O quartzo transmite luz ultravioleta? Explicação da transparência UV do vidro de quartzo

Imagine que você está especificando uma câmara de desinfecção UV, um reator fotoquímico ou uma célula óptica para um espectrômetro. Uma das primeiras questões materiais é se o quartzo realmente deixará passar a luz ultravioleta. A resposta é importante porque o vidro comum, que está em toda parte e é barato, bloqueia a maior parte dos raios UV na janela. O quartzo fundido, por outro lado, é um dos poucos materiais de engenharia transparentes que passa pela radiação ultravioleta profunda com muito pouca perda. Como fabricante de vidro de quartzo que fornece clientes de semicondutores, fotovoltaicos, de laboratório e ópticos, respondemos a essa pergunta quase todas as semanas, portanto, este artigo fornece a resposta prática em nível de especificação.

Sim: o quartzo transmite luz UV. Dependendo do grau e da espessura, o vidro de quartzo passa cerca de 85 a 92 por cento do UV incidente a 254 nm, e a sílica fundida de alta pureza permanece transmissiva até cerca de 185 nm. O valor exato depende do tipo do material, do teor de impurezas, do acabamento superficial e do comprimento do caminho. Nas seções abaixo explicamos por que o quartzo se comporta dessa maneira, como os diferentes tipos de quartzo se comparam, como o quartzo funciona em relação ao vidro borossilicato e de cal sodada e como selecionar o quartzo transmissor de UV certo para sua própria aplicação.

O quartzo transmite luz ultravioleta? A resposta direta

A resposta curta é sim, e a resposta útil de engenharia também é sim, com uma nota anexada. O vidro de quartzo é transparente em toda a faixa ultravioleta usada na indústria: UVA de 315 a 400nm, UVB de 280 a 315 nm e UVC de 200 a 280 nm. Um tubo ou placa de quartzo transparente padrão transmite mais de 85% da radiação UVC a 254 nm, razão pela qual o quartzo é o material de envelope especificado para lâmpadas UV germicidas, purificadores de água UV e reatores UV. O vidro comum de cal sodada, em comparação, absorve UVC quase completamente, e até mesmo o vidro borossilicato torna-se opaco abaixo de aproximadamente 300 nm.

Quando os profissionais da indústria falam sobre o quartzo que transmite luz UV, normalmente se referem ao quartzo fundido ou à sílica fundida, e não ao quartzo cristalino usado em bancadas. O quartzo fundido é feito pela fusão de cristal de quartzo natural ou areia de sílica em um vidro amorfo, enquanto a sílica fundida geralmente é feita de precursores sintéticos. Ambas as formas compartilham a mesma química fundamental, o dióxido de silício puro, com as diferenças na pureza e na rota de fabricação aparecendo principalmente na faixa de UV profundo.

Os números acima assumem uma superfície limpa e polida e uma espessura de parede típica de 1 a 10 mm. Seções mais espessas absorvem mais, e é por isso que uma haste de quartzo de 50 mm apresentará menor transmissão de UV do que uma janela de quartzo de 1 mm do mesmo tipo. O acabamento da superfície também é importante: uma superfície retificada ou fosca dispersa uma parcela significativa de UV, enquanto uma superfície polida mantém as perdas de reflexão próximas do valor teórico de cerca de 3,5% por superfície.

Por que o quartzo transmite luz UV e o vidro comum não

A física por trás da transmissão UV é na verdade a física da absorção. A luz ultravioleta é absorvida por um material quando a energia do fóton corresponde a uma transição eletrônica permitida no material. O quartzo fundido puro tem um gap de banda muito amplo, aproximadamente 8 a 9 elétron-volts. Os fótons UV mais energéticos usados ​​em sistemas práticos, por exemplo, um fóton de 200 nm transporta cerca de 6,2 elétron-volts, não têm energia suficiente para excitar um elétron através dessa lacuna. Como resultado, não existe nenhum mecanismo intrínseco de absorção da luz UV na sílica pura, e os fótons simplesmente passam.

O vidro de janela comum é um material quimicamente diferente. O vidro de cal sodada contém óxido de sódio, óxido de cálcio e geralmente várias centenas de partes por milhão de ferro. O ferro, especialmente na sua forma férrica, é um dos mais fortes absorvedores de ultravioleta conhecidos; mesmo algumas partes por milhão tornam o vidro opaco aos UVC. Os íons modificadores também quebram a rede de sílica e criam átomos de oxigênio sem ponte, que introduzem níveis de energia localizados. Esses níveis fornecem aos fótons UV um caminho para serem absorvidos, de modo que o vidro bloqueia em vez de transmitir.

É por isso que a pureza é o conceito central no quartzo de grau UV. O processo de fabricação do quartzo controla três coisas que determinam a transmissão UV: o nível de impurezas metálicas, a concentração de grupos hidroxila e o número de defeitos por deficiência de oxigênio. Para trabalhos com UV profundo abaixo de 220 nm, a sílica fundida sintética de precursores de alta pureza oferece a rede mais limpa e a transmissão mais alta. O quartzo natural fundido por chama, a fonte da maioria dos tubos e placas de quartzo no mercado, tem transmissão UV profunda ligeiramente menor porque retém oligoelementos do cristal natural.

Há também uma distinção prática entre sílica fundida com baixo teor de OH e alto teor de OH que os compradores de sistemas UV devem compreender. A sílica fundida com alto teor de OH ou úmida, típica do JGS1, proporciona excelente transmissão de UV profundo e melhor resistência a danos induzidos por UV. A sílica fundida com baixo teor de OH ou seca, típica do JGS3, foi desenvolvida para óptica infravermelha e reduziu a transmissão abaixo de cerca de 260 nm. Para aplicações ultravioleta, os graus de alto OH são quase sempre a escolha mais segura.

• Rede SiO2 purificada: sem íons modificadores para absorver energia ultravioleta.
• Ampla lacuna de banda: os fótons UV não têm energia para desencadear a absorção eletrônica.
• Baixo teor de impurezas metálicas: sem bandas de absorção de ferro ou metais de transição.
• Estrutura controlada: centros mínimos de deficiência de oxigênio que absorvem perto de 248 nm e 215 nm.

Transmitância UV de quartzo por grau: JGS1, JGS2, JGS3 e sílica fundida

Nem todo quartzo transmite UV igualmente, e grande parte da especificação de um componente de quartzo é escolher o tipo certo. A classificação padrão óptica chinesa JGS1, JGS2 e JGS3 é amplamente utilizada em toda a indústria e mapeia de perto os tipos internacionais de sílica fundida. O princípio do pedido é simples para o comprador: quanto menor o número, melhor será o desempenho em UV profundo. JGS1, o grau UV distante sintético, transmite até cerca de 185 nm; JGS2, feito de quartzo natural, cobre a faixa UV acima de aproximadamente 220 nm; e JGS3, um grau infravermelho de baixo OH, não é recomendado para serviços com UV profundo.

Como o JGS1 é o material preferido quando um sistema precisa trabalhar em 185 a 220 nm, ele também é o tipo que recomendamos para aplicações UV exigentes, como reatores de ozônio, óptica de excimer laser e espectroscopia VUV. A combinação de ampla transmissão e baixa solarização faz com que valha a pena o preço mais alto quando o desempenho de UV profundo está em jogo.

Vidro de quartzo óptico UV distante JGS1 para aplicações ultravioleta profunda Este tipo de sílica fundida sintética oferece transmissão na faixa de 185–220 nm com baixa solarização, tornando-o adequado para sistemas UV exigentes, como óptica de excimer laser e espectroscopia VUV. Ver Produto →

Uma curva de transmissão conta uma história mais clara do que um único ponto de dados. O gráfico abaixo representa a transmitância interna em função do comprimento de onda para três materiais comuns com uma espessura de 10 mm. As três curvas cobrem sílica fundida de grau UV, quartzo fundido padrão e vidro borossilicato de 180 nm a 400 nm. Você pode ver que a escolha do material se torna crítica abaixo de 300 nm. Em particular, a região UV profunda entre 180 nm e 220 nm separa a sílica fundida sintética de todas as outras famílias de vidros.

A primeira coisa que o leitor deve notar é o quão plana é a curva da sílica fundida de grau UV: ela permanece acima de 90% de 200 nm até 400 nm. O quartzo fundido padrão segue um caminho semelhante em comprimentos de onda mais longos, mas sua transmissão começa a cair visivelmente abaixo de 220 nm. A 200 nm, o quartzo padrão transmite apenas cerca de 70% em um caminho de 10 mm, enquanto a sílica fundida de grau UV ainda transmite mais de 90%. O vidro borossilicato, mostrado na curva cinza claro, é efetivamente opaco abaixo de 300 nm. Entre 310 nm e 330 nm, o borossilicato sobe rapidamente de cerca de 20% para mais de 60%, o que corresponde ao seu comportamento como material transmissor de UVA que bloqueia UVB e UVC. No comprimento de onda germicida prático de 254 nm, a sílica fundida de grau UV e o quartzo padrão transmitem fortemente, enquanto o borosilicato transmite essencialmente zero. É exatamente por isso que o quartzo, e não o borossilicato, aparece na parede de todas as lâmpadas de desinfecção UV de mercúrio e amálgama. Para aplicações que necessitam de comprimentos de onda inferiores a 200 nm, como a geração de ozônio a 185 nm, somente a sílica fundida sintética de alta pureza fornece uma transmitância de trabalho útil. As curvas também explicam por que a mudança de uma janela de sílica fundida para uma janela de borosilicato em um sistema de espectroscopia UV altera completamente a medição. Resumindo, o espectro de transmissão responde tanto à questão científica quanto à questão de compra: o quartzo transmite luz UV, e o grau que você escolhe decide onde está o corte prático de UV.

Para compras em escala de produção, um fabricante pode fornecer curvas de transmissão medidas para cada lote. A sílica fundida de grau UV e o quartzo padrão transmitem luz UV, e a questão prática é apenas onde fica o seu comprimento de onda de trabalho.

Quartzo vs Borossilicato vs Vidro Soda-Cal: Transmissão UV Comparada

Uma comparação direta em comprimentos de onda fixos é a maneira mais rápida de comunicar por que o quartzo é o material UV padrão. A 254 nm, o comprimento de onda das lâmpadas germicidas, o quartzo transmite mais de 80 por cento, enquanto o vidro de borosilicato e de cal sodada transmite essencialmente nada. A 302 nm, na faixa UVB, o quartzo ainda transmite cerca de 90% e o borossilicato apenas começa a se abrir. Em 365 nm, na faixa UVA, o quartzo ainda é o líder, mas o borosilicato torna-se utilizável e a cal sodada atinge cerca de 50%. A conclusão é inequívoca: quanto menor o comprimento de onda, mais o quartzo avança.

Vários compradores nos perguntam se é aceitável usar mangas de borosilicato em um sistema UV-C para reduzir custos. A resposta medida é não: a 254 nm, a própria manga absorveria quase todo o UV-C, de modo que a lâmpada aqueceria água ou ar sem fornecer uma dose significativa. Os únicos materiais que funcionam para UVC na prática industrial são o quartzo, a sílica fundida de alta pureza e certos fluoropolímeros, como PTFE e PFA, e os fluoropolímeros raramente têm as propriedades estruturais ou térmicas do quartzo. As placas JGS2 fornecem a combinação mais econômica de transmissão UV e estabilidade térmica para envelopes industriais, janelas de visualização e tampas.

Placa óptica de quartzo UV JGS2 para envelopes UV-C industriais Sem banda de absorção de 200 a 250 nm, esta placa de quartzo fornece transmissão UV econômica e estabilidade térmica para mangas de lâmpadas, janelas de visualização e coberturas em sistemas ultravioleta-C. Ver Produto →

Uma curva espectral é apenas parte da história; os compradores também desejam uma comparação rápida do comprimento de onda exato que seu processo usa. A luz ultravioleta-C a 254 nm é a saída padrão das lâmpadas germicidas de mercúrio de baixa pressão, portanto esse comprimento de onda aparece em milhares de especificações de produtos. O gráfico abaixo compara a transmissão medida de seis grupos de materiais comuns com 1 mm de espessura. Usamos intencionalmente uma espessura de parede fina e representativa porque a maioria das mangas de lâmpadas UV e janelas ópticas são especificadas na faixa de 1 mm a 3 mm. As barras ilustram o quão grande é a lacuna entre os produtos de quartzo e os produtos de vidro convencionais neste comprimento de onda crítico.

A sílica fundida de grau UV e a sílica fundida com baixo teor de OH estão no topo do gráfico, ambas transmitindo cerca de 90% da UVC incidente. O quartzo JGS2 apresenta um leve rastro de cerca de 86 por cento, uma diferença que raramente é visível no uso diário, mas que pode afetar a eficiência da lâmpada ao longo de milhares de horas de operação. Os tubos de quartzo fundido padrão, que são o material de trabalho para mangas de quartzo e envelopes de lâmpadas, transmitem cerca de 82% nesta espessura. O vidro borossilicato e de cal sodada, mostrados como barras insignificantes na parte inferior, essencialmente não transmitem UVC a 254 nm. A consequência prática é que uma lâmpada concebida com uma manga de borosilicato nunca poderá fornecer a sua dose nominal de UVC, independentemente da potência aplicada. É também por isso que sondas ópticas e sensores UV usados ​​em 254 nm sempre especificam janelas de quartzo em vez de janelas de vidro. Outra observação útil é que a diferença entre os quatro tipos de quartzo é de apenas cerca de oito pontos percentuais, o que significa que mesmo o tipo de quartzo mais económico ainda é um verdadeiro transmissor de UV. Quando a aplicação passa para comprimentos de onda mais curtos, como lâmpadas excimer de cloreto de criptônio de 222 nm, a mesma classificação se mantém, mas a lacuna entre JGS1 e o quartzo padrão aumenta. Em 185 nm, a diferença se tornaria ainda mais dramática e apenas os graus de sílica fundida sintética permaneceriam úteis. Do ponto de vista de fornecimento, este gráfico é um bom lembrete para perguntar ao seu fornecedor a curva de transmissão real do grau que ele cota, porque nem todo quartzo é igual. Um fabricante confiável fornecerá dados medidos para cada lote de produção.

Do ponto de vista do fabricante, a conclusão é simples: fornecemos todos esses tipos em tubos, barras e placas, e os pedidos no atacado podem misturar tipos em uma única remessa. Como as diferenças ópticas são mensuráveis, recomendamos sempre cotar com um comprimento de onda alvo.

Aplicações industriais e laboratoriais que dependem da transmissão UV de quartzo

A transparência UV do quartzo não é uma curiosidade de laboratório; é o que faz funcionar várias indústrias de bilhões de dólares. Na desinfecção UV, as mangas de quartzo e os envelopes das lâmpadas de quartzo permitem que uma lâmpada de mercúrio emita UVC na água, no ar e nas superfícies. Na fabricação de semicondutores, a óptica de quartzo e as janelas de quartzo transportam luz laser de 193 nm e 248 nm por meio de steppers e ferramentas de inspeção. Na química analítica, cubetas e capilares de quartzo permitem espectroscopia UV abaixo de 200 nm que o vidro não pode suportar. Na cura UV, as hastes e placas de quartzo fornecem energia UVA e UVB a adesivos, tintas e revestimentos sem degradar sob exposição contínua.

Cada aplicação impõe demandas ligeiramente diferentes ao quartzo. Os sistemas de desinfecção necessitam de alta transmissão UVC em tubos de paredes finas, além de resistência ao choque térmico quando a lâmpada está quente; ferramentas semicondutoras precisam de sílica fundida sintética premium com baixo teor de bolhas e uniformidade certificada; As linhas de cura UV precisam de grandes placas de quartzo que possam ser manuseadas, limpas e substituídas rapidamente. Uma fábrica que produz quartzo em todas essas formas pode fornecer qualquer uma delas no mesmo sistema de produção.

O produto que combina os dois mundos para compradores industriais é o tubo de quartzo resistente aos raios UV. É usado tanto como invólucro de lâmpada em luminárias germicidas de alto rendimento quanto como cobertura protetora em equipamentos de cura UV, e deve manter uma transmissão estável por milhares de horas. As versões dopadas adicionam outra camada de controle: ao modificar quimicamente a rede de sílica, a dopagem pode deslocar ou eliminar bandas UV específicas, o que é útil quando uma lâmpada precisa passar por certos comprimentos de onda enquanto suprime outros. Para clientes que necessitam de janelas de quartzo de precisão e visores para câmaras UV, oferecemos janelas polidas em JGS1, JGS2 e quartzo padrão, com tamanhos e acabamentos de borda personalizados. Nossos tubos de vidro de quartzo resistentes a altas temperaturas e ultravioleta são fabricados exatamente para esse ciclo de trabalho, com espessura de parede controlada e transmissão UVC medida.

Tubos de vidro de quartzo resistentes a altas temperaturas e ultravioleta Esses tubos de SiO₂ excedem 93% de transmitância do visível ao infravermelho próximo, com espessura de parede controlada e transmissão UVC medida, tornando-os envelopes confiáveis para lâmpadas germicidas e de cura. Ver Produto →

Um último ponto sobre adequação: se o seu processo utiliza luz UV para curar, desinfetar, analisar ou fazer ablação, o quartzo é quase sempre a interface óptica correta. Os poucos casos em que o quartzo não é recomendado são processos que dependem de comprimentos de onda abaixo de cerca de 180 nm, onde até mesmo a sílica fundida sintética começa a perder transparência, e processos que necessitam de bloqueio seletivo de UV, onde dopagem ou revestimento em vez de quartzo simples é a ferramenta certa.

Como escolher quartzo transmissor de UV para sua aplicação

A escolha do quartzo transmissor de UV certo começa com um número: o comprimento de onda mais curto que seu processo usará. Esse único número determina a qualidade, a pureza do material e, geralmente, o preço. A segunda questão é o comprimento do caminho, porque uma janela de 1 mm e uma haste de 50 mm transmitem de forma muito diferente, mesmo no mesmo material. O terceiro grupo de questões abrange temperatura operacional, pressão, exposição química e montagem mecânica, todas as quais influenciam o projeto final do componente.

Como regra prática útil: acima de 300 nm, a maioria dos tipos de quartzo transparente funcionam; abaixo de 300 nm, especifique um material de grau UV; abaixo de 220 nm, especifique sílica fundida sintética. Se o seu fornecedor não puder lhe informar o limite prático do quartzo, trate isso como um sinal de alerta.

Além da nota, quatro detalhes de especificação merecem atenção. A espessura da parede ou da janela altera a resistência mecânica e a transmissão, portanto, otimize a seção mais fina que pode suportar a pressão do processo. A qualidade da superfície é importante: uma superfície polida minimiza a dispersão, enquanto uma superfície retificada pode reduzir a entrega efetiva de UV em 5 a 15 por cento. O acabamento das bordas e as tolerâncias são importantes para a vedação em caixas metálicas ou cerâmicas. Por fim, solicite dados de transmissão reais no comprimento de onda de trabalho, e não apenas uma curva típica de uma planilha de dados.

Como fabricamos, em vez de apenas revender quartzo, podemos fornecer produtos de grau UV com certificados de teste específicos para lotes, dimensões personalizadas e cargas mistas para compradores atacadistas. A mesma fábrica que fabrica as placas ópticas JGS1 também produz tubos de quartzo de grande diâmetro para reatores UV, de modo que um único fornecedor pode cobrir tanto a óptica quanto o hardware de processo. Se a sua aplicação exigir o comportamento oposto, ou seja, bloquear UV em vez de transmiti-lo, tubo de quartzo dopado para filtragem UV é produzido por nossa fábrica com desempenho espectral controlado.

Manuseio, limpeza e manutenção de quartzo de grau UV

O quartzo de grau UV adquire sua transparência com pureza, o que significa que a contaminação da superfície aparece imediatamente em sistemas UV. Uma única impressão digital contém óleos que absorvem fortemente o ultravioleta, e uma janela de quartzo contaminada pode medir uma transmissão UVC 10 a 20 por cento menor do que uma janela limpa. A absorção na superfície também aquece o quartzo localmente, o que pode acelerar a desvitrificação ou rachaduras em lâmpadas de alta potência. Manter limpas as superfícies ópticas UV não é, portanto, cosmético; é um requisito de desempenho.

• Manuseie apenas bordas de quartzo, com luvas limpas de nitrila ou sem fiapos.
• Limpe com etanol ou acetona de grau óptico e um pano sem fiapos; esfregue suavemente e inspecione se há listras.
• Para contaminação pesada, use ácido fluorídrico diluído, seguido de enxágue e secagem com água deionizada, com controles de segurança adequados.
• Evite produtos de limpeza abrasivos; arranhões dispersam a luz UV e reduzem a dose administrada.
• Inspecione periodicamente as mangas e janelas das lâmpadas com um radiômetro UV; substitua quando a transmissão cair mais de 5 a 10 por cento.
• Armazene as peças sobressalentes de quartzo em capas protetoras em uma área limpa e seca.

O manuseio térmico merece uma nota separada. O vidro de quartzo tem um baixo coeficiente de expansão, aproximadamente um décimo sétimo do vidro de cal sodada, por isso resiste muito melhor ao choque térmico do que o vidro comum. Isso não significa que seja indestrutível: uma manga de quartzo fria exposta a uma lâmpada quente ou uma superfície molhada tocando um tubo quente ainda pode rachar. Aqueça gradualmente novos componentes no sistema, mantenha as vedações uniformes e evite chamas localizadas ou contato com pontos quentes.

Do lado da produção, também realizamos verificações de qualidade com o mesmo espírito. Cada componente de grau UV é inspecionado quanto à qualidade da superfície, medido para transmissão no comprimento de onda do cliente quando necessário e embalado para que a superfície óptica chegue intacta. Essas etapas podem parecer simples, mas é por isso que um produto de quartzo de um fabricante dedicado tem um desempenho diferente de uma peça genérica de vidro de quartzo.

FAQ: O quartzo transmite luz ultravioleta?

Aqui estão as perguntas que compradores de laboratórios, engenheiros de fábrica e equipes de compras fazem com mais frequência sobre quartzo e luz ultravioleta.

Explore produtos de quartzo de grau UV de nossa fábrica

Nosso programa de produção abrange quartzo transmissor de UV em todas as formas que um sistema UV precisa: tubos para invólucros e mangas de lâmpadas, hastes para trabalho mecânico e óptico, placas e janelas para janelas de visualização e quartzo personalizado para reatores e instrumentos. Todos esses produtos vêm de nossa própria fábrica de vidro de quartzo, o que significa que prazos de entrega, dimensões e dados de teste são controlados em um só lugar.

Duas linhas de produtos são especialmente relevantes para compradores de ultravioleta. A primeira é nossa linha de janelas e visores de quartzo de precisão, polidos com material de grau UV e disponíveis em JGS1, JGS2 e quartzo padrão para aplicações de desinfecção, cura e sensores. O segundo é o tubo de quartzo dopado para filtragem UV, que foi desenvolvido para processos que precisam rejeitar a luz ultravioleta em vez de passá-la, como proteger materiais sensíveis aos UV em um ambiente UV brilhante.

• Janelas e visores de quartzo de precisão - janelas polidas de grau UV para câmaras, sensores e janelas de visualização de processos.
• Tubo de quartzo dopado para filtragem UV - tubo de quartzo com desempenho controlado de bloqueio de UV.

Para cada consulta, nossa equipe solicita o comprimento de onda de trabalho, a transmissão necessária, as dimensões e as condições operacionais antes de recomendar uma classe. Esse processo se aplica igualmente a uma única janela de protótipo e a um pedido de atacado carregado em contêiner. Se o seu projeto depende de luz ultravioleta, a maneira mais rápida de eliminar o risco é especificar vidro de quartzo que seja fabricado, medido e documentado por pessoas que entendem de UV.