Rozhovor s Dr. Kai Dirscherlem o jeho přednášce na kongresu Cleanzone ve Frankfurtu

Dr. Kai Dirscherl

Umožnitelnost zpětného určení vyžaduje jednotné míry a spolehlivé metrologické metody. Bez nich by nebylo možné mezinárodně srovnatelné zajištění kvality v technologii čistých prostor. Metrolog Dr. Kai Dirscherl hovoří na kongresu Cleanzone (22. - 23. října 2013) o zacházení s nejistotami měření, o významu mezinárodních norem a o tom, co mají ovce společného s jeho výzkumným oborem. V osobním rozhovoru předem poskytne vědec náhled na svůj příspěvek „Umožnitelnost zpětného určení velikosti a koncentrace částic“, který přednáší v prvním dni kongresu ve Frankfurtu.

Pane doktore Dirscherl, co znamená umožnitelnost zpětného určení?
Umožnitelnost zpětného určení v metrologii popisuje základní vlastnost pro práci s měřicími hodnotami: Výsledek měření, který je zpětně určenelný, se vyznačuje nepřerušeným řetězcem srovnávacích měření, přičemž každé má známou nejistotu měření. Tento řetězec je vztahován na uznávanou normu, tedy na srovnávací předmět, srovnávací materiál nebo měřicí přístroj.

Jste vědec a manažer kvality v Dánském národním metrologickém ústavu (DFM) v Lyngby. Jaké je vaše pole působnosti a jak se dostáváte do kontaktu s technologií čistých prostor?
Pracuji již přibližně sedm let v několika oblastech DFM. Od poloviny tohoto roku se jeden z mých hlavních úkolů zaměřuje na koordinaci našeho nového odborného oddělení pro metrologii částic. Tato oblast byla dříve součástí oddělení nanometrologie, kde máme spojení s mikro-, telekomunikačním a polovodičovým průmyslem. Celkově oblast metrologie částic stále více nabývá na významu. Především v farmaceutickém průmyslu, ale i v dalších zajímavých oblastech použití, roste poptávka po mezinárodně jednotných a spolehlivých standardech pro měření částic a jejich dokumentaci. V této souvislosti jsme se rozhodli založit samostatné odborné oddělení.

S jakými aktuálními úkoly se metrologie v oblasti technologií čistých prostor zabývá?
Říká se, že „kdo hodně měří, měří špatně“. Tento uvolněný výrok však popisuje skutečnou situaci, která si žádá naši pozornost. Čím menší jsou měřené velikosti a čím více a přesněji musíme měřit, tím více se projevují minimální odchylky. Například každý počítačový čítač částic je vystaven nejistotě měření. Musíme tedy žít s určitým limitem chyb a tyto limity znát. Dále se zvyšují nároky na kvalitu. Například dnes se průmysl více než dříve potýká s výzvou pečlivě dokumentovat čistotu svých produktů a zařízení pro své zákazníky. To zahrnuje nejen samotné měření, ale i kalibraci zařízení včetně zpětného dokladu jejich měřicí schopnosti. Firmy proto naléhavě potřebují certifikáty, které jsou všeobecně uznávány. Za tímto účelem slouží Mezinárodní dohoda o vzájemném uznávání (CIPM MRA) z roku 1999. Tento mezinárodní dohodu o vzájemném uznávání měřicích výsledků stanoví, že podepsané země akceptují certifikáty příslušných národních ústavů ve své zemi. Tím vznikl velmi důležitý obchodní nástroj k odstraňování technických překážek obchodu v rámci státně regulované oblasti. Moderní metrologie má za úkol vytvořit předpoklady pro takové dohody, tj. vypracovat všeobecně platné normy, poskytovat ověřené metody měření a uznávané certifikáty.

Jaké je při tom největší obtížnosti?
Umožnitelnost zpětného určení velikostí na všeobecně platné a akceptované normály je základním předpokladem pro spolehlivá měření a srovnatelnost výsledků, vývoj norem a standardů, zajištění kvality produktů a v neposlední řadě vzájemné uznávání poskytnutých (služebních) výkonů. Poskytnutí primárního normálu pro koncentraci počtu částic je úkolem národních metrologických ústavů. Není to trivialní. Různé typy částic, například spalovací částice nebo bakterie, vyžadují odlišné metody měření. V DFM jsme zřídili primární normál, který umožňuje kalibraci typických počítačových čítačů částic pro čisté prostory. Metody pro emisi částic moderních spalovacích motorů jsou v současnosti vyvíjeny například v mezinárodních projektech ve spolupráci s několika národními metrologickými ústavy. Jak již bylo řečeno: nejistoty měření jsou nevyhnutelné – musíme s nimi rozumně zacházet a technologicky je minimalizovat. Proto považujeme za jednu z největších výzev vypracovat spolehlivé normy.

Jaké přístupy sledujete, aby bylo možné zvládnout téma nejistoty měření?
Když se zabýváme nejistotami měření, musíme nejprve zvážit metody měření. Jejich princip funguje obvykle stejně u počítačových čítačů částic v čistých prostorách: zkoušený vzduch je nasáván a částice v něm jsou opticky měřeny. K tomu jsou ozářeny světlem. Rozptýlené světlo nám umožňuje odhadnout počet a velikost částic. Nejistoty měření do deseti procent jsou běžné. Problém je především v tom, že výrobci nemají předpisy ohledně použitých vlnových délek, tedy barvy světla. Tyto různé vlnové délky vytvářejí odlišnou intenzitu rozptylu a tím i odlišné výsledky. Ačkoliv to výrobci zohledňují, stále je kritické pro srovnatelnost výsledků, že kalibrace zákaznických zařízení je obvykle prováděna samotnými výrobci – tedy systémově interně. Náš přístup spočívá v zavedení neutrálních norem pro lepší srovnatelnost. Příklad: pro naše mezinárodně uznávané certifikáty používáme vlastní kontrolované testovací aerosoly a počítačové čítače částic jako primární normál. V mezinárodním srovnání s jinými národními metrologickými ústavy pravidelně potvrzujeme svou měřicí schopnost. Tím jsou výsledky měření transparentní a srovnatelné. Díky této zpětné vazbě vytváříme pro kalibrovaná koncová zařízení mezinárodní měřicí ekvivalenci, jakou například požaduje MRA. To nakonec přispívá ke zvyšování kvality. Firmy, které se tímto způsobem mohou certifikovat u uznávaného ústavu, profitují po celém světě ze své výhody umístění.

Jaké jsou podle vás největší budoucí výzvy v technologii čistých prostor?
Dosud jsme se především zabývali neživými částicemi, které již dnes zvládáme docela dobře. Jednou z velkých budoucích výzev bude měření živých částic. Tradiční počítačové čítače částic nedokážou rozlišit mezi prachem a bakteriemi. Určení bakteriální kontaminace se proto stále provádí počítáním částic mezi 0,5 a 5 mikrometry, což je běžná velikost bakterií, v kombinaci s testy kultivací. Abychom si byli jisti, že produkt není bakteriálně kontaminován, musí být do tří dnů po výrobě v závodě zadržován – právě tak dlouho, dokud není dokončena analýza kultivací na živných médiích. Nová generace přístrojů integruje měření pomocí UV záření. Využívají fluorescenční vlastnosti živých organismů. Měřené částice jsou tak zachycovány jak tradičně podle počtu a velikosti, tak podle jejich fluorescenčního signálu. Tyto inovativní vývoje představují pozitivní krok směrem k „reálnému času měření“. Nicméně mají stále několik nedostatků. UV měření je stále poměrně pomalé, takže obvykle lze zkontrolovat jen část nasátého vzduchu pomocí UV záření. Začleněním nejistot měření do tohoto procesu často nelze dosáhnout reprezentativního výsledku. V citlivých oblastech, jako je farmaceutický průmysl nebo lékařská technika, se tedy zpočátku stále nebude možné obejít bez testů kultivací a s tím spojené ztráty času – ale to je samozřejmě cílem. V metrologii již dnes pracujeme na nových kalibračních systémech a použitelných normách pro toto odvětví.

Co vlastně byla podnět k rozvoji moderní metrologie? A co dnes dokáže?
Metrologie je vlastně velmi stará věda, protože měření a počítání se děje již odjakživa: ať už šířka pole nebo velikost ovce. Měřicí jednotky však v průběhu času byly velmi odlišné. Například až do 18. století se jako základ pro délky používal často lidský tělo, například loket, stopa nebo krok. Problém spočíval v tom, že tyto jednotky často odkazovaly na živou osobu. Měřilo se například podle délky lokte aktuálního faraona nebo dokonce podle obvodu břicha panovníka. V samotném Francii bylo v 18. století asi 250 000 různých měřicích jednotek. S osvícenstvím a renesancí se začala objevovat touha po sjednocení měr – stejně tak ve vědě, politice i hospodářství. Protože pro obchod a výměnu znalostí přes hranice států je třeba jednotných standardů. Naše dnešní jednotná délková míra však ještě musela počkat až na Francouzskou revoluci, kde má svůj původ. Jako základ pro „první metr“ z roku 1799 byla hledána a nalezena neutrální a všem lidem stejná referenční jednotka: naše planeta Země. Metr měl být desetimiliontím dílem zemského čtvrtkruhu na poledníku přes Paříž. Dnes známe jak malou chybu měření, kterou tehdy vědci udělali, tak i skutečnost, že náš globus neodpovídá dokonalé kouli. Co však skutečně záleží, je myšlenka: jednotné, spolehlivé a uznávané měřítko, na jehož základě můžeme komunikovat přes hranice. Tento cíl sledujeme dodnes. Protože je to základní předpoklad našeho pokroku, který by bez norem a standardů – tj. bez srovnatelnosti a zajištění kvality přes hranice průmyslu a států – nebyl možný.

Přednáška „Umožnitelnost zpětného určení velikosti a koncentrace částic“ od Dr. Kai Dirscherla je 22. října 2013 součástí kongresu Cleanzone ve Frankfurtu nad Mohanem.