紫外线光源简介

紫外线光源是紫外线技术的重要组成部分，紫外线技术的发展往往依赖于紫外线光源的发展。当出现了适用的新型紫外线光源时，必然可以促进某种行业的发展。例如光栅的制造。光栅是大型精密光学仪器的重要分光元件。世界上有许多国家不能制造精密仪器，与不能制造高分辨率色散率的光栅有关，要使光栅具备很高的分辨率，就必须要掌握高密度刻线技术(如每毫米几千条等距离平行线)，要刻这么多的线数，就必须有高强度的短波紫外光源(200~300毫微米)对应的光刻胶进行曝光。同样在高频大功率固体器件和大规模集成电路上也与紫外曝光光刻技术的发展分不开。

目前在光学研究上取得了很大进展，这同紫外线光源的发展也是分不开的。紫外光源作为一个元器件，在各个领域正发挥着它的重要作用。

现在作用的紫外线光源绝大多数是汞弧灯(即通称的紫外灯或汞灯)。汞弧灯是封装有汞的、两端有电极的透明石英管，通电加热灯丝时，管内的汞蒸气受到激发跃迁至激发态，由激发态回到基态时即发射紫外光。视管内汞蒸气压力的不同，所发射的紫外线光也具有不同的光谱，可分为3类。

低压汞灯:汞蒸气压力为10~100Pa发射的紫外光呈线状的分立光谱，其主要发射波长为254nm和185nm，而前者又占了全部发射能量的95%以上(实际上在管内以185nm线谱为主，但石英对其有强烈吸收，因而在管外其所占比例很小。)

低压汞灯的功率较小，一般只有几十瓦，同时其发射波长极短，易产生臭氧，造成空气污染，在光固化中很少使用。低压汞灯的使用寿命为200~400h

中压汞灯:我国习惯上曾将其称作高压汞灯，此灯中的汞蒸气压力为105kPa (约为1大气压)。由于在高压下汞蒸气在高温放电时发射谱线增加以及压力加宽现象，中压汞灯发射的谱线波长范围较宽并有重叠，在紫外区其主要发射波长为365nm，其次是313nm，303nm。中压汞灯的使用寿命为1000~1500h。

高压汞灯:我国习惯上称之为超高压汞灯，汞蒸气压力为105~106Pa，即1~10大气压。它可提供最强的紫外和可见光，其输出功率可达普通中压汞灯的十倍，工作时其电极温度可达2000°C，而灯管温度则可达600°C，因此需要加以冷却，灯的功率与冷却效率有关。高压汞灯的使用寿命较短，约75~100h。

高压汞灯发射光谱重叠得更加厉害，呈连续带状光谱。

汞灯的一个重要指标是单位弧长的能量输出，或称线功率，以W/cm表示。线功率直接与照射光强相联系，在光固化中为了克服氧的阻聚、提高固化速率，加大照射光强是最有效的办法，因此如何提高汞灯的线功率是灯具制造商的重要目标。

卤化银体系的干板或胶片一直是用来记录光信号的有效办法，所以白银的消耗与日俱增。但是由于白银有限，价格昂贵，因此自从发明照相方法以来，科学工作者就一直寻求银的代用品，所以出现了许多非银盐的复印方法，其中重氮复印技术就是一种。重氮复印技术在1923年首先由德国Kalle公司发明，它是一种结构简单，成本低，分辨力高，很适用于细线条工程图纸与地图绘制的复印。尽管目前出现了很多种新的复印方法，但是重氮盐复印技术的应用仍占有重要地位，在复印工程图纸和文献方面重氮复印所占的比例仍是最大。

重氮复印技术的核心是重氮复印纸，其复印纸主要是由光敏性重氮化合物组成(如芳香族重氮族、重氮氧化物，重氮硫酸盐和重氮树脂)。这些化合物能在特定波长的光线照射下分解，放出氮气并生成光分解产物。普通的重氮复印纸，就是以纸为基底在其上涂敷重氮盐，当重氮盐遇光分解，生成无色的分解产物。重氮盐吸收波长在300~450毫微米(近紫外线和蓝紫光)的光进行分解。过去常用紫外线荧光灯进行曝光分解，但由于它的输出能量小，使曝光不充分，因此目前常用低功率密度的管形高压汞灯来代替紫外荧光灯，使复印质量和速度都有提高。

紫外线光源用于电子工业中主要有光刻和印刷线路板曝光二种。 光刻是平面型晶体管和大规模集成电路中的一道关键工艺，光刻质量的好坏对晶体管和大规模集成电路的性能有很大影响，它是当前生产中影响成品率的主要原因之一。随着半导体器件的频率和功率的不断提高，器件的尺寸不断缩小，因此对光刻工艺的要求也愈来愈高。光刻精度不够，往往是器件不能过关的主要原因。

光刻是60年代发展起来的一门技术，它是把照像与刻蚀结合起来的产物。目前它可以精确地刻化出尺寸在微米数量级的复杂几何图形，光刻的目的就是在被加工物体的表面上刻出与掩模完全一致的图形来。目前光刻曝光方法有三种，即紫外曝光，X-射线曝光及电子束曝光。这三种曝光工艺彼此竞争，但多数人认为大规模集成电路对分辨率的要求，有1微米已够使用。远紫外曝光工艺已能满足此要求，由于紫外线曝光所使用的设备与技术比较简单，操作方便，投资少，周转快，因此紫外曝光是很有前途的一种方法。

应用在大规模集成电路微细加工光刻工艺上的紫外光源，其波长在2000~4000A，一般使用高压汞灯和中短波紫外线金属卤化物灯。灯的波长必须与所使用的紫外感光胶所吸收的波长一致，一般当光致抗蚀剂的增敏感波长由普通紫外向远紫外移动时，由于光的波长缩短，衍射效应减弱，能量增加，将因之提高其分辨率和感光度。聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)在2150A，聚甲基异丙基甲酮(PMIPK)在1900A和2000A的远紫外区具有特征吸收峰，但是能量吸收率较低。此外由于它们的敏感波长不一定与曝光光源的光谱一致，感光度相对降低。为了提高感光度可以采用在抗蚀剂分子主链上引入光敏基团的内增感的化学方法。

虫害历来是农林业生产的严重威胁，用紫外线荧光灯--黑光灯诱杀害虫保护作物在我国已有十多年的历史了。在国外四十年代就开始用黑光灯防治水稻害虫，但由于当时人们迷信农药治虫，使黑光灯应用技术束缚了二、三十年。到了六十年代人们对农药治虫带来的危害才日渐明显了解。农药虽然越施越多，但虫害仍然严重(这主要是由于害虫对农药抗药性不断增强，和农药消弱了天敌所致)。另外农药严重污染农田，使农产品内农药残留毒品超过了允许值，严重危害人、畜的健康。而且也危害水产养殖业的生产。如果用黑光灯诱杀害虫就没有上述的缺点，所以在七十年代以来用黑光灯诱杀害虫又兴盛起来。

黑光灯诱虫效率高，它可诱杀害虫多达数百种，而伤害益虫却不多(害虫占84%，益虫占16%)。对水稻、小麦、玉米、高粱、棉花、甘蔗、茶、果树等害虫都有显著的诱杀效果。一盏20瓦的紫外荧光灯可管理50亩地。一夜诱虫8~10斤。黑光灯不但诱杀效率高，而且使用方便、安装简单、没有污染、可节约大量农药费用。所以在我国大江南北，已大面积的使用黑光灯了。

对鸡舍畜圈的灭菌以前多用化学药剂。化学药物灭菌有缺点，因为它对粪肥有损害，而且容易被牲畜误食引起中毒。目前养鸡养鸭养猪等多用紫外线灭菌，就是在鸡舍畜圈上空点燃热阴极低压汞灯，用它辐射出来的254毫微米紫外线来灭菌，其效果很好。用20瓦的低压汞灯悬于2.5米的高空，每20平方米悬挂一盏20瓦的紫外线灯(即每平方米一瓦为宜)。每日照射三次，每次50分钟左右，这样鸡舍畜圈的臭味就减少很多，牲畜的染病率和死亡率大大下降。牲畜的生长率有明显的提高。

发了霉的花生、大豆、玉米等均含有大量的致癌物质--黄曲霉素。如果把发霉的花生大豆用去榨油，则油内也同样含有大量的强致癌物质黄曲霉素，人食用后是很危险的。用紫外线不仅能检查出黄曲霉素来，而且用紫外线还能消除它，因为紫外线对黄曲霉素破坏力很强，尤其是波长365毫微米的紫外线使黄曲霉素产生光化学反应，最后变成无致癌性。破坏黄曲霉素用的光源多为紫外线高压汞灯，金属卤化物灯等。当用紫外光源照射发了霉的花生大豆时，一定要经常翻动被照物。如果要照射液体食油时，则一定要使油处于流动状态，因为食油的颜色较深紫外线的穿透能力很弱，它只能作用于表层，所以当油处于流动状态时，使紫外线与油面接触较多，则光化学反应较充分，黄曲霉素多被分解变为无致癌性。所以紫外线对黄曲霉素来说既是有利的检查手段又是消毒工具。

利用紫外线光源消除公害的第二个实例是:生产聚氯乙烯时(PVC)，单体氯乙烯在车间的浓度很高，当人长时间呼吸后容易使人得癌症。如果利用紫外线照射它，会导致氯乙烯光分解。分解后的产物对人无危害。一般在车间内点燃几支100~500瓦的紫外线高压汞灯照射，则可使全部的氯乙烯均分解，使空气中的氯乙烯含量基本上没有。这样就做到了安全生产，保护了工人的身体健康。

紫外线光源在有机化学合成应用上发展的非常迅速。最近十几年来形成了一门新的化学领域--有机光化学。它的特点是利用光能进行有机化学反应，被光激发了的分子具有很高的能量，它可以进行内部的重排或与内部其它分子进行反应。光化学反应一般不需要高温高压，因此摆脱了繁琐的耗能多的热化学的方法。有许多离子可以证明光化学反应的产物，用其它任何途径是不能制备的。光化学反应过程可分为光还原、光二聚、光加成、光氧化和重排。目前有机光化学已由研究试验转入生产实践上来了。例如工业上制造"六六六"和绵伦单体--己内酰胺、以及抗菌素的生产等均是应用光化学的方法。原北京东风化工厂的己内酰胺车间的设计就是采用光化学工艺进行大量生产的;目前生产己内酰胺的厂家采用光化学方法的不少，国外就更多。生产己内酰胺的光源主要是用金属卤化物灯--大功率铊灯。它的量子产率比较高。中等气压的铊灯的光谱输出主要是波长535毫微米的铊特征线。铊灯是在中等气压的汞灯内加入适量的碘化铊，在放电时便产生铊的特征辐射。用于己内酰胺生产上的铊灯功率一般在10~50千瓦。

如上所述，紫外光源在有机化学的光反应中，使用极广，而且有它自己的独特之点。目前是世界上科学家们非常感兴趣的一个研究领域。