Kiedy lampa UV o długości fali 320 nm naświetla soczewkę z materiału COP (polimer cykloolefinowy), podstawowa zasada powodująca wzrost temperatury polega na-niepromienistej absorpcji energii fotonów w przejściu. Mówiąc najprościej, chociaż materiały COP mają doskonałą przepuszczalność światła ultrafioletowego, nie mogą przepuszczać 100% fotonów 320 nm. Energia uwięzionych fotonów nie może zniknąć z powietrza; zderzają się z cząsteczkami materiału, wywołując intensywne wibracje molekularne, przekształcając w ten sposób bezpośrednio energię świetlną w energię cieplną. Ponadto promieniowanie podczerwone towarzyszące źródłu światła (jeśli występuje) i przewodnictwo cieplne samego chipa LED również będą się nakładać, powodując wzrost temperatury soczewki.
Pracując w laboratoriach optycznych przez ponad dekadę, widziałem wiele przypadków, w których doszło do deformacji, a nawet przypalenia soczewki na skutek zaniedbania „efektu fototermicznego”. Pamiętam, jak testowałem-urządzenie utwardzające promieniami UV o dużej mocy; po prostu dlatego, że długość fali odchyliła się o 5 nm, pierwotnie przezroczysta soczewka stała się gorąca i pożółkła w ciągu kilku minut. To nauczyło mnie, że szczegóły decydują o sukcesie lub porażce. Zwłaszcza w przypadku pasm fal o wysokiej-energii, takich jak 320 nm, zrozumienie leżących u ich podstaw mechanizmów fizycznych jest ważniejsze niż samo patrzenie na tabele parametrów.
Wytwarzanie ciepła przez wibracje molekularne: Cząsteczki COP pochłaniają część energii fotonów UV, wywołując wibracje sieci, a mikroskopijna energia kinetyczna jest przekształcana w makroskopowe ciepło.
Nie-100% przepuszczalność światła: 320 nm to granica pasma UVB. COP ma nieodłączny współczynnik absorpcji w tym zakresie fal; im większa grubość, tym więcej ciepła jest pochłaniane.
Zmiana Stokesa: Część energii świetlnej po wzbudzeniu nie jest- ponownie emitowana w postaci światła, ale rozpraszana w postaci ciepła (relaksacja nie-promienista).
Źródło światła Promieniowanie cieplne: Jeśli proces pakowania koralików lampy UV jest nieodpowiedni, oprócz światła ultrafioletowego emitowane będzie również towarzyszące ciepło (pasmo podczerwieni).
Pozytywne opinie na temat starzenia się: Długotrwałe-naświetlanie prowadzi do starzenia się i żółknięcia materiału. Pożółkłe materiały pochłaniają więcej światła ultrafioletowego, co powoduje, że temperatura wymyka się- spod-kontroli.
Skupianie gęstości energii: Wysokie natężenie promieniowania (mW/cm²) oznacza, że energia zgromadzona na jednostkę objętości przekracza współczynnik rozpraszania ciepła wynikający z przewodnictwa cieplnego materiału.
Wielu znajomych inżynierów pyta, czy materiał COP nie jest nazywany tworzywem-klasy optycznej? Dlaczego nadal generuje ciepło? Właściwie trzeba to zacząć od świata mikroskopijnego.
Absorpcja energii fotonów i wibracje molekularne: zrozumienie wytwarzania ciepła z perspektywy mikroskopowej
Możesz sobie wyobrazić wiązkę światła UV jako niezliczone „kule energetyczne” lecące z dużą prędkością. Pojedynczy foton o długości fali 320 nm ma niezwykle wysoką energię. Kiedy te „pociski” przechodzą przez soczewkę COP, większość z nich przechodzi gładko, ale niewielka ich liczba zderza się z łańcuchami polimerowymi COP.
Te dotknięte cząsteczki są jak popychane i zaczynają gwałtownie „trząść się” lub „pocierać”. W fizyce nasilenie nieregularnego ruchu takich mikroskopijnych cząstek makroskopowo objawia się wzrostem temperatury. Jest to najbardziej podstawowy proces przekształcania energii świetlnej w energię wewnętrzną.
Zależność pomiędzy przepuszczalnością światła a współczynnikiem absorpcji materiałów COP w paśmie UVB
Chociaż COP jest prawie całkowicie przezroczysty dla światła widzialnego, sytuacja jest inna w paśmie ultrafioletowym.. 320nm należy do krawędzi pasma UVB (280nm - 315nm/320nm).
W tym paśmie fal materiały COP nie są całkowicie „niewidoczne”. Ma określony współczynnik absorpcji. Nawet jeśli współczynnik absorpcji wynosi tylko 5%, w przypadku lampy UV o dużej-gęstości mocy, te 5% energii zgromadzone w małej objętości soczewki wystarczy, aby spowodować wzrost temperatury o dziesiątki stopni w krótkim czasie.
Dominująca rola przejścia-bezpromienistego we wzroście temperatury
Jest to koncepcja, która brzmi akademicko, ale w rzeczywistości jest łatwa do zrozumienia. Gdy cząsteczki materiału pochłoną energię fotonów i przeskoczą do „stanu wzbudzonego”, muszą uwolnić tę energię, aby powrócić do „stanu stabilnego” (stanu podstawowego).
Wskazówka: „W układach optycznych zasada zachowania energii jest żelazną zasadą. Jeśli zaabsorbowana energia świetlna nie jest emitowana w postaci fluorescencji (przejścia radiacyjnego), wówczas prawie 100% jej zostanie zamienione na energię cieplną w wyniku wibracji siatki. Jest to-tak zwane przejście nie-promieniste, które jest także główną przyczyną nagrzewania się soczewki.”
Charakterystyka długości fali 320 nm i mechanizm interakcji optycznej z materiałami COP
Analiza charakterystyki fotonów-wysokoenergetycznych w paśmie UVB
Energia fotonu przy 320 nm wynosi około 3,88 eV (elektronowolt). To znacznie więcej niż energia niebieskiego lub zielonego światła, którą widzimy codziennie. Takie-fotony o wysokiej energii mogą potencjalnie rozrywać wiązania chemiczne.
W przypadku soczewek COP oznacza to, że są one poddawane nie tylko „napromieniowaniu światłem”, ale także bombardowaniu energią o-intensywności. Jeśli źródło światła jest zanieczyszczone i zmieszane ze światłem o krótszej-długości fali (np. poniżej 300 nm), wpływ nagrzewania i starzenia materiału wzrośnie wykładniczo.
Odpowiedź struktury molekularnej COP (polimer cykloolefinowy) na określone długości fal
Materiały COP cieszą się popularnością ze względu na niską nasiąkliwość i wysoką przezroczystość. Jednakże pewne wiązania chemiczne w ich strukturze molekularnej mogą „rezonować” ze światłem o długości fali 320 nm.
Gdy nastąpi absorpcja rezonansowa, energia świetlna zostanie w dużej mierze uwięziona. Różne gatunki COP (takie jak Zeonex lub Topas) zachowują się nieco inaczej przy 320 nm, ale ogólnie rzecz biorąc, w miarę przesuwania się długości fali w kierunku fal krótkich-przepuszczalność światła gwałtownie spada, a absorpcja ciepła odpowiednio gwałtownie wzrasta.
Zastosowanie-prawa Lamberta do obliczania grubości soczewki i pochłaniania ciepła
Działa tu proste prawo fizyczne-Prawo Piwa-Lamberta. Mówi nam, że absorbancja jest proporcjonalna do długości drogi przenikania światła (tj. grubości soczewki).
Mówiąc najprościej, im grubsza jest soczewka, tym mniej światła może przez nią przejść, a więcej światła jest „pochłaniane” i zamieniane na ciepło. Dlatego przy projektowaniu układu optycznego 320 nm zastosowanie możliwie najcieńszej soczewki jest prostą i skuteczną metodą inżynieryjną mającą na celu ograniczenie wzrostu temperatury.
Zmienne fizyczne wpływające na gwałtowny wzrost temperatury soczewek
Nie{0}}liniowa zależność między natężeniem promieniowania a akumulacją energii
Wiele osób błędnie uważa, że wzrost temperatury jest liniowy: im dłużej lampa jest włączona, tym robi się cieplej. W rzeczywistości jest to nie-liniowe.
Kiedy natężenie promieniowania (mW/cm²) osiągnie określony próg, ciepło wewnątrz materiału nie może zostać rozproszone w czasie poprzez konwekcję powierzchniową, a ciepło będzie „akumulować się” w środku soczewki. Nagromadzenie ciepła spowoduje gwałtowny wzrost lokalnej temperatury, tworząc „gorące punkty”, które są bardziej niebezpieczne niż równomierne nagrzewanie i mogą łatwo spowodować pęknięcie soczewki.
Wpływ trybu fali ciągłej (CW) i modulacji szerokości impulsu (PWM) na czas relaksacji termicznej
Jeśli lampa UV będzie włączona w sposób ciągły (tryb CW), soczewka nie będzie miała czasu „oddychania”.
Według porównawczych danych testowych z laboratoriów fototermicznych, przy tej samej średniej mocy, zastosowanie trybu impulsowego (PWM) z 50% cyklem pracy może obniżyć szczytową temperaturę powierzchni soczewki o 15% do 25% w porównaniu z trybem fali ciągłej. Dzieje się tak, ponieważ odstęp impulsów zapewnia materiałowi czas „relaksacji termicznej”, umożliwiając odprowadzenie ciepła.
Przesunięcie Stokesa: składnik utraty ciepła w efekcie fluorescencji
Czasami okaże się, że soczewki COP emitują słabe niebieskie światło pod wpływem intensywnego promieniowania UV; to jest efekt fluorescencji. Ale to nie jest dobra rzecz.
Nazywa się to przesunięciem Stokesa. Na przykład materiał pochłania światło o długości fali 320 nm i emituje fluorescencję o długości fali 400 nm. Gdzie podziała się różnica energii między nimi (światło 320 nm ma wyższą energię niż światło 400 nm)? Tak, całość jest zamieniana na ciepło i zatrzymywana w obiektywie.
Granice wydajności cieplnej i ryzyko awarii materiałów COP
Przywiązujemy dużą wagę do wzrostu temperatury, ponieważ materiały mają ograniczenia. Po przekroczeniu czerwonej linii konsekwencje będą poważne.
Każde tworzywo sztuczne ma „temperaturę mięknienia” zwaną temperaturą zeszklenia (Tg). W przypadku materiałów COP wynosi ona zwykle od 100 do 160 stopni (w zależności od gatunku).
Jeśli ciepło generowane przez promieniowanie o długości fali 320 nm spowoduje, że temperatura soczewki osiągnie wartość Tg, soczewka stanie się miękka. W wyniku uwolnienia naprężeń wewnętrznych precyzyjnie zaprojektowana zakrzywiona powierzchnia ulegnie lekkiemu zniekształceniu. W przypadku precyzyjnych systemów optycznych oznacza to odchylenie ścieżki optycznej i brak ostrości.
To błędne koło. Długotrwałe-naświetlanie światłem ultrafioletowym o długości fali 320 nm spowoduje przerwanie łańcuchów polimerowych COP, wygenerowanie wolnych rodników i spowodowanie żółknięcia materiału.
Pożółkła soczewka będzie miała gwałtowny wzrostw świetle UVszybkość wchłaniania. Oryginalnie przezroczysta soczewka staje się „pochłaniaczem ciepła”, a jej temperatura będzie znacznie wyższa niż nowej soczewki, co ostatecznie doprowadzi do przepalenia.
Znaczenie czystości widmowej (FWHM): ograniczenie pasożytniczego promieniowania podczerwonego
Koraliki do lamp UV-niskiej jakości emitują nie tylko światło ultrafioletowe o długości fali 320 nm, ale także dużą ilość towarzyszącego promieniowania podczerwonego (IR). Promieniowanie podczerwone to czyste promieniowanie cieplne-nie służy ono do utwardzania ani sterylizacji, a jedynie przyczynia się do nagrzania soczewki.
Wybierz producentów z dojrzałą technologią pakowania, s. Ich koraliki lampowe charakteryzują się wysoką czystością widmową i wąską pełną szerokością w połowie maksimum (FWHM), co minimalizuje niepotrzebne promieniowanie cieplne w podczerwieni i zasadniczo „ogranicza wytwarzanie ciepła”. Szczegółowe dane techniczne koralików świetlnych można znaleźć w sekcjiKoraliki lampowe UVA320nm: funkcje i zastosowania.
Wpływ oporu cieplnego opraw LED na temperaturę otoczenia i konwekcyjne rozpraszanie ciepła przez soczewkę
W wielu przypadkach nagrzewanie soczewki nie jest spowodowane promieniowaniem świetlnym, ale bezpośrednim przewodzeniem ciepła z znajdującego się pod spodem chipa LED.
Jeśli koralik świetlny LED ma wysoki opór cieplny, ciepło generowane przez chip nie może zostać skutecznie odprowadzone. To uwięzione ciepło ogrzewa otaczające powietrze, zamieniając przestrzeń wokół soczewki COP w „piekarnik”. W połączeniu z absorpcją ciepła z promieniowania świetlnego, temperatura soczewki nieuchronnie wzrośnie. Zastosowanie diod UV LED umieszczonych na podłożach ceramicznych o niskim oporze cieplnym umożliwia efektywne przekazywanie ciepła do radiatora, zapobiegając przenoszeniu ciepła w górę do soczewki.
Optymalizacja projektu optycznego: redukcja lokalnych gorących punktów poprzez regulację krzywizny obiektywu
Właściwa konstrukcja optyczna może mieć kluczowe znaczenie dla kontroli temperatury. Optymalizując krzywiznę soczewki, światło może przechodzić przez nią bardziej równomiernie, unikając nadmiernego skupiania energii na określonych obszarach soczewki. Rozproszenie gęstości energii bezpośrednio przekłada się na rozpraszanie koncentracji ciepła.
Normy pomiaru długości fali lampy UV i weryfikacji efektu cieplnego
Jak po zakupie lamp UV możemy sprawdzić, czy ich długość fali i efekty termiczne spełniają wymagania?
Precyzyjny pomiar szczytowej długości fali 320 nm przy użyciu sfery całkującej i spektrometru
Nigdy nie polegaj wyłącznie na specyfikacjach podanych na etykiecie. Niezbędne jest przeprowadzenie testów przy użyciu-precyzyjnego analizatora widma połączonego z kulą całkującą, aby potwierdzić, że szczytowa długość fali wynosi dokładnie około 320 nm. Jeśli długość fali zmieni się na 300 nm lub mniej, uszkodzenia materiałów COP będą wzrastać wykładniczo, a wynikający z tego wzrost temperatury będzie znacznie poważniejszy.
Zastosowanie technologii termowizyjnej w monitorowaniu rozkładu temperatury powierzchni soczewki COP
Nie ma potrzeby zgadywania temperatury-możemy ją bezpośrednio zwizualizować, używając kamery termowizyjnej na podczerwień do uchwycenia soczewki roboczej.
Przekonasz się, że ciepło rzadko jest rozprowadzane równomiernie; Środek soczewki jest zazwyczaj najgorętszym miejscem. Obrazowanie termowizyjne zapewnia wyraźny, intuicyjny obraz martwych stref rozpraszania ciepła, umożliwiając ukierunkowane dostosowanie kanałów powietrznych lub odległości źródeł światła w celu lepszego zarządzania ciepłem.
Q&A:
Przy dłuższej długości fali światło UV 365 nm ma stosunkowo niższą energię. Co więcej, materiały COP zazwyczaj wykazują lepszą przepuszczalność światła przy 365 nm niż przy 320 nm. Dlatego przy tej samej mocy optycznej wzrost temperatury wywołany naświetlaniem UV o długości fali 320 nm jest na ogół znacznie większy niż w przypadku naświetlania UV o długości fali 365 nm. Właśnie dlatego należy zwrócić większą uwagę na konstrukcję rozpraszania ciepła podczas korzystania z lamp UV 320 nm.
Tak, to jest niezwykle niebezpieczne. Diody LED mogą wystąpićprzesunięcie ku czerwieniLubniebieska zmianawraz ze wzrostem temperatury. Jeśli rozpraszanie ciepła jest niewystarczające, temperatura złącza wzrośnie, co prowadzi do dryfu długości fali. Dryft ten może przesunąć długość fali do pasma, w którym materiały COP mają wyższe współczynniki absorpcji, co skutkuje niekontrolowanym wzrostem temperatury.
Natężenie promieniowania maleje odwrotnie proporcjonalnie do kwadratu odległości wraz ze wzrostem odległości. Jest to proces-kompromisowy. Musisz znaleźć Asłodkie miejsce-odległość, która nie tylko zapewnia intensywność promieniowania UV wystarczającą do zakończenia zadań utwardzania lub sterylizacji, ale także utrzymuje temperaturę soczewki poniżej temperatury zeszklenia (Tg) poprzez konwekcję powietrza.
Wśród tworzyw sztucznych COP jest obecnie liderem. Chociaż będzie również generował ciepło w porównaniu z PMMA (który jest podatny na wchłanianie wilgoci i odkształcenie) i PC (który silnie pochłania światło ultrafioletowe), COP jest najlepszym wyborem, który równoważy przepuszczalność światła i odporność na ciepło. Jeśli budżet na to pozwala, szkło z topionej krzemionki jest z pewnością idealną opcją, ponieważ nie pochłania ciepła i nie ulega starzeniu. Jednak jego koszt jest kilkadziesiąt razy większy niż COP.
Podsumowując, wzrost temperatury soczewek COP wywołany naświetlaniem lampą UV o długości fali 320 nm jest zjawiskiem nieuniknionym w fotofizyce, którego nie można całkowicie wyeliminować, ale można go w pełni kontrolować.
https://www.benweilight.com/industrial-lighting/led-flood-light/uv-led-flood-light.html
http://www.benweilight.com/professional-oświetlenie/uv-oświetlenie/zewnętrzne-arena-stadion-oświetlenie-powódź-lights.html
http://www.benweilight.com/professional-oświetlenie/uv-oświetlenie/uv-światło-czarny-światło-na-halloween.html
