Проходження фотонів

У композицію фотони мігрують ззовні. Місцем їх народження можуть бути природні або штучні джерела. Найбільш могутнім природним джерелом фотонів є найближча до нас зірка – Сонце. Кількість енергії електромагнітного випромінювання, що випускається його джерелом в одиницю часу, називається потоком випромінювання (потужністю випромінювання) і виміряється у ватах (Вт). Потік випромінювання, що падає на одиницю площі поверхні, називається інтенсивністю випромінювання і виміряється у Вт/м². Приймаючи в увагу, що потужність випромінювання всіх довжин волі абсолютно чорного тіла пропорційна четвертому ступеню абсолютної температури (закон Стефана–Больцмана), а температура сонячної корони досягає мільйона градусів. Не викликає подиву величина інтенсивності випромінювання поверхні Сонця, що складає величину 6,3*10⁷ Вт/м. Залежність потоку випромінювання якого-небудь тіла від довжини хвилі (або частоти) називається спектром випромінювання. Спектри випромінювання можуть бути суцільними або лінійчатими. Суцільні спектри випромінювання складаються з безлічі спектра, кольорових смуг (кольорів), що безупинно переходять друг у друга. Такі спектри характерні для випромінювання теплових джерел, наприклад, Сонця, ламп накалювання, вугільної дуги та ін. У лінійчатих спектрах потужність випромінювання має значну величину лише в дуже вузьких межах визначення довжин волі, а для інших довжин хвиль мінімальна або дорівнює нулю. Лінійчаті спектри характерні для світіння розігрітих газів невеликої щільності. Наприклад, газорозрядні лампи, лампи на парах металів, флюорисцентні лампи. Підвищення температури теплових джерел супроводжується не тільки збільшенням потужності, але і зміною характеру розподілу спектра випромінювання. При цьому довжини хвиль, що відповідають максимальному випромінюванню, зворотно пропорційні абсолютній температурі (закон Вина), тобто, чим вище температура теплового випромінювача (лампи), тим більше частка короткохвильового випромінювання в його спектрі.

Область електромагнітного випромінювання простягається від звукових хвиль до космічних променів. Оптичне випромінювання є лише частиною всього спектра електромагнітного випромінювання і підрозділяється на три діапазони:

• ультрафіолетове (УФ);

• видимого;

• інфрачервого випромінювання (ІЧ).

УФ –випромінювання підрозділяється на три діапазони, характеристики яких надані у таблиці 1.

Таблиця 1

Характеристика УФ діапазону

Границі, нм	Діапазон	Енергія фотонів, КДж/Ейнш.	Ефект
380–320	Довгохвильової УФ-А	315–380	Засмага
315–280	Середньохвильовий УФ-В	380–428	Еритемна дія
280–200	Короткохвильовий УФ_С	428–599	Бактерицидна дія
Менш 200	Вакуумний	Більш 600	Дія, що озонує

Згубне для живих організмів короткохвильове УФ-випромінювання (УФ–С) цілком поглинається озоновим шаром у стратосфері Землі, а її поверхні на рівні моря досягає близько 30% довгохвильового (УФ–А) ультрафіолетового випромінювання, оскільки розподіл енергії сонячного випромінювання ситуаційний і залежить від географічного положення, часу року і часу дня. Незважаючи на велику екологічну спокусу і присутність ефективне використання енергії сонячного опромінення залишається задачею майбутнього, потребуючою попереднього рішення питань її ефективного акумулювання, перетворення і перерозподілу.

Для опромінення фотополімеризуючих матеріалів використовують такі штучні джерела, як газорозрядні лампи і лазери. У газорозрядних лампах випромінювання виникає в результаті зіткнення носіїв струму (електронів і позитивних іонів) з атомами газу під дією електричної напруги, прикладеної до електродів. Тому що швидкість руху електронів значно більше, ніж іонів, практично весь струм утвориться рухом електронів. Соударяючись з атомами в газовому розряді, електрони не тільки реалізують їх іонізацію, але і стимулюють так звані енергетичні переходи зовнішніх (валентних) електронів у збудженому стані. При зворотних переходах збуджених атомів у незбуджені (основні) стани відбувається випромінювання (люмінесценція) квантів енергії, що еквівалентна різниці енергетичних рівнів збуджених і основних станів, між якими відбувався перехід.

Енергетичні стани електронів в атомі визначені, дискретні значення (квантовани), тому атоми різних елементів відрізняються енергією випромінювальних переходів, а спектри випромінювання газорозрядних джерел мають не суцільний, лінійчатий характер. Однак при високому тиску газу випромінюється так багато окремих спектральних ліній, що вони утворюють суцільний спектр (континуум), а випромінювання дугового розряду уподібнюється випромінюванню розпеченого теплового джерела. Щоб запалити розряд, до електродів додають досить високу напругу, що залежить від природи і тиску газу, матеріалу і конструктивних особливостей джерела.

Звичайно в установках для експонування фотополімеризуючих матеріалів використовують газорозрядні ртутні лампи або ртутні лампи з добавками інших елементів. У ртутних лампах низького тиску (тиск пари ртуті близько 10 мм. рт. ст.) спектр випромінювання складається, в основному, з двох смуг в області 253,7 і 181,9 нм. Для змішання цих смуг в область далекого УФ випромінювання (область підвищеної чутливості фотополімеризуючих матеріалів, так звану область активності) на внутрішню поверхню кварцових або виготовлених зі спеціального скла балонів (трубок) ртутних ламп низького тиску наносять люмінофорне покриття, що поглинає випромінювання збуджених атомів ртуті (253,9 нм.) і випускає широку люмінесцентну смугу УФ випромінювання в області 320–380 нм.

Спектральна сполука випромінювання люмінесцентних ламп залежить від хімічного складу люмінофора, а температура стінок колби лампи знаходиться в межах 40–60⁰С. Наприклад, люмінофор на основі свинцю і сульфату барію має максимум випромінювання близько 360 нм. Установки, що випускаються в Україні для експлуатації фотополімеризуючих матеріалів оснащені люмінесцентними лампами ЛУФ-40 (максимум довжини хвилі випромінювання 350 нм., номінальна потужність лампи 40 Вт) або ЛУФ-80 (максимум довжини хвилі випромінювання 365 нм., потужність лампи 80 Вт). Закордонні установки комплектуються в основному люмінесцентними лампами UV-ATL/05 фірми Philips (Голландія), що мають максимум в області 365 нм., а номінальна потужність ламп від 6 до 140 Вт. Переважне використання люмінесцентних джерел УФ випромінювання в установках для експонування ФПМ визначається наступними факторами:

• можливість створення рівномірної освітленості на великій площі без допомоги складних відбивних конструкцій;

• робота джерел без виділення великої кількості тепла й озону (немає потреби в могутніх вентиляційних пристроях);

• прийнятні умови роботи обслуговуючого персоналу.

Під час розряду і газорозрядних ламп із високим тиском пари ртуті (до 10–100 атмосфера) через високу концентрацію речовини має місце дуже велика частота зіткнення електронів з атомами ртуті, що призводить до збільшення температури газу і світлової віддачі ртутного розряду. Так, вихід світла ртутних ламп високого тиску приблизно в 10 разів більше, ніж ламп середнього тиску й у 100 разів більше, ніж ламп низького тиску. Температура стінок балона ламп високого тиску досягає 1000 Па, тому таку лампи необхідно ефективно прохолоджувати. Крім того, у спектрах одержання таких ламп маються смуги середньо- і короткохвильового УФ випромінювання, що викликають утворення озону, руйнуючи діють на матеріали, апаратуру й обслуговуючий персонал.

Теплові і газорозрядні джерела світла (за винятком натрієвих ламп) випускають широкий спектр різних смуг (так званий поліхроматичний спектр) випромінювання. На відміну від них лазери є джерелами монохроматичного випромінювання. У цікавлячій нас області УФ-світла звичайно використовують газові (азотний, 337,1 нм) або рідинні (розчини барвників від 340 нм і вище) лазери.