DE102009048403A1

DE102009048403A1 - Messeinrichtung und Messmethode zur spektral selektiven Bestimmung der Strahlungsexposition im VUV-Bereich

Info

Publication number: DE102009048403A1
Application number: DE102009048403A
Authority: DE
Inventors: Alex Dr. Voronov; Silke Reber
Original assignee: Heraeus Noblelight GmbH
Current assignee: Heraeus Noblelight GmbH
Priority date: 2009-10-06
Filing date: 2009-10-06
Publication date: 2011-05-05
Also published as: WO2011042103A1

Abstract

Bekannte Messeinrichtungen zur spektral selektiven Bestimmung der Strahlungsexposition für VUV-Strahlung, umfassen einen Träger aus einem Trägermaterial und einer flächig ausgebildeten Sensorschicht, die eine photosensitive chemische Verbindung enthält, die in Abhängigkeit von auftreffender UV-Strahlung eine Farbänderung erfährt. Um hiervon ausgehend eine konstruktive einfache und preiswerte Messeinrichtung für die spektral selektive Bestimmung der Strahlungsexposition im VUV-Bereich bereitzustellen, insbesondere für den Einsatz bei einer Wellenlänge von 185 nm, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass die photosensitive chemische Verbindung ein Polysaccharid ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Messeinrichtung zur spektral selektiven Bestimmung der Strahlungsexposition für VUV-Strahlung, umfassend einen Träger aus einem Trägermaterial und einer flächig ausgebildeten Sensorschicht, die eine photosensitive chemische Verbindung enthält, die in Abhängigkeit von auftreffender UV-Strahlung eine Farbänderung erfährt.
Weiterhin betrifft die Erfindung eine Messmethode zur spektral selektiven Bestimmung der Strahlungsexposition im VUV-Bereich.
Stand der Technik
UV-Strahler oder -Laser werden beispielsweise zur Aushärtung von Lacken, zur Entkeimung von Oberflächen, Flüssigkeiten und Gasen sowie bei Alterungs- und Verwitterungsversuchen eingesetzt. Dabei ist es häufig erwünscht oder erforderlich, die UV-Strahlungsdosis zu erfassen und die Funktionsfähigkeit der dabei eingesetzten UV-Strahlenquellen zu überwachen.
Zu diesem Zweck werden beispielsweise physikalische Messgeräte, wie Radiometer und Luxmeter eingesetzt, die kontinuierlich die Beleuchtungsstärke messen und, sofern sie mit einer Integrationseinheit ausgerüstet sind, auch die Strahlungsdosis erfassen können. Geräte dieser Art sind beispielsweise unter der Bezeichnung „UV-Power Meter C9536-01, H9958 Series” von der Hamamatsu Photonics Deutschland GmbH im Handel erhältlich.
Derartige UV-Detektoren ermöglichen eine exakte quantitative Erfassung. Sie altern jedoch mit der Zeit und müssen daher regelmäßig nachkalibriert werden. Auch ist ihr Anschaffungspreis relativ hoch.
Daher werden alternativ zur gerätetechnischen Erfassung der UV-Strahlung auch konstruktiv einfache Dosimeter eingesetzt. Dosimeter sind Messeinrichtungen, bei denen sich eine Eigenschaft, wie etwa die Farbe oder die Leitfähigkeit, unter dem Einfluss der Umgebung verändert und visuell oder messtechnisch erfasst werden kann.
Ein derartiges Dosimeter zur Erfassung ultravioletter Strahlung ist beispielsweise aus der DE 299 17 746 U1 bekannt. Das Dosimeter umfasst ein bahnförmiges Messelement aus Polyethylen, das eine Anzeigefläche und daneben eine in fünf Felder unterteilte Messskala sowie ein Beschriftungsfeld anzeigt. Die Anzeigefläche erfährt Farbänderungen in Abhängigkeit von der Energie der auftreffenden UV-Strahlung. Die Farbänderungen lassen anhand der daneben verlaufenden Vergleichsskala eine quantitative Aussage über die Dosis der UV-Einstrahlung zu. Die Anzeigefläche ist mit einer Substanz beschichtet, deren Farbe sich infolge des Einfalls von UV-Strahlung und je nach dessen Intensität kontinuierlich von gelb zu orange, rotorange, tiefrot, rotlila und lila ändert. Diese chemische Substanz wird jedoch nicht angegeben.
Geeignete photosensitive Substanzen werden in der DE 38 87 196 T2 konkret benannt. Diese werden auf einem Träger als Film aufgebracht, der quantitativ auf ultraviolette Strahlung anspricht. Zu diesem Zweck enthält der Film mindestens zwei Komponenten, nämlich eine Verbindung, die bei NUV-Strahlung eine Säure bildet, sowie einen Farbstoff, der durch diese Ansäuerung Farbänderungen durchläuft. Diese beiden Komponenten werden mit einem Medium vermischt, das die Übertragung der Säure-Protonen auf den Farbstoff ermöglicht und so bei Strahlungsexposition eine sichtbare Farbänderung zeigt. Als Beispiele für die säurebildende Verbindung werden ortho-Nitrobenzaldehyd; 2,4-Dinitrobenzaldehyd; 2,6-Dinitrobenzaldehyd; und ortho-Nitrozimtaldehyd genannt.
In der GB 2 067 060 A werden andere photosensitive Substanzen für den Einsatz in einem UV-Dosimeter angegeben, die für den UV-Wellenlängenbereich unterhalb von etwa 320 nm geeignet sind. Dabei handelt es sich um Polysulfone, insbesondere Dimethyl-Plysulfon, die in einer inerten Matrix dispergiert und zusammen mit dieser auf einem nicht photoaktiven Trägermaterial aufgebracht sind. Als geeignetes Trägermaterial wird Cellophan genannt.
Die Herstellung der photosensitiven Filme erfordert einen gewissen Aufwand. Die selektive Messung der Bestrahlungsdosis nur im VUV-Bereich, also ohne andere UV-Strahlungsbereichsanteile, stellt eine nicht triviale Aufgabe dar. Besonders wichtig ist die selektive Messung bei einer Wellenlänge um 185 nm, einer der Hauptemissionswellenlängen der Quecksilberniederdruckentladung.
Technische Aufgabenstellung
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine konstruktive einfache und preiswerte Messeinrichtung für die spektral selektive Bestimmung der Strahlungsexposition im VUV-Bereich bereitzustellen, insbesondere für den Einsatz bei einer Wellenlänge von 185 nm.
Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine verlässliche Messmethode für die spektral selektive Bestimmung der Strahlungsexposition im VUV-Bereich, insbesondere für die Messung bei einer Wellenlänge von 185 nm, anzugeben
Hinsichtlich der Messeinrichtung wird diese Aufgabe ausgehend von einer Messeinrichtung mit den Merkmalen der eingangs genanten Gattung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die photosensitive chemische Verbindung ein Polysaccharid ist.
Polysaccharide sind zum Beispiel Glycogen, Stärke (Amylose und Amylopektin), Chitin, Callose und Cellulose. Polysaccharide bestehen aus vielen Monosaccharideinheiten, wobei eine unbekannte Anzahl derartiger Monosaccharideinheiten oder eine statistische Molekülgrößenverteilung vorliegt. So hat beispielsweise Cellulose die allgemeine Summenformel (C₆H₁₀O₅)_n und besteht aus mehreren hundert bis zehntausend β-D-Glucose-Einheiten. Ein Abschnitt eines Cellulose-Moleküls ist schematisch in 1 dargestellt. Polysaccharide enthaolten grundsätzlich drei unterschiedliche chemische Bindungen, nämlich die C-O-Bindung, die O-H-Bindung und die C-C-Bindung. Die Bindungsenergien und die Grenzwellenlängen, ab denen diese Bindungen theoretisch aufbrechen könnten, sind in Tabelle 1 angegeben Tabelle 1

Bindungsenergie [kJ/mol] Grenzwellenlänge [nm]

C-O 358 339

C-C 348 347

O-H 498 244
Die chemischen Bindungen des Polysaccharidmoleküle unterliegen bei Bestrahlung mit UV-Licht aus dem VUV-Wellenlängenbereich einer Degradation, die zu einer Verfärbung der Sensorschicht führt und somit optisch erfassbar ist.
Überraschenderweise hat es sich aber gezeigt, dass eine merkliche Degradation der Bindungen nicht bereits bei den in Tabelle 1 angegebenen, theoretisch ermittelten Grenzwellenlängen einsetzt, sondern erst bei deutlich kürzeren Wellenlängen unterhalb von 200 nm, also im VUV-Wellenlängenbereich.
Dadurch sind Polysaccharide als wellenlängenselektive photosensitive chemische Verbindung für den VUV-Bereich einsetzbar. So bewirkt beispielsweise eine Strahlenexposition bei einer Wellenlänge von 185 nm, also der Wellenlänge entsprechend der kurzwelligeren Hauptlinie der Quecksilberniederdruckentladung, innerhalb kurzer Zeit eine sichtbare und leicht messtechnisch oder visuell erfassbare Farbänderung von Cellulose, nämlich einer Vergilbung.
Demgegenüber bewirkt eine Strahlenexposition bei einer Wellenlänge von UV-Licht größerer Wellenlänge bei vergleichbarer Strahlungsdosis nur eine vernachlässigbare Degradation. So ruft beispielsweise eine UV-Bestrahlung mit einer Wellenlänge von 254 nm, bei der es sich um eine andere Hauptlinie der Entladung bei einer Niederdruckquecksilberlampe handelt, praktisch keine optisch erkennbare Zerstörung von Polysaccharid-Bindungen hervor.
Es hat sich besonders bewährt, wenn die photosensitive chemische Verbindung ein Polysaccharid in Form von Glycogen, Stärke, Chitin, Callose und/oder Cellulose enthält.
Cellulose ist in hohen Anteilen in Papier enthalten und daher besonders einfach einsetzbar und praktikabel.
Die Sensorschicht kann auf dem Träger als Film oder Beschichtung aufgebracht sein. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist jedoch vorgesehen, dass die Sensorschicht gleichzeitig das Trägermaterial bildet.
In dem Fall entfällt der Aufwand zur Herstellung einer Beschichtung des Trägers mit einer photosensitiven chemischen Verbindung, wie aus dem Stand der Technik bekannt. Da Polysaccharide in Form von Cellulose in hoher Konzentration in Papier enthalten sind, kann der Träger mindestens teilweise, vorzugsweise vollständig, aus Papier hergestellt sein.
Je höher der Anteil an Polysacchariden in der Sensorschicht ist, umso eindeutiger ist die Verfärbung erkennbar und umso höher sind Sensitivität und Auflösungsvermögen der Messeinrichtung. Neutrale Zusätze sind akzeptabel, sofern sie das Messergebnis nicht verfälschen. Vorzugsweise beträgt der Polysaccharidanteil der Sensorschicht jedoch mindestens 30 Gew.-%.
Im Hinblick auf eine möglichst hohe Sensitivität der Messeinrichtung beträgt der Polysaccharidanteil der Sensorschicht mindestens 50 Gew.-%, besonders bevorzugt mindestens 90 Gew.-%.
Als besonders vorteilhaft hat es sich auch erwiesen, wenn die Sensorschicht Papier enthält, das zu mindestens 95% aus gebleichtem Zellstoff hergestellt ist.
Derartiges Papier zeichnet sich auch bei Lagerung in nicht klimatisierten Räumen durch eine lange Lebensdauer aus (spezifiziert nach DIN 6738) und es ist im Handel preisgünstig und in reproduzierbarer Qualität erhältlich.
Im Hinblick auf eine möglichst geringe Verfälschung des Messergebnisses durch Eigenfärbung des Papiers, Aufheller und einen geringen Anteil an nicht photoselektiven Inhalts- oder Beschichtungsstoffen hat es sich besonders bewährt, wenn das Papier ein weißes, holzfreies Rohpapier ist.
Das Rohpapier ist vorzugsweise maschinenglatt oder satiniert. Es ist jedoch unbeschichtet; im Gegensatz zu sogenanntem „Streichpapier”, bei dem die Oberfläche mit einem Bindemittelauftrag veredelt ist, durch den das Papier eine geschlossene, glatte und stabile Oberfläche erhält, die eine bessere Bedruckbarkeit bewirkt. Eine derartige Beschichtung bei gestrichenem Papier kann jedoch das Ergebnis bei der Messung der VUV-Strahlungsexposition verfälschen.
Vorzugsweise weist der Träger benachbart zur Sensorschicht eine aufgedruckte Farbskala auf.
Jeder Farbe der Farbskala ist eine bestimmte, vorher anhand einer Eichung ermittelte Bestrahlungsdosis zugeordnet. Dadurch kann einer Farbänderung der Sensorschicht unmittelbar eine VUV-Bestrahlungsdosis zugeordnet werden.
Es hat sich bewährt, wenn auch die entsprechende Angabe zur Dosis auf dem Träger aufgedruckt ist, wobei jeder der Farbflächen der Farbskala eine Angabe für die entsprechende Bestrahlungsdosis zugeordnet ist.
Hinsichtlich des Messverfahrens wird die oben genannte Aufgabe ausgehend von einem Verfahren der eingangs genannten Gattung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine Messeinrichtung gemäß der Erfindung mit VUV-Licht mit einer Wellenlänge unterhalb von 200 nm bestrahlt wird, und eine Farbänderung der Sensorschicht erfasst und als VUV-Bestrahlungsdosis ausgewertet wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Ermittlung einer VUV-Bestrahlungs-dosis. Eine Messeinrichtung gemäß der Erfindung wird mit UV-Licht bestrahlt, wobei die UV-Strahlung oder mindestens ein Teil davon eine Wellenlänge unterhalb von 200 nm aufweist.
Dadurch kommt es zu einer Degradation der Polysaccharide der Sensorschicht, die mit einer Farbänderung einhergeht, nämlich einer Zunahme der Gelbfärbung, wie oben anhand der Beschreibung der erfindungsgemäßen Messeinrichtung näher erläutert. Die Farbänderung ist unter Zugrundelegung eines Farbraum-Modells quantifizierbar, so dass auf Basis einer Eichung jeder Farbe eine entsprechende Bestrahlungsdosis zugeordnet werden kann.
Durch den Einsatz der erfindungsgemäßen Messeinrichtung gestaltet sich das Messverfahren einfach und besonders preiswert und es ergibt reproduzierbare Messergebnisse. Die erreichbare Genauigkeit der ermittelten Bestrahlungsdosis liegt bei +/–20%, was den meisten Anforderungen genügt.
Vorzugsweise erfolgt die Auswertung der Farbänderung unter Zugrundelegung des CIELab-Farbraummodells oder des RGB-Farbraummodells, indem die Farbe der Sensorschicht mit einer standardisierten Modellfarbe verglichen wird.
Ausführungsbeispiel
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigt im Einzelnen:
1 einen Ausschnitt eines Cellulosemoleküls in schematischer Darstellung,
2 die Farbänderung von Papier in Abhängigkeit von der Bestrahlungsdosis bei der Wellenlänge von 185 nm anhand eines ein Diagramms (im CIELab-Farbraum), und
3 die Farbänderung von Papier in Abhängigkeit von der Bestrahlungsdosis bei der Wellenlänge von 185 nm anhand eines ein Diagramms (im RGB-Farbraum).
Weißes, unbeschichtetes Rohpapier mit einem Gewicht von 80 g/m² wird einer Bestrahlung bei einer Wellenlänge von 185 nm ausgesetzt und die Farbänderung wird in Abhängigkeit von der Bestrahlungsdosis ermittelt. Eine quantitative Bestimmung der Farbänderung erfolgt anhand der Farbmodelle „CIELab” und „RGB”.
Beim „CIELab-Farbraum” werden die gemessenen Spektralkurven auf drei Koordinaten reduziert. Die Koordinatenachsen L*, a*, b* stehen rechtwinkelig aufeinander:
L* beschreibt die Helligkeit von 0 (reines Schwarz) bis 100 (reines Weiß).
a* stellt die Rot-Grün-Achse dar. Negative Werte sind grün, positive sind rot.
b* stellt die Gelb-Blau-Achse dar. Negative Werte sind blau, positive sind gelb.
Im CIELab-Farbraum zeigt sich bis zu einer Bestrahlungsdosis von etwa 10 J/cm² weder eine Farbänderung in der Helligkeit (L*-Achse) noch eine Änderung in der a*-Achse. In der b*-Achse wird jedoch bereits bei geringer Bestrahlungsdosis eine Änderung der Farbe in Richtung „Gelb” beobachtet.
Die entsprechende Farbänderung ist im Diagramm von 2 dargestellt. In diesem Diagramm ist auf der y-Achse die Farbdifferenz der b*-Achse des CIELab-Farbraums dargestellt und auf der x-Achse die Bestrahlungsdosis bei der Wellenlänge von 185 nm in (J/cm²). Daraus ergibt sich eine nahezu lineare Abhängigkeit der Farbänderung von der Strahlungsexposition.
Beim RGB-Farbraummodell wird davon ausgegangen, dass ein Teil des sichtbaren Farbspektrums durch Mischen der drei Grundkomponenten farbigen Lichts dargestellt wird. Diese Komponenten sind die Primärfarben Rot, Grün und Blau (RGB). Jedem der drei Grundfarben werden 256 verschiedene Intensitätswerte zugeordnet, sodass sich im Dezimalsystem Werte zwischen 0 und 255 ergeben.
Die entsprechende Auswertung der Farbänderung im RGB-Farbraum ist im Diagramm von 3 dargestellt. In diesem Diagramm ist auf der y-Achse die Farbdifferenz im Blau-Wert des RGB-Farbraums dargestellt und auf der x-Achse die Bestrahlungsdosis bei der Wellenlänge von 185 nm in (J/cm²). Ausgehend von einem Startwert von 233 für die Farbe Blau nimmt dieser Blau-Wert mit zunehmender Bestrahlungsdosis linear ab. Die Abnahme des Blau-Wertes geht mit einer Zunahme der Gelbfärbung einher.
Die Farbänderung ermöglicht eine quantitative Bestimmung der Bestrahlungsdosis im VUV-Bereich. Die statistisch ermittelte Messgenauigkeit beträgt etwa 20%. Die Bestrahlungsdosis kann auch in die Bestrahlungsstärke umgerechnet werden, wobei gilt: Bestrahlungsstärke = Bestrahlungsdosis/Bestrahlungsdauer.
Im einfachsten Fall besteht die erfindungsgemäße Messeinrichtung somit aus einem Papierstreifen. Das Papier ist weißes, unbeschichtetes, holzfreies Rohpapier, das zu 95 Gew.-% aus gebleichtem Zellstoff hergestellt ist. Der Papierstreifen umfasst eine Messfläche und auf dem Rand des Papierstreifens ist eine Farbskala mit mehreren Farbflächeneinheiten und einer Angabe der dazu gehörenden Bestrahlungsdosis aufgedruckt. Jeder Farbflächeneinheit ist eine bestimmte, vorher anhand einer Eichung ermittelte Bestrahlungsdosis zugeordnet. Durch Vergleich der Farbe der Messfläche mit der Farbskala ist die Bestrahlungsdosis unmittelbar abzulesen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 29917746 U1 [0007]
DE 3887196 T2 [0008]
GB 2067060 A [0009]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN 6738 [0026]

Claims

Messeinrichtung zur spektral selektiven Bestimmung einer Strahlungsexposition im VUV-Bereich, umfassend einen Träger aus einem Trägermaterial und einer flächig ausgebildeten Sensorschicht, die eine photosensitive chemische Verbindung enthält, die in Abhängigkeit von auftreffender UV-Strahlung eine Farbänderung erfährt, dadurch gekennzeichnet, dass die photosensitive chemische Verbindung ein Polysaccharid ist.
Messeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die photosensitive chemische Verbindung ein Polysaccharid in Form von Glycogen, Stärke, Chitin, Callose und/oder Cellulose enthält.
Messeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorschicht gleichzeitig das Trägermaterial bildet.
Messeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Polysaccharidanteil der Sensorschicht mindestens 30 Gew.-% beträgt.
Messeinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Polysaccharidanteil mindestens 50 Gew.-%, besonders bevorzugt mindestens 90 Gew.-%, beträgt.
Messeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorschicht Papier enthält, das zu mindestens 95 Gew.-% aus gebleichtem Zellstoff hergestellt ist.
Messeinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Papier ein weißes, holzfreies Rohpapier ist.
Messeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger benachbart zur Sensorschicht eine aufgedruckte Farbskala aufweist.
Messeinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Farbskala aus Farbflächen besteht, denen jeweils eine Angabe für eine Bestrahlungsdosis zugeordnet ist.
Messverfahren zur spektral selektiven Bestimmung einer Strahlungsexposition im VUV-Bereich, dadurch gekennzeichnet, dass eine Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 mit UV-Licht mit einer Wellenlänge unterhalb von 200 nm bestrahlt wird, und eine Farbänderung der Sensorschicht erfasst und als UV-Bestrahlungsdosis ausgewertet wird.
Messverfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertung der Farbänderung durch Vergleich der Farbe der Sensorschicht mit der Standardfarbe eines Farbraummodells, vorzugsweise des CIELab-Farbraummodells oder des RGB Farbraummodells, erfolgt.