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Kapitel UV-Strahlungsquellen Folie 1
Inkohärente Lichtquellen Prof. Dr. T. Jüstel, FH Münster
12. UV-Strahlungsquellen Inhalt 12.1 Einteilung der UV-Strahlung 12.2 Photochemische Anwendungen 12.3 Biochemische Anwendungen 12.4 Natürliche UV-Strahlungsquellen 12.5 Künstliche UV-Strahlungsquellen 12.6 UV-Leuchtstoffe 12.7 Bräunungslampen 12.8 Psoriasislampen 12.9 Strahlungsquellen für Desinfektionszwecke 12.10 Strahlungsquellen für Wasserreinigungszwecke
Kapitel UV-Strahlungsquellen Folie 2
Inkohärente Lichtquellen Prof. Dr. T. Jüstel, FH Münster
100 nm 200 nm 280 nm 320 nm 400 nm
UV-B UV-A UV-C VUV
12.5 - 6.9 eV 6.2 – 4.5 eV 4.5 - 3.9 eV 3.9 – 3.1 eV
Spaltung von H2O und O2 in Radikale Ozonbildung Spaltung von C-C, C-H, C-O Bindungen
Anregung von C=C Bindungen Anregung der Nukleobasen Spaltung von O3, ClO2 und H2O2
Vitamin D Bildung Transkription von Reparaturenzymen Bildung von Melanosomen in der Haut
Photokatalytische Reaktionen Oxidation von Melanin in der Haut Zersetzung organischer Pigmente Aktivierung photokata-lytischer Pigmente
Waverreinigung Photochemie
Desinfektion von Luft, H2O und Oberflächen Photochemie
Behandlung von Haut-krankheiten (Psoriasis) Bräunung Photochemie
Wasser- und Luftreinigung mittels TiO2 Photokatalysator
Bräunung Photochemie
12.1 Einteilung der UV-Strahlung
Kapitel UV-Strahlungsquellen Folie 3
Inkohärente Lichtquellen Prof. Dr. T. Jüstel, FH Münster
Chemische Bindung und Photonenenergie Energie von chemischen Bindungen ~ 10 – 1100 kJ/mol Energie von optischer Strahlung E = NAhc/λ = 119226/λ [kJmol-1]
600
300
150
200 400 800
Ultraviolett Sichtbar Nah Infrarot
(V)UV - VIS Strahlung kann also chemische Bindungen spalten
E-E 100 – 500 kJ/mol F-F 159 kJ/mol C-C 348 kJ/mol E=E 400 – 700 kJ/mol O=O 498 kJ/mol C=C 648 kJ/mol E≡E 800 – 1100 kJ/mol N≡N 946 kJ/mol C≡C 839 kJ/mol H-Brücken 10 - 160 kJ/mol H...F > H...O > H...N Van-der-Waals 0.5 - 5 kJ/mol
1200 kJ/mol-1
Vakuum Ultraviolett
100 nm
75
1600
12.2 Photochemische Anwendungen
Kapitel UV-Strahlungsquellen Folie 4
Inkohärente Lichtquellen Prof. Dr. T. Jüstel, FH Münster
Photolysereaktionen
• Spaltung von Aziden M-N=N=N + hν(< 300 nm) → M=N + N2 mit M = Cr, Mn, Fe, Ru etc.
• Homolytische Spaltung von Iod I2 + hν(520 nm) → 2 I.
• Zersetzung von HgO 2 HgO + hν(< 600 nm) → 2 Hg + O2
• Zersetzung von Diazoverbindungen R-CO-CH=N=N + hν(< 350 nm) → R-CH=C=O + N2 • Isomerisierungen Praecalciferol + hν(282 nm) → Calciferol (Vitamin D3) • Spaltung von Ameisensäure HCOOH HCOOH + hν(< 260 nm) → CO + H2O
12.2 Photochemische Anwendungen
Kapitel UV-Strahlungsquellen Folie 5
Inkohärente Lichtquellen Prof. Dr. T. Jüstel, FH Münster
12.2 Photochemische Anwendungen Effects on organic molecules • Photoinitiated polymerisation K[Cr(NH3)2(NCS)4] + 2 H2O + hν → K[Cr(NH3)2(NCS)3(OH)] + H3O+ + NCS-
→ Anionic Polymerisation of ethyl-α-cyanoacrylate by the addition of NCS- as a chain starter
• Photoinduced formation of oximes
Kapitel UV-Strahlungsquellen Folie 6
Inkohärente Lichtquellen Prof. Dr. T. Jüstel, FH Münster
12.2 Photochemische Anwendungen Effects on organic molecules • Photooxidative initiated polymerisation Flow coat process as a step of the CRT production process (polyvinyl alcohole + ammonium dichromate) R-CH2-OH + CrO4
2- + hν(vis.) → R-CH=O → Polymerisation • Photooxidative synthesis of organic molecules
Kapitel UV-Strahlungsquellen Folie 7
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12.2 Photochemische Anwendungen Wasser- und Oberflächenreinigung mit VUV-Licht 1. Spaltung von Wasser in Radikale H2O + hν(< 200 nm) → OH. + H. 2 OH. → H2O2 2 H2O2 → 2 H2O +1O2
2. Ozonbildung 3 O2 + hν(< 240 nm) → 2 O3
H2O2 und O3 bauen organische Substanzen oxidativ ab
Kapitel UV-Strahlungsquellen Folie 9
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12.3 Biochemische Anwendungen Desinfektion Wasser, Luft und Oberflächen enthalten Mikroorganismen, wie Pilze, Bakterien, Protozoen und Viren Abtötung der Mikroorganismen durch • Hitze (> 80 – 120 °C) • Chemikalien (Cl2, ClO2, O3) • UV-Strahlung (< 300 nm)
Der Effekt von UV-Strahlung beruht vor allem auf der Hemmung des Wachstums der Mikroorganismen 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0 Disinfektioneffizienz (DIN 5031-10)Absorptionsspektrum dTMP
Rela
tive
Effiz
ienz
/ Ab
sorp
tion
Wellenlänge [nm]
Kapitel UV-Strahlungsquellen Folie 10
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12.3 Biochemische Anwendungen Desinfektion – Photobiochemie Struktur von DNA • helikaler Doppelstrang aus Nukleotiden dNMP • dNMP = Base + Phosphat + Desoxyribose
-A-T-A-T-G-C-T-A-G-G-C-C- -T-A-T-A-C-G-A-T-C-C-G-G- Mechanismus der Desinfektionswirkung UV-C wird von Purin- und Pyrimidinbasen absorbiert ⇒ Reaktion zwischen benachbarten Thyminbasen (2 + 2 Cycloaddition erlaubt nach Woodward-Hoffmann) ⇒ Fehler beim Kopieren der DNA Nucleotid Extinktionskoeffizient ε bei 260 nm dAMP 15200 dTMP 8400 dGMP 12000 dCMP 7100
P
P
O
CCCN
NCO
O
CH3H
H
P
O
CCCN
NCO
O
CH3H
H
O
CCCN
NC OO
CH3
H
HO
OCC
CNNC O
CH3H
H
P
Kapitel UV-Strahlungsquellen Folie 11
Inkohärente Lichtquellen Prof. Dr. T. Jüstel, FH Münster
12.3 Biochemische Anwendungen
Direkte Pigmentierung: Oxidation von Melanin zu Melaninoxid (geringe Lebensdauer) Indirekte Pigmentierung: Einlagerung von neuen Melanosomen (Langzeiteffekt)
250 300 350 400 450 5000,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0 Direct pigmentation Indirect pigmentation
Wavelength [nm]
Rela
tive
effe
ctive
ness
[a.u
.]
Bräunung UV-A: Direkte Pigmentierung UV-B: Indirekte Pigmentierung
Bräunung von Haut
Ref
lexi
onsg
rad
400 500 600 700 800
50%
40%
30%
20%
10%
0%
Zunahme der Absorption
Wellenlänge [nm]
Kapitel UV-Strahlungsquellen Folie 12
Inkohärente Lichtquellen Prof. Dr. T. Jüstel, FH Münster
Durch UV-Licht wird die Haut gereizt und in Folge der stärkeren Durchblutung gerötet Bei längerer UV-Exposition kommt es zu phototoxischen Reaktionen (Sonnenbrand)
Hautempfindlichkeit gemäß DIN 5031-10
250 - 298 nm: E = 1 298 - 328 nm: E = 1*10^(0.094*(298-λ)) 328 - 400 nm: E = 1*10^(0.015*(140-λ))
260 280 300 320 340 360 380 400 420
1E-3
0,01
0,1
1
Rela
tive
spek
trale
Effi
zienz
Wellenlänge [nm]
12.3 Biochemische Anwendungen Bräunung - Nebeneffekt: Erythem = Hautrötung oder Sonnenbrand
Kapitel UV-Strahlungsquellen Folie 13
Inkohärente Lichtquellen Prof. Dr. T. Jüstel, FH Münster
12.3 Biochemische Anwendungen
280 300 320 340 360 380 4000,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
1,1
Vitamin D3 production
Rela
tive
effe
ctive
ness
Wavelength [nm]
280 300 320 340 360 380 4000,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
1,1
Photoconjunctivitis Pyrimidine dimerisation Photoceratitis
Rela
tive
effe
ctive
ness
Wavelength [nm]
Vitamin D3 Produktion in der Haut Phototoxische Wirkungen
Bräunung – Weitere Nebeneffekte
• Im wesentlichen ist UV-B Strahlung für positive und negative Wirkungen verantwortlich • Die Wellenlängenabhängigkeit der biologischen Effekte ist im UV-B sehr ausgeprägt
Kapitel UV-Strahlungsquellen Folie 14
Inkohärente Lichtquellen Prof. Dr. T. Jüstel, FH Münster
12.4 Natürliche UV-Strahlungsquellen
⇒ Hautrötung bzw. Sonnenbrand werden im Wesentlichen durch UV-B Strahlung verursacht
280 300 320 340 360 380 4000,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
L [W
m-2nm
-1]
Wellenlänge [nm]280 300 320 340 360 380 400
0,000
0,002
0,004
0,006
0,008
0,010
L er [
Wnm
-1m
-2]
Wellenlänge [nm]
Die natürliche UV-Strahlungsquelle ist die Sonne UV-Spektrum bei 60° Sonnenhöhenwinkel Entsprechendes Erythem-Spektrum
∫=400
280totr, )dλ)E(L(L λλe
Kapitel UV-Strahlungsquellen Folie 15
Inkohärente Lichtquellen Prof. Dr. T. Jüstel, FH Münster
12.4 Natürliche UV-Strahlungsquellen Zeitabhängige Verteilung der UV-Strahlung (Norderney: 53.2° nördlicher Breite)
Jahreszeit
Tage
szei
t
Kapitel UV-Strahlungsquellen Folie 16
Inkohärente Lichtquellen Prof. Dr. T. Jüstel, FH Münster
12.4 Natürliche UV-Strahlungsquellen Ortsabhängige Verteilung der UV-Strahlung (am 21. Juni zur Mittagszeit) In hohen Breiten ist nur sehr wenig UV-B Strahlung im Tageslicht Hamburg (~53.5° nördlicher Breite) am 21. Juni, mittags (Sonnenhöhenwinkel ~ 60°) • UV-B/UV-A [%] 2.30 • E(<320)/E(>320) 3.54
Solarheight
Latitude[°] N
Nearest location at10° E
UV-B[W/m2]
UV-A[W/m2]
UV-B[%]
E<320[W/m2]
E>320[W/m2]
E<320/E>
32083.5 30 Ghadames, Libya 1.66 61.0 2.65 0.1654 0.0380 4.3578.5 35 Sfax, Tunisia 1.61 59.9 2.61 0.1587 0.0373 4.2573.5 40 Sardinia 1.52 58.0 2.55 0.1487 0.0360 4.1368.5 45 La Spezia, Italy 1.41 55.7 2.47 0.1359 0.0345 3.9463.5 50 Schweinfurt, Germany 1.28 52.7 2.37 0.1208 0.0325 3.7260 53.5 Hamburg, Germany 1.18 50.2 2.30 0.1094 0.0309 3.5458.5 55 Århus, Denmark 1.13 49.1 2.25 0.1043 0.0302 3.4553.5 60 Oslo, Norway 0.97 45.0 2.11 0.0870 0.0275 3.1648.5 65 Trondheim, Norway 0.80 40.5 1.94 0.0697 0.0246 2.83
Kapitel UV-Strahlungsquellen Folie 17
Inkohärente Lichtquellen Prof. Dr. T. Jüstel, FH Münster
Lampentypen Hg-Entladungslampen • Niederdruck 185, 254 nm
• Mitteldruck + Filter 200 - 400 nm
• Niederdruck + Leuchtstoff 200 - 400 nm Exzimerlampen • Xe2* 172 nm
• XeBr* 282 nm
• XeCl* 308 nm
• Xe2* + Leuchtstoff 200 - 400 nm
“UVC-Strahlungsquelle”
12.5 Künstliche UV-Strahlungsquellen
Kapitel UV-Strahlungsquellen Folie 18
Inkohärente Lichtquellen Prof. Dr. T. Jüstel, FH Münster
Emissionsmaxima und Effizienzen von Exzimerlichtquellen im Sinus-Betrieb
12.5 Künstliche UV-Strahlungsquellen
F Cl Br I Edelgas
Reines Halogen
? 158 nm
? 258 nm
? 293 nm
? 342 nm -
Ar > 10% 193 nm
ca. 5% 175 nm
< 0.1% 161 nm
- Ar* 2
~10% 126 nm
Kr > 10% 248 nm
18% 222 nm
ca. 5% 207 nm
< 0.1% 185 nm
Kr* 2 ~15%
146 nm
Xe > 10% 351 nm
14% 308 nm
15% 282 nm
ca. 5% 253 nm
Xe* 2 30%
172 nm
Kapitel UV-Strahlungsquellen Folie 19
Inkohärente Lichtquellen Prof. Dr. T. Jüstel, FH Münster
12.5 Künstliche UV-Strahlungsquellen Hg-Mitteldrucklampen • Lampenglas und Filter: Keine Emission unterhalb von 280 nm! • Hoher UV-B Anteil ~ 10% ⇒ Gesichtsbräuner
200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 8000
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120 HPA404 HPA1200
Emis
sion
sint
ensi
tät (
a.u.
)
Wellenlänge [nm]
Kapitel UV-Strahlungsquellen Folie 20
Inkohärente Lichtquellen Prof. Dr. T. Jüstel, FH Münster
Fluoreszenzlampen Hg-Niederdruckentladung Xe2*-Exzimerentladung
200 300 400 500 6000,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
185 nm
254 nm
Norm
alize
d em
ission
inte
nsity
Wavelength [nm]
150 nm 172 nm
UV-Strahlung
UV-Leuchtstoffschicht
Wellenlänge [nm]
147 nm 172 nm
Resonanzlinie
Em
issi
onsi
nten
sitä
t 2 nd Kontinuum
1 st Kontinuum
185 nm 254 nm
Lampenglas
Deutsches Patent DE 199 19 169.7
150 nm
12.5 Künstliche UV-Strahlungsquellen
Kapitel UV-Strahlungsquellen Folie 21
Inkohärente Lichtquellen Prof. Dr. T. Jüstel, FH Münster
Kommerzielle Leuchtstoffe für UV-Lichtquellen auf der Basis einer Hg-Niederdruckentladung SrAl12O19:Ce3+ 305 nm LaB3O6:Bi3+,Gd3+ 311 nm LaPO4:Ce3+ 320 nm LaMgAl11O19:Ce3+ 340 nm (Y,Gd)PO4:Ce3+ 335, 355 nm BaSi2O5:Pb2+ 350 nm Sr2MgSi2O7:Pb2+ 365 nm SrB4O7:Eu2+ 370 nm BaSO4:Eu2+ 375 nm Aktivatoren: Ce3+, Gd3+, Pb2+, Eu2+
280 300 320 340 360 380 400 420 440 4600,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0BaSO4:Eu
YPO4:Ce
LaMgAl11O19:Ce
Emiss
ion in
tens
ity [a
.u.]
BaSi2O5:Pb SrB4O7:Eu
Sr2MgSi2O7:Pb
Wavelength [nm]
280 300 320 340 360 380 400 420 440 4600,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0LaB3O6:Bi,Gd
Emiss
ion in
tens
ity [a
.u.]
LaPO4:Ce
SrAl12O19:Ce
Wavelength [nm]
12.6 UV-Leuchtstoffe
Kapitel UV-Strahlungsquellen Folie 22
Inkohärente Lichtquellen Prof. Dr. T. Jüstel, FH Münster
UV und VUV Effizienz von UV-A Leuchtstoffen (Ce3+ und Pb2+ aktiviert) 254 nm Effizienz: LaMgAl11O19:Ce ~ YPO4:Ce ~ BaSi2O5:Pb ~ Sr2MgSi2O7:Pb 172 nm Effizienz: LaMgAl11O19:Ce > YPO4:Ce ~ BaSi2O5:Pb > Sr2MgSi2O7:Pb
150 200 250 300 3500,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0 YPO4:CeLaMgAl11O19:CeBaSi2O5:Pb
Sr2MgSi2O7:Pb
Relat
ive in
tens
ity
Wavelength [nm]
172 nm
12.6 UV-Leuchtstoffe
Kapitel UV-Strahlungsquellen Folie 23
Inkohärente Lichtquellen Prof. Dr. T. Jüstel, FH Münster
Historische Entwicklung • 60er und frühe 70er Harte UV Strahlungsquellen (UV-C!) “Höhensonnen”
• Mitte der 70er Harte UV Strahlung schädigt die DNA TL Lampen mit UV-A Leuchtstoff • späte 70er TL Lampen mit verbessertem UV-A Leuchtstoff
• 80er Bräunung mit UV-A Strahlung ist sicher TL Lampen mit UV-Leuchtstoffmischungen Hg-Hochdrucklampen mit Filter
• frühe 90er Ausgewogenes UV-B/UV-A Verhältnis ist günstig Lampen mit Glas mit erhöhter UV-Transparenz (und UV-B Leuchtstoff) • späte 90er Optimal sind Strahlungsquellen mit tageslichähnlichem UV-Spektrum UV-B/UV-A Leuchtstoffmischungen • 2010er UV-A LEDs (+ UV-B LEDs)
12.7 Bräunungslampen
Kapitel UV-Strahlungsquellen Folie 24
Inkohärente Lichtquellen Prof. Dr. T. Jüstel, FH Münster
Fluoreszenzlampen – Historische Entwicklung 1. Generation 2. Generation 3. Generation BaSi2O5:Pb BaSi2O5:Pb YPO4:Ce oder Sr2MgSi2O7:Pb + LaPO4:Ce + LaPO4:Ce Die Stabilität der Pb2+-Leuchtstoffe begrenzt die Lebensdauer der Sonnenbanklampen auf etwa 1000 h
280 300 320 340 360 380 4000,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
LaPO4:Ce BaSi2O5:Pb
UV-AUV-B
Emiss
ion in
tens
ity [a
.u.]
Wavelength[nm]280 300 320 340 360 380 400
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
BaSi2O5:PbUV-AUV-B
Emiss
ion in
tens
ity [a
.u.]
Wavelength[nm]280 300 320 340 360 380 400
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
LaPO4:CeYPO4:Ce
UV-AUV-B
Emiss
ion in
tens
ity [a
.u.]
Wavelength[nm]
12.7 Bräunungslampen
Kapitel UV-Strahlungsquellen Folie 25
Inkohärente Lichtquellen Prof. Dr. T. Jüstel, FH Münster
Durch die Präsenz der Hg-Linien im sichtbaren Spektral- bereich emittieren Sonnenbanklampen bläuliches Licht ⇒ Konversion in ein Weißlichtspektrum durch Zugabe eines rot-emittierenden Leuchtstoffes, wie z.B. Y2O3:Eu
200 300 400 500 6000,0
0,3
0,5
0,8
1,0
Relat
ive In
tens
ität
Wellenlänge [nm]
12.7 Bräungungslampen 12.7 Bräunungslampen Fluoreszenzlampen – Spektren + Farbpunkte
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,80,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
Y2O3:Eu
CLEO Performance
BBLy
x
Kapitel UV-Strahlungsquellen Folie 26
Inkohärente Lichtquellen Prof. Dr. T. Jüstel, FH Münster
12.7 Bräunungslampen Fluoreszenzlichtquellen mit tageslichtähnlichem Erythemspektrum ⇒ UV-A + UV-B Leuchtstoff, z.B. LaPO4:Ce + BaSi2O5:Pb
280 300 320 340 360 380 4000,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
CLEO Natural
Referenz-Sonnenlicht
UV-AUV-B
Rela
tive
Bräu
nung
seffi
zienz
Wellenlänge [nm]
Kapitel UV-Strahlungsquellen Folie 27
Inkohärente Lichtquellen Prof. Dr. T. Jüstel, FH Münster
12.8 Psoriasislampen Behandlung von Hautkrankheiten Psoriasis, Vitiligo, atopische Dermatitis und andere Hautkrankheiten können mit UV-B Strahlung behandelt werden
Psoriasislampen Hg-Niederdrucklampen + UV-B Leuchtstoff Standardleuchtstoff LaB3O6:Bi3+,Gd3+
UV-B Linienemitter! Anregung Bi3+ → (Bi3+)* Energietransfer (Bi3+)* + Gd3+ → Bi3+ + (Gd3+)* Emission (Gd3+)* → Gd3+ + 311 nm (6P7/2 → 8S)
Emissionsspektrum von LaB3O6:Bi,Gd (254 nm Anregung)
200 300 400 5000,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
Emiss
ion
inte
nsity
[a.u
.]
Wavelength [nm]
Kapitel UV-Strahlungsquellen Folie 28
Inkohärente Lichtquellen Prof. Dr. T. Jüstel, FH Münster
Leuchtstoffe für UV-B Fluoreszenzlampen Standard LaB3O6:Bi3+,Gd3+ Wirtsgitter mit Gd3+ als Emitter Sensibilisierung erforderlich ⇒ Ce3+ oder Pr3+
Problem: Photostabilität von Bi3+ Lösung: Verwendung von Ce3+ als Photosensibilisator ⇒ Geringe Aufspaltung der 5d-Orbitale des Ce3+ erforderlich (z.B. in Phosphaten) ⇒ Wirtsgitter mit hoher Koordinationszahl für Ln3+ (z.B. GdMgB5O10)
100 150 200 250 300 350 400 450 5000,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
Ce3+(5d1- 4f1)
Ce3+(4f1 - 5d1)
Host lattice
Gd3+ (6PJ - 8S)
Emission spectrum 254 nm exc. Excitation spectrum
Relat
ive in
tens
ity
Wavelength [nm]
100 200 300 400 5000,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
Bi3+
Bi3+
Bi3+
Host lattice
Gd3+ (6PJ - 8S)
Emission spectrum 254 nm exc. Excitation spectrum
Relat
ive in
tens
ity
Wavelength [nm]
12.8 Psoriasislampen
Kapitel UV-Strahlungsquellen Folie 29
Inkohärente Lichtquellen Prof. Dr. T. Jüstel, FH Münster
Zur Desinfektion von Wasser, Luft und Oberflächen Anforderungen • Emission zwischen 230 und 280 nm • Keine Strahlung < 230 nm, da sonst Photoreduktion von NO3
- zu NO2- (in Wasser)
• Keine Strahlung < 200 nm, da sonst Spaltung von H2O in H. + OH.
Geignete Lampentypen • Hg-Niederdruckentladungslampen Linienemission bei 254 nm • Hg-Mitteldruckentladungslampen Emission im ganzen UV-Bereich • Hg-Hochdruckentladungslampen Emission im ganzen UV-Bereich 200 300 400 500 600
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
254 nm
Emiss
ions
inte
nsitä
t
Wellenlänge [nm]
Spektrum einer Hg-Niederdruckentladungslampe
12.9 Strahlungsquellen für Desinfektionszwecke
Kapitel UV-Strahlungsquellen Folie 30
Inkohärente Lichtquellen Prof. Dr. T. Jüstel, FH Münster
Mercury Low Pressure Discharge Efficiency
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 10 20 30 40 50 60 70 80
Temperature / °C
Rel
ativ
e E
ffic
ienc
y / %
Pure Mercury
BiIn Amalgam
12.9 Strahlungsquellen für Desinfektionszwecke Hg-Entladungslampen: Nachteile • Umweltverträglichkeit (Hg-Gehalt) • Empfindlichkeit gegenüber schnellen Schaltzyklen • Temperaturabhängigkeit der Entladungseffizienz und UV-Lichtausbeute (Wassertemperatur ~ 10 – 15 °C) • Zylinderförmige Geometrie
Kapitel UV-Strahlungsquellen Folie 31
Inkohärente Lichtquellen Prof. Dr. T. Jüstel, FH Münster
+
-
Entladungsbogen
Elektrode (Kathode)
Dielektrikum Leuchtstoffschicht
e- + Xe → Xe* Xe* + 2 Xe → Xe2* + Xe Xe2* → 2 Xe + 172 nm
AC
12.9 Strahlungsquellen für Desinfektionszwecke Dielektrisch behinderte Entladungslampen (Xe-Exzimerlampen)
Leuchtstoffschicht Dielektrikum
Elektrode (Anode)
Kapitel UV-Strahlungsquellen Folie 32
Inkohärente Lichtquellen Prof. Dr. T. Jüstel, FH Münster
Wellenlänge [nm] 147 172
Res
onan
zlin
ie
Inte
nsitä
t [a.
u.]
2 nd C
ontin
uum
1 st C
ontin
uum
12.9 Strahlungsquellen für Desinfektionszwecke
Xe2* Excimerstrahler
Emissionsspektrum
Konversion zu 190 - 200 nm Konversion zu 200 - 280 nm
10 0 10 1 10 2 10 3 10 4 10 5 10 6 10 7 10 8
H2O
Abso
rptio
n co
effic
ient
[m-1
]
10 0 10 -1 10 -2 10 -3 10 -4 10 -5 10 -6 10 -7 10 -8
Pene
trat
ion
dept
h [
m]
150 160 170 180 190 200
Xenon Excimer
Wavelength [nm] 200 220 240 260 280 300 320
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
Disinfection efficiency (DIN 5031-10)
Rel
. effi
cien
cy/a
bsor
ptio
n Wavelength [nm]
Zur Erhöhung der Eindringtiefe Zur Erhöhung des „GAC-Overlaps“
Fluoreszente Xe-Exzimerlampen
Kapitel UV-Strahlungsquellen Folie 33
Inkohärente Lichtquellen Prof. Dr. T. Jüstel, FH Münster
UVC Leuchtstoffe für Xe-Exzimerlampen Anforderungen • Emissionsbande im Bereich (190) 200 - 280 nm • Hohe Lichtausbeute unter 172 nm Anregung • Hohe VUV Stabilität ⇒ Wirtsgitter mit Bandlücken > 6.0 eV und redoxstabile Aktivatoren
Leuchtstoff = Wirtsgitter + Aktivator (optischer Übergang) Fluorid Tl+ 6s-6p Phosphat Pb2+ 6s-6p
Sulfat Bi3+ 6s-6p Borat Nd3+ 4f-5d Oxid Pr3+ 4f-5d
12.9 Strahlungsquellen für Desinfektionszwecke
Kapitel UV-Strahlungsquellen Folie 34
Inkohärente Lichtquellen Prof. Dr. T. Jüstel, FH Münster
Freies Ion in der
Gasphase
Aktivator- Wirtsgitter
Wechselwirkung
Kristallfeld- aufspaltung
Ion Eu2+ Ce3+ Pr3+ Nd3+
4fn-15d1 Niveau 34000 cm-1 50000 cm-1 62000 cm-1 74000 cm-1
295 nm 200 nm 160 nm 130 nm
E 5d
4f
εc
εcfs
Stokes Shift
12.9 Strahlungsquellen für Desinfektionszwecke UVC Leuchtstoffe – Modulation der Aktivatorabsorption und Emissionsspektren
Kapitel UV-Strahlungsquellen Folie 35
Inkohärente Lichtquellen Prof. Dr. T. Jüstel, FH Münster
Nd3+ Phosphors ⇒ VUV Lichtquellen Pr3+ Phosphors ⇒ UV-C Lichtquellen
200 250 300 350 4000,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
YPO4:PrYBO3:Pr
LaPO4:Pr
Emiss
ion in
tens
ity [a
.u.]
Wavelength [nm]200 250 300 350 400
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
Emiss
ion in
tens
ity [a
.u.]
Wavelength [nm]
YPO4:Nd
12.9 Strahlungsquellen für Desinfektionszwecke Nd3+- und Pr3+-Leuchtstoffe
[Xe]4f25d1 → [Xe]4f3 (4IJ) [Xe]4f15d1 → [Xe]4f2 (4HJ, 3F2)
Kapitel UV-Strahlungsquellen Folie 36
Inkohärente Lichtquellen Prof. Dr. T. Jüstel, FH Münster
Spektrum einer Xe-Exzimerlampe mit YBO3:Pr als VUV zu UV-C Konverter
0
100
200
300
400
500
600
200 250 300 350 400 450 500 550 600
Wellenlänge [nm]
Inte
nsitä
t [10
3 Cou
nts/
s]
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Rel
ativ
e K
eim
tötu
ngsw
irku
ng [
%]
Lampenspektrum
DIN - Wirkungsspektrum
12.9 Strahlungsquellen für Desinfektionszwecke