Эксимерная лампа - Excimer lamp

An эксимерная лампа (или же эксилампа) является источником ультрафиолетовый свет произведенный спонтанным выбросом эксимерные (эксиплексные) молекулы.[1][2][3]

Вступление

Эксимерные лампы бывают квазимонохроматический свет источники, работающие в широком диапазоне длин волн в ультрафиолетовый (УФ) и вакуумный ультрафиолет (ВУФ) спектральные области. Работа эксимерной лампы основана на формировании exciТед Димерс (эксимеры ), которые самопроизвольно переходят из возбужденного состояния в основное, что приводит к испусканию УФ-фотонов. Спектральный максимум излучения эксимерной лампы задается работающей молекулой эксимера (см. Таблицу ниже).

Длина волны и энергия фотонов излучения эксимерных ламп.

Рабочая эксимерная молекулаДлина волны (нм)Энергия фотона (эВ)
NeF *10811.48
Ar2*1269.84
Kr2*1468.49
F2*1587.85
ArBr *1657.52
Xe2*1727.21
ArCl *1757.08
KrI *1906.49
ArF *1936.42
KrBr *2075.99
KrCl *2225.58
KrF *2485.01
XeI *2534.91
Cl2*2594.79
XeBr *2824.41
Br2*2894.29
XeCl *3084.03
я2*3423.63
XeF *3513.53

Эксимеры двухатомные молекулы (димеры) или многоатомные молекулы, которые имеют стабильные возбужденные электронные состояния и несвязанное или слабосвязанное (термически нестабильное) основное состояние. Изначально только гомоядерный двухатомные молекулы со стабильным возбужденным состоянием, но с отталкивающим основным состоянием были названы эксимерами (exciТед димерс). Термин «эксимер» был позже расширен для обозначения любой многоатомной молекулы с отталкивающим или слабосвязанным основным состоянием. Также можно встретить термин «эксиплекс», означающий exciТед comсплетение. Это также эксимерная молекула, но не гомоядерный димер. Например, Xe2*, Kr2*, Ar2* - эксимерные молекулы, а XeCl *, KrCl *, XeBr *, ArCl *, Xe2Cl * относятся к эксиплексным молекулам. Димеры инертных газов и димеры инертных газов и галогенов являются наиболее распространенными и изученными эксимерами. Также известны редкие газогалогенидные тримеры, эксимеры металлов, эксимеры металл-инертный газ, эксимеры галогенидов металлов и эксимеры оксидов инертных газов.[4] но они используются редко.

Эксимерная молекула может существовать в возбужденном электронном состоянии ограниченное время, как правило, от нескольких до нескольких десятков наносекунд. После этого эксимерная молекула переходит в основное электронное состояние, выделяя при этом энергию внутреннего электронного возбуждения в виде фотона. Благодаря особой электронной структуре эксимерной молекулы энергетический зазор между нижним связанным возбужденным электронным состоянием и основным состоянием составляет от 3,5 до 10эВ, в зависимости от вида эксимерной молекулы и обеспечивает излучение света в УФ- и ВУФ-областях спектра. Типичный спектральная характеристика Излучение эксимерной лампы состоит в основном из одной интенсивной узкой полосы излучения.[5] В этой полосе излучения сосредоточено около 70-80% всей мощности излучения эксимерной лампы. Полная ширина на полувысоте полосы излучения зависит от типа эксимерной молекулы и условий возбуждения и находится в диапазоне от 2 до 15 нм. Фактически эксимерные лампы являются источниками квазимонохроматического света. Поэтому такие источники подходят для спектрально-селективного облучения, а в некоторых случаях могут даже заменить лазеры.[6][7][8]

УФ производство

Излучение образуется за счет спонтанный переход эксимерной молекулы из возбужденного электронного состояния в основное. Молекулы эксимеров и эксиплексов не являются долгоживущими образованиями. Обычно они быстро разлагаются в течение нескольких наносекунд, высвобождая свою энергию возбуждения в виде УФ-излучения. фотон:

испускание эксимерной молекулы:

выброс эксиплексной молекулы:

куда Rg2* эксимерная молекула, RgX * это эксиплексная молекула, Rg это атом инертный газ, и Икс это атом галоген.

Образование эксимерной молекулы

Эксимерные молекулы удобно генерировать в плазма. Электроны играют важную роль в плазме и, в частности, в образовании эксимерных молекул. Чтобы иметь возможность эффективно генерировать эксимерные молекулы, рабочая среда (плазма) должна содержать достаточную концентрацию электронов с энергией, достаточной для создания предшественники эксимерных молекул, которые в основном представляют собой возбужденные и ионизированные атомы инертных газов. Введение энергии в газовую смесь приводит к образованию возбужденных и ионизированных атомов инертных газов:

Электронное возбуждение

Rg + e− → Rg * + e−,

Прямой электронная ионизация

Rg + e− → Rg+ + 2e−,

Ступенчатая ионизация

Rg * + e− → Rg+ + 2e−,

где Rg * - атом инертного газа в возбужденном электронное состояние, Rg+ - ион инертного газа, а e− это электрон.

Когда в плазме накапливается достаточно возбужденных атомов инертных газов, эксимерные молекулы образуются по следующей реакции:

Rg * + Rg + M → Rg2* + M,

где Rg2* - это эксимерная молекула, а M - третья частица, уносящая избыточную энергию для стабилизации эксимерной молекулы. Как правило, это атом инертного газа рабочего тела.

Анализируя эту трехчастичную реакцию, можно увидеть, что эффективность образования эксимерных молекул пропорциональна концентрации возбужденных атомов инертного газа и квадрату концентрации атомов инертного газа в основном состоянии. С этой точки зрения концентрация инертного газа в рабочей среде должна быть как можно более высокой. Более высокая концентрация инертного газа достигается за счет увеличения давления газа. Однако увеличение концентрации инертного газа также усиливает столкновительное тушение эксимерных молекул, что приводит к их безызлучательному распаду:

Rg2* + Rg → Rg * + 2Rg.

Столкновительным тушением эксимерных молекул можно пренебречь, в то время как среднее время между столкновениями намного больше времени жизни эксимерной молекулы в возбужденном электронном состоянии. На практике оптимальное давление рабочего тела находится экспериментально и составляет примерно одну атмосферу.

Механизм, лежащий в основе образования эксиплексных молекул (галогенидов инертных газов), несколько сложнее, чем механизм образования эксимерных молекул. Образование эксиплексных молекул происходит двумя основными путями. Первый путь связан с реакцией ион-ионной рекомбинации, т.е. рекомбинация положительного иона инертного газа и отрицательного иона галогена:

Rg+ + X− + M → RgX * + M,

где RgX * - эксиплексная молекула, а M - столкновительный третий партнер, который обычно представляет собой атом или молекулу газовой смеси или буферный газ. Третья частица забирает избыточную энергию и стабилизирует эксиплексную молекулу.

Образование отрицательного иона галогена является результатом взаимодействия низкоэнергетического электрона с молекулой галогена в так называемом процессе диссоциативного присоединения электрона:

Икс2 + е− → Х + Х−,

где X - атом галогена.

Давление газовой смеси имеет большое значение для эффективного образования эксиплексных молекул за счет реакции ион-ионной рекомбинации. Дело в том, что реакция ион-ионной рекомбинации - это процесс трехчастичного столкновения, и вероятность тройного столкновения увеличивается с давлением. При низких давлениях газовой смеси (несколько десятков торрс ) реакция ион-ионной рекомбинации малоэффективна, а при давлениях выше 100 Торр достаточно продуктивна.

Второй способ образования эксиплексных молекул - это гарпунная реакция. В этом случае молекула галогена или галогенсодержащее соединение захватывает слабосвязанный электрон возбужденного атома инертного газа, и образуется эксиплексная молекула в возбужденном электронном состоянии:

Rg * + X2 → RgX * + X.

Поскольку реакция гарпуна представляет собой процесс столкновения двух тел, он может продуктивно протекать при давлении, значительно меньшем, чем то, которое требуется для реакции трех тел. Таким образом, гарпунная реакция делает возможной эффективную работу эксимерной лампы при низких давлениях газовой смеси. Столкновительное тушение эксиплексных молекул при низких давлениях газовой смеси намного ниже, чем при давлениях, необходимых для продуктивного протекания реакции ион-ионной рекомбинации. Благодаря этому эксимерная лампа низкого давления обеспечивает максимальную эффективность преобразования энергии накачки в УФ-излучение.

Следует отметить, что и гарпунная реакция, и реакция ион-ионной рекомбинации протекают одновременно. Преобладание первой или второй реакции в основном определяется давлением газовой смеси. Гарпунная реакция преобладает при низких давлениях (ниже 50 Торр ), тогда как реакция ион-ионной рекомбинации преобладает при более высоких давлениях (выше 100 Торр).

В кинетика реакций, протекающих в плазме, разнообразен и не ограничивается рассмотренными выше процессами. Эффективность получения эксиплексных молекул зависит от состава газовой смеси и условий ее возбуждения. Тип донора галогена играет важную роль. Наиболее эффективными и широко используемыми галогеноносителями являются: гомоядерные двухатомные молекулы галогена. Более сложные галогенные соединения, такие как галогениды водорода, галогениды металлов, и интергалогены также используются в качестве носителя галогена, но в меньшей степени.

Заслуживает внимания галоген-носитель. галогенид щелочного металла. Особенностью галогенидов щелочных металлов является схожесть их химическая связь с эксиплексными молекулами в возбужденных электронных состояниях. Молекулы эксиплекса в возбужденных электронных состояниях характеризуются ионная связь а также галогениды щелочных металлов в основном состоянии. Это открывает альтернативные механизмы образования эксиплексных молекул, а именно: реакции замещения:

Rg * + AX ​​→ RgX * + A,
Rg+ + AX → RgX * + A+,

где AX представляет собой молекулу галогенида щелочного металла, A представляет собой атом щелочного металла и A+ представляет собой ион щелочного металла.

Эти механизмы образования эксиплексных молекул принципиально отличаются от реакции ион-ионной рекомбинации и гарпунной реакции.[9] Эксиплексная молекула образуется просто путем замены атома / иона щелочного металла в молекуле галогенида щелочного металла возбужденным атомом / ионом инертного газа.

Преимущество использования галогенидов щелочных металлов состоит в том, что обе реакции замещения могут протекать одновременно при низких давлениях с сопоставимой производительностью.[10] Более того, как возбужденные атомы, так и ионы инертного газа эффективно используются в производстве эксиплексных молекул в отличие от эксимерных ламп, использующих другие галогеноносители. Это важно, потому что ионизация и возбуждение инертного газа потребляют большую часть вводимой энергии. Поскольку в зависимости от давления газовой смеси преобладают реакции ион-ионной рекомбинации и гарпунной реакции, генерация ионов инертных газов невыгодна при низких давлениях, а возбуждение инертных газов при высоких давлениях нецелесообразно. Недостатком использования галогенидов щелочных металлов являются высокие температуры, необходимые для обеспечения необходимой концентрации молекул галогенидов щелочных металлов в газовой смеси. Несмотря на это, использование галогенидов щелочных металлов в качестве носителя галогена особенно перспективно при разработке эксиплексные лазеры работает при низком давлении.[10]

Способы возбуждения

Одним из широко используемых способов возбуждения излучения эксимерных молекул является электрический разряд. Существует множество типов разряда, используемых для накачивание эксимерные лампы. Некоторые примеры тлеющий разряд, импульсный разряд, емкостной разряд, продольные и поперечные разряды, объемный разряд, искровой разряд и микрополый разряд., диэлектрический барьерный разряд (DBD), тип емкостного разряда, является наиболее распространенным типом, используемым в коммерческих лампах.[11][12] Преимущество эксимерных ламп DBD заключается в том, что электроды не находятся в прямом контакте с активной средой (плазма ). Отсутствие взаимодействия электродов с разрядом исключает коррозию электродов, а также загрязнение активной среды распыленным электродным материалом, что значительно увеличивает срок службы эксимерных ламп DBD по сравнению с другими. Кроме того, диэлектрический барьерный разряд обеспечивает эффективное возбуждение газовой смеси в широком диапазоне рабочих давлений от нескольких торрс более чем одному атмосфера. Эксимерные лампы могут быть выполнены с любой формой излучающей поверхности, удовлетворяющей требованиям конкретной задачи.

Преимущества эксимерных ламп

Основные преимущества эксимерных ламп перед другими источниками УФ- и ВУФ-излучения:

  • высокая средняя удельная мощность УФ-излучения (до 1 Вт на кубический сантиметр активной среды);
  • высокая энергия излучаемого фотона (от 3,5 до 11,5 эВ);
  • квазимонохроматическое излучение со спектральной шириной на полувысоте от 2 до 15 нм;
  • высокая спектральная плотность мощности УФ-излучения;
  • выбор длины волны спектрального максимума УФ-излучения для конкретных целей (см. таблицу);
  • наличие многоволнового УФ-излучения за счет одновременного возбуждения нескольких видов работающих эксимерных молекул;
  • отсутствие видимого и инфракрасного излучения;
  • мгновенное достижение рабочего режима;
  • низкий нагрев излучающей поверхности;
  • отсутствие ртути.

Приложения

Коммерчески используемая эксимерная лампа 172 нм для полиграфической промышленности

Источники света, излучающие в УФ-области спектра, широко используются в технологиях, включающих фотохимические процессы, например, отверждение красок, клеев, лаков и покрытий, фотолитография, УФ-индуцированный рост диэлектриков,[13] Модификация поверхности, вызванная ультрафиолетом, и очистка или осаждение материала. Несвязный Источники УФ-излучения имеют некоторые преимущества перед лазерными из-за их более низкой стоимости, огромной площади облучения и простоты использования, особенно когда предусматриваются крупномасштабные промышленные процессы.

Ртутные лампы (λ = 253,7 нм) являются широко распространенными источниками УФ-излучения, но их производство, использование и утилизация старых ламп представляют угрозу для здоровья человека и загрязнения окружающей среды. По сравнению с широко используемыми ртутными лампами эксимерные лампы имеют ряд преимуществ. Особенностью эксимерной молекулы является отсутствие прочной связи в основном электронном состоянии. Благодаря этому УФ-излучение высокой интенсивности может быть извлечено из плазмы без значительного самопоглощения. Это позволяет эффективно преобразовывать энергию, вложенную в активную среду, в УФ-излучение.

Эксимерные лампы относятся к холодным источникам УФ-излучения, поскольку излучающая поверхность эксимерных ламп остается при относительно низких температурах в отличие от традиционных УФ-ламп, таких как ртутные. Поскольку среду не нужно нагревать, эксимерные лампы достигают максимальной мощности почти сразу после включения.

Эксимерные лампы на основе редких газов и галогенидов инертных газов обычно излучают в ультрафиолетовой (УФ) и вакуумно-ультрафиолетовой (ВУФ) областях спектра (см. Таблицу). Их уникальные характеристики узкополосного излучения, высокая квантовая эффективность и фотоны высокой энергии делают их пригодными для таких приложений, как абсорбционная спектроскопия, УФ-отверждение, УФ-покрытие, дезинфекция, генерация озона, уничтожение газообразных органических отходов, фототравление и фотоосаждение и другие приложения.[14]

Источники света, излучающие фотоны в диапазоне энергии 3,5–10 эВ, находят применение во многих областях благодаря способности фотонов высокой энергии расщеплять большинство химических связей и убить микробы разрушающий нуклеиновые кислоты и нарушая их ДНК. Примеры применения эксимерных ламп включают очистку и дезинфекцию питьевая вода, вода в бассейне, воздуха, очистка сточных вод, обеззараживание промышленных отходов, фотохимический синтез и разложение органических соединений в дымовых газах и воде, фотополимеризация органических покрытий и красок, а также фотоусиление химического осаждения из паровой фазы.[15][16] Во всех случаях УФ-фотоны возбуждают частицы или разрывают химические связи, что приводит к образованию радикалов или других химических реагентов, которые инициируют требуемую реакцию.

Эксимерная лампа обладает избирательным действием. Ультрафиолетовое излучение с заданной длиной волны может избирательно возбуждать виды или генерировать необходимые радикалы. Такие лампы могут быть полезны для фотофизической и фотохимической обработки, такой как УФ-отверждение красок, лаков и клеев, очистки и изменения свойств поверхности, полимеризации лаков и красок и фотодеградации различных загрязняющих веществ. Фототравление полимеров возможно использование различных длин волн: 172 нм для эксимера ксенона, 222 нм для хлорида криптона и 308 нм для хлорида ксенона. Эксимерные УФ-источники могут использоваться для микроструктурирования полимерных поверхностей большой площади. XeCl-эксимерные лампы (308 нм) особенно подходят для получения загар.

Флуоресцентная спектроскопия - один из наиболее распространенных методов обнаружения биомолекул. Биомолекулы можно маркировать с помощью флуорозонда, который затем возбуждается коротким импульсом УФ-света, что приводит к повторному излучению в видимой области спектра. Обнаруживая этот переизлученный свет, можно судить о плотности меченых молекул. Комплексы лантаноидов обычно используются в качестве флуорозондов. Из-за своего длительного срока службы они играют важную роль в передаче энергии резонансного резонанса Форстера (FRET ) анализ.

В настоящее время эксимерные лампы находят применение в экологии, фотохимии, фотобиологии, медицине, криминалистике, нефтехимии, физике, микроэлектронике, различных инженерных задачах, широкомасштабных технологиях, науке, различных отраслях промышленности, в том числе пищевой, и многих других.

Загрязнение окружающей среды

Ртутные лампы являются наиболее распространенным источником УФ-излучения из-за их высокой эффективности. Однако использование ртути в этих лампах создает проблемы утилизации и защиты окружающей среды. Напротив, эксимерные лампы на основе инертных газов абсолютно безопасны, а эксимерные лампы, содержащие галоген, более безопасны для окружающей среды, чем ртутные.[нужна цитата ]

Рекомендации

  1. ^ "Что такое эксимерная лампа?". Resonance Ltd.
  2. ^ М.И. Ломаев; ПРОТИВ. Скакун; E.A. Соснин; В.Ф. Тарасенко; Д.В. Шитц и М.В. Ерофеев (2003). «Эксилампы: эффективные источники спонтанного УФ- и ВУФ-излучения». Физ.-Усп.. 46 (2): 193–209. Bibcode:2003PhyU ... 46..193L. Дои:10.1070 / PU2003v046n02ABEH001308.
  3. ^ Ульрих Когельшац (2004). Тарасенко Виктор Федорович (ред.). «Эксимерные лампы: история, физика разряда и промышленное применение». Труды SPIE. Труды SPIE. 5483: 272–286. Bibcode:2004SPIE.5483..272K. Дои:10.1117/12.563006.
  4. ^ Родос, Ч.К., изд. (1984). Эксимерные лазеры. Берлин: Springer. п. 271.
  5. ^ Б. Геллерт; У. Когельшац (1991). «Генерация эксимерной эмиссии в диэлектрических барьерных разрядах». Прикладная физика B. 52 (1): 14–21. Bibcode:1991АпФБ..52 ... 14Г. Дои:10.1007 / BF00405680.
  6. ^ Сабуро Сато; Такао Танака; Сатоши Ихара; Чобей Ямабе (2000). Чен, Сянли; Фудзиока, Томоо; Мацунава, Акира (ред.). «Стереолитография с эксимерным лазером / лампой XeCl». Труды SPIE. Лазеры большой мощности в производстве. 3888: 264–271. Bibcode:2000SPIE.3888..264S. Дои:10.1117/12.377028.
  7. ^ Сабуро Сато; Такао Танака; Сатоши Ихара; Чобей Ямабе (2000). Хелваджян, Генри; Сугиока, Кодзи; Гауэр, Малькольм С; и другие. (ред.). «Стереолитография эксимерных ламп». Труды SPIE. Применение лазеров в микроэлектронике и оптоэлектронном производстве V. 3933: 272–279. Bibcode:2000SPIE.3933..272S. Дои:10.1117/12.387563.
  8. ^ К. Кёльнер; М.Б. Виммерсхофф; К. Хинтц; М. Ландталер; У. Гогенлейтнер (2005). «Сравнение эксимерного лазера с длиной волны 308 нм и эксимерной лампы с длиной волны 308 нм с узкополосным ультрафиолетом B 311 нм при лечении псориаза». Британский журнал дерматологии. 152 (4): 750–754. Дои:10.1111 / j.1365-2133.2005.06533.x. PMID  15840108.
  9. ^ РС. Кленовский; В.А. Кельман; Ю.В. Жменяк; Ю.О. Шпеник (2013). «Люминесценция эксиплексных молекул XeCl * и XeBr *, инициированная продольным импульсным разрядом в трехкомпонентной смеси Xe с парами CsCl и CsBr». Оптика и спектроскопия. 114 (2): 197–204. Bibcode:2013OptSp.114..197K. Дои:10.1134 / S0030400X13010141.
  10. ^ а б ЯВЛЯЮСЬ. Бойченко; РС. Кленовский (2015). «Лазерная генерация эксиплексных молекул XeCl в продольном импульсно-периодическом разряде в смеси Xe - CsCl». Квантовая электроника. 45 (12): 1105–1110. Bibcode:2015QuEle..45.1105B. Дои:10.1070 / QE2015v045n12ABEH015859.
  11. ^ У. Конельшац; Б. Элиассон; В. Эгл (1997). «Диэлектрические барьерные разряды. Принципы и применения». J. Phys. (Париж). Серия IV. 7 (C4): 47–66. Дои:10.1051 / jp4: 1997405.
  12. ^ Ульрих Когельшац (2003). «Разряды с диэлектрическим барьером: их история, физика разряда и промышленное применение». Плазмахимия и обработка плазмы. 23 (1): 1–46. Дои:10.1023 / А: 1022470901385.
  13. ^ Ян В. Бойд; Цзюнь-Ин Чжан (2001). «Фотоиндуцированный рост диэлектриков с помощью эксимерных ламп». Твердотельная электроника. 45 (8): 1413–1431. Bibcode:2001ССЭле..45.1413Б. Дои:10.1016 / S0038-1101 (00) 00259-8.
  14. ^ «Технический обзор». ATOM Instrument Corp. Архивировано из оригинал на 2013-08-13. Получено 2013-06-26.
  15. ^ Галина Матафонова; Валерий Батоев (2012). «Недавний прогресс в применении УФ-эксиламп для разложения органических загрязнителей и микробной инактивации». Атмосфера. 89 (6): 637–647. Bibcode:2012Чмсп..89..637М. Дои:10.1016 / j.chemosphere.2012.06.012. PMID  22784863.
  16. ^ Эдуард А. Соснин; Томас Оппенлендер; Виктор Федорович Тарасенко (2006). «Применение эксиламп емкостного и барьерного разряда в фототехнике». Журнал фотохимии и фотобиологии C: Обзоры фотохимии. 7 (4): 145–163. Дои:10.1016 / j.jphotochemrev.2006.12.002.

внешняя ссылка