ما نوع مصادر المعالجة بالأشعة فوق البنفسجية المستخدمة في نظام المعالجة بالأشعة فوق البنفسجية؟

تُعدّ تقنيات مصابيح معالجة الأشعة فوق البنفسجية، مثل بخار الزئبق، والصمام الثنائي الباعث للضوء (LED)، والإكسيمر، تقنياتٍ متميزة. ورغم استخدام هذه التقنيات الثلاث في عمليات البلمرة الضوئية المختلفة لربط الأحبار والطلاءات والمواد اللاصقة والمنتجات المبثوقة، إلا أن آليات توليد طاقة الأشعة فوق البنفسجية المنبعثة، فضلاً عن خصائص الطيف الناتج، تختلف اختلافاً جذرياً. ويُعدّ فهم هذه الاختلافات أساسياً في تطوير التطبيقات والتركيبات، واختيار مصدر معالجة الأشعة فوق البنفسجية، ودمجها في الأنظمة.

مصابيح بخار الزئبق

تُصنّف كلٌّ من مصابيح القوس الكهربائي ذات الأقطاب الكهربائية ومصابيح الميكروويف عديمة الأقطاب ضمن فئة مصابيح بخار الزئبق. مصابيح بخار الزئبق هي نوع من مصابيح التفريغ الغازي متوسطة الضغط، حيث يتم تبخير كمية صغيرة من الزئبق العنصري وغاز خامل إلى بلازما داخل أنبوب كوارتز محكم الإغلاق. البلازما عبارة عن غاز متأين ذو درجة حرارة عالية للغاية وقادر على توصيل الكهرباء. يتم إنتاجها بتطبيق جهد كهربائي بين قطبين كهربائيين داخل مصباح القوس الكهربائي، أو بتسخين مصباح عديم الأقطاب داخل غلاف أو تجويف يشبه في فكرته فرن الميكروويف المنزلي. بمجرد تبخرها، تُصدر بلازما الزئبق ضوءًا واسع الطيف عبر أطوال موجية فوق بنفسجية ومرئية وتحت حمراء.

في حالة مصباح القوس الكهربائي، يُفعّل جهد كهربائي أنبوب الكوارتز المغلق. تُبخر هذه الطاقة الزئبق مُحوّلةً إياه إلى بلازما، وتُحرر الإلكترونات من الذرات المُتبخرة. يتدفق جزء من الإلكترونات السالبة (-) نحو قطب التنجستن الموجب (الأنود) للمصباح، ومن ثم إلى الدائرة الكهربائية لنظام الأشعة فوق البنفسجية. تتحول الذرات التي فقدت إلكترونات جديدة إلى كاتيونات موجبة الشحنة (+) تتدفق نحو قطب التنجستن السالب (الكاثود) للمصباح. أثناء حركتها، تصطدم الكاتيونات بذرات متعادلة في خليط الغاز، ناقلةً الإلكترونات من الذرات المتعادلة إلى الكاتيونات. مع اكتساب الكاتيونات للإلكترونات، تنخفض طاقتها. يُفرغ فرق الطاقة على شكل فوتونات تشع للخارج من أنبوب الكوارتز. إذا تم تزويد المصباح بالطاقة المناسبة، وتبريده بشكل صحيح، وتشغيله ضمن عمره الافتراضي، فإن إمدادًا مستمرًا من الكاتيونات الموجبة (+) المتكونة حديثًا ينجذب نحو القطب السالب أو المهبط (-)، فيصطدم بمزيد من الذرات وينتج انبعاثًا مستمرًا للأشعة فوق البنفسجية. تعمل مصابيح الميكروويف بطريقة مماثلة، إلا أن موجات الميكروويف، المعروفة أيضًا بترددات الراديو (RF)، تحل محل الدائرة الكهربائية. ولأن مصابيح الميكروويف لا تحتوي على أقطاب كهربائية من التنجستن، وإنما هي مجرد أنبوب كوارتز محكم الإغلاق يحتوي على الزئبق وغاز خامل، فإنها تُعرف عادةً باسم المصابيح عديمة الأقطاب.

يُغطي انبعاث الأشعة فوق البنفسجية من مصابيح بخار الزئبق واسعة النطاق أطوال موجات الأشعة فوق البنفسجية والمرئية والأشعة تحت الحمراء، بنسب متساوية تقريبًا. ويشمل 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 أشعة UVC بأطوال موجية أقل من 240 نانومتر، فتُنتج الأوزون، وتتطلب نظام تهوية أو ترشيح.

يمكن تعديل الطيف الضوئي لمصباح بخار الزئبق بإضافة كميات ضئيلة من مواد مضافة، مثل: الحديد (Fe)، والغاليوم (Ga)، والرصاص (Pb)، والقصدير (Sn)، والبزموت (Bi)، أو الإنديوم (In). تُغير المعادن المضافة تركيبة البلازما، وبالتالي الطاقة المنبعثة عند اكتساب الكاتيونات للإلكترونات. تُعرف المصابيح التي تحتوي على معادن مضافة بمصابيح مُطعّمة، أو مُضافة، أو هاليدات معدنية. صُممت معظم الأحبار والطلاءات والمواد اللاصقة والمنتجات المبثوقة المُصممة للأشعة فوق البنفسجية لتتوافق مع ناتج مصابيح الزئبق (Hg) أو الحديد (Fe) القياسية المُطعّمة. تعمل المصابيح المُطعّمة بالحديد على تحويل جزء من ناتج الأشعة فوق البنفسجية إلى أطوال موجية أطول، قريبة من نطاق الضوء المرئي، مما يُحسّن اختراقها للتركيبات السميكة ذات الصبغة الكثيفة. تميل تركيبات الأشعة فوق البنفسجية التي تحتوي على ثاني أكسيد التيتانيوم إلى التصلب بشكل أفضل باستخدام المصابيح المُطعّمة بالغاليوم (GA). يعود ذلك إلى أن مصابيح الغاليوم تُحوّل جزءًا كبيرًا من انبعاثات الأشعة فوق البنفسجية نحو أطوال موجية أطول من 380 نانومتر. وبما أن إضافات ثاني أكسيد التيتانيوم لا تمتص الضوء عادةً فوق 380 نانومتر، فإن استخدام مصابيح الغاليوم ذات التركيبات البيضاء يسمح بامتصاص طاقة الأشعة فوق البنفسجية بشكل أكبر بواسطة المحفزات الضوئية مقارنةً بالإضافات.

توفر المخططات الطيفية للمصنّعين والمستخدمين النهائيين تمثيلاً مرئياً لكيفية توزيع الإشعاع الصادر من تصميم مصباح معين عبر الطيف الكهرومغناطيسي. في حين أن للزئبق المتبخر والمعادن المضافة خصائص إشعاعية محددة، فإن المزيج الدقيق للعناصر والغازات الخاملة داخل أنبوب الكوارتز، بالإضافة إلى تصميم المصباح ونظام المعالجة، كلها تؤثر على ناتج الأشعة فوق البنفسجية. سيكون الناتج الطيفي لمصباح غير متكامل، يتم تشغيله وقياسه من قبل مورد مصابيح في الهواء الطلق، مختلفاً عن الناتج الطيفي لمصباح مثبت داخل رأس مصباح مزود بعاكس ونظام تبريد مصممين بشكل صحيح. تتوفر المخططات الطيفية بسهولة من موردي أنظمة الأشعة فوق البنفسجية، وهي مفيدة في تطوير التركيبات واختيار المصابيح.

يُظهر المخطط الطيفي الشائع الإشعاع الطيفي على المحور الرأسي (y) والطول الموجي على المحور الأفقي (x). ويمكن عرض الإشعاع الطيفي بعدة طرق، منها القيمة المطلقة (مثل واط/سم²/نانومتر) أو القيم الاعتباطية أو النسبية أو المعيارية (بدون وحدة). وعادةً ما تُعرض المعلومات في المخططات إما كخط بياني أو كشريط بياني يُصنّف الناتج في نطاقات 10 نانومتر. يوضح الرسم البياني التالي للناتج الطيفي لمصباح قوس الزئبق الإشعاع النسبي بالنسبة للطول الموجي لأنظمة GEW (الشكل 1).

الشكل 1 »مخططات الإخراج الطيفي للزئبق والحديد.
يُستخدم مصطلح "مصباح" للإشارة إلى أنبوب الكوارتز المُصدر للأشعة فوق البنفسجية في أوروبا وآسيا، بينما يميل سكان أمريكا الشمالية والجنوبية إلى استخدام مصطلحي "مصباح" و"بصلة" بشكل متبادل. ويُشير مصطلحا "مصباح" و"رأس المصباح" إلى المجموعة الكاملة التي تضم أنبوب الكوارتز وجميع المكونات الميكانيكية والكهربائية الأخرى.

مصابيح القوس الكهربائي

تتكون أنظمة مصابيح القوس الكهربائي من رأس المصباح، ومروحة تبريد أو مبرد، ومصدر طاقة، وواجهة بين الإنسان والآلة. يشتمل رأس المصباح على مصباح (لمبة)، وعاكس، وغلاف معدني، ووحدة غالق، وأحيانًا نافذة كوارتز أو واقي سلكي. تقوم شركة GEW بتركيب أنابيب الكوارتز والعواكس وآليات الغالق داخل وحدات كاسيت يمكن إزالتها بسهولة من الغلاف الخارجي لرأس المصباح. عادةً ما تتم إزالة وحدة كاسيت GEW في غضون ثوانٍ باستخدام مفتاح ألين واحد. نظرًا لاختلاف ناتج الأشعة فوق البنفسجية، والحجم والشكل الكلي لرأس المصباح، وميزات النظام، واحتياجات المعدات المساعدة باختلاف التطبيق والسوق، فإن أنظمة مصابيح القوس الكهربائي تُصمم عمومًا لفئة معينة من التطبيقات أو أنواع الآلات المماثلة.

تُصدر مصابيح بخار الزئبق ضوءًا بزاوية 360 درجة من أنبوب الكوارتز. تستخدم أنظمة مصابيح القوس الكهربائي عاكسات ضوئية موجودة على جانبي المصباح وخلفه لالتقاط وتركيز أكبر قدر من الضوء على مسافة محددة أمام رأس المصباح. تُعرف هذه المسافة بالبؤرة، وهي النقطة التي يكون فيها الإشعاع الضوئي في أعلى مستوياته. تُصدر مصابيح القوس الكهربائي عادةً ما بين 5 إلى 12 واط/سم² عند البؤرة. نظرًا لأن حوالي 70% من الأشعة فوق البنفسجية الصادرة من رأس المصباح تأتي من العاكس الضوئي، فمن المهم الحفاظ على نظافة العاكسات واستبدالها دوريًا. يُعد عدم تنظيف العاكسات أو استبدالها سببًا شائعًا لعدم كفاية عملية المعالجة.

على مدار أكثر 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. ونتيجة لذلك، تتضمن منتجات GEW التجارية الحالية تصميمات هياكل مدمجة، وعاكسات مُحسَّنة لزيادة انعكاس الأشعة فوق البنفسجية وتقليل الأشعة تحت الحمراء، وآليات غالق مدمجة هادئة، وأغطية وفتحات للشبكة، وتغذية الشبكة من نوع الصدفة، وحقن النيتروجين، ورؤوس مضغوطة إيجابيًا، وواجهة تشغيل بشاشة لمس، ووحدات تزويد طاقة صلبة، وكفاءة تشغيلية أعلى، ومراقبة إنتاج الأشعة فوق البنفسجية، ومراقبة النظام عن بُعد.

عند تشغيل مصابيح الأقطاب الكهربائية متوسطة الضغط، تتراوح درجة حرارة سطح الكوارتز بين 600 و800 درجة مئوية، بينما تصل درجة حرارة البلازما الداخلية إلى عدة آلاف من الدرجات المئوية. يُعدّ ضخ الهواء القسري الوسيلة الأساسية للحفاظ على درجة حرارة تشغيل المصباح المناسبة وإزالة جزء من طاقة الأشعة تحت الحمراء المنبعثة. تُزوّد ​​شركة GEW هذا الهواء بطريقة عكسية؛ أي يُسحب الهواء عبر الغلاف، على طول العاكس والمصباح، ثم يُطرد خارج الجهاز بعيدًا عن الماكينة أو سطح المعالجة. تستخدم بعض أنظمة GEW، مثل E4C، التبريد السائل، مما يُتيح إنتاجًا أكبر للأشعة فوق البنفسجية ويُقلل من الحجم الكلي لرأس المصباح.

تتميز مصابيح القوس الكهربائي بدورتي تسخين وتبريد. تُشعل المصابيح مع تبريد طفيف، مما يسمح لبلازما الزئبق بالوصول إلى درجة حرارة التشغيل المطلوبة، وإنتاج إلكترونات حرة وأيونات موجبة، وتمكين تدفق التيار. عند إطفاء رأس المصباح، يستمر التبريد لبضع دقائق لتبريد أنبوب الكوارتز بالتساوي. المصباح الذي يسخن أكثر من اللازم لن يُشعل مرة أخرى، ويجب أن يستمر في التبريد. نظرًا لطول دورة بدء التشغيل والتبريد، بالإضافة إلى تدهور الأقطاب الكهربائية أثناء كل عملية ضخ، تُدمج آليات الغالق الهوائي دائمًا في مجموعات مصابيح القوس الكهربائي من GEW. يوضح الشكل 2 مصابيح القوس الكهربائي المبردة بالهواء (E2C) والمبردة بالسوائل (E4C).

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

مصابيح LED فوق البنفسجية

أشباه الموصلات مواد صلبة بلورية تتمتع بقدرة توصيل متوسطة. يتدفق التيار الكهربائي عبر أشباه الموصلات بكفاءة أعلى من العوازل، ولكن ليس بنفس كفاءة الموصلات المعدنية. تشمل أشباه الموصلات الطبيعية، وإن كانت غير فعالة، عناصر السيليكون والجرمانيوم والسيلينيوم. أما أشباه الموصلات المصنعة كيميائيًا والمصممة لزيادة الإنتاجية والكفاءة، فهي مواد مركبة تحتوي على شوائب مُدمجة بدقة داخل بنيتها البلورية. في حالة مصابيح LED فوق البنفسجية، يُعد نتريد الألومنيوم والغاليوم (AlGaN) مادة شائعة الاستخدام.

تُعدّ أشباه الموصلات أساسية في الإلكترونيات الحديثة، وهي مصممة لتشكيل 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 ذات الكفاءة العالية تُمكّن المنتجات اليومية من العمل، كما تُتيح تصميم منتجات صغيرة الحجم، وأقل سمكًا، وأخف وزنًا، وبأسعار معقولة.

في حالة مصابيح LED تحديدًا، تُصدر مواد أشباه الموصلات المصممة والمصنعة بدقة نطاقات ضيقة نسبيًا من الضوء عند توصيلها بمصدر طاقة تيار مستمر. ولا يتولد الضوء إلا عند مرور التيار من المصعد الموجب (+) إلى المهبط السالب (-) لكل مصباح LED. ونظرًا لسهولة وسرعة التحكم في خرج مصابيح LED، ولأنها شبه أحادية اللون، فإنها تُعد مثالية للاستخدام في: مصابيح المؤشرات؛ وإشارات الاتصال بالأشعة تحت الحمراء؛ والإضاءة الخلفية لأجهزة التلفاز، وأجهزة الكمبيوتر المحمولة، والأجهزة اللوحية، والهواتف الذكية؛ واللافتات الإلكترونية، واللوحات الإعلانية، وشاشات العرض العملاقة؛ والمعالجة بالأشعة فوق البنفسجية.

يُعدّ الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED) وصلة موجبة-سالبة (وصلة pn). وهذا يعني أن أحد جزئي الصمام يحمل شحنة موجبة ويُسمى المصعد (+)، بينما يحمل الجزء الآخر شحنة سالبة ويُسمى المهبط (-). ورغم أن كلا الجانبين موصلان نسبيًا، إلا أن منطقة الوصلة، حيث يلتقي الجانبان، والمعروفة بمنطقة الاستنزاف، غير موصلة. عند توصيل الطرف الموجب (+) لمصدر تيار مستمر (DC) بالمصعد (+) للصمام الثنائي الباعث للضوء، والطرف السالب (-) للمصدر بالمهبط (-)، تتنافر الإلكترونات سالبة الشحنة في المهبط مع الفراغات الإلكترونية موجبة الشحنة في المصعد بفعل مصدر الطاقة، مما يدفعها نحو منطقة الاستنزاف. يُعرف هذا بالانحياز الأمامي، وهو ما يُؤدي إلى التغلب على منطقة الاستنزاف غير الموصلة. والنتيجة هي أن الإلكترونات الحرة في المنطقة من النوع n تعبر إلى المنطقة من النوع p لتملأ الفراغات الإلكترونية فيها. عندما تتدفق الإلكترونات عبر الحد الفاصل، فإنها تنتقل إلى حالة طاقة أقل. وينطلق الانخفاض الناتج في الطاقة من أشباه الموصلات على شكل فوتونات ضوئية.

تحدد المواد والمواد المضافة التي تُشكل البنية البلورية لثنائي الباعث للضوء (LED) الطيف الناتج. تتميز مصادر معالجة LED المتوفرة تجاريًا اليوم بأطياف فوق بنفسجية مركزية عند 365 و385 و395 و405 نانومتر، مع هامش خطأ نموذجي يبلغ ±5 نانومتر، وتوزيع طيفي غاوسي. كلما زادت ذروة الإشعاع الطيفي (واط/سم²/نانومتر)، ارتفعت ذروة منحنى التوزيع. في حين أن تطوير الأشعة فوق البنفسجية من نوع C (UVC) مستمر بين 275 و285 نانومتر، إلا أن الناتج والعمر الافتراضي والموثوقية والتكلفة لا تزال غير كافية تجاريًا لأنظمة وتطبيقات المعالجة.

بما أن خرج مصابيح LED فوق البنفسجية يقتصر حاليًا على أطوال موجات UVA الأطول، فإن نظام المعالجة بمصابيح LED فوق البنفسجية لا يُصدر طيفًا واسع النطاق مميزًا لمصابيح بخار الزئبق متوسطة الضغط. هذا يعني أن أنظمة المعالجة بمصابيح LED فوق البنفسجية لا تُصدر أشعة UVC وUVB ومعظم الضوء المرئي وأطوال موجات الأشعة تحت الحمراء المولدة للحرارة. في حين أن هذا يُتيح استخدام أنظمة المعالجة بمصابيح LED فوق البنفسجية في تطبيقات أكثر حساسية للحرارة، إلا أنه يجب إعادة صياغة الأحبار والطلاءات والمواد اللاصقة الحالية المصممة لمصابيح الزئبق متوسطة الضغط لتناسب أنظمة المعالجة بمصابيح LED فوق البنفسجية. لحسن الحظ، يُصمم موردو المواد الكيميائية بشكل متزايد منتجات ثنائية المعالجة. هذا يعني أن تركيبة المعالجة الثنائية المُصممة للمعالجة باستخدام مصباح LED فوق البنفسجي ستُعالج أيضًا باستخدام مصباح بخار الزئبق (الشكل 3).

الشكل 3 »مخطط الإخراج الطيفي لمصابيح LED.

تُصدر أنظمة معالجة الأشعة فوق البنفسجية بتقنية LED من GEW طاقة تصل إلى 30 واط/سم² عند نافذة الانبعاث. وعلى عكس مصابيح القوس الكهربائي، لا تحتوي أنظمة معالجة الأشعة فوق البنفسجية بتقنية LED على عاكسات لتوجيه أشعة الضوء إلى نقطة مركزة. ونتيجة لذلك، تحدث ذروة إشعاع الأشعة فوق البنفسجية بتقنية LED بالقرب من نافذة الانبعاث. وتتباعد أشعة الأشعة فوق البنفسجية المنبعثة عن بعضها البعض مع ازدياد المسافة بين رأس المصباح وسطح المعالجة. وهذا يقلل من تركيز الضوء وشدته التي تصل إلى سطح المعالجة. في حين أن ذروة الإشعاع مهمة للتشابك، إلا أن زيادة شدة الإشعاع بشكل كبير ليست مفيدة دائمًا، بل قد تعيق زيادة كثافة التشابك. يلعب كل من الطول الموجي (نانومتر) وشدة الإشعاع (واط/سم²) وكثافة الطاقة (جول/سم²) أدوارًا حاسمة في المعالجة، ويجب فهم تأثيرها الجماعي على المعالجة بشكل صحيح عند اختيار مصدر الأشعة فوق البنفسجية بتقنية LED.

تُعدّ مصابيح LED مصادر لامبرتية. بمعنى آخر، يُصدر كل مصباح LED فوق بنفسجي ضوءًا أماميًا موحدًا على امتداد نصف كرة كاملة بزاوية 360° × 180°. تُرتّب العديد من مصابيح LED فوق البنفسجية، التي يبلغ حجم كل منها حوالي مليمتر مربع، في صف واحد، أو مصفوفة من الصفوف والأعمدة، أو أي تكوين آخر. تُصمّم هذه التجميعات الفرعية، المعروفة باسم الوحدات أو المصفوفات، بمسافات بين مصابيح LED تضمن المزج عبر الفجوات وتُسهّل تبريد الثنائيات. تُرتّب وحدات أو مصفوفات متعددة في تجميعات أكبر لتشكيل أنظمة معالجة بالأشعة فوق البنفسجية بأحجام مختلفة (الشكلان 4 و5). تشمل المكونات الإضافية المطلوبة لبناء نظام معالجة بالأشعة فوق البنفسجية باستخدام مصابيح LED: مشتت الحرارة، ونافذة الانبعاث، والمحركات الإلكترونية، ومصادر الطاقة المستمرة، ونظام تبريد سائل أو مبرد، وواجهة بين الإنسان والآلة (HMI).

الشكل 4 »نظام LeoLED للويب.

الشكل 5 »نظام LeoLED لتركيبات المصابيح المتعددة عالية السرعة.

بما أن أنظمة المعالجة بالأشعة فوق البنفسجية LED لا تُشعّ أطوال موجية تحت الحمراء، فإنها تنقل بطبيعتها طاقة حرارية أقل إلى سطح المعالجة مقارنةً بمصابيح بخار الزئبق، ولكن هذا لا يعني اعتبارها تقنية معالجة باردة. إذ يمكن لأنظمة المعالجة بالأشعة فوق البنفسجية LED أن تُصدر إشعاعات ذروة عالية جدًا، والأطوال الموجية فوق البنفسجية هي شكل من أشكال الطاقة. وأي طاقة لا يمتصها التفاعل الكيميائي ستُسخّن الجزء أو الركيزة الأساسية، بالإضافة إلى مكونات الآلة المحيطة.

تُعدّ مصابيح LED فوق البنفسجية مكونات كهربائية تعاني من أوجه قصور ناتجة عن تصميم وتصنيع أشباه الموصلات الخام، بالإضافة إلى أساليب التصنيع والمكونات المستخدمة لتغليف مصابيح LED في وحدة المعالجة الأكبر. فبينما يجب الحفاظ على درجة حرارة أنبوب بخار الزئبق الكوارتزي بين 600 و800 درجة مئوية أثناء التشغيل، يجب أن تبقى درجة حرارة وصلة pn لمصباح LED أقل من 120 درجة مئوية. يتم تحويل 35-50% فقط من الكهرباء التي تُشغّل مصفوفة مصابيح LED فوق البنفسجية إلى طاقة فوق بنفسجية (تعتمد بشكل كبير على الطول الموجي). أما الباقي فيتحول إلى حرارة يجب التخلص منها للحفاظ على درجة حرارة الوصلة المطلوبة وضمان إشعاع النظام المحدد، وكثافة الطاقة، والتجانس، بالإضافة إلى عمر طويل. تُعتبر مصابيح LED بطبيعتها أجهزة صلبة طويلة الأمد، ويُعدّ دمجها في تجميعات أكبر مع أنظمة تبريد مصممة ومُصانة بشكل صحيح أمرًا بالغ الأهمية لتحقيق مواصفات العمر الطويل. ليست جميع أنظمة المعالجة بالأشعة فوق البنفسجية متشابهة، وأنظمة المعالجة بالأشعة فوق البنفسجية LED المصممة والمبردة بشكل غير صحيح لديها احتمالية أكبر لارتفاع درجة الحرارة والفشل بشكل كارثي.

مصابيح هجينة من نوع Arc/LED

في أي سوق تُطرح فيه تقنية جديدة كليًا كبديل للتقنية الحالية، قد يسود التردد بشأن تبنيها، فضلًا عن الشكوك حول أدائها. غالبًا ما يؤجل المستخدمون المحتملون تبني التقنية الجديدة إلى حين ترسيخ قاعدة مستخدمين واسعة، ونشر دراسات حالة، وانتشار شهادات إيجابية على نطاق واسع، أو حصولهم على تجارب مباشرة أو توصيات من أفراد وشركات يعرفونها ويثقون بها. غالبًا ما يكون الدليل القاطع ضروريًا قبل أن يتخلى السوق بأكمله تمامًا عن القديم وينتقل كليًا إلى الجديد. ومما يزيد الأمر تعقيدًا أن قصص النجاح غالبًا ما تُحاط بسرية تامة، إذ لا يرغب المتبنون الأوائل في أن يحقق المنافسون فوائد مماثلة. ونتيجة لذلك، قد تنتشر في السوق قصص خيبة أمل حقيقية ومبالغ فيها، مما يُخفي المزايا الحقيقية للتقنية الجديدة ويؤخر تبنيها أكثر.

على مر التاريخ، وكحلٍّ لمواجهة التردد في تبني التقنيات الجديدة، لطالما اعتُبرت التصاميم الهجينة جسراً انتقالياً بين التقنيات الحالية والجديدة. تُمكّن هذه التصاميم المستخدمين من اكتساب الثقة وتحديد كيفية ووقت استخدام المنتجات أو الأساليب الجديدة بأنفسهم، دون المساس بالإمكانيات الحالية. في حالة المعالجة بالأشعة فوق البنفسجية، يسمح النظام الهجين للمستخدمين بالتبديل بسرعة وسهولة بين مصابيح بخار الزئبق وتقنية LED. بالنسبة للخطوط الإنتاجية التي تضم محطات معالجة متعددة، تُمكّن هذه التصاميم المكابس من العمل بنسبة 100% بتقنية LED، أو بنسبة 100% بمصابيح بخار الزئبق، أو أي مزيج من التقنيتين حسب متطلبات العمل.

تقدم GEW أنظمة هجينة تجمع بين مصابيح القوس الكهربائي ومصابيح LED لأجهزة تحويل الأشرطة. طُوّر هذا الحل خصيصًا لأكبر أسواق GEW، وهو سوق ملصقات الأشرطة الضيقة، إلا أن التصميم الهجين يُستخدم أيضًا في تطبيقات أخرى، سواءً على الأشرطة أو غيرها (الشكل 6). يشتمل نظام القوس الكهربائي/LED على غلاف رأس مصباح مشترك يُمكنه استيعاب كلٍ من كاسيت بخار الزئبق أو كاسيت LED. يعمل كلا الكاسيتين بنظام طاقة وتحكم عالمي. تُمكّن التقنيات الذكية في النظام من التمييز بين أنواع الكاسيتات وتوفير الطاقة والتبريد وواجهة المستخدم المناسبة تلقائيًا. عادةً ما تتم إزالة أو تركيب أي من كاسيتات بخار الزئبق أو LED من GEW في غضون ثوانٍ باستخدام مفتاح ألين واحد.

الشكل 6 »نظام إضاءة قوسية/LED للويب.

مصابيح الإكسيمر

مصابيح الإكسيمر هي نوع من مصابيح التفريغ الغازي التي تُصدر طاقة فوق بنفسجية شبه أحادية اللون. ورغم توفرها بأطوال موجية متعددة، إلا أن الأطوال الموجية الشائعة تتركز عند 172 و222 و308 و351 نانومتر. تقع مصابيح الإكسيمر ذات الطول الموجي 172 نانومتر ضمن نطاق الأشعة فوق البنفسجية الفراغية (100 إلى 200 نانومتر)، بينما يُمثل الطول الموجي 222 نانومتر نطاق الأشعة فوق البنفسجية C (200 إلى 280 نانومتر) حصريًا. أما مصابيح الإكسيمر ذات الطول الموجي 308 نانومتر فتُصدر الأشعة فوق البنفسجية B (280 إلى 315 نانومتر)، بينما يُمثل الطول الموجي 351 نانومتر نطاق الأشعة فوق البنفسجية A (315 إلى 400 نانومتر).

تتميز الأشعة فوق البنفسجية الفراغية بطول موجة 172 نانومتر بأنها أقصر وتحتوي على طاقة أكبر من الأشعة فوق البنفسجية من النوع C، إلا أنها تواجه صعوبة في اختراق المواد بعمق. في الواقع، تُمتص هذه الأشعة بالكامل ضمن الطبقة السطحية التي يتراوح سمكها بين 10 و200 نانومتر من المواد الكيميائية المُعالجة بالأشعة فوق البنفسجية. ونتيجةً لذلك، فإن مصابيح الإكسيمر بطول موجة 172 نانومتر لا تُعالج سوى الطبقة الخارجية من المواد المُعالجة بالأشعة فوق البنفسجية، ويجب دمجها مع أجهزة معالجة أخرى. ولأن الهواء يمتص أيضًا الأشعة فوق البنفسجية الفراغية، يجب تشغيل مصابيح الإكسيمر بطول موجة 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 المنبعثة من المصباح. يمتد قطب كهربائي عالي الجهد على طول الأنبوب الكوارتزي من الداخل، بينما تمتد أقطاب أرضية على طوله من الخارج. تُضخ نبضات جهد عالية التردد إلى المصباح، مما يؤدي إلى تدفق الإلكترونات داخل القطب الداخلي وتفريغها عبر خليط الغاز باتجاه الأقطاب الأرضية الخارجية. تُعرف هذه الظاهرة العلمية باسم تفريغ الحاجز العازل (DBD). أثناء انتقال الإلكترونات عبر الغاز، تتفاعل مع الذرات مُكوّنةً أنواعًا مُنشطة أو مُتأينة تُنتج جزيئات الإكسيمر أو الإكسيبلكس. تتميز جزيئات الإكسيمر والإكسيبلكس بعمر قصير للغاية، وعندما تتحلل من حالة الإثارة إلى الحالة الأرضية، تنبعث فوتونات ذات توزيع شبه أحادي اللون.

الشكل 7 »مصباح الإكسيمر

على عكس مصابيح بخار الزئبق، لا يسخن سطح أنبوب الكوارتز في مصباح الإكسيمر. ونتيجة لذلك، تعمل معظم مصابيح الإكسيمر مع تبريد طفيف أو بدون تبريد على الإطلاق. وفي حالات أخرى، يلزم مستوى منخفض من التبريد، والذي يتم توفيره عادةً بواسطة غاز النيتروجين. وبفضل استقرارها الحراري، تعمل مصابيح الإكسيمر فورًا دون الحاجة إلى دورات تسخين أو تبريد.

عند دمج مصابيح الإكسيمر التي تشعّ عند طول موجي 172 نانومتر مع أنظمة معالجة الأشعة فوق البنفسجية شبه أحادية اللون (UVA-LED) ومصابيح بخار الزئبق واسعة النطاق، نحصل على تأثيرات سطحية غير لامعة. تُستخدم مصابيح الأشعة فوق البنفسجية (UVA-LED) أولًا لتكوين الهلام الكيميائي. ثم تُستخدم مصابيح الإكسيمر شبه أحادية اللون لبلمرة السطح، وأخيرًا تُستخدم مصابيح الزئبق واسعة النطاق لربط ما تبقى من المواد الكيميائية. تُنتج المخرجات الطيفية الفريدة لهذه التقنيات الثلاث، عند تطبيقها على مراحل منفصلة، ​​تأثيرات بصرية ووظيفية مفيدة في معالجة السطح، لا يمكن تحقيقها باستخدام أيٍّ من مصادر الأشعة فوق البنفسجية بمفردها.

كما أن أطوال موجات الإكسيمر 172 و 222 نانومتر فعالة في تدمير المواد العضوية الخطرة والبكتيريا الضارة، مما يجعل مصابيح الإكسيمر عملية لتنظيف الأسطح وتطهيرها ومعالجة الطاقة السطحية.

عمر المصباح

فيما يتعلق بعمر المصباح، تصل مصابيح القوس الكهربائي من GEW عمومًا إلى 2000 ساعة. مع ذلك، فإن عمر المصباح ليس ثابتًا، إذ يتناقص ناتج الأشعة فوق البنفسجية تدريجيًا مع مرور الوقت ويتأثر بعوامل مختلفة. يُعد تصميم المصباح وجودته، بالإضافة إلى ظروف تشغيل نظام الأشعة فوق البنفسجية وتفاعل التركيبة، عوامل مهمة. تضمن أنظمة الأشعة فوق البنفسجية المصممة بشكل صحيح توفير الطاقة والتبريد المناسبين لتصميم المصباح المحدد.

تُوفر مصابيح GEW (اللمبات) أطول عمر افتراضي عند استخدامها في أنظمة معالجة GEW. أما مصادر التوريد الثانوية، فغالباً ما تكون قد استُنسخت من عينة، وقد لا تحتوي النسخ على نفس التركيبة الطرفية، أو قطر الكوارتز، أو محتوى الزئبق، أو خليط الغاز، مما قد يؤثر على ناتج الأشعة فوق البنفسجية وتوليد الحرارة. عندما لا يكون توليد الحرارة متوازناً مع تبريد النظام، يتأثر أداء المصباح سلباً من حيث الناتج والعمر الافتراضي. المصابيح التي تعمل بدرجة حرارة منخفضة تُصدر كمية أقل من الأشعة فوق البنفسجية، بينما المصابيح التي تعمل بدرجة حرارة عالية لا تدوم طويلاً وتتشوه عند درجات حرارة سطحها المرتفعة.

يتحدد عمر مصابيح القوس الكهربائي بدرجة حرارة تشغيلها، وعدد ساعات تشغيلها، وعدد مرات تشغيلها. في كل مرة يتعرض فيها المصباح لقوس كهربائي عالي الجهد أثناء بدء التشغيل، يتآكل جزء من قطب التنجستن. وفي النهاية، لن يتمكن المصباح من إعادة التشغيل. تحتوي مصابيح القوس الكهربائي على آليات حجب تعمل على منع انبعاث الأشعة فوق البنفسجية عند تفعيلها، كبديل عن إعادة تشغيل المصباح بشكل متكرر. قد تؤدي الأحبار والطلاءات والمواد اللاصقة الأكثر تفاعلاً إلى إطالة عمر المصباح، بينما قد تتطلب التركيبات الأقل تفاعلاً تغيير المصباح بشكل متكرر.

تتميز أنظمة مصابيح LED فوق البنفسجية بعمر أطول بطبيعتها من المصابيح التقليدية، إلا أن عمرها ليس مطلقًا. فكما هو الحال مع المصابيح التقليدية، تخضع مصابيح LED فوق البنفسجية لحدود في قدرة تشغيلها، ويجب أن تعمل عمومًا عند درجات حرارة وصلة أقل من 120 درجة مئوية. يؤدي تشغيل مصابيح LED فوق طاقتها أو تبريدها بشكل غير كافٍ إلى تقليل عمرها، مما ينتج عنه تدهور أسرع أو عطل كارثي. لا يقدم جميع موردي أنظمة LED فوق البنفسجية حاليًا تصاميم تلبي أعلى معايير العمر الافتراضي التي تتجاوز 20,000 ساعة. ستدوم الأنظمة المصممة والمُصانة بشكل أفضل لأكثر من 20,000 ساعة، بينما ستتعطل الأنظمة الأقل جودة خلال فترة أقصر بكثير. والخبر السار هو أن تصاميم أنظمة LED تستمر في التحسن وتدوم لفترة أطول مع كل إصدار جديد.

الأوزون
عندما تصطدم أطوال موجات الأشعة فوق البنفسجية القصيرة بجزيئات الأكسجين (O2)، فإنها تتسبب في انقسامها إلى ذرتي أكسجين (O). ثم تصطدم ذرات الأكسجين الحرة (O) بجزيئات أكسجين أخرى (O2) لتكوين الأوزون (O3). ولأن الأوزون (O3) أقل استقرارًا على مستوى سطح الأرض من الأكسجين (O2)، فإنه يتحول بسهولة إلى جزيء أكسجين (O2) وذرة أكسجين (O) أثناء انتقاله عبر الهواء الجوي. ثم تتحد ذرات الأكسجين الحرة (O) مع بعضها البعض داخل نظام العادم لإنتاج جزيئات أكسجين (O2).

في تطبيقات المعالجة بالأشعة فوق البنفسجية الصناعية، يُنتج الأوزون (O3) عندما يتفاعل الأكسجين الجوي مع أطوال موجية فوق بنفسجية أقل من 240 نانومتر. تُصدر مصادر معالجة بخار الزئبق واسعة النطاق أشعة فوق بنفسجية من نوع C بين 200 و280 نانومتر، والتي تتداخل مع جزء من منطقة توليد الأوزون، بينما تُصدر مصابيح الإكسيمر أشعة فوق بنفسجية فراغية عند 172 نانومتر أو أشعة فوق بنفسجية من نوع C عند 222 نانومتر. يُعد الأوزون الناتج عن مصابيح معالجة بخار الزئبق والإكسيمر غير مستقر ولا يُشكل مصدر قلق بيئي كبير، ولكن من الضروري إزالته من المنطقة المحيطة مباشرة بالعمال لأنه مُهيّج للجهاز التنفسي وسام عند المستويات العالية. وبما أن أنظمة المعالجة التجارية بالأشعة فوق البنفسجية LED تُصدر أشعة فوق بنفسجية من نوع A بين 365 و405 نانومتر، فلا يتم توليد الأوزون.

للأوزون رائحة تشبه رائحة المعدن، أو احتراق الأسلاك، أو الكلور، أو شرارة كهربائية. تستطيع حاسة الشم لدى الإنسان اكتشاف الأوزون بتركيزات منخفضة تصل إلى 0.01 إلى 0.03 جزء في المليون. ورغم اختلاف هذه التركيزات باختلاف الأشخاص ومستوى النشاط، إلا أن التركيزات التي تتجاوز 0.4 جزء في المليون قد تؤدي إلى آثار تنفسية ضارة وصداع. لذا، يُنصح بتركيب أنظمة تهوية مناسبة في خطوط معالجة المواد بالأشعة فوق البنفسجية للحد من تعرض العمال للأوزون.

تُصمَّم أنظمة المعالجة بالأشعة فوق البنفسجية عادةً لاحتواء هواء العادم الخارج من رؤوس المصابيح، بحيث يُوجَّه بعيدًا عن المشغلين وخارج المبنى، حيث يتحلل طبيعيًا بوجود الأكسجين وضوء الشمس. وبدلاً من ذلك، تحتوي المصابيح الخالية من الأوزون على مادة الكوارتز المضافة التي تحجب الأطوال الموجية المُولِّدة للأوزون، وغالبًا ما تستخدم المنشآت التي ترغب في تجنب تركيب قنوات تهوية أو إحداث ثقوب في السقف مرشحات على مخرج مراوح العادم.