Устройства, генерирующие УФ-излучение

В. В. Шибанов, В. Б. Репета,
Украинская академия печати

Устройства, генерирующие УФ-излучение, применяются в полиграфии и копировально-множительных технологиях со времени появления и практического использования бессеребряных светочувствительных материалов, например, диазосоединений, то есть с середины 30-х гг. прошлого века. С 50-х гг. и до настоящего времени эти устройства применяются для облучения позитивных и негативных фоторезистов. И все же самое широкое распространение УФ-облучатели получили с конца 60-х гг. в связи с нарастающими объемами производства и расширяющимися сферами применения в полиграфии и других сферах различных типов фотополимеризующихся материалов (ФПМ). Устройства, генерирующие УФ-излучение, обычно включают следующие атрибуты:

• источники излучения;
• силовые агрегаты для запуска и регулирования электропитания источников излучения;
• светонаправляющие конструкции;
• детекторы светового потока;
• вентиляторы и холодильники рабочей зоны;
• приспособления для закрепления, вакуумирования или дезаэрирования облучаемых объектов;
• таймеры;
• световые фильтры;
• рассеиватели;
• защитные экраны и прочие составляющие.

Можно сказать, что кардинальное влияние на конструкционные и технологические параметры устройств, генерирующих УФ-излучение, имеют три «э»-фактора:

• эволюция составов и технологий ФПМ;
• энергосбережение;
• экологические проблемы.

Целью нашей статьи является обобщение научно-технической и коммерческой информации, касающейся современных устройств, используемых в полиграфии для генерирования и формирования потоков УФ-излучения. При этом мы считаем необходимым избегать предоставления информации, которую можно было бы классифицировать как рекламную.

Свойства УФ-излучения

Ультрафиолетовое излучение является частью диапазона оптических излучений (включающего ультрафиолетовую, видимую и инфракрасную области), который простирается в границах от 10 до 1 млн нм. Область УФ-излучений можно условно разделить на три дистанции:

• УФ-А - от 315 до 400 нм;
• УФ-В - от 280 до 315 нм;
• УФ-С - от 100 до 280 нм.

При воздействии УФ-А излучения на человеческую кожу наблюдается загарный эффект, то есть происходит пигментация; воздействие лучей УФ-В вызывает эритемный эффект: происходит покраснение кожи и/или появление ожогов; лучи УФ-С имеют бактерицидное действие.
В фотохимии УФ-область чаще подразделяют на ближний (300–400 нм), дальний (180–300 нм) и вакуумный (10–180 нм) ультрафиолет. Название «вакуумный ультрафиолет» говорит о том, что излучение этого диапазона поглощается воздухом, а точнее, основными его составляющими: кислородом и азотом - поэтому для его распространения используют вакуум. Практического применения в полиграфии этот диапазон в настоящее время не имеет.

Так как энергия квантов света обратно пропорциональна длинам волн, то энергия фотонов в областях ближнего и дальнего УФ-излучения изменяется приблизительно от 300 до 600 кДж/моль соответственно. Этой энергии вполне достаточно для осуществления в облучаемых ФПМ фотохимических и фотофизических процессов, ответственных за технологическое применение таких материалов.

Используемые в полиграфических технологиях искусственные источники УФ-излучения предназначены, в основном, для двух целей: формирования изображений (изготовление фотополимерных печатных форм офсетной, трафаретной, высокой, в том числе флексографской, печати) и полимеризации УФ-красок и УФ-лаков.

Ртутные дуговые лампы

Они известны уже более 70 лет. Эти источники света излучают в широком оптическом диапазоне, включающем УФ-, видимое и ИК-излучение. Излучение генерирует светящийся дуговой разряд, возникающий при прохождении тока в газовой среде, заполненной парами ртути или парами ртути в смеси с другими веществами и инертными газами, а также плазмой. Носителями тока в газовом разряде являются электроны и катионы, возникающие при соударении электронов с атомами, движущимися в электрическом поле межэлектродного пространства. В результате таких соударений происходит не только ионизация атомов газовой среды, но и их активация, то есть перевод части атомов в возбужденное состояние при котором внешние (валентные) электроны переходят на более энергоемкие электронные орбитали. Время жизни возбужденных атомов очень небольшое (малые доли секунды), поэтому они очень быстро возвращаются в основное состояние, излучая избыточную энергию в виде квантов света, то есть имеет место люминесценция. При этом происходит превращение электрической энергии в световую.

Так как величина энергии электронных переходов строго детерминирована (квантована) и определяется природой атомов, то и излучение энергии возбужденными атомами происходит в определенном энергетическом диапазоне - спектре. Характер спектра излучения может быть различным: полосатым (линейчатым) или сплошным (непрерывным). Каждой линии в спектре соответствует электронный переход, а при очень большом их количестве все линии сливаются в континуум, образуя непрерывный спектр. Интенсивность полос в спектре зависит от вероятности осуществления тех или иных переходов. Для возбужденных атомов ртути характерным является линейчатый спектр. При этом две линии, соответствующие длинам волн 185 и 253,7 нм, являются наиболее интенсивными. Они называются резонансными линиями излучения и соответствуют переходам из нижних возбужденных состояний в основное невозбужденное состояние. Кроме них в спектре ртутного дугового разряда имеется ряд линий, которые при высоком давлении паров ртути расширяются и могут сливаться в непрерывный спектр.

Для возникновения ртутного разряда к электродам прикладывают электрическое напряжение, величина которого зависит от конструкционных характеристик лампы (материала электродов, расстояния между ними, диаметра лампы), природы и давления газового заполнения и прочих факторов. После подачи напряжения на электроды в лампах высокого давления происходят последовательно следующие процессы:

• пробой газоразрядного промежутка;
• нагрев электродов;
• разгорание дугового разряда и увеличение давления ртутных паров;
• установление стационарного режима работы.

Движение заряженных частиц в электрическом поле имеет направленный характер. Скорость движения частиц различна, зависит от их природы (электроны, ионы, атомы) и может быть охарактеризована соответствующей температурой. Для облегчения зажигания ламп иногда устраивают специальные зажигающие электроды, которые, впрочем, снижают механическую прочность ламп и удорожают их стоимость. Время, в течение которого лампа полностью разгорается и выходит на стационарный режим работы, составляет 5–15 мин, что показано на рис. 1.

Рис. 1. Зависимость интенсивности излучения ртутных ламп низкого
(ЛУФ-80) и среднего (ДРТ-400) давления от времени их работы

В зависимости от величины давления паров различают три типа ртутно-дуговых ламп:

• низкого давления (давление паров ртути от 0,01 до 1 мм рт. ст. или от 1,33 до 133 Па);
• среднего давления (от 1 до 3 атм или до 3x105 Па);
• высокого давления (до нескольких десятков атм. или от 3x105 до 107 Па).

Встречается также следующая классификация: лампы низкого, высокого и сверхвысокого давления. Кроме паров ртути, дуговые лампы обычно заполняют инертным газом (чаще всего аргоном) до давления 10–50 мм рт. ст. для облегчения зажигания разряда и продления срока службы электродов, которые изготовляют из тугоплавких материалов: обычно вольфрама, а также вольфрама с добавками тугоплавких оксидов тория, бария или кальция.

Каждый тип ртутных ламп имеет характерный спектр излучения: лампы низкого давления излучают линейчатый спектр, большая часть энергии которого излучается в области резонансных полос (область УФ-С); лампы среднего и особенно высокого давления наряду с линейчатым содержат непрерывный спектр, который расширяется и смещается с увеличением давления паров ртути в видимую область (см. таблицу).

Световая отдача

Рис. 2. Зависимость световой отдачи ртутного разряда от давления ртутного пара (постоянный ток 4 А; диаметр трубки 27 мм)

Световая отдача ртутного разряда зависит от величины давления паров ртути в лампе. Из рис. 2 видно, что с увеличением давления паров световая отдача сильно возрастает. Для ламп низкого давления световая отдача мала (область первого экстремума). Точка С характеризует раздел между областями низкого и высокого давления. Вероятность поглощения линий резонансного излучения невозбужденными атомами паров ртути увеличивается пропорционально их концентрации, то есть при увеличении давления. Поэтому в лампах высокого давления самопоглощение резонансных линий велико, а полосы в спектре расширяются. Увеличение давления в лампе вызывает рост световой отдачи, которая асимптотически приближается к величине 60–70 лм/Вт.

При низком давлении паров ртути дуговой разряд заполняет все поперечное сечение трубки лампы, а при увеличении давления наблюдается характерное стягивание (контрагирование) разряда к оси трубки. Максимальная мощность ламп низкого давления - до 150 Вт. Ртутные лампы среднего и высокого давления обладают высокой энергетической светимостью и большой мощностью: от сотен ватт до 50–60 кВт.

Размеры ртутных ламп среднего давления могут достигать метровой величины при диаметре колб до 30–40 мм. Размеры ламп сверхвысокого давления заметно меньше, а из-за небольшого расстояния между электродами такие лампы имеют короткую дугу и рассматриваются как точечные источники света.

Температура стенок колб (трубок) газоразрядных ламп низкого давления относительно невысока (на десяток градусов выше комнатной). У колб ртутных ламп среднего и высокого давления она достигает 500–900?С, поэтому практически незаменимым материалом для изготовления колб ртутных ламп является кварц, который выдерживает большие механические нагрузки, имеет высокий коэффициент пропускания во всем практически необходимом (и даже более того) диапазоне спектра излучения (от 200 до 2600 нм), выдерживает высокие рабочие температуры (до 1100?С) и характеризуется очень небольшим коэффициентом линейного расширения (6x10-7 1/град), что гарантирует сохранение его целостности при резких перепадах температур.

Обычная толщина стенок ртутных ламп среднего и высокого давления, изготовленных из кварца, равна 1,5–4 мм. Для трубок низковакуумных ртутных ламп (бактерицидных ламп) используют кварц либо специальное увиолевое стекло. Срок службы кварцевой колбы сильно уменьшается при повышении рабочей температуры стенок выше 900?С. Снижение рабочей температуры на 100?С продлевает срок работы лампы в 5–10 раз, но снижает светоотдачу и давление паров ртути. Ресурс работы ламп низкого давления в сотни раз больше, чем ламп среднего и высокого давления.

Корректировка спектра излучения

Важным условием осуществления фотохимических реакций, в том числе фотоинициированной полимеризации ФПМ, УФ-лаков и УФ-красок, является совпадение или достаточное перекрывание спектров излучения источника и поглощения облучаемого материала, что следует из сформулированного более 150 лет тому назад фундаментального закона фотохимии. Реакции инициирования полимеризации фотополимеризующихся композиций (ФПК) происходят при поглощении света в небольшом диапазоне спектра от 320 до 380 нм (в УФ-А диапазоне), что обусловлено специальным подбором фотоинициаторов или фотоинициирующих систем. При этом исходят из необходимости избежать светочувствительности ФПК в области видимого света (для удобства выполнения технологических операций с пластинами и другими материалами в незатемненных помещениях) и нецелесообразности применения дальнего УФ-излучения (экологической, экономической и технологической).

Рис. 3. Спектр излучения ртутной лампы низкого давления: 1 - без люминофора (БУВ-30) и 2 - с люминофором (ЛУФ-80)

Очевидно, что применение для этих целей ртутных ламп низкого давления, излучающих в УФ-С диапазоне, будет малоэффективным из-за несовпадения спектров излучения и поглощения. Вместе с тем, ртутные лампы низкого давления выгодно отличаются от ламп среднего и высокого давления малым энергопотреблением и невысокими температурами на их поверхности и в рабочей зоне. Для исправления спектра излучения таких ламп и обогащения его полосами излучения в области 300–400 нм (УФ-А) на внутреннюю поверхность колб (трубок) ламп наносят один или несколько слоев люминофоров, которые поглощают излучение паров ртути в области 220–300 нм (УФ-С) и преобразуют его (люминесцируют) в длинноволновое излучение в области 300–400 нм и более. Как люминофоры чаще всего используют неорганические вещества или их смеси, например, силикат бария, вольфрамат кальция, магния, фосфат кальция. Спектры излучения (УФ-область) ламп низкого давления, которые используют, в частности, в полиграфии, приведены на рис. 3.

Для корректировки спектра излучения ртутных ламп среднего и высокого давления в дуговой разряд вводят вещества или соединения, которые дополняют спектр излучения паров ртути недостающими полосами и/или увеличивают их интенсивность. Введение добавок йодидов (галоидов) ряда металлов (таллия, галлия, свинца, натрия и др.) позволило в два и более раз увеличить световую отдачу ламп. Принцип работы так называемых металлгалоидных ламп заключается в том, что молекулы йодидов металлов разлагаются на атомы в зоне высокотемпературного ртутного разряда (дуги). Образовавшиеся атомы находятся в возбужденном (неравновесном) состоянии. Поэтому они излучают свет, диффундируя за пределы зоны разряда, охлаждаются и взаимодействуют с образованием исходных молекул, которые вступают в новый цикл превращений. На рис. 4 изображена часть спектра излучения металлгалоидной лампы с добавкой йодида свинца. Видно, что такие лампы характеризуются большей световой отдачей в области 360–400 нм, то есть в зоне поглощения ФПМ.

Механизм полимеризации

Рис. 4. Спектр излучения металлгалоидной лампы с добавкой йодида свинца и галлия

Облучение молекулярного кислорода светом с длиной волны менее 240 нм (так называемый континуум Герцберга, область Шумана-Рунге) приводит к образованию сначала возбужденных атомов кислорода, которые легко реагируют с молекулами кислорода и образуют трехатомные молекулы озона. Две молекулы озона при взаимодействии между собой распадаются на три молекулы кислорода, поэтому концентрация озона в газе при электрохимическом методе его получения относительно небольшая (максимум 5–7% объема), а при фотохимическом - лишь доли процента. Озон поглощает в оптическом диапазоне ряд полос от вакуумного ультрафиолета до ИК-области. В частности, в широком континууме от 200 до 300 нм с почти симметричным пиком в области 254 нм. Поглощение этой полосы приводит к распаду озона на молекулярный кислород и очень активный атом синглетного кислорода. И озон, и синглетный атомарный кислород могут активно взаимодействовать с химическими веществами, в частности, с компонентами ФПК, что вызывает деструкцию (растрескивание) пластин и снижение их физико-механических свойств. Предельно допустимая концентрация озона в воздухе 1 мг/м3, поэтому необходима вентиляция помещений и рабочей зоны агрегатов, в которых он образуется. В то же время озонирование пластин и облучение их УФ-излучением с длиной волны 254 нм устраняет липкость поверхности, что используется на практике при выполнении операции финишинга готовых флексографских фотополимерных печатных форм.

Молекулярный кислород является достаточно сильным ингибитором фотоинициированной радикальной полимеризации ФПМ, так как дезактивирует возбужденные состояния фотоинициаторов, а также взаимодействует с первичными продуктами их диссоциации или растущими макрорадикалами с образованием значительно менее реакционноспособных пероксидных радикалов, что тормозит полимеризацию. Концентрация молекулярного кислорода в ФПМ определяет длительность индукционного периода, то есть времени, в течение которого происходит подавление роста макромолекул. После полного расходования молекулярного кислорода скорость фотополимеризации сильно возрастает. Таким образом, ускорить процесс фотоинициированной радикальной полимеризации и увеличить его полноту, то есть сократить длительность операции экспонирования, можно двумя путями: устранением молекулярного кислорода или увеличением концентрации квантов излучения (интенсивности света), инициирующего полимеризацию. Молекулярный кислород присутствует в ФПК вследствие его растворения в компонентах ФПК, что происходит при их синтезе, который проводят, как правило, в аэробных условиях, и в результате диффузии кислорода из окружающего пространства. Равновесная концентрация растворенного кислорода в основных компонентах ФПК сравнительно невелика, поэтому преимущественным путем пополнения молекулярного кислорода является его проникновение (диффузия) извне. Коэффициенты диффузии молекулярного кислорода сильно зависят от физико-химических свойств ФПК и их компонентов. В твердых (по агрегатному состоянию) фотополимеризующихся материалах (ТФПМ), к которым относятся и флексографские ФПМ, коэффициенты диффузии молекулярного кислорода на два-четыре порядка меньше, чем в жидких фотополимеризующихся материалах (ЖФПМ), к которым относятся УФ-лаки и УФ-краски. Растворенный в ТФПМ молекулярный кислород можно удалить вытеснением его инертным газом (старая технология так называемого газового кондиционирования пластин) или фотохимическим связыванием (современная технология, предполагающая предварительное недлительное облучение пластин со стороны пленочной основы). Следующий за предварительным экспонированием процесс основного экспонирования в таком случае протекает без индукционного периода, так как диффузия молекулярного кислорода извне очень небольшая, а время, необходимое для равновесного насыщения слоя ФПК кислородом, значительно больше времени основного экспонирования.

Продолжение в следующем номере