紫外LED与计量技术

刘 慧，赵伟强，闫劲云，苏 颖

(中国计量科学研究院，北京 100029)

引言

紫外LED 是一种新型的紫外辐射源，具有小巧便携、环保安全的特点。COVID-19疫情的出现加深了人们对紫外辐射杀菌消毒的认知，加快了紫外LED杀菌消毒产品的开发和使用。深紫外LED便携式杀菌棒、深紫外LED杀菌盒等成为新宠，紫外LED产业迎来快速发展的机遇。可见光LED已替代白炽灯、荧光灯成为主流的照明光源，这为紫外LED的推广和应用奠定了良好的技术基础。

紫外LED的研发、使用和质量控制均需要对其辐射功率、辐射效率、波长及辐照面的辐射照度、曝辐射量(剂量)、总光谱辐射通量、总辐射通量等参数的准确测量。然而紫外LED与紫外气体放电光源的光谱分布、照射距离、均匀性、功率水平等方面不同[1]，基于传统紫外辐射源形成的计量测试方法，并不能直接套用于紫外 LED 的测量。如用于紫外消毒杀菌的紫外LED 的峰值波长为280 nm，半峰值宽度大于10 nm，而紫外杀菌灯(见表1)90% 的能量集中在253.7 nm。为满足紫外LED的准确测量需要，需研究从基准到具体应用的量值传递方法，研制专用的计量标准器，缩短量值的传递链，简化量值的传递方法，实现量值的扁平化传递。

表1 低压汞灯的相对光谱功率分布

1 紫外辐射源的现状

紫外辐射是指波长100～400 nm的光辐射，按照波长划分为近紫外UVA(315～400 nm)、中紫外UVB(280～315 nm)、远紫外UVC(100～280 nm)三个波段。100～200 nm的紫外辐射在空气中被强烈吸收，又称为真空紫外(VUV)[2]，由于VUV的测量方法和仪器与在空气中能传播的光辐射差别较大，这里仅讨论200～400 nm波段的紫外辐射。紫外辐射源可分为天然辐射源和人工辐射源两类。

1.1 天然紫外辐射源

太阳是天然的紫外辐射源，由于大气臭氧层的吸收和大气层的散射能到达地面的太阳辐射的波长范围仅为300 nm～3μm，习惯上将200～280 nm 这段到达不了地球的远紫外光谱区称作“日盲区”，能到达地面的紫外辐射仅占太阳总辐射的很小一部分约为 3%～4%,但由于其显著的生物效应和化学效应，受到医学、航空航天、军事、气象、农业、工业 、建筑等行业的广泛重视。如晒太阳可促使人体合成维生素D促进钙的吸收，紫外星敏感器与光纤陀螺配合可使小卫星的指向准确度和稳定度提高一个数量级[3]，利用紫外光谱观测能同时反映整层大气密度和臭氧等的三维分布，可为气象预报和全球气候变化研究提供重要参数[4]。近年来国内外对太阳紫外辐射的研究日渐深入。太阳的UVC 波段基本上不能到达地面，因此我们常说的“晒太阳杀毒”其实主要是利用的太阳的热效应。

1.2 人工紫外辐射源

1)气体放电灯。传统的人工紫外辐射源均为气体放电灯，通过气体放电将电能转换为光辐射。各种气体放电灯的基本结构大同小异都由泡壳、电极和放电气体构成。玻壳一般选用石英玻璃或透紫玻璃。基本工作原理为气体放电灯接入电路后在外电场的作用下，由阴极发射的电子被外电场加速与灯内气体原子碰撞，电子的动能转交给气体原子使其激发，当受激原子从激发态返回基态时，所吸收的能量就以光辐射的形式释放出来。常用紫外辐射含量较高的气体放电灯有低压汞灯(含荧光灯)、高压汞灯、金属卤化物灯、氙灯和氘灯。低压汞灯是目前应用量最大的紫外辐射源，峰值波长为253.7 nm，又称紫外杀菌灯，其相对光谱功率分布见表1。金属卤化物灯的出现约在20世纪70年代，它的波谱可以涉及整个紫外波段甚至可以延续到可见波段，此外它的功率高、光效高。氙灯和氘灯常用于紫外辐射量值传递。

2)LED光源。紫外LED(紫外发光二极管)，即是产生紫外辐射的LED。同气体放电灯相比具有节能环保、寿命长、光谱可定制、辐射功率可控、开启速度快、可脉冲工作、光源形状可定制、光输出角度小等特点，波长范围可覆盖230～400 nm，目前产业化的基于宽禁带半导体材料的紫外LED，峰值波长多为395 nm、385 nm、375 nm、365 nm、280 nm等，半峰值宽度大于10 nm[1]。不同波长的紫外LED外量子效率(EQE)差异较大，一般随着波长减小外量子效率逐渐降低，且寿命也降低。UVA LED已比较成熟，EQE可达到50%～80%，如 395 nm的外量子效率可达到80%，寿命达30 000 h；UVB和UVC波段的深紫外LED的外量子效率还比较低，EQE普遍在10%以下，寿命在2 000～5 000 h，目前还处于产品导入初期，辐射功率、辐射效率、寿命等方面都不尽如人意，还需进一步开展技术攻关，促进产品尽快完善成熟。

2 紫外LED辐射参数的测量

紫外LED 测量涉及的主要参数有：波长、辐射功率(即辐射通量)、(总)光谱辐射通量、辐射照度、曝辐射量(即剂量)、辐射效率。目前市场上在用的主要测试仪器有光谱辐射计、紫外辐射照度计、分布辐射计、积分球辐射计。以下就辐射照度及剂量、总光谱辐射通量、总辐射通量的测量和量传方法及所需测试仪器的要求进行讨论。

2.1 辐射照度及剂量

辐射照度是指入射在面元上的一点的辐射通量与该面元的面积之商[5]，单位为W/m2,为了使用方便有时用mW/cm2或μW/cm2，是紫外测量中应用最多的参数。紫外辐射源用于杀菌消毒、光固化时需要控制辐射的剂量，如《消毒技术规范》(2002)中指出不同种类的微生物对紫外辐射的敏感性不同，紫外辐射消毒时所使用的照射剂量必须达到杀灭目标微生物所需的剂量时才能达到目的。曝辐射量(剂量)(W·s/cm2或J/cm2)是辐射照度与照射时间的乘积，因时间易于测量，其核心也是辐射照度的测量。目前市场上在售的紫外辐射照度计可分为两类积分型和光谱型。

1)积分型紫外辐射照度计。积分型紫外辐射照度计细分为UV-A、UV-B、UV-C、UV-A1、UV-365、UV-310、UV-254[6]，是根据气体放电光源的辐射特点设计的，每种紫外辐射照度计所对应的波段、峰值波长、峰值半高宽度各不相同，有相应的规定，其目的就是最大限度地减小测量结果的偏差。LED的波长是连续可调的，现有的紫外辐射照度计一般不适用于紫外LED 的测量，如果用于LED的测量则被测LED的峰值波长必须与紫外辐射照度计的峰值波长接近，如峰值波长365 nm 的LED 可用UV-365、UV-A或UV-A1波段的紫外辐射计测量。

2)光谱型紫外辐射照度计。光谱型紫外辐射照度计通过测量辐射照度的光谱密集度，由积分计算得到特定波段的积分辐射照度，理论上可适用于各种紫外LED的测量。但高等级的光谱辐射计的价格高、体积大，一般仅用于实验室测量。随着技术的进步和价格的降低，小型便携式光谱型辐射照度计的应用越来越多，但因为探测器不带制冷功能，信噪比低，且带外杂散光大、采样间隔大、波长准确度低、线性度差、光纤扭转时信号变化大等缺点使得测量结果的发散性大，故不能完全满足实际应用的需要。

3)讨论。积分型的紫外辐射照度计成本低，使用方便，且测量结果的重复性、稳定性好，尤其适用于生产过程中的质量控制。积分型紫外辐射照度计的一个发展方向是通过改变探测器的光谱匹配,研制适用于特定波段LED 测量的新型辐射照度计，如适合广泛用于杀菌消毒的280 nm LED 的“UV-280”辐射照度计。因为紫外LED 通常只有一个峰，为拓宽积分型紫外辐射照度计的应用范围，可研制与之匹配的宽波段的探测器。标定这两类照度计时，用与被测辐射源光谱功率分布接近的LED作参照源标定辐照度响应度(光谱型紫外辐射照度计的光谱响应度的标定需用连续光源)，可满足特定的应用需要。这样在不增加仪器成本及复杂的标定技术的情况下，可减小测量结果的误差。

2.2 辐射通量

光谱辐射通量是评价紫外LED芯片、模组、灯具特性和能源转换效率的关键指标，常用于生产过程中的质量控制和产品的性能评价。光谱辐射通量为辐射通量的光谱密集度按波长的分布，该量的符号为Фeλ(λ)，单位为W/nm 。总光谱辐射通量是光源向4π空间发出的光谱辐射通量的总和，其测量方法分为绝对法和相对法。

2.2.1 绝对测量法

绝对测量法又分为变角辐射计法和绝对积分球法[7],变角辐射计示意图见图1。

1)变角辐射计法根据所用探测器的不同细分为变角光谱辐射计法和变角辐射照度计法。其测量原理如下：

变角光谱辐射计在4π立体角内的各个方向的一定距离R处，测量被测光源的辐射照度的光谱密集度，则总辐射通量的光谱密集度

(1)

式中：Eeλ(λ,θ,φ)为被测辐射源在探测面上的辐射照度的光谱密集度，R为辐射源与探测器之间的距离。

辐射源在波长λ1和λ2区间的总辐射通量为

(2)

图1 变角辐射计原理示意图Fig.1 Scheme of gonio-radiometer

变角辐射照度计仅能测量特定波段的总辐射通量Φe，变角辐射照度计在4π立体角内的各个方向 的一定距离R处，测量被测辐射源的光谱辐射照度Ee(θ,φ)，积分得到Φe:

(3)

变角光谱辐射计适用于测量各种紫外LED的总光谱辐射通量和特定波段的总辐射通量，是一种具有普适性的测量方法。因在不同方位被测辐射源的信号幅度变化大，光谱仪所需的积分时间不同，测量过程中一般采用步进扫描模式，即变角辐射计按一定的角度间隔转动，在其停止转动时光谱辐射计进行采样，采样完成后，光谱辐射计再转到下一位置。其优点是不会产生信号丢步，能保证测量的准确度但需要较长的测量时间，有时测量时间长达 5 h,在测量过程中辐射源的波动以及环境温度的变化皆会影响测量结果的准确度。另外一个明显的不确定度来源是光纤的扰动、扭转导致了光谱辐射计的响应度发生变化。

变角辐射照度计仅适用于测量与紫外辐射照度计波段相匹配的辐射源，但其测量时间一般小于40 min,且测量的重复性较好。

2)绝对积分球法。积分球所配用的探测系统可以是光谱辐射计也可以是紫外辐射照度计。这里以探测系统为光谱辐射计为例讨论其测量原理，图2为绝对积分球示意图。

绝对积分球法是通过从积分球的侧壁引入一束参考的辐射通量Φeλ,ref(λ)到积分球内，通过比较参考光谱辐射通量光束的光电信号yref(λ)与被测辐射源的光电信号yt(λ)，计算得到被测辐射源的总光谱辐射通量Φeλ,t(λ)[8]。

(4)

式中Z*(λ)为积分球的空间光谱响应不均匀性修正因子。探测系统为紫外辐射照度计时仅能测量相应特定波段的总辐射通量。紫外辐射照射积分球涂层会产生荧光，应采用截止滤光片消除或减小荧光的影响。

图2 绝对积分球示意图Fig.2 Scheme of absolute integrating sphere radiometer

2.2.2 相对测量法

相对法是日常工作中常用的量值传递和测量方法，与绝对法相比，测量仪器结构简单、价格低、使用方便。根据测量需要探测系统可以选用光谱辐射计或紫外辐射照度计，该法通过被测灯与总光谱辐射通量或总辐射通量已知的标准灯相比较而求得被测灯的总光谱辐射通量Φeλ,t(λ)或总辐射通量Φe,t。

(5)

式中Φeλ,s(λ)为在波长λ处标准灯的辐射通量的光谱密集度，ys(λ)、yt(λ)为在波长λ处标准灯和被测灯的光电信号；Φe,s为标准灯的总辐射通量，ys、yt分别为标准灯和被测灯的光电信号；Z*(λ)、Z*为积分球的空间光谱响应度和空间响应度不均匀性修正因子。

波长小于400 nm的紫外辐射照射积分球的涂层后会产生荧光，用于测量紫外辐射的积分球的涂料除了应具有化学稳定性好、光谱选择性小、光谱反射比高的特点，还应考查其荧光特性。积分球的荧光辐射量及其对测量的影响取决于涂层的材料和制备方法，常用的积分球涂层材料有BaSO4和 PTFE，此外铝粉加清漆或铝喷砂也是一种不错的选择，铝基涂层的最大优点是能耐受高强度的紫外辐射且工艺简单。有研究表明对于253.7 nm 的紫外辐射铝基涂层的荧光比BaSO4低1.35倍[10]。铝基涂层在 250～300 nm 间的光谱平坦性优于BaSO4与PTFE接近，如表2所示。但其漫反射比仅为70%左右，比较适用于测量高功率的紫外辐射源。为保证测量结果的准确性，应对积分球的荧光效应进行评价，评价方法为在积分球内、外分别测量高紫外辐射源的总辐射通量和辐射照度，按式(6)计算[10]。

(6)

3 结语

紫外LED的光谱分布、功率水平、空间分布与传统的人工紫外辐射源不同，因此其测量方法不能完全套用紫外气体放电灯的测量方法。紫外光谱辐射计可适用于各种光谱的紫外LED的测量，但在使用过程中亦存在许多不确定度来源，光谱仪标定所使用的溴钨标准灯的波段仅能覆盖至250 nm,且标准灯的光谱密集度明显低于可见波段，测量时信噪比低；氘灯的光谱虽然能覆盖整个紫外波段至可见波段，但其稳定性和重复性偏低。另外便携式光谱型紫外辐射照度计自身的性能也是影响测量准确度的重要因素，如带外杂散光、带宽、采样间隔设置、线性、光纤扰动及探测器是否致冷等。紫外辐射照度计仅适用于特定峰值的LED的测量，但测量的重复性、稳定性优于光谱型紫外辐射照度计。为了提高紫外LED测量的准确性满足不同波长LED测量的需要，应针对特定的量大面广的应用，研制相应的积分式的辐射照度计。如针对用于杀菌消毒的280 nm的LED，首先从标准的层面规定紫外探测器的光谱响应度，研发相应的紫外辐射照度计“UVC-280”，丰富紫外辐射照度计的品种，解决实际应用的需求。