准分子灯 Excimer lamps

2022-12-02 10:59:46 浏览:426

定义

气体放电灯,其中紫外线辐射是由激发的二聚体自发发射产生的。

准分子灯(excilamps)是一种特殊类型的气体放电灯,其中紫外线的产生涉及激发的二聚体(或更普遍的分离分子)。 与准分子激光器相比,它们不包含激光谐振器,因此仅利用自发发射。 因此,它们是漫射发射的灯,例如向侧面发射的长管,而不是产生定向空间相干激光束。

自发发射后,去激发的二聚体迅速解离。 因此,产生的辐射基本上没有重吸收(众所周知,这是一个问题,例如在汞蒸气灯中,它大大降低了功率转换效率)。 此功能对于气体密度相对较高的灯特别有益。

准分子灯的工作压力变化范围很广,从几毫巴的低压灯到具有多个大气压的高压灯。 即使是高压准分子灯也不能在特别高的等离子温度下工作,因为功率密度适中,辐射效率相对较高。 由于不需要高等离子温度,因此没有大量的预热时间。

当然,这种灯的包络玻璃对于发射波长必须非常透明。 例如,紫外级熔融石英可用于低至 200 nm 以下的波长。

准分子灯的典型特性

几何形状

准分子灯通常具有向侧面辐射的长圆柱形管的形状。 但是,也可以用各种其他形状生产它们。 例如,有准分子灯的设计,其设计围绕流管布置,可以通过流管发送要照射的气体或液体。 例如,这种几何形状对于水净化很有用。

发射波长

下表显示了常见准分子和准分子物种的发射波长:

准分子 波长
NeF* 108nm 
Ar2* 126 nm 
Kr2* 146 nm 
F2* 158 nm 
ArBr* 165 nm 
Xe2* 172 nm 
ArCl* 175 nm 
KrI* 190 nm 
ArF* 193 nm 
KrBr* 207 nm 
KrCl* 222 nm 
KrF* 248 nm 
XeI* 253 nm 
Cl2* 259 nm 
XeBr* 282 nm 
Br2* 289 nm 
XeCl* 308 nm 
I2* 342 nm 
XeF* 351 nm 

例如,Ar2和 Xe2是真正的二聚体,而NeF和ArCl严格来说应该被称为exciplex分子。 星(*)表示我们处理的是电子激发的物种。

该列表包含真空紫外范围(低于 ≈ 200 nm)中的各种值,其中没有很多替代解决方案可用。

获得的辐射基本上是准单色的;当然,一条紫外线发射线显然占主导地位。 发射带宽通常为几纳米。 如果需要,可以过滤掉一些额外的不需要的较弱谱线。

仅发射少量可见光和红外光。 在操作过程中,人们通常会看到来自其他光谱线的一些可见光芒,然而,这些光谱线携带的辐射通量比产生的紫外线的辐射通量弱得多。

连续或脉冲发射

虽然准分子激光器基本上总是脉冲激光器,但准分子灯通常在连续波模式下工作。 这是因为不需要非常高的激发密度,使发射体积变大一点是没有问题的。 通常,功率密度适中 – 大约 1 W/cm2用于高压灯,对于低压灯则低得多。

使用的电极类型和几何形状适用于操作模式和准分子类型。 例如,介电阻挡放电(由射频驱动)对于连续发射灯很常见。 该技术的一个有益特性是电极不需要与等离子体直接接触,因此可以延长灯的使用寿命。

效率

准分子灯的辐射效率很容易达到几十%的值,这取决于所使用的准分子种类,还取决于气体压力、功率密度和电极几何形状等细节。 与竞争技术相比,实现的效率值相当有利。

灯泡寿命

使用普通的介质阻挡放电灯,可以实现数千小时的使用寿命。 然而,特别是对于发射波长相对较短的灯,由于色心的形成,包络玻璃(以及光输出)的透明度可能会下降。

准分子灯的应用

准分子灯用于需要短波长紫外线的各种行业。 例如,它们可用于印刷工艺、光刻、粘合剂的紫外线固化、表面清洁和激光表面改性、臭氧产生和灭菌(消毒)。 通常,由紫外线诱导的光化学过程被利用。 在某些情况下,细菌(微生物)的失活是相关的;这可以通过破坏DNA和RNA起作用,也可以通过在较高辐射暴露下有机物质的一般矿化起作用。

汞蒸气灯也经常用作紫外线源;与那些相比,准分子灯在环境上更温和,因为使用的发射物质毒性较小,如果有问题的话。 然而,灯的具体选择通常由所需的发射波长决定。

参考文献

[1] J.-Y. Zhang and I. W. Boyd, “Lifetime investigation of excimer UV sources”, Appl. Surface Science 168, 296 (2000)
[2] T. Oppenländer, “Mercury-free sources of VUV/UV radiation: application of modern excimer lamps (excilamps) for water and air treatment”, J. Environ. Eng. Sci. 6, 253 (2007), doi:10.1139/S06-059

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