Εργαστηριακές Ασκήσεις και Μετρήσεις Πεδίου B. Προσδιορισµός φασµατικής απόκρισης και απόλυτη βαθµονόµηση ακτινοµέτρου στην περιοχή του υπεριώδους

Transcript

1 Εργαστηριακές Ασκήσεις και Μετρήσεις Πεδίου B Προσδιορισµός φασµατικής απόκρισης και απόλυτη βαθµονόµηση ακτινοµέτρου στην περιοχή του υπεριώδους

2 ΕΙΣΑΓΩΓΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ Α) ΥΠΕΡΙΩ ΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ Η υπεριώδης ακτινοβολία είναι ένα µικρό τµήµα της εκπεµπόµενης από τον Ήλιο ηλεκτροµαγνητικής ακτινοβολίας µε µήκη κύµατος µεταξύ 100 nm και 400 nm. Χωρίζεται σε τρεις επιµέρους περιοχές : UV-C ( nm), UV-B ( nm) και UV-A ( nm). Η ενέργεια της υπεριώδους ακτινοβολίας αντιστοιχεί σε µικρό ποσοστό της ολικής ηλιακής ενέργειας που δέχεται η Γη αλλά παρόλα αυτά, είναι εξέχουσας σηµασίας για τη ζωή στον πλανήτη, λόγω των επιπτώσεων της στους ανθρώπινους οργανισµούς και στα οικοσυστήµατα. Τα ποσά της ηλιακής υπεριώδους ακτινοβολίας που φτάνουν στο ανώτερο όριο της ατµόσφαιρας εξαρτώνται από την απόσταση Γης Ήλιου και από την ηλιακή δραστηριότητα. Η ατµόσφαιρα λειτουργεί ως φίλτρο για την υπεριώδη ακτινοβολία την οποία µειώνει σηµαντικά, ιδιαίτερα στα µικρότερα µήκη κύµατος. Οι µηχανισµοί εξασθένισης της υπεριώδους ακτινοβολίας κατά τη διέλευσή της µέσα από την ατµόσφαιρα, είναι η απορρόφηση και η σκέδαση. Το σηµαντικότερο αέριο της ατµόσφαιρας που απορροφά στην υπεριώδη περιοχή είναι το όζον και ακόµα και µικρές µεταβολές του µεταβάλλουν σηµαντικά τα επίπεδα της ακτινοβολίας που λαµβάνονται. Σηµαντικό ρόλο στην εξασθένιση της υπεριώδους ακτινοβολίας στην ατµόσφαιρα, έχει η παρουσία νεφών καθώς και η παρουσία αιωρούµενων σωµατιδίων ή άλλων τροποσφαιρικών ρύπων. Μεταβολές -φυσικές ή ανθρωπογενούς προέλευσης- των αερίων που απορροφούν ή των σωµατιδίων που σκεδάζουν καθώς και µεταβολές στη νεφοκάλυψη, έχουν άµεση επίπτωση στην υπεριώδη ακτινοβολία. Η παρατηρούµενη µείωση του όζοντος έχει συντελέσει στην αύξηση της ακτινοβολίας που ανήκει σε µήκη κύµατος που απορροφούνται από το όζον αλλά σε πολλές περιπτώσεις, το αποτέλεσµα επισκιάζεται από αύξηση της νέφωσης ή της ρύπανσης. Η ολική υπεριώδης ηλιακή ακτινοβολία που φτάνει στο έδαφος, αποτελείται από την άµεση και τη διάχυτη συνιστώσα που είναι και η κυρίαρχη, ιδιαίτερα στα µικρά µήκη κύµατος. Τα ποσά της υπεριώδους ακτινοβολίας στην επιφάνεια της Γης, είναι πολύπλοκη συνάρτηση των αστρονοµικών παραγόντων αλλά, κυρίως, των ατµοσφαιρικών παραµέτρων, της γεωγραφικής θέσης και των χαρακτηριστικών ενός τόπου. Η σχετική θέση Γης-Ήλιου, που καθορίζει τις εποχές και την ώρα της ηµέρας, και η γεωγραφική θέση ενός τόπου παίζουν σηµαντικό ρόλο στα επίπεδα υπεριώδους ακτινοβολίας που λαµβάνονται. Τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά ενός τόπου δηλ. το ανάγλυφο, η ανακλαστικότητα του εδάφους και το υψόµετρο του, µπορούν να διαφοροποιήσουν τη συνολική ενέργεια που λαµβάνεται από το υπεριώδες τµήµα του ηλιακού φάσµατος. Οι ατµοσφαιρικές παράµετροι περιλαµβάνουν τις µετεωρολογικές συνθήκες που επικρατούν σε ένα τόπο καθώς και τις συγκεντρώσεις αιωρούµενων σωµατιδίων και απορροφητικών αερίων. Οι βιολογικές επιπτώσεις της UV ακτινοβολίας στους ζώντες ιστούς εξαρτώνται από το µήκος κύµατος. Η δραστικότητα των ακτινοβολιών που ανήκουν στην υπεριώδη περιοχή καθορίζεται ανάλογα µε το προς µελέτη "αντικείµενο", και παίρνει τιµές από 0 (δεν επιδρά καθόλου) έως 1 (µέγιστη δυνατή επίδραση). Το φάσµα που περιγράφει τη σχετική επίδραση κάθε µήκους κύµατος ονοµάζεται φάσµα δραστικότητας. Στη διεθνή βιβλιογραφία αναφέρονται πολλοί τύποι φασµάτων δραστικότητας. Στο σχήµα 1, επάνω τµήµα, παρουσιάζονται ως παράδειγµα τρία φάσµατα δραστικότητας: ένα που αφορά την πρόκληση ερυθήµατος (CIE, συνεχής γραµµή), ένα που αναφέρεται σε

3 βλάβες στο DNA (DNA, στικτή γραµµή) και ένα που αφορά βλάβες στα φυτά (PDS, διακεκοµµένη γραµµή). 1E+0 1E-1 ΦΑΣΜΑ ΡΑΣΤΙΚΟΤΗΤΑΣ 1E-2 1E-3 1E-4 1E-5 ΡΑΣΤΙΚΗ ΡΟΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ (W.m -2.nm -1 ) 1E-6 1E-7 1E+0 1E-1 1E-2 1E-3 1E-4 1E-5 1E-6 1E-7 1E-8 CIE DNA PDS ΦΑΣΜΑΤΙΚΗ ΜΕΤΡΗΣΗ ΜΗΚΟΣ ΚΥΜΑΤΟΣ (nm) Σχήµα 1: Φάσµατα δραστικότητας (επάνω τµήµα) και αντίστοιχη δραστική ροή ακτινοβολίας (κάτω τµήµα) Η δραστική ενέργεια µιας µονοχρωµατικής ακτινοβολίας που µπορεί να προκαλεί συγκεκριµένη βιολογική επίπτωση, βρίσκεται µε πολλαπλασιασµό της τιµής του φάσµατος δραστικότητας στο συγκεκριµένο µήκος κύµατος µε την αντίστοιχη ροή της ακτινοβολίας που έφτασε στο έδαφος στο ίδιο µήκος κύµατος. Στο κάτω τµήµα του σχήµατος 1 παρουσιάζεται η φασµατική ροή ακτινοβολίας στο έδαφος και η δραστική φασµατική ροή, όπως προέρχεται µετά από την εφαρµογή των φασµάτων δραστικότητας. Η στιγµιαία ροή βιολογικής δόσης (R), βρίσκεται µε πολλαπλασιασµό του φάσµατος δραστικότητας µε την ηλιακή υπεριώδη ακτινοβολία που έφτασε στο έδαφος και ορίζεται ως εξής: λ ( λ) F( λ) λ R = A d λ 2 1 όπου Α είναι το φάσµα δραστικότητας και F η υπεριώδης ηλιακή ακτινοβολία. Η συνολική βιολογική δόση, που λαµβάνει ένας οργανισµός για κάποιο χρονικό διάστηµα έκθεσης (t 1 t 2 ) είναι: t 2 ( ) = R( t)dt D A t 1

4 Β) ΑΚΤΙΝΟΜΕΤΡΑ ΕΡΥΘΗΜΑΤΟΓΟΝΟΥ ΟΣΗΣ Τα ακτινόµετρα ανήκουν στην κατηγορία οργάνων τα οποία µετρούν ολική ακτινοβολία, ενώ αποτελούν όργανα ευρέως φάσµατος. Χρησιµοποιούνται για τη µέτρηση της έντασης της ηλιακής ακτινοβολίας που προέρχεται από όλο το ηµισφαίριο. Από κατασκευαστική άποψη τα όργανα ευρέως φάσµατος βασίζονται στην ίδια αρχή λειτουργίας, και πιο συγκεκριµένα στη διέγερση ενός στρώµατος φωσφόρου από την υπεριώδη ακτινοβολία και στη συνέχεια τη µέτρηση της εκπεµπόµενης ορατής ακτινοβολίας µε την αποδιέγερση του στρώµατος αυτού. Τοποθετούνται πλήρως οριζοντιωµένα και κατά προτίµηση σε θέση χωρίς εµπόδια γύρω τους, ώστε να δέχονται ακτινοβολία από όσο το δυνατόν µεγαλύτερο µέρος του ουράνιου θόλου. Τα ακτινόµετρα έχουν τη δυνατότητα λήψης συνεχών µετρήσεων µε µικρό χρόνο απόκρισης. Τα σηµαντικότερα χαρακτηριστικά ενός ακτινοµέτρου είναι α) η φασµατική απόκριση και β) η γωνιακή απόκριση. α) Φασµατική απόκριση Με τον όρο φασµατική απόκριση αναφερόµαστε στη σχετική ικανότητα του οργάνου να ανιχνεύει ακτινοβολία κάποιο µήκος κύµατος σε σχέση µε την αντίστοιχη ικανότητά του σε κάποιο άλλο µήκος κύµατος όπου η απόκριση θεωρείται ίση µε τη µονάδα. Εποµένως, η φασµατική απόκριση ενός οργάνου, καθορίζει στην πράξη το εύρος της φασµατικής περιοχής στο οποίο µπορεί το όργανο να λειτουργήσει. Η γνώση της φασµατικής απόκρισης ενός οργάνου, είναι απολύτως απαραίτητη για την εκτίµηση και σωστή χρήση των µετρήσεων που το όργανο αυτό παρέχει, µια που η κάθε µέτρηση σε κάθε µήκος κύµατος «βαρύνεται» µε τη φασµατική απόκριση του οργάνου στο µήκος κύµατος αυτό. Εάν εποµένως δεν ληφθεί υπόψη είναι αδύνατον να συγκριθούν µετρήσεις από διαφορετικά όργανα. β) Γωνιακή απόκριση Η γωνιακή απόκριση αποτελεί ένα κατασκευαστικό σφάλµα των οργάνων. Θεωρητικά, η ενέργεια που δέχεται ένα οριζόντιο επίπεδο από την άµεση ακτινοβολία που πέφτει πάνω σε αυτό είναι ανάλογο µε το συνηµίτονο της γωνίας πρόσπτωσης θ, δηλ. Ι θ =Ι o cosθ όπου Ι o η ροή ακτινοβολίας που αντιστοιχεί σε κάθετη πρόσπτωση. Έτσι, οι µετρήσεις ενός ιδανικού οργάνου θα έπρεπε να είναι µε τη σειρά του ανάλογες του συνηµιτόνου της γωνίας πρόσπτωσης. Στην πραγµατικότητα, τα όργανα δεν παρουσιάζουν τη συµπεριφορά αυτή, και η απόκρισή τους µε τη µεταβολή της γωνίας πρόσπτωσης παρουσιάζει αποκλίσεις από την παραπάνω σχέση. Η γωνιακή απόκριση των οργάνων εκφράζεται από το λόγο της άµεσης ακτινοβολίας Ι θ που µετρά το όργανο προς την πραγµατική τιµή της Ι θ. Στην περίπτωση που το όργανο µετρά µόνο άµεση ακτινοβολία, η διόρθωση των µετρήσεων γίνεται διαιρώντας απλώς µε τη γωνιακή απόκριση. Συνήθως τα όργανα µετρούν ολική ακτινοβολία (άµεση και διάχυτη) µε συνέπεια το σφάλµα στις µετρήσεις που εισάγεται από τη γωνιακή απόκριση να είναι µικρότερο. Όπως αποδεικνύεται, ο διορθωτικός παράγοντας για την ολική ακτινοβολία (µετρούµενη ολική ακτινοβολία/πραγµατική ολική ακτινοβολία) για διάφορες ηλιακές ζενίθιες γωνίες, είναι συνδυασµός των αντίστοιχων διορθωτικών παραγόντων για την άµεση και τη διάχυτη ακτινοβολία καθώς και του λόγου άµεσης προς ολικής ακτινοβολίας στη συγκεκριµένη ζενίθια γωνία.

5 Ιδιαίτερη περίπτωση των ακτινοµέτρων αποτελούν τα ακτινόµετρα ερυθηµατογόνου δόσης που είναι ευαίσθητα κυρίως στην περιοχή nm, δηλ. την UV-B περιοχή του ηλιακού φάσµατος και η φασµατική τους απόκριση προσοµοιώνει αυτήν του φάσµατος ερυθηµατογόνου δράσης (CIE Action Spectrum). Χρησιµοποιούνται ευρέως σε παγκόσµια κλίµακα για µετρήσεις υπεριώδους ακτινοβολίας λόγω ευκολίας στη χρήση και του χαµηλού τους κόστους. Τυπική γωνιακή και φασµατική απόκριση αυτών των οργάνων δίνονται στο σχήµα E E-1 ΣΧΕΤΙΚΗ ΑΠΟΚΡΙΣΗ ΣΦΑΛΜΑ % ΦΑΣΜΑΤΙΚΗ ΑΠΟΚΡΙΣΗ 1E-2 1E-3 CIE ΦΑΣΜΑ ΡΑΣΤΙΚΟΤΗΤΑΣ 0.2 Ι ΑΝΙΚΟ ΟΡΓΑΝΟ ΕΥΡΕΩΣ ΦΑΣΜΑΤΟΣ ΟΡΓΑΝΟ -40 1E-4 ΣΦΑΛΜΑ ΓΩΝΙΑ ΠΡΟΣΠΤΩΣΗΣ (deg.) 1E ΜΗΚΟΣ ΚΥΜΑΤΟΣ (nm) Σχήµα 2: (αριστερά) Τυπική γωνιακή απόκριση ακτινοµέτρου (συνεχής γραµµή) και ενός ιδανικού ως προς τη γωνιακή απόκριση, οργάνου (διακεκοµµένη γραµµή). Στικτή γραµµή: Ποσοστιαίο σφάλµα στην µέτρηση της άµεσης ερυθηµατογόνου ακτινοβολίας ως συνάρτηση της γωνίας πρόσπτωσης. (δεξιά) Φασµατική απόκριση ακτινοµέτρων (διακεκοµµένες γραµµές) και του φάσµατος δραστικότητας CIE (συνεχής γραµµή). Όπως φαίνεται από το παραπάνω σχήµα, οι φασµατικές αποκρίσεις των οργάνων λόγω κατασκευαστικής αδυναµίας δεν ταυτίζονται µε το φάσµα δραστικότητας, µε αποτέλεσµα οι µετρήσεις που λαµβάνονται να µην είναι οι απόλυτες µετρήσεις της ερυθηµατογόνου ακτινοβολίας. Χαρακτηριστικά µπορεί να αναφερθεί ότι, για γωνία πρόσπτωσης της ηλιακής ακτινοβολίας 40 και για ολική στήλη όζοντος 340 DU, οι θεωρητικοί υπολογισµοί δίνουν ερυθηµατογόνο ακτινοβολία 0.13 W.m -2 ενώ, η αντίστοιχη τιµή που προκύπτει µε χρήση της φασµατικής απόκρισης του οργάνου είναι 0.84 W.m -2. Επίσης, θα πρέπει να αναφερθεί ότι, οι φασµατικές αποκρίσεις των οργάνων ιδίου τύπου δεν συµπίπτουν, µε συνέπεια να απαιτείται διαφορετική διόρθωση για κάθε όργανο. Για να εξασφαλιστεί η αξιοπιστία των µετρήσεων που λαµβάνονται από ένα ακτινόµετρο και να είναι δυνατή η οµοιογένεια των µετρήσεων που έχουν ληφθεί από διαφορετικά ακτινόµετρα, είναι απολύτως απαραίτητη η βαθµονόµηση του οργάνου.

6 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ ΜΕΘΟ ΟΛΟΓΙΑ ΒΑΘΜΟΝΟΜΗΣΗΣ Για τον προσδιορισµό της φασµατικής απόκρισης χρησιµοποιείται η διάταξη της οποίας η περιγραφή και µεθοδολογία ακολουθεί. Η διάταξη αυτή αποτελείται από µια ισχυρή πηγή υπεριώδους ακτινοβολίας, ένα µονοχρωµάτορα, ο οποίος επιτρέπει την επιλογή του επιθυµητού µήκους κύµατος, ένα φωτοανιχνευτή και το υπό βαθµονόµηση ακτινόµετρο. Ο κεντρικός άξονας της µεθοδολογίας µας είναι η σάρωση του φάσµατος ( nm περίπου) τόσο µε το ακτινόµετρο όσο και µε τον ήδη βαθµονοµηµένο φωτοανιχνευτή. Οι µετρήσεις γίνονται συγχρόνως από τα δύο όργανα για κάθε µήκος κύµατος. Ο λόγος των δύο τιµών για κάθε µήκος κύµατος, δίνει την απόλυτη φασµατική απόκριση του ακτινοµέτρου, ενώ διαιρώντας όλες τις τιµές µε αυτήν που αντιστοιχεί σε κάποιο επιλεγµένο µήκος κύµατος (κανονικοποίηση σε αυτό το µήκος κύµατος), προκύπτει η σχετική φασµατική απόκριση, η οποία και µας ενδιαφέρει. Η ίδια διάταξη χρησιµοποιείται και για τον προσδιορισµό της γωνιακής απόκρισης µε τη διαφορά ότι επιλέγεται ένα µήκος κύµατος, συνήθως αυτό στο οποίο παρουσιάζεται η µέγιστη φασµατική απόκριση, και το ακτινόµετρο στρέφεται ώστε να προσδιοριστεί η µετρούµενη ακτινοβολία σε διαφορετικές γωνίες πρόσπτωσης. ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΙΑΤΑΞΗΣ Η διάταξη την οποία χρησιµοποιείται για την βαθµονόµηση του ακτινοµέτρου ερυθηµατογόνου δόσης αποτελείται από τα παρακάτω µέρη: 1. Μια λυχνία Xe 1000 Watt µε ενσωµατωµένο συµπυκνωτή για το φως. 2. Έναν διαιρέτη της δέσµης. 3. Ένα διπλό µονοχρωµάτορα για την παραγωγή σχεδόν µονοχρωµατικής δέσµης. 4. Ένα φωτοανιχνευτή πυριτίου. 1. ΛΥΧΝΙΑ Xe Η λυχνία που χρησιµοποιείται, είναι µια DC λυχνία τόξου Xe 1000 Watt και συγκεκριµένα το µοντέλο 6269 της ORIEL. Η επιλογή της λυχνίας αυτής έγινε µε βάση το εύρος µηκών κύµατος που εκπέµπει ( nm), την ισχύ της, αλλά και το γεγονός ότι εκπέµπει συνεχές φάσµα γιατί µας ενδιαφέρει η σάρωση όλου του φάσµατός της και όχι συγκεκριµένων γραµµών εκποµπής. Τα πλεονεκτήµατα µιας τέτοιας λυχνίας είναι: Περισσότερος ενεργειακός φωτισµός για µικρούς στόχους Ισχυρή έξοδος UV υνατότητα προσοµοίωσης ηλιακού φάσµατος Παραγωγή έντονης παράλληλης δέσµης λόγω µικρού και έντονης ακτινοβολίας τόξου Τα τεχνικά χαρακτηριστικά της λυχνίας Xe δίνονται στον παρακάτω πίνακα:

7 Μοντέλο DC τάση Ένταση ρεύµατος ιάµετρος Μέσος χρόνος ζωής λειτουργίας λειτουργίας λυχνίας 6269 ORIEL 23 V 43.5 A 38 mm 1000 ώρες Η λυχνία είναι τοποθετηµένη εντός µιας βάσης µορφής πύργου (housing), ο οποίος που παρέχει µια σταθερή και προστατευµένη θέση για τη λυχνία. Επιπλέον, περιλαµβάνει τµήµατα τα οποία επιτρέπουν τη σύνδεσή της µε την τροφοδοσία, διευκολύνουν τη λειτουργία της και τροποποιούν κατάλληλα την δέσµη που λαµβάνουµε στην έξοδο. Εκτός, λοιπόν, από τις συνδέσεις µε το τροφοδοτικό µηχάνηµα, στο εσωτερικό του πύργου υπάρχει κάτοπτρο το οποίο ανακλά την ακτινοβολία της λυχνίας στην διεύθυνση της εξόδου, ενισχύοντας έτσι το σήµα που λαµβάνουµε. Πιο συγκεκριµένα, δηµιουργεί ένα αντεστραµµένο είδωλο της λυχνίας, το οποίο µπορεί να τοποθετηθεί κοντά ή και πάνω στο κανονικό είδωλό της, για να αυξήσει την ένταση της εξερχόµενης δέσµης. Επιπλέον, συµπεριλαµβάνεται συµπυκνωτής φωτός ο οποίος ενισχύει την έξοδο ακόµα περισσότερο και µε τη βοήθεια φακού δίνει παράλληλη δέσµη φωτός. Στην έξοδο της βάσης της λυχνίας είναι προσαρµοσµένο ένα φίλτρο νερού, το οποίο αποκόπτει από τη δέσµη την υπέρυθρη ακτινοβολία, υψηλά επίπεδα της οποίας υπερθερµαίνουν τη διάταξη καταστρέφοντας τα οπτικά µέρη της. Το νερό ανανεώνεται µε την βοήθεια µιας αντλίας και µιας µικρής δεξαµενής ώστε να µην θερµαίνεται. Η παράλληλη δέσµη περνά µέσα από έναν ακόµη κυρτό φακό και εστιάζεται, δηµιουργώντας έτσι ένα είδωλο της λυχνίας στην είσοδο του µονοχρωµάτορα. Τέλος, στο πίσω µέρος του πύργου υπάρχει ένας µικρός ανεµιστήρας για την ψύξη της λυχνίας, ο οποίος λειτουργεί όσο αυτή είναι αναµµένη, αλλά και αφού έχει σβήσει έως ότου η θερµοκρασία της πέσει ικανοποιητικά. 2. ΙΑΙΡΕΤΗΣ ΕΣΜΗΣ Ως διαιρέτης δέσµης χρησιµοποιείται ένα πλακίδιο χαλαζία λόγω του ότι επιτρέπει την δίοδο της υπεριώδους ακτινοβολίας. Η διαπερατότητά του πλακιδίου είναι 0.9 µε αποτέλεσµα η δέσµη έντασης Ι ο να διαιρείται σε δύο επιµέρους τµήµατα µε εντάσεις 0.9Ι ο η οποία προσπίπτει στο ακτινόµετρο και 0.1Ι ο που προέρχεται από την ανάκλαση και προσπίπτει στον φωτοανιχνευτή. 3. ΜΟΝΟΧΡΩΜAΤΟΡΑΣ Για την παραγωγή µονοχρωµατικής δέσµης χρησιµοποιείται ο διπλός µονοχρωµάτορα 1680 SpectraMate της Jobin-Yvon. Αποτελείται από δύο φράγµατα περίθλασης (gratings) και µια σειρά από κάτοπτρα που ανακλούν το φως στις επιθυµητές διευθύνσεις. Επιλέγοντας ένα µήκος κύµατος, ουσιαστικά ρυθµίζουµε τις θέσεις των φραγµάτων, ώστε να λάβουµε στην έξοδο ακριβώς αυτό το µήκος κύµατος. Η βασική εξίσωση περίθλασης για τα φράγµατα δίνεται παρακάτω: mλ=d(sinα+sinβ) όπου m= τάξη περίθλασης, λ= µήκος κύµατος, d= απόσταση φράγµατος, α= γωνία πρόσπτωσης και β= γωνία περίθλασης

8 4. ΦΩΤΟΑΝΙΧΝΕΥΤΗΣ Οι ανιχνευτές είναι όργανα τα οποία µετρούν και µετατρέπουν την ακτινοβολία µιας πηγής σε ηλεκτρικό σήµα, Volts ή Ampere. Στο σύστηµα χρησιµοποιούµε έναν φωτοανιχνευτή πυριτίου τύπου United Detector Technology UV-100 U9818. Με τα όργανα αυτά συνηθίζουµε να µετράµε την ένταση ακτινοβολίας µιας δέσµης αφού αυτή έχει αναλυθεί σε σχεδόν µονοχρωµατικές ακτινοβολίες. Η απόκριση R, (responsivity) του οργάνου ορίζεται ως ο λόγος των Volts εξόδου ανά Watt του προσπίπτοντος φωτός, αν δε ληφθεί υπόψη ο θόρυβος: S R = P A όπου S= σήµα εξόδου σε Volt ή Ampere, Ρ= προσπίπτουσα ενέργεια σε W/cm 2 και Α= ενεργός επιφάνεια του ανιχνευτή σε cm 2. Στη συγκεκριµένη διάταξη, οι µετρήσεις του φωτοανιχνευτή χρησιµοποιούνται ως µετρήσεις αναφοράς για τη βαθµονόµηση του ακτινοµέτρου. ΑΚΤΙΝΟΜΕΤΡΟ UV-B1 Το όργανο που βαθµονοµηθεί είναι ένα ακτινόµετρο τύπου YES, Model UVB-1 µε δυνατότητα ανίχνευσης ακτινοβολίας στην φασµατική περιοχή από nm.. Όλα τα οπτικά του µέρη καθώς και ο ανιχνευτής και το πλακίδιο του φωσφόρου είναι σταθεροποιηµένα ως προς τη θερµοκρασία στους +45 C. Η γωνιακή του απόκριση κυµαίνεται στο ± 5 % για ζενίθιες γωνίες του ήλιου από 0-60 µοίρες. Το όργανο είναι συνδεδεµένο µε υπολογιστή, και µέσω προγράµµατος oι τιµές εξόδου αποθηκεύονται µαζί µε την τυπική τους απόκλιση σε αρχεία τα οποία στη συνέχεια µπορούµε να επεξεργαστούµε.

9 ΙΑ ΙΚΑΣΙΑ ΠΡΟΣ ΙΟΡΙΣΜΟΥ ΣΧΕΤΙΚΗΣ ΦΑΣΜΑΤΙΚΗΣ ΑΠΟΚΡΙΣΗΣ ΚΑΙ ΓΩΝΙΑΚΗΣ ΑΠΟΚΡΙΣΗΣ ΑΚΤΙΝΟΜΕΤΡΟΥ 1. ΕΥΘΥΓΡΑΜΜΙΣΗ Αρχικά τοποθετείται το laser στην βάση που έχει κατασκευαστεί για την στήριξή του, και µε τη δέσµη σκοπεύουµε το κέντρο της σχισµής εξόδου, η οποία έχει τοποθετηθεί στο µονοχρωµάτορα. Θέτοντας το µήκος κύµατος στα 633 nm θα πρέπει να παρατηρούµε την δέσµη και στην έξοδο του µονοχρωµάτορα. Στη συνέχεια µετακινούµε µε τη βοήθεια των κοχλιών το ακτινόµετρο πάνω στη βάση του, έτσι ώστε η δέσµη να στοχεύσει το κέντρο το αλφάδι που βρίσκεται στην επιφάνεια του οργάνου. Προσπαθώντας να επιτύχουµε καθετοποίηση της δέσµης στην επιφάνειά του, αλλάζουµε τη θέση του επιπέδου του οργάνου, χρησιµοποιώντας τις «πεταλούδες» µε τις οποίες σταθεροποιήθηκε πάνω στη βάση του. Ο τρόπος µε τον οποίο επιτυγχάνεται η καθετοποίηση, είναι η είσοδος της ανάκλασης της δέσµης του laser πάνω στο θόλο του οργάνου, στη σχισµή εξόδου του µονοχρωµάτορα. Αφού έχει ολοκληρωθεί η διαδικασία αυτή, µε παράλληλες µετατοπίσεις (και πάλι µε τους κοχλίες), µεταφέρουµε το όργανο, έτσι ώστε να στοχεύσουµε µε τη δέσµη του laser το κέντρο του θόλου. Η διαδικασία αυτή γίνεται καθαρά γεωµετρικά. Τέλος, για τον προσδιορισµό της γωνιακής απόκρισης, περιστρέφουµε το όργανο ώστε να βρεθεί σε θέση κάθετη µε την προηγούµενη και το µετακινούµε στην κατάλληλη κατεύθυνση (προς τα εµπρός ή προς τα πίσω), έτσι ώστε η δέσµη του laser να περνά ακριβώς από το επίπεδο της συλλεκτικής επιφάνειας του οργάνου. Επαναλαµβάνουµε τη διαδικασία και στην κάθετη θέση από την άλλη πλευρά. 2. ΠΡΟΣ ΙΟΡΙΣΜΟΣ ΤΩΝ ΑΠΟΚΡΙΣΕΩΝ. Πριν ξεκινήσει οποιαδήποτε µέτρηση, καλύπτουµε το σύστηµα µε µαύρο πέτασµα, και για να βεβαιωθούµε ότι δεν εισέρχεται στο σύστηµα φως από εξωτερικές πηγές, πραγµατοποιούµε µια µέτρηση µε τη φωτοδίοδο χωρίς φυσικά να έχουµε θέσει σε λειτουργία τη λυχνία. Μια αποδεκτή τιµή ρεύµατος σκότους δεν θα πρέπει να ξεπερνάει τα 2.5mV. Στη συνέχεια θέτουµε σε λειτουργία το σύστηµα ψύξης και ανάβουµε τη λυχνία ώστε να λειτουργήσει τουλάχιστον 10 λεπτά πριν την έναρξη των µετρήσεων. Γωνιακή απόκριση Ξεκινάµε µε τον προσδιορισµό των γωνιακών αποκρίσεων. Με δοκιµαστικές µετρήσεις, βρίσκουµε το µέγιστο της απόκρισης του οργάνου και τοποθετούµε το µήκος κύµατος στην τιµή αυτή. Εάν το όργανο δε διαθέτει ενσωµατωµένο πλακίδιο διάχυσης, τοποθετούµε ένα στην πορεία της δέσµης και συγκεκριµένα µετά το διαιρέτη τάσης. Έπειτα µε δοκιµές διαφόρων ζευγών σχισµών, βρίσκουµε αυτό το ζεύγος, το οποίο δεν παρουσιάζει υπερχείλιση (overflow) στο κέντρο, δηλαδή στις 0 ο, αλλά συγχρόνως στη θέση αυτή δίνει µια αρκετά µεγάλη τιµή, κοντά στο µέγιστο αν είναι δυνατόν του συστήµατος καταγραφής. Στη συνέχεια, ξεκινώντας από τη θέση των -90 ο, και χρησιµοποιώντας κατάλληλο πρόγραµµα καταγραφής των µετρήσεων, πραγµατοποιούµε µετρήσεις ανά καθορισµένο βήµα µοιρών της επιλογής µας. Τέλος, κλείνοντας τη σχισµή εξόδου, λαµβάνουµε και µια τιµή ρεύµατος σκότους η οποία θα αφαιρεθεί από τις µετρήσεις (offset των µετρήσεων).

10 Φασµατική απόκριση Για τον προσδιορισµό της φασµατικής απόκρισης ξεκινάµε τις µετρήσεις µας από το µικρότερο µήκος κύµατος στο οποίο το όργανο µπορεί να µετρήσει, συνήθως για τα UVB γύρω στα 270nm και συνεχίζουµε για όσο µεγαλύτερο εύρος µηκών κύµατος µας επιτρέπει η ευαισθησία του οργάνου. Ιδανική θα ήταν η χρήση όσο το δυνατόν µικρότερων σχισµών, η οποία όµως στην πράξη καθίσταται αδύνατη. Επιλέγουµε και πάλι ένα ζεύγος το οποίο, όπως και στη προηγούµενη περίπτωση, µας επιτρέπει να προχωρήσουµε τις µετρήσεις σε όσο µεγαλύτερο µήκος κύµατος είναι δυνατό, λαµβάνοντας τη µεγαλύτερη δυνατή τιµή στο µέγιστο της καµπύλης, χωρίς φυσικά να έχουµε υπερχείλιση. Για τους παραπάνω σκοπούς, µπορεί να χρησιµοποιηθεί φακός, ο οποίος τοποθετείται στη θέση καλύτερης εστίασης της δέσµης, αλλά και να µετακινηθεί το όργανο προς τα εµπρός ή προς τα πίσω, ανάλογα µε την περίπτωση. Η µετακίνηση αυτή µπορεί να γίνει µόνο εφόσον έχει ολοκληρωθεί ο προσδιορισµός της γωνιακής απόκρισης, στον οποίο η θέση του οργάνου είναι αυστηρά καθορισµένη. Για το λόγο αυτό και ο προσδιορισµός της γωνιακής απόκρισης θα πρέπει να προηγείται αυτού της φασµατικής. Στη συνέχεια, µε τη βοήθεια του κατάλληλου προγράµµατος, λαµβάνονται οι µετρήσεις, σαρώνοντας το φάσµα ανά καθορισµένο, της επιλογής µας, βήµα. Στο τέλος της διαδικασίας, καλό θα είναι να λαµβάνονται και πάλι µετρήσεις µε σβησµένη τη λυχνία, για τη µετέπειτα αφαίρεση του ρεύµατος σκότους του οργάνου από τις µετρήσεις. ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΤΩΝ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ ΑΠΟ ΤΗΝ ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΤΩΝ ΑΚΤΙΝΟΜΕΤΡΩΝ Χαρακτηρισµός των ακτινοµέτρων 1. Υπολογισµός των φασµατικών αποκρίσεων των οργάνων. Για τον υπολογισµό των σχετικών φασµατικών αποκρίσεων, λαµβάνονται οι σύγχρονες µετρήσεις του ακτινοµέτρου και της φωτοδιόδου που πραγµατοποιήθηκαν όπως αναφέρθηκε παραπάνω. Πρώτα από όλα γίνεται αφαίρεση του offset των µετρήσεων από όλες τις καταγραφόµενες τιµές του ακτινοµέτρου. Έπειτα γίνεται µια διαίρεση των τιµών της φωτοδιόδου µε την σχετική της φασµατική απόκριση σε κάθε µήκος κύµατος. Οι διορθωµένες αυτές (για την ευαισθησία της διόδου) µετρήσεις χρησιµοποιούνται για τον προσδιορισµό της απόκρισης, η οποία υπολογίζεται ως ο λόγος της τιµής από το ακτινόµετρο προς την αντίστοιχη διορθωµένη τιµή από τη δίοδο, για κάθε µήκος κύµατος. Οι µετρήσεις αυτές, τέλος κανονικοποιούνται στο µέγιστο της καµπύλης, ή και σε οποιοδήποτε άλλο µήκος κύµατος της επιλογής µας. 2. Υπολογισµός των γωνιακών αποκρίσεων των οργάνων Αρχικά οι τιµές που λαµβάνει το όργανο σε κάθε ζενίθια γωνία, διαιρούνται µε τις αντίστοιχες της διόδου, για να αφαιρεθεί οποιαδήποτε αλλαγή της λυχνίας κατά της διάρκεια της µέτρησης. ιαιρώντας τις τιµές που προέκυψαν µε την τιµή στις 0 µοίρες, παίρνουµε την γωνιακή απόκριση του οργάνου, Ι(θ). Τέλος, θεωρώντας τη µέτρηση στις 0 0 ως τη µέγιστη Ι ο, υπολογίζουµε το % σφάλµα σε κάθε ζενίθια γωνία από τη σχέση: %σφάλµα = {[Ι(θ) - Ι ο cosθ] /Ι ο cos(θ)} * 100

11 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΠΡΟΣ ΙΟΡΙΣΜΟΥ ΦΑΣΜΑΤΙΚΗΣ & ΓΩΝΙΑΚΗΣ ΑΠΟΚΡΙΣΗΣ ΑΚΤΙΝΟΜΕΤΡΙΚΩΝ ΟΡΓΑΝΩΝ ΣΤΗΝ ΠΕΡΙΟΧΗ ΤΟΥ ΥΠΕΡΙΩ ΟΥΣ ΑΣΚΗΣΕΙΣ Περιεχόµενα της δισκέτας 1) AC DAT: Φασµατική απόκριση του οργάνου όπως δόθηκε από την κατασκευάστρια εταιρεία. Περιγραφή αρχείου 1 η στήλη: Μήκος κύµατος σε nm 2 η στήλη: Κανονικοποιηµένη φασµατική απόκριση στο µήκος κύµατος της στήλης 1. 2) UV_ZA.DAT: Μετρήσεις υπεριώδους ηλιακής ακτινοβολίας σε W m -2 nm -1 (ολικό όζον σταθερό). Περιγραφή αρχείου 1 η στήλη: Ηλιακή ζενίθια γωνία (µοίρες) 2 η, 3 η...,τελευταία στήλη: Ροή ακτινοβολίας στα µήκη κύµατος 290, 291,..., 364 nm. 3) UV_Ο3.DAT: Μετρήσεις υπεριώδους ηλιακής ακτινοβολίας σε W m -2 nm -1 (ηλιακή ζενίθια γωνία σταθερή = 62.3 ). Περιγραφή αρχείου 1 η στήλη: Ολικό όζον (DU) 2 η, 3 η...,τελευταία στήλη: Ροή ακτινοβολίας στα µήκη κύµατος 290, 291,..., 364 nm. 4) CIE_1NM.DAT: Φάσµα δραστικότητας για την ερυθηµατογόνο δόση (CIE). Περιγραφή αρχείου 1 η στήλη: Μήκος κύµατος (nm) 2 η στήλη: Κανονικοποιηµένη φασµατική δραστικότητα στο µήκος κύµατος της στήλης 1. 5) COS_RESP.DAT: Γωνιακή απόκριση ακτινοµέτρου ερυθηµατογόνου δόσης. Περιγραφή αρχείου 1 η στήλη: Γωνία (µοίρες) 2 η στήλη: Γωνιακή απόκριση στη γωνία της στήλης 1. 6) CIE_DAY.DAT: Μετρήσεις ερυθηµατογόνου ακτινοβολίας κατά τη διάρκεια µιας ηµέρας σε W m -2. Περιγραφή αρχείου 1 η στήλη: Ηλιακή ζενίθια γωνία (µοίρες) (-θ: µετρήσεις από την ανατολή ως το µεσηµέρι, +θ: µετρήσεις από το µεσηµέρι ως την ανατολή. 2 η στήλη: Ερυθηµατογόνος ακτινοβολία.

12 3 η στήλη: Λόγος άµεσης προς διάχυτη ερυθηµατογόνο ακτινοβολία. 7) RELDET.DAT: Σχετική φασµατική απόκριση φωτοδιόδου. Φασµατική απόκριση α) Ακολουθώντας τη διαδικασία που περιγράφεται στις σηµειώσεις, να βρεθεί η νέα φασµατική απόκριση του ακτινοµέτρου και να κανονικοποιηθεί. Χρησιµοποιώντας γραµµική προσέγγιση να βρεθεί η φασµατική απόκριση ανά 1 nm. Να γίνει γράφηµα στο οποίο θα παρουσιάζονται η φασµατική απόκριση που δόθηκε από την κατασκευάστρια εταιρεία και η φασµατική απόκριση που µετρήθηκε. Να βρεθεί ο φασµατικός λόγος και να σχεδιαστεί. Σχόλια (π.χ. µετατόπιση µέγιστης απόκρισης, διαφορών κ.λ.π) Εξάρτηση των σχετικών µετρήσεων του ακτινοµέτρου (όργανο ευρέως φάσµατος) από την ηλιακή ζενίθια γωνία β) Να γίνει βάρυνση των µετρήσεων του αρχείου UV_ZA.DAT µε i) τη φασµατική απόκριση που δόθηκε από την κατασκευάστρια εταιρεία, ii) τη φασµατική απόκριση που µετρήθηκε και iii) το φάσµα δραστικότητας CIE. Να βρεθεί η ολική ροή ακτινοβολίας στην φασµατική περιοχή nm και να γίνει το σχετικό γράφηµα ως συνάρτηση της ηλιακής ζενίθιας γωνίας στις τρεις περιπτώσεις. Να σχολιαστούν οι διαφορές που παρουσιάζονται µεταξύ των απόλυτων τιµών στις τρεις καµπύλες. Ποιά είναι η εξάρτηση της ερυθηµατογόνου ακτινοβολίας από την ηλιακή ζενίθια γωνία; Να υπολογιστεί ο λόγος ολικής ροής ακτινοβολίας µε την νέα φασµατική απόκριση προς την αντίστοιχη µε την παλιά φασµατική απόκριση καθώς και ο λόγος ολικής ροής ακτινοβολίας µε την νέα φασµατική απόκριση προς την αντίστοιχη ερυθηµατογόνο. Να σχεδιαστούν οι λόγοι ως συνάρτηση της ηλιακής ζενίθιας γωνίας. Εξάρτηση των λόγων από την ηλιακή ζενίθια γωνία (περιγραφικά). Ποιός είναι ο παράγοντας µε τον οποίο πρέπει να πολλαπλασιαστεί η µέτρηση του ακτινοµέτρου για να µετατραπεί σε ερυθηµατογόνο ακτινοβολία όταν η ηλιακή ζενίθια γωνία του ήλιου είναι i)20, ii)40, iii)60 και iv)80. Εξάρτηση των σχετικών µετρήσεων του ακτινοµέτρου (όργανο ευρέως φάσµατος) από το ολικό όζον. γ) Να γίνει βάρυνση των µετρήσεων του αρχείου UV_O3.DAT µε i) τη φασµατική απόκριση που δόθηκε από την κατασκευάστρια εταιρεία, ii) τη φασµατική απόκριση που µετρήθηκε και iii) το φάσµα δραστικότητας CIE. Να βρεθεί η ολική ροή ακτινοβολίας στην φασµατική περιοχή nm και να γίνει το σχετικό γράφηµα ως συνάρτηση του ολικού όζοντος και στις τρεις περιπτώσεις. Ποιά είναι η εξάρτηση της ερυθηµατογόνου ακτινοβολίας από το ολικό όζον; Να υπολογιστεί ο λόγος ολικής ροής ακτινοβολίας µε την νέα φασµατική απόκριση προς την αντίστοιχη µε την παλιά φασµατική απόκριση καθώς και ο λόγος ολικής ροής ακτινοβολίας µε την νέα φασµατική απόκριση προς την αντίστοιχη ερυθηµατογόνο. Να σχεδιαστούν οι λόγοι ως συνάρτηση του ολικού όζοντος. Εξάρτηση των λόγων από το ολικό όζον (περιγραφικά). Με δεδοµένο ότι οι µετρήσεις αυτού του αρχείου έχουν ληφθεί σε ηλιακή ζενίθια γωνία 62.3 και µε βάση το λόγο

13 ολικής ροής ακτινοβολίας µε την νέα φασµατική απόκριση προς την αντίστοιχη µε την παλιά φασµατική απόκριση, να εκτιµήσετε το ολικό όζον της ατµόσφαιρας όταν λήφθηκαν οι µετρήσεις του αρχείου UV_ZA.DAT. Γωνιακή απόκριση α) Θεωρώντας ότι η γωνιακή απόκριση του οργάνου είναι αυτή που δίνεται στο αρχείο COS_RESP.DAT,να γίνει γράφηµα στο οποίο θα παρουσιάζεται το σφάλµα στις µετρήσεις που οφείλεται στη γωνιακή απόκριση ως συνάρτηση της γωνίας. β) Έχοντας ως γνωστά ότι i) η ολική ερυθηµατογόνος ακτινοβολία είναι το άθροισµα της άµεσης και της διάχυτης ii) iii) η υποεκτίµηση στις µετρήσεις της διάχυτης ακτινοβολίας λόγω της γωνιακής απόκρισης είναι ανεξάρτητη της γωνίας και είναι ίση περίπου µε 0.96 (µετρούµενη διάχυτη ακτινοβολία/πραγµατική διάχυτη ακτινοβολία=0.96) το λόγο άµεση προς ολική ερυθηµατογόνο ακτινοβολία (3 η στήλη αρχείου CIE_DAY.DAT) να γίνει διόρθωση της ολικής ερυθηµατογόνου ακτινοβολίας του αρχείου CIE_DAY.DAT για τη γωνιακή απόκριση και να υπολογιστεί το συνολικό σφάλµα. ως συνάρτηση της γωνίας. Το συνολικό σφάλµα να προστεθεί στο προηγούµενο γράφηµα και να γίνει σύγκριση µεταξύ των δύο σφαλµάτων.