مصابيح LED للأشعة فوق البنفسجية UVA وUVB وUVC: التقنية والقياس
لا تختلف مصابيح LED للأشعة فوق البنفسجية UVA وUVB وUVC في الطول الموجي الذروي فحسب. فالنظام المادي، والكفاءة، والحمل الحراري، والنطاق الترددي الطيفي، والتقادم، والقدرة الضوئية المتاحة، جميعها تتغيّر بشكل ملحوظ عبر نطاق الأشعة فوق البنفسجية. ولذلك، ولضمان تطبيق موثوق، يجب تقييم بيانات مصابيح LED في ظل ظروف تيار ودرجة حرارة محدّدة، وتكميلها بقياس راديومتري مناسب عند نقطة الاستخدام.
تُولّد مصابيح LED للأشعة فوق البنفسجية إشعاعاً فوق بنفسجي في أشباه موصلات من نيتريد الألومنيوم والغاليوم والإنديوم. ويحدّد التركيب أطوال موجات الانبعاث ضمن نطاق UVA (من 315 إلى 400 nm)، وUVB (من 280 إلى 315 nm)، وUVC (من 200 إلى 280 nm)؛ ومن الشائع استخدام 365 و385 nm في نطاق UVA، و285 و295 nm في نطاق UVB، و265 nm في نطاق UVC. وتتوفر الأطياف المقاسة لأنواع فردية من مصابيح LED للتنزيل من قاعدة بيانات الأطياف لمصابيح الأشعة فوق البنفسجية ومصابيح LED فوق البنفسجية.
يفرض التوجيه الأوروبي RoHS قيوداً على المصابيح المحتوية على الزئبق؛ ويُعرض الوضع الحالي تحت RoHS ومصابيح الأشعة فوق البنفسجية. وتُعرض الأجهزة التي تقدّمها Opsytec نتيجة لذلك تحت مصادر الضوء LED للأشعة فوق البنفسجية.
إنتاج الثنائيات الباعثة للضوء بالأشعة فوق البنفسجية
يتم توليد الإشعاع الكهرومغناطيسي بشكل عام في أشباه الموصلات من الفئة III-V، أي أشباه الموصلات المصنوعة من عناصر المجموعتين الرئيسيتين الثالثة والخامسة من الجدول الدوري، حيث يتحدد الطول الموجي لذروة الانبعاث لثنائيات UV LED بشكل أساسي من خلال تركيب المحلول الصلب للمادة.
من خلال سبك أشباه الموصلات نيتريد الألومنيوم (AlN) ونيتريد الغاليوم (GaN) ونيتريد الإنديوم (InN)، يمكن تحقيق أطوال موجية للانبعاث في نطاق UVA (من 400 nm إلى 315 nm) وUVB (من 315 nm إلى 280 nm) وUVC (من 280 nm إلى 200 nm).
يتضمن إنتاج ثنائيات UV LED عددًا من الخطوات:
تصميم البنية غير المتجانسة للثنائي وتخطيط الشريحة، ونمو الركائز والطبقات الأساسية، والنمو فوق الشبكي (الإبيتاكسي) للبنية غير المتجانسة لشبه الموصل، ومعالجة أجهزة LED على مستوى الرقاقة (الويفر)، وأخيرًا فصل الرقائق إلى شرائح LED وتجميعها في حزم. لذا تتكون ثنائيات UV LED من مئات الطبقات من أشباه الموصلات التي يجب ضبط تركيبها وتطعيمها وفقًا للوظيفة المطلوبة لكل منها.
يتحدد الطول الموجي للانبعاث للثنائيات من خلال التركيب والتطعيم اللذين يتم فيهما توليد الأشعة فوق البنفسجية. من المهم في جميع الخطوات أن يتم تحويل القدرة الكهربائية بكفاءة إلى قدرة إشعاعية ضوئية. تُعد كفاءة التحويل الكلي (WPE) معيارًا مهمًا بشكل خاص للتطبيق. تشير الكفاءة الإجمالية لثنائيات UV LED إلى نسبة القدرة الإشعاعية الضوئية إلى القدرة الكهربائية المزوَّدة.
تحقق ثنائيات UV LED الباعثة لأشعة UVA حاليًا كفاءة تحويل كلي (WPE) تتراوح بين نحو 30 و40 %، في حين تحقق الثنائيات الباعثة للون الأزرق بالفعل كفاءة تحويل كلي عالية جدًا تبلغ نحو 80 %. في المقابل، تتميز الثنائيات ذات الانبعاثات في نطاق UVB وUVC المنخفض بكفاءات تحويل كلي أقل بكثير، تقل عن 5 % إلى 10 %. لهذا السبب، تخضع ثنائيات UVB وUVC لتحسين وتطوير تقني مستمرَّين. ونتيجة لذلك، يتعين استبدال أنواع الثنائيات المتاحة بأنواع لاحقة بعد فترة من الزمن.
مقارنة بين ثنائيات UV LED لأشعة UVA وUVB وUVC
مقارنة بثنائيات UV LED الأقدم، تُظهر أحدث ثنائيات UVB وUVC كفاءة أعلى بكثير وأداءً محسَّنًا. غالبًا ما كانت ثنائيات UV LED الأقدم تعاني من درجات حرارة تشغيل مرتفعة وتدهور سريع، وهو ما تحسّن بشكل ملحوظ بفضل أحدث التطورات. يستخدم الجيل الحالي من ثنائيات UVB وUVC تقنيات تبريد متقدمة وبنى محسَّنة لأشباه الموصلات وتوصيلات بصرية محسَّنة لا تطيل العمر التشغيلي فحسب، بل تزيد الكفاءة أيضًا.
لا تحقق ثنائيات UVB وUVC حتى الآن أداء وقدرة إخراج ثنائيات UVA، لكنها تمكنت من تقليص الفجوة بشكل ملحوظ في السنوات الأخيرة.
يتم تصنيع ثنائيات UVB وUVC وكذلك ثنائيات UVA من ركائز مختلفة وباستخدام عمليات نمو فوق شبكي (إبيتاكسي) مختلفة مصمَّمة خصيصًا لتناسب الأطوال الموجية ومتطلبات الأداء المطلوبة. ولاختيار الركيزة وطريقة النمو فوق الشبكي تأثير كبير على كفاءة الثنائيات وأدائها وتكلفتها.
فيما يلي مقارنة تقنية بين ثنائيات UVA LED بأطوال موجية 365 nm و385 nm وثنائيات ذات طول موجي قصير عند 265 nm (UVC) وكذلك 285 nm و295 nm (UVB). يأخذ هذا الجدول في الاعتبار معايير عامة مثل الكفاءة وقدرة الإخراج والعمر التشغيلي والتطبيقات النموذجية.
| المعطيات | UVA LED 365 nm | UVA LED 385 nm | UVC LED 265 nm | UVB LED 285 nm | UVB LED 295 nm |
| الطول الموجي الذروي | 365 nm | 385 nm | 265 nm | 285 nm | 295 nm |
| القدرة الضوئية | من 10 إلى 1000 mW | من 10 إلى 1000 mW | من 1 إلى 30 mW | من 1 إلى 30 mW | من 1 إلى 30 mW |
| الكفاءة (WPE) | من 20 إلى 40% | من 20 إلى 40% | من 5 إلى 15% | من 5 إلى 15% | من 5 إلى 15% |
| العمر التشغيلي | حتى 10,000 h | حتى 10,000 h | حتى 5,000 h | حتى 5,000 h | حتى 5,000 h |
| درجة حرارة التشغيل | من -20 °C إلى +60 °C | من -20 °C إلى +60 °C | من -10 °C إلى +50 °C | من -10 °C إلى +50 °C | من -10 °C إلى +50 °C |
| التطبيقات النموذجية | التصليد، الاختبار | التصليد، الاختبار | التطهير، التعقيم | التطهير، التعقيم | التطهير، التعقيم |
توضيحات:
الطول الموجي الذروي: الطول الموجي الذي يحقق فيه الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED) أعلى انبعاث.
القدرة الضوئية: إجمالي قدرة الضوء المنبعثة من الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED) مقاسة بالميلي واط.
الكفاءة: نسبة القدرة الضوئية المنبعثة إلى القدرة الكهربائية المستهلَكة.
العمر التشغيلي: زمن التشغيل المتوقع للصمام الثنائي الباعث للضوء (LED) حتى النقطة التي ينخفض فيها الناتج إلى نسبة معينة من قيمته الأصلية، وعادةً ما تكون 70% (L70).
درجة حرارة التشغيل: نطاق درجات الحرارة الذي يمكن للصمام الثنائي الباعث للضوء (LED) أن يعمل فيه بأمان وفعالية.
التطبيقات النموذجية: التطبيقات الأكثر شيوعاً للصمامات الثنائية الباعثة للضوء (LED) المحدَّدة.
هذه القيم الواردة في الجدول عامة وقد تختلف بحسب الشركة المصنِّعة والنموذج المحدَّد للصمام الثنائي الباعث للضوء (LED). ومن المهم أيضاً الإشارة إلى أن كفاءة وناتج صمامات UVC الثنائية الباعثة للضوء، وخاصةً عند الأطوال الموجية الأقصر، تكون عادةً أقل من صمامات UVA الثنائية الباعثة للضوء.
في حين أن صمامات UVA الثنائية الباعثة للضوء تحتوي عادةً على نسبة أقل من الألومنيوم في طبقات AlGaN، تتطلب صمامات UVB وUVC الثنائية الباعثة للضوء نسبة أعلى من الألومنيوم لتحقيق أطوال موجية أقصر. ويُعد الترسيب النخيلي (الإبيتاكسي) لصمامات UVB وUVC الثنائية الباعثة للضوء أكثر تعقيداً من الناحية التقنية بسبب نسبة الألومنيوم الأعلى وما يرتبط بها من عيوب بلورية أكبر. وهذا يؤدي إلى تكاليف إنتاج أعلى ومعدلات إنتاج أقل.
بالإضافة إلى ذلك، يتفاوت الطول الموجي المنبعث نتيجة لعملية التصنيع. ولهذا السبب، يتم تصنيف صمامات LED الثنائية الباعثة للأشعة فوق البنفسجية طيفياً بعد الفصل، في عملية تُعرف بالتصنيف (binning). ومن المهم الإشارة إلى أن الطول الموجي قد يتغيّر قليلاً إذا تم استبدال الصمام الثنائي الباعث للضوء بآخر من دفعة مختلفة. أما في المصابيح التقليدية، فإن الانتقالات الذرية وتصادمات الجزيئات هي التي تحدد الانبعاث. ولذلك، لا يتغيّر الانبعاث في المصابيح التقليدية.
مقارنة الأطوال الموجية
يقارن الجدول أعلاه المكوّنات؛ أما الحاسبة أدناه فتقارن الأطوال الموجية نفسها: طاقة الفوتون، والتردد، وقبل كل شيء عدد الفوتونات لكل جول. يوضّح هذا العمود الأخير لماذا لا يمكن نقل إفراج العملية ببساطة من 365 nm إلى 395 nm — فعند نفس الجرعة الإشعاعية، يصل هناك نحو ثمانية بالمئة أكثر من الفوتونات.
تطبيقات مصابيح UVA LED
تُستخدم مصابيح UVA LED بأطوال موجية تتراوح من 315 إلى 400 nm في العديد من المجالات التقنية والعلمية والصناعية، وتؤدي دوراً محورياً في الفحص غير المدمِّر (NDT) وفي العديد من التطبيقات المبتكرة الأخرى.
الفحص غير المدمِّر (NDT): تُعد مصابيح UVA LED أداة مهمة في فحص التألق، وهو مجال فرعي من الفحص غير المدمِّر. تُستخدم لتصوير عيوب السطح أو الاختلافات في المواد من خلال إثارة الأصباغ المتألقة التي توضع على الأجزاء المراد فحصها. تُستخدم هذه الطريقة بشكل شائع في صناعات الطيران والسيارات وتشغيل المعادن لتحديد الشقوق والتراكبات والمسامّ وغيرها من العيوب.
التصليد بالأشعة فوق البنفسجية: من أكثر تطبيقات مصابيح UVA LED شيوعاً هو التصليد بالأشعة فوق البنفسجية للأصباغ واللواصق والطلاءات. تُستخدم هذه التقنية في صناعة الطباعة، وفي تصنيع الإلكترونيات (مثل لصق شاشات الهواتف الذكية). تقدّم مصابيح UVA LED ميزة التصليد السريع والموجّه، وهو ما يقلّل من زمن العملية ويزيد من كفاءة الطاقة.
تُصمَّم الحفّازات الضوئية المستخدمة منذ فترة في التصليد بالأشعة فوق البنفسجية والطباعة بالأشعة فوق البنفسجية خصيصاً للتفاعل مع الأطوال الموجية المقابلة من نوع UVA. ويمكن للتشعيع الإضافي بضوء UVB في المدى من 280 إلى 300 nm أن يحسّن عملية التصليد.
التطبيقات الطبية: في طب الجلدية، تُستخدم مصابيح UVA LED للعلاج الضوئي، خاصةً لعلاج حالات جلدية مثل الصدفية والإكزيما. يمكن للإشعاع من نوع UVA أن يساعد في تقليل الالتهاب وتخفيف أعراض هذه الأمراض.
نمو النبات والبستنة: تؤدي مصابيح UVA LED دوراً في التكنولوجيا الزراعية، خاصةً في الإضاءة الاصطناعية لنمو النبات في البيوت المحمية. يمكن أن تساعد في التحكم في بعض عمليات النمو وزيادة مقاومة النبات للآفات. يتسبّب التشعيع بضوء UVA في تقصير طول النبات.
التطبيقات الجنائية: في علم الأدلة الجنائية، تُستخدم مصابيح UVA LED لتصوير الآثار البيولوجية مثل الدم أو السائل المنوي أو غيرها من السوائل الجسدية. تُستخدم هذه التقنية أيضاً لتحديد الوثائق أو الأوراق النقدية المزوّرة.
التطبيقات التحليلية: في الكيمياء والكيمياء الحيوية، تُستخدم مصابيح UVA LED لتحليل المواد عن طريق التحليل الطيفي التألقي. تتيح هذه الطريقة تحديد تركيب وتركيز المركّبات الكيميائية بدقة.
تطبيقات مصابيح UVB LED
يتزايد استخدام مصابيح UVB LED في الطب لعلاج الأمراض الجلدية مثل الصدفية وتصنيع فيتامين د. وبدلاً من ذلك، استُخدمت مصابيح أو ليزرات الإكسيمر بطول موجي 308 nm في طب الجلدية منذ سنوات عديدة. وتحلّ مصابيح UV LED تدريجياً محل مصابيح الأشعة فوق البنفسجية التقليدية. أما التطبيقات الأخرى فهي:
إنتاج فيتامين د: يُعدّ إشعاع UVB أساسياً للإنتاج الطبيعي لفيتامين د في الجلد أو الغذاء. يُستخدم UVB في الأجهزة لإنتاج فيتامين د أو فيتامين D2 أو بروفيتامين D3. عندما يصل ضوء UVB بطول موجي بين 290 و315 nm إلى الجلد، يتحلّل تركيب الحلقة B لجزيء 7-DHC. تُسمّى هذه العملية بالتحلل الضوئي.
على عكس البشر الذين يصنّعون فيتامين د من خلال تعريض الجلد لإشعاع UVB، لا تُنتج النباتات فيتامين د بالطريقة نفسها. عندما تتعرّض الفطريات وبعض أنواع الطحالب لإشعاع الأشعة فوق البنفسجية، يمكن تحويل الإرغوستيرول الموجود في خلاياها إلى إرغوكالسيفيرول (فيتامين D2) من خلال تفاعل ضوئي تحلّلي مشابه للتفاعل الذي يحدث عند تصنيع فيتامين D3 في جلد الإنسان. يكسر إشعاع UVB روابط معيّنة في جزيء الإرغوستيرول، وهو ما يؤدي إلى تحوّله إلى بروفيتامين D2. وعلى غرار تصنيع فيتامين D3 في البشر، يتحوّل بروفيتامين D2 غير المستقر إلى فيتامين D2 المستقر من خلال تفاعل إيزوميرة يعتمد على الحرارة.
التسمير: في صناعة التجميل، يمكن استخدام مصابيح UVB LED ومصابيح الأشعة فوق البنفسجية في أجهزة التسمير لتحقيق تسمير متساوٍ ومتحكَّم فيه للجلد.
العلاج الضوئي: في العلاج الطبي، يُستخدم UVB للعلاج الضوئي، خاصةً للحالات الجلدية مثل الصدفية والبهاق. يمكن لإشعاع UVB أن يساعد في تسوية نشاط خلايا الجلد المفرط النشاط وتخفيف أعراض هذه الأمراض.
زراعة النبات: تُستخدم مصابيح UVB LED أيضاً في تربية النبات، إذ يؤثر ضوء UVB في النمو وزمن الإزهار والمستقلبات الثانوية للنباتات. يمكن أن يساعد التشعيع بضوء UVB في زيادة إنتاج مكوّنات نباتية معيّنة مثل الفيتامينات والنكهات والأصباغ.
إنتاج THC في نبات القنّب: من التطبيقات المحدَّدة لمصابيح UVB LED تحسين إنتاج THC في نبات القنّب. من المعروف أن إشعاع UVB يزيد من الضغط على النباتات، وهو ما يمكن بالتالي أن يزيد من إنتاج المركّبات النباتية الثانوية مثل THC. يُستخدم هذا بشكل خاص في بيئات زراعة القنّب المشروعة لتحسين فاعلية وجودة النباتات.
فحص المواد: يُستخدم UVB في اختبارات التقادم المتسارع للمواد لمحاكاة الإشعاع الشمسي وتقييم الثبات طويل الأمد للبلاستيك والأصباغ والمواد الأخرى.
تطبيقات مصابيح UVC LED
يجعل التطوّر المستمر لمصابيح UVC LED من حيث الكفاءة والمتانة والتكلفة منها خياراً متزايد الجذب في العديد من المجالات التي كانت تُستخدم فيها تقليدياً مصابيح بخار الزئبق. ولذلك، فإن التطبيقات العامة هي:
التطهير بالأشعة فوق البنفسجية: من أبرز استخدامات UVC هو تطهير المياه والأسطح والهواء. يتميّز إشعاع UVC بفعالية عالية في تعطيل البكتيريا والفيروسات والكائنات الدقيقة الأخرى، إذ يتسبّب بتلف الحمض النووي DNA أو RNA لديها ويمنعها بذلك من التكاثر.
تُستخدم مصابيح UVC LED في أنظمة معالجة المياه المدمجة لإزالة الجراثيم المُمرِضة من مياه الشرب عند نقطة الاستخدام، أي عند الصنبور.
تطهير الأسطح: في المستشفيات والمختبرات وفي تصنيع الأغذية، تُستخدم أجهزة UVC المحمولة أو الثابتة التركيب التي تُصدر إشعاع UVC لتعقيم الأدوات والتغليف وأسطح العمل. وبدلاً من ذلك، تُدمَج مصابيح UVC في أنظمة تكييف الهواء والتهوية لتنظيف الهواء من الجراثيم ومنع انتشار الأمراض.
العناية بالجروح: ستُستخدم مصابيح UVC LED أيضاً في العلاج الطبي والعناية بالجروح في المستقبل، خاصةً لعلاج الجروح والعدوى الصعبة الشفاء. يمكن لتطبيق ضوء UVC على الجروح المصابة بالعدوى أن يمنع نمو مسبّبات الأمراض البكتيرية ويعزّز الشفاء. ومن المهم معايرة جرعة الإشعاع بدقة حتى لا يتضرّر الجلد.
البلمرة الضوئية المباشرة: يندر استخدام مصابيح UVC LED في البلمرة الضوئية: يُمتَصّ إشعاعها في الطبقة العلوية من الراتينج، والقدرة المتاحة أقل بكثير من تلك التي تقدّمها مصابيح UVA LED. أما بالنسبة إلى الطلاءات واللواصق وراتينجات الطباعة ثلاثية الأبعاد، فإن مصابيح UVA LED بأطوال موجية من 365 إلى 405 nm هي المعيار المعتمد.
تطبيقات تحليلية أخرى:
تُستخدم مصابيح UVC LED كمصادر إضاءة في التحليل الطيفي، حيث تُستخدم لتحليل العيّنات الكيميائية والبيولوجية، مثل قياس التألق أو الامتصاصية في مجال الرصد البيئي.
ما هو الطول الموجي المناسب للواصق الأشعة فوق البنفسجية؟
تمتصّ الحفّازات الضوئية فقط ضمن نطاق محدود. فالحفّاز المصمَّم لطول موجي 365 nm يكاد لا يُستثار بمصدر بطول 405 nm - حتى لو كان هذا المصدر أقوى. إن ذروات مصابيح UV LED الصناعية عند 365 و385 و395 و405 nm تمثّل عروضاً كيميائية مختلفة، لا فئات قدرة قابلة للتبادل (UV-int – اختيار الطول الموجي للأشعة فوق البنفسجية؛ ScienceDirect – أنظمة حفّازات ضوئية محدَّدة عند 365 و385 و395 و405 nm). يبدأ الاختيار من ورقة بيانات اللاصق وينتهي بالقياس على المصدر الفعلي. من مصادر الخطأ الشائعة أن رمز النوع يُبيّن الطول الموجي الذروي المعياري، وليس العرض الطيفي عند نصف الحد الأقصى (FWHM) أو تفاوتات التصنيع أو الانحراف مع درجة حرارة الوصلة.
365 أو 385 أو 395 أو 405 nm - المدى الطيفي والتطبيقات
| الطول الموجي | الخصائص | الحفّاز الضوئي النمطي / توافقية المواد | التطبيقات النمطية |
|---|---|---|---|
| 365 nm | أعلى طاقة فوتونية بين الذروات الأربع (3.39 eV)؛ تاريخياً كانت خط i الذروي لمصابيح بخار الزئبق؛ تنحو إلى اختراق أعمق في المواد الشفافة | متوافقة مع الحفّازات الضوئية التقليدية المصمَّمة لمصابيح الزئبق؛ غالباً ما تكون الخيار الأول للاصقات الحالية غير المعدَّلة | مركّبات التصبيب الشفافة السميكة؛ اللصق البصري؛ تحويل عمليات مصابيح الزئبق الحالية إلى LED (UV-int؛ Incure Lab) |
| 385 nm | نسبة متوازنة بين عمق الاختراق والتصليد السطحي (3.22 eV)؛ توافقية واسعة مع كثير من الحفّازات ثنائية التصليد | لواصق أُعيدت صياغتها للتصليد باستخدام LED بمدى بيانات 380-390 nm | قطع بمتطلبات مختلطة بين عمق التصليد وتصليد السطح؛ خطوط تشغّل أنواعاً متعددة من قطع العمل (Incure Lab) |
| 395 nm | معيار صناعي بكفاءة طاقة عالية وعمر تشغيلي طويل لمصابيح LED (3.14 eV)؛ أُعيدت صياغة كثير من تركيبات اللواصق الحديثة إلى 390-400 nm | توافقية واسعة مع المواد؛ تخترق جزئياً المضافات الحاجبة للأشعة فوق البنفسجية التي تبدأ بالنفاذية في المدى القريب من المرئي | التصليد الصناعي العام، تصنيع الإلكترونيات، الطباعة الرقمية، خطوط الإنتاج بمعدلات عالية (UV-int) |
| 405 nm | أدنى طاقة فوتونية بين الذروات الأربع (3.06 eV)؛ أقرب إلى الضوء المرئي؛ تصليد سطحي فعّال، عمق اختراق أقل؛ حمل حراري إضافي أدنى | يمكن استخدام حفّازات ضوئية جذرية حرة بكفاءة منخفضة؛ مدى الصياغة غالباً 400-410 nm | التصليد السطحي، القطع الحساسة للحرارة، راتينجات الطباعة ثلاثية الأبعاد وطب الأسنان، اللواصق الطبية (Incure Lab) |
ملاحظة: يصف الجدول اتجاهات عامة مستمَدّة من الأدبيات التقنية. أما الطول الموجي المناسب لحالة معيّنة فيعتمد على الحفّاز الضوئي المستخدَم فعلياً وعلى نفاذية الجزء المراد لصقه، وينبغي قياسه على التجميع الحقيقي - لا استنتاجه من رمز LED الاسمي.
يُعرض كيفية تصميم وإطلاق عملية لصق أو تصبيب اعتماداً على ذلك تحت تصميم عمليات اللصق والتصبيب بالأشعة فوق البنفسجية؛ ويُغطّى تحديد فئة المواد المناسبة للتطبيق تحت اختيار اللواصق والطلاءات ومركّبات التصبيب المصلَّدة بالأشعة فوق البنفسجية.
الركائز والنمو البلوري (Epitaxy) لمصابيح UV LED:
- مصابيح UVA LED (من 315 nm إلى 400 nm):
يُستخدم الياقوت (أكسيد الألومنيوم) غالباً كركيزة لأنه غير مكلِف ومتوفر بسهولة. كما تُستخدم ركائز أخرى مثل كربيد السيليكون (SiC) أو السيليكون (Si) للاستفادة من الناقلية الحرارية والتوافقية مع تقنيات تصنيع أشباه الموصلات الحالية. تُودَع الطبقة النمائية بواسطة الترسيب الكيميائي البخاري المعدني العضوي (MOCVD) وتتكوّن عادةً من نيتريد الغاليوم الألومنيوم (AlGaN)، حيث يُضبَط محتوى الألومنيوم بحسب الانبعاث المطلوب.
- مصابيح UVB LED (من 280 nm إلى 315 nm) ومصابيح UVC LED (من 100 nm إلى 280 nm)
غالباً ما تُستخدم الركائز نفسها لمصابيح UVB وUVC كما هو الحال في مصابيح UVA LED، لكن متطلبات جودة المادة ونقائها تكون أعلى، خاصةً للأطوال الموجية الأقصر في مدى UVC. وبدلاً من ذلك، تُستخدم أيضاً ركائز أصلية مثل نيتريد الألومنيوم (AlN)، والتي تتيح تطابقاً شبكياً أفضل وبالتالي كثافات عيوب أقل. ويُستخدم AlGaN أيضاً كطبقة نمائية هنا، ولكن بمحتوى ألومنيوم أعلى لتحقيق الأطوال الموجية الأقصر. وتتشكّل الطبقة النمائية أيضاً باستخدام MOCVD، مع الاهتمام الخاص بضبط العيوب وتجانس الطبقة.
الحرارة المُنقولة: ثنائيات LED فوق البنفسجية مقارنةً بمصباح التفريغ
إلى جانب الأشعة فوق البنفسجية القابلة للاستخدام، تُصدر مصابيح الأشعة فوق البنفسجية مكوّناً كبيراً من الأشعة تحت الحمراء، لأن البلازما وغلاف المصباح الساخن يُصدران معظم فقدهما في صورة حرارة. أما مع ثنائيات LED فوق البنفسجية، فإن الفقد يُنقل بالتوصيل إلى المُشتِّت الحراري أو التبريد المائي بدلاً من ذلك، ولا يصل إلى القطعة في صورة إشعاع. ولذلك تكون الحرارة المُنقولة إشعاعياً أقل بكثير.
لكن الأقل لا يعني أنه ضئيل: تصل الوحدات ذات القدرة العالية إلى مستويات من شدة الإشعاع الساقط تبلغ عدة W/cm² على سطح المادة المُشعَّعة – وهي كثافة قدرة من رتبة كثافة قدرة موقد الطبخ. وحتى دون وجود مكوّن من الأشعة تحت الحمراء، ترتفع درجة حرارة القطعة بشكل ملحوظ. ولذلك، بالنسبة للركائز الحساسة للحرارة، يجب أخذ المخطط الزمني للتشعيع بعين الاعتبار إلى جانب الجرعة الإشعاعية، كما ينبغي أن تكون درجة حرارة المكوّن جزءاً من تقييم العملية.
وتتعلق نقطة ثانية بالطرف ذي الطول الموجي الأطول من المدى: فثنائيات LED التي تُصدر إشعاعاً فوق 400 nm هي، من الناحية الدقيقة، ثنائيات LED زرقاء. وهنا يجب تقييم الخطر الضوئي الكيميائي على الشبكية ("خطر الضوء الأزرق"). وتُوصَف الأساسيات في صفحة السلامة المهنية والسلامة الضوئية الحيوية؛ وبالنسبة للعمل المعملي واللصق اليدوي، تُعدّ حجرات تشعيع ثنائيات LED فوق البنفسجية المغلقة الحل الأكثر أماناً.
يمكن رصد شدة الإشعاع الساقط الواصلة فعلياً إلى القطعة أثناء العملية باستخدام أجهزة قياس الأشعة فوق البنفسجية ومقاييس الإشعاع؛ وتُجرى معايرة الأطوال الموجية الفردية لثنائيات LED من قِبل مختبر المعايرة المعتمَد.
تعرض صفحة تقنية القياس لمصابيح LED فوق البنفسجية أجهزة القياس التي تسجّل الطيف وشدة الإشعاع الساقط والتدفق الإشعاعي لمصابيح LED فوق البنفسجية في النطاق من 365 إلى 405 nm.
الأسئلة الشائعة حول قياس أشعة LED فوق البنفسجية
كيف تُقاس أشعة LED فوق البنفسجية النبضية بشكل صحيح؟
التمييز الحاسم هو بين قيمة ذروة النبضة والمتوسط الزمني. الجهاز ذو زمن التكامل الطويل، مثل مقياس الطيف، يُظهر المتوسط، أي قيمة الذروة مضروبة في دورة العمل - وهذا صحيح بالنسبة للجرعة الإشعاعية، لكنه غير صحيح للحكم على شدة الإشعاع الساقط الذروية. لقياس قيمة الذروة يلزم جهاز يقع نطاق تردده أعلى بكثير من تردد النبضات، أو إجراء قياس مُشغَّل (triggered) بتزامن مع النبضة.
ما الكفاءة التي تحققها أشعة LED فوق البنفسجية؟
تربط الكفاءة الإجمالية، المعروفة باسم كفاءة المقبس (wall-plug efficiency)، بين القدرة الإشعاعية الضوئية والقدرة الكهربائية المستهلَكة. تصل أشعة LED من نوع UVA إلى نحو 30 إلى 40 %، بينما تصل أشعة LED الزرقاء بالفعل إلى نحو 80 %. أما أشعة LED في نطاقي UVB وUVC العميق فهي أقل بكثير، عند أقل من 5 إلى 10 %. ويكمن السبب في عملية التصنيع: تتطلب الأطوال الموجية الأقصر نسب ألومنيوم أعلى في طبقات AlGaN، مما يُعقّد عملية النمو البلوري (epitaxy) وينتج عيوباً بلورية أكثر ويقلل من الإنتاجية. لذلك تخضع أشعة LED من نوعي UVB وUVC لتطوير مستمر، ويتم استبدال الأنواع المتوفرة بأنواع خلَف بعد فترة.
ماذا يعني التصنيف (binning) بالنسبة لأشعة LED فوق البنفسجية؟
يتفاوت الطول الموجي المنبعث لأسباب تتعلق بالتصنيع. لذلك، بعد تقطيع الرقائق (wafers)، يتم تجميع رقاقات LED طيفياً - وتُسمى عملية الفرز هذه بالتصنيف (binning). النتيجة العملية: إذا تم استبدال LED بجهاز من دفعة مختلفة، فقد يتحول الطول الموجي المنبعث قليلاً، وعندئذ سيُظهر المستشعر ذو الترجيح ضيق النطاق قيماً مختلفة. لا يحدث هذا مع المصابيح التقليدية، لأن الانبعاث فيها يتحدد بالانتقالات الذرية والتصادمات الجزيئية ولا يتحول عند تغيير المصباح.
كم تدوم أشعة LED فوق البنفسجية؟
تصل أشعة LED من نوع UVA إلى ما يصل إلى 10,000 ساعة تشغيل، بينما تصل أشعة LED من نوعي UVB وUVC إلى ما يصل إلى 5,000 ساعة. وعادة ما يُذكر العمر التشغيلي بمعيار L70، أي زمن التشغيل الذي تنخفض بعده القدرة الإشعاعية إلى 70 % من قيمتها الأولية. كما تختلف درجة حرارة التشغيل المسموح بها: من −20 °C إلى +60 °C بالنسبة لأشعة LED من نوع UVA، ومن −10 °C إلى +50 °C بالنسبة لأشعة LED من نوعي UVB وUVC. ونظراً لأن الناتج ينخفض باستمرار على مدى العمر التشغيلي، يُفضَّل التحكّم في العملية بناءً على الجرعة الإشعاعية على استخدام زمن تعريض ثابت.
أجهزة قياس الأشعة فوق البنفسجية لتقييم المعايير والإرشادات
مقياس الإشعاع RMD Pro
مقياس إشعاع محمول رقمي بالكامل لقياس شدة الإشعاع الساقط والجرعة الإشعاعية، مزوّد بمدخلين للمستشعرات وذاكرة سعتها 8 GB.
المؤلف: د. مارك بارافيا
د. م. مارك بارافيا هو المدير الإداري لشركة Opsytec Dr. Gröbel GmbH في إتلينغن، ويرأس مختبر المعايرة المعتمَد. وبعد أبحاثه حول تفريغات الإكسيمر الوامضة بالزينون في معهد تقنية الإضاءة بجامعة KIT، ينصبّ تركيزه الحالي على تقنية قياس الإشعاع الضوئي. وهو نائب رئيس لجنة المعايير الألمانية DIN FNL 7 «الإشعاع الضوئي»، وعضو في مجموعة مشروع DVGW للتطهير بالأشعة فوق البنفسجية.
