Mätning och övervakning av UVC-strålning vid 254 nm

253,7 nm-linjen från lågtryckskvicksilverlampor är en central strålningskälla vid UV-desinfektion av vatten och luft. Referensmätning, anläggningsövervakning och dosbedömning kräver olika sensorkoncept. Det som är avgörande är spektral matchning, mätgeometri, långtidsstabilitet och en kalibrering som motsvarar den verkliga källan.

Den här sidan skiljer på de tre mätuppgifterna och visar vilka fel som uppstår när sensor och källa inte matchar varandra.

Den germicida effekten av UV-strålning beror på våglängden. Den följer i huvudsak absorptionen hos nukleinsyror och når sitt maximum i området runt 265 nm. Lågtryckskvicksilverlampans huvudemissionslinje ligger på 253,7 nm och därmed nära intill: den fångar upp en stor del av effekten utan att ligga exakt vid maximum.

Våglängden ensam är dock inte avgörande. Effekten beror på våglängd, strålningsexponering – irradians gånger tid – och känsligheten hos den aktuella mikroorganismen. Att 254 nm har blivit den tekniska standarden är därför lika mycket en praktisk fråga: källan arbetar med hög verkningsgrad, dess spektrum är smalt och därmed entydigt att utvärdera metrologiskt, transmissionen i luft och vatten är tillräcklig över praktiskt relevanta sträckor, och det normativa underlaget har vuxit fram under decennier.

Figuren nedan visar det uppmätta spektrumet från en lågtryckskvicksilverlampa ur Opsytecs spektraldatabas tillsammans med ett mikrobicidalt verkningsspektrum för sporer av Bacillus subtilis (Cabaj et al. 2002, normaliserat vid 253,7 nm). Resonanslinjen vid 185 nm är ritad schematiskt eftersom den ligger utanför det uppmätta området.

Lågtryckskvicksilverlampan är en gasurladdning i ett kvartsrör som innehåller en droppe kvicksilver och en startgas, vanligtvis argon. Kvicksilverångtrycket är några pascal, det totala inre trycket upp till cirka 10 mbar. Urladdningen är starkt icke-termisk: elektronerna når några elektronvolt medan gasen förblir nästan kall. Det är just denna obalans som gör att den tillförda effekten huvudsakligen går till excitation snarare än till värme.

Elektronkollisioner lyfter kvicksilveratomer till resonansnivåerna; deras sönderfall till grundtillståndet ger de två resonanslinjerna. Vid 253,7 nm ligger huvudemissionslinjen och därmed den germicidalt använda andelen. Den andra linjen vid 185 nm lämnar lampan endast om höljematerialet transmitterar den; i luft genererar den ozon och används, beroende på tillämpning, antingen medvetet för oxidationsprocesser eller undertrycks av dopat kvartsglas (översikt över kvicksilverångslampan, på tyska).

Eftersom båda linjerna är resonanta absorberas och återutsänds fotonerna upprepade gånger inuti plasmat. Denna strålningsinneslutning (radiation trapping) knyter verkningsgraden direkt till kvicksilverångtrycket och därmed till väggtemperaturen: optimumet för den kallaste väggpunkten ligger runt 40 °C, och över och under detta värde minskar 254 nm-utbytet. I en anläggning påverkar därför medietemperatur och flöde direkt den utsända strålningseffekten. Amalgamlampor förskjuter detta optimum till högre temperaturer och tillåter betydligt högre effekttätheter.

Under livslängden förblir linjens position stabil medan strålningseffekten minskar. För mätning är detta det gynnsamma fallet: sensorns spektrala viktning förblir giltig och endast amplituden sjunker. Med mellantryckslampor och UVC-LED:ar ändras även den spektrala fördelningen – vilket är där den obalans (mismatch) som beskrivs längre ner kommer ifrån.

Effekten kom före tekniken. År 1877 visade Downes och Blunt att solljus hämmar bakterietillväxt; år 1903 fick Niels Ryberg Finsen Nobelpriset för ljusterapi. Den passande källan uppstod parallellt: Leo Arons betraktas som uppfinnaren av kvicksilverånglampan utifrån arbeten från 1892, sollampan av kvartsglas följde från 1905, och mellan 1923 och 1934 kommersialiserades kvicksilverurladdningslampor som låg-, medel- och högtrycksversioner (översikt över kvicksilverånglampan, på tyska). Den första UV-anläggningen för desinfektion av dricksvatten togs i drift i Marseille redan 1910.

Först senare blev effekten mätbar och jämförbar. År 1930 publicerade R. L. Gates den första systematiska studien av den bakteriedödande effekten och införde därmed det germicida verkningsspektrumet. Från 1980-talet kom den normativa förankringen inom dricksvattenberedning; i Tyskland präglar DVGW:s regelverk W 294 och DIN 19294 i dag provning, anläggningssensorer och referensmätning.

Utvecklingen skedde alltså i tre steg: biologisk observation under 19:e århundradet, en styrbar källa under 20:e århundradets första hälft och metrologisk och normativ säkring under dess andra hälft. Först det tredje steget gör en effekt till ett övervakningsbart förfarande.

Det största användningsområdet är desinfektion av dricksvatten, processvatten och avloppsvatten i genomströmningsreaktorer, i Tyskland med anläggningssensorer och referensmätning enligt DVGW W 294 och DIN 19294-3. Till detta kommer desinfektion av luft och ytor i kliniker samt inom livsmedels- och läkemedelsproduktion, i ventilationskanaler och renrum, samt behandling av förpackningar, transportörer och fyllningslinjer inom dryckes- och livsmedelsindustrin.

Om 185 nm-linjen frigörs tillkommer den fotokemiska effekten: UV-oxidation och TOC-reduktion arbetar med den ozon som bildas i strålgången och de radikaler som uppstår från denna. Ett ännu kortvågigare, rent fotokemiskt alternativ beskrivs på sidan mätning av 172 nm VUV-strålning från xenon-excimerlampor. I laboratoriet fungerar 254 nm-strålning slutligen som en definierad referens, till exempel för dos-responsstudier i en kollimerad strålningsuppställning. Effekt, förfaranden och standarder sätts i sitt sammanhang på tillämpningssidan UV-desinfektion.

I varje enskilt fall gäller samma samband: det som räknas är den strålningsexponering som faktiskt är verksam i mediet, inte lampans nominella effekt. Irradians, uppehållstid, flöde och transmission avgör resultatet tillsammans – vilket är varför mätning är en del av förfarandet och inte ett tillbehör till det.

• Referensmätning. En spårbart kalibrerad referensradiometer bestämmer irradiansen vid en definierad position, till exempel för att kontrollera en anläggningssensor. Här är låg mätosäkerhet och en definierad geometri det som räknas.
• Anläggningsövervakning. En permanent installerad sensor övervakar källan kontinuerligt och levererar en signal till styrsystemet. Här är långtidsstabilitet, motståndskraft mot mediet och mot rengöring samt ett lämpligt gränssnitt det som räknas.
• Dos- eller fluensbedömning. Strålningsexponeringen relaterad till mediet mäts inte direkt utan härleds från irradians, uppehållstid, flöde och mediets transmittans, eller bestäms biodosimetriskt.

Dessa tre uppgifter definieras separat. En anläggningssensor ersätter inte en referensmätning, och en referensmätning ersätter inte en dosbedömning.

En sensor konstruerad för 254 nm är anpassad till lågtryckslampans smala linjespektrum. Om samma sensor används på en medeltryckslampa eller en UVC-LED utvärderar den ett annat spektrum med en responsivitetskurva som inte är avsedd för detta. Resultatet blir en systematisk avvikelse som endast kan åtgärdas med en källspecifik korrektionsfaktor.

Spektrumet förändras även över livslängden inom en och samma källtyp. Hos lågtryckslampor förblir linjepositionen stabil medan uteffekten sjunker; hos medeltryckslampor och LED:er förändras även den spektrala fördelningen. Den som jämför eller byter källtyp behöver därför en spektralt upplöst referens.

I genomflödesreaktorer mäter en sensor vid en definierad monteringsposition genom ett sensorfönster. Det som mäts är inte den strålningsexponering som verkar på mediet, utan en signal som är kopplad till den genom anläggningens utformning. Nedsmutsning av fönstret, åldring av källan och mediets transmittans påverkar denna signal på olika sätt – därför måste sensorposition, kalibrering och utvärderingsregel definieras tillsammans.

I laboratoriet möjliggör kollimerade strålsystem en definierad, nästan parallell bestrålning av ett prov och därmed ett tillförlitligt dos-responssamband. Överföringen till reaktorn görs genom validering, inte genom en enstaka avläsning. Förfarandet beskrivs på sidan UV-reaktorvalidering.

• UVC-mätare – alla UVC-mätare och sensorer jämförda.
• DVGW referensradiometer – referensmätning på dricksvattenanläggningar enligt DIN 19294-3.
• UVC-SE och UVx-SE – trycktäta sensorer för permanent anläggningsövervakning.
• RMD Pro med en UVC-sensor – handhållen mätning på lampor, kammare och ytor.
• SR900 – spektralt upplöst referens där källtyper jämförs eller spektrumet är okänt.

Alla mätkedjor kalibreras spårbart i det ackrediterade kalibreringslaboratoriet. Applikationssidan UV-desinfektion sätter mätningen i sammanhang med effekt, process och standarder.

Dr.-Ing. Mark Paravia är verkställande direktör för Opsytec Dr. Gröbel GmbH i Ettlingen och leder det ackrediterade kalibreringslaboratoriet. Efter sin forskning om pulsade xenon-excimerurladdningar vid Institute of Lighting Technology vid KIT ligger hans fokus idag på optisk strålningsmätning. Han är vice ordförande i DIN-standardiseringskommittén FNL 7 "Optical radiation" och medlem i DVGW:s projektgrupp för UV-desinfektion.