Sender kvarts UV-lys? UV-gennemsigtighed af kvartsglas forklaret

Forestil dig, at du angiver et UV-desinfektionskammer, en fotokemi-reaktor eller en optisk celle til et spektrometer. Et af de første materielle spørgsmål er, om kvarts faktisk vil slippe ultraviolet lys igennem. Svaret betyder noget, fordi almindeligt glas, som er overalt og billigt, stopper mest UV ved vinduet. Sammensmeltet kvarts er derimod et af de få gennemsigtige ingeniørmaterialer, der passerer dyb ultraviolet lys med meget lidt tab. Som producent af kvartsglas, der leverer halvleder-, solcelle-, laboratorie- og optiske kunder, besvarer vi dette spørgsmål næsten hver uge, så denne artikel giver dig det praktiske svar på specifikationsniveau.

Ja: kvarts transmitterer UV-lys. Afhængigt af kvaliteten og tykkelsen passerer kvartsglas omkring 85 til 92 procent af indfaldende UV ved 254 nm, og smeltet silica med høj renhed forbliver transmissivt ned til omkring 185 nm. Den nøjagtige værdi afhænger af materialekvalitet, urenhedsindhold, overfladefinish og vejlængde. I afsnittene nedenfor forklarer vi, hvorfor kvarts opfører sig på denne måde, hvordan de forskellige kvartskvaliteter sammenlignes, hvordan kvarts klarer sig over for borosilikat- og soda-kalkglas, og hvordan du vælger den rigtige UV-transmitterende kvarts til din egen anvendelse.

Sender kvarts UV-lys? Det direkte svar

Det korte svar er ja, og det nyttige ingeniørsvar er også ja, med en karakternotat vedhæftet. Kvartsglas er gennemsigtigt over hele det ultraviolette område, der bruges i industrien: UVA fra 315 til 400 nm, UVB fra 280 til 315 nm og UVC fra 200 til 280 nm. Et standard transparent kvartsrør eller -plade transmitterer mere end 85 procent af UVC-strålingen ved 254 nm, hvorfor kvarts er det specificerede hylstermateriale til bakteriedræbende UV-lamper, UV-vandrensere og UV-reaktorer. Til sammenligning absorberer almindeligt soda-kalkglas UVC næsten fuldstændigt, og selv borosilikatglas bliver uigennemsigtigt under ca. 300 nm.

Når fagfolk i industrien taler om kvarts, der transmitterer UV-lys, mener de normalt smeltet kvarts eller smeltet silica, ikke den krystallinske kvarts, der bruges til bordplader. Sammensmeltet kvarts fremstilles ved at smelte naturligt kvartskrystal eller silicasand til et amorft glas, mens smeltet silica normalt fremstilles af syntetiske prækursorer. Begge former deler den samme grundlæggende kemi, ren siliciumdioxid, hvor forskellene i renhed og fremstillingsrute viser sig hovedsageligt i det dybe UV-område.

Tallene ovenfor antager en ren, poleret overflade og en typisk vægtykkelse på 1 til 10 mm. Tykkere sektioner absorberer mere, hvorfor en 50 mm kvartsstang vil vise lavere UV-transmission end et 1 mm kvartsvindue af samme kvalitet. Overfladefinish har også betydning: en slebet eller frostet overflade spreder en meningsfuld andel af UV, mens en poleret overflade holder reflektionstab tæt på den teoretiske værdi på omkring 3,5 procent pr. overflade.

Hvorfor kvarts transmitterer UV-lys og almindeligt glas ikke

Fysikken bag UV-transmission er faktisk absorptionsfysikken. Ultraviolet lys absorberes af et materiale, når fotonenergien matcher en tilladt elektronisk overgang i materialet. Ren smeltet kvarts har et meget bredt båndgab, cirka 8 til 9 elektronvolt. De mest energiske UV-fotoner, der bruges i praktiske systemer, for eksempel en 200 nm foton bærer omkring 6,2 elektronvolt, har ikke nok energi til at excitere en elektron på tværs af dette hul. Som et resultat er der ingen iboende absorptionsmekanisme for UV-lys i ren silica, og fotonerne passerer simpelthen igennem.

Almindelig vinduesglas er et andet materiale kemisk. Soda-kalkglas indeholder natriumoxid, calciumoxid og normalt flere hundrede ppm jern. Jern, især i sin jernholdige form, er en af ​​de stærkeste ultraviolette absorbere, der kendes; selv nogle få dele pr. million gør glas uigennemsigtigt for UVC. De modificerende ioner bryder også silica-netværket og skaber ikke-brodannende iltatomer, som introducerer lokaliserede energiniveauer. Disse niveauer giver UV-fotoner en vej til at blive absorberet, så glasset blokerer i stedet for at transmittere.

Derfor er renhed det centrale koncept i UV-kvalitets kvarts. Kvartsfremstillingsprocessen kontrollerer tre ting, der bestemmer UV-transmission: niveauet af metalurenheder, koncentrationen af ​​hydroxylgrupper og antallet af iltmangeldefekter. Til dyb-UV-arbejde under 220 nm tilbyder syntetisk smeltet silica fra højrenhedsprækursorer det reneste netværk og den højeste transmission. Flammesmeltet naturlig kvarts, kilden til de fleste kvartsrør og -plader på markedet, har lidt lavere dyb-UV-transmission, fordi den tilbageholder sporstoffer fra den naturlige krystal.

Der er også en praktisk skelnen mellem lav-OH og høj-OH smeltet silica, som købere af UV-systemer bør forstå. Høj-OH eller våd smeltet silica, typisk for JGS1, giver fremragende dyb-UV-transmission og bedre modstand mod UV-induceret skade. Lav-OH eller tørt smeltet silica, typisk for JGS3, blev udviklet til infrarød optik og har reduceret transmission under omkring 260 nm. Til ultraviolette applikationer er høj-OH-kvaliteter næsten altid det sikreste valg.

• Renset SiO2-netværk: ingen modificerende ioner til at absorbere ultraviolet energi.
• Bredt båndgab: UV-fotoner mangler energien til at udløse elektronisk absorption.
• Lave metalurenheder: ingen absorptionsbånd af jern eller overgangsmetal.
• Kontrolleret struktur: minimale iltmangelcentre, der absorberer nær 248 nm og 215 nm.

Kvarts UV-transmission efter kvalitet: JGS1, JGS2, JGS3 og Fused Silica

Ikke al kvarts transmitterer UV lige meget, og en stor del af at specificere en kvartskomponent er at vælge den rigtige kvalitet. Den kinesiske optiske standardklassifikation JGS1, JGS2 og JGS3 er meget udbredt på tværs af industrien og kortlægger tæt på internationale smeltede silicatyper. Bestillingsprincippet er enkelt for køberen: Jo lavere tal, jo bedre dyb-UV-ydelse. JGS1, den syntetiske fjern-UV-kvalitet, transmitterer ned til omkring 185 nm; JGS2, fremstillet af naturlig kvarts, dækker UV-området over ca. 220 nm; og JGS3, en lav-OH infrarød kvalitet, anbefales ikke til dyb-UV-service.

Fordi JGS1 er det foretrukne materiale, når et system skal arbejde ved 185 til 220 nm, er det også den kvalitet, vi anbefaler til krævende UV-applikationer såsom ozonreaktorer, excimer-laseroptik og VUV-spektroskopi. Kombinationen af ​​bred transmission og lav solarisering gør det værd den højere pris, når dyb-UV-ydelse er på spil.

Far UV optisk kvartsglas JGS1 til dybe ultraviolette applikationer Denne syntetiske smeltede silicakvalitet tilbyder transmission i området 185–220 nm med lav solarisering, hvilket gør den velegnet til krævende UV-systemer som excimer-laseroptik og VUV-spektroskopi. Se produkt →

En transmissionskurve fortæller en klarere historie end et enkelt datapunkt. Nedenstående diagram viser intern transmittans som funktion af bølgelængde for tre almindelige materialer ved en tykkelse på 10 mm. De tre kurver dækker UV-kvalitet smeltet silica, standard smeltet kvarts og borosilikatglas fra 180 nm til 400 nm. Man kan se, at materialevalget bliver kritisk under 300 nm. Især den dybe UV-region mellem 180 nm og 220 nm adskiller syntetisk smeltet silica fra hver anden glasfamilie.

Det første, læseren bør bemærke, er, hvor flad kurven for smeltet silica af UV-kvalitet er: den forbliver over 90 procent fra 200 nm hele vejen til 400 nm. Standard smeltet kvarts følger en lignende vej ved længere bølgelængder, men dens transmission begynder at falde mærkbart under 220 nm. Ved 200 nm transmitterer standardkvarts kun omkring 70 procent i en 10 mm bane, mens UV-kvalitet smeltet silica stadig transmitterer mere end 90 procent. Borosilikatglas, vist i den lysegrå kurve, er effektivt uigennemsigtigt under 300 nm. Mellem 310 nm og 330 nm stiger borosilikat hurtigt fra omkring 20 procent til over 60 procent, hvilket matcher dets adfærd som et UVA-transmitterende materiale, der blokerer UVB og UVC. Ved den praktiske bakteriedræbende bølgelængde på 254 nm transmitterer UV-kvalitet smeltet silica og standard kvarts begge stærkt, mens borosilikat transmitterer i det væsentlige nul. Det er præcis derfor kvarts, ikke borosilikat, optræder i væggen på hver kviksølv- og amalgam UV-desinfektionslampe. Til applikationer, der har brug for bølgelængder kortere end 200 nm, såsom ozondannelse ved 185 nm, giver kun højrent syntetisk smeltet silica en nyttig arbejdstransmittans. Kurverne forklarer også, hvorfor skift fra et smeltet silicavindue til et borosilikatvindue i et UV-spektroskopisystem fuldstændig ændrer målingen. Kort fortalt besvarer transmissionsspektret både det videnskabelige spørgsmål og købsspørgsmålet: kvarts transmitterer UV-lys, og den karakter, du vælger, afgør, hvor den praktiske UV-afskæring ligger.

For indkøb i produktionsskala kan en producent levere målte transmissionskurver for hver batch. UV-kvalitet smeltet silica og standard kvarts transmitterer begge UV-lys, og det praktiske spørgsmål er kun, hvor din arbejdsbølgelængde sidder.

Kvarts vs borosilikat vs soda-kalkglas: UV-transmission sammenlignet

En direkte sammenligning ved faste bølgelængder er den hurtigste måde at kommunikere på, hvorfor kvarts er standard UV-materialet. Ved 254 nm, bølgelængden af ​​bakteriedræbende lamper, transmitterer kvarts mere end 80 procent, mens borosilikat og soda-kalkglas stort set intet transmitterer. Ved 302 nm, i UVB-området, transmitterer kvarts stadig omkring 90 procent, og borosilikat begynder først at åbne sig. Ved 365 nm i UVA-området er kvarts stadig førende, men borosilikat bliver anvendeligt, og soda-kalk når omkring 50 procent. Konklusionen er entydig: Jo kortere bølgelængden er, jo mere kvarts trækker frem.

Flere købere spørger os, om det er acceptabelt at bruge borosilikathylstre i et UV-C-system for at reducere omkostningerne. Det målte svar er nej: ved 254 nm ville selve ærmet absorbere næsten al UV-C, så lampen ville opvarme vand eller luft uden at levere en meningsfuld dosis. De eneste materialer, der virker til UVC i industriel praksis, er kvarts, smeltet silica med høj renhed og visse fluorpolymerer såsom PTFE og PFA, og fluorpolymerer har sjældent kvarts strukturelle eller termiske egenskaber. JGS2-plader giver den mest omkostningseffektive kombination af UV-transmission og termisk stabilitet til industrielle kuverter, visningsporte og dæksler.

UV optisk kvartsplade JGS2 til industrielle UV-C konvolutter Uden absorptionsbånd fra 200 til 250 nm giver denne kvartsplade en omkostningseffektiv UV-transmission og termisk stabilitet til lampehylstre, visningsporte og dæksler i ultraviolet-C-systemer. Se produkt →

En spektral kurve er kun en del af historien; købere ønsker også en hurtig sammenligning ved den nøjagtige bølgelængde, som deres proces bruger. Ultraviolet-C lys ved 254 nm er standardoutput af kviksølvbakteriedræbende lamper med lavt tryk, så denne bølgelængde optræder i tusindvis af produktspecifikationer. Skemaet nedenfor sammenligner den målte transmission af seks almindelige materialegrupper ved 1 mm tykkelse. Vi brugte med vilje en tynd, repræsentativ vægtykkelse, fordi de fleste UV-lampehylstre og optiske vinduer er specificeret i intervallet 1 mm til 3 mm. Søjlerne illustrerer, hvor stor afstanden er mellem kvartsprodukter og konventionelle glasprodukter ved denne kritiske bølgelængde.

UV-kvalitet smeltet silica og lav-OH smeltet silica sidder øverst på diagrammet, begge transmitterer omkring 90 procent af indfaldende UVC. JGS2 kvarts sporer lidt med omkring 86 procent, en forskel, der sjældent er synlig i daglig brug, men som kan påvirke lampens effektivitet over tusindvis af driftstimer. Standard smeltede kvartsrør, som er arbejdshestens materiale til kvartshylstre og lampekonvolutter, transmitterer omkring 82 procent i denne tykkelse. Borosilikat- og soda-kalkglas, vist som ubetydelige søjler i bunden, transmitterer stort set ingen UVC ved 254 nm. Den praktiske konsekvens er, at en lampe designet med en borosilikatmuffe aldrig kan levere sin nominelle UVC-dosis, uanset hvor meget strøm der tilføres. Det er også derfor, at optiske sonder og UV-sensorer, der anvendes ved 254 nm, altid specificerer kvartsvinduer i stedet for glasvinduer. En anden nyttig observation er, at spredningen mellem de fire kvartskvaliteter kun er omkring otte procentpoint, hvilket betyder, at selv den mest økonomiske kvartskvalitet stadig er en ægte UV-sender. Når applikationen bevæger sig til kortere bølgelængder, såsom 222 nm kryptonchlorid excimer-lamper, gælder den samme rangering, men afstanden mellem JGS1 og standardkvarts bliver større. Ved 185 nm ville forskellen blive endnu mere dramatisk, og kun de syntetiske smeltede silicakvaliteter ville forblive nyttige. Fra et indkøbssynspunkt er dette skema en god påmindelse om at spørge din leverandør om den faktiske transmissionskurve for den kvalitet, de citerer, fordi ikke al kvarts er ens. En pålidelig producent vil levere målte data for hver produktionsbatch.

For en producents perspektiv er take-away ligetil: Vi leverer alle disse kvaliteter i rør-, stang- og pladeform, og engrosordrer kan blande kvaliteter i én forsendelse. Fordi de optiske forskelle er målbare, anbefaler vi altid at citere med en målbølgelængde.

Industrielle og laboratorieapplikationer, der er afhængige af kvarts UV-transmission

UV-gennemsigtigheden af kvarts er ikke en laboratoriekuriositet; det er det, der får flere milliardindustrier til at fungere. Ved UV-desinfektion lader kvartshylstre og kvartslampekonvolutter en kviksølvlampe udsende UVC til vand, luft og overflader. I halvlederfabrikation bærer kvartsoptik og kvartsvinduer 193 nm og 248 nm laserlys gennem steppere og inspektionsværktøjer. I analytisk kemi tillader kvartskuvetter og kvartskapillærer UV-spektroskopi under 200 nm, som glas ikke kan understøtte. Ved UV-hærdning leverer kvartsstænger og plader UVA- og UVB-energi til klæbemidler, blæk og belægninger uden at blive nedbrudt under kontinuerlig eksponering.

Hver applikation stiller lidt forskellige krav til kvartsen. Desinfektionssystemer har brug for høj UVC-transmission i tyndvæggede rør, plus modstand mod termisk stød, når lampen er varm; halvlederværktøjer har brug for førsteklasses syntetisk smeltet silica med lavt bobleindhold og certificeret ensartethed; UV-hærdningslinjer har brug for store kvartsplader, der kan håndteres, rengøres og udskiftes hurtigt. En fabrik, der producerer kvarts i alle disse former, kan levere enhver af dem fra samme produktionssystem.

Produktet, der kombinerer begge verdener for industrielle købere, er det UV-resistente kvartsrør. Den bruges både som lampehylster i høj-output bakteriedræbende armaturer og som et beskyttende dæksel i UV-hærdningsudstyr, og det skal opretholde en stabil transmission over tusindvis af timer. Doterede versioner tilføjer endnu et kontrollag: ved kemisk at modificere silica-netværket kan doping flytte eller fjerne specifikke UV-bånd, hvilket er nyttigt, når en lampe skal passere visse bølgelængder, mens andre undertrykkes. Til kunder, der har brug for præcisionskvartsvinduer og skueglas til UV-kamre, tilbyder vi polerede vinduer i JGS1, JGS2 og standardkvarts, med tilpassede størrelser og kantfinish. Vores højtemperatur- og ultraviolet-resistente kvartsglasrør er fremstillet til netop denne driftscyklus, med kontrolleret vægtykkelse og målt UVC-transmission.

Højtemperatur- og ultravioletresistente kvartsglasrør Disse SiO₂-rør overstiger 93 % transmittans fra synlig til nær-infrarød, med kontrolleret vægtykkelse og målt UVC-transmission, hvilket gør dem til pålidelige hylstre til bakteriedræbende og hærdende lamper. Se produkt →

Et sidste punkt om egnethed: Hvis din proces bruger UV-lys til at hærde, desinficere, analysere eller fjerne, er kvarts næsten altid den korrekte optiske grænseflade. De få tilfælde, hvor kvarts ikke anbefales, er processer, der er afhængige af bølgelængder under omkring 180 nm, hvor selv syntetisk smeltet silica begynder at miste gennemsigtighed, og processer, der kræver selektiv UV-blokering, hvor doping eller coating frem for almindelig kvarts er det rigtige værktøj.

Sådan vælger du UV-transmitterende kvarts til din applikation

At vælge den rigtige UV-transmitterende kvarts starter med ét tal: den korteste bølgelængde, din proces vil bruge. Det enkelte tal bestemmer karakteren, materialets renhed og normalt prisen. Det andet spørgsmål er vejlængden, fordi et 1 mm vindue og en 50 mm stang transmitterer meget forskelligt selv i samme materiale. Den tredje gruppe spørgsmål dækker driftstemperatur, tryk, kemisk eksponering og mekanisk montering, som alle har indflydelse på det endelige komponentdesign.

Som en nyttig tommelfingerregel: over 300 nm virker de fleste transparente kvartskvaliteter; under 300 nm, angiv et UV-kvalitetsmateriale; under 220 nm, angiv syntetisk smeltet silica. Hvis din leverandør ikke kan fortælle dig den praktiske afskæring af deres kvarts, skal du behandle det som et rødt flag.

Ud over karakteren fortjener fire specifikationsdetaljer opmærksomhed. Vægtykkelse eller vinduestykkelse ændrer både den mekaniske styrke og transmissionen, så optimer den tyndeste sektion, der kan modstå dit procestryk. Overfladekvalitet betyder noget: en finpoleret overflade minimerer spredning, mens en jordoverflade kan reducere den effektive UV-afgivelse med 5 til 15 procent. Kantbehandling og tolerancer betyder noget for tætning i metalliske eller keramiske huse. Anmod endelig om faktiske transmissionsdata ved din arbejdsbølgelængde, ikke kun en typisk kurve fra et dataark.

Fordi vi fremstiller i stedet for kun at videresælge kvarts, kan vi levere UV-produkter med batchspecifikke testcertifikater, brugerdefinerede dimensioner og blandede belastninger til engroskøbere. Den samme fabrik, der laver JGS1 optiske plader, producerer også kvartsrør med stor diameter til UV-reaktorer, så en enkelt leverandør kan dække både optik og proceshardware. Hvis din applikation kræver den modsatte adfærd, dvs. blokering af UV i stedet for at transmittere den, doteret kvartsrør til UV-filtrering er produceret af vores fabrik med kontrolleret spektral ydeevne.

Håndtering, rengøring og vedligeholdelse af UV-kvalitets kvarts

UV-kvalitet kvarts køber sin gennemsigtighed med renhed, hvilket betyder, at overfladeforurening viser sig med det samme i UV-systemer. Et enkelt fingeraftryk indeholder olier, der absorberer stærkt i det ultraviolette lys, og et forurenet kvartsvindue kan måle 10 til 20 procent lavere UVC-transmission end et rent. Absorption ved overfladen opvarmer også kvartsen lokalt, hvilket kan fremskynde afglasning eller revner i højeffektlamper. At holde UV-optiske overflader rene er derfor ikke kosmetisk; det er et præstationskrav.

• Håndter kun kvartskanter med rene nitril- eller fnugfri handsker.
• Rengør med ethanol eller acetone af optisk kvalitet og en fnugfri serviet; gnid forsigtigt og undersøg for striber.
• Ved kraftig forurening skal du bruge en fortyndet flussyreætsning efterfulgt af skylning og tørring med deioniseret vand med passende sikkerhedskontroller.
• Undgå slibende rengøringsmidler; ridser spreder UV-lys og reducerer den afgivne dosis.
• Inspicer lampehylstre og vinduer med jævne mellemrum med et UV-radiometer; udskiftes, når transmissionen falder med mere end 5 til 10 procent.
• Opbevar reservedele af kvarts i beskyttelseshylstre på et rent, tørt sted.

Termisk håndtering fortjener en særskilt note. Kvartsglas har en lav udvidelseskoefficient, cirka en syttendedel af soda-kalkglas, så det modstår termisk stød langt bedre end almindeligt glas. Det betyder ikke, at den er uforgængelig: en kold kvartsmuffe udsat for en varm lampe eller en våd overflade, der rører ved et varmt rør, kan stadig revne. Opvarm nye komponenter gradvist i systemet, hold tætninger jævne og undgå lokal flamme eller hot-spot-kontakt.

På fremstillingssiden udfører vi også kvalitetstjek i samme ånd. Hver UV-kvalitetskomponent inspiceres for overfladekvalitet, måles for transmission ved kundens bølgelængde, når det er påkrævet, og pakkes, så den optiske overflade kommer uberørt frem. Disse trin lyder måske enkle, men det er grunden til, at et kvartsprodukt fra en dedikeret producent klarer sig anderledes end et generisk stykke kvartsglas.

FAQ: Transmitterer kvarts UV-lys?

Her er de spørgsmål, som laboratoriekøbere, anlægsingeniører og indkøbsteam oftest stiller om kvarts og ultraviolet lys.

Udforsk UV-kvalitet kvartsprodukter fra vores fabrik

Vores produktionsprogram dækker UV-transmitterende kvarts i enhver form, et UV-system har brug for: rør til lampehylstre og hylstre, stænger til mekanisk og optisk arbejde, plader og vinduer til udsigtsåbninger og specialtilpasset kvartsvarer til reaktorer og instrumenter. Alle disse produkter kommer fra vores egen kvartsglasfabrik, hvilket betyder, at gennemløbstider, dimensioner og testdata er kontrolleret ét sted.

To produktlinjer er især relevante for ultraviolette købere. Den første er vores udvalg af præcisionskvartsvinduer og -skueglas, som er poleret af UV-kvalitetsmateriale og fås i JGS1, JGS2 og standardkvarts til desinfektion, hærdning og sensorapplikationer. Det andet er doterede kvartsrør til UV-filtrering, som er udviklet til processer, der skal afvise ultraviolet lys i stedet for at passere det, såsom beskyttelse af UV-følsomme materialer i et lyst UV-miljø.

• Præcisionskvartsvinduer og skueglas - polerede UV-kvalitet vinduer til kamre, sensorer og proces viewporte.
• Doteret kvartsrør til UV-filtrering - kvartsrør med kontrolleret UV-blokerende ydeevne.

For hver forespørgsel beder vores team om arbejdsbølgelængden, den nødvendige transmission, dimensionerne og driftsbetingelserne, før de anbefaler en karakter. Denne proces gælder både for et enkelt prototypevindue og for en grossistordre med containerlast. Hvis dit projekt afhænger af ultraviolet lys, er den hurtigste måde at fjerne risikoen på ved at specificere kvartsglas, der er fremstillet, målt og dokumenteret af folk, der forstår UV.