Radiometrische Größen mit Formelzeichen und Einheiten

Radiometrische Größen beschreiben elektromagnetische Strahlung energetisch, unabhängig von der Empfindlichkeit des Auges – technisch vor allem UV- und IR-Strahlung. Die vier Grundgrößen sind Strahlungsfluss Φ in Watt, Bestrahlungsstärke E in W/m² beziehungsweise mW/cm², Strahldichte L und Strahlstärke I. Das Fachgebiet heißt Radiometrie; die augenbewerteten Entsprechungen sind die photometrischen Größen.

Radiometrische Größen sind Messgrößen, die sich auf die gesamte elektromagnetische Strahlung beziehen. In technischen Anwendungen werden diese als UV- oder IR-Strahlung genutzt. Das Fachgebiet heißt Radiometrie. Die Einteilung der Strahlung erfolgt nach der Wellenlänge der Strahlung.

Die nachfolgende Darstellung zeigt die vier radiometrischen Größen. Die Tabelle enthält für jede Größe eine visuelle Darstellung, mathematische Definition, Einheit und kurze Erläuterung.

1. Strahlungsfluss Φ
2. Bestrahlungsstärke E
3. Strahldichte L
4. Strahlstärke I

Strahlungsfluss

Der Strahlungsfluss, auch Strahlungsleistung genannt, ist die gesamte Energiemenge, die von einer Strahlungsquelle in alle Richtungen pro Zeiteinheit abgestrahlt wird. Die Einheit des Strahlungsflusses ist Watt (W).

• Formelzeichen: Φ
• Einheit: W
• Definition: Die gesamte emittierte Strahlungsleistung.

Beispiel:

Eine handelsübliche Glühlampe mit einer Leistungsaufnahme von 60 Watt emittiert etwa 57 Watt als Strahlungsfluss, wobei der Rest als Wärme verloren geht. Diese 57 Watt verteilen sich auf das sichtbare und infrarote Spektrum.

Der Strahlungsfluss wird in einer Ulbrichtkugel gemessen.

Bestrahlungsstärke

Die Bestrahlungsstärke ist eine physikalische Größe, die die Leistungsdichte der auf eine Oberfläche treffenden Strahlung beschreibt. Sie wird als die auf ein Flächenelement treffende Strahlungsleistung pro Fläche definiert. Die Einheit der Bestrahlungsstärke ist Watt pro Quadratmeter (W/m²) oder Milliwatt pro Quadratzentimeter (mW/cm²). Ein UV-Messgerät eignet sich für die Messung der Bestrahlungsstärke.

• Formelzeichen: E
• Einheit: W/m², mW/cm²
• Definition: Die auf ein Flächenelement treffende Strahlung unabhängig von der Richtung.

Die Bestrahlungsstärke gibt an, wie viel Energie in Form von Strahlung pro Zeiteinheit auf eine bestimmte Fläche fällt. Es spielt keine Rolle, aus welcher Richtung die Bestrahlung erfolgt.
Tipp: W/m² in mW/cm² umrechnen

Beispiel:

Die mittlere Bestrahlungsstärke der Sonne auf die Erdoberfläche an einem klaren Tag beträgt etwa 1.000 W/m². Das bedeutet, dass auf jeden Quadratmeter der Erdoberfläche eine Strahlungsleistung von 1000 Watt trifft.

Die Bestrahlungsstärke wird mit einem Radiometer gemessen.

Strahldichte

Die Strahldichte ist eine physikalische Größe, die die Strahlungsleistung beschreibt, die von einer Strahlungsquelle pro Flächeneinheit und pro Raumwinkeleinheit abgestrahlt wird. Sie wird in Watt pro Quadratmeter pro Steradiant (W/(m²·sr)) gemessen.

• Formelzeichen: L
  • Einheit: W/(sr·m²)
• Definition: Quotient aus abgestrahltem Strahlungsfluss und dem Produkt aus Flächenelement und Raumwinkel.

Die Strahldichte berücksichtigt sowohl die Fläche der Strahlungsquelle als auch den Raumwinkel, in dem die Strahlung abgegeben wird.

Beispiel:

Die Sonne hat eine hohe Strahldichte, da sie eine große Menge an Strahlungsenergie über eine relativ kleine Fläche in den Weltraum abstrahlt.

Strahlstärke

Die Strahlstärke ist eine physikalische Größe, die den Strahlungsfluss in eine bestimmte Richtung pro Raumwinkeleinheit beschreibt. Sie wird verwendet, um die Intensität der Strahlung in einer spezifischen Richtung anzugeben. Die Einheit der Strahlstärke ist Watt pro Steradiant (W/sr).

• Formelzeichen: I
• Einheit: W/sr
• Definition: Quotient aus abgestrahltem Strahlungsfluss in eine definierte Richtung und dem Raumwinkelelement.

Die Strahlstärke beschreibt die Energiemenge, die von einer Strahlungsquelle in eine bestimmte Richtung innerhalb eines Raumwinkels abgestrahlt wird. Sie ist eine Maßgröße für die Richtungsabhängigkeit der abgestrahlten Leistung.

Beispiel:

Eine LED mit einer Leistung von 1 Watt könnte eine Strahlstärke von 10 W/sr haben, wenn sie das Licht in einem Raumwinkel von 0,1 sr abstrahlt. Dies bedeutet, dass die abgestrahlte Energie stark auf einen kleinen Raumwinkel konzentriert ist.

Was ist der Unterschied zwischen Bestrahlungsstärke und Dosis?
Die Bestrahlungsstärke E (W/m² oder mW/cm²) ist die Momentanleistung pro Fläche, die Bestrahlung – umgangssprachlich Dosis – ist ihr Zeitintegral H (J/m² oder mJ/cm²). Bei konstanter Bestrahlungsstärke gilt H = E · t. Die Bestrahlungsstärke bestimmt, wie schnell eine Dosis erreicht wird; ob die gewünschte Wirkung eintritt, entscheidet in der Regel die Dosis. Beide Größen gehören deshalb getrennt in die Dokumentation – eine Zeitangabe allein ist kein Nachweis.

Was unterscheidet die Fluenz von der Dosis?
Die Bestrahlung bezieht sich auf eine feste, ebene Empfangsfläche und bewertet schräg einfallende Strahlung mit dem Kosinus des Einfallswinkels. Die Fluenz bezieht sich dagegen auf ein Objekt, das Strahlung aus allen Richtungen aufnehmen kann – etwa einen Mikroorganismus in einem Reaktor oder einem Luftkanal. In einem gerichteten Strahlungsfeld stimmen beide Größen überein, in einem diffusen Feld kann die Fluenz deutlich größer sein als die auf einer Ebene gemessene Bestrahlung. Wo dieser Unterschied prozessentscheidend wird, zeigt die UV-Desinfektion.

Warum ist die elektrische Lampenleistung keine Messgröße?
Zwischen der aufgenommenen elektrischen Leistung und der Wirkung am Prozessort liegen der elektrooptische Wirkungsgrad, die spektrale Verteilung der Quelle, Abstand und Einfallswinkel, die Transmission von Fenstern und Schutzrohren sowie Verschmutzung und Alterung. Keine dieser Größen ist über die Lebensdauer konstant. Die Leistungsangabe beschreibt deshalb den Betriebszustand der Quelle, nicht das Ergebnis am Werkstück, am Organismus oder an der Probe. Wie daraus in einer Anlage eine belastbare Prozessfreigabe wird, behandelt Automatisierung und Prozessintegration.

Was unterscheidet Bestrahlungsstärke von Strahldichte?
Die Bestrahlungsstärke ist eine Empfängergröße: Sie beschreibt, was auf einer Fläche ankommt, unabhängig von der Richtung. Die Strahldichte ist eine Quellgröße: Sie beschreibt, was eine Quelle je Fläche und Raumwinkel abgibt. Für die Freigabe eines Prozesses zählt die Bestrahlungsstärke am Wirkort; für die Bewertung ausgedehnter Quellen nach IEC 62471 ist dagegen die Strahldichte maßgeblich – siehe Arbeitsschutz und photobiologische Sicherheit.

Wann genügt eine Breitbandmessung, wann ist eine spektrale Messung nötig?
Eine Breitbandmessung genügt, wenn die Quelle bekannt und spektral stabil ist und der Sensor gegen genau diese Quelle kalibriert wurde. Spektral gemessen werden muss, sobald unterschiedliche Quellentechnologien verglichen werden, sich das Spektrum durch Alterung oder Dimmung verschiebt, eine Wirkungsfunktion gewichtet werden soll oder mehrere Spektralbänder getrennt zu bewerten sind. Der zugrunde liegende Fehler ist die spektrale Fehlanpassung.