Kada UV lampa od 320 nm ozrači sočivo od materijala COP (Cyclo Olefin Polymer), osnovni princip koji uzrokuje porast temperature leži u ne-prijelaznoj apsorpciji energije fotona. Jednostavno rečeno, iako COP materijali imaju odličnu propusnost ultraljubičastog svjetla, ne mogu dozvoliti da prođe 100% fotona od 320 nm. Energija tih zarobljenih fotona ne može nestati iz ničega; sudaraju se s molekulima materijala, pokrećući intenzivne molekularne vibracije, čime direktno pretvaraju svjetlosnu energiju u toplinsku energiju. Osim toga, infracrveno zračenje koje prati izvor svjetlosti (ako postoji) i toplinska provodljivost samog LED čipa također će se nadovezati na povećanje temperature sočiva.
Nakon što sam radio u optičkim laboratorijama više od jedne decenije, vidio sam brojne slučajeve gdje je došlo do deformacije sočiva, pa čak i do pečenja zbog zanemarivanja "fototermalnog efekta". Sjećam se da sam jednom testirao-uređaj za UV sušenje; jednostavno zato što je talasna dužina odstupila za 5 nm, prvobitno prozirno sočivo postalo je vruće i požutjelo u roku od nekoliko minuta. Ovo me naučilo da detalji određuju uspjeh ili neuspjeh. Naročito kada se radi o visoko{5}}energetskim talasnim opsezima kao što je 320nm, razumijevanje osnovnih fizičkih mehanizama je važnije od pukog gledanja u tabele parametara.
Generisanje toplote molekularnom vibracijom: COP molekuli apsorbuju dio energije UV fotona, pokrećući vibracije rešetke, a mikroskopska kinetička energija se pretvara u makroskopsku toplinu.
Ne-100% propusnost svjetlosti: 320nm je na ivici UVB opsega. COP ima svojstveni koeficijent apsorpcije u ovom talasnom opsegu; što je veća debljina, to se više topline apsorbira.
Stokes Shift: Dio svjetlosne energije, nakon što je uzbuđen, ne emituje se ponovo-u obliku svjetlosti, već se raspršuje kao toplina (ne-radijativna relaksacija).
Toplotno zračenje izvora svjetlosti: Ako je proces pakovanja kuglica UV lampe loš, osim ultraljubičastog svjetla, zračiti će se i prateća toplina (infracrveni talasni opseg).
Pozitivna povratna informacija o starenju: Dugotrajno zračenje dovodi do starenja materijala i žućenja. Požutjeli materijali apsorbiraju više ultraljubičastog svjetla, što dovodi do daljeg -izlaska- temperature od kontrole.
Fokusiranje gustine energije: Visoko zračenje (mW/cm²) znači da energija akumulirana po jedinici zapremine premašuje stopu disipacije toplote toplotne provodljivosti materijala.
Mnogi prijatelji inženjeri pitaju, zar COP materijal nije poznat kao plastika "optičkog-klasa"? Zašto još uvijek stvara toplinu? Zapravo, ovo mora početi od mikroskopskog svijeta.
Apsorpcija fotonske energije i molekularne vibracije: razumijevanje proizvodnje topline iz mikroskopske perspektive
Možete zamisliti snop UV svjetlosti kao bezbroj "energetskih metaka" koji lete velikom brzinom. Jedan foton sa talasnom dužinom od 320nm ima izuzetno visoku energiju. Kada ovi "meci" prođu kroz sočivo COP, većina njih prolazi glatko, ali se mali broj sudara sa polimernim lancima COP.
Ovi pogođeni molekuli su poput guranja, počinju da se "tresu" ili "trljaju" nasilno. U fizici se intenziviranje nepravilnog kretanja takvih mikroskopskih čestica makroskopski manifestira kao porast temperature. Ovo je najosnovniji proces pretvaranja svjetlosne energije u unutrašnju energiju.
Odnos između propusnosti svjetlosti i koeficijenta apsorpcije COP materijala u UVB opsegu
Iako je COP skoro potpuno transparentan za vidljivu svjetlost, situacija je drugačija u ultraljubičastom opsegu. 320nm koji pripada rubu UVB opsega (280nm - 315nm/320nm).
U ovom talasnom opsegu, COP materijali nisu potpuno "nevidljivi". Ima određeni koeficijent apsorpcije. Čak i ako je stopa apsorpcije samo 5%, za UV lampu velike gustine{3}}snage, ovih 5% energije deponovane u maloj zapremini sočiva dovoljno je da izazove porast temperature za desetine stepeni u kratkom vremenu.
Dominantna uloga ne-prijelaza u porastu temperature
Ovo je koncept koji zvuči akademski, ali je zapravo lako razumljiv. Nakon što molekuli materijala apsorbuju energiju fotona i pređu u "pobuđeno stanje", oni moraju osloboditi ovu energiju da bi se vratili u "stabilno stanje" (osnovno stanje).
Savjet: "U optičkim sistemima, očuvanje energije je gvozdeni zakon. Ako se apsorbovana svjetlosna energija ne emituje kao fluorescencija (radijativna tranzicija), tada će se skoro 100% pretvarati u toplotnu energiju kroz vibracije rešetke. Ovo je tako-tzv. ne-radiativni prijelaz, a to je i glavni krivac za toplotu."
Karakteristike talasne dužine 320nm i mehanizam optičke interakcije sa COP materijalima
Analiza fotonskih karakteristika visoke{0}}e energije UVB opsega
Energija fotona na 320nm je približno 3,88 eV (elektron volti). To je mnogo više od energije plave ili zelene svjetlosti koju vidimo svakodnevno. Takvi-fotoni visoke energije imaju potencijal da razbiju hemijske veze.
Za COP sočiva, to znači da su podvrgnuta ne samo "svjetlosnom zračenju" već i energetskom bombardovanju visokog{0}}intenziteta. Ako je izvor svjetlosti nečist i pomiješan sa svjetlošću kraće{2}}talasne dužine (kao što je ispod 300 nm), efekti zagrijavanja i starenja na materijalu će se eksponencijalno povećati.
Odgovor molekularne strukture COP (cikloolefin polimera) na specifične talasne dužine
COP materijali su popularni zbog niske apsorpcije vode i visoke transparentnosti. Međutim, određene kemijske veze u njihovoj molekularnoj strukturi mogu "rezonirati" sa svjetlošću od 320 nm.
Jednom kada dođe do rezonantne apsorpcije, svjetlosna energija će biti u velikoj mjeri zarobljena. Različiti tipovi COP-a (kao što su Zeonex ili Topas) rade malo drugačije na 320 nm, ali sveukupno, kako se talasna dužina pomiče u smjer kratkih-talasa, propusnost svjetlosti će naglo pasti, a apsorpcija topline će naglo porasti u skladu s tim.
Primjena Beer-Lambertova zakona u izračunavanju debljine sočiva i apsorpcije topline
Ovdje je na djelu jednostavan fizički zakon-Beer-Lambertov zakon. To nam govori da je apsorpcija proporcionalna dužini putanje prodiranja svjetlosti (tj. debljini sočiva).
Jednostavno rečeno, što je vaše sočivo deblje, manje svjetlosti može proći, a više svjetlosti se „apsorbira“ i pretvara u toplinu. Stoga, u dizajniranju optičkog sistema od 320 nm, stvaranje što tanjeg sočiva je jednostavan i efikasan inženjerski metod za smanjenje porasta temperature.
Fizičke varijable koje utječu na oštar porast temperature sočiva
Ne-nelinearni odnos između zračenja i akumulacije energije
Mnogi ljudi pogrešno vjeruju da je porast temperature linearan: što je lampa duže upaljena, postaje toplija. U stvari, nije-linearan.
Kada iradijacija (mW/cm²) dostigne određeni prag, toplina unutar materijala ne može se raspršiti površinskom konvekcijom u vremenu, a toplina će se "akumulirati" u centru sočiva. Ova akumulacija toplote će dovesti do naglog porasta lokalne temperature, formirajući "vruće tačke", koje su opasnije od ravnomernog zagrevanja i lako mogu izazvati pucanje sočiva.
Utjecaj moda kontinuiranog talasa (CW) i modulacije širine impulsa (PWM) na vrijeme termičke relaksacije
Ako je UV lampa neprekidno uključena (CW mod), sočivo neće imati vremena za "disanje".
Prema uporednim testnim podacima iz fototermalnih laboratorija, pod istom prosječnom snagom, korištenje impulsnog (PWM) režima vožnje sa ciklusom rada od 50% može smanjiti vršnu temperaturu površine sočiva za 15% do 25% u usporedbi s režimom kontinuiranog talasa. To je zato što interval impulsa obezbjeđuje materijalu vrijeme "termalne relaksacije", omogućavajući toplini da ima priliku da odvede.
Stokesov pomak: komponenta gubitka topline u efektu fluorescencije
Ponekad ćete otkriti da COP sočiva emituju slabo plavo svjetlo pod intenzivnim UV zračenjem; ovo je efekat fluorescencije. Ali ovo nije dobra stvar.
Ovo se zove Stokes Shift. Na primjer, materijal apsorbira svjetlost od 320 nm i emituje fluorescenciju od 400 nm. Gdje ide razlika u energiji između njih (320 nm svjetlost ima veću energiju od 400 nm svjetlosti)? Da, sve se pretvara u toplinu i zadržava u sočivu.
Granice termičkih performansi i rizici kvara COP materijala
Toliko pažnje posvećujemo porastu temperature jer materijali imaju ograničenja. Kada se pređe crvena linija, posljedice će biti ozbiljne.
Svaka plastika ima "tačku omekšavanja" koja se naziva temperatura prelaska stakla (Tg). Za COP materijale, obično je između 100 stepeni i 160 stepeni (u zavisnosti od stepena).
Ako toplina stvorena zračenjem od 320 nm uzrokuje da se temperatura sočiva približi Tg, sočivo će postati mekano. Zbog oslobađanja unutrašnjeg naprezanja, precizno dizajnirana zakrivljena površina će doživjeti neznatno izobličenje. Za precizne optičke sisteme, to znači da optička putanja odstupa i fokusiranje ne uspijeva.
Ovo je začarani krug. Dugotrajno -ozračenje ultraljubičastom svjetlošću od 320 nm će prekinuti polimerne lance COP, stvoriti slobodne radikale i uzrokovati žutu boju materijala.
Požutjelo sočivo će imati naglo povećanjeu UV svjetlustopa apsorpcije. Prvobitno prozirno sočivo postaje "apsorber topline", a njegova temperatura će biti mnogo viša od one kod novog sočiva, što na kraju dovodi do izgaranja.
Važnost spektralne čistoće (FWHM): Smanjenje infracrvenog parazitskog zračenja
Zrnca UV lampe niskog{0}}kvaliteta emituju ne samo ultraljubičasto svjetlo od 320 nm, već i veliku količinu pratećeg infracrvenog (IR) zračenja. Infracrveno zračenje je čisto toplotno zračenje-ono ne služi liječenju ili sterilizaciji i samo doprinosi zagrijavanju sočiva.
Odaberite proizvođače sa zrelom tehnologijom pakiranja, s. Njihove lampe imaju visoku spektralnu čistoću i usku punu širinu na pola maksimuma (FWHM), što minimizira beskorisno infracrveno termalno zračenje i u osnovi "smanjuje stvaranje toplote". Za detaljne specifikacije perli lampe, pogledajteUVA320nm perle lampe: karakteristike i primjene.
Utjecaj toplinske otpornosti LED paketa na temperaturu okoline i konvektivno rasipanje topline sočiva
U mnogim slučajevima, zagrijavanje sočiva nije uzrokovano zračenjem svjetlosti, već direktnim provođenjem topline iz osnovnog LED čipa.
Ako perla LED lampe ima visoku termičku otpornost, toplota koju generiše čip ne može se efikasno raspršiti. Ova zarobljena toplota zagreva okolni vazduh, pretvarajući prostor oko COP sočiva u "pećnicu". U kombinaciji sa apsorpcijom toplote usled zračenja svetlosti, temperatura sočiva će neizbežno porasti. Usvajanje UV LED dioda upakovanih na keramičke podloge sa niskom toplotnom otpornošću omogućava efikasan prenos toplote do hladnjaka, sprečavajući prenos toplote prema gore do sočiva.
Optimizacija optičkog dizajna: Smanjenje lokalnih vrućih tačaka putem podešavanja zakrivljenosti sočiva
Odgovarajući optički dizajn može biti kritičan za kontrolu temperature. Optimizacijom zakrivljenosti sočiva, svjetlost može ravnomjernije proći kroz sočivo, izbjegavajući pretjerano fokusiranje energije na određene dijelove sočiva. Gustoća energije disperzije direktno se prevodi u koncentraciju topline disperzije.
Standardi za mjerenje talasne dužine UV lampe i verifikaciju termičkog efekta
Nakon kupovine UV lampi, kako možemo provjeriti da li njihova talasna dužina i termalni efekti ispunjavaju zahtjeve?
Precizno mjerenje vršne valne dužine od 320 nm korištenjem integrirajuće sfere i spektrometra
Nikada se nemojte oslanjati samo na označene specifikacije. Neophodno je provesti testove pomoću visoko{1}}preciznog spektralnog analizatora uparenog sa integrirajućom sferom kako bi se potvrdilo da je vršna talasna dužina tačno oko 320 nm. Ako se valna dužina pomakne na 300 nm ili niže, oštećenja COP materijala će se eksponencijalno umnožiti, a rezultirajući porast temperature će postati daleko ozbiljniji.
Primjena tehnologije termičke slike u praćenju distribucije temperature površine sočiva COP
Nema potrebe da pogađate temperaturu-možemo je direktno vizualizirati korištenjem infracrvene termalne slike za snimanje radnog sočiva.
Videćete da se toplota retko raspoređuje ravnomerno; centar sočiva je obično najtoplija tačka. Termalno snimanje pruža jasan, intuitivan prikaz mrtvih zona rasipanje toplote, omogućavajući ciljano prilagođavanje vazdušnih kanala ili udaljenosti izvora svetlosti radi poboljšanog upravljanja toplotom.
Q&A:
Sa dužom talasnom dužinom, 365nm UV svetlost ima relativno nižu energiju. Štaviše, COP materijali obično pokazuju bolju propusnost svjetlosti na 365 nm nego na 320 nm. Stoga, pod istom optičkom snagom, porast temperature izazvan UV zračenjem od 320 nm je generalno značajno veći od porasta zbog UV zračenja od 365 nm. Upravo zbog toga treba posvetiti više pažnje dizajnu odvođenja toplote kada se koriste UV lampe od 320nm.
Da, izuzetno je opasno. LED diode mogu doživjeticrveni pomakiliplavi pomakkako temperatura raste. Ako je rasipanje topline neadekvatno, temperatura spoja će se povećati, što će dovesti do pomaka valne dužine. Ovaj drift može pomeriti talasnu dužinu u opseg gde COP materijali imaju veće stope apsorpcije, što rezultira nekontrolisanim porastom temperature.
Ozračenost se smanjuje obrnuto proporcionalno kvadratu udaljenosti kako se udaljenost povećava. Ovo je-proces kompromisa. Morate pronaći aslatko mjesto-udaljenost koja ne samo da osigurava dovoljan UV intenzitet za dovršavanje zadataka stvrdnjavanja ili sterilizacije, već i održava temperaturu sočiva ispod svoje temperature staklastog prijelaza (Tg) putem konvekcije zraka.
Među plastičnim materijalima, COP je trenutno najbolji. Iako će takođe stvarati toplotu, u poređenju sa PMMA (koji je sklon apsorpciji vlage i deformacijama) i PC (koji snažno apsorbuje ultraljubičasto svetlo), COP je najbolji izbor koji balansira propusnost svetlosti i otpornost na toplotu. Ako budžet dozvoljava, staklo od silicijum dioksida je svakako idealna opcija, jer ne upija toplinu niti se podvrgava starenju. Međutim, njegova cijena je desetine puta veća od COP-a.
Ukratko, porast temperature COP sočiva izazvan zračenjem UV lampe od 320 nm je neizbježan fenomen u fotofizici koji se ne može potpuno eliminirati, ali se može u potpunosti kontrolisati.
https://www.benweilight.com/industrial-rasvjeta/led-poplava-svjetlo/uv-led-poplava-light.html
http://www.benweilight.com/professional-lighting/uv-rasvjeta/spoljašnja-arena-stadion-rasvjeta-poplava-lights.html
http://www.benweilight.com/professional-lighting/uv-lighting/uv-light-crna-light-za-halloween.html
