Principiul și metrologia optică a propagării radiațiilor cu bec UV de 222 nm
Proprietățile și spectrul electromagnetic al undelor electromagnetice
Lumina este o undă electromagnetică. Conform teoriei electromagnetice a lui Maxwell, un câmp electric-variabil în timpE(sau câmp magneticH) într-o regiune a spațiului va induce un câmp magnetic variabilH(sau câmp electricE) în regiunile adiacente. Aceste câmpuri electrice și magnetice variabile și alternante se generează continuu reciproc și se propagă prin spațiu cu o viteză finită, formând unde electromagnetice. Undele electromagnetice prezintă următoarele proprietăți:
(1) Atât câmpul electricEși câmp magneticHai undei electromagnetice sunt perpendiculare pe direcția de propagare, iar cei trei vectori (E, H și direcția de propagare) sunt reciproc perpendiculari. Astfel, undele electromagnetice sunt unde transversale. Vectorii E, H și direcția de propagare formează un sistem cu șuruburi drept-.
(2) Pentru o undă electromagnetică care se propagă într-o direcție dată,EşiHoscilează în planurile lor respective-o caracteristică cunoscută sub numele de polarizare.
(3) În fiecare punct al spațiului,EşiHsuferă variații periodice și sunt în fază, atingând maxime și minime simultan.
(4) În orice punct și în orice moment, relația de mărime dintreEşiHeste εE=μH.
(5) Viteza de propagare a undelor electromagnetice în vid este c=1/√(ε₀μ₀), iar într-un mediu este v=1/√(εμ).
Undele electromagnetice acoperă o gamă extrem de largă, de la unde radio și unde optice până la razele X-și -razele-toate aparținând aceleiași categorii, care diferă numai în lungime de undă. Undele electromagnetice descoperite și utilizate pe scară largă variază de la lungimi de undă mai mari de 10⁴ m până la mai scurte de 10⁻⁵ nm. Când sunt aranjate după frecvență sau lungime de undă, ele formează spectrul electromagnetic. Radiația optică ocupă doar un segment mic din acest spectru, radiația ultravioletă fiind punctul principal al studiului nostru.
Radiația optică
Energia care se propagă sub formă de unde electromagnetice sau particule (fotoni), capabile să fie reflectată, imaginată sau dispersată de elemente optice, împreună cu procesul său de propagare, este denumită în mod colectiv radiație optică. În general, se consideră că acoperă lungimi de undă de la 10 nm la 1 mm (frecvențe ~3×10¹¹ la 3×10¹⁶ Hz). Radiația optică este de obicei împărțită în trei părți pe baza lungimii de undă și a răspunsului vizual uman: radiația ultravioletă, lumina vizibilă și radiația infraroșie. Lungimile de undă sunt de obicei exprimate în nm pentru intervalul vizibil-la-ultraviolet, în μm pentru infraroșu, iar numerele de undă sunt date în mod convențional în cm⁻¹.
Radiația ultravioletă are lungimi de undă mai scurte decât lumina violetă și este invizibilă pentru ochiul uman, cuprinzând 1–390 nm. Este împărțit în UV aproape-, UV departe- și UV extrem-. Extremele-UV sunt absorbite aproape complet de aer și se pot propaga doar în vid, de aceea se mai numesc și ultraviolete în vid (VUV). În studiile UV solare, radiațiile ultraviolete sunt adesea clasificate în benzi UVA, UVB și UVC.
În special, lumina ultravioletă departe-produsă de abec UV de 222 nm(o lampă cu excimer KrCl*) a atras o atenție considerabilă în ultimii ani pentru aplicațiile de dezinfectare-spațiului neocupat din zonele publice. Energia fotonică mare, absorbția puternică de oxigen în aer și adâncimea de penetrare extrem de mică în pielea umană (limitată la stratul cornos) îl fac unic sigur și eficient.
Pentru a descrie cantitativ radiația optică, sunt necesare cantități fizice specifice. Detectarea și măsurarea radiațiilor optice utilizează două sisteme distincte: unități radiometrice și unități fotometrice.
Sistemul radiometric folosește fluxul radiant (sau puterea radiantă) și energia radiantă ca mărimi fundamentale, în funcție doar de obiectul radiant. Unitățile de bază sunt wați (W) și joule (J). Radiometria se aplică pe întregul spectru electromagnetic.
Sistemul fotometric reflectă percepția vizuală a luminozității. Mărimea sa fundamentală este intensitatea luminoasă, cu unitatea de bază candela (cd). Fotometria este aplicabilă numai în domeniul vizibil.
Deși mărimile fizice din cele două sisteme diferă conceptual, simbolurile lor corespund unu-la-unu. Mărimile radiometrice sunt notate cu indicele „e”, mărimile fotometrice cu indicele „v”.
O concluzie majoră a teoriei lui Maxwell este existența undelor electromagnetice, iar lumina este o undă electromagnetică. În esență, lumina nu este diferită de undele radio, microunde, razele X-sau razele -, cu excepția intervalului de lungimi de undă. Pe baza acestei teorii, se poate calcula atenuarea intensității luminii din atmosferă. În această carte, distanțele de măsurare a ultravioletelor sunt relativ scurte (doar zeci de metri), astfel încât mediul de propagare poate fi considerat uniform, iar efectele indicelui de refracție și ale turbulenței atmosferice sunt neglijate. Măsurătorile ulterioare tratează mediul ca vid.
Legile de bază ale măsurării radiațiilor optice
O sursă de radiație poate fi caracterizată prin intensitatea radiantă, exitanța radiantă (densitatea fluxului radiant) și fluxul radiant pentru a descrie puterea și distribuția spațială a energiei.
Intensitatea radiantă este puterea radiantă emisă de o sursă pe unitatea de unghi solid, reflectând distribuția unghiulară a energiei radiante.
Ieșirea radiantă (densitatea fluxului radiant) este puterea radiantă totală emisă pe unitate de suprafață, reflectând densitatea emisiei de suprafață.
Fluxul radiant este puterea totală emisă de întreaga sursă în spațiu (rata de timp a energiei radiante).
Radianța este definită ca puterea radiantă emisă per unitate de suprafață proiectată în direcția-de-linie de vedere pe unitatea de unghi solid. Relațiile dintre intensitatea radiantă, exitanța radiantă, fluxul radiant și strălucirea sunt exprimate astfel:
Integrarea radiației peste zona sursei produce intensitatea radiantă: J=∫ₐ N cosθ dA (3-1)
Integrarea radiației peste unghiul solid produce exitanța radiantă: M=∫ₒ N cosθ dΩ (3-2)
Integrarea dublă asupra zonei și unghiului solid produce flux radiant: Φ=∫ₐ ∫ₒ N cosθ dA dΩ (3-3)
Unde: N - strălucire a sursei; dA - element zonă sursă; θ - unghi între direcția de emisie și normala suprafeței; dΩ - element unghi solid; cosθ dA - zonă proiectată în direcția de emisie.
Iradierea are aceleași dimensiuni ca și exitanța radiantă (W/cm²), dar se referă la puterea primită pe unitate de suprafață la detector. Când un instrument primește radiație, iradierea la pupila de intrare este: E=∫ₒ N cosθ dΩ (3-4)
Ecuația (3-4) este formal identică cu (3-2), dar folosește radiația la receptor și se integrează peste unghiul solid de acceptare al instrumentului. Dacă pierderile de transmisie sunt neglijate, strălucirea sursei este egală cu strălucirea recepționată; cu pierderi, calculul rămâne simplu. Astfel, determinarea strălucirii sursei este crucială în aplicațiile de inginerie.
În general, radiația sau reflexia de la obiecte este direcțională, având loc numai în unghiuri solide limitate, ceea ce înseamnă că strălucirea depinde de direcție. Un emițător difuz ideal (radiator lambertian) emite uniform în spațiul emisferic cu o strălucire constantă. Intensitatea radiantă de la un element de suprafață lambertian urmează legea cosinusului lui Lambert: dJ=N cosθ dA ∝ cosθ (3-5)
Când se observă un obiect luminos difuz (de exemplu, Soarele) din unghiuri diferite, aria proiectată văzută de fiecare celulă retiniană rămâne constantă, la fel ca și unghiul solid subîntins la pupilă. Deoarece strălucirea Lambertiană este independentă de direcția de vizualizare, energia primită este constantă, producând un disc uniform luminos.
Pentru un emițător Lambertian ideal care iradiază într-o emisferă, relația dintre exitanța radiantă și strălucire este: dΩ=sinθ dθ dφ M=∫ N cosθ dΩ=N ∫₀²π dφ ∫₀π/₂ cosθ ∫₀π/₂} θ sin {{3} dφ ({3} dφ)
În special, exitanța radiantă este egală cu π ori radiația, nu 2π (unghiul solid emisferic complet).
Un radiator Lambertian perfect este un model ideal. În practică, multe surse aproximează comportamentul lambertian doar în limite unghiulare limitate. Pentru majoritatea izolatoarelor electrice, radiația poate fi considerată aproximativ constantă pentru unghiuri mai mici sau egale cu 60 de grade față de normal; pentru conductoare, mai mică sau egală cu 50 de grade. Anumite surse, cum ar fi unelebec UV de 222 nmtuburile cu descărcare cu excimeri prezintă, de asemenea, distribuție aproape-lambertiană pe unghiuri mici, ceea ce le face convenabile ca surse standard pentru calibrarea radiometrică cu ultraviolete.
