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紫外波长浏览器:定位与对比波长

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。

波长、频率、波数和光子能量之间的换算适用于真空环境;在折射率为n的介质中,波长和传播速度会发生变化,而频率和光子能量则保持不变。光谱范围依据CIE S 017(ILV)标准;此前使用的DIN 5031-7标准已被撤回。所列出的光源和应用仅为典型示例,并非详尽清单;它们既不能替代系统设计,也不能替代风险评估。真正重要的是使用已校准仪器进行的测量。

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
VUV100–200 nm172 nm氙准分子灯
UVC200–280 nm254 nm低压水银灯、222 nm KrCl灯、265和280 nm UVC LED
UVB280–315 nm308 nm XeCl准分子灯、311 nm UVB荧光灯
UVA315–400 nm340 nm UVA荧光灯、365至395 nm UVA LED
VIS380–780 nm405 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。

作者:Dr. Mark Paravia

Dr.-Ing. Mark Paravia是位于Ettlingen的Opsytec Dr. Gröbel GmbH的董事总经理,并负责领导已获认可的校准实验室。在KIT照明技术研究所完成脉冲氙准分子放电研究后,他目前专注于光学辐射测量技术。他担任DIN标准委员会FNL 7「光学辐射」的副主席,并且是DVGW紫外线消毒项目组的成员。