Prawidłowy pomiar dawki UV i natężenia napromienienia
Natężenie napromienienia i dawka UV opisują różne właściwości procesu UV. Natężenie napromienienia to chwilowa moc promieniowania na jednostkę powierzchni; dawka – w terminologii normatywnej napromienienie – jest jej całką w czasie. Wiarygodne wyniki wymagają, aby zakres widmowy, zakres pomiarowy, źródło wzorcujące, odległość pomiarowa i geometria pomiaru były dopasowane do zastosowania. Dla procesów zmiennych w czasie dodatkowo uwzględnia się przebieg czasowy napromieniowania.
Ta strona porządkuje wielkości, wskazuje czynniki wpływające na wynik pomiaru i pokazuje, która klasa przyrządów rozwiązuje jakie zadanie. Wybór konkretnych przyrządów jest omówiony w kategorii Mierniki UV i radiometry.
Natężenie napromienienia, napromienienie i dawka
Natężenie napromienienia E to moc promieniowania docierająca do powierzchni, podawana w W/m² lub – powszechnie w technice UV – w mW/cm². Napromienienie H jest jego całką w czasie, podawaną w J/m² lub mJ/cm². Tam, gdzie natężenie napromienienia jest stałe w czasie, H = E · t; tam, gdzie się zmienia, rzeczywisty przebieg musi zostać scałkowany.
W praktyce napromienienie zwykle nazywane jest „dawką". Pojęcie to jest utrwalone, lecz nieprecyzyjne: w dezynfekcji wody fluencja opisuje promieniowanie docierające do elementu objętości ze wszystkich kierunków, natomiast w fotobiologii dawka jest dodatkowo ważona widmem działania. Każdy, kto porównuje wartości pomiędzy instalacjami, dostawcami lub raportami z badań, powinien zatem zawsze podawać, o którą wielkość, który zakres widmowy i którą geometrię pomiaru chodzi.
Wielkości, jednostki i znaczenie
| Wielkość | Jednostka | Znaczenie |
|---|---|---|
| Natężenie napromienienia E | W/m², mW/cm² | chwilowa moc promieniowania na jednostkę powierzchni w punkcie pomiaru |
| Napromienienie H („dawka") | J/m², mJ/cm² | całka natężenia napromienienia w czasie |
| Widmowe natężenie napromienienia E(λ) | W/(m²·nm) | rozkład natężenia napromienienia w funkcji długości fali |
| Fluencja | J/m² | promieniowanie docierające do elementu objętości ze wszystkich kierunków |
| Skuteczne natężenie napromienienia | W/m² | ważone widmowo z zastosowaniem widma działania, na przykład skuteczne rumieniowo |
| Gęstość strumienia fotonów (PPFD) | µmol/(m²·s) | liczba fotonów na jednostkę powierzchni i czasu, powszechnie stosowana w fotobiologii |
Co decyduje o wyniku pomiaru
Odczyt jest tylko tak wiarygodny, jak warunki, w których został wykonany. O wyniku decyduje pięć czynników:
- Czułość widmowa. Radiometr szerokopasmowy ocenia źródło na podstawie krzywej czułości swojego czujnika. Jeśli widmo źródła różni się od widma źródła wzorcującego, występuje niedopasowanie widmowe – systematycznie największy błąd przy zmianie źródeł.
- Geometria pomiaru. Natężenie napromienienia od rozległego źródła powierzchniowego wymaga optyki wejściowej skorygowanej kosinusowo. Bez korekcji kosinusowej promieniowanie padające ukośnie jest niedoszacowane.
- Odległość i płaszczyzna pomiaru. Pomiar należy wykonywać tam, gdzie zachodzi proces – w płaszczyźnie elementu lub próbki, a nie w wolnej wiązce. W przypadku źródeł punktowych i plamkowych natężenie napromienienia silnie zmienia się wraz z odległością.
- Wzorcowanie. Wzorcowanie musi odpowiadać zakresowi widmowemu, zakresowi pomiarowemu oraz, w miarę możliwości, typowi zastosowanego źródła, i musi być udokumentowane w sposób zapewniający spójność pomiarową.
- Zakres pomiarowy, liniowość i temperatura. Bardzo wysokie natężenie napromienienia, źródła impulsowe oraz podwyższona temperatura w punkcie pomiaru ograniczają wybór czujników, które można zastosować.
Wzorcowania radiometrów i czujników UV wykonuje akredytowane laboratorium wzorcujące; procedura opisana jest w części Wzorcowanie UV.
Pomiar statyczny lub w trakcie procesu
W przypadku nieruchomego źródła i nieruchomej części wystarczający jest statyczny pomiar natężenia napromienienia w płaszczyźnie komponentu; dawka wynika z natężenia napromienienia i czasu ekspozycji. Gdy tylko część lub źródło zaczynają się poruszać, natężenie napromienienia na części staje się zależne od czasu. Trzeba wówczas rejestrować szczytowe natężenie napromienienia, przebieg czasowy oraz wynikającą z niego dawkę zintegrowaną – pojedynczy statyczny odczyt pod lampą nie opisuje procesu.
Sposób, w jaki taki pomiar jest realizowany w liniach przenośnikowych, drukujących i przelotowych, opisano na stronie Pomiar UV dla systemów przenośnikowych.
Który przyrząd odpowiada danemu zadaniu
- Stabilne źródło o znanym widmie, pomiar punktowy: wzorcowany radiometr szerokopasmowy, taki jak RMD Pro lub RM-12, z czujnikiem dopasowanym do zakresu widmowego.
- Zmieniające się źródła, długości fali LED, badania starzenia: przyrząd mierzący widmowo, taki jak UVpad, UVpad E lub SR900, w laboratorium.
- Dawka w trwającym procesie: płaskie loggery, takie jak curelog lub tinyTracker, przemieszczające się przez linię wraz z obrabianym przedmiotem.
- Stałe monitorowanie instalacji: trwale zainstalowane czujniki UV z odpowiednią elektroniką ewaluacyjną.
To samo dotyczy każdego z tych łańcuchów: czujnik, ewaluacja i wzorcowanie muszą być dopasowane do wartości procesowej, którą należy wykazać. Pomoc w wyborze według zadania pomiarowego znajduje się w kategorii mierniki UV, a rozróżnienie między klasami przyrządów na stronie spektroradiometr czy radiometr szerokopasmowy.
Najczęściej zadawane pytania dotyczące natężenia napromienienia i dawki
Którą wielkość należy monitorować w systemie UV?
Przede wszystkim natężenie napromienienia w W/m² w dostępnym punkcie najbliższym procesowi, a na jego podstawie dawkę jako całkę czasową w J/m². Dla przeliczenia: 10 W/m² odpowiada 1 mW/cm². Obok nich należy uwzględnić temperaturę czujnika i źródła. Okno procesowe musi być określone w dwóch wymiarach, z dolną i górną granicą dla obu wielkości. Elektryczna moc lampy nie jest wielkością mierzoną procesu.
W którym miejscu procesu wykonuje się pomiar?
Na poziomie części lub próbki, w miejscu, w którym proces faktycznie zachodzi – nie w wiązce swobodnej i nie przy obudowie lampy. Źródła rozciągłe i powierzchniowe wymagają optyki wejściowej skorygowanej kosinusowo, w przeciwnym razie promieniowanie padające pod kątem jest niedoważone. W przypadku źródeł punktowych i skupionych natężenie napromienienia zmienia się silnie wraz z odległością; zgodnie z regułą praktyczną odległość pomiarowa powinna wynosić co najmniej 10-krotność największego wymiaru powierzchni emitującej.
Jak wysokie jest natężenie napromienienia systemu UV w porównaniu ze słońcem?
Punktem odniesienia jest słońce na poziomie gruntu: w optymalnych warunkach około 1000 W/m² promieniowania globalnego, z czego około 62 W/m² przypada na UVA, a 5,6 W/m² na UVB. Komora testowa UVA o wartości 80 W/m² odpowiada zatem 1,3-krotności, a komora UVB o wartości 50 W/m² dziewięciokrotności tej wartości. Systemy LED UV osiągają 8000 W/m² i więcej, czyli około 130 razy więcej niż słoneczne UVA. W zakresie UVC porównanie nie jest możliwe, ponieważ promieniowanie poniżej 280 nm nie dociera do powierzchni Ziemi. Do każdego takiego współczynnika należą jeszcze dwie informacje: zakres widmowy, do którego się odnosi, oraz płaszczyzna pomiarowa, w której go zmierzono – bez obu tych danych liczby nie da się zweryfikować.
Autor: dr inż. Mark Paravia
Dr inż. Mark Paravia jest dyrektorem zarządzającym Opsytec Dr. Gröbel GmbH w Ettlingen i kieruje akredytowanym laboratorium wzorcującym. Po prowadzeniu badań nad pulsacyjnymi wyładowaniami ekscymerowymi w ksenonie w Instytucie Techniki Świetlnej na KIT, jego dzisiejszym obszarem zainteresowań jest pomiar promieniowania optycznego. Jest zastępcą przewodniczącego komitetu normalizacyjnego DIN FNL 7 „Promieniowanie optyczne" oraz członkiem grupy projektowej DVGW ds. dezynfekcji UV.
