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上海泛標(biāo)紡織品檢測技術(shù)有限公司
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紫外輻射就是波長范圍約 10～400nm 的光輻射。在這個波長范圍內(nèi)不同波長的紫外輻射有不同的效應(yīng)，在研究和應(yīng)用中，常把紫外輻射劃分為：A 波段（400～320nm）；B 波段（320～280nm）；C 波段（280～200nm）；真空紫外波段(200～10nm)。波長小于 200nm 的紫外輻射由于大氣的吸收，所以在空氣中不能傳播。
紫外光源的開發(fā)和應(yīng)用正處于一個高速發(fā)展時期，紫外光源的不斷研制開發(fā)逐漸*各紫外線波段的光源品種空白。目前已有的一系列的不同類型的紫外光源產(chǎn)品有：紫外線汞燈、紫外線金屬鹵化物燈、紫外線熒光燈、氙燈和其他紫外光源等等。
紫外線的一個顯著特點(diǎn)是它具有生物效應(yīng)【1】，是指當(dāng)紫外線照射人體或生物體后，使人體或生物體發(fā)生生理上的變化。例如紫外線照射人體后，使皮膚產(chǎn)生色素沉著，皮膚變黑。又如細(xì)菌體經(jīng)短波紫外線照射后很快死亡。又如人體經(jīng)一定波長的紫外線照射后抗病能力加強(qiáng)，皮膚再生力加強(qiáng)，毛發(fā)生長速度加快等。特別是短波（峰值波長 λ＝253.7nm）紫外光源具有*的生物效應(yīng)，并具有無污染、使用方便、節(jié)能等特點(diǎn)。故無論還是國內(nèi)在生物、醫(yī)藥、衛(wèi)生、防疫等部門都廣泛應(yīng)用該波長的輻射源消毒、殺菌等。【2】目前，紫外線光源通常用紫外輻照計(jì)測量某一表面的輻射照度（單位：W/m2）來表示紫外線光源的紫外線強(qiáng)度大小。而在空氣殺菌、水質(zhì)處理、光化學(xué)反應(yīng)等方面的應(yīng)用，更重要的是要知道紫外線光源往空間一定范圍（立體角），甚至整個空間所輻射的紫外線強(qiáng)度大小。這就是要用紫外輻射通量來表示。測量紫外光源的輻射通量通常有兩種方法【3】：一是在積分球內(nèi)用已知輻通量的標(biāo)準(zhǔn)燈與被測燈作比較測量，從而定出被測燈的輻通量。由于積分球內(nèi)壁涂層對紫外線的吸收，涂層的紫外反射比較低。此外受紫外線激發(fā)，涂層中的有機(jī)溶劑和膠水會產(chǎn)生熒光效應(yīng)，因此積分球內(nèi)壁涂層必須采用的紫外高反射的漫反射材料。另一種方法是用分布輻射度計(jì)測定被測光源在空間各個方向上的輻照度，計(jì)算后得出輻通量。前一種方法比較簡單，但測量精度不如后者。所以本文講述一種基于分布輻射度法的測量方法－分布輻射度法。
分布輻射度測量方法
2.1 測量原理
分布輻射度法的測量原理是：基于球面坐標(biāo)系，如圖 1
所示，通過測量球面上的輻照度，若以光源為坐標(biāo)原點(diǎn)，取球坐標(biāo)系，令 為極角，為 方位角，光源在假想球面任一位置（ ， ）上產(chǎn)生的照度為 E（ ， ）。探測器掃描的極角從 0 到 2π，掃描方位角從 0 到 則光源發(fā)出的輻通量為：
北京計(jì)量科學(xué)研究院已建立基于紫外（254nm）的輻射照度的量值傳遞，所以可以通過標(biāo)準(zhǔn)輻射照度計(jì)，測量某一面上的紫外輻射照度值。
2.2 變角輻射度法
要想實(shí)現(xiàn)球面上各點(diǎn)的輻照度測量，必須要有一個可以繞圖 1 中和角度方向旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動系統(tǒng)。通常有以下四種系統(tǒng)：
a) 燈固定不動，讓探測器繞測量燈運(yùn)動；
b) 探測器不動，讓光源分別在 和 方向繞燈自身發(fā)光中心運(yùn)動；
c) 探測器和光源的組合運(yùn)動，例如探測器繞 角運(yùn)動，而光源在 角方向運(yùn)動；
d) 借助于反光鏡的運(yùn)動（探測器固定）等效于探測器運(yùn)動。
上述四種系統(tǒng)各具有其相應(yīng)的特點(diǎn)，比如說對于測量尺寸較長的光源，若采用探測器運(yùn)動的方式，則探測器的運(yùn)動臂長就會變得很長，對實(shí)驗(yàn)室的空間要求就要很大。而對于測量燃點(diǎn)方向敏感的光源，若采用光源運(yùn)動方式，則測量過程中輻射通量就會引起波動，所以必須對輻通量的波動進(jìn)行修正。若采用反光鏡運(yùn)動方式，則必須要求鏡面對紫外線有高的反射比，對反光鏡的制作要求會很高。
測量系統(tǒng)
基于上述四種測量系統(tǒng)的特點(diǎn)，我們采用了光源運(yùn)動法，如圖 2 所示。測量光源可繞與光源軸線相同的水平軸旋轉(zhuǎn)，以及繞與光源軸線垂直的垂直軸旋轉(zhuǎn)。當(dāng)燈繞垂直軸轉(zhuǎn)動時，與旋轉(zhuǎn)臺中心處于同一水平高度的探測器測量該水平面上各方向的輻照度值。當(dāng)燈繞水平軸轉(zhuǎn)動時，則探測器測量垂直面上各方向的輻照度值。并且垂直軸和水平軸均可在±180°范圍內(nèi)連續(xù)旋轉(zhuǎn)。此外，采用與光源相對位置固定的參考輻射度計(jì)，來監(jiān)測被測光源在測量過程中的變化。
整個測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，如圖 3 所示。放置在旋轉(zhuǎn)臺上的紫外光源發(fā)出的空間某一方向的輻射信號，由紫外輻射探測器接收。探測器輸出的電信號經(jīng)輻射度計(jì)系統(tǒng)采樣后，將采樣數(shù)據(jù)傳輸給上微機(jī)系統(tǒng)。上微機(jī)對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并根據(jù)公式（1）計(jì)算出輻射通量，同時還可以給出空間任意截面上的輻強(qiáng)度分布曲線以及實(shí)際應(yīng)用中某一工作面上的輻射照度分布圖。同時上微機(jī)系統(tǒng)通過轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)，控制轉(zhuǎn)臺在兩個方向進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，從而使系統(tǒng)可以對光源在空間任意方向上的輻照度進(jìn)行測量。
探測器的余弦修正
一個輻射強(qiáng)度為 的點(diǎn)光源在距離它 處的平面上產(chǎn)生的輻照度 與該輻射源的輻射強(qiáng)度 成正比，與距離 的平方成反比，用公式表達(dá)為：如果該平面的法線與射線間成一角度 ，則該點(diǎn)源在平面上產(chǎn)生的輻照度為：
上式被稱為輻照度的余弦法則【4】。為了使測量結(jié)果符合這一法則，紫外輻射探頭前就必須加余弦修正器。對于短波紫外輻照度探頭來說，目前常用磨毛石英玻璃或透紫外的聚四氟乙烯等材料，如圖 4 所示。由于石英玻璃本身透明度很好，即使雙面磨毛散射性也很差，當(dāng)測量具有較大尺寸的紫外光源時，視場角較大，會帶來很大誤差。為了得到一個好的余弦修正效果，人們往往從結(jié)構(gòu)上下功夫，但效果都不令人滿意。積分球是一種很好的漫射體，在配上一個邊緣銳利的入射孔，則其方向響應(yīng)近似于理想的“余弦”響應(yīng)。【5】所以我們采用在探測器前加積分球的方法來對余弦進(jìn)行修正，如圖 5 所示。對紫外探測器的余弦響應(yīng)，我們采用紫外變角輻射測試臺以5°為間隔進(jìn)行了測試，測試結(jié)果如圖6和7所示。
圖 6 中點(diǎn)線為加積分球后測得的歸一化紫外余弦響應(yīng)曲線，實(shí)線是理想曲線圖 7 是常規(guī)采用平面型漫射器制作的紫外輻照度計(jì)探頭的余弦響應(yīng)曲線。對比圖6 和圖 7，可知積分球是一種比較理想的余弦修正器，在法向 50°的范圍內(nèi)，余弦誤差均小于 3％。不過積分球內(nèi)壁噴涂的紫外漫射材料受環(huán)境灰塵及溫度的影響明顯，一般比較適合實(shí)驗(yàn)室精密測量應(yīng)用。
測量結(jié)果
探測器離開變角轉(zhuǎn)臺中心的嗬胛?.0 米，在儀器定標(biāo)后，我們測量了 4 只直管形 254 紫外燈（2 只 30W，2 只 5W），并對每只燈進(jìn)行了三遍重復(fù)測量。其中 5W254 紫外燈的輻射通量平均值 0.740W，重復(fù)性為 2.10%，平均輻射效率15.9%；30W 紫外燈的輻通量平均值 6.707W，重復(fù)性為 2.96%，平均輻射效率 22.9%。三只燈的測量數(shù)據(jù)如表 1 所示。
zui后我們還得到了極坐標(biāo)下 30W 直管形紫外燈一截面的輻射強(qiáng)度分布曲線（圖9 ）
測量的數(shù)據(jù)以類似于 IES 光度數(shù)據(jù)的格式存貯，因此可以利用現(xiàn)有的照明設(shè)計(jì)軟件對紫外殺菌燈在實(shí)際工作場所的輻射照度分布進(jìn)行模擬分析。如圖 8，即是紫外線汞燈水平放置在離開燈管距離為 6 米的工作面上的輻射照度分布圖。對不同的微生物及細(xì)菌的有效殺滅所需的紫外線強(qiáng)度有相關(guān)的要求。因此，根據(jù)實(shí)際紫外燈測量的紫外輻射強(qiáng)度分布數(shù)據(jù)，就可確定燈的懸掛高度，燈的空間分布以及所需照射時間等。因此分布輻射強(qiáng)度法不僅可以準(zhǔn)確測量紫外輻射通量，而且為實(shí)際應(yīng)用設(shè)計(jì)提供了詳盡的變角分布數(shù)據(jù)）。
