Prinsip dan Metrologi Optik Perambatan Radiasi Bola Lampu UV 222 nm
Sifat dan Spektrum Elektromagnetik Gelombang Elektromagnetik
Cahaya adalah gelombang elektromagnetik. Menurut teori elektromagnetik Maxwell, medan listrik-bervariasi terhadap waktuE(atau medan magnetH) di suatu wilayah ruang akan menginduksi medan magnet yang bervariasiH(atau medan listrikE) di wilayah yang berdekatan. Medan listrik dan magnet yang bervariasi dan bergantian ini terus-menerus menghasilkan satu sama lain dan merambat melalui ruang dengan kecepatan terbatas, membentuk gelombang elektromagnetik. Gelombang elektromagnetik menunjukkan sifat-sifat berikut:
(1) Kedua medan listrikEdan medan magnetHgelombang elektromagnetik tegak lurus terhadap arah rambat, dan ketiga vektor (E, H, dan arah rambat) saling tegak lurus. Jadi, gelombang elektromagnetik merupakan gelombang transversal. Vektor E, H, dan arah rambatnya membentuk sistem sekrup tangan kanan.
(2) Untuk gelombang elektromagnetik yang merambat dalam arah tertentu,EDanHberosilasi pada bidangnya masing-masing-karakteristik yang dikenal sebagai polarisasi.
(3) Di setiap titik dalam ruang,EDanHmengalami variasi periodik dan berada dalam fase, mencapai maksimum dan minimum secara bersamaan.
(4) Pada setiap titik dan setiap saat, besarnya hubungan antaraEDanHadalah εE=μH.
(5) Kecepatan rambat gelombang elektromagnetik dalam ruang hampa adalah c=1/√(ε₀μ₀), dan dalam medium adalah v=1/√(εμ).
Gelombang elektromagnetik memiliki jangkauan yang sangat luas, mulai dari gelombang radio dan gelombang optik hingga sinar X-dan -sinar-semuanya termasuk dalam kategori yang sama, hanya berbeda pada panjang gelombangnya. Gelombang elektromagnetik yang ditemukan dan digunakan secara luas saat ini berkisar dari panjang gelombang yang lebih panjang dari 10⁴ m hingga lebih pendek dari 10⁻⁵ nm. Jika disusun berdasarkan frekuensi atau panjang gelombang, mereka membentuk spektrum elektromagnetik. Radiasi optik hanya menempati sebagian kecil dari spektrum ini, dengan radiasi ultraviolet menjadi fokus utama penelitian kami.
Radiasi Optik
Energi yang merambat dalam bentuk gelombang atau partikel elektromagnetik (foton), yang dapat dipantulkan, dicitrakan, atau didispersikan oleh elemen optik, beserta proses perambatannya, secara kolektif disebut sebagai radiasi optik. Umumnya dianggap mencakup panjang gelombang dari 10 nm hingga 1 mm (frekuensi ~3×10¹¹ hingga 3×10¹⁶ Hz). Radiasi optik biasanya dibagi menjadi tiga bagian berdasarkan panjang gelombang dan respons visual manusia: radiasi ultraviolet, cahaya tampak, dan radiasi inframerah. Panjang gelombang biasanya dinyatakan dalam nm untuk rentang-hingga-ultraviolet, dalam μm untuk inframerah, dan bilangan gelombang biasanya diberikan dalam cm⁻¹.
Radiasi ultraviolet memiliki panjang gelombang lebih pendek daripada cahaya ungu dan tidak terlihat oleh mata manusia, dengan rentang 1–390 nm. Ini dibagi menjadi-UV dekat,-UV jauh, dan-UV ekstrim. Ekstrim-UV hampir seluruhnya diserap oleh udara dan hanya dapat merambat dalam ruang hampa, oleh karena itu disebut juga ultraviolet vakum (VUV). Dalam studi UV matahari, radiasi ultraviolet sering diklasifikasikan menjadi pita UVA, UVB, dan UVC.
Khususnya, sinar-ultraviolet jauh yang dihasilkan oleh aBola lampu UV 222nm(lampu excimer KrCl*) telah menarik banyak perhatian dalam beberapa tahun terakhir karena-aplikasi desinfeksi ruang kosong di area publik. Energi fotonnya yang tinggi, penyerapan oksigen yang kuat di udara, dan kedalaman penetrasi yang sangat dangkal pada kulit manusia (terbatas pada stratum korneum) menjadikannya aman dan efektif.
Untuk mendeskripsikan radiasi optik secara kuantitatif, diperlukan besaran fisika tertentu. Deteksi dan pengukuran radiasi optik menggunakan dua sistem berbeda: satuan radiometrik dan satuan fotometrik.
Sistem radiometrik menggunakan fluks radiasi (atau daya radiasi) dan energi radiasi sebagai besaran pokok, yang hanya bergantung pada benda yang memancar. Satuan dasar adalah watt (W) dan joule (J). Radiometri berlaku di seluruh spektrum elektromagnetik.
Sistem fotometri mencerminkan persepsi kecerahan visual. Besaran pokoknya adalah intensitas cahaya, dengan satuan dasar candela (cd). Fotometri hanya berlaku pada rentang tampak.
Meskipun besaran fisika dalam kedua sistem berbeda secara konseptual, simbol-simbolnya berhubungan satu-ke-satu. Besaran radiometrik dilambangkan dengan subskrip “e”, besaran fotometrik dilambangkan dengan subskrip “v”.
Kesimpulan utama dari teori Maxwell adalah adanya gelombang elektromagnetik, dan cahaya adalah gelombang elektromagnetik. Cahaya pada dasarnya tidak berbeda dengan gelombang radio, gelombang mikro, sinar X-, atau sinar -kecuali dalam rentang panjang gelombangnya. Berdasarkan teori ini, redaman intensitas cahaya di atmosfer dapat dihitung. Dalam buku ini, jarak pengukuran ultraviolet relatif pendek (hanya puluhan meter), sehingga media rambatnya dianggap seragam, dan pengaruh indeks bias dan turbulensi atmosfer diabaikan. Pengukuran selanjutnya memperlakukan media sebagai ruang hampa.
Hukum Dasar Pengukuran Radiasi Optik
Suatu sumber radiasi dapat dikarakterisasi berdasarkan intensitas pancaran, pancaran pancaran (kerapatan fluks pancaran), dan fluks pancaran untuk menggambarkan kekuatan dan distribusi energi spasialnya.
Intensitas radiasi adalah daya radiasi yang dipancarkan suatu sumber per satuan sudut padat, yang mencerminkan distribusi sudut energi radiasi.
Keluaran radiasi (kerapatan fluks radiasi) adalah total daya radiasi yang dipancarkan per satuan luas, yang mencerminkan kepadatan emisi permukaan.
Fluks radiasi adalah daya total yang dipancarkan oleh seluruh sumber ke ruang angkasa (laju waktu energi radiasi).
Cahaya didefinisikan sebagai daya pancaran yang dipancarkan per satuan luas yang diproyeksikan pada arah-pandangan-per satuan sudut padat. Hubungan antara intensitas pancaran, pancaran pancaran, fluks pancaran, dan pancaran dinyatakan sebagai:
Mengintegrasikan pancaran pada area sumber menghasilkan intensitas pancaran: J=∫ₐ N cosθ dA (3-1)
Mengintegrasikan pancaran pada sudut padat menghasilkan pancaran pancaran: M=∫ₒ N cosθ dΩ (3-2)
Integrasi ganda pada luas dan sudut padat menghasilkan fluks radiasi: Φ=∫ₐ ∫ₒ N cosθ dA dΩ (3-3)
Dimana: N - pancaran sumber; dA - elemen area sumber; θ - sudut antara arah emisi dan permukaan normal; dΩ - elemen sudut padat; cosθ dA - area yang diproyeksikan pada arah emisi.
Irradiansi mempunyai dimensi yang sama dengan pancaran radiasi (W/cm²), namun mengacu pada daya yang diterima per satuan luas pada detektor. Ketika suatu instrumen menerima radiasi, radiasi pada pupil masuk adalah: E=∫ₒ N cosθ dΩ (3-4)
Persamaan (3-4) secara formal identik dengan (3-2), namun menggunakan pancaran cahaya pada penerima dan terintegrasi pada sudut solid penerimaan instrumen. Jika rugi-rugi transmisi diabaikan, pancaran sumber sama dengan pancaran yang diterima; dengan kerugian, perhitungannya tetap mudah. Oleh karena itu, menentukan sumber pancaran sangat penting dalam aplikasi teknik.
Secara umum, radiasi atau pantulan suatu benda bersifat terarah, terjadi hanya dalam sudut padat yang terbatas, artinya pancaran bergantung pada arah. Pemancar difusi ideal (radiator Lambertian) memancar secara seragam ke dalam ruang hemisfer dengan pancaran cahaya yang konstan. Intensitas radiasi dari elemen permukaan Lambertian mengikuti hukum kosinus Lambert: dJ=N cosθ dA ∝ cosθ (3-5)
Saat mengamati objek bercahaya menyebar (misalnya Matahari) dari berbagai sudut, area proyeksi yang dilihat oleh setiap sel retina tetap konstan, begitu pula sudut padat yang ditempatkan pada pupil. Karena pancaran Lambertian tidak tergantung pada arah pandang, energi yang diterima adalah konstan, sehingga menghasilkan piringan terang yang seragam.
Untuk pemancar Lambertian ideal yang memancar ke belahan bumi, hubungan antara pancaran pancaran dan pancaran pancaran adalah: dΩ=sinθ dθ dφ M=∫ N cosθ dΩ=N ∫₀²π dφ ∫₀π/₂ cosθ sinθ dθ=πN (3-6)
Khususnya, pancaran pancaran sama dengan π dikalikan pancaran, bukan 2π (sudut padat hemisferis penuh).
Radiator Lambertian yang sempurna adalah model yang ideal. Dalam praktiknya, banyak sumber memperkirakan perilaku Lambertian hanya dalam rentang sudut terbatas. Untuk sebagian besar isolator listrik, pancaran cahaya dapat dianggap kira-kira konstan untuk sudut kurang dari atau sama dengan 60 derajat dari normal; untuk konduktor, Kurang dari atau sama dengan 50 derajat. Sumber tertentu, seperti beberapaBola lampu UV 222nmtabung pelepasan excimer, juga menunjukkan distribusi-Lambertian dekat pada sudut kecil, sehingga cocok digunakan sebagai sumber standar untuk kalibrasi radiometrik ultraviolet.
