Когато 320nm UV лампа облъчи леща от материал COP (циклоолефинов полимер), основният принцип, причиняващ повишаване на температурата, се крие в не-радиационното поглъщане на фотонната енергия. Просто казано, въпреки че COP материалите имат отлична пропускливост на ултравиолетова светлина, те не могат да позволят 100% от 320 n фотони да преминат през тях. Енергията на тези уловени фотони не може да изчезне от нищото; те се сблъскват с молекули на материала, предизвиквайки интензивни молекулярни вибрации, като по този начин директно преобразуват светлинната енергия в топлинна енергия. В допълнение, инфрачервеното лъчение, придружаващо източника на светлина (ако има такъв), и топлинната проводимост на самия LED чип също ще се наслагват, за да предизвикат повишаване на температурата на лещата.
След като съм работил в оптични лаборатории повече от десетилетие, съм виждал множество случаи, при които е настъпила деформация на лещата и дори изгаряне поради пренебрегване на "фототермичния ефект". Спомням си как веднъж тествах високо{1}}уред за UV втвърдяване; просто защото дължината на вълната се отклони с 5 nm, първоначално прозрачната леща стана гореща и пожълтя след няколко минути. Това ме научи, че детайлите определят успеха или провала. Особено когато се работи с високо-енергийни вълнови ленти като 320nm, разбирането на основните физически механизми е по-важно от простото разглеждане на таблици с параметри.
Генериране на топлина чрез молекулярна вибрация: COP молекулите абсорбират част от фотонната енергия на ултравиолетовите лъчи, предизвиквайки вибрации на решетката, а микроскопичната кинетична енергия се преобразува в макроскопична топлина.
Не-100% пропускливост на светлина: 320 nm е на ръба на UVB лентата. COP има присъщ коефициент на поглъщане в тази вълнова лента; колкото по-голяма е дебелината, толкова повече топлина се абсорбира.
Смяна на Стокс: Част от светлинната енергия, след като бъде възбудена, не се-излъчва отново под формата на светлина, а се разсейва като топлина (не-радиационна релаксация).
Топлинно излъчване на източник на светлина: Ако процесът на опаковане на перлите с UV лампа е лош, в допълнение към ултравиолетовата светлина ще се излъчва и съпътстваща топлина (инфрачервена вълнова лента).
Стареене Положителна обратна връзка: Дългосрочното-облъчване води до стареене на материала и пожълтяване. Пожълтелите материали абсорбират повече ултравиолетова светлина, което води до допълнителна-не-контрол на температурата.
Фокусиране на енергийната плътност: Високо излъчване (mW/cm²) означава, че енергията, натрупана на единица обем, надвишава скоростта на разсейване на топлината на топлопроводимостта на материала.
Много приятели инженери питат, не е ли COP материалът известен като пластмаса с „оптичен{0}}клас“? Защо все още генерира топлина? Всъщност това трябва да започне от микроскопичния свят.
Поглъщане на фотонна енергия и молекулярна вибрация: Разбиране на генерирането на топлина от микроскопска гледна точка
Можете да си представите лъч UV светлина като безброй "енергийни куршуми", летящи с висока скорост. Единичен фотон с дължина на вълната 320 nm има изключително висока енергия. Когато тези „куршуми“ преминават през лещата на COP, повечето от тях преминават безпроблемно, но малък брой се сблъскват с полимерните вериги на COP.
Тези засегнати молекули са като бутнати, започват да се „клатят“ или „търкат“ силно. Във физиката интензификацията на неравномерното движение на такива микроскопични частици се проявява макроскопски като повишаване на температурата. Това е най-основният процес на преобразуване на светлинната енергия във вътрешна енергия.
Връзка между пропускливостта на светлина и коефициента на абсорбция на COP материали в UVB лентата
Въпреки че COP е почти напълно прозрачен за видимата светлина, ситуацията е различна в ултравиолетовата лента. 320nm принадлежи към ръба на UVB лентата (280nm - 315nm/320nm).
В този вълнов диапазон COP материалите не са напълно "невидими". Има определен коефициент на абсорбция. Дори ако степента на абсорбция е само 5%, за ултравиолетова лампа с висока -плътност на мощността, тези 5% от енергията, отложена в малкия обем на лещата, са достатъчни, за да предизвикат повишаване на температурата с десетки градуси за кратко време.
Доминираща роля на не{0}}радиационния преход при повишаването на температурата
Това е концепция, която звучи академично, но всъщност е лесна за разбиране. След като материалните молекули абсорбират фотонна енергия и скочат до „възбудено състояние“, те трябва да освободят тази енергия, за да се върнат в „стабилно състояние“ (основно състояние).
съвет: „В оптичните системи запазването на енергията е железен закон. Ако погълнатата светлинна енергия не се излъчва като флуоресценция (радиационен преход), тогава почти 100% от нея ще се преобразува в топлинна енергия чрез вибрации на решетката. Това е така -нареченият не-радиационен преход и той е и основният виновник, причиняващ нагряване на лещите.“
Характеристики на дължината на вълната 320nm и механизъм на оптично взаимодействие с COP материали
Анализ на характеристиките на високо{0}}енергийните фотони на UVB лентата
Енергията на фотона при 320 nm е приблизително 3,88 eV (електронволта). Това е много по-високо от енергията на синята или зелената светлина, която виждаме ежедневно. Такива високо{4}}енергийни фотони имат потенциала да разрушат химичните връзки.
За COP лещите това означава, че са подложени не само на „светлинно облъчване“, но и на енергийно бомбардиране с висок-интензитет. Ако източникът на светлина е нечист и е смесен със светлина с по-къса-дължина на вълната (като например под 300n), ефектите на нагряване и стареене върху материала ще се увеличат експоненциално.
Реакция на молекулярната структура на COP (циклоолефинов полимер) към специфични дължини на вълната
COP материалите са популярни поради ниската си водопоглъщаемост и висока прозрачност. Въпреки това, някои химични връзки в тяхната молекулярна структура могат да "резонират" с 320nm светлина.
След като настъпи резонансно поглъщане, светлинната енергия ще бъде до голяма степен уловена. Различните степени на COP (като Zeonex или Topas) се представят малко по-различно при 320 n, но като цяло, тъй като дължината на вълната се измества към посоката на късата-вълна, пропускливостта на светлина ще спадне рязко и съответно поглъщането на топлина рязко ще се повиши.
Приложение на закона на Биър-Ламберт при изчисляване на дебелината на лещата и поглъщането на топлина
Тук действа прост физичен закон-Законът на Биър-Ламбърт. Той ни казва, че абсорбцията е пропорционална на дължината на пътя на проникване на светлината (т.е. дебелината на лещата).
Просто казано, колкото по-дебел е вашият обектив, толкова по-малко светлина може да премине през него и толкова повече светлина се „абсорбира“ и се превръща в топлина. Следователно, при проектирането на 320nm оптична система, правенето на лещата възможно най-тънка е прост и ефективен инженерен метод за намаляване на повишаването на температурата.
Физически променливи, влияещи върху рязкото повишаване на температурата на лещите
Не{0}}линейна връзка между излъчването и натрупването на енергия
Много хора погрешно вярват, че повишаването на температурата е линейно: колкото по-дълго свети лампата, толкова по-гореща става. Всъщност той не е-линеен.
Когато излъчването (mW/cm²) достигне определен праг, топлината вътре в материала не може да бъде разсеяна чрез повърхностна конвекция във времето и топлината ще се „натрупа“ в центъра на лещата. Това натрупване на топлина ще доведе до рязко повишаване на местната температура, образувайки "горещи точки", които са по-опасни от равномерното нагряване и могат лесно да причинят спукване на лещата.
Влияние на режимите на непрекъсната вълна (CW) и широчинно-импулсна модулация (PWM) върху времето за термична релаксация
Ако UV лампата е включена непрекъснато (CW режим), лещата няма да има време за "дишане".
Според сравнителни тестови данни от фототермични лаборатории, при същата средна мощност, използването на импулсен (PWM) режим на задвижване с 50% работен цикъл може да намали пиковата температура на повърхността на лещата с 15% до 25% в сравнение с режима на непрекъсната вълна. Това е така, защото импулсният интервал осигурява на материала време за "топлинна релаксация", което позволява на топлината да има шанс да се отведе.
Изместване на Стокс: Компонент на загуба на топлина във флуоресцентния ефект
Понякога ще откриете, че COP лещите излъчват слаба синя светлина при интензивно UV лъчение; това е флуоресцентният ефект. Но това не е хубаво нещо.
Това се нарича изместване на Стокс. Например, материалът абсорбира 320nm светлина и излъчва 400nm флуоресценция. Къде отива енергийната разлика между тях (320nm светлина има по-висока енергия от 400nm светлина)? Да, всичко това се превръща в топлина и се задържа в лещата.
Граници на топлинната ефективност и рискове от повреда на COP материали
Ние обръщаме толкова много внимание на повишаването на температурата, защото материалите имат граници. След като се премине червената линия, последствията ще бъдат сериозни.
Всяка пластмаса има "точка на омекване", наречена температура на встъкляване (Tg). За COP материали обикновено е между 100 градуса и 160 градуса (в зависимост от степента).
Ако топлината, генерирана от 320nm излъчване, доведе до достигане на температурата на лещата до Tg, лещата ще стане мека. Поради освобождаването на вътрешното напрежение, прецизно проектираната извита повърхност ще претърпи лека деформация. За прецизните оптични системи това означава, че оптичният път се отклонява и фокусирането е неуспешно.
Това е порочен кръг. Дългосрочното-облъчване с 320nm ултравиолетова светлина ще разкъса полимерните вериги на COP, ще генерира свободни радикали и ще причини пожълтяване на материала.
Пожълтялата леща ще има рязко увеличениев UV светлинаскорост на усвояване. Първоначално прозрачната леща се превръща в "топлинен абсорбатор" и нейната температура ще бъде много по-висока от тази на нова леща, което в крайна сметка ще доведе до изгаряне.
Значение на спектралната чистота (FWHM): Намаляване на инфрачервеното паразитно лъчение
Ниско{0}}качествените UV лампови перли излъчват не само 320nm ултравиолетова светлина, но и голямо количество придружаващо инфрачервено (IR) лъчение. Инфрачервеното лъчение е чисто топлинно лъчение-то не служи за втвърдяване или стерилизация и единствено допринася за нагряването на лещите.
Изберете производители със зряла технология за опаковане, s. Техните мъниста на лампата се отличават с висока спектрална чистота и тясна пълна ширина на половин максимум (FWHM), което минимизира безполезното инфрачервено топлинно излъчване и фундаментално „намалява генерирането на топлина“. За подробни спецификации на перлите на лампата, моля, вижтеUVA320nm мъниста за лампа: характеристики и приложения.
Влияние на термичното съпротивление на LED пакета върху температурата на околната среда и конвективното разсейване на топлината на лещите
В много случаи нагряването на лещата не се причинява от светлинно излъчване, а от директна топлопроводимост от основния LED чип.
Ако перлата на LED лампата има висока термична устойчивост, топлината, генерирана от чипа, не може да бъде ефективно разсеяна. Тази уловена топлина затопля околния въздух, превръщайки пространството около COP лещата във „фурна“. В комбинация с поглъщането на топлина от светлинното излъчване, температурата на лещата неизбежно ще скочи. Приемането на UV светодиоди, опаковани върху керамични субстрати с ниско термично съпротивление, позволява ефективен пренос на топлина към радиатора, предотвратявайки прехвърлянето на топлина нагоре към лещата.
Оптимизиране на оптичния дизайн: Намаляване на локалните горещи точки чрез регулиране на кривината на обектива
Правилният оптичен дизайн може да бъде от решаващо значение за контрола на температурата. Чрез оптимизиране на кривината на лещата светлината може да преминава през лещата по-равномерно, като се избягва прекомерната енергия, фокусирана върху определени области на лещата. Плътността на диспергиращата енергия директно се превръща в концентрация на диспергираща топлина.
Измерване на дължината на вълната на UV лампа и стандарти за проверка на топлинния ефект
След закупуване на UV лампи, как можем да проверим дали дължината на вълната и топлинните им ефекти отговарят на изискванията?
Прецизно измерване на 320nm пикова дължина на вълната с помощта на интегрираща сфера и спектрометър
Никога не разчитайте само на етикетираните спецификации. От съществено значение е да се провеждат тестове с високо-прецизен спектрален анализатор, съчетан с интегрираща сфера, за да се потвърди, че пиковата дължина на вълната е точно около 320 nm. Ако дължината на вълната се измести до 300 n или по-ниска, увреждането на COP материалите ще се умножи експоненциално и произтичащото от това повишаване на температурата ще стане много по-тежко.
Приложение на технологията за термично изображение при наблюдение на разпределението на температурата на повърхността на COP лещата
Няма нужда да отгатваме температурата-ние можем директно да я визуализираме с помощта на инфрачервен термичен образ за заснемане на работния обектив.
Ще откриете, че топлината рядко се разпределя равномерно; центърът на обектива обикновено е най-горещата точка. Термичното изображение осигурява ясен, интуитивен изглед на мъртвите зони на разсейване на топлината, позволявайки целенасочени настройки на въздуховодите или разстоянията на светлинните източници за подобрено управление на топлината.
Q&A:
С по-голяма дължина на вълната, 365nm UV светлина има относително по-ниска енергия. Освен това COP материалите обикновено показват по-добра пропускливост на светлина при 365 nm, отколкото при 320 nm. Следователно, при същата оптична мощност, повишаването на температурата, предизвикано от 320nm UV облъчване, обикновено е значително по-високо от това при 365nm UV облъчване. Ето защо трябва да се обърне повече внимание на дизайна на разсейването на топлината, когато се използват 320nm UV лампи.
Да, изключително опасно е. Светодиодите могат да изпитатчервена смянаилисиня смянакато температурата се повишава. Ако разсейването на топлината е недостатъчно, температурата на прехода ще се увеличи, което ще доведе до дрейф на дължината на вълната. Това отклонение може да измести дължината на вълната към лента, където COP материалите имат по-високи нива на абсорбция, което води до неконтролирано повишаване на температурата.
Облъчването намалява обратно пропорционално на квадрата на разстоянието с увеличаване на разстоянието. Това е процес на компромис-. Трябва да намерите aсладко място-разстояние, което не само осигурява достатъчен интензитет на ултравиолетовите лъчи за завършване на задачите за втвърдяване или стерилизация, но също така поддържа температурата на лещата под нейната температура на встъкляване (Tg) чрез въздушна конвекция.
Сред пластмасовите материали, COP в момента е с най-добри резултати. Въпреки че също ще генерира топлина, в сравнение с PMMA (който е склонен към абсорбция на влага и деформация) и PC (който силно абсорбира ултравиолетова светлина), COP е най-добрият избор, който балансира пропускливостта на светлина и устойчивостта на топлина. Ако бюджетът позволява, разтопеното силициево стъкло със сигурност е идеалният вариант, тъй като нито абсорбира топлина, нито се подлага на стареене. Цената му обаче е десетки пъти по-висока от COP.
В обобщение, повишаването на температурата на COP лещите, предизвикано от 320nm UV лампа, е неизбежен феномен във фотофизиката, който не може да бъде напълно елиминиран, но може да бъде напълно контролиран.
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-light-for-halloween.html
