Pomiar i monitorowanie promieniowania UVC przy 254 nm

Linia 253,7 nm lamp rtęciowych niskociśnieniowych jest centralnym źródłem promieniowania w dezynfekcji UV wody i powietrza. Pomiar referencyjny, monitorowanie instalacji i ocena dawki wymagają odmiennych koncepcji czujników. Istotne są tu dopasowanie widmowe, geometria pomiaru, długoterminowa stabilność oraz wzorcowanie odpowiadające rzeczywistemu źródłu.

Ta strona rozdziela te trzy zadania pomiarowe i pokazuje, jakie błędy powstają, gdy czujnik i źródło nie są ze sobą dopasowane.

Działanie bakteriobójcze promieniowania UV zależy od długości fali. Zasadniczo odpowiada ono absorpcji kwasów nukleinowych i osiąga maksimum w zakresie około 265 nm. Główna linia emisji lampy rtęciowej niskociśnieniowej znajduje się przy 253,7 nm, a więc w pobliżu: obejmuje ona dużą część efektu, choć nie leży dokładnie w maksimum.

Sama długość fali nie jest jednak decydująca. Efekt wynika z długości fali, napromienienia – czyli natężenia napromienienia pomnożonego przez czas – oraz wrażliwości danego mikroorganizmu. To, że 254 nm stało się standardem technicznym, jest więc kwestią również praktyczną: źródło pracuje z wysoką wydajnością, jego widmo jest wąskie, a przez to jednoznaczne do oceny metrologicznej, transmisja w powietrzu i wodzie jest wystarczająca na praktycznie istotnych odcinkach, a podstawa normatywna rozwijała się przez dziesięciolecia.

Poniższy rysunek przedstawia zmierzone widmo lampy rtęciowej niskociśnieniowej z bazy widmowej Opsytec wraz z widmem działania mikrobiobójczego dla zarodników Bacillus subtilis (Cabaj i wsp. 2002, znormalizowane przy 253,7 nm). Linia rezonansowa 185 nm została narysowana schematycznie, ponieważ leży poza zmierzonym zakresem.

Niskociśnieniowa lampa rtęciowa to wyładowanie gazowe w kwarcowej rurce zawierającej kroplę rtęci oraz gaz startowy, zwykle argon. Ciśnienie pary rtęci wynosi kilka paskali, a całkowite ciśnienie wewnętrzne sięga około 10 mbar. Wyładowanie jest silnie nietermiczne: elektrony osiągają energie rzędu kilku elektronowoltów, podczas gdy gaz pozostaje niemal zimny. To właśnie ta nierównowaga sprawia, że dostarczana moc trafia głównie w wzbudzenie, a nie w ciepło.

Zderzenia elektronów wzbudzają atomy rtęci do poziomów rezonansowych; ich przejście do stanu podstawowego daje dwie linie rezonansowe. Przy 253,7 nm leży główna linia emisji, a tym samym udział wykorzystywany bakteriobójczo. Druga linia przy 185 nm opuszcza lampę tylko wtedy, gdy materiał obudowy ją przepuszcza; w powietrzu generuje ona ozon i, w zależności od zastosowania, jest albo celowo wykorzystywana do procesów utleniania, albo tłumiona przez domieszkowane szkło kwarcowe (przegląd lampy rtęciowej, w języku niemieckim).

Ponieważ obie linie są rezonansowe, fotony są wielokrotnie absorbowane i ponownie emitowane wewnątrz plazmy. Ta pułapka promieniowania wiąże sprawność bezpośrednio z ciśnieniem pary rtęci, a tym samym z temperaturą ścianki: optimum najzimniejszego miejsca ścianki leży w okolicach 40 °C, a powyżej i poniżej tej wartości moc wyjściowa 254 nm spada. W instalacji temperatura medium i przepływ działają zatem bezpośrednio na emitowaną moc promieniowania. Lampy amalgamatowe przesuwają to optimum w kierunku wyższych temperatur i pozwalają na znacznie wyższe gęstości mocy.

W trakcie eksploatacji położenie linii pozostaje stabilne, natomiast moc promieniowania maleje. Dla pomiarów jest to sytuacja korzystna: ważenie widmowe czujnika pozostaje ważne, a spada jedynie amplituda. W przypadku lamp średniociśnieniowych oraz diod UVC LED zmienia się także rozkład widmowy – stąd bierze się opisane dalej niedopasowanie.

Efekt wyprzedził technologię. W 1877 roku Downes i Blunt wykazali, że światło słoneczne hamuje wzrost bakterii; w 1903 roku Niels Ryberg Finsen otrzymał Nagrodę Nobla za terapię światłem. Równolegle powstało odpowiednie źródło: Leo Arons jest uważany za wynalazcę lampy rtęciowej na podstawie prac z 1892 roku, od 1905 roku pojawiła się lampa kwarcowa (tzw. lampa słoneczna), a w latach od 1923 do 1934 skomercjalizowano rtęciowe lampy wyładowcze w wersjach niskociśnieniowych, średniociśnieniowych i wysokociśnieniowych (przegląd zagadnienia lampy rtęciowej, w języku niemieckim). Pierwsza instalacja UV do dezynfekcji wody pitnej została uruchomiona już w 1910 roku w Marsylii.

Dopiero później efekt stał się mierzalny i porównywalny. W 1930 roku R. L. Gates opublikował pierwsze systematyczne badanie działania bakteriobójczego i wprowadził tym samym widmo działania germicydowego. Od lat 1980. nastąpiło zakotwiczenie normatywne w uzdatnianiu wody pitnej; w Niemczech arkusz zasad DVGW W 294 oraz DIN 19294 kształtują dziś badania, czujniki instalacyjne i pomiar referencyjny.

Rozwój przebiegał zatem w trzech etapach: obserwacja biologiczna w 19. wieku, źródło o kontrolowanych parametrach w pierwszej połowie 20. wieku oraz zabezpieczenie metrologiczne i normatywne w jego drugiej połowie. Dopiero trzeci etap przekształca efekt w procedurę poddającą się monitorowaniu.

Największym obszarem zastosowania jest dezynfekcja wody pitnej, procesowej i ścieków w reaktorach przepływowych, w Niemczech z czujnikami instalacyjnymi i pomiarem referencyjnym zgodnie z DVGW W 294 i DIN 19294-3. Oprócz tego dochodzi dezynfekcja powietrza i powierzchni w klinikach oraz w produkcji spożywczej i farmaceutycznej, w kanałach wentylacyjnych i pomieszczeniach czystych, a także obróbka opakowań, przenośników i linii napełniających w przemyśle napojowym i spożywczym.

Jeśli uwalniana jest linia 185 nm, dochodzi do tego efekt fotochemiczny: utlenianie UV i redukcja TOC wykorzystują ozon powstający na drodze wiązki oraz powstające z niego rodniki. Jeszcze krótszofalowa, czysto fotochemiczna alternatywa jest opisana na stronie pomiar promieniowania VUV 172 nm z lamp ekscymerowych ksenonowych. W laboratorium promieniowanie 254 nm służy wreszcie jako zdefiniowany punkt odniesienia, na przykład do badań zależności dawka-odpowiedź w układzie wiązki skolimowanej. Efekt, procedury i normy zostały przedstawione w kontekście na stronie zastosowań dezynfekcja UV.

W każdym przypadku obowiązuje ta sama zależność: liczy się napromienienie rzeczywiście skuteczne w medium, a nie nominalna moc lampy. Natężenie napromienienia, czas przebywania, przepływ i transmisja wspólnie decydują o wyniku – dlatego pomiar jest częścią procedury, a nie jej dodatkiem.

• Pomiar referencyjny. Radiometr referencyjny o spójności pomiarowej wzorcowany w sposób identyfikowalny określa natężenie napromienienia w zdefiniowanej pozycji, na przykład w celu sprawdzenia czujnika instalacji. Liczy się tu niska niepewność pomiaru i zdefiniowana geometria.
• Monitorowanie instalacji. Trwale zainstalowany czujnik nieprzerwanie monitoruje źródło i dostarcza sygnał do systemu sterowania. Liczy się tu długoterminowa stabilność, odporność na medium i czyszczenie oraz odpowiedni interfejs.
• Ocena dawki lub fluencji. Napromienienie odniesione do medium nie jest mierzone bezpośrednio, lecz wyznaczane na podstawie natężenia napromienienia, czasu przebywania, przepływu i transmitancji medium albo określane biodozymetrycznie.

Te trzy zadania definiuje się oddzielnie. Czujnik instalacji nie zastępuje pomiaru referencyjnego, a pomiar referencyjny nie zastępuje oceny dawki.

Czujnik zaprojektowany dla 254 nm jest dopasowany do wąskiego widma liniowego lampy niskociśnieniowej. Jeśli ten sam czujnik zostanie zastosowany do lampy średniociśnieniowej lub diody UVC LED, ocenia on inne widmo za pomocą krzywej czułości, która nie jest do tego przeznaczona. Rezultatem jest systematyczne odchylenie, które można skorygować wyłącznie za pomocą współczynnika korekcyjnego specyficznego dla danego źródła.

Widmo zmienia się również w trakcie eksploatacji w obrębie jednego typu źródła. W przypadku lamp niskociśnieniowych położenie linii pozostaje stabilne, podczas gdy moc wyjściowa spada; w przypadku lamp średniociśnieniowych i diod LED zmienia się także rozkład widmowy. Dlatego każdy, kto porównuje lub zmienia typy źródeł, potrzebuje odniesienia rozdzielonego widmowo.

W reaktorach przepływowych czujnik dokonuje pomiaru w określonym miejscu montażu przez okno pomiarowe. Mierzone jest nie napromienienie działające na medium, lecz sygnał powiązany z nim poprzez konstrukcję instalacji. Zabrudzenie okna, starzenie się źródła i transmitancja medium wpływają na ten sygnał w różny sposób – dlatego położenie czujnika, wzorcowanie i regułę oceny należy definiować łącznie.

W laboratorium układy wiązki skolimowanej umożliwiają zdefiniowane, niemal równoległe napromieniowanie próbki, a tym samym wiarygodną zależność dawka–odpowiedź. Przeniesienie na reaktor odbywa się poprzez walidację, a nie poprzez pojedynczy odczyt. Procedura jest opisana na stronie Walidacja reaktora UV.

• Miernik UVC – porównanie wszystkich mierników i czujników UVC.
• Radiometr referencyjny DVGW – pomiar referencyjny na instalacjach wody pitnej zgodnie z DIN 19294-3.
• UVC-SE oraz UVx-SE – ciśnieniowoszczelne czujniki do stałego monitorowania instalacji.
• RMD Pro z czujnikiem UVC – pomiar ręczny na lampach, komorach i powierzchniach.
• SR900 – referencja z rozdzielczością widmową, gdy porównywane są różne typy źródeł lub widmo jest nieznane.

Wszystkie łańcuchy pomiarowe są wzorcowane w sposób zapewniający spójność pomiarową w akredytowanym laboratorium wzorcującym. Strona aplikacyjna Dezynfekcja UV osadza pomiar w kontekście działania, procesu i norm.

Dr inż. Mark Paravia jest dyrektorem zarządzającym Opsytec Dr. Gröbel GmbH w Ettlingen i kieruje akredytowanym laboratorium wzorcującym. Po prowadzeniu badań nad impulsowymi wyładowaniami ekscymerowymi w ksenonie w Instytucie Techniki Świetlnej (Institute of Lighting Technology) na KIT, obecnie zajmuje się pomiarem promieniowania optycznego. Jest wiceprzewodniczącym komitetu normalizacyjnego DIN FNL 7 „Promieniowanie optyczne" oraz członkiem grupy projektowej DVGW ds. dezynfekcji UV.