Коли УФ-лампа з довжиною хвилі 320 нм опромінює лінзу з матеріалу COP (циклоолефіновий полімер), основний принцип, що спричиняє підвищення температури, полягає в поглинанні фотонної енергії без випромінювання. Простіше кажучи, хоча COP-матеріали мають відмінну пропускну здатність ультрафіолетового світла, вони не можуть пропускати 100% фотонів із довжиною 320 нм. Енергія цих захоплених фотонів не може зникнути з повітря; вони стикаються з молекулами матеріалу, викликаючи інтенсивну молекулярну вібрацію, тим самим безпосередньо перетворюючи світлову енергію в теплову. Крім того, інфрачервоне випромінювання, що супроводжує джерело світла (якщо таке є), і теплопровідність самого світлодіодного чіпа також накладаються, викликаючи підвищення температури лінзи.
Працюючи в оптичних лабораторіях більше десяти років, я бачив численні випадки, коли через нехтування «фототермічним ефектом» відбувалася деформація лінзи і навіть її припік. Я пам’ятаю, як якось тестував-пристрій для ультрафіолетового затвердіння високої потужності; просто через те, що довжина хвилі відхилилася на 5 нм, початково прозора лінза стала гарячою та пожовкла протягом кількох хвилин. Це навчило мене, що деталі визначають успіх чи невдачу. Особливо коли ми маємо справу з високо-діапазонами хвиль, такими як 320 нм, розуміння базових фізичних механізмів важливіше, ніж просто дивитися на таблиці параметрів.
Генерація тепла за допомогою молекулярної вібрації: молекули COP поглинають частину енергії УФ-фотонів, викликаючи вібрацію решітки, а мікроскопічна кінетична енергія перетворюється на макроскопічне тепло.
Не 100% світлопроникність: 320 нм знаходиться на краю діапазону UVB. COP має власний коефіцієнт поглинання в цьому діапазоні хвиль; чим більше товщина, тим більше тепла поглинається.
Зсув Стокса: частина світлової енергії після збудження не-випромінюється повторно у формі світла, а розсіюється у вигляді тепла (не-радіаційна релаксація).
Теплове випромінювання джерела світла: Якщо процес пакування кульок УФ-лампи є поганим, окрім ультрафіолетового світла, також випромінюватиметься супутнє тепло (інфрачервоний діапазон хвиль).
Старіння. Позитивний відгук: Тривале-опромінення призводить до старіння матеріалу та пожовтіння. Пожовті матеріали поглинають більше ультрафіолетового світла, що призводить до подальшого--контролю температури.
Фокусування щільності енергії: Висока освітленість (мВт/см²) означає, що енергія, накопичена на одиницю об’єму, перевищує швидкість розсіювання тепла через теплопровідність матеріалу.
Багато друзів-інженерів запитують, чи не матеріал COP відомий як пластик оптичного-класу? Чому він все ще виділяє тепло? Власне, починати треба з мікроскопічного світу.
Поглинання фотонної енергії та молекулярна вібрація: розуміння генерації тепла з мікроскопічної точки зору
Ви можете уявити промінь ультрафіолетового світла як незліченну кількість «енергетичних куль», що летять на високій швидкості. Один фотон з довжиною хвилі 320 нм має надзвичайно високу енергію. Коли ці «кулі» проходять крізь лінзу COP, більшість із них проходять плавно, але невелика кількість стикається з полімерними ланцюгами COP.
Ці вражені молекули схожі на те, що їх штовхнули, вони починають сильно «тремтіти» або «тертися». У фізиці інтенсифікація нерівномірного руху таких мікроскопічних частинок макроскопічно проявляється у вигляді підвищення температури. Це найпростіший процес перетворення світлової енергії у внутрішню.
Зв’язок між світлопроникністю та коефіцієнтом поглинання матеріалів COP в діапазоні UVB
Хоча COP майже повністю прозорий для видимого світла, ситуація інша в ультрафіолетовому діапазоні. 320nm, що належить до краю діапазону UVB (280nm - 315nm/320nm).
У цьому діапазоні хвиль матеріали COP не є повністю «невидимими». Має певний коефіцієнт поглинання. Навіть якщо ступінь поглинання становить лише 5%, для УФ-лампи з високою-щільністю потужності цих 5% енергії, що накопичується в невеликому об’ємі лінзи, достатньо, щоб викликати підвищення температури на десятки градусів за короткий час.
Домінуюча роль не-радіаційного переходу в підвищенні температури
Це концепція, яка звучить академічно, але насправді її легко зрозуміти. Після того, як молекули матеріалу поглинають енергію фотонів і переходять у «збуджений стан», вони повинні вивільнити цю енергію, щоб повернутися до «стабільного стану» (основного стану).
Підказка: "В оптичних системах енергозбереження є залізним законом. Якщо поглинена світлова енергія не випромінюється як флуоресценція (випромінювальний перехід), то майже 100% її буде перетворено на теплову енергію через вібрацію решітки. Це так-не-випромінювальний перехід, і він також є основною причиною нагрівання лінзи".
Характеристики довжини хвилі 320 нм і механізм оптичної взаємодії з матеріалами COP
Аналіз-характерних характеристик високоенергетичних фотонів діапазону UVB
Енергія фотона при 320 нм становить приблизно 3,88 еВ (електронвольт). Це набагато більше, ніж енергія синього чи зеленого світла, яку ми бачимо щодня. Такі високо{4}}енергетичні фотони можуть розривати хімічні зв’язки.
Для лінз COP це означає, що вони піддаються не лише «світловому випромінюванню», а й високо{0}}енергетичному бомбардуванню. Якщо джерело світла нечисте та змішане зі світлом із коротшою-довжиною хвилі (наприклад, менше 300 нм), вплив нагрівання та старіння матеріалу зростатиме експоненціально.
Реакція молекулярної структури COP (циклоолефінового полімеру) на певні довжини хвилі
Матеріали КС популярні через низьке водопоглинання і високу прозорість. Однак певні хімічні зв’язки в їхній молекулярній структурі можуть «резонувати» зі світлом 320 нм.
Коли відбувається резонансне поглинання, світлова енергія буде значною мірою захоплена. Різні сорти COP (наприклад, Zeonex або Topas) дещо відрізняються при 320 нм, але загалом, коли довжина хвилі зміщується до короткого -напрямку, пропускна здатність світла різко впаде, а теплопоглинання відповідно різко зросте.
Застосування закону Бір{0}}Ламберта для розрахунку товщини лінзи та теплопоглинання
Тут діє простий фізичний закон-Бір-закон Ламберта. Це говорить нам про те, що абсорбція пропорційна довжині шляху проникнення світла (тобто товщині лінзи).
Простіше кажучи, чим товщі ваші лінзи, тим менше світла може пройти, і тим більше світла «поглинається» і перетворюється на тепло. Тому при розробці 320-нм оптичної системи зробити лінзу якомога тоншою є простим і ефективним інженерним методом для зменшення підвищення температури.
Фізичні змінні, що впливають на різке підвищення температури лінз
Не-лінійний зв’язок між опроміненням і накопиченням енергії
Багато людей помилково вважають підвищення температури лінійним: чим довше горить лампа, тим вона нагрівається. Насправді він не-лінійний.
Коли опромінення (мВт/см²) досягає певного порогу, тепло всередині матеріалу не може з часом розсіюватися через поверхневу конвекцію, і тепло буде «накопичуватися» в центрі лінзи. Це накопичення тепла призведе до різкого підвищення місцевої температури, утворюючи «гарячі точки», які є більш небезпечними, ніж рівномірне нагрівання, і можуть легко спричинити тріщину лінзи.
Вплив режимів безперервної хвилі (CW) і широтно-імпульсної модуляції (PWM) на час теплової релаксації
Якщо УФ-лампа увімкнена безперервно (режим CW), лінза не матиме часу «дихати».
Згідно з даними порівняльних випробувань фототермічних лабораторій, за тієї самої середньої потужності використання імпульсного режиму (ШІМ) із робочим циклом 50% може знизити пікову температуру поверхні лінзи на 15–25% порівняно з режимом безперервної хвилі. Це пояснюється тим, що інтервал імпульсів забезпечує матеріалу час «термічної релаксації», що дозволяє теплу мати можливість виводитися.
Зсув Стокса: компонент втрати тепла в ефекті флуоресценції
Іноді ви виявите, що лінзи COP випромінюють слабке блакитне світло під інтенсивним УФ-опроміненням; це ефект флуоресценції. Але це недобре.
Це називається зрушенням Стокса. Наприклад, матеріал поглинає 320 нм світла і випромінює флуоресценцію 400 нм. Куди йде різниця в енергіях між ними (світло 320 нм має більшу енергію, ніж світло 400 нм)? Так, усе це перетворюється на тепло й утримується в лінзі.
Обмеження теплових характеристик і ризики виходу з ладу матеріалів COP
Ми приділяємо таку увагу підвищенню температури, тому що матеріали мають межі. Якщо червону лінію перетнути, наслідки будуть серйозними.
Кожен пластик має «точку розм’якшення», яка називається температурою склування (Tg). Для матеріалів COP зазвичай становить від 100 градусів до 160 градусів (залежно від класу).
Якщо тепло, утворене випромінюванням 320 нм, спричинить наближення температури лінзи до Tg, лінза стане м’якою. Через зняття внутрішньої напруги точно розроблена вигнута поверхня зазнає невеликої деформації. Для точних оптичних систем це означає, що оптичний шлях відхиляється і фокусування не вдається.
Це замкнуте коло. Тривале-опромінення ультрафіолетовим світлом 320 нм розриває полімерні ланцюги COP, утворює вільні радикали та спричиняє пожовтіння матеріалу.
Пожовкла лінза матиме різке збільшенняв ультрафіолетовому світлішвидкість поглинання. Початкова прозора лінза стає «поглиначем тепла», і її температура буде набагато вищою, ніж у нової лінзи, що зрештою призведе до вигорання.
Важливість спектральної чистоти (FWHM): Зменшення інфрачервоного паразитного випромінювання
Ультрафіолетові-намистини низької якості випромінюють не лише ультрафіолетове світло з довжиною довжини 320 нм, але й велику кількість інфрачервоного (ІЧ) випромінювання. Інфрачервоне випромінювання – це чисте теплове випромінювання-воно не призначене для затвердіння чи стерилізації, а лише сприяє нагріванню лінзи.
Вибирайте виробників із розвиненою технологією пакування, s. Намистини їх ламп мають високу спектральну чистоту та вузьку повну ширину на половині максимуму (FWHM), що мінімізує марне інфрачервоне теплове випромінювання та принципово «зменшує тепловиділення». Щоб отримати докладні характеристики намистин лампи, зверніться доНамистини лампи UVA320nm: особливості та застосування.
Вплив теплового опору світлодіодного корпусу на температуру навколишнього середовища та конвективне розсіювання тепла лінзи
У багатьох випадках нагрівання лінзи спричиняється не світловим випромінюванням, а прямим теплопровідністю від основного світлодіодного чіпа.
Якщо кулька світлодіодної лампи має високий термічний опір, тепло, що виділяється чіпом, не може ефективно розсіюватися. Це уловлене тепло нагріває навколишнє повітря, перетворюючи простір навколо лінзи COP на «піч». У поєднанні з поглинанням тепла від світлового випромінювання температура лінзи неминуче зросте. Використання ультрафіолетових світлодіодів на керамічних підкладках із низьким тепловим опором забезпечує ефективну передачу тепла до радіатора, запобігаючи передачі тепла вгору до лінзи.
Оптимізація оптичної конструкції: зменшення локальних гарячих точок за допомогою регулювання кривизни лінзи
Правильна оптична конструкція може бути критичною для контролю температури. Завдяки оптимізації кривизни лінзи світло може проходити крізь лінзу більш рівномірно, уникаючи надмірної енергії, що фокусується на певних ділянках лінзи. Щільність енергії диспергування безпосередньо перетворюється на концентрацію дисперсійного тепла.
Стандарти вимірювання довжини хвилі УФ-лампи та перевірки теплового ефекту
Після придбання УФ-лампи, як ми можемо перевірити, що їх довжина хвилі та теплові ефекти відповідають вимогам?
Точне вимірювання пікової довжини хвилі 320 нм за допомогою інтегруючої сфери та спектрометра
Ніколи не покладайтеся виключно на характеристики, зазначені на етикетці. Важливо проводити тести з використанням високо-точного спектрального аналізатора в поєднанні з інтегруючою сферою, щоб підтвердити, що пік довжини хвилі точно становить близько 320 нм. Якщо довжина хвилі зміщується до 300 нм або менше, пошкодження матеріалів COP буде експоненціально збільшуватися, а результуюче підвищення температури стане набагато серйознішим.
Застосування технології тепловізору для моніторингу розподілу температури поверхні лінзи COP
Немає потреби вгадувати температуру-ми можемо безпосередньо візуалізувати її за допомогою інфрачервоного тепловізора для захоплення робочої лінзи.
Ви побачите, що тепло рідко розподіляється рівномірно; центр лінзи зазвичай є найгарячішою точкою. Тепловізор забезпечує чітке, інтуїтивно зрозуміле уявлення про мертві зони розсіювання тепла, що дозволяє цілеспрямовано регулювати повітропроводи або відстань до джерела світла для покращеного управління температурою.
Q&A:
Завдяки довшій довжині хвилі УФ-світло 365 нм має відносно нижчу енергію. Крім того, COP-матеріали зазвичай демонструють кращу пропускну здатність світла при 365 нм, ніж при 320 нм. Таким чином, при однаковій оптичній потужності підвищення температури, викликане УФ-опроміненням 320 нм, зазвичай значно вище, ніж під час УФ-опромінення 365 нм. Саме тому при використанні 320-нм УФ-лампи слід приділяти більше уваги конструкції розсіювання тепла.
Так, це надзвичайно небезпечно. Світлодіоди можуть зіткнутисячервоне зміщенняабосиній зсуву міру підвищення температури. Якщо розсіювання тепла недостатнє, температура переходу підвищиться, що призведе до дрейфу довжини хвилі. Цей дрейф може зсунути довжину хвилі до смуги, де матеріали COP мають вищі швидкості поглинання, що призводить до неконтрольованого підвищення температури.
Опромінюваність зменшується обернено пропорційно квадрату відстані зі збільшенням відстані. Це компроміс-процес. Вам потрібно знайти aсолодке місце-відстань, яка не лише забезпечує достатню інтенсивність ультрафіолетового випромінювання для завершення завдань затвердіння чи стерилізації, але й підтримує температуру лінзи нижче температури склування (Tg) завдяки конвекції повітря.
Серед пластикових матеріалів COP наразі лідирує. Незважаючи на те, що він також буде генерувати тепло, порівняно з ПММА (який схильний до поглинання вологи та деформації) і ПК (який сильно поглинає ультрафіолетове світло), COP є найкращим вибором, який збалансовує світлопроникність і термостійкість. Якщо дозволяє бюджет, плавлене кварцеве скло, безперечно, є ідеальним варіантом, оскільки воно не поглинає тепло та не піддається старінню. Однак його вартість у десятки разів перевищує COP.
Таким чином, підвищення температури лінз COP, спричинене опроміненням УФ-лампи 320 нм, є неминучим явищем у фотофізиці, яке неможливо повністю усунути, але ним можна повністю керувати.
https://www.benweilight.com/industrial-lighting/led-flood-light/uv-led-flood-light.html
http://www.benweilight.com/professional-lighting/uv-lighting/outdoor-arena-stadium-lighting-flood-lights.html
http://www.benweilight.com/professional-lighting/uv-lighting/uv-light-black{6}}light-for-halloween.html
