraz członkiem Grupy Projektowej DVGW w zakresie dezynfekcji UV.
