Keď 320nm UV lampa ožaruje šošovku z materiálu COP (Cyclo Olefin Polymer), základný princíp spôsobujúci zvýšenie teploty spočíva v ne-žiarivej prechodovej absorpcii fotónovej energie. Jednoducho povedané, hoci materiály COP majú vynikajúcu priepustnosť ultrafialového svetla, nemôžu prepustiť 100% 320nm fotónov. Energia týchto uväznených fotónov nemôže zmiznúť zo vzduchu; zrážajú sa s molekulami materiálu, spúšťajú intenzívne molekulárne vibrácie, čím priamo premieňajú svetelnú energiu na tepelnú energiu. Navyše infračervené žiarenie sprevádzajúce svetelný zdroj (ak existuje) a tepelná vodivosť samotného LED čipu sa tiež prekryjú a spôsobia zvýšenie teploty šošovky.
Keďže som pracoval v optických laboratóriách viac ako desať rokov, videl som množstvo prípadov, kedy došlo k deformácii šošovky a dokonca k pripáleniu v dôsledku zanedbania „fototermálneho efektu“. Pamätám si, ako som raz testoval vysokovýkonné-zariadenie na vytvrdzovanie UV žiarením; jednoducho preto, že sa vlnová dĺžka odchýlila o 5 nm, pôvodne priehľadná šošovka sa v priebehu niekoľkých minút obarila a zožltla. To ma naučilo, že o úspechu či neúspechu rozhodujú detaily. Najmä pri vysokoenergetických vlnových pásmach, ako je 320 nm, je pochopenie základných fyzikálnych mechanizmov dôležitejšie než len prezeranie tabuliek parametrov.
Generovanie tepla molekulárnou vibráciou: Molekuly COP absorbujú časť UV fotónovej energie, čím spúšťajú vibrácie mriežky a mikroskopická kinetická energia sa premieňa na makroskopické teplo.
Ne100% priepustnosť svetla: 320 nm je na okraji pásma UVB. COP má v tomto vlnovom pásme vlastný absorpčný koeficient; čím väčšia je hrúbka, tým viac tepla sa absorbuje.
Stokesov posun: Časť svetelnej energie po vzrušení nie je -vyžarovaná vo forme svetla, ale je rozptýlená ako teplo (ne-vyžarujúca relaxácia).
Zdroj svetla Tepelné žiarenie: Ak je proces balenia guľôčok UV lampy zlý, okrem ultrafialového svetla bude vyžarované aj sprievodné teplo (infračervené vlnové pásmo).
Pozitívna spätná väzba starnutia: Dlhodobé-ožarovanie vedie k starnutiu materiálu a žltnutiu. Zažltnuté materiály absorbujú viac ultrafialového svetla, čo vedie k ďalšej teplote mimo--kontroly.
Zameranie na hustotu energie: Vysoká ožiarenosť (mW/cm²) znamená, že energia akumulovaná na jednotku objemu presahuje rýchlosť rozptylu tepla pri tepelnej vodivosti materiálu.
Mnoho priateľov inžinierov sa pýta, či nie je materiál COP známy ako plast „optickej{0}}triedy“? Prečo stále vytvára teplo? V skutočnosti to musí začať od mikroskopického sveta.
Absorpcia fotónovej energie a molekulárne vibrácie: Pochopenie tvorby tepla z mikroskopickej perspektívy
UV svetelný lúč si môžete predstaviť ako nespočetné množstvo „energetických guliek“ letiacich vysokou rýchlosťou. Jediný fotón s vlnovou dĺžkou 320nm má extrémne vysokú energiu. Keď tieto "guľky" prejdú šošovkou COP, väčšina z nich prejde hladko, ale malý počet sa zrazí s polymérnymi reťazcami COP.
Tieto zasiahnuté molekuly sú ako keby boli zatlačené, začnú sa prudko „triasť“ alebo „drhnúť“. Vo fyzike sa zosilnenie nepravidelného pohybu takýchto mikroskopických častíc makroskopicky prejavuje ako nárast teploty. Toto je najzákladnejší proces premeny svetelnej energie na vnútornú energiu.
Vzťah medzi priepustnosťou svetla a koeficientom absorpcie materiálov COP v pásme UVB
Hoci COP je takmer úplne priehľadný pre viditeľné svetlo, situácia je iná v ultrafialovom pásme . 320nm patrí k okraju pásma UVB (280nm - 315nm/320nm).
V tomto vlnovom pásme nie sú COP materiály úplne „neviditeľné“. Má určitý absorpčný koeficient. Aj keď je miera absorpcie iba 5 %, v prípade UV lampy s vysokou -hustotou výkonu stačí týchto 5 % energie uloženej v malom objeme šošovky na to, aby spôsobilo zvýšenie teploty o desiatky stupňov v krátkom čase.
Dominantná úloha -nežiarivého prechodu pri náraste teploty
Toto je koncept, ktorý znie akademicky, ale v skutočnosti je ľahko pochopiteľný. Potom, čo molekuly materiálu absorbujú fotónovú energiu a preskočia do „excitovaného stavu“, musia túto energiu uvoľniť, aby sa vrátili do „stabilného stavu“ (základný stav).
Tip: "V optických systémoch je šetrenie energie železným zákonom. Ak sa absorbovaná svetelná energia nevyžaruje ako fluorescencia (žiarivý prechod), takmer 100 % z nej sa premení na tepelnú energiu prostredníctvom vibrácií mriežky. Ide o takzvaný -ne-radiačný prechod a je tiež hlavným vinníkom, ktorý spôsobuje zahrievanie šošovky."
Charakteristika vlnovej dĺžky 320 nm a mechanizmus optickej interakcie s materiálmi COP
Analýza charakteristík fotónov v pásme UVB s vysokou-energiou
Energia fotónu pri 320 nm je približne 3,88 eV (elektrónvoltov). To je oveľa vyššie ako energia modrého alebo zeleného svetla, ktorú denne vidíme. Takéto-energetické fotóny majú potenciál narušiť chemické väzby.
Pre šošovky COP to znamená, že sú vystavené nielen „svetlému žiareniu“, ale aj -vysoko intenzívnemu energetickému bombardovaniu. Ak je zdroj svetla nečistý a zmiešaný so svetlom s kratšou{2}}vlnovou dĺžkou (napríklad pod 300 nm), účinky zahrievania a starnutia na materiál sa exponenciálne zvýšia.
Reakcia molekulárnej štruktúry COP (cykloolefínový polymér) na špecifické vlnové dĺžky
COP materiály sú obľúbené pre svoju nízku nasiakavosť a vysokú transparentnosť. Niektoré chemické väzby v ich molekulárnej štruktúre však môžu „rezonovať“ s 320nm svetlom.
Akonáhle dôjde k rezonančnej absorpcii, svetelná energia bude z veľkej časti zachytená. Rôzne stupne COP (napríklad Zeonex alebo Topas) fungujú pri 320 nm mierne odlišne, ale celkovo, keď sa vlnová dĺžka posunie do smeru krátkych vĺn-, priepustnosť svetla prudko klesne a podľa toho sa prudko zvýši absorpcia tepla.
Aplikácia Beer{0}}Lambertovho zákona pri výpočte hrúbky šošovky a absorpcie tepla
Funguje tu jednoduchý fyzikálny zákon-Pivný-Lambertov zákon. Hovorí nám, že absorbancia je úmerná dĺžke dráhy prieniku svetla (tj hrúbke šošovky).
Zjednodušene povedané, čím je vaša šošovka hrubšia, tým menej svetla môže prejsť a tým viac svetla sa „pohltí“ a premení na teplo. Preto pri navrhovaní 320nm optického systému je čo najtenšia šošovka jednoduchou a efektívnou inžinierskou metódou na zníženie nárastu teploty.
Fyzikálne premenné ovplyvňujúce prudký nárast teploty šošoviek
Ne{0}}lineárny vzťah medzi ožiarením a akumuláciou energie
Mnoho ľudí sa mylne domnieva, že nárast teploty je lineárny: čím dlhšie svieti lampa, tým je teplejšia. V skutočnosti nie je-lineárny.
Keď ožiarenie (mW/cm²) dosiahne určitú hranicu, teplo vo vnútri materiálu sa nemôže včas rozptýliť povrchovou konvekciou a teplo sa bude „akumulovať“ v strede šošovky. Táto akumulácia tepla povedie k prudkému zvýšeniu lokálnej teploty, čím sa vytvoria „horúce miesta“, ktoré sú nebezpečnejšie ako rovnomerné zahrievanie a môžu ľahko spôsobiť prasknutie šošovky.
Vplyv režimov kontinuálnej vlny (CW) a modulácie šírky impulzu (PWM) na čas tepelnej relaxácie
Ak je UV lampa nepretržite zapnutá (režim CW), šošovka nebude mať žiadnu dobu „dýchania“.
Podľa údajov z porovnávacích testov z fototermálnych laboratórií pri rovnakom priemernom výkone môže použitie pulzného (PWM) jazdného režimu s 50 % pracovným cyklom znížiť špičkovú povrchovú teplotu šošovky o 15 % až 25 % v porovnaní s režimom kontinuálnej vlny. Je to preto, že interval impulzov poskytuje materiálu čas „tepelnej relaxácie“, čo umožňuje teplu odvádzať von.
Stokesov posun: Zložka tepelnej straty vo fluorescenčnom efekte
Niekedy zistíte, že šošovky COP vyžarujú slabé modré svetlo pod intenzívnym UV žiarením; toto je fluorescenčný efekt. Ale to nie je dobrá vec.
Toto sa nazýva Stokesov posun. Napríklad materiál absorbuje 320nm svetlo a vyžaruje 400nm fluorescenciu. Kam sa podel energetický rozdiel medzi nimi (320nm svetlo má vyššiu energiu ako 400nm svetlo)? Áno, všetko sa premieňa na teplo a zadržiava v šošovke.
Limity tepelného výkonu a riziká zlyhania materiálov COP
Zvýšeniu teploty venujeme veľkú pozornosť, pretože materiály majú svoje limity. Po prekročení červenej čiary budú následky vážne.
Každý plast má „bod mäknutia“ nazývaný teplota skleného prechodu (Tg). Pre materiály COP je to zvyčajne medzi 100 stupňami a 160 stupňami (v závislosti od triedy).
Ak teplo generované 320nm žiarením spôsobí, že sa teplota šošovky priblíži Tg, šošovka zmäkne. V dôsledku uvoľnenia vnútorného napätia bude presne navrhnutý zakrivený povrch mierne zdeformovaný. Pre presné optické systémy to znamená odchýlku optickej dráhy a zlyhanie zaostrenia.
Toto je začarovaný kruh. Dlhodobé-ožarovanie 320nm ultrafialovým svetlom rozbije polymérne reťazce COP, vytvorí voľné radikály a spôsobí zožltnutie materiálu.
Zažltnutá šošovka bude mať prudký nárastv UV svetlerýchlosť absorpcie. Pôvodne priehľadná šošovka sa stáva "pohlcovačom tepla" a jej teplota bude oveľa vyššia ako teplota novej šošovky, čo môže viesť k vyhoreniu.
Význam spektrálnej čistoty (FWHM): Zníženie infračerveného parazitného žiarenia
Guľôčky UV lampy nízkej kvality vyžarujú nielen 320nm ultrafialové svetlo, ale aj veľké množstvo sprievodného infračerveného (IR) žiarenia. Infračervené žiarenie je čisté tepelné žiarenie-neslúži na vytvrdzovanie ani sterilizáciu a výlučne prispieva k ohrevu šošovky.
Vyberajte si výrobcov s vyspelou obalovou technikou,s. Ich lampové guľôčky sa vyznačujú vysokou spektrálnou čistotou a úzkou plnou šírkou pri polovičnom maxime (FWHM), čo minimalizuje zbytočné infračervené tepelné žiarenie a zásadne „znižuje tvorbu tepla“. Podrobné špecifikácie perál lampy nájdete naLampové guľôčky UVA320nm: Vlastnosti a aplikácie.
Vplyv tepelného odporu súpravy LED na okolitú teplotu a rozptyl tepla konvekciou šošovky
V mnohých prípadoch nie je zahrievanie šošovky spôsobené žiarením svetla, ale priamym vedením tepla zo základného LED čipu.
Ak má guľôčka LED žiarovky vysoký tepelný odpor, teplo generované čipom sa nemôže efektívne rozptýliť. Toto zachytené teplo ohrieva okolitý vzduch, čím sa priestor okolo šošovky COP mení na „rúru“. V kombinácii s absorpciou tepla zo svetelného žiarenia bude teplota šošovky nevyhnutne stúpať. Prijatie UV LED diód balených na keramických substrátoch s nízkym tepelným odporom umožňuje efektívny prenos tepla do chladiča, čím bráni prenosu tepla smerom nahor do šošovky.
Optimalizácia optického dizajnu: Redukcia lokálnych horúcich miest pomocou nastavenia zakrivenia šošovky
Správny optický dizajn môže byť rozhodujúci pre reguláciu teploty. Optimalizáciou zakrivenia šošovky môže svetlo prechádzať šošovkou rovnomernejšie, čím sa zabráni nadmernému zaostrovaniu energie na špecifické oblasti šošovky. Hustota rozptýlenia energie sa priamo premieta do koncentrácie rozptýleného tepla.
Meranie vlnovej dĺžky UV lampy a štandardy overovania tepelných účinkov
Ako môžeme po zakúpení UV lámp overiť, či ich vlnová dĺžka a tepelné účinky spĺňajú požiadavky?
Presné meranie špičkovej vlnovej dĺžky 320nm pomocou integračnej gule a spektrometra
Nikdy sa nespoliehajte len na špecifikácie na štítku. Je nevyhnutné vykonať testy s použitím vysoko presného spektrálneho analyzátora spárovaného s integračnou guľou, aby sa potvrdilo, že maximálna vlnová dĺžka je presne okolo 320 nm. Ak sa vlnová dĺžka posunie na 300 nm alebo menej, poškodenie materiálov COP sa exponenciálne znásobí a výsledný nárast teploty bude oveľa závažnejší.
Aplikácia technológie termálneho zobrazovania pri monitorovaní distribúcie povrchovej teploty šošovky COP
Teplotu nie je potrebné hádať,-môžeme ju priamo vizualizovať pomocou infračervenej termokamery na zachytenie funkčnej šošovky.
Zistíte, že teplo je zriedkavo distribuované rovnomerne; stred šošovky je zvyčajne najteplejším bodom. Tepelné zobrazovanie poskytuje jasný a intuitívny pohľad na mŕtve zóny rozptylu tepla, čo umožňuje cielené úpravy vzduchových potrubí alebo vzdialeností svetelného zdroja na zlepšenie tepelného manažmentu.
Q&A:
Pri dlhšej vlnovej dĺžke má 365nm UV svetlo relatívne nižšiu energiu. Okrem toho materiály COP typicky vykazujú lepšiu priepustnosť svetla pri 365 nm ako pri 320 nm. Preto pri rovnakej optickej sile je nárast teploty vyvolaný 320nm UV žiarením vo všeobecnosti výrazne vyšší ako nárast 365nm UV žiarením. To je presne dôvod, prečo by sa pri použití 320nm UV lámp mala venovať väčšia pozornosť dizajnu odvodu tepla.
Áno, je to mimoriadne nebezpečné. LED diódy sa môžu vyskytnúťčervený posunalebomodrý posunako teplota stúpa. Ak je rozptyl tepla neadekvátny, teplota spoja sa zvýši, čo vedie k posunu vlnovej dĺžky. Tento posun môže posunúť vlnovú dĺžku do pásma, kde materiály COP majú vyššiu rýchlosť absorpcie, čo vedie k nekontrolovanému zvýšeniu teploty.
Ožiarenie klesá nepriamo úmerne k druhej mocnine vzdialenosti so zvyšujúcou sa vzdialenosťou. Toto je kompromisný{1}}proces. Musíte nájsť asladká bodka-vzdialenosť, ktorá nielen zaisťuje dostatočnú intenzitu UV žiarenia na dokončenie vytvrdzovania alebo sterilizácie, ale tiež udržuje teplotu šošovky pod jej teplotou skleného prechodu (Tg) prostredníctvom prúdenia vzduchu.
Medzi plastovými materiálmi je COP v súčasnosti najlepším. Hoci bude tiež generovať teplo, v porovnaní s PMMA (ktorý je náchylný na absorpciu vlhkosti a deformáciu) a PC (ktorý silne absorbuje ultrafialové svetlo), je COP najlepšou voľbou, ktorá vyvažuje priepustnosť svetla a tepelnú odolnosť. Ak to rozpočet dovoľuje, tavené kremičité sklo je určite ideálnou voľbou, pretože neabsorbuje teplo ani nepodlieha starnutiu. Jeho cena je však niekoľkonásobne vyššia ako COP.
Stručne povedané, zvýšenie teploty COP šošoviek vyvolané 320nm UV žiarením je nevyhnutným javom vo fotofyzike, ktorý nemožno úplne odstrániť, ale je možné ho plne kontrolovať.
https://www.benweilight.com/industrial-lighting/led-flood-light/uv-led-flood-light.html
http://www.benweilight.com/professional-lighting/uv-lighting/outdoor-aréna-štadión-osvetlenie-flood{8}}lights.html
http://www.benweilight.com/professional-lighting/uv-lighting/uv-light-čierne-svetlo-pre-halloween.html
