ما هو نوع مصادر المعالجة بالأشعة فوق البنفسجية المطبقة في نظام المعالجة بالأشعة فوق البنفسجية؟

يعد بخار الزئبق والصمام الثنائي الباعث للضوء (LED) والإكسيمر من تقنيات مصابيح المعالجة بالأشعة فوق البنفسجية المتميزة. في حين يتم استخدام الثلاثة جميعًا في عمليات البلمرة الضوئية المختلفة لربط الأحبار والطلاءات والمواد اللاصقة والبثق، فإن آليات توليد طاقة الأشعة فوق البنفسجية المشعة، فضلاً عن خصائص الإخراج الطيفي المقابل، مختلفة تمامًا. يعد فهم هذه الاختلافات أمرًا أساسيًا في تطوير التطبيقات والصياغة، واختيار مصدر المعالجة بالأشعة فوق البنفسجية، والتكامل.

مصابيح بخار الزئبق

تقع كل من مصابيح القوس الكهربائي ومصابيح الميكروويف بدون قطب كهربائي ضمن فئة بخار الزئبق. مصابيح بخار الزئبق هي نوع من مصابيح الضغط المتوسط ​​والتفريغ الغازي، حيث يتم تبخير كمية صغيرة من الزئبق العنصري والغاز الخامل إلى بلازما داخل أنبوب كوارتز مغلق. البلازما عبارة عن غاز مؤين ذو درجة حرارة عالية بشكل لا يصدق قادر على توصيل الكهرباء. يتم إنتاجه عن طريق تطبيق جهد كهربائي بين قطبين داخل مصباح قوسي أو عن طريق تسخين مصباح بدون قطب كهربائي داخل حاوية أو تجويف مشابه في المفهوم لفرن الميكروويف المنزلي. بمجرد تبخرها، تبعث بلازما الزئبق ضوءًا واسع النطاق عبر الأطوال الموجية للأشعة فوق البنفسجية والمرئية والأشعة تحت الحمراء.

في حالة مصباح القوس الكهربائي، يعمل الجهد المطبق على تنشيط أنبوب الكوارتز المختوم. تعمل هذه الطاقة على تبخير الزئبق إلى بلازما وإطلاق إلكترونات من الذرات المتبخرة. يتدفق جزء من الإلكترونات (-) نحو قطب التنغستن الموجب أو الأنود (+) للمصباح وإلى الدائرة الكهربائية لنظام الأشعة فوق البنفسجية. تصبح الذرات ذات الإلكترونات المفقودة حديثًا كاتيونات ذات طاقة موجبة (+) تتدفق نحو قطب التنغستن أو الكاثود (-) المشحون سالبًا في المصباح. أثناء تحركها، تصطدم الكاتيونات بالذرات المحايدة في خليط الغاز. ينقل التأثير الإلكترونات من الذرات المحايدة إلى الكاتيونات. عندما تكتسب الكاتيونات إلكترونات، فإنها تنخفض إلى حالة طاقة أقل. يتم تفريغ فرق الطاقة على شكل فوتونات تشع إلى الخارج من أنبوب الكوارتز. بشرط أن يتم تشغيل المصباح بشكل مناسب، وتبريده بشكل صحيح، وتشغيله خلال عمره الإنتاجي، ينجذب إمداد ثابت من الكاتيونات التي تم إنشاؤها حديثًا (+) نحو القطب السالب أو الكاثود (-)، مما يؤدي إلى ضرب المزيد من الذرات وإنتاج انبعاث مستمر للضوء فوق البنفسجي. تعمل مصابيح الميكروويف بطريقة مماثلة باستثناء أن الموجات الدقيقة، المعروفة أيضًا باسم الترددات الراديوية (RF)، تحل محل الدائرة الكهربائية. نظرًا لأن مصابيح الميكروويف لا تحتوي على أقطاب التنغستن وهي ببساطة عبارة عن أنبوب كوارتز مغلق يحتوي على زئبق وغاز خامل، فيشار إليها عادةً باسم بدون إلكترود.

يمتد ناتج الأشعة فوق البنفسجية لمصابيح بخار الزئبق ذات النطاق العريض أو واسع الطيف إلى الأطوال الموجية للأشعة فوق البنفسجية والمرئية والأشعة تحت الحمراء، بنسب متساوية تقريبية. يتضمن الجزء فوق البنفسجي مزيجًا من الأطوال الموجية للأشعة فوق البنفسجية (200 إلى 280 نانومتر)، والأشعة فوق البنفسجية (ب) (280 إلى 315 نانومتر)، والأشعة فوق البنفسجية (315 إلى 400 نانومتر)، والأشعة فوق البنفسجية (400 إلى 450 نانومتر). المصابيح التي تنبعث منها الأشعة فوق البنفسجية بأطوال موجية أقل من 240 نانومتر تولد الأوزون وتتطلب العادم أو الترشيح.

يمكن تغيير الخرج الطيفي لمصباح بخار الزئبق عن طريق إضافة كميات صغيرة من المنشطات، مثل: الحديد (Fe)، الغاليوم (Ga)، الرصاص (Pb)، القصدير (Sn)، البزموت (Bi)، أو الإنديوم (In). ). تغير المعادن المضافة تكوين البلازما، وبالتالي الطاقة المنطلقة عندما تكتسب الكاتيونات الإلكترونات. يشار إلى المصابيح التي تحتوي على معادن مضافة على أنها هاليد مخدر ومضاف ومعدني. تم تصميم معظم الأحبار والطلاءات والمواد اللاصقة والبثق المركبة بالأشعة فوق البنفسجية لتتناسب مع مخرجات المصابيح القياسية المطلية بالزئبق (Hg) أو الحديد (Fe). تعمل المصابيح المطلية بالحديد على تحويل جزء من الأشعة فوق البنفسجية الناتجة إلى أطوال موجية أطول وشبه مرئية، مما يؤدي إلى اختراق أفضل من خلال تركيبات أكثر سمكًا وصبغية بشكل كبير. تميل تركيبات الأشعة فوق البنفسجية التي تحتوي على ثاني أكسيد التيتانيوم إلى المعالجة بشكل أفضل باستخدام مصابيح الغاليوم (GA). وذلك لأن مصابيح الغاليوم تحول جزءًا كبيرًا من ناتج الأشعة فوق البنفسجية نحو الأطوال الموجية الأطول من 380 نانومتر. نظرًا لأن إضافات ثاني أكسيد التيتانيوم لا تمتص الضوء بشكل عام فوق 380 نانومتر، فإن استخدام مصابيح الغاليوم ذات التركيبات البيضاء يسمح بامتصاص المزيد من الطاقة فوق البنفسجية بواسطة المحفزات الضوئية بدلاً من المواد المضافة.

توفر الملامح الطيفية للمصممين والمستخدمين النهائيين تمثيلاً مرئيًا لكيفية توزيع المخرجات المشعة لتصميم مصباح معين عبر الطيف الكهرومغناطيسي. في حين أن الزئبق المتبخر والمعادن المضافة لها خصائص إشعاعية محددة، فإن الخليط الدقيق للعناصر والغازات الخاملة داخل أنبوب الكوارتز إلى جانب تصميم المصباح ونظام المعالجة كلها تؤثر على مخرجات الأشعة فوق البنفسجية. إن الخرج الطيفي للمصباح غير المتكامل الذي يتم تشغيله وقياسه بواسطة مورد المصباح في الهواء الطلق سيكون له خرج طيفي مختلف عن المصباح المثبت داخل رأس المصباح مع عاكس وتبريد مصممين بشكل صحيح. تتوفر الملامح الطيفية بسهولة من موردي أنظمة الأشعة فوق البنفسجية، وهي مفيدة في تطوير التركيبة واختيار المصابيح.

يرسم المظهر الطيفي الشائع الإشعاع الطيفي على المحور الصادي والطول الموجي على المحور السيني. يمكن عرض الإشعاع الطيفي بعدة طرق بما في ذلك القيمة المطلقة (على سبيل المثال W/cm2/nm) أو التدابير التعسفية أو النسبية أو الطبيعية (بدون وحدة). تعرض ملفات التعريف عادةً المعلومات كمخطط خطي أو كمخطط شريطي يجمع الإخراج في نطاقات 10 نانومتر. يوضح الرسم البياني الطيفي للإخراج الطيفي لمصباح قوس الزئبق التالي الإشعاع النسبي فيما يتعلق بالطول الموجي لأنظمة GEW (الشكل 1).

الشكل 1 »مخططات الإخراج الطيفية للزئبق والحديد.
المصباح هو المصطلح المستخدم للإشارة إلى أنبوب الكوارتز الذي ينبعث من الأشعة فوق البنفسجية في أوروبا وآسيا، بينما يميل أمريكا الشمالية والجنوبية إلى استخدام مزيج قابل للتبديل من اللمبة والمصباح. يشير كل من المصباح ورأس المصباح إلى المجموعة الكاملة التي تحتوي على أنبوب الكوارتز وجميع المكونات الميكانيكية والكهربائية الأخرى.

مصابيح القوس الكهربائي

تتكون أنظمة مصابيح القوس الكهربائي من رأس مصباح، ومروحة تبريد أو مبرد، ومصدر طاقة، وواجهة بين الإنسان والآلة (HMI). يشتمل رأس المصباح على مصباح (لمبة)، وعاكس، وغلاف معدني أو مبيت، ومجموعة مصراع، وأحيانًا نافذة كوارتز أو واقي سلكي. تقوم GEW بتركيب أنابيب الكوارتز والعاكسات وآليات الإغلاق داخل مجموعات الكاسيت التي يمكن إزالتها بسهولة من غلاف رأس المصباح الخارجي أو غلافه. عادةً ما تتم إزالة شريط GEW في غضون ثوانٍ باستخدام مفتاح Allen واحد. نظرًا لأن مخرجات الأشعة فوق البنفسجية وحجم رأس المصباح الإجمالي وشكله وميزات النظام واحتياجات المعدات الإضافية تختلف حسب التطبيق والسوق، فقد تم تصميم أنظمة مصابيح القوس الكهربائي بشكل عام لفئة معينة من التطبيقات أو أنواع الآلات المماثلة.

تنبعث مصابيح بخار الزئبق من ضوء بزاوية 360 درجة من أنبوب الكوارتز. تستخدم أنظمة المصابيح القوسية عاكسات موجودة على جانبي المصباح وخلفه لالتقاط المزيد من الضوء وتركيزه على مسافة محددة أمام رأس المصباح. تُعرف هذه المسافة بالبؤرة وهي حيث يكون الإشعاع أكبر. عادةً ما تنبعث مصابيح القوس في نطاق من 5 إلى 12 واط / سم 2 عند التركيز. نظرًا لأن حوالي 70% من الأشعة فوق البنفسجية الصادرة من رأس المصباح تأتي من العاكس، فمن المهم الحفاظ على نظافة العاكسات واستبدالها بشكل دوري. يعد عدم تنظيف أو استبدال العاكسات من الأسباب الشائعة لعدم كفاية العلاج.

منذ أكثر من 30 عامًا، تعمل GEW على تحسين كفاءة أنظمة المعالجة الخاصة بها، وتخصيص الميزات والمخرجات لتلبية احتياجات تطبيقات وأسواق محددة، وتطوير مجموعة كبيرة من ملحقات التكامل. ونتيجة لذلك، تتضمن العروض التجارية الحالية من GEW تصميمات إسكان مدمجة، وعاكسات مُحسّنة لزيادة انعكاس الأشعة فوق البنفسجية وتقليل الأشعة تحت الحمراء، وآليات مصراع متكاملة هادئة، وتنانير وفتحات شبكية، وتغذية شبكة صدفة البطلينوس، وخمول النيتروجين، ورؤوس مضغوطة بشكل إيجابي، وشاشة تعمل باللمس. واجهة المشغل، وإمدادات الطاقة ذات الحالة الصلبة، وكفاءة تشغيلية أكبر، ومراقبة مخرجات الأشعة فوق البنفسجية، ومراقبة النظام عن بعد.

عند تشغيل مصابيح القطب الكهربائي ذات الضغط المتوسط، تتراوح درجة حرارة سطح الكوارتز بين 600 درجة مئوية و800 درجة مئوية، ودرجة حرارة البلازما الداخلية عدة آلاف من الدرجات المئوية. الهواء القسري هو الوسيلة الأساسية للحفاظ على درجة حرارة تشغيل المصباح الصحيحة وإزالة بعض طاقة الأشعة تحت الحمراء المشعة. توفر GEW هذا الهواء بشكل سلبي؛ وهذا يعني أنه يتم سحب الهواء من خلال الغلاف، على طول العاكس والمصباح، ويتم استنفاده خارج المجموعة وبعيدًا عن الماكينة أو سطح المعالجة. تستخدم بعض أنظمة GEW مثل E4C التبريد السائل، مما يتيح إنتاجًا أكبر قليلاً للأشعة فوق البنفسجية ويقلل الحجم الإجمالي لرأس المصباح.

تحتوي مصابيح القوس الكهربائي على دورات إحماء وتبريد. يتم ضرب المصابيح بأقل قدر من التبريد. وهذا يسمح لبلازما الزئبق بالارتفاع إلى درجة حرارة التشغيل المطلوبة، وإنتاج إلكترونات وكاتيونات حرة، وتمكين تدفق التيار. عندما يتم إيقاف تشغيل رأس المصباح، يستمر التبريد في التشغيل لبضع دقائق لتبريد أنبوب الكوارتز بالتساوي. المصباح الذي يكون دافئًا جدًا لن يضيء مرة أخرى ويجب أن يستمر في التبريد. إن طول دورة التشغيل والتبريد، فضلاً عن تدهور الأقطاب الكهربائية أثناء كل ضربة جهد، هو سبب دمج آليات الغالق الهوائية دائمًا في مجموعات مصابيح القوس الكهربائي GEW. ويبين الشكل 2 مصابيح القوس الكهربائي المبردة بالهواء (E2C) والمبردة بالسائل (E4C).

الشكل 2 »مصابيح القوس الكهربائي المبردة بالسائل (E4C) والمبردة بالهواء (E2C).

مصابيح LED للأشعة فوق البنفسجية

أشباه الموصلات هي مواد صلبة بلورية موصلة إلى حد ما. تتدفق الكهرباء عبر شبه موصل بشكل أفضل من العازل، ولكن ليس بنفس جودة الموصل المعدني. تشمل أشباه الموصلات التي تحدث بشكل طبيعي ولكنها غير فعالة إلى حد ما عناصر السيليكون والجرمانيوم والسيلينيوم. إن أشباه الموصلات المصنعة صناعيًا والمصممة لتحقيق المخرجات والكفاءة هي مواد مركبة تحتوي على شوائب مشربة بدقة داخل البنية البلورية. في حالة مصابيح LED بالأشعة فوق البنفسجية، فإن نيتريد الغاليوم الألومنيوم (AlGaN) هو مادة شائعة الاستخدام.

تعتبر أشباه الموصلات أساسية للإلكترونيات الحديثة وتم تصميمها لتشكيل الترانزستورات والثنائيات والثنائيات الباعثة للضوء والمعالجات الدقيقة. يتم دمج الأجهزة شبه الموصلة في الدوائر الكهربائية ويتم تركيبها داخل المنتجات مثل الهواتف المحمولة وأجهزة الكمبيوتر المحمولة والأجهزة اللوحية والأجهزة والطائرات والسيارات وأجهزة التحكم عن بعد وحتى ألعاب الأطفال. تعمل هذه المكونات الصغيرة ولكن القوية على جعل المنتجات اليومية تعمل بينما تسمح أيضًا للعناصر بأن تكون مدمجة وأرق وخفيفة الوزن وبأسعار معقولة.

في حالة مصابيح LED الخاصة، تبعث المواد شبه الموصلة المصممة والمصنعة بدقة نطاقات ضوئية ذات أطوال موجية ضيقة نسبيًا عند توصيلها بمصدر طاقة تيار مستمر. يتم إنشاء الضوء فقط عندما يتدفق التيار من القطب الموجب (+) إلى الكاثود السالب (-) لكل LED. نظرًا لأنه يمكن التحكم في مخرجات LED بسرعة وسهولة وشبه أحادية اللون، فإن مصابيح LED مناسبة بشكل مثالي للاستخدام مثل: أضواء المؤشر؛ إشارات الاتصال بالأشعة تحت الحمراء؛ الإضاءة الخلفية لأجهزة التلفاز وأجهزة الكمبيوتر المحمولة والأجهزة اللوحية والهواتف الذكية؛ اللافتات الإلكترونية، واللوحات الإعلانية، وأجهزة الجامبوترون؛ والعلاج بالأشعة فوق البنفسجية.

LED هو تقاطع إيجابي سلبي (تقاطع pn). وهذا يعني أن جزءًا واحدًا من LED لديه شحنة موجبة ويشار إليه بالأنود (+)، والجزء الآخر له شحنة سالبة ويشار إليه باسم الكاثود (-). في حين أن كلا الجانبين موصلان نسبيًا، فإن حدود التقاطع حيث يلتقي الجانبان، والمعروفة باسم منطقة النضوب، ليست موصلة. عندما يكون الطرف الموجب (+) لمصدر طاقة تيار مباشر (DC) متصلاً بالقطب الموجب (+) الخاص بمصباح LED، والطرف السالب (-) للمصدر متصل بالكاثود (-)، تنشأ إلكترونات سالبة الشحنة في الكاثود ويتم صد الإلكترونات الشاغرة موجبة الشحنة في الأنود بواسطة مصدر الطاقة ودفعها نحو منطقة النضوب. يعد هذا انحيازًا للأمام، وله تأثير التغلب على الحدود غير الموصلة. والنتيجة هي أن الإلكترونات الحرة في منطقة النوع n تتقاطع وتملأ الشواغر في منطقة النوع p. ومع تدفق الإلكترونات عبر الحدود، فإنها تنتقل إلى حالة طاقة أقل. يتم تحرير الانخفاض المعني في الطاقة من شبه الموصل على شكل فوتونات من الضوء.

تحدد المواد والمواد المشابهة التي تشكل هيكل LED البلوري الخرج الطيفي. اليوم، تحتوي مصادر المعالجة LED المتوفرة تجاريًا على مخرجات للأشعة فوق البنفسجية تتمركز عند 365 و385 و395 و405 نانومتر، وتسامح نموذجي يبلغ ±5 نانومتر، وتوزيع طيفي غاوسي. كلما زادت ذروة الإشعاع الطيفي (W/cm2/nm)، زادت ذروة منحنى الجرس. في حين أن تطوير الأشعة فوق البنفسجية مستمر بين 275 و285 نانومتر، إلا أن الإنتاج والعمر والموثوقية والتكلفة ليست مجدية تجاريًا بعد لأنظمة المعالجة والتطبيقات.

نظرًا لأن مخرجات UV-LED تقتصر حاليًا على أطوال موجية UVA الأطول، فإن نظام المعالجة UV-LED لا ينبعث من خاصية الخرج الطيفي عريض النطاق لمصابيح بخار الزئبق متوسطة الضغط. وهذا يعني أن أنظمة المعالجة بالأشعة فوق البنفسجية LED لا تنبعث منها الأشعة فوق البنفسجية، والأشعة فوق البنفسجية، والضوء الأكثر وضوحًا، والأطوال الموجية للأشعة تحت الحمراء المولدة للحرارة. في حين أن هذا يتيح استخدام أنظمة المعالجة بالأشعة فوق البنفسجية LED في التطبيقات الأكثر حساسية للحرارة، يجب إعادة صياغة الأحبار والطلاءات والمواد اللاصقة الموجودة المصممة لمصابيح الزئبق متوسطة الضغط لأنظمة المعالجة بالأشعة فوق البنفسجية LED. ولحسن الحظ، يقوم موردو المواد الكيميائية بشكل متزايد بتصميم العروض كعلاج مزدوج. وهذا يعني أن تركيبة المعالجة المزدوجة المخصصة للمعالجة باستخدام مصباح UV-LED ستعالج أيضًا باستخدام مصباح بخار الزئبق (الشكل 3).

الشكل 3 »مخطط الإخراج الطيفي لـ LED.

تنبعث أنظمة المعالجة بالأشعة فوق البنفسجية LED من GEW ما يصل إلى 30 وات/سم2 عند النافذة المنبعثة. على عكس مصابيح القوس الكهربائي، لا تشتمل أنظمة المعالجة UV-LED على عاكسات توجه أشعة الضوء إلى تركيز مركز. ونتيجة لذلك، يحدث ذروة إشعاع UV-LED بالقرب من النافذة المنبعثة. تتباعد أشعة UV-LED المنبعثة عن بعضها البعض مع زيادة المسافة بين رأس المصباح وسطح المعالجة. وهذا يقلل من تركيز الضوء وحجم الإشعاع الذي يصل إلى سطح المعالجة. في حين أن ذروة الإشعاع مهمة للتشابك، فإن الإشعاع العالي بشكل متزايد ليس مفيدًا دائمًا ويمكن أن يمنع زيادة كثافة التشابك. يلعب الطول الموجي (نانومتر)، والإشعاع (W/cm2) وكثافة الطاقة (J/cm2) أدوارًا حاسمة في المعالجة، ويجب فهم تأثيرها الجماعي على العلاج بشكل صحيح أثناء اختيار مصدر UV-LED.

المصابيح هي مصادر لامبرت. وبعبارة أخرى، فإن كل مصباح LED للأشعة فوق البنفسجية يصدر مخرجًا أماميًا موحدًا عبر نصف الكرة الكامل 360 درجة × 180 درجة. يتم ترتيب العديد من مصابيح LED للأشعة فوق البنفسجية، كل منها بترتيب ملليمتر مربع، في صف واحد، أو مصفوفة من الصفوف والأعمدة، أو بعض التكوينات الأخرى. تم تصميم هذه التجميعات الفرعية، المعروفة باسم الوحدات أو المصفوفات، مع تباعد بين مصابيح LED مما يضمن المزج عبر الفجوات ويسهل تبريد الصمام الثنائي. يتم بعد ذلك ترتيب وحدات أو صفائف متعددة في مجموعات أكبر لتكوين أحجام مختلفة من أنظمة المعالجة بالأشعة فوق البنفسجية (الشكلان 4 و5). تشتمل المكونات الإضافية المطلوبة لبناء نظام معالجة UV-LED على المشتت الحراري، والنافذة الباعثة، وبرامج التشغيل الإلكترونية، وإمدادات الطاقة DC، ونظام التبريد السائل أو المبرد، وواجهة الإنسان والآلة (HMI).

الشكل 4 »نظام LeoLED للويب.

الشكل 5 »نظام LeoLED للتركيبات متعددة المصابيح عالية السرعة.

نظرًا لأن أنظمة المعالجة UV-LED لا تشع أطوال موجية للأشعة تحت الحمراء. إنها بطبيعتها تنقل طاقة حرارية أقل إلى سطح المعالجة مقارنة بمصابيح بخار الزئبق، لكن هذا لا يعني أنه ينبغي اعتبار مصابيح LED بالأشعة فوق البنفسجية بمثابة تقنية معالجة باردة. يمكن لأنظمة المعالجة بالأشعة فوق البنفسجية LED أن تنبعث منها إشعاعات عالية جدًا، والأطوال الموجية فوق البنفسجية هي شكل من أشكال الطاقة. أيًا كان الناتج الذي لا تمتصه الكيمياء سوف يؤدي إلى تسخين الجزء الأساسي أو الركيزة بالإضافة إلى مكونات الماكينة المحيطة.

تعد مصابيح LED للأشعة فوق البنفسجية أيضًا مكونات كهربائية ذات أوجه قصور مدفوعة بتصميم وتصنيع أشباه الموصلات الخام بالإضافة إلى طرق التصنيع والمكونات المستخدمة لتعبئة مصابيح LED في وحدة المعالجة الأكبر. بينما يجب الحفاظ على درجة حرارة أنبوب كوارتز بخار الزئبق بين 600 و800 درجة مئوية أثناء التشغيل، يجب أن تظل درجة حرارة وصلة LED pn أقل من 120 درجة مئوية. يتم تحويل 35-50% فقط من الكهرباء التي تزود مصفوفة UV-LED بالطاقة إلى خرج الأشعة فوق البنفسجية (يعتمد بشكل كبير على الطول الموجي). ويتم تحويل الباقي إلى حرارة حرارية يجب إزالتها من أجل الحفاظ على درجة حرارة الوصلة المطلوبة وضمان إشعاع النظام المحدد وكثافة الطاقة والاتساق، فضلاً عن العمر الطويل. تعد مصابيح LED بطبيعتها أجهزة ذات حالة صلبة طويلة الأمد، ويعد دمج مصابيح LED في مجموعات أكبر مع أنظمة تبريد مصممة وصيانتها بشكل صحيح أمرًا بالغ الأهمية لتحقيق مواصفات طويلة العمر. ليست كل أنظمة المعالجة بالأشعة فوق البنفسجية متشابهة، وأنظمة المعالجة بالأشعة فوق البنفسجية المصممة والمبردة بشكل غير صحيح لديها احتمالية أكبر للسخونة الزائدة والفشل بشكل كارثي.

مصابيح هجينة قوسية/LED

في أي سوق يتم فيه تقديم تكنولوجيا جديدة كبديل للتكنولوجيا الحالية، يمكن أن يكون هناك خوف بشأن اعتمادها بالإضافة إلى الشك في الأداء. غالبًا ما يؤخر المستخدمون المحتملون الاعتماد حتى يتم تشكيل قاعدة تثبيت راسخة، ويتم نشر دراسات الحالة، ويبدأ تداول الشهادات الإيجابية على نطاق واسع، و/أو يحصلون على خبرة مباشرة أو مراجع من الأفراد والشركات التي يعرفونها ويثقون بها. غالبًا ما تكون هناك حاجة إلى أدلة دامغة قبل أن يتخلى السوق بأكمله تمامًا عن القديم وينتقل بالكامل إلى الجديد. ومما لا يساعد أن قصص النجاح تميل إلى أن تكون أسرارًا مشددة لأن المتبنين الأوائل لا يريدون أن يحقق المنافسون فوائد مماثلة. ونتيجة لذلك، فإن حكايات خيبة الأمل الحقيقية والمبالغ فيها يمكن أن يتردد صداها في بعض الأحيان في جميع أنحاء السوق لتمويه المزايا الحقيقية للتكنولوجيا الجديدة وزيادة تأخير اعتمادها.

على مر التاريخ، وكرد على التبني المتردد، تم تبني التصاميم الهجينة في كثير من الأحيان كجسر انتقالي بين التكنولوجيا الحالية والتكنولوجيا الجديدة. تسمح المنتجات الهجينة للمستخدمين باكتساب الثقة وتحديد كيف ومتى يجب استخدام المنتجات أو الأساليب الجديدة، دون التضحية بالإمكانيات الحالية. وفي حالة المعالجة بالأشعة فوق البنفسجية، يتيح النظام الهجين للمستخدمين التبديل بسرعة وسهولة بين مصابيح بخار الزئبق وتقنية LED. بالنسبة للخطوط التي تحتوي على محطات معالجة متعددة، تسمح المطابع الهجينة بتشغيل 100% LED، أو 100% بخار زئبق، أو أي مزيج من التقنيتين مطلوب لمهمة معينة.

تقدم GEW أنظمة هجينة للقوس/LED لمحولات الويب. تم تطوير الحل لأكبر سوق لشركة GEW، وهو علامة الويب الضيقة، ولكن التصميم الهجين له أيضًا استخدام في تطبيقات الويب وغير الويب الأخرى (الشكل 6). يشتمل القوس/LED على غطاء رأس مصباح مشترك يمكنه استيعاب بخار الزئبق أو شريط LED. يعمل كلا الكاسيتين بنظام طاقة وتحكم عالمي. يتيح الذكاء داخل النظام التمييز بين أنواع الكاسيت ويوفر تلقائيًا الطاقة والتبريد وواجهة المشغل المناسبة. عادةً ما يتم إزالة أو تثبيت أي من بخار الزئبق أو أشرطة LED الخاصة بـ GEW في غضون ثوانٍ باستخدام مفتاح Allen واحد.

الشكل 6 »نظام القوس/LED للويب.

مصابيح الإكسيمر

مصابيح Excimer هي نوع من مصابيح تفريغ الغاز التي تنبعث منها طاقة فوق بنفسجية شبه أحادية اللون. في حين أن مصابيح الإكسيمر متوفرة بأطوال موجية عديدة، فإن مخرجات الأشعة فوق البنفسجية الشائعة تتمركز عند 172 و222 و308 و351 نانومتر. تقع مصابيح الإكسيمر بطول 172 نانومتر ضمن نطاق الأشعة فوق البنفسجية الفراغي (100 إلى 200 نانومتر)، في حين أن 222 نانومتر عبارة عن UVC حصريًا (200 إلى 280 نانومتر). تنبعث مصابيح الإكسيمر 308 نانومتر من الأشعة فوق البنفسجية (280 إلى 315 نانومتر)، و351 نانومتر هي الأشعة فوق البنفسجية الطويلة (315 إلى 400 نانومتر).

الأطوال الموجية للأشعة فوق البنفسجية الفراغية 172 نانومتر أقصر وتحتوي على طاقة أكثر من الأشعة فوق البنفسجية؛ ومع ذلك، فإنهم يكافحون من أجل اختراق المواد بعمق شديد. في الواقع، يتم امتصاص الأطوال الموجية البالغة 172 نانومتر بالكامل ضمن أعلى 10 إلى 200 نانومتر من الكيمياء المركبة للأشعة فوق البنفسجية. ونتيجة لذلك، فإن مصابيح الإكسيمر بطول 172 نانومتر لن تؤدي إلا إلى تشابك السطح الخارجي لتركيبات الأشعة فوق البنفسجية ويجب دمجها مع أجهزة المعالجة الأخرى. وبما أن الأطوال الموجية للأشعة فوق البنفسجية الفراغية يتم امتصاصها أيضًا عن طريق الهواء، فيجب تشغيل مصابيح الإكسيمر بطول 172 نانومتر في جو خامل بالنيتروجين.

تتكون معظم مصابيح الإكسيمر من أنبوب كوارتز يعمل كحاجز عازل. يمتلئ الأنبوب بغازات نادرة قادرة على تكوين جزيئات الإكسيمر أو الإكسيبلكس (الشكل 7). تنتج الغازات المختلفة جزيئات مختلفة، وتحدد الجزيئات المثارة المختلفة الأطوال الموجية التي ينبعثها المصباح. يمتد قطب كهربائي عالي الجهد على طول الطول الداخلي لأنبوب الكوارتز، وتمتد الأقطاب الكهربائية الأرضية على طول الطول الخارجي. يتم نبض الفولتية في المصباح بترددات عالية. يؤدي هذا إلى تدفق الإلكترونات داخل القطب الكهربائي الداخلي وتفريغها عبر خليط الغاز باتجاه الأقطاب الأرضية الخارجية. تُعرف هذه الظاهرة العلمية باسم تفريغ الحاجز العازل (DBD). عندما تنتقل الإلكترونات عبر الغاز، فإنها تتفاعل مع الذرات وتنتج أنواعًا نشطة أو متأينة تنتج جزيئات الإكسيمر أو الإكسيبلكس. تتمتع جزيئات الإكسيمر والإكسيبلكس بعمر قصير بشكل لا يصدق، وعندما تتحلل من الحالة المثارة إلى الحالة الأرضية، تنبعث فوتونات ذات توزيع شبه أحادي اللون.

الشكل 7 »مصباح الإكسيمر

على عكس مصابيح بخار الزئبق، لا يسخن سطح أنبوب الكوارتز الخاص بمصباح الإكسيمر. ونتيجة لذلك، تعمل معظم مصابيح الإكسيمر بتبريد قليل أو معدوم. وفي حالات أخرى، يلزم مستوى منخفض من التبريد يتم توفيره عادةً بواسطة غاز النيتروجين. نظرًا للاستقرار الحراري للمصباح، فإن مصابيح الإكسيمر يتم تشغيلها/إيقاف تشغيلها بشكل فوري ولا تتطلب أي دورات تسخين أو تبريد.

عندما يتم دمج مصابيح الإكسيمر التي تشع عند 172 نانومتر مع كل من أنظمة المعالجة بالأشعة فوق البنفسجية فئة A-LED ومصابيح بخار الزئبق ذات النطاق العريض، يتم إنتاج تأثيرات سطحية لامعة. تُستخدم مصابيح UVA LED لأول مرة في هلام الكيمياء. يتم بعد ذلك استخدام مصابيح الإكسيمر شبه أحادية اللون لبلمرة السطح، وأخيرًا، تعمل مصابيح الزئبق ذات النطاق العريض على ربط بقية الكيمياء. توفر المخرجات الطيفية الفريدة للتقنيات الثلاث المطبقة في مراحل منفصلة تأثيرات معالجة سطحية بصرية ووظيفية مفيدة لا يمكن تحقيقها باستخدام أي من مصادر الأشعة فوق البنفسجية بمفردها.

تعد أطوال موجات الإكسيمر التي تبلغ 172 و222 نانومتر فعالة أيضًا في تدمير المواد العضوية الخطرة والبكتيريا الضارة، مما يجعل مصابيح الإكسيمر عملية لتنظيف الأسطح والتطهير ومعالجة الطاقة السطحية.

عمر المصباح

فيما يتعلق بعمر المصباح أو اللمبة، تصل مصابيح القوس الخاصة بشركة GEW عمومًا إلى 2000 ساعة. عمر المصباح ليس مطلقًا، حيث يتناقص إنتاج الأشعة فوق البنفسجية تدريجيًا بمرور الوقت ويتأثر بعوامل مختلفة. تصميم المصباح وجودته، بالإضافة إلى حالة تشغيل نظام الأشعة فوق البنفسجية وتفاعلية مادة التركيب. تضمن أنظمة الأشعة فوق البنفسجية المصممة بشكل صحيح توفير الطاقة والتبريد الصحيحين اللذين يتطلبهما تصميم المصباح (اللمبة) المحدد.

توفر المصابيح (المصابيح) التي توفرها GEW دائمًا أطول عمر عند استخدامها في أنظمة معالجة GEW. بشكل عام، قامت مصادر الإمداد الثانوية بإجراء هندسة عكسية للمصباح من عينة، وقد لا تحتوي النسخ على نفس التركيب النهائي، أو قطر الكوارتز، أو محتوى الزئبق، أو خليط الغاز، والتي يمكن أن تؤثر جميعها على مخرجات الأشعة فوق البنفسجية وتوليد الحرارة. عندما لا يكون توليد الحرارة متوازنًا مع تبريد النظام، يعاني المصباح من حيث الخرج والعمر. المصابيح التي تعمل بشكل أكثر برودة تنبعث منها كمية أقل من الأشعة فوق البنفسجية. المصابيح التي تعمل بشكل أكثر سخونة لا تدوم طويلاً وتتشوه عند درجات حرارة السطح المرتفعة.

يقتصر عمر مصابيح القوس الكهربائي على درجة حرارة تشغيل المصباح، وعدد ساعات التشغيل، وعدد مرات البدء أو الضربات. في كل مرة يتم فيها ضرب المصباح بقوس عالي الجهد أثناء بدء التشغيل، يتآكل جزء صغير من قطب التنغستن. وفي نهاية المطاف، لن يضيء المصباح مرة أخرى. تشتمل مصابيح القوس الكهربائي على آليات مصراع تعمل، عند تشغيلها، على منع إخراج الأشعة فوق البنفسجية كبديل لإعادة تدوير طاقة المصباح بشكل متكرر. قد تؤدي المزيد من الأحبار والطلاءات والمواد اللاصقة التفاعلية إلى إطالة عمر المصباح؛ في حين أن التركيبات الأقل تفاعلًا قد تتطلب تغييرات أكثر تكرارًا في المصباح.

إن أنظمة UV-LED بطبيعتها تدوم لفترة أطول من المصابيح التقليدية، ولكن عمر UV-LED ليس مطلقًا أيضًا. كما هو الحال مع المصابيح التقليدية، فإن مصابيح LED للأشعة فوق البنفسجية لها حدود في مدى قوة قيادتها ويجب أن تعمل بشكل عام مع درجات حرارة توصيل أقل من 120 درجة مئوية. ستعمل مصابيح LED ذات التشغيل الزائد ومصابيح LED ذات التبريد المنخفض على تعريض الحياة للخطر، مما يؤدي إلى تدهور أسرع أو فشل كارثي. لا يقدم جميع موردي أنظمة UV-LED حاليًا تصميمات تلبي أعلى عمر محدد يزيد عن 20000 ساعة. سوف تستمر الأنظمة الأفضل تصميمًا وصيانتها لأكثر من 20 ألف ساعة، وستفشل الأنظمة الأقل جودة خلال نوافذ أقصر بكثير. والخبر السار هو أن تصميمات نظام LED تستمر في التحسن وتستمر لفترة أطول مع كل تكرار للتصميم.

الأوزون
عندما تؤثر الأطوال الموجية للأشعة فوق البنفسجية الأقصر على جزيئات الأكسجين (O2)، فإنها تتسبب في انقسام جزيئات الأكسجين (O2) إلى ذرتي أكسجين (O). ثم تصطدم ذرات الأكسجين الحرة (O) بجزيئات الأكسجين الأخرى (O2) لتشكل الأوزون (O3). نظرًا لأن ثلاثي الأكسجين (O3) أقل استقرارًا على مستوى الأرض من ثنائي الأكسجين (O2)، فإن الأوزون يعود بسهولة إلى جزيء أكسجين (O2) وذرة أكسجين (O) أثناء انجرافه عبر الهواء الجوي. ثم تتحد ذرات الأكسجين الحرة (O) مع بعضها البعض داخل نظام العادم لإنتاج جزيئات الأكسجين (O2).

بالنسبة لتطبيقات المعالجة بالأشعة فوق البنفسجية الصناعية، يتم إنتاج الأوزون (O3) عندما يتفاعل الأكسجين الجوي مع أطوال موجية للأشعة فوق البنفسجية أقل من 240 نانومتر. تبعث مصادر المعالجة ببخار الزئبق عريضة النطاق الأشعة فوق البنفسجية بين 200 و280 نانومتر، والتي تتداخل مع جزء من منطقة توليد الأوزون، وتنبعث مصابيح الإكسيمر من الأشعة فوق البنفسجية الفراغية عند 172 نانومتر أو الأشعة فوق البنفسجية عند 222 نانومتر. الأوزون الناتج عن بخار الزئبق ومصابيح معالجة الإكسيمر غير مستقر ولا يشكل مصدر قلق بيئي كبير، ولكن من الضروري إزالته من المنطقة المحيطة مباشرة بالعمال لأنه مهيج للجهاز التنفسي وسام عند مستويات عالية. نظرًا لأن أنظمة المعالجة UV-LED التجارية تنبعث منها مخرجات UVA بين 365 و405 نانومتر، فلا يتم إنشاء الأوزون.

للأوزون رائحة تشبه رائحة المعدن والأسلاك المشتعلة والكلور والشرارة الكهربائية. يمكن للحواس الشمية البشرية اكتشاف الأوزون عند مستوى منخفض يصل إلى 0.01 إلى 0.03 جزء في المليون (جزء في المليون). في حين أنها تختلف حسب الشخص ومستوى النشاط، فإن التركيزات التي تزيد عن 0.4 جزء في المليون يمكن أن تؤدي إلى آثار سلبية على الجهاز التنفسي والصداع. يجب تركيب تهوية مناسبة على خطوط المعالجة بالأشعة فوق البنفسجية للحد من تعرض العمال للأوزون.

تم تصميم أنظمة المعالجة بالأشعة فوق البنفسجية عمومًا لاحتواء هواء العادم أثناء خروجه من رؤوس المصابيح بحيث يمكن إخراجه بعيدًا عن المشغلين وخارج المبنى حيث يتحلل بشكل طبيعي في وجود الأكسجين وأشعة الشمس. وبدلاً من ذلك، تشتمل المصابيح الخالية من الأوزون على مادة مضافة كوارتز تمنع الأطوال الموجية المولدة للأوزون، وغالبًا ما تستخدم المنشآت التي ترغب في تجنب مجاري الهواء أو قطع الثقوب في السقف مرشحات عند مخرج مراوح العادم.