Ko 320-nm UV žarnica obseva lečo iz materiala COP (Cyclo Olefin Polymer), je glavni princip, ki povzroča zvišanje temperature, ne-absorpcija fotonske energije pri tranziciji. Preprosto povedano, čeprav imajo materiali COP odlično prepustnost ultravijolične svetlobe, ne morejo dovoliti prehoda 100 % 320 n fotonov. Energija teh ujetih fotonov ne more izginiti kar iz nič; trčijo z molekulami materiala, sprožijo intenzivno molekularno nihanje in tako neposredno pretvorijo svetlobno energijo v toplotno energijo. Poleg tega se bosta infrardeče sevanje, ki spremlja svetlobni vir (če obstaja), in toplotna prevodnost samega LED-čipa prav tako prekrivala, kar bo povzročilo dvig temperature leče.
Ker sem več kot desetletje delal v optičnih laboratorijih, sem videl številne primere, ko je zaradi zanemarjanja »fototermičnega učinka« prišlo do deformacije in celo ožiga leče. Spomnim se, da sem nekoč testiral-zmogljivo napravo za UV strjevanje; preprosto zato, ker je valovna dolžina odstopala za 5 nm, je prvotno prozorna leča v nekaj minutah postala zelo vroča in porumenela. To me je naučilo, da podrobnosti določajo uspeh ali neuspeh. Zlasti ko imamo opravka z visoko-energijskimi valovnimi pasovi, kot je 320 nm, je razumevanje temeljnih fizikalnih mehanizmov pomembnejše od zgolj gledanja tabel parametrov.
Generiranje toplote z molekularnimi vibracijami: Molekule COP absorbirajo del energije UV-fotonov, kar sproži nihanje rešetke, mikroskopska kinetična energija pa se pretvori v makroskopsko toploto.
Ne-100% svetlobna prepustnost: 320 nm je na robu pasu UVB. COP ima svojstven absorpcijski koeficient v tem valovnem pasu; večja kot je debelina, več toplote se absorbira.
Stokesov premik: Del svetlobne energije se po vzbujanju ne -oddaja ponovno v obliki svetlobe, ampak se razprši kot toplota (nese{1}}relaksacija).
Toplotno sevanje svetlobnega vira: Če je postopek pakiranja kroglic UV žarnice slab, bo poleg ultravijolične svetlobe sevala tudi spremljajoča toplota (infrardeči valovni pas).
Pozitivne povratne informacije o staranju: Dolgotrajno-obsevanje povzroči staranje materiala in porumenelost. Porumeneli materiali absorbirajo več ultravijolične svetlobe, zaradi česar je temperatura še --izpod nadzora.
Ostrenje energijske gostote: Visoka obsevanost (mW/cm²) pomeni, da akumulirana energija na enoto prostornine presega stopnjo odvajanja toplote pri toplotni prevodnosti materiala.
Mnogi prijatelji inženirji se sprašujejo, ali ni material COP znan kot plastika »optičnega-razreda«? Zakaj še vedno proizvaja toploto? Pravzaprav je treba začeti iz mikroskopskega sveta.
Absorpcija fotonske energije in molekularna vibracija: razumevanje generiranja toplote z mikroskopske perspektive
Žarek UV svetlobe si lahko predstavljate kot nešteto »energijskih krogel«, ki letijo z veliko hitrostjo. En sam foton z valovno dolžino 320 nm ima izjemno visoko energijo. Ko te "krogle" preidejo skozi lečo COP, jih večina preide brez težav, a majhno število trči v polimerne verige COP.
Te prizadete molekule so, kot bi jih potiskali, začele se močno "tresti" ali "drgniti". V fiziki se krepitev neenakomernega gibanja takšnih mikroskopskih delcev makroskopsko kaže kot dvig temperature. To je najosnovnejši proces pretvorbe svetlobne energije v notranjo energijo.
Razmerje med prepustnostjo svetlobe in absorpcijskim koeficientom COP materialov v pasu UVB
Čeprav je COP skoraj popolnoma prosojen za vidno svetlobo, je situacija drugačna v ultravijoličnem pasu. 320nm, ki pripada robu pasu UVB (280nm - 315nm/320nm).
V tem valovnem pasu materiali COP niso povsem "nevidni". Ima določen absorpcijski koeficient. Tudi če je stopnja absorpcije samo 5 %, za UV-žarnico z visoko{3}}gostoto moči teh 5 % energije, odložene v majhnem volumnu leče, zadostuje, da povzroči dvig temperature za več deset stopinj v kratkem času.
Prevladujoča vloga ne{0}}sevalnega prehoda pri dvigu temperature
To je koncept, ki zveni akademsko, a ga je v resnici enostavno razumeti. Potem ko molekule materiala absorbirajo energijo fotonov in skočijo v "vzbujeno stanje", morajo sprostiti to energijo, da se vrnejo v "stabilno stanje" (osnovno stanje).
Nasvet: "V optičnih sistemih je ohranjanje energije železni zakon. Če se absorbirana svetlobna energija ne oddaja kot fluorescenca (sevalni prehod), se bo skoraj 100 % pretvorilo v toplotno energijo prek mrežnih vibracij. To je tako-imenovani ne-sevalni prehod in je tudi glavni krivec za segrevanje leče."
Značilnosti valovne dolžine 320 nm in mehanizem optične interakcije z materiali COP
Analiza značilnosti visoko{0}}energijskih fotonov pasu UVB
Energija fotona pri 320 nm je približno 3,88 eV (elektronvoltov). To je veliko več kot energija modre ali zelene svetlobe, ki jo vidimo vsak dan. Takšni visoko{4}}energijski fotoni lahko pretrgajo kemične vezi.
Za leče COP to pomeni, da niso izpostavljene samo "svetlobnemu sevanju", temveč tudi visoko{0}}intenzivnemu energijskemu obstreljevanju. Če je vir svetlobe nečist in pomešan s svetlobo s krajšo-valovno dolžino (na primer pod 300 nm), se bodo učinki segrevanja in staranja materiala eksponentno povečali.
Odziv molekularne strukture COP (Cyclo Olefin Polymer) na specifične valovne dolžine
Materiali COP so priljubljeni zaradi nizke absorpcije vode in visoke transparentnosti. Vendar pa lahko nekatere kemične vezi v njihovi molekularni strukturi "odmevajo" s svetlobo 320 nm.
Ko pride do resonančne absorpcije, bo svetlobna energija v veliki meri ujeta. Različne stopnje COP (kot sta Zeonex ali Topas) delujejo nekoliko drugače pri 320 n, vendar na splošno, ko se valovna dolžina premakne v kratko-smer valov, bo prepustnost svetlobe močno padla, absorpcija toplote pa se bo ustrezno povečala.
Uporaba Beer{0}}Lambertovega zakona pri izračunu debeline leče in absorpcije toplote
Tukaj je na delu preprost fizikalni zakon-Beer-Lambertov zakon. Pove nam, da je absorbanca sorazmerna dolžini svetlobne poti (tj. debelini leče).
Preprosto povedano, debelejša kot je vaša leča, manj svetlobe lahko preide skozinjo in več svetlobe se "vpije" in pretvori v toploto. Zato je pri načrtovanju 320nm optičnega sistema čim tanjša leča preprosta in učinkovita inženirska metoda za zmanjšanje dviga temperature.
Fizične spremenljivke, ki vplivajo na oster dvig temperature leč
Ne-linearna povezava med obsevanjem in kopičenjem energije
Mnogi ljudje zmotno verjamejo, da je naraščanje temperature linearno: dlje kot je svetilka prižgana, bolj se segreje. Pravzaprav ni-linearen.
Ko obsevanost (mW/cm²) doseže določen prag, toplote znotraj materiala ni mogoče pravočasno razpršiti s površinsko konvekcijo in toplota se bo "nakopičila" v središču leče. To kopičenje toplote bo povzročilo močan dvig lokalne temperature, kar bo povzročilo "vroče točke", ki so nevarnejše od enakomernega segrevanja in lahko zlahka povzročijo, da leča poči.
Vpliv načinov kontinuiranega valovanja (CW) in modulacije širine impulza (PWM) na čas toplotne sprostitve
Če je UV žarnica neprekinjeno prižgana (CW način), leča ne bo imela časa za "dihanje".
Po podatkih primerjalnih testov iz fototermalnih laboratorijev lahko pri enaki povprečni moči uporaba pulznega (PWM) načina vožnje s 50-odstotnim delovnim ciklom zmanjša najvišjo površinsko temperaturo leče za 15 % do 25 % v primerjavi z načinom neprekinjenega vala. To je zato, ker impulzni interval zagotavlja materialu čas "toplotne sprostitve", kar omogoča, da ima toplota možnost odvajanja.
Stokesov premik: komponenta toplotne izgube pri fluorescenčnem učinku
Včasih boste ugotovili, da leče COP oddajajo šibko modro svetlobo pod intenzivnim UV-sevanjem; to je učinek fluorescence. Ampak to ni dobro.
To se imenuje Stokesov premik. Na primer, material absorbira 320 nm svetlobo in oddaja 400 nm fluorescenco. Kam gre energijska razlika med njima (320nm svetloba ima večjo energijo kot 400nm svetloba)? Da, vse se pretvori v toploto in zadrži v leči.
Omejitve toplotne učinkovitosti in tveganja okvare materialov COP
Dvigu temperature posvečamo toliko pozornosti, ker imajo materiali omejitve. Ko bo rdeča črta prestopena, bodo posledice resne.
Vsaka plastika ima "mehčišče", imenovano temperatura posteklenitve (Tg). Za materiale COP je običajno med 100 in 160 stopinjami (odvisno od razreda).
Če toplota, ki nastane pri obsevanju s 320 nm, povzroči, da se temperatura leče približa Tg, bo leča postala mehka. Zaradi sproščanja notranjih napetosti bo natančno oblikovana ukrivljena površina podvržena rahlim deformacijam. Pri preciznih optičnih sistemih to pomeni, da optična pot odstopa in ostrenje ne uspe.
To je začaran krog. Dolgotrajno-obsevanje z ultravijolično svetlobo 320 nm bo pretrgalo polimerne verige COP, ustvarilo proste radikale in povzročilo, da material porumeni.
Porumenela leča se bo močno povečalav UV svetlobistopnja absorpcije. Prvotno prozorna leča postane "absorbiralec toplote" in njena temperatura bo veliko višja od temperature nove leče, kar sčasoma povzroči izgorelost.
Pomen spektralne čistosti (FWHM): zmanjšanje infrardečega parazitskega sevanja
Kroglice UV žarnic nizke{0}} kakovosti ne oddajajo le 320 nm ultravijolične svetlobe, ampak tudi veliko spremljajočega infrardečega (IR) sevanja. Infrardeče sevanje je čisto toplotno sevanje-ne služi strjevanju ali sterilizaciji in samo prispeva k segrevanju leč.
Izberite proizvajalce z dovršeno tehnologijo pakiranja, s. Njihove kroglice svetilke imajo visoko spektralno čistost in ozko polno širino na pol največje (FWHM), kar zmanjša neuporabno infrardeče toplotno sevanje in bistveno "zmanjša proizvodnjo toplote". Za podrobne specifikacije kroglice svetilke glejteUVA320nm Lamp Beads: Lastnosti in aplikacije.
Vpliv toplotne odpornosti paketa LED na temperaturo okolice in konvekcijsko odvajanje toplote leče
V mnogih primerih segrevanje leče ni posledica svetlobnega obsevanja, temveč neposrednega prenosa toplote iz spodaj ležečega čipa LED.
Če ima kroglica LED svetilke visoko toplotno odpornost, toplote, ki jo proizvaja čip, ni mogoče učinkovito odvajati. Ta ujeta toplota segreje okoliški zrak in spremeni prostor okoli leče COP v "pečico". V kombinaciji z absorpcijo toplote zaradi svetlobnega obsevanja se bo temperatura leče neizogibno dvignila. Uporaba UV LED, pakiranih na keramične podlage z nizko toplotno odpornostjo, omogoča učinkovit prenos toplote do hladilnega telesa in preprečuje prenos toplote navzgor na lečo.
Optimizacija optične zasnove: Zmanjšanje lokalnih vročih točk s prilagoditvijo ukrivljenosti leče
Pravilna optična zasnova je lahko ključnega pomena za nadzor temperature. Z optimizacijo ukrivljenosti leče lahko svetloba bolj enakomerno prehaja skozi lečo, s čimer se izognete prekomerni energiji, ki se osredotoča na določena področja leče. Energijska gostota razpršitve neposredno pomeni koncentracijo razpršilne toplote.
Standardi za merjenje valovne dolžine UV žarnice in preverjanje toplotnega učinka
Kako lahko po nakupu UV žarnic preverimo, ali njihova valovna dolžina in toplotni učinki ustrezajo zahtevam?
Natančna meritev najvišje valovne dolžine 320 nm z uporabo integrirne krogle in spektrometra
Nikoli se ne zanašajte samo na označene specifikacije. Bistveno je, da opravite teste z visoko-natančnim spektralnim analizatorjem v kombinaciji z integrirno kroglo, da potrdite, da je največja valovna dolžina natančno okoli 320 nm. Če se valovna dolžina premakne na 300 nm ali nižje, se bo poškodba materialov COP eksponentno povečala, posledično povišanje temperature pa bo postalo veliko hujše.
Uporaba tehnologije toplotnega slikanja pri spremljanju porazdelitve površinske temperature leče COP
Temperature ni treba ugibati-lahko jo neposredno vizualiziramo z uporabo infrardeče toplotne slike za zajemanje delovne leče.
Ugotovili boste, da je toplota le redko enakomerno porazdeljena; središče leče je običajno najbolj vroča točka. Toplotno slikanje zagotavlja jasen, intuitiven pogled na mrtve cone odvajanja toplote, kar omogoča ciljno prilagajanje zračnih kanalov ali razdalj svetlobnih virov za izboljšano upravljanje toplote.
Q&A:
Z daljšo valovno dolžino ima UV-svetloba 365 nm relativno nižjo energijo. Poleg tega materiali COP običajno kažejo boljšo prepustnost svetlobe pri 365 nm kot pri 320 nm. Zato je pri enaki optični moči dvig temperature, ki ga povzroči UV-obsevanje 320 nm, na splošno znatno višji kot pri 365-nm UV-sevanju. Ravno zato je treba pri uporabi 320nm UV žarnic več pozornosti nameniti zasnovi odvajanja toplote.
Da, zelo je nevarno. LED se lahko pojavijordeči premikozmodri premikko se temperatura dvigne. Če je odvajanje toplote neustrezno, se bo temperatura spoja povečala, kar bo povzročilo odmik valovne dolžine. Ta odmik lahko premakne valovno dolžino v pas, kjer imajo materiali COP višje stopnje absorpcije, kar povzroči nenadzorovan dvig temperature.
Obsevanost se zmanjšuje v obratnem sorazmerju s kvadratom razdalje, ko se razdalja povečuje. To je kompromis-postopka. Najti morate asladko mesto-razdalja, ki ne le zagotavlja zadostno intenzivnost UV za dokončanje nalog strjevanja ali sterilizacije, temveč tudi vzdržuje temperaturo leče pod njeno temperaturo posteklenitve (Tg) s konvekcijo zraka.
Med plastičnimi materiali je COP trenutno najboljši. Čeprav bo proizvajal tudi toploto, je COP v primerjavi s PMMA (ki je nagnjen k absorpciji vlage in deformacijam) in PC (ki močno absorbira ultravijolično svetlobo) najboljša izbira, ki uravnoteži prepustnost svetlobe in toplotno odpornost. Če proračun to dopušča, je taljeno kremenčevo steklo vsekakor idealna možnost, saj niti ne absorbira toplote niti se ne stara. Vendar pa je njegova cena več desetkrat večja od COP.
Če povzamemo, je dvig temperature leč COP, ki ga povzroča obsevanje UV žarnice 320 nm, neizogiben pojav v fotofiziki, ki ga ni mogoče popolnoma odpraviti, vendar ga je mogoče popolnoma nadzorovati.
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
