汞灯VS紫外LED 对比到底哪个好

紫外辐射是指波长小于紫光波长的一定范围的电磁辐射，波长范围100~380 nm，可划分为长波紫外（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个波段，相应的紫外光源分别称之为长波、中波、短波和真空紫外光源。

长波紫外光源主要有中压汞灯、短弧超高压汞灯、氙灯、紫外金卤灯、紫外LED等，它们主要应用于紫外光固化、光化学合成、印刷电路板曝光和荧光探伤等方面。中波紫外光源主要指紫外线荧光灯，它具有红斑效应和保健作用，一般适用于医疗保健。而短波紫外光源包括热阴极和冷阴极低压汞灯，主要用于消毒杀菌、荧光分析及光化学等方面。

 

热阴极低压汞灯是目前生产和应用量最大的紫外光源，在空气、饮用水和废水杀菌方面得到广泛使用。真空紫外光源主要有氘灯和氙准分子灯等，应用于光电子能谱仪的激发、臭氧发生、真空紫外波长标准和光清洗。

 

 

以下介绍低压汞灯、中压汞灯和微波无极紫外灯的特性和优缺点，并与紫外LED对比后预测了其发展前景。

低压汞灯

低压汞灯即低气压汞蒸气放电灯，是由汞蒸气受高能电子碰撞电子激发而发出以254 nm和185 nm为主的的紫外共振辐射。它的辐射原理是：对不同管径的灯，在最佳汞蒸气压下（外径38 mm的T12灯为0.8 Pa，外径7 mm的T2灯为1.6 Pa），汞蒸气在电场中放电，汞原子的最外层电子从基态被激发到激发态，当其由激发态返回到基态时辐射出254，185 nm紫外光子。

 

低压汞灯的光谱分布近似为线光谱。石英玻壳对254 nm透射率可高达90%以上，而普通玻璃不透射254 nm紫外光。随电流密度的不同，低压汞灯的254 nm紫外辐射效率可达35%~60%，185 nm辐射效率可达5%~15%，是目前辐射效率最高的气体放电光源。

 

185 nm真空紫外辐射在空气中的传输距离很短，在毫米量级的距离内即被氧分子吸收，氧分子分解成氧原子并进一步反应生成臭氧。所以185 nm辐射是很好的臭氧激发源，其优点是既能高效产生臭氧，又不会生成氮氧化合物等其他有害气体。另外，185 nm光子的高能量，能够打开大部分有机物的化学键，可以应用在半导体和平板显示器生产线的光清洗工艺中，作为氙准分子灯的低成本替代方案。低压汞灯的典型发射光谱如图1所示。

 

目前，杀菌用低压汞灯要求不产生臭氧，石英管中通常都掺入少量TiO2，以吸收185 nm的紫外辐射，只辐射254 nm的紫外辐射，俗称无臭氧紫外辐射源。

　　低压汞灯的紫外辐射效率很高，当放电条件为饱和汞蒸气压0.9 Pa、放电管直径26 mm（T8）、冷端温度42℃时，紫外辐射达到最大。在该条件下，如果采用氩气作为缓冲气体，放电电流电流密度控制在0.03~0.13 A/cm2，那么254 nm处的辐射效率高达60%。不过，这种最佳的放电条件只能维持比较低的输入功率密度（＜0.5 W/cm），对应的254 nm辐射功率密度仅为0.2~0.3 W/cm。如果采用铋铟汞合金代替纯汞，再辅以合适的放电管径，放电的功率密度可以提高到2 W/cm。

　　最近几年我们利用恒温箱和自行设计的体积2.5 m3的大型真空室作为点灯环境，测量了T6大功率低压汞灯正柱的254，185 nm辐射效率随灯的稀有气体气体种类、气压、冷端温度和放电电流的变化，获得了最佳放电条件。图2和图3为254，185 nm谱线的辐射效率随冷端温度的变化。

 

结果表明，T6大功率低压汞灯正柱的254 nm辐射功率的最大值对应冷端温度40~45℃，对应汞蒸气压0.86~1.24 Pa。在1.6 A电流下，最大辐射功率可达60~80 W/m。不同缓冲气体的正柱区254 nm辐射效率随冷端温度变化规律基本一致。T6低压汞灯辐射效率最大值对应冷端温度在45~48℃，对应汞蒸气压1.24~1.54 Pa。对填充Ne-Ar混合气体的灯，在气压2 Torr、电流1.6 A、冷端温度45℃时，正柱输入功率＞160 W/m，254 nm辐射效率＞40%。

　　冷端温度在70~75℃时185 nm辐射效率最高，且最佳冷端温度随着缓冲气体中的Ne含量上升而上升。充纯Ne的灯在气压2 Torr、冷端温度75℃、电流1.6 A时，灯的输入功率为117.7 W/m，185 nm的辐射效率可达10.2%，而254 nm的辐射效率为22.4%。

 

对UVC-LED外延芯片的研发是国内外的热点。日本信息通信研究机构（NICT）采用出光面包含光子晶体的氮化铝（AlN）基板，开发出波长265 nm的UVC-LED，实现了输出功率密度90 mW/cm2的连续发光，在电流为200 mA时外量子效率为6.3%。

　　鉴于UVC-LED辐射效率还不高，如要达到实用化的20%的辐射效率，还有待实现技术突破；加上UVC-LED价格昂贵，目前只能用于小面积的杀菌。因此，低压汞灯仍有广阔的应用前景，未来5~10年市场规模将继续扩大。