, (9.1)missä Y10 on Y-arvo, x10 ja y10 ovat näytteen värikoordinaatit ja xn.10,yn.10 referenssivalkoisen koordinaatit. (D65/10° -geometrialle xn.10 = 0.3138 ja yn.10 = 0.3310.)
Fluoresoivia värejä käytetään teollisuudessa monilla eri osa-alueilla. Metalliteollisuus käyttää fluoresoivia värejä materiaalien vikojen havaitsemisessa. Paperiteollisuus käyttää fluoresenssia pystyäkseen valmistamaan parempilaatuista paperia. Liikennemerkeissä ja turvamerkinnöissä fluoresoivia värejä käytetään parantamaan turvallisuutta. Uusimpana fluoresoivien värien sovelluksena on tiedontallennus.
Tunkeumanestetarkastus on rikkomaton aineenkoetusmenetelmä, jota voidaan käyttää pintaan asti avautuvien vikojen havaitsemiseen. Vioista mainittakoon säröt, huokoset, ylivalssautumat, liitosviat, vuotokohdat ja näiden tyyppiset epäjatkuvuuskohdat. Tämäntyyppisiä vikoja voidaan havaita tunkeumanestetar-kastuksella kaikissa kappaleissa, jotka eivät materiaaliltaan ole luonnostaan huokoisia. Tunkeumanesteet jaotellaan yleisesti kahteen pääryhmään, värilliset ja fluoresoivat, riippuen valon laadusta, jossa näytettä tarkastellaan. Lisäksi on olemassa näiden nesteiden yhdistelmiä, jotka sisältävät sekä värillistä että fluoresoivaa ainetta.
Tunkeumanestetarkastus voidaan jakaa seuraaviin työvaiheisiin:
Tarkastettavan alueen huolellinen puhdistus ennen tunkeumanesteen levitystä on ehdoton perusedellytys. Mikäli mahdollisiin epäjatkuvuuskohtiin on jäänyt rasvaa, öljyä, maalia, ruostetta tai vettä, saattavat nämä estää nesteen tunkeutumisen tai ainakin hidastaa sitä. Mekaanisen puhdistuksen jälkeen voidaan rasvapitoiset aineet poistaa orgaanisilla liuottimilla tai höyrypesulla.
Tunkeumaneste voidaan levittää kappaleen pinnalle ruiskuttamalla, sivelemällä tai kastamalla kappale nesteeseen. Nykyisin käytetään usein myös niin kutsuttua elektrostaattista menetelmää, jolloin nestekerros saadaan levitettyä tasaisesti. Levittämisen jälkeen nesteen annetaan tunkeutua riittävän kauan kaikkiin pinnan epäjatkuvuuskohtiin (kuva 9.1).
Nesteen annetaan vaikuttaa tietyn ajan. Ylimääräinen neste poistetaan kappaleen pinnalta siten, että pinta saadaan mahdollisimman kuivaksi ja puhtaaksi. Nesteen tulisi kasaantua vain pinnan epäjatkuvuuskohtiin. Ylimääräinen tunkeumaneste voidaan poistaa joko vedellä tai liuottimella, riippuen tunkeumanesteen tyypistä. Jotkin tunkeumanesteet vaativat ennen vesipesua yhden työvaiheen lisää, nimittäin emulsioliuottimen levityksen, joka tekee tunkeumanesteestä vesiliukoisen (kuva 9.2).
Kappaleen pinnalle levitetään kehite, joka imee mahdolliseen epäjatkuvuuskohtaan jääneen tunkeumanesteen itseensä. Mahdolliset vikakohdista aiheutuvat näyttämät havaitaan vaaleapohjaisessa kehitteessä, sillä tunkeumaneste sisältää voimakasta, useimmiten punaista, väriainetta tai fluoresoivaa ainetta (kuva 9.3).
Värjäävää tunkeumanestettä käytettäessä kappale tarkastetaan riittävän voimakkaassa valaistuksessa ja fluoresoivaa tunkeumanestettä käytettäessä kappale tarkastetaan ultraviolettivalossa (UV) (kuva 9.4).
Tarkastelun jälkeen tulee kappale puhdistaa huolellisesti siinä olevasta kehitteestä ja mahdollisesta tunkeumanesteestä.
Kuvassa 9.5 on esitetty tunkeumanestetarkastuksen kulku kaaviomaisesti.
Tunkeumanesteet jaotellaan yleisesti kahteen pääryhmään, värilliset ja fluoresoivat tunkeumanesteet. Värillisten nesteiden näyttämät, yleisimmin punaväriset, näkyvät vaaleapohjaisessa kehitteessä ja niitä tarkastellaan riittävän voimakkaassa näyttävässä valaistuksessa. Fluoresoivat nesteet sisältävät erilaisia fluoresoivia aineita ja niiden näyttämiä tarkastellaan UV-valaistuksessa suojassa normaalilta päivänvalolta. Vaaleapohjaisessa kehitteessä olevat fluoresoivat näyttämät heijastavat "näytön" itsestään UV-valon osuessa niihin.
Värilliset ja fluoresoivat tunkeumanesteet voidaan jakaa kolmeen eri ryhmään: vesiliukoiset, emulgaattorikäsittelyn vaativat ja ainekäsittelyn vaativat tunkeumanesteet. Jaottelu perustuu ylimääräisen tunkeumanesteen erilaisiin poistotapoihin.
Vesiliukoiset tunkeumanesteet ovat koostumukseltaan sellaisia, että ylimääräinen tunkeumaneste voidaan poistaa kappaleen pinnalta vedellä. Toisin sanoen tunkeumaneste sisältää niin kutsutun emulsioliuottimen (emulgaattorin), joka tekee esimerkiksi petrooliperustaisesta nesteestä vesiliukoisen. Emulgaattorikäsittelyn vaativat tunkeumanesteet eivät sisällä emulsioliuotinta, jolloin varsinaisen tunkeumanesteen tunkeutumiskyky on huomattavasti parempi. Emulgaattorikäsittelyn vaativat nesteet tarvitsevat kuitenkin yhden työvaiheen lisää: emulsioliuottimen levityksen. Emulsioliuottimen avulla tapahtumaa voidaan tarkoin hallita eikä tunkeumanestettä voida poistaa vahingossa edes matalista ja leveistä vikakohdista.
Liuotinkäsittelyn vaativat tunkeumanesteet poistetaan tarkasteltavan materiaalin pinnalta orgaanisella liuottimella.
Verrattaessa värillisiä ja fluoresoivia nesteitä keskenään voidaan värillisten nesteiden etuna pitää niiden käytön yksinkertaisuutta ja halvempia hankintakustannuksia, koska UV-valoa ei tarvita. Nesteiden herkkyydet ovat lähes samaa luokkaa joskin sama vika havaitaan yleensä huomattavasti helpommin muulta valolta suojatussa UV-valaistuksessa. Tällöin myös pienten vikojen havaitsemistodennäköisyys on suurempi. Yleensä edellisten väriaineitten yhdistelmänesteitä käytetään vaihtelevissa olosuhteissa kuten laivanrakennuksessa [29].
Kehitteen tehtävänä on imupaperin tavoin imeä tunkeumaneste itseensä epäjatkuvuuskohdista ja lisätä näyttämän kokoa havaittavuuden helpottamiseksi. Imeytyessään kehitekerrokseen tunkeumaneste leviää epäjatkuvuuskohdan muodosta riippumatta joka suuntaan, esimerkiksi halkeamasta imeytyvä neste leviää kohtisuoraan halkeaman pituussuuntaa vastaan ja täten näyttämä on leveämpi kuin itse halkeama.
Kehite- ja tunkeumatyypistä riippuen kehitteen toiminta ja käyttö perustuu kolmeen mekanismiin: kapillaari-ilmiöön, valon diffraktioon sekä kehitteen liuottavaan vaikutukseen.
Kapillaari-ilmiöön perustuvassa mekanismissa kapillaarivoima on suurempi kehitematriisin ahtaissa väleissä kuin itse epäjatkuvuuskohdassa ja täten kehite vetää epäjatkuvuuskohtaan tunkeutuneen nesteen esiin ja levittää sen matriisiin. Leviämisnopeus ja -laajuus riippuu kehitehiukkasten koosta, muodosta ja määrästä sekä niiden kemiallisista ja fysikaalisista ominaisuuksista.
Valon sirontaa käytetään hyväksi tarkasteltaessa fluoresoivien tunkeumanesteiden näyttämiä UV-valaistuksessa. UV-säteily hajaantuu kehitematriisissa olevien hiukkasten välille ja voimistaa fluoresoivassa tunkeumanesteessä syntyvän keltavihreän valon hajaantumista. Kuvassa 9.7 on esitetty UV-säteilyn hajonta kehitematriisissa. IO tarkoittaa UV-säteilyn intensiteettiä ja If tarkoittaa fluoresenssin intensiteettiä.
Kehitteen liuottavaa vaikutusta tarvitaan tunkeumanesteen liuottamiseen ja sen jälkeen imemiseen epäjatkuvuuskohdasta silloin, kun tunkeumaneste tai osa siitä on kuivunut epäjatkuvuuskohtaan. Tällöin tunkeumaneste ei imeydy kehitteeseen kapillaari-ilmiön avulla.
Kehitteet jaetaan kahteen pääryhmään, niin kutsuttuihin kuivajauhe- ja märkäkehitteisiin. Märkäkehitteet voidaan edelleen jaotella vesiperustaisiin ja ei-vesiperustaisiin, jotka molemmat puolestaan jakautuvat kahteen alaryhmään riippuen siitä, minkälaisessa muodossa itse kehitejauhe on kantajanesteessä. Toiseen alaryhmään kuuluvissa kehitteissä kehitejauhe on liuennut kantajanesteeseen kun taas toisen alaryhmän kehitteissä kehitejauhe on lietemäisessä muodossa kantajanesteessä eli niin kutsuttuna suspensiona (kuva 9.8).
Kuvassa 9.9 on punavärisellä tunkeumanesteellä tarkastettu hammaspyörä. Kuvassa 9.10 on fluoresoivalla tunkeumanesteellä tarkastettu hammaspyörä. Reunoilla näkyy epätäydellisen ylimääräisen nesteenpoiston aiheuttamia valenäyttämiä, keskemmällä epätasaisen taustan aiheuttamia merkityksettömiä näyttämiä ja keskellä merkityksellisiä näyttämiä [29].
Kuvassa 7.11 on vihreän fluoresoivan tunkeumanesteen emissiospektri. Näyte on mitattu Perkin-Elmer fluorometrillä. Viritysaallonpituutena käytettiin aallonpituutta 200 nm.
Tunkeumanesteen fluoresenssin emissiokuvaajasta nähdään, että kuvaajan emissiopiikki on erittäin selkeä. Kuvaajasta nähdään, että fluoresoivan tunkeumanesteen emissiopiikki on ihmissilmälle herkimmällä aallonpituusalueella. Tällöin näyttämiä voidaan tarkastella tehokkaasti.
Kuvassa 9.12 on vihreän tunkeumanesteen eksitaatiospektri. Emissioaallonpituutena käytettiin aallonpituutta 525 nm.
Kuvasta 9.12 nähdään virityspiikit 200 nm ja 400 nm kohdalla (monikerta).
Magneettijauhetarkastus on menetelmä, jolla saadaan ferromagneettisten kappaleiden pinnassa ja pinnan läheisyydessä olevia vikoja esille. Menetelmä perustuu epäjatkuvuuskohtien synnyttämien vuotokenttien havaitsemiseen.
Kun kappale magnetoidaan, jakautuvat magneettiset voimaviivat tasaisesti kappaleen poikkipinnassa, pyrkien kuitenkin pysymään aineen hyvän magneettisen läpäisykyvyn eli permeabiliteetin ansiosta kappaleen sisällä. Jos magneettivuolle tulee este kappaleen geometrian tai varsinkin vian takia, kulkee osa vuosta esteen alta, osa läpäisee vian ja osa pyrkii etenemään ilman kautta (kuva 9.13).
Näin saadaan epäjatkuvuuskohdan ympärille vuotokenttä, jolla on kappaleeseen nähden vastakkainen napaisuus, ja se toimii täten eräänlaisena pienoismagneettina. Syntynyttä napaisuutta käytetään hyväksi epäjatkuvuuskohtien havaitsemisessa. Manuaalisessa tarkastuksessa levitetään pintaan rautahiukkasia, jotka kerääntyvät vuotokenttään. Automaattisessa tarkastuksessa pinta "nuuskitaan" läpi magneettianturilla. Manuaalisessa tarkastuksessa kerääntyneet rautahiukkaset muodostavat sillan, joka voidaan havaita visuaalisesti.
Rautahiukkasista koostuvan indikaation voi ihmissilmä havaita edellyttäen, että se on riittävän leveä. Toisin sanoen riittävän voimakas epäjatkuva magneettikenttä on syntynyt kappaleen pintaan, sekä että optinen kontrasti rautahiukkasten ja taustan välillä on riittävän suuri. Tämän kontrastin saavuttamiseksi käytetään yleensä värillisiä hiukkasia vaalealla ohuella kontrastiväripohjalla (värillinen menetelmä) tai fluoresoivia hiukkasia ilman kontrastiväripohjaa (fluoresoiva menetelmä).
Magneettijauhetarkastuksessa havaittava indikaatio muodostuu niistä rautahiukkasista, jotka tarkastustilanteessa kerääntyvät ja jäävät vuotokenttään. Tämä indikaatio jäljentää näin ollen särön sijainnin, muodon ja osittain myös laajuuden.
Magneettijauhetarkastuksessa vuotokenttien voimakkuudella on varsin ratkaiseva merkitys. Mitä tehokkaammin särö pystyy katkaisemaan kappaleen magneettisia voimaviivoja, sitä voimakkaammaksi muodostuu polarisoituminen ja napaisuusero särön kylkien välillä. Teräväpohjainen syvä särö polarisoi näin ollen tehokkaammin [30] (kuva 9.14.)
Magneettijauhetarkastus voidaan jakaa seuraaviin työvaiheisiin:
Pinnan puhtauden pitää vastata valetun, taotun, valssatun tai hitsatun pinnan puhtautta. Käytännössä on poistettava kaikki pinnassa olevat irtonaiset hiukkaset, jotka saattavat vaikeuttaa tarkastusta ja tuloksen tulkintaa. Karkeiden pintojen tarkastuksessa on otettava huomioon, että pinnan karheus ja pienin varmuudella havaittava virhe ovat toisistaan riippuvaisia.
Kontrastivärillä, josta käytetään myös nimitystä peittoväri, on kaksi tehtävää. Ensinnäkin vaalea väri parantaa optista kontrastia tummien rautahiukkaskasaumien ja taustan välillä. Toiseksi väri toimii pinnan epätasaisuuksia tasoittavana elementtinä. Tästä johtuen kitka hiukkasten ja pinnan välillä pienenee. Pienempi kitka lisää hiukkasten liikkuvuutta ja helpottaa indikaatioiden muodostumista. Kontrastiväriä ei tietenkään käytetä fluoresoivaa menetelmää käytettäessä.
Magnetoinnin määräävinä tekijöinä ovat kappaleen geometria, pinnan laatu ja lämpenemisrajoitukset. Magnetointimenetelmät voidaan jakaa syntyvän magnetointikentän mukaan kahteen pääryhmään. Napamagnetoinnissa kappale polarisoituu ja se käyttäytyy kuin kestomagneetti. Virtamagnetoinnissa kenttä pysyy kappaleen sisällä eikä napaisuutta ilmene kuin vuotokenttien muodossa. Kuvassa 9.15 ovat magnetointimenetelmät jaettuna syntyvän kentän mukaan.
Tarkastusaineena käytettävä magneettijauhe tehdään puhtaasta raudasta (karbonyylirauta) tai rautaoksidista Fe2O3 (hematiitti) ja Fe3O4 (magnetiitti). Vuotokenttä kerää parhaiten rakeita, joiden koko on samaa luokkaa kuin epäjatkuvuuskohdan (esimerkiksi särön) leveys. Fluoresoivilta jauheilta vaaditaan hyvää kulutuskestävyyttä. Muussa tapauksessa fluoresoiva aine irtoaa ja nesteeseen syntyvä taustafluoresenssi vaikeuttaa tarkastusta.
Magneettijauhetarkastus voidaan suorittaa joko käyttämällä kuivia (pölymäisiä) jauheita tai siten, että jauheet on sekoitettu kantonesteeseen. Kuivassa menetelmässä rautahiukkaset levitetään sumuttamalla niitä kappaleen pintaan. Remanenssimenetelmässä kappale viedään jauhesumukammioon, jossa rautahiukkaset kiinnittyvät mahdollisiin vuotokenttiin.
Magneettijauhetarkastuksen arvostelu on kaksivaiheinen. Ensimmäinen vaihe on indikaation tulkinta ja toinen vaihe on vian arvostelu. Indikaation tulkinnassa vuotokentästä peräisin olevia indikaatioita sanotaan valeindikaatioiksi. Indikaatiosta nähdään (esimerkiksi säröjä arvostelemalla) kuinka syvällä ja kuinka leveä vika on. Myös laitteiston oikea kalibrointi on tärkeää.
Demagnetointi eli jäännösmagnetismin poisto suoritetaan magnetoinnin jälkeen, jos suuresta remanenssista on haittaa. Demagnetointi tulee kysymykseen, jos kappaletta myöhemmin lastutaan, kaarihitsataan tai asennetaan ja käytetään herkkien mittareiden läheisyydessä [30].
Magneettijauhetarkastuksen kulku on esitetty kuvissa 9.16 ja 9.17 lohkokaaviolla.
Fluoresoiva menetelmä on tarkempi kuin väriainemenetelmä. Suurempi tarkkuus ei perustu magneettisiin ominaisuuksiin, vaan ihmissilmän erotuskykyyn. Ihmissilmän kyky havaita esineitä sekä väri- ja valaistuseroja riippuu perusvalaistuksesta. Kirkkaassa valaistuksessa on värien erotuskyky suurimmillaan ja kyky havaita pieniä eroja valovoimakkuudessa melko huono. Hämärässä valaistuksessa asia on päinvastoin ja kyky havaita pieniä valolähteitä kasvaa huomattavasti.
Ihmissilmä ei ole yhtä herkkä kaikille aallonpituuksille. Herkin silmä on keltavihreälle valolle, erityisesti, jos valon intensiteetti on pieni. Fluoresoivassa menetelmässä käytetään näitä kahta ihmissilmän ominaisuutta hyväksi ja tämän vuoksi tarkkuus on väriainemenetelmään verrattuna huomattavasti parempi. Haittapuolena on pidettävä sitä, että tarkastus vaatii hämärän tarkastusympäristön ja että fluoresoivalla aineella peitetyistä kiteistä saattaa tämä aine irrota käytön aikana. Lisäksi menetelmä edellyttää UV-valon käyttöä.
Kuva fluoresoivan ja väriainemenetelmän tarkkuuserosta saadaan käyttämällä vertailukappaleina esimagnetoituja kalibrointikappaleita. Kuvassa 9.18 ja 9.19 on esitetty sama kappale käyttäen sekä värillistä että fluoresoivaa menetelmää.
Fluoresoiva menetelmä paljastaa pienet säröt selvästi paremmin kuin väriaine- menetelmä. Mitta menetelmien indikaatiokyvystä saadaan käyttämällä Deutschin kehittämää kalibrointikappaletta (kuva 9.20 ja 9.21).
Kappale koostuu kahdesta hiotusta teräskappaleesta, joiden väliin jää ilmarako. Ilmaväliin syntyy päädyssä olevan magneetin aiheuttama pienenevä vuotokenttä. Indikaation pituus on siis menetelmän tarkkuuden mitta. Penkkikoneessa on suoritettu vertailu myös todellisella kappaleella. Pyöreä tanko magnetoitiin 300 A:n vaihtovirralla, jolloin kenttävoimakkuus pinnassa oli 2.8 kA/m [30] (kuva 9.22 ja 9.23).
Paperiteollisuudessa on tärkeää määritellä paperin optisia ominaisuuksia joita ovat: kiilto, opasiteetti (läpinäkyvyys) ja paperin kirkkaus. Joillakin paperiteollisuuden aloilla mitataan myös paperin väriä, erityisesti sanomalehtipaperin yhteydessä. Tässä yhteydessä väri kuitenkin tarkoittaa paperin värisävyä.
Paperin ISO-kirkkaus määritellään suotimen tai matemaattisten funktioiden avulla, joiden efektiivinen aallonpituus on 457 nm kohdalla ja puolileveys on 44 nm. Kyseinen suodin, jonka maksimi transmissio on sinisen alueella, valittiin useita vuosikymmeniä sitten selluloosateollisuuteen sen muuttumisherkkyyden takia paperin valkaisuvaiheessa.
Vaikka ISO-kirkkaus-standardia käytetäänkin laajalti paperiteollisuudessa, on jo pitkän aikaa haluttu kehittää paremmin ihmisen värinäköön perustuva valkoisuusstandardi. Tämän pohjalta onkin kehitetty esimerkiksi CIE-valkoisuus, josta enemmän tuonnempana. ISO-standardin parissa työskentelee työryhmä, jonka tehtävänä on määritellä standardi paperin valkoisuuden tutkimiseen ulkokäytössä ja sisäkäytössä. Valonlähde D65 on valittu standardin perustaksi valaisussa.
Valkoinen paperi sisältää fluoresoivia valkaisuaineita (fluorescent whitening agents-FWA). Sekä silmillä havaittava, että mitattu valkoisuus ovat riippuvia näytteen valaisun UV-säteilyn suhteellisesta määrästä. Tämän takia mittalaitteen valaisulähde täytyykin valita huolella, jotta paperinäytteen valkoisuus ja siihen liittyvät ominaisuudet voidaan määritellä tarkasti [31,32].
Paperin optisten ominaisuuksien mittaus riippuu mittalaitteen ja valaisulähteen geometrioista. Vuosikymmeniä sitten ISO-standardin lähtökohdaksi valittiin d/0° -geometria halkaisijaltaan 150 mm integroivalla pallolla ja valoloukulla yhdistettynä C-valaisulähteeseen ja CIE 1931 (2° ) standardihavaitsijaan. Ensimmäiset mittalaitteet olivat 3-suotimen reflektometrejä.
Osana paperinmittauksen historiaa voidaan mainita, että kalibrointijärjestelmä sidottiin täydellisesti heijastavaan diffuuseriin ja tällöin syntyi myös kuvan 9.24 rakenne siirtostandardeille (transfer standards).
Kuvan 9.24 hierarkia perustuu kolmen standardoimislaboratorion määritelmiin, sekä viiden muun valtuutetun laboratorion mittauksiin. Jokainen standardisointilaboratorio pystyy tekemään absoluuttisia mittauksia täydellisesti heijastavalla diffuuserilla ja valtuutetut laboratoriot pitävät yllä referenssimittalaitteita, jotka on kalibroitu standardisoitujen kolmen laboratorion siirtostandardeilla (IR2-siirtostandardi). Teolliset mittauslaboratoriot ympäri maailmaa saavat kuukausittain ISO-referenssistandardinsa (IR3-siirtostandardi) näiltä valtuutetuilta laboratorioilta. Siirtostandardeina käytetään puuvilla-, muovi- ja paperistandardeja, joita verrataan keskenään. Paperiteollisuuden käyttöön fluoresoivia muovisiirtostandardeja ei suositella, vaan tällöin on parasta käyttää fluoresoivaa paperin siirtostandardia.
Vaikka nykyisin mittalaitteet ovat hyviä ja niiden mittaustulosta voidaan pitää absoluuttisena, näin ei kuitenkaan ollut 30 vuotta sitten. Mittalaitteiden lineaarisuudessa ja värimittausominaisuuksissa oli huomattavia eroja, jopa kahden saman mallin välillä ja tämä johtikin referenssi-mittalaitejärjestelmän luomiseen. Järjestelmää laajennettiin edellä mainitulla fluoresoivalla referenssistandardilla, jonka avulla mittalaite voidaan kalibroida tai säätää mittaamaan oikeita valkoisuuden arvoja. Lopulta erilaisten ehdotelmastandardien kautta (esimerkiksi Z-valkoisuus) päädyttiin käyttämään D65-valonlähdettä standardivalonlähteenä paperimittauksissa ja määriteltiin valkoisuuden standardiksi CIE-valkoisuus [31,32].
CIE-valkoisuus (D65/10° ) W määritellään
, (9.1)
missä Y10 on Y-arvo, x10 ja y10 ovat näytteen
värikoordinaatit ja xn.10,yn.10 referenssivalkoisen
koordinaatit. (D65/10° -geometrialle xn.10 = 0.3138 ja
yn.10 = 0.3310.)
Materiaali on valkoista silloin, kun W on välillä
. (9.2)
Paperin valkoisuutta mitattaessa vihreä/punainen värisävyn arvo TW
lasketaan kaavalla
, (9.3)
josta saatu positiivinen arvo ilmaisee vihreää värisävyä ja negatiivinen
arvo punaista värisävyä. Värisävyn arvo ei tarkoita värikoordinaattia vaan
saadun arvon avulla voidaan todeta, että
mitattu näyte sijaitsee siinä osassa värikoordinaatistoa, jonka on
fyysisten havaintojen avulla todettu edustavan valkoisen aluetta.
Materiaali on valkoinen jos värisävyn Tw arvo sijaitsee
välillä
. (9.4)
Paperin fluoresenssia mitattaessa käytetään yleensä kahden monokromaattorin menetelmää, joka on esitelty luvuissa Fluoresoivien värien mittausvirheet ja Fluoresoivien värien standardit. Lisäksi oikeellisen tuloksen aikaansaamiseksi vertailukohtana tulisi käyttää siirtostandardeja. Seuraavaksi esiteltävissä paperin fluoresenssimittauksissa ei kuitenkaan ollut käytettävissä oikeanlaista standardisoitua mittalaitetta eikä siirtostandardeja.
Mittauksissa käytettiin Perkin Elmer fluorometriä, jossa raon leveys oli 10 nm. Viritysaallonpituuden määrittämisessä käytettiin fluorometrin prescan-tilaa sekä tietoa, että eksitaatioaallonpituus paperinäytteillä on 380 nm. Lopulta viritysaallonpituuksia saatiin 2 kpl. Kuvassa 9.25 on paperinäytteistä saatu viritysaallonpituuskäyrä.
Paperinäytteitä mitattaessa viritysaallonpituuksina käytettiin 276 nm ja 380 nm.
Paperinäytteistä leikattiin 4 kappaletta suikaleita ja näistä mitattiin 5 kohtaa molemmin puolin, jolloin saatiin mitattua 10 mittauskohdasta yhteinen emissiospektri. Kuvassa 9.26 on päällystysaineella käsittelemättömän paperin emissiospektri.
Kuvassa 9.27 (a) ja 9.27 (b) on eri paksuisilla fluoresoivan paperin-päällystysaineitten kerroksilla käsiteltyjen paperinäytteiden emissiospektrit. Viritysaallonpituutena käytettiin 276 nm.
Näytteitä vertailemalla nähdään, että käsitellyn paperin fluoresenssipiikki on kummassakin tapauksessa samassa kohdassa 430 nm tuntumassa. Näyte, jota on käsitelty paksummalla fluoresoivan aineen kerroksella fluoresoi huomattavasti enemmän. Kun kumpiakin näytteitä viritettiin viritysmaksimilla 375 nm, saatiin emissiospektri, jossa emissiopiikki oli samassa kohdassa, kuin kuva 9.27 näytteillä. Luonnollisesti emissiospektri oli korkeampi, koska viritettiin viritysmaksimilla, kuvasta 1. Viritysmaksimilla 375 nm viritetyt näytteet ovat kuvassa 9.28.
Kuvassa 9.29 on mitattu epätasaisella päällystyksellä levitetyn päällystysaineen emissiospektri. Näytteessä päällystysainetta on 9.8g/m2 ja näytteen viritys tapahtui aallonpituudella 276 nm.
Näytteitä tarkasteltiin myös UV-lampun valossa (aallonpituus 252 nm) ja silmämääräisestikin huomattiin paperinäytteistä päällysteen levitysrajat. Varsinkin kuvan 9.29 näyte oli huomattavan fluoresoiva UV-valolla tarkasteltuna, jonka myös kuvan 9.29 emissiospektri osoittaa.
Autolla maantiellä ajettaessa liikennemerkkien näkyvyys on erittäin tärkeä ominaisuus. Viimeaikainen liikennemerkkimateriaalien kehitys on tuonut teitten varsille entistä kestävämpiä ja helpommin havaittavia liikennemerkkejä. Tässä luvussa vertailen yhdysvaltalaiseen tutkimukseen perustuen fluoresoivia liikennemerkkimateriaaleja perinteisiin liikennemerkkimateriaaleihin.
Fluoresoivissa liikennemerkeissä käytetään fluoresoivia takaisinheijastavia (retroreflective) materiaaleja, jotka voidaan havaita entistä kauempaa verrattuna perinteisiin liikennemerkkeihin. Takaisinheijastavan liikennemerkkimateriaalin päivänäkyvyyteen vaikuttaa monta eri asiaa. Pinnoitteen optiset ominaisuudet johtuvat diffuusista heijastuksesta rakenteessa, suorasta fluoresenssin emissiosta ja fluoresoivasta emissiosta, johon vaikuttavat pinnoitteen sisäiset heijastavat osat ja mikroprismaattinen rakenne. Kuvassa 9.30 on takaisinheijastavan fluoresoivan liikennemerkkipinnoitteen rakenne [5].
Merkkien havaittavuus on parhaimmillaan ilta - ja aamuhämärissä, mutta myös päiväsaikaan. Merkkien havaittavuutta on pyritty parantamaan, koska teitten varsilla on liikennemerkkien lisäksi mainoskilpiä ja muita kylttejä. Myös kuljettajan ikä vaikuttaa merkkien havaitsemiskykyyn. Tällä hetkellähän vanhojen yli 65-vuotiaiden kuljettajien ikäryhmä on kasvusuunnassa. Tutkimuksen mukaan vanhemmat kuljettajat tarvitsevat erottuvampia liikennemerkkejä, jotka ovat kolme kertaa kirkkaampia ja joiden värikontrasti on 2-3 kertaa parempi kuin perinteisillä liikennemerkeillä.
Yöllä ajettaessa luminanssi (kirkkaus) on merkittävin tekijä takaisinheijastavilla materiaaleilla. Päivällä ajettaessa liikennemerkin näkyvyys ja havaittavuus määritellään luminanssikontrastin tai värikontrastin mukaan. Paul Olsonin [5] mukaan fluoresoivilla takaisinheijastavilla materiaaleilla tulee olla ominaisuuksia, jotka välittömästi kiinnittävät ajajan huomion riippumatta siitä onko yö vai päivä.
Liikennemerkkien käyttöiän tulisi olla 3-10 vuotta ulkokäytössä. Perinteiset fluoresoivat materiaalit eivät kuitenkaan kestä 2 vuotta pitempään. Viime vuosina on kuitenkin onnistuttu kehittämään fluoresoivia materiaaleja, jotka kestävät valoa ja sääilmiöitä lähes yhtä kauan kuin tavalliset liikennemerkkimateriaalit.
Liikennemerkkien havaittavuustutkimuksessa testattiin neljää fluoresoivaa väriä: oranssia, punaista, keltaista ja kelta-vihreää [33]. Oranssi, keltainen ja punainen ovat standardeja liikennemerkkivärejä. Oranssia väriä käytetään lähinnä Yhdysvaltojen ja Kanadan alueella. Punaista ja keltaista käytetään maailmanlaajuisesti. Kelta-vihreä väri ei tällä hetkellä ole liikennemerkkikäytössä vaikka se onkin määritelty Yhdysvaltojen liikennestandardissa. Tutkimus suoritettiin keskipäivällä kirkkaalla ja pilvisellä ilmalla. Koehenkilöitä oli 14 ja he olivat iältään 19-57 vuotiaita. Kuvissa 9.31 ja 9.32 on vertailtu, kuinka hyvin henkilöt havaitsivat fluoresoivat ja tavalliset liikennemerkit eri etäisyyksiltä. Kuvassa 9.33 on liikennemerkkivärien kontrastierot fluoresoiville ja tavallisille väreille eri olosuhteissa.
Kuvista nähdään, että fluoresoivat värit ovat huomattavan paljon havaittavampia liikennemerkeissä kuin tavalliset fluoresoimattomat värit. Fluoresoivien liikennemerkkien käyttöä tulisikin täten harkita myös esimerkiksi Suomen liikenteessä olettaen, että merkit kestävät ankaria sääolosuhteitamme.
Paperi tai muille pinnoille painetut tärkeät dokumentit, asiakirjat tai vaikkapa raha ovat kautta aikain olleet suosittuja väärennyskohteita. Tässä kappaleessa käsitellään fluoresoivien värien käyttöä tällaisissa painotuotteissa. Tärkeimmät luminesenssin lajit turvamerkinnöissä ovat ultravioletin ja infrapunan alueen luminesenssit (fotoluminesenssi) [34].
Tärkeä seikka fluoresoivissa turvamerkinnöissä on niiden käyttöikä. Sen lisäksi niiden tulee luonnollisesti olla mahdollisimman vaikeita väärentää. Pigmenttien tulee kestää valoa ja hankausta (kuivaa ja märkää). Erilaisten kemikaalien kestävyys tulee myös olla hyvä (esimerkiksi etyyliasetaatti, etanoli ja asetoni). Fluoresoiva pigmentti ei saa muuttaa paperin kestävyyttä ja pigmentin partikkelikoon tulee olla riittävän pieni, jotta paperia pystytään painamaan.
Perinteiset luminesoivat (fluoresoivat) epäorgaaniset pigmentit perustuvat sinkkisulfidi ja sinkkikadmiumsulfidi-molekyyliin. Parhaiten tunnettuja näistä ovat sinkkisulfidit, joihin on lisätty kuparia. Nämä ovat fosforoivia keltavihreitä pigmenttejä. Aikaisemmin käytetyt epäorgaaniset fluoresoivat pigmentit, joihin oli lisätty hopeaa ovat kadmium-sisältönsä takia myrkyllisiä. Näitä pigmenttejä ei pystytty kunnolla painamaan kuin silkkipinnoille tai kaiverruksiin. Siksi niitä ei ole enää käytössä.
Luminesoivissa pigmenteissä oli ennen ongelmana myös niiden suuri partikkelikoko. Nykyisin on pystytty kehittämään pigmenttejä, joiden partikkelikoko on huomattavan paljon pienempi (2.5-5.0 m m). Liitteen 3 taulukkoon 1 on koottu erään valmistajan pigmenttejä ominaisuuksineen. Lisäksi kuvissa 9.34-9.36 on esimerkkejä fluoresoivista turvamerkinnöistä [34].
Lokakuussa 1999 monikansallinen yhtiö C3D esitteli uuden fluoresoiviin väreihin perustuvan tallennusmedian. C3D esitteli levyn, johon sopii 140 Gigatavua tietoa (tällä hetkellä vain lukeva) ja samaan teknologiaan perustuvan kortin, johon pystytään tallettamaan 10 Gigatavua tietoa. Virallinen levyn nimi on fluoresoiva monikerroslevy (Fluorescent Multi-layer Disk -FMD) (kuva 9.37).
Tällä hetkellä yhtiö etsii yhteistyökumppaneita kehittämään tuotetta edelleen. Lopullinen tuote on markkinoilla loppuvuodesta 2000.
Levyssä tieto tallennetaan ja luetaan käyttämällä levyn eri kerroksien fluoresoivia aineita apuna. Tekniikka on siis hieman erilainen kuin heijastukseen perustuvissa tiedontallennuslaitteissa, joissa kerroksia ei voi olla kuin kaksi. Useammalla kerrosten lukumäärällä tietoa ei enää pystytä lukemaan interferenssin, sironnan ja muiden häiriötekijöitten takia.
MD-tekniikassa levyn tiedontallennuskerros on päällystetty fluoresoivalla materiaalilla. Kun laserin valo osuu kerrokseen, fluoresoiva valo emittoituu. Emittoituneella valolla on erilainen aallonpituus laserin valoon verrattuna (esimerkiksi kun alkuperäinen laserin valon aallonpituus on 650 nm, onkin emittoituneen valon aallonpituus 680 nm). Tämä valo on luonteeltaan epäkoherenttia. Kun levyltä luetaan informaatiota, valoa suodatetaan siten, että vain informaatiota sisältävä fluoresoiva valo detektoidaan. Koska virhetekijät kuten interferenssi ja sironta vähenevät (eli signaalin taso heikkenee hitaammin kuin esimerkiksi DVD-levyissä) , tiedon lukeminen ja tallettaminen onnistuu isommalle alueelle (vertaa 1 kerros ja sama aallonpituus kuten CD-levyssä). Kuvassa 9.39 on esitetty periaate-erot koherenttiin valoon (CD, DVD) perustuvan tiedontallennuksen ja epäkoherenttiin valoon (fluoresenssi, FMD) perustuvan tiedontallennuksen välillä [36].
Tekniikalla voidaan parantaa myös vanhojen tallennuslaitteiden suorituskykyä. Esimerkiksi DVD-levylle sopii 4.7 Gigatavua tietoa levyn puolta kohti. Käyttämällä FMD-teknologiaa saadaan DVD-levyn kapasiteetti kasvatettua aina 17 Gigatavuun asti. Tällöin DVD-levyn kerroksien määrää kasvatetaan ja tietoa mahtuu enemmän.
Uuden teknologian sovelluksia ovat tietokoneitten tiedontallennus ja matkapuhelimet. Yhtiön tarkoituksena on tuoda markkinoille kymmenkerroksinen FMD-ROM-levy 120 mm (CD&DVD) -levyformaatissa (koko 140 Gigatavua), 20-kerroksinen luottokortin kokoinen FMC ClearCard-ROM levy (koko 10 Gigatavua) ja 10-kerroksinen luottokortin kokoinen FMC ClearCard-WORM (Write Once Read Many-levyyn voidaan kirjoittaa tietoa kertaalleen ja lukea monta kertaa) 1 Gigatavun levy. Kuvassa 9.40 on FM-kortin kaavakuva.
Valmistajien mukaan toisen ja kolmannen sukupolven levyihin pystytään tulevaisuudessa tallentamaan jopa 1,4 Teratavua tietoa. Myös RAM-versio (Random Access Memory) levystä on suunnitteilla [36].
