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紫外線波長探索器:定位與比較波長

波長是討論紫外線應用時首先被問到的問題,也是最容易產生誤解之處。254 nm 與 265 nm 相差僅十一奈米,卻來自完全不同的光源;395 nm 與 405 nm 之間的差距更小,然而一個落在 UVA 範圍,另一個已屬於可見光範圍。此探索工具可將任意波長置於 150 至 800 nm 之間,並提供資料表與標準中常見的相關量值。

第二部分將常見波長並列比較。其中值得注意的一欄是每焦耳光子數:這說明了為何某一波長下的製程參數無法直接套用到另一波長。光化學反應是對吸收的光子數起反應,而非對焦耳數起反應——在相同劑量下,405 nm 所提供的光子數比 254 nm 多出約 60 %。

究竟哪個波長才是正確選擇,最終取決於該物質的吸收光譜,而非單純的光子數。至於實際到達的輻照度究竟為多少,則取決於量測結果。Opsytec Dr. Gröbel GmbH 在其自有的認證實驗室中,研發、製造並校正所需的感測器、輻射計與光譜輻射計。

波長、頻率、波數與光子能量之間的換算適用於真空中;在折射率為 n 的介質中,波長與傳播速度會改變,而頻率與光子能量則不會改變。光譜範圍依循 CIE S 017(ILV);先前使用的 DIN 5031-7 已被撤銷。所列出的光源與應用僅為典型範例,並非完整清單;它們無法取代系統設計或風險評估。以已校正的儀器進行量測,才是決定性的依據。

基礎知識

波長、頻率、波數與光子能量從四個不同角度描述同一輻射,且可在不需其他資訊的情況下互相轉換。其關係式為 ν = c / λ、σ = 1 / λ 以及 E = h · c / λ;當波長以奈米(nm)表示時,最後一式可簡化為 E[eV] = 1239.842 / λ[nm]。由於波數(cm⁻¹)與能量成正比,不同於波長,因此在光譜學中常被使用。最後,以 kJ/mol 表示的莫耳光子能量則將輻射與反應焓相關聯,並可判斷該輻射是否足以破壞特定化學鍵。

根據 DIN 5031-7,UVC 範圍為 100 至 280 nm,UVB 範圍為 280 至 315 nm,UVA 範圍為 315 至 400 nm。

範圍波長典型光源
VUV100~200 nm氙準分子燈 172 nm
UVC200~280 nm低壓水銀燈 254 nm、KrCl 222 nm、UVC LED 265 及 280 nm
UVB280~315 nmXeCl 準分子燈 308 nm、UVB 螢光燈管 311 nm
UVA315~400 nmUVA 螢光燈管 340 nm、UVA LED 365 至 395 nm
VIS380~780 nm紫色及藍色 LED,自 405 nm 起

在 380 至 400 nm 之間,UVA 與可見光範圍相互重疊——該標準將此區段同時歸類於兩者。此處的輻射可被感知為淡淡的紫色,但仍被評估為 UVA。這也是為什麼 405 nm 的光源依觀點不同,有時被稱為紫外線光源,有時則被稱為光源。

劑量是指單位面積的能量。將其除以單一光子的能量,即可得到單位面積的光子數量──而這正是光化學與光生物學所反應的對象。由於光子能量會隨波長增加而下降,因此相同劑量在較長波長下會含有更多光子。在 254 nm 時,每焦耳約有 1.28 · 10¹⁸ 個光子;在 405 nm 時約為 2.04 · 10¹⁸ 個。任何將系統從水銀燈轉換為 UVA LED 的人,不僅改變了光譜,也改變了能量與光子數之間的比例。

僅憑波長本身無法說明某項應用是否有效。真正重要的是該物質是否在該波長下吸收:吸收 UVA 的光起始劑會對 365 nm 有反應,但在 254 nm 下幾乎不受影響,儘管該處單個光子帶有更多能量。標示波長也無法取代安全性評估——危險程度取決於作用光譜,而非該波段的名稱。

常見問答

根據 DIN 5031-7:UVC 為 100 至 280 nm,UVB 為 280 至 315 nm,UVA 為 315 至 400 nm。可見光範圍已從 380 nm 開始,因此與 UVA 上限重疊。其他規範體系則將 UVA 與可見光的界線定於 400 nm — 在邊界情況下,值得確認所採用的是哪一項標準。詳情請見 光譜範圍與標準。

透過 E[eV] = 1239.842 / λ[nm]。254 nm 得出 4.88 eV,365 nm 得出 3.40 eV,405 nm 得出 3.06 eV。此數值為普朗克常數與光速的乘積除以基本電荷所得。

波數 σ = 1/λ,單位為 cm⁻¹,與能量成正比。因此在光譜學中,譜帶間的距離通常以波數而非奈米表示:4670 cm⁻¹ 的間隔在任何位置代表相同的能量差,而 75 nm 的間隔則不然。

254 nm 是低壓水銀燈管的共振譜線 — 這是一條來自非常高效光源的極窄譜線。265 nm 更接近 DNA 的吸收峰值,由 UVC LED 產生,其頻寬通常為 10 至 12 nm。因此,要達到相同的殺菌效果需要不同的劑量;在兩者之間換算須參考作用光譜。

未經測試前不可以。光起始劑必須在新波長下具有吸收能力,且每焦耳的光子數量也會隨之改變。實務上必須在工件所在位置重新進行劑量量測,重新完成製程放行程序。相關計算請參閱 UV 劑量計算器。

在 200 nm 以下使用配備氮氣吹掃的 VUV 感測器;在 UVC 波段使用光譜加權感測器──符合 DVGW 標準,適用於消毒系統;在 UVA 波段使用 UVA 感測器或搭配相應探頭的輻射計;在可見光波段使用光度計或光譜輻射計。探索工具會為每個波長指出相應的解決方案;其背後的物理量則說明於 輻射度量學物理量 中。

作者:Dr. Mark Paravia

Dr.-Ing. Mark Paravia 是位於 Ettlingen 的 Opsytec Dr. Gröbel GmbH 的總經理,並負責領導該公司通過認證的校正實驗室。在 KIT 照明技術研究所完成關於脈衝氙氣激發子放電的研究後,他目前的重點在於光學輻射量測技術。他同時擔任 DIN 標準委員會 FNL 7「光學輻射」的副主席,並為 DVGW 紫外線消毒專案小組的成員。