254 nm'de UVC ışınımının ölçülmesi ve izlenmesi

Düşük basınçlı cıva lambalarının 253,7 nm hattı, UV su ve hava dezenfeksiyonunda merkezi bir ışınım kaynağıdır. Referans ölçümü, tesis izleme ve doz değerlendirmesi her biri farklı sensör konseptleri gerektirir. Önemli olan spektral uyum, ölçüm geometrisi, uzun vadeli kararlılık ve gerçek kaynakla eşleşen bir kalibrasyondur.

Bu sayfa üç ölçüm görevini birbirinden ayırmakta ve sensör ile kaynak eşleşmediğinde ne gibi hatalar ortaya çıktığını göstermektedir.

UV ışınımının germisidal etkisi dalga boyuna bağlıdır. Bu etki esasen nükleik asitlerin absorpsiyonunu takip eder ve maksimumuna 265 nm civarındaki bölgede erişir. Düşük basınçlı merkür lambasının ana emisyon çizgisi 253,7 nm'de yer alır ve bu nedenle bu maksimuma yakındır: tam olarak maksimumda olmasa da etkinin büyük bir kısmını yakalar.

Ancak yalnızca dalga boyu belirleyici değildir. Etki; dalga boyu, ışınım maruziyeti – irradyans çarpı zaman – ve ilgili mikroorganizmanın hassasiyetinden kaynaklanır. 254 nm'nin teknik standart haline gelmesi bu nedenle aynı zamanda pratik bir konudur: kaynak yüksek verimle çalışır, spektrumu dardır ve bu sayede metrolojik olarak değerlendirilmesi net biçimde yapılabilir, hava ve sudaki geçirgenlik pratikte önemli olan mesafeler için yeterlidir ve normatif temel onlarca yıl içinde gelişmiştir.

Aşağıdaki şekilde, Opsytec spektral veritabanından alınan bir düşük basınçlı merkür lambasının ölçülen spektrumu, Bacillus subtilis sporları için mikrobisidal etki spektrumu (Cabaj ve ark. 2002, 253,7 nm'de normalize edilmiş) ile birlikte gösterilmektedir. 185 nm rezonans çizgisi, ölçülen aralığın dışında kaldığı için şematik olarak çizilmiştir.

Düşük basınçlı cıva lambası, içinde bir damla cıva ve genellikle argon olan bir başlangıç gazı bulunan kuvars bir tüp içindeki gaz deşarjıdır. Cıva buhar basıncı birkaç pascal, toplam iç basınç ise yaklaşık 10 mbar'a kadardır. Deşarj güçlü şekilde termal olmayan bir yapıdadır: elektronlar birkaç elektronvolta ulaşırken gaz neredeyse soğuk kalır. Tam olarak bu dengesizlik, verilen gücün ısıya değil ağırlıklı olarak uyarılmaya gitmesini sağlar.

Elektron çarpışmaları cıva atomlarını rezonans seviyelerine çıkarır; bunların temel duruma geri düşmesi iki rezonans hattını verir. 253,7 nm'de ana emisyon hattı ve bununla birlikte germisidal amaçla kullanılan pay bulunur. 185 nm'deki ikinci hat, ancak zarf malzemesi bu ışığı geçirirse lambadan çıkar; havada ozon üretir ve uygulamaya bağlı olarak ya bilinçli şekilde oksidasyon süreçleri için kullanılır ya da katkılı kuvars camla bastırılır (cıva buharlı lamba hakkında genel bakış, Almanca).

Her iki hat da rezonant olduğundan, fotonlar plazma içinde tekrar tekrar absorbe edilir ve yeniden yayılır. Bu radyasyon hapsi, verimliliği doğrudan cıva buhar basıncına ve böylece duvar sıcaklığına bağlar: en soğuk duvar noktasının optimumu 40 °C civarındadır ve bunun altında ve üstünde 254 nm çıkışı düşer. Bir tesiste ortam sıcaklığı ve akış, bu nedenle yayılan ışınım gücünü doğrudan etkiler. Amalgam lambalar bu optimumu daha yüksek sıcaklıklara kaydırır ve önemli ölçüde daha yüksek güç yoğunluklarına imkân tanır.

Kullanım ömrü boyunca hattın konumu sabit kalırken ışınım gücü azalır. Ölçüm için bu, elverişli bir durumdur: sensörün spektral ağırlıklandırması geçerliliğini korur ve sadece genlik düşer. Orta basınçlı lambalarda ve UVC LED'lerde spektral dağılım da değişir – aşağıda açıklanan uyumsuzluk da buradan kaynaklanır.

Etki, teknolojiden önce geldi. 1877'de Downes ve Blunt, güneş ışığının bakteri üremesini engellediğini gösterdi; 1903'te Niels Ryberg Finsen, ışık tedavisi nedeniyle Nobel Ödülü'nü aldı. Buna karşılık gelen kaynak da paralel olarak ortaya çıktı: Leo Arons, 1892 tarihli çalışmalarına dayanarak cıva buharlı lambanın mucidi olarak kabul edilir, kuvars camlı güneş lambası 1905'ten itibaren geldi ve 1923 ile 1934 yılları arasında cıva deşarj lambaları alçak, orta ve yüksek basınçlı versiyonlar olarak ticarileştirildi (cıva buharlı lambaya genel bakış, Almanca). İçme suyu dezenfeksiyonu için ilk UV tesisi, 1910 gibi erken bir tarihte Marsilya'da faaliyete geçti.

Etki ancak daha sonra ölçülebilir ve karşılaştırılabilir hale geldi. 1930'da R. L. Gates, bakterisidal etkiye ilişkin ilk sistematik çalışmayı yayımlayarak germisidal etki spektrumunu ortaya koydu. 1980'li yıllardan itibaren içme suyu arıtımında normatif temellendirme geldi; Almanya'da DVGW W 294 uygulama kılavuzu ve DIN 19294, bugün test, tesis sensörleri ve referans ölçümünü şekillendirmektedir.

Böylece gelişme üç adımda gerçekleşti: 19. yüzyılda biyolojik gözlem, 20. yüzyılın ilk yarısında kontrol edilebilir bir kaynak ve ikinci yarısında metrolojik ve normatif güvence. Yalnızca üçüncü adım, bir etkiyi izlenebilir bir prosedüre dönüştürür.

En büyük uygulama alanı, akış tipi reaktörlerde içme, proses ve atık suyun dezenfeksiyonudur; Almanya'da DVGW W 294 ve DIN 19294-3'e göre tesis sensörleri ve referans ölçümüyle. Bunun yanında kliniklerde ve gıda ile ilaç üretiminde hava ve yüzeylerin dezenfeksiyonu, havalandırma kanallarında ve temiz odalarda, ayrıca içecek ve gıda endüstrisinde ambalaj, konveyör ve dolum hatlarının işlenmesi gelir.

185 nm hattı serbest bırakılırsa, fotokimyasal etki de eklenir: UV oksidasyonu ve TOC azaltımı, ışın yolunda oluşan ozon ve bundan ortaya çıkan radikallerle çalışır. Daha kısa dalga boylu, saf fotokimyasal bir alternatif ksenon eksimer lambalardan 172 nm VUV ışınımının ölçülmesi sayfasında açıklanmaktadır. Laboratuvarda 254 nm ışınımı, örneğin kolime ışın düzeneğinde doz-yanıt çalışmaları için tanımlı bir referans olarak görev yapar. Etki, prosedürler ve standartlar UV dezenfeksiyonu uygulama sayfasında bağlam içinde ele alınmaktadır.

Her durumda aynı ilişki geçerlidir: önemli olan lambanın nominal gücü değil, ortamda gerçekten etkili olan ışınım maruziyetidir. Irradyans, kalış süresi, akış ve geçirgenlik sonucu birlikte belirler – bu nedenle ölçüm, prosedürün bir aksesuarı değil, ayrılmaz bir parçasıdır.

• Referans ölçümü. İzlenebilir şekilde kalibre edilmiş bir referans radyometre, örneğin bir tesis sensörünü kontrol etmek için tanımlı bir konumdaki irradyansı belirler. Burada önemli olan düşük ölçüm belirsizliği ve tanımlı bir geometridir.
• Tesis izleme. Kalıcı olarak monte edilmiş bir sensör, kaynağı sürekli olarak izler ve kontrol sistemine bir sinyal sağlar. Burada önemli olan uzun süreli kararlılık, ortama ve temizliğe karşı dayanıklılık ve uygun bir arayüzdür.
• Doz veya akı değerlendirmesi. Ortamla ilişkili ışınım maruziyeti doğrudan ölçülmez; irradyans, kalış süresi, akış ve ortamın geçirgenliğinden türetilir veya biyodozimetrik olarak belirlenir.

Bu üç görev birbirinden ayrı olarak tanımlanmıştır. Bir tesis sensörü referans ölçümünün yerini tutmaz ve bir referans ölçümü de doz değerlendirmesinin yerini tutmaz.

254 nm için tasarlanmış bir sensör, alçak basınçlı lambanın dar hat spektrumuyla eşleştirilmiştir. Aynı sensör bir orta basınçlı lamba veya bir UVC LED'de kullanılırsa, kendisi için tasarlanmamış bir duyarlılık eğrisiyle farklı bir spektrumu değerlendirir. Bunun sonucu, yalnızca kaynağa özgü bir düzeltme faktörüyle giderilebilecek sistematik bir sapmadır.

Spektrum, bir kaynak türü içinde ömür boyunca da değişir. Alçak basınçlı lambalarda çıkış gücü düşerken hat konumu sabit kalır; orta basınçlı lambalarda ve LED'lerde ise spektral dağılım da değişir. Bu nedenle kaynak türlerini karşılaştıran veya bunlar arasında geçiş yapan herkesin spektral olarak çözümlenmiş bir referansa ihtiyacı vardır.

Akış tipi reaktörlerde bir sensör, bir sensör penceresi üzerinden tanımlı bir montaj konumunda ölçüm yapar. Ölçülen şey, ortama etki eden ışınım maruziyeti değil, tesis tasarımı üzerinden bununla ilişkilendirilmiş bir sinyaldir. Pencere kirlenmesi, kaynağın yaşlanması ve ortamın geçirgenliği bu sinyali farklı şekilde etkiler – bu nedenle sensör konumu, kalibrasyon ve değerlendirme kuralı birlikte tanımlanmalıdır.

Laboratuvarda, kolimasyonlu ışın düzenekleri bir numunenin tanımlı, neredeyse paralel ışınlanmasına ve dolayısıyla güvenilir bir doz-tepki ilişkisine olanak tanır. Reaktöre aktarım, tek bir okuma ile değil, validasyon yoluyla yapılır. Prosedür, UV reaktör validasyonu sayfasında açıklanmaktadır.

• UVC ölçer – tüm UVC ölçerlerin ve sensörlerin karşılaştırması.
• DVGW referans radyometresi – DIN 19294-3'e göre içme suyu tesislerinde referans ölçümü.
• UVC-SE ve UVx-SE – kalıcı tesis izleme için basınca dayanıklı sensörler.
• RMD Pro UVC sensörü ile – lambalarda, kabinlerde ve yüzeylerde el ile ölçüm.
• SR900 – kaynak tiplerinin karşılaştırıldığı veya spektrumun bilinmediği durumlarda spektral çözünürlüklü referans.

Tüm ölçüm zincirleri, akredite kalibrasyon laboratuvarında izlenebilir şekilde kalibre edilmektedir. UV dezenfeksiyonu uygulama sayfası, ölçümü etki, süreç ve standartlar bağlamına yerleştirmektedir.

Dr.-Ing. Mark Paravia, Ettlingen'deki Opsytec Dr. Gröbel GmbH'nin genel müdürüdür ve akredite kalibrasyon laboratuvarının başındadır. KIT'teki Aydınlatma Teknolojisi Enstitüsü'nde darbeli ksenon eksimer deşarjları üzerine yaptığı araştırmaların ardından, bugün odak noktası optik ışınım ölçümüdür. DIN standartları komitesi FNL 7 "Optik ışınım"ın başkan yardımcısıdır ve DVGW'nin UV dezenfeksiyonu proje grubunun üyesidir.