Устройства, генерирующие УФ-излучение*
*Окончание. Начало см. «Флексо Плюс» № 1–2006

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

Для облучения фотополимеризующихся пластин технологически удобно и экономически целесообразно использовать в качестве источника света панель (от нескольких штук до двух–трех десятков) люминесцентных УФ-ламп низкого давления, излучающих в основном в УФ-А области. Но такой многоламповый источник света создает эффект рассеивания (пересекающихся лучей, так называемого диффузного излучения) от разноудаленных ламп панели и формирует печатающие элементы в виде усеченных пирамид с углом наклона боковых граней к основанию меньше 60°. Это вызывает закопировку и слишком большое (до 10–15%) увеличение размера точек отпечатанного изображения по сравнению с оригиналом. Частично этот недостаток устраняет применение точечного источника света (мощной металлгалоидной лампы высокого давления), удаленная от поверхности пластин. Светонаправляющая конструкция (рефлектор) создает поток, содержащий лишь небольшое количество рассеянного света, который формирует более утонченный рельеф печатающих элементов с большим углом наклона боковых граней, приближающийся к вертикальному.

Рис. 1. Спектр излучения эксимерной лампы, заполненной хлоридом ксенона

Рис. 2. Распределение интенсивности света панели ламп ЛУФ-80 на расстоянии 5 см от поверхности ламп

Нетривиальное решение задачи равномерного облучения фотополимеризующихся материалов (ФПМ) может быть достигнуто использованием движущейся параллельно поверхности пластины дуговой ртутной лампы среднего давления мощностью до нескольких киловатт и длиной до 1,5 м. Несмотря на большую мощность источника и малое расстояние между лампой и поверхностью пластины, нежелательный нагрев ФПМ предотвращают постоянным возвратно-поступательным перемещением лампы, которое продолжается до тех пор, пока доза облучения (произведение количества квантов света определенной энергии на время облучения) на единице поверхности пластины не достигнет заданной величины.

При фотоинициированной полимеризации жидких фотополимеризующихся материалов (ЖФПМ) в аэробных условиях трудно избежать ингибирующего влияния кислорода воздуха, прежде всего из-за большой скорости его диффузии извне и небольших толщин облучаемых материалов (толщины слоев красок и лаковых покрытий не превышают десятка микрон), что способствует их полному и быстрому насыщению кислородом. Для сокращения длительности индукционного периода в этом случае прибегают к облучению ФПМ большими интенсивностями излучения либо облучением материалов в анаэробных условиях, что достигается насыщением зоны облучения инертным газом. Создание большой интенсивности излучения требует применения мощных ртутно-дуговых или металлгалоидных источников света, эффективного концентрирования светового потока и наличия всего комплекса оборудования, обеспечивающего штатный режим эксплуатации.

Недавно предложены новые источники УФ-излучения - так называемые эксимерные лампы, которые предназначены для фотополимеризации УФ-лаков и УФ-красок. Название «эксимер» (от excited dimer (eximer) - возбужденный димер) говорит о механизме действия таких источников. Рабочим телом эксимерных ламп являются возбужденные комплексы или димеры гомо- или гетероядерных молекул, например, XeCl, KrCl, Ar2. Распад возбужденных эксиплексов вызывает излучение света с характерным для каждого вида молекул максимумом полосы излучения. Для фотополимеризации лаков и красок рекомендованы эксиплексные лампы, заполненные хлоридом ксенона, которые имеют наиболее интенсивное излучение: около 310 нм (рис. 1). При работе таких источников не образуется озон, а температура в рабочей зоне не превышает 30°С.

Светонаправляющие конструкции

Рис. 3. Изоэнергетические проекции распределения света панели ламп ЛУФ-80 на рабочей поверхности

Рис. 4. Зависимость коэффициентов отражения различных материалов от длины волны: 1 - алюминий; 2 - хром; 3 - серебро

Для синхронного протекания фотохимических реакций в различных участках ФПМ, а также достижения при этом их одинаковых (изотропных) физико-химических и физико-механических свойств необходимо равномерное по интенсивности (изоэнергетическое) облучение всей поверхности ФПМ. С этой целью используют светонаправляющие конструкции (СНК), которые формируют и усиливают световой поток. Чаще всего их называют рефлекторами, но такое название указывает лишь на одну функцию - отражение света, тогда как СНК могут и сепарировать излучение различных длин волн. Необходимость использования СНК подтверждается даже в случае использования панели люминесцентных УФ-ламп. На рис. 2 показано распределение в пространстве энергии излучения от панели, состоящей из 10 ламп ЛУФ-80, и изоэнергетические контуры (рис. 3) на рабочей поверхности (столе) облучателя. Виден неравномерный характер распределения светового потока в различных участках облучаемый поверхности. Для исправления такого искажения и необходимо применять СНК.

Отражательная характеристика различных материалов зависит, в частности, от их химического состава и длины волны отражаемого света. На рис. 4 приведена зависимость коэффициента отражения света в области УФ- и видимого диапазона различными материалами. Алюминий характеризуется высокими коэффициентами отражения света в видимом и УФ-диапазонах, тогда как других материалы отражают УФ-излучение заметно хуже, что характерно, например, для серебра. Высокими коэффициентами отражения УФ-света характеризуются также оксиды бария и магния. Алюминий имеет высокое значение теплопроводности, что важно для обеспечения эффективного теплоотвода из рабочей зоны, поэтому алюминий является одним из основных конструктивных материалов для изготовления СНК.

Размеры и геометрические параметры СНК зависят, прежде всего, от назначения агрегатов, но в полиграфии преимущественно применяют конструкции, имеющие параболическую или эллиптическую формы. Параболические СНК используются для формирования потока излучения равной интенсивности по всей облучаемой поверхности от точечных источников света (рис. 5). Такие устройства целесообразно применять для облучения пластин ФПМ различных типов.

Рис. 5. Схема отражения излучения точечного источника света параболическим рефлектором

Эллиптический профиль СНК применяют для фокусирования излучения в одном из двух фокусов эллипсоида, в то время как во втором из фокусов расположен источник света. Излучение фокусируют на облучаемый материал (рис. 6). Такие устройства необходимы для аэробного отверждения ЖФПМ (УФ-красок и УФ-лаков). Отраженный эллиптическим рефлектором свет частично попадает на лампу, что вызывает ее перегревание и уменьшение ресурса работы. Этого конструктивного недостатка лишена СНК эллиптического профиля с измененной геометрией вершины (рис. 7), что позволяет направлять и фокусировать поток излучения только на запечатываемый материал, минуя лампу.

Для улучшения теплоотвода от источника света предложен отражатель с открытой вершиной, над которой располагается второй отражатель, направляющий излучение, минуя лампу, на основной отражатель, который фокусирует свет на запечатываемый материал. Такая конструкция СНК обеспечивает эффективную вентиляцию источника света и рабочего пространства, а также концентрирует излучение в зоне перемещения запечатываемого материала.

Основная проблема, возникающая при использовании ртутно-дуговых ламп высокой мощности, то есть высокого и сверхвысокого давления, а также ламп, содержащих в качестве рабочей среды и другие элементы или соединения, заключается в необходимости эффективного отвода тепла от лампы и из рабочего пространства для предотвращения перегрева источника света (значительное сокращение срока эксплуатации) и неконтролируемого повышения температуры запечатываемого материала (недопустимая деформация, особенно тонких полимерных пленок, влияние на их физико-механические свойства). Источником тепла является ИК-излучение, выделяемое лампой при работе, а его доля немалая и достигает 60% от общего энерговыделения ртутно-дуговой лампы высокого давления. Очевидное решение проблемы - разделение энергопотоков источника излучения и использование только УФ-части спектра. Такое решение технически реализовано в конструкциях СНК, имеющих дихроичные отражатели.

Рис. 6. Схема отражения излучения точечного источника света эллиптическим рефлектором

Рис. 7. Схема эллиптической СНК с измененной конструкцией вершины

Дихроизм - различное поглощение веществом света, зависящее от ориентации электрического вектора световой волны. Дихроичные отражатели состоят из профилеобразующей конструкции, изготовленной из алюминия или специального термостойкого стекла и дихроичного покрытия, нанесенного на внутреннюю (обращенную к лампе) поверхность отражателя. Дихроичное покрытие - многослойная система из нескольких десятков (до 40–50) тонких слоев материалов с различными показателями преломления и строго определенной толщиной каждого слоя, нанесенных на полированную подложку (алюминий или специальное стекло). Слои наносят многоразовым напылением при вакуумировании в среде чистого аргона. Химическая природа материалов дихроичного напыления определяется световыми параметрами конструкции. Для сепарации ИК-, видимого и УФ-излучения применяют слои оксидов кремния и титана с коэффициентами преломления 1,46 и 2,4 соответственно. При прохождении света через слои с различными показателями преломления наблюдается полное внутреннее отражение, которое многократно повторяется. Изготовленное с применением этих материалов покрытие отражает до 90–98% УФ-излучения и одновременно пропускает до 80% ИК-излучения. Отражательная характеристика многослойного дихроичного покрытия на основе диоксидов кремния и титана показана на рис. 8. Для полного отделения ИК-составляющей спектра применяют тепловые (на кварцевой основе) фильтры, которые располагают между лампой и запечатываемым материалом (рис. 9).

Аксессуары

Напряженность электрического поля между электродами лампы зависит от многих факторов, но с ростом силы тока градиент потенциала уменьшается, то есть такой разряд имеет падающую вольт-амперную характеристику, что требует ограничения силы тока в цепи включением дополнительного балластного элемента (сопротивления). В противном случае неограниченный рост тока в цепи будет продолжаться до полного разрушения (взрыва) лампы. Роль балластов, ограничивающих ток лампы при включении в сеть переменного напряжения, выполняют активные, индуктивные или емкостные сопротивления или их комбинации. Если лампу подключают в сеть постоянного тока, то используют только активное сопротивление. В любом случае балласт должен быть таким, чтобы вольт-амперная характеристика схемы в целом имела отчетливо выраженный возрастающий характер. Включение лампы в схему постоянного тока невыгодно, что связано с дополнительным расходом мощности (КПД схемы в целом до 60%). Схемы включения ртутных ламп в сеть переменного тока значительно экономичнее, а главным преимуществом индуктивного балласта (дросселя), который применяется при таком включении, являются малые потери мощности. Для стабилизации мощности ламп используют специальные дроссели с высокой магнитной индукцией сердечника и трансформаторы. Мощные лампы (до 12 кВт) включают в сеть со специальными устройствами, обеспечивающими высоковольтное (до 2000 вольт) питание ламп. Лампы низкого давления включают в сеть переменного тока с последовательным подсоединением дросселя и прерывателя (стартера) к двум электродам лампы. Разработаны и применяются также высокочастотные электронные пуско-регулирующие устройства. Стабилизация параметров электропитания ламп (тока и напряжения) является важным, но не исключительным фактором, обеспечивающим постоянство интенсивности света и спектрального распределения. Важными факторами влияния могут быть температура окружающей среды, загрязнение колб ламп (внутреннее и внешнее) и др.

При снижении напряжения в сети ниже нормируемого показателя происходит отключение лампы, а ее быстрое повторное включение невозможно, так как чем выше температура стенок колб лампы и, соответственно, давление паров ртути, тем более высокое значение напряжения между электродами необходимо для пробоя газоразрядного промежутка. Например, при температуре колбы около 500°С необходимое напряжение зажигания достигает 4000 вольт. Повторное включение лампы возможно после перерыва, во время которого ее температура понизится ниже 200°С. Длительность перерыва зависит от условий охлаждения лампы, состава и давления наполняющего лампу газа и достигает 5–15 мин.

Рис. 8.Спектр, отраженный дихроическим покрытием, состоящим из диоксидов кремния и титана

В связи с вышесказанным разработаны специальные схемы включения ламп, предусматривающие два режима: режим работы и режим ожидания, в котором лампа потребляет лишь около 20% энергии и готова для быстрого перехода в рабочий режим горения. Использование закрывающихся шторок, расположенных между лампой и облучаемым материалом, также позволяет не выводить лампу из рабочего режима во время небольших перерывов. Наличие таких затворов предотвращает плавление запечатываемого материала (тонких полимерных пленок) во время остановки машины. Иногда для исключения перегрева пленок СНК поворачивают на 180° во время остановки в работе.

Вентилирование работающих ртутно-дуговых ламп необходимо для предотвращения их перегрева и удаления озона из рабочей зоны. Для эффективного теплоотвода от дихроичного рефлектора его внешнюю поверхность охлаждают воздухом или водой. При воздушном обдуве специально увеличивают площадь охлаждаемой поверхности, а при водном в корпус рефлектора монтируют трубопроводы для циркуляции теплоносителя. Рекомендуется использовать специально очищенную или дистиллированную воду.

Для предотвращения искажения рельефного изображения по сравнению с оригиналом необходимо обеспечить плотный контакт негатива и поверхности фотополимеризующихся пластин, что достигается вакуумированием пространства между негативом и пластиной. Фотополимеризующиеся пластины размещают на рабочих столах, изготовленных из алюминия. Поверхность таких столов-пластинодержателей покрыта сетью взаимоперпендикулярных канавок глубиной 2–3 мм, которые в некоторых местах пересечений соединены с вакуумной системой (ресивер, вакууметр и вакуумный насос). На столе размещают пластину, негатив и сверху затягивают тонкой и прозрачной или матированной полиэтиленовой пленкой (около 80 мкм), которая полностью пропускает УФ-А излучение и большую часть УФ-В диапазона. Внутреннее пространство такого пакета вакуумируют до 133 Па и затем облучают. Предложены также конструкции систем для удаления воздуха между фотоформой и пластиной ФПМ, состоящие из резинового коврика и валиков, которые вследствие волнообразного движения обеспечивают плотный контакт между фотоформой и пластиной ФПМ при вакуумировании пакета.

Ассортимент

Рис. 9. Схематическое изображение СНК с дихроическим покрытием: 1 - с дополнительным тепловым фильтром; 2 - с принудительным охлаждением облучаемого материала

Все экспонирующие установки комплектуются источниками света, специально рассчитанными для конкретных видов работ. Чаще всего замена вышедшего из строя источника света возможна лишь однотипным. В некоторых случаях возможен выбор подобных источников света других производителей. Небольшой перечень различных типов ламп и их производителей, которые доступны в СНГ, приведен ниже:

Ртутные лампы низкого давления. Диапазон УФ-С:

• ЛБ («Лисма», Саранск, Россия);
  
  
• ТН...8 и ТQ (S. Theimer, Германия);
  
  
• ТН...0 и THO...0 (S. Theimer, Германия);
  
  
• TUV (Philips, Голландия).

Ртутные лампы низкого давления. Диапазон УФ-А:

• ЛУФ (ЗГЛ, Полтава, Украина);
  
  
• TL/05 (Philips, Голландия);
  
  
• TK....W (S. Theimer, Германия).

Ртутные лампы среднего и высокого давления:

• ДРТ (до 12 кВт, «Лисма», Саранск, Россия);
  
  
• ДРЛ (до 1 кВт, «Лисма», Саранск, Россия);
  
  
• ДРШ, ЛБШ (до 1 кВт, «Лисма», Саранск, Россия);
  
  
• HOK/HTK/HTQ/НРМ (до 30 кВт, Philips, Голландия);
  
  
• HQL, HWL (OSRAM, Германия).

Металлгалоидные лампы:

• ТН...0 и THS...0 (S. Theimer, Германия);
  
  
• ДРИ, ДРТИ (до 3,5 кВт, «Лисма», Саранск, Россия);
  
  
• ДРИШ (до 4 кВт, «Лисма», Саранск, Россия).