Když 320nm UV lampa ozařuje čočku z materiálu COP (Cyclo Olefin Polymer), hlavní princip způsobující nárůst teploty spočívá v ne-radiační přechodové absorpci energie fotonů. Jednoduše řečeno, přestože materiály COP mají vynikající propustnost ultrafialového světla, nemohou propustit 100 % 320nm fotonů. Energie těchto uvězněných fotonů nemůže zmizet ze vzduchu; srážejí se s molekulami materiálu, spouštějí intenzivní molekulární vibrace, čímž přímo přeměňují světelnou energii na tepelnou energii. Kromě toho se infračervené záření doprovázející zdroj světla (pokud existuje) a tepelná vodivost samotného LED čipu také překrývají, což způsobí zvýšení teploty čočky.
Po více než desetileté práci v optických laboratořích jsem viděl četné případy, kdy došlo k deformaci čočky a dokonce k popálení v důsledku zanedbání „fototermálního efektu“. Pamatuji si, jak jsem jednou testoval vysoce-výkonné UV vytvrzovací zařízení; jednoduše proto, že se vlnová délka odchýlila o 5 nm, původně průhledná čočka se během několika minut opařila a zežloutla. To mě naučilo, že o úspěchu nebo neúspěchu rozhodují detaily. Zejména při práci s vysokoenergetickými vlnovými pásmy, jako je 320nm, je pochopení základních fyzikálních mechanismů důležitější než pouhé prohlížení tabulek parametrů.
Generování tepla molekulárními vibracemi: Molekuly COP absorbují část UV fotonové energie, spouštějí vibrace mřížky a mikroskopická kinetická energie se přeměňuje na makroskopické teplo.
Ne100% propustnost světla: 320nm je na okraji pásma UVB. COP má v tomto vlnovém pásmu vlastní absorpční koeficient; čím větší je tloušťka, tím více tepla je absorbováno.
Stokesův posun: Část světelné energie po vybuzení není -vysílána ve formě světla, ale je rozptýlena jako teplo (ne-radiační relaxace).
Světelný zdroj tepelné záření: Pokud je proces balení perliček UV lampy špatný, bude kromě ultrafialového světla vyzařováno také doprovodné teplo (infračervené vlnové pásmo).
Pozitivní zpětná vazba stárnutí: Dlouhodobé-záření vede ke stárnutí materiálu a žloutnutí. Zažloutlé materiály absorbují více ultrafialového světla, což má za následek další -neovlivnění- kontroly.
Zaostření na hustotu energie: Vysoká intenzita záření (mW/cm²) znamená, že energie akumulovaná na jednotku objemu překračuje rychlost rozptylu tepla při tepelném vedení materiálu.
Mnoho přátel inženýrů se ptá, není COP materiál známý jako plast „optické{0}}třídy“? Proč stále generuje teplo? Ve skutečnosti to musí začít od mikroskopického světa.
Absorpce fotonové energie a molekulární vibrace: Pochopení vzniku tepla z mikroskopické perspektivy
Paprsek UV světla si můžete představit jako nespočet „energetických kulek“ létajících vysokou rychlostí. Jediný foton s vlnovou délkou 320nm má extrémně vysokou energii. Když tyto "kulky" projdou čočkou COP, většina z nich projde hladce, ale malý počet se srazí s polymerními řetězci COP.
Tyto impaktované molekuly jsou jako by byly zatlačeny a začaly se prudce "třást" nebo "drhnout". Ve fyzice se zesílení nepravidelného pohybu takových mikroskopických částic makroskopicky projevuje jako nárůst teploty. Toto je nejzákladnější proces přeměny světelné energie na vnitřní energii.
Vztah mezi propustností světla a koeficientem absorpce materiálů COP v pásmu UVB
Ačkoli je COP pro viditelné světlo téměř zcela transparentní, situace je jiná v ultrafialovém pásmu. 320nm patřícímu k okraji pásma UVB (280nm - 315nm/320nm).
V tomto vlnovém pásmu nejsou COP materiály zcela „neviditelné“. Má určitý absorpční koeficient. I když je míra absorpce pouze 5 %, u UV lampy s vysokou-hustotou výkonu stačí těchto 5 % energie uložené v malém objemu čočky k tomu, aby během krátké doby způsobilo nárůst teploty o desítky stupňů.
Dominantní role -neradiačního přechodu při nárůstu teploty
Toto je koncept, který zní akademicky, ale ve skutečnosti je snadno pochopitelný. Poté, co molekuly materiálu absorbují fotonovou energii a přeskočí do „excitovaného stavu“, musí tuto energii uvolnit, aby se vrátily do „stabilního stavu“ (základního stavu).
Tip: "V optických systémech je zachování energie železným zákonem. Pokud absorbovaná světelná energie není emitována jako fluorescence (radiační přechod), pak se téměř 100 % přemění na tepelnou energii prostřednictvím vibrací mřížky. Toto je takzvaný -ne-radiační přechod a je také hlavním viníkem zahřívání čočky."
Charakteristiky vlnové délky 320nm a mechanismus optické interakce s materiály COP
Vysokoenergetická fotonová charakteristika pásma UVB
Energie fotonu při 320nm je přibližně 3,88 eV (elektronvoltů). To je mnohem vyšší než energie modrého nebo zeleného světla, kterou denně vidíme. Fotony s vysokou-energií mají potenciál rozbíjet chemické vazby.
U čoček COP to znamená, že jsou vystaveny nejen „světelnému ozařování“, ale také -ostřelování energií o vysoké intenzitě. Pokud je světelný zdroj nečistý a smíšený se světlem s kratší{2}}vlnovou délkou (např. pod 300 nm), účinky zahřívání a stárnutí materiálu se exponenciálně zvýší.
Odezva molekulární struktury COP (cykloolefinový polymer) na specifické vlnové délky
COP materiály jsou oblíbené pro svou nízkou nasákavost a vysokou průhlednost. Určité chemické vazby v jejich molekulární struktuře však mohou „rezonovat“ se světlem 320nm.
Jakmile dojde k rezonanční absorpci, světelná energie bude z velké části zachycena. Různé stupně COP (jako je Zeonex nebo Topas) se při 320nm mírně liší, ale celkově, jak se vlnová délka posune ke směru krátkých-vln, propustnost světla prudce klesne a podle toho se prudce zvýší absorpce tepla.
Aplikace Beer{0}}Lambertova zákona při výpočtu tloušťky čočky a absorpce tepla
Funguje zde jednoduchý fyzikální zákon-Pivní-Lambertův zákon. Říká nám, že absorbance je úměrná délce dráhy průniku světla (tj. tloušťce čočky).
Jednoduše řečeno, čím tlustší máte čočku, tím méně světla může projít a tím více světla se „pohltí“ a přemění na teplo. Proto při navrhování 320nm optického systému je vytvoření co nejtenčí čočky jednoduchou a účinnou inženýrskou metodou ke snížení nárůstu teploty.
Fyzikální proměnné ovlivňující prudký nárůst teploty čoček
Ne{0}}lineární vztah mezi zářením a akumulací energie
Mnoho lidí se mylně domnívá, že nárůst teploty je lineární: čím déle lampa svítí, tím je teplejší. Ve skutečnosti je ne-lineární.
Když intenzita záření (mW/cm²) dosáhne určité prahové hodnoty, teplo uvnitř materiálu nemůže být včas odvedeno povrchovou konvekcí a teplo se bude „akumulovat“ ve středu čočky. Tato akumulace tepla povede k prudkému nárůstu místní teploty, čímž se vytvoří „horká místa“, která jsou nebezpečnější než rovnoměrné zahřívání a mohou snadno způsobit prasknutí čočky.
Vliv režimů kontinuální vlny (CW) a pulzně šířkové modulace (PWM) na dobu tepelné relaxace
Pokud je UV lampa trvale zapnutá (režim CW), čočka nebude mít žádnou dobu „dýchání“.
Podle údajů srovnávacích testů z fototermálních laboratoří při stejném průměrném výkonu může použití pulzního (PWM) režimu řízení s 50% pracovním cyklem snížit špičkovou povrchovou teplotu čočky o 15 % až 25 % ve srovnání s režimem spojité vlny. Je to proto, že pulzní interval poskytuje materiálu čas „tepelné relaxace“, což umožňuje, aby teplo mohlo odvádět ven.
Stokesův posun: Složka tepelné ztráty ve fluorescenčním efektu
Někdy zjistíte, že čočky COP při intenzivním UV záření vyzařují slabé modré světlo; to je fluorescenční efekt. Ale to není dobrá věc.
Tomu se říká Stokesův posun. Materiál například absorbuje 320nm světlo a vyzařuje 400nm fluorescenci. Kam se poděl energetický rozdíl mezi nimi (320nm světlo má vyšší energii než 400nm světlo)? Ano, vše se přeměňuje na teplo a zadržuje se v čočce.
Limity tepelného výkonu a rizika selhání materiálů COP
Zvýšení teploty věnujeme velkou pozornost, protože materiály mají své limity. Jakmile se překročí červená čára, následky budou vážné.
Každý plast má „bod měknutí“ nazývaný teplota skelného přechodu (Tg). U materiálů COP je to obvykle mezi 100 stupni a 160 stupni (v závislosti na jakosti).
Pokud teplo generované 320nm zářením způsobí, že se teplota čočky přiblíží Tg, čočka změkne. V důsledku uvolnění vnitřního pnutí dojde k mírnému zkreslení přesně navrženého zakřiveného povrchu. U přesných optických systémů to znamená odchylku optické dráhy a selhání zaostření.
Toto je začarovaný kruh. Dlouhodobé-záření ultrafialovým světlem o vlnové délce 320nm rozbije polymerní řetězce COP, vytvoří volné radikály a způsobí žloutnutí materiálu.
Zažloutlá čočka bude mít prudký nárůstv UV světlemíra absorpce. Z původně průhledné čočky se stane "pohlcovač tepla" a její teplota bude mnohem vyšší než u nové čočky, což nakonec povede k vyhoření.
Význam spektrální čistoty (FWHM): Snížení infračerveného parazitního záření
Nízká{0}}kvalitní kuličky UV lampy vyzařují nejen 320nm ultrafialové světlo, ale také velké množství doprovodného infračerveného (IR) záření. Infračervené záření je čisté tepelné záření-, neslouží k vytvrzování ani sterilizaci a pouze přispívá k ohřevu čočky.
Vyberte si výrobce s vyzrálou obalovou technologií,s. Jejich lampové perly se vyznačují vysokou spektrální čistotou a úzkou plnou šířkou v polovině maxima (FWHM), což minimalizuje zbytečné infračervené tepelné záření a zásadně "snižuje tvorbu tepla". Podrobné specifikace perliček lampy vizUVA320nm Lamp Beads: Vlastnosti a aplikace.
Vliv tepelného odporu paketu LED na okolní teplotu a konvekční rozptyl tepla čočky
V mnoha případech není zahřívání čočky způsobeno ozářením světla, ale přímým vedením tepla ze základního LED čipu.
Pokud má LED žárovka vysokou tepelnou odolnost, teplo generované čipem nemůže být účinně rozptýleno. Toto zachycené teplo ohřívá okolní vzduch a mění prostor kolem COP čočky na „troubu“. V kombinaci s absorpcí tepla ze světelného záření teplota čočky nevyhnutelně stoupne. Použití UV LED zabalené na keramických substrátech s nízkým tepelným odporem umožňuje účinný přenos tepla do chladiče a zabraňuje přenosu tepla směrem nahoru k čočce.
Optimalizace optického designu: Snížení místních horkých bodů pomocí úpravy zakřivení objektivu
Správný optický design může být rozhodující pro regulaci teploty. Optimalizací zakřivení čočky může světlo procházet čočkou rovnoměrněji, čímž se zabrání nadměrnému zaostřování energie na konkrétní oblasti čočky. Rozptylování hustoty energie se přímo promítá do disperzní koncentrace tepla.
Standardy pro měření vlnové délky UV lampy a tepelného efektu
Jak můžeme po zakoupení UV lamp ověřit, že jejich vlnová délka a tepelné účinky splňují požadavky?
Přesné měření špičkové vlnové délky 320nm pomocí integrační koule a spektrometru
Nikdy se nespoléhejte pouze na uvedené specifikace. Je nezbytné provést testy pomocí vysoce-přesného spektrálního analyzátoru spárovaného s integrační koulí, aby se potvrdilo, že maximální vlnová délka je přesně kolem 320 nm. Pokud se vlnová délka posune na 300 nm nebo níže, poškození materiálů COP se exponenciálně znásobí a výsledný nárůst teploty bude mnohem závažnější.
Aplikace termovizní technologie při monitorování rozložení povrchové teploty čočky COP
Teplotu není třeba hádat,-můžeme ji přímo vizualizovat pomocí infračervené termokamery k zachycení provozní čočky.
Zjistíte, že teplo je zřídka distribuováno rovnoměrně; střed čočky je obvykle nejžhavějším bodem. Termovizní zobrazení poskytuje jasný a intuitivní pohled na mrtvé zóny rozptylu tepla, což umožňuje cílené úpravy vzduchových kanálů nebo vzdáleností světelných zdrojů pro lepší řízení teploty.
Q&A:
S delší vlnovou délkou má 365nm UV světlo relativně nižší energii. Materiály COP navíc typicky vykazují lepší propustnost světla při 365 nm než při 320 nm. Proto při stejné optické síle je nárůst teploty vyvolaný 320nm UV zářením obecně výrazně vyšší než nárůst 365nm UV zářením. To je přesně důvod, proč by měla být věnována větší pozornost návrhu rozptylu tepla při použití 320nm UV lamp.
Ano, je to extrémně nebezpečné. Mohou se objevit LED diodyčervený posunnebomodrý posunjak teplota stoupá. Pokud je rozptyl tepla nedostatečný, teplota přechodu se zvýší, což vede k posunu vlnové délky. Tento drift může posunout vlnovou délku do pásma, kde COP materiály mají vyšší absorpční rychlosti, což má za následek nekontrolovaný nárůst teploty.
Intenzita záření klesá nepřímo úměrně druhé mocnině vzdálenosti, jak se vzdálenost zvětšuje. Jedná se o výměnný-proces. Musíte najít asladká tečka-vzdálenost, která nejen zajišťuje dostatečnou intenzitu UV záření pro dokončení vytvrzování nebo sterilizace, ale také udržuje teplotu čočky pod teplotou skelného přechodu (Tg) prostřednictvím proudění vzduchu.
Mezi plastovými materiály je v současnosti COP nejvýkonnější. Ačkoli bude také generovat teplo, ve srovnání s PMMA (který je náchylný k absorpci vlhkosti a deformacím) a PC (který silně absorbuje ultrafialové světlo), je COP nejlepší volbou, která vyvažuje propustnost světla a tepelnou odolnost. Pokud to rozpočet dovolí, tavené křemičité sklo je určitě ideální volbou, protože neabsorbuje teplo ani nepodléhá stárnutí. Jeho cena je však desítkykrát vyšší než COP.
Stručně řečeno, nárůst teploty čoček COP vyvolaný 320nm UV lampou je nevyhnutelný jev ve fotofyzice, který nelze zcela odstranit, ale lze jej plně kontrolovat.
https://www.benweilight.com/industrial-lighting/led-flood-light/uv-led-flood-light.html
http://www.benweilight.com/professional-lighting/uv-lighting/outdoor-aréna-stadion-osvětlení-flood-lights.html
http://www.benweilight.com/professional-lighting/uv-lighting/uv-light-černé-světlo-pro-halloween.html
