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Hohe UV-Bestrahlungsstärke mit neuen Strahlern: Xe-Hg-Lampen als Transfernormal

13.10.2009

Die Anwender strahlerbasierter Radiometrie fordern zuverlässige und leicht zu bedienende Transfernormale. Für niedrige Bestrahlungsstärken im UV-Bereich werden typischerweise 30-W Deuteriumlampen eingesetzt. Der wachsende Anwenderkreis höherer UV-Bestrahlungsstärken benötigt jedoch einen neuen Typ von Strahlertransfernormalen mit deutlich höherer Leistung. Diesem Zweck dient ein Transfernormal, das auf Basis von Xe-Hg-Lampen in der PTB entwickelt wurde. Die wichtigsten Arbeitsparameter des Strahlersystems sind intensiv untersucht worden, so z.B. zeitliche Stabilität, Reproduzierbarkeit, Homogenität des Feldes und nutzbare bestrahlte Fläche. Zusätzlich wurden zur Optimierung des Strahlersystems einige Komponenten individuell angepasst. Das resultierende Strahlersystem ist besonders für die Kalibrierung von hochwertigen Geräten bei höheren UV-Bestrahlungsstärken gut geeignet.

Einleitung

Im UV-Bereich gibt es neue und stark wachsende Anwendungsbereiche wie z. B. Wasserentkeimung, UV-Curing oder UV-Bearbeitung. Hier werden hohe Bestrahlungsstärken eingesetzt. Die jeweilige Qualitätskontrolle stellt strenge Anforderungen an rückführbare Kalibrierungen und Überwachungen von UV-Bestrahlungsanlagen. Deswegen sind in Hinsicht auf erreichbare Bestrahlungsstärke, spektrale Leistungsverteilung und bequeme Handhabung geeignete Strahlernormale gefordert. Die Transfernormale, die momentan für die Weitergabe der Bestrahlungsstärkeeinheit eingesetzt werden, sind typischerweise entweder FEL-Typ Quarz-Halogen Lampen (Spektralbereich 250 nm bis 2500 nm) oder Deuteriumlampen (Spektralbereich 200 nm bis 400 nm) [1, 2]. Derartige Transfernormale sind jedoch nicht in der Lage, die oben genannten Anforderungen höherer Bestrahlungsstärken im UV Spektralbereich zu erfüllen.
In diesem Beitrag berichten wir über die Entwicklung eines Transfernormales für hohe UV-Bestrahlungsstärken, das im Wesentlichen aus einem Xe-Hg Lampensystem besteht. Der Kern des UV-Strahlersystems besteht aus einem kommerziell verfügbaren Hamamatsu LC5/LC8 UV-Spot-Strahler, der speziell angepasst und zusammen mit anderen zusätzlich entwickelte Komponenten optimiert wurde, um die hohen Anforderungen zu erfüllen. Die Ergebnisse der ausführlichen Charakterisierungen sind in diesem Bericht dargestellt.

Das neue Transfernormal

Der Kernstück des verwendeten UV-Strahlersystems ist eine L8251 Xe-Hg Hochdrucklampe, die in horizontaler Ausrichtung betrieben wird. Die UV-Strahlung wird hierbei effizient mit Hilfe eines ellipsenförmigen dielektrischen Reflektors erfasst und in ein Quarz-Faserbündel eingekoppelt. Am Faserausgang wird ein von der PTB entwickelter Bestrahlungskopf angeschlossen, der aus einem holographischen Diffusor mit einem Transmissionsgrad von etwa 90 % besteht. Der Aufbau ermöglicht eine bequeme Handhabung des UV-Strahlers bei hohen Bestrahlungsstärken (siehe Abb. 1).

Spektralphotometrische Messung der Reflexion

Abb. 1: Erreichbare spektrale Bestrahlungsstärke des entwickelten UV-Strahlers im Vergleich mit den üblicherweise verwendeten FEL- und Deuteriumlampen.

Charakterisierung

Es wurden umfangreiche Charakterisierungsmessungen durchgeführt, um die Bauteile für das neue Transfernormal auszuwählen und zu optimieren. Die zeitliche (siehe Abb. 2 und Abb. 3) und spektrale Stabilität (Abb. 4) der Xe-Hg Lampen sowie die Reproduzierbarkeit bei Wiederzündung wurden zunächst mit Hilfe eines speziellen Messaufbaus für die Charakterisierung von UV-Quellen untersucht [2]. Diese Untersuchungen haben ergeben, dass unter Laborbedingungen die Langzeitdrift der Xe-Hg Lampe weniger als 2×10-4 h-1 beträgt und die Reproduzierbarkeit besser als ca. 0,5 % ist. Zusätzlich wurde die zeitliche und spektrale Stabilität der verwendeten Quarz-Faserbündel und des holographischen Diffusors untersucht. Es zeigte sich, dass keine nennenswerten optischen Änderungen in den verwendeten Komponenten auftraten, die möglicherweise durch UV-Bestrahlung hätten verursacht werden können.

Stochastisches Modell der nanostrukturierten Oberfläche

Abb. 2: Zeitliche Stabilität der Xe-Hg Lampen während der ersten 160 h Betriebszeit, überwacht mit einem Spektroradiometer und UV-Photodioden: a) Lampe mit niedriger Drift, b) Lampe mit hoher Drift.

Geometrie für die FEM-Berechnung

Abb. 3: Langzeitdrift der Xe-Hg Lampe nach dem Einbrennen (Abb. 2(a)). Die vertikalen grünen Linien deuten die Zeitpunkte an, zu denen die Lampe ausgeschaltet und mind. 2 h abgekühlt wurde. Die Reproduzierbarkeit der Lampe nach der Wiederzündung war zwischen 0,2 % am Anfang der Betriebszeit und 0,5 % für die gesamte Betriebszeit von mehr als 1000 h.

Geometrie für die FEM-Berechnung

Abb. 4: Spektrale Änderungen (farbige Kurven, rechte Achse) in der Strahlungsfunktion der Xe-Hg Lampe (dicke schwarze Kurve, linke Achse) über einen Betriebszeitraum von ca. 1000 h nach dem Einbrennen. Das Auftauchen von Peaks in den Kurven der relativen Änderungen wird von der abnehmenden Breite der Hg Linien mit der Betriebszeit verursacht, die sich möglicherweise aufgrund von Druckverlust im Quarzkolben ergibt.

Die Homogenität der durch den Bestrahlungskopf erzeugten Bestrahlungsstärke wurde mit einer Si-Fotodiode mit 2 mm Blende abgerastert. Die Messergebnisse bei einem Bezugsabstand von 250 mm zum Bestrahlungskopf sind in Abb. 5 dargestellt.

Geometrie für die FEM-Berechnung

Abb. 5: Homogenität der Bestrahlungsstärke bei einem Abstand von 250 mm zum Bestrahlungskopf. Die Änderungen der Bestrahlungsstärke über der gemessenen Fläche ist als relative prozentuale Abweichung vom Maximalwert angegeben. Die Bestrahlungsstärke im zentralen roten Bereich variiert um weniger als ± 0,5 %. Der schwarzer Kreis zeigt eine homogen bestrahlte Fläche mit einem Durchmesser von 20 mm.

Resümee

Es wurde ein Transfernormal entwickelt, das einfach zu bedienen ist und für die Kalibrierung von hochwertigen Geräten bei höheren UV-Bestrahlungsstärken im Spektralbereich von ca. 270 nm bis 450 nm geeignet ist. Die Inhomogenität der Bestrahlungsstärke beim verwendeten Bezugsabstand von 250 mm ist geringer als ± 0,5 % innerhalb eines zentralen Bereiches mit einem Durchmesser von 20 mm. Es wurde festgestellt, dass die spektrale Bestrahlungsstärke der verwendeten Xe-Hg Lampen eine Langzeit-Drift von weniger als 2×10-4 h-1 aufweist und dass die Reproduzierbarkeit beim Wiedereinschalten besser als 0,5 % ist. Dies führt nur zu geringfügigen spektralen Änderungen während des Betriebes der Strahler. Daher sind die untersuchten Xe-Hg Strahlersysteme als Transfernormale für die Anwendungen bei höheren UV-Bestrahlungsstärken geeignet.



Literatur:

[1]       J. Metzdorf, A. Sperling, S. Winter, K. H. Raatz and W. Möller, A new FEL-type quartz-halogen lamp as an improved standard of spectral irradiance, Metrologia 35, 423 (1998).

[2]        P. Sperfeld, K. D. Stock, K-H. Raatz, B. Nawo and J. Metzdorf, Characterization and use of deuterium lamps as transfer standards of spectral irradiance, Metrologia 40, S111 (2003).



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