DE4213493C2 - Indicator for the detection of UV-B radiation - Google Patents
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Description
Für einen einfach aufgebauten, preisgünstig herstell- und vielmals verwendbaren Indikator zum quantitativen Nachweis von UV-B Strahlung im Spektrum einer Strahlungsquelle, das auch sichtbares Licht umfaßt, besteht zweifelsohne ein erhebliches Bedürfnis, insbesondere aufgrund der in Überdosis gesundheitsschädlichen Wirkung von UV-B Strahlung. Dieses Bedürfnis nimmt infolge des fortschreitenden Abbaus der Ozonschicht in der Erdatmosphäre und des hierdurch bedingten steigenden Anteils an UV-B in der Sonnenstrahlung künftig noch zu. For a simply constructed, inexpensive manufacturable and usable indicator for quantitative detection of UV-B radiation in the Spectrum of a radiation source that is also visible There is no doubt that there is considerable light Need, especially due to the overdose harmful effects of UV-B radiation. This need decreases as the progressive Degradation of the ozone layer in the earth's atmosphere and hereby increasing proportion of UV-B in solar radiation in the future.
Um störende, das Meßergebnis verfälschende Einflüsse von Fremdlicht auszuschließen, wird bei Einrichtungen zur Ermittlung der Bestrahlungsmenge von UV-B-Strahlung vor dem eigentlichen, die Bestrahlungsmenge messenden Detektor ein Filter angebracht, welches für den charakteristischen UV-B-Bereich von 280 bis 315 nm durchlässig ist (z. B. in den DE 39 41 403 A1 und DE 36 30 988 A1). In der DE 36 30 988 besteht zum Beispiel das Filter für den UV-B-Bereich aus nach Art eines Fabry-Perot-Filters angeordneten mindestens drei Filterschichten, wobei die mittlere Schicht aus einem Dielektrikum, vorzugsweise SiO₂ besteht, welche zwischen zwei Schichten aus Metall, vorzugsweise Silber, zu liegen kommt.About disturbing influences of extraneous light that falsify the measurement result exclude, in devices for determining the amount of radiation of UV-B radiation before the actual one, which measures the amount of radiation Detector a filter attached, which for the characteristic UV-B range from 280 to 315 nm is permeable (e.g. in DE 39 41 403 A1 and DE 36 30 988 A1). In DE 36 30 988 there is, for example, the filter for the UV-B range from at least arranged in the manner of a Fabry-Perot filter three filter layers, the middle layer consisting of a dielectric, preferably SiO₂, which is between two layers of metal, preferably silver.
In der DE 87 11 714 U1 wird eine Vorrichtung zur Bestimmung der Bestrahlungsstärke im UV-Bereich vorgestellt, welche als UV-Detektor einen Rezeptor aus phototropem Glas enthält, das von einem abnehmbaren Spektralfilter abgedeckt ist. DE 87 11 714 U1 describes a device for determining the Irradiance in the UV range presented, which as a UV detector Receptor made of phototropic glass contains a removable spectral filter is covered.
Bekanntlich sprechen phototrope Stoffe auf einfallende aktinische Strahlung, in aller Regel UV-Strahlung, derart an, daß sie sich in Abhängigkeit von der Intensität der einfallenden Strahlung (daneben auch von der Temperatur) zunehmend verdunkeln, was durch eine Absorption im sichtbaren Spektralbereich durch reversibles Ausscheiden von kolloidem Silber aus einer Silberhalogenidkomponente im phototropen Stoff bedingt ist. Der Transmissionsverlust bezüglich sichtbaren Lichts bzw. der Schwärzungsgrad oder der Grad der Eintönung eines phototropen Glases oder Kunststoffs, erhalten während Bestrahlung innerhalb eines bestimmten Zeitraums und bei einer bestimmten Temperatur, ist somit ein quantitatives Maß für die Intensität der eingefallenen aktinischen Strahlung.As is well known, phototropic substances speak up incident actinic radiation, usually UV radiation, so that it is in Depends on the intensity of the incident Radiation (also from temperature) increasingly darken what is due to absorption in the visible spectral range through reversible Elimination of colloidal silver from a Silver halide component in the phototropic substance is conditional. The transmission loss regarding visible light or the degree of blackening or the Degree of tinting of a phototropic glass or Plastic, obtained during radiation inside of a certain period and for a certain Temperature is therefore a quantitative measure of that Intensity of the incident actinic radiation.
Fällt also entsprechendes UV-Licht auf das phototrope Glas, so verändert sich in Abhängigkeit der Beleuchtungsstärke dessen Grauton. Um nun eine quantitative Aussage über die Bestrahlungsstärke treffen zu können, sind in der Vorrichtung der DE 87 11 714 U1 peripher zum phototropen Glas graugetönte Felder angeordnet. Die quantitative Bestimmung erfolgt dann über den visuellen Vergleich mit der Grautonskala.If corresponding UV light falls on the phototropic glass, then changes to Dependence of the illuminance of its gray tone. Now a quantitative To be able to make statements about the irradiance are in the device DE 87 11 714 U1 fields tinted gray peripherally to the phototropic glass arranged. The quantitative determination is then carried out via the visual one Comparison with the gray scale.
Da aber die Bestimmung der Graueinfärbung des phototropen Glases in Draufsicht, d. h. mittels reflektierten sichtbaren Lichtes erfolgt, muß dazu das Filter abgenommen werden. Dies bedingt, daß die Tönung des phototropen Glases nicht unmittelbar und direkt verfolgt werden kann, sondern erst nach einer gewissen Verzögerung festgestellt werden kann, was die Erkennung der "richtigen" Graueinfärbung bei phototropen Gläsern mit kleinen Regenerationshalbwertszeiten verhindert.But since the determination of the gray color of the phototropic glass in Top view, d. H. by means of reflected visible light, this must be done Filters can be removed. This means that the tint of the phototropic glass cannot be followed directly and directly, but only after one certain delay can be determined what the detection of the "correct" gray coloring for phototropic glasses with small Regeneration half-lives prevented.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Indikator zum Nachweis von UV-B-Strahlung im Emissionsspektrum einer Strahlungsquelle, das auch sichtbares Licht umfaßt, zur Verfügung zu stellen, welcher einfach aufgebaut, preisgünstig herstell- und vielmals verwendbar ist und mit welchem der quantitative Nachweis von UV-B-Strahlung unmittelbar, direkt und verzögerungsfrei erfolgen kann.The invention is therefore based on the object of an indicator for detection of UV-B radiation in the emission spectrum of a radiation source, that too includes visible light, which is simply constructed, is inexpensive to manufacture and can be used many times and with which the quantitative detection of UV-B radiation immediately, directly and can be done without delay.
Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Einrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.This task is performed in a generic device by characterizing features of claim 1 solved.
Abb. 1 zeigt in schematischer Darstellung den Aufbau eines Indikators gemäß der Erfindung. Fig. 1 shows a schematic representation of the structure of an indicator according to the invention.
Der Rezeptor besteht aus phototropem Glas oder Kunststoff (auch als photochromes Material bezeichnet) und kann zum Beispiel aus bekannten, in der Augenoptik Anwendung findenden phototropen Glasern bestehen, deren Zusammensetzung und Eigenschaften zum Beispiel in der US-PS 4,190,451 oder DE-OS 32 06 958 beschrieben sind und die zum Teil im Handel erhältlich sind, wie zum Beispiel die Produkte Photosolar® (Hersteller: Deutsche Spezialglas AG).The receptor is made of phototropic glass or Plastic (also as a photochromic material referred to) and can for example from known, in optotropic phototropic Glaziers exist, their composition and Properties, for example, in U.S. Patent 4,190,451 or DE-OS 32 06 958 are described and for Are commercially available, such as the Products Photosolar® (manufacturer: Deutsche Spezialglas AG).
Neben sich grau verfärbendem, Silberhalogenidkomponenten enthaltendem Material können auch solche phototropen Stoffe eingesetzt werden, die in bestrahltem Zustand eine Farbänderung aufweisen, zum Beispiel eine graduelle Braunverfärbung von farblosem Glas, was durch Edelmetalldotierung des Glases erreicht werden kann, oder die bereits in unbestrahltem Zustand eine Farbtönung aufweisen, die sich bei Bestrahlung intensiviert, was durch Zusatz von Metalloxiden der Nebengruppen des P.S. und/oder färbenden Oxiden Seltener Erdmetalle zum Glas erzielt werden kann.In addition to graying, containing silver halide components Material can also be used such phototropic substances in the irradiated state have a color change to Example of a gradual brown discoloration of colorless glass, which is caused by precious metal doping of the Glases can be achieved, or already in unexposed have a color tint that intensifies with radiation, which is due to addition of metal oxides of the sub-groups of the P.S. and or coloring oxides of rare earth metals to glass can be achieved.
Zweckmäßigerweise wird aus meßtechnischen Gründen für den Rezeptor des erfindungsgemäßen Indikators eines der vorgenannten phototropen Materialien ausgewählt, dessen Regenerationshalbwertszeit derart ist, daß der weiter unten beschriebene Farbtonvergleich in einem angemessenen Zeitraum, etwa innerhalb weniger Minuten, erfolgen kann, nachdem der Indikator nicht mehr der Bestrahlung ausgesetzt ist. Dank des Regenerationseffekts phototroper Materialien ist der Indikator gemäß der Erfindung praktisch beliebig oft wiederverwendbar, was einen beträchtlichen Vorteil darstellt.Is expedient for metrological reasons for the receptor of the indicator according to the invention one of the aforementioned phototropic materials selected, whose regeneration half-life is such is that described below Color comparison in a reasonable period of time, about a few minutes, after the indicator is no longer irradiation is exposed. Thanks to the regeneration effect phototropic materials is the indicator according to the Invention can be reused practically any number of times, which is a significant advantage.
Ferner sollte der Rezeptor aus einem phototropen Material bestehen, dessen Sättigungstransmission in angemessenem Zeitraum, d. h. größenordnungsmäßig innerhalb von Minuten, erreicht wird, so daß einerseits ein aussagekräftiger Farbton, zum Beispiel Grautonvergleich, mit einer geeichten Farbtonskala gewährleistet ist, was nach Erreichen der Sättigungsgrenze nicht mehr möglich ist; andererseits wird der Zeitraum, der zur Messung erforderlich ist, möglichst gering gehalten. Ein derartiger Zeitraum ist in der Regel auch im Hinblick auf die Temperaturabhängigkeit des phototropen Effekts, wenn der Indikator bzw. Rezeptor einer Bestrahlung mit IR-Anteil, zum Beispiel der Sonnenbestrahlung, ausgesetzt ist, noch tolerierbar. Erforderlichenfalls kann auch eine Temperaturmessung und ein Vergleich mit einer Farb bzw. Grautonskala vorgenommen werden, die bei einer Temperatur geeicht wurde, welche der Meßtemperatur entspricht.Furthermore, the receptor should consist of a phototropic Material, whose saturation transmission in reasonable period, d. H. on the order of magnitude is reached within minutes, so that on the one hand a meaningful shade, for Example gray tone comparison, with a calibrated Hue scale is guaranteed what after reaching the saturation limit is no longer possible; on the other hand, the period of time for the measurement is kept as low as possible. On Such a period is usually also in the With regard to the temperature dependence of the phototropic effect if the indicator or Irradiation receptor to Example of sun exposure that is still exposed tolerable. If necessary, a Temperature measurement and a comparison with a color or grayscale scale made at a Temperature was calibrated, which is the measuring temperature corresponds.
Phototrope Gläser, die die vorgenannten Anforderungen erfüllen, sind bekannt (vgl. zum Beispiel die beiden vorgenannten Druckschriften).Phototropic glasses that meet the aforementioned Meeting requirements are known (cf. Example the two aforementioned publications).
Die Dicke des Rezeptors 2 im Indikator gemäß der Erfindung beträgt in der Regel etwa 2 bis 3 mm. Eine derartige Dicke ist nicht nur unter wirtschaftlichem Aspekt günstig sowie aufgrund der Tatsache, daß die im Handel befindlichen photochromen Gläser für ophthalmische Linsen fast ausschließlich eine derartige Dicke aufweisen, sondern auch aufgrunddessen, daß die Strahlunqsdurchlässigkeit eines verdunkelten (getönten) photochromen Glases zum Teil von dessen Dicke abhängt, so daß dickere Gläser zu dunkleren Farb- bzw. Grautönen führen, was in der Regel nicht erwünscht ist, insbesondere bei Verwendung von photochromen Gläsern, deren Sättigungstransmission verhältnismäßig schnell erreicht wird.The thickness of the receptor 2 in the indicator according to the invention is usually about 2 to 3 mm. Such a thickness is favorable not only from an economic point of view, and also because of the fact that the commercially available photochromic glasses for ophthalmic lenses have almost exclusively such a thickness, but also because the radiation transmission of a darkened (tinted) photochromic glass is in part thereof Thickness depends, so that thicker glasses lead to darker colors or shades of gray, which is generally not desirable, especially when using photochromic glasses, the saturation transmission of which is achieved relatively quickly.
Der Filter 1 dient in erster Linie dazu, eine Reaktion des aus phototropem Material bestehenden Rezeptors 2 auf aktinische Strahlung anderer Wellenlänge als der UV-B Strahlung zu vermeiden; demgemäß darf er nur für eine solche des Wellenlängenbereichs von etwa 280 nm bis etwa 315 nm selektiv durchlässig sein. Neben einer möglichst hohen Transmission in diesem Wellenlängenbereich muß der Filter jedoch auch den Durchlaß von sichtbarer Stahlung, d. h. von Strahlung oberhalb einer Wellenlänge von etwa 500 nm, gewährleisten, um eine Beobachtung der Eintönung des Rezeptors aus dem phototropen Material zu ermöglichen.The filter 1 serves primarily to avoid a reaction of the receptor 2, which consists of phototropic material, to actinic radiation of a different wavelength than the UV-B radiation; accordingly, it must be selectively transmissive only for those in the wavelength range from approximately 280 nm to approximately 315 nm. In addition to the highest possible transmission in this wavelength range, the filter must, however, also ensure the transmission of visible radiation, ie of radiation above a wavelength of about 500 nm, in order to enable the tinting of the receptor from the phototropic material to be observed.
Geeignete Filter sind allgemein solche, die eine Vielzahl von einzelnen, wechselweise übereinander angeordneten Interferenzschichten aus Materialen, die für sichtbares Licht durchlässig sind und geeignete unterschiedliche Brechzahlen haben, aufweisen, wobei die einzelnen Schichten im Vakuum aufgedampft wurden. Suitable filters are generally those that have a Large number of individual, alternately one above the other arranged interference layers made of materials, which are transparent to visible light and have suitable different refractive indices, have, the individual layers in a vacuum were evaporated.
Als ein optimaler Filter 1 für den erfindungsgemäßen Indikator erwies sich das in nachfolgender Tabelle 1 beschriebene Filterpaket mit wechselweise angeordneten Interferenzschichten aus jeweils Ta₂O₅ und SiO₂; dieses Filterpaket wird in dem erfindungsgemäßen Indikator bevorzugt als Filter 1 eingesetzt. Seine spektralen Transmissionseigenschaften sind aus Abb. 2 zu ersehen. Derartige Filterpakete sind im Handel erhältlich (Hersteller: u. a. Fa. Leybold, Alzenau).The filter package described in Table 1 below with alternating interference layers of Ta₂O₅ and SiO₂ each proved to be an optimal filter 1 for the indicator according to the invention; this filter packet is preferably used as filter 1 in the indicator according to the invention. Its spectral transmission properties can be seen in Fig. 2. Such filter packets are commercially available (manufacturer: Leybold, Alzenau, among others).
Rezeptor 2 und Filter 1 können zwar generell eine beliebige, zweckmäßigerweise übereinstimmende Form aufweisen, vorteilhafterweise sind sie jedoch rechteckig, zum Beispiel quadratisch, oder kreisrund ausgebildet.Receptor 2 and filter 1 can generally have any shape that suitably matches, but they are advantageously rectangular, for example square, or circular.
Ihre Halterung und Anordnung übereinander erfolgt in an sich bekannter Weise, beispielsweise innerhalb eines Rahmens bzw. einer Hülse aus Kunststoff oder Metall, wobei ihre Befestigung hierin in bekannter Weise, zum Beispiel durch Verkleben und dergl., erfolgen kann.Their mounting and arrangement one above the other takes place in in a manner known per se, for example within a frame or a sleeve made of plastic or Metal, its attachment herein in known Way, for example by gluing and the like, can be done.
Die Abmessungen von Rezeptor 2 und Filter 1 sind derart, daß sie ausreichend groß sind, um eine einwandfreie Beobachtung der nach Bestrahlung erfolgen graduellen Eintönung des Rezeptors zu gewährleisten; anderseits ist man bestrebt, die Materialkosten möglichst gering zu halten. Bei Rezeptoren und Filtern von kreisrunder und quadratischer Form erwiesen sich Durchmesser von etwa 1 bis 5 cm als zweckmäßig. The dimensions of the receptor 2 and filter 1 are such that they are large enough to ensure a perfect observation of the gradual tinting of the receptor after irradiation; on the other hand, efforts are made to keep the material costs as low as possible. In the case of receptors and filters of circular and square shape, diameters of approximately 1 to 5 cm have proven to be expedient.
Die Messung der UV-B Strahlung im Emissionsspektrum einer auch sichtbares Licht umfassenden Strahlungsquelle mittels des erfindungsgemäßen Indikators erfolgt derart, daß man den Indikator in den Strahlengang der Quelle bei möglichst senkrechtem Strahlungseinfall bringt, wobei der Filter der Strahlungsquelle zugewandt ist, und eine bestimmte Zeit der Strahlung aussetzt sowie gegebenenfalls die Meßtemperatur ermittelt. Unmittelbar danach erfolgt der Vergleich der erhaltenen Eintönung, wie zum Beispiel Grautönung, des Rezeptors 2 des Indikators mit einer kalibrierten Farb- bzw. Grautonskala, gegebenenfalls einer solchen, deren Eichtemperatur genau der Meßtemperatur entspricht. Die Kalibrierung der Vergleichsskala kann beispielsweise wie folgt vorgenommen werden: Der Filter 1 wird zum Beispiel der Sonnenstrahlung ausgesetzt, und die sich einstellende Tönung wird mit einer Grauton-Karte, zum Beispiel gemäß DIN 6164, verglichen. Parallel dazu werden Bestrahlungsleistungen mittels eines Photometers festgehalten. Daraus ergibt sich die Möglichkeit, Grautöne Leistungsdaten zuzuordnen, die für den Menschen eine gesundheitsschädigende Wirkung haben. Mittels einer kalibrierten UV-B Strahlungsquelle können unterschiedliche Grautonabstufungen bestimmten UV-Bestrahlungsenergien quantitativ zugeordnet werden.The measurement of the UV-B radiation in the emission spectrum of a radiation source which also includes visible light by means of the indicator according to the invention is carried out in such a way that the indicator is brought into the beam path of the source with the most perpendicular radiation incidence, the filter facing the radiation source and a certain time Exposes radiation and, if necessary, determines the measuring temperature. Immediately thereafter, the tinting obtained, such as gray tinting, of the receptor 2 of the indicator is compared with a calibrated color or gray scale, possibly one whose calibration temperature corresponds exactly to the measuring temperature. The comparison scale can be calibrated, for example, as follows: the filter 1 is exposed to solar radiation, for example, and the resulting tint is compared with a gray tone map, for example in accordance with DIN 6164. Irradiation powers are recorded in parallel using a photometer. This results in the possibility of assigning gray tones to performance data that have a harmful effect on human health. Using a calibrated UV-B radiation source, different shades of gray can be quantitatively assigned to specific UV radiation energies.
Nachfolgendes Beispiel dient zur näheren Erläuterung der Erfindung. The following example serves for a more detailed explanation the invention.
Es wurde unter Verwendung eines im Handel unter der Bezeichnung Photosolar® Superdark D 6320 (Hersteller: Deutsche Spezialglas AG) erhältlichen phototropen Materials, das eine grau-braune Farbe und die aus Tabelle 2 ersichtlichen optischen Eigenschaften aufwies, als Rezeptor 2 und des zuvor beschriebenen Filterpakets mit dem aus Tabelle 1 ersichtlichen Schichtaufbau (Hersteller: Fa. Leybold, Alzenau) als Interferenzfilter 1 ein erfindungsgemäßer UV-B Indikator hergestellt, der sich unter Verwendung einer in der zuvor beschriebenen Weise kalibrierten Vergleichsskala zum quantitativen Nachweis von UV-B Strahlung im Sonnenlicht als geeignet erwies. It was used as a receptor 2 and the filter package described above using a phototropic material commercially available under the name Photosolar® Superdark D 6320 (manufacturer: Deutsche Spezialglas AG), which had a gray-brown color and the optical properties shown in Table 2 with the layer structure shown in Table 1 (manufacturer: Leybold, Alzenau) as interference filter 1, a UV-B indicator according to the invention was produced which, using a comparison scale calibrated in the manner described above, for the quantitative detection of UV-B radiation in sunlight as proved suitable.
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1992
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