论文总字数：25008字

摘 要

平板中波紫外光源通过等离子体放电激发紫外荧光粉获得中波紫外辐射，具有体积轻薄，发光均匀，环境友好等特点。目前中波紫外光源广泛应用于环境监测，生物诱变，光线疗法，刑侦安全等诸多领域，具有广阔应用前景和研究价值。

本文首先通过分析等离子体放电机理和等离子体发光的基本过程，通过Ne-Xe气体放电产生172nm和147nm的真空紫外线，并激发荧光粉发出310-313nm的UVB。

论文研究和探讨了平板中波紫外光源的设计制作工艺流程，重点研究普通玻璃与石英玻璃基板的封接过程。采用丝网印刷，烧结，氧化镁蒸镀，玻璃粉封接等工艺，以石英玻璃作为前基板透紫外光，普通玻璃后基板不透光紫外光，中间封装放电气体并以可伐和陶瓷连接，电极形为对向梳状并在后基板被绝缘层与放电区域隔离。

基于本文设计的紫外光源基本结构和发光机理，对紫外光源的驱动方式和检测方案进行了初步设计，用以验证其发光效率和发光光谱。

最后，分析和总结了目前国内外关于中波紫外线在安全、生物、医疗尤其是皮肤病治疗方面的突出应用，表明对平板中波紫外光源的设计与改进对生产生活以及科研都具有重要意义。

关键词：平板中波紫外光源，设计，测试，应用

A study on the performance tests and applications of UVB light source

Abstract

Based on the fundamental principles of plasma discharge, the flat plasma UVB light source is functioned by stimulated UV-phosphor to provide UVB, which is thin, light, luminance-uniform and eco-friendly. Now, the UVB light source is widely used in many fields such as environmental monitoring, biological mutation, phototherapy, security etc. The UVB light source has a broad application prospect and research value.

At the start, this paper analyzes the plasma discharge mechanism and the basic process of luminescence. Metastable Xe transition to produce 172 nm and 147 nm of vacuum ultraviolet to stimulate phosphor, producing 310-313nm UVB.

This paper discusses the flat UVB light source design and production process. Focus on the process of normal glass and quartz glass sealing, Using silk-screen printing, sintering, MgO deposition, glass powder sealing technology, the UV source is design with quartz glass as the front substrate to transmit UV and normal glass as the back substrate to reflect UV, connected with Kovar and ceram to seal the gas. The electrode and discharge area are separated by dielectric layer.

According to the concepts and design of the flat UVB source, this paper designs the drive mode and test scheme to verify its luminous efficiency and spectrum.

At the last part, this paper summarizes and analyzes the applications of UVB in security, biology and medicine especially dermatoses. It is clear that the design and development of UVB source will play a crucial role in producing and science researching.

KEY WORDS: flat UVB source, design, test, application

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 紫外光源的分类和发展 1

1.3 本文的研究目的和主要研究内容 2

第二章 等离子体平板紫外光源的基本原理 3

2.1 等离子体气体放电特性 3

2.2 等离子体平板紫外光源的发光机理 6

第三章 等离子体平板紫外光源的制作工艺和流程 11

3.1 等离子体平板紫外光源的基本结构及封接方案 11

3.2 等离子体平板紫外光源制备的技术方案研究 13

第四章 中波紫外光源的驱动和测试方案 17

4.1实验平台搭建和驱动方案 17

4.2平板紫外光源性能指标和测试手段 18

4.3 实验光源工艺和测试未完成的原因分析 19

第五章 中波紫外的应用及发展 20

5.1中波紫外在医学方面的应用 20

5.2中波紫外在生物方面的应用 21

5.3 中波紫外在表面处理等方面的应用 22

5.4 中波紫外在其他领域的应用 23

5.4 总结 23

第六章 总结和展望 24

致谢 25

参考文献（Reference） 26

绪论

1.1 引言

光源，通常意义指的可见光光源，在人类文明发展历程中从始至终扮演了至关重要的角色。除了太阳光等自然光源，人类在文明发展和科技进步中不断探索，相继发明了利用燃烧而发光的蜡烛、油灯等以火为代表的光源，以及白炽灯、荧光灯等普通照明灯和近年来迅速发展普及的发光二极管（LED）光源。而随着科学技术的发展以及应用领域的拓宽，诞生了红外光源，紫外光源等多种非可见光光源，光源的应用不仅仅局限于照明，光源的范畴也已经不再局限于可见光光源，非可见光光源正在为科学研究和生产发展做出重大贡献。

紫外光（10-400nm）作为一种不可见的电磁波，根据波长又可分为极紫外（EUV）,波长范围10-121nm；短波紫外（UV-C），波长范围180-280nm；中波紫外（UV-B）波长范围280-315nm；长波紫外（UV-A），波长范围为315-400nm。紫外线作为一种不可见光，具有与波长密切相关的特殊效应，包括荧光效应、光电效应、生物效应等^[1-2]。不同种类的紫外光远在防伪技术，国防技术，生物医疗、环境保护以及化工生产等诸多领域具有广泛而重要的应用^[3]。紫外辐射光子能量大，可用于对一般材料作光电子谱分析；另外，紫外辐射作为一种电磁波，相较于可见光波长更短，更容易汇聚，更适合做光刻等精细加工以及精确测量和控制。因此，紫外光源的发明与改进对于现代科技发展具有重大意义。

等离子体紫外光源以等离子体放电为基本原理，在杀菌、消毒、光敏材料的固化、激光泵浦、介质表面的改性、光清洗、微电子集成电路的刻蚀、生物医学检测和诊治等方面具有广泛的应用^[4-5]。但目前市场上的等离子体紫外光源大多为管状光源，而其结构的限制和光强损失迫使人们开始研究一种体积轻薄，发光均匀的大面积平板紫外光源。

1.2 紫外光源的分类和发展

目前实现的紫外光源主要有：汞放电灯、准分子光源和等离子体紫外光源。

1.汞放电灯

汞灯作为传统的紫外光源，在石英玻璃管中封装汞，通过灯里的气体原子的能量转换发光。通电加热灯丝时，汞蒸汽受到激发跃迁至激发态，由激发态回到基态时发光。汞放电灯光电转换效率高，但是汞蒸汽对人体有害，而且在制造和废弃时都会对环境造成危害。

根据管内汞蒸汽的压力不同，可分为低、中、高压汞灯。低压汞灯（蒸汽压力10-100Pa）光谱呈线性分立光谱，主要波长为254nm和185nm。低压汞灯辐射效率高，但易产生臭氧，造成污染。目前市场上仍在生产和使用的低压汞灯，主要被用于替代氯对饮用水和废水进行消毒。中压汞灯（蒸汽压力105kPa）谱线范围较宽且有重叠，主要波长为365nm，使用寿命长于低压汞灯。高压汞灯（蒸汽压力105-106kPa）紫外光和可见光光强最强，光谱呈现带状，且重叠最为严重，使用寿命则更短。

2.准分子光源

汞放电灯不能满足高强度窄带辐射的应用要求且具有毒性和环境污染等弊端，因此人们提出了准分子紫外光源。与谱带及谱线有限的传统汞放电灯不同，准分子紫外光源可以提供超过20种的紫外谱线，如图1.1。

准分子（excimer）为处于激发态的双原子分子，不存在稳定基态。准分子存在的时间通常为纳秒级，通过自发辐射的方式跃迁回能量较小的状态时就会产生光子辐射，同时分解为原子。

图1.1稀有气体、卤素可能产生的各种准分子波长

准分子紫外光源具有多种放电形式，其中介质阻挡放电（Dielectric barrier discharge, DBD）结构简单、操作方便，在高压下稳定性好，能量利用率高。介质阻挡放电意为绝缘物质放入放电区域的气体放电。绝缘物质作为介质层的介入，既保护了放电电极，避免了对电极的腐蚀和溅射，延长了光源寿命，又能积累壁电荷，促进激发气体放电。

基于DBD的准分子紫外光源优点主要表现在：处理工艺简单有效；可以在大气压下工作，效率高；准分子紫外灯光谱单色性好，可以发射窄带光谱；寿命长且可用于大面积辐射，绿色环保，易于实现工业大规模生产。介质阻挡放电激发的准分子的应用领域广阔，如紫外线生物消毒、杀菌，光化学表面处理，分解污染物，等离子体显示，生成臭氧，微光刻技术、微电子学中的光解蒸汽沉积和材料沉积^[6-7]。

3.等离子体光源

等离子体(plasma)用来表示为气体放电中呈电中性的区域。稀有气体的介质阻挡放电激发辐射是产生紫外的有效方法^[8]。将DBD等离子体技术应用于紫外光源中，可以使得紫外光源辐射强度更高、均匀性更好、尺寸易于放大、结构也相对简单。采用介质阻挡放电方法可以在高气压条件下获得低温非平衡等离子体，基于等离子体的介质阻挡放电的紫外光源获得了人们的广泛关注和重视。它能自发产生UV和VUV准分子辐射，放电气体不需要和金属电极直接接触，电流由于介质层的存在也能得到控制。等离子体光源通过等离子体直接发光或间接激发荧光粉发射紫外光，辐射覆盖UVA、UVB、UVC波段，可广泛应用于环保、能源、加工、照明、医疗等方面。

1.3 本文的研究目的和主要研究内容

本文首先基于等离子体基本放电原理，分析等离子体紫外光源的发光过程。其次，探讨平板中波紫外光源的设计方案及步骤。最后，分析和总结目前中波紫外在应用领域尤其是医疗生物领域的发展状况。

等离子体平板紫外光源的基本原理

平板紫外光源主要组成部分为石英玻璃前基板用以透紫外光和普通玻璃后基板用以制作放电电极，中间支撑层由可伐金属圈和陶瓷环过渡封接。放电空间内充有Ne-Xe混合气体，利用混合气体放电产生的真空紫外光，激发相应紫外荧光粉，使其发出所需特定波长的紫外光。

等离子体平板紫外光源的工作主要由两个过程组成：

一、气体放电过程：在外加电压的作用下利用氖氙混合气体产生放电，气体原子受激发而产生跃迁，从而发射出真空紫外光；

二、荧光粉发光过程：利用气体放电产生的真空紫外光，激发紫外荧光粉发出对应紫外光。

2.1 等离子体气体放电特性

当作用于气体的电场强度超过某临界值，气体将从绝缘状态转变为导电状态。粒子在放电空间做大量的无规则热运动，在电场作用下，带电粒子受到电场作用而加速。粒子在运动的同时，还会与其他各种粒子发生相互作用，交换粒子之间的动量、动能、位能、电荷，发生粒子的激发、电离、复合、光子发射和吸收等物理过程。

电子雪崩的形成对于放电过程的产生至关重要。电子在向阳极加速过程中不断地从电场吸收能量，动能动量增加，从而与其它粒子发生电离碰撞，产生更多的电子，因此电子的数量便产生雪崩式的增长^[9]，如图2.1。雪崩产生的离子轰击阴极产生了次级电子发射，这些次级电子又急促参与电子雪崩，于是便出现了一个正向反馈。当反馈增益大于1时，系统将会变得不稳定。气体放电从稳态到非稳态的转折点所需的电压值称为着火电压。若存在一个起始电流且电极间电压大于着火电压时，电流将呈指数增长。

图 2.1 等离子体气体放电模型

不同于高温等离子体中的气体状态，弱电离状态下可以忽略带电粒子间相互场的作用，大为简化运动行为的讨论^[10,11]。

图2.2气体放电I-V特性曲线

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