Loại nguồn UV nào được sử dụng trong hệ thống UV?

Hơi thủy ngân, điốt phát quang (LED) và excimer là những công nghệ đèn UV đóng rắn riêng biệt. Mặc dù cả ba đều được sử dụng trong các quy trình quang trùng hợp khác nhau để liên kết mực, lớp phủ, chất kết dính và vật liệu ép đùn, nhưng cơ chế tạo ra năng lượng UV bức xạ, cũng như đặc điểm của đầu ra quang phổ tương ứng, lại hoàn toàn khác nhau. Việc hiểu rõ những khác biệt này đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển ứng dụng và công thức, lựa chọn nguồn UV đóng rắn và tích hợp.

Đèn hơi thủy ngân

Cả đèn hồ quang điện cực và đèn vi sóng không điện cực đều thuộc nhóm hơi thủy ngân. Đèn hơi thủy ngân là một loại đèn phóng điện khí áp suất trung bình, trong đó một lượng nhỏ thủy ngân nguyên tố và khí trơ được bốc hơi thành plasma bên trong một ống thạch anh kín. Plasma là một loại khí ion hóa ở nhiệt độ cực cao, có khả năng dẫn điện. Nó được tạo ra bằng cách đặt một điện áp giữa hai điện cực bên trong đèn hồ quang hoặc bằng cách cho một đèn không điện cực vào lò vi sóng bên trong một vỏ bọc hoặc khoang tương tự như lò vi sóng gia dụng. Sau khi bốc hơi, plasma thủy ngân phát ra ánh sáng phổ rộng ở các bước sóng cực tím, khả kiến ​​và hồng ngoại.

Trong trường hợp đèn hồ quang điện, điện áp được áp dụng sẽ kích hoạt ống thạch anh kín. Năng lượng này làm bay hơi thủy ngân thành plasma và giải phóng các electron từ các nguyên tử bị bay hơi. Một phần electron (-) chảy về phía điện cực vonfram dương của đèn hoặc anot (+) và vào mạch điện của hệ thống UV. Các nguyên tử bị mất electron mới trở thành các cation mang điện tích dương (+) chảy về phía điện cực vonfram tích điện âm hoặc catot (-) của đèn. Khi chúng di chuyển, các cation va chạm với các nguyên tử trung hòa trong hỗn hợp khí. Va chạm này chuyển electron từ các nguyên tử trung hòa sang các cation. Khi các cation nhận electron, chúng rơi vào trạng thái năng lượng thấp hơn. Chênh lệch năng lượng được giải phóng dưới dạng các photon bức xạ ra ngoài từ ống thạch anh. Với điều kiện đèn được cấp nguồn phù hợp, làm mát đúng cách và hoạt động trong vòng đời hữu ích của nó, một nguồn cung cấp liên tục các cation mới tạo ra (+) sẽ hướng về điện cực âm hoặc catot (-), va chạm với nhiều nguyên tử hơn và tạo ra sự phát xạ tia UV liên tục. Đèn vi sóng hoạt động theo cách tương tự, ngoại trừ việc vi sóng, còn được gọi là tần số vô tuyến (RF), thay thế mạch điện. Vì đèn vi sóng không có điện cực vonfram mà chỉ đơn giản là một ống thạch anh kín chứa thủy ngân và khí trơ, nên chúng thường được gọi là đèn không điện cực.

Đầu ra tia cực tím của đèn hơi thủy ngân băng thông rộng hoặc phổ rộng trải rộng trên các bước sóng cực tím, khả kiến ​​và hồng ngoại, với tỷ lệ gần bằng nhau. Phần tia cực tím bao gồm hỗn hợp các bước sóng UVC (200 đến 280 nm), UVB (280 đến 315 nm), UVA (315 đến 400 nm) và UVV (400 đến 450 nm). Đèn phát ra tia UVC ở bước sóng dưới 240 nm tạo ra ozone và cần được thải ra hoặc lọc.

Đầu ra quang phổ cho đèn hơi thủy ngân có thể được thay đổi bằng cách thêm một lượng nhỏ chất pha tạp, chẳng hạn như: sắt (Fe), gali (Ga), chì (Pb), thiếc (Sn), bismuth (Bi) hoặc indi (In). Các kim loại được thêm vào làm thay đổi thành phần của plasma và do đó, năng lượng được giải phóng khi các cation thu được electron. Đèn có thêm kim loại được gọi là đèn pha tạp, đèn phụ gia và đèn halogen kim loại. Hầu hết các loại mực, lớp phủ, chất kết dính và vật liệu đùn có công thức UV được thiết kế để phù hợp với đầu ra của đèn pha tạp thủy ngân (Hg) hoặc sắt (Fe) tiêu chuẩn. Đèn pha tạp sắt chuyển một phần đầu ra UV sang bước sóng dài hơn, gần với khả năng nhìn thấy được, dẫn đến khả năng thâm nhập tốt hơn qua các công thức dày hơn, có nhiều sắc tố. Các công thức UV có chứa titan dioxit có xu hướng đóng rắn tốt hơn với đèn pha tạp gali (GA). Điều này là do đèn gali chuyển một phần đáng kể đầu ra UV sang các bước sóng dài hơn 380 nm. Vì các chất phụ gia titan dioxide thường không hấp thụ ánh sáng trên 380 nm nên việc sử dụng đèn gali với công thức màu trắng cho phép chất khởi tạo quang hấp thụ nhiều năng lượng tia cực tím hơn so với các chất phụ gia.

Hồ sơ quang phổ cung cấp cho các nhà điều chế và người dùng cuối một hình ảnh trực quan về cách phân bố công suất bức xạ của một thiết kế đèn cụ thể trên phổ điện từ. Trong khi thủy ngân bay hơi và kim loại phụ gia có các đặc tính bức xạ xác định, thì hỗn hợp chính xác các nguyên tố và khí trơ bên trong ống thạch anh cùng với cấu trúc đèn và thiết kế hệ thống đóng rắn đều ảnh hưởng đến công suất UV. Công suất quang phổ của một đèn không tích hợp được cấp nguồn và đo bởi nhà cung cấp đèn ngoài trời sẽ có công suất quang phổ khác với đèn được lắp trong đầu đèn với bộ phản xạ và hệ thống làm mát được thiết kế phù hợp. Hồ sơ quang phổ có sẵn từ các nhà cung cấp hệ thống UV và rất hữu ích trong việc phát triển công thức và lựa chọn đèn.

Một biểu đồ phổ phổ thông thường biểu diễn cường độ bức xạ phổ trên trục y và bước sóng trên trục x. Cường độ bức xạ phổ có thể được hiển thị theo nhiều cách, bao gồm giá trị tuyệt đối (ví dụ W/cm2/nm) hoặc các phép đo tùy ý, tương đối hoặc chuẩn hóa (không có đơn vị). Các biểu đồ này thường hiển thị thông tin dưới dạng biểu đồ đường hoặc biểu đồ cột, nhóm dữ liệu đầu ra thành các dải 10 nm. Biểu đồ phổ đầu ra của đèn hồ quang thủy ngân sau đây thể hiện cường độ bức xạ tương đối theo bước sóng của các hệ thống GEW (Hình 1).

HÌNH 1 »Biểu đồ đầu ra quang phổ của thủy ngân và sắt.
Đèn là thuật ngữ dùng để chỉ ống thạch anh phát tia UV ở châu Âu và châu Á, trong khi Bắc Mỹ và Nam Mỹ thường sử dụng hỗn hợp bóng đèn và đèn có thể hoán đổi cho nhau. Đèn và đầu đèn đều dùng để chỉ toàn bộ cụm đèn chứa ống thạch anh và tất cả các thành phần cơ khí và điện khác.

Đèn hồ quang điện cực

Hệ thống đèn hồ quang điện cực bao gồm đầu đèn, quạt làm mát hoặc máy làm lạnh, bộ nguồn và giao diện người-máy (HMI). Đầu đèn bao gồm bóng đèn, chóa phản xạ, vỏ kim loại, cụm màn trập và đôi khi là cửa sổ thạch anh hoặc tấm chắn dây. GEW lắp các ống thạch anh, chóa phản xạ và cơ cấu màn trập bên trong cụm cassette có thể dễ dàng tháo rời khỏi vỏ hoặc vỏ đầu đèn bên ngoài. Việc tháo cassette GEW thường được thực hiện trong vài giây chỉ bằng một cờ lê lục giác. Do công suất tia UV, kích thước và hình dạng tổng thể của đầu đèn, các tính năng của hệ thống và nhu cầu về thiết bị phụ trợ khác nhau tùy theo ứng dụng và thị trường, nên hệ thống đèn hồ quang điện cực thường được thiết kế cho một loại ứng dụng nhất định hoặc các loại máy tương tự.

Đèn hơi thủy ngân phát ra ánh sáng 360° từ ống thạch anh. Hệ thống đèn hồ quang sử dụng các tấm phản quang đặt ở hai bên và phía sau đèn để thu và tập trung nhiều ánh sáng hơn đến một khoảng cách xác định phía trước đầu đèn. Khoảng cách này được gọi là tiêu điểm và là nơi có cường độ chiếu sáng lớn nhất. Đèn hồ quang thường phát ra từ 5 đến 12 W/cm² tại tiêu điểm. Vì khoảng 70% lượng tia UV phát ra từ đầu đèn đến từ tấm phản quang, nên việc giữ cho tấm phản quang sạch sẽ và thay thế định kỳ là rất quan trọng. Việc không vệ sinh hoặc thay thế tấm phản quang thường là nguyên nhân phổ biến gây ra hiện tượng không đủ sáng.

Trong hơn 30 năm qua, GEW đã không ngừng cải thiện hiệu quả của các hệ thống xử lý, tùy chỉnh các tính năng và công suất đầu ra để đáp ứng nhu cầu của các ứng dụng và thị trường cụ thể, đồng thời phát triển danh mục phụ kiện tích hợp đa dạng. Nhờ đó, các sản phẩm thương mại hiện nay của GEW bao gồm thiết kế vỏ máy nhỏ gọn, bộ phản xạ được tối ưu hóa để phản xạ tia UV tốt hơn và giảm thiểu tia hồng ngoại, cơ chế màn trập tích hợp êm ái, chân đế và khe lưới, hệ thống nạp lưới dạng vỏ sò, hệ thống phun nitơ, đầu phun áp suất dương, giao diện người dùng màn hình cảm ứng, bộ nguồn bán dẫn, hiệu suất vận hành cao hơn, giám sát công suất tia UV và giám sát hệ thống từ xa.

Khi đèn điện cực áp suất trung bình hoạt động, nhiệt độ bề mặt thạch anh nằm trong khoảng từ 600 °C đến 800 °C, và nhiệt độ plasma bên trong lên đến vài nghìn độ C. Khí cưỡng bức là phương tiện chính để duy trì nhiệt độ hoạt động chính xác của đèn và loại bỏ một phần năng lượng hồng ngoại bức xạ. GEW cung cấp khí này theo hướng tiêu cực; nghĩa là khí được hút qua vỏ đèn, dọc theo chóa phản xạ và đèn, rồi thoát ra khỏi cụm đèn và tránh xa máy hoặc bề mặt xử lý. Một số hệ thống GEW như E4C sử dụng hệ thống làm mát bằng chất lỏng, cho phép công suất UV lớn hơn một chút và giảm kích thước tổng thể của đầu đèn.

Đèn hồ quang điện cực có chu kỳ khởi động và làm mát. Đèn được đánh lửa với mức làm mát tối thiểu. Điều này cho phép plasma thủy ngân tăng lên đến nhiệt độ hoạt động mong muốn, tạo ra các electron và cation tự do, và cho phép dòng điện chạy qua. Khi đầu đèn tắt, quá trình làm mát tiếp tục diễn ra trong vài phút để làm mát đều ống thạch anh. Đèn quá ấm sẽ không đánh lửa lại và phải tiếp tục làm mát. Độ dài của chu kỳ khởi động và làm mát, cũng như sự suy giảm điện cực trong mỗi lần đánh lửa điện áp, là lý do tại sao cơ chế màn trập khí nén luôn được tích hợp vào cụm đèn hồ quang điện cực GEW. Hình 2 cho thấy đèn hồ quang điện cực làm mát bằng không khí (E2C) và làm mát bằng chất lỏng (E4C).

HÌNH 2 »Đèn hồ quang điện cực làm mát bằng chất lỏng (E4C) và làm mát bằng không khí (E2C).

Đèn LED UV

Chất bán dẫn là vật liệu rắn, tinh thể, có tính dẫn điện ở mức độ nào đó. Dòng điện chạy qua chất bán dẫn tốt hơn chất cách điện, nhưng không tốt bằng chất dẫn điện kim loại. Các chất bán dẫn tự nhiên nhưng kém hiệu quả bao gồm các nguyên tố silic, germani và selen. Chất bán dẫn tổng hợp được thiết kế để tăng công suất và hiệu suất là vật liệu hợp chất với các tạp chất được tẩm chính xác trong cấu trúc tinh thể. Trong trường hợp đèn LED UV, nhôm gali nitride (AlGaN) là một vật liệu thường được sử dụng.

Chất bán dẫn là nền tảng của ngành điện tử hiện đại và được thiết kế để tạo thành transistor, diode, diode phát quang và vi xử lý. Các thiết bị bán dẫn được tích hợp vào mạch điện và được lắp đặt bên trong các sản phẩm như điện thoại di động, máy tính xách tay, máy tính bảng, thiết bị gia dụng, máy bay, ô tô, bộ điều khiển từ xa và thậm chí cả đồ chơi trẻ em. Những linh kiện nhỏ bé nhưng mạnh mẽ này giúp các sản phẩm hàng ngày hoạt động hiệu quả, đồng thời cho phép các sản phẩm trở nên nhỏ gọn, mỏng hơn, nhẹ hơn và giá cả phải chăng hơn.

Trong trường hợp đặc biệt của đèn LED, vật liệu bán dẫn được thiết kế và chế tạo chính xác sẽ phát ra các dải bước sóng ánh sáng tương đối hẹp khi được kết nối với nguồn điện một chiều. Ánh sáng chỉ được tạo ra khi dòng điện chạy từ cực dương (+) đến cực âm (-) của mỗi đèn LED. Vì đầu ra của đèn LED có thể được điều khiển nhanh chóng và dễ dàng, gần như đơn sắc, đèn LED lý tưởng để sử dụng làm: đèn báo; tín hiệu truyền thông hồng ngoại; đèn nền cho TV, máy tính xách tay, máy tính bảng và điện thoại thông minh; biển báo điện tử, biển quảng cáo và màn hình jumbotron; và đèn UV.

Đèn LED là mối nối dương-âm (mối nối pn). Điều này có nghĩa là một phần của đèn LED có điện tích dương và được gọi là cực dương (+), và phần còn lại có điện tích âm và được gọi là cực âm (-). Trong khi cả hai mặt đều tương đối dẫn điện, ranh giới mối nối nơi hai mặt gặp nhau, được gọi là vùng cạn kiệt, không dẫn điện. Khi cực dương (+) của nguồn điện một chiều (DC) được kết nối với cực dương (+) của đèn LED và cực âm (-) của nguồn được kết nối với cực âm (-), các electron tích điện âm trong cực âm và các chỗ trống electron tích điện dương trong cực dương bị nguồn điện đẩy ra và bị đẩy về phía vùng cạn kiệt. Đây là một phân cực thuận và nó có tác dụng vượt qua ranh giới không dẫn điện. Kết quả là các electron tự do trong vùng loại n giao nhau và lấp đầy các chỗ trống trong vùng loại p. Khi các electron chảy qua ranh giới, chúng chuyển sang trạng thái năng lượng thấp hơn. Sự giảm năng lượng tương ứng được giải phóng từ chất bán dẫn dưới dạng các photon ánh sáng.

Vật liệu và tạp chất tạo nên cấu trúc LED tinh thể quyết định đầu ra quang phổ. Ngày nay, các nguồn quang LED thương mại có đầu ra tia cực tím tập trung tại 365, 385, 395 và 405 nm, dung sai điển hình là ±5 nm, và phân bố quang phổ Gauss. Cường độ bức xạ phổ cực đại (W/cm2/nm) càng lớn, thì đỉnh của đường cong hình chuông càng cao. Mặc dù quá trình phát triển UVC đang diễn ra trong khoảng từ 275 đến 285 nm, nhưng sản lượng, tuổi thọ, độ tin cậy và chi phí vẫn chưa khả thi về mặt thương mại cho các hệ thống và ứng dụng quang học.

Do đầu ra UV-LED hiện bị giới hạn ở các bước sóng UVA dài hơn, nên hệ thống đóng rắn UV-LED không phát ra đặc tính đầu ra phổ băng thông rộng của đèn hơi thủy ngân áp suất trung bình. Điều này có nghĩa là hệ thống đóng rắn UV-LED không phát ra UVC, UVB, hầu hết các ánh sáng khả kiến ​​và các bước sóng hồng ngoại sinh nhiệt. Mặc dù điều này cho phép sử dụng hệ thống đóng rắn UV-LED trong các ứng dụng nhạy nhiệt hơn, nhưng mực, lớp phủ và chất kết dính hiện có được pha chế cho đèn thủy ngân áp suất trung bình phải được điều chế lại cho hệ thống đóng rắn UV-LED. May mắn thay, các nhà cung cấp hóa chất ngày càng thiết kế các sản phẩm đóng rắn kép. Điều này có nghĩa là một công thức đóng rắn kép được thiết kế để đóng rắn bằng đèn UV-LED cũng sẽ đóng rắn bằng đèn hơi thủy ngân (Hình 3).

HÌNH 3 »Biểu đồ đầu ra quang phổ cho đèn LED.

Hệ thống xử lý UV-LED của GEW phát ra tới 30 W/cm2 tại cửa sổ phát xạ. Không giống như đèn hồ quang điện cực, hệ thống xử lý UV-LED không tích hợp bộ phản xạ hướng tia sáng đến một tiêu điểm tập trung. Do đó, cường độ bức xạ cực đại của UV-LED xảy ra gần cửa sổ phát xạ. Các tia UV-LED phát ra phân kỳ với nhau khi khoảng cách giữa đầu đèn và bề mặt xử lý tăng lên. Điều này làm giảm nồng độ ánh sáng và cường độ bức xạ chiếu tới bề mặt xử lý. Mặc dù cường độ bức xạ cực đại rất quan trọng đối với quá trình liên kết chéo, nhưng cường độ bức xạ ngày càng cao không phải lúc nào cũng có lợi và thậm chí có thể ức chế mật độ liên kết chéo lớn hơn. Bước sóng (nm), cường độ bức xạ (W/cm2) và mật độ năng lượng (J/cm2) đều đóng vai trò quan trọng trong quá trình xử lý và tác động tổng hợp của chúng đối với quá trình xử lý cần được hiểu rõ trong quá trình lựa chọn nguồn UV-LED.

Đèn LED là nguồn Lambertian. Nói cách khác, mỗi đèn LED UV phát ra ánh sáng đồng đều trên toàn bộ bán cầu 360° x 180°. Nhiều đèn LED UV, mỗi đèn có kích thước khoảng một milimét vuông, được sắp xếp thành một hàng, một ma trận các hàng và cột, hoặc một số cấu hình khác. Các cụm lắp ráp phụ này, được gọi là mô-đun hoặc mảng, được thiết kế với khoảng cách giữa các đèn LED đảm bảo hòa trộn qua các khe hở và tạo điều kiện làm mát diode. Nhiều mô-đun hoặc mảng sau đó được sắp xếp thành các cụm lắp ráp lớn hơn để tạo thành các hệ thống sấy UV có kích thước khác nhau (Hình 4 và 5). Các thành phần bổ sung cần thiết để xây dựng một hệ thống sấy UV-LED bao gồm bộ tản nhiệt, cửa sổ phát sáng, bộ điều khiển điện tử, bộ nguồn DC, hệ thống làm mát bằng chất lỏng hoặc máy làm lạnh, và giao diện người máy (HMI).

HÌNH 4 »Hệ thống LeoLED dành cho web.

HÌNH 5 »Hệ thống LeoLED dùng để lắp đặt nhiều đèn tốc độ cao.

Vì hệ thống đèn UV-LED không phát ra bước sóng hồng ngoại. Về bản chất, chúng truyền ít năng lượng nhiệt hơn đến bề mặt đóng rắn so với đèn hơi thủy ngân, nhưng điều này không có nghĩa là đèn UV-LED nên được coi là công nghệ đóng rắn lạnh. Hệ thống đóng rắn UV-LED có thể phát ra cường độ bức xạ cực đại rất cao, và bước sóng cực tím là một dạng năng lượng. Bất kỳ lượng nhiệt nào không được hấp thụ bởi hóa chất sẽ làm nóng bộ phận hoặc chất nền bên dưới cũng như các linh kiện máy móc xung quanh.

Đèn LED UV cũng là linh kiện điện tử với hiệu suất kém do thiết kế và chế tạo bán dẫn thô, cũng như phương pháp sản xuất và linh kiện dùng để đóng gói đèn LED vào bộ phận đóng rắn lớn hơn. Trong khi nhiệt độ của ống thạch anh hơi thủy ngân phải được giữ trong khoảng 600 đến 800 °C trong quá trình hoạt động, nhiệt độ tiếp giáp pn của đèn LED phải duy trì dưới 120 °C. Chỉ 35-50% điện năng cung cấp cho một mảng đèn LED UV được chuyển đổi thành đầu ra tia cực tím (phụ thuộc rất nhiều vào bước sóng). Phần còn lại được chuyển thành nhiệt lượng cần được loại bỏ để duy trì nhiệt độ tiếp giáp mong muốn và đảm bảo cường độ chiếu sáng, mật độ năng lượng và tính đồng nhất của hệ thống được chỉ định, cũng như tuổi thọ cao. Đèn LED vốn là thiết bị bán dẫn có tuổi thọ cao, và việc tích hợp đèn LED vào các cụm lớn hơn với hệ thống làm mát được thiết kế và bảo trì phù hợp là rất quan trọng để đạt được các thông số kỹ thuật về tuổi thọ cao. Không phải tất cả các hệ thống đóng rắn bằng tia UV đều giống nhau, và các hệ thống đóng rắn bằng tia UV không được thiết kế và làm mát không đúng cách có khả năng quá nhiệt và hỏng hóc nghiêm trọng cao hơn.

Đèn lai Arc/LED

Trong bất kỳ thị trường nào mà công nghệ hoàn toàn mới được giới thiệu để thay thế cho công nghệ hiện có, đều có thể có sự lo lắng về việc áp dụng cũng như sự hoài nghi về hiệu suất. Người dùng tiềm năng thường trì hoãn việc áp dụng cho đến khi hình thành được một cơ sở cài đặt vững chắc, các nghiên cứu điển hình được công bố, những lời chứng thực tích cực bắt đầu lan truyền rộng rãi và/hoặc họ có được trải nghiệm trực tiếp hoặc tham khảo từ các cá nhân và công ty mà họ biết và tin tưởng. Bằng chứng xác thực thường là cần thiết trước khi toàn bộ thị trường hoàn toàn từ bỏ cái cũ và chuyển đổi hoàn toàn sang cái mới. Việc những câu chuyện thành công thường được giữ bí mật chặt chẽ không có lợi vì những người áp dụng sớm không muốn đối thủ cạnh tranh nhận được những lợi ích tương đương cũng không giúp ích gì. Kết quả là, cả những câu chuyện thất vọng có thật và phóng đại đôi khi có thể vang vọng khắp thị trường, che giấu những giá trị thực sự của công nghệ mới và tiếp tục trì hoãn việc áp dụng.

Trong suốt lịch sử, và để đối phó với việc áp dụng miễn cưỡng, các thiết kế lai thường được coi là cầu nối chuyển tiếp giữa công nghệ hiện tại và công nghệ mới. Các thiết kế lai cho phép người dùng tự tin hơn và tự quyết định cách thức và thời điểm nên sử dụng các sản phẩm hoặc phương pháp mới mà không phải hy sinh các khả năng hiện tại. Trong trường hợp xử lý UV, hệ thống lai cho phép người dùng nhanh chóng và dễ dàng chuyển đổi giữa đèn hơi thủy ngân và công nghệ LED. Đối với các dây chuyền có nhiều trạm xử lý, các thiết kế lai cho phép máy in chạy 100% LED, 100% hơi thủy ngân, hoặc bất kỳ sự kết hợp nào của hai công nghệ này được yêu cầu cho một công việc nhất định.

GEW cung cấp hệ thống lai hồ quang/LED cho bộ chuyển đổi web. Giải pháp được phát triển cho thị trường lớn nhất của GEW, nhãn web hẹp, nhưng thiết kế lai này cũng được sử dụng trong các ứng dụng web và ngoài web khác (Hình 6). Hồ quang/LED tích hợp một vỏ đèn chung có thể chứa cả hộp đèn hơi thủy ngân hoặc hộp đèn LED. Cả hai hộp đèn đều chạy bằng hệ thống nguồn và điều khiển đa năng. Hệ thống thông minh cho phép phân biệt các loại hộp đèn và tự động cung cấp nguồn điện, hệ thống làm mát và giao diện vận hành phù hợp. Việc tháo hoặc lắp đặt bất kỳ hộp đèn hơi thủy ngân hoặc đèn LED nào của GEW thường được thực hiện trong vòng vài giây chỉ bằng một cờ lê lục giác.

HÌNH 6 »Hệ thống Arc/LED cho web.

Đèn Excimer

Đèn Excimer là một loại đèn phóng điện khí phát ra năng lượng cực tím gần như đơn sắc. Mặc dù đèn Excimer có nhiều bước sóng, nhưng đầu ra cực tím phổ biến tập trung ở các bước sóng 172, 222, 308 và 351 nm. Đèn Excimer 172 nm nằm trong dải UV chân không (100 đến 200 nm), trong khi 222 nm chỉ dành riêng cho UVC (200 đến 280 nm). Đèn Excimer 308 nm phát ra UVB (280 đến 315 nm), và 351 nm là UVA (315 đến 400 nm).

Bước sóng UV chân không 172 nm ngắn hơn và chứa nhiều năng lượng hơn UVC; tuy nhiên, chúng khó thâm nhập sâu vào các chất. Trên thực tế, bước sóng 172 nm bị hấp thụ hoàn toàn trong khoảng 10 đến 200 nm của các hợp chất hóa học được điều chế bằng tia UV. Do đó, đèn excimer 172 nm chỉ liên kết chéo bề mặt ngoài cùng của các hợp chất UV và phải được tích hợp kết hợp với các thiết bị đóng rắn khác. Vì bước sóng UV chân không cũng bị hấp thụ bởi không khí, đèn excimer 172 nm phải được vận hành trong môi trường trơ ​​nitơ.

Hầu hết các đèn excimer đều bao gồm một ống thạch anh đóng vai trò như một rào cản điện môi. Ống được làm đầy bằng các loại khí hiếm có khả năng tạo thành các phân tử excimer hoặc exciplex (Hình 7). Các loại khí khác nhau tạo ra các phân tử khác nhau và các phân tử bị kích thích khác nhau quyết định bước sóng phát ra từ đèn. Một điện cực điện áp cao chạy dọc theo chiều dài bên trong của ống thạch anh và các điện cực đất chạy dọc theo chiều dài bên ngoài. Điện áp được xung vào đèn ở tần số cao. Điều này khiến các electron chạy bên trong điện cực bên trong và phóng điện qua hỗn hợp khí về phía các điện cực đất bên ngoài. Hiện tượng khoa học này được gọi là phóng điện rào cản điện môi (DBD). Khi các electron di chuyển qua khí, chúng tương tác với các nguyên tử và tạo ra các loài được cung cấp năng lượng hoặc ion hóa tạo ra các phân tử excimer hoặc exciplex. Các phân tử excimer và exciplex có tuổi thọ cực kỳ ngắn và khi chúng phân hủy từ trạng thái kích thích sang trạng thái cơ bản, các photon có phân bố gần đơn sắc được phát ra.

HÌNH 7 »Đèn Excimer

Không giống như đèn hơi thủy ngân, bề mặt ống thạch anh của đèn excimer không bị nóng. Do đó, hầu hết đèn excimer hoạt động với rất ít hoặc không cần làm mát. Trong các trường hợp khác, cần làm mát ở mức độ thấp, thường được cung cấp bởi khí nitơ. Nhờ tính ổn định nhiệt, đèn excimer có thể "BẬT/TẮT" tức thì và không cần chu kỳ làm nóng hoặc làm mát.

Khi đèn excimer phát xạ ở bước sóng 172 nm được tích hợp kết hợp với cả hệ thống đóng rắn UVA-LED bán đơn sắc và đèn hơi thủy ngân băng thông rộng, hiệu ứng bề mặt mờ sẽ được tạo ra. Đèn LED UVA được sử dụng đầu tiên để tạo gel hóa học. Đèn excimer bán đơn sắc sau đó được sử dụng để trùng hợp bề mặt, và cuối cùng, đèn thủy ngân băng thông rộng sẽ liên kết chéo phần hóa học còn lại. Đầu ra quang phổ độc đáo của ba công nghệ được áp dụng trong các giai đoạn riêng biệt mang lại hiệu ứng đóng rắn bề mặt quang học và chức năng có lợi mà không thể đạt được nếu chỉ sử dụng một trong hai nguồn UV riêng lẻ.

Các bước sóng Excimer 172 và 222 nm cũng có hiệu quả trong việc tiêu diệt các chất hữu cơ nguy hiểm và vi khuẩn có hại, giúp đèn Excimer trở nên thiết thực trong việc làm sạch bề mặt, khử trùng và xử lý năng lượng bề mặt.

Tuổi thọ đèn

Về tuổi thọ của đèn hoặc bóng đèn, đèn hồ quang GEW thường có tuổi thọ lên đến 2.000 giờ. Tuổi thọ của đèn không phải là tuyệt đối, vì công suất phát tia UV giảm dần theo thời gian và bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố. Thiết kế và chất lượng của đèn, cũng như điều kiện vận hành của hệ thống UV và khả năng phản ứng của thành phần. Hệ thống UV được thiết kế phù hợp sẽ đảm bảo cung cấp công suất và khả năng làm mát phù hợp với thiết kế đèn (bóng đèn) cụ thể.

Đèn (bóng đèn) do GEW cung cấp luôn có tuổi thọ cao nhất khi được sử dụng trong hệ thống sấy GEW. Các nguồn cung cấp thứ cấp thường được thiết kế ngược từ đèn mẫu, và các bản sao có thể không có cùng đầu nối, đường kính thạch anh, hàm lượng thủy ngân hoặc hỗn hợp khí, tất cả đều có thể ảnh hưởng đến công suất phát tia UV và khả năng sinh nhiệt. Khi nhiệt sinh ra không cân bằng với khả năng làm mát của hệ thống, đèn sẽ bị ảnh hưởng cả về công suất phát tia UV lẫn tuổi thọ. Đèn hoạt động ở nhiệt độ thấp hơn sẽ phát ra ít tia UV hơn. Đèn hoạt động ở nhiệt độ cao hơn sẽ không bền và bị cong vênh ở nhiệt độ bề mặt cao.

Tuổi thọ của đèn hồ quang điện cực bị giới hạn bởi nhiệt độ hoạt động của đèn, số giờ hoạt động và số lần đánh lửa hoặc khởi động. Mỗi lần đèn bị đánh bằng hồ quang điện áp cao trong quá trình khởi động, một phần điện cực vonfram sẽ bị mòn. Cuối cùng, đèn sẽ không đánh lửa lại. Đèn hồ quang điện cực được trang bị cơ chế màn trập, khi được kích hoạt, sẽ chặn tia UV phát ra thay vì phải liên tục thay đổi công suất đèn. Mực, lớp phủ và chất kết dính phản ứng mạnh hơn có thể giúp đèn có tuổi thọ cao hơn; trong khi đó, các công thức ít phản ứng hơn có thể yêu cầu thay đèn thường xuyên hơn.

Hệ thống đèn UV-LED vốn dĩ có tuổi thọ cao hơn đèn thông thường, nhưng tuổi thọ của đèn UV-LED cũng không phải là tuyệt đối. Giống như đèn thông thường, đèn UV-LED có giới hạn về mức độ hoạt động mạnh và thường phải hoạt động ở nhiệt độ tiếp giáp dưới 120 °C. Việc hoạt động quá mức và đèn LED làm mát không đủ sẽ làm giảm tuổi thọ, dẫn đến suy giảm nhanh hơn hoặc hỏng hóc nghiêm trọng. Không phải tất cả các nhà cung cấp hệ thống đèn UV-LED hiện nay đều cung cấp các thiết kế đáp ứng được tuổi thọ cao nhất đã được thiết lập, vượt quá 20.000 giờ. Các hệ thống được thiết kế và bảo trì tốt hơn sẽ kéo dài hơn 20.000 giờ, và các hệ thống kém hơn sẽ hỏng trong thời gian ngắn hơn nhiều. Tin tốt là các thiết kế hệ thống đèn LED tiếp tục được cải tiến và kéo dài hơn sau mỗi lần thiết kế lại.

Ôzôn
Khi các bước sóng UVC ngắn hơn tác động lên các phân tử oxy (O2), chúng khiến các phân tử oxy (O2) tách thành hai nguyên tử oxy (O2). Các nguyên tử oxy tự do (O) sau đó va chạm với các phân tử oxy khác (O2) và tạo thành ozone (O3). Vì trioxy (O3) kém ổn định hơn dioxy (O2) ở mặt đất, ozone dễ dàng chuyển đổi thành một phân tử oxy (O2) và một nguyên tử oxy (O) khi nó trôi trong không khí. Các nguyên tử oxy tự do (O) sau đó kết hợp lại với nhau trong hệ thống khí thải để tạo ra các phân tử oxy (O2).

Đối với các ứng dụng xử lý UV trong công nghiệp, ozone (O3) được tạo ra khi oxy trong khí quyển tương tác với tia cực tím có bước sóng dưới 240 nm. Các nguồn xử lý hơi thủy ngân băng thông rộng phát ra tia UVC trong khoảng từ 200 đến 280 nm, chồng lấn một phần vùng sinh ozone, và đèn excimer phát ra tia UV chân không ở 172 nm hoặc UVC ở 222 nm. Ozone tạo ra bởi hơi thủy ngân và đèn xử lý excimer không ổn định và không phải là mối lo ngại đáng kể về môi trường, nhưng cần phải loại bỏ nó khỏi khu vực xung quanh công nhân vì nó gây kích ứng đường hô hấp và độc hại ở nồng độ cao. Vì các hệ thống xử lý UV-LED thương mại phát ra tia UVA trong khoảng từ 365 đến 405 nm, ozone không được tạo ra.

Ozone có mùi tương tự mùi kim loại, mùi dây điện đang cháy, mùi clo và mùi tia lửa điện. Khứu giác của con người có thể phát hiện ozone ở nồng độ thấp từ 0,01 đến 0,03 phần triệu (ppm). Mặc dù nồng độ này thay đổi tùy theo từng người và mức độ hoạt động, nhưng nồng độ lớn hơn 0,4 ppm có thể gây ra các tác động xấu đến hô hấp và đau đầu. Cần lắp đặt hệ thống thông gió phù hợp trên các dây chuyền xử lý bằng tia UV để hạn chế sự tiếp xúc của công nhân với ozone.

Hệ thống xử lý bằng tia UV thường được thiết kế để giữ lại khí thải khi nó thoát ra khỏi đầu đèn, nhờ đó có thể dẫn khí ra xa người vận hành và ra khỏi tòa nhà, nơi khí thải tự nhiên bị phân hủy khi tiếp xúc với oxy và ánh sáng mặt trời. Ngoài ra, đèn không chứa ozone còn được bổ sung thêm chất phụ gia thạch anh để chặn các bước sóng tạo ozone, và các cơ sở muốn tránh việc lắp đặt ống dẫn hoặc cắt lỗ trên mái thường sử dụng bộ lọc ở đầu ra của quạt hút.