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12. UV-Strahlungsquellen - FH Münster · Kapitel UV-Strahlungsquellen Folie 2 Inkohärente...

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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
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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

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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

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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

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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

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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

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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

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Kapitel UV-Strahlungsquellen Folie 7

Inkohärente Lichtquellen Prof. Dr. T. Jüstel, FH Münster

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

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Kapitel UV-Strahlungsquellen Folie 9

Inkohärente Lichtquellen Prof. Dr. T. Jüstel, FH Münster

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]

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Kapitel UV-Strahlungsquellen Folie 10

Inkohärente Lichtquellen Prof. Dr. T. Jüstel, FH Münster

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

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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]

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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]

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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]

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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]

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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

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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

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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

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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)

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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

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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

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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

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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)

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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


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