المبدأ والمقاييس البصرية لانتشار إشعاع المصباح الكهربائي للأشعة فوق البنفسجية بطول 222 نانومتر
الخصائص والطيف الكهرومغناطيسي للموجات الكهرومغناطيسية
الضوء عبارة عن موجة كهرومغناطيسية. وفقًا لنظرية ماكسويل الكهرومغناطيسية، هناك مجال كهربائي متغير بمرور الوقت-.E(أو المجال المغناطيسيH) في منطقة من الفضاء سوف يؤدي إلى مجال مغناطيسي متفاوتH(أو المجال الكهربائيE) في المناطق المجاورة. هذه المجالات الكهربائية والمغناطيسية المتغيرة تولد بعضها البعض بشكل مستمر وتنتشر عبر الفضاء بسرعة محدودة، وتشكل موجات كهرومغناطيسية. تتميز الموجات الكهرومغناطيسية بالخصائص التالية:
(1) المجال الكهربائيEوالمجال المغناطيسيHللموجة الكهرومغناطيسية تكون متعامدة مع اتجاه الانتشار، وتكون المتجهات الثلاثة (E وH واتجاه الانتشار) متعامدة بشكل متبادل. وبالتالي فإن الموجات الكهرومغناطيسية هي موجات عرضية. تشكل المتجهات E وH واتجاه الانتشار نظامًا لولبيًا يمينًا-.
(2) بالنسبة للموجة الكهرومغناطيسية التي تنتشر في اتجاه معين،EوHتتأرجح في مستوياتها-وهي خاصية تُعرف بالاستقطاب.
(3) في كل نقطة في الفضاء،EوHتخضع لتغيرات دورية وتكون في الطور، وتصل إلى الحد الأقصى والحد الأدنى في وقت واحد.
(4) في أي نقطة وفي أي لحظة، العلاقة بين الحجمEوHهو εE=μH.
(5) سرعة انتشار الموجات الكهرومغناطيسية في الفراغ هي c=1/√(ε₀μ₀)، وفي الوسط تكون v=1/√(εμ).
تمتد الموجات الكهرومغناطيسية إلى نطاق واسع للغاية، بدءًا من موجات الراديو والموجات الضوئية إلى -الأشعة السينية و-الأشعة-التي تنتمي جميعها إلى نفس الفئة، وتختلف فقط في الطول الموجي. تتراوح الموجات الكهرومغناطيسية المكتشفة والمستخدمة على نطاق واسع حاليًا من أطوال موجية أطول من 10⁴ م إلى أقل من 10⁻⁵ نانومتر. وعندما يتم ترتيبها حسب التردد أو الطول الموجي، فإنها تشكل الطيف الكهرومغناطيسي. يحتل الإشعاع البصري جزءًا صغيرًا فقط من هذا الطيف، مع كون الأشعة فوق البنفسجية هي المحور الأساسي لدراستنا.
الإشعاع البصري
الطاقة التي تنتشر في شكل موجات أو جسيمات كهرومغناطيسية (فوتونات)، قادرة على الانعكاس أو التصوير أو التشتيت بواسطة العناصر البصرية، إلى جانب عملية انتشارها، يُشار إليها مجتمعة بالإشعاع البصري. يُعتقد عمومًا أنه يغطي الأطوال الموجية من 10 نانومتر إلى 1 مم (الترددات ~3×10¹¹ إلى 3×10¹⁶ هرتز). ينقسم الإشعاع البصري عادةً إلى ثلاثة أجزاء بناءً على الطول الموجي والاستجابة البصرية البشرية: الأشعة فوق البنفسجية، والضوء المرئي، والأشعة تحت الحمراء. عادةً ما يتم التعبير عن الأطوال الموجية بالنانو متر للمجال المرئي-إلى-الأشعة فوق البنفسجية، وبالميكرومتر للأشعة تحت الحمراء، ويتم التعبير عن أرقام الموجات بشكل تقليدي بالسم⁻¹.
للأشعة فوق البنفسجية أطوال موجية أقصر من الضوء البنفسجي وهي غير مرئية للعين البشرية، وتمتد من 1 إلى 390 نانومتر. وتنقسم إلى الأشعة فوق البنفسجية القريبة- والأشعة فوق البنفسجية البعيدة- والأشعة فوق البنفسجية الشديدة-. يتم امتصاص الأشعة فوق البنفسجية القصوى - بشكل كامل تقريبًا عن طريق الهواء ولا يمكن أن تنتشر إلا في الفراغ، ومن ثم يطلق عليها أيضًا اسم الأشعة فوق البنفسجية الفراغية (VUV). في دراسات الأشعة فوق البنفسجية الشمسية، غالبًا ما يتم تصنيف الأشعة فوق البنفسجية إلى نطاقات UVA وUVB وUVC.
وعلى وجه الخصوص، فإن الضوء-الأشعة فوق البنفسجية البعيدة الذي ينتجه ألمبة 222 نانومتر للأشعة فوق البنفسجية(مصباح KrCl* excimer) اجتذب اهتمامًا كبيرًا في السنوات الأخيرة لتطبيقات تطهير الأماكن غير المأهولة-في الأماكن العامة. إن طاقة الفوتون العالية، والامتصاص القوي للأكسجين في الهواء، وعمق الاختراق الضحل للغاية في جلد الإنسان (يقتصر على الطبقة القرنية) يجعلها آمنة وفعالة بشكل فريد.
لوصف الإشعاع البصري كميًا، يلزم وجود كميات فيزيائية محددة. يستخدم كشف وقياس الإشعاع البصري نظامين متميزين: الوحدات الإشعاعية والوحدات الضوئية.
يستخدم نظام القياس الإشعاعي التدفق الإشعاعي (أو القدرة الإشعاعية) والطاقة الإشعاعية ككميات أساسية، اعتمادًا فقط على الجسم المشع. الوحدات الأساسية هي واط (W) وجول (J). ينطبق قياس الإشعاع عبر الطيف الكهرومغناطيسي بأكمله.
يعكس النظام الضوئي إدراك السطوع البصري. وكميتها الأساسية هي شدة الإضاءة، ووحدتها الأساسية كانديلا (cd). القياس الضوئي ينطبق فقط على النطاق المرئي.
على الرغم من أن الكميات الفيزيائية في النظامين تختلف من الناحية المفاهيمية، إلا أن رموزها تتوافق مع واحد-إلى-واحد. يُشار إلى الكميات الإشعاعية بالحرف "e"، والكميات الضوئية بالحرف "v".
الاستنتاج الرئيسي لنظرية ماكسويل هو وجود الموجات الكهرومغناطيسية، والضوء عبارة عن موجة كهرومغناطيسية. لا يختلف الضوء بشكل أساسي عن موجات الراديو أو الموجات الدقيقة أو الأشعة السينية - أو الأشعة - إلا في نطاق الطول الموجي. وبناء على هذه النظرية يمكن حساب التوهين في شدة الضوء في الغلاف الجوي. في هذا الكتاب، تكون مسافات قياس الأشعة فوق البنفسجية قصيرة نسبيًا (عشرات الأمتار فقط)، لذلك يمكن اعتبار وسط الانتشار موحدًا، ويتم إهمال تأثيرات معامل الانكسار والاضطرابات الجوية. تتعامل القياسات اللاحقة مع الوسط على أنه فراغ.
القوانين الأساسية لقياس الإشعاع البصري
يمكن وصف مصدر الإشعاع بكثافة الإشعاع، وخروج الإشعاع (كثافة التدفق الإشعاعي)، والتدفق الإشعاعي لوصف قوته وتوزيع الطاقة المكانية.
الكثافة الإشعاعية هي الطاقة الإشعاعية المنبعثة من مصدر لكل وحدة زاوية صلبة، مما يعكس التوزيع الزاوي للطاقة الإشعاعية.
المخرج الإشعاعي (كثافة التدفق الإشعاعي) هو إجمالي الطاقة الإشعاعية المنبعثة لكل وحدة مساحة، مما يعكس كثافة الانبعاث السطحي.
التدفق الإشعاعي هو إجمالي الطاقة المنبعثة من المصدر بأكمله إلى الفضاء (المعدل الزمني للطاقة الإشعاعية).
يتم تعريف الإشعاع على أنه الطاقة الإشعاعية المنبعثة لكل وحدة مساحة مسقطة في خط -اتجاه الرؤية لكل وحدة زاوية صلبة. يتم التعبير عن العلاقات بين الكثافة الإشعاعية والخروج الإشعاعي والتدفق الإشعاعي والإشعاع على النحو التالي:
يؤدي دمج الإشعاع على منطقة المصدر إلى الحصول على كثافة إشعاعية: J=∫ₐ N cosθ dA (3-1)
يؤدي دمج الإشعاع على الزاوية الصلبة إلى خروج الإشعاع: M=∫ₒ N cosθ dΩ (3-2)
التكامل المزدوج على المساحة والزاوية الصلبة ينتج عنه تدفق إشعاعي: Φ=∫ₐ ∫ₒ N cosθ dA dΩ (3-3)
حيث: N - إشعاع المصدر؛ dA - عنصر منطقة المصدر؛ θ - الزاوية بين اتجاه الانبعاث والسطح الطبيعي؛ dΩ - عنصر الزاوية الصلبة؛ cosθ dA - المنطقة المسقطة في اتجاه الانبعاث.
الإشعاع له نفس أبعاد مخرج الإشعاع (W/cm²)، ولكنه يشير إلى الطاقة المستلمة لكل وحدة مساحة في الكاشف. عندما يتلقى جهاز ما إشعاعًا، يكون الإشعاع عند مدخل الحدقة: E=∫ₒ N cosθ dΩ (3-4)
المعادلة (3-4) مطابقة رسميًا للمعادلة (3-2)، ولكنها تستخدم الإشعاع عند المستقبل وتتكامل مع الزاوية الصلبة لقبول الجهاز. إذا تم إهمال خسائر الإرسال، فإن إشعاع المصدر يساوي الإشعاع المستقبل؛ مع الخسائر، يبقى الحساب واضحا. وبالتالي، فإن تحديد إشعاع المصدر أمر بالغ الأهمية في التطبيقات الهندسية.
بشكل عام، الإشعاع أو الانعكاس من الأجسام هو اتجاهي، ويحدث فقط ضمن زوايا صلبة محدودة، مما يعني أن الإشعاع يعتمد على الاتجاه. ينبعث الباعث المنتشر المثالي (المشعاع اللامبرتي) بشكل موحد في الفضاء النصف كروي مع إشعاع ثابت. كثافة الإشعاع من عنصر سطح لامبرت تتبع قانون لامبرت جيب التمام: dJ=N cosθ dA ∝ cosθ (3-5)
عند مراقبة جسم مضيء منتشر (مثل الشمس) من زوايا مختلفة، تظل المنطقة المسقطة التي تراها كل خلية شبكية ثابتة، كما هو الحال مع الزاوية الصلبة التي تقابل حدقة العين. وبما أن الإشعاع اللامبرتي مستقل عن اتجاه الرؤية، فإن الطاقة المستقبلة تكون ثابتة، وتنتج قرصًا ساطعًا بشكل موحد.
بالنسبة للباعث اللامبرتي المثالي الذي يشع في نصف الكرة الأرضية، فإن العلاقة بين الخروج الإشعاعي والإشعاع هي: dΩ=sinθ dθ dφ M=∫ N cosθ dΩ=N ∫₀²π dφ ∫₀π/₂ cosθ sinθ dθ=πN (3-6)
والجدير بالذكر أن الخروج الإشعاعي يساوي π مرات الإشعاع، وليس 2π (الزاوية الصلبة نصف الكروية الكاملة).
يعتبر المبرد اللامبرتي المثالي نموذجًا مثاليًا. من الناحية العملية، العديد من المصادر تقارب السلوك اللامبرتي فقط ضمن نطاقات زاوية محدودة. بالنسبة لمعظم العوازل الكهربائية، يمكن اعتبار الإشعاع ثابتًا تقريبًا للزوايا التي تقل عن أو تساوي 60 درجة من الوضع الطبيعي؛ للموصلات، أقل من أو يساوي 50 درجة. مصادر معينة، مثل بعضلمبة 222 نانومتر للأشعة فوق البنفسجيةتظهر أيضًا أنابيب تفريغ الإكسيمر بالقرب من-توزيع لامبرت على زوايا صغيرة، مما يجعلها مناسبة كمصادر قياسية للمعايرة الإشعاعية فوق البنفسجية.
