高強(qiáng)度低壓汞齊紫外線燈特性探討

丁有生

（武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院，武漢 430074）

0 引言

近年來，隨著環(huán)境保護(hù)呼聲越來越高，國(guó)家加大了污水處理力度，各地都建設(shè)了污水處理廠，污水處理中的殺菌廣泛使用高強(qiáng)度低壓紫外線燈。在使用中，紫外線燈的特性變化以及使用環(huán)境因素都將影響其在污水處理中殺菌使用效果，尤其是汞齊紫外線燈的溫度特性、紫外輸出特性等對(duì)使用影響更大，探討和研究高強(qiáng)度低壓汞齊紫外線燈的特性變化規(guī)律及影響因素，對(duì)高強(qiáng)度低壓汞齊紫外線燈的制造和應(yīng)用具有重要的指導(dǎo)意義。

1 高強(qiáng)度低壓汞齊紫外線燈的結(jié)構(gòu)與工作原理

用于污水處理中殺菌的高強(qiáng)度低壓汞齊紫外線燈一般都是功率較大的低壓汞放電燈，由石英玻璃放電管（管內(nèi)壁涂有保護(hù)膜）、電極（鎢螺旋上涂電子粉）、放電管內(nèi)填充的汞齊與稀有氣體等組成，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

高強(qiáng)度低壓汞齊紫外線燈內(nèi)的陰極發(fā)射電子與汞原子碰撞產(chǎn)生激發(fā)和電離，汞原子被激發(fā)到較低的能級(jí)，如63P1和61P1的機(jī)會(huì)較多，處于這兩個(gè)激發(fā)態(tài)的原子在返回基態(tài)時(shí)，產(chǎn)生波長(zhǎng)為253.7 nm 和185.0 nm的共振輻射，輻射出的光子hυ經(jīng)過若干個(gè)汞原子吸收轉(zhuǎn)換后透過石英玻璃輻射出來，電離產(chǎn)生的自由電子與其他原子碰撞，激發(fā)和電離不斷地在燈中進(jìn)行。紫外線燈產(chǎn)生的253.7 nm 和185.0 nm 紫外線強(qiáng)弱取決于激發(fā)到63P1和61P1的汞原子數(shù)量多少及紫外光子的損失與透過率，不同石英玻璃的紫外透過率有較大的差異，要根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合選用石英玻璃管。圖2 給出了幾種石英玻璃的紫外透過率。

圖1 高強(qiáng)度低壓汞齊紫外線燈結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 幾種石英玻璃的紫外透過率

摻雜（Ti、Ce）石英玻璃用于無臭氧紫外線燈，天然石英玻璃用于有臭氧紫外線燈，合成石英玻璃成本較高，用于要求較高的紫外線燈，真空腔體的石英管及石英套管的紫外透過率直接影響紫外輸出，不同的石英管質(zhì)量不同，價(jià)格差距也較大。圖3 是低壓紫外線燈的光譜，（a）為有臭氧，（b）為無臭氧。

圖3 低壓紫外線燈的光譜

2 汞蒸汽壓對(duì)高強(qiáng)度低壓汞齊紫外線燈的特性影響

如圖4 所示，紫外線燈的效率最大值所對(duì)應(yīng)的汞蒸汽壓稱為最佳汞蒸汽壓，每種高強(qiáng)度低壓汞齊紫外線燈均有其特定的最佳汞蒸汽壓值。管徑不同，燈所需的最佳汞蒸汽壓值不同，管徑、燈電流不同，光輸出對(duì)汞蒸汽壓的敏感度不同（即△T90 的范圍不同）。每種高強(qiáng)度低壓汞齊紫外線燈采用的汞齊必須針對(duì)性設(shè)計(jì)。

圖4 低壓紫外線燈的最佳汞蒸汽壓

隨燈燃點(diǎn)，汞齊含汞比例變化、特性變化引起光輸出大幅變化，汞齊設(shè)計(jì)應(yīng)滿足“汞齊光衰”小的要求。

圖5 溫度變化對(duì)汞蒸汽壓和紫外輸出的影響

3 高強(qiáng)度低壓汞齊紫外線燈的溫度特性

高強(qiáng)度低壓汞齊紫外線燈光電參數(shù)與汞蒸汽壓密切相關(guān)，而汞蒸汽壓與溫度有關(guān)，溫度的變化會(huì)引起紫外輸出的大幅變化（見圖5）。不同的汞齊變化特性不同，有的波動(dòng)非常大，僅僅是5 ℃～10 ℃的溫度偏差，紫外輸出有可能下降50%。由于南北方和四季氣候的不同，用于水處理的紫外線燈工作在不同的水溫下汞齊的溫度特性及汞齊的“光衰特性”非常重要。紫外線燈的紫外輸出由溫度引起的變化稱為紫外線燈的溫度特性。圖6 是紫外線輻射照度隨水溫變化特性，在實(shí)際工作溫度范圍內(nèi)紫外線輻射照度值大而且隨水溫的波動(dòng)小為最佳效果。圖7 是四家生產(chǎn)商紫外線燈壽命期溫度特性的比較。

圖6 幾種汞齊的溫度特性曲線

圖7 紫外線燈壽命期溫度特性

在設(shè)計(jì)燈時(shí)應(yīng)選擇對(duì)溫度影響小的汞齊，避免用于水處理的紫外線燈工作在不同的水溫下紫外輸出的波動(dòng)。

4 小 結(jié)

高強(qiáng)度低壓汞齊紫外線燈的應(yīng)用特性研究直接關(guān)系到燈的應(yīng)用效果，紫外線燈應(yīng)用時(shí)的溫度環(huán)境直接影響燈的紫外輸出，制燈時(shí)對(duì)燈管材料、汞齊及電極材料的選擇與制造工藝的控制都非常重要。

［1］石中玉.紫外線燈及其應(yīng)用［M］.輕工業(yè)出版社，1991

［2］徐光華，等.電光源制造工藝［M］.上?？萍嘉墨I(xiàn)出版社，1991

［3］丁有生，等.電光源原理概論［M］.上?？萍嘉墨I(xiàn)出版社，1993