Измерение источников ультрафиолетового излучения

Применение источников УФ-С-излучения для дезинфекции доказало свою эффективность во многих сферах деятельности. Часто в качестве источников излучения применяются ртутные лампы низкого давления из-за их излучения на длине волны 253,7 нм, что очень близко к пику чувствительности ДНК и РНК [1] (рис. 1). Применение УФ-светодиодов еще не получило широкого распространения из-за их низкой эффективности, но ожидается, что в ближайшие несколько лет их характеристики значительно улучшатся и при проектировании оборудования для обеззараживания УФ-излучением светодиоды станут применяться чаще. В статье пойдет речь о требованиях к измерительному оборудованию и о том, как трансформировать знания об измерениях видимого света к диапазону ультрафиолетового излучения.

Рис. 1. Сравнение спектра поглощения урацила со спектром поглощения тимина и пиковая длина волны ртутной лампы низкого давления [1]

Измерения источников ультрафиолетового излучения

До пандемии измерение характеристик ультрафиолетового излучения оборудования для дезинфекции было очень простой задачей. В большинстве случаев однократные измерения проводились на местах размещения оборудования, на его обычном рабочем месте, а не в лаборатории.

Обычно в технических описаниях УФ-лампы или УФ-оборудования можно найти значение лучистого потока (Вт) (лучистый поток — это количество электромагнитной энергии в единицу времени, не путать с потребляемой мощностью). В некоторых случаях в технические данные также включаются значения облученности (в Вт/м² или мДж/см²c), указанные для определенного расстояния.

Значение лучистого потока УФ-лампы может быть интересно для определения количества потенциально бактерицидной энергии, которую мы сможем получить в проекте. Но это значение не поможет нам рассчитать время обеззараживания для конкретного патогена, если значение дозы указано в мДж/см². Это похоже на то, как если бы мы пытались рассчитать проект освещения офиса, желая получить 500 лк и равномерность распределения освещенности 0,6, зная только то, что значение светового потока источника составляет 3000 лм. Значения облученности (Вт/м²) полезны, если известно расстояние, на котором получена указанная облученность для данной УФ-лампы/облучателя. Однако это позволяет нам только точно знать бактерицидный потенциал и рассчитать степень уничтожения патогенов на расстоянии, представленном в технических данных. Эти расчеты точны только в том направлении, в котором производитель выполнил измерение, мы не можем ожидать, что уровни облученности будут такими же по всей облучаемой поверхности.

В случае ламп точка максимальной интенсивности обычно имеет место на перпендикулярной оси лампы, так что значения интенсивности будут уменьшаться по мере удаления от этой оси. Вот почему для выполнения более надежных расчетов в проектах установок для дезинфекции необходимо знать пространственную характеристику источников УФ-излучения.

Пространственная характеристика УФ-оборудования

Системы для измерения и определения характеристик УФ-ламп и облучателей очень похожи на те, которые используются в фотометрических измерениях (380–780 нм). Основная разница заключается в том, что они должны иметь особую чувствительность к коротким длинам волн 100–400 нм. Радиометры — это фотометры с датчиками, чувствительными к определенным длинам волн. Однако невозможно получить высокую чувствительность, охватывающую весь УФ-диапазон.

Радиометры

Обычно УФ-радиометры измеряют падающее излучение (облученность) в единицах Вт/м². Фотосенсор обычно представляет собой кремниевый (Si) фотодиод с улучшенной чувствительностью к ультрафиолетовым лучам, диапазон чувствительности которого составляет 190–1100 нм. Недостатком этого метода является то, что невозможно получить чувствительность, охватывающую весь УФ-диапазон. Большинство радиометров чувствительны только к узкому диапазону длин волн. Обычно для каждого спектрального распределения, которое должно быть измерено с помощью радиометра, требуется специальная калибровка. Это приводит к довольно высокой неопределенности измерений, если не применяются соответствующие поправочные коэффициенты (рис. 2).

Рис. 2. Кривая чувствительности УФC-радиометра. Точка максимальной чувствительности соответствует длине волны 270 нм, вместе с тем его чувствительность к другим длинам волн резко падает [2]

Спектрорадиометры

Другим типом датчиков для измерения значений облученности являются спектрорадиометры. Основное различие между спектрорадиометром и радиометром состоит в датчике, выполняющем измерение. В радиометре это обычно фотодиод с определенной спектральной чувствительностью, а в спектрорадиометре датчиком служит монохроматор. Основное преимущество спектрорадиометра — возможность точного измерения облученности (Вт/м²) любого источника излучения независимо от его спектра (рис. 3).

Рис. 3. Измерение облученности с помощью УФ-спектрорадиометра. Он позволяет проводить полный анализ для каждой длины волны испытуемого источника излучения

Гониоспектрорадиометр

Упомянутое выше оборудование позволяет измерять только точечные значения на определенном расстоянии от источника излучения. Для определения пространственных характеристик УФ-лампы или облучателя можно использовать гониоспектрорадиометр. Это устройство обладает преимуществом автоматического поворотного устройства гониофотометра и измерительной способности спектрорадиометра.

Рис. 4. Сканирование точечного источника, описанного в CIE 239 [4]

С помощью этой системы можно сканировать весь источник УФ-излучения и определять пространственные распределения характеристик излучения. Кроме того, она позволяет получать спектральное распределение в необходимом диапазоне длин волн. Благодаря этой информации мы можем узнать как лучистый поток (Вт), так и распределение излучения в пространстве. Соответственно, появляется возможность более точно и значительно быстрее выполнять расчеты уровней облученности при разработке дезинфекционных ламп или УФ-облучателей (рис. 4, 5).

Рис. 5. Вверху: радиометрическое тело УФ-C-светодиода, полученное с помощью гониоспектрорадиометра; внизу: полярная кривая силы излучения (Вт/ср) того же УФ-C-светодиода (источник изображения: Asselum Laboraton)

Почему мы не можем использовать обычный гониофотометр?

Люди не способны воспринимать ультрафиолетовое излучение. Наши глаза, как и радиометры, описанные выше, обладают определенной спектральной чувствительностью. Наши рецепторы обладают чувствительностью в области, называемой видимым диапазоном электромагнитного спектра. Это легче понять, если проанализировать кривую чувствительности человеческого глаза, утвержденную МКО. Кривая V(l) определяет чувствительность человека к электромагнитному излучению в диапазоне 380–780 нм (рис. 6).

Рис. 6. Кривая чувствительности человеческого глаза (V(l)) — одна из причин, по которым обычный гониофотометр не подходит для УФ-излучения

Устройства, позволяющие количественно измерять свет (под светом мы понимаем энергию, которую мы воспринимаем и можем обнаруживать нашими глазами), должны иметь тот же диапазон (380–780 нм) и чувствительность, совпадающую с кривой чувствительности человеческого глаза V(l). И наиболее важным показателем качества люксметра является разница между спектральной характеристикой датчика и кривой чувствительности человеческого глаза. Этот параметр известен как коэффициент несоответствия f1’ [4].

Именно по этой причине фотометры, колориметры или спектрорадиометры видимого диапазона не подходят для измерения источников УФ-излучения. Во многих случаях такое оборудование не только не способно обнаружить какой-либо сигнал, но и может генерировать ошибочный сигнал, вызванный попадающим на датчик люксметра УФ-A-излучением. Еще одной причиной, по которой не следует использовать гониофотометры для определения характеристик УФ-источников, является то, что отражающая способность большинства материалов не подходит для коротковолнового УФ-C-излучения. Очень короткие волны (200–280 нм) отражаются гораздо меньше, чем видимое излучение.

Полярное распределение интенсивности излучения (Вт/ср) светильника с алюминиевыми отражателями и ртутной лампой низкого давления показано на рис. 7.

Рис. 7. Вверху: полярное распределение интенсивности излучения в видимом диапазоне (380–780 нм), внизу: полярное распределение интенсивности излучения в УФ-C-диапазоне (200–280 нм)

Видимое излучение отражается от алюминиевого отражателя, благодаря чему в типичных люминесцентных светильниках с отражателями кривая силы света становится шире. При этом коротковолновое УФC-излучение не отражается, а поглощается материалом отражателя. Кроме того, в целях безопасности большинство оборудования для дезинфекции с использованием УФ-C-светодиодов имеет встроенные цветные светодиоды, которые показывают, включено ли оборудование.

Если видимое излучение не будет адекватно подавлено, определение характеристик системы может оказаться ошибочным. На рис. 8 показано полярное распределение в диапазоне 200–350 нм. Как видно из рисунка, появляется асимметричное распределение, несмотря на то, что УФ-C-светодиоды установлены симметрично относительно центра отражателя. Это происходит из-за того, что сбоку размещен светодиод видимого излучения (рис. 8).

Рис. 8. Вверху: распределение интенсивностей излучения (Вт/ср) 200–280 нм. Внизу: те же данные, но для диапазона 200–350 нм

Рис. 9. Пример вставки цветного светодиода безопасности в центр оптической системы, обеспечивающей одинаковое распределение интенсивности в видимом и УФ-C-диапазонах (изображение предоставлено: Lamp Lighting и JW Grup)

Эта проблема касается не только определения пространственного распределения. Включение значений видимого излучения в уровни бактерицидного излучения может привести к ошибке расчета как уровней облученности (Вт/м²), так и времени уничтожения патогенов (рис. 9).

Файлы форматов IES TM 33 и OXL

Все измерения, выполняемые в гониоспектрорадиометрах, должны быть представлены в формате, позволяющем обмениваться данными между платформами и управлять, анализировать и вычислять эти результаты. Для фотометрических данных мы используем фотометрические файлы IES и EULUMDAT. Такие форматы в основном представляют собой матрицу интенсивности света (в канделах или канделах на килолюмен), измеренной гониофотометром, однако они были разработаны еще в прошлом веке и не предназначены для передачи информации о спектральном распределении мощности.

Новые форматы — XML [5], появившийся в США в публикации IES TM33, и UNI XML и OXL от компании Oxytech в Италии, — позволяют хранить фотометрическую и радиометрическую информацию и, прежде всего, спектральное распределение мощности, а также другие технические сведения. С помощью этих файлов можно выполнять расчеты в коммерческих программах расчета освещения, таких как Litestar 4D, Relux, и других (рис. 10).

Рис. 10. Фотометрический и радиометрический файл в формате OXL — фотометрия, радиометрия и изображение

Заключение

Пандемия заставила всю светотехническую отрасль адаптироваться к новым потребностям. Производителям, испытательным лабораториям и изготовителям средств измерений, которые привыкли работать в видимом диапазоне, пришлось изучать и адаптировать свои процедуры под УФ-излучение, а также расширять коммерческие каталоги. Индустрии пришлось привыкать работать со спектральными распределениями, новыми измерительными системами, такими как гониоспектрорадиометры, и, наконец, столкнуться с ограниченностью фотометрических файлов прошлого века, в частности EULUMDAT и IES. Я надеюсь, что как только мы победим вирус, все эти знания можно будет применять в таких областях, как человекоцентричное освещение, агрофотоника, и многих других.