Kun 320 nm:n UV-lamppu säteilyttää COP (Cyclo Olefin Polymer) -materiaalista linssiä, lämpötilan nousun aiheuttava ydinperiaate on fotonienergian ei--säteilevä siirtymäabsorptio. Yksinkertaisesti sanottuna, vaikka COP-materiaaleilla on erinomainen ultraviolettivalon läpäisevyys, ne eivät voi päästää 100 % 320 nm:n fotoneista läpi. Noiden loukkuun jääneiden fotonien energia ei voi kadota tyhjästä; ne törmäävät materiaalimolekyyleihin aiheuttaen voimakasta molekyylivärähtelyä ja muuttaen siten valoenergian suoraan lämpöenergiaksi. Lisäksi valonlähdettä (jos sellaista on) mukana tuleva infrapunasäteily ja itse LED-sirun lämmönjohtavuus myös päällekkäin aiheuttaen linssin lämpötilan nousun.
Olen työskennellyt optisissa laboratorioissa yli vuosikymmenen ajan, ja olen nähnyt lukuisia tapauksia, joissa linssin muodonmuutoksia ja jopa palamista tapahtui "valotermisen vaikutuksen" huomiotta jättämisen vuoksi. Muistan kerran testaavani tehokasta-UV-kovetuslaitetta; yksinkertaisesti koska aallonpituus poikkesi 5 nm, alunperin läpinäkyvä linssi tuli polttavan kuumaksi ja kellastui muutamassa minuutissa. Tämä opetti minulle, että yksityiskohdat määräävät onnistumisen tai epäonnistumisen. Erityisesti käytettäessä suurien{5}}energisiä aaltokaistoja, kuten 320 nm, taustalla olevien fyysisten mekanismien ymmärtäminen on tärkeämpää kuin pelkkä parametritaulukoiden katsominen.
Lämmöntuotanto molekyylivärähtelyllä: COP-molekyylit absorboivat osan UV-fotonienergiasta, laukaisevat hilavärähtelyn, ja mikroskooppinen kineettinen energia muuttuu makroskooppiseksi lämmöksi.
Ei 100 % valonläpäisevyys: 320 nm on UVB-kaistan reunalla. COP:lla on luontainen absorptiokerroin tällä aaltokaistalla; mitä suurempi paksuus, sitä enemmän lämpöä imeytyy.
Stokes Shift: Osa valoenergiasta, kun se on viritetty, ei säteile takaisin{0}}valona, vaan haihtuu lämmön muodossa (ei--säteilyrelaksaatio).
Valonlähteen lämpösäteily: Jos UV-lampun helmien pakkausprosessi on huono, ultraviolettivalon lisäksi säteilee myös lämpöä (infrapuna-aaltoalue).
Ikääntymisen positiivinen palaute: Pitkäaikainen-säteilytys johtaa materiaalin vanhenemiseen ja kellastumiseen. Kellastuneet materiaalit absorboivat enemmän ultraviolettivaloa, mikä johtaa siihen, että lämpötila ei ole enää-hallinnassa.
Energiatiheyden tarkennus: Suuri irradianssi (mW/cm²) tarkoittaa, että tilavuusyksikköä kohti kertynyt energia ylittää materiaalin lämmönjohtavuuden lämmönpoistonopeuden.
Monet insinööriystävät kysyvät, eikö COP-materiaali tunneta "optisena-laatuisena" muovina? Miksi se edelleen tuottaa lämpöä? Itse asiassa tämän on aloitettava mikroskooppisesta maailmasta.
Fotonienergian absorptio ja molekyylivärinä: Lämmönmuodostuksen ymmärtäminen mikroskooppisesta näkökulmasta
Voit kuvitella UV-valonsäteen lukemattomina suurella nopeudella lentävänä "energialuotina". Yhdellä fotonilla, jonka aallonpituus on 320 nm, on erittäin korkea energia. Kun nämä "luodit" kulkevat COP-linssin läpi, suurin osa niistä kulkee läpi sujuvasti, mutta pieni osa törmää COP:n polymeeriketjuihin.
Nämä iskeytyneet molekyylit ovat kuin niitä työnnetään, ja ne alkavat "ravistella" tai "hankaa" rajusti. Fysiikassa tällaisten mikroskooppisten hiukkasten epäsäännöllisen liikkeen voimistuminen ilmenee makroskooppisesti lämpötilan nousuna. Tämä on yksinkertaisin prosessi valoenergian muuntamiseksi sisäiseksi energiaksi.
COP-materiaalien valonläpäisy- ja absorptiokertoimen suhde UVB-kaistalla
Vaikka COP on lähes täysin läpinäkyvä näkyvälle valolle, tilanne on toinen ultraviolettikaistalla. 320nm kuuluu UVB-kaistan reunaan (280nm - 315nm/320nm).
Tällä aaltoalueella COP-materiaalit eivät ole täysin "näkymättömiä". Sillä on tietty absorptiokerroin. Vaikka absorptionopeus on vain 5 % korkean -tehotiheyden UV-lampussa, tämä 5 % linssin pieneen tilavuuteen kertyneestä energiasta riittää aiheuttamaan kymmenien asteiden lämpötilan nousun lyhyessä ajassa.
Ei-{0}}säteilyn siirtymän hallitseva rooli lämpötilan nousussa
Tämä on käsite, joka kuulostaa akateemiselta, mutta on itse asiassa helppo ymmärtää. Kun materiaalimolekyylit absorboivat fotonienergiaa ja hyppäävät "herättyneeseen tilaan", niiden on vapautettava tämä energia palatakseen "vakaaseen tilaan" (perustilaan).
Kärki: "Optisissa järjestelmissä energian säilyminen on rautalaki. Jos absorboitunutta valoenergiaa ei lähetetä fluoresenssina (säteilysiirtymä), lähes 100 % siitä muuttuu lämpöenergiaksi hilavärähtelyn kautta. Tämä on ns. -ei--säteilyn siirtymä, ja se on myös pääsyyllinen linssin lämpenemiseen."
320 nm aallonpituuden ominaisuudet ja optinen vuorovaikutusmekanismi COP-materiaalien kanssa
UVB-kaistan korkean{0}}energisen fotonien ominaisanalyysi
Fotonienergia 320 nm:ssä on noin 3,88 eV (elektronivolttia). Tämä on paljon suurempi kuin sinisen tai vihreän valon energia, jota näemme päivittäin. Tällaiset korkeaenergiset{4}}fotonit voivat rikkoa kemiallisia sidoksia.
COP-linssien osalta tämä tarkoittaa, että niihin ei kohdistu vain "valosäteilyä" vaan myös voimakasta{0}}energiapommittelua. Jos valonlähde on epäpuhdasta ja siihen on sekoitettu lyhyemmän -aallonpituuden valoa (kuten alle 300 nm), materiaalin kuumennus- ja vanhenemisvaikutukset lisääntyvät eksponentiaalisesti.
COP (Cyclo Olefin Polymer) -molekyylirakenteen vaste tietyille aallonpituuksille
COP-materiaalit ovat suosittuja alhaisen veden imeytymiskykynsä ja korkean läpinäkyvyytensä vuoksi. Tietyt kemialliset sidokset niiden molekyylirakenteessa voivat kuitenkin "resonoida" 320 nm:n valossa.
Kun resonanssiabsorptio tapahtuu, valoenergia jää suurelta osin loukkuun. Eri COP-laadut (kuten Zeonex tai Topas) toimivat hieman eri tavalla 320 nm:ssä, mutta kaiken kaikkiaan, kun aallonpituus siirtyy lyhyen -aallon suuntaan, valonläpäisykyky laskee jyrkästi ja lämmön absorptio kasvaa jyrkästi vastaavasti.
Beer{0}}Lambertin lain soveltaminen linssin paksuuden ja lämmön absorption laskemiseen
Täällä toimii yksinkertainen fyysinen laki-Beer-Lambert Law. Se kertoo meille, että absorbanssi on verrannollinen valon tunkeutumisen polun pituuteen (eli linssin paksuuteen).
Yksinkertaisesti sanottuna, mitä paksumpi linssi on, sitä vähemmän valoa pääsee läpi ja sitä enemmän valoa "absorboituu" ja muuttuu lämmöksi. Siksi 320 nm:n optista järjestelmää suunniteltaessa linssin tekeminen mahdollisimman ohueksi on yksinkertainen ja tehokas suunnittelumenetelmä lämpötilan nousun vähentämiseksi.
Fyysiset muuttujat, jotka vaikuttavat linssien voimakkaaseen lämpötilan nousuun
Säteilyvoiman ja energian kertymisen epälineaarinen suhde-
Monet ihmiset uskovat virheellisesti, että lämpötilan nousu on lineaarista: mitä kauemmin lamppu on päällä, sitä kuumemmaksi se kuumenee. Itse asiassa se ei ole-lineaarinen.
Kun irradianssi (mW/cm²) saavuttaa tietyn kynnyksen, materiaalin sisällä oleva lämpö ei pääse hajaantumaan pintakonvektion kautta ajoissa, ja lämpö "kertyy" linssin keskelle. Tämä lämmön kerääntyminen johtaa paikallisen lämpötilan voimakkaaseen nousuun, jolloin muodostuu "kuumia kohtia", jotka ovat vaarallisempia kuin tasainen kuumennus ja voivat helposti aiheuttaa linssin halkeilun.
Jatkuvan aallon (CW) ja pulssin leveysmodulaation (PWM) vaikutus lämpörentoutumisaikaan
Jos UV-lamppua pidetään jatkuvasti päällä (CW-tila), linssillä ei ole "hengitysaikaa".
Valotermisten laboratorioiden vertailevien testitietojen mukaan samalla keskiteholla pulssi-ajotilan (PWM) käyttö 50 %:n käyttöjaksolla voi alentaa linssin pintalämpötilan huippua 15-25 % jatkuvan aallon tilaan verrattuna. Tämä johtuu siitä, että pulssiväli tarjoaa materiaalille "termisen rentoutumisajan", jolloin lämpö pääsee joutumaan ulos.
Stokes Shift: lämpöhäviökomponentti fluoresenssiefektissä
Joskus huomaat, että COP-linssit lähettävät heikkoa sinistä valoa voimakkaassa UV-säteilyssä; tämä on fluoresenssivaikutus. Mutta tämä ei ole hyvä asia.
Tätä kutsutaan Stokes Shiftiksi. Esimerkiksi materiaali absorboi 320 nm valoa ja emittoi 400 nm fluoresenssia. Mihin niiden välinen energiaero (320nm valossa on enemmän energiaa kuin 400nm valossa) menee? Kyllä, kaikki se muuttuu lämmöksi ja pysyy linssissä.
COP-materiaalien lämpösuorituskyvyn rajat ja vikariskit
Kiinnitämme niin paljon huomiota lämpötilan nousuun, koska materiaaleilla on rajansa. Kun punainen viiva ylitetään, seuraukset ovat vakavat.
Jokaisella muovilla on "pehmenemispiste", jota kutsutaan lasittumislämpötilaksi (Tg). COP-materiaaleille se on yleensä 100 asteen ja 160 asteen välillä (laadusta riippuen).
Jos 320 nm:n säteilyn tuottama lämpö saa linssin lämpötilan lähestymään Tg:tä, linssistä tulee pehmeä. Sisäisen jännityksen vapautumisen vuoksi tarkasti suunniteltu kaareva pinta vääristyy hieman. Tarkkuusoptisissa järjestelmissä tämä tarkoittaa, että optinen reitti poikkeaa ja tarkennus epäonnistuu.
Tämä on noidankehä. Pitkäaikainen-säteilytys 320 nm:n ultraviolettivalolla rikkoo COP:n polymeeriketjut, synnyttää vapaita radikaaleja ja saa materiaalin kellastumaan.
Kellastunut linssi kasvaa jyrkästiUV-valossaabsorptionopeus. Alunperin läpinäkyvästä linssistä tulee "lämmön vaimentaja", ja sen lämpötila on paljon korkeampi kuin uuden linssin, mikä johtaa lopulta loppuunpalamiseen.
Spektripuhtauden merkitys (FWHM): Infrapunaloissäteilyn vähentäminen
Huono-laatuiset UV-lamppuhelmet lähettävät paitsi 320 nm:n ultraviolettivaloa, myös suuren määrän infrapunasäteilyä (IR). Infrapunasäteily on puhdasta lämpösäteilyä-se ei ole tarkoitettu kovetukseen tai sterilointiin ja ainoastaan edistää linssin kuumenemista.
Valitse valmistajat, joilla on kypsä pakkaustekniikka. Heidän lamppuhelmissään on korkea spektripuhtaus ja kapea koko leveys puolet maksimista (FWHM), mikä minimoi turhan infrapunalämpösäteilyn ja "vähentää lämmöntuotantoa". Katso yksityiskohtaiset lampun helmien tekniset tiedotUVA320nm lampun helmet: Ominaisuudet ja sovellukset.
LED-paketin lämpövastuksen vaikutus ympäristön lämpötilaan ja linssin konvektiiviseen lämmönpoistoon
Monissa tapauksissa linssin kuumeneminen ei johdu valosäteilystä vaan suorasta lämmön johtumisesta alla olevasta LED-sirun kautta.
Jos LED-lampun helmalla on korkea lämpövastus, sirun tuottamaa lämpöä ei voida tehokkaasti haihduttaa. Tämä loukkuun jäänyt lämpö lämmittää ympäröivää ilmaa ja muuttaa COP-linssin ympärillä olevan tilan "uuniksi". Yhdessä valosäteilyn lämmön absorption kanssa linssin lämpötila nousee väistämättä kohoamaan. Keraamisille alustoille, joilla on alhainen lämpövastus, pakatut UV-LEDit mahdollistavat tehokkaan lämmönsiirron jäähdytyselementtiin, mikä estää lämmön siirtymisen ylöspäin linssiin.
Optisen suunnittelun optimointi: Paikallisten kuumapisteiden vähentäminen linssin kaarevuuden säädön avulla
Oikea optinen suunnittelu voi olla kriittinen lämpötilan hallinnassa. Optimoimalla linssin kaarevuus valo voi kulkea linssin läpi tasaisemmin, jolloin vältetään liiallisen energian keskittyminen linssin tietyille alueille. Hajottava energiatiheys tarkoittaa suoraan hajaantuvaa lämpöpitoisuutta.
UV-lampun aallonpituuden mittaus- ja lämpövaikutuksen varmistusstandardit
Kuinka voimme varmistaa UV-lamppujen ostamisen jälkeen, että niiden aallonpituus ja lämpövaikutukset vastaavat vaatimuksia?
320 nm:n huippuaallonpituuden tarkka mittaus integroivalla pallolla ja spektrometrillä
Älä koskaan luota pelkästään merkittyihin teknisiin tietoihin. On välttämätöntä suorittaa testejä käyttämällä korkean-tarkkuuden spektrianalysaattoria, joka on yhdistetty integroivaan palloon, jotta varmistetaan, että huippuaallonpituus on tarkasti noin 320 nm. Jos aallonpituus siirtyy 300 nm:iin tai pienemmäksi, COP-materiaalien vauriot lisääntyvät eksponentiaalisesti ja tuloksena oleva lämpötilan nousu tulee paljon vakavammaksi.
Lämpökuvaustekniikan soveltaminen COP-linssin pintalämpötilan jakautumisen seurantaan
Lämpötilaa ei tarvitse arvata,{0}}voimme visualisoida sen suoraan käyttämällä infrapunalämpökameraa leikkauslinssin kuvaamiseen.
Tulet huomaamaan, että lämpö jakautuu harvoin tasaisesti; linssin keskikohta on tyypillisesti kuumin kohta. Lämpökuvaus tarjoaa selkeän, intuitiivisen kuvan lämmönpoiston kuolleista vyöhykkeistä, mikä mahdollistaa kohdistetut säädöt ilmakanaviin tai valonlähteiden etäisyyksiin parantamaan lämmönhallintaa.
Q&A:
Pidemmällä aallonpituudella 365 nm UV-valolla on suhteellisen pienempi energia. Lisäksi COP-materiaaleilla on tyypillisesti parempi valonläpäisevyys 365 nm:ssä kuin 320 nm:ssä. Siksi samalla optisella teholla 320 nm UV-säteilyn aiheuttama lämpötilan nousu on yleensä merkittävästi korkeampi kuin 365 nm UV-säteilyn aiheuttama lämpötilan nousu. Juuri tästä syystä lämmönpoistosuunnitteluun tulisi kiinnittää enemmän huomiota käytettäessä 320 nm UV-lamppuja.
Kyllä, se on erittäin vaarallista. LEDit voivat kokeapunainen muutostaisininen vaihtokun lämpötila nousee. Jos lämmön hajoaminen on riittämätöntä, liitoslämpötila nousee, mikä johtaa aallonpituuden siirtymiseen. Tämä ajautuminen voi siirtää aallonpituuden kaistalle, jossa COP-materiaalien absorptionopeus on korkeampi, mikä johtaa hallitsemattomaan lämpötilan nousuun.
Irradianssi pienenee käänteisesti suhteessa etäisyyden neliöön etäisyyden kasvaessa. Tämä on-vaihtoprosessi. Sinun täytyy löytää amakea paikka-etäisyys, joka varmistaa riittävän UV-intensiteetin kovetus- tai sterilointitehtävien suorittamiseen, mutta myös pitää linssin lämpötilan lasittumislämpötilansa (Tg) alapuolella ilman konvektiolla.
Muovimateriaaleista COP on tällä hetkellä paras. Vaikka se tuottaa myös lämpöä, verrattuna PMMA:han (joka on altis kosteuden imeytymiselle ja muodonmuutoksille) ja PC:hen (joka absorboi voimakkaasti ultraviolettivaloa), COP on paras valinta, joka tasapainottaa valonläpäisevyyttä ja lämmönkestävyyttä. Jos budjetti sallii, sulatettu piidioksidilasi on varmasti ihanteellinen vaihtoehto, koska se ei ime lämpöä eikä vanhene. Sen hinta on kuitenkin kymmeniä kertoja COP:iin verrattuna.
Yhteenvetona voidaan todeta, että 320 nm UV-lamppusäteilyn aiheuttama COP-linssien lämpötilan nousu on väistämätön ilmiö fotofysiikassa, jota ei voida täysin eliminoida, mutta se voidaan täysin hallita.
https://www.benweilight.com/industrial-lighting/led-flod-light/uv-led-flod-light.html
http://www.benweilight.com/professional-lighting/uv-lighting/outdoor-areena-stadion-lighting-flod-lights.html
http://www.benweilight.com/professional-lighting/uv-lighting/uv-light-black-light-for-halloween.html
