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Flüssiglichtleiter unter starker UV-Einkoppelung zeigen deutliche spektrale Transmissionsänderung (Kopie 1)

13.10.2009

Unter hoher UV-Exposition wurden außergewöhnliche Transmissionsänderungen an PTFE Ulbrichtkugeln festgestellt, die als Eingangsoptik eines Spektroradiometers benutzt wurden: es zeigte sich ein beträchtlicher, spektral variierender Anstieg der Transmission der Kugeln bzw. des Reflektionsgrades des Materials. Je kürzer die Beobachtungswellenlänge desto größer war der gemessene Anstieg des Transmissionsgrades der Ulbrichtkugeln. Der spektrale und zeitliche Verlauf der Änderungen der Eigenschaften der Ulbrichtkugeln wurde zusätzlich durch spektrale Reflektionsmessungen an ebenen gesinterten und gedruckten PTFE-Proben verifiziert.

Einleitung

Ulbrichtkugeln (UK) sind im Bereich der radiometrischen und photometrischen Messtechnik weit verbreitet. Sie werden oft aus PTFE-basierten Materialien hergestellt. Wegen ihrer ausgezeichneten Reflexions- und Streueigenschaften werden diese volumenreflektierenden Materialien insbesondere auch im UV-Spektralbereich eingesetzt. Bei radiometrischen Anwendungen der UK im UV sind sie allerdings hinsichtlich ihrer optischen Eigenschaften durchaus recht problematisch: eine Degradierung der UK-Transmission kann hier sogar bereits bei geringen Bestrahlungsdosen auftreten. Zusätzlich kann Fluoreszenz die Messung stören. Diese Fluoreszenz wird durch Kontamination der PTFE-Materialien hervorgerufen [1-5]. Eine ältere Studie [2] weist auf einen anfänglichen Anstieg des Reflexionsgrades des PTFE Materials unter Bestrahlung mit einer Hg-Lampe hin.
Im diesem Beitrag wird über Untersuchungen an mehreren UK aus PTFE-basierten Materialien unter hohen UV-Bestrahlungsstärken berichtet, die einen deutlichen wellenlängenabhängigen Anstieg der Transmission zeigen. Der beobachtete Anstieg war stark von der Expositions-Dosis abhängig und näherte sich einer Sättigung. Weiterhin wurde eine langsame Relaxation der erzeugten Änderungen nach Beendung der UV-Exposition festgestellt. Die Auswirkung der hohen UV-Bestrahlung auf die UK konnte durch unabhängige reflektometrische Untersuchungen bestätigt werden, bei denen mehrere ebene Reflektionsproben aus PTFE-basierten Materialien hoher UV-Exposition ausgesetzt wurden.

Untersuchung der UV-Auswirkung auf die Ulbrichtkugeln

Mehrere PTFE-basierte UK verschiedener Hersteller wurden untersucht. Jede dieser UK diente in Verbindung mit einer Quarzfaser als Eingangsoptik eines Doppelmonochromator-Spektroradiometers. Die UK wurden hohen Bestrahlungsstärken ausgesetzt, die mit einem Hamamatsu LC5 Strahler erzeugt wurden [6]. Die Bestrahlungsstärke im Spektralbereich von 260 nm bis 450 nm betrug hierbei bis zu 500 mW/cm². Außerdem wurden SiC und GaN Monitorphotodioden eingesetzt, um potentielle Schwankungen der UV-Bestrahlungsstärke zu korrigieren. Zusätzlich wurde der zeitliche Verlauf der UK-Temperatur mit Hilfe von Temperatursensoren am UK-Gehäuse überwacht.
Die Ergebnisse der Charakterisierung einer der UK sind in Abb. 1 und Abb. 2 dargestellt. Der Trend der spektralen Änderungen in Abb. 1 erwies sich als typisch für alle untersuchten UK: je kürzer die Beobachtungswellenlänge desto größer war der Anstieg der Transmission der UK. Anhand der Messergebnisse der anderen UK konnte festgestellt werden, dass der Anstieg sich einer gewissen Sättigung näherte. Nach der Beendung der Bestrahlung ist hier eine langsame Relaxation zu beobachten (Abb. 3).

Spektrale Bestrahlungsstärke am 10-mm Eingangsport einer 50-mm Durchmesser Ulbrichtkugel (UK) aus gesinterten PTFE-basierten Material

Abb. 1: Spektrale Bestrahlungsstärke am 10-mm Eingangsport einer 50-mm Durchmesser Ulbrichtkugel (UK) aus gesinterten PTFE-basierten Material (dicke schwarze Kurve, linke Achse) und die relative spektrale Transmissionsänderungen der UK (bunte Kurven, rechte Achse) nach verschiedenen Bestrahlungszeiten.

Relative Transmissionsänderung der UK (rote Kreuze, linke Achse) berechnet aus dem Integral der spektralen Messungen aus Abb. 1 über den Spektralbereich von 275 nm bis 325 nm.

Abb 2: Relative Transmissionsänderung der UK (rote Kreuze, linke Achse) berechnet aus dem Integral der spektralen Messungen aus Abb. 1 über den Spektralbereich von 275 nm bis 325 nm. Der Verlauf der Temperatur der UK ist ebenfalls dargestellt (purpurne Kurve, rechte Achse). Die vertikalen grünen Linien deuten Zeitpunkte an, an denen mit der Bestrahlung der UK begonnen bzw. aufgehört wurde.

Zeitliche Transmissionsstabilität einer weiteren UK aus PTFE-basierten Material unter hoher UV-Exposition mit der gleichen spektralen Verteilung wie in der Abb. 1 (ca. 400 mW/cm2 im Wellenlängenbereich von 275 nm bis 400 nm).

Abb. 3: Zeitliche Transmissionsstabilität einer weiteren UK aus PTFE-basierten Material unter hoher UV-Exposition mit der gleichen spektralen Verteilung wie in der Abb. 1 (ca. 400 mW/cm2 im Wellenlängenbereich von 275 nm bis 400 nm). Die gezeigten relativen Änderungen wurden als spektrales Integral über den Wellenlängenbereich von 275 nm bis 325 nm berechnet. Die vertikalen grünen Linien deuten die Pausen in der Bestrahlung über die gegebene Anzahl der Stunden an.

Reflektometrische Untersuchungen

Um die Auswirkung der hohen UV-Bestrahlung auf der UK zu bestätigen, wurden zusätzlich mehrere ebene Proben aus PTFE-basierten Materialien hohen UV-Bestrahlungsstärken ausgesetzt. Ihr spektraler diffuser Reflektionsgrad wurde unter 8/d Geometrie jeweils vor und nach der Bestrahlung gemessen. Abb. 4 zeigt die Reflektionsänderungen für eine der Proben. Das Ausmaß und die Form der spektralen Reflektionsänderungen durch die UV-Bestrahlung für jede Probe waren etwas unterschiedlich. Der Trend jedoch war immer gleich: ein schneller Anstieg mit einsetzender Bestrahlung und anschließend eine langsame Relaxation nach Ende der Bestrahlung, eventuell sogar eine Reflektionsabnahme bis unter das Ausgangsniveau. Ein Peak in den Reflektionsanstiegskurven bei ca. 250 nm wurde bei allen Proben beobachtet.

Spektrale Bestrahlungsstärke auf einer gesinterten ebenen PTFE Probe (schwarze Kurve, linke Achse) und die relativen Änderungen des spektralen Reflektionsgrades, gemessen direkt nach einer 31 h UV-Bestrahlung und anschließend nach 285 h und 325 h Lagerung ohne UV-Exposition (blaue und grüne Kurven, rechte Achse).

Abb. 4: Spektrale Bestrahlungsstärke auf einer gesinterten ebenen PTFE Probe (schwarze Kurve, linke Achse) und die relativen Änderungen des spektralen Reflektionsgrades, gemessen direkt nach einer 31 h UV-Bestrahlung und anschließend nach 285 h und 325 h Lagerung ohne UV-Exposition (blaue und grüne Kurven, rechte Achse).

Resümee

Unter hoher UV-Exposition wurde ein wesentlicher Anstieg des spektralen Reflektionsgrades von PTFE basierten Materialien bzw. der Transmission von Ulbricht-Kugeln gemessen. Der beobachtete Anstieg setzte sich nach erneuter hoher UV-Exposition weiter fort und näherte sich möglicherweise einer Sättigung. Eine Relaxation der Änderungen ließ sich erkennen, nachdem die Bestrahlung beendet wurde. Dies liefert einen Hinweis darauf, dass reversible photochemische Änderungen des Materials eine mögliche Ursache der Änderungen sind. Die aufgezeigten Transmissionsgradänderungen müssen bei allen Anwendungen berücksichtigt werden, bei denen PTFE-basierte Materialien hohen UV-Expositionen ausgesetzt werden.


Literatur:

[1]       A. E. Stiegmann, C. J. Bruegge, and A. W. Springsteen, Ultraviolet stability and contamination analysis of spectralon diffuse reflectance material, Opt. Eng. 32, 799 (1993).
[2]        D. R. Gibbs, F. J. Duncan, R. P. Lambe and T. M. Goodman, Ageing of materials under intense ultraviolet radiation, Metrologia 32, 601 (1995).
[3]        P. C. Knee, Investigation of the uniformity and ageing of integrating spheres, Anal. Chim. Acta 380, 391 (1999).
[4]        W. Möller, K. P. Nikolaus and A. Höpe, Degradation of the diffuse reflectance of spectralon under low-level irradiation, Metrologia 40, S212 (2003).
[5]        P. S. Shaw, Z. Li, U. Arp, and K. R. Lykke, Ultraviolet characterization of integrating spheres, Appl. Opt. 46, 5119 (2007).
[6]        S. Nevas, P. Sperfeld, C. Reichold, A. Heinrich, B. Seiferling, K. Haberstroh, and R. Gruler, New transfer standards for high UV-irradiances – investigation of Xe-Hg lamps, NEWRAD Proceeding (2008)



Ansprechpartner:
Name:Saulius Nevas
Fachbereich:4.1, Photometrie und angewandte Radiometrie
Arbeitsgruppe:4.12, Photometrie