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紫外汞燈的性能直接取決于汞蒸氣的狀態(tài) , 汞蒸氣的形成過程及其工作狀態(tài)會深刻影響 紫外光子的輻射特性 。
壹 汞蒸氣的形成
從紫外汞燈啟動到穩(wěn)定運行 , 汞蒸氣的形成及其達到平衡的過程是一個與溫度密切相關(guān)的 動態(tài)物理過程 , 具體如下 :

汞 的 飽 和 蒸 氣 壓 隨 溫 度 顯 著 變 化 : 在 2 5℃ (常 溫 ) 時 約 為 0 . 0 0 17 kPa ( 13 . 3 Pa ) , 1 0 0℃ 時 約 為 0 . 16 kPa , 3 5 6 . 7 ℃ (沸 點 ) 時 等 于 標 準 大 氣 壓 ( 10 1 . 3 2 5kPa) 。 常 溫 下 , 汞的飽和蒸氣壓極低 , 意味著汞原子數(shù)量太少 , 無法有效電離形成導(dǎo)電通路 。 而惰性氣體 (如 氬 氣 ) 在 常 溫 下 氣 壓 較 高 , 容 易 被 初 始 電 子 電 離 , 為 “ 點 燃 ” 燈 管 提 供 必 要 的 初 始 等 離 子體 。
在啟弧和加熱過程中 , 電極間施加高電壓 , 陰極發(fā)射電子 , 惰性氣體放電 。 電子首先被電 場 加 速 , 與 氬 原 子 碰 撞 并 使 其 電 離 ( A r + e? → A r + + 2 e? ) , 這 一 過 程 會 形 成 雪 崩 效 應(yīng) , 迅 速在燈管內(nèi)建立氬氣等離子體 。

等離子體中的大量碰撞將電能轉(zhuǎn)化為熱能 , 導(dǎo)致燈管整體溫度升高 。 隨著溫度升高 , 液態(tài) 汞吸收熱量迅速蒸發(fā) , 汞原子從液態(tài)進入氣相 , 使燈管內(nèi)的汞蒸氣壓顯著上升 。 當達到穩(wěn) 定工作狀態(tài)時 , 燈管也實現(xiàn)動態(tài)熱平衡 , 汞的蒸發(fā)速率與在較冷管壁上的冷凝速率相等 。 此時 , 燈管內(nèi)的汞蒸氣壓維持在一個穩(wěn)定值 , 這個穩(wěn)定的汞蒸氣壓就是區(qū)分低壓汞燈 、 中 壓汞燈和高壓汞燈的關(guān)鍵參數(shù) 。
貳 汞蒸氣壓與紫外輻射
汞蒸氣壓對紫外輻射有決定性影響 , 具體表現(xiàn)為汞蒸氣壓的大小影響紫外輻射效率 、 光 譜 波 長 和 光 子 輸 出 等 核 心 因 素 。 汞 蒸 氣 壓 的 變 化 機 制 復(fù) 雜 , 呈 現(xiàn) 出 典 型 的 “ 先 增 后 減 ” 優(yōu)化關(guān)系 , 可以從積極和消極兩個方面分析其影響 。

Part.1 汞蒸氣壓增加的積極作用
汞蒸氣壓升高會提供更多汞原子以吸收電子 , 增加產(chǎn)生光子的激發(fā)態(tài)反應(yīng)物 , 從而提升 光子產(chǎn)額 。
紫 外 光 子 (尤 其 是 2 5 3 . 7 n m ) 是 由 氣 態(tài) 汞 原 子 被 電 子 激 發(fā) 后 產(chǎn) 生 的 。 如 果 沒 有 足 夠 數(shù) 量的氣態(tài)汞原子 , 紫外輻射就無法實現(xiàn) 。 在低蒸氣壓范圍內(nèi) , 隨著溫度升高 、 汞蒸氣壓 增 加 , 燈 管 內(nèi) 可 被 電 子 碰 撞 的 汞 原 子 數(shù) 量 線 性 增 加 , 被 激 發(fā) 到 高 能 級 (如 6 3 P? ) 的 汞 原 子 數(shù) 量 也 隨 之 增 加 , 從 而 使 2 5 3 . 7 n m紫 外 光 子 的 產(chǎn) 額 提 升 。 在 達 到 最 佳 蒸 氣 壓 之 前 , 紫外輸出隨蒸氣壓升高而增強 。
Part.2 汞蒸氣壓增加的消極作用
汞蒸氣壓升高會導(dǎo)致燈管內(nèi)氣態(tài)汞原子濃度增加 , 同時也帶來光子的自吸收現(xiàn)象 , 這是 影響光子效率的主要負面因素 。 自吸收成為汞蒸氣壓升高后紫外輸出效率下降的關(guān)鍵原 因 。
自 吸 收 指 的 是 , 當 燈 管 內(nèi) 電 子 通 道 中 心 區(qū) 域 產(chǎn) 生 2 5 3 . 7 n m紫 外 光 子 時 , 這 些 光 子 在 向 外 傳 播 、 穿 過 等 離 子 體 的 過 程 中 , 會 被 周 圍 處 于 基 態(tài) ( 6 1 S? ) 的 汞 原 子 重 新 吸 收 。 被 吸 收 的 光 子 會 再 次 激 發(fā) 基 態(tài) 汞 原 子 到 6 3 P? 能 級 , 激 發(fā) 態(tài) 原 子 隨 后 可 能 再 次 輻 射 光 子 , 但 發(fā) 射方向是隨機的 , 也可能在再次輻射前通過碰撞將能量轉(zhuǎn)化為熱能 , 從而降低紫外輻射 效率 。
Part.3 蒸氣壓與 自吸收的動態(tài)關(guān)系
隨 著 汞 蒸 氣 壓 升 高 , 燈 管 內(nèi) 基 態(tài) 汞 原 子 的 密 度 增 加 , 2 5 3 . 7 n m光 子 在 到 達 燈 管 表 面 輸 出前被吸收的概率呈指數(shù)級上升 , 導(dǎo)致大量紫外光子被困在燈管內(nèi)部 , 最終能量以熱量
形式耗散 , 有效紫外輻射輸出效率大幅下降 。 這也是低壓汞燈與中壓汞燈在紫外輻射能 耗效率上差異巨大的根本原因 。
叁 線光譜與連續(xù)光譜的形成
紫外汞燈輸出線光譜還是連續(xù)光譜 , 取決于汞蒸氣在穩(wěn)定工作狀態(tài)下的蒸氣壓大小 。
低 壓 汞 燈 工 作 時 的 汞 蒸 氣 壓 通 常 為 0 . 13 ~ 1 . 3 3 Pa 。 部 分 資 料 顯 示 , 不 同 管 徑 的 低 壓 汞 燈 , 其 最 佳 汞 蒸 氣 壓 也 不 同 , 如 φ 3 8 m m的 低 壓 汞 燈 最 佳 汞 蒸 氣 壓 約 為 0 . 8 pa , φ 1 2 m m節(jié) 能 燈 約 為 1 . 2 pa 。 低 壓 汞 燈 原 子 間 距 離 大 , 碰 撞 頻 率 低 , 輻 射 光 譜 為 清 晰 的 線 光 譜 , 能 量 主 要 集 中 在 2 5 3 . 7 n m (約 8 5% ) 和 18 5 n m (約 15 % ) 兩 條 譜 線 上 。

中 壓 汞 燈 工 作 時 的 汞 蒸 氣 壓 通 常 在 0 . 0 13 MPa ~ 1 . 3 3 0 MPa之 間 。 中 壓 汞 燈 內(nèi) 部 汞 原 子密度極高 , 原子間碰撞極其頻繁 , 導(dǎo)致原子能級展寬 , 譜線不再尖銳 , 而是相互重 疊 、 彌散 , 形成連續(xù)光譜背景 。 同時 , 還會激發(fā)汞原子更高能級 , 并產(chǎn)生離子-電子復(fù) 合發(fā)光等新譜線 , 最終輸出覆蓋紫外 、 可見和紅外的連續(xù)譜疊加強線譜 。

汞蒸氣的形成是紫外汞燈工作的基礎(chǔ) , 而汞蒸氣壓則是決定燈各項特性的核心參數(shù) 。 工程師通過精確控制紫外燈的工作溫度 , 調(diào)節(jié)燈管內(nèi)的汞蒸氣壓 , 并結(jié)合結(jié)構(gòu)設(shè)計 , 平 衡 “ 原 子 濃 度 ” 和 “ 自 吸 收 ” , 以 制 造 出 適 用 于 不 同 應(yīng) 用 場 景 的 優(yōu) 化 紫 外 光 源 , 比 如 高 效消毒或高功率廣譜光化學(xué)氧化 。


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