水晶は紫外線を透過しますか?石英ガラスのUV透過性について解説

UV 消毒チャンバー、光化学リアクター、または分光計用の光学セルを指定していると想像してください。最初の重要な疑問の 1 つは、石英が実際に紫外線を透過するかどうかです。どこにでもある安価な通常のガラスは窓でほとんどの紫外線を防ぐため、その答えは重要です。対照的に、溶融石英は、ほとんど損失なく深紫外線を通過する数少ない透明なエンジニアリング材料の 1 つです。半導体、太陽光発電、実験室、光学機器の顧客に製品を供給する石英ガラス メーカーとして、私たちはほぼ毎週この質問に答えています。そのため、この記事では実用的な仕様レベルの答えを提供します。

はい: 石英は紫外線を透過します。グレードと厚さに応じて、石英ガラスは 254 nm の入射 UV のおよそ 85 ～ 92 パーセントを透過し、高純度の溶融シリカは約 185 nm まで透過性を保ちます。正確な値は、材料グレード、不純物含有量、表面仕上げ、および経路長によって異なります。以下のセクションでは、石英がこのように動作する理由、さまざまな石英グレードの比較、ホウケイ酸ガラスやソーダ石灰ガラスに対して石英がどのように機能するか、および独自のアプリケーションに適した UV 透過石英の選択方法について説明します。

水晶は紫外線を透過しますか?直接的な答え

簡単な答えは「はい」であり、役に立つ工学的な答えも「はい」であり、成績表が添付されています。石英ガラスは、産業で使用される紫外線範囲全体、つまり 315 ～ 400nm の UVA、280 ～ 315 nm の UVB、200 ～ 280 nm の UVC にわたって透明です。標準的な透明な石英チューブまたはプレートは、254 nm の UVC 放射線の 85 パーセント以上を透過します。そのため、殺菌 UV ランプ、UV 浄水器、および UV リアクタのエンベロープ材料として石英が指定されています。比較すると、通常のソーダ石灰ガラスは UVC をほぼ完全に吸収し、ホウケイ酸ガラスでさえ約 300 nm 以下では不透明になります。

業界の専門家が UV 光を透過する石英について話すとき、それは通常、カウンタートップに使用される結晶石英ではなく、溶融石英または溶融シリカを意味します。溶融石英は、天然の石英結晶またはケイ砂をアモルファス ガラスに溶かすことによって作られますが、溶融シリカは通常、合成前駆体から作られます。どちらの形態も、純粋な二酸化ケイ素という同じ基本的な化学構造を共有していますが、純度と製造ルートの違いは主に深紫外領域で現れます。

上記の数値は、きれいに磨かれた表面と 1 ～ 10 mm の一般的な壁厚を想定しています。厚い部分はより多くの吸収をするため、50 mm の石英ロッドは同じグレードの 1 mm の石英ウィンドウよりも低い UV 透過率を示します。表面仕上げも重要です。研磨された表面やつや消しの表面はかなりの量の UV を散乱しますが、研磨された表面は反射損失を表面あたり約 3.5 パーセントの理論値に近づけます。

なぜ石英は紫外線を透過し、普通のガラスは透過しないのか

UV 透過の背後にある物理は、実際には吸収の物理です。光子エネルギーが材料内で許容される電子遷移と一致すると、紫外光は材料に吸収されます。純粋な溶融石英のバンドギャップは非常に広く、約 8 ～ 9 電子ボルトです。実際のシステムで使用される最もエネルギーの高い UV 光子、たとえば 200 nm の光子は約 6.2 電子ボルトを運びますが、そのギャップを横切って電子を励起するのに十分なエネルギーがありません。その結果、純粋なシリカには UV 光に対する固有の吸収機構はなく、光子は単に通過します。

通常の窓ガラスは化学的には別の素材です。ソーダ石灰ガラスには、酸化ナトリウム、酸化カルシウム、および通常数百ppmの鉄が含まれています。鉄、特に第二鉄の形の鉄は、知られている中で最も強力な紫外線吸収剤の 1 つです。たとえ数ppmでもガラスはUVCに対して不透明になります。また、モディファイアイオンはシリカネットワークを破壊し、非架橋酸素原子を生成し、局所的なエネルギーレベルを導入します。これらのレベルは UV 光子に吸収される経路を与えるため、ガラスは透過するのではなくブロックします。

これが、純度が UV グレードのクォーツの中心的な概念である理由です。石英の製造プロセスでは、UV 透過率を決定する 3 つの要素、つまり金属不純物のレベル、ヒドロキシル基の濃度、酸素欠乏欠陥の数が制御されます。 220 nm 未満の深紫外作業では、高純度前駆体からの合成石英ガラスが最もクリーンなネットワークと最高の透過率を提供します。市場に出回っているほとんどの石英管や石英プレートの原料である火炎溶融天然石英は、天然結晶からの微量元素を保持しているため、深紫外透過率がわずかに低くなります。

また、UV システムの購入者は、低 OH 溶融シリカと高 OH 溶融シリカの間には実際的な違いがあることを理解しておく必要があります。 JGS1 に典型的な高 OH または湿式溶融シリカは、優れた深紫外透過率と、UV 誘発損傷に対する優れた耐性を与えます。 JGS3 に典型的な低 OH または乾燥溶融シリカは、赤外線光学用に開発され、約 260 nm 未満の透過率を低減します。紫外線用途では、ほとんどの場合、高 OH グレードがより安全な選択です。

• 精製された SiO2 ネットワーク: 紫外線エネルギーを吸収する修飾イオンはありません。
• 広いバンドギャップ: UV フォトンには電子吸収を引き起こすエネルギーがありません。
• 金属不純物が少ない: 鉄や遷移金属の吸収帯はありません。
• 制御された構造: 248 nm および 215 nm 付近を吸収する最小限の酸素欠乏中心。

グレード別の石英の UV 透過率: JGS1、JGS2、JGS3 および溶融石英

すべての石英が同等に UV を透過するわけではないため、石英コンポーネントの指定の大部分は適切なグレードを選択することです。中国の光学規格分類 JGS1、JGS2、および JGS3 は業界全体で広く使用されており、国際的な溶融シリカの種類と密接に対応しています。購入者にとって注文の原則は簡単です。数値が低いほど、深紫外性能が優れています。合成遠紫外グレードの JGS1 は、約 185 nm まで透過します。天然石英から作られた JGS2 は、およそ 220 nm を超える UV 範囲をカバーします。また、低 OH 赤外線グレードの JGS3 は、深紫外サービスには推奨されません。

JGS1 は、システムが 185 ～ 220 nm で動作する必要がある場合に最適な材料であるため、オゾン反応器、エキシマ レーザー光学系、VUV 分光器などの要求の厳しい UV アプリケーションにも推奨されるグレードです。広い透過率と低いソラリゼーションの組み合わせにより、深紫外性能が重要な場合には、より高い価格の価値があります。

深紫外用途向け遠紫外光学石英ガラス JGS1 この合成石英ガラスグレードは、ソラリゼーションが少なく、185 ～ 220 nm の範囲で透過率が高いため、エキシマ レーザー光学や VUV 分光器などの要求の厳しい UV システムに適しています。 製品を見る→

透過率曲線は、単一のデータ ポイントよりも明確なストーリーを伝えます。以下のグラフは、厚さ 10 mm の 3 つの一般的な材料の内部透過率を波長の関数としてプロットしています。 3 つの曲線は、180 nm ～ 400 nm の UV グレードの溶融シリカ、標準の溶融石英、およびホウケイ酸ガラスをカバーしています。 300 nm 以下では材料の選択が重要になることがわかります。特に、180 nm ～ 220 nm の深紫外領域では、合成石英ガラスが他のすべてのガラス系から区別されます。

読者が最初に注目すべきことは、UV グレードの溶融シリカ曲線がいかに平坦であるかということです。200 nm から 400 nm までずっと 90 パーセント以上を維持しています。標準的な溶融石英は、より長い波長では同様の経路をたどりますが、その透過率は 220 nm を下回ると著しく低下し始めます。 200 nm では、標準的な石英は 10 mm の光路で約 70 パーセントしか透過しませんが、UV グレードの溶融シリカは依然として 90 パーセント以上を透過します。薄い灰色の曲線で示されているホウケイ酸ガラスは、300 nm 以下では事実上不透明です。 310 nm から 330 nm の間では、ホウケイ酸塩の濃度は約 20 パーセントから 60 パーセントを超えるまで急速に上昇します。これは、UVB と UVC をブロックする UVA 透過材料としての挙動と一致します。実用的な殺菌波長である 254 nm では、UV グレードの溶融シリカと標準石英は両方とも強く透過しますが、ホウケイ酸塩は実質的に透過しません。これがまさに、すべての水銀およびアマルガム UV 消毒ランプの壁にホウケイ酸塩ではなく石英が使用されている理由です。 185 nm でのオゾン生成など、200 nm より短い波長を必要とする用途では、高純度合成石英ガラスのみが有用な実用透過率を提供します。この曲線は、UV 分光システムで溶融シリカ ウィンドウからホウケイ酸塩ウィンドウに切り替えると測定が完全に変わる理由も説明しています。つまり、透過スペクトルは科学的な質問と購入に関する質問の両方に答えます。石英は UV 光を透過し、選択したグレードによって実際の UV カットオフがどこにあるかが決まります。

生産規模の購入の場合、メーカーは各バッチの測定された透過率曲線を提供できます。 UV グレードの石英ガラスと標準的な石英はどちらも UV 光を透過しますが、実際的な問題は、使用波長がどこにあるかだけです。

石英ガラス、ホウケイ酸ガラス、ソーダ石灰ガラス: UV 透過率の比較

固定波長での直接比較は、石英がデフォルトの UV マテリアルである理由を最も早く伝える方法です。殺菌灯の波長である 254 nm では、石英は 80 パーセント以上を透過しますが、ホウケイ酸ガラスやソーダ石灰ガラスは本質的に何も透過しません。 UVB 範囲の 302 nm では、石英は依然として約 90 パーセントを透過し、ホウケイ酸塩は開き始めるだけです。 UVA 範囲の 365 nm では、依然として石英がリーダーですが、ホウケイ酸塩が使用可能になり、ソーダ石灰が約 50 パーセントに達します。結論は明白です。波長が短ければ短いほど、石英はより多くの優位性を発揮します。

何人かの購入者から、コスト削減のために UV-C システムでホウケイ酸スリーブを使用してもよいかどうかと尋ねられます。測定された答えはノーです。254 nm では、スリーブ自体がほぼすべての UV-C を吸収するため、ランプは意味のある線量を供給せずに水または空気を加熱します。工業的に UVC に使用できる材料は、石英、高純度溶融シリカ、および PTFE や PFA などの特定のフッ素ポリマーだけであり、フッ素ポリマーが石英の構造特性や熱特性をもつことはほとんどありません。 JGS2 プレートは、産業用エンベロープ、ビューポート、およびカバーに、UV 透過性と熱安定性の最もコスト効率の高い組み合わせを提供します。

工業用UV-C封筒用UV光学石英板 JGS2 200 ～ 250 nm に吸収帯域がないこの石英プレートは、UV-C システムのランプ スリーブ、ビューポート、カバーにコスト効率の高い UV 透過性と熱安定性を提供します。 製品を見る→

スペクトル曲線は話の一部にすぎません。購入者は、プロセスで使用する正確な波長での迅速な比較も望んでいます。 254 nm の UV-C 光は低圧水銀殺菌灯の標準出力であるため、この波長は何千もの製品仕様に使用されています。以下のグラフは、厚さ 1 mm での 6 つの一般的な材料グループの測定された透過率を比較しています。ほとんどの UV ランプ スリーブと光学窓は 1 mm ～ 3 mm の範囲で指定されているため、意図的に薄い代表的な壁厚を使用しました。棒は、この臨界波長における石英製品と従来のガラス製品との間のギャップの広さを示しています。

UV グレードの溶融シリカと低 OH 溶融シリカがチャートの最上位に位置し、どちらも入射 UVC の約 90 パーセントを透過します。 JGS2 クォーツは約 86% と若干の差があり、この差は日常使用ではほとんど目に見えませんが、数千時間の動作時間にわたってランプの効率に影響を与える可能性があります。石英スリーブやランプのエンベロープの主力材料である標準的な溶融石英管は、この厚さで約 82 パーセントを透過します。ホウケイ酸ガラスとソーダ石灰ガラスは、下部に無視できるバーとして示されていますが、254 nm では UVC を本質的に透過しません。実際的な結果は、ホウケイ酸スリーブを使用して設計されたランプは、どんなに多くの電力が適用されても、定格 UVC 線量を決して供給できないということです。これは、254 nm で使用される光学プローブと UV センサーが常にガラス窓ではなく石英窓を指定する理由でもあります。もう 1 つの有益な観察は、4 つの石英グレード間のばらつきがわずか約 8 パーセント ポイントであることです。これは、最も経済的な石英グレードでも依然として本物の UV 透過体であることを意味します。アプリケーションが 222 nm 塩化クリプトン エキシマ ランプなどのより短い波長に移行すると、同じランクが維持されますが、JGS1 と標準石英の間のギャップは広がります。 185 nm では、その違いはさらに劇的になり、合成石英ガラスグレードのみが引き続き使用可能になります。調達の観点から見ると、すべてのクォーツが同じではないため、この表はサプライヤーに見積もられたグレードの実際の透過率曲線を尋ねることを思い出させるのに役立ちます。信頼できるメーカーは、すべての生産バッチの測定データを提供します。

メーカーの観点から言えば、結論は簡単です。当社はこれらすべてのグレードをチューブ、ロッド、プレートの形で供給しており、卸売注文では 1 回の出荷でグレードを混合することができます。光学的な違いは測定可能であるため、常にターゲット波長を引用することをお勧めします。

石英の UV 透過に依存する産業および実験室のアプリケーション

石英の UV 透過性は実験室の好奇心によるものではありません。それが数十億ドル規模の産業を動かしているのです。 UV 消毒では、石英スリーブと石英ランプ エンベロープを使用して、水銀ランプから水、空気、表面に UVC を放出します。半導体製造では、石英光学部品と石英窓が 193 nm と 248 nm のレーザー光をステッパーや検査ツールに伝えます。分析化学では、石英キュベットと石英キャピラリーを使用すると、ガラスではサポートできない 200 nm 未満の UV 分光分析が可能になります。 UV 硬化では、石英ロッドとプレートが、継続的な暴露下でも劣化することなく、接着剤、インク、コーティングに UVA および UVB エネルギーを供給します。

アプリケーションごとに、クォーツに対する要求はわずかに異なります。消毒システムには、薄肉チューブ内での高い UVC 透過率に加えて、ランプが高温になっているときの熱衝撃耐性が必要です。半導体ツールには、気泡含有量が少なく、均一性が保証された高級合成石英ガラスが必要です。 UV 硬化ラインには、迅速に取り扱い、洗浄、交換できる大きな石英プレートが必要です。これらすべての形態のクォーツを生産する工場は、同じ生産システムからいずれの形態でも供給できます。

産業バイヤー向けに両方の世界を組み合わせた製品は、耐紫外線石英管です。高出力殺菌器具のランプエンベロープとして、また UV 硬化装置の保護カバーとして使用され、数千時間にわたって安定した透過率を維持する必要があります。ドープバージョンでは、別の制御層が追加されます。シリカネットワークを化学的に修飾することで、ドーピングにより特定の UV バンドをシフトまたは除去できます。これは、ランプが特定の波長を通過させ、他の波長を抑制する必要がある場合に役立ちます。 UV チャンバー用の精密石英ウィンドウとサイトグラスを必要とするお客様のために、カスタム サイズとエッジ仕上げを施した、JGS1、JGS2、および標準石英の研磨ウィンドウを提供します。当社の高温および耐紫外線性の石英ガラス管は、壁の厚さを制御し、UVC 透過率を測定して、まさにこのデューティ サイクル向けに製造されています。

高温および耐紫外線性の石英ガラス管 これらの SiO₂ チューブは、可視から近赤外までの透過率が 93% を超え、肉厚が制御され、UVC 透過率が測定されているため、殺菌ランプおよび硬化ランプ用の信頼性の高いエンベロープとなっています。 製品を見る→

適合性に関する最後のポイント: プロセスで硬化、消毒、分析、またはアブレーションに UV 光を使用する場合、ほとんどの場合、石英が正しい光学インターフェースになります。石英が推奨されないいくつかのケースは、約 180 nm 未満の波長に依存するプロセスであり、合成石英でも透明性が失われ始めます。また、選択的な UV ブロックが必要なプロセスでは、普通の石英ではなくドーピングやコーティングが適切なツールです。

用途に合わせた UV 透過石英の選び方

適切な UV 透過石英の選択は、プロセスで使用する最短の波長という 1 つの数字から始まります。この 1 つの数値によって、グレード、材料の純度、そして通常は価格が決まります。 2 番目の質問は光路長です。1 mm のウィンドウと 50 mm のロッドでは、同じ材質であっても透過が大きく異なります。 3 番目の質問グループでは、動作温度、圧力、化学物質への曝露、機械的取り付けについて取り上げており、これらはすべて最終コンポーネント設計に影響します。

有用な経験則として、300 nm を超えると、ほとんどの透明な石英グレードが機能します。 300 nm 未満の場合は、UV グレードの材料を指定します。 220 nm 未満の場合は、合成石英ガラスを指定します。サプライヤーがクォーツの実質的なカットオフを教えてくれない場合は、危険信号として扱ってください。

グレードだけでなく、4つの仕様詳細も注目に値する。壁の厚さまたは窓の厚さによって機械的強度と透過率の両方が変化するため、プロセス圧力に耐えられる最も薄いセクションを最適化します。表面の品質は重要です。細かく磨かれた表面は散乱を最小限に抑えますが、研磨された表面は効果的な UV 照射を 5 ～ 15 パーセント減少させる可能性があります。金属またはセラミックのハウジングに封止するには、エッジの仕上げと公差が重要です。最後に、データシートの典型的な曲線だけでなく、使用波長での実際の透過データを要求します。

当社はクォーツを再販するだけでなく製造しているため、バッチ固有のテスト証明書、カスタム寸法、および混合負荷を備えた UV グレードの製品を卸売バイヤーに提供できます。 JGS1 光学プレートを製造する同じ工場は、UV リアクター用の大口径石英管も製造しているため、単一のサプライヤーで光学部品とプロセス ハードウェアの両方をカバーできます。アプリケーションが逆の動作、つまり UV を透過するのではなくブロックする必要がある場合、 UV濾過用のドープ石英管 スペクトル性能が制御された状態で当社の工場で製造されています。

UV グレードのクォーツの取り扱い、洗浄、メンテナンス

UV グレードの石英は純度の高い透明性を備えているため、UV システムでは表面の汚染がすぐに現れます。 1 つの指紋には、紫外線を強く吸収する油分が含まれており、汚染された石英窓の UVC 透過率は、きれいな石英窓より 10 ～ 20% 低く測定される可能性があります。また、表面での吸収により石英が局所的に加熱され、高出力ランプの失透や亀裂が促進される可能性があります。したがって、UV 光学表面をきれいに保つことは表面的なものではありません。それはパフォーマンス要件です。

• 清潔なニトリルまたは糸くずの出ない手袋を使用して、石英のエッジのみを扱ってください。
• 光学グレードのエタノールまたはアセトンと糸くずの出ないワイプで掃除してください。優しくこすって縞模様がないか調べます。
• 汚れがひどい場合は、適切な安全管理のもとで、希フッ酸エッチングを使用し、続いて脱イオン水ですすぎ、乾燥させます。
• 研磨剤入りのクリーナーは避けてください。傷は紫外線を散乱させ、照射線量を減らします。
• UV 放射計を使用してランプのスリーブと窓を定期的に検査してください。透過率が 5 ～ 10% 以上低下した場合は交換してください。
• 予備の石英部品は保護スリーブに入れて、清潔で乾燥した場所に保管してください。

熱処理については別の説明が必要です。石英ガラスは膨張係数がソーダ石灰ガラスの約 17 分の 1 と低いため、通常のガラスよりも熱衝撃に対する耐性がはるかに優れています。それは壊れないという意味ではありません。熱いランプにさらされた冷たい石英スリーブや、熱いチューブに触れた濡れた表面でも亀裂が入る可能性があります。システム内の新しいコンポーネントを徐々に加熱し、シールを均一に保ち、局所的な炎やホットスポットとの接触を避けます。

製造面でも同様の精神で品質検査を行っています。各 UV グレードのコンポーネントは表面品質が検査され、必要に応じて顧客の波長で透過率が測定され、光学面が触れられないように梱包されます。これらの手順は単純に聞こえるかもしれませんが、専門メーカーの石英製品の性能が一般的な石英ガラスとは異なるのはこのためです。

FAQ: クォーツは紫外線を透過しますか?

研究所のバイヤー、プラントエンジニア、調達チームが石英と紫外線に関して最もよく尋ねる質問を次に示します。

当社工場の UV グレードのクォーツ製品をご覧ください

当社の生産プログラムは、ランプのエンベロープやスリーブ用のチューブ、機械的および光学的作業用のロッド、ビューポート用のプレートと窓、反応器や機器用のカスタム石英製品など、UV システムに必要なあらゆる形式の UV 透過石英をカバーしています。これらの製品はすべて自社の石英ガラス工場から生産されているため、リードタイム、寸法、テストデータが 1 か所で管理されています。

2 つの製品ラインは、紫外線バイヤーに特に関係があります。 1 つ目は、UV グレードの材料から研磨された当社の精密石英窓およびサイトグラスの製品群で、JGS1、JGS2、および消毒、硬化、およびセンサー用途向けの標準石英で入手可能です。 2 つ目は、UV 濾過用のドープ石英チューブです。これは、明るい UV 環境で UV に敏感な材料を保護するなど、紫外線を通過させるのではなく遮断する必要があるプロセス用に開発されました。

• 精密石英窓と覗き窓 - チャンバー、センサー、プロセスビューポート用の研磨された UV グレードのウィンドウ。
• UV 濾過用のドープ石英チューブ - 制御された UV ブロック性能を備えた石英チューブ。

問い合わせのたびに、当社チームはグレードを推奨する前に、使用波長、必要な透過率、寸法、動作条件を尋ねます。このプロセスは、単一のプロトタイプ ウィンドウとコンテナ積みの卸売注文に同様に適用されます。プロジェクトが紫外線に依存している場合、そのリスクを回避する最も早い方法は、紫外線を理解している人によって製造、測定、文書化された石英ガラスを指定することです。