Лекция 8

Ультрафиолетовое излучение

1. Общие сведения

К ультрафиолетому (УФ) излучению относятся электромагнит­ные волны с длиной волны от 0,38 мкм до 100. Этот диапазон электромагнитного спект­ра условно делят на две области: ближнюю (от λ=0,38 мкм до λ=0,2 мкм) и далекую (вакуумную) от λ=0,2 мкм до λ=100 Å. Термин «вакуумная» область применяется потому, что исследова­ния УФ излучения с λ<0,2 мкм производятся в вакууме из-за его сильного поглощения в воздухе.

Ближнее УФ излучение было открыто в 1801 году Н. Риттером и У. Волластоном при облучении хлорида серебра. При этом было установлено фотохимическое действие УФ излучения, энергия квантов которого превышает энергию квантов видимого диапазона в v/v_в раз (v, v_в – частоты соответственно УФ и видимого диапазо­нов).

При переходах на электронных энергетических уровнях атомов, ионов, молекул наблюдается линейчатый спектр УФ излучения. Непрерывный спектр УФ излучения возникает при рекомбинации и торможении электронов.

В ультрафиолетовом диапазоне увеличивается коэффициент по­глощения многих веществ, что приводит к уменьшению их прозрач­ности по сравнению с аналогичными параметрами в видимом диа­пазоне. При λ<0,3 мкм большинство сортов стекла становится непрозрачными, кроме таких материалов, как кварц, сапфир, увилевое стекло, фториды магния и лития, флюарит и др. Например, фторид лития обладает наиболее далекой границей прозрачности, вплоть до λ=0,1 мкм.

Среди газообразных веществ наибольшей прозрачностью об­ладают инертные газы. Например, гелий прозрачен до λ ≈ 0,05 мкм.

При укорочении длины волны в УФ диапазоне уменьшается также и коэффициент отражения многих материалов, включая ме­таллические напыленные пленки. При взаимодействии УФ излуче­ния с веществом, в основном, происходят процессы возбуждения электронных энергетических уровней с последующей ионизацией, диссоциацией и т. п.

2. Естественные и техногенные источники уф излучения

Основным источником УФ излучения естественного происхож­дения является Солнце. Из всего спектра УФ излучения Солнца только небольшая длинноволновая часть (рис. 1) достигает зем­ной поверхности (λ>0,29 мкм). Остальная часть всего УФ спектра, в особенности, коротковолновая, поглощается атмосферой, что оказывает сильное влияние на атмосферные процессы.

Основными поглотителями УФ излучения является озон (высо­ты 20-40 км), кислород, азот, водород и другие компоненты атмосферы (высоты 30-200 км).

Большая часть энергии УФ излучения в диапазонах Δλ=0,14-0,17 мкм и Δλ=0,2–0,24 мкм поглощается на высотах 80-100 км с последующей диссоциацией кислорода.

Излучение с λ<0,1 мкм вызывает ионизацию верхних слоев атмосферы, что приводит к ее разогреву.

Этот поток ионизирующего излучения на границе с земной атмосферой примерно равен 3–10 эрг/(с∙см²), составляя (0,3–1)∙10^–5 от полного потока солнечного излучения. Эта активная компонента в течение солнечного цикла может изменяться в три раза и оказывать на верхние слои атмосферы активное воздействие.

Источниками УФ излучения являются звезды и другие космичес­кие объекты. В диапазоне Δλ=0,09-0,02 мкм излучения этих тел поглощаются межзвездным водородом и частично верхними сло­ями атмосферы. Детальное излучение УФ излучения космических тел представляет одно из интересных направлений современной астрофизики, которое эффективно развивается с использованием аэрокосмической техники.

Начиная с этого периода, было открыто в межзвездном простра­нстве большое количество небесных источников УФ излучения. В их УФ спектрах открыты резонансные линии поглощения элементов Н, С, N, О, Мg, Si, S, Аr и др.

Большое количество источ­ников УФ излучения имеет тех­ногенное происхождение. Лю­бое тело, нагретое до 3000 К и выше, имеет в своем спектре ультрафиолетовую компоненту (см. рис. 1). Чем выше тем­пература тела, тем в большей степени проявляется ультрафи­олетовая составляющая спект­ра (закон смещения Вина).

Рис. 1. Спектр солнечного излучения на земной поверхности

Любая высокотемпературная плазма является источником УФ излучения, имеющего и линей­чатый, и непрерывный спектры. С увеличением электронной тем­пературы увеличивается интенсивность УФ излучения, а в некоторых случаях, и рентгеновского излучения.

Выпускаемые для различных целей и, в частности, для оптичес­кой накачки лазеров импульсные источники света и газоразрядные лампы тоже являются мощными источниками УФ излучения. В зависимости от вида газа в электрическом разряде электрическая энергия преобразуется в оптическое излучение. КПД преобразова­ния электрической энергии в оптическое излучение для различных газов имеют следующие значения:

Газы Не Кr Аr Ne

КПД, % 60 50 40 25-35

Применяемые в промышленности и в современной технологии электроискровая обработка, плазменные установки, электродуговая сварка, электрический взрью проводников, лазерный пробой, лазер­ные методы обработки и т. д. являются техногенными источниками УФ излучения.

Интенсивным источником УФ излучения с непрерывным спек­тром являются электронные потоки синхротронов, линейных уско­рителей, мощных приборов СВЧ.

К техногенным источникам УФ излучения относятся более 70 различных лазерных систем, работающих в УФ и вакуумном УФ диапазоне. Некоторые из них представлены в табл. 1.

Таблица 1