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选UV固化灯还拿不定主意?来看看三昆的UV灯管

时间:2017-07-28 10:23来源:未知点击:

 UV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。

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      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。

  由于以AlGaN为代表的宽禁带半导体发光材料的快速进步,近年紫外LED获得了迅速的发展,辐射效率和功率密度得到了很大的提高。UVA-LED辐射效率高,价格已降至合适的水平,已进入主流应用。UVB和UVC波段的紫外LED辐射效率还不高,价格昂贵,尚处于研究开发阶段。

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  汞蒸气放电光源以其技术成熟、价格低廉的特点,特别是低压汞灯的辐射效率很高,在今后5~10年内仍将得到广泛应用。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。

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  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 nmUV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UV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。

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  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UV辐射,只辐射254 nm的UV辐射,俗称无臭氧UV辐射源。

  低压汞灯的UV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,UV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。

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        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。

  中压汞灯

  中压汞灯是光化学反应中最常用的光源,主要用于紫外光固化。中压汞灯燃点初期是低气压汞蒸气和氩气放电,辐射带蓝色的辉光,这时灯电压低,放电电流大。随着放电产生热量,使电弧管温度升高,汞蒸气压上升,电弧开始收缩并产生热电离和热激发,因激发态汞原子辐射衰减和电子与汞离子空间复合而发光。由于基态浓度大幅度上升,放电时波长185,254 nm的共振辐射被吸收,激发辐射主要发生在高能级之间。随着灯内汞蒸气压强进一步提高,由于各能级之间电子跃迁几率的不同,可以测到较强的光谱线为:313,365,405,436,546,578 nm。实测的中压汞灯的光谱能量分布如图4所示。

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  中压汞灯电极间距0.2~2 m, 输入功率0.5~20 kW,UV辐射效率为15%左右。中压汞灯从启动到稳定工作的时间通常为4~30 min,电弧越长稳定时间越长,这会增加光固化应用中的能耗。

  中压汞灯中填充金属碘化物,比如碘化银、碘化铁、碘化镓和碘化铟等,可以改变UV辐射的光谱分布。填充碘化镓和碘化铟,可以分别在403,417,440,451 nm处得到高强度的谱线;填充碘化铁,可以在358~388 nm之间引入铁的密集谱线群。

  紫外线中压汞灯主要应用于印刷制版、软包装彩印、家具行业、扣扳、木地板装饰材料、纸张上光、印制铁罐等表面涂料、高分子老化等,它还用于半导体、印制线路板上面的光敏阻燃剂的光固化。

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     当前UVA-LED的辐射效率已达到相当高的水平,波长380 nm芯片的辐射效率>60%,波长365 nm芯片的辐射效率>40%。如采用铜板-AlN板的高功率密度三明治封装结构,在输入功率密度>100 W/cm2时灯具辐射效率>22%,且辐射功率密度已高于中压汞灯。UVA-LED的单片功率不断增大,根据我们最新的研究结果,目前面积8 cm2芯片的输入电流高达15 A以上,单片输入功率>60 W,可获得>500 W/cm2的输入功率密度和>100 W/cm2的辐照度,几乎可以解决紫外光固化应用中出现的所有问题。随着UVA-LED使用量的快速上升,辐射效率继续提高,价格将不断下降,性价比持续提高,UVA-LED光源可能在未来5年内逐渐取代中压汞灯。

  微波无极紫外灯

  微波无极紫外灯主要应用于杀菌、光固化和光分解有机污染物,紫外灯的光谱功率分布对于体系的降解速率和降解效果都有很大的影响。微波无极紫外灯没有电极,它的激发源为频率0.433~2.45 GHz的微波电磁场,灯的发光机理与普通的紫外光源有所不同。

  微波无极紫外灯的工作原理是在石英、玻璃或其他紫外透光材料形成的密闭壳体内填充可蒸发金属和稀有气体的混合物。稀有气体的作用是启动气体和缓冲气体。当无极灯放置于谐振腔内,稀有气体被微波场激发产生低气压放电等离子体,产生的热使管壁温度升高,金属蒸气压随之提高,过渡到金属蒸气放电,得到特定金属的辐射光谱并获得更高的UV辐射效率。常用的可蒸发金属为汞、钠、硫、硒和镉等;稀有气体一般为氩、氖和氪等。随金属蒸气压的不同,无极灯所发出的光谱在低气压时与低压汞灯相似,在中高气压时大致与中压汞灯和高压汞灯相似。

  微波无极紫外灯的发光过程可以划分为4个阶段:①微波发生器将其产生的高频电磁波耦合到石英灯管中;②灯内稀有气体原子(如Ar)被激发;③处于激发态的稀有气体原子与金属原子相碰撞,金属原子产生潘宁电离,过渡到金属蒸气的自持放电;④金属原子与高能电子碰撞后,从基态跃迁到激发态,经过约10 ns衰减返回基态的同时辐射出光子。

  以微波低压汞灯为例,放电的电离、激发和辐射过程为:

  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)

  微波低压汞灯中发生的原子过程主要包括:启动时的潘宁效应,如方程(1)、(2);启动后正常工作时,高能电子直接电离基态汞原子,如方程(4);或逐级电离激发态原子,如方程(5);或将基态激发到Hg(63P1)态和Hg(61P1),如方程(3);还包括汞激发态之间的潘宁电离或结合电离,如方程(6)、(7)所示;共振态衰减发光,如方程(8)。

  以表面波方式工作的微波低压汞灯的结构示意图及其光谱能量分布如图5所示,可见其辐射能量仍以254 nm为主,但可见区的辐射强度已比图1所示的有电极的低压汞灯增强很多。

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  微波无极紫外灯的光谱能量集中,具有较高的光催化活性,且制造工艺简单,又有比较长的寿命,可以简化反应器,提高反应器的安全可靠性。而且它的功率密度大,辐射效率较高,光谱和光强具有可调性。微波无极紫外灯用于光催化氧化时,能够简化光催化氧化反应器,易于工业化实现。这推动了光催化氧化技术在环境保护领域的应用。

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  微波无极灯在紫外杀菌、污水处理及污染物降解等领域具有重要的作用。近10余年来,世界各国的研究者在这些方面做了很多的研究。Al-Shamma’a等人将微波注入到谐振腔内,在谐振腔内激发表面波,然后表面波沿着灯管传播,激发低气压汞蒸气放电,主要产生254 nmUV辐射。他们对灯的参数进行了一些优化,得出在大功率的条件下灯工作在50 ℃及灯内填充的Ar蒸气压非常低(<4 mTorr)时,灯的相对UV辐射效率最高。他们研制的系统中不仅可以直接利用254 nm的UV辐射,也可利用185 nm真空UV辐射用于臭氧制备。Al-Shamma’a等人的研究没有对灯的形状尺寸进行探讨,也没有测定辐射效率的绝对值。

  最近我们利用Keitz方法,测量了两种微波低压汞灯的辐射效率:第1种是表面波放电的微波低压汞灯,结构类似于Al-Shamma’a等人报道,在系统输入功率231.6 W时,254 nm辐射功率7.90 W,辐射效率只有3.4%;第2种是网状谐振腔微波低压汞灯,4根1.2 m长的无极灯管放置在圆柱状谐振腔内,用2.45 GHz微波激发,系统输入功率1 258.8 W,254 nm辐射功率72.1 W,辐射效率仅为5.7%。从这两种微波低压汞灯的测量结果可见,微波系统中存在一系列的能量转换,导致辐射效率低下,包括直流电源效率、磁控管效率、谐振腔透光率、石英套管透过率、谐振腔微波损耗、微波与等离子体的耦合效率、多灯遮挡系数等。如能开展进一步的优化,微波低压汞灯有可能实现15%~20%的辐射效率。

  Horikoshi等人利用一些对环境无污染的气体,例如Xe,N2,He,O2,H2及Ar,或者其中几种气体的组合,研制了1种环境友好型微波无极紫外灯。Barkhudarov等人指出,评判1个无极紫外灯在消毒杀菌及降解污染物时的效率只取决于其UV辐射效率。所以Horikoshi等人通过调节灯管中气体的组成来寻找1种UV辐射效率最高的配比,最后他们发现N2和Ar的比例在2:8、气压在700 Pa时该种无极紫外灯在300~400 nm范围内的UV辐射强度最强,但337 nm谱带的辐射效率<5%。

  也有很多科研工作者对无极紫外灯应用于降解一些特殊污染物中做了很多的研究,如对2,4-D除草剂的降解,对活性艳红X-3B的降解,对硫化氢的降解。近些年越来越多的研究者将目光投向了微波无极灯在紫外降解污染物方面的应用。如能提高无极灯的辐射效率,未来在紫外污染物降解方面,无极紫外灯的重要性可能将增加。

  美国Fusion公司的微波中压汞灯和微波紫外金卤灯是高强度紫外光源的代表,其微波源包含3 kW或6 kW的磁控管,激发长度为14 cm或21 cm的石英放电管,产生很高的辐照度。但其辐射效率未见报道。微波中压汞灯的优点是紫外辐照度高、可瞬时开关,但也存在功耗大、温度高、成本高的缺点。如国内研究机构和相关企业能够提出低成本的微波中压汞灯或微波紫外金卤灯的方案,未来各种光固化应用领域应该还有这种光源的用武之地。

  汞蒸气放电紫外光源由于其较高的UV辐射效率及较长的寿命,使得它在日常生活及工业生产中扮演了非常重要的角色。但是由于液汞的使用会对环境产生污染,且放电机理限制了辐射效率的进一步提高,一些无汞紫外光源特别是紫外LED正在兴起,并逐渐显示出明显的替代趋势。

  紫外光源需要兼顾高效率、长寿命和环境友好这3个要素。在紫外LED技术快速进步的时代背景下,预计中长期内有以下发展趋势。

  (1)深紫外LED的内量子效率尚未突破,杀菌用低压汞灯将能坚持更久。微波低压汞灯如不能大幅度提高辐射效率(>15%)和降低系统成本,将无法有效地推广应用。

  (2)随着UVA-LED辐射效率进一步提高、成本持续降低,中压汞灯将逐渐被UVA-LED所取代。微波中压汞灯和微波紫外金卤灯如能大幅度降低成本,仍可以继续应用于一些适用于短波的油墨和涂料的固化。从长远来说,紫外LED代表了紫外光固化技术的未来。

  (3)紫外LED的亮度尚无法与高强度气体放电灯相比。由于短弧超高压汞灯(包括球形超高压汞灯和UHP)和汞氙灯是超高亮度的点光源,易于成像和获得平行光,在需要平行光的紫外曝光领域将能继续占据优势地位。

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