توصيف نمط إشعاع الصمام الثنائي الباعث للضوء في نطاق الأشعة فوق البنفسجية العميقة عبر التحويل الفلوري

جدول المحتويات

1. المقدمة

أتاحت التطورات الحديثة في الصمامات الثنائية الباعثة للضوء (LEDs) القائمة على AlGaN في نطاق الأشعة فوق البنفسجية العميقة (deep-UV)، والتي تعمل بين 220-280 نانومتر بقدرة خرج تصل إلى نطاق 100 ملي واط، إمكانات كبيرة في مجالات التعقيم، وتنقية المياه، واستشعار الغازات، وبشكل ملحوظ، كمصادر إثارة في مجاهر الفلورة. يُعد نمط إشعاع الصمام الثنائي - أي التوزيع الزاوي لشدة إشعاعه - معياراً حاسماً لتطبيقه الفعال، خاصة في المجهر حيث تكون تجانس الإضاءة أمراً بالغ الأهمية.

يُمثل توصيف هذا النمط لصمامات deep-UV LED تحدياً فريداً: حيث أن كاميرات CMOS وCCD القياسية القائمة على السيليكون تتمتع بحساسية منخفضة للغاية في طيف الأشعة فوق البنفسجية العميقة بسبب امتصاص طبقات الزجاج أو البولي سيليكون. بينما توجد كاميرات CCD متخصصة (وباهظة الثمن) ذات ظهر رقيق، تقدم هذه الدراسة بديلاً أنيقاً وفعالاً من حيث التكلفة: وهي طريقة تحويل قائمة على الفلورة.

2. المواد والطرق

تضمن الإعداد التجريبي الأساسي صماماً ثنائياً باعثاً للضوء بطول موجي 280 نانومتر (LG Innotek LEUVA66H70HF00). تتجاوز الطريقة المبتكرة الكشف المباشر للأشعة فوق البنفسجية باستخدام الصمام الثنائي لإضاءة عينة فلورية. تمتص العينة الإشعاع بطول 280 نانومتر وتعيد إصدار الضوء عند طول موجي مرئي أطول، والذي يمكن التقاطه بسهولة بعد ذلك بواسطة كاميرا CMOS قياسية. يعمل توزيع الشدة عبر صورة الفلورة كقياس غير مباشر ولكنه دقيق لنمط الإشعاع البعيد للصمام الثنائي. تم الحصول على المظهر الزاوي عن طريق تدوير الصمام الثنائي حول محوره وتسجيل شدة الفلورة المقابلة.

3. النتائج والمناقشة

كانت النتيجة الرئيسية أن نمط إشعاع صمام deep-UV LED المُختَبَر والمُغلف بشكل مستوٍ اتبع توزيع لامبرتيان بدقة ملحوظة (%99.6). يصف نموذج لامبرتيان سطحاً تكون فيه الاستضاءة المدركة متساوية بغض النظر عن زاوية الرؤية، حيث تتناسب الشدة مع جيب تمام الزاوية ($\theta$) من العمودي على السطح. تُعطى الشدة في الهواء بالعلاقة:

$I = \frac{P_{LED}}{4\pi r^2} \frac{n_{air}^2}{n_{LED}^2} \cos(\theta)$

حيث $P_{LED}$ هي القدرة الإشعاعية، $r$ هي المسافة، و $n_{air}$ و $n_{LED}$ هما معاملا انكسار الهواء وأشباه الموصلات على التوالي.

أظهرت الدراسة بنجاح قدرة التقنية على التمييز بين أنواع تغليف الصمامات الثنائية المختلفة (مثل المستوية مقابل نصف الكروية)، والتي تنتج أنماط إشعاع مختلفة بشكل مميز (لامبرتيان مقابل متساوي الاتجاه).

4. التحليل التقني والرؤى الأساسية

5. إطار التحليل: حالة عملية

السيناريو: شركة ناشئة تطور جهازاً محمولاً لتعقيم المياه باستخدام صمام ثنائي باعث للضوء في نطاق الأشعة فوق البنفسجية العميقة. يحتاجون إلى التأكد من أن الصمام الثنائي يضيء قناة مياه أسطوانية بشكل موحد لضمان تعطيل مسببات الأمراض بشكل فعال.

تطبيق الإطار:

1. تعريف المشكلة: توصيف نمط الإشعاع الزاوي لصمامات LED بطول 265 نانومتر المصدرة لنمذجة معدل الفلورة داخل قناة المياه.
2. اختيار الأداة: استخدام طريقة الفلورة. توضع طبقة رقيقة من مادة فسفورية زرقاء الانبعاث قابلة للإثارة بالأشعة فوق البنفسجية (مثل فيلم YAG:Ce معاير) على سطح مستوٍ.
3. الحصول على البيانات: يضيء الصمام الثنائي، على مسافة ثابتة، الفيلم. تلتقط كاميرا هاتف ذكي قياسية (RGB) نمط الانبعاث الأزرق. يتم تدوير الصمام الثنائي بشكل تدريجي، ويتم التقاط صورة عند كل زاوية.
4. التحليل: معالجة الصور (مثل استخدام Python مع OpenCV أو ImageJ) تستخلص ملفات الشدة. يتم تركيب بيانات الشدة الشعاعية مقابل الزاوية على نموذج لامبرتيان ($I \propto \cos(\theta)$) أو نموذج آخر (مثل دالة $\cos^m(\theta)$ أكثر عمومية).
5. القرار: إذا كان النمط لامبرتيانياً بشدة (m≈1)، فقد تكون العدسات البسيطة كافية للتجانس. إذا كان شديد الاتجاهية (m>>1)، فقد يكون من الضروري استخدام موزع ضوئي (diffuser) أو مكامل عاكس. يوجه هذا الاختبار منخفض التكلفة التصميم البصري قبل بناء نماذج أولية باهظة الثمن.

6. التطبيقات المستقبلية والاتجاهات

تتجاوز الآثار مجرد التوصيف البسيط:

• مراقبة العمليات في الخط: دمج مستشعر فلوري في خطوط تصنيع الصمامات الثنائية لمراقبة جودة نمط الإشعاع في الوقت الفعلي.
• معايرة الأجهزة الطبية الحيوية: ضمان إضاءة موحدة في أجهزة العلاج الضوئي بالأشعة فوق البنفسجية القابلة للارتداء لعلاج حالات الجلد.
• الأطوال الموجية الممتدة: تطبيق نفس المبدأ لتوصيف الصمامات الثنائية في مناطق "عمياء" أخرى لكواشف السيليكون، مثل الأشعة تحت الحمراء العميقة، باستخدام مواد فسفورية مناسبة للتحويل التصاعدي (up-converting).
• دمج المواد الذكية: تطوير أسطح فلورية "ذكية" تغير لون أو نمط الانبعاث بناءً على شدة أو زاوية الأشعة فوق البنفسجية، مما يتيح تصاميم جديدة لأجهزة الاستشعار.
• التوحيد القياسي: العمل مع هيئات مثل NIST أو IEC لتطوير هذه الطريقة إلى ممارسة موصى بها للتحقق من نمط الصمامات الثنائية منخفضة التكلفة، مكملاً للمعايير الضوئية القائمة.

7. المراجع

1. Kneissl, M., & Rass, J. (2016). III-Nitride Ultraviolet Emitters. Springer.
2. Song, K., et al. (2016). Water disinfection with deep-UV LEDs. Journal of Water and Health.
3. Khan, M. A. H., et al. (2020). Deep-UV LED based gas sensors. ACS Sensors.
4. Lakowicz, J. R. (2006). Principles of Fluorescence Spectroscopy. Springer.
5. Zhu, J.-Y., Park, T., Isola, P., & Efros, A. A. (2017). Unpaired Image-to-Image Translation using Cycle-Consistent Adversarial Networks. IEEE ICCV. (مرجع CycleGAN للقياس)
6. National Institutes of Health (NIH). Principles of Reproducible Research.
7. McFarlane, M., & McConnell, G. (2019). Characterisation of a deep-ultraviolet light-emitting diode emission pattern via fluorescence. arXiv:1911.11669.