介紹

深紫外線源，例如 Energetiq 的 LDLS?，會產(chǎn)生臭氧，這會對與 LDLS 連接的儀器和實驗的性能產(chǎn)生不利影響。儀器光路中的臭氧會吸收不同量的紫外光，具體取決于臭氧濃度。本應(yīng)用說明解釋了臭氧生成機制和適當(dāng)?shù)某粞蹙徑饧夹g(shù)，以確保獲得理想結(jié)果。

紫外線 (UV) 臭氧發(fā)生

當(dāng)空氣(或氧氣)暴露于波長約200nm以下的紫外線輻射時，就會產(chǎn)生臭氧。臭氧 (O3) 是分子氧 (O2) 的三原子形式。它是一種無色(低濃度時，高濃度時呈藍色)、不穩(wěn)定的氣體，具有獨特的刺激性氣味。臭氧被認為是對人類健康的污染物，它會刺激喉嚨和眼睛。當(dāng)工作環(huán)境中產(chǎn)生臭氧時，良好的通風(fēng)非常重要。臭氧是一種強氧化劑，會氧化和降解與其接觸的有機材料。

當(dāng)空氣暴露于深紫外線輻射時，氧分子解離就會產(chǎn)生臭氧。當(dāng)氧分子吸收紫外線輻射時，它會分裂成兩個氧原子(方程式 1)。這些氧原子與氧分子結(jié)合形成臭氧(方程式2)。

O2(g) + hν (UV, <200nm) = 2O (1)

O+O2(g) =O3(g) (2)

空氣中的臭氧分子還可以吸收紫外線，主要吸收波長在 220 nm 至 280 nm 之間的紫外線。 nm，導(dǎo)致臭氧分子分解成氧分子和氧原子。 (等式 3)。這些氧原子可能會再次重復(fù)式(1)所示的反應(yīng)?；蛘咚鼈兛梢耘c臭氧分子反應(yīng)形成兩個氧分子，如方程式2所示。

O3(g) + hν (UV, 220nm to 280nm) =O+O2(g) (3)

O3(g) + O = 2O2(g) (4)

這個動態(tài)過程會產(chǎn)生這樣的情況：時間-沿紫外線光束路徑存在不同濃度的臭氧和氧氣。由于臭氧和氧氣都會吸收不同波長的深紫外線，因此預(yù)計紫外線會隨時間變化而減少。

圖 1.氧分子和臭氧分子的光解離截面。

圖1顯示了氧氣和臭氧的光解截面。氧氣和臭氧對紫外線輻射的吸收與光解離截面以及分子濃度成正比。由于空氣中臭氧的濃度遠低于氧氣的濃度，因此空氣中臭氧的實際可測量吸收在220nm至280nm之間，而空氣中氧氣的主要吸收在200nm以下。橫截面數(shù)據(jù)隨溫度變化很大，圖1中的值僅供參考。

圖 2 中的光譜吸光度數(shù)據(jù)顯示了使用 Energetiq EQ-99 LDLS 光源沿 50 厘米光路(未進行氮氣吹掃)的情況。峰值吸光度接近 250 nm，主要來自臭氧，200 nm 以下的光主要被氧氣吸收。

如果通過使用高純度氮氣吹掃從整個紫外線光束路徑中去除氧氣，則不會產(chǎn)生臭氧，因此紫外線將有效傳輸。

輻照度

輻照度是輻射測量術(shù)語，表示入射到表面的電磁輻射每單位面積的功率。輻照度的 SI 單位為瓦每平方米 [W/m2] 或毫瓦每平方毫米 [mW/mm2]。 (輻照度有時稱為強度，但這種用法會導(dǎo)致與另一個標準但不常用的輻射測量單位——輻射強度——混淆，以瓦/球面度為單位進行測量。)

如果點輻射源向所有方向均勻地發(fā)射輻射并且沒有吸收，則輻照度與距源的距離的平方成比例下降，因為總功率是恒定的，并且它分布在隨著距離而增加的區(qū)域上距輻射源的平方。為了比較不同光源的輻照度，必須考慮到光源的距離。此類測量通常使用 50 厘米的距離。

對于必須向大面積供電的應(yīng)用來說，輻照度是一種有用的測量方法。例如，照亮教室或足球場主要是每平方米提供一定瓦數(shù)的問題。這可以通過使用單個高功率源來實現(xiàn)。然而，由于輻照度不依賴于立體角，因此可以組合多個光源，從不同角度照亮墻壁或場地。

圖 2.使用 EQ-99 LDLS 沿 50cm 光路測得的光譜吸光度，無需氮氣吹掃。

紫外光學(xué)系統(tǒng)中的臭氧緩解

Energetiq 的激光驅(qū)動光源可產(chǎn)生從 170 nm(高質(zhì)量合成熔融石英燈泡的截止波長)到可見光直至近紅外的高亮度寬帶輻射。因此，當(dāng)空氣中的氧氣存在于燈罩內(nèi)部和外部的光束路徑中時，LDLS 系統(tǒng)將產(chǎn)生臭氧。在大多數(shù) LDLS 應(yīng)用中，強烈建議對燈罩和整個光束路徑進行高純度氮氣吹掃。用高純氮氣凈化燈箱和光路還有一個第二個好處。空氣中存在的碳氫化合物也可以被深紫外光光解。這些光解碳氫化合物碎片可以作為無定形碳基薄膜沉積在光束路徑的表面上，從而減少這些表面的光透射和反射。

所有 LDLS 燈箱上均設(shè)有氮氣吹掃口。建議將高純度(4.8 級)氮氣連接到此端口，以減少燈室內(nèi)臭氧的產(chǎn)生。對于超出 LDLS 窗口的光束路徑，應(yīng)注意儀器設(shè)計或光具座布局，以允許用氮氣吹掃。光束路徑應(yīng)由可吹掃的光學(xué)管制成或封閉在配有氮氣吹掃端口的盒子中。保持外殼體積較小并確保緊密配合的密封件和接頭將最大限度地減少消除臭氧產(chǎn)生所需的氮氣流量。在緊密配合的外殼不可行的情況下，可以使用排氣系統(tǒng)對光束路徑進行積極的通風(fēng)。通過積極耗盡光束路徑周圍的區(qū)域，臭氧濃度會降低，250 nm區(qū)域的吸收也會減少。

200nm 以上的 LDLS 應(yīng)用

在不需要 200nm 以下紫外線輻射的 LDLS 應(yīng)用中，可以安裝特殊的濾光片和窗口材料來取代燈殼上的熔融石英窗口。這些窗口材料實際上將消除凈化燈罩外部光束路徑的需要，因為臭氧的主要部分是通過 200 nm 以下的紫外線輻射產(chǎn)生的。

Energetiq 建議仍對燈箱進行氮氣吹掃，以防止燈箱內(nèi)產(chǎn)生臭氧。燈箱中的臭氧會吸收 220 nm 至 280 nm 之間的輻射。

概括

●如果空氣暴露在 < 200 nm 的輻射下，就會產(chǎn)生臭氧。

●臭氧會減少 250 nm、+/- 30 nm 的光輸出。

●為了操作員的安全，應(yīng)盡量減少與臭氧的接觸。

●LDLS 燈箱應(yīng)用氮氣吹掃。外部光束路徑可以用氮氣吹掃或主動排氣以防止臭氧積聚。

●對于 > 200 nm 的應(yīng)用，還可以通過在 LDLS 上使用阻擋 < 200 nm 輻射的窗口來防止光束路徑中產(chǎn)生臭氧。

審核編輯 黃宇