Materiaalien ikääntymisen spektrisen herkkyyden mittaaminen

Transkriptio

1 TEKNILLINEN KORKEAKOULU Sähkö- ja tietoliikennetekniikan osasto MIKES TKK Mittaustekniikka Materiaalien ikääntymisen spektrisen herkkyyden mittaaminen Ruokolainen Kimmo Mittaustekniikan erikoistyö kurssiin S Erikoistyö Opintopisteet (ECTS): Arvosana (1 5): Ohjaajan allekirjoitus: Tkt Petri Kärhä 1

2 Esipuhe Tämä erikoistyö on tehty mittaustekniikan laboratoriossa kesällä 2005 liittyen UVEMA-projektiin. Haluan kiittää laboratorion henkilökuntaa mahdollisuudesta työskennellä mielekkään aiheen parissa sekä rattoisasti kuluneesta kesästä. Espoo Kimmo Ruokolainen 2

3 Sisällysluettelo 1 Johdanto UV-säteilyn materiaalivaikutukset Kellastuminen Mekaaniset muuutokset Materiaalien spektrinen UV herkkyys Materiaalien suojaaminen UV-säteilyltä Keinotekoinen vanhentaminen Luonnollinen ja kiihdytetty vanhentaminen Laajakaistaisia UV-vanhennustekniikoita Integroivaan palloon perustuva UV-säteilytin UV-lamppu Spektrisiä UV-vanhennustekniikoita Cut-off filter tekniikka Kaistanpäästösuodatus Spektrografinen menetelmä Okazaki large Spectrograph Monokromaattori Yhteenveto menetelmistä Suunnitelma laitteistoksi Valonlähde Teholähde Spektrografi Muut tarvikkeet Demolaitteisto Laitteiston rakenne Irradianssitasot Testivanhennukset Sanomalehtipaperi Polystyreenimuki Lähdeluettelo...36 Liite 1: Kirjallisuuskatsaus.38 3

4 1 Johdanto Teknillinen Korkeakoulu on mukana UVEMA-projektissa, joka on TEKES:in, Tampereen Teknillisen Yliopiston sekä Ilmatieteenlaitoksen yhteinen projekti. Projektin tarkoituksena on tutkia UV-säteilyn aiheuttamaa materiaalien vanhentumista ja materiaalien spektristä herkkyyttä. Projektissa mukana olevat yritykset ovat; Exel Oy, Nokian kumirenkaat Oyj, MacGregor (FIN) Oy ja Oy All-Plast Ab. Projekti sisältää mittavan materiaalin testausohjelman ulkoilmassa. Ilmatieteenlaitoksen yhteistyökumppanit muualla Euroopassa ovat sitoutuneet ottamaan vastaan materiaalinäytteitä, jotka sijoitetaan ulkoilmaan auringon paisteeseen. Näin verrataan sekä auringon että mahdollisten ilmansaasteiden aiheuttamia vahinkoja luonnollisissa olosuhteissa. Suomessa ilmatieteenlaitoksen observatorioista mukana ovat Jokioinen ja Sodankylä. Ulkomaiset observatoriot sijaitsevat Saksassa, Italiassa, Kreikassa ja Espanjassa. TTY:n tehtävä projektissa on analysoida materiaalinäytteet ja kehittää matemaattisia malleja kuvaamaan materiaalien valohajoamista. TKK:n osuus UVEMA-projektissa on suunnitella, rakentaa ja karakterisoida UVsäteilytyslaitteisto, jolla voidaan määrittää materiaalien aktivaatiospektrejä. Aktivaatiospektri kuvaa materiaalin ominaisuuksien muutosta UV-säteilyn aallonpituuden funktiona. Laitteistolta vaadittuja ominaisuuksia ovat kyky jakaa säteily monokromaattisiin kanaviin sekä tarpeeksi korkea spektrinen tehotaso. Valmistuttuaan laitteisto jää Ilmatieteenlaitoksen omistukseen. Tämä erikoistyö sisältää kirjallisuuskatsauksen olemassa oleviin menetelmiin, joita on käytetty materiaalien vanhentamisessa ja määritettäessä niiden aktivaatiospektrejä. Lisäksi työssä esitellään alustava suunnitelma rakennettavaksi laitteistoksi. Kappaleessa 2 käydään läpi UV-säteilyn yleisimpiä vaikutuksia materiaaleihin, joita ovat kellastuminen ja mekaanisten ominaisuuksien muutokset. Kappaleessa on esitelty myös kirjallisuudesta löydettyjä materiaalien aktivaatiospektrejä sekä keinoja suojata materiaaleja UV-säteilyn aiheuttamalta vanhenemiselta. Kappaleessa 3 esitellään erilaisia vanhennustekniikoita. Näitä ovat mm. auringon valon sekä erilaisten aurinkosimulaattoreiden käyttäminen. Kappaleessa käydään läpi myös perustekniikat, joilla tutkitaan materiaalien aktivaatiospektrejä sekä selostetaan kahden erilaisen 4

5 laitteiston toiminta. Kappaleessa 4 esitellään suunnitelma rakennettavaksi laitteistoksi. Kappaleessa on kuvattu laitteiston tärkeimmät komponentit sekä listattu tarvittavat osat. Kappaleessa 5 esitellään tekemäämme demolaitteistoa, jolla suoritimme testivanhennuksia. Testivanhennukset, joissa vanhensimme paperia ja polystyreeniä, on myös analysoitu tässä kappaleessa. Liitteessä 1. on luetteloitu artikkelit, joihin tutustuin tehdessäni tätä erikoistyötä mutta en viitannut niihin. Artikkelit menevät osittain päällekkäin tässä työssä viitteinä olleiden artikkelien kanssa mutta asiasta kiinnostuneelle ne voivat tarjota mielenkiintoista informaatiota. 2 UV-säteilyn materiaalivaikutukset Sähkömagneettista säteilyä, jonka aallonpituus on nm, kutsutaan ultravioletti eli UV-säteilyksi. UV-säteily jaetaan kolmeen alueeseen; UVC ( nm), UVB ( nm) ja UVA ( nm). Lyhytaaltoisinta eli korkeaenergisintä UVC säteilyä ei pääse maan pinnalle, vaan se absorboituu otsonikerrokseen. Otsonikerros vaimentaa toki UVA ja UVB säteilyäkin, mutta osa pääsee maan pinnalle. Intuitiivisesti materiaalin kannalta vahingollisinta on UVB säteily, joka on maahan tulevasta UV-säteilystä korkeaenergisintä. Materiaalin kemiallisten sidoksien voimakkuus suhteessa absorboidun fotonin energiaan määrää sen, pystyykö fotoni katkomaan polymeeriketjuja. Säteilyn aallonpituus ei yksin määrää vahingollisuutta sillä materiaalin heijastavuus eri aallonpituuksilla vaikuttaa absorboituun säteilyannokseen. Maanpinnalle tuleva UV-säteily sisältää enemmän UVA:ta kuin UVB:tä, jolloin matalamman energian UVA säteily absorboituessaan voi aiheuttaa suuremman annoksen ja vaurioittaa myös materiaalia. Lisäksi ilmaston aiheuttamaan vanhenemiseen vaikuttavat olennaisesti lämpötila, suhteellinen kosteus ja molekyylien välisten sidosten katkeamisista syntyvät tuotteet [1]. Englanninkielisessä kirjallisuudessa puhutaan valohajoamisesta tai valon aiheuttamasta hajoamisesta (Photodegradation). Käsite pitää sisällään kaikki vauriot ja viat, joita UVsäteily ja näkyvä valo saavat aikaan. Materiaalin muutoksia ovat esimerkiksi pinnan kiillottomuus, naarmuuntuminen ja halkeilu, polymeereillä myös samentuminen ja kellastuminen. Myös mekaaniset ominaisuudet muuttuvat. Materiaalin iskunkestävyys, vetomurtolujuus ja venymä voivat sovelluskohteesta riippuen olla tärkeitä parametreja. 5

6 UV-säteilyn tärkeimmät haittavaikutukset luonnollisille ja synteettisille materiaaleille ovat kellastuminen ja mekaanisen kestävyyden heikkeneminen [1]. UV-säteilylle altistetussa polymeerissä säteily aiheuttaa monia kemiallisia reaktioita, jotka vahingoittavat materiaalia eri tavoin. Näistä reaktioista nopein ja näkyvimmän muutoksen aiheuttanut määrää yleensä materiaalin käyttöiän. Riippuen käyttökohteesta voi materiaalin kosmeettinen muutos olla ratkaisevaa. Toisaalta, vaikka polymeeri olisi muuttanut väriään, eivät sen mekaaniset ominaisuudet ole välttämättä muuttuneet niin paljoa, että se estäisi käytön. Pelkän UV-säteilyn vaikutuksien tutkiminen ei siis anna oikeaa kuvaa materiaalin kestävyydestä, sillä lämpötilalla ja kosteudella on suuri merkitys. Valohajoamisessa lämpötila kiihdyttää reaktioita huomattavasti. Saudi-Arabiassa tehdyissä kenttäkokeissa altistettiin näytteitä auringonvalolle kahdessa eri sääkammiossa. Toisen kammion sisälämpötilaa sekä suhteellista kosteutta voitiin säätää toisen kammion ollessa ympäristön olosuhteissa. Säädettävän kammion lämpötila pidettiin 25 C:ssa toisen kammion lämpötilan kohotessa pahimmillaan 60 C:een. Näytteet, jotka olivat korkeammassa lämpötilassa, vanhenivat huomattavasti nopeammin [2]. 2.1 Kellastuminen UV-säteily aiheuttaa, sekä luontaisille biopolymeereille että synteettisille polymeereille, kellastumiseksi kutsutun reaktion. Polymeerin pinnan väritys kellastuu säteilyannoksen kasvaessa. Kirkkailla materiaaleilla kellastuminen aiheuttaa materiaalin värin muuttumisen läpikotaisin, kun taas sameilla tai läpinäkymättömillä aineilla värin muuttuminen rajoittuu pintakerrokseen. Kellastumisen kemiallinen periaate esimerkiksi ligniiniä ja selluloosaa sisältävälle paperille on monimutkainen reaktiosarja, joka ei ole vielä täysin tunnettu [3]. Andrady et al [3] mukaan sanomalehtipaperin kellastumisen aiheuttaa lyhytaaltoinen UV-säteily, kun taas aallonpituudet välillä nm aiheuttavat sellun kirkastumista. Sama ilmiö on havaittu myös villalle. Materiaalien raportoituja vaikutusspektrejä on kerätty taulukoihin 1 ja 2 luvussa

7 2.2 Mekaaniset muuutokset Mekaanisia muutoksia polymeerissä aiheuttavat molekyyliketjujen katkeaminen sekä ristisilloittuminen. Runsasenergiset UV-fotonit voivat katkoa molekyyliketjuja, mikä huomataan keskimääräisen molekyylipainon pienentymisenä. Molekyylipainon pienentyminen aiheuttaa materiaalissa iskunkestävyyden ja jännitysominaisuuksien heikkenemistä. Ristisilloittuminen aiheuttaa pehmeiden ja kumimaisten polymeerien kovettumista sekä pienentää niiden venytettävyyttä [3,1]. 2.3 Materiaalien spektrinen UV herkkyys Monilla materiaaleilla on ominainen UV-säteilyn aallonpituus, joka aiheuttaa materiaalissa tiettyjä muutoksia. Kuten kohdassa 2.1 tuli ilmi, kellastuttaa UV-säteily paperia ja villaa, kun taas vastaavasti pidempiaaltoinen UV-säteily valkaisee niitä. Taulukkoon 1 ja 2 on koottu useissa tutkimuksissa selvitettyjä materiaalien UVvaikutusspektrejä. Kaikki tulokset taulukossa 1 on saatu käyttämällä cut-on filter tekniikkaa, jonka periaate selvitetään kappaleessa 3.3. Taulukkoon 2 on koottu cut-on filter tekniikalla, sekä spektrografisella menetelmällä saatuja aktiivisia aallonpituusalueita. Spektrografinen menetelmä selitetään kappaleessa Taulukoissa olevien aktiivisten aallonpituusalueiden erot samojen materiaalien välillä johtuvat todennäköisesti kahdesta syystä. 1) Materiaaleissa on käytetty erisuuruisia määriä erilaisia stabilaattoreita ja 2) mittausolosuhteet eivät ole vertailukelpoisia. 7

8 Taulukko 1 Polymeerien mitattuja UV-vaikutusspektrejä [3]. Taulukon sanomalehtipaperi on tehty mäntysellusta. Aallonpituusalue, jolla suurin aktiivisuus Polymeeri vaurio 1 sanomalehtipaperi kirkastuminen 2 sanomalehtipaperi kellastuminen 3 villa kellastuminen 4 PVC (kiinteä, 0% kellastuminen TiO 2 ) 5 PC (ei stabiloitu) kellastuminen 6 PC (stabiloitu) kellastuminen 7 polystyreeni kellastuminen vaahto 8 polypropyleeni spektroskopia 9 polypropyleeni venyvyys 10 polyetyleeni spektroskopia 11 polyetyleeni venyvyys (puristettu) 12 polyetyleeni venyvyys kalvo 13 ECO kalvo venyvyys 14 Nylon spektroskopia 290nm 310nm 330nm 350nm 370nm 8

9 Taulukko 2 Polymeerien aktivaatiospektrien mitattuja maksimeja. Säteilynlähteenä on käytetty xenonlamppua, jonka säteily on suodatettu boorisilikaattilasilla [1]. Polymeeri Mitattu muutos Näytteen paksuus (mm) "Cut-on filter tekniikka, suurin muutos (nm) Näytteen paksuus (mm) Spektrografinen menetelmä, suurin muutos (nm) Akryylinitriili- butadieeni - styreeni Kellastuman kirkastuminen 2, , Iskunkestävyys 2,54 >380 0, Iskunkestävyys 2, a - - 2,54 >380 b - - Nailon-6 UV, moduuli -? 390, 450 Polyamidit (aromaattiset) Kellastuminen ja vetolujuus -? 360, 370, 414 c Polyarylaatti Kellastuminen 0, , Polykarbonaatti Kellastuminen 0,71 <300, ,11 295, Polyeteeni Kellastuminen - - 0, C=O - - 0, Polyeteeni-naftalaatti Kellastuminen - - 0, FTIR, moduuli Polypropyleeni UV 0,25-0,38 295, 330, 370 C=O 1, , Vetolujuus 1, a - - Vetolujuus b - - Polystyreeni Kellastuminen 3, , Polysulfoni Kellastuminen 0, , C=O; OH - - 0, Polyuretaani (aromaattinen) Kellastuminen - -? d PVC-muovi Kellastuminen 1, , d a Lyhyt altistus, b Pitkäaikainen altistus, c Kalvoja ja kuituja, d Useita näytteitä 9

10 2.4 Materiaalien suojaaminen UV-säteilyltä Polymeerien vastustuskykyä UV-säteilylle parannetaan käyttämällä pinnoitteita sekä UV-stabilaattoreita. Pinnoite on UV-säteilyä hyvin kestävää materiaalia, joka suojaa alla olevaa materiaalia varjostamalla ja absorboimalla säteilyn. Pinnoitteen kiinni pysyminen voi tuottaa ongelmia pinnoitteen mekaanisten ominaisuuksien muuttuessa. Esimerkiksi pinnoitteissa käytetty titaanidioksidi voi ajan kuluessa rapautua ja muodostaa helposti irtoavan kerroksen. Stabilaattorit sekoitetaan valmistusvaiheessa polymeerimassaan (noin 0,05-2,0 p- %) ja riippuen muovin laadusta voi stabilaattorin osuus hinnasta olla useita kymmeniä prosentteja. Stabilaattorimolekyylit jaetaan kahteen ryhmään sen mukaan kuinka ne heikentävät UV-säteilyn vaikutuksia: Ensimmäisen ryhmän stabilaattorit absorboivat UV-fotonin ja muuttavat sen energian lämpövärähtelyksi. Näin UV-säteilylle herkät atomisidokset säästyvät eivätkä materiaalin ominaisuudet muutu. Tärkeimmät absorbaattorit ovat Benzophenone (Chimassorb line) ja benzotriazole (Tinuvin line). Myös maaleissa ja pinnoitteissa käytetty titaanidioksidi kuuluu absorboiviin suoja-aineisiin. Toiseen ryhmään kuuluvat stabilaattorit, jotka hillitsevät ja huuhtelevat UV:n aiheuttamia radikaaleja. Englanninkielinen termi näille aineille on free-radical scavenger. Tähän ryhmään kuuluvat nykyisin paljon käytetyt Hindered Amine Stabilizers eli HALS:it. Kun materiaalin aktivaatiospektri tiedetään, voidaan sitä käyttää hyväksi valittaessa sopivia stabilaattoreita ja väriaineita. Oikein valitun stabilaattorin absorptio on suurimmillaan juuri sen aallonpituuden kohdalla, joka aiheuttaa materiaalille suurinta tuhoa. Jos UV-kestävyyttä halutaan parantaa edelleen, lisätään stabilaattoria, jonka absorptiopiikki osuu materiaalin toiseksi herkimmälle aallonpituudelle. Näin toimittaessa täytyy ottaa huomioon, että yhden stabilaattorin lisääminen saattaa muuttaa materiaalin aktivaatiospektriä muillakin aallonpituuksilla kuin vain halutuilla. 3 Keinotekoinen vanhentaminen Tässä luvussa esitellään kirjallisuudesta löytyneitä UV-vanhennustekniikoita, joita käytetään tutkimuksessa ja teollisuudessa. Vanhentamismenetelmät perustuvat joko auringon säteilyyn tai keinotekoiseen säteilylähteeseen. Auringon säteilyä käytettäessä saadaan varmasti luonnonmukaiset olosuhteet mutta ikäännyttämisajat ovat pitkiä. 10

11 Keinotekoista säteilylähdettä käytettäessä saadaan suurempia tehotiheyksiä ja täten lyhyempiä käsittelyaikoja. Haluttaessa tutkia tiettyjen aallonpituuksien vaikutuksia, tarjoaa keinotekoinen lähde ylivoimisia etuja verrattuna auringon säteilyyn. Kaikki tässä erikoistyössä esitellyt materiaalin testausmenetelmät on standardisoitu ASTM:n toimesta (The American Society for Testing Materials). Poikkeuksen tekee kaistanpäästösuodattimien käyttäminen aktivaatiospektrin määrittämisessä, mistä en löytänyt standardia. Myös muut organisaatiot ovat standardoineet materiaalien ikäännyttämismenetelmiä mm. ISO (International Standards Organization) ja DIN (German Institute for Standards). Standardeissa kuvataan tarkemmin kussakin menetelmässä huomioon otettavia asioita, sekä annetaan vaatimukset vanhentamislaitteille. Eräitä materiaalien testaamiseen liittyviä ASTM standardeja. G90-98 Standard Practice for Performing Accelerated Outdoor Weathering of Nonmetallic Materials Using Concentrated Natural Sunlight. G155-04a Standard Practice for Operating Xenon Arc Light Apparatus for Exposure of Non-Metallic Materials. G Standard Practice for Operating Fluorescent Light Apparatus for UV Exposure of Nonmetallic Materials. G Standard Practice for Determining the Activation Spectrum of a Material (Wavelength Sensitivity to an Exposure Source) Using the Sharp Cut- On Filter or Spectrographic Technique. D Standard Practice for Xenon Arc Exposure of Plastics Intended for Outdoor Applications. 3.1 Luonnollinen ja kiihdytetty vanhentaminen Yksinkertaisimmillaan tutkittava materiaali altistetaan auringon säteilylle, ja materiaalin annetaan vanhentua tutkimuksesta riippuen useita vuosia. Jos materiaali on tarkoitettu ulkokäyttöön, on menetelmä hidas mutta toisaalta tulokset ovat absoluuttisen oikeita vanhentumisen kannalta. 11

12 Lyhyempiin ikäännyttämisaikoihin päästään keräämällä säteilyä peilien avulla laajalta alueelta. DSET laboratoriolla (Atlas Weathering Services Group - DSET Laboratories) on Arizonassa laitteisto, jolla voidaan käsitellä suuriakin kappaleita [5]. Kuvassa 1 on esitetty laitteiston yksinkertaistettu periaatekuva. Kuvassa 2 on valokuva EMMAQUA laitteesta, jossa peileillä kohdistettu säteily vastaa kahdeksaa aurinkoa. Laitteistossa on mahdollisuus ruiskuttaa vettä näytteiden päälle sekä pitää näytteen lämpötila vakiona. Lisäksi laitteisto liikkuu auringon kiertoliikkeen mukana ja kohdistaa koko ajan maksimaalisen säteilyn näytteisiin. Lämpötilan pitäminen stabiilina ja tarpeeksi matalana voi vaatia aktiivista jäähdytystä, esimerkiksi tuulettimia tai kiertovesijäähdytystä. Kuva 1 Aurinkokeräimen yksinkertaistettu kaavakuva. [4] Kuva 2 Atlas yhtiön EMMAQUA laitteisto Arizonassa. [5] 3.2 Laajakaistaisia UV-vanhennustekniikoita Materiaalien UV-säteilyn kestävyyttä on testattu jo vuosikymmeniä laitteistoilla, jotka on varustettu keinotekoisilla säteilylähteillä. Suurin osa markkinoilla olevista laitteistoista perustuu siihen, että näytettä rasitetaan samanaikaisesti UV- ja näkyvänvalon aallonpituuksilla käyttäen xenonlamppuja tai muita UV-lähteitä. Ajan 12

13 säästö testausvaiheessa perustuu siihen että laitteiston irradianssi voi olla moninkertainen verrattuna aurinkoon. Olettaen, että aurinko paistaa 8 tuntia vuorokaudessa ja simulaattorin irradianssi on neljä kertaa korkeampi kuin auringon, vastaa yhden vuorokauden käsittely noin 24h/(8h/vrk)*4 = 12 vuorokauden ulkoilmakoetta. Kuvassa 3 on periaatekuva Orielin aurinkosimulaattorista. Kuvasta 3 poiketen joissakin malleissa näytteet laitetaan pystysuorassa olevan lieriön seinille ja xenonlamppu on lieriön keskellä. Lieriötä pyörittämällä kompensoidaan säteilyn epätasaisuudesta johtuvat näytteiden saamat erisuuret säteilyannokset. Kuva 3 - Aurinkosimulaattorin periaatteellinen kuva. [6] Kuvan laitteistossa ei ole IR-suodatusta. Kuvan 3 laitteessa oleva optinen integraattori tasoittaa säteilyn spatiaalisesti eli se toimii diffuuserina. Käyttämällä integraattoria pyritään näytealueen säteily saamaan mahdollisimman tasaiseksi. Tasaisuus on tarpeen, jotta mittausten toistettavuus olisi hyvä ja ikäännytetyiden näytteiden keskinäinen vertailu onnistuisi. Integraattorina voi toimia normaali levydiffuuseri tai integroiva pallo. Integroivaan palloon perustuva UVikäännyttämislaitteisto on esitelty kappaleessa Säteilylähteenä käytetään xenonkaaripurkauslamppua, jonka spektri UV-alueella on samankaltainen kuin auringon spektri maanpäällä. Spektrejä on verrattu kuvassa 4. Vaikka spektrit muistuttavatkin toisiaan, suodatetaan xenonlampun tuottama UVCsäteily pois. Suodattimena käytetään usein boorisilikaatti [7] eli Pyrex lasia, jonka rajaaallonpituus on ~ nm. 13

14 Irradianssi / (W/m 2 /nm) Aurinko xenonlamppu Irradianssi / (W/m 2 /nm) Aallonpituus / (nm) Kuva 4 Auringon (ylempi) ja xenonlampun spektriset irradianssit. [8] Verrattaessa useita lamppuja, esimerkiksi elohopea-, metallihalidi, xenon- ja hiilikaarilamppuja, vastaa xenonlampun spektri parhaiten auringon spektriä. Elohopeaja metallihalidilamput tuottavat runsaasti UV-säteilyä, mutta niiden spektrit sisältävät voimakkaita ominaisaallonpituuksia UV-alueella, mikä rajoittaa niiden käyttöä ikäännyttämisessä. Myös xenonlamppu tuottaa voimakkaita spektrikomponentteja, jotka poikkeavat auringon spektristä. Nämä komponentit sijaitsevat kuitenkin enimmäkseen infrapunasäteilyn (IR) alueella, jolloin ne eivät häiritse UV-alueen mittauksia. IR-säteily täytyy kuitenkin suodattaa pois, jottei korkea lämpötila muuttaisi laitteiston optiikan ominaisuuksia, kuten läpäisykertoimia ja rajataajuuksia. Suodatukseen käytetään dikroidisia peilejä ja vesisuodattimia, joiden toimintaperiaatteet on selostettu seuraavissa kappaleissa. Dikroidisen peilin periaate on esitetty kuvassa 5. Dikroidinen peili heijastaa ominaisaallonpituuttaan pienemmät aallonpituudet, kun taas pidemmät aallonpituudet pääsevät peilin läpi. Peilin läpi päässyt säteily absorboituu jäähdytyslevyyn, josta se johtuu ympäröivään ilmaan passiivisesti tai aktiivisesti tuulettamalla. 14

15 Tuleva säteily Heijastuva säteily, λ < λ c Jäähdytyslevyllä varustettu dikroidinen peili, jonka rajaaallonpituus on λ c Kuva 5 Dikroidisen peilin toiminta. Vesisuodattimessa on kaksi sisäkkäistä metallilieriötä, joista ulommaisessa kiertää jäähdytysvesi ja sisempi on täytetty tislatulla vedellä. Sisemmän lieriön päädyt on tehty UV-säteitä läpäisevästä materiaalista, useimmiten kvartsilasista. Säteilyn kulkiessa sisemmän lieriön läpi, absorboituu IR-säteily tislattuun veteen. Sisemmästä lieriöstä lämpö johtuu ulommaiseen lieriöön, jota kiertävä vesi jäähdyttää Integroivaan palloon perustuva UV-säteilytin NIST:ssä on rakennettu suuri, halkaisijaltaan 2 m integroiva pallo, jota käytetään UV säteilytyslaitteistossa. Laitteisto on esitetty kuvassa 6. Kuva 6 NIST:ssä rakennettu UV-säteilytin, jossa käytetään integroivaa palloa. [9] 15

16 Integroiva pallo on ontto pallo, jonka sisäpinta on päällystetty säteilyä diffuusisti heijastavalla materiaalilla. UV-alueella käytettyjä heijastusmateriaaleja ovat bariumsulfaatti ja polytetrafluorietyleeni (PTFE). PTFE:n tunnetumpi nimi on Teflon, joka on DuPont yhtiön tavaramerkki. Muillakin valmistajilla on PTFE tuotteita ja näille kauppanimiä. Esimerkiksi Labspheren tavaramerkki PTFE:lle on Spectralon. Teoreettisesti pallosta ulostuleva säteily on tasaista koko ulostuloaukon alueella. Jotta säteilyn tasaisuus säilyisi, ei sisäänmeno- ja ulostuloaukkojen yhteinen pinta-ala tule olla enempää kuin 5 % koko pallon sisäpinnan alasta. Lisäksi aukkojen sijoittelussa tulee huomioida se, ettei säteily sisäänmenoaukosta näe ulostuloaukkoa suoraan vaan joutuu kulkemaan sinne heijastusten kautta. Joskus voi olla tarpeen sijoittaa integroivanpallon sisäseiniin levyjä, jotka estävät suoran kulkemisen. Näytelaatikko, jonka periaate on esitetty kuvassa 7, sijoitetaan pallon ulkopinnalle. Laitteistolla pystytään käsittelemään yhtä aikaa 32:a näytelaatikkoa, joiden lämpötilaa ja suhteellista kosteutta voidaan säätää. Lisäksi näytelaatikoihin suunnitellaan mekaniikka, joka mahdollistaa näytteiden mekaanisen kuormituksen UVvanhentamisen aikana. Koska näytelaatikot valaistaan integroivasta pallosta tulevalla säteilyllä, altistuvat kaikki näytteet tasaiselle, saman tehoiselle säteilylle. Kuva 7 Näytelaatikon kaaviokuva. [10] Jos halutaan tutkia tiettyjen aallonpituuksien vaikutusta näytteeseen, voidaan näytteet sijoittaa suodattimen taakse. NIST onkin rakentanut valmiin suodatintelineen, joka on kuvassa esitetty 8. 16

17 Kuva 8 Suodatinteline a) ylhäältä b) poikkileikkaus. [10] Valonlähteenä laitteistossa käytetään metallihalidilamppuja, jotka on sijoitettu pallon yläosaan. Valonlähteiden yhteenlaskettu teho on 8400 W. Jokaisen polttimon säteily heijastetaan ellipsoidisella peilillä, joissa on dikroidiset päällysteet. Heijastimet poistavat % palloon menevästä infrapunasäteilystä. Ennen palloon menoa säteily suodatetaan vielä boorisilikaatti (Pyrex) lasilla, joka poistaa alle 290 nm aallonpituudet [10] UV-lamppu UVB313 ja UVA340 lamppuja käytetään sääkaapeissa jäljittelemään aurinkoa säteilynlähteenä. UVA340 lampun spektrinen irradianssi on hyvin lähellä auringon spektriä aallonpituusalueella nm. UVB313 ja UVA340 lamppujen spektriset irradianssit on esitetty kuvassa 9. UVA340 Lampun keskiaallonpituus on 340 nm ja puolentehon kaistanleveys on ~50 nm. Vastaavat arvot lampulle UVB313 ovat 313 nm ja ~40 nm. Kuva 9 UVA-340 ja UVB-313 polttimoiden sekä auringon spektriset irradianssit UV-säteilyn alueella. [11] 17

18 Vaikka lamput jäljittelevät hyvin auringon spektriä UV-alueella, niiden soveltuvuus kiihdytettyyn vanhentamiseen ei ole paras mahdollinen. Lampuilla saavutettava tehotiheys on vain noin 10 % xenonlampun vastaavasta [11]. Lisäksi UV-lamppujen spektristä puuttuvat pitkäaaltoiset UV-säteet ja sitä pidemmät aallonpituudet. H. Cao et al [11] tutkivat alumiinilevyn päällä olevan polyuretaani (PU) päällysteen ikääntymistä käyttäen UVA-, UVB- ja xenonlamppuja. PU:n paksuus oli ~200 µm ja pisin vanhentamisaika oli 800 h. Päällysteessä ilmeneviä muutoksia tutkittiin käyttäen hyväksi positroniannihilaatiospektroskopiaa (PAS) ja Doppler levinnyttä energiaspektriä (Doppler-broadened energy spectra, DBES). Mittaukset suoritettiin Japanissa ETL:n (Electrotechnical Laboratory) tiloissa. Tutkimuksessa tehokkain vanhentuminen saavutettiin xenonlampulla johtuen sen UV-lamppuja suuremmasta valotehosta. 3.3 Spektrisiä UV-vanhennustekniikoita Tutkittaessa materiaalin vanhenemista UV-säteilyn aallonpituuden funktiona, käytetään spektrisiä UV-vanhennustekniikoita. Menetelmät mahdollistavat näytteiden vanhentamisen tietyllä UV-säteilyn aallonpituudella tai aallonpituuskaistalla Cut-off filter tekniikka Kirjallisuudessa julkaistuja suodatusmenetelmiä ovat mm. Sharp cut filter, Cut-off filter ja Cut-on filter -tekniikat. Menetelmän nimi riippuu kirjoittajasta, mutta kaikissa käytetään jyrkkäreunaisia ylipäästösuodattimia poistamaan ei-halutut aallonpituudet. Kuvassa 10 on esitetty tekniikan periaatteellinen kuva sekä käytettävien suodattimien läpäisykertoimet aallonpituuden funktiona. 18

19 Kuva 10 - Vasen; ylipäästösuodattimet 1,2,3 on asetettu näytteen päälle. Oikea; Suodattimien läpäisykertoimet aallonpituuden funktiona. [12] Menetelmässä tutkittavan materiaalin ja säteilylähteen väliin laitettu suodatin päästää lävitseen vain raja-aallonpituuttaan pidemmät aallonpituudet [12,13]. Kun suodattimen raja-aallonpituutta pienennetään, kasvaa tutkittavan kohteen saama UV-säteily. Lisääntynyt UV-säteily lasketaan kahden peräkkäisen suodattimen läpäisyfunktioiden erotuksena, mikä on havainnollistettu kuvassa 11. Kun materiaalin UV-absorptio aallonpituuden funktiona tiedetään, saadaan materiaalin absorboima UV-annos laskettua. Vertaamalla materiaalissa ilmeneviä muutoksia suodattimen rajaaallonpituuteen, saadaan selville aallonpituusalue, jossa muutokset tapahtuvat. Kuvaajaa, jossa muutosnopeus esitetään aallonpituuden funktiona, kutsutaan siis aktivaatiospektriksi. Kuva 11 Kuvassa vasemmalla on kahden peräkkäisen suodattimen läpäisyfunktioiden erotus merkitty harmaalla. Oikealla harmaalla maalattu alue kuvaa suodattimien 1 ja 2 läpi pääsevän säteilyn erotusta. [14] 19

20 Koska eri suodatinparien väliset läpäisyfunktioiden erotukset poikkeavat toisistaan kaistanleveyden osalta, täytyy se kompensoida laskettaessa materiaalin aktivaatiospektriä [13,14]. Toinen vaihtoehto on teettää sellaiset suodatinparit, joiden väliset säteilyn lisäykset ovat yhtä suuret [7] Kaistanpäästösuodatus Kaistanpäästösuodattimia (tässä tapauksessa interferenssisuodattimia) käyttämällä päästään eroon suurempien aallonpituuksien yhteisvaikutuksesta. Kaistanpäästösuodattimien heikkous UV-alueella on niiden matala läpäisykerroin, joka on tyypillisesti < 30 %. Lisäksi suodattimien yleinen ongelma on niiden ominaisuuksien muuttuminen käytettäessä. Esim. rajataajuudet ryömivät. Kaistanpäästösuodatin saadaan myös aikaan laittamalla ali- ja ylipäästösuodatin sarjaan. Tällöin päästökaista saadaan valittua halutunlaiseksi. Kahdesta suodattimesta koostuvan systeemin läpäisykerroin tietyllä aallonpituudella on suodattimien läpäisykertoimien tulo kyseisellä aallonpituudella. Vaikeutena näin toimiessa on saada alipäästösuodattimia, joiden raja-aallonpituus on UV-alueella. Akryyliuretaanipinnoitteiden tutkimusta varten on NIST:ssä rakennettu laitteisto, jossa Orielin aurinkosimulaattorin (1 kw xenon) säteily jaetaan kaistanpäästösuodattimilla [15]. Laitteisto on esitetty kuvassa

21 Kuva 12 Koelaitteisto, jolla näytteitä altistetaan eri aallonpituuksilla halutussa lämpötilassa ja kosteudessa. [15] Suodattimet ovat halkaisijaltaan 16 mm ja ne sijoitetaan kuvan 13 mukaisesti ympyrän muotoiseen telineeseen. Suodattimien keskiaallonpituudet ovat 290 nm, 294 nm, 300 nm, 306 nm, 312 nm, 318 nm, 326 nm, 336 nm, 354 nm ja 450 nm. Kahdeksan ensimmäistä suodatinta ovat kapeakaistaisia (FWHM ~ 2-10 nm) ja kahden viimeisen kaistanleveydet ovat yli 10 nm. Suodattimien kaistanleveydet ja läpäisevyydet on esitetty kuvassa 14. Kuva 13 Suodattimien sijoittelu. Kaistanpäästösuodattimet 1-10 sijaitsevat ympyrän kehällä. Suodatin 11 on ylipäästösuodatin, jonka raja-aallonpituus on 300 nm. Suodatin 12 ei päästä säteilyä läpi ollenkaan vaan sen alla oleva näyte toimii referenssinä. [15] 21

22 Kuva 14 NIST:n tutkimuksessa käytettyjen suodattimien kaistanleveydet ja läpäisevyydet. [15] Laitetta käytettäessä suodatinteline asetetaan aurinkosimulaattorin työskentelytasolle näytemateriaalien päälle. Näin näyte altistuu suodattimen määräämälle aallonpituuskaistalle. Laitteistoon kuuluu myös robottikäsi, joka siirtää näytteet automaattiseen analysaattoriin. Robottikäteen on kiinnitetty spektrometriin menevä valokuituinen mittapää, joka mahdollistaa säteilyn mittaamisen koko säteilyttämisen ajan. Lisäksi näytteiden lämpötilaa ja suhteellista kosteutta voidaan säätää. Tutkimuksessa testattavat kalvot olivat 8 µm + 1 µm ohuita ja niitä säteilytettiin yli kahdeksan kuukauden ajan Spektrografinen menetelmä Spektrografisessa menetelmässä lähteestä tuleva säteily ohjataan prismaan tai hilaan, jossa säteilyn spektrikomponentit taittuvat eri suuntiin kuten kuvassa 15. Tutkittavat näytteet asetetaan hilan tai prisman polttotasolle, jossa ne altistuvat (lähes) monokromaattiselle säteilylle. Näytteen paikka polttotasolla määrää siihen kohtaan tulevan säteilyn aallonpituuden. Hilan hyötysuhteeseen tietyllä aallonpituudella vaikutetaan porraskulmalla (englanniksi blaze angle). 22

23 Eri suuntiin taittuneet spektrikomponentit Hilan normaali 400nm 200nm Hilalle menevä valo 600nm Porraskulma Hila Kuva 15 Hilan toimintaperiaate. Käytettäessä prismaa tulee huomioida aallonpituuskaistojen fyysisen leveyden pienentyminen, kun allonpituus pienenee. Aallonpituuden muutosta paikan funktiona kuvaa laitteiston resiprookkinen dispersio, jonka yksikkö on nm/mm. Tutkimuksessa [7] aallonpituus muuttui 30 nm/mm aallonpituudella 410 nm kun taas aallonpituudella 290 nm muutos oli 5 nm/mm. Lyhyempien aallonpituuksien vaikutus siis painottuu voimakkaammin kuin pidempien, koska prisman dispersio riippuu aallonpituudesta. Hilallisen laitteiston resiprookkinen dispersio riippuu myös käytetyn hilan uratiheydestä, mikä antaa suunnittelijalle mahdollisuuden valita sopiva hila. Prismassa dispersio riippuu taas materiaalin taitekertoimesta, johon on vaikeampi vaikuttaa. Hilan käyttöä puolustaa myös se, että hila tuottaa prismaa vähemmän hajasäteilyä [16]. Toisaalta hila synnyttää useamman kertaluvun diffraktioita, jotka saattavat häiritä tarkkoja mittauksia. Useamman kertaluvun diffraktiot suodatetaan yleensä pois cut-off suodattimilla Okazaki large Spectrograph Japanissa (National Insitute for Basic Biology) rakennettiin 1980-luvun alussa spektrografi biologien ja materiaalitutkijoiden tarpeisiin [17]. Laitteisto on NIBB:n tutkijoiden sekä vierailevien tutkimusryhmien käytettävissä. Laitteiston kaavakuva on esitetty kuvassa 16. Laitteistolla pystytään altistamaan näytteitä jatkuvalla aallonpituuskaistalla 250 nm 1000 nm resiprookkisen resoluution ollessa noin 1 nm/cm. Spektrografissa näytteiden siirtäminen säteilyhuoneessa on automatisoitu. 23

24 Näytteiden saamaa säteilyannosta mitataan ja kun ennalta määrätty annos täyttyy, tietokone lopettaa altistuksen ja ohjaa näytelaatikon toiseen huoneeseen. Spektrografin geometrinen asemointi vastaa Monk-Gillieson tyypin monokromaattoria, jossa tasohilaa valaistaan suppenevalla valonsäteellä. Asemoinnin etuna on se, ettei hilan jälkeen tarvita kokoavaa peiliä. Spektrografin ulostulossa polttotaso muodostuu lähes hevosenkengän muotoiselle kaarelle, joka täytyy ottaa huomioon suunnitellessa testattavien materiaalien asemointia. Koska laitteistosta ulostulevan säteilyn aallonpituuskaista on leveä ( nm), on laitteiston hila optimoitu kahdelle eri aallonpituudelle, jotka ovat 250 nm ja 500 nm. Optimointi on tehty muuttamalla hilan porraskulmaa siten, että hilan pinnalla kummankin aallonpituuden porraskulmat vuorottelevat 10 mm välein. Kuva 16 Okazakissa olevan spektrografin periaatekuva. A, monokromaattorihuone; B, säteilytyshuone; C, näytteiden valmisteluhuone; D, säteilyn tarkkailutila; E, tietokonehuone; F, tehonsyöttö. A1, 30 kw xenonlamppu; A2, 6 kw xenonlamppu; A3, liikkuva kokoava peili; A4, Hg-lamppu (kalibrointi); A5, suljin; A6, lämpöä absorboiva suodatin; A7, rako, jota voidaan säätää leveyssuunnassa 1-50 mm ja jonka korkeus on 100 mm; A8 tasopeili; A9, kokoava peili; A10, hila, 1200 viivaa/mm; A11, suodatin, joka suodattaa useamman kertaluvun (m>1) difraktiot sekä estää takaisinheijastumisen hilaan; B1, säteilyn polttokäyrä; B2, näyte laatikko. [17] 24

25 Monokromaattori Tutkittaessa UV-säteilyn vaikutuksia eläviin kudoksiin, on spektrografinen menetelmä usein käytetty. Käyttämällä monokromaattoria, voidaan petrimaljassa tai koeputkessa oleva näyte sijoittaa monokromaattorin ulostuloaukon eteen, ja altistaa se halutulle aallonpituudelle. Näin toimittaessa ei kuitenkaan ole oikein puhua spektrografisesta menetelmästä, sillä siinä laitteen ulostulossa olisi koko haluttu spektri. Monokromaattorissa ulostuloraolla rajataan ulostuloon vain yksi aallonpituuskaista, joka määräytyy resiprookkisen lineaarisen dispersion ja ulostuloraon leveyden tulona. Mitä kapeampi ulostulorako, sitä kapeampi aallonpituuskaista, ja tarpeeksi pienillä raon leveyksillä voidaan puhua monokromaattisesta säteilystä. Keskiaallonpituus määräytyy hilan asemoinnista tulevaan säteeseen nähden. Kudoksissa UV-säteily aiheuttaa havaittavia muutoksia huomattavasti nopeammin kuin esimerkiksi polymeereillä. Tällöin käsittelyajat kutistuvat muutamiin tunteihin tai laitteistojen tehoa voidaan laskea. Tutkimuksessa, jossa tutkittiin eri UV-aallonpituuksien vaikutusta silmän linssiin (sian silmä), käytettiin monokromaattoria (Oriel, 7240, holografinen hila, 2400 viivaa/mm) ja 1kW xenonlamppua (Photochemical Research Associates Inc., London, Ontario, Canada) [18]. Tutkimuksessa käytetty laitteisto on esitetty kuvassa 17. UV-säteilyn irradianssi mitattiin, jotta tutkittava linssi voitiin altistaa ennalta määrätylle säteilyannokselle (J/cm 2 ). Säteilyannoksen suuruus määräytyi suoraan sulkimen aukioloajasta. Kuva 17 Laitteisto, jolla tutkittiin UV-säteilyn vaikutuksia silmän linssiin. 1, Typpisäiliö; 2, polttimolaatikko; 3, vesisuodatin; 4,9,11, kvartsinen keräävä linssi; 5, ajastimella kontrolloitu elektroninen suljin; 6, monokromaattorin sisäänmenoaukko; 7, hilallinen monokromaattori; 8, monokromaattorin ulostuloaukko; 10, peili; 12, inkubointikammio; 13 alusta, jolla tutkittava linssi keskitetään säteeseen; 14, säädettävä tehonlähde ja jäähdytysyksikkö. 25

26 3.4 Yhteenveto menetelmistä Materiaalien vanhentamislaitteiden perimmäinen tarkoitus on tarjota tutkijoille oikotie parempien materiaalien kehitystyössä. Materiaalin hyvyyden mitta ei ole ainoastaan UV-säteilyn kestävyys vaan kaikkien ominaisuuksien kombinaatio. Tutkijoiden tavoitteena on minimoida UV-absorbaattoreista johtuvat kustannukset ja samalla räätälöidä fyysiset ominaisuudet sovelluskohteeseen sopiviksi. Yrityksen ja erehdyksen kautta tapahtuva kehitystyö on hidasta eikä se tarjoa työkaluja uusien materiaalien kehitykseen. Siksi on kehitetty monipuoliset testaus- ja vanhentamismenetelmät. Vanhentaminen ei sinällään ole hankalaa. Laitetaan näyte tarpeeksi lähelle tehokasta polttimoa niin johan vanhenee sitkaampikin pala. Vaikeus on saada nopeutettu vanhentaminen vastaamaan luonnossa tapahtuvaa. UV:n ja valon aiheuttamat reaktiot ovat harvoin lineaarisia säteilyn kokonaisannoksen ja annosnopeuden suhteen, eivätkä laboratorion kosteus ja lämpötila vastaa useinkaan näytteen lopullista käyttöympäristöä. Tällöin jää tutkijan oman harkinnan varaan se, kuinka hyvin testi kuvaa materiaalissa tapahtuvia luonnollisia reaktioita. Valmiina ostetun aurinkosimulaattorin etuja ovat näytteiden suoraviivainen testaus, laitteistojen runsas saatavuus ja suhteellisen hyvä vastaavuus luonnolliseen vanhenemiseen. Haluttaessa tutkia materiaalien herkkyyksiä tietyille aallonpituuksille, laitteiston kanssa käytetään joko cut-off- tai kaistanpäästösuodattimia. Verrattaessa Cut-off filter -tekniikkaa ja spektrografista menetelmää, tarvitsee suodattamien käyttö enemmän tehoa, sillä osa säteilystä absorboituu suodattimiin. Lisäksi cut-off suodattimia käytettäessä säteily tulee levittää laajalle alueelle, jotta useampi suodatin sopii yhtä aikaa näytteen päälle. Hilaa ja peilejä käytettäessä tehoa häviää peilien heijastuksissa sekä hilan synnyttämässä hajasäteilyssä ja useammankertaluvun diffraktioissa. Nämä häviöt ovat kuitenkin huomattavasti pienempiä kuin suodattimien häviöt. Andrady et al [7] käyttivät tutkimuksessaan 6,5 kw (Atlas Weather-Ometer) ja 1 kw xenonlamppuja vastaavissa menetelmissä. Sillä, käytetäänkö kaistanpäästösuodattimia tai ylipäästösuodattimia, ei ole merkitystä vaadittavan tehon kannalta. Kummatkin ovat tehollisesti epätaloudellisia. Toisaalta suodattimien käyttäminen on houkuttelevaa niiden helpon saatavuuden ja käytön helppouden takia. Verrattuna cut-off filter -tekniikkaan, spektrografisessa menetelmässä tietyn aallonpituuden vaikutuksia tutkitaan ilman muita spektrin komponentteja. Tällöin eri aallonpituuksien synergistiset ja antagonistiset yhteisvaikutukset jäävät pois. Juuri 26

27 laajan aallonpituusalueen ansiosta cut-off filter -tekniikka on lähempänä luontaista rasitusta. Vähäinen säteilyteho ja suodatustekniikka yhdessä johtavat pitkiin käsittelyaikoihin kuten Signorin ja Chinin tutkimus [19] osoitti. Tutkimuksessa rasitettiin vinyyliesterihartsia, joka on käytetty materiaali komposiiteissa. Näytteistä tutkittiin fyysisiä ominaisuuksia kuten jännitystä, suhteellista venymää, huippukuormitusta, kimmomoduulia ja ominaisjäykkyyttä (energiaa joka tarvitaan rikkomaan yksikköpoikkileikkaus) Tutkijat käyttivät halkaisijaltaan 0,3 m integroivaa palloa ja 1 kw xenonlamppua. Tutkimuksessa näytteitä säteilytettiin 1000 ja 4000 tuntia, eikä 1000 tunnin jälkeen näytteissä juurikaan ollut havaittavia muutoksia. 4 Suunnitelma laitteistoksi Laitteiston tärkein kriteeri on tarvittavan tehotason saavuttaminen, jotta järjellisen testiajan kuluessa näytteissä havaitaan muutoksia. Toisaalta laitteen suunnittelua rajoittaa myös projektin rahoitus. Koska tavoitteena on saada mahdollisimman paljon säteilytehoa näytteisiin mahdollisimman vähillä kustannuksilla, päädymme käyttämään kappaleen spektrografista menetelmää. Kirjallisuuskatsauksessa kävi ilmi, että tutkijaryhmät olivat käyttäneet 1 kw xenonlamppuja tutkiessaan materiaaleja spektrografisella menetelmällä [7, 20]. Cut-off filter -tekniikka ei tehovaatimuksensa puolesta ole houkutteleva vaihtoehto, sillä tehokkaampi laitteisto maksaa huomattavasti enemmän. Tekniikka olisi vaatinut noin 4 kw polttimon ja teholähteen. Lisäksi suuritehoinen lamppu johtaa myös lämpöongelmiin. Suunniteltuun laitteistoon tulee kolme pääkomponenttia; lamppukotelo, teholähde ja spektrografi. Lamppukotelo sisältää xenonlampun ja lampun sytyttimen (NewPort). Teholähde tarjoaa lampulle stabiilin tehonsyötön ja spektrografi hajottaa valon spektrikomponentteihin. Suurimman kustannuserän muodostavat xenonlampun vaatima kotelo sekä lampun tehonlähde. Nämä osat ostamme valmiina, sillä niiden valmistaminen itse vaatisi pitkäaikaisen projektin. Valmiin laitteen huoltokustannukset koostuvat lähinnä polttimoista, joiden odotettavissa oleva käyttöaika on n h. Laitteiston kaavakuva on esitetty kuvassa

28 Kuva 18 - Suunnitelma laitteistoksi. Lampun tehonlähde ei ole mukana kuvassa, sillä sitä ei sijoiteta samalle optiikkalevylle muun laitteiston kanssa. 4.1 Valonlähde Lamppukotelon ja teholähteen hankimme Orielilta, joka on osa NewPort yhtiötä. Orielin mallistoon kuuluu kaksi kiinnostavaa lamppukoteloa; 1 kw ja 1,6 kw xenon. 28

29 Näihin kotelohin saa optiikan, jonka apertuurin halkaisija on 69 mm ja F/luku 0,7. Näillä ominaisuuksilla saadaan lampusta valotehoa suhteellisen hyvällä hyötysuhteella. Valmistajan kotisivujen mukaan hyötysuhde on noin 30 %. Lamppukotelo on esitetty kuvassa 19 ja siinä on esillä kotelon tärkeimmät osat; polttimo, takaheijastin, ja valoa keräävä etuoptiikka. Koska laitteistomme tulee toimimaan UV-säteilyn alueella, täytyy optiikka tehdä kvartsilasista (Fused silica). Kuva 19 Xenonlamppukotelon periaatteellinen kuva. Koteloon saa lisävarusteina mm. vesisuodattimen ja optiikan, jolla kollimoitu säde saadaan tarkennettua. [6] 4.2 Teholähde Kaaripurkauslamppu on teholähteen kannalta ongelmallinen kuorma, sillä valoa tuotetaan kaaripurkauksessa. Lamppu tarvitsee syttyäkseen korkean jännitepiikin, noin 30 kv, jonka jälkeen teholähteen tulee pystyä syöttämään kaasupurkaukseen tasavirtaa. Syttyneen lampun käyttöjännite on noin 20 V ja virta riippuu lampun koosta. Esimerkiksi 1000 W lamppu vaatii 50 A virran. Syttyneen lampun virta-jännite riippuvuus on negatiivinen eli mitä suurempi virta purkauksessa kulkee, sitä matalampi on jännite lampun elektrodien välillä. Tehonlähde toimii yleisesti joko vakiovirta- tai vakioteholähteenä. Vakiovirtalähteellä saavutetaan hyvä mutta lyhytaikainen stabilisuus lampun valotehoon. Koska lampun elektrodit kuluvat poltettaessa, kasvaa kaaripurkauksen pituus. Tällöin elektrodien välinen jännite nousee ja lampun kuluttama teho kasvaa, mikä puolestaan vähentää lampun kestoikää. Vaikka lampun ottama teho kasvaakin, ei sen kirkkaus suurene, sillä elektrodeista höyrystynyt Wolframi muodostaa polttimon sisäpinnalle valoa absorboivan kerroksen. 29

30 Lampun kestoikä pitenee käytettäessä vakioteholähdettä, joka säätää lampun virtaa ja jännitettä pitäen tehon vakiona. Lampun vanhentuessa sen valoteho kuitenkin pienenee enemmän kuin vakiovirralla syötettäessä. Haluttaessa pitkäaikaista valotehon stabilisuutta, voidaan käyttää valodiodia ja takaisinkytkentää tehonlähteeseen. Diodin havaitsemaa valotehoa verrataan käyttäjän määrittämään referenssiarvoon ja lampulle menevää tehoa säädetään sen mukaan. 4.3 Spektrografi Valon hajottaminen spektrikomponentteihin tapahtuu laitteistossa hilan avulla. Alustavissa suunnitelmissa käytimme tasohilaa kuten Japanissa olevassa spektrografissa, joka on esitelty kappaleessa Kyseinen laitteisto on valtavan kokoinen, joten tavoite oli rakentaa siitä pienoismalli mittakaavassa 1:10. Laitteiston valitettavana piirteenä pidimme sitä, että siinä spektrin polttotaso muodostaa hevosenkengän muotoisen kaaren. Aberraatiokorjattu koverahila (Aberration corrected concave flat field grating) tarjoaa ratkaisun polttotaso-ongelmaan [21, 22]. Kuva 20 havainnollistaa Flat Field -hilan toimintaa. Koverahila toimii kuten normaalin tasohilan ja koveranpeilin yhdistelmä. Se diffraktoi valoa ja fokusoi. Flat Field -hiloissa spektrikomponenttien polttotaso muodostuu suoralle viivalle, jolloin ne soveltuvat hyvin käytettäessä valodiodeista muodostuvaa sensorielementtinä. Kuva 20 - Flat Field hilan toiminnan periaate. Tärkeitä parametreja ovat hilan F/luku ja resiprookkinen dispersio. L A, tuleva säde; α, tulevan säteen ja hilan normaalin välinen kulma; β, lähtevän säteen ja hilan normaalin välinen kulma; Spektri muodostuu aallonpituusalueesta λ 2 -λ 1 ja spektrin päät ovat etäisyyksillä L B1 ja L B2 hilan origosta. [22] 30

31 4.4 Muut tarvikkeet Laitteistossa tarvittavat osat valmistajineen ja hintoineen on esitelty taulukossa 3. Kustannukset koteloinnin ja näytetelineen osalta on varmuuden vuoksi arvioitu yläkanttiin. Lisäksi optiikan päällystäminen (anti-reflection coating) nostaa optiikan hintaa. Lisäksi tulee huomioida mahdollisuus, että projektin edetessä joudumme hankkimaan osia, joita ei tässä listassa ole. Esimerkiksi tietokoneen liittäminen laitteistoon on luonnollinen laajennus. Tällöin tietokone valvoo ja keskeyttää säteilyttämisen, kun ennalta säädetty säteilyannos saavutetaan. Säteilyttäminen keskeytetään esimerkiksi siirtämällä metallinen suljin näytteen ja säteilylähteen väliin. Taulukko 3 Osaluettelo Osan kuvaus Valmistaja Hinta Kovera hila (flat-field) Horiba Jobin-Yvon Kovera hila (flat-field) Holograte Lamppukotelo+Tehonlähde (Source 66926) Oriel Varalamppu Osram 400 Optiikkalevy Thorlabs Vesisuodatin Oriel Uudelleen kokoava optiikka Oriel Säteilynsuojaputki Oriel 175 Peili, halkaisija 50mm Oriel 145 Kiinnike tolpat Thorlabs 300 Laitteen kotelointi protokeskus näytteiden kiinnitysteline protokeskus säädettävä sisäänmenoaukko (iiris) Oriel 205 Yhteensä Demolaitteisto Saadaksemme tietoa siitä, kuinka korkeita tehotasoja saadaan käyttämällä hilaa dispersoivana komponenttina, rakensimme demolaitteiston. Lisäksi halusimme testata sen, kuinka hyvin hilan dispersio noudattaa teoriaa, jotta osaisimme suunnitella varsinaisen laitteiston. 31

32 5.1 Laitteiston rakenne Demolaitteisto koostui 450 W xenonlampusta, tehonlähteestä ja venäläisestä monokromaattorista МДР-23 (Czerny-Turner tyyppinen). Monokromaattorissa käytetty hila oli mekaanisesti uritettu (Ruled grating) ja kooltaan 100x100 mm. Hilassa oli 1200 viivaa/mm ja sen optimoitu aallonpituus oli 250nm. Lisäksi hila oli optimoitu toimimaan ensimmäisen kertaluvun diffraktiossa. Demolaitteisto on esitetty kuvassa 21. Poistimme monokromaattorin kotelosta koko seinämän, jossa ulostuloaukko sijaitsi. Näin saimme ulostuloon aallonpituudet nm. Ulostuloaukon kohdalle rakensimme telineen, johon saattoi asentaa näytteitä. Aallonpituusalueen fyysinen pituus ulostulossa oli 13 cm. Tällöin laitteiston resiprookkinen dispersio oli ~1,3 nm/mm. Tämä vastaa monokromaattorin käyttöohjeissa olevaa arvoa [23]. Kuva 21 Demolaitteisto: valonlähde on vasemmalla ja monokromaattori on keskellä oleva sininen aparaatti. Näytteet asetettiin punaisen nuolen osoittamaan paikkaan. 5.2 Irradianssitasot Mittasimme spektroradiometrillä aallonpituuksien paikat sekä spektrisen irradianssin ulostulossa. Spektroradiometrin sisäänmenokuidun päässä oleva diffuuseri oli halkaisijaltaan 6 mm (Bentham D7). Jotta saimme maksimaalisen tehon monokromaattoriin, oli sisäänmenoaukossa oleva suljin lähes täysin auki. Sulkimen säätöalue oli 1mm 15mm. Sulkimen apertuurin ollessa 5 mm x 5 mm, ei suljin rajoittanut säteilyn pääkeilaa vaan vähensi sisäänmenevää hajavaloa. Suoritimme irradianssimittaukset kolmella erikokoisella sulkimen apertuurilla mutta tässä työssä esitellään vain 5x5 mm 2 sisäänmenoaukolla mitatut irradianssit. Suuri sisäänmenoaukko kuitenkin heikentää monokromaattorin resoluutiota. Monokromaattorin 32

33 tapauksessa resoluutio tarkoittaa sitä, kuinka lähellä toisiaan olevat aallonpituudet voidaan luotettavasti erottaa. Mittaamamme tehot on esitetty kuvassa 22. Mittauksen mukaan huipputeho ulostulossa oli noin 8000 mw/(m 2 *nm) aallonpituudella 365 nm. Mittaustulokseen on syytä suhtautua varauksella, sillä se on monin kymmenkertainen verrattuna suomen kesäpäivään. Toisaalta kirjallisuudesta löytyi monokromaattorin ulostulosta mitattuja tehoja, jotka suhteutettuna käyttämämme lampun tehoon olivat samaa suuruusluokkaa [16]. W / (m 2 nm) aallonpituus / nm Kuva 22 Monokromaattorin ulostulosta mitattuja tehoja. 5.3 Testivanhennukset Testasimme kirjallisuudesta löydettyjä sanomalehtipaperin ja polystyreenin aktivaatiospektrejä tekemällämme demolaitteistolla. Suoritimme testivanhennukset ainoastaan päiväsaikaan, sillä turvallisuussyistä emme halunneet polttaa tehokasta lamppua ilman valvontaa koulun laboratoriossa Sanomalehtipaperi Asensimme Metro-lehden ulostuloon ja annoimme laitteiston olla päällä 6h. Jo tässä ajassa oli paperissa tapahtunut selvä värimuutos, kuten kuvasta 23 nähdään. Kokeessamme emme huomanneet valkaistumista millään aallonpituudella, mikä saattoi johtua siitä että paperi oli uudenvalkea ennen testiä. Suurimman kellastumisen aiheutti 325nm aallonpituus, mikä on samansuuntainen tulos kuin kirjallisuudesta löytämämme 33

34 nm [3]. Arvioitaessa tehokkainta aallonpituutta, otimme huomioon kellastumisen asteen ja kunkin aallonpituuden irradianssin. Kuva 23 Demolaitteistolla aikaansaatu sanomalehtipaperin kellastuminen. UV-säteily osui paperiin noin 2 cm korkeana ja 13 cm leveänä viuhkana. Paperiin merkityt aallonpituuksien ( nm) paikat määritettiin spektroradiometrillä Polystyreenimuki Polystyreenin testausta varten hankin henkilökohtaisesti oluttuopin, tyhjensin sen sekä suoritin sille huolellisen pesun ennen testiä. Kiinnitin tuopin takapuolelle sanomalehtipaperin ja asensin tuopin monokromaattorin ulostuloon siten, että UVsäteily kulki tuopin läpi ennen osumistaan sanomalehteen. Saadaksemme selviä muutoksia polystyreenissä, jouduimme pitämään tuoppia säteilyssä neljä kokonaista päivää (32 h). Säteilytetty tuoppi ja taakse kiinnitetty paperi on esitetty kuvassa 24. Kuva 24 Säteilytyksessä ollut polystyreenituoppi. Säteily osui tuoppiin kameran linssin suunnasta. Tutkimuksemme mukaan PS:n kellastumisen aiheuttavat alle 305 nm aallonpituudet, kuten kuvasta 25 voi nähdä. Löytämämme kirjallisuuden mukaan PS:n kellastumisen aiheuttavat kuitenkin alle 319 nm aallonpituudet. Suurin virhelähde kokeessamme lienee spektroradiometrillä mitattujen aallonpituuksien paikkojen määritys, sillä 34

35 spektroradiometrin mittapään paikka merkittiin paperin palaan ja kopioitiin siitä tuopin pintaan. Karkean arvioni mukaan aallonpituuksien virhe on +10 nm. Kuva 25 Lähikuva polystyreenin kellastumisesta. Koe näytti hyvin, kuinka polystyreeni (PS) toimi kuten cut-off suodatin. Yli 310 nm aallonpituuksilla PS oli läpinäkyvä ja takana oleva paperi tummui. Alle 305 nm aallonpituuksilla PS kellastui ja takana oleva paperi säilyi valkeana. Tutkimuksemme tarkoitus oli kokeilla laitteistosta saatavia tehotasoja sekä niiden riittävyyttä nopeutettuun vanhentamiseen. Tuloksien tarkka vertaaminen muihin tutkimuksiin ei ole järkevää, sillä emme pyrkineet tieteellisesti tarkkoihin mittauksiin. Lisäksi testaamamme materiaalit todennäköisesti poikkeavat lisäaineidensa osalta aikaisempien tutkimusten materiaaleista. 35