300 nm 以下激光驱动光源的操作：臭氧缓解

介绍

深紫外线源，例如 Energetiq 的 LDLS™，会产生臭氧，这会对与 LDLS 连接的仪器和实验的性能产生不利影响。仪器光路中的臭氧会吸收不同量的紫外光，具体取决于臭氧浓度。本应用说明解释了臭氧生成机制和适当的臭氧缓解技术，以确保获得理想结果。

紫外线 (UV) 臭氧发生

当空气(或氧气)暴露于波长约200nm以下的紫外线辐射时，就会产生臭氧。臭氧 (O3) 是分子氧 (O2) 的三原子形式。它是一种无色(低浓度时，高浓度时呈蓝色)、不稳定的气体，具有独特的刺激性气味。臭氧被认为是对人类健康的污染物，它会刺激喉咙和眼睛。当工作环境中产生臭氧时，良好的通风非常重要。臭氧是一种强氧化剂，会氧化和降解与其接触的有机材料。

当空气暴露于深紫外线辐射时，氧分子解离就会产生臭氧。当氧分子吸收紫外线辐射时，它会分裂成两个氧原子(方程式 1)。这些氧原子与氧分子结合形成臭氧(方程式2)。

O2(g) + hν (UV, <200nm) = 2O (1)

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

空气中的臭氧分子还可以吸收紫外线，主要吸收波长在 220 nm 至 280 nm 之间的紫外线。 nm，导致臭氧分子分解成氧分子和氧原子。 (等式 3)。这些氧原子可能会再次重复式(1)所示的反应。或者它们可以与臭氧分子反应形成两个氧分子，如方程式2所示。

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

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

这个动态过程会产生这样的情况：时间-沿紫外线光束路径存在不同浓度的臭氧和氧气。由于臭氧和氧气都会吸收不同波长的深紫外线，因此预计紫外线会随时间变化而减少。

图 1.氧分子和臭氧分子的光解离截面。

图1显示了氧气和臭氧的光解截面。氧气和臭氧对紫外线辐射的吸收与光解离截面以及分子浓度成正比。由于空气中臭氧的浓度远低于氧气的浓度，因此空气中臭氧的实际可测量吸收在220nm至280nm之间，而空气中氧气的主要吸收在200nm以下。横截面数据随温度变化很大，图1中的值仅供参考。

图 2 中的光谱吸光度数据显示了使用 Energetiq EQ-99 LDLS 光源沿 50 厘米光路(未进行氮气吹扫)的情况。峰值吸光度接近 250 nm，主要来自臭氧，200 nm 以下的光主要被氧气吸收。

如果通过使用高纯度氮气吹扫从整个紫外线光束路径中去除氧气，则不会产生臭氧，因此紫外线将有效传输。

辐照度

辐照度是辐射测量术语，表示入射到表面的电磁辐射每单位面积的功率。辐照度的 SI 单位为瓦每平方米 [W/m2] 或毫瓦每平方毫米 [mW/mm2]。 (辐照度有时称为强度，但这种用法会导致与另一个标准但不常用的辐射测量单位——辐射强度——混淆，以瓦/球面度为单位进行测量。)

如果点辐射源向所有方向均匀地发射辐射并且没有吸收，则辐照度与距源的距离的平方成比例下降，因为总功率是恒定的，并且它分布在随着距离而增加的区域上距辐射源的平方。为了比较不同光源的辐照度，必须考虑到光源的距离。此类测量通常使用 50 厘米的距离。

对于必须向大面积供电的应用来说，辐照度是一种有用的测量方法。例如，照亮教室或足球场主要是每平方米提供一定瓦数的问题。这可以通过使用单个高功率源来实现。然而，由于辐照度不依赖于立体角，因此可以组合多个光源，从不同角度照亮墙壁或场地。

图 2.使用 EQ-99 LDLS 沿 50cm 光路测得的光谱吸光度，无需氮气吹扫。

紫外光学系统中的臭氧缓解

Energetiq 的激光驱动光源可产生从 170 nm(高质量合成熔融石英灯泡的截止波长)到可见光直至近红外的高亮度宽带辐射。因此，当空气中的氧气存在于灯罩内部和外部的光束路径中时，LDLS 系统将产生臭氧。在大多数 LDLS 应用中，强烈建议对灯罩和整个光束路径进行高纯度氮气吹扫。用高纯氮气净化灯箱和光路还有一个第二个好处。空气中存在的碳氢化合物也可以被深紫外光光解。这些光解碳氢化合物碎片可以作为无定形碳基薄膜沉积在光束路径的表面上，从而减少这些表面的光透射和反射。

所有 LDLS 灯箱上均设有氮气吹扫口。建议将高纯度(4.8 级)氮气连接到此端口，以减少灯室内臭氧的产生。对于超出 LDLS 窗口的光束路径，应注意仪器设计或光具座布局，以允许用氮气吹扫。光束路径应由可吹扫的光学管制成或封闭在配有氮气吹扫端口的盒子中。保持外壳体积较小并确保紧密配合的密封件和接头将最大限度地减少消除臭氧产生所需的氮气流量。在紧密配合的外壳不可行的情况下，可以使用排气系统对光束路径进行积极的通风。通过积极耗尽光束路径周围的区域，臭氧浓度会降低，250 nm区域的吸收也会减少。

200nm 以上的 LDLS 应用

在不需要 200nm 以下紫外线辐射的 LDLS 应用中，可以安装特殊的滤光片和窗口材料来取代灯壳上的熔融石英窗口。这些窗口材料实际上将消除净化灯罩外部光束路径的需要，因为臭氧的主要部分是通过 200 nm 以下的紫外线辐射产生的。

Energetiq 建议仍对灯箱进行氮气吹扫，以防止灯箱内产生臭氧。灯箱中的臭氧会吸收 220 nm 至 280 nm 之间的辐射。

概括

●如果空气暴露在 < 200 nm 的辐射下，就会产生臭氧。

●臭氧会减少 250 nm、+/- 30 nm 的光输出。

●为了操作员的安全，应尽量减少与臭氧的接触。

●LDLS 灯箱应用氮气吹扫。外部光束路径可以用氮气吹扫或主动排气以防止臭氧积聚。

●对于 > 200 nm 的应用，还可以通过在 LDLS 上使用阻挡 < 200 nm 辐射的窗口来防止光束路径中产生臭氧。

审核编辑 黄宇