紫外線光源簡介

紫外線光源是紫外線技術的重要組成部分，紫外線技術的發(fā)展往往依賴于紫外線光源的發(fā)展。當出現了適用的新型紫外線光源時，必然可以促進某種行業(yè)的發(fā)展。例如光柵的制造。光柵是大型精密光學儀器的重要分光元件。世界上有許多國家不能制造精密儀器，與不能制造高分辨率色散率的光柵有關，要使光柵具備很高的分辨率，就必須要掌握高密度刻線技術(如每毫米幾千條等距離平行線)，要刻這么多的線數，就必須有高強度的短波紫外光源(200~300毫微米)對應的光刻膠進行曝光。同樣在高頻大功率固體器件和大規(guī)模集成電路上也與紫外曝光光刻技術的發(fā)展分不開。

目前在光學研究上取得了很大進展，這同紫外線光源的發(fā)展也是分不開的。紫外光源作為一個元器件，在各個領域正發(fā)揮著它的重要作用。

現在作用的紫外線光源絕大多數是汞弧燈(即通稱的紫外燈或汞燈)。汞弧燈是封裝有汞的、兩端有電極的透明石英管，通電加熱燈絲時，管內的汞蒸氣受到激發(fā)躍遷至激發(fā)態(tài)，由激發(fā)態(tài)回到基態(tài)時即發(fā)射紫外光。視管內汞蒸氣壓力的不同，所發(fā)射的紫外線光也具有不同的光譜，可分為3類。

低壓汞燈:汞蒸氣壓力為10~100Pa發(fā)射的紫外光呈線狀的分立光譜，其主要發(fā)射波長為254nm和185nm，而前者又占了全部發(fā)射能量的95%以上(實際上在管內以185nm線譜為主，但石英對其有強烈吸收，因而在管外其所占比例很小。)

低壓汞燈的功率較小，一般只有幾十瓦，同時其發(fā)射波長極短，易產生臭氧，造成空氣污染，在光固化中很少使用。低壓汞燈的使用壽命為200~400h

中壓汞燈:我國習慣上曾將其稱作高壓汞燈，此燈中的汞蒸氣壓力為105kPa (約為1大氣壓)。由于在高壓下汞蒸氣在高溫放電時發(fā)射譜線增加以及壓力加寬現象，中壓汞燈發(fā)射的譜線波長范圍較寬并有重疊，在紫外區(qū)其主要發(fā)射波長為365nm，其次是313nm，303nm。中壓汞燈的使用壽命為1000~1500h。

高壓汞燈:我國習慣上稱之為超高壓汞燈，汞蒸氣壓力為105~106Pa，即1~10大氣壓。它可提供最強的紫外和可見光，其輸出功率可達普通中壓汞燈的十倍，工作時其電極溫度可達2000°C，而燈管溫度則可達600°C，因此需要加以冷卻，燈的功率與冷卻效率有關。高壓汞燈的使用壽命較短，約75~100h。

高壓汞燈發(fā)射光譜重疊得更加厲害，呈連續(xù)帶狀光譜。

汞燈的一個重要指標是單位弧長的能量輸出，或稱線功率，以W/cm表示。線功率直接與照射光強相聯系，在光固化中為了克服氧的阻聚、提高固化速率，加大照射光強是最有效的辦法，因此如何提高汞燈的線功率是燈具制造商的重要目標。

鹵化銀體系的干板或膠片一直是用來記錄光信號的有效辦法，所以白銀的消耗與日俱增。但是由于白銀有限，價格昂貴，因此自從發(fā)明照相方法以來，科學工作者就一直尋求銀的代用品，所以出現了許多非銀鹽的復印方法，其中重氮復印技術就是一種。重氮復印技術在1923年首先由德國Kalle公司發(fā)明，它是一種結構簡單，成本低，分辨力高，很適用于細線條工程圖紙與地圖繪制的復印。盡管目前出現了很多種新的復印方法，但是重氮鹽復印技術的應用仍占有重要地位，在復印工程圖紙和文獻方面重氮復印所占的比例仍是最大。

重氮復印技術的核心是重氮復印紙，其復印紙主要是由光敏性重氮化合物組成(如芳香族重氮族、重氮氧化物，重氮硫酸鹽和重氮樹脂)。這些化合物能在特定波長的光線照射下分解，放出氮氣并生成光分解產物。普通的重氮復印紙，就是以紙為基底在其上涂敷重氮鹽，當重氮鹽遇光分解，生成無色的分解產物。重氮鹽吸收波長在300~450毫微米(近紫外線和藍紫光)的光進行分解。過去常用紫外線熒光燈進行曝光分解，但由于它的輸出能量小，使曝光不充分，因此目前常用低功率密度的管形高壓汞燈來代替紫外熒光燈，使復印質量和速度都有提高。

紫外線光源用于電子工業(yè)中主要有光刻和印刷線路板曝光二種。 光刻是平面型晶體管和大規(guī)模集成電路中的一道關鍵工藝，光刻質量的好壞對晶體管和大規(guī)模集成電路的性能有很大影響，它是當前生產中影響成品率的主要原因之一。隨著半導體器件的頻率和功率的不斷提高，器件的尺寸不斷縮小，因此對光刻工藝的要求也愈來愈高。光刻精度不夠，往往是器件不能過關的主要原因。

光刻是60年代發(fā)展起來的一門技術，它是把照像與刻蝕結合起來的產物。目前它可以精確地刻化出尺寸在微米數量級的復雜幾何圖形，光刻的目的就是在被加工物體的表面上刻出與掩模完全一致的圖形來。目前光刻曝光方法有三種，即紫外曝光，X-射線曝光及電子束曝光。這三種曝光工藝彼此競爭，但多數人認為大規(guī)模集成電路對分辨率的要求，有1微米已夠使用。遠紫外曝光工藝已能滿足此要求，由于紫外線曝光所使用的設備與技術比較簡單，操作方便，投資少，周轉快，因此紫外曝光是很有前途的一種方法。

應用在大規(guī)模集成電路微細加工光刻工藝上的紫外光源，其波長在2000~4000A，一般使用高壓汞燈和中短波紫外線金屬鹵化物燈。燈的波長必須與所使用的紫外感光膠所吸收的波長一致，一般當光致抗蝕劑的增敏感波長由普通紫外向遠紫外移動時，由于光的波長縮短，衍射效應減弱，能量增加，將因之提高其分辨率和感光度。聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)在2150A，聚甲基異丙基甲酮(PMIPK)在1900A和2000A的遠紫外區(qū)具有特征吸收峰，但是能量吸收率較低。此外由于它們的敏感波長不一定與曝光光源的光譜一致，感光度相對降低。為了提高感光度可以采用在抗蝕劑分子主鏈上引入光敏基團的內增感的化學方法。

蟲害歷來是農林業(yè)生產的嚴重威脅，用紫外線熒光燈--黑光燈誘殺害蟲保護作物在我國已有十多年的歷史了。在國外四十年代就開始用黑光燈防治水稻害蟲，但由于當時人們迷信農藥治蟲，使黑光燈應用技術束縛了二、三十年。到了六十年代人們對農藥治蟲帶來的危害才日漸明顯了解。農藥雖然越施越多，但蟲害仍然嚴重(這主要是由于害蟲對農藥抗藥性不斷增強，和農藥消弱了天敵所致)。另外農藥嚴重污染農田，使農產品內農藥殘留毒品超過了允許值，嚴重危害人、畜的健康。而且也危害水產養(yǎng)殖業(yè)的生產。如果用黑光燈誘殺害蟲就沒有上述的缺點，所以在七十年代以來用黑光燈誘殺害蟲又興盛起來。

黑光燈誘蟲效率高，它可誘殺害蟲多達數百種，而傷害益蟲卻不多(害蟲占84%，益蟲占16%)。對水稻、小麥、玉米、高粱、棉花、甘蔗、茶、果樹等害蟲都有顯著的誘殺效果。一盞20瓦的紫外熒光燈可管理50畝地。一夜誘蟲8~10斤。黑光燈不但誘殺效率高，而且使用方便、安裝簡單、沒有污染、可節(jié)約大量農藥費用。所以在我國大江南北，已大面積的使用黑光燈了。

對雞舍畜圈的滅菌以前多用化學藥劑?；瘜W藥物滅菌有缺點，因為它對糞肥有損害，而且容易被牲畜誤食引起中毒。目前養(yǎng)雞養(yǎng)鴨養(yǎng)豬等多用紫外線滅菌，就是在雞舍畜圈上空點燃熱陰極低壓汞燈，用它輻射出來的254毫微米紫外線來滅菌，其效果很好。用20瓦的低壓汞燈懸于2.5米的高空，每20平方米懸掛一盞20瓦的紫外線燈(即每平方米一瓦為宜)。每日照射三次，每次50分鐘左右，這樣雞舍畜圈的臭味就減少很多，牲畜的染病率和死亡率大大下降。牲畜的生長率有明顯的提高。

發(fā)了霉的花生、大豆、玉米等均含有大量的致癌物質--黃曲霉素。如果把發(fā)霉的花生大豆用去榨油，則油內也同樣含有大量的強致癌物質黃曲霉素，人食用后是很危險的。用紫外線不僅能檢查出黃曲霉素來，而且用紫外線還能消除它，因為紫外線對黃曲霉素破壞力很強，尤其是波長365毫微米的紫外線使黃曲霉素產生光化學反應，最后變成無致癌性。破壞黃曲霉素用的光源多為紫外線高壓汞燈，金屬鹵化物燈等。當用紫外光源照射發(fā)了霉的花生大豆時，一定要經常翻動被照物。如果要照射液體食油時，則一定要使油處于流動狀態(tài)，因為食油的顏色較深紫外線的穿透能力很弱，它只能作用于表層，所以當油處于流動狀態(tài)時，使紫外線與油面接觸較多，則光化學反應較充分，黃曲霉素多被分解變?yōu)闊o致癌性。所以紫外線對黃曲霉素來說既是有利的檢查手段又是消毒工具。

利用紫外線光源消除公害的第二個實例是:生產聚氯乙烯時(PVC)，單體氯乙烯在車間的濃度很高，當人長時間呼吸后容易使人得癌癥。如果利用紫外線照射它，會導致氯乙烯光分解。分解后的產物對人無危害。一般在車間內點燃幾支100~500瓦的紫外線高壓汞燈照射，則可使全部的氯乙烯均分解，使空氣中的氯乙烯含量基本上沒有。這樣就做到了安全生產，保護了工人的身體健康。

紫外線光源在有機化學合成應用上發(fā)展的非常迅速。最近十幾年來形成了一門新的化學領域--有機光化學。它的特點是利用光能進行有機化學反應，被光激發(fā)了的分子具有很高的能量，它可以進行內部的重排或與內部其它分子進行反應。光化學反應一般不需要高溫高壓，因此擺脫了繁瑣的耗能多的熱化學的方法。有許多離子可以證明光化學反應的產物，用其它任何途徑是不能制備的。光化學反應過程可分為光還原、光二聚、光加成、光氧化和重排。目前有機光化學已由研究試驗轉入生產實踐上來了。例如工業(yè)上制造"六六六"和綿倫單體--己內酰胺、以及抗菌素的生產等均是應用光化學的方法。原北京東風化工廠的己內酰胺車間的設計就是采用光化學工藝進行大量生產的;目前生產己內酰胺的廠家采用光化學方法的不少，國外就更多。生產己內酰胺的光源主要是用金屬鹵化物燈--大功率鉈燈。它的量子產率比較高。中等氣壓的鉈燈的光譜輸出主要是波長535毫微米的鉈特征線。鉈燈是在中等氣壓的汞燈內加入適量的碘化鉈，在放電時便產生鉈的特征輻射。用于己內酰胺生產上的鉈燈功率一般在10~50千瓦。

如上所述，紫外光源在有機化學的光反應中，使用極廣，而且有它自己的獨特之點。目前是世界上科學家們非常感興趣的一個研究領域。