Поиск по сайту:
Главная страница » Каталог статей » Статьи о МО » Пантелеев С.В., "Проблемы и перспективы метрологического обеспечения измерений энергетической освещенности в УФ-диапазоне"

Проблемы и перспективы метрологического обеспечения измерений энергетической освещенности в УФ-диапазоне




С. В. Пантелеев, ведущий инженер по метрологии ФБУ «Нижегородский ЦСМ»

Главный метролог №6 2015 г.

 

Средства измерений (СИ) энергетической освещенности в УФ-диапазоне УФ-радиометры -имеют в настоящее время широчайшее применение: для контроля условий труда, в здравоохранении и медицине, в студиях косметологии и соляриях, в фотолитографии, в НИИ и учебно-исследовательских центрах, в бюро машиностроения, в центрах экологического и радиационного мониторинга. Рынок контрольно-измерительных приборов предлагает современному пользователю целый спектр данных СИ, однако лишь малая их часть имеет Свидетельство об утверждении типа средств измерений. Но даже для тех СИ, которые получили узаконенный статус измерительных средств, метрологическое обеспечение представляет весьма нетривиальную задачу. Ряд технических характеристик, в частности широкий диапазон измерений (до 1000 Вт/м2), уникальная геометрия фотоприемного устройства для каждого с разными апертурными характеристиками сбора излучения от источника, разнообразие диапазонов эффективной спектральной (радиометрической) чувствительности превращают методическую работу, будь то поверка или калибровка СИ в научно-исследовательскую программу, предполагающую фактически индивидуальный подход к каждому СИ. С другой стороны имеющаяся на сегодняшний день методическая база (ГОСТы, методики поверки и калибровки) содержат в себе лишь общие требования к метрологическому обеспечению, не конкретизируя саму процедуру в деталях. Настоящая статья посвящена анализу основных проблем, возникающих при метрологическом обеспечении УФ-радиометров, а также предлагаются пути их решения.

 

УФ-радиометр - средство измерений, предназначенное для измерения энергетической освещенности (или облученности) в УФ-диапазоне: обычно от 200 до 400 нм.

Энергетическая освещенность - одна из энергетических фотометрических величин, характеризующая поверхностную плотность мощности излучения, падающего на поверхность. Количественно энергетическая освещенность (Ее) равна отношению потока излучения dФе, падающего на малый участок поверхности, к площади Этого участка dS:

 

Ее = dФе / dS ,                 (1)


Единица измерения в Международной системе единиц (СИ): Вт*м-2. Более распространенными, как правило, являются производные единицы: мВт/м2, мкВт/см2 и мВт/см2.
Если поверхность освещается точечным источником, то для её облученности выполняется соотношение:

Ее = (Ie/r2) cosθ,             (2)

где Ie - сила излучения источника в направлении интересующей точки поверхности,

г -расстояние между этой точкой и источником, а θ - угол, который нормаль к поверхности образуете направлением на источник.

Выделяют три основных способа измерения энергетической освещенности:

1.Радиометрический способ. 

Радиометрический способ основан на простом принципе: при поглощении тепловым приемником потока излучения  происходит нагревание вещества. Ввиду этого измерение энергетической освещенности сводится к измерению температуры. 

Степень повышения температуры определяется в свою очередь путем измерения того или иного эффекта, зависящего от температуры. К ним относится тепловое расширение вещества, изменение его оптического сопротивления, испарение и т.д. Чаще всего эффекты линейно зависят от энергетической освещенности.

2. Фотоэлектрический способ.

Фотоэлектрический способ основан на принципе фотоэффекта. Внешний фотоэффект наблюдается у металлов и некоторых полупроводников. При попадании излучения на поверхность какая-то доля падающего потока поглощается. Энергия поглощенного фотона передается электрону внутри металла; его кинетическая энергия увеличивается. Если она превысит работу выхода, необходимую для преодоления потенциального барьера, то электрон вырывается из металла. Энергия выходящих электронов линейно зависит от частоты падающего излучения, а их число - от числа падающих квантов.

3. Измерение энергетической освещенности через световые величины.

При измерении энергетических величин приемник должен просуммировать излучения всех длин волн, испускаемые источником. Иначе говоря, он должен быть неселективным в пределах всего диапазона, излучаемого источником. Трудно обеспечить с достаточной точностью' неселектив-ность в очень широком диапазоне длин волн. Все измерения обычно производят в атмосфере, которая имеет значительное поглощение в различных участках ультрафиолетовой и инфракрасной областей. Дополнительное осложнение состоит в том, что это поглощение зависит от состояния атмосферы и, следовательно, меняется от случая к случаю. Если учесть все трудности, связанные с измерениями в широком спектральном диапазоне, в некоторых случаях может оказаться, что определение энергетических величин, в частности энергетической освещенности, через световые выгодно как с точки зрения точности, так и по соображениям трудоемкости.

Сегодня в промышленности широко используются различные источники ультрафиолетового (УФ) излучения. Существуют санитарные нормы, которые регламентируют безопасные значения УФ облученности для человека в спектральном диапазоне от 200 до 400 нм. Международная Комиссия по Освещению (МКО) в 1963 г. предложила разделить УФ излучение на три зоны со следующими границами между ними: УФ-А - от 315 до 400 нм; УФ-В - от 280 до 315 нм; УФ-С - от 200 до 280 нм. В связи с этим возникает необходимость измерения спектрозональной УФ облученности в этих спектральных интервалах. Условно все современные УФ радиометры можно разделить на два класса: спектрозональные и спектрофотометрические.

Несмотря на широкий выбор УФ радиометров как отечественного, так и иностранного производства, большинство из предлагаемых приборов имеют ряд существенных недостатков. Так спектрозональные УФ радиометры для измерения облученности в зонах А, В и С имеют три фотометрические головки с индивидуальными спектральными характеристиками чувствительности. Обычно они используют один селективный приемник излучения на внутреннем фотоэффекте, спектральная чувствительность которого приводится к заданной фильтрами коррекции. Неселективные тепловые приемники излучения с достаточной УФ чувствительностью отсутствуют. Существенными для спектрозональных УФ-радиометров являются большая погрешность измерений и нецелесообразность их использования для измерения излучения УФ источников с линейчатым спектром излучения, так как для них погрешность измерения облученности может достигать 100% и более, несмотря на заявленную производителем погрешность измерений 10%. Например, УФ-радиометры фирмы PRC Krochmann GmbH имеют погрешность измерения облученности 8%. Погрешности измерения облученности УФ радиометра, выпускаемого фирмой Konica Minolta, составляют в зонах А, В и С 5%, 7% и 10% соответственно. Следует заметить, что с такой погрешностью, судя по спектральным характеристикам приборов, можно измерить ограниченное число источников УФ излучения. Также к недостаткам спектрозональных приборов следует отнести технологическую сложность подбора стеклянных оптических фильтров, с помощью которых корректируется спектральная чувствительность приемника оптического излучения радиометра, номенклатура которых ограничена количеством материалов, пропускающих УФ излучение. Для точных измерений в лабораторных условиях используются спектрофотометрические приборы, которые позволяют измерять большинство контролируемых энергетических и эффективных величин с большой точностью, однако их применение в промышленных условиях не представляется возможным.

Наибольшего распространения в РФ получили следующие УФ-радиометры: радиометр УФ-А «Аргус-04», радиометр УФ-В «Аргус-05», радиометр УФ-С «Аргус-06», дозиметр-радиометр «Аргус-06/1» (ФГУП «ВНИИОФИ», г. Москва), прибор комбинированный ТКА-ПКМ (модели 12 и 13), радиометрические измерительные каналы в составе приборов комбинированных ТКА-ПКМ (моделей 06, 40,42,65), выпускаемые ООО НТП «ТКА» (г. С.-Петербург).

Данные радиометры включают в себя ультрафиолетовый фотоприемник с устройством подачи напряжения смещения и специально разработанным светофильтром. При этом результирующая спектральная чувствительность измерительного блока скорректирована под относительное спектральное распределение соответствующих ртутных ламп.

Несмотря на сходство технических и метрологических характеристик УФ-радиометров, конструкции фотометрических головок приборов разных компаний-производителей существенно различаются между собой. В частности такой важный параметр как угол «зрения» (0), характеризующий пространственный угол сбора УФ-излучения от источника, может изменяться в достаточно широких пределах. Этот фактор никак не учитывается при проведении поверки. Например, в радиометрах типа «Аргус» угол зрения согласно паспорту составляет 15°, в радиометрах фирмы ООО НТП «ТКА» 0~(2О-ЗО)°. Даже при таком относительно небольшом различии углов зрения радиометров различия в показаниях облученности на различных УФ-источниках практического значения может быть весьма существенным. Различие в пространственной геометрии эффективной приемной радиометрической площадки в составе фотометрической головки радиометра приводит к сильной зависимости результатов измерений от пространственной диаграммы направленности источника излучения. При этом разработанные для поверки (калибровки) фотометрические установки, оснащенные источниками излучения типа ДРТ, ДРБ, ДДС, ДКсШ и др. не позволяют оценить эту неинвариантность измеряемой величины от свойств измеряемых объектов, либо дают возможность списать эту неинвариантность на естественную меж-экземплярную разницу измерения энергетической освещенности или экспозиционной дозы (если речь идет о дозиметрах УФ-излучения). Производитель данных СИ, как правило, не акцентирует внимание на величине угла зрения: данная характеристика отсутствует в описании типа данных средств измерений, в методиках поверки она также никак не определяется. На объектах практического значения, особенно на источниках излучения с различающимися между собой угловыми характеристиками (трубчатыми лампами, камерами и источниками со сложной геометрией) зависимость результатов измерений от угла зрения становится значимой. Поэтому данный аспект является предметом оживленных дискуссий между потребителями радиометров, фирмами-изготовителями и представителями метрологических служб.

Радиометры УФ-излучения - средства измерений, с помощью которых решается целая плеяда инженерных, прикладных и научно-исследовательских задач. Если область использования люксметров ограничивается преимущественно сферой охраны труда, то радиометрия далеко вышла за эти пределы. Как результат, рынок радиометров изобилует такими СИ, диапазон измерения которых намного превышает указанный в таблице 1: до 1 кВт/м2и выше. Существующие же установки для метрологического обеспечения радиометрических СИ в УФ-диапазоне не способны охватить такой широкий диапазон, т. к. эталонные радиометры или радиометрические головки обладают весьма ограниченным диапазоном измерений: как правило, до 20 Вт/м2. Это справедливо для автоматизированной эталонной установки «УЛР-1А», производства ООО «Оптохром», г. Йошкар-Ола; а также для установки для поверки и калибровки пульсметров и УФ-радиометров «Стильб-М» производства ООО «НПО «Актис», г. Самара. Эти установки как и классическая фотометрическая скамья, в качестве рабочих эталонов используют радиометры Аргус-04, -05, -06, с диапазоном измерений от 0,01 до 20,0 Вт/м2. Естественно, что использование этих установок ограничивается данным рабочим диапазоном измеряемой величины. У большинства пользователей импортных радиометров таких моделей, как, например J-221, DM-365XA Spectroline, UV-2500 II, UV Power Puck II и др. реальные измерительные задачи фактически начинаются там, где заканчиваются метрологические возможности используемых радиометрических установок для поверки/калибровки. Кроме того, источники, используемые в этих установках, как и большинство других источников просто не в состоянии обеспечить облученность более 20-30 Вт/м2. Использование усиливающих экранов и фокусирующих линз -один из путей преодоления данной проблемы, однако эти объекты способны искажать спектральную характеристику источника излучения, вырезая из нее полезные области. В установке УЛР-1А используется единственная лампа типа ДКсШ, что является определенным недостатком, поскольку использование нескольких источников позволяет более качественно и универсально скорректировать показания прибора под излучатели различных типов, что имеет первостепенное значение для практики использования данных СИ. Государственный стандарт, регламентирующий методы и средства поверки радиометров промышленного назначения - в основном для контроля технологических процессов в фотолитографии ГОСТ Р 8.640-2008 достаточно информативен с точки зрения критериев выбора источников УФ-излучения, эталонных приемников, однако имеющиеся на сегодняшний день установки чрезвычайно далеки от требований ГОСТ Р 8.640-2008: такая установка-станция должна быть оснащена монохроматором, включать источники УФ-излучения разного типа, излучающие в диапазоне от 0,01 до 0,250 мкм и соответствующие эталонные радиометры с широким диапазон измерения.

Измерение облученности - задача достаточно сложная. Нередко на практике приходится иметь дело с источниками разных типов: со сплошным спектром излучения, со спектром с относительно узкими областями излучения в УФ-диапазоне, а также с узкополосными источниками (например лампа УФБ-311 с линией 311 нм, полосные источники для фотоинициации реакций полимеризации), а также их сочетание. Результат измерения напрямую связан со спектральной чувствительностью радиометрической головки, которая фактически индивидуальна для каждого средства измерений, хотя и близки между собой. Между радиометрами одного типа различие между спектральными характеристиками чувствительности фотоприемного устройства несущественны, однако между аналогами разных фирм-производителей эта разница достаточно ощутима. Данный эффект проявляется прежде всего в том, что наибольшая регистрируемая погрешность сильно зависит от типа УФ-источника и его спектральных характеристик. В частности для источников со сплошным спектром свечения достигается хорошая линейная корреляция между показаниями радиометров разных фирм-производителей. Однако для более узкополосных источников различие может достигать 30-40%. Рис. 1. Иллюстрирует влияние относительной спектральной чувствительности на величину измеряемой физической величины - в данном случае интегральной облученности в зонах А, В и С.

Страница 1 из 2 Следующая

Добавить комментарий


Главная страница » Каталог статей » Статьи о МО » Пантелеев С.В., "Проблемы и перспективы метрологического обеспечения измерений энергетической освещенности в УФ-диапазоне"