Wywiad z Dr. Kai Dirscherl na temat jego wystąpienia na Kongresie Cleanzone we Frankfurcie

Dr. Kai Dirscherl

Rückführbarkeit wymaga jednolitych miar i wiarygodnych metod pomiarowych. Bez nich nie byłoby możliwe międzynarodowe porównanie systemów zapewniania jakości w technologii czystych pomieszczeń. Metrolog Dr. Kai Dirscherl mówi na Kongresie Cleanzone (22. - 23. października 2013) o radzeniu sobie z niepewnościami pomiarowymi, o znaczeniu międzynarodowych norm oraz o tym, co owce mają wspólnego z jego dziedziną badawczą. W rozmowie osobistej naukowiec wstępnie przedstawia swój wykład „Rückführbarkeit von Partikelgröße und -anzahlkonzentration”, który wygłosi pierwszego dnia kongresu we Frankfurcie.

Pan Dr. Dirscherl, co oznacza pojęcie Rückführbarkeit?
Rückführbarkeit w metrologii opisuje podstawową cechę dotyczącą obsługi wyników pomiarów: wynik możliwy do odtworzenia charakteryzuje się nieprzerwaną serią porównawczych pomiarów, z których każdy ma znaną niepewność pomiarową. Ta seria pomiarów odnosi się do uznanego normalnego wzorca, czyli do przedmiotu porównania, materiału porównawczego lub przyrządu pomiarowego.

Jesteś naukowcem i menedżerem ds. jakości w Danmarks Nationale Metrologiinstitut (DFM) w Lyngby. Jakie jest Twoje pole działalności i z czym masz do czynienia w technologii czystych pomieszczeń?
Od około siedmiu lat pracuję w kilku obszarach DFM. Od połowy tego roku jednym z moich głównych zadań jest koordynacja naszego nowego działu metrologii cząstek. Temat ten dotychczas był częścią działu nanometrologii, gdzie mamy powiązania z przemysłem mikro-, telekomunikacyjnym i półprzewodnikowym. Ogólnie rzecz biorąc, temat metrologii cząstek zyskuje coraz większe znaczenie. Zwłaszcza w przemyśle farmaceutycznym, ale także w innych interesujących dziedzinach zastosowań, rośnie zapotrzebowanie na międzynarodowe, jednolite i wiarygodne normy pomiaru cząstek i ich dokumentacji. W związku z tym zdecydowaliśmy się utworzyć odrębny dział specjalistyczny.

Jakie aktualne zadania realizuje metrologia w zakresie technologii czystych pomieszczeń?
Mówi się często: „Kto dużo mierzy, ten mierzy bzdury”. Ten luźny powiedzenie opisuje jednak sytuację, która wymaga naszej uwagi. Im mniejsze wielkości pomiarowe i im więcej oraz dokładniej musimy mierzyć, tym bardziej minimalne odchylenia mają znaczenie. Na przykład każdy licznik cząstek, jak każde inne narzędzie pomiarowe, jest narażony na niepewność pomiaru. Musimy więc żyć z pewną tolerancją błędu i tę wiedzę posiadać. Ponadto rosną wymagania jakościowe. Obecnie przemysł musi jeszcze bardziej niż wcześniej dokumentować czystość swoich produktów i urządzeń dla klientów. Do tego nie należy tylko sam pomiar, ale także kalibracja urządzeń wraz z dowodami ich zdolności pomiarowych. Firmy pilnie potrzebują certyfikatów powszechnie uznawanych. W tym zakresie zaczyna działać Międzynarodowa Umowa o Wzajemnym Uznawaniu (CIPM MRA) z 1999 roku. Międzynarodowa umowa o wzajemnym uznawaniu wyników pomiarów stanowi, że podpisujące kraje akceptują certyfikaty odpowiednich instytutów krajowych. W ten sposób powstał bardzo ważny instrument handlowy do eliminacji technicznych barier handlowych w sektorze regulowanym państwowo. Nowoczesna metrologia ma za zadanie tworzyć warunki do takich umów, czyli opracowywać uniwersalne normy, dostarczać zweryfikowane metody pomiarowe i uznane certyfikaty.

Jaka jest największa trudność w tym procesie?
Rückführbarkeit wielkości pomiarowych do ogólnie obowiązujących i akceptowanych norm jest podstawowym warunkiem wiarygodnych pomiarów i porównywalności wyników, opracowania norm i standardów, zapewnienia jakości produktów, a także wzajemnego uznawania świadczonych usług. Dostarczenie wzorca pierwotnego dla koncentracji cząstek jest zadaniem instytutów metrologicznych. Nie jest to trywialne. Różne typy cząstek, na przykład cząstki spalania czy bakterie, wymagają innych metod pomiarowych. W DFM opracowaliśmy wzorzec pierwotny, który umożliwia kalibrację typowych liczników cząstek do czystych pomieszczeń. Metody pomiaru emisji cząstek nowoczesnych silników spalinowych są obecnie opracowywane m.in. w międzynarodowych projektach wspólnie z kilkoma instytutami metrologicznymi. Jak już wspomniano: niepewności pomiarowe są nieuniknione – musimy tylko mądrze z nimi postępować i technicznie je minimalizować. Dlatego jednym z naszych największych wyzwań jest opracowanie wiarygodnych norm w tym zakresie.

Jakie podejścia stosujesz, aby uczynić temat niepewności pomiaru bardziej zrozumiałym?
Gdy zajmujemy się niepewnościami pomiarowymi, najpierw musimy przyjrzeć się metodom pomiarowym. Ich zasada działa zazwyczaj tak samo dla liczników cząstek w czystych pomieszczeniach: badane powietrze jest zasysane, a cząstki w nim są optycznie mierzone. Do tego używa się światła. Rozproszone światło pozwala nam wywnioskować liczbę i rozmiar cząstek. Niepewności pomiarowe do dziesięciu procent mieszczą się w zakresie normy. Problem pojawia się głównie dlatego, że producenci nie mają wytycznych dotyczących długości fal używanego światła, czyli koloru światła. To powoduje różne jasności rozproszenia i różne wyniki. Chociaż producenci uwzględniają to, nadal krytyczne dla porównywalności wyników jest to, że kalibracja urządzeń klienta zwykle odbywa się przez producenta – czyli wewnętrznie. Nasze podejście polega na wypracowaniu neutralnych norm dla lepszej porównywalności. Przykład: do naszych międzynarodowo uznawanych certyfikatów używamy własnych kontrolowanych aerozoli testowych i liczników cząstek jako wzorców pierwotnych. W międzynarodowych porównaniach z innymi instytutami metrologicznymi regularnie potwierdzamy nasze zdolności pomiarowe. Dzięki temu wyniki pomiarów są transparentne i porównywalne. Ta rückführbarkeit zapewnia międzynarodową równoważność pomiarów dla skalibrowanych urządzeń końcowych, tak jak wymaga tego MRA. Ostatecznie korzysta na tym zapewnienie jakości. Firmy, które mogą się certyfikować w ten sposób przez uznany instytut, zyskują na korzyściach globalnie, korzystając z przewagi lokalizacji.

Jakie są, z Twojej perspektywy, największe przyszłe wyzwania w technologii czystych pomieszczeń?
Dotychczas mówiliśmy głównie o martwych cząstkach, które dziś już dość dobrze kontrolujemy. Jednym z dużych przyszłych wyzwań będzie pomiar cząstek żywych. Tradycyjne liczniki cząstek nie potrafią odróżnić kurzu od bakterii. Określenie kontaminacji bakteryjnej wciąż odbywa się przez liczenie cząstek od 0,5 do 5 mikrometrów, czyli typowego rozmiaru bakterii, w połączeniu z testami na kulturach. Aby mieć pewność, że produkt nie jest bakteryjnie skażony, musi być odstawiony do czasu zakończenia analizy kultur – do trzech dni po produkcji. Nowa generacja instrumentów integruje pomiar za pomocą światła UV. Wykorzystują one fluorescencyjną właściwość żywych substancji. Mierzone cząstki są rejestrowane zarówno klasycznie – przez liczbę i rozmiar, jak i przez sygnał fluorescencyjny. Te innowacje to pozytywny krok w kierunku „pomiaru w czasie rzeczywistym”. Jednak nadal mają pewne słabości. Pomiar UV jest dość wolny, więc zwykle można sprawdzić jedynie część zasysanej powietrza. Uwzględniając niepewność pomiaru, często nie można uzyskać reprezentatywnego wyniku. W wysokosensytywnych dziedzinach, takich jak przemysł farmaceutyczny czy medyczny, na początku nadal nie można zrezygnować z testów kultur i związanej z tym straty czasu – ale to jest oczywiście celem. W metrologii już dziś pracujemy nad nowymi systemami kalibracji i obowiązującymi normami dla tego obszaru.

Co właściwie było impulsem do rozwoju nowoczesnej metrologii? I co ona dzisiaj osiąga?
Metrologia jest właściwie bardzo starą nauką, ponieważ pomiar i liczenie istniały od zawsze: czy to szerokość pola, czy wielkość stada owiec. Miary stosowane w tym celu były jednak w ciągu czasu bardzo różne. Na przykład aż do XVIII wieku za podstawę długości zwykle przyjmowano ciało ludzkie, takie jak łokieć, stopa czy krok. Problem polegał na tym, że te jednostki często były przypisane do żyjącej osoby. Mierzono więc na przykład długość łokcia urzędującego faraona lub obwód brzucha danego władcy. Tylko we Francji w XVIII wieku istniało około 250 000 różnych jednostek miar. Wraz z odrodzeniem epoki oświecenia powoli pojawiło się pragnienie ujednolicenia miar – zarówno w nauce, polityce, jak i gospodarce. Ponieważ do wymiany towarów i wiedzy ponad granicami parceli i państw potrzebne są jednolite normy. Nasza dzisiejsza jednolita długość metra musiała jeszcze poczekać na rewolucję francuską, z której się wywodzi. Jako podstawę „pierwotnego metra” z 1799 roku wybrano neutralną i powszechnie dostępną jednostkę odniesienia: naszą kulę ziemską. Metrem miała być 10-milionowa część kwadrantu Ziemi na południku przechodzącym przez Paryż. Obecnie znamy zarówno drobny błąd pomiarowy, który popełnili wtedy naukowcy, jak i fakt, że nasza planeta nie jest idealną kulą. Jednak najważniejsza jest idea: jednolity, wiarygodny i uznany pomiar, na podstawie którego możemy komunikować się ponad granicami. Tego dążenia trzymamy się do dziś. Ponieważ jest to podstawowe warunki naszego postępu, który bez norm i standardów – czyli bez porównywalności i zapewnienia jakości na poziomie międzynarodowym – byłby niemożliwy.

Wykład „Rückführbarkeit von Partikelgröße und -anzahl-konzentration” Dr. Kai Dirscherla będzie można wysłuchać 22 października 2013 roku na Kongresie Cleanzone we Frankfurcie nad Menem.