Spektroradiometry UV i spektrometry optyczne

Spektroradiometry UV i spektrometry optyczne rejestrują promieniowanie z rozdzielczością widmową. Umożliwia to ocenę rozkładu widmowego, położenia maksimum, szerokości pasma oraz zmian widmowych źródła UV. Bezwzględne natężenie napromienienia wymaga dodatkowo wzorcowania radiometrycznego całego łańcucha pomiarowego. O wyborze decydują przede wszystkim zakres długości fali, rozdzielczość widmowa, zakres dynamiczny, zachowanie względem światła rozproszonego oraz geometria pomiaru.

Oferta obejmuje przenośne spektroradiometry UV UVpad i UVpad E oraz spektrometr matrycowy SR900 do zastosowań badawczych, rozwojowych i w zapewnieniu jakości. Powszechnie stosowane są również zapis spektroradiometr oraz ogólne określenie przyrząd do pomiarów widmowych – chodzi o ten sam przyrząd.

Wszystkie trzy przyrządy są wzorcowane bezwzględnie; wzorcowanie odbywa się w naszym laboratorium akredytowanym zgodnie z ISO 17025 i jest powiązane spójnością pomiarową z PTB. Odpowiednie wielkości i jednostki przedstawiono w części wielkości radiometryczne, a granice zakresów w części zakresy widmowe i normy.

Oba terminy opisują tę samą konstrukcję optyczną, ale dwa różne zadania pomiarowe. Różnica nie leży w optyce, lecz we wzorcowaniu i w geometrii wejścia: spektrometr rozszczepia światło i podaje przebieg względny. Spektroradiometr jest spektrometrem wzorcowanym absolutnie – dostarcza widmowe natężenie napromienienia w W/(m²·nm), a na jego podstawie mW/cm², luksy lub PPFD.

Kto potrzebuje natężenia napromienienia lub dawki, potrzebuje spektroradiometru; wszystko inne mierzy względnie. Każdy przyrząd z tej kategorii jest spektroradiometrem. Do pomiaru transmisji i UVT w procesie – zadania raczej fotometrycznego niż radiometrycznego – Opsytec oferuje fotometr procesowy ZPM.

Spektrometr dostarcza zliczenia – liczby zależne od detektora, czasu integracji, szczeliny wejściowej i światłowodu. Mówią one, gdzie źródło emituje, a nie ile. Dopiero wzorcowanie bezwzględne względem wzorca przypisuje każdej długości fali wartość fizyczną i zamienia krzywą w pomiar.

Potrzebne są do tego trzy rzeczy, a zwykły spektrometr nie ma żadnej z nich:

• Wzorcowanie zapewniające spójność pomiarową względem wzorca, który sam odnosi się do instytutu krajowego – w Opsytec do PTB. Bez tego wartość nie jest porównywalna, nawet z wynikiem Państwa własnego przyrządu sprzed roku.
• Zdefiniowana optyka wejściowa. Natężenie napromienienia to moc na powierzchnię, więc przyrząd musi zbierać promieniowanie ze znanej powierzchni z poprawnym ważeniem kosinusowym. Światłowód bez dyfuzora tego nie zapewnia.
• Korekcja światła rozproszonego. W zakresie UV-C sygnał jest często o rzędy wielkości słabszy niż w zakresie widzialnym. Bez korekcji mierzy się tam głównie światło rozproszone wewnątrz przyrządu.

Radiometr szerokopasmowy mierzy szybciej, kosztuje mniej i jest bardziej odporny w codziennym użytkowaniu; waży on jednak promieniowanie własną czułością widmową i jest poprawny tylko wtedy, gdy źródło jest podobne do źródła wzorcującego. Do ciągłego monitorowania znanej instalacji pozostaje właściwym wyborem – właśnie do tego służą radiometry szerokopasmowe do kontroli procesu i dawki.

Gdy tylko źródło się zmienia, gdy trzeba ocenić osobno kilka długości fali lub zastosować widmo działania, nie ma sposobu, aby obejść się bez widma. Pełne porównanie obu konstrukcji wraz z ich źródłami błędów przedstawiono w sekcji kiedy spektroradiometr jest konieczny.

Pierwsze pytanie: czy potrzebna jest wartość absolutna? Jeżeli chodzi wyłącznie o położenie maksimum, FWHM lub porównanie dwóch partii, wystarczy pomiar względny – wystarczy spektrometr. Gdy jednak wynikiem ma być liczba w mW/cm², luksach lub J/cm², nie ma innej drogi niż wzorcowanie absolutne.

Drugie pytanie: jaki zakres długości fali? Samo UV do 440 nm, UV wraz z początkiem zakresu widzialnego do 480 nm albo pełne widmo optyczne do 1 100 nm – to decyduje o wyborze przyrządu.

Trzecie pytanie: gdzie wykonywany jest pomiar? Z zamkniętej komory nie wyprowadzi się żadnego kabla; tam przyrząd musi mierzyć i zapisywać dane autonomicznie. Na stanowisku pracy lub na pracującej linii właściwa jest głowica pomiarowa na przewodzie. Na stole optycznym liczy się zakres i rozdzielczość, a nie wielkość.

Ostatni wiersz nie jest sprzecznością, lecz najczęstszą odpowiedzią w praktyce: jednorazowo zmierzyć widmowo, a następnie monitorować szerokopasmowo. Pomiar widmowy pozwala ustalić, jak czujnik szerokopasmowy odbiega od wartości rzeczywistych przy tym źródle; potem do powtarzalnych kontroli wystarcza szybki przyrząd – o ile źródło pozostaje takie samo. Po wymianie lampy cały łańcuch rozpoczyna się od nowa.

Spektrometr rozdziela światło na długości fal i mierzy natężenie każdej z nich. Najpierw napromieniana jest optyka wejściowa. Element dyspersyjny – pryzmat lub siatka dyfrakcyjna – rozdziela długości fal przestrzennie; następnie wykrywają je fotodiody lub matryce CCD. Uzyskane widmo pozwala na wyciągnięcie wniosków dotyczących lampy, diody LED lub próbki.

Najczęściej stosowaną konstrukcją jest spektrometr Czernego-Turnera: dwa zwierciadła i siatka dyfrakcyjna, rozmieszczone tak, aby aberracje optyczne pozostawały małe, a rozdzielczość widmowa wysoka. Konstrukcja jest na tyle zwarta, że nadaje się do przyrządów przenośnych i niewielkich stołów laboratoryjnych.

Należy rozróżnić trzy konstrukcje.

Spektrometry matrycowe wykorzystują rząd detektorów, zwykle CCD lub CMOS, które rejestrują całe widmo jednocześnie. Dzięki temu pomiar jest szybki i nie wymaga elementów ruchomych. Wszystkie spektroradiometry Opsytec działają w ten sposób.

Monochromatory mają szczelinę i obrotową siatkę dyfrakcyjną i przepuszczają jedną długość fali w danym momencie. Mierzą bardzo dokładnie i z wysoką czystością widmową, ale potrzebują czasu – jedna długość fali po drugiej. Typowe dla badań i kontroli jakości, gdzie liczy się wybór długości fali.

Podwójne monochromatory łączą dwa monochromatory szeregowo. Obniża to dodatkowo poziom światła rozproszonego i jest konieczne wszędzie tam, gdzie bardzo słabe sygnały występują obok silnych – w zakresie UV oraz w laboratoryjnej metrologii o wysokiej dokładności.

Jedno widmo pozwala wyznaczyć kilka wielkości:

• Natężenie oświetlenia – natężenie światła ważone fotometrycznie
• Temperatura barwowa najbliższa (CCT) – opisuje, czy światło sprawia wrażenie ciepłego lub zimnego
• Wskaźniki oddawania barw – jak dokładnie źródło oddaje barwy
• Współrzędne barwowe CIE – położenie barwy w standardowej przestrzeni barw
• Widmowy rozkład mocy – jak energia rozkłada się w widmie
• Szczytowa i dominująca długość fali – gdzie znajduje się najwyższa oraz wizualnie dominująca energia

Radiometr szerokopasmowy podaje natomiast tylko jedną wartość.

Znaczenie poszczególnych wielkości objaśniono w części wielkości kolorymetryczne; symbol, jednostkę i definicję każdej wielkości optycznej zawiera słownik wielkości optycznych.

Pojęcie spektrometru wykracza daleko poza pomiar światła. Trzy typy przyrządów regularnie pojawiają się w tym samym wyszukiwaniu, a mierzą coś zupełnie innego:

Spektrometry mas rozdzielają jony według stosunku masy do ładunku. Identyfikują najmniejsze ilości substancji i są stosowane w analizie chemicznej, biochemii, naukach o środowisku oraz w przemyśle farmaceutycznym.

Spektrometry absorpcji atomowej mierzą, w jaki sposób odparowane atomy metali pochłaniają światło, i na tej podstawie wyznaczają stężenia metali w roztworze – analiza środowiskowa, toksykologia i inżynieria materiałowa, przede wszystkim w odniesieniu do metali ciężkich.

Spektrofotometry, często nazywane spektrometrami UV-Vis, mierzą absorpcję lub transmisję próbki i na tej podstawie wyznaczają stężenia. Są szeroko stosowane w diagnostyce klinicznej, analizie wody i kontroli żywności. Do pomiaru transmisji i UVT w procesie Opsytec oferuje fotometr procesowy ZPM.

Spektroradiometr mierzy natomiast widmowe natężenie napromienienia w odniesieniu do wzorcowania absolutnego. Jego optyką wejściową jest dyfuzor, zwykle połączony światłowodem – jak w spektroradiometrze SR900.

Czym różni się spektrometr od spektroradiometru?
Spektrometr podaje wartości względne; spektroradiometr jest wzorcowany bezwzględnie i podaje widmowe natężenie napromienienia. Każde urządzenie w tej kategorii jest spektroradiometrem.

Jakiego zakresu długości fali i jakiej rozdzielczości potrzebuję?
Zakres musi w pełni obejmować emisję oraz wszelkie pasma wtórne – tylko UV do 440 nm, UV wraz z początkiem zakresu widzialnego do 480 nm albo pełne widmo optyczne do 1100 nm. Rozdzielczość decyduje o tym, czy blisko położone piki lub wąskie linie są jeszcze rozdzielane.

Jakie błędy pomiarowe występują w spektrometrach matrycowych?
Przede wszystkim światło rozproszone: części silnych długości fali pojawiają się tam, gdzie nie powinny. W zakresie UV-C sygnał jest często o rzędy wielkości słabszy niż w zakresie widzialnym – bez korekcji światła rozproszonego mierzy się tam głównie własne światło rozproszone przyrządu. Dochodzą do tego prąd ciemny, nieliniowość i dryft temperaturowy.

Jakie wielkości można obliczyć z widma?
Widmowe natężenie napromienienia pozwala uzyskać przez całkowanie i ważenie niemal dowolny wskaźnik: natężenie napromienienia dla danego zakresu widmowego, dawkę UV, natężenie oświetlenia poprzez V(λ), PPFD oraz wartości ważone funkcjami skuteczności, takie jak te według IEC 62471. To właśnie stanowi zaletę w porównaniu z radiometrami szerokopasmowymi do kontroli procesu i dawki.

Znajdź odpowiedni czujnik: Wyszukiwarka czujników UV proponuje trzy najlepiej dopasowane czujniki i mierniki UV według zastosowania, długości fali i formy konstrukcyjnej – wraz z kluczowymi wartościami, partnerem systemowym i uzasadnieniem.