波长是每个紫外应用中最先被问到的问题,也是最容易产生误解的地方。254 nm 和 265 nm 相差仅十一纳米,却来自完全不同的光源;395 nm 和 405 nm 之间的差距更小,但一个属于UVA范围,另一个已进入可见光范围。此工具可定位150~800 nm之间的任意波长,并给出数据表和标准中出现的相关参数。
第二部分将常见波长并列比较。其中最值得关注的一列是每焦耳光子数:它说明了为什么工艺参数不能简单地从一个波长套用到另一个波长。光化学反应响应的是被吸收的光子数量,而非焦耳数——在相同剂量下,405 nm 提供的光子数比254 nm 多约60%。
究竟哪个波长才是正确的,最终取决于物质的吸收光谱,而不仅仅是光子数量。而实际到达的辐照度究竟有多少,则取决于测量本身。Opsytec Dr. Gröbel 在自有的认可实验室中研发、生产并校准所需的传感器、辐射计和光谱辐射计。
基础知识
波长、频率、波数和光子能量从四个不同角度描述同一辐射,彼此之间无需其他信息即可相互换算。其关系式为 ν = c / λ、σ = 1 / λ 和 E = h · c / λ;当波长以纳米为单位时,最后一式可简化为 E[eV] = 1239.842 / λ[nm]。以 cm⁻¹ 为单位的波数在光谱学中较为常用,因为它与能量成正比,而波长则不然。最后,以 kJ/mol 为单位的摩尔光子能量将辐射与反应焓联系起来,用以判断该辐射是否能够断裂特定化学键。
根据DIN 5031-7标准,UVC的波长范围为100~280 nm,UVB为280~315 nm,UVA为315~400 nm。
| 范围 | 波长 | 典型光源 |
|---|---|---|
| VUV | 100–200 nm | 172 nm氙准分子灯 |
| UVC | 200–280 nm | 254 nm低压水银灯、222 nm KrCl灯、265和280 nm UVC LED |
| UVB | 280–315 nm | 308 nm XeCl准分子灯、311 nm UVB荧光灯 |
| UVA | 315–400 nm | 340 nm UVA荧光灯、365至395 nm UVA LED |
| VIS | 380–780 nm | 405 nm起的紫光和蓝光LED |
在380至400 nm之间,UVA与可见光范围存在重叠——标准将该区段同时归入两者。此处的辐射可被感知为微弱的紫色,但仍被归类为UVA。这也是为什么405 nm光源根据不同的观察角度,有时被称为紫外光源,有时被称为可见光光源。
剂量是单位面积上的能量。将其除以单个光子的能量,就得到单位面积上的光子数量——这正是光化学和光生物学所响应的量。由于光子能量随波长增加而降低,因此在较长波长下,相同剂量所包含的光子数量更多。在254 nm处,每焦耳约有1.28 · 10¹⁸个光子,而在405 nm处约为2.04 · 10¹⁸个。任何将系统从水银灯转换为UVA LED的人,不仅改变了光谱,也改变了能量与光子数之比。
仅凭波长并不能说明某项应用是否可行。关键在于该物质是否在该波长下吸收:某种在UVA范围内吸收的光引发剂在365 nm下有响应,而在254 nm下基本不受影响,尽管该波长下单个光子携带的能量更高。同样,标注波长也不能替代安全评估——危害程度取决于作用光谱,而非波段的名称。
常见问题
根据 DIN 5031-7:UVC 为 100~280 nm,UVB 为 280~315 nm,UVA 为 315~400 nm。可见光范围已从 380 nm 开始,因此与 UVA 的上限存在重叠。其他标准体系将 UVA 与可见光的分界定在 400 nm——在边界情况下,值得核实所采用的是哪一项标准。更多内容请参见光谱范围与标准。
通过E[eV] = 1239.842 / λ[nm]。254 nm对应4.88 eV,365 nm对应3.40 eV,405 nm对应3.06 eV。该数值为普朗克常数与光速的乘积除以元电荷所得。
波数σ = 1/λ,以cm⁻¹表示,与能量成正比。因此在光谱学中,谱带之间的间距通常以波数而非纳米表示:4670 cm⁻¹的间隔在任何位置都代表相同的能量差,而75 nm的间隔则不然。
254 nm是低压汞灯的谐振线——来自高效光源的极窄谱线。265 nm更接近DNA的吸收峰值,由UVC LED产生,其带宽通常为10~12 nm。因此,要达到相同的杀菌效果,需要不同的剂量;两者之间的换算需要借助作用光谱。
未经测试不可直接切换。光引发剂必须在新波长下具有吸收,且每焦耳的光子数也会随之改变。实际操作中,必须在工件所在位置重新进行剂量测量,并重新完成工艺放行。相关计算见紫外剂量计算器。
200 nm以下使用带氮气吹扫的VUV传感器;UVC波段使用光谱加权传感器——符合DVGW标准,适用于消毒系统;UVA波段使用UVA传感器或配备相应探头的辐射计;可见光波段使用光度计或光谱辐射计。探索工具会为每个波长指定相应的解决方案;其背后的物理量说明详见辐射度量。