CN110024077A - 无汞紫外线气体放电灯 - Google Patents

Abstract

一种无汞高压金属卤化物紫外气体放电灯，包括锇、锗和碲中的至少一种的主要填充物，以及辅助填充物，所述辅助填充物包括锡、锑、铟、钽和金中的至少一种。在优选的实施方案中，主要填充物是TeI₂，辅助填充物是SbI₃。

Description

无汞紫外线气体放电灯

本发明涉及在电磁波谱的紫外区产生电磁辐射的气体放电灯。这种灯可用于与消毒有关的各种应用中，例如用于水的净化或食品和饮料的处理、药物制造以及用于固化和干燥。更具体地说，本发明涉及一种无汞气体放电灯，特别是一种用于气体放电灯的无汞辐射源。

在典型的气体放电灯中，通过使放电通过电离气体(或“等离子体”)产生紫外线(UV)，这是由于在发射特定能量的光子的能态之间发生电子跃迁的结果。

已知可使用紫外(UV)电磁辐射或光进行消毒和净化。用于消毒目的的最理想的UV辐射波长通常被理解为在180nm至320nm范围内，更优选地在200nm至300nm范围内(通常称为UV-C)，并且最佳地在265nm附近。这种波长的紫外辐射具有生物效应(主要通过基因组损伤防止复制而灭活(只要是暂时的)微生物)和化学效应(通过称为光解离或光分解的过程破坏化学键(包括微量污染物的化学键))。

通常具有稍高波长(高达约400nm)的UV电磁辐射也用于固化和干燥。

传统的UV气体放电灯包括细长的石英管或二氧化硅管，在任一端具有电极。灯填充有启动气体(通常是惰性气体，如氩气或氙气)以及少量的辐射工作材料(通常是汞)。在室温下，灯内的大部分汞都是液体形式。通过使电流通过灯的电极来点燃灯，这使得启动气体电离，所产生的原子/电子碰撞导致汞蒸发。一旦灯达到工作状态，汞分压远高于启动气体，因此汞主导灯的电行为和辐射行为。

下面简要介绍高压、低压和金属卤化物放电灯。

UV源概述

紫外辐射源的发展与可见光谱(即可见光)中的电磁辐射源(ER)的发展有着密不可分的联系。这些联系不仅涉及物理和设计的基本原理，而且实际上也是如此。一个关键的例子是低压汞(LP Hg)灯，它与通常用于住宅照明的荧光灯基本相同，只是增加了荧光粉涂层吸收汞的紫外原子发射，然后在可见区域发射。由于可见光照明消耗了世界上大约25％的电能，因此提高效率和延长可见ER源寿命的目标也是一致的，从而提供了对产生UV ER的替代方法的潜在见解。下面研究和讨论紫外辐射源，但是由于等离子体源目前在市场上占主导地位，所以特别关注等离子体源。此外，还讨论了新兴辐射源及其影响。

等离子体UV辐射源

白炽灯从热体(例如钨丝)发射ER。在白炽灯之后，等离子体灯在1930年代取得了商业上的成功。

等离子体灯(等离子体被定义为例如“正离子和电子的气体混合物”)提供了优于白炽灯的若干益处。首先，以更高的能量效率(即能量输出与能量输入的比)产生辐射。其次，由于等离子体衍生的光子是由直接原子激发产生的，它们的波长由等离子体的原子成分决定，因此能够产生UV辐射。已经开发了许多方法使用等离子体产生UV辐射。历史上最成功的方法总结如下(灯尺寸、电极设计等物理特性可能会根据等离子体特性发生很大变化，但这些不在讨论范围。相反，重点是等离子体特性的变化)：

低压(LP)放电灯

为了产生适用于紫外线消毒的灯等离子体，元素或化合物必须具备以下特性：

·相对较低的电离能，同时具有激发能量以产生所需波长共振ER

·足够的蒸汽压，以产生最佳的内部灯压，同时具有足够低的沸腾温度，在灯工作温度下处于气/蒸气相

·对灯材料即电极和灯壳的化学惰性

汞(Hg)符合这些标准，因此是可见光和紫外线消毒的大多数灯等离子体的主要成分。尽管其他元素可以以有限的量使用，例如氙，但是实际挑战包括高内部灯压(在启动灯时会产生问题)以及高工作电流。紧凑型氙灯的灯压范围为15atm(冷却)至高达60atm(灯运行时相关温度升高)。

低压(LP)Hg等离子体放电灯由低内部Hg气体压力(约0.01mbar)与通常为氩气的缓冲气体组成。低Hg压力确保大多数电子激发处于两个能量跃迁，产生253.7nm和185.0nm。Hg压力(相应的阻抗和相应的灯功率)由灯的运行温度(升高温度意味着增加压力)和将处于气相的Hg量调节到冷点上凝结的Hg量来确定，如图1所示。冷点是灯中最冷点，因此汞会凝结。更常见的是，使用汞齐(例如铋或铟)的做法可以更好地调节气相汞(即更好的稳定性)并且能够提高功率密度，尽管这样做的次要影响是减少辐射效率，这部分归因于共振发射的吸收。

图1显示了低压汞放电灯的关键特征。

通过选择最佳的灯变量(即灯的几何形状、Hg含量、温度等)，可以在253.7nm实现60％的能量效率，但这只是在低功率密度下(在253.7nm，<0.5W/cm，约0.2-0.3W/cm)；使用汞齐将功率密度提高多达400％，增加管径(在26-33mm范围内)将使灯效率降低到的36％的区域(253.7nm)。即使在最高效率下，也会产生40％的损失，这可归因于：产生其他波长(3％)、电极的损耗(15％)以及与管壁和氩气的弹性碰撞(22％)。对于这种温度敏感设计，周围水的温度可能是限制，如果周围水的温度在4℃，则辐射效率可降低至约20％。

LP放电的发展趋势是在保持辐射效率的同时增加功率密度。除了如前所述采用汞齐之外，灯驱动器的选择也是至关重要的，而且通过使用高频方波驱动器已经获得了进一步的效率。在1970年代中期，通过阴极加热和灯的外部加热来实现“灯的主动热调节”这一概念，能够优化灯条件并因此增加功率密度(部分由于谱线增宽使再吸收减少)。最近这一概念得到了重新应用，以增加输出用于紫外线消毒，重申了对高辐射效率和高功率密度UV源的需求。灯驱动器电子器件的进一步发展已经经历了电感耦合荧光灯的使用，并且被提出作为未来的解决方案，通过减少净损耗并通过消除对电极的需要来延长灯寿命，从而能够进一步持续改进LP等离子体灯。

高压(HP)放电灯

高压(HP)(包括高强度放电(HID))的基本要求在灯填充物方面与LP放电相同，因此Hg也是最常用的填充物。然而，相反，Hg的量(相应的内部压力)明显高于LP放电的量，并且作为LP放电的关键区别，所有Hg都处于气相。这在图2中示出，以说明与图1中所示的LP放电的这种对比。

图2显示了高压汞放电灯的关键特征。

在LP放电中，Hg蒸气压的增加增加了阻抗，因此增加了电压(V)并因此增加了灯的功率密度。LP和HP放电之间的压力梯度是连续的，但是当(Hg)离子和电子的温度达到(近似)平衡时(称为局部热平衡(LTE))，明显区别于HP放电，如图3所示。原子/离子与电子之间的温度相等是由于因压力增加而发生的弹性碰撞增加。这对灯的工作方式产生了许多根本性的变化，两个关键的区别是辐射效率和光谱输出。

图3显示了Hg原子/离子和电子的温度与压力之间的关系。

弹性碰撞中的损失与低能电子与高能原子/离子之间的差成比例(即，LP放电原子/离子温度在300K至700K范围内，电子温度在10000K以上)。HP放电的原子/离子温度取决于灯的条件一般在4000K到11000K之间，这意味着当达到LTE时，弹性损失接近于零。此外，随着功率密度的增加，灯的温度也会增加，特别是在高压灯中产生的电弧，使得能够进行热激发及其随后的发射。虽然灯温度升高，但由于汞的导热系数低，热损失并不令人意外地降低。这意味着与LP放电相比，LTE为HP放电提供了不成比例的辐射效率益处。由于灯内的径向温度梯度，产生电弧；随着温度升高，电离(产生称为电流载流子的电子)也意味着电流密度在电极轴上最高。这意味着LTE因此净辐射效率显着提高(图4)。图4中的各阶段显示了最佳LP放电(标记为2)的转变，其中随着压力/功率的增加效率减少到UV反应器中更常用的压力/功率(第2和第3点之间)，并且在最常见的压力区域(即中压UV灯，标记为4)中HP放电效率提高。

图4显示了汞等离子体放电相对于压力的发光效率。

增加压力和等离子体温度的第二个含义是改变光谱输出。LP放电主要受原子碰撞和激发的光谱发射的影响，因此在253.7nm和185nm处有两条窄的和主要的发射线，这随着压力的增加而变化，这被认为是由于：

1.发生额外的激发，从激发态到更高能级，产生许多不同波长的发射光子

2.当随后的激发超过原子能级时发生电离，然后在原子/离子复合上发射光子(促成连续光谱，例如200-230nm Hg连续光谱)

3.轫致辐射——在等离子体内加速或减速时发射光子的过程(也产生连续光谱)

因此，HP放电的特征在于高密度高效放电，其光谱输出从UV至红外(IR)。尽管光谱输出远远超过LP放电，但等离子体效率使总辐射效率约为LP放电的1/3。随着高频电子驱动器与LP放电的类似进步，预期灯寿命可根据灯设计参数在2000至8000小时之间。实际意义意味着与LP放电相比，在辐射效率方面可以在更有效的放电中实现更高的UVC密度，然而可能要对较低的光谱效率妥协。

金属卤化物(MH)灯

如针对LP放电所讨论的，不能通过压力控制来优化或改善HP等离子体的效率，因为其已经在LTE中起作用。然而，在可见光照明中，已采用方法使用具有期望的激发和电离能的元素，但又具有太高的沸点或太低的蒸气压。在大多数情况下，卤素与期望元素一起使用将导致沸点降低，使其能够直接或作为HP等离子体的一部分使用。碘是比溴和氯更常选择的卤素，因为它与内部灯组件的反应性较低，同时与其他卤素化合物相比通常也产生最高的蒸气温度。卤化物(除了卤素组分之外)通常是金属，因此将金属卤化物(MH)加入到高压Hg放电中。然后，Hg起到“缓冲气体”的作用，它提供了大部分所需的气体蒸汽和电特性，尽管在这种情况下也有助于光谱输出。光谱输出几乎完全由附加金属含量₇₃决定，因为所用金属的激发电位远低于Hg(图5)。虽然在大多数方面，这种等离子体可以被认为类似于纯HgHP放电，但是添加的卤化物可能对灯的运行条件(例如电弧的大小)产生不成比例的影响，电弧受电子承载能力影响而变宽和变窄。

图5显示了金属卤化物和汞灯的关键特征。

由以卤化物形式使用的金属提供的较低蒸气温度使它们在灯的操作温度下处于气相。随着温度朝向电弧增加，卤化物在灯壁处在较低温度下解离和结合(图6)。当卤化物在灯电弧处解离时，金属和卤素的激发都是可能的，但是由于卤素的较高能量电势，实际上没有发射激发能量，这意味着输出由金属而不是汞或卤素的光谱特征决定。

图6显示了从灯壁到灯弧的卤化物循环。

MH灯以多种方式出现，作为分别与LP和HP放电相关的低功率密度或低光谱效率限制的理想解决方案。实际上，MH灯具有34％的光谱效率(可见光区域)和增强色彩再现的潜力，促使其进入照明市场。MH灯用于产生UV的能力是有限的。对碘化物添加剂(铁(FeI₂)、钴(CoI₂)、锰(MnI₂)、锑(SbI₂))进行实验以评估其对紫外线输出的影响，尽管FeI₂和MnI₂增强了UVA输出，但没有一种碘化物改善了UVC区域的输出。据推测，这种限制与有效MH操作所需的较低激励电位有关。

尽管MH灯提供了非常理想的光谱和电特性，但是在广泛生产可商用的MH灯之前，遇到了许多实际问题并且这些问题必须克服。其中高强度放电(HID)的一个限制因素是灯寿命，其与高温和小的灯几何形状密切相关。在500℃以上的温度下运行的灯的一个好处是去除了在石英中在213nm处随时间发展的吸收带。通过加热到500℃以上来消除吸收(被认为是由于二氧化硅晶格的氧损失)，因此在该温度下运行或在高于该温度下运行的具有石英外壳的灯假设可以逆转这种形成。由于MH灯设计为具有小得多的几何形状和更高的压力，因此类似于MP灯的几何形状和压力可能获得HP放电的益处而没有可见HID灯的几何形状相关问题。

UV源的选择

低压(LP)和高压(HP)汞(Hg)灯由于其操作相对简单并且能量效率合理而在紫外线消毒市场中占据主导地位。LP灯已经进行了许多改进，但是它们的最大限制是由于其低内压引起的内部损失。HP灯也进行了改进，但最终它们在进一步提高效率方面的限制与由灯压力决定的光谱输出有关。

为了满足高效率和高密度灯的需要，由于金属卤化物(MH)灯在可见光照明中的成功，已经提出金属卤化物(MH)灯，如果该概念可以成功地应用于产生UV，则它将提供理想的解决方案。本工作确定了先前尝试的一个限制，与依赖Hg作为主要灯填充物有关，限制使用具有较高能量谱线的MH组分，因此优化了UVC区域中的光谱输出。

能够扩大灯的消毒应用的上能量密度范围的优选性能目标包括：

1.在200-230nm和260-280nm之间的优化的光谱输出

2.能够在传统的灯驱动器(即电磁或电子汞/金属卤化物镇流器)上运行

3.中压汞灯的几何尺寸紧密匹配

4.杀菌辐射效率优于同等基于汞的灯

为了保证从传统的基于汞的HP灯转变，优选提供有竞争力的优势，即提高杀菌效率。对于Hg HP灯，典型的杀菌效率约为12％；然而，效率与灯直径有关，即在灯弧产生光子并由此产生的损失至灯壁发射的损失。因此，12％可以用作指导值，需要对任何提出的灯与具有相同直径的Hg灯进行直接效率比较。

期望的性能目标包括：

1.杀菌辐射效率为20％或更高

2.能够选择的光谱输出(即200-300nm或260-280nm)面积增加

3.没有汞灯填充物

4.杀菌功率密度等于或大于常规中压汞灯

这些设计特征具体涉及狭窄的范围，范围狭窄以使设计概念和研究可以实现。附加性能数据将涉及特定应用(包括但不限于水消毒)，包括例如详细评估，包括对整个寿命成本(包括灯成本、灯驱动器和综合效率)的影响以及特定应用考虑因素，例如产生消毒副产品(DBP)。

为了实现灯的特定性能目标和目的，提出的概念是制备具有主要UVC输出的MH灯。其被选择作为设计概念，因为它是对可见光照明中使用的现有方法的改进，并且主要是满足设计目标所需的高密度放电。

选择UVC MH灯概念的潜在原因可能包括：

·产生HP放电可以成比例地减少热损失的能量与作为辐射发射的能量，即高压放电的益处

·选择一种元素(作为主要卤化物的一部分)，其在光谱和过渡线中的光谱优先于Hg和/或激发能量，适当地足够低以实现具有理想激发能量/光谱线的辅助卤化物，即低压放电的光谱益处

·从MH或MH的组合产生合适的等离子体，以实现稳定的电弧，以及合适的等离子体电阻，以实现期望的功率密度，即模拟当前由中压汞灯实现的功率密度和电特性

到目前为止，尝试增强基于汞的MH灯的UVC光谱输出尚未成功。未成功的一个可能原因可能是因为先前选择的元素，例如锑具有优先的谱线，其具有比Hg更高的激发能并因此不受欢迎，正如对于具有较低激发能的元素(例如铁)所见。因此，提出了一种替代的主要的灯填充物，其具有与Hg类似的物理特性，同时还具有比最低期望光谱区域(即200-230nm)更低的光谱线(即更高的光子能量)。合适的辅助灯填充物优选地具有期望的激发能量(谱线)和电离能，同时在灯启动和运行温度下提供功能性蒸汽压。

在1000K(726.85℃)下产生有用辐射的最小蒸气压为133Pa(1托)，可能满足这种条件的元素是锶、碲、镁、锌、镉和铯。使用卤化物形式的元素通常会增加蒸气压，降低沸腾温度，并且金属碘化物不会与熔融二氧化硅明显反应，如镁和锌。

卤化物和理想的碘化物优选满足许多标准。主要卤化物应理想地模拟Hg的蒸气压特性，同时具有低于253.7nm的主要光谱线(即更高的能量)，使得具有适当高的蒸气温度的辅助卤化物不会影响灯的特性，同时具有在激发中优先选择期望波长为200-230nm和/或260-280nm的光谱线。卤化物还优选需要在灯壁温度下稳定并在电弧温度(4000-6000K)下解离。因此，需要对主要和辅助灯填充物进行光谱和功能评估，以便能够开发灯概念。

根据本发明的第一方面，提供了一种无汞高压金属卤化物紫外线气体放电灯，其包括锇、锗和碲中的至少一种的主要填充物，以及辅助填充物，所述辅助填充物包括锡、锑、铟、钽和金中的至少一种。

优选地，主要灯填充物是碲，并且辅助灯填充物是锑。

优选地，金属卤化物的卤素包括碘。

优选地，主要灯填充物是TeI₂，并且辅助灯填充物是SbI₃。

优选地，碘与碲的比例是非化学计量的，优选具有降低的碘含量。

优选地，碘与碲的比例不大于2:1，优选不大于1.5，更优选小于1.0。该比例可以是气态形式按质量计。

优选地，灯输出包括波长在200-300nm范围内的电磁辐射。

优选地，主要灯填充物具有与汞相似的物理特性(例如蒸气压)，同时还具有比最低期望光谱区域(即200-230nm)更低的光谱线(即更高的光子能量)，更优选具有低于253.7nm的主要光谱线。

优选地，辅助灯填充物具有适当足够高的蒸汽温度，在灯启动和运行温度下都不会影响灯的特性，同时具有在激发中优先选择期望波长为200-230nm和/或260-280nm的光谱线。

在一些实施例中，可以使用石英之外的替代外壳材料，例如(但不限于)陶瓷材料。这可以减少(如果不消除)灯填充物的影响，否则会与灯体材料反应。

在一些实施例中，可以在不使用电极的情况下驱动灯(例如感应地或使用微波)。这可能限制可能发生的材料反应的影响，例如当使用基于钨的电极和/或在填充物中使用碘时。

本发明的其他特征的特征在于从属权利要求。

如本文所述的任何装置特征也可以作为方法特征提供，反之亦然。

本发明延伸到基本上如本文参考附图所描述的方法和/或设备。

本发明的一个方面的任何特征可以以任何适当的组合应用于本发明的其他方面。特别地，方法方面可以应用于装置方面，反之亦然。此外，一个方面中的任何、一些和/或所有特征可以以任何适当的组合应用于任何其他方面中的任何、一些和/或所有特征。

还应当理解，可以独立地实现和/或提供和/或使用在本发明的任何方面中描述和定义的各种特征的特定组合。

本发明的这些和其他方面将从参考以下附图描述的示例性实施例变得显而易见，其中：

图1显示了低压汞放电灯的关键特征；

图2显示了高压汞放电灯的关键特征；

图3显示了Hg原子/离子与电子的温度与压力的关系；

图4显示了汞等离子体放电相对于压力的发光效率；

图5显示了金属卤化物灯和汞灯的关键特征；

图6显示了从灯壁到灯电弧的卤化物循环；

图7显示了气体放电灯；

图8显示了来自所有电离水平的碲的光谱数据点；

图9显示了来自所有电离水平的锑的光谱数据点；

图10显示了来自所有电离水平的碘的光谱数据点；

图11显示了潜在灯填充物I₂、Te₂I₂、TeBr₄、Hg和SbI₃相对于温度的蒸气压曲线；

图12显示了现有技术的锑概念灯的光谱输出；

图13显示了现有技术的碲概念灯的光谱输出；

图14显示了另一种现有技术灯的光谱输出；

图15显示了用于测定灯杀菌效率的杀菌权重；

图16显示了一组基准汞灯的图像；

图17显示了第一组卤化物原型灯的图像；

图18显示了第二组卤化物原型的图像；

图19显示了第三组卤化物原型的图像；和

图20显示了基准汞灯的平均光谱输出；

图21显示了各种原型灯的平均光谱输出；

图22显示了其他原型灯的平均光谱输出；和

图23显示了工作中的灯5。

灯结构概述

图7示出了气体放电灯10，其包括细长的密封管20，优选地为熔融石英或熔融二氧化硅，填充有启动或辅助气体，并且在工作中填充有气态量的辐射工作材料30。两个间隔开的电极40，42设置在灯中，用于点燃启动气体。这些电极通常由掺杂钍的钨制成，并且优选地密封在灯的相对端。在一个优选实施例中，灯的长度可以是1m-2m，并且具有小于29mm的外径，使得它可以代替预先存在的汞灯而无需进一步修改。

潜在候选元素的光谱选择

通过从周期表中4-6行的过渡金属元素，4-6行的类金属元素和3-4行的后过渡金属元素中识别主要谱线(来自中性原子)来进行潜在候选元素的初始评估。该信息的概要显示在下表1-3中。

表中提供的谱线按照从高到低的相对值的顺序排列。在值是相同波长的情况下，它们以波长顺序表示，即首先是最低波长，多于3个相同值或在第三波长中存在多于1个表示值除外。

表1使用中性原子的相对数字的过渡金属的主要三条谱线

表2使用中性原子的相对数字的后过渡金属的主要三条光谱线

元素	λ1(nm)	λ2(nm)	λ3(nm)
				镓	417.2	294.3	403.3
铟	451.1	410.2	325.6
				锡	284.0	235.5	286.3
铊	351.9	535.0	377.6
				铅	405.8	364.0	280.2/283.3
铋	306.8	223.1	289.8

表3使用中性原子的相对数字的类金属的主要三条谱线

元素	λ1(nm)	λ2(nm)	λ3(nm)
				锗	206.9	204.2	209.4
砷	286.0	278.0	189.0
				锑	231.2	252.9	259.8
碲	200.2	214.3	182.2/185.7/199.5
				钋	300.3	245.0	255.8

根据光谱信息概要，八种可能的元素似乎具有理想的光谱特征，其中三种用于主要填充(锇、锗和碲)，五种用于辅助填充(锡、锑、铟、钽和金)。为了进一步评估这些潜在元素，表4列出了其单质和卤化物已知物理性质的关键数据。

表4用于MH灯填充物的确定候选元素的关键物理性质

基于光谱标准识别的三种主要灯填充物的候选元素可以减少到单个候选元素碲，这是由于支持锇和锗的碘化物处于气相中的稳定性的数据不足。

在辅助灯填充物的五个候选元素中，金和铟被拒绝作为候选元素，因为他们不会产生合适的碘化物，剩下钽、锡和锑作为可能的候选元素。钽具有更高的沸点(BP)，锡提供最低的BP，但锑的光谱特性(两条线约为260nm)以及之前在灯中使用使其成为初始概念原型的首选。另外，使用锡会产生实际限制。

潜在候选元素的综合光谱评估

由于碘常用作MH灯的卤素，因此会添加碘对碲和锑进行更详细的光谱评估。来自中性和单电离元素的主要谱线以表格形式显示，并且以图形方式显示完整的光谱数据。还示出了三个元素的UVC区域的光谱数据的概要。对于Sb获得的数据包含从中性到-4离子化的谱线，而Te的数据仅为中性和-1离子化状态。

碲

表5来自中性和单电离碲的主要光谱线

锑

表6来自中性和单电离锑的主要光谱线

图9显示了来自所有电离水平的锑的光谱数据点。

碘

表7来自中性和单电离碘的主要光谱线

图10显示了来自所有电离水平的碘的光谱数据点。

综合数据

表8碘、锑和碲的光谱发射谱线的加权

*表示使用206.8nm作为第5条最强光谱线计算的值。

碲的光谱数据在200-230nm目标光谱范围的下方或下方区域显示出主要光谱线，同时低于250nm保持光谱范围的97.7％。

八个最主要的锑光谱线中的七个理想地在两个目标光谱区域内。尽管锑的光谱发射次要区域发生在800nm-1000nm，但是产生的总谱线满足200-230nm和260-280nm的目标区域的期望光谱范围，这看起来是有利的。

根本问题是碲和锑的过渡线。高压放电的概念意味着在HP Hg放电中由于碰撞频率增加而在灯压力下可能产生许多过渡线。增加的压力也将是来自其他来源的光谱发射，例如复合和轫致辐射。因此，只有在设计的灯压下测量时才能确定总光谱输出和光谱辐射效率。

功能评估

已经进行了元素的光谱评估，其中碲和锑被强调为用于UV MH灯的潜在合适元素。除了理想的光谱输出外，填充物还必须显示出功能特性。

卤化物对灯等离子体的适用性

任何潜在的卤化物必须满足许多关键的物理特性，特别是涉及其电离能、热特性和蒸汽特性以及与卤化物相关的特定分子相互作用的物理特性。

电离能

灯填充物的必要特征是相对低的电离水平，这有助于灯的启动。较低的电离水平意味着需要更少的能量来产生自由电子，进而又产生更多的电子等，这被称为雪崩效应。如表9所示，与汞相比，锑和碲都具有较低的电离水平，因此应该适合于引发等离子体放电。

表9汞、碘、锑和碲的电离能

元素	第一电离能	第二电离能
			汞	10.4375eV	18.7568eV
碘	10.45126eV	19.1313
			锑	8.60839eV	16.63eV
碲	9.0096eV	18.6eV

电弧稳定性

高压放电的特征是电弧收缩，如果在MP Hg灯的设计中考虑了，则应该产生相对稳定的直弧；但是，这不能保证MH灯。先前使用基于汞的MH灯的工作已经确定MH添加剂对灯电弧的显着影响或者是收缩或者是扩大，即使MH添加剂对灯内的Hg的比例量最小。文献中记录的例子是钍、钪和其他稀土金属，这些金属收缩电弧并使其更容易受到内部波动的影响，而添加碱金属(即铯、钠、钾)具有相反的效果，并且扩大了灯电弧，具有稳定作用。

电弧稳定性是决定所提出的等离子体放电概念的功能适用性的关键因素，不仅仅是因为当处于水平位置时由于灯轴上方的电弧上升而导致不希望的各向异性辐射特性(这也可能导致MH在电弧下方凝结)，并且因为在极端情况下，灯壁可以物理融化，使其自毁。在评估其基本热特性时，可以确定HP电弧不稳定的原因。用于紫外线消毒的HP压力灯的特征在于灯具有比灯直径明显更长的电弧长度。电弧是灯的中心，部分是由于灯壁施加在电弧上的物理特性，在这种情况下被称为“壁稳电弧”。这是精心设计的MP灯的期望特征，并且是高密度、高效率MH灯的目标。

壁稳电弧的特征是正径向分布温度，其显示出从电弧朝向灯壁的温度急剧下降。这意味着电弧中的运动可稳定，因从灯的中心移动引起冷却/加热效应。如果灯具有从电弧而不是从灯壁快速下降的温度梯度，则没有稳定的效果。这种不稳定性导致电弧上升(当水平安装时)产生光谱问题，也导致可能发生石英软化或电弧下卤化物凝结。表示壁稳电弧的关键设计标准是平均激励电位与电离电位的比值，vi为0.585以上，即碲和锑的比例分别为0.72和0.78，因此表明应该产生壁稳定的电弧。由于碲和锑都具有比汞更低的电离电位(表9)，则应该产生更稳定的电弧，并且可能产生稳定的更高功率密度的汞灯，不考虑卤化物的任何相互作用。

元素的热特性

如前所述的灯电弧具有大约3700-4700℃的温度，但灯壳的温度预计低于800℃。这意味着需要高度的隔热，不仅需要为石英外壳提供保护，而且还要限制放电的热损失以使放电效率最大化。表10中提供了Te和Sb许多热导率数据点，与Hg和Zn进行比较，单质形式的Hg和Zn也产生相对高的蒸气压。Te和Sb的数据相似，但关键的区别在于汞随温度呈现稳定的增加趋势，而Te呈下降趋势。由于Sb的数据只有一个点，因此几乎无法解释。然而，与显示出相当多的热传导的锌(Zn)数据相比，似乎在灯壁温度下基于Te的灯可以提供与Hg大致相似的热特性。

表10在特定温度下元素的电导率

金属卤化物特性和相互作用

所提出的任何卤化物灯的稳定性的关键是用于灯填充的卤化物填充物之间的稳定性和相互作用，特别是主要填充化合物。由于光谱选择仅将Te确定为适当的主要填充物，因此开展了关于Te作为金属碘化物的文献的评估，表11中在Sb信息旁提供关键信息。

表11碲和锑卤化物的化学性质

表11描述了Te和Sb分别的碘化物TeI₄和SbI₃，其具有如先前表4中所述的m.p.和b.p.数据，几乎没有关于SbI₃的附加信息。当TeI₄处于HP气体放电所需的气相中时，呈现出额外的复杂性。Te和I之间从固相到气相的核心反应在下面的式1-5中描述：

式1四碘化碲在气相中的热分解

(形成的TeI₂的比例是温度依赖的，随温度升高，在≥500℃接近完全TeI₂。还有单独的(TeI₄)₄四聚体。

式2二卤化碲的升华和沉积

式3四碘化碲的升华和沉积

式4在600℃以上的温度下，气相中的碘的热分解

式5在600℃以上的温度下，气相中的二碘化碲的热分解

为了使Te处于气相，它必须从TeI₄转变为各种状态和化合物，但是在600℃以上Te将处于气相中，尽管可互换为碘化物或双原子Te。尚不明确这是否会影响电弧的稳定性，但是为了确保Te不会凝结成固相，必须保持600℃的壁温，I:Te最小比为2:1。可能形成复杂的碘化物蒸气，这可能是Te和Sb碘化物之间的可能性，可能会增加光谱和功能复杂性，但是由于Sb是辅助填充物，它仅占灯性能的一小部分，仅用于设计目的评估Te碘化物的形成。

碘与所讨论元素的比例是至关重要的。使用两种方法来确保存在足够量的碘。一，加入精确比例的碘与元素，形成完整数量的卤素化合物；二，可以将过量的碘添加到元素中，从而减少灯壁上元素凝结的可能性。在后一种情况下，存在与游离I₂相关的问题，游离I₂是强光吸收剂并且可能导致金属随时间的损失，这可能导致灯功能性问题。在基于汞的灯中，这些问题可通过形成透明且相对不稳定的HgI₂来解决。

选定卤化物的压力特性

上述灯等离子体的关键部分是灯填充物能够提供足够的内部灯压力。相反，存在与卤化物的压力过高和使用量限制有关的已知问题。由于MH灯被设计成围绕与Hg HP灯相同的主要设计标准工作，因此谨慎地评估灯填充物与Hg相比相对于温度的压力。TeI₄和SbI₃的压力数据都是有限的，但图11中显示Te₂I₂与I₂、TeBr₄和Hg的压力曲线。

图11显示了I₂、Te₂I₂、TeBr₄、Hg和SbI₃潜在灯填充物相对于温度的蒸气压曲线。

图11中显示的压力曲线表明I₂在与所有评估的卤化物相同的温度下表现出明显更高的压力，而根据碘化物总体趋势，与先前讨论的溴化物相比，TeBr₄较之所有其他比较压力曲线产生的压力显着降低。TeI₄和SbI₃可以看到类似的压力特性，但是前者显示与Hg压力曲线最接近的匹配，后者显示与较低压力略微偏移的曲线。TeI₄显示接近理想的MH灯的压力曲线，以取代HP Hg灯的压力曲线。应当注意的是，数据基于TeI₂和I₂，基于后者的较高压力曲线，当将其与仅使用I₂进行比较时，这可能会出现正向扭曲。I₂在所描述的较高压力下也可能因为在基于Hg的HP灯中增加内部压力的对流而导致效率损失。

功能评估概要

光谱Te提供合适的光谱线以用作主要灯填充物，并以Sb作为辅助填充物，两种元素提供合适的能量势的证据，以证明电离所需的能量势，以表示产生壁稳电弧。Te似乎提供合适的热和压力(如TeI₄)特性，以与Hg相匹配作为主要灯填充物。Te将在预工作条件下提供稳定的碘化物，如TeI₄，其将转化为在气相中的TeI₂。在评估中确定的唯一可能的缺点是超过600℃的Te碘化物会来回转变为Te和I(两者都处于气相)，并且不知道这是否会导致灯功能不稳定。

关于使用相关卤化物的专利技术评述

所选Te和Sb的卤化物功能评估为潜在的高效UV MH灯提供了基础。UV产生的方法可以与可见光相关联，因此可能是这种MH得不到发展的原因(即可见光的Hg MH灯不会从更换Hg中受益)。在考虑发展LP UV源时，这种MH迄今得不到发展的原因仍然存在潜在的问题。对相关专利的评估列于表12中，其中相关的关联数据显示在图12,13和14中。

表12与Te/Sb MH灯有关的专利

·专利1＝Schafer,J.(1976)用于固化可聚合漆的金属卤化物放电灯，GB1552334

·专利2＝Turner,B.(1994)碲灯，US 5661365

·专利3＝Derra,G.和Nielman,U.(2003)产生极紫外辐射的方法，EP1502485B1，和Derra,G.和Nielman,U.(2008)产生极紫外辐射的方法，US7385211B2

·专利4＝Kaas,P.和Ebert,B.(2004)带电极的紫外线优化放电灯，EP1463091A3

图12示出了改编自专利1的现有技术概念锑灯的光谱输出。

图13示出了改编自专利2的现有技术碲概念灯的光谱输出。

图14示出了改编自专利4的另一现有技术灯的光谱输出。

使用Sb卤化物的专利1产生大量的UV辐射(图12)，其可被描述为用于水消毒的近理想光谱输出。所用的Sb卤化物的量不会导致LTE和期望的壁稳电弧，因此不能产生期望的高密度灯。

图14中所示的专利4示出了与图8中所示的中性Te中描述的光谱输出的相似性。由于专利4中的Te仅是可以组合的若干潜在填充物中的一个，因此它仅指示用于基于Te的灯的光谱潜力。

专利3提供了关于使用Te作为用于产生UV的灯填充物的进一步光谱数据。

专利2是使用Te的HP灯的最接近的代表。在专利2(图13)中提供的数据是电极稳定的电弧，由此所使用的压力建立HP放电但光谱输出全部在可见光谱中。与前面描述的壁稳电弧相反，可以使用短弧长来提供稳定的电弧，即电弧稳定灯，其中不可能获得稳定的等离子体用于壁稳定放电。所描述的可见输出的优势预期随着MP放电压力增加，然而灯填充中描述的Te的量相对于等效的Hg灯极低。这表明使用Te产生HP UV放电存在潜在限制或专利说明书中存在错误。该专利确实描述了在某些变型中添加硫，因此这可以解释任何光谱误差，但是建立具有如此低量的灯填充物的HP灯是不可行的。

特别地，专利2限定了以下特征：

·产生的辐射超过400nm

·使用TeI₅

·使用微波能量

尽管从功能评估来看，基于Te的MH灯的概念在技术上似乎是可行的，但迄今为止还没有公布高效UV HP MH或使用Te：I为1：2的化学计量比的碲碘化物、具有可见输出的等离子体，因此需要对该技术方案进行实际验证。

使用卤素是增加蒸气压所必需的，但如上所述，I₂形成的可能性很高(因为没有Hg来形成HgI₂)，因此碲与碘的剂量比如前所述不仅新颖，而且可能对生产功能性UV MH灯至关重要。

关于灯设计方案的关键方面综述

基于Te和以TeI₂形式的碘化物填充的主要灯填充物和作为辅助灯填充物的SbI₃，UV MH灯被认为是可行的。在优化的量下，这种灯填充物的组合预期能够实现与Hg HP灯相似的内部灯压力，但提高光谱效率，这是由于辅助填充物具有较低的激发水平和最佳光谱特性。Te与碘结合使用的好处是可以实现与Hg相当类似的压力特性，但是在HP灯产生的温度下(>600℃)，气相中的碘化物与气相中的其单质组分之间形成可互换的状态。不知道具有高蒸气压的单质组分，特别是I₂是否会影响灯的稳定性和功能性。除此之外，Te和Sb碘化物可适于功能性替代Hg作为HD UV源，这在技术上看起来很有前途，但是需要实际评估最佳量。

设计方案的实用细节

为了实现所提出的高效MH HP灯的概念，采用Te卤化物形成灯等离子体的主要成分，并以Sb碘化物作为辅助填充物，使UVC区域的光谱输出最大化，必须进行多个设计阶段。这些将在下面进行描述。

第1阶段——初步要求是确定碲的碘化物作为灯等离子体的功能和性能标准，特别是关于：电弧稳定性，工作期间的电特性、光谱输出和光谱辐射效率。

这可通过以2:1的化学计量比(I:Te)使用TeI₄和Te作为灯填充物实现。两种初始灯填充物与两种灯体几何形状(15mm内径(ID)和18mm ID，两者都具有100mm弧长(AL))将用于获得初始性能数据。18mm ID灯的几何形状更能代表传统的MP灯，但15mm ID几何形状降低了卤化物凝结的可能性，特别是在维持碲的碘化物的气相时，即>400-600℃。

第2阶段——使用Hg MP灯作为基线，优化Te碘化物的量以提供最佳性能标准。这将需要在评估电弧稳定性的同时平衡单位光谱性能与功率密度。假设电弧稳定性，光谱优化(取决于两个关键区域，即200-230nm和260-280nm)和压力以及灯压力即功率密度之间可能存在平衡，因此这可能导致两个独立的设计通过第3阶段进行优化。

第3阶段——添加Sb碘化物以优化Te碘化物主要填充物。基于Hg的MH灯仅需要很小的百分比，但是这不能得到保证，因此应该从Te碘化物值的5％开始使用一定范围的Sb碘化物填充物。

原型规格

确定以下值作为第1阶段的初始指导。使用总重量作为比较值，表13中的较低值(Turner(1994)的原型中使用量的一半)，所选择的灯几何形状在用于当前HP Hg灯(18mmID原型灯)的区域中。在对这些原型的光谱输出、光谱效率和视觉验证的灯性能(例如，电弧位置和稳定性)的结果进行评估之后，可以在第2阶段提出对灯填充进行优化。

表13初始Te原型规格

^#1概念灯的Hg填充基于最大负载，同时实现稳定的电弧＝12V cm^-1。15mm原型Hg剂量为估计电压cm^-1＝25mg和18mm原型＝40mg

表14考虑的Hg灯的细节对比

方法

所有原型灯均由海诺威公司(Berkshire,英国)生产。Hg灯按照作者的规格根据标准制造工艺生产(表14)。所有用于金属卤化物原型的灯体(不带填充物的灯)都是使用与Hg灯相同的生产工艺生产的，直到插入灯填充物为止，此时将灯从工艺中移除，同时在真空下使用Swagelok(Hertfordshire,英国)真空接头并转移到Mbraun(Nottinghamshire,英国)Unilab Plus手套箱中，实现无水分和无氧环境(测量的H₂O和O₂<0.5ppm)。在这些条件下，使用VWR(Leicestershire,英国)精密天平称重所需的灯填充物，其中自动校准(SN：LPW-723i)对1mg敏感。将填充物添加到灯体中，重新密封并返回到标准灯生产过程。所有原型在电极后部均有铂金反射涂层，以反射红外线ER，防止在电极后面形成冷点，并防止灯填充物从灯等离子体中凝结。

性能评估

性能评估根据三个具体方面进行：物理特性(即电弧稳定性)、绝对光谱输出和电特性。所有原型均采用额定功率为4kW的Eta+(Nuertingen,德国)X系列电子镇流器驱动。如果原型没有点燃，则使用冷冻喷雾(Artic Products,Leeds UK或Electrolube,Leicestershire,UK)冷却(如果需要冷却，在表16中的评论部分说明)，以降低内部气体压力，从而降低启动电压。这通常是由于制造过程中卤化物的解离，例如由于灯芯柱的移除(用于插入灯填充物和气体)，灯温度升高。

灯评估的细节描述如下。

物理特性——每个原型设计的第一盏灯在观察窗(由焊接玻璃组成)前进行，以便在电弧运行时能够观察灯。使用Fujifilm(Fujifilm UK,Bedford,UK)s9600桥式摄像机通过观察窗拍摄灯工作时的摄影图像。

光谱和电特性——灯在空气中在暗室中水平工作，灯辐射穿过准直管(长度为500mm，具有内部挡板用于准直)，垂直入口狭缝宽度为0.51mm。当灯稳定后，用Voltech(Oxfordshire，UK)PM6000三相通用功率分析仪测量电特性。根据阴影狭缝宽度(0.53mm)、灯弧的测量距离(0.5m)和弧长(0.1m)并校正杀菌权重，通过光谱测量计算杀菌效率。两个作用光谱(AS)用于计算杀菌权重：光谱B代表低于230nm无灵敏度的目标病原体，光谱A代表低于230nm具有高灵敏度的目标病原体。使用的AS经过调整，因此相对值等于253.7nm处的相对值。

图15显示了用于确定灯杀菌效率的杀菌权重。

结果

原型开发

在设计第1阶段的初始卤化物原型组的生产期间，灯剂量产生了错误，这意味着Te剂量的量是表13中期望的量的十倍，表15中因此提供了所有后续设计阶段的最终量。此外，还出现了两个实际挑战：灯填充物的权重(由于气体泄漏确定，因此在测量过程中产生了不同的压力，这在第二组和第三组原型中得到了解决)，和在灯生产过程中“去芯柱”的过程(由于真空配件的边缘芯柱尺寸增加到6mm，这通过分阶段去除芯柱以便逐渐关闭来解决)。

表15卤化物原型的最终灯填充物

在第1阶段原型的构造中描述的实际问题导致功能原型的数量显着减少(表16)，因此决定增加Te水平比例设计第2阶段，因为期望的灯电压(即接近12V cm^-1)由18mm灯I B和15mm灯II B产生。这意味着虽然稍微调整(由于不需要平衡Te和I水平的简单性)的第1阶段原型被重建(灯III和IV)并使用第三种变体(灯V)进行测试，其中TeI₄与Te的比例减少但是具有组合的大量填充以试图产生具有更高电压的灯。在完成第二组原型后，选择18mm(灯VI)和15mm(灯V)灯，具有最高光谱输出的灯作为第3阶段开发的基础。此外，为了找出产生灯电压相似性背后的原因，第二组灯设计采用减少填充，使用第2阶段中灯填充量的五分之一。所有灯填充均专用于第1,2和3阶段原型并显示在表15中。

性能评估

所有3个原型阶段的性能结果在下面的表16中提供，其中有助于性能评估的相关图像随后在图16,17,18和19中提供。

表16性能详细信息

^#2所有灯仅根据一组电测量进行视觉评估。

图16显示了一组基准汞灯的图像。

图16a显示了汞灯18mm灯A。

图16b显示了汞灯15mm灯A。

^#3Germ A％和Germ B％与图15中显示的作用加权时的灯的杀菌效率有关。

图17显示来自第一组卤化物原型灯的图像。

图17a显示了灯18mm IIB。

图17b显示了灯15mm IIB。(图像A(上)拍摄于灯预热阶段，图像B(下)拍摄于灯经过预热后)

^#4第二次光谱扫描的第一组电测量缺失，因此使用了第一次扫描的第二组，因为扫描之间的时间很短

图18显示第二组卤化物原型的图像。

图18a显示了灯18mm IIIB。

图18b显示了灯18mm VB。

图18c显示了灯15mm VB。

^#5四个电测量中的第一个缺失，因此只有一组测量用于第一次光谱扫描的功率计算

图19显示了第三组卤化物原型的图像。

图19a显示了灯18mm VIA。

图19b显示了灯18mm VIIC。(图像A(上)拍摄于灯预热阶段，图像B(下)拍摄于灯经过预热后)

图19c显示了灯15mm VIA。

图19d显示了灯15mm VIIA。(图像A(上)拍摄于灯预热阶段，图像B(下)拍摄于灯经过预热后)

基准汞灯——基于汞的比较灯是在确立已久的完善的工艺中制造的，因此生产起来相对简单。灯的电性能与设计的运行电压(120V)下的非常接近且一致(不大于+/-3V)。灯本身在启动和稳定性方面表现良好，在18mm灯(图16a)和15mm灯(图16b)中可观察到的集中电弧。有迹象表明(特别是在灯的左侧)电弧上升，这表明根据设计灯电压，这是基于Hg的高压将可供的最大可用功率密度和相应的效率，从而使其成为理想的基准。话虽如此，与12-16％的公布值相比，这些灯仅提供6.6-7.5％的杀菌效率(基于作用谱A)，表明与普遍值形成显着对比，但Hg HP灯能够与下面第1,2和3阶段生产的原型进行直接的类似比较。

图20显示了基准汞灯的平均光谱输出。

15mm和18mm灯提供内部汞压力是预期的光谱输出(图20)，尽管18mm灯观察到的光谱峰值减少，这可能是由于与减少的杀菌效率相关的直径增加带来的额外吸收(表16)。

图21显示了各种原型灯的平均光谱输出。

第1阶段——两个初始原型说明可以生产具有持续等离子体的灯并运行至少20分钟的时间(时间由需要进行进一步扫描所限制，而非灯的问题)；可以产生电压密度9.57Vcm^-1(接近比较基准Hg灯的12Vcm^-1)；并且非化学计量的Te和I灯填充物可以用于产生功能性等离子体。灯不能重新启动表明至少部分卤素分离成其单质形式，结合这一事实，可以在视觉上因在“去芯柱”附近有卤化物分散来识别未启动的灯。

第2阶段——第二组原型的功能性产量增加到75％，主要是由于灯芯柱去除的改进。这也能够识别灯芯柱中的卤化物残留和灯定位后芯柱移除——造成25％失效的原因。灯III、IV和灯V(包含降低的TeI₄与Te的百分比)产生在85-95V之间的窄区域的电压。对于18mm灯，从灯III到灯IV的电压略微增加，但是在15mm灯之间差异可以忽略不计。产生类似电压而不是与所使用的灯填充量成比例的预期变化可以表明由于非化学计量的灯填充物导致的Te进入气相的限制，或者气相中灯填充的饱和，即增加灯填充不会导致填充物进一步进入气相和灯电压成比例增加(因此第3阶段中的第二灯设计具有显着减少的填充物)。

图21a显示了设计III、IV和V的18mm直径原型灯的平均光谱输出。

图21b显示了设计III、IV和V的15mm直径原型灯的平均光谱输出。

第2阶段原型的杀菌效率显着低于设计目标，范围为0.4-0.9％(取决于灯和杀菌加权)。这可以部分归因于18mm(图21a)和15mm灯(图21b)产生的光谱输出，其在220nm处最小并且显示出朝向300nm的逐渐增加。虽然这不是理想的光谱输出，但它大约是Hg等效灯的十分之一，因此可能在灯的其他地方发生了进一步的损耗。由于在灯测量的功率计算(不包括PSU损耗)中使用测量的功率因数，因此排除了灯驱动器作为贡献因素。原型组1和2的显着特征是明亮的电弧，显示图像表示200-300nm以外的高可见光或输出，以及在电极附近特别可见的“气穴”，显示出相当大的对流。后面的这些要点可以表明通过非预期的光子发射(不在UV区域中)的损失和/或额外的热损失。

第3阶段——第3阶段中所有原型的光谱输出发生了显着变化，在先前第2阶段中建立的连续谱中出现了许多峰。

图21c显示了设计VI和VII的18mm直径原型灯的平均光谱输出。

图21d显示了设计VI和VII的15mm直径原型灯的平均光谱输出。

设计VI的15mm和18mm灯都显示出220nm以下的小但增加的输出，但18mm灯不是这种情况。事实上，与提出的以Sb作为掺杂剂的灯效率的增加相反，在第3阶段中产生的原型效率低于第2阶段的原型。

用于15mm和18mm灯的灯设计VI基于灯VII的灯填充物的五分之一，但是对于15mm灯，特别测量到了最小的电压变化。这表明气相中的Te是饱和的，但是看起来I继续进入气相。这可以从具有低可见输出且没有气穴的直线稳定电弧转变到最终经常湍流灯(如第2阶段结果中所述)看出。这在图19b中所示的灯18mm VIIC中得到最清楚地证明，其转变为升起的上弧，且具有由气穴形成的暗下部，包围灯的下半部。在此转变期间，灯电压增加了三分之一，这表明I正在进入气相，并且这是灯预热后产生不希望的灯特性的原因。灯15mm VIA(图19c)的物理变化更加清晰，在灯预热期间显示出最小的可见光输出，随后直线电弧转变为具有高可见光输出的放电，但电极周围的湍流和气穴集中明显减少。由于灯设计VI具有减少的灯填充并且对15mm和18mm灯显示相同的响应，因此表明减少灯填充量，尤其是碘化物贡献量可能增加UV输出。

讨论

当考虑设计第1,2和3阶段的总体结果时，与其Hg对应物相比，其最多产生大约十分之一的杀菌输出，并且大部分产生具有不稳定特性的灯电弧，特别是当靠近电极时，很明显，设计理念远未做好生产准备。然而，该研究使得在当前状态下的灯概念的关键理论设计特征得到了验证。此外，还确定了原型性能限制的可能原因，并就如何解决这些问题提出了建议。

原型灯均产生持续的高压，等离子体放电产生电弧，而不需要以汞作为填充物。这些灯还在所需的200-300nm光谱区域产生光谱连续谱，并且灯的物理结构在所有原型中保持完好无损。这些发现不仅新颖，而且是任何未来的灯的关键特性，以改善高UV密度辐射源的性能。挑战在于如何提高杀菌效率并使电弧放电稳定，这两者都具有相同的根本原因。

图21a和图21b中显示的第二组原型产生的光谱输出具有从220nm到300nm相对平滑的连续谱，其中有少量光谱峰，这显示出与Turner(1994)所提出的相似性。Turner(1994)未提供在375nm以下的数据(峰值约为575nm)以进行直接比较，但连续谱的相似性反映了高压放电，因此增加的光子原子碰撞将光谱转移到更低的能量发射，即可见光输出。因此，光谱信息意味着灯填充量对于优化的UV输出而言太高；这通过灯设计VI得到证实，其具有减少的填充，不仅维持灯电压，而且与灯设计VII(包含增加的灯填充量)相比还产生更高的杀菌效率。电压测量和光谱输出意味着，为了增加灯的功能，需要减少灯的填充量；频谱效率的优化点及其产生的电压密度(即V cm^-1)将是确定该提出的灯开发方法的最终功能有效性的两个关键方面之一。

一个关键问题是600℃以上的卤化物稳定性，特别是 的形成和分解之间的可逆反应是否会从I₂产生电弧不稳定性或Te的凝结。灯填充的推断饱和表明，在气相中Te的等离子体容量内，似乎没有发生凝结，或者如果是这样，则不会损害灯的功能。相反，I₂似乎确实影响电弧的稳定性并因此影响等离子体的阻抗。这得到灯设计VI和VII的支持，其以Sb作为掺杂剂具有较低的输出，并转变为湍流弧。这是由于来自SbI₃的额外的I在电极附近产生了增加的湍流，并且对于灯18mm VII而言，这延长了电弧的整个下侧。由于不能维持卤素循环，这通常本身就是一个主要的设计限制，但在这种情况下，有两个因素表明情况并非如此。第一，是功能性HP等离子体，即使使用非化学计量比例的Te：I作为灯填充物。第二，是在大部分灯预热阶段(第7.3.4节)中，灯弧几乎理想的特性。能够将I的使用量减少到对电弧稳定性产生很小或没有不利影响的能力以及在形成和维持等离子体之上和之外的输出的能力对于改善灯的性能是至关重要的。在预热阶段，显示出电弧，并且意图在灯预热后永久再现，同时具有降低的I比例和减少的整体灯填充，没有显示可见的湍流，显示最小的可见输出(图19c)。挑战在于平衡以卤化物形式添加的灯填充量，以便通过添加足够的卤化物来形成等离子体(即灯会启动)，同时填充量足够低以使其在灯工作运行期间不会妨碍灯的稳定性和输出。所有启动的原型在大约一到两分钟内达到完全运行功率(不包括转变到湍流阶段)，与Hg HP灯的时间范围相似，使系统设计分配(例如工作/待机要求)与目前使用的HP灯(例如中压灯)相同。

已经讨论了两个关键电流限制以及解决它们核心功能的潜在方法，然而，为商业市场开发这种灯将涉及许多额外的开发步骤。这可能包括电灯驱动器的优化，这可能需要优化电频率，但几乎肯定需要提供更高启动电压的配置。使用“潘宁气体”(penning gas)代替氩气可以降低灯启动电压，双气体组合具有不同的电离水平，导致更多的离子产生，从而降低了启动灯所需的电压。相反，如果纯粹基于Te灯填充物的最佳压力不足以达到合适的Vcm^-1值(尽管增加启动电压的结果)，则可以应用增加的缓冲气体压力来增加灯阻抗。最终，在基本等离子体改进之后将需要许多微妙的设计迭代，以产生满足基于市场要求的设计规格的灯。

基于卤化物填充的灯的生产由于其吸湿性质将需要在制造过程中进行额外的控制，然而因为它们目前用作基于汞的灯的添加剂，因此通过适当的训练和设备这将容易地减轻。Te在工业上可用于生产(尽管对于这种研究，TeI₄比元素Te更难定位)但是在高纯度形式中它比Hg更昂贵，例如Te成本为￡3.78/g，Hg成本为￡1.26/g(Te成本基于500g99.9999+％纯度；Hg成本基于250g 99.999995％纯度)。在本研究中用于18mm ID Te灯(灯5需要150mg Te)和18mm ID Hg灯(灯需要40mg Hg)，费用分别为￡0.57和￡0.05。这是基于测试期间使用的填充量，可能会随着进一步的开发阶段根据建议而减少。尽管Te的相对成本显着高于Hg，但是对于两种灯填充物而言，相对于其他灯组件成本，每盏灯的成本非常低，例如18mm直径灯的石英成本为￡13.00。Te作为主要填充物的可用性和成本具有实际前景。

在这项工作中提出的发展阶段应该能够实现目前独特和新颖的等离子体概念，使得无汞产生紫外线辐射能够用于商业应用的高效杀菌灯。即将施行的关于在大量进出口可见照明的产品(不包括无法替代的产品，例如水消毒)中使用汞(至2020年)的禁令(关于汞的水俣公约，Minamata Convention on Mercury)表明了减少或消除汞的广泛应用的明显环境动机。由进出口限制引起的生产成本的潜在增加可能与环境因素相结合，推动了对无汞替代品的需求以及低能量密度范围的LED和DBD的发展。无论是现在还是将来作为另一个驱动因素，都会再次强调概念验证基于Te的紫外线辐射源的潜在好处，如果进一步开发可能会对该行业产生重大而深远的影响。

进一步发展

为了解决初始研究结论的建议，制作了另一组原型灯(内径9mm，弧长190mm，壁厚2mm)。每个灯的填充细节如下表所示，图中灯的光谱输出关键结果如下：

·确认灯填充物的化学计量比1：2(Te：I)确实能够形成稳定的电弧和等离子体

·锑可用作灯填充物中的附加添加剂，同时保持稳定的电弧和等离子体

·最有效的灯填充物仅为碲和碘，尽管可以在将来进行优化

表A

表B

图22显示了其他原型灯的平均光谱输出，其中：图22a显示了灯1和灯2的平均光谱输出(灯1：Te：4mg；TeI₄：20mg；灯2：Te：2mg；TeI₄：10mg)。

图22b显示了灯2和灯3的平均光谱输出(灯2：Te：2mg；TeI₄：10mg；灯3：Te：4mg；TeI₄：4mg)。

图22c显示了灯3和灯4的平均光谱输出(灯3：Te：4mg；TeI₄：4mg；灯4：Te：4mg；TeI₄：4mg；Sb：1mg)。

图23显示了工作中的灯5。

结论

总之，产生了一种新颖的概念验证无汞等离子体，其能够实现高压UV放电。原型设计的杀菌效率显着低于Hg同等设计的杀菌效率，但是确定了两个基本限制是主要原因：等离子饱和的过载的灯，以及碘含量大于稳定的紫外线有效放电可以含有的量。该研究严格地揭示了可以使用非化学计量的Te和I，同时仍然产生功能性灯等离子体，其能够产生所需电特性和稳定电弧。随着环境和经济驱动因素的不断增加，对于生产出无汞、高效率和高功率密度的灯，提出了以下建议，以进一步将所提出的概念验证发展为适用于水工业的灯：

1.开发一系列具有减少的Te灯填充物的灯，直到为光谱输出和功率密度产生优化的填充物；

2.与第1点相结合，开发出更多系列的灯填充物，其碘含量降低，能够产生功能性等离子体，同时对电弧稳定性和杀菌效率的影响最小；

3.在完成第1点和第2点之后，优化灯驱动器、缓冲气体和附加掺杂剂，以实现实用的高效灯。

所呈现的结果表明可能替代当前基于汞的灯作为UVC辐射源。虽然迄今为止的结果提供了当前Hg灯技术的效率的大约1/10，但是这是在不使用Hg、具有较少毒性的灯填充物的情况下实现的。预计在进行额外的改进之后，灯效率将显着提高并且可以增加超过传统Hg灯的效率。如果灯的效率增加到高于传统汞灯的效率，那么将降低整个寿命成本和直接和间接碳成本。

不包括反应器设计优化(例如液压优化、灯定位等)，反应器效率将由使用中的灯的效率确定。所提供的研究结果令人鼓舞，不仅可以提供不含汞的UV辐射，还可以提供高于240nm的ER主导的光谱输出，是所有三种验证方案中光谱应用的理想选择。在生产之前需要进一步的开发，然而灯的独特卖点是无汞，且在当前应用的技术(例如灯几何形状和灯驱动器)中提高效率的潜力为进一步投资提供了强有力的论据。

本发明的特征包括：

·内部设计压力相对较低，特别用于产生UV辐射或400nm以下的辐射；

·使用降低的碘比例，在圆柱形管中产生稳定的电弧和灯等离子体；

·使用减少量的碘来产生UV辐射，而不是采用过量的碘(可能会刺激可见光的发射)。

应当理解，上面仅通过示例的方式描述了本发明，可以在本发明的范围内进行细节的修改。

任何权利要求中出现的附图标记仅是示例性的，并且对权利要求的范围没有限制作用。

Claims (15)

1.一种无汞高压金属卤化物紫外气体放电灯，包括锇、锗和碲中的至少一种的主要填充物，以及辅助填充物，所述辅助填充物包括锡、锑、铟、钽和金中的至少一种。

2.如权利要求1所述的气体放电灯，其中所述灯的主要填充物是碲，所述灯的辅助填充物是锑。

3.如权利要求1或2所述的气体放电灯，其中所述金属卤化物的卤素包括碘。

4.如权利要求3所述的气体放电灯，其中灯的主要填充物是TeI₂，灯的辅助填充物是SbI₃。

5.如权利要求3或4所述的气体放电灯，其中碘与碲的比例是非化学计量的，优选具有降低的碘含量。

6.如权利要求5所述的气体放电灯，其中碘与碲的比例不大于2：1，优选不大于1.5，更优选小于1.0。

7.如前述权利要求中任一项所述的气体放电灯，其中所述灯输出包括波长在200-300nm范围内的电磁辐射。

8.如前述权利要求中任一项所述的气体放电灯，其中所述灯的主要填充物具有与汞相似的物理特性，例如蒸气压。

9.如权利要求8所述的气体放电灯，其中所述灯的主要填充物具有低于200-230nm的光谱线(即更高的光子能量)。

10.如权利要求8所述的气体放电灯，其中所述灯的主要填充物具有低于253.7nm的主要光谱线。

11.如前述权利要求中任一项所述的气体放电灯，其中所述灯的辅助填充物具有足够高的蒸汽温度，在灯启动和运行温度下都不影响灯特性。

12.如权利要求11所述的气体放电灯，其中所述灯的辅助填充物在激发中优先选择波长为200-230nm和/或260-280nm的光谱线。

13.一种用主要填充物和辅助填充物填充如权利要求1至12中任一项所述的气体放电灯的方法。

14.一种气体放电灯，基本上如本文参考附图所述。

15.一种填充气体放电灯的方法，基本上如本文参考附图所述。