الأشعة فوق البنفسجية الشديدة

📅 آخر تحديث: ٢٦ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٦ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 3 صور
الموسوعة الحرة
صورة مركبة للأشعة فوق البنفسجية القصوى للشمس (أحمر: 21.1  نانومتر، أخضر: 19.3  نانومتر، أزرق: 17.1  نانومتر) التقطها مرصد ديناميكا الشمس في 1 أغسطس 2010
 يُستخدم ضوء الأشعة فوق البنفسجية الشديدة بطول موجة 13.5 نانومتر تجاريًا في الطباعة الضوئية كجزء من عملية تصنيع أشباه الموصلات . تُظهر هذه الصورة أداة تجريبية مبكرة.

الأشعة فوق البنفسجية الشديدة ( EUV [ 1 ] أو XUV ) أو الأشعة فوق البنفسجية عالية الطاقة هي إشعاع كهرومغناطيسي يقع ضمن جزء من الطيف الكهرومغناطيسي يمتد على أطوال موجية أقصر من خط لايمان ألفا للهيدروجين، من 121 نانومتر وصولًا إلى نطاق الأشعة السينية عند 10 نانومتر. وبحسب معادلة بلانك-أينشتاين، تتراوح طاقات فوتونات الأشعة فوق البنفسجية الشديدة بين 10.26 إلكترون فولت و124.24 إلكترون فولت، حيث تدخل طاقات الأشعة السينية في نطاقها. تتولد الأشعة فوق البنفسجية الشديدة طبيعيًا من الهالة الشمسية ، وصناعيًا من البلازما ، ومصادر توليد التوافقيات العالية ، ومصادر ضوء السنكروترون . ونظرًا لأن نطاق الأشعة فوق البنفسجية C يمتد إلى 100 نانومتر، فهناك بعض التداخل بين المصطلحات.     

تُستخدم الأشعة فوق البنفسجية القصوى بشكل رئيسي في مطيافية الإلكترونات الضوئية ، والتصوير الشمسي ، والطباعة الحجرية . في الهواء ، تُعدّ الأشعة فوق البنفسجية القصوى المكون الأكثر امتصاصًا في الطيف الكهرومغناطيسي، مما يتطلب فراغًا عاليًا لنقلها.

جيل الأشعة فوق البنفسجية القصوى

لا تمتلك الذرات المتعادلة أو المادة المكثفة انتقالات طاقة كافية لإصدار إشعاع الأشعة فوق البنفسجية الشديدة (EUV). يجب أن يحدث التأين أولاً. لا يمكن أن ينبعث ضوء الأشعة فوق البنفسجية الشديدة إلا من الإلكترونات المرتبطة بأيونات موجبة متعددة الشحنات؛ على سبيل المثال، يتطلب إزالة إلكترون من أيون كربون مشحون بشحنة +3 (بعد إزالة ثلاثة إلكترونات) حوالي 65 إلكترون فولت . هذه الإلكترونات أكثر ارتباطًا من إلكترونات التكافؤ النموذجية . لا يمكن وجود أيونات موجبة متعددة الشحنات إلا في بلازما ساخنة وكثيفة . بدلاً من ذلك، يمكن توليد الإلكترونات والأيونات الحرة مؤقتًا وفوريًا بواسطة المجال الكهربائي المكثف لشعاع ليزر ذي توافقيات عالية جدًا . تتسارع الإلكترونات أثناء عودتها إلى الأيون الأصلي، مطلقةً فوتونات ذات طاقة أعلى بكثافة منخفضة، والتي قد تكون في نطاق الأشعة فوق البنفسجية الشديدة. إذا شكلت الفوتونات المنبعثة إشعاعًا مؤينًا ، فإنها ستؤين أيضًا ذرات الوسط المولد للتوافقيات ، مما يؤدي إلى استنزاف مصادر توليد التوافقيات الأعلى. تتحرر الإلكترونات لأن المجال الكهربائي لضوء الأشعة فوق البنفسجية الشديدة ليس قويًا بما يكفي لدفعها إلى ترددات أعلى، بينما لم تعد الأيونات الأصلية تتأين بسهولة كما كانت الذرات المتعادلة في الأصل. ولذلك، تتنافس عمليتا توليد وامتصاص الأشعة فوق البنفسجية الشديدة (التأين) بشدة. 

في مطلع القرن الحادي والعشرين، ظهرت مصادر متعددة للأشعة فوق البنفسجية القصوى (EUV) تعتمد على ليزر الإلكترون الحر ، بالإضافة إلى مصادر مكتبية تعتمد على تقنيات توليد التوافقيات العالية . [ 2 ] : 579 وقد تم شحن أنظمة تجارية من الجيل الأول لطباعة الليثوغرافيا بالأشعة فوق البنفسجية القصوى (EUV ) تعتمد على توليد الضوء بواسطة البلازما المنتجة بالليزر (LPP). [ 3 ] : 173

توليد مباشر قابل للضبط للأشعة فوق البنفسجية القصوى

يمكن أيضًا أن ينبعث ضوء الأشعة فوق البنفسجية الشديدة بواسطة الإلكترونات الحرة التي تدور حول السنكروترون .

يمكن توليد ضوء الأشعة فوق البنفسجية القصوى ذي النطاق الضيق والقابل للضبط المستمر عن طريق مزج أربع موجات في خلايا غازية من الكريبتون والهيدروجين إلى أطوال موجية منخفضة تصل إلى 110 نانومتر. [ 4 ] في غرف الغاز الخالية من النوافذ، لوحظ مزج أربع موجات ثابت عند أطوال موجية منخفضة تصل إلى 75 نانومتر .  

امتصاص الأشعة فوق البنفسجية الشديدة في المادة

عند امتصاص فوتون الأشعة فوق البنفسجية الشديدة، تتولد الإلكترونات الضوئية والإلكترونات الثانوية عن طريق التأين ، تمامًا كما يحدث عند امتصاص الأشعة السينية أو حزم الإلكترونات بواسطة المادة. [ 5 ]

يمكن التعبير عن استجابة المادة لإشعاع الأشعة فوق البنفسجية الشديدة في المعادلات التالية:

نقطة الامتصاص:

طاقة فوتون الأشعة فوق البنفسجية القصوى = 92 إلكترون فولت، = طاقة ربط الإلكترون + الطاقة الحركية الأولية للإلكترون الضوئي

ضمن 3 مسارات حرة متوسطة للإلكترون الضوئي (1-2  نانومتر):

انخفاض الطاقة الحركية للإلكترون الضوئي = جهد التأين + الطاقة الحركية للإلكترون الثانوي؛

ضمن 3 مسارات حرة متوسطة للإلكترون الثانوي (~30  نانومتر):

  1. انخفاض الطاقة الحركية للإلكترون الثانوي = جهد التأين + الطاقة الحركية للإلكترون الثالثي
  2. يتباطأ الإلكترون من الجيل N بالإضافة إلى التأين عن طريق التسخين ( توليد الفونون ).
  3. طاقة الحركة الإلكترونية للجيل النهائي ~ 0  إلكترون فولت => ارتباط الإلكترون التفككي + الحرارة، حيث يكون جهد التأين عادةً 7-9  إلكترون فولت للمواد العضوية و4-5  إلكترون فولت للمعادن.

يؤدي الإلكترون الضوئي لاحقًا إلى انبعاث إلكترونات ثانوية من خلال عملية التأين التصادمي . وفي بعض الأحيان، يكون انتقال أوجيه ممكنًا أيضًا، مما ينتج عنه انبعاث إلكترونين مع امتصاص فوتون واحد.

بالمعنى الدقيق، تُصاحب الإلكترونات الضوئية وإلكترونات أوجيه والإلكترونات الثانوية فجوات موجبة الشحنة (أيونات يمكن معادلتها بسحب الإلكترونات من الجزيئات المجاورة) للحفاظ على التعادل الكهربائي. يُشار إلى زوج الإلكترون-الفجوة عادةً باسم الإكسيتون . بالنسبة للإلكترونات عالية الطاقة، قد تكون المسافة بين الإلكترون والفجوة كبيرة جدًا، وبالتالي تكون طاقة الربط منخفضة، ولكن عند الطاقات المنخفضة، قد يكون الإلكترون والفجوة أقرب إلى بعضهما. ينتشر الإكسيتون نفسه لمسافة كبيرة (>10  نانومتر). [ 6 ] وكما يوحي الاسم، فإن الإكسيتون حالة مثارة؛ ولا تتشكل نواتج التفاعل الكيميائي المستقرة إلا عند اختفائه نتيجة إعادة اتحاد الإلكترون والفجوة.

بما أن عمق امتصاص الفوتونات يتجاوز عمق هروب الإلكترونات، فإن الإلكترونات المنبعثة، مع تباطؤها في نهاية المطاف، تُبدد طاقتها على شكل حرارة. تُمتص أطوال موجات الأشعة فوق البنفسجية الشديدة (EUV) بقوة أكبر بكثير من الأطوال الموجية الأطول، لأن طاقات الفوتونات المقابلة لها تتجاوز فجوات الطاقة لجميع المواد. ونتيجة لذلك، تكون كفاءة التسخين أعلى بكثير، وتتميز بانخفاض عتبات الاستئصال الحراري في المواد العازلة. [ 7 ]

الحد الأدنى/الأقصى للطاقة الشمسية

تتفاوت أطوال موجات معينة من الأشعة فوق البنفسجية الشديدة (EUV) بما يصل إلى 50 ضعفًا بين أدنى وأعلى مستويات النشاط الشمسي ، [ 8 ] مما قد يُسهم في ارتفاع درجة حرارة طبقة الستراتوسفير . أما بالنسبة للأوزون، فإن الطاقة اللازمة لتكوينه أقل من الطاقة اللازمة لتدميره، كما أن الطاقة الناتجة عن الرياح الشمسية تُلحق ضررًا أكبر بطبقة الأوزون. وهذا بدوره يُسهم في الظواهر المرتبطة بتغير المناخ. [ 8 ]

أضرار الأشعة فوق البنفسجية الشديدة

كغيرها من أشكال الإشعاع المؤين ، يُعدّ كلٌّ من الأشعة فوق البنفسجية الشديدة والإلكترونات المنبعثة منها، سواءً بشكل مباشر أو غير مباشر، مصدرًا محتملاً لتلف الأجهزة . قد ينتج التلف عن انفصال طبقة الأكسيد [ 9 ] أو الشحنة المحتبسة بعد التأين [ 10 ] . كما قد يحدث التلف نتيجة الشحن الموجب المستمر بفعل تأثير مالتر . إذا لم تتمكن الإلكترونات الحرة من العودة لمعادلة الشحنة الموجبة الصافية، فإن انفصال الأيونات الموجبة [ 11 ] هو السبيل الوحيد لاستعادة التعادل. مع ذلك، يعني الانفصال أساسًا تدهور السطح أثناء التعرض، فضلًا عن أن الذرات المنفصلة تُلوِّث أي عدسات مُعرَّضة. وقد تم توثيق تلف الأشعة فوق البنفسجية الشديدة بالفعل في تقادم إشعاع CCD لتلسكوب التصوير بالأشعة فوق البنفسجية الشديدة (EIT) [ 12 ] .

يُعدّ التلف الإشعاعي مشكلة معروفة دُرست في سياق معالجة البلازما. أشارت دراسة حديثة أُجريت في مركز السنكروترون بجامعة ويسكونسن إلى أن الأطوال الموجية الأقل من 200  نانومتر قادرة على إحداث شحنات سطحية قابلة للقياس. [ 13 ] أظهر إشعاع الأشعة فوق البنفسجية الشديدة (EUV) شحنات موجبة على بُعد سنتيمترات خارج حدود التعرض، بينما أظهر إشعاع الأشعة فوق البنفسجية الفراغية ( VUV ) شحنات موجبة داخل حدود التعرض.

أشارت الدراسات التي استخدمت نبضات الأشعة فوق البنفسجية القصوى في ليزر الإلكترون الحر في هامبورغ ( FLASH ) إلى عتبات الضرر الناجم عن الانصهار الحراري أقل من 100 مللي جول / سم 2. [ 14 ]

أظهرت دراسة سابقة [ 15 ] أن الإلكترونات الناتجة عن الإشعاع المؤين "الناعم" لا تزال قادرة على اختراق ما يقرب من 100  نانومتر تحت السطح، مما يؤدي إلى التسخين.

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ لوغان سي إم، رايس إم كيه (1987). اختصارات لوغان الطبية والعلمية (كتاب ذو غلاف مقوى). جيه بي ليبينكوت . ص  183. ISBN 0-397-54589-4.
  2. ↑ شرقي، ماجد؛ باي، مارتن؛ موكاميل، شاؤول؛ سفيتينا، كريستيان؛ ماسكيوفيكيو، كلاوديو (25-09-2023). "التقدم والآفاق في البصريات والتحليل الطيفي غير الخطي للأشعة فوق البنفسجية القصوى والأشعة السينية" . مجلة Nature Reviews Physics . 5 (10): 578-596 . Bibcode : 2023NatRP...5..578C . doi : 10.1038/s42254-023-00643-7 . hdl : 20.500.12614/3449 . ISSN 2522-5820 . 
  3. ↑ فومينكوف، إيغور؛ براندت، ديفيد؛ إرشوف، أليكس؛ شافغانز، ألكسندر؛ تاو، ييشنغ؛ فاشينكو، جورجي؛ روكيتسكي، سلافا؛ كاتس، مايكل؛ فارغاس، مايكل؛ بورفيس، مايكل؛ رافاك، روب؛ لافونتين، برونو؛ دي ديا، سيلفيا؛ لافورج، أندرو؛ ستيوارت، جايسون (27-06-2017). "مصادر الضوء لتصنيع الطباعة الحجرية بالأشعة فوق البنفسجية القصوى بكميات كبيرة: التكنولوجيا والأداء وتوسيع نطاق الطاقة" . التقنيات البصرية المتقدمة . 6 ( 3-4 ): 173-186 . Bibcode : 2017AdOT....6..173F . doi : 10.1515/aot-2017-0029 . ISSN 2192-8584 . 
  4. ↑ شتراوس، سي إي إم؛ فونك، دي جيه (1991). "توليد تردد فرق قابل للضبط على نطاق واسع للأشعة فوق البنفسجية باستخدام رنين الفوتونين في الهيدروجين والكريبتون" . رسائل البصريات . 16 (15): 1192-1194 . رمز Bibcode : 1991OptL...16.1192S . doi : 10.1364/ol.16.001192 . PMID 19776917 . 
  5. ↑ هينك، بيرتون ل.؛ سميث، جيريل أ.؛ أتوود، ديفيد ت. (1977). "انبعاثات الإلكترونات الناتجة عن الأشعة السينية من المواد الصلبة في نطاق 0.1-10 كيلو إلكترون فولت - نماذج وقياسات الإلكترونات الثانوية". مجلة الفيزياء التطبيقية . 48 (5). منشورات معهد الفيزياء الأمريكي: 1852-1866 . رمز Bibcode : 1977JAP....48.1852H . doi : 10.1063/1.323938 . ISSN 0021-8979 . 
  6. ↑ برومز، بير؛ يوهانسون، نيكلاس؛ جيمر، ريتشارد دبليو؛ غراهام، ستيفن سي؛ فريند، ريتشارد إتش؛ سالانك، ويليام آر. (1999). "تحلل بولي (بارا-فينيلين فينيلين) بواسطة الإلكترونات منخفضة الطاقة". مواد متقدمة . 11 (10). وايلي: 826-832 . Bibcode : 1999AdM....11..826B . doi : 10.1002/(sici)1521-4095(199907)11:10 < 826::aid-adma826 > 3.0.co ; 2-n . ISSN 0935-9648 . 
  7. ↑ أ. ريتوتشي وآخرون، "تلف واستئصال العوازل ذات فجوة النطاق الكبيرة الناجمة عن شعاع ليزر 46.9 نانومتر"، تقرير 9 مارس 2006 UCRL-JRNL-219656 مؤرشف في 25 يناير 2017، في Wayback Machine (مختبر لورانس ليفرمور الوطني).
  8. 1 2 موان، يوهان؛ جوزينين، أستا (2010). "الإشعاع الشمسي وصحة الإنسان" . مجلة الكيمياء الضوئية والبيولوجيا الضوئية ب: البيولوجيا . 101 (2). إلسيفير بي في: 109-110 . رمز Bibcode : 2010JPPB..101..109M . doi : 10.1016/j.jphotobiol.2010.08.004 . ISSN 1011-1344 . PMID 20833325 .  
  9. ↑ إركولاني، د.؛ لازارينو، م.؛ موري، ج.؛ ريسيل، ب.؛ سوربا، ل.؛ لوكاتيللي، أ.؛ شريفي، س.؛ باليسترازي، أ.؛ هيون، س. (2005). "إزالة امتزاز أكسيد زرنيخيد الغاليوم تحت تدفق فوتونات الأشعة فوق البنفسجية الشديدة". مواد وظيفية متقدمة . 15 (4). وايلي: 587-592 . doi : 10.1002/adfm.200400033 . ISSN 1616-301X . S2CID 136478856 .  
  10. ↑ دي ماريا، دي جيه؛ كارتييه، إي؛ أرنولد، دي (1993). "التأين بالصدم، وتكوين المصائد، والتدهور، والانهيار في أغشية ثاني أكسيد السيليكون على السيليكون". مجلة الفيزياء التطبيقية . 73 (7). منشورات معهد الفيزياء الأمريكي: 3367-3384 . رمز Bibcode : 1993JAP....73.3367D . doi : 10.1063/1.352936 . ISSN 0021-8979 . 
  11. ↑ أكازاوا، هاوسي (1998). "امتصاص الأيونات الموجبة المحفز بالأشعة السينية اللينة من أسطح ثاني أكسيد السيليكون غير المتبلور". مجلة علوم وتكنولوجيا الفراغ أ: الفراغ، والأسطح، والأغشية . 16 (6). الجمعية الأمريكية للفراغ: 3455-3459 . رمز Bibcode : 1998JVSTA..16.3455A . doi : 10.1116/1.581502 . ISSN 0734-2101 . 
  12. ↑ ديفيس، جان مارك؛ كليت، فريدريك؛ موسى، ج. دانيال؛ هوشيديز، جان فرانسوا إي. (15-10-1997). التشخيص المداري لشيخوخة مستشعر CCD بالأشعة فوق البنفسجية القصوى (EIT EUV) (ملف PDF) . العلوم البصرية والهندسة والأجهزة. المجلد 3114. SPIE. الصفحات 598-607 . doi : 10.1117/12.278903 .  
  13. ↑ جيه إل شوهيت، http://pptl.engr.wisc.edu/Nuggets%20v9a.ppt مؤرشف بتاريخ 29 أغسطس 2006 في أرشيف الإنترنت (Wayback Machine)
  14. ^ ر. سوبيراجسكي وآخرون. http://hasyweb.desy.de/science/annual_reports/2006_report/part1/contrib/40/17630.pdf​
  15. ↑ "FEL 2004 – تفاعلات نبضات الأشعة فوق البنفسجية مع المواد الصلبة" (PDF) .
  • شعار ويكيميديا ​​كومنزوسائط متعلقة بالأشعة فوق البنفسجية المتطرفة على ويكيميديا ​​كومنز
  • امتداد ميدياويكي: EUV