254 nm紫外C辐射的测量与监测

低压汞灯的253.7 nm谱线是紫外水处理和空气消毒中的核心辐射源。基准测量、设备监测和剂量评估分别需要不同的传感器方案。关键在于光谱匹配性、测量几何结构、长期稳定性，以及与实际辐射源相匹配的校准。

本页面区分了这三种测量任务，并说明了当传感器与辐射源不匹配时会产生哪些误差。

紫外辐射的杀菌效果取决于波长，基本遵循核酸的吸收特性，并在265 nm附近区域达到最大值。低压汞灯的主发射谱线位于253.7 nm，因此非常接近该区域：虽然并未恰好位于最大值处，但已能捕获大部分效果。

然而，波长本身并非唯一决定因素。其效果由波长、辐照量（即辐照度乘以时间）以及特定微生物的敏感性共同决定。254 nm之所以成为技术标准，同样也是出于实际考量：该光源具有高效率，光谱较窄因而便于计量学上的明确评估，在实际相关的传播路径中其在空气和水中的透过率也足够，并且相关规范基础经过数十年的发展已趋成熟。

下图显示了取自Opsytec光谱数据库的低压汞灯实测光谱，并叠加了枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）孢子的杀菌作用光谱（Cabaj等，2002年，以253.7 nm归一化）。由于185 nm共振谱线位于测量范围之外，图中以示意方式绘制。

低压汞灯是一种在石英管内进行的气体放电，管内含有一滴汞和一种起始气体，通常为氩气。汞蒸气压力为几帕，内部总压力最高约为10 mbar。该放电过程强烈非热平衡：电子能量可达几个电子伏特，而气体几乎保持冷态。正是这种不平衡使得输入功率主要用于激发而非产热。

电子碰撞使汞原子跃迁至共振能级；其衰变回基态时产生两条共振谱线。253.7 nm处为主发射线，也是杀菌应用中所使用的部分。第二条谱线位于185 nm，只有当灯管外壳材料能透过该波长时才会射出灯外；在空气中它会产生臭氧，根据应用不同，或被有意用于氧化过程，或通过掺杂石英玻璃加以抑制（关于汞蒸气灯的概述，德语）。

由于两条谱线均为共振谱线，光子会在等离子体内部被反复吸收和再发射。这种辐射俘获效应使发光效率直接取决于汞蒸气压力，进而取决于管壁温度：最冷点的最佳温度约为40 °C，高于或低于该温度时254 nm的输出功率均会下降。因此，在实际装置中，介质温度和流速会直接影响所发出的辐射功率。汞齐灯将这一最佳点移向更高的温度，并可实现显著更高的功率密度。

在整个使用寿命期间，谱线的位置保持稳定，而辐射功率会逐渐降低。对于测量而言，这是较为有利的情况：传感器的光谱加权仍然有效，仅幅值下降。而在中压灯和UVC LED中，光谱分布也会发生变化——这正是后文所述失配问题的来源。

效应的发现早于技术。1877 年，Downes 与 Blunt 证明阳光可抑制细菌生长；1903 年，Niels Ryberg Finsen 因光疗法获得诺贝尔奖。与之匹配的光源同期出现：依据 1892 年的研究工作，Leo Arons 被视为汞蒸气灯的发明者；石英玻璃太阳灯自 1905 年起问世；1923 年至 1934 年间，汞放电灯以低压、中压和高压型号实现商业化（汞蒸气灯概述，德语）。早在 1910 年，首座用于饮用水消毒的紫外装置便在马赛投入运行。

效应的可测量与可比较则出现在更晚的阶段。1930 年，R. L. Gates 发表了关于杀菌效应的首份系统性研究，由此引入了杀菌作用光谱。自 1980 年代起，饮用水处理领域开始建立规范依据；在德国，DVGW 技术规程 W 294 与 DIN 19294 至今仍决定着检测、装置传感器与参考测量的方式。

因此，这一发展历程分为三步：19 世纪的生物学观察、20 世纪上半叶可控光源的出现，以及 20 世纪下半叶计量学与规范层面的保障。只有第三步，才能使一种效应成为可监控的方法。

最大的应用领域是流通式反应器中饮用水、工艺用水和废水的消毒，在德国需配备装置传感器并按照 DVGW W 294 和 DIN 19294-3 进行参比测量。此外还包括诊所以及食品和制药生产中空气与表面的消毒、通风管道和洁净室的消毒，以及饮料和食品行业中包装、输送带和灌装线的处理。

若释放 185 nm 谱线，则会增加光化学效应：紫外氧化和 TOC 降低利用光路中形成的臭氧及由此产生的自由基发挥作用。一种波长更短、纯光化学的替代方案见于页面测量氙准分子灯发出的 172 nm 真空紫外辐射。在实验室中，254 nm 辐射最终作为明确的参比基准，例如用于准直光束装置中的剂量-响应研究。效应、工艺流程与标准在应用页面紫外消毒中作了系统说明。

无论哪种情况，都遵循同一关系：真正起作用的是介质中实际有效的辐照量，而非灯的标称功率。辐照度、停留时间、流量和透过率共同决定结果——因此测量是工艺流程的一部分，而非附加配件。

• 基准测量。经计量溯源校准的基准辐射计用于测定特定位置的辐照度，例如用于校验设备传感器。此处的关键在于低测量不确定度和明确的几何结构。
• 设备监测。永久安装的传感器持续监测光源，并向控制系统提供信号。此处的关键在于长期稳定性、对介质及清洁的耐受性，以及合适的接口。
• 剂量或辐射通量评估。与介质相关的辐照量并非直接测量，而是根据辐照度、停留时间、流量以及介质的透过率推算得出，或通过生物剂量法确定。

这三项任务各自独立定义。设备传感器不能替代基准测量，基准测量也不能替代剂量评估。

为254 nm设计的传感器与低压灯的窄线光谱相匹配。如果将同一传感器用于中压灯或UVC LED，它评估的是另一种光谱，而其响应曲线并非为此设计。由此产生的系统偏差只能通过针对光源的修正系数来消除。

在同一类光源的寿命周期内，光谱也会发生变化。对于低压灯，谱线位置保持稳定，而输出功率下降；对于中压灯和LED，光谱分布也会发生变化。因此，任何需要比较或更换光源类型的人都需要一个光谱分辨的参考标准。

在流通式反应器中，传感器通过传感器窗口在规定的安装位置进行测量。所测量的并非作用于介质的辐照量，而是通过装置设计与之相关联的信号。窗口污染、光源老化以及介质的透过率对该信号的影响各不相同——因此传感器位置、校准和评估规则必须一并确定。

在实验室中，准直光束装置可对样品进行规定的、近乎平行的辐照，从而获得可靠的剂量-响应关系。向反应器的转化通过验证实现，而非通过单次读数。相关流程见于页面紫外反应器验证。

• UVC 测量仪 —— 所有 UVC 测量仪与传感器对比。
• DVGW基准辐射计 – 依据DIN 19294-3标准在饮用水处理设施上进行基准测量。
• UVC-SE和UVx-SE – 用于设施持续监测的耐压传感器。
• 配备紫外C传感器的RMD Pro – 用于在灯管、辐照箱和表面上进行手持式测量。
• SR900 – 在比较不同光源类型或光谱未知时使用的光谱分辨基准设备。

所有测量链均在已获认可的校准实验室中进行可溯源校准。应用页面紫外消毒将测量置于效果、工艺和标准的整体背景中加以说明。

Dr.-Ing. Mark Paravia是位于埃特林根（Ettlingen）的Opsytec Dr. Gröbel GmbH的总经理，并负责领导经认可的校准实验室。在卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）照明技术研究所从事脉冲氙气激子放电研究之后，他目前的研究重点是光辐射测量。他是DIN标准委员会FNL 7"光辐射"的副主席，并且是DVGW紫外线消毒项目组的成员。