Пропускает ли кварц ультрафиолетовый свет? Объяснение УФ-прозрачности кварцевого стекла

Представьте, что вы выбираете камеру УФ-дезинфекции, фотохимический реактор или оптическую ячейку для спектрометра. Один из первых существенных вопросов заключается в том, действительно ли кварц пропускает ультрафиолет. Ответ важен, потому что обычное стекло, которое есть везде и дешевое, задерживает большую часть ультрафиолета на окнах. Плавленый кварц, напротив, является одним из немногих прозрачных технических материалов, которые пропускают глубокий ультрафиолет с очень небольшими потерями. Как производитель кварцевого стекла, поставляющий полупроводниковые, фотоэлектрические, лабораторные и оптические устройства, мы отвечаем на этот вопрос почти каждую неделю, поэтому эта статья дает вам практический ответ на уровне технических характеристик.

Да: кварц пропускает ультрафиолет. В зависимости от марки и толщины кварцевое стекло пропускает примерно от 85 до 92 процентов падающего УФ-излучения с длиной волны 254 нм, а плавленый кварц высокой чистоты остается пропускающим примерно до 185 нм. Точное значение зависит от марки материала, содержания примесей, качества поверхности и длины пути. В разделах ниже мы объясним, почему кварц ведет себя таким образом, как сравниваются различные сорта кварца, как кварц ведет себя по отношению к боросиликатному и натриево-известковому стеклу и как выбрать правильный кварц, пропускающий УФ-излучение, для вашего собственного применения.

Пропускает ли кварц ультрафиолетовый свет? Прямой ответ

Короткий ответ — да, и полезный инженерный ответ — тоже да, с приложенной оценкой. Кварцевое стекло прозрачно во всем диапазоне ультрафиолета, используемом в промышленности: УФА от 315 до 400 нм, УФБ от 280 до 315 нм и УФС от 200 до 280 нм. Стандартная прозрачная кварцевая трубка или пластина пропускает более 85 процентов УФ-излучения с длиной волны 254 нм, поэтому кварц является рекомендуемым материалом оболочки для бактерицидных УФ-ламп, УФ-очистителей воды и УФ-реакторов. Обычное натриево-известковое стекло, напротив, почти полностью поглощает УФ-излучение, и даже боросиликатное стекло становится непрозрачным при длине волны примерно 300 нм.

Когда специалисты отрасли говорят о кварце, пропускающем ультрафиолетовый свет, они обычно имеют в виду плавленый кварц или плавленый кварц, а не кристаллический кварц, используемый для столешниц. Плавленый кварц получают путем плавления кристаллов природного кварца или кварцевого песка в аморфное стекло, тогда как плавленый кварц обычно изготавливают из синтетических предшественников. Обе формы имеют один и тот же фундаментальный химический состав — чистый диоксид кремния, причем различия в чистоте и способе производства проявляются в основном в глубоком УФ-диапазоне.

Приведенные выше цифры предполагают чистую, полированную поверхность и типичную толщину стенок от 1 до 10 мм. Более толстые секции поглощают больше, поэтому кварцевый стержень диаметром 50 мм будет показывать меньшее пропускание УФ-излучения, чем кварцевое окно толщиной 1 мм того же класса. Отделка поверхности также имеет значение: шлифованная или матовая поверхность рассеивает значительную долю УФ-излучения, в то время как полированная поверхность сохраняет потери на отражение близкими к теоретическому значению, составляющему около 3,5 процентов на поверхность.

Почему кварц пропускает ультрафиолет, а обычное стекло — нет

Физика передачи УФ-излучения на самом деле является физикой поглощения. Ультрафиолетовый свет поглощается материалом, когда энергия фотонов соответствует разрешенному электронному переходу в материале. Чистый плавленый кварц имеет очень широкую запрещенную зону, примерно от 8 до 9 электронвольт. Наиболее энергичные УФ-фотоны, используемые в практических системах (например, фотон с длиной волны 200 нм, несущий около 6,2 электронвольта), не имеют достаточно энергии, чтобы возбудить электрон через этот зазор. В результате в чистом кремнеземе нет внутреннего механизма поглощения УФ-излучения, и фотоны просто проходят сквозь него.

Обычное оконное стекло по химическому составу представляет собой другой материал. Натриево-известковое стекло содержит оксид натрия, оксид кальция и обычно несколько сотен частей на миллион железа. Железо, особенно в его трехвалентной форме, является одним из самых сильных известных поглотителей ультрафиолета; даже несколько частей на миллион делают стекло непрозрачным для UVC. Ионы-модификаторы также разрушают сетку кремнезема и создают немостиковые атомы кислорода, которые создают локализованные энергетические уровни. Эти уровни дают УФ-фотонам путь для поглощения, поэтому стекло скорее блокирует, чем пропускает.

Вот почему чистота является центральной концепцией кварца УФ-класса. Процесс производства кварца контролирует три вещи, определяющие пропускание УФ-излучения: уровень примесей металлов, концентрацию гидроксильных групп и количество дефектов, связанных с дефицитом кислорода. Для работы в глубоком УФ-излучении ниже 220 нм синтетический плавленый кварц из прекурсоров высокой чистоты обеспечивает самую чистую сеть и самую высокую передачу. Плавленый природный кварц, источник большинства кварцевых трубок и пластин на рынке, имеет немного меньшую передачу глубокого УФ-излучения, поскольку сохраняет микроэлементы из природного кристалла.

Существует также практическое различие между плавленым кварцем с низким и высоким содержанием ОН, которое должны понимать покупатели УФ-систем. Высоко-ОН или влажный плавленый кварц, типичный для JGS1, обеспечивает отличную передачу глубокого УФ-излучения и лучшую устойчивость к повреждениям, вызванным УФ-излучением. Низко-ОН или сухой плавленый кварц, типичный для JGS3, был разработан для инфракрасной оптики и имеет пониженное пропускание ниже примерно 260 нм. Для ультрафиолетовых применений марки с высоким содержанием ОН почти всегда являются более безопасным выбором.

• Очищенная сетка SiO2: отсутствие ионов-модификаторов, поглощающих ультрафиолетовую энергию.
• Широкая запрещенная зона: УФ-фотонам не хватает энергии, чтобы вызвать электронное поглощение.
• Низкое содержание примесей металлов: нет полос поглощения железа или переходных металлов.
• Контролируемая структура: минимальные центры кислородного дефицита, поглощающие волны вблизи 248 и 215 нм.

Пропускание УФ-излучения кварца по маркам: JGS1, JGS2, JGS3 и плавленый кварц.

Не весь кварц одинаково пропускает УФ-излучение, и большая часть выбора кварцевого компонента связана с выбором правильной марки. Классификация китайских оптических стандартов JGS1, JGS2 и JGS3 широко используется в отрасли и близко соответствует международным типам плавленого кварца. Принцип заказа прост для покупателя: чем меньше число, тем лучше эффективность глубокого УФ-излучения. JGS1, синтетический сорт для дальнего УФ-излучения, пропускает волны примерно до 185 нм; JGS2, изготовленный из природного кварца, охватывает УФ-диапазон примерно выше 220 нм; и JGS3, инфракрасный класс с низким содержанием OH, не рекомендуется для работы в условиях глубокого УФ-излучения.

Поскольку JGS1 является предпочтительным материалом, когда система должна работать на длине волны от 185 до 220 нм, мы также рекомендуем его для требовательных УФ-приложений, таких как озоновые реакторы, оптика эксимерных лазеров и ВУФ-спектроскопия. Сочетание широкого пропускания и низкой солнечной радиации оправдывает более высокую цену, когда на кону стоят характеристики глубокого УФ-излучения.

Оптическое кварцевое стекло JGS1 для дальнего УФ-излучения для работы в глубоком ультрафиолете Этот синтетический кварцевый сплав обеспечивает передачу в диапазоне 185–220 нм с низкой соляризацией, что делает его подходящим для требовательных УФ-систем, таких как эксимерлазерная оптика и ВУФ-спектроскопия. Посмотреть продукт →

Кривая передачи рассказывает более ясную историю, чем одна точка данных. На приведенной ниже диаграмме показано внутреннее пропускание как функция длины волны для трех распространенных материалов толщиной 10 мм. Три кривые охватывают плавленый кварц УФ-класса, стандартный плавленый кварц и боросиликатное стекло от 180 до 400 нм. Вы можете видеть, что выбор материала становится критическим при длине волны ниже 300 нм. В частности, область глубокого УФ-излучения между 180 и 220 нм отличает синтетический кварцевый кварц от любого другого семейства стекол.

Первое, что должен заметить читатель, это то, насколько ровной является кривая плавленого кварца для УФ-излучения: она остается выше 90 процентов от 200 нм до 400 нм. Стандартный плавленый кварц следует аналогичным путем на более длинных волнах, но его пропускание начинает заметно падать ниже 220 нм. При длине волны 200 нм стандартный кварц пропускает только около 70 процентов на пути длиной 10 мм, тогда как кварцевый кварц, предназначенный для УФ-излучения, по-прежнему пропускает более 90 процентов. Боросиликатное стекло, показанное светло-серой кривой, фактически непрозрачно при длине волны ниже 300 нм. Между 310 и 330 нм содержание боросиликата быстро возрастает примерно с 20 процентов до более 60 процентов, что соответствует его поведению как материала, передающего UVA, который блокирует UVB и UVC. При практической бактерицидной длине волны 254 нм кварцевый кварц и стандартный кварц обеспечивают сильное пропускание, тогда как боросиликат практически нулевое пропускание. Именно поэтому в стенке каждой ртутно-амальгамной УФ-дезинфицирующей лампы появляется кварц, а не боросиликат. Для применений, требующих длины волн короче 200 нм, таких как генерация озона при длине волны 185 нм, только синтетический плавленый кварц высокой чистоты обеспечивает полезный рабочий коэффициент пропускания. Кривые также объясняют, почему переключение с окна из плавленого кварца на окно из боросиликата в системе УФ-спектроскопии полностью меняет результаты измерения. Короче говоря, спектр пропускания отвечает как на научный вопрос, так и на вопрос о покупке: кварц пропускает УФ-излучение, и выбранный вами сорт решает, где находится практическая граница УФ-излучения.

Для закупок в промышленных масштабах производитель может предоставить измеренные кривые передачи для каждой партии. Плавленый кварц УФ-класса и стандартный кварц пропускают УФ-свет, и практический вопрос заключается только в том, где находится ваша рабочая длина волны.

Кварц, боросиликатное и натриево-известковое стекло: сравнение пропускания УФ-излучения

Прямое сравнение на фиксированных длинах волн — самый быстрый способ понять, почему кварц является УФ-материалом по умолчанию. При длине волны бактерицидных ламп 254 нм кварц пропускает более 80 процентов, тогда как боросиликатное и натриево-известковое стекло практически ничего не пропускают. При длине волны 302 нм, в диапазоне UVB, кварц все еще пропускает около 90 процентов, а боросиликат только начинает раскрываться. При длине волны 365 нм, в диапазоне UVA, кварц по-прежнему лидирует, но боросиликат становится пригодным для использования, а натронная известь достигает примерно 50 процентов. Вывод однозначный: чем короче длина волны, тем больше кварц вырывается вперед.

Некоторые покупатели спрашивают нас, допустимо ли использование боросиликатных гильз в системе УФ-С для снижения затрат. Измеренный ответ — нет: при длине волны 254 нм сама гильза будет поглощать почти весь УФ-С, поэтому лампа будет нагревать воду или воздух, не передавая значимой дозы. Единственными материалами, которые работают для УФ-излучения в промышленной практике, являются кварц, плавленый кварц высокой чистоты и некоторые фторполимеры, такие как ПТФЭ и ПФА, а фторполимеры редко обладают структурными или термическими свойствами кварца. Пластины JGS2 обеспечивают наиболее экономичное сочетание УФ-передачи и термической устойчивости для промышленных конвертов, обзорных окон и обложек.

УФ-оптическая кварцевая пластина JGS2 для промышленных конвертов UV-C Не имея полосы поглощения от 200 до 250 нм, эта кварцевая пластина обеспечивает экономичное пропускание УФ-излучения и термическую стабильность корпусов ламп, иллюминаторов и крышек в системах ультрафиолетового излучения. Посмотреть продукт →

Спектральная кривая — это только часть истории; покупатели также хотят быстро сравнить длину волны, на которой используется их процесс. Ультрафиолетовый свет C с длиной волны 254 нм является стандартным излучением ртутных бактерицидных ламп низкого давления, поэтому эта длина волны указана в тысячах спецификаций продукции. В приведенной ниже таблице сравниваются измеренные значения пропускания шести распространенных групп материалов при толщине 1 мм. Мы намеренно использовали тонкую, репрезентативную толщину стенок, поскольку большинство гильз УФ-ламп и оптических окон имеют толщину от 1 до 3 мм. Столбики показывают, насколько велик разрыв между изделиями из кварца и изделиями из обычного стекла на этой критической длине волны.

Плавленый кварц УФ-класса и плавленый кварц с низким содержанием ОН находятся в верхней части таблицы, оба пропускают около 90 процентов падающего УФ-излучения. Кварц JGS2 немного отстает, примерно на 86 процентов, разница, которая редко заметна при повседневном использовании, но может повлиять на эффективность лампы в течение тысяч часов работы. Стандартные трубки из плавленого кварца, которые являются основным материалом для кварцевых гильз и колпаков ламп, пропускают около 82 процентов при такой толщине. Боросиликатное и натриево-известковое стекло, показанное в виде незначительных полосок внизу, практически не пропускает УФ-излучение при длине волны 254 нм. Практическим следствием является то, что лампа с боросиликатным корпусом никогда не сможет обеспечить номинальную дозу УФ-излучения, независимо от того, какая мощность прилагается. Именно поэтому в оптических зондах и УФ-датчиках, используемых при длине волны 254 нм, вместо стеклянных окон всегда используются кварцевые окна. Еще одно полезное наблюдение заключается в том, что разница между четырьмя сортами кварца составляет всего около восьми процентных пунктов, а это означает, что даже самый экономичный сорт кварца по-прежнему остается настоящим УФ-передатчиком. Когда приложение переходит на более короткие длины волн, такие как эксимерные лампы на основе криптона с длиной волны 222 нм, рейтинг сохраняется, но разрыв между JGS1 и стандартным кварцем увеличивается. При длине волны 185 нм разница станет еще более существенной, и только синтетические сорта кварца останутся полезными. С точки зрения поиска, эта диаграмма является хорошим напоминанием о том, что вам следует узнать у вашего поставщика фактическую кривую передачи того сорта, который он предлагает, потому что не весь кварц одинаков. Надежный производитель предоставит данные измерений для каждой производственной партии.

С точки зрения производителя вывод прост: мы поставляем все эти сорта в форме труб, стержней и пластин, а при оптовых заказах можно смешивать сорта в одной поставке. Поскольку оптические различия измеримы, мы всегда рекомендуем указывать целевую длину волны.

Промышленные и лабораторные применения, основанные на пропускании кварцевого УФ-излучения

УФ-прозрачность кварца не является лабораторной диковинкой; именно это заставляет работать несколько отраслей с оборотом в миллиарды долларов. При УФ-дезинфекции кварцевые гильзы и кожухи кварцевых ламп позволяют ртутной лампе излучать УФ-излучение в воду, воздух и поверхности. При производстве полупроводников кварцевая оптика и кварцевые окна пропускают лазерный свет с длиной волны 193 нм и 248 нм через шаговые устройства и инструменты контроля. В аналитической химии кварцевые кюветы и кварцевые капилляры позволяют проводить УФ-спектроскопию с длиной волны ниже 200 нм, которую стекло не поддерживает. При УФ-отверждении кварцевые стержни и пластины передают энергию UVA и UVB клеям, чернилам и покрытиям, не разрушаясь при постоянном воздействии.

Каждое применение предъявляет к кварцу немного разные требования. Системы дезинфекции требуют высокой передачи УФ-излучения в тонкостенных трубках, а также устойчивости к тепловому удару, когда лампа горячая; полупроводниковые инструменты нуждаются в синтетическом кварце премиум-класса с низким содержанием пузырьков и сертифицированной однородностью; Линии УФ-отверждения требуют больших кварцевых пластин, с которыми можно обращаться, чистить и быстро заменять. Завод, производящий кварц во всех этих формах, может поставлять любой из них из одной и той же производственной системы.

Продукт, который объединяет оба мира для промышленных покупателей, — это кварцевая трубка, устойчивая к ультрафиолетовому излучению. Он используется как в качестве колбы лампы в мощных бактерицидных светильниках, так и в качестве защитного покрытия в оборудовании для УФ-отверждения, и он должен поддерживать стабильное пропускание в течение тысяч часов. Легированные версии добавляют еще один уровень контроля: путем химической модификации кварцевой сетки легирование может сместить или устранить определенные УФ-диапазоны, что полезно, когда лампе необходимо пропускать определенные длины волн, подавляя при этом другие. Для клиентов, которым нужны прецизионные кварцевые окна и смотровые стекла для УФ-камер, мы предлагаем полированные окна из JGS1, JGS2 и стандартного кварца с индивидуальными размерами и отделкой кромок. Наши трубки из кварцевого стекла, устойчивые к высоким температурам и ультрафиолету, производятся именно для этого рабочего цикла, с контролируемой толщиной стенок и измеренным пропусканием УФ-излучения.

Трубки из кварцевого стекла, устойчивые к высоким температурам и ультрафиолету Эти трубки SiO₂ имеют коэффициент пропускания от видимого до ближнего инфракрасного диапазона, превышающий 93%, с контролируемой толщиной стенок и измеренным пропусканием УФ-излучения, что делает их надежными оболочками для бактерицидных и полимеризирующих ламп. Посмотреть продукт →

И последнее, что касается пригодности: если в вашем процессе используется УФ-излучение для отверждения, дезинфекции, анализа или абляции, кварц почти всегда является подходящим оптическим интерфейсом. Немногие случаи, когда использование кварца не рекомендуется, — это процессы, в которых используются длины волн ниже 180 нм, когда даже синтетический плавленый кварц начинает терять прозрачность, и процессы, требующие селективной блокировки УФ-излучения, где подходящим инструментом является легирование или покрытие, а не простой кварц.

Как выбрать кварц, пропускающий УФ-излучение, для вашего применения

Выбор подходящего кварца, пропускающего УФ-излучение, начинается с одного числа: самая короткая длина волны, которая будет использоваться в вашем процессе. Это единственное число определяет сорт, чистоту материала и, как правило, цену. Второй вопрос — длина пути, потому что окно диаметром 1 мм и стержень диаметром 50 мм передают совсем по-разному даже в одном и том же материале. Третья группа вопросов касается рабочей температуры, давления, химического воздействия и механического монтажа, которые влияют на окончательную конструкцию компонента.

Полезное практическое правило: при длине волны более 300 нм работают большинство прозрачных марок кварца; ниже 300 нм укажите материал, устойчивый к УФ-излучению; ниже 220 нм укажите синтетический кварцевый кварц. Если ваш поставщик не может сообщить вам практическую отсечку своего кварца, воспринимайте это как красный флаг.

Помимо класса, внимания заслуживают четыре детали спецификации. Толщина стенки или окна изменяет как механическую прочность, так и передачу, поэтому оптимизируйте самую тонкую секцию, которая может выдержать технологическое давление. Качество поверхности имеет значение: полированная поверхность сводит к минимуму рассеяние, а шлифованная поверхность может снизить эффективное воздействие УФ-излучения на 5–15 процентов. Обработка кромок и допуски имеют значение для герметизации металлических или керамических корпусов. Наконец, запросите фактические данные передачи на вашей рабочей длине волны, а не просто типичную кривую из таблицы данных.

Поскольку мы производим, а не только перепродаем кварц, мы можем поставлять продукцию УФ-класса с сертификатами испытаний для конкретной партии, нестандартными размерами и смешанной загрузкой для оптовых покупателей. Тот же завод, который производит оптические пластины JGS1, также производит кварцевые трубки большого диаметра для УФ-реакторов, поэтому один поставщик может поставлять как оптику, так и технологическое оборудование. Если ваше приложение требует противоположного поведения, то есть блокирования UV вместо его передачи, трубка из легированного кварца для УФ-фильтрации производится нашим заводом с контролируемыми спектральными характеристиками.

Обращение, очистка и уход за кварцем, устойчивым к УФ-излучению

Кварц УФ-класса приобретает прозрачность благодаря чистоте, а это означает, что загрязнение поверхности сразу же проявляется в УФ-системах. Один отпечаток пальца содержит масла, которые сильно поглощают ультрафиолет, а загрязненное кварцевое окно может измерять на 10–20 процентов меньшую передачу ультрафиолета, чем чистое. Поглощение на поверхности также локально нагревает кварц, что может ускорить расстекловывание или растрескивание в мощных лампах. Поэтому поддержание чистоты УФ-оптических поверхностей не является косметическим; это требование производительности.

• Обращайтесь только с кварцевыми краями в чистых нитриловых или безворсовых перчатках.
• Очистите оптический этанол или ацетон и протрите безворсовой салфеткой; Аккуратно потрите и проверьте на наличие полос.
• При сильном загрязнении используйте для травления разбавленную плавиковую кислоту с последующей промывкой деионизированной водой и сушкой, соблюдая надлежащие меры безопасности.
• Избегайте абразивных чистящих средств; царапины рассеивают ультрафиолетовый свет и уменьшают доставляемую дозу.
• Периодически осматривайте корпуса ламп и окна с помощью УФ-радиометра; замените, когда передача упадет более чем на 5–10 процентов.
• Храните запасные кварцевые детали в защитных чехлах в чистом и сухом месте.

Отдельного упоминания заслуживает термическая обработка. Кварцевое стекло имеет низкий коэффициент расширения, примерно в одну семнадцатую часть от натриево-известкового стекла, поэтому оно гораздо лучше противостоит тепловому удару, чем обычное стекло. Это не значит, что он неразрушим: холодная кварцевая гильза, подвергнутая воздействию горячей лампы, или влажная поверхность, соприкасающаяся с горячей трубкой, все равно может треснуть. Нагревайте новые компоненты в системе постепенно, следите за ровностью уплотнений и избегайте контакта с локализованным пламенем или горячими точками.

Что касается производства, мы также проводим проверки качества в том же духе. Каждый компонент УФ-класса проверяется на качество поверхности, измеряется на предмет пропускания на длине волны клиента, когда это необходимо, и упаковывается так, чтобы оптическая поверхность доставлялась нетронутой. Эти шаги могут показаться простыми, но именно поэтому кварцевое изделие от специализированного производителя работает иначе, чем обычный кусок кварцевого стекла.

Часто задаваемые вопросы: Пропускает ли кварц ультрафиолетовый свет?

Вот вопросы, которые чаще всего задают покупатели лабораторий, инженеры заводов и отделы закупок о кварце и ультрафиолетовом свете.

Ознакомьтесь с кварцевыми изделиями УФ-класса на нашем заводе

Наша производственная программа охватывает кварц, пропускающий УФ-излучение, в любой форме, необходимой УФ-системе: трубки для колпаков и гильз ламп, стержни для механических и оптических работ, пластины и окна для смотровых окон, а также специальную кварцевую посуду для реакторов и инструментов. Вся эта продукция поставляется с нашего собственного завода по производству кварцевого стекла, что означает, что время выполнения заказа, размеры и данные испытаний контролируются в одном месте.

Две линейки продуктов особенно актуальны для покупателей ультрафиолетовой продукции. Первая — это наша линейка прецизионных кварцевых окон и смотровых стекол, отполированных из материала, устойчивого к УФ-излучению, доступных в цвете JGS1, JGS2 и стандартном кварце для дезинфекции, отверждения и сенсорного применения. Второй — легированная кварцевая трубка для УФ-фильтрации, которая была разработана для процессов, в которых необходимо отклонять ультрафиолетовый свет, а не пропускать его, например, для защиты чувствительных к УФ-излучению материалов в яркой УФ-среде.

• Прецизионные кварцевые окна и смотровые стекла - полированные УФ-окна для камер, датчиков и технологических обзорных окон.
• Трубка из легированного кварца для УФ-фильтрации - кварцевые трубки с контролируемой защитой от УФ-излучения.

По каждому запросу наша команда запрашивает рабочую длину волны, требуемую передачу, размеры и условия эксплуатации, прежде чем рекомендовать марку. Этот процесс в равной степени применим как к одному окну прототипа, так и к оптовому заказу на загрузку контейнера. Если ваш проект зависит от ультрафиолетового света, самый быстрый способ снизить его риск — выбрать кварцевое стекло, которое производится, измеряется и документируется людьми, разбирающимися в ультрафиолете.