بخار الزئبق، والصمام الثنائي الباعث للضوء (LED)، والإكسيمر، هي تقنيات مميزة لمصابيح المعالجة بالأشعة فوق البنفسجية. وبينما تُستخدم هذه التقنيات الثلاث في عمليات البلمرة الضوئية المختلفة لربط الأحبار والطلاءات والمواد اللاصقة والبثق، فإن آليات توليد طاقة الأشعة فوق البنفسجية المشعة، بالإضافة إلى خصائص الخرج الطيفي المقابل، تختلف اختلافًا جذريًا. يُعد فهم هذه الاختلافات أساسيًا في تطوير التطبيقات والتركيبات، واختيار مصدر المعالجة بالأشعة فوق البنفسجية، وتكاملها.
مصابيح بخار الزئبق
تندرج كلٌّ من مصابيح القوس الكهربائي ومصابيح الميكروويف الخالية من الأقطاب الكهربائية ضمن فئة مصابيح بخار الزئبق. تُعد مصابيح بخار الزئبق نوعًا من مصابيح التفريغ الغازي متوسطة الضغط، حيث تتبخر كمية صغيرة من الزئبق الأولي والغاز الخامل في بلازما داخل أنبوب كوارتز مُحكم الغلق. البلازما غاز مؤين ذو درجة حرارة عالية جدًا، قادر على توصيل الكهرباء. يتم إنتاجها بتطبيق جهد كهربائي بين قطبين كهربائيين داخل مصباح قوس كهربائي، أو عن طريق تسخين مصباح بدون أقطاب كهربائية في الميكروويف داخل حاوية أو تجويف يُشبه في تصميمه فرن الميكروويف المنزلي. بمجرد تبخرها، تُصدر بلازما الزئبق ضوءًا واسع الطيف عبر أطوال موجية فوق البنفسجية والمرئية وتحت الحمراء.
في حالة مصباح القوس الكهربائي، يُنشّط جهد كهربائي أنبوب الكوارتز المُغلق. تُبخّر هذه الطاقة الزئبق إلى بلازما وتُطلق إلكترونات من الذرات المُبخّرة. يتدفق جزء من الإلكترونات (-) نحو قطب التنغستن الموجب (المصعد) للمصباح (+) إلى الدائرة الكهربائية لنظام الأشعة فوق البنفسجية. تُصبح الذرات التي فقدت الإلكترونات حديثًا كاتيونات موجبة الشحنة (+) تتدفق نحو قطب التنغستن السالب (المهبط) للمصباح (-). أثناء تحركها، تصطدم الكاتيونات بالذرات المُتعادلة في خليط الغاز. ينقل هذا الاصطدام الإلكترونات من الذرات المُتعادلة إلى الكاتيونات. عندما تكتسب الكاتيونات الإلكترونات، تنخفض طاقتها إلى حالة طاقة أقل. يُفرّغ فرق الطاقة على شكل فوتونات تشعّ إلى الخارج من أنبوب الكوارتز. إذا تم تزويد المصباح بالطاقة المناسبة، وتبريده بشكل صحيح، وتشغيله خلال فترة صلاحيته، فإن إمدادًا مستمرًا من الكاتيونات المولدة حديثًا (+) ينجذب نحو القطب السالب أو الكاثود (-)، مما يؤدي إلى اصطدام المزيد من الذرات وإصدار انبعاث مستمر للأشعة فوق البنفسجية. تعمل مصابيح الميكروويف بطريقة مماثلة، باستثناء أن الموجات الدقيقة، المعروفة أيضًا باسم موجات التردد اللاسلكي (RF)، تحل محل الدائرة الكهربائية. ولأن مصابيح الميكروويف لا تحتوي على أقطاب تنغستن، وإنما هي ببساطة أنبوب كوارتز محكم الإغلاق يحتوي على الزئبق والغاز الخامل، فإنها تُعرف عادةً بأنها عديمة الأقطاب.
يغطي مُخرَج الأشعة فوق البنفسجية من مصابيح بخار الزئبق عريضة النطاق أو واسعة الطيف أطوال الموجات فوق البنفسجية والمرئية وتحت الحمراء، بنسب متساوية تقريبًا. يشمل الجزء فوق البنفسجي مزيجًا من أطوال موجات UVC (من 200 إلى 280 نانومتر)، وUVB (من 280 إلى 315 نانومتر)، وUVA (من 315 إلى 400 نانومتر)، وUVV (من 400 إلى 450 نانومتر). أما المصابيح التي تُصدر UVC بأطوال موجية أقل من 240 نانومتر، فتُولِّد الأوزون وتتطلب عادمًا أو ترشيحًا.
يمكن تعديل الخرج الطيفي لمصباح بخار الزئبق بإضافة كميات صغيرة من المواد المشعة، مثل: الحديد (Fe)، والغاليوم (Ga)، والرصاص (Pb)، والقصدير (Sn)، والبزموت (Bi)، والإنديوم (In). تُغير المعادن المضافة تركيب البلازما، وبالتالي الطاقة المنبعثة عند اكتساب الكاتيونات للإلكترونات. تُسمى المصابيح المضاف إليها معادن بالمصابيح المشعة، والمضافة، وهاليدات المعدنية. صُممت معظم الأحبار والطلاءات والمواد اللاصقة والبثق المصاغة بالأشعة فوق البنفسجية لتتوافق مع خرج المصابيح القياسية المشعة بالزئبق (Hg) أو الحديد (Fe). تُحوّل المصابيح المشعة بالحديد جزءًا من خرج الأشعة فوق البنفسجية إلى أطوال موجية أطول وقريبة من المرئية، مما يُحسّن اختراقها للتركيبات السميكة ذات الصبغة الكثيفة. تميل تركيبات الأشعة فوق البنفسجية التي تحتوي على ثاني أكسيد التيتانيوم إلى التصلب بشكل أفضل مع المصابيح المشعة بالغاليوم (GA). يعود ذلك إلى أن مصابيح الغاليوم تُحوّل جزءًا كبيرًا من الأشعة فوق البنفسجية نحو أطوال موجية أطول من 380 نانومتر. ونظرًا لأن إضافات ثاني أكسيد التيتانيوم لا تمتص عادةً الضوء فوق 380 نانومتر، فإن استخدام مصابيح الغاليوم ذات التركيبات البيضاء يسمح بامتصاص طاقة أكبر من الأشعة فوق البنفسجية بواسطة المحفزات الضوئية مقارنةً بالمضافات.
تُوفر الملامح الطيفية للمصممين والمستخدمين النهائيين تمثيلًا بصريًا لكيفية توزيع الناتج الإشعاعي لتصميم مصباح معين عبر الطيف الكهرومغناطيسي. في حين أن الزئبق المُبخّر والمعادن المضافة لها خصائص إشعاعية محددة، فإن الخليط الدقيق للعناصر والغازات الخاملة داخل أنبوب الكوارتز، بالإضافة إلى تصميم هيكل المصباح ونظام المعالجة، جميعها تؤثر على ناتج الأشعة فوق البنفسجية. سيكون الناتج الطيفي لمصباح غير مُدمج، يعمل ويُقاس من قِبل مُورّد مصابيح في الهواء الطلق، مختلفًا عن الناتج الطيفي لمصباح مُركّب داخل رأس مصباح مع عاكس مُصمّم بشكل صحيح ونظام تبريد. تتوفر الملامح الطيفية بسهولة لدى مُورّدي أنظمة الأشعة فوق البنفسجية، وهي مفيدة في تطوير التركيبات واختيار المصابيح.
يُظهر مخطط طيفي شائع الإشعاع الطيفي على المحور الصادي (y) والطول الموجي على المحور السيني (x). يمكن عرض الإشعاع الطيفي بطرق متعددة، بما في ذلك القيمة المطلقة (مثل: واط/سم²/نانومتر) أو القياسات العشوائية أو النسبية أو المُعايرة (بدون وحدات). تعرض المخططات عادةً المعلومات إما كمخطط خطي أو مخطط شريطي يُجمّع المخرجات في نطاقات طولها 10 نانومتر. يُظهر الرسم البياني التالي لمخرجات مصباح قوس الزئبق الإشعاع النسبي بالنسبة للطول الموجي لأنظمة GEW (الشكل 1).
الشكل 1 »مخططات الناتج الطيفي للزئبق والحديد.
المصباح هو المصطلح المستخدم للإشارة إلى أنبوب الكوارتز المُصدر للأشعة فوق البنفسجية في أوروبا وآسيا، بينما يميل سكان أمريكا الشمالية والجنوبية إلى استخدام مزيج متبادل من المصباح والمصباح. يشير كلٌّ من المصباح ورأس المصباح إلى المجموعة الكاملة التي تضم 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 تفاعل بين الإنسان والآلة (HMI). يتضمن رأس المصباح مصباحًا (مصباحًا)، وعاكسًا، وغلافًا معدنيًا، ومجموعة مصراع، وأحيانًا نافذة كوارتز أو واقي سلكي. تُركّب شركة GEW أنابيب الكوارتز والعاكسات وآليات المصراع داخل مجموعات كاسيت يمكن إزالتها بسهولة من الغلاف الخارجي لرأس المصباح أو غلافه. عادةً ما تتم إزالة كاسيت GEW في ثوانٍ باستخدام مفتاح ألين واحد. نظرًا لاختلاف مخرجات الأشعة فوق البنفسجية، وحجم وشكل رأس المصباح، وخصائص النظام، واحتياجات المعدات المساعدة باختلاف التطبيق والسوق، فإن أنظمة مصابيح القوس الكهربائي مصممة عمومًا لفئة معينة من التطبيقات أو لأنواع آلات مماثلة.
تُصدر مصابيح بخار الزئبق ضوءًا بزاوية 360 درجة من أنبوب الكوارتز. تستخدم أنظمة مصابيح القوس عاكسات موجودة على جانبي المصباح وخلفه لالتقاط وتركيز المزيد من الضوء على مسافة محددة أمام رأس المصباح. تُعرف هذه المسافة بالبؤرة، وهي المكان الذي يكون فيه الإشعاع أكبر ما يمكن. تُصدر مصابيح القوس عادةً ما بين 5 و12 واط/سم² عند البؤرة. بما أن حوالي 70% من الأشعة فوق البنفسجية الصادرة من رأس المصباح تأتي من العاكس، فمن المهم الحفاظ على نظافة العاكسات واستبدالها دوريًا. يُعد عدم تنظيف العاكسات أو استبدالها سببًا شائعًا لعدم كفاية المعالجة.
لأكثر من 30 عامًا، دأبت شركة GEW على تحسين كفاءة أنظمة المعالجة الخاصة بها، وتخصيص الميزات والإنتاج لتلبية احتياجات تطبيقات وأسواق محددة، وتطوير مجموعة واسعة من ملحقات التكامل. ونتيجةً لذلك، تتضمن المنتجات التجارية الحالية من GEW تصاميم أغلفة مدمجة، وعاكسات مُحسّنة لزيادة انعكاس الأشعة فوق البنفسجية وتقليل الأشعة تحت الحمراء، وآليات مصراع مدمجة هادئة، وتنانير وفتحات شبكية، وتغذية شبكية صدفية، وتفعيل النيتروجين، ورؤوس مضغوطة إيجابيًا، وواجهة تشغيل تعمل باللمس، ومصادر طاقة صلبة، وكفاءة تشغيلية أعلى، ومراقبة لمخرجات الأشعة فوق البنفسجية، ومراقبة النظام عن بُعد.
عند تشغيل مصابيح الأقطاب الكهربائية متوسطة الضغط، تتراوح درجة حرارة سطح الكوارتز بين 600 و800 درجة مئوية، ودرجة حرارة البلازما الداخلية عدة آلاف من الدرجات المئوية. يُعدّ الهواء القسري الوسيلة الأساسية للحفاظ على درجة حرارة تشغيل المصباح الصحيحة وإزالة بعض طاقة الأشعة تحت الحمراء المشعة. يُزوّد نظام GEW هذا الهواء بشكل سلبي؛ أي أنه يُسحب عبر الغلاف، على طول العاكس والمصباح، ويُطرد خارج التجميع بعيدًا عن الجهاز أو سطح المعالجة. تستخدم بعض أنظمة GEW، مثل E4C، التبريد السائل، مما يُتيح إنتاجًا أكبر قليلاً من الأشعة فوق البنفسجية ويُقلّل الحجم الإجمالي لرأس المصباح.
تتميز مصابيح قوس القطب بدورات إحماء وتبريد. تُشعل المصابيح بأقل تبريد ممكن. يسمح هذا لبلازما الزئبق بالارتفاع إلى درجة حرارة التشغيل المطلوبة، وإنتاج إلكترونات وكاتيونات حرة، وتدفق التيار. عند إطفاء رأس المصباح، يستمر التبريد لبضع دقائق لتبريد أنبوب الكوارتز بالتساوي. المصباح الذي يكون دافئًا جدًا لن يُشعل مجددًا، بل يجب أن يستمر في التبريد. يُدمج دائمًا آليات الإغلاق الهوائية في مجموعات مصابيح قوس القطب GEW نظرًا لطول دورة بدء التشغيل والتبريد، بالإضافة إلى تدهور الأقطاب الكهربائية أثناء كل نبضة جهد. يوضح الشكل 2 مصابيح قوس القطب المبردة بالهواء (E2C) والمبردة بالسائل (E4C).
الشكل 2 »مصابيح قوسية كهربائية مبردة بالسائل (E4C) ومبردة بالهواء (E2C).
مصابيح LED بالأشعة فوق البنفسجية
أشباه الموصلات مواد صلبة بلورية ذات موصلية كهربائية منخفضة. يتدفق التيار الكهربائي عبرها بشكل أفضل من العازل، ولكن ليس بجودة الموصل المعدني. تشمل أشباه الموصلات الطبيعية، وإن كانت غير فعّالة، عناصر السيليكون والجرمانيوم والسيلينيوم. أما أشباه الموصلات المصنعة صناعيًا والمصممة لتحقيق إنتاجية وكفاءة عالية، فهي مواد مركبة تحتوي على شوائب مشبعة بدقة داخل بنيتها البلورية. في حالة مصابيح LED للأشعة فوق البنفسجية، يُعد نتريد الألومنيوم والغاليوم (AlGaN) مادة شائعة الاستخدام.
تُعدّ أشباه الموصلات أساسيةً في الإلكترونيات الحديثة، وتُصمّم لتكوين الترانزستورات، والثنائيات، والثنائيات الباعثة للضوء، والمعالجات الدقيقة. تُدمج أجهزة أشباه الموصلات في الدوائر الكهربائية وتُركّب داخل منتجات مثل الهواتف المحمولة، وأجهزة الكمبيوتر المحمولة، والأجهزة اللوحية، والأجهزة المنزلية، والطائرات، والسيارات، وأجهزة التحكم عن بُعد، وحتى ألعاب الأطفال. هذه المكونات الصغيرة، ولكن القوية، تُمكّن المنتجات اليومية من العمل بكفاءة، كما تُتيح للمنتجات أن تكون أصغر حجمًا، وأنحف، وأخف وزنًا، وبأسعار معقولة.
في حالة مصابيح LED الخاصة، تُصدر المواد شبه الموصلة المصممة والمصنعة بدقة نطاقات ضوئية ضيقة نسبيًا عند توصيلها بمصدر طاقة تيار مستمر. يتولد الضوء فقط عندما يتدفق التيار من القطب الموجب (+) إلى القطب السالب (-) لكل مصباح LED. ونظرًا لسهولة التحكم في مخرجات LED وكونها أحادية اللون تقريبًا، فإنها مثالية للاستخدام في: مؤشرات ضوئية؛ وإشارات اتصال بالأشعة تحت الحمراء؛ وإضاءة خلفية لأجهزة التلفزيون والحواسيب المحمولة والأجهزة اللوحية والهواتف الذكية؛ واللافتات الإلكترونية واللوحات الإعلانية والشاشات العملاقة؛ والمعالجة بالأشعة فوق البنفسجية.
الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED) هو وصلة موجبة-سالبة (وصلة pn). هذا يعني أن أحد جزأين منه يحمل شحنة موجبة ويُسمى الأنود (+)، بينما يحمل الجزء الآخر شحنة سالبة ويُسمى الكاثود (-). في حين أن كلا الجانبين موصلان نسبيًا، فإن حدود الوصلة التي يلتقي فيها الجانبان، والمعروفة بمنطقة الاستنفاد، ليست موصلة للكهرباء. عند توصيل الطرف الموجب (+) لمصدر طاقة تيار مستمر (DC) بالأنود (+) للصمام الثنائي الباعث للضوء، والطرف السالب (-) للمصدر بالمهبط (-)، تتنافر الإلكترونات سالبة الشحنة في الكاثود والفراغات الإلكترونية موجبة الشحنة في الأنود مع مصدر الطاقة، وتُدفع نحو منطقة الاستنفاد. هذا انحياز أمامي، وله تأثير في التغلب على الحد غير الموصل. والنتيجة هي أن الإلكترونات الحرة في المنطقة n تتقاطع وتملأ الفراغات في المنطقة p. عندما تتدفق الإلكترونات عبر الحدود، تنتقل إلى حالة طاقة أقل. يُطلق هذا الانخفاض في الطاقة من شبه الموصل على شكل فوتونات ضوئية.
تُحدد المواد والمُشَوِّبات التي تُشكِّل بنية الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED) الخرج الطيفي. تتميز مصادر معالجة الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED) المتوفرة تجاريًا اليوم بخرج أشعة فوق بنفسجية متمركز عند أطوال موجية 365 و385 و395 و405 نانومتر، مع تفاوت نموذجي قدره ±5 نانومتر، وتوزيع طيفي غاوسي. كلما زاد الإشعاع الطيفي الأقصى (W/cm²/nm)، ارتفع منحنى الجرس. في حين أن تطوير الأشعة فوق البنفسجية (UVC) لا يزال جاريًا بين 275 و285 نانومتر، إلا أن الخرج والعمر الافتراضي والموثوقية والتكلفة ليست مجدية تجاريًا بعد لأنظمة وتطبيقات المعالجة.
بما أن مخرجات مصابيح LED فوق البنفسجية تقتصر حاليًا على أطوال موجية أطول من الأشعة فوق البنفسجية (UVA)، فإن نظام معالجة مصابيح LED فوق البنفسجية لا يُصدر خرجًا طيفيًا واسع النطاق يتميز بخصائص مصابيح بخار الزئبق متوسطة الضغط. هذا يعني أن أنظمة معالجة مصابيح LED فوق البنفسجية لا تُصدر أطوال موجية من الأشعة فوق البنفسجية (UVC) والأشعة فوق البنفسجية (UVB)، ومعظم الضوء المرئي، والأشعة تحت الحمراء المولدة للحرارة. وبينما يُمكّن هذا من استخدام أنظمة معالجة مصابيح LED فوق البنفسجية في تطبيقات أكثر حساسية للحرارة، يجب إعادة صياغة الأحبار والطلاءات والمواد اللاصقة الحالية المُصممة لمصابيح الزئبق متوسطة الضغط لتتناسب مع أنظمة معالجة مصابيح LED فوق البنفسجية. لحسن الحظ، يُصمم موردو المواد الكيميائية بشكل متزايد منتجاتهم بنظام معالجة مزدوج. هذا يعني أن تركيبة المعالجة المزدوجة المُخصصة للمعالجة بمصباح LED فوق البنفسجي ستُعالج أيضًا بمصباح بخار الزئبق (الشكل 3).
الشكل 3 »مخطط الإخراج الطيفي لـ LED.
تُصدر أنظمة معالجة LED بالأشعة فوق البنفسجية من GEW ما يصل إلى 30 واط/سم² عند نافذة الانبعاث. بخلاف مصابيح القوس الكهربائي، لا تتضمن أنظمة معالجة LED بالأشعة فوق البنفسجية عاكسات تُوجه أشعة الضوء إلى بؤرة مُركزة. ونتيجةً لذلك، يحدث ذروة إشعاع LED بالأشعة فوق البنفسجية بالقرب من نافذة الانبعاث. تتباعد أشعة LED بالأشعة فوق البنفسجية المنبعثة عن بعضها البعض مع زيادة المسافة بين رأس المصباح وسطح المعالجة. هذا يُقلل من تركيز الضوء ومقدار الإشعاع الذي يصل إلى سطح المعالجة. في حين أن ذروة الإشعاع مهمة للترابط المتشابك، فإن الإشعاع المتزايد ليس دائمًا مفيدًا، بل قد يُعيق زيادة كثافة الترابط المتشابك. يلعب الطول الموجي (نانومتر)، والإشعاع (واط/سم²)، وكثافة الطاقة (جول/سم²) أدوارًا حاسمة في المعالجة، ويجب فهم تأثيرها الإجمالي على المعالجة بشكل صحيح أثناء اختيار مصدر LED بالأشعة فوق البنفسجية.
مصابيح LED هي مصادر لامبرتية. بمعنى آخر، يُصدر كل مصباح LED للأشعة فوق البنفسجية خرجًا أماميًا موحدًا عبر نصف كرة كامل بزاوية 360 درجة × 180 درجة. تُرتب العديد من مصابيح LED للأشعة فوق البنفسجية، كل منها بحجم مليمتر مربع تقريبًا، في صف واحد، أو مصفوفة من الصفوف والأعمدة، أو أي تكوين آخر. تُصمم هذه التجميعات الفرعية، المعروفة باسم الوحدات أو المصفوفات، بحيث تكون المسافة بين مصابيح LED متباعدة، مما يضمن امتزاجها عبر الفجوات ويُسهّل تبريد الصمامات الثنائية. ثم تُرتب وحدات أو مصفوفات متعددة في تجميعات أكبر لتشكيل أحجام مختلفة من أنظمة المعالجة بالأشعة فوق البنفسجية (الشكلان 4 و5). تشمل المكونات الإضافية اللازمة لبناء نظام معالجة بالأشعة فوق البنفسجية LED: المشتت الحراري، ونافذة الانبعاث، والمحركات الإلكترونية، ومصادر طاقة التيار المستمر، ونظام تبريد سائل أو مُبرّد، وواجهة آلة بشرية (HMI).
الشكل 4 »نظام LeoLED للويب.
الشكل 5 »نظام LeoLED للتركيبات متعددة المصابيح عالية السرعة.
بما أن أنظمة معالجة LED بالأشعة فوق البنفسجية لا تُشعّ أطوالاً موجية تحت الحمراء، فإنها تنقل طاقة حرارية أقل إلى سطح المعالجة مقارنةً بمصابيح بخار الزئبق، إلا أن هذا لا يعني اعتبار مصابيح LED بالأشعة فوق البنفسجية تقنية معالجة باردة. تُصدر أنظمة معالجة LED بالأشعة فوق البنفسجية إشعاعات ذروة عالية جدًا، والأطوال الموجية فوق البنفسجية هي شكل من أشكال الطاقة. أي طاقة لا تمتصها التفاعلات الكيميائية ستُسخّن الجزء السفلي أو الركيزة، بالإضافة إلى مكونات الآلة المحيطة.
مصابيح LED للأشعة فوق البنفسجية هي أيضًا مكونات كهربائية تعاني من ضعف الكفاءة بسبب تصميم وتصنيع أشباه الموصلات الخام، بالإضافة إلى طرق التصنيع والمكونات المستخدمة في تغليف مصابيح LED في وحدة المعالجة الأكبر. في حين يجب الحفاظ على درجة حرارة أنبوب بخار الزئبق الكوارتزي بين 600 و800 درجة مئوية أثناء التشغيل، يجب أن تظل درجة حرارة وصلة P-N في مصابيح LED أقل من 120 درجة مئوية. يتم تحويل 35-50% فقط من الكهرباء التي تغذي مصفوفة مصابيح LED للأشعة فوق البنفسجية إلى خرج فوق بنفسجي (يعتمد بشكل كبير على الطول الموجي). يتحول الباقي إلى حرارة حرارية يجب إزالتها للحفاظ على درجة حرارة الوصلة المطلوبة وضمان إشعاع النظام المحدد وكثافة الطاقة والاتساق، بالإضافة إلى عمر طويل. مصابيح LED هي أجهزة صلبة طويلة العمر بطبيعتها، ويُعد دمج مصابيح LED في مجموعات أكبر مزودة بأنظمة تبريد مصممة ومُدارة بشكل صحيح أمرًا بالغ الأهمية لتحقيق مواصفات العمر الطويل. ليست كل أنظمة المعالجة بالأشعة فوق البنفسجية متشابهة، كما أن أنظمة المعالجة بالأشعة فوق البنفسجية LED المصممة والمبردة بشكل غير صحيح لديها احتمالية أكبر لارتفاع درجة الحرارة والفشل بشكل كارثي.
مصابيح هجينة قوسية/LED
في أي سوق تُطرح فيه تقنية جديدة كليًا كبديل عن التقنية الحالية، قد يسود قلقٌ بشأن اعتمادها، بالإضافة إلى تشكيكٌ في أدائها. غالبًا ما يُؤجل المستخدمون المحتملون اعتمادها حتى تتشكل قاعدة تثبيت راسخة، وتُنشر دراسات الحالة، وتبدأ الشهادات الإيجابية بالانتشار على نطاق واسع، أو حتى يحصلوا على تجارب أو مراجع مباشرة من أفراد وشركات يعرفونها ويثقون بها. غالبًا ما يتطلب الأمر أدلةً دامغة قبل أن يتخلى سوقٌ بأكمله عن القديم تمامًا وينتقل إلى الجديد. ومما يزيد الطين بلة أن قصص النجاح غالبًا ما تكون سريةً للغاية، حيث لا يرغب المُستخدمون الأوائل في أن يحقق المنافسون فوائد مماثلة. ونتيجةً لذلك، قد تتردد أحيانًا قصص خيبة الأمل، سواءً الحقيقية أو المُبالغ فيها، في جميع أنحاء السوق، مُخفيةً المزايا الحقيقية للتقنية الجديدة، ومُؤخرةً أكثر لاعتمادها.
على مر التاريخ، ولمقاومة التبني المتردد، لطالما اعتُمد التصميمات الهجينة كجسر انتقالي بين التقنيات الحالية والجديدة. تتيح هذه التصميمات للمستخدمين اكتساب الثقة وتحديد كيفية وتوقيت استخدام المنتجات أو الأساليب الجديدة بأنفسهم، دون المساس بالقدرات الحالية. في حالة المعالجة بالأشعة فوق البنفسجية، يتيح النظام الهجين للمستخدمين التبديل بسرعة وسهولة بين مصابيح بخار الزئبق وتقنية LED. بالنسبة لخطوط الإنتاج التي تحتوي على محطات معالجة متعددة، تتيح التصميمات الهجينة للمكابس تشغيل مصابيح LED بنسبة 100%، أو بخار الزئبق بنسبة 100%، أو أي مزيج من التقنيتين مطلوب لأي عمل.
تقدم شركة GEW أنظمة هجينة من مصابيح القوس/LED لمحولات الويب. طُوّر هذا الحل لأكبر أسواق GEW، وهو نظام الويب الضيق، إلا أن هذا التصميم الهجين يُستخدم أيضًا في تطبيقات ويب أخرى وغير ويب (الشكل 6). يتضمن نظام القوس/LED غطاء رأس مصباح مشتركًا يستوعب إما كاسيت بخار الزئبق أو كاسيت LED. يعمل كلا الكاسيتين من خلال نظام طاقة وتحكم عالمي. يتيح النظام الذكي التمييز بين أنواع الكاسيتات، ويوفر تلقائيًا الطاقة والتبريد وواجهة التشغيل المناسبة. عادةً ما تتم إزالة أو تركيب أيٍّ من كاسيتات بخار الزئبق أو LED من GEW في ثوانٍ باستخدام مفتاح ألين واحد.
الشكل 6 »نظام Arc/LED للويب.
مصابيح الإكسيمر
مصابيح الإكسيمر هي نوع من مصابيح التفريغ الغازي تُصدر طاقة فوق بنفسجية شبه أحادية اللون. تتوفر مصابيح الإكسيمر بأطوال موجية متعددة، إلا أن مخرجات الأشعة فوق البنفسجية الشائعة تتركز عند 172، 222، 308، و351 نانومتر. تقع مصابيح الإكسيمر بطول 172 نانومتر ضمن نطاق الأشعة فوق البنفسجية الفراغية (100 إلى 200 نانومتر)، بينما 222 نانومتر هي نطاق الأشعة فوق البنفسجية ج (200 إلى 280 نانومتر). تُصدر مصابيح الإكسيمر بطول 308 نانومتر الأشعة فوق البنفسجية ب (280 إلى 315 نانومتر)، بينما 351 نانومتر هي نطاق الأشعة فوق البنفسجية أ (315 إلى 400 نانومتر).
أطوال موجات الأشعة فوق البنفسجية الفراغية (172 نانومتر) أقصر وتحتوي على طاقة أكبر من الأشعة فوق البنفسجية C؛ ومع ذلك، فإنها تواجه صعوبة في اختراق المواد بعمق. في الواقع، تُمتص أطوال الموجات 172 نانومتر بالكامل ضمن النطاق من 10 إلى 200 نانومتر من أعلى أطوال موجات الأشعة فوق البنفسجية. ونتيجةً لذلك، لا تتشابك مصابيح الإكسيمر 172 نانومتر إلا مع السطح الخارجي لتركيبات الأشعة فوق البنفسجية، ويجب دمجها مع أجهزة معالجة أخرى. ولأن أطوال موجات الأشعة فوق البنفسجية الفراغية تُمتص أيضًا بواسطة الهواء، يجب تشغيل مصابيح الإكسيمر 172 نانومتر في جو مُشبع بالنيتروجين.
تتكون معظم مصابيح الإكسيمر من أنبوب كوارتز يعمل كحاجز عازل. يُملأ الأنبوب بغازات نادرة قادرة على تكوين جزيئات الإكسيمر أو الإكسيبلكس (الشكل 7). تُنتج الغازات المختلفة جزيئات مختلفة، وتُحدد الجزيئات المُثارة المختلفة الأطوال الموجية التي ينبعث منها المصباح. يمتد قطب كهربائي عالي الجهد على طول الأنبوب الداخلي، وتمتد أقطاب أرضية على طوله الخارجي. تُنبض الفولتية في المصباح بترددات عالية، مما يُؤدي إلى تدفق الإلكترونات داخل القطب الداخلي وتفريغها عبر خليط الغاز باتجاه الأقطاب الأرضية الخارجية. تُعرف هذه الظاهرة العلمية باسم تفريغ الحاجز العازل (DBD). عندما تنتقل الإلكترونات عبر الغاز، تتفاعل مع الذرات وتُكوّن أنواعًا نشطة أو متأينة تُنتج جزيئات الإكسيمر أو الإكسيبلكس. تتميز جزيئات الإكسيمر والإكسيبلكس بعمر قصير للغاية، وعندما تتحلل من حالة مُثارة إلى حالة أرضية، تُصدر فوتونات ذات توزيع شبه أحادي اللون.
الشكل 7 »مصباح إكسيمر
بخلاف مصابيح بخار الزئبق، لا يسخن سطح أنبوب الكوارتز في مصباح الإكسيمر. ونتيجةً لذلك، تعمل معظم مصابيح الإكسيمر بتبريدٍ ضئيلٍ أو معدوم. في حالاتٍ أخرى، يتطلب الأمر تبريدًا منخفضًا، والذي عادةً ما يوفره غاز النيتروجين. بفضل الاستقرار الحراري للمصباح، تعمل مصابيح الإكسيمر فورًا ولا تتطلب دورات إحماء أو تبريد.
عند دمج مصابيح الإكسيمر التي تُشعّ عند طول موجي 172 نانومتر مع أنظمة المعالجة شبه أحادية اللون بالأشعة فوق البنفسجية (UVA-LED) ومصابيح بخار الزئبق عريضة النطاق، تُنتج تأثيرات سطحية مُعقّدة. تُستخدم مصابيح UVA LED أولًا لتجليخ التركيب الكيميائي، ثم تُستخدم مصابيح الإكسيمر شبه أحادية اللون لبلمرة السطح، وأخيرًا، تُشَكِّل مصابيح الزئبق عريضة النطاق ترابطًا متبادلًا بين بقية التركيبات الكيميائية. تُوفِّر النواتج الطيفية الفريدة للتقنيات الثلاث، المُطبَّقة على مراحل منفصلة، تأثيرات معالجة سطحية بصرية ووظيفية مُفيدة، لا يُمكن تحقيقها باستخدام أيٍّ من مصادر الأشعة فوق البنفسجية بمفرده.
كما أن أطوال موجات الإكسمر البالغة 172 و222 نانومتر فعالة أيضًا في تدمير المواد العضوية الخطرة والبكتيريا الضارة، مما يجعل مصابيح الإكسمر عملية لتنظيف الأسطح وتطهيرها ومعالجات طاقة الأسطح.
عمر المصباح
فيما يتعلق بعمر المصباح أو اللمبة، تصل مدة عمل مصابيح القوس من GEW عادةً إلى 2000 ساعة. عمر المصباح ليس مُحددًا، إذ يتناقص مُخرج الأشعة فوق البنفسجية تدريجيًا مع مرور الوقت ويتأثر بعوامل مُختلفة. ويعتمد تصميم وجودة المصباح، بالإضافة إلى حالة تشغيل نظام الأشعة فوق البنفسجية، وتفاعلية المُركّب على ذلك. تضمن أنظمة الأشعة فوق البنفسجية المُصممة بشكل صحيح توفير الطاقة والتبريد المُناسبَين لتصميم المصباح (اللمبة) المُحدد.
تتميز المصابيح (اللمبات) المزودة بتقنية GEW بأطول عمر افتراضي عند استخدامها في أنظمة معالجة GEW. عادةً ما تُجري مصادر التغذية الثانوية هندسة عكسية للمصباح من عينة، وقد لا تحتوي النسخ على نفس التركيبة الطرفية، أو قطر الكوارتز، أو محتوى الزئبق، أو خليط الغاز، مما قد يؤثر على إنتاج الأشعة فوق البنفسجية وتوليد الحرارة. عندما لا يُوازن توليد الحرارة مع تبريد النظام، يتأثر كل من إنتاج المصباح وعمره الافتراضي. تُصدر المصابيح التي تعمل بدرجة حرارة أقل أشعة فوق بنفسجية، بينما لا تدوم المصابيح التي تعمل بدرجة حرارة أعلى طويلاً، وتتشوه عند درجات حرارة سطحها المرتفعة.
عمر مصابيح قوس الإلكترود محدود بدرجة حرارة تشغيل المصباح، وعدد ساعات تشغيله، وعدد مرات تشغيله أو اشتعاله. في كل مرة يتعرض فيها المصباح لقوس عالي الجهد أثناء بدء التشغيل، يتآكل جزء من قطب التنغستن. في النهاية، لا يعود المصباح للاشتعال. تتضمن مصابيح قوس الإلكترود آليات إغلاق تمنع، عند تفعيلها، انبعاث الأشعة فوق البنفسجية كبديل عن دورات طاقة المصباح المتكررة. قد تؤدي الأحبار والطلاءات والمواد اللاصقة الأكثر تفاعلية إلى إطالة عمر المصباح؛ بينما قد تتطلب التركيبات الأقل تفاعلية تغيير المصباح بشكل متكرر.
تتميز أنظمة LED بالأشعة فوق البنفسجية بعمر افتراضي أطول من المصابيح التقليدية، إلا أن عمرها الافتراضي ليس مطلقًا. فكما هو الحال مع المصابيح التقليدية، تخضع مصابيح LED بالأشعة فوق البنفسجية لحدود في قوة تحملها، ويجب أن تعمل عادةً عند درجات حرارة توصيل أقل من 120 درجة مئوية. يؤدي الإفراط في تشغيل مصابيح LED وانخفاض تبريدها إلى تدهورها السريع أو تلفها بشكل كارثي. لا يقدم جميع موردي أنظمة LED بالأشعة فوق البنفسجية حاليًا تصاميم تحقق أعلى أعمار افتراضية تتجاوز 20,000 ساعة. فالأنظمة ذات التصميم والصيانة الأفضل ستدوم لأكثر من 20,000 ساعة، بينما ستتعطل الأنظمة الأقل جودة خلال فترات زمنية أقصر بكثير. والخبر السار هو أن تصاميم أنظمة LED تستمر في التحسن وتدوم لفترة أطول مع كل تكرار تصميم.
الأوزون
عندما تؤثر أطوال موجات الأشعة فوق البنفسجية القصيرة على جزيئات الأكسجين (O2)، فإنها تتسبب في انقسام جزيئات الأكسجين (O2) إلى ذرتي أكسجين (O). تصطدم ذرات الأكسجين الحرة (O) بعد ذلك بجزيئات أكسجين أخرى (O2) لتكوين الأوزون (O3). ولأن ثلاثي الأكسجين (O3) أقل استقرارًا عند مستوى سطح الأرض من ثنائي الأكسجين (O2)، فإن الأوزون يتحول 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 لتكوين جزيئات الأكسجين (O2).
في تطبيقات المعالجة الصناعية بالأشعة فوق البنفسجية، يُنتَج الأوزون (O3) عند تفاعل الأكسجين الجوي مع أطوال موجية فوق بنفسجية أقل من 240 نانومتر. تُصدر مصادر المعالجة ببخار الزئبق واسع النطاق أشعة فوق بنفسجية (UVC) بطول موجة يتراوح بين 200 و280 نانومتر، وهو ما يتداخل مع جزء من منطقة توليد الأوزون، وتُصدر مصابيح الإكسيمر أشعة فوق بنفسجية مفرغة بطول موجة 172 نانومتر أو أشعة فوق بنفسجية (UVC) بطول موجة 222 نانومتر. يُعد الأوزون الناتج عن بخار الزئبق ومصابيح المعالجة بالإكسيمر غير مستقر ولا يُشكل خطرًا بيئيًا كبيرًا، ولكن من الضروري إزالته من المنطقة المحيطة بالعمال مباشرةً نظرًا لكونه مُهيجًا للجهاز التنفسي وسامًا عند مستوياته العالية. ونظرًا لأن أنظمة المعالجة التجارية بتقنية LED بالأشعة فوق البنفسجية تُصدر أشعة فوق بنفسجية (UVA) بطول موجة يتراوح بين 365 و405 نانومتر، فلا يُنتَج الأوزون.
للأوزون رائحة تُشبه رائحة المعدن، والأسلاك المشتعلة، والكلور، والشرر الكهربائي. تستطيع حاسة الشم لدى الإنسان اكتشاف تركيزات منخفضة من الأوزون تتراوح بين 0.01 و0.03 جزء في المليون. ورغم اختلاف تركيزه باختلاف الشخص ومستوى نشاطه، فإن التركيزات التي تزيد عن 0.4 جزء في المليون قد تُسبب آثارًا تنفسية ضارة وصداعًا. يجب توفير تهوية جيدة لخطوط المعالجة بالأشعة فوق البنفسجية للحد من تعرض العمال للأوزون.
صُممت أنظمة المعالجة بالأشعة فوق البنفسجية عادةً لاحتواء هواء العادم عند خروجه من رؤوس المصابيح، بحيث يُمكن توجيهه بعيدًا عن المُشغّلين وخارج المبنى حيث يتحلل طبيعيًا بوجود الأكسجين وأشعة الشمس. كبديل، تحتوي المصابيح الخالية من الأوزون على مادة كوارتز مضافة تحجب الأطوال الموجية المُولّدة للأوزون، وغالبًا ما تستخدم المنشآت التي ترغب في تجنب توجيه الهواء أو قطع ثقوب في السقف مرشحات عند مخرج مراوح العادم.
وقت النشر: ١٩ يونيو ٢٠٢٤
