紫外LED與計量技術(shù)

劉 慧，趙偉強，閆勁云，蘇 穎

(中國計量科學研究院，北京 100029)

引言

紫外LED 是一種新型的紫外輻射源，具有小巧便攜、環(huán)保安全的特點。COVID-19疫情的出現(xiàn)加深了人們對紫外輻射殺菌消毒的認知，加快了紫外LED殺菌消毒產(chǎn)品的開發(fā)和使用。深紫外LED便攜式殺菌棒、深紫外LED殺菌盒等成為新寵，紫外LED產(chǎn)業(yè)迎來快速發(fā)展的機遇。可見光LED已替代白熾燈、熒光燈成為主流的照明光源，這為紫外LED的推廣和應(yīng)用奠定了良好的技術(shù)基礎(chǔ)。

紫外LED的研發(fā)、使用和質(zhì)量控制均需要對其輻射功率、輻射效率、波長及輻照面的輻射照度、曝輻射量(劑量)、總光譜輻射通量、總輻射通量等參數(shù)的準確測量。然而紫外LED與紫外氣體放電光源的光譜分布、照射距離、均勻性、功率水平等方面不同[1]，基于傳統(tǒng)紫外輻射源形成的計量測試方法，并不能直接套用于紫外 LED 的測量。如用于紫外消毒殺菌的紫外LED 的峰值波長為280 nm，半峰值寬度大于10 nm，而紫外殺菌燈(見表1)90% 的能量集中在253.7 nm。為滿足紫外LED的準確測量需要，需研究從基準到具體應(yīng)用的量值傳遞方法，研制專用的計量標準器，縮短量值的傳遞鏈，簡化量值的傳遞方法，實現(xiàn)量值的扁平化傳遞。

表1 低壓汞燈的相對光譜功率分布

1 紫外輻射源的現(xiàn)狀

紫外輻射是指波長100～400 nm的光輻射，按照波長劃分為近紫外UVA(315～400 nm)、中紫外UVB(280～315 nm)、遠紫外UVC(100～280 nm)三個波段。100～200 nm的紫外輻射在空氣中被強烈吸收，又稱為真空紫外(VUV)[2]，由于VUV的測量方法和儀器與在空氣中能傳播的光輻射差別較大，這里僅討論200～400 nm波段的紫外輻射。紫外輻射源可分為天然輻射源和人工輻射源兩類。

1.1 天然紫外輻射源

太陽是天然的紫外輻射源，由于大氣臭氧層的吸收和大氣層的散射能到達地面的太陽輻射的波長范圍僅為300 nm～3μm，習慣上將200～280 nm 這段到達不了地球的遠紫外光譜區(qū)稱作“日盲區(qū)”，能到達地面的紫外輻射僅占太陽總輻射的很小一部分約為 3%～4%,但由于其顯著的生物效應(yīng)和化學效應(yīng)，受到醫(yī)學、航空航天、軍事、氣象、農(nóng)業(yè)、工業(yè) 、建筑等行業(yè)的廣泛重視。如曬太陽可促使人體合成維生素D促進鈣的吸收，紫外星敏感器與光纖陀螺配合可使小衛(wèi)星的指向準確度和穩(wěn)定度提高一個數(shù)量級[3]，利用紫外光譜觀測能同時反映整層大氣密度和臭氧等的三維分布，可為氣象預報和全球氣候變化研究提供重要參數(shù)[4]。近年來國內(nèi)外對太陽紫外輻射的研究日漸深入。太陽的UVC 波段基本上不能到達地面，因此我們常說的“曬太陽殺毒”其實主要是利用的太陽的熱效應(yīng)。

1.2 人工紫外輻射源

1)氣體放電燈。傳統(tǒng)的人工紫外輻射源均為氣體放電燈，通過氣體放電將電能轉(zhuǎn)換為光輻射。各種氣體放電燈的基本結(jié)構(gòu)大同小異都由泡殼、電極和放電氣體構(gòu)成。玻殼一般選用石英玻璃或透紫玻璃?；竟ぷ髟頌闅怏w放電燈接入電路后在外電場的作用下，由陰極發(fā)射的電子被外電場加速與燈內(nèi)氣體原子碰撞，電子的動能轉(zhuǎn)交給氣體原子使其激發(fā)，當受激原子從激發(fā)態(tài)返回基態(tài)時，所吸收的能量就以光輻射的形式釋放出來。常用紫外輻射含量較高的氣體放電燈有低壓汞燈(含熒光燈)、高壓汞燈、金屬鹵化物燈、氙燈和氘燈。低壓汞燈是目前應(yīng)用量最大的紫外輻射源，峰值波長為253.7 nm，又稱紫外殺菌燈，其相對光譜功率分布見表1。金屬鹵化物燈的出現(xiàn)約在20世紀70年代，它的波譜可以涉及整個紫外波段甚至可以延續(xù)到可見波段，此外它的功率高、光效高。氙燈和氘燈常用于紫外輻射量值傳遞。

2)LED光源。紫外LED(紫外發(fā)光二極管)，即是產(chǎn)生紫外輻射的LED。同氣體放電燈相比具有節(jié)能環(huán)保、壽命長、光譜可定制、輻射功率可控、開啟速度快、可脈沖工作、光源形狀可定制、光輸出角度小等特點，波長范圍可覆蓋230～400 nm，目前產(chǎn)業(yè)化的基于寬禁帶半導體材料的紫外LED，峰值波長多為395 nm、385 nm、375 nm、365 nm、280 nm等，半峰值寬度大于10 nm[1]。不同波長的紫外LED外量子效率(EQE)差異較大，一般隨著波長減小外量子效率逐漸降低，且壽命也降低。UVA LED已比較成熟，EQE可達到50%～80%，如 395 nm的外量子效率可達到80%，壽命達30 000 h；UVB和UVC波段的深紫外LED的外量子效率還比較低，EQE普遍在10%以下，壽命在2 000～5 000 h，目前還處于產(chǎn)品導入初期，輻射功率、輻射效率、壽命等方面都不盡如人意，還需進一步開展技術(shù)攻關(guān)，促進產(chǎn)品盡快完善成熟。

2 紫外LED輻射參數(shù)的測量

紫外LED 測量涉及的主要參數(shù)有：波長、輻射功率(即輻射通量)、(總)光譜輻射通量、輻射照度、曝輻射量(即劑量)、輻射效率。目前市場上在用的主要測試儀器有光譜輻射計、紫外輻射照度計、分布輻射計、積分球輻射計。以下就輻射照度及劑量、總光譜輻射通量、總輻射通量的測量和量傳方法及所需測試儀器的要求進行討論。

2.1 輻射照度及劑量

輻射照度是指入射在面元上的一點的輻射通量與該面元的面積之商[5]，單位為W/m2,為了使用方便有時用mW/cm2或μW/cm2，是紫外測量中應(yīng)用最多的參數(shù)。紫外輻射源用于殺菌消毒、光固化時需要控制輻射的劑量，如《消毒技術(shù)規(guī)范》(2002)中指出不同種類的微生物對紫外輻射的敏感性不同，紫外輻射消毒時所使用的照射劑量必須達到殺滅目標微生物所需的劑量時才能達到目的。曝輻射量(劑量)(W·s/cm2或J/cm2)是輻射照度與照射時間的乘積，因時間易于測量，其核心也是輻射照度的測量。目前市場上在售的紫外輻射照度計可分為兩類積分型和光譜型。

1)積分型紫外輻射照度計。積分型紫外輻射照度計細分為UV-A、UV-B、UV-C、UV-A1、UV-365、UV-310、UV-254[6]，是根據(jù)氣體放電光源的輻射特點設(shè)計的，每種紫外輻射照度計所對應(yīng)的波段、峰值波長、峰值半高寬度各不相同，有相應(yīng)的規(guī)定，其目的就是最大限度地減小測量結(jié)果的偏差。LED的波長是連續(xù)可調(diào)的，現(xiàn)有的紫外輻射照度計一般不適用于紫外LED 的測量，如果用于LED的測量則被測LED的峰值波長必須與紫外輻射照度計的峰值波長接近，如峰值波長365 nm 的LED 可用UV-365、UV-A或UV-A1波段的紫外輻射計測量。

2)光譜型紫外輻射照度計。光譜型紫外輻射照度計通過測量輻射照度的光譜密集度，由積分計算得到特定波段的積分輻射照度，理論上可適用于各種紫外LED的測量。但高等級的光譜輻射計的價格高、體積大，一般僅用于實驗室測量。隨著技術(shù)的進步和價格的降低，小型便攜式光譜型輻射照度計的應(yīng)用越來越多，但因為探測器不帶制冷功能，信噪比低，且?guī)怆s散光大、采樣間隔大、波長準確度低、線性度差、光纖扭轉(zhuǎn)時信號變化大等缺點使得測量結(jié)果的發(fā)散性大，故不能完全滿足實際應(yīng)用的需要。

3)討論。積分型的紫外輻射照度計成本低，使用方便，且測量結(jié)果的重復性、穩(wěn)定性好，尤其適用于生產(chǎn)過程中的質(zhì)量控制。積分型紫外輻射照度計的一個發(fā)展方向是通過改變探測器的光譜匹配,研制適用于特定波段LED 測量的新型輻射照度計，如適合廣泛用于殺菌消毒的280 nm LED 的“UV-280”輻射照度計。因為紫外LED 通常只有一個峰，為拓寬積分型紫外輻射照度計的應(yīng)用范圍，可研制與之匹配的寬波段的探測器。標定這兩類照度計時，用與被測輻射源光譜功率分布接近的LED作參照源標定輻照度響應(yīng)度(光譜型紫外輻射照度計的光譜響應(yīng)度的標定需用連續(xù)光源)，可滿足特定的應(yīng)用需要。這樣在不增加儀器成本及復雜的標定技術(shù)的情況下，可減小測量結(jié)果的誤差。

2.2 輻射通量

光譜輻射通量是評價紫外LED芯片、模組、燈具特性和能源轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵指標，常用于生產(chǎn)過程中的質(zhì)量控制和產(chǎn)品的性能評價。光譜輻射通量為輻射通量的光譜密集度按波長的分布，該量的符號為Фeλ(λ)，單位為W/nm ?？偣庾V輻射通量是光源向4π空間發(fā)出的光譜輻射通量的總和，其測量方法分為絕對法和相對法。

2.2.1 絕對測量法

絕對測量法又分為變角輻射計法和絕對積分球法[7],變角輻射計示意圖見圖1。

1)變角輻射計法根據(jù)所用探測器的不同細分為變角光譜輻射計法和變角輻射照度計法。其測量原理如下：

變角光譜輻射計在4π立體角內(nèi)的各個方向的一定距離R處，測量被測光源的輻射照度的光譜密集度，則總輻射通量的光譜密集度

(1)

式中：Eeλ(λ,θ,φ)為被測輻射源在探測面上的輻射照度的光譜密集度，R為輻射源與探測器之間的距離。

輻射源在波長λ1和λ2區(qū)間的總輻射通量為

(2)

圖1 變角輻射計原理示意圖Fig.1 Scheme of gonio-radiometer

變角輻射照度計僅能測量特定波段的總輻射通量Φe，變角輻射照度計在4π立體角內(nèi)的各個方向 的一定距離R處，測量被測輻射源的光譜輻射照度Ee(θ,φ)，積分得到Φe:

(3)

變角光譜輻射計適用于測量各種紫外LED的總光譜輻射通量和特定波段的總輻射通量，是一種具有普適性的測量方法。因在不同方位被測輻射源的信號幅度變化大，光譜儀所需的積分時間不同，測量過程中一般采用步進掃描模式，即變角輻射計按一定的角度間隔轉(zhuǎn)動，在其停止轉(zhuǎn)動時光譜輻射計進行采樣，采樣完成后，光譜輻射計再轉(zhuǎn)到下一位置。其優(yōu)點是不會產(chǎn)生信號丟步，能保證測量的準確度但需要較長的測量時間，有時測量時間長達 5 h,在測量過程中輻射源的波動以及環(huán)境溫度的變化皆會影響測量結(jié)果的準確度。另外一個明顯的不確定度來源是光纖的擾動、扭轉(zhuǎn)導致了光譜輻射計的響應(yīng)度發(fā)生變化。

變角輻射照度計僅適用于測量與紫外輻射照度計波段相匹配的輻射源，但其測量時間一般小于40 min,且測量的重復性較好。

2)絕對積分球法。積分球所配用的探測系統(tǒng)可以是光譜輻射計也可以是紫外輻射照度計。這里以探測系統(tǒng)為光譜輻射計為例討論其測量原理，圖2為絕對積分球示意圖。

絕對積分球法是通過從積分球的側(cè)壁引入一束參考的輻射通量Φeλ,ref(λ)到積分球內(nèi)，通過比較參考光譜輻射通量光束的光電信號yref(λ)與被測輻射源的光電信號yt(λ)，計算得到被測輻射源的總光譜輻射通量Φeλ,t(λ)[8]。

(4)

式中Z*(λ)為積分球的空間光譜響應(yīng)不均勻性修正因子。探測系統(tǒng)為紫外輻射照度計時僅能測量相應(yīng)特定波段的總輻射通量。紫外輻射照射積分球涂層會產(chǎn)生熒光，應(yīng)采用截止濾光片消除或減小熒光的影響。

圖2 絕對積分球示意圖Fig.2 Scheme of absolute integrating sphere radiometer

2.2.2 相對測量法

相對法是日常工作中常用的量值傳遞和測量方法，與絕對法相比，測量儀器結(jié)構(gòu)簡單、價格低、使用方便。根據(jù)測量需要探測系統(tǒng)可以選用光譜輻射計或紫外輻射照度計，該法通過被測燈與總光譜輻射通量或總輻射通量已知的標準燈相比較而求得被測燈的總光譜輻射通量Φeλ,t(λ)或總輻射通量Φe,t。

(5)

式中Φeλ,s(λ)為在波長λ處標準燈的輻射通量的光譜密集度，ys(λ)、yt(λ)為在波長λ處標準燈和被測燈的光電信號；Φe,s為標準燈的總輻射通量，ys、yt分別為標準燈和被測燈的光電信號；Z*(λ)、Z*為積分球的空間光譜響應(yīng)度和空間響應(yīng)度不均勻性修正因子。

波長小于400 nm的紫外輻射照射積分球的涂層后會產(chǎn)生熒光，用于測量紫外輻射的積分球的涂料除了應(yīng)具有化學穩(wěn)定性好、光譜選擇性小、光譜反射比高的特點，還應(yīng)考查其熒光特性。積分球的熒光輻射量及其對測量的影響取決于涂層的材料和制備方法，常用的積分球涂層材料有BaSO4和 PTFE，此外鋁粉加清漆或鋁噴砂也是一種不錯的選擇，鋁基涂層的最大優(yōu)點是能耐受高強度的紫外輻射且工藝簡單。有研究表明對于253.7 nm 的紫外輻射鋁基涂層的熒光比BaSO4低1.35倍[10]。鋁基涂層在 250～300 nm 間的光譜平坦性優(yōu)于BaSO4與PTFE接近，如表2所示。但其漫反射比僅為70%左右，比較適用于測量高功率的紫外輻射源。為保證測量結(jié)果的準確性，應(yīng)對積分球的熒光效應(yīng)進行評價，評價方法為在積分球內(nèi)、外分別測量高紫外輻射源的總輻射通量和輻射照度，按式(6)計算[10]。

(6)

3 結(jié)語

紫外LED的光譜分布、功率水平、空間分布與傳統(tǒng)的人工紫外輻射源不同，因此其測量方法不能完全套用紫外氣體放電燈的測量方法。紫外光譜輻射計可適用于各種光譜的紫外LED的測量，但在使用過程中亦存在許多不確定度來源，光譜儀標定所使用的溴鎢標準燈的波段僅能覆蓋至250 nm,且標準燈的光譜密集度明顯低于可見波段，測量時信噪比低；氘燈的光譜雖然能覆蓋整個紫外波段至可見波段，但其穩(wěn)定性和重復性偏低。另外便攜式光譜型紫外輻射照度計自身的性能也是影響測量準確度的重要因素，如帶外雜散光、帶寬、采樣間隔設(shè)置、線性、光纖擾動及探測器是否致冷等。紫外輻射照度計僅適用于特定峰值的LED的測量，但測量的重復性、穩(wěn)定性優(yōu)于光譜型紫外輻射照度計。為了提高紫外LED測量的準確性滿足不同波長LED測量的需要，應(yīng)針對特定的量大面廣的應(yīng)用，研制相應(yīng)的積分式的輻射照度計。如針對用于殺菌消毒的280 nm的LED，首先從標準的層面規(guī)定紫外探測器的光譜響應(yīng)度，研發(fā)相應(yīng)的紫外輻射照度計“UVC-280”，豐富紫外輻射照度計的品種，解決實際應(yīng)用的需求。