Quan una làmpada UV de 320 nm irradia una lent de material COP (polímer de ciclo olefina), el principi bàsic que provoca l'augment de la temperatura es troba en l'absorció de transició no-radiativa de l'energia fotònica. En poques paraules, encara que els materials COP tenen una excel·lent transmitància de la llum ultraviolada, no poden permetre que el 100% dels fotons de 320 nm passin. L'energia d'aquests fotons atrapats no pot desaparèixer de l'aire; xoquen amb molècules materials, provocant una intensa vibració molecular, convertint així directament l'energia lluminosa en energia tèrmica. A més, la radiació infraroja que acompanya la font de llum (si n'hi ha) i la conducció tèrmica del propi xip LED també es superposaran per provocar que la temperatura de la lent augmenti.
Després d'haver treballat en laboratoris òptics durant més d'una dècada, he vist nombrosos casos en què es van produir deformacions de la lent i fins i tot cremades per negligència de l'"efecte fototèrmic". Recordo que una vegada vaig provar un dispositiu de curat UV d'alta potència-; simplement perquè la longitud d'ona es va desviar en 5 nm, la lent originalment transparent es va escaldar i es va engrogar en pocs minuts. Això em va ensenyar que els detalls determinen l'èxit o el fracàs. Sobretot quan es tracta de bandes d'ones d'alta-energia com 320 nm, entendre els mecanismes físics subjacents és més important que només mirar taules de paràmetres.
Generació de calor per vibració molecular: Les molècules COP absorbeixen part de l'energia dels fotons UV, desencadenant la vibració de la gelosia i l'energia cinètica microscòpica es converteix en calor macroscòpica.
Transmissió de la llum no 100%.: 320 nm es troba a la vora de la banda UVB. COP té un coeficient d'absorció inherent en aquesta banda d'ona; com més gran és el gruix, més calor s'absorbeix.
Torn Stokes: una part de l'energia lluminosa, després de ser excitada, no es re-en forma de llum sinó que es dissipa en forma de calor (relaxació no-radiativa).
Font de llum Radiació tèrmica: Si el procés d'embalatge de perles de la làmpada UV és deficient, a més de la llum ultraviolada, també s'irradiarà calor acompanyant (banda d'ona infraroja).
Feedback positiu de l'envelliment: la irradiació-a llarg termini provoca l'envelliment i el groc del material. Els materials groguencs absorbeixen més llum ultraviolada, la qual cosa fa que la temperatura fora de control--.
Enfocament de la densitat d'energia: L'alta irradiància (mW/cm²) significa que l'energia acumulada per unitat de volum supera la taxa de dissipació de calor de la conducció tèrmica del material.
Molts amics enginyers es pregunten, el material COP no es coneix com a plàstic de "grau-òptic"? Per què encara genera calor? De fet, això ha de començar des del món microscòpic.
Absorció d'energia fotogràfica i vibració molecular: entendre la generació de calor des d'una perspectiva microscòpica
Us podeu imaginar un feix de llum UV com innombrables "bales d'energia" volant a gran velocitat. Un sol fotó amb una longitud d'ona de 320 nm té una energia extremadament alta. Quan aquestes "bales" passen per la lent COP, la majoria d'elles passen sense problemes, però un petit nombre xoquen amb les cadenes de polímers de COP.
Aquestes molècules impactades són com si les empès, comencen a "tremir" o "fregar" violentament. En física, la intensificació del moviment irregular d'aquestes partícules microscòpiques es manifesta macroscòpicament com un augment de la temperatura. Aquest és el procés més bàsic per convertir l'energia lluminosa en energia interna.
Relació entre la transmissió de la llum i el coeficient d'absorció dels materials COP a la banda UVB
Tot i que la COP és gairebé completament transparent a la llum visible, la situació és diferent a la banda ultraviolada. 320nm que pertany a la vora de la banda UVB (280 nm - 315nm/320 nm).
En aquesta banda d'ona, els materials COP no són completament "invisibles". Té un cert coeficient d'absorció. Encara que la taxa d'absorció sigui només del 5%, per a una làmpada UV d'alta-densitat de potència, aquest 5% d'energia dipositada en el petit volum de la lent és suficient per provocar un augment de la temperatura de desenes de graus en poc temps.
Paper dominant de la transició no-radiativa en l'augment de la temperatura
Aquest és un concepte que sona acadèmic però que en realitat és fàcil d'entendre. Després que les molècules materials absorbeixin l'energia fotònica i saltin a un "estat excitat", han d'alliberar aquesta energia per tornar a un "estat estable" (estat fonamental).
Consell: "En els sistemes òptics, la conservació d'energia és una llei de ferro. Si l'energia lluminosa absorbida no s'emet com a fluorescència (transició radiativa), llavors gairebé el 100% d'ella es convertirà en energia tèrmica mitjançant la vibració de la gelosia. Aquesta és l'anomenada transició no{-radiativa, i també és la principal responsable de l'escalfament de la lent".
Característiques de longitud d'ona de 320 nm i mecanisme d'interacció òptica amb materials COP
Anàlisi de les característiques de fotons d'alta-energia de la banda UVB
L'energia fotònica a 320 nm és d'aproximadament 3,88 eV (electrons volts). Això és molt superior a l'energia de la llum blava o verda que veiem diàriament. Aquests fotons d'-alta energia tenen el potencial de trencar enllaços químics.
Per a les lents COP, això significa que estan sotmeses no només a "irradiació de llum", sinó també a bombardeigs d'energia d'alta{0}}intensitat. Si la font de llum és impura i es barreja amb una llum de longitud d'ona més curta- (com ara per sota de 300 nm), els efectes de l'escalfament i l'envelliment del material augmentaran de manera exponencial.
Resposta de l'estructura molecular COP (polímer de ciclo olefina) a longituds d'ona específiques
Els materials COP són populars per la seva baixa absorció d'aigua i la seva alta transparència. Tanmateix, certs enllaços químics de la seva estructura molecular poden "ressonar" amb llum de 320 nm.
Un cop es produeixi l'absorció ressonant, l'energia lluminosa quedarà atrapada en gran mesura. Els diferents graus de COP (com ara Zeonex o Topas) funcionen de manera lleugerament diferent a 320 nm, però en general, a mesura que la longitud d'ona canvia a la direcció de l'ona curta-, la transmitància de la llum baixarà bruscament i l'absorció de calor augmentarà bruscament en conseqüència.
Aplicació de la Llei de Beer-Lambert en el càlcul del gruix de la lent i l'absorció de calor
Hi ha una llei física senzilla en funcionament aquí-la Llei de Beer-Lambert. Ens diu que l'absorbància és proporcional a la longitud del camí de penetració de la llum (és a dir, el gruix de la lent).
En poques paraules, com més gruixuda sigui la teva lent, menys llum pot passar i més llum "s'absorbeix" i es converteix en calor. Per tant, en el disseny d'un sistema òptic de 320 nm, fer que la lent sigui el més fina possible és un mètode d'enginyeria senzill i eficaç per reduir l'augment de la temperatura.
Variables físiques que afecten el fort augment de la temperatura de les lents
Relació no-lineal entre la irradiació i l'acumulació d'energia
Molta gent creu erròniament que l'augment de la temperatura és lineal: com més temps està encès el llum, més s'escalfa. De fet, no és-lineal.
Quan la irradiància (mW/cm²) arriba a un cert llindar, la calor dins del material no es pot dissipar a través de la convecció superficial en el temps i la calor s'"acumula" al centre de la lent. Aquesta acumulació de calor conduirà a un fort augment de la temperatura local, formant "punts calents", que són més perillosos que l'escalfament uniforme i poden fer que la lent s'esquerde fàcilment.
Impacte dels modes d'ona contínua (CW) i de modulació d'amplada de pols (PWM) en el temps de relaxació tèrmica
Si la làmpada UV es manté encesa contínuament (mode CW), la lent no tindrà temps de "respiració".
Segons dades de proves comparatives dels laboratoris fototèrmics, amb la mateixa potència mitjana, l'ús d'un mode de conducció de pols (PWM) amb un cicle de treball del 50% pot reduir la temperatura màxima de la superfície de la lent entre un 15% i un 25% en comparació amb el mode d'ona contínua. Això es deu al fet que l'interval de pols proporciona al material un temps de "relaxació tèrmica", permetent que la calor tingui l'oportunitat de conduir-se.
Stokes Shift: component de pèrdua de calor en l'efecte de fluorescència
De vegades trobareu que les lents COP emeten una llum blava tènue sota una intensa irradiació UV; aquest és l'efecte de fluorescència. Però això no és bo.
Això s'anomena el canvi Stokes. Per exemple, el material absorbeix llum de 320 nm i emet fluorescència de 400 nm. On va la diferència d'energia entre ells (la llum de 320 nm té més energia que la de 400 nm)? Sí, tot es converteix en calor i es reté a la lent.
Límits de rendiment tèrmic i riscos de fallada dels materials COP
Prestem molta atenció a l'augment de temperatura perquè els materials tenen límits. Un cop superada la línia vermella, les conseqüències seran greus.
Cada plàstic té un "punt de suavització" anomenat temperatura de transició vítrea (Tg). Per als materials COP, sol estar entre 100 graus i 160 graus (depenent del grau).
Si la calor generada per la irradiació de 320 nm fa que la temperatura de la lent s'acosti a Tg, la lent es tornarà suau. A causa de l'alliberament de l'estrès intern, la superfície corba dissenyada amb precisió patirà una lleugera distorsió. Per als sistemes òptics de precisió, això significa que el camí òptic es desvia i l'enfocament falla.
Aquest és un cercle viciós. La irradiació-a llarg termini amb llum ultraviolada de 320 nm trencarà les cadenes de polímers de COP, generarà radicals lliures i farà que el material es groc.
Una lent groguenca tindrà un fort augmenten llum UVtaxa d'absorció. La lent originalment transparent es converteix en un "absorbidor de calor" i la seva temperatura serà molt més alta que la d'una lent nova, provocant finalment l'esgotament.
Importància de la puresa espectral (FWHM): Reducció de la radiació infraroja parasitària
Les perles de làmpades UV de baixa -qualitat emeten no només llum ultraviolada de 320 nm, sinó també una gran quantitat de radiació infraroja (IR) que l'acompanya. La radiació infraroja és radiació tèrmica pura-no serveix per a la curació o l'esterilització i només contribueix a l'escalfament de la lent.
Trieu fabricants amb tecnologia d'embalatge madura, s. Les seves perles de llum presenten una puresa espectral alta i una amplada completa estreta a la meitat màxima (FWHM), que minimitza la radiació tèrmica infraroja inútil i fonamentalment "redueix la generació de calor". Per obtenir especificacions detallades de les perles de llum, consulteuUVA320nm Lamp Beads: característiques i aplicacions.
Impacte de la resistència tèrmica del paquet LED sobre la temperatura ambient i la dissipació de calor convectiva de la lent
En molts casos, l'escalfament de la lent no és causat per la irradiació de la llum sinó per la conducció directa de la calor del xip LED subjacent.
Si un taló de llum LED té una alta resistència tèrmica, la calor generada pel xip no es pot dissipar eficaçment. Aquesta calor atrapada escalfa l'aire circumdant, convertint l'espai al voltant de la lent COP en un "forn". Combinada amb l'absorció de calor de la irradiació de la llum, la temperatura de la lent augmentarà inevitablement. L'adopció de LED UV empaquetats en substrats ceràmics amb baixa resistència tèrmica permet una transferència de calor eficient al dissipador de calor, evitant que la calor es transfereixi cap amunt a la lent.
Optimització del disseny òptic: reducció de punts calents locals mitjançant l'ajust de la curvatura de la lent
El disseny òptic adequat pot ser fonamental per al control de la temperatura. En optimitzar la curvatura de la lent, la llum pot passar a través de la lent de manera més uniforme, evitant l'excés d'energia centrada en àrees específiques de la lent. La densitat d'energia dispersa es tradueix directament en la concentració de calor dispersa.
Mesura de la longitud d'ona de la làmpada UV i estàndards de verificació de l'efecte tèrmic
Després de comprar làmpades UV, com podem comprovar que la seva longitud d'ona i els seus efectes tèrmics compleixen els requisits?
Mesura precisa de la longitud d'ona màxima de 320 nm mitjançant una esfera integradora i un espectròmetre
No confieu mai únicament en les especificacions etiquetades. És essencial dur a terme proves amb un analitzador espectral d'alta-precisió emparellat amb una esfera integradora per confirmar que la longitud d'ona màxima és d'uns 320 nm amb precisió. Si la longitud d'ona canvia a 300 nm o inferior, el dany als materials COP es multiplicarà de manera exponencial i l'augment de temperatura resultant serà molt més greu.
Aplicació de la tecnologia d'imatge tèrmica en el control de la distribució de la temperatura superficial de la lent COP
No cal endevinar la temperatura-podem visualitzar-la directament utilitzant una càmera tèrmica d'infrarojos per capturar la lent operativa.
Trobareu que la calor rarament es distribueix uniformement; el centre de la lent és normalment el punt més calent. La imatge tèrmica ofereix una visió clara i intuïtiva de les zones mortes de dissipació de calor, permetent ajustaments específics als conductes d'aire o a les distàncies de la font de llum per millorar la gestió tèrmica.
Q&A:
Amb una longitud d'ona més llarga, la llum UV de 365 nm té una energia relativament menor. A més, els materials COP solen presentar una millor transmitància de la llum a 365 nm que a 320 nm. Per tant, amb la mateixa potència òptica, l'augment de temperatura induït per la irradiació UV de 320 nm és generalment significativament superior a la de la irradiació UV de 365 nm. És precisament per això que s'ha de prestar més atenció al disseny de dissipació de calor quan s'utilitzen làmpades UV de 320 nm.
Sí, és extremadament perillós. Els LED poden experimentardesplaçament vermellocanvi blaua mesura que augmenta la temperatura. Si la dissipació de calor és inadequada, la temperatura de la unió augmentarà, provocant una deriva de longitud d'ona. Aquesta deriva pot canviar la longitud d'ona a una banda on els materials COP tenen taxes d'absorció més altes, donant lloc a un augment incontrolat de la temperatura.
La irradiància disminueix en proporció inversa al quadrat de la distància a mesura que augmenta la distància. Aquest és un procés de compensació-. Necessites trobar unpunt dolç-una distància que no només garanteix una intensitat UV suficient per completar les tasques de curat o esterilització, sinó que també manté la temperatura de la lent per sota de la seva temperatura de transició vítrea (Tg) mitjançant la convecció de l'aire.
Entre els materials plàstics, COP és actualment el millor rendiment. Tot i que també generarà calor, en comparació amb el PMMA (que és propens a l'absorció d'humitat i la deformació) i el PC (que absorbeix fortament la llum ultraviolada), COP és la millor opció que equilibra la transmitància de la llum i la resistència a la calor. Si el pressupost ho permet, el vidre de sílice fosa és sens dubte l'opció ideal, ja que ni absorbeix calor ni envelleix. No obstant això, el seu cost és desenes de vegades el de COP.
En resum, l'augment de temperatura de les lents COP induït per la irradiació de la làmpada UV de 320 nm és un fenomen inevitable en fotofísica que no es pot eliminar completament, però que es pot controlar completament.
https://www.benweilight.com/industrial-lighting/led-flood-light/uv-led-flood-light.html
http://www.benweilight.com/professional-il·luminació/uv-il·luminació/exterior-arena-estadi-il·luminació-il·luminació-de inundació.html
http://www.benweilight.com/professional-il·luminació/uv-il·luminació/uv-llum-negre-llum-per a-halloween.html
