无汞金卤灯[1]

广东雪莱特光电科技股份有限公司，广东佛山，528225

 

摘   要：介绍了一种无汞金属卤化物灯，该金卤灯中的常用缓冲气体——汞蒸汽为另一种中性气体硒蒸汽取代，讨论了灯的结构及放电光谱。

关键词：无汞金卤灯、硒（Se）、硒化汞（HgSe）

 

　　金卤灯是一种性能优良发展极为迅速的照明光源，这种光源的产量在我国以每年15%以上的速度上升，并大量出口国外。这种光源中充有大量液态汞，虽然汞原子也参与放电发光，但放电时汞蒸汽主要是作为缓冲气体用以改进灯的光电参数和特性。目前迅速发展的车用氙气金卤灯中也是采用汞蒸汽作缓冲气体。缓冲气体的作用是通过频繁的碰撞缩短电子的自由程从而控制电子能量以保证发光中心——主要是由金属卤化物离解产生的金属原子和汞原子能获得最高激发机率和光效。当然缓冲气体也是控制灯参数（灯压降）的重要因素，因此数十年来汞在金属卤化物灯中是不可或缺的重要材料之一。

 

　　汞是一种有害物质，常温下其汽压较高，吸入人体后将长期积存在人体器管中影响人体的各种功能的正常运行，严重危害人体健康，引起肝脏病变、智力衰退、不育不孕等。因此是环保部门严格控制使用的物品，欧盟ROHS指令已明令限期禁止或限量使用。

 

　　大型跨国制灯公司均在积极研发无汞金卤灯，他们提出并申请了专利的材料有Zn [1] 等低熔点金属及某些金属卤化物如ScI，InI，NaI，ZnI等[2 3 4 5 6 7 8]，并已开发了实用型灯种（如ZnI灯）。

 

　　金属卤化物灯中的小型灯种如50W以下的商用照明金卤灯、车用氙气金卤灯等因体积小、电弧管壁温度相对较高，容易另找到能形成足够蒸汽压力的可以代替汞的物质，因此目前努力突破的方面是小功率金卤灯。

 

 

　　商用照明金卤灯中充有低压氩气，其作用是保证灯能在较低电压下启动，启动后放电从氩转入汞蒸汽中，形成低压电弧使灯加热。随着汞的蒸发，放电逐渐转化为高气压汞弧光放电。在金属卤化物蒸发后则放电在汞与金属卤化物的混合蒸汽中进行。在充有高压氙气的车用氙气金卤灯中放电的启点是在高压氙气中完成的。从一开始就形成了高气压弧光放电，所以输入灯的功率和光通输出在极短时间内能迅速上升并达所要求的亮度。

 

　　如所周知金卤灯的主要发光物质是充入的金属卤化物，这些金属卤化物蒸汽在高温电弧区分解形成足够密度的金属原子，这些金属原子在电弧中被电子激发后产生辐射——发光。填入灯中的金属卤化物的种类，比例和填入量由所要求的光谱、色温、显色指数和电弧管尺寸（功率）等参数确定。

 

　　由金卤灯的上述工作过程可知汞在金卤灯中起了非常重要的缓冲气体的作用，保证了灯中所需要的高的工作气压和灯的光电特性如较高的放电压降、合适的工作电流等。显然如果设有高压汞蒸汽的存在则此类灯的灯压降将不可能超过30~40V，在这样的情况下为达到所要求的灯功率必须由大的工作电流来保证，这不仅将使功率损耗增加，镇流器成本升高，而且灯寿命也将严重缩短。

 

 

　　目前国外专利报导他们用以取代汞的物质有2类，即低沸点金属与金属卤化物。

 

　　由于石英金属卤化物灯电弧管的工作温度不宜超过1000℃，否则灯寿命将受很大影响，因此用以替代汞的充入物质必须在<1000℃的工作温度下形成足够的蒸汽压力（例如20大气压力），在所有金属中除汞而外只有锌相对符合要求。锌的汽化温度约907℃，因此锌已被作为代替汞的灯用材料而成为专利材料，但是锌并不是一种合适的材料，因为它的汽化温度太高了，为获得足够的锌蒸汽压力，电弧管工作温度必须超过1000℃。为此同样功率的金属卤化物灯采用锌代替汞时、泡壳设计必须改变，泡壳体积必须缩小以增加壁负荷、提高泡壳温度，同时还必须提高冷端温度。这些措施将使灯的寿命大大缩短，因此除非陶瓷金卤灯是不宜用锌代汞的。此外以锌代汞时很难达到汞所能达到的高蒸汽压力，加以Zn的电离电位较低，因此以Zn代汞时金卤灯的灯压降只有40V左右。