Wielkości radiometryczne z symbolami i jednostkami

Wielkości radiometryczne opisują promieniowanie elektromagnetyczne w kategoriach energetycznych, niezależnie od czułości oka – w zastosowaniach technicznych dotyczy to przede wszystkim promieniowania UV i IR. Cztery podstawowe wielkości to moc promieniowania Φ w watach, natężenie napromienienia E w W/m² lub mW/cm², luminancja energetyczna L oraz natężenie promieniowania I. Dziedzina ta nazywana jest radiometrią; odpowiedniki uwzględniające czułość oka to wielkości fotometryczne.

Wielkości radiometryczne to wielkości mierzone, które odnoszą się do całkowitego promieniowania elektromagnetycznego. W zastosowaniach technicznych wykorzystuje się w tym celu promieniowanie UV lub promieniowanie IR. Dziedzina ta nazywana jest radiometrią. Promieniowanie klasyfikuje się według długości fali promieniowania.

Poniższy schemat przedstawia cztery wielkości radiometryczne. Tabela zawiera dla każdej wielkości przedstawienie wizualne, definicję matematyczną, jednostkę oraz krótkie wyjaśnienie.

1. Moc promieniowania Φ
2. Natężenie napromienienia E
3. Luminancja energetyczna L
4. Natężenie promieniowania I

Tabela do pobrania: Wielkości i jednostki radiometryczne (XLSX) – ze współczynnikami przeliczeniowymi i zakresami widmowymi według DIN/ISO 20473. Odpowiedniki ważone widmową czułością oka wymieniono w części wielkości fotometryczne, wielkości związane z barwą w części wielkości kolorymetryczne, granice pasm w części zakresy widmowe i normy. Wszystkie wielkości razem – z symbolem, jednostką i odpowiednim kalkulatorem – znajdują się w słowniku wielkości optycznych.

Strumień radiacyjny

Strumień radiacyjny, zwany również moc radiacyjną, to całkowita ilość energii emitowana przez źródło promieniowania we wszystkich kierunkach w jednostce czasu. Jednostką strumienia radiacyjnego jest wat (W).

• Symbol formuły: Φ
• Jednostka: W
• Definicja: Całkowita emitowana moc radiacyjna.

Przykład:

Standardowa żarówka o poborze mocy 60 watów emituje jako strumień radiacyjny ok. 57 watów, a pozostała część jest tracona w postaci ciepła. Te 57 watów są rozłożone na widmo widzialne i podczerwone.

Strumień radiacyjny jest mierzony w kuli całkującej.

Natężenie napromienienia

Natężenie napromienienia jest wielkością fizyczną opisującą gęstość mocy promieniowania padającego na powierzchnię. Jest definiowane jako moc radiacyjna padająca na element powierzchni. Jednostką natężenia napromienienia jest wat na metr kwadratowy (W/m²) lub miliwat na centymetr kwadratowy (mW/cm²). Do pomiaru natężenia napromienienia nadaje się miernik UV.

• Symbol formuły: E
• Jednostka: W/m², mW/cm²
• Definicja: Moc radiacyjna padająca na element powierzchni, odniesiona do jego powierzchni.

Natężenie napromienienia wskazuje, ile energii w postaci promieniowania pada na określoną powierzchnię w jednostce czasu. Promieniowanie padające pod kątem uwzględnia się z kosinusem kąta padania; głowice pomiarowe są więc korygowane kosinusowo.
Wskazówka: Przelicz W/m² na mW/cm²

Przykład:

Średnie natężenie napromienienia słońca na powierzchni ziemi w słoneczny dzień wynosi ok. 1000 W/m². Oznacza to, że każdy metr kwadratowy powierzchni ziemi otrzymuje 1000 watów promieniowania.

Natężenie napromienienia jest mierzone za pomocą radiometru.

Luminancja energetyczna

Luminancja energetyczna jest wielkością fizyczną opisującą moc radiacyjną emitowaną przez źródło promieniowania na jednostkę powierzchni i na jednostkę kąta przestrzennego. Mierzy się ją w watach na metr kwadratowy na steradian (W/(m²·sr)).

• Symbol formuły: L
• Jednostka: W/(sr·m²)
• Definicja: Iloraz wypromieniowanego strumienia radiacyjnego i produktu elementu powierzchni oraz kąta przestrzennego.

Luminancja energetyczna uwzględnia zarówno powierzchnię źródła promieniowania, jak i kąt przestrzenny, w którym promieniowanie jest emitowane.

Przykład:

Słońce ma wysoką luminancję energetyczną, ponieważ emituje dużą ilość energii promieniowania w przestrzeń z relatywnie małej powierzchni.

Natężenie promieniowania

Natężenie promieniowania jest wielkością fizyczną opisującą przepływ promieniowania w określonym kierunku na jednostkę kąta przestrzennego. Służy do wskazania intensywności promieniowania w określonym kierunku. Jednostką natężenia promieniowania jest wat na steradian (W/sr).

• Symbol formuły: I
• Jednostka: W/sr
• Definicja: Iloraz wypromieniowanego strumienia radiacyjnego w określonym kierunku i elementu kąta przestrzennego.

Natężenie promieniowania opisuje ilość energii emitowanej przez źródło promieniowania w określonym kierunku w ramach kąta przestrzennego. Jest to miara zależności kierunkowej emitowanej mocy.

Przykład:

LED o strumieniu radiacyjnym 1 W ma natężenie promieniowania 10 W/sr, jeśli emituje światło w kącie przestrzennym 0,1 sr. Oznacza to, że emitowana energia jest silnie skoncentrowana na małym kącie przestrzennym.

Jaka jest różnica między natężeniem napromienienia a dawką?
Natężenie napromienienia E (W/m² lub mW/cm²) to chwilowa moc na jednostkę powierzchni; napromienienie – potocznie zwane dawką – jest jego całką w czasie, H (J/m² lub mJ/cm²). Przy stałym natężeniu napromienienia H = E · t. Natężenie napromienienia decyduje o tym, jak szybko zostanie osiągnięta dawka; o tym, czy wystąpi zamierzony efekt, decyduje zazwyczaj dawka. Obie wielkości należy zatem dokumentować oddzielnie – sam czas nie stanowi dowodu.

Czym różni się fluencja od dawki?
Napromienienie odnosi się do stałej, płaskiej powierzchni odbiorczej i waży promieniowanie padające ukośnie za pomocą cosinusa kąta padania. Fluencja natomiast odnosi się do obiektu, który może otrzymywać promieniowanie ze wszystkich kierunków – na przykład mikroorganizmu w reaktorze lub w kanale powietrznym. W ukierunkowanym polu promieniowania obie wielkości są zgodne; w polu rozproszonym fluencja może być znacznie większa niż napromienienie zmierzone na płaszczyźnie. To, gdzie ta różnica decyduje o przebiegu procesu, pokazano w dziale dezynfekcja UV.

Dlaczego elektryczna moc lampy nie jest wielkością mierzoną?
Między pobieraną mocą elektryczną a efektem w miejscu procesu leżą sprawność elektrooptyczna, rozkład widmowy źródła, odległość i kąt padania, przepuszczalność okienek i osłon ochronnych oraz zanieczyszczenie i starzenie. Żaden z tych czynników nie jest stały przez cały okres eksploatacji. Moc znamionowa opisuje więc stan pracy źródła, a nie wynik na przedmiocie obrabianym, organizmie czy próbce. Jak to przekłada się na wiarygodne zwolnienie procesu w zakładzie, opisano w dziale automatyzacja i integracja procesów.

Czym różni się natężenie napromienienia od luminancji energetycznej?
Natężenie napromienienia jest wielkością odbiornika: opisuje, co dociera do powierzchni, niezależnie od kierunku. Luminancja energetyczna jest wielkością źródła: opisuje, co źródło emituje na jednostkę powierzchni i kąta bryłowego. Zwolnienie procesu zależy od natężenia napromienienia w miejscu działania; ocena rozciągłych źródeł zgodnie z IEC 62471 zależy natomiast od luminancji energetycznej – patrz dział bezpieczeństwo pracy i bezpieczeństwo fotobiologiczne.

Kiedy wystarczy pomiar szerokopasmowy, a kiedy potrzebny jest pomiar widmowy?
Pomiar szerokopasmowy jest wystarczający, jeśli źródło jest znane i widmowo stabilne, a czujnik został wzorcowany właśnie na tym źródle. Pomiar widmowy jest wymagany, gdy porównuje się różne technologie źródeł, widmo przesuwa się w wyniku starzenia lub ściemniania, trzeba zastosować widmo działania lub gdy kilka pasm widmowych musi być ocenianych oddzielnie. Leżący u podstaw błąd to niedopasowanie widmowe.