紫外汞燈的性能直接取決于汞蒸氣的狀態(tài)，汞蒸氣的形成過程及其工作狀態(tài)會深刻影響紫外光子的輻射特性。
 

　　壹
 

　　汞蒸氣的形成
 

　　從紫外汞燈啟動到穩(wěn)定運行，汞蒸氣的形成及其達(dá)到平衡的過程是一個與溫度密切相關(guān)的動態(tài)物理過程，具體如下：
 

　　汞的飽和蒸氣壓隨溫度顯著變化：在25℃(常溫)時約為0.0017kPa(13.3Pa)，100℃時約為0.16kPa，356.7℃(沸點)時等于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(101.325kPa)。常溫下，汞的飽和蒸氣壓極低，意味著汞原子數(shù)量太少，無法有效電離形成導(dǎo)電通路。而惰性氣體(如氬氣)在常溫下氣壓較高，容易被初始電子電離，為“點燃”燈管提供必要的初始等離子體。
 

　　在啟弧和加熱過程中，電極間施加高電壓，陰極發(fā)射電子，惰性氣體放電。電子首先被電場加速，與氬原子碰撞并使其電離(Ar+e?→Ar?+2e?)，這一過程會形成雪崩效應(yīng)，迅速在燈管內(nèi)建立氬氣等離子體。
 

　　等離子體中的大量碰撞將電能轉(zhuǎn)化為熱能，導(dǎo)致燈管整體溫度升高。隨著溫度升高，液態(tài)汞吸收熱量迅速蒸發(fā)，汞原子從液態(tài)進(jìn)入氣相，使燈管內(nèi)的汞蒸氣壓顯著上升。當(dāng)達(dá)到穩(wěn)定工作狀態(tài)時，燈管也實現(xiàn)動態(tài)熱平衡，汞的蒸發(fā)速率與在較冷管壁上的冷凝速率相等。此時，燈管內(nèi)的汞蒸氣壓維持在一個穩(wěn)定值，這個穩(wěn)定的汞蒸氣壓就是區(qū)分低壓汞燈、中壓汞燈和高壓汞燈的關(guān)鍵參數(shù)。
 

　　貳
 

　　汞蒸氣壓與紫外輻射
 

　　汞蒸氣壓對紫外輻射有決定性影響，具體表現(xiàn)為汞蒸氣壓的大小影響紫外輻射效率、光譜波長和光子輸出等核心因素。汞蒸氣壓的變化機(jī)制復(fù)雜，呈現(xiàn)出典型的“先增后減”優(yōu)化關(guān)系，可以從積極和消極兩個方面分析其影響。
 

Part.1
 

　　汞蒸氣壓增加的積極作用
 

　　汞蒸氣壓升高會提供更多汞原子以吸收電子，增加產(chǎn)生光子的激發(fā)態(tài)反應(yīng)物，從而提升光子產(chǎn)額。
 

　　紫外光子(尤其是253.7nm)是由氣態(tài)汞原子被電子激發(fā)后產(chǎn)生的。如果沒有足夠數(shù)量的氣態(tài)汞原子，紫外輻射就無法實現(xiàn)。在低蒸氣壓范圍內(nèi)，隨著溫度升高、汞蒸氣壓增加，燈管內(nèi)可被電子碰撞的汞原子數(shù)量線性增加，被激發(fā)到高能級(如6³P?)的汞原子數(shù)量也隨之增加，從而使253.7nm紫外光子的產(chǎn)額提升。在達(dá)到最佳蒸氣壓之前，紫外輸出隨蒸氣壓升高而增強(qiáng)。
 

　　Part.2
 

　　汞蒸氣壓增加的消極作用
 

　　汞蒸氣壓升高會導(dǎo)致燈管內(nèi)氣態(tài)汞原子濃度增加，同時也帶來光子的自吸收現(xiàn)象，這是影響光子效率的主要負(fù)面因素。自吸收成為汞蒸氣壓升高后紫外輸出效率下降的關(guān)鍵原因。
 

　　自吸收指的是，當(dāng)燈管內(nèi)電子通道中心區(qū)域產(chǎn)生253.7nm紫外光子時，這些光子在向外傳播、穿過等離子體的過程中，會被周圍處于基態(tài)(6¹S?)的汞原子重新吸收。被吸收的光子會再次激發(fā)基態(tài)汞原子到6³P?能級，激發(fā)態(tài)原子隨后可能再次輻射光子，但發(fā)射方向是隨機(jī)的，也可能在再次輻射前通過碰撞將能量轉(zhuǎn)化為熱能，從而降低紫外輻射效率。
 

　　Part.3
 

　　蒸氣壓與自吸收的動態(tài)關(guān)系
 

　　隨著汞蒸氣壓升高，燈管內(nèi)基態(tài)汞原子的密度增加，253.7nm光子在到達(dá)燈管表面輸出前被吸收的概率呈指數(shù)級上升，導(dǎo)致大量紫外光子被困在燈管內(nèi)部，最終能量以熱量形式耗散，有效紫外輻射輸出效率大幅下降。這也是低壓汞燈與中壓汞燈在紫外輻射能耗效率上差異巨大的根本原因。
 

　　叁 線光譜與連續(xù)光譜的形成
 

　　紫外汞燈輸出線光譜還是連續(xù)光譜，取決于汞蒸氣在穩(wěn)定工作狀態(tài)下的蒸氣壓大小。
 

　　低壓汞燈工作時的汞蒸氣壓通常為0.13～1.33Pa。部分資料顯示，不同管徑的低壓汞燈，其最佳汞蒸氣壓也不同，如φ38mm的低壓汞燈最佳汞蒸氣壓約為0.8pa，φ12mm節(jié)能燈約為1.2pa。低壓汞燈原子間距離大，碰撞頻率低，輻射光譜為清晰的線光譜，能量主要集中在253.7nm(約85%)和185nm(約15%)兩條譜線上。
 

　　中壓汞燈工作時的汞蒸氣壓通常在0.013MPa~1.330MPa之間。中壓汞燈內(nèi)部汞原子密度高，原子間碰撞極其頻繁，導(dǎo)致原子能級展寬，譜線不再尖銳，而是相互重疊、彌散，形成連續(xù)光譜背景。同時，還會激發(fā)汞原子更高能級，并產(chǎn)生離子-電子復(fù)合發(fā)光等新譜線，最終輸出覆蓋紫外、可見和紅外的連續(xù)譜疊加強(qiáng)線譜。
 

　　汞蒸氣的形成是紫外汞燈工作的基礎(chǔ)，而汞蒸氣壓則是決定燈各項特性的核心參數(shù)。工程師通過精確控制紫外燈的工作溫度，調(diào)節(jié)燈管內(nèi)的汞蒸氣壓，并結(jié)合結(jié)構(gòu)設(shè)計，平衡“原子濃度”和“自吸收”，以制造出適用于不同應(yīng)用場景的優(yōu)化紫外光源，比如高效消毒或高功率廣譜光化學(xué)氧化。