اصل و اندازه شناسی نوری انتشار تابش لامپ 222 نانومتری UV
خواص و طیف الکترومغناطیسی امواج الکترومغناطیسی
نور یک موج الکترومغناطیسی است. با توجه به نظریه الکترومغناطیسی ماکسول، میدان الکتریکی زمانی{1}متغیرE(یا میدان مغناطیسیH) در ناحیه ای از فضا یک میدان مغناطیسی متغیر القا می کندH(یا میدان الکتریکیE) در مناطق مجاور. این میدان های الکتریکی و مغناطیسی متناوب به طور پیوسته یکدیگر را تولید می کنند و با سرعت محدود در فضا منتشر می شوند و امواج الکترومغناطیسی را تشکیل می دهند. امواج الکترومغناطیسی ویژگی های زیر را نشان می دهند:
(1) هر دو میدان الکتریکیEو میدان مغناطیسیHیک موج الکترومغناطیسی بر جهت انتشار عمود هستند و سه بردار (E، H و جهت انتشار) بر یکدیگر عمود هستند. بنابراین، امواج الکترومغناطیسی، امواج عرضی هستند. بردارهای E، H و جهت انتشار یک سیستم پیچ راست را تشکیل می‌دهند.
(2) برای یک موج الکترومغناطیسی که در یک جهت معین منتشر می شود،EوHدر صفحات مربوطه خود نوسان می کنند{0} مشخصه ای که به عنوان قطبش شناخته می شود.
(3) در هر نقطه از فضا،EوHتغییرات دوره ای را تجربه می کنند و در فاز هستند و همزمان به حداکثر و حداقل می رسند.
(4) در هر نقطه و هر لحظه، رابطه قدر بینEوHεE=μH است.
(5) سرعت انتشار امواج الکترومغناطیسی در خلاء c=1/√(ε₀μ₀) است، و در یک محیط آن v=1/√(εμ) است.
امواج الکترومغناطیسی طیف بسیار گسترده‌ای را در بر می‌گیرد، از امواج رادیویی و امواج نوری گرفته تا پرتوهای ایکس و -اشعه‌های- که همه به یک دسته تعلق دارند و فقط از نظر طول موج متفاوت هستند. امواج الکترومغناطیسی در حال حاضر کشف شده و به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرند از طول موج های بیشتر از 104 متر تا کوتاه تر از 10-5 نانومتر. وقتی بر اساس فرکانس یا طول موج مرتب می شوند، طیف الکترومغناطیسی را تشکیل می دهند. تشعشعات نوری تنها بخش کوچکی از این طیف را اشغال می کند، با پرتوهای فرابنفش تمرکز اصلی مطالعه ما.
تابش نوری
انرژی ای که به شکل امواج الکترومغناطیسی یا ذرات (فوتون) منتشر می شود، قابلیت بازتاب، تصویربرداری یا پراکندگی توسط عناصر نوری، همراه با فرآیند انتشار آن، در مجموع به عنوان تابش نوری نامیده می شود. به طور کلی در نظر گرفته می شود که طول موج های 10 نانومتر تا 1 میلی متر را پوشش می دهد (فرکانس های ~3×1011 تا 3×1016 هرتز). تابش نوری به طور معمول بر اساس طول موج و پاسخ بصری انسان به سه بخش تقسیم می شود: تابش ماوراء بنفش، نور مرئی و تابش مادون قرمز. طول موج ها معمولاً بر حسب نانومتر برای محدوده مرئی-تا{10}}فرابنفش، بر حسب میکرومتر برای مادون قرمز، و اعداد موج معمولاً بر حسب سانتی متر بیان می شوند.
اشعه ماوراء بنفش دارای طول موج کوتاه تری نسبت به نور بنفش است و برای چشم انسان نامرئی است و 1 تا 390 نانومتر را در بر می گیرد. این فرع به-UV نزدیک، دور-UV و شدید-UV تقسیم می‌شود. UV شدید تقریباً به طور کامل توسط هوا جذب می شود و فقط در خلاء می تواند منتشر شود، از این رو به آن فرابنفش خلاء (VUV) نیز می گویند. در مطالعات UV خورشیدی، اشعه ماوراء بنفش اغلب به باندهای UVA، UVB و UVC طبقه بندی می شود.
به ویژه، نور فرابنفش دور- تولید شده توسط aلامپ UV 222 نانومتری(لامپ اگزایمر KrCl*) در سال‌های اخیر برای کاربردهای{0}}گندزدایی فضای خالی در مکان‌های عمومی توجه قابل توجهی را به خود جلب کرده است. انرژی فوتون بالا، جذب قوی توسط اکسیژن در هوا، و عمق نفوذ بسیار کم در پوست انسان (محدود به لایه شاخی) آن را به طور منحصر به فردی ایمن و موثر کرده است.
برای توصیف کمی تابش نوری، مقادیر فیزیکی خاصی مورد نیاز است. تشخیص و اندازه گیری تابش نوری از دو سیستم مجزا استفاده می کند: واحدهای رادیومتریک و واحدهای فتومتریک.
سیستم رادیومتریک از شار تابشی (یا توان تابشی) و انرژی تابشی به عنوان کمیت های اساسی استفاده می کند که صرفاً به جسم تابشی بستگی دارد. واحدهای اصلی وات (W) و ژول (J) هستند. رادیومتری در سراسر طیف الکترومغناطیسی اعمال می شود.
سیستم فتومتریک درک روشنایی بصری را منعکس می کند. کمیت اساسی آن شدت نور است، با واحد اصلی کندلا (cd). نورسنجی فقط برای محدوده قابل مشاهده قابل اجرا است.
اگرچه مقادیر فیزیکی در دو سیستم از نظر مفهومی متفاوت است، نمادهای آنها یک-به-یک مطابقت دارد. کمیت های رادیومتری با زیرنویس "e" و کمیت های فتومتریک با زیرنویس "v" نشان داده می شوند.
نتیجه اصلی نظریه ماکسول وجود امواج الکترومغناطیسی است و نور یک موج الکترومغناطیسی است. نور اساساً هیچ تفاوتی با امواج رادیویی، مایکروویو، اشعه ایکس- یا پرتوهای - ندارد مگر در محدوده طول موج. بر اساس این نظریه می توان میرایی شدت نور در جو را محاسبه کرد. در این کتاب، فواصل اندازه گیری اشعه ماوراء بنفش نسبتاً کوتاه است (فقط ده ها متر)، بنابراین می توان محیط انتشار را یکنواخت دانست و از اثرات ضریب شکست و اغتشاش اتمسفر چشم پوشی کرد. اندازه گیری های بعدی محیط را به عنوان خلاء در نظر می گیرند.
قوانین اساسی اندازه گیری تابش نوری
یک منبع تابش را می توان با شدت تابشی، خروج تابشی (چگالی شار تابشی) و شار تابشی برای توصیف قدرت و توزیع انرژی فضایی آن مشخص کرد.
شدت تشعشع، توان تابشی است که از یک منبع در واحد زاویه جامد ساطع می‌شود و توزیع زاویه‌ای انرژی تابشی را منعکس می‌کند.
خروج تابشی (چگالی شار تابشی) کل توان تابشی ساطع شده در واحد سطح است که منعکس کننده چگالی انتشار سطحی است.
شار تابشی کل توان ساطع شده از کل منبع به فضا (نرخ زمانی انرژی تابشی) است.
تابش به عنوان توان تابشی ساطع شده در واحد سطح پیش بینی شده در خط-جهت- دید در واحد زاویه جامد تعریف می شود. روابط بین شدت تابش، خروج تابشی، شار تابشی و درخشندگی به صورت زیر بیان می شود:
ادغام تشعشعات در ناحیه منبع، شدت تابش را ایجاد می کند: J=∫ₐ N cosθ dA (3-1)
ادغام تشعشع در زاویه جامد، خروج تابشی را به دست می‌دهد: M=∫ₒ N cosθ dΩ (3-2)
ادغام مضاعف در سطح و زاویه جامد، شار تابشی به دست می‌دهد: Φ=∫ₐ ∫ₒ N cosθ dA dΩ (3-3)
کجا: N - تابش منبع; dA - عنصر ناحیه منبع; θ - زاویه بین جهت انتشار و سطح نرمال. عنصر زاویه جامد dΩ -; cosθ dA - منطقه پیش بینی شده در جهت انتشار.
تابش همان ابعاد خروج تشعشعی (W/cm²) است، اما به توان دریافتی در واحد سطح در آشکارساز اشاره دارد. هنگامی که یک ابزار تشعشع دریافت می کند، تابش در مردمک ورودی این است: E=∫ₒ N cosθ dΩ (3-4)
معادله (3-4) به طور رسمی با (3-2) یکسان است، اما از تابش در گیرنده استفاده می کند و در زاویه جامد پذیرش ابزار یکپارچه می شود. اگر تلفات انتقال نادیده گرفته شود، تابش منبع برابر با تابش دریافتی است. با زیان، محاسبه ساده است. بنابراین، تعیین تابش منبع در کاربردهای مهندسی بسیار مهم است.
به طور کلی، تابش یا انعکاس از اجسام جهت دار است و فقط در زوایای جامد محدود رخ می دهد، به این معنی که تابش به جهت بستگی دارد. یک امیتر پراکنده ایده آل (رادیاتور لامبرتیان) به طور یکنواخت در فضای نیمکره با درخشندگی ثابت منتشر می شود. شدت تابش یک عنصر سطحی لامبرتی از قانون کسینوس لامبرت پیروی می کند: dJ=N cosθ dA ∝ cosθ (3-5)
هنگام مشاهده یک جسم نورانی پراکنده (مثلا خورشید) از زوایای مختلف، ناحیه تابیده شده توسط هر سلول شبکیه ثابت می ماند، همانطور که زاویه جامد در مردمک فرو می رود. از آنجایی که تابش لامبرتی مستقل از جهت دید است، انرژی دریافتی ثابت است و دیسک روشن یکنواختی تولید می کند.
برای یک تابشگر ایده آل لامبرتی که به یک نیمکره تابش می کند، رابطه بین خروج تابشی و تابش به این صورت است:
قابل توجه است که خروج تشعشعی برابر با π برابر درخشندگی است، نه 2π (زاویه جامد نیمکره کامل).
رادیاتور لامبرتیان کامل یک مدل ایده آل است. در عمل، بسیاری از منابع رفتار لامبرتی را تنها در محدوده‌های زاویه‌ای محدود تقریبی می‌کنند. برای اکثر عایق های الکتریکی، تابش را می توان تقریباً برای زوایای کمتر یا مساوی 60 درجه از حالت عادی ثابت در نظر گرفت. برای هادی ها، کمتر یا مساوی 50 درجه. برخی منابع، مانند برخیلامپ UV 222 نانومتریلوله‌های تخلیه اکسایمر نیز در زوایای کوچک توزیع نزدیک{0}لامبرتی را نشان می‌دهند که آنها را به عنوان منابع استاندارد برای کالیبراسیون رادیومتری فرابنفش مناسب می‌سازد.
