254 nm 紫外線輻射之量測與監控

低壓水銀燈的 253.7 nm 波段是紫外線水處理及空氣消毒中的核心輻射源。參考量測、系統監控與劑量評估各需採用不同的感測器概念。關鍵在於光譜匹配性、量測幾何配置、長期穩定性，以及與實際輻射源相符的校正。

本頁將這三項量測任務分別說明，並顯示當感測器與輻射源不匹配時會產生哪些誤差。

紫外線輻射的殺菌效果取決於波長。此效果基本上遵循核酸的吸收特性，並在 265 nm 附近的區域達到最大值。低壓水銀燈管的主要發射線位於 253.7 nm，因此十分接近該區域：它擷取了大部分的效果，但並非正好位於最大值處。

然而，波長並非唯一的決定性因素。其效果取決於波長、輻射曝露量（輻照度乘以時間）以及特定微生物的敏感度。254 nm 之所以成為技術標準，同樣也是出於實務上的考量：該光源具有高效率、其光譜狹窄因而在計量評估上明確無誤、在實際相關路徑上於空氣與水中的穿透率足夠，且其規範基礎已歷經數十年的發展。

下圖顯示了取自 Opsytec 光譜資料庫中低壓水銀燈管的實測光譜，並疊加了針對枯草桿菌（Bacillus subtilis）孢子的殺菌作用光譜（Cabaj et al. 2002，於 253.7 nm 處進行歸一化）。由於 185 nm 共振線位於量測範圍之外，故以示意方式繪製。

低壓水銀燈是一種氣體放電裝置，其石英管內含有一滴水銀與起始氣體，通常為氬氣。水銀蒸氣壓約為數 pascal，內部總壓力最高可達約 10 mbar。這種放電具有強烈的非熱平衡特性：電子能量可達數電子伏特，而氣體本身幾乎維持低溫。正是這種不平衡，使所供給的功率主要用於激發，而非轉化為熱。

電子碰撞將水銀原子提升至共振能階；其衰減回到基態時會產生兩條共振譜線。253.7 nm 為主要發射譜線，也是用於殺菌用途的成分。第二條位於 185 nm 的譜線，僅在燈管外殼材質可透射該波長時才會發射出來；在空氣中會產生臭氧，依應用不同，此譜線或被刻意用於氧化程序，或透過添加特殊成分之石英玻璃加以抑制（水銀蒸氣燈概覽，德文版）。

由於兩條譜線皆屬共振性質，光子會在電漿內部反覆被吸收與再發射。這種輻射捕捉效應，使效率直接與水銀蒸氣壓、進而與管壁溫度相關：最冷管壁點的最佳溫度約為 40 °C，高於或低於此溫度時，254 nm 的輸出功率皆會下降。因此在實際設備中，介質溫度與流速會直接影響所發射的輻射功率。汞合金燈（Amalgam lamps）可將此最佳溫度點提高，並可實現顯著較高的功率密度。

在使用壽命期間，譜線位置維持穩定，而輻射功率則逐漸下降。就量測而言，這是較有利的情況：感測器的光譜權重仍然有效，僅振幅隨之降低。至於中壓燈管與 UVC LED，其光譜分佈亦會隨之改變——這正是後文所述失配（mismatch）現象的來源。

效應早於技術出現。1877 年，Downes 和 Blunt 證實陽光可抑制細菌生長；1903 年，Niels Ryberg Finsen 因光療法獲得諾貝爾獎。與之相應的光源也同步發展：根據 1892 年的研究成果，Leo Arons 被視為水銀蒸氣燈的發明者，1905 年隨後出現石英玻璃日光燈，而在 1923 年至 1934 年間，水銀放電燈以低壓、中壓與高壓版本實現商業化（水銀蒸氣燈概覽，德文）。早在 1910 年，第一座用於飲用水消毒的紫外線設備已在馬賽投入運行。

直到後來，該效應才變得可測量且可比較。1930 年，R. L. Gates 發表了第一份針對殺菌效應的系統性研究，並藉此提出了殺菌作用光譜。自 1980 年代起，此效應在飲用水處理領域獲得規範上的確立；在德國，DVGW 規範 W 294 與 DIN 19294 至今仍規範著測試、設備感測器與參考量測。

因此，這項發展經歷了三個步驟：19 世紀的生物觀察、20 世紀前半段可控光源的出現，以及 20 世紀後半段計量與規範上的確立。唯有第三步，才能將一種效應轉化為可監控的程序。

最大的應用領域是在流通式反應器中對飲用水、程序用水及廢水進行消毒，在德國並依 DVGW W 294 及 DIN 19294-3 標準配備廠內感測器與參考量測設備。此外還包括診所以及食品與藥品生產中空氣與表面的消毒、通風管道與無塵室的消毒，以及飲料與食品業中包裝、輸送帶與充填線的處理。

若釋放出 185 nm 波長，則會加入光化學效應：紫外線氧化與 TOC 削減作用會利用光束路徑中形成的臭氧及由此產生的自由基。另一種波長更短、純光化學的替代方案，說明於量測氙準分子燈所產生的 172 nm VUV 輻射頁面中。而在實驗室中，254 nm 輻射最終可作為明確的參考基準，例如用於平行光束系統中的劑量—反應研究。效應、程序與標準的相關脈絡則整理於應用頁面紫外線消毒中。

無論何種情況，關係始終相同：真正重要的是在介質中實際產生效應的輻射曝露量，而非燈管的名義功率。輻照度、停留時間、流量與透過率共同決定結果——因此量測是程序中的一部分，而非附加配件。

• 參考量測。具計量溯源性、已校正的參考輻射計會在特定位置測定輻照度，例如用於檢驗設備感測器。此處重要的是低量測不確定度與明確定義的幾何配置。
• 設備監控。永久安裝的感測器會持續監控光源，並將訊號提供給控制系統。此處重要的是長期穩定性、對介質及清潔程序的耐受性，以及合適的介面。
• 劑量或通量評估。與介質相關的輻射曝露量並非直接測得，而是由輻照度、停留時間、流量與介質穿透率推算得出，或以生物劑量法測定。

這三項任務各自定義，彼此獨立。設備感測器無法取代參考量測，參考量測也無法取代劑量評估。

設計用於 254 nm 的感測器，是與低壓燈管的窄線光譜相匹配的。若將同一感測器用於中壓燈管或 UVC LED，其評估的光譜不同，而其響應曲線並非為此設計，結果會產生系統性偏差，唯有透過針對特定光源之校正係數才能加以修正。

同一種光源類型的光譜也會隨使用壽命而改變。低壓燈管的譜線位置維持穩定，但輸出功率會下降；中壓燈管與 LED 則是光譜分布本身也會改變。因此，任何比較或切換光源類型的人，都需要一個經光譜解析的參考基準。

在連續流反應器中，感測器透過感測器窗口在固定的安裝位置進行量測。所量測到的並非作用於介質上的輻射曝露量，而是透過設備設計與其相關聯的訊號。窗口污染、光源老化以及介質的透光率會以不同方式影響此訊號——因此感測器位置、校正與評估規則必須一併定義。

在實驗室中，平行光束裝置可對樣品進行明確定義、近乎平行的照射，因此能建立可靠的劑量—反應關係。轉換至反應器的應用則須透過驗證程序完成，而非僅憑單一讀值。此程序詳述於 紫外線反應器驗證 頁面。

• UVC 量測儀 – 所有 UVC 量測儀與感測器比較。
• DVGW 參考輻射計 – 依 DIN 19294-3 於飲用水設備上進行參考量測。
• UVC-SE 與 UVx-SE – 用於設備永久監控的耐壓型感測器。
• RMD Pro 搭配 UVC 感測器 – 可於燈管、腔室及表面進行手持式量測。
• SR900 – 於比較光源類型或光譜未知時，提供光譜解析的參考量測。

所有量測鏈皆於通過認可的校正實驗室中進行可溯源的校正。應用頁面紫外線消毒將該量測置於效果、流程及標準的脈絡中說明。

Dr.-Ing. Mark Paravia 是位於 Ettlingen 的 Opsytec Dr. Gröbel GmbH 的總經理，並負責管理該公司經認證的校正實驗室。在 KIT 照明技術研究所完成脈衝式氙氣激發準分子放電研究後，他目前專注於光學輻射量測領域。他同時擔任 DIN 標準委員會 FNL 7「光學輻射」的副主席，並為 DVGW 紫外線消毒專案小組的成員。