Zasada i metrologia optyczna propagacji promieniowania w żarówce UV o długości fali 222 nm
Właściwości i widmo elektromagnetyczne fal elektromagnetycznych
Światło jest falą elektromagnetyczną. Zgodnie z teorią elektromagnetyczną Maxwella,-zmienne w czasie pole elektryczneE(lub pole magnetyczneH) w obszarze przestrzeni będzie indukować zmienne pole magnetyczneH(lub pole elektryczneE) w sąsiednich regionach. Te naprzemienne, zmienne pola elektryczne i magnetyczne w sposób ciągły wytwarzają się nawzajem i rozprzestrzeniają się w przestrzeni ze skończoną prędkością, tworząc fale elektromagnetyczne. Fale elektromagnetyczne wykazują następujące właściwości:
(1) Zarówno pole elektryczneEi pole magnetyczneHfali elektromagnetycznej są prostopadłe do kierunku propagacji, a trzy wektory (E, H i kierunek propagacji) są wzajemnie prostopadłe. Zatem fale elektromagnetyczne są falami poprzecznymi. Wektory E, H i kierunek propagacji tworzą-układ śrub prawoskrętnych.
(2) Dla fali elektromagnetycznej rozchodzącej się w danym kierunku:EIHoscylują w swoich odpowiednich płaszczyznach-, co jest cechą znaną jako polaryzacja.
(3) W każdym punkcie przestrzeniEIHpodlegają okresowym wahaniom i są w fazie, osiągając jednocześnie maksima i minima.
(4) W dowolnym punkcie i dowolnej chwili, związek wielkości pomiędzyEIHwynosi εE=µH.
(5) Prędkość propagacji fal elektromagnetycznych w próżni wynosi c=1/√(ε₀μ₀), a w ośrodku v=1/√(εμ).
Fale elektromagnetyczne obejmują niezwykle szeroki zakres, od fal radiowych i fal optycznych po-promieniowanie X i -promienie-, wszystkie należące do tej samej kategorii, różniące się jedynie długością fali. Obecnie odkryte i szeroko wykorzystywane fale elektromagnetyczne obejmują długości fal od dłuższych niż 10⁴ m do krótszych niż 10⁻⁵ nm. Ułożone według częstotliwości lub długości fali tworzą widmo elektromagnetyczne. Promieniowanie optyczne zajmuje tylko niewielki wycinek tego widma, a głównym przedmiotem naszych badań jest promieniowanie ultrafioletowe.
Promieniowanie optyczne
Energia rozchodząca się w postaci fal elektromagnetycznych lub cząstek (fotonów), która może zostać odbita, zobrazowana lub rozproszona przez elementy optyczne, wraz z procesem jej propagacji, jest zbiorczo nazywana promieniowaniem optycznym. Ogólnie uważa się, że obejmuje długości fal od 10 nm do 1 mm (częstotliwości ~3×10¹¹ do 3×10¹⁶ Hz). Promieniowanie optyczne dzieli się zazwyczaj na trzy części w zależności od długości fali i reakcji wzrokowej człowieka: promieniowanie ultrafioletowe, światło widzialne i promieniowanie podczerwone. Długości fal są zwykle wyrażane w nm dla zakresu widzialnego-do-ultrafioletu, w μm dla podczerwieni, a liczby falowe zwyczajowo podaje się w cm⁻¹.
Promieniowanie ultrafioletowe ma krótszą długość fali niż światło fioletowe i jest niewidoczne dla ludzkiego oka w zakresie 1–390 nm. Dzieli się je na bliskie-UV, dalekie-UV i ekstremalne-UV. Ekstremalne-promieniowanie UV jest prawie całkowicie pochłaniane przez powietrze i może rozprzestrzeniać się jedynie w próżni, dlatego nazywane jest także ultrafioletem próżniowym (VUV). W badaniach słonecznego UV promieniowanie ultrafioletowe często dzieli się na pasma UVA, UVB i UVC.
W szczególności światło dalekiego-ultrafioletowego wytwarzane przez:Żarówka UV o długości fali 222 nm(lampa ekscymerowa KrCl*) zyskała w ostatnich latach duże zainteresowanie w zastosowaniach do dezynfekcji-wolnych przestrzeni w miejscach publicznych. Wysoka energia fotonów, silna absorpcja przez tlen z powietrza oraz wyjątkowo mała głębokość penetracji w ludzką skórę (ograniczona do warstwy rogowej naskórka) czynią go wyjątkowo bezpiecznym i skutecznym.
Aby ilościowo opisać promieniowanie optyczne, wymagane są określone wielkości fizyczne. Detekcja i pomiar promieniowania optycznego wykorzystują dwa odrębne systemy: jednostki radiometryczne i jednostki fotometryczne.
System radiometryczny wykorzystuje strumień promieniowania (lub moc promieniowania) i energię promieniowania jako wielkości podstawowe, zależne wyłącznie od promieniującego obiektu. Podstawowymi jednostkami są wat (W) i dżul (J). Radiometria ma zastosowanie w całym spektrum elektromagnetycznym.
System fotometryczny odzwierciedla wizualną percepcję jasności. Jej podstawową wielkością jest natężenie światła, którego podstawową jednostką jest kandela (cd). Fotometria ma zastosowanie tylko w zakresie widzialnym.
Chociaż wielkości fizyczne w obu systemach różnią się koncepcyjnie, ich symbole odpowiadają jeden-do-. Wielkości radiometryczne są oznaczone indeksem „e”, wielkości fotometryczne – indeksem „v”.
Głównym wnioskiem teorii Maxwella jest istnienie fal elektromagnetycznych, a światło jest falą elektromagnetyczną. Światło zasadniczo nie różni się od fal radiowych, mikrofal, promieni X-czy -z wyjątkiem zakresu długości fal. Na podstawie tej teorii można obliczyć tłumienie natężenia światła w atmosferze. W tej książce odległości pomiarowe ultrafioletu są stosunkowo krótkie (zaledwie kilkadziesiąt metrów), więc ośrodek propagacji można uznać za jednorodny, a wpływ współczynnika załamania światła i turbulencje atmosferyczne są pomijane. Kolejne pomiary traktują medium jako próżnię.
Podstawowe prawa pomiaru promieniowania optycznego
Źródło promieniowania można scharakteryzować na podstawie intensywności promieniowania, wygaśnięcia promieniowania (gęstości strumienia promieniowania) i strumienia promieniowania, aby opisać jego siłę i przestrzenny rozkład energii.
Natężenie promieniowania to moc promieniowania emitowana przez źródło na jednostkę kąta bryłowego, odzwierciedlająca rozkład kątowy energii promieniowania.
Moc promieniowania (gęstość strumienia promieniowania) to całkowita moc promieniowania emitowana na jednostkę powierzchni, odzwierciedlająca gęstość emisji powierzchni.
Strumień promieniowania to całkowita moc emitowana przez całe źródło w przestrzeń (szybkość energii promieniowania w czasie).
Promieniowanie definiuje się jako moc promieniowania emitowaną na jednostkę rzutowanego obszaru w-kierunku- linii wzroku na jednostkę kąta bryłowego. Zależności między intensywnością promieniowania, mocą promieniowania, strumieniem promieniowania i blaskiem wyrażają się jako:
Całkowanie promieniowania na obszarze źródła daje intensywność promieniowania: J=∫ₐ N cosθ dA (3-1)
Całkowanie promieniowania po kącie bryłowym daje wyjście promieniowania: M=∫ₒ N cosθ dΩ (3-2)
Podwójne całkowanie po powierzchni i kącie bryłowym daje strumień promieniowania: Φ=∫ₐ ∫ₒ N cosθ dA dΩ (3-3)
Gdzie: N - jasność źródła; dA - element obszaru źródłowego; θ - kąt między kierunkiem emisji a normalną powierzchni; dΩ - element kąta bryłowego; cosθ dA - rzutowany obszar w kierunku emisji.
Natężenie napromienienia ma takie same wymiary jak moc wyjściowa promieniowania (W/cm²), ale odnosi się do mocy odbieranej na jednostkę powierzchni detektora. Kiedy przyrząd odbiera promieniowanie, natężenie promieniowania w źrenicy wejściowej wynosi: E=∫ₒ N cosθ dΩ (3-4)
Równanie (3-4) jest formalnie identyczne z (3-2), ale wykorzystuje promieniowanie w odbiorniku i całkuje po kącie bryłowym akceptacji instrumentu. Jeśli pominiemy straty przesyłowe, promieniowanie źródła jest równe promieniowaniu odebranemu; w przypadku strat obliczenia pozostają proste. Zatem określenie promieniowania źródła ma kluczowe znaczenie w zastosowaniach inżynieryjnych.
Ogólnie rzecz biorąc, promieniowanie lub odbicie od obiektów jest kierunkowe i występuje tylko w ograniczonych kątach bryłowych, co oznacza, że promieniowanie zależy od kierunku. Idealny emiter rozproszony (promiennik Lamberta) emituje równomiernie do przestrzeni półkulistej ze stałym promieniowaniem. Natężenie promieniowania z elementu powierzchniowego Lamberta jest zgodne z prawem cosinusa Lamberta: dJ=N cosθ dA ∝ cosθ (3-5)
Podczas obserwacji rozproszonego, świecącego obiektu (np. Słońca) pod różnymi kątami, rzutowany obszar widziany przez każdą komórkę siatkówki pozostaje stały, podobnie jak kąt bryłowy wyznaczony przy źrenicy. Ponieważ promieniowanie Lamberta jest niezależne od kierunku patrzenia, odbierana energia jest stała, tworząc równomiernie jasny dysk.
Dla idealnego emitera Lambertowskiego promieniującego w stronę półkuli, zależność pomiędzy mocą wyjściową promieniowania a luminancją jest następująca: dΩ=sinθ dθ dφ M=∫ N cosθ dΩ=N ∫₀²π dφ ∫₀π/₂ cosθ sinθ dθ=πN (3-6)
Warto zauważyć, że wyjście promieniowania jest równe π razy radiancja, a nie 2π (pełny półkulisty kąt bryłowy).
Doskonały grzejnik Lambertian to model idealny. W praktyce wiele źródeł przybliża zachowanie Lamberta tylko w ograniczonych zakresach kątowych. W przypadku większości izolatorów elektrycznych promieniowanie można uznać za w przybliżeniu stałe dla kątów mniejszych lub równych 60 stopni od normalnej; dla przewodów, mniejszy lub równy 50 stopni. Niektóre źródła, takie jak niektóreŻarówka UV o długości fali 222 nmekscymerowe lampy wyładowcze również wykazują rozkład bliski-Lambertowskiemu pod małymi kątami, co czyni je wygodnymi jako standardowe źródła do kalibracji radiometrycznej w ultrafiolecie.
