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 UV輻射是指波長(zhǎng)小于紫光波長(zhǎng)的一定范圍的電磁輻射，波長(zhǎng)范圍100~380 nm，可劃分為長(zhǎng)波紫外（UVA，315~380 nm）、中波紫外（UVB，280~315 nm）、短波紫外（UVC，200~280 nm）、真空紫外（VUV，100~200 nm）4個(gè)波段，相應(yīng)的紫外光源分別稱之為長(zhǎng)波、中波、短波和真空紫外光源。

      長(zhǎng)波紫外光源主要有中壓汞燈、短弧超高壓汞燈、氙燈、紫外金鹵燈、紫外LED等，它們主要應(yīng)用于紫外光固化、光化學(xué)合成、印刷電路板曝光和熒光探傷等方面。中波紫外光源主要指紫外線熒光燈，它具有紅斑效應(yīng)和保健作用，一般適用于醫(yī)療保健。而短波紫外光源包括熱陰極和冷陰極低壓汞燈，主要用于消毒殺菌、熒光分析及光化學(xué)等方面。

　　熱陰極低壓汞燈是目前生產(chǎn)和應(yīng)用量最大的紫外光源，在空氣、飲用水和廢水殺菌方面得到廣泛使用。真空紫外光源主要有氘燈和氙準(zhǔn)分子燈等，應(yīng)用于光電子能譜儀的激發(fā)、臭氧發(fā)生、真空紫外波長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)和光清洗。

　　由于以AlGaN為代表的寬禁帶半導(dǎo)體發(fā)光材料的快速進(jìn)步，近年紫外LED獲得了迅速的發(fā)展，輻射效率和功率密度得到了很大的提高。UVA-LED輻射效率高，價(jià)格已降至合適的水平，已進(jìn)入主流應(yīng)用。UVB和UVC波段的紫外LED輻射效率還不高，價(jià)格昂貴，尚處于研究開發(fā)階段。

　　汞蒸氣放電光源以其技術(shù)成熟、價(jià)格低廉的特點(diǎn)，特別是低壓汞燈的輻射效率很高，在今后5~10年內(nèi)仍將得到廣泛應(yīng)用。以下介紹低壓汞燈、中壓汞燈和微波無(wú)極紫外燈的特性和優(yōu)缺點(diǎn)，并與紫外LED對(duì)比后預(yù)測(cè)了其發(fā)展前景。

　　低壓汞燈

　　低壓汞燈即低氣壓汞蒸氣放電燈，是由汞蒸氣受高能電子碰撞電子激發(fā)而發(fā)出以254 nm和185 nm為主的的紫外共振輻射。它的輻射原理是：對(duì)不同管徑的燈，在最佳汞蒸氣壓下（外徑38 mm的T12燈為0.8 Pa，外徑7 mm的T2燈為1.6 Pa），汞蒸氣在電場(chǎng)中放電，汞原子的最外層電子從基態(tài)被激發(fā)到激發(fā)態(tài)，當(dāng)其由激發(fā)態(tài)返回到基態(tài)時(shí)輻射出254，185 nm紫外光子。

　　低壓汞燈的光譜分布近似為線光譜。石英玻殼對(duì)254 nm透射率可高達(dá)90%以上，而普通玻璃不透射254 nm紫外光。隨電流密度的不同，低壓汞燈的254 nmUV輻射效率可達(dá)35%~60%，185 nm輻射效率可達(dá)5%~15%，是目前輻射效率最高的氣體放電光源。

　　185 nm真空UV輻射在空氣中的傳輸距離很短，在毫米量級(jí)的距離內(nèi)即被氧分子吸收，氧分子分解成氧原子并進(jìn)一步反應(yīng)生成臭氧。所以185 nm輻射是很好的臭氧激發(fā)源，其優(yōu)點(diǎn)是既能高效產(chǎn)生臭氧，又不會(huì)生成氮氧化合物等其他有害氣體。另外，185 nm光子的高能量，能夠打開大部分有機(jī)物的化學(xué)鍵，可以應(yīng)用在半導(dǎo)體和平板顯示器生產(chǎn)線的光清洗工藝中，作為氙準(zhǔn)分子燈的低成本替代方案。低壓汞燈的典型發(fā)射光譜如圖1所示。

　　目前，殺菌用低壓汞燈要求不產(chǎn)生臭氧，石英管中通常都摻入少量TiO2，以吸收185 nm的UV輻射，只輻射254 nm的UV輻射，俗稱無(wú)臭氧UV輻射源。

　　低壓汞燈的UV輻射效率很高，當(dāng)放電條件為飽和汞蒸氣壓0.9 Pa、放電管直徑26 mm（T8）、冷端溫度42℃時(shí)，UV輻射達(dá)到最大。在該條件下，如果采用氬氣作為緩沖氣體，放電電流電流密度控制在0.03~0.13 A/cm2，那么254 nm處的輻射效率高達(dá)60%。不過(guò)，這種最佳的放電條件只能維持比較低的輸入功率密度（＜0.5 W/cm），對(duì)應(yīng)的254 nm輻射功率密度僅為0.2~0.3 W/cm。如果采用鉍銦汞合金代替純汞，再輔以合適的放電管徑，放電的功率密度可以提高到2 W/cm。

　　最近幾年我們利用恒溫箱和自行設(shè)計(jì)的體積2.5 m3的大型真空室作為點(diǎn)燈環(huán)境，測(cè)量了T6大功率低壓汞燈正柱的254，185 nm輻射效率隨燈的稀有氣體氣體種類、氣壓、冷端溫度和放電電流的變化，獲得了最佳放電條件。圖2和圖3為254，185 nm譜線的輻射效率隨冷端溫度的變化。

        結(jié)果表明，T6大功率低壓汞燈正柱的254 nm輻射功率的最大值對(duì)應(yīng)冷端溫度40~45℃，對(duì)應(yīng)汞蒸氣壓0.86~1.24 Pa。在1.6 A電流下，最大輻射功率可達(dá)60~80 W/m。不同緩沖氣體的正柱區(qū)254 nm輻射效率隨冷端溫度變化規(guī)律基本一致。T6低壓汞燈輻射效率最大值對(duì)應(yīng)冷端溫度在45~48℃，對(duì)應(yīng)汞蒸氣壓1.24~1.54 Pa。對(duì)填充Ne-Ar混合氣體的燈，在氣壓2 Torr、電流1.6 A、冷端溫度45℃時(shí)，正柱輸入功率＞160 W/m，254 nm輻射效率＞40%。

　　冷端溫度在70~75℃時(shí)185 nm輻射效率最高，且最佳冷端溫度隨著緩沖氣體中的Ne含量上升而上升。充純Ne的燈在氣壓2 Torr、冷端溫度75℃、電流1.6 A時(shí)，燈的輸入功率為117.7 W/m，185 nm的輻射效率可達(dá)10.2%，而254 nm的輻射效率為22.4%。

　　對(duì)UVC-LED外延芯片的研發(fā)是國(guó)內(nèi)外的熱點(diǎn)。日本信息通信研究機(jī)構(gòu)（NICT）采用出光面包含光子晶體的氮化鋁（AlN）基板，開發(fā)出波長(zhǎng)265 nm的UVC-LED，實(shí)現(xiàn)了輸出功率密度90 mW/cm2的連續(xù)發(fā)光，在電流為200 mA時(shí)外量子效率為6.3%。

　　鑒于UVC-LED輻射效率還不高，如要達(dá)到實(shí)用化的20%的輻射效率，還有待實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破；加上UVC-LED價(jià)格昂貴，目前只能用于小面積的殺菌。因此，低壓汞燈仍有廣闊的應(yīng)用前景，未來(lái)5~10年市場(chǎng)規(guī)模將繼續(xù)擴(kuò)大。

　　中壓汞燈

　　中壓汞燈是光化學(xué)反應(yīng)中最常用的光源，主要用于紫外光固化。中壓汞燈燃點(diǎn)初期是低氣壓汞蒸氣和氬氣放電，輻射帶藍(lán)色的輝光，這時(shí)燈電壓低，放電電流大。隨著放電產(chǎn)生熱量，使電弧管溫度升高，汞蒸氣壓上升，電弧開始收縮并產(chǎn)生熱電離和熱激發(fā)，因激發(fā)態(tài)汞原子輻射衰減和電子與汞離子空間復(fù)合而發(fā)光。由于基態(tài)濃度大幅度上升，放電時(shí)波長(zhǎng)185，254 nm的共振輻射被吸收，激發(fā)輻射主要發(fā)生在高能級(jí)之間。隨著燈內(nèi)汞蒸氣壓強(qiáng)進(jìn)一步提高，由于各能級(jí)之間電子躍遷幾率的不同，可以測(cè)到較強(qiáng)的光譜線為：313，365，405，436，546，578 nm。實(shí)測(cè)的中壓汞燈的光譜能量分布如圖4所示。

　　

　　中壓汞燈電極間距0.2~2 m， 輸入功率0.5~20 kW，UV輻射效率為15%左右。中壓汞燈從啟動(dòng)到穩(wěn)定工作的時(shí)間通常為4~30 min，電弧越長(zhǎng)穩(wěn)定時(shí)間越長(zhǎng)，這會(huì)增加光固化應(yīng)用中的能耗。

　　中壓汞燈中填充金屬碘化物，比如碘化銀、碘化鐵、碘化鎵和碘化銦等，可以改變UV輻射的光譜分布。填充碘化鎵和碘化銦，可以分別在403，417，440，451 nm處得到高強(qiáng)度的譜線；填充碘化鐵，可以在358~388 nm之間引入鐵的密集譜線群。

　　紫外線中壓汞燈主要應(yīng)用于印刷制版、軟包裝彩印、家具行業(yè)、扣扳、木地板裝飾材料、紙張上光、印制鐵罐等表面涂料、高分子老化等，它還用于半導(dǎo)體、印制線路板上面的光敏阻燃劑的光固化。

     當(dāng)前UVA-LED的輻射效率已達(dá)到相當(dāng)高的水平，波長(zhǎng)380 nm芯片的輻射效率＞60%，波長(zhǎng)365 nm芯片的輻射效率＞40%。如采用銅板-AlN板的高功率密度三明治封裝結(jié)構(gòu)，在輸入功率密度＞100 W/cm2時(shí)燈具輻射效率＞22%，且輻射功率密度已高于中壓汞燈。UVA-LED的單片功率不斷增大，根據(jù)我們最新的研究結(jié)果，目前面積8 cm2芯片的輸入電流高達(dá)15 A以上，單片輸入功率＞60 W，可獲得＞500 W/cm2的輸入功率密度和＞100 W/cm2的輻照度，幾乎可以解決紫外光固化應(yīng)用中出現(xiàn)的所有問題。隨著UVA-LED使用量的快速上升，輻射效率繼續(xù)提高，價(jià)格將不斷下降，性價(jià)比持續(xù)提高，UVA-LED光源可能在未來(lái)5年內(nèi)逐漸取代中壓汞燈。

　　微波無(wú)極紫外燈

　　微波無(wú)極紫外燈主要應(yīng)用于殺菌、光固化和光分解有機(jī)污染物，紫外燈的光譜功率分布對(duì)于體系的降解速率和降解效果都有很大的影響。微波無(wú)極紫外燈沒有電極，它的激發(fā)源為頻率0.433~2.45 GHz的微波電磁場(chǎng)，燈的發(fā)光機(jī)理與普通的紫外光源有所不同。

　　微波無(wú)極紫外燈的工作原理是在石英、玻璃或其他紫外透光材料形成的密閉殼體內(nèi)填充可蒸發(fā)金屬和稀有氣體的混合物。稀有氣體的作用是啟動(dòng)氣體和緩沖氣體。當(dāng)無(wú)極燈放置于諧振腔內(nèi)，稀有氣體被微波場(chǎng)激發(fā)產(chǎn)生低氣壓放電等離子體，產(chǎn)生的熱使管壁溫度升高，金屬蒸氣壓隨之提高，過(guò)渡到金屬蒸氣放電，得到特定金屬的輻射光譜并獲得更高的UV輻射效率。常用的可蒸發(fā)金屬為汞、鈉、硫、硒和鎘等；稀有氣體一般為氬、氖和氪等。隨金屬蒸氣壓的不同，無(wú)極燈所發(fā)出的光譜在低氣壓時(shí)與低壓汞燈相似，在中高氣壓時(shí)大致與中壓汞燈和高壓汞燈相似。

　　微波無(wú)極紫外燈的發(fā)光過(guò)程可以劃分為4個(gè)階段：①微波發(fā)生器將其產(chǎn)生的高頻電磁波耦合到石英燈管中；②燈內(nèi)稀有氣體原子（如Ar）被激發(fā)；③處于激發(fā)態(tài)的稀有氣體原子與金屬原子相碰撞，金屬原子產(chǎn)生潘寧電離，過(guò)渡到金屬蒸氣的自持放電；④金屬原子與高能電子碰撞后，從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，經(jīng)過(guò)約10 ns衰減返回基態(tài)的同時(shí)輻射出光子。

　　以微波低壓汞燈為例，放電的電離、激發(fā)和輻射過(guò)程為：

　　Ar+e→Ar*+e （1）

　　Ar*+Hg→Ar+Hg++e （2）

　　Hg+e→Hg*+e （3）

　　Hg+e→Hg++2e （4）

　　Hg*+e→Hg++2e （5）

　　Hg*+Hg*→Hg+Hg++e （6）

　　Hg*+Hg*→Hg2++e （7）

　　Hg*→Hg+hν（254，185 nm） （8）

　　微波低壓汞燈中發(fā)生的原子過(guò)程主要包括：?jiǎn)?dòng)時(shí)的潘寧效應(yīng)，如方程（1）、（2）；啟動(dòng)后正常工作時(shí)，高能電子直接電離基態(tài)汞原子，如方程（4）；或逐級(jí)電離激發(fā)態(tài)原子，如方程（5）；或?qū)⒒鶓B(tài)激發(fā)到Hg（63P1）態(tài)和Hg（61P1），如方程（3）；還包括汞激發(fā)態(tài)之間的潘寧電離或結(jié)合電離，如方程（6）、（7）所示；共振態(tài)衰減發(fā)光，如方程（8）。

　　以表面波方式工作的微波低壓汞燈的結(jié)構(gòu)示意圖及其光譜能量分布如圖5所示，可見其輻射能量仍以254 nm為主，但可見區(qū)的輻射強(qiáng)度已比圖1所示的有電極的低壓汞燈增強(qiáng)很多。

　　微波無(wú)極紫外燈的光譜能量集中，具有較高的光催化活性，且制造工藝簡(jiǎn)單，又有比較長(zhǎng)的壽命，可以簡(jiǎn)化反應(yīng)器，提高反應(yīng)器的安全可靠性。而且它的功率密度大，輻射效率較高，光譜和光強(qiáng)具有可調(diào)性。微波無(wú)極紫外燈用于光催化氧化時(shí)，能夠簡(jiǎn)化光催化氧化反應(yīng)器，易于工業(yè)化實(shí)現(xiàn)。這推動(dòng)了光催化氧化技術(shù)在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用。

　　微波無(wú)極燈在紫外殺菌、污水處理及污染物降解等領(lǐng)域具有重要的作用。近10余年來(lái)，世界各國(guó)的研究者在這些方面做了很多的研究。Al-Shamma’a等人將微波注入到諧振腔內(nèi)，在諧振腔內(nèi)激發(fā)表面波，然后表面波沿著燈管傳播，激發(fā)低氣壓汞蒸氣放電，主要產(chǎn)生254 nmUV輻射。他們對(duì)燈的參數(shù)進(jìn)行了一些優(yōu)化，得出在大功率的條件下燈工作在50 ℃及燈內(nèi)填充的Ar蒸氣壓非常低（＜4 mTorr）時(shí)，燈的相對(duì)UV輻射效率最高。他們研制的系統(tǒng)中不僅可以直接利用254 nm的UV輻射，也可利用185 nm真空UV輻射用于臭氧制備。Al-Shamma’a等人的研究沒有對(duì)燈的形狀尺寸進(jìn)行探討，也沒有測(cè)定輻射效率的絕對(duì)值。

　　最近我們利用Keitz方法，測(cè)量了兩種微波低壓汞燈的輻射效率：第1種是表面波放電的微波低壓汞燈，結(jié)構(gòu)類似于Al-Shamma’a等人報(bào)道，在系統(tǒng)輸入功率231.6 W時(shí)，254 nm輻射功率7.90 W，輻射效率只有3.4%；第2種是網(wǎng)狀諧振腔微波低壓汞燈，4根1.2 m長(zhǎng)的無(wú)極燈管放置在圓柱狀諧振腔內(nèi)，用2.45 GHz微波激發(fā)，系統(tǒng)輸入功率1 258.8 W，254 nm輻射功率72.1 W，輻射效率僅為5.7%。從這兩種微波低壓汞燈的測(cè)量結(jié)果可見，微波系統(tǒng)中存在一系列的能量轉(zhuǎn)換，導(dǎo)致輻射效率低下，包括直流電源效率、磁控管效率、諧振腔透光率、石英套管透過(guò)率、諧振腔微波損耗、微波與等離子體的耦合效率、多燈遮擋系數(shù)等。如能開展進(jìn)一步的優(yōu)化，微波低壓汞燈有可能實(shí)現(xiàn)15%~20%的輻射效率。

　　Horikoshi等人利用一些對(duì)環(huán)境無(wú)污染的氣體，例如Xe，N2，He，O2，H2及Ar，或者其中幾種氣體的組合，研制了1種環(huán)境友好型微波無(wú)極紫外燈。Barkhudarov等人指出，評(píng)判1個(gè)無(wú)極紫外燈在消毒殺菌及降解污染物時(shí)的效率只取決于其UV輻射效率。所以Horikoshi等人通過(guò)調(diào)節(jié)燈管中氣體的組成來(lái)尋找1種UV輻射效率最高的配比，最后他們發(fā)現(xiàn)N2和Ar的比例在2：8、氣壓在700 Pa時(shí)該種無(wú)極紫外燈在300~400 nm范圍內(nèi)的UV輻射強(qiáng)度最強(qiáng)，但337 nm譜帶的輻射效率＜5%。

　　也有很多科研工作者對(duì)無(wú)極紫外燈應(yīng)用于降解一些特殊污染物中做了很多的研究，如對(duì)2，4-D除草劑的降解，對(duì)活性艷紅X-3B的降解，對(duì)硫化氫的降解。近些年越來(lái)越多的研究者將目光投向了微波無(wú)極燈在紫外降解污染物方面的應(yīng)用。如能提高無(wú)極燈的輻射效率，未來(lái)在紫外污染物降解方面，無(wú)極紫外燈的重要性可能將增加。

　　美國(guó)Fusion公司的微波中壓汞燈和微波紫外金鹵燈是高強(qiáng)度紫外光源的代表，其微波源包含3 kW或6 kW的磁控管，激發(fā)長(zhǎng)度為14 cm或21 cm的石英放電管，產(chǎn)生很高的輻照度。但其輻射效率未見報(bào)道。微波中壓汞燈的優(yōu)點(diǎn)是紫外輻照度高、可瞬時(shí)開關(guān)，但也存在功耗大、溫度高、成本高的缺點(diǎn)。如國(guó)內(nèi)研究機(jī)構(gòu)和相關(guān)企業(yè)能夠提出低成本的微波中壓汞燈或微波紫外金鹵燈的方案，未來(lái)各種光固化應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)該還有這種光源的用武之地。

　　汞蒸氣放電紫外光源由于其較高的UV輻射效率及較長(zhǎng)的壽命，使得它在日常生活及工業(yè)生產(chǎn)中扮演了非常重要的角色。但是由于液汞的使用會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染，且放電機(jī)理限制了輻射效率的進(jìn)一步提高，一些無(wú)汞紫外光源特別是紫外LED正在興起，并逐漸顯示出明顯的替代趨勢(shì)。

　　紫外光源需要兼顧高效率、長(zhǎng)壽命和環(huán)境友好這3個(gè)要素。在紫外LED技術(shù)快速進(jìn)步的時(shí)代背景下，預(yù)計(jì)中長(zhǎng)期內(nèi)有以下發(fā)展趨勢(shì)。

　　（1）深紫外LED的內(nèi)量子效率尚未突破，殺菌用低壓汞燈將能堅(jiān)持更久。微波低壓汞燈如不能大幅度提高輻射效率（＞15%）和降低系統(tǒng)成本，將無(wú)法有效地推廣應(yīng)用。

　?。?）隨著UVA-LED輻射效率進(jìn)一步提高、成本持續(xù)降低，中壓汞燈將逐漸被UVA-LED所取代。微波中壓汞燈和微波紫外金鹵燈如能大幅度降低成本，仍可以繼續(xù)應(yīng)用于一些適用于短波的油墨和涂料的固化。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)說(shuō)，紫外LED代表了紫外光固化技術(shù)的未來(lái)。

　?。?）紫外LED的亮度尚無(wú)法與高強(qiáng)度氣體放電燈相比。由于短弧超高壓汞燈（包括球形超高壓汞燈和UHP）和汞氙燈是超高亮度的點(diǎn)光源，易于成像和獲得平行光，在需要平行光的紫外曝光領(lǐng)域?qū)⒛芾^續(xù)占據(jù)優(yōu)勢(shì)地位。

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