Pełny tekst

Jerzy PIETRZYKOWSKI
CHARAKTERYSTYKI UŻYTKOWE
I WZORCOWANIE SZEROKOPASMOWYCH
MIERNIKÓW NADFIOLETU
STRESZCZENIE
Określono charakterystyki użytkowe szerokopasmowych mierników nadfioletu oraz ich klasyfikację. Podano
podstawowe metody wzorcowania mierników nadfioletu oraz informację o niepewności rozszerzonej mierników nadfioletu.
Słowa kluczowe: promieniowanie nadfioletowe, mierniki nadfioletu,
wzorcowanie
1. WPROWADZENIE
Potrzeba rozwoju metod promieniowania nadfioletowego i możliwości
wzorcowania źródeł, odbiorników i mierników nadfioletu wynika w dużym stopniu z rosnącego doceniania problematyki ochrony zdrowia i ochrony środowiska
przed szkodliwymi działaniami nadfioletu. Promieniowanie nadfioletowe emitowane przez Słońce i różne sztuczne źródła promieniowania może powodować
rozmaite oddziaływania biologiczne i chemiczne na człowieka i organizmy żywe
oraz zjawiska starzenia i destrukcji w otaczającym nas świecie materialnym.
mgr Jerzy PIETRZYKOWSKI
e-mail: [email protected]
Polski Komitet Oświetleniowy
PRACE INSTYTUTU ELEKTROTECHNIKI, zeszyt 228, 2006
86
J. Pietrzykowski
Związane to jest z wysoką energią kwantów promieniowania nadfioletowego.
Efekty tych oddziaływań zależą nie tylko od dawki pochłoniętego promieniowania, lecz również od rozkładu widmowego mocy promieniowania nadfioletowego
padającego na obiekt. Właściwość promieniowania optycznego powodująca wywoływanie rozmaitych przemian biologicznych i chemicznych nosi nazwę aktyniczności.
W pracy omówiono charakterystyki użytkowe szerokopasmowych mierników nadfioletu przeznaczonych do pomiaru wielkości radiometrycznych i aktynicznych oraz możliwości ich charakteryzowania i wzorcowania.
2. MIERNIKI PROMIENIOWANIA NADFIOLETOWEGO
Użytkowane obecnie mierniki promieniowania nadfioletowego można
naogół zakwalifikować do jednej z poniżej wymienionych grup:
⎯ mierniki do pomiaru nadfioletu w pasmach A, B lub C, pracujące
w danym szerokim paśmie widmowym i próbujące z pewnym przybliżeniem odtworzyć charakterystykę radiometryczną tego pasma,
⎯ mierniki z odbiornikiem nieselektywnym widmowo np. z odbiornikiem
piroelektrycznym lub z termostosem, pracujące w szerokim zakresie
widmowym,
⎯ mierniki wielkości aktynicznych z układem odbiorczym o czułości widmowej względnej odtwarzającej odpowiednie widmo czynne np. mierniki natężenia napromienienia erytemalnego,
⎯ mierniki o charakterystyce widmowej wąskopasmowej, określonej długością fali, przy której występuje maksimum czułości układu odbiorczego oraz szerokością widmową pasma.
Mierniki nadfioletu należące do jednej z trzech pierwszych grup można
określić terminem „szerokopasmowe mierniki nadfioletu”. Odbiornikami promieniowania najczęściej stosowanymi w miernikach nadfioletu są odbiorniki półprzewodnikowe i piroelektryczne, szczególnie zaś fotodiody krzemowe [1, 2].
Na rysunku 1 i rys. 2 pokazano przebiegi czułości widmowej niektórych odbiorników półprzewodnikowych [3].
Wytwarzanie mierników promieniowania nadfioletowego nastręcza duże
trudności głównie z następujących powodów:
⎯ mały wybór filtrów optycznych nadających się do stosowania w obszarze nadfioletu oraz silne pochłanianie nadfioletu przez elementy optyczne,
87
Charakterystyki użytkowe i wzorcowanie szerokopasmowych mierników nadfioletu
czułość bezwzględna, A/W
0,4
0,3
0,2
0,1
0
200
300
400
500
600
700
długość fali, nm
Czułość widmowa, A/W
Rys. 1. Bezwzględna czułość widmowa różnych fotodiod półprzewodnikowych
0,800
0,600
0,400
0,200
0,000
200
250
300
długość fali, nm
350
400
Rys. 2. Bezwzględna czułość widmowa fotodiody GaN
⎯ znaczne zmiany starzeniowe zachodzące w odbiornikach, filtrach, rozpraszaczach i innych elementach optycznych po przyjęciu odpowiedniej dawki promieniowania nadfioletowego,
⎯ niewielka czułość widmowa odbiorników promieniowania nadfioletowego, co wymaga znacznego wzmocnienia sygnału wyjściowego,
⎯ widma czynne niektórych skutków aktynicznych charakteryzują się dużymi zmianami wartości w małych przedziałach widmowych, co powoduje, że pomiary natężenia napromienienia aktynicznego są obarczone dużą niepewnością.
88
J. Pietrzykowski
3. CHARAKTERYSTYKI UŻYTKOWE
MIERNIKÓW NADFIOLETU
Pomimo dużej liczby różnych typów mierników nadfioletu znajdujących
się na rynku, użytkownik napotyka duże trudności przy wyborze odpowiedniego
do swoich zastosowań miernika. Brak uzgodnionych definicji charakterystyk
użytkowych i metod wzorcowania powoduje, że wskazania mierników nadfioletu
różnych producentów różnią się często dość znacznie. Prace prowadzone
w ramach Międzynarodowej Komisji Oświetleniowej [4] i europejskiej organizacji
metrologicznej EUROMET [5] doprowadziły w dużej mierze do opracowania
definicji charakterystyk i zaleceń dotyczących wzorcowania. Stopień dopasowania charakterystyki widmowej głowicy miernika nadfioletu do rozważanego widma czynnego opisuje współczynnik korekcji widmowej f1′ definiowany równaniem
∞
∫ s(λ ) r − s(λ ) ar dλ
*
f1′ =
0
(1)
∞
∫ s(λ ) ar dλ
0
gdzie: s(λ )*r − znormalizowana względna czułość widmowa określona wzorem
∞
s(λ )*r =
∫ S (λ )c ⋅ s(λ ) ar ⋅ dλ
0
∞
⋅ s( λ ) r
∫ S ( λ ) ⋅ s ( λ ) r ⋅ dλ
(2)
0
S(λ)c – rozkład widmowy mocy promieniowania źródła użytego do wzors(λ)a
s(λ)r
cowania,
– widmo czynne danego skutku aktynicznego,
– względna czułość widmowa głowicy miernika nadfioletu.
Współczynnik korekcji widmowej f1′ nie może jednakże być użyty jako
współczynnik korekcyjny w praktyce pomiarowej. Jest on tylko użyteczny do porównania głowic mierników i oceny jakości dopasowania. Na rysunku 3 pokaza-
89
Charakterystyki użytkowe i wzorcowanie szerokopasmowych mierników nadfioletu
no przebiegi względnej czułości widmowej dwu głowic mierników nadfioletu
skorygowanych do funkcji radiometrycznej nadfioletu UVA i odpowiadające im
wartości f1′ .
Względna czułość widmowa
1,2
f1′ = 0,25
f1′ = 0 ,4
1,0
0,8
0,6
s(UVA-01)
0,4
s(UVA-02)
0,2
s(UVA-CIE)
0,0
300
320
340
360
380
400
420
długość fali, nm
Rys. 3. Czułość widmowa względna dwu głowic odbiorczych mierników nadfioletu
Do korekcji wyników pomiaru można natomiast stosować współczynnik
f1(Z) określony wzorem
f1(Z) = a(Z) − 1
(3)
gdzie:
a( Z ) =
∞
∞
0
0
∞
∫ S (λ )c ⋅ s(λ )ar dλ ∫ S (λ )Z ⋅ s(λ )r dλ
∞
∫ S (λ )c ⋅ s(λ )r ⋅ dλ ∫ S (λ )Z ⋅ s(λ )ar ⋅ dλ
0
S ( λ) c
S ( λ) Z
s(λ)ar
s ( λ) r
0
– rozkład widmowy źródła użytego do wzorcowania,
– rozkład widmowy źródła użytego do pomiarów,
– widmo czynne danego skutku aktynicznego,
– względna czułość widmowa głowicy miernika nadfioletu.
(4)
90
J. Pietrzykowski
Współczynnik f1(Z) wykorzystano do wprowadzenia klasyfikacji mierników nadfioletu. Przyjęto reprezentatywny zestaw źródeł promieniowania stosowanych w pomiarach i badaniach w obszarze nadfioletu. [5].
Każde ze źródeł jest scharakteryzowane poprzez rozkład widmowy
S(λ)Z. Obliczając wartości f1(Z) dla poszczególnych źródeł, a następnie znajdując f1(Z)max mamy prosty sposób klasyfikacji mierników nadfioletu. Wstępnie zaproponowano podział tych mierników na trzy klasy, a mianowicie:
⎯ klasa A
f1(Z)max ≤ 20 %
⎯ klasa B
⎯ klasa C
f1(Z)max ≤ 40 %
f1(Z)max ≤ 70 %
Znajomość wartości a(Z) lub f1(Z) umożliwia zatem użytkownikowi miernika ocenę jego jakości metrologicznej.
4. METODY WZORCOWANIA
Większość stosowanych mierników nadfioletu jest przystosowana do pomiaru natężenia napromienienia aktynicznego lub radiometrycznego w ograniczonym przedziale widmowym. Wzorcowanie miernika natężenia napromienienia w obszarze nadfioletu polega zasadniczo na wyznaczeniu jego czułości
efektywnej na natężenie napromienienia tj. wyznaczeniu stosunku wielkości
wyjściowej do efektywnego natężenia napromienienia wytwarzanego przez
źródło użyte do wzorcowania na powierzchni czynnej głowicy miernika. Czułość
efektywna na natężenie napromienienia jest określona zależnością
Rc =
i
=
Ec
i
∞
∫ Eλc s(λ ) a dλ
(5)
0
lub
∞
∫
A s0 S λc s(λ ) r dλ
i
Rc =
=
Ec
∞
0
∫ S λc s(λ ) a dλ
0
(6)
Charakterystyki użytkowe i wzorcowanie szerokopasmowych mierników nadfioletu
91
gdzie:
i
– wielkość wyjściowa np. natężenie prądu,
A
– pole powierzchni czynnej głowicy miernika,
s(λ)r – względna czułość widmowa znormalizowana względem wartości
maksymalnej s0,
Sλc – rozkład widmowy mocy promieniowania źródła c,
s(λ)a – widmo czynne.
Wykorzystując powyższe zależności można wyznaczyć wartość czułości
efektywnej na natężenie napromienienia dla miernika nadfioletu stosując jedną
z następujących metod wzorcowania [6, 7]:
a) wzorcowanie z użyciem źródła wzorcowego o znanym rozkładzie widmowym natężenia napromienienia (rys. 4),
b) wzorcowanie z użyciem odbiornika wzorcowego o znanej czułości widmowej,
c) wzorcowanie z użyciem miernika wzorcowego jako wzorca odniesienia
(metoda podstawiania) (rys. 5),
d) wzorcowanie z użyciem spektroradiometru z matrycą fotodiod.
Lampa
wzorcowa
r
Detektor UVA
R
Woltomierz
cyfrowy
Zasilacz prądu
stałego
Miernik
wzorcowany
Rys. 4. Schemat blokowy stanowiska pomiarowego do wzorcowania miernika nadfioletu UVA przy użyciu źródła wzorcowego
92
J. Pietrzykowski
Soczewki
Źródło
nadfioletu
Przesłony
Miernik
odniesienia
Światłowód
Sterownik
Miernik
wzorcowany
Rys. 5. Schemat blokowy stanowiska pomiarowego do wzorcowania miernika nadfioletu
UVA metodą podstawienia
Niepewność pomiaru zależy od wybranej metody wzorcowania, użytego
stanowiska pomiarowego i zastosowanych wzorców. Wykonując wzorcowanie
przy użyciu halogenowego wzorca widmowego natężenia napromienienia można osiągnąć wartości niepewności rozszerzonej wynoszące ok. 2 % − 3 %, natomiast po zastąpieniu wzorca halogenowego wzorcem rtęciowym następuje co
najmniej dwukrotny wzrost niepewności rozszerzonej. Dodatkowe informacje
o wzorcach odniesienia stosowanych w pomiarach nadfioletu oraz o miernikach
wielkości aktynicznych podano w publikacjach [8, 9].
5. ZAKOŃCZENIE
Rozwój metod pomiaru promieniowania nadfioletowego i możliwości
wzorcowania mierników nadfioletu służą bezpośrednio do rozwiązywania problemów dotyczących ochrony zdrowia i ochrony środowiska. Rozeznanie skutków aktynicznych i zmian zachodzących w składzie promieniowania słonecznego docierającego do powierzchni Ziemi, bezpieczne użytkowanie sztucznych
źródeł promieniowania nadfioletowego, zapobieganie degradacji materiałów
i wyrobów pod wpływem nadfioletu wymaga odpowiedniego zapewnienia metrologicznego.
Ważność problematyki pomiarów wielkości aktynicznych, radiometrycznych i spektrofotometrycznych promieniowania nadfioletowego i metod wzorco-
Charakterystyki użytkowe i wzorcowanie szerokopasmowych mierników nadfioletu
93
wania mierników nadfioletu znajduje odbicie w pracach międzynarodowych
i europejskich organizacji metrologicznych i naukowo-technicznych.
LITERATURA
1. Pietrzykowski J.: Fotodiody krzemowe stosowane w dokładnych pomiarach promieniowania
nadfioletowego i widzialnego. XV Krajowa Konferencja Oświetleniowa Technika Świetlna
2006, Warszawa, 71-78 (2006)Nazwisko A., Nazwisko B.: Tytuł książki. Wydawnictwo,
miejsce wydania, rok.
2. Korde R., Prince C., Cunningham D., Vest R.E., Gullikson E.: Present status of radiometric
quality silicon photodiodes. Metrologia vol. 40, nr 1, S145-S149 (2003)Nazwisko A.,
3. Hunt T., Harrison N.: Ultrafiolet radiation: current instrmentation and methodology. NPL,
March 1999
4. CIE TC2-47 Methods of characterization and calibration of broad-band UV radiometers.
Draft 1.0 (2001)
5. Characterizing the performance of integral measuring UV-meters. Final report of WG1
Thematic Network for Ultraviolet Measurements. UV News, issue 6 (2000)
6. Xu G., Huang X.: Calibration of broadband UV radiometers-methodology and uncertainty
evaluation. Metrologia vol. 40, nr 1, S21-S24 (2003)
7. Hartree B.: Calibration of broadband UV radiometers at NPL. UV News, issue 2, 14-15
(1999)Nazwisko B.: Tytuł książki. Wydawnictwo, miejsce wydania, rok.
8. Pietrzykowski J.: Radiometria i spektrofotometria promieniowania nadfioletowego.
V Konferencja Metrologia Wspomagana Komputerowo MWK 2001, Rynia k/Warszawy, t. 2,
189-194 (2001)
9. Pietrzykowski J.: Metody pomiaru radiometrycznych i spektroradiometrycznych wielkości
promieniowania nadfioletowego. Konferencja Promieniowanie UV, Warszawa-Międzylesie,
41-46 (2002)
Rękopis dostarczono, dnia 08.09.2006 r.
PERFORMANCE CHARACTERISTICS
AND CALIBRATION
OF BROADBAND ULTRAVIOLET METERS
Jerzy PIETRZYKOWSKI
ABSTRACT
Performance characteristics of broadband
ultraviolet meters and their classification are presented. Basic
methods of calibration and information about expanded uncertainty of
ultraviolet meters are given.