Kui 320 nm UV-lamp kiiritab COP-materjalist (Cyclo Olefin Polymer) läätse, on temperatuuri tõusu põhjustav põhiprintsiip footonenergia mitte--kiirgusliku ülemineku neeldumises. Lihtsamalt öeldes, kuigi COP-materjalidel on suurepärane ultraviolettvalguse läbilaskvus, ei saa nad 100% 320 nm footonitest läbi lasta. Nende lõksus olevate footonite energia ei saa õhust kaduda; nad põrkuvad materjali molekulidega, vallandades intensiivse molekulaarse vibratsiooni, muutes seeläbi valguse energia otse soojusenergiaks. Lisaks kaasnevad valgusallikaga (kui see on olemas) kaasnev infrapunakiirgus ja LED-kiibi enda soojusjuhtivus, mis põhjustab läätse temperatuuri tõusu.
Olles töötanud optikalaborites üle kümne aasta, olen näinud arvukalt juhtumeid, kus "fototermilise efekti" tähelepanuta jätmise tõttu tekkis läätsede deformatsioon ja isegi kõrvetamine. Mäletan, et kunagi katsetasin suure võimsusega-UV-kõvastumisseadet; lihtsalt sellepärast, et lainepikkus kaldus kõrvale 5 nm, muutus algselt läbipaistev lääts mõne minuti jooksul kõrvetavalt kuumaks ja kollaseks. See õpetas mulle, et üksikasjad määravad edu või ebaõnnestumise. Eriti kui tegemist on suure-energiaga lainealadega, nagu 320 nm, on nende aluseks olevate füüsiliste mehhanismide mõistmine olulisem kui lihtsalt parameetritabelite vaatamine.
Soojuse genereerimine molekulaarvibratsiooni abil: COP-molekulid neelavad osa UV-fotonienergiast, käivitades võre vibratsiooni ja mikroskoopiline kineetiline energia muundatakse makroskoopiliseks soojuseks.
Mitte100% valguse läbilaskvus: 320 nm on UVB riba serval. COP-l on sellel lainealal omane neeldumistegur; mida suurem on paksus, seda rohkem soojust neeldub.
Stokesi vahetus: osa valgusenergiast ei eraldu pärast ergastamist tagasi-valguse kujul, vaid hajub soojusena (mitte-kiirguslik lõõgastus).
Valgusallika soojuskiirgus: Kui UV-lambi helmeste pakkimisprotsess on halb, kiirgatakse lisaks ultraviolettvalgusele ka kaasnevat soojust (infrapuna-laineala).
Vananemise positiivne tagasiside: Pikaajaline{0}}kiirgus põhjustab materjali vananemist ja kollasust. Kollastunud materjalid neelavad rohkem ultraviolettvalgust, mille tulemuseks on temperatuur veelgi enam kontrollimatu-
Energiatiheduse fokuseerimine: Suur kiirgustihedus (mW/cm²) tähendab, et ruumalaühiku kohta kogunev energia ületab materjali soojusjuhtivuse soojuse hajumise kiirust.
Paljud inseneridest sõbrad küsivad, kas COP-materjali ei tunta mitte optilise{0}}klassi plastikuna? Miks see ikkagi soojust tekitab? Tegelikult peab see algama mikroskoopilisest maailmast.
Footonienergia neeldumine ja molekulaarne vibratsioon: soojuse tekke mõistmine mikroskoopilisest vaatenurgast
UV-kiirt võib ette kujutada kui lugematuid suurel kiirusel lendavaid "energiakuule". Üksik footon lainepikkusega 320 nm on äärmiselt kõrge energiaga. Kui need "kuulid" läbivad COP-läätse, siis enamik neist läbib sujuvalt, kuid väike osa põrkab kokku COP-i polümeerahelatega.
Need mõjutatud molekulid on nagu surutud, hakkavad ägedalt "raputama" või "hõõruma". Füüsikas väljendub selliste mikroskoopiliste osakeste ebaregulaarse liikumise intensiivistumine makroskoopiliselt temperatuuri tõusuna. See on kõige elementaarsem protsess valgusenergia muundamiseks siseenergiaks.
UVB-riba COP-materjalide valguse läbilaskvuse ja neeldumisteguri vaheline seos
Kuigi COP on nähtavale valgusele peaaegu täielikult läbipaistev, on olukord ultraviolettriba . 320nm puhul, mis kuulub UVB-riba serva (280nm - 315nm/320nm) teistsugune.
Sellel lainealal ei ole COP materjalid täiesti "nähtamatud". Sellel on teatud neeldumistegur. Isegi kui suure võimsustihedusega UV-lambi neeldumismäär on vaid 5%, on see 5% läätse väikeses mahus ladestunud energiast piisav, et temperatuur tõuseks lühikese aja jooksul kümneid kraadi võrra.
Mitte-{0}}kiirgusliku ülemineku domineeriv roll temperatuuritõusus
See on kontseptsioon, mis kõlab akadeemiliselt, kuid mida on tegelikult lihtne mõista. Pärast seda, kui materjalimolekulid neelavad footoni energia ja hüppavad "ergastatud olekusse", peavad nad selle energia vabastama, et naasta "stabiilsesse olekusse" (alusseisund).
Näpunäide: "Optilistes süsteemides on energiasäästlikkus raudseadus. Kui neeldunud valgusenergiat ei eraldu fluorestsentsina (kiirguse üleminek), siis peaaegu 100% sellest muundatakse võre vibratsiooni kaudu soojusenergiaks. See on nn -mitte-kiirguse üleminek ja see on ka peamine läätse kuumenemise põhjus."
320 nm lainepikkuse karakteristikud ja optiline interaktsiooni mehhanism COP materjalidega
UVB-riba suure-energiaga fotonikarakteristiku analüüs
Footonite energia lainepikkusel 320 nm on ligikaudu 3,88 eV (elektronvolti). See on palju suurem kui sinise või rohelise valguse energia, mida me iga päev näeme. Sellised suure{4}energiaga footonid võivad keemilisi sidemeid lõhkuda.
COP-läätsede puhul tähendab see, et need ei allu mitte ainult "valguskiirgusele", vaid ka suure{0}}intensiivsusega energiapommitamisele. Kui valgusallikas on ebapuhas ja segatud lühema-lainepikkusega valgusega (näiteks alla 300 nm), suureneb materjali kuumenemine ja vananemine eksponentsiaalselt.
COP (Cyclo Olefin Polymer) molekulaarstruktuuri reaktsioon kindlatele lainepikkustele
COP-materjalid on populaarsed nende vähese veeimavuse ja suure läbipaistvuse tõttu. Kuid teatud keemilised sidemed nende molekulaarstruktuuris võivad "resoneerida" 320 nm valgusega.
Kui resonantsne neeldumine toimub, jääb valgusenergia suures osas kinni. Erinevad COP-klassid (nagu Zeonex või Topas) toimivad 320 nm juures veidi erinevalt, kuid üldiselt langeb lainepikkuse nihkumisel lühikese laine suunas valguse läbilaskvus järsult ja soojuse neeldumine suureneb vastavalt.
Õlle{0}}Lamberti seaduse rakendamine läätse paksuse ja soojuse neeldumise arvutamisel
Siin toimib lihtne füüsiline seadus-Beer-Lamberti seadus. See ütleb meile, et neeldumine on võrdeline valguse läbitungimise tee pikkusega (st läätse paksusega).
Lihtsamalt öeldes, mida paksem on teie objektiiv, seda vähem valgust läbib ja seda rohkem valgust "neeldub" ja muundatakse soojuseks. Seetõttu on 320 nm optilise süsteemi projekteerimisel objektiivi võimalikult õhukeseks muutmine lihtne ja tõhus insenerimeetod temperatuuri tõusu vähendamiseks.
Füüsilised muutujad, mis mõjutavad läätsede järsku temperatuuritõusu
Kiirituse ja energia kogunemise vaheline mittelineaarne suhe-
Paljud inimesed arvavad ekslikult, et temperatuuri tõus on lineaarne: mida kauem lamp põleb, seda kuumemaks see läheb. Tegelikult pole see-lineaarne.
Kui kiirgustihedus (mW/cm²) jõuab teatud künnise, ei saa materjali sees olev soojus pinnakonvektsiooni kaudu õigeaegselt hajuda ja soojus "akumuleerub" läätse keskele. See soojuse akumuleerumine põhjustab kohaliku temperatuuri järsu tõusu, moodustades "kuumad kohad", mis on ohtlikumad kui ühtlane kuumutamine ja võivad kergesti põhjustada läätse pragunemist.
Pideva laine (CW) ja impulsi laiuse modulatsiooni (PWM) režiimide mõju termilisele lõdvestusajale
Kui UV-lampi hoitakse pidevalt sisse lülitatud (CW režiim), ei ole objektiivil "hingamisaega".
Fototermiliste laborite võrdluskatsete andmetel võib sama keskmise võimsuse korral impulss- (PWM) sõidurežiimi kasutamine 50% töötsükliga vähendada läätse pinna tipptemperatuuri 15% kuni 25% võrreldes pidevlaine režiimiga. Selle põhjuseks on asjaolu, et impulsi intervall annab materjalile "termilise lõõgastuse" aja, võimaldades soojusel välja juhtida.
Stokesi nihe: fluorestsentsiefekti soojuskao komponent
Mõnikord avastate, et COP-läätsed kiirgavad intensiivse UV-kiirguse korral nõrka sinist valgust; see on fluorestsentsi efekt. Aga see pole hea.
Seda nimetatakse Stokesi nihkeks. Näiteks neelab materjal 320nm valgust ja kiirgab 400nm fluorestsentsi. Kuhu kaob nendevaheline energiaerinevus (320nm valgusel on suurem energia kui 400nm valgusel)? Jah, kõik see muundatakse soojuseks ja jääb objektiivi.
COP-materjalide termilise jõudluse piirangud ja tõrkeriskid
Pöörame nii palju tähelepanu temperatuuri tõusule, sest materjalidel on piirid. Kui punane joon on ületatud, on tagajärjed tõsised.
Igal plastil on "pehmenemispunkt", mida nimetatakse klaasistumistemperatuuriks (Tg). COP-materjalide puhul on see tavaliselt vahemikus 100 kuni 160 kraadi (olenevalt klassist).
Kui 320 nm kiiritamisel tekkiv soojus põhjustab läätse temperatuuri lähenemise Tg-le, muutub lääts pehmeks. Sisepinge vabanemise tõttu moondub täpselt kujundatud kumer pind kergelt. Täppisoptiliste süsteemide puhul tähendab see, et optiline tee kaldub kõrvale ja teravustamine ebaõnnestub.
See on nõiaring. Pikaajaline-kiirgus 320 nm ultraviolettvalgusega lõhub COP polümeeri ahelad, tekitab vabu radikaale ja muudab materjali kollaseks.
Koltunud läätsel on järsk tõusUV-valgusesimendumiskiirus. Algselt läbipaistev lääts muutub "soojuse neelajaks" ja selle temperatuur on palju kõrgem kui uue läätse oma, mis viib lõpuks läbipõlemiseni.
Spektri puhtuse (FWHM) tähtsus: infrapuna-parasiitkiirguse vähendamine
Madala kvaliteediga UV-lambi helmed ei kiirga mitte ainult 320 nm ultraviolettvalgust, vaid ka suurel hulgal kaasnevat infrapunakiirgust (IR). Infrapunakiirgus on puhas soojuskiirgus{3}}selle eesmärk ei ole kõvenemine ega steriliseerimine ning see soodustab ainult läätse soojendamist.
Valige küpse pakendamistehnoloogiaga tootjad. Nende lambihelmestel on kõrge spektripuhtus ja kitsas täislaius poole maksimumiga (FWHM), mis minimeerib kasutu infrapunasoojuskiirguse ja põhimõtteliselt "vähendab soojuse teket". Üksikasjalikud lambiribade spetsifikatsioonid leiate aadressiltUVA320nm lambihelmed: omadused ja rakendused.
LED-paketi termilise takistuse mõju ümbritsevale temperatuurile ja läätse konvektiivsele soojuse hajumisele
Paljudel juhtudel ei põhjusta läätse kuumenemist valguskiirgus, vaid otsene soojusjuhtivus allolevast LED-kiibist.
Kui LED-lambi pärlil on kõrge soojustakistus, ei saa kiibi tekitatud soojust tõhusalt hajutada. See kinnijäänud kuumus soojendab ümbritsevat õhku, muutes COP-objektiivi ümbritseva ruumi "ahjuks". Koos valguskiirguse soojuse neeldumisega tõuseb objektiivi temperatuur paratamatult. Madala soojustakistusega keraamilistele aluspindadele pakitud UV-LED-de kasutuselevõtt võimaldab tõhusat soojusülekannet jahutusradiaatorile, takistades soojuse ülekandumist ülespoole objektiivile.
Optilise disaini optimeerimine: kohalike levialade vähendamine läätse kõveruse reguleerimise abil
Õige optiline disain võib olla temperatuuri reguleerimisel kriitilise tähtsusega. Läätse kõveruse optimeerimisega pääseb valgus läbi objektiivi ühtlasemalt, vältides liigset energiat fokusseerimist objektiivi kindlatele piirkondadele. Hajutav energiatihedus tähendab otseselt soojuse kontsentratsiooni hajumist.
UV-lambi lainepikkuse mõõtmise ja termilise efekti kontrollimise standardid
Kuidas saame pärast UV-lampide ostmist kontrollida, kas nende lainepikkus ja soojusefektid vastavad nõuetele?
320 nm tipplainepikkuse täpne mõõtmine integreeriva sfääri ja spektromeetri abil
Ärge kunagi tuginege ainult märgistatud spetsifikatsioonidele. Oluline on teha katseid suure täpsusega spektraalanalüsaatoriga, mis on ühendatud integreeriva sfääriga, et kinnitada, et tipplainepikkus on täpselt umbes 320 nm. Kui lainepikkus nihkub 300 nm või madalamale, suureneb COP materjalide kahjustus eksponentsiaalselt ja sellest tulenev temperatuuritõus muutub palju tõsisemaks.
Termilise kujutise tehnoloogia kasutamine COP-objektiivi pinnatemperatuuri jaotuse jälgimisel
Temperatuuri pole vaja arvata,{0}}saame seda otse visualiseerida, kasutades operatsiooniläätse jäädvustamiseks infrapuna-termokaamerat.
Leiate, et soojus jaotub harva ühtlaselt; objektiivi keskpunkt on tavaliselt kuumim koht. Termopildistamine annab selge ja intuitiivse ülevaate soojuse hajumise surnud tsoonidest, võimaldades õhukanalite või valgusallikate kaugusi sihipäraselt reguleerida, et parandada soojusjuhtimist.
Q&A:
Pikema lainepikkusega 365 nm UV-valgusel on suhteliselt madalam energia. Lisaks on COP materjalidel tavaliselt parem valguse läbilaskvus lainepikkusel 365 nm kui 320 nm juures. Seetõttu on sama optilise võimsuse korral 320 nm UV-kiirguse indutseeritud temperatuuri tõus üldiselt oluliselt suurem kui 365 nm UV-kiirguse korral. Just seetõttu tuleks 320nm UV-lampide kasutamisel pöörata rohkem tähelepanu soojuse hajumise disainile.
Jah, see on äärmiselt ohtlik. LED-id võivad kogedapunane nihevõisinine nihekui temperatuur tõuseb. Kui soojuse hajumine on ebapiisav, tõuseb ristmiku temperatuur, mis põhjustab lainepikkuse triivi. See triiv võib nihutada lainepikkust ribale, kus COP materjalidel on suurem neeldumiskiirus, mille tulemuseks on kontrollimatu temperatuuri tõus.
Kiiritustihedus väheneb kauguse kasvades pöördvõrdeliselt kauguse ruuduga. See on kompromissi{1}}protsess. Peate leidma amagus koht-kaugus, mis mitte ainult ei taga piisavat UV-i intensiivsust kõvenemis- või steriliseerimistoimingute tegemiseks, vaid hoiab ka läätse temperatuuri õhukonvektsiooni kaudu klaasistumistemperatuurist (Tg) madalamal.
Plastmaterjalide hulgas on COP praegu esikohal. Kuigi see tekitab ka soojust, võrreldes PMMA-ga (mis on altid niiskuse neeldumisele ja deformeerumisele) ja PC-ga (mis neelab tugevalt ultraviolettvalgust), on COP parim valik, mis tasakaalustab valguse läbilaskvust ja kuumakindlust. Kui eelarve lubab, on sulatatud ränidioksiidklaas kindlasti ideaalne valik, kuna see ei ima kuumust ega vanane. Selle maksumus on aga kümneid kordi suurem kui COP.
Kokkuvõtlikult võib öelda, et 320 nm UV-lambi kiiritusest põhjustatud COP-läätsede temperatuuri tõus on fotofüüsikas paratamatu nähtus, mida ei saa täielikult kõrvaldada, kuid seda saab täielikult kontrollida.
https://www.benweilight.com/industrial-lighting/led-Flood-light/uv-led-Flood-light.html
http://www.benweilight.com/professional-lighting/uv-lighting/outdoor-arena-staadion-lighting-Flood-lights.html
http://www.benweilight.com/professional-lighting/uv-lighting/uv-light-black-light-for-halloween.html
