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1、无汞金卤灯无汞金卤灯 概概 述述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
2、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。
3、金卤灯中各种填充物的功能及选择依据金卤灯中各种填充物的功能及选择依据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。
4、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 3040V，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。 无汞金卤灯中取代汞的工作物质的选择无汞金卤灯中取代汞的工作物质的选择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
5、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
6、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。当前提出的代替汞的另一类物质是金属卤化物如 ScI2、ZnI4等，这些物质的充入可以使无汞金卤灯工作在4070 伏的灯压降下，但是这种金卤灯灯压降的提高不是由于高气压下电子遭遇大量弹性碰撞形成的，而是由于放电时在电弧区及附近金属卤化物分子离解出现了大量游离的 Br 或 I 原子造成的，这类负电性卤素原子很容易补被电子吸附形成负离子，大量负离子的空间电荷作用使空间的电位梯度上升、形成了较高的灯压降。在这样的状态下参加电离激发的电子数量减少，而能量偏大，电离激发效率降低，光效偏低同时电弧弯曲度上
7、升。大量游离卤素原子的出现还将对灯中部件起腐蚀作用使灯寿命降低，因此完全用金属卤化物来代替汞并非上策。 雪莱特无汞金卤灯的研发雪莱特无汞金卤灯的研发雪莱特光电研发无汞金卤灯采取了与前述专利不同的途径，雪莱特公司用以替代汞的是中性的元素形态物质硒（Se）9，硒是人体必须的一种微量元素，据说每人每天若补充 200g Se 可以预防癌症，太多当然就有毒了。Se 的原子价为2，4，6 价，原子量为 78.96，有 6 种非放射性同位素，在元素周期表中位居 34，属第 6 族，是一种半导体材料，常温下很稳定，Se 的电离电位 9.75V（略低于 Hg 的 10.4V），谐振电位为 5.95V 和 6.3
8、0V（汞为 4.67 和 6.70V）；相应的谐振辐射谱线为 207.4nm 和 196nm（Hg 为253.7nm、185nm），所有这些参数与 Hg 相去不远，更重要的是 Se 与钨、钼不起任何化学反应，而 Se 的沸点温度仅为 688，虽高于汞的 356.6但比很多灯用金属卤化物低，比锌更低得多，在金卤灯电弧管的正常工作温度下很容易全部汽化，形成足够高的 Se 蒸汽压力，从而保证与充汞灯相同的缓冲蒸汽密度和主要工作参数，例如目前做到这种的灯压降约 5070V，光效约 7080lm/w，并能进一步提高。Se 通常以 Se2、Se8的形态出现，在激励状态下还可能出现 S1、S3、S4等单原子
9、和多原子分子，因此在以 Se 代汞的条件下将出现各种硒分子的激发光谱（分子光谱与原子光谱的叠加），因而出现了丰富的连续光谱、红光光谱和红外光谱，采用硒代替汞后光效的降低就是由于丰富的红光和红外辐射造成的。而大量连续光谱的出现则使灯的显色性明显提高。雪莱特光电研发了两类无汞金卤灯，一类是充有高压氙气的 35W 小功率车用硒金卤灯，对不同色温金卤灯的研究结果表明以硒代汞后色温、光效和灯压降均略有降低，而显色指数和红色比均明显上升。Fig.1 35W 车用硒金卤灯结构Fig.2 舞台用 250W 氩气硒金卤灯结构Fig.3 表明了一只 35W、6000K 氙气硒金卤灯的光谱Fig.4 表明的是一只
10、35W、4000K 氙气硒金卤灯的光谱Fig.1Fig.2Fig.3Fig.4Fig.5雪莱特光电研发的另一类无汞金卤灯是中功率的 250W 舞台用的充低压氩气的硒金卤灯，其相关情况与 35W 氙气硒金卤灯相似。在所研制的此类无汞灯的光谱 Fig.3、Fig.4 中还残留了一点汞光谱痕迹，这是由于为保持良好的卤钨循环而加入了微量 HgBr 所至。在找到纯净的 SeBr2后，完全可用以取代 HgBr 而制成绝对无汞灯。无论车用硒氙金卤或舞台用硒氩金卤灯均与充汞灯结构相同（Fig.1、Fig.2）。雪莱特光电还研发了一种以化合物 HgSe 10 代替 Hg 的无元素汞的金卤灯，这种灯的各项参数介于
11、充汞金属灯与以硒代汞的各类金卤灯之间，Fig.5 中表明了充有低压氩气的 250W 的以化合物 HgSe 代替元素 Hg 的舞台金卤灯光谱曲线，由于高温电弧区中 HgSe 分解为 Hg 原子和 Se 原子，所以在以 HgSe 代替汞的无汞灯中出现了明显的 Hg 光谱与硒光谱并存，当然冷态的这种灯中不会出现任何 Hg 元素的痕迹。无论是完全无汞的充 Se 金卤灯或是以化合物 HgSe 代替元素汞的金卤灯、无论是 35W 车用氙气金卤灯或是 250W 的充氙舞台金卤灯均已点燃 500 小时以上，寿命试验仍在进行中。 结论结论无汞金卤灯的开发已列入日程，雪莱特在这一领域率先迈出了坚定的步伐，我们相信在目前已出现的多种无汞灯方案中我们的方案具有明显的现实性和优越性，因为这一方案中用以置换汞的是一种无明显毒性、化学性能稳定的硒。这种材料不与灯中任何材料发生反应，汽化温度较低，汽化后为中性单原子及多原子硒分子蒸汽，可以成为一种性能良好的缓冲气体并可保证能长期稳定工作。当前雪莱特 Se 金卤灯的研究工作已近完成，主要问题是材料问题，如何获得 6 个 9 以上纯度的 Se 并制成尺寸一致、形状合适的颗粒是一个有待解决的问题，在解决这些问题后将率先在全球生产出第一批有实用价质的真正的无汞金卤灯以及相关灯种。
