紫外輻射是指波長小于紫光波長的一定范圍的電磁輻射，波長范圍100~380 nm，可劃分為長波紫外（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個波段，相應(yīng)的紫外光源分別稱之為長波、中波、短波和真空紫外光源。

長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。

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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、真空紫外波長標準和光清洗。

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以下介紹低壓汞燈、中壓汞燈和微波無極紫外燈的特性和優(yōu)缺點，并與紫外LED對比后預(yù)測了其發(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)，當其由激發(fā)態(tài)返回到基態(tài)時輻射出254，185 nm紫外光子。

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低壓汞燈的光譜分布近似為線光譜。石英玻殼對254 nm透射率可高達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 nm紫外輻射效率可達35%~60%，185 nm輻射效率可達5%~15%，是目前輻射效率最高的氣體放電光源。

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185 nm真空紫外輻射在空氣中的傳輸距離很短，在毫米量級的距離內(nèi)即被氧分子吸收，氧分子分解成氧原子并進一步反應(yīng)生成臭氧。所以185 nm輻射是很好的臭氧激發(fā)源，其優(yōu)點是既能高效產(chǎn)生臭氧，又不會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。

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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的紫外輻射，只輻射254 nm的紫外輻射，俗稱無臭氧紫外輻射源。

　　低壓汞燈的紫外輻射效率很高，當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，紫外輻射達到最大。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60%。不過，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)計的體積2.5 m3的大型真空室作為點燈環(huán)境，測量了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。

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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應(yīng)冷端溫度40~45℃，對應(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應(yīng)冷端溫度在45~48℃，對應(yīng)汞蒸氣壓1.24~1.54 Pa。對填充Ne-Ar混合氣體的燈，在氣壓2 Torr、電流1.6 A、冷端溫度45℃時，正柱輸入功率＞160 W/m，254 nm輻射效率＞40%。

　　冷端溫度在70~75℃時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，燈的輸入功率為117.7 W/m，185 nm的輻射效率可達10.2%，而254 nm的輻射效率為22.4%。

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對UVC-LED外延芯片的研發(fā)是國內(nèi)外的熱點。日本信息通信研究機構(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265 nm的UVC-LED，實現(xiàn)了輸出功率密度90 mW/cm2的連續(xù)發(fā)光，在電流為200 mA時外量子效率為6.3%。

　　鑒于UVC-LED輻射效率還不高，如要達到實用化的20%的輻射效率，還有待實現(xiàn)技術(shù)突破；加上UVC-LED價格昂貴，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5~10年市場規(guī)模將繼續(xù)擴大。