Przejdź do treści głównej Przejdź do stopki strony

Kalkulator radiometryczny dla promieniowania UV i światła

Ten konwerter jednostek radiometrycznych łączy najważniejsze obliczenia z zakresu pomiarów UV i światła: przeliczanie natężenia napromienienia z W/m² na mW/cm², napromienienia (dawki) z J/m² na mJ/cm², energii fotonu i strumienia fotonów na podstawie długości fali, PPFD na podstawie danych widmowych, dawki UV i czasu ekspozycji, gęstości optycznej i transmisji, a także graniczną odległość fotometryczną zgodnie z prawem odwrotności kwadratu odległości. Każda karta oblicza wynik na bieżąco i wyjaśnia swój wzór na przykładzie.

Wszystkie kalkulatory działają w całości w przeglądarce – bez rejestracji i bez przesyłania danych. Typowe zastosowania obejmują projektowanie procesów utwardzania UV i dezynfekcji, ocenę filtrów ochronnych na podstawie gęstości optycznej, przeliczanie między wielkościami energetycznymi a fotonowymi na potrzeby oświetlenia ogrodniczego oraz szacowanie natężenia napromienienia przy zmienionej odległości roboczej.

Wiążące wyniki zawsze pochodzą z pomiaru wykonanego wzorcowanym radiometrem lub spektroradiometrem – zarówno produkowanym, jak i wzorcowanym przez Opsytec Dr. Gröbel we własnym laboratorium. Kalkulator zastępuje więc typowe ręczne przeliczenia wykonywane w laboratorium UV: od przeliczania natężenia napromienienia i obliczania dawki dla dezynfekcji UVC po gęstość strumienia fotonów dla oświetlenia do upraw; wszystkie stałe są zgodne z CODATA 2018.

Stałe (CODATA 2018): h = 6,62607015·10⁻³⁴ J·s · c = 299 792 458 m/s · N_A = 6,02214076·10²³ 1/mol. Wszystkie obliczenia są wykonywane całkowicie lokalnie w Państwa przeglądarce – żadne dane nie są przesyłane.

Poszczególne kalkulatory szczegółowo wyjaśnione

Te kalkulacje mają własną stronę wraz ze wzorem, przykładem obliczeń, ograniczeniami modelu oraz często zadawanymi pytaniami:

Odrębne, ale powiązane zagadnienie: eksplorator widma UV umieszcza długość fali w zakresach widmowych i zestawia typowe długości fali UV obok siebie.

Wzory i przykłady dla dwunastu kalkulatorów

Obie jednostki opisują tę samą wielkość — natężenie napromienienia E (moc na powierzchnię). Ponieważ 1 m² = 10 000 cm², a 1 W = 1000 mW:

Wzór: 1 W/m² = 0,1 mW/cm² · 1 mW/cm² = 10 W/m²

Przykład: Radiometr UV wskazuje 50 mW/cm² — co odpowiada 500 W/m².

Napromienienie H (dawka) to energia na jednostkę powierzchni. Współczynnik przeliczeniowy jest taki sam jak dla natężenia napromienienia:

Wzór: 1 J/m² = 0,1 mJ/cm² · 1 mJ/cm² = 10 J/m²

Przykład: Wymagana dawka dezynfekcji wynosząca 400 J/m² odpowiada 40 mJ/cm².

Przy stałym natężeniu napromienienia dawka rośnie liniowo wraz z czasem — to podstawa projektowania każdego procesu UV (utwardzanie, dezynfekcja, testy starzenia):

Wzór: H = E · t · [mJ/cm²] = [mW/cm²] · [s]

Przykład: 50 mW/cm² przez 20 s daje 1000 mJ/cm² = 1 J/cm².

Odwrotność wzoru na dawkę: jak długo należy napromieniać, aby osiągnąć wymaganą dawkę?

Wzór: t = H / E

Przykład: 1000 mJ/cm² przy 50 mW/cm² zajmuje 20 s; przy zaledwie 10 mW/cm² zajmuje to już 100 s (1:40 min).

Energia pojedynczego fotonu wynika ze stałej Plancka h oraz prędkości światła c. Im krótsza długość fali, tym bardziej energetyczny foton — dlatego promieniowanie UV jest chemicznie bardziej agresywne niż światło widzialne.

Wzór: E = h·c / λ · E[eV] ≈ 1239,842 / λ[nm]

Przykład: Foton o długości 365 nm (UV-A) niesie energię 5,44·10⁻¹⁹ J = 3,40 eV.

Moc promieniowania podzielona przez energię jednego fotonu daje liczbę fotonów emitowanych przez źródło na sekundę:

Wzór: N = P / E_Photon = P·λ / (h·c)

Przykład: 1000 mW przy 365 nm odpowiada 1,84·10¹⁸ fotonów/s ≈ 3,05 µmol/s.

Gęstość strumienia fotonów fotosyntetycznie czynnych (PPFD) określa liczbę fotonów w zakresie od 400 do 700 nm padających na jeden metr kwadratowy w ciągu sekundy. Jest ona obliczana na podstawie widmowego natężenia napromienienia E(λ) poprzez całkowanie (metodą trapezów na podstawie Państwa próbek; wartości spoza zakresu 400–700 nm są pomijane):

Wzór: PPFD = ∫ E(λ)·λ dλ / (h·c·N_A)

Przykład: płaskie widmo o wartości 1 W/(m²·nm) w zakresie 400–700 nm (300 W/m² PAR) daje w wyniku ≈ 1379 µmol/(m²·s).

Gęstość optyczna (absorbancja) to ujemny logarytm dziesiętny transmisji. Każdy stopień OD oznacza 10 razy mniej światła:

Wzór: OD = −log₁₀(T) · T jako ułamek (10 % = 0,1)

Przykład: transmisja 10 % → OD 1; 1 % → OD 2; 0,1 % → OD 3.

Odwrotność: z gęstości optycznej wynika udział światła przechodzącego przez filtr lub próbkę:

Wzór: T = 10^(−OD) · 100 %

Przykład: okulary ochronne UV o OD 4 przy 365 nm przepuszczają jedynie 0,01 % promieniowania.

Gdy światło przechodzi przez kilka filtrów, okien lub soczewek, transmisje mnożą się — gęstości optyczne dodają się:

Wzór: T_ges = T₁ · T₂ · … · T_n · OD_ges = OD₁ + OD₂ + …

Przykład: Dwa okna po 90 % każde i filtr o 50 % dają 0,9·0,9·0,5 = 40,5 % całkowitej transmisji.

Fotometryczna odległość graniczna to minimalna odległość, powyżej której rozciągłą lampę można traktować jako źródło punktowe — dopiero wtedy obowiązuje prawo odwrotnych kwadratów (karta poniżej). Jako zasadę praktyczną w fotometrii i metrologii UV (por. DIN 5032-1) przyjmuje się dziesięciokrotność największego wymiaru świecącego; błąd przybliżenia źródła punktowego pozostaje wówczas poniżej około 1 %. Do pomiarów przybliżonych często wystarcza pięciokrotność (błąd rzędu kilku procent).

Wzór: d ≥ 10 · D

Przykład: Panel LED o przekątnej 200 mm jest fotometrycznie punktowy dopiero powyżej d = 2000 mm = 2 m.

Dla źródła (w przybliżeniu) punktowego natężenie napromienienia maleje z kwadratem odległości. Przybliżenie to obowiązuje w polu dalekim — poza graniczną odległością fotometryczną (patrz karta powyżej); w pobliżu emiterów powierzchniowych wartość E maleje wolniej.

Wzór: E₂ = E₁ · (d₁ / d₂)²

Przykład: 100 mW/cm² przy 100 mm staje się 25 mW/cm² przy 200 mm (podwojenie odległości → jedna czwarta).

Najczęściej zadawane pytania na temat radiometrii

1 W/m² odpowiada 0,1 mW/cm², ponieważ 1 m² = 10 000 cm² oraz 1 W = 1000 mW. Wartość 500 W/m² odpowiada więc 50 mW/cm². Powyższy konwerter działa w obu kierunkach — ten sam współczynnik dotyczy dawki (J/m² ↔ mJ/cm²).

Dawka (napromienienie) jest iloczynem natężenia napromienienia i czasu ekspozycji: H = E · t. 50 mW/cm² przez 20 s daje 1000 mJ/cm² = 1 J/cm². I odwrotnie, czas ekspozycji wymagany do osiągnięcia docelowej dawki wynika z t = H / E.

Natężenie napromienienia jest wielkością energetyczną wyrażaną w W/m²; PPFD zlicza fotony w zakresie od 400 do 700 nm w µmol/(m²·s). Przeliczenie między nimi wymaga znajomości widma, ponieważ energia fotonu zależy od jego długości fali — do tego celu kalkulator PPFD całkuje Państwa dane widmowe.

Powyżej fotometrycznej odległości granicznej — zgodnie z regułą kciuka jest to dziesięciokrotność największego wymiaru świecącego lampy. Dopiero wtedy źródło można traktować jako punktowe; błąd przybliżenia źródła punktowego pozostaje wówczas poniżej około 1 %.

Autor: dr 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 na KIT, obecnie koncentruje się na technice pomiaru promieniowania optycznego. Jest wiceprzewodniczącym Komitetu Normalizacyjnego DIN FNL 7 „Promieniowanie optyczne" oraz członkiem Grupy Projektowej DVGW ds. Dezynfekcji UV.