หลักการและมาตรวิทยาเชิงแสงของการแพร่กระจายรังสีของหลอดไฟยูวี 222 นาโนเมตร
สมบัติและสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้าของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า
แสงเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ตามทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้าของแม็กซ์เวลล์ เวลาที่-สนามไฟฟ้าแปรผันE(หรือสนามแม่เหล็กH) ในบริเวณพื้นที่จะกระตุ้นให้เกิดสนามแม่เหล็กที่แตกต่างกันH(หรือสนามไฟฟ้าE) ในพื้นที่ใกล้เคียง สนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กที่ต่างกันสลับกันเหล่านี้สร้างซึ่งกันและกันอย่างต่อเนื่องและแพร่กระจายผ่านอวกาศด้วยความเร็วจำกัด ก่อให้เกิดคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ามีคุณสมบัติดังต่อไปนี้:
(1) ทั้งสนามไฟฟ้าEและสนามแม่เหล็กHของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าตั้งฉากกับทิศทางของการแพร่กระจาย และเวกเตอร์ทั้งสาม (E, H และทิศทางการแพร่กระจาย) ตั้งฉากกัน ดังนั้นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจึงเป็นคลื่นตามขวาง เวกเตอร์ E, H และทิศทางการแพร่กระจายทำให้เกิดระบบสกรูสำหรับมือขวา-
(2) สำหรับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่แพร่กระจายไปในทิศทางที่กำหนดEและHแกว่งไปมาในระนาบตามลำดับ- ซึ่งเป็นคุณลักษณะที่เรียกว่าโพลาไรเซชัน
(3) ทุกจุดในอวกาศEและHผ่านการเปลี่ยนแปลงเป็นระยะและอยู่ในระยะถึงจุดสูงสุดและต่ำสุดพร้อมกัน
(4) ณ เวลาใดเวลาหนึ่ง ความสัมพันธ์ขนาดระหว่างกันEและHคือ εE=μH
(5) ความเร็วการแพร่กระจายของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในสุญญากาศคือ c=1/√(ε₀μ₀) และในตัวกลางคือ v=1/√(εμ)
คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ามีช่วงกว้างมาก ตั้งแต่คลื่นวิทยุและคลื่นแสงไปจนถึงรังสีเอกซ์และ-รังสี- ซึ่งทั้งหมดอยู่ในหมวดหมู่เดียวกัน โดยต่างกันเพียงความยาวคลื่นเท่านั้น คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ค้นพบและใช้กันอย่างแพร่หลายในปัจจุบันมีตั้งแต่ความยาวคลื่นยาวกว่า 10⁴ m ถึงสั้นกว่า 10⁻⁵ nm เมื่อจัดเรียงตามความถี่หรือความยาวคลื่น จะเกิดเป็นสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้า การแผ่รังสีเชิงแสงครอบครองเพียงส่วนเล็กๆ ของสเปกตรัมนี้ โดยมีรังสีอัลตราไวโอเลตเป็นจุดสนใจหลักของการศึกษาของเรา
การแผ่รังสีทางแสง
พลังงานที่แพร่กระจายในรูปแบบของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าหรืออนุภาค (โฟตอน) ที่สามารถสะท้อน สร้างภาพ หรือกระจายตัวโดยองค์ประกอบทางแสง พร้อมกับกระบวนการแพร่กระจาย เรียกรวมกันว่ารังสีทางแสง โดยทั่วไปถือว่าครอบคลุมความยาวคลื่นตั้งแต่ 10 นาโนเมตรถึง 1 มม. (ความถี่ ~3×10¹¹ ถึง 3×10¹⁶ Hz) โดยทั่วไปรังสีออปติคัลจะแบ่งออกเป็นสามส่วนตามความยาวคลื่นและการตอบสนองทางสายตาของมนุษย์ ได้แก่ รังสีอัลตราไวโอเลต แสงที่มองเห็นได้ และรังสีอินฟราเรด โดยทั่วไปความยาวคลื่นจะแสดงเป็นนาโนเมตรสำหรับช่วงอัลตราไวโอเลตที่มองเห็นได้-ถึง- ส่วนอินฟราเรดมีหน่วยเป็น μm และจำนวนคลื่นตามอัตภาพจะมีหน่วยเป็น cm⁻¹
รังสีอัลตราไวโอเลตมีความยาวคลื่นสั้นกว่าแสงสีม่วง และมองไม่เห็นด้วยตามนุษย์ ซึ่งมีความยาวคลื่น 1–390 นาโนเมตร แบ่งออกเป็น UV ใกล้-UV, Far-UV และ UV ที่รุนแรง- รังสีอัลตราไวโอเลตที่รุนแรง-ถูกดูดซับโดยอากาศเกือบทั้งหมดและสามารถแพร่กระจายได้ในสุญญากาศเท่านั้น ดังนั้นจึงเรียกว่ารังสีอัลตราไวโอเลตในสุญญากาศ (VUV) ในการศึกษารังสียูวีจากแสงอาทิตย์ รังสีอัลตราไวโอเลตมักถูกจำแนกออกเป็นแถบ UVA, UVB และ UVC
โดยเฉพาะอย่างยิ่ง แสงอัลตราไวโอเลตไกล-ที่เกิดจากหลอดไฟยูวี 222 นาโนเมตร(หลอดไฟ Excimer KrCl*) ได้รับความสนใจอย่างมากในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมาสำหรับการใช้-ฆ่าเชื้อในพื้นที่ว่างในพื้นที่สาธารณะ พลังงานโฟตอนสูง การดูดซับที่แข็งแกร่งโดยออกซิเจนในอากาศ และการเจาะลึกที่ตื้นมากในผิวหนังมนุษย์ (จำกัดแค่ชั้น corneum) ทำให้ปลอดภัยและมีประสิทธิภาพโดยเฉพาะ
ในการอธิบายรังสีเชิงแสงเชิงปริมาณ จำเป็นต้องมีปริมาณทางกายภาพจำเพาะ การตรวจจับและการวัดรังสีออปติคัลใช้ระบบที่แตกต่างกันสองระบบ: หน่วยเรดิโอเมตริกและหน่วยโฟโตเมตริก
ระบบเรดิโอเมตริกใช้ฟลักซ์การแผ่รังสี (หรือกำลังการแผ่รังสี) และพลังงานการแผ่รังสีเป็นปริมาณพื้นฐาน โดยขึ้นอยู่กับวัตถุที่แผ่รังสีเพียงอย่างเดียว หน่วยพื้นฐานคือ วัตต์ (W) และจูล (J) การวัดด้วยรังสีมีผลกับสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้าทั้งหมด
ระบบโฟโตเมตริกสะท้อนการรับรู้ความสว่างของภาพ ปริมาณพื้นฐานของมันคือความเข้มของการส่องสว่าง โดยมีหน่วยพื้นฐานคือแคนเดลา (cd) การวัดแสงใช้ได้กับช่วงที่มองเห็นได้เท่านั้น
แม้ว่าปริมาณทางกายภาพในทั้งสองระบบจะแตกต่างกันตามแนวคิด แต่สัญลักษณ์ของปริมาณเหล่านั้นจะสอดคล้องกันแบบหนึ่ง-ต่อ-หนึ่ง ปริมาณรังสีเมตริกมีตัวห้อย "e" ปริมาณโฟโตเมตริกมีตัวห้อย "v"
ข้อสรุปที่สำคัญของทฤษฎีของแมกซ์เวลล์คือการมีอยู่ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า และแสงก็คือคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า โดยพื้นฐานแล้วแสงไม่แตกต่างจากคลื่นวิทยุ ไมโครเวฟ รังสีเอกซ์- หรือรังสี - ยกเว้นในช่วงความยาวคลื่น ตามทฤษฎีนี้ สามารถคำนวณการลดทอนความเข้มของแสงในชั้นบรรยากาศได้ ในหนังสือเล่มนี้ ระยะการวัดอัลตราไวโอเลตค่อนข้างสั้น (เพียงสิบเมตรเท่านั้น) ดังนั้นตัวกลางในการแพร่กระจายจึงถือว่ามีความสม่ำเสมอ และผลกระทบของดัชนีการหักเหของแสงและความปั่นป่วนในชั้นบรรยากาศจะถูกละเลย การวัดครั้งต่อไปจะถือว่าตัวกลางเป็นสุญญากาศ
กฎพื้นฐานของการวัดรังสีด้วยแสง
แหล่งกำเนิดรังสีสามารถแสดงลักษณะเฉพาะด้วยความเข้มของการแผ่รังสี การแผ่รังสีออก (ความหนาแน่นฟลักซ์การแผ่รังสี) และฟลักซ์การแผ่รังสีเพื่ออธิบายความแรงและการกระจายพลังงานเชิงพื้นที่
ความเข้มของการแผ่รังสีคือกำลังการแผ่รังสีที่ปล่อยออกมาจากแหล่งกำเนิดต่อหน่วยมุมตัน ซึ่งสะท้อนถึงการกระจายเชิงมุมของพลังงานการแผ่รังสี
การแผ่รังสีออก (ความหนาแน่นฟลักซ์การแผ่รังสี) คือกำลังการแผ่รังสีทั้งหมดที่ปล่อยออกมาต่อหน่วยพื้นที่ ซึ่งสะท้อนความหนาแน่นของการแผ่รังสีที่พื้นผิว
ฟลักซ์การแผ่รังสีคือกำลังทั้งหมดที่ปล่อยออกมาจากแหล่งกำเนิดทั้งหมดสู่อวกาศ (อัตราเวลาของพลังงานการแผ่รังสี)
การแผ่รังสีหมายถึงกำลังการแผ่รังสีที่ปล่อยออกมาต่อหน่วยพื้นที่ฉายภาพในแนวเส้น-ของ-ทิศทางการมองเห็นต่อมุมตันของหน่วย ความสัมพันธ์ระหว่างความเข้มของการแผ่รังสี การแผ่ออกของการแผ่รังสี ฟลักซ์การแผ่รังสี และความกระจ่างใส แสดงเป็น:
การบูรณาการการแผ่รังสีเหนือพื้นที่แหล่งกำเนิดทำให้เกิดความเข้มของการแผ่รังสี: J=∫ₐ N cosθ dA (3-1)
การบูรณาการความกระจ่างเหนือมุมตันทำให้เกิดการแผ่รังสีออกมา: M=∫ₒ N cosθ dΩ (3-2)
การอินทิเกรตสองครั้งบนพื้นที่และมุมตันทำให้เกิดฟลักซ์การแผ่รังสี: Φ=∫ₐ ∫ₒ N cosθ dA dΩ (3-3)
โดยที่: N - ความกระจ่างใสของแหล่งกำเนิด; องค์ประกอบพื้นที่ต้นทาง dA -; θ - มุมระหว่างทิศทางการปล่อยและพื้นผิวปกติ dΩ - องค์ประกอบมุมทึบ; cosθ dA - พื้นที่ฉายในทิศทางการปล่อย
การฉายรังสีมีขนาดเดียวกับการแผ่รังสี (W/cm²) แต่หมายถึงพลังงานที่ได้รับต่อหน่วยพื้นที่ที่เครื่องตรวจจับ เมื่อเครื่องมือได้รับรังสี การฉายรังสีที่รูม่านตาทางเข้าจะเป็น: E=∫ₒ N cosθ dΩ (3-4)
สมการ (3-4) อย่างเป็นทางการจะเหมือนกันกับ (3-2) แต่ใช้การแผ่รังสีที่ตัวรับและอินทิเกรตเหนือมุมตันในการยอมรับของเครื่องมือ หากละเลยการสูญเสียการส่งผ่าน ความรัศมีของแหล่งกำเนิดจะเท่ากับความส่องสว่างที่ได้รับ หากขาดทุน การคำนวณจะตรงไปตรงมา ดังนั้นการกำหนดความกระจ่างใสของแหล่งกำเนิดจึงมีความสำคัญอย่างยิ่งในการใช้งานทางวิศวกรรม
โดยทั่วไป การแผ่รังสีหรือการสะท้อนจากวัตถุนั้นมีทิศทาง ซึ่งเกิดขึ้นภายในมุมทึบที่จำกัดเท่านั้น ซึ่งหมายความว่าความส่องสว่างจะขึ้นอยู่กับทิศทาง ตัวปล่อยแสงแบบกระจายที่เหมาะสมที่สุด (หม้อน้ำ Lambertian) จะปล่อยรังสีอย่างสม่ำเสมอไปยังพื้นที่ซีกทรงกลมโดยมีความส่องสว่างคงที่ ความเข้มของการแผ่รังสีจากองค์ประกอบพื้นผิว Lambertian เป็นไปตามกฎโคไซน์ของ Lambert: dJ=N cosθ dA ∝ cosθ (3-5)
เมื่อสังเกตวัตถุส่องสว่างที่กระจัดกระจาย (เช่น ดวงอาทิตย์) จากมุมที่ต่างกัน พื้นที่ฉายภาพที่เซลล์จอประสาทตาแต่ละเซลล์มองเห็นจะยังคงคงที่ เช่นเดียวกับมุมตันที่ขยายไปที่รูม่านตา เนื่องจากความกระจ่างใสของแลมเบอร์เชียนไม่ขึ้นกับทิศทางในการรับชม พลังงานที่ได้รับจึงคงที่ ทำให้เกิดดิสก์ที่สว่างสม่ำเสมอ
สำหรับตัวปล่อย Lambertian ในอุดมคติที่แผ่ออกไปในซีกโลก ความสัมพันธ์ระหว่างการฉายรังสีและความส่องสว่างคือ: dΩ=sinθ dθ dφ M=∫ N cosθ dΩ=N ∫₀²π dφ ∫₀π/₂ cosθ sinθ dθ=πN (3-6)
โดยเฉพาะอย่างยิ่ง การแผ่รังสีออกมาเท่ากับ π คูณความกระจ่าง ไม่ใช่ 2π (มุมทึบครึ่งทรงกลมเต็ม)
หม้อน้ำ Lambertian ที่สมบูรณ์แบบถือเป็นรุ่นในอุดมคติ ในทางปฏิบัติ แหล่งที่มาหลายแห่งประมาณพฤติกรรมของ Lambertian ภายในช่วงเชิงมุมที่จำกัดเท่านั้น สำหรับฉนวนไฟฟ้าส่วนใหญ่ ความกระจ่างจะถือว่าคงที่โดยประมาณสำหรับมุมที่น้อยกว่าหรือเท่ากับ 60 องศาจากปกติ สำหรับตัวนำน้อยกว่าหรือเท่ากับ 50 องศา แหล่งข้อมูลบางแห่งเช่นบางแห่งหลอดไฟยูวี 222 นาโนเมตรท่อระบายสารเอ็กไซเมอร์ยังแสดงการกระจายของแลมเบอร์เทียนใกล้-ในมุมเล็กๆ ทำให้สะดวกเป็นแหล่งมาตรฐานสำหรับการสอบเทียบรังสีอัลตราไวโอเลต
