Когда УФ-лампа с длиной волны 320 нм облучает линзу из материала COP (циклоолефиновый полимер), основной принцип, вызывающий повышение температуры, заключается в безызлучательном переходном поглощении энергии фотонов. Проще говоря, хотя материалы COP обладают отличным коэффициентом пропускания ультрафиолетового света, они не могут пропустить 100% фотонов с длиной волны 320 нм. Энергия этих захваченных фотонов не может исчезнуть из воздуха; они сталкиваются с молекулами материала, вызывая интенсивную молекулярную вибрацию, тем самым напрямую преобразуя энергию света в тепловую энергию. Кроме того, инфракрасное излучение, сопровождающее источник света (если таковой имеется), и теплопроводность самого светодиодного чипа также будут накладываться друг на друга, вызывая повышение температуры линзы.
Проработав в оптических лабораториях более десяти лет, я видел множество случаев, когда из-за пренебрежения «фототермическим эффектом» происходила деформация и даже подгорание линзы. Я помню, как однажды тестировал устройство-мощной УФ-отверждения; просто потому, что длина волны отклонялась на 5 нм, изначально прозрачная линза стала обжигающе горячей и пожелтела в течение нескольких минут. Это научило меня тому, что детали определяют успех или неудачу. Особенно при работе с диапазонами волн высокой-энергии, такими как 320 нм, понимание основных физических механизмов более важно, чем просто просмотр таблиц параметров.
Выделение тепла за счет молекулярной вибрации: Молекулы COP поглощают часть энергии УФ-фотонов, вызывая вибрацию решетки, а микроскопическая кинетическая энергия преобразуется в макроскопическое тепло.
Не100% светопропускание: 320 нм — это край диапазона UVB. COP имеет собственный коэффициент поглощения в этом диапазоне волн; чем больше толщина, тем больше тепла поглощается.
Стоксов сдвиг: Часть световой энергии после возбуждения не -переизлучается в виде света, а рассеивается в виде тепла (без-радиационная релаксация).
Источник света Тепловое излучение: Если процесс упаковки шариков УФ-лампы некачественный, помимо ультрафиолетового света также будет излучаться сопутствующее тепло (инфракрасный диапазон волн).
Положительные отзывы о старении: Длительное-облучение приводит к старению и пожелтению материала. Пожелтевшие материалы поглощают больше ультрафиолета, в результате чего температура еще больше выходит из--контроля.
Фокусировка плотности энергии: Высокая интенсивность излучения (мВт/см²) означает, что энергия, накопленная на единицу объема, превышает скорость рассеивания тепла за счет теплопроводности материала.
Многие друзья-инженеры спрашивают, разве материал COP не известен как пластик «оптического-класса»? Почему он все еще выделяет тепло? На самом деле, это должно начинаться с микроскопического мира.
Поглощение энергии фотонов и молекулярная вибрация: понимание тепловыделения с микроскопической точки зрения
Вы можете представить себе луч ультрафиолетового света как бесчисленные «энергетические пули», летящие с высокой скоростью. Одиночный фотон с длиной волны 320 нм обладает чрезвычайно высокой энергией. Когда эти «пули» проходят через линзу КС, большинство из них проходит гладко, но небольшое количество сталкивается с полимерными цепями КС.
Эти затронутые молекулы как будто их толкают, они начинают сильно «трястись» или «тереться». В физике усиление неравномерного движения таких микроскопических частиц макроскопически проявляется в виде повышения температуры. Это самый основной процесс преобразования энергии света во внутреннюю энергию.
Связь между светопропусканием и коэффициентом поглощения COP-материалов в UVB-диапазоне
Хотя COP почти полностью прозрачен для видимого света, в ультрафиолетовом диапазоне ситуация иная: . 320 нм принадлежит к краю диапазона UVB (280 нм - 315 нм/320 нм).
В этом диапазоне волн материалы COP не являются полностью «невидимыми». Он имеет определенный коэффициент поглощения. Даже если уровень поглощения составляет всего 5 %, для УФ-лампы с высокой-плотностью мощности этих 5 % энергии, выделяемой в небольшой объем линзы, достаточно, чтобы вызвать повышение температуры на десятки градусов за короткое время.
Доминирующая роль без-перехода в повышении температуры
Эта концепция звучит академически, но на самом деле ее легко понять. После того как молекулы материала поглощают энергию фотонов и переходят в «возбужденное состояние», они должны высвободить эту энергию, чтобы вернуться в «стабильное состояние» (основное состояние).
Кончик: «В оптических системах сохранение энергии — это железный закон. Если поглощенная световая энергия не излучается в виде флуоресценции (радиационного перехода), то почти 100 % ее преобразуется в тепловую энергию за счет вибрации решетки. Это так-называемый без-переход, и он также является основной причиной нагрева линзы».
Характеристики длины волны 320 нм и механизм оптического взаимодействия с материалами COP
Анализ характеристик фотонов высокой-диапазона UVB
Энергия фотона на длине волны 320 нм составляет примерно 3,88 эВ (электронвольт). Это намного выше энергии синего или зеленого света, который мы видим ежедневно. Фотоны такой высокой-энергии могут разрывать химические связи.
Для линз COP это означает, что они подвергаются не только «световому облучению», но и энергетической бомбардировке-высокой интенсивности. Если источник света загрязнен и смешан со светом с более короткой-длиной волны (например, ниже 300 нм), эффекты нагрева и старения материала будут увеличиваться в геометрической прогрессии.
Реакция молекулярной структуры COP (циклоолефинового полимера) на определенные длины волн
Материалы COP популярны из-за низкого водопоглощения и высокой прозрачности. Однако некоторые химические связи в их молекулярной структуре могут «резонировать» со светом с длиной волны 320 нм.
Как только произойдет резонансное поглощение, световая энергия будет в значительной степени захвачена. Различные марки COP (например, Zeonex или Topas) работают немного по-разному при длине волны 320 нм, но в целом, когда длина волны смещается в коротковолновое направление, коэффициент пропускания света резко падает, и соответственно резко возрастает поглощение тепла.
Применение закона Бера-Ламберта для расчета толщины линзы и теплопоглощения
Здесь действует простой физический закон-Закон Бера-Ламберта. Это говорит нам о том, что поглощение пропорционально длине пути проникновения света (т. е. толщине линзы).
Проще говоря, чем толще линза, тем меньше света может пройти, и тем больше света «поглощается» и преобразуется в тепло. Таким образом, при разработке оптической системы с длиной волны 320 нм максимально тонкая линза является простым и эффективным инженерным методом снижения повышения температуры.
Физические переменные, влияющие на резкий рост температуры линз
Не-линейная зависимость между излучением и накоплением энергии
Многие ошибочно полагают, что повышение температуры линейно: чем дольше горит лампа, тем она нагревается. На самом деле оно нелинейно-линейно.
Когда интенсивность излучения (мВт/см²) достигает определенного порога, тепло внутри материала не может рассеиваться во времени за счет поверхностной конвекции, и тепло будет «накапливаться» в центре линзы. Такое накопление тепла приведет к резкому повышению локальной температуры, образуя «горячие точки», которые более опасны, чем равномерный нагрев, и могут легко привести к растрескиванию линзы.
Влияние режимов непрерывной волны (CW) и широтно-импульсной модуляции (ШИМ) на время тепловой релаксации
Если УФ-лампа будет гореть постоянно (режим CW), у линзы не будет времени «дышать».
Согласно данным сравнительных испытаний фототермических лабораторий, при той же средней мощности использование импульсного режима возбуждения (ШИМ) с рабочим циклом 50% может снизить пиковую температуру поверхности линзы на 15–25% по сравнению с режимом непрерывной волны. Это связано с тем, что интервал импульсов дает материалу время «тепловой релаксации», позволяя теплу выйти наружу.
Стоксов сдвиг: составляющая тепловых потерь в эффекте флуоресценции
Иногда вы обнаружите, что линзы COP излучают слабый синий свет под интенсивным ультрафиолетовым излучением; это эффект флуоресценции. Но это нехорошо.
Это называется сдвигом Стокса. Например, материал поглощает свет с длиной волны 320 нм и излучает флуоресценцию с длиной волны 400 нм. Куда девается разница в энергии между ними (свет 320 нм имеет более высокую энергию, чем свет 400 нм)? Да, все это преобразуется в тепло и сохраняется в объективе.
Пределы тепловых характеристик и риски отказов материалов COP
Мы уделяем так много внимания повышению температуры, потому что у материалов есть пределы. Если красная линия будет пересечена, последствия будут серьезными.
Каждый пластик имеет «точку размягчения», называемую температурой стеклования (Tg). Для материалов COP она обычно составляет от 100 до 160 градусов (в зависимости от марки).
Если тепло, выделяемое при излучении с длиной волны 320 нм, приведет к тому, что температура линзы приблизится к Tg, линза станет мягкой. Из-за снятия внутреннего напряжения точно спроектированная изогнутая поверхность подвергнется небольшой деформации. Для прецизионных оптических систем это означает отклонение оптического пути и невозможность фокусировки.
Это порочный круг. Длительное-облучение ультрафиолетовым светом с длиной волны 320 нм разрушает полимерные цепи COP, генерирует свободные радикалы и вызывает пожелтение материала.
Пожелтевшая линза будет иметь резкое увеличениев УФ-светескорость поглощения. Изначально прозрачная линза становится «поглотителем тепла», и ее температура будет намного выше, чем у новой линзы, что в конечном итоге приведет к выгоранию.
Важность спектральной чистоты (FWHM): снижение инфракрасного паразитного излучения
Шарики УФ-ламп низкого-низкого качества излучают не только ультрафиолетовый свет с длиной волны 320 нм, но и большое количество сопутствующего инфракрасного (ИК) излучения. Инфракрасное излучение представляет собой чистое тепловое излучение-оно не предназначено для отверждения или стерилизации и способствует исключительно нагреву линз.
Выбирайте производителей с развитыми упаковочными технологиями. Их бусины ламп отличаются высокой спектральной чистотой и узкой шириной на половине высоты (FWHM), что сводит к минимуму бесполезное инфракрасное тепловое излучение и существенно «снижает выделение тепла». Подробные характеристики шариков лампы см.Лампы UVA320nm: особенности и применение.
Влияние теплового сопротивления корпуса светодиодов на температуру окружающей среды и конвективное рассеивание тепла линзами
Во многих случаях нагрев линзы вызван не световым излучением, а прямой теплопроводностью от расположенного под ней светодиодного чипа.
Если шарик светодиодной лампы имеет высокое термическое сопротивление, тепло, выделяемое чипом, не может эффективно рассеиваться. Это захваченное тепло нагревает окружающий воздух, превращая пространство вокруг линзы КС в «печь». В сочетании с поглощением тепла от светового излучения температура линзы неизбежно возрастет. Использование УФ-светодиодов, упакованных на керамические подложки с низким термическим сопротивлением, обеспечивает эффективную передачу тепла к радиатору, предотвращая передачу тепла вверх к линзе.
Оптимизация оптической конструкции: уменьшение локальных горячих точек за счет регулировки кривизны линзы
Правильная оптическая конструкция может иметь решающее значение для контроля температуры. Оптимизируя кривизну линзы, свет может проходить через линзу более равномерно, избегая чрезмерной фокусировки энергии на определенных участках линзы. Распределение плотности энергии напрямую приводит к рассеиванию концентрации тепла.
Стандарты измерения длины волны УФ-лампы и проверки теплового эффекта
Как после покупки УФ-ламп мы можем убедиться, что их длина волны и тепловые эффекты соответствуют требованиям?
Точное измерение пиковой длины волны 320 нм с использованием интегрирующей сферы и спектрометра
Никогда не полагайтесь исключительно на указанные характеристики. Крайне важно провести испытания с использованием высокоточного спектрального анализатора-в сочетании с интегрирующей сферой, чтобы подтвердить, что пиковая длина волны точно составляет около 320 нм. Если длина волны сместится до 300 нм или ниже, повреждение материалов COP будет увеличиваться в геометрической прогрессии, и в результате повышение температуры станет гораздо более серьезным.
Применение технологии тепловидения для мониторинга распределения температуры поверхности COP-линзы
Нет необходимости угадывать температуру-мы можем непосредственно визуализировать ее, используя инфракрасный тепловизор для захвата рабочей линзы.
Вы обнаружите, что тепло редко распределяется равномерно; центр линзы обычно является самой горячей точкой. Тепловизионное изображение обеспечивает четкое и интуитивное представление мертвых зон рассеивания тепла, что позволяет целенаправленно регулировать воздуховоды или расстояния до источников света для улучшения управления температурным режимом.
Q&A:
Ультрафиолетовый свет с длиной волны 365 нм имеет большую длину волны и имеет относительно меньшую энергию. Более того, материалы COP обычно демонстрируют лучший коэффициент пропускания света при длине волны 365 нм, чем при длине волны 320 нм. Следовательно, при одинаковой оптической мощности повышение температуры, вызванное УФ-облучением с длиной волны 320 нм, обычно значительно выше, чем при УФ-облучении с длиной волны 365 нм. Именно поэтому при использовании УФ-ламп с длиной волны 320 нм следует уделять больше внимания конструкции рассеивания тепла.
Да, это крайне опасно. Светодиоды могут испытыватькрасное смещениеилисиняя сменапо мере повышения температуры. Если рассеивание тепла недостаточно, температура перехода увеличится, что приведет к дрейфу длины волны. Этот дрейф может сместить длину волны в диапазон, в котором материалы COP имеют более высокую скорость поглощения, что приведет к неконтролируемому повышению температуры.
Освещенность уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния по мере увеличения расстояния. Это компромиссный-процесс. Вам нужно найтизолотая середина-расстояние, которое не только обеспечивает достаточную интенсивность УФ-излучения для выполнения задач по отверждению или стерилизации, но также поддерживает температуру линз ниже температуры стеклования (Tg) за счет конвекции воздуха.
Среди пластиковых материалов COP в настоящее время является лидером. Хотя он также выделяет тепло, по сравнению с ПММА (который склонен к поглощению влаги и деформации) и ПК (который сильно поглощает ультрафиолетовый свет), COP является лучшим выбором, который уравновешивает светопроницаемость и термостойкость. Если позволяет бюджет, кварцевое стекло, безусловно, является идеальным вариантом, поскольку оно не поглощает тепло и не подвергается старению. Однако его стоимость в десятки раз превышает стоимость COP.
Таким образом, повышение температуры COP-линз, вызванное облучением УФ-лампой с длиной волны 320 нм, является неизбежным явлением в фотофизике, которое невозможно полностью устранить, но можно полностью контролировать.
https://www.benweilight.com/industrial-lighting/led-flood-light/uv-led-flood-light.html
http://www.benweilight.com/professional-lighting/uv-lighting/outdoor-арена-стадион-освещение-flood-lights.html
http://www.benweilight.com/professional-lighting/uv-lighting/uv-light-black-light-for-halloween.html
