紫外汞灯的性能直接取决于汞蒸气的状态 ， 汞蒸气的形成过程及其工作状态会深刻影响 紫外光子的辐射特性 。
壹 汞蒸气的形成
从紫外汞灯启动到稳定运行 ， 汞蒸气的形成及其达到平衡的过程是一个与温度密切相关的 动态物理过程 ， 具体如下 ：
汞 的 饱 和 蒸 气 压 随 温 度 显 著 变 化 ： 在 2 5℃ （常 温 ） 时 约 为 0 . 0 0 17 kPa （ 13 . 3 Pa ） ， 1 0 0℃ 时 约 为 0 . 16 kPa ， 3 5 6 . 7 ℃ （沸 点 ） 时 等 于 标 准 大 气 压 （ 10 1 . 3 2 5kPa） 。 常 温 下 ， 汞的饱和蒸气压极低 ， 意味着汞原子数量太少 ， 无法有效电离形成导电通路 。 而惰性气体 （如 氩 气 ） 在 常 温 下 气 压 较 高 ， 容 易 被 初 始 电 子 电 离 ， 为 “ 点 燃 ” 灯 管 提 供 必 要 的 初 始 等 离 子体 。
在启弧和加热过程中 ， 电极间施加高电压 ， 阴极发射电子 ， 惰性气体放电 。 电子首先被电 场 加 速 ， 与 氩 原 子 碰 撞 并 使 其 电 离 （ A r + e⁻ → A r + + 2 e⁻ ) , 这 一 过 程 会 形 成 雪 崩 效 应 ， 迅 速在灯管内建立氩气等离子体 。
等离子体中的大量碰撞将电能转化为热能 ， 导致灯管整体温度升高 。 随着温度升高 ， 液态 汞吸收热量迅速蒸发 ， 汞原子从液态进入气相 ， 使灯管内的汞蒸气压显著上升 。 当达到稳 定工作状态时 ， 灯管也实现动态热平衡 ， 汞的蒸发速率与在较冷管壁上的冷凝速率相等 。 此时 ， 灯管内的汞蒸气压维持在一个稳定值 ， 这个稳定的汞蒸气压就是区分低压汞灯 、 中 压汞灯和高压汞灯的关键参数 。
贰 汞蒸气压与紫外辐射
汞蒸气压对紫外辐射有决定性影响 ， 具体表现为汞蒸气压的大小影响紫外辐射效率 、 光 谱 波 长 和 光 子 输 出 等 核 心 因 素 。 汞 蒸 气 压 的 变 化 机 制 复 杂 ， 呈 现 出 典 型 的 “ 先 增 后 减 ” 优化关系 ， 可以从积极和消极两个方面分析其影响 。
Part.1 汞蒸气压增加的积极作用
汞蒸气压升高会提供更多汞原子以吸收电子 ， 增加产生光子的激发态反应物 ， 从而提升 光子产额 。
紫 外 光 子 （尤 其 是 2 5 3 . 7 n m ） 是 由 气 态 汞 原 子 被 电 子 激 发 后 产 生 的 。 如 果 没 有 足 够 数 量的气态汞原子 ， 紫外辐射就无法实现 。 在低蒸气压范围内 ， 随着温度升高 、 汞蒸气压 增 加 ， 灯 管 内 可 被 电 子 碰 撞 的 汞 原 子 数 量 线 性 增 加 ， 被 激 发 到 高 能 级 （如 6 ³ P₁ ) 的 汞 原 子 数 量 也 随 之 增 加 ， 从 而 使 2 5 3 . 7 n m紫 外 光 子 的 产 额 提 升 。 在 达 到 最 佳 蒸 气 压 之 前 ， 紫外输出随蒸气压升高而增强 。
Part.2 汞蒸气压增加的消极作用
汞蒸气压升高会导致灯管内气态汞原子浓度增加 ， 同时也带来光子的自吸收现象 ， 这是 影响光子效率的主要负面因素 。 自吸收成为汞蒸气压升高后紫外输出效率下降的关键原 因 。
自 吸 收 指 的 是 ， 当 灯 管 内 电 子 通 道 中 心 区 域 产 生 2 5 3 . 7 n m紫 外 光 子 时 ， 这 些 光 子 在 向 外 传 播 、 穿 过 等 离 子 体 的 过 程 中 ， 会 被 周 围 处 于 基 态 （ 6 ¹ S₀ ) 的 汞 原 子 重 新 吸 收 。 被 吸 收 的 光 子 会 再 次 激 发 基 态 汞 原 子 到 6 ³ P₁ 能 级 ， 激 发 态 原 子 随 后 可 能 再 次 辐 射 光 子 ， 但 发 射方向是随机的 ， 也可能在再次辐射前通过碰撞将能量转化为热能 ， 从而降低紫外辐射 效率 。
Part.3 蒸气压与 自吸收的动态关系
随 着 汞 蒸 气 压 升 高 ， 灯 管 内 基 态 汞 原 子 的 密 度 增 加 ， 2 5 3 . 7 n m光 子 在 到 达 灯 管 表 面 输 出前被吸收的概率呈指数级上升 ， 导致大量紫外光子被困在灯管内部 ， 最终能量以热量
形式耗散 ， 有效紫外辐射输出效率大幅下降 。 这也是低压汞灯与中压汞灯在紫外辐射能 耗效率上差异巨大的根本原因 。
叁 线光谱与连续光谱的形成
紫外汞灯输出线光谱还是连续光谱 ， 取决于汞蒸气在稳定工作状态下的蒸气压大小 。
低 压 汞 灯 工 作 时 的 汞 蒸 气 压 通 常 为 0 . 13 ～ 1 . 3 3 Pa 。 部 分 资 料 显 示 ， 不 同 管 径 的 低 压 汞 灯 ， 其 最 佳 汞 蒸 气 压 也 不 同 ， 如 φ 3 8 m m的 低 压 汞 灯 最 佳 汞 蒸 气 压 约 为 0 . 8 pa ， φ 1 2 m m节 能 灯 约 为 1 . 2 pa 。 低 压 汞 灯 原 子 间 距 离 大 ， 碰 撞 频 率 低 ， 辐 射 光 谱 为 清 晰 的 线 光 谱 ， 能 量 主 要 集 中 在 2 5 3 . 7 n m （约 8 5% ） 和 18 5 n m （约 15 % ） 两 条 谱 线 上 。
中 压 汞 灯 工 作 时 的 汞 蒸 气 压 通 常 在 0 . 0 13 MPa ~ 1 . 3 3 0 MPa之 间 。 中 压 汞 灯 内 部 汞 原 子密度极高 ， 原子间碰撞极其频繁 ， 导致原子能级展宽 ， 谱线不再尖锐 ， 而是相互重 叠 、 弥散 ， 形成连续光谱背景 。 同时 ， 还会激发汞原子更高能级 ， 并产生离子-电子复 合发光等新谱线 ， 最终输出覆盖紫外 、 可见和红外的连续谱叠加强线谱 。
汞蒸气的形成是紫外汞灯工作的基础 ， 而汞蒸气压则是决定灯各项特性的核心参数 。 工程师通过精确控制紫外灯的工作温度 ， 调节灯管内的汞蒸气压 ， 并结合结构设计 ， 平 衡 “ 原 子 浓 度 ” 和 “ 自 吸 收 ” ， 以 制 造 出 适 用 于 不 同 应 用 场 景 的 优 化 紫 外 光 源 ， 比 如 高 效消毒或高功率广谱光化学氧化 。
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