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1、汞齐与节能荧光灯前言 节能荧光灯由于管壁负载大，温度高而导致“温升光衰”严重，而固态汞可解决温升而造成的光衰问题，提高发光效率2530。同时，汞齐由于在常温下汞蒸汽压力很低，仅是液汞的1/10，又是固态状，所以采用汞合金铟汞、铋铟汞的汞丸、汞齐可消除灯管生产运输和使用过程中的汞污染。即使灯管破损，由于汞齐呈固态，在常温下不易流失，解决了环保问题。应用汞齐，不仅可以提高荧光灯管的品质，而且可达到节能环保、安全用汞的目的。因此，汞齐荧光灯管是环保节能的需要，是利国利民的“绿色照明”产品。二、汞齐的主要功能是确保PH0.8Pa，克服温升光衰。当灯管内的汞气压PH0.8Pa（对应的管壁温度约4045）
2、时，随着管壁温度的上升，PH也升高，大约每升高1发光效率将下降0.8，这种随管温上升而光通量下降的现象称为温升光衰。如何克服温升光衰是节能荧光灯研制开发中的主要课题。其关键就是如何使灯管内始终保持最佳汞气压PH0.8Pa。有些紧凑型荧光灯管在研制设计一个冷端（如H型灯），使灯管燃点时管壁温度始终保持在4045达到控制PH0.8Pa的目的。但是大多数的节能灯都无法设计出“冷端”。特别是带密封灯罩的球灯、SL灯及大功率的3U、4U环形灯和无极灯等都只能采用汞齐来控制汞气压，确保PH0.8Pa。1.汞齐的功能汞齐是由少量汞元素与Bi、In、Pb、Sn、Ag等金属元素形成的一元或多元合金。其金相结构与
3、汞含量的关系甚大。图1为典型的TX曲线（汞齐的金相结构及汞含量的关系曲线）图中Tm是不含汞时金属或合金的熔点；Xm是0时汞齐形成固态的最高汞含量。现以汞含量为X1的汞齐为例作一条纵线，可以看出：TT2时，汞齐呈液态；当T1TT2时，汞齐处于固液共存态。在汞齐的应用中起关键作用就是这种中间状态固液共存态。图2 汞齐的汞气压与温度的关系曲线现在，进一步观察汞齐的汞气压随着温度上升而变化的情况。图2为汞齐的汞气压与温度的关系曲线。从图2可见，汞齐的汞气压在固态和液态的温度区域内均随温度的升高而迅速上升，但是在固液共存态，即T1与T2之间的温度区域内汞气压的上升比较平缓，使整条曲线形成了一个较宽的“台
4、阶”非常有用的台阶现象。当然，并不是所有汞齐的“台阶”都能被有效地利用，只有那些在适当的温度范围内所形成的“台阶”，处于汞气压在0.8Pa（6103乇）附近的汞齐才有实用价值。 目前在国际上获得广泛应用的是BiInHg和BiPbSnHg两种汞齐。图3 液汞及各类汞齐的特性曲线图3显示了目前国内外常用的各类汞齐及液汞的特性曲线。图中Tm为各类汞齐最佳工作温度区域的中心点。（1） 液汞Tm0.8Pa4245 ZnHg Tm0.8Pa4548（无台阶特性） B汞齐 BiPbSnHg12 Tm0.8Pa55（20） A汞齐 BiPbSnHg6 Tm0.8Pa65（30） G汞齐 BiInHg4.5 T
5、m0.8Pa85（35） K汞齐 BiInHg5 Tm0.8Pa90（40） M汞齐 BiPbSnHg3 Tm0.8Pa72（30） O汞齐 BiPbSnHg15 Tm0.8Pa50（10）注：O型熔点145低温特性接近液汞，适用于各类裸灯。（2）辅助汞齐、低温吸汞（熄灯吸汞）高温放汞（启跳放汞）帮助灯管起动，加速光通量建立。用量：每片27毫米，每支灯23片注：辅汞齐尽量离灯丝远一点，只要不碰玻璃即可。（3）主汞齐规格：1.00.1毫米，1.50.1毫米，1.90.1毫米，2.10.1毫米，2.70.1毫米图4显示了各类汞齐及液汞在带罩3U灯中，光通量与温度的曲线。从图中可见，在3U20瓦、1
6、3瓦、7瓦三种灯管中液汞的最佳温度4045，随温度上升光衰加大。BiPbSnHg60最佳温度65，有个比较宽的工作温度区域。BiInHg4.5最佳温度85工作温度区域最宽。封闭泡壳内温度与灯管光输出的曲线图（高、中、低功率整灯测试）图4 各类汞齐和液汞的发光效率与管壁温度的曲线图中：A20瓦3U灯；B13瓦3U灯；C7瓦3U灯；A1 B1 C1采用BiInHg4.5（G型汞齐）；A2 B2 C2采用BiInHg6（A型汞齐）；A3 B3 C3采用液汞2.辅汞齐的作用机理为什么要用辅汞齐呢？请看图5所示的SL灯的启动特性曲线，也就是灯管启跳点燃后光通量的上升与时间的关系曲线。图中虚线是仅用主汞齐
7、的特性曲线：实线是同时采用辅汞齐的启动特性曲线。从图5可见，若仅用主汞齐（BiInHg）灯管启跳后需要15分钟才能达到约90的光通量。为了尽快亮起来，必须采用辅汞齐使灯管内的汞气压加速升高到最佳值，对灯管的启动特性曲线给予“起跑助推”，使灯管在60秒内即能达到90的光通量。图5 SL灯的启动特性曲线辅汞齐亦称吸汞齐。因为辅汞齐在灯管老练之前其本身并不含有汞原子，仅是一片涂有34m铟膜的不锈钢网，只有等到灯管老练之后，铟吸收了一定的汞原子后才形成铟汞合金作为辅汞齐。所以辅汞齐亦称吸汞齐。辅汞齐为什么要用铟呢？因为铟对汞原子的吸引力远大于Bi、Sn、Ag等元素。辅汞齐应置于灯丝附近，当灯丝预热时，
8、辅汞齐即可升温释汞，使灯管内的汞原子立即达到较高的数量。辅汞齐使用多少面积为佳？这主要取决于管内的容积。对于常用的10毫米、长度（L）为360450毫米的灯管，辅汞齐用47毫米即可。对于其它尺寸的灯管必须通过实验来确定辅汞齐的尺寸。辅汞齐为什么要制成网状呢？这是因为辅汞齐为了达到上述性能必须同时满足下面三点要求：(1) 辅汞齐的热容量应越小越好，减少热惯性。(2) 辅汞齐必须有足够的表面积以吸收足够的汞原子，形成铟汞合金。(3) 要保护铟涂层在灯管排气工艺中不流失。铟在真空中的熔点仅156，而排气工艺中灯管的烘烤温度将超过300，若将铟涂敷在片状的基金属上则很容易流失。所以，辅汞齐应制成网状。
9、关于辅汞齐焊于导丝的位置以前认为辅汞齐离灯丝越近，热得越快，对启动和光通量建立越有利是片面的。实践证明离灯丝不宜太近，以34毫米为佳，见图6。辅汞齐钢片靠灯丝太近，不利于“小电弧”的生成，对灯管的启跳和排气工艺中的“辉放”都不利。灯丝启跳过程中，当预热电源Ia通过灯丝瞬间，灯丝即加热到约800，氧化物阴极的表面会形成大量“电子云”，同时预热电流灯丝的热电阻即在灯丝的两端产生电位差VIaR。当灯管内有适量氩气时，灯丝两端即能产生弧光放电小电弧。小电弧是引发灯管频繁放电，导致灯管启跳的前奏。图6 Ia：灯丝预热电流i：小电弧的弧光电流；V：灯丝两端电位差如果辅汞齐靠灯丝太近，将影响灯丝两端的电位差
10、V，破坏“小电弧”的生成，反而不利灯管的启跳。在制造灯管的排气工艺中，“小电弧”（俗称辉放）是通过弧光电流加热灯丝两端，补偿分解阴极电子粉的有效手段。如果辅汞齐太靠近灯丝，小电弧难以形成。灯丝两端难以补偿分解，达不到“辉放”目的。为进一步减少辅汞齐对灯丝电场的影响，可将辅汞齐对迭，缩短长度（图7），但不影响其吸汞和释汞性能。3.CFL汞齐灯管的设计（选用汞齐和确定位置）汞齐灯管在设计中必须充分考虑实际的使用场合。必须与灯罩、镇流器等配套件整体考虑，否则难以确定汞齐的位置温度，而导致失误。汞齐灯管的设计主要是选定主汞齐的类型并确定主汞齐的位置。图8 根据平衡温度曲线确定主汞齐的位置(1) 准确地
11、测定CFL在实际应用场合中排气管的平衡温度分布曲线是设计工作的第一步。主汞齐应置于灯管的排气管内，此处温度相对较低，同时也较易固定。但是应该定位在何处呢？首先要测定CFL灯管在应用场合中排气管上的平衡温度分布线。这里要强调的是要在实际应用场合中测量而绝不能仅对单个发光管测量，否则产生误导。CFL在实际应用中往往在镇流器启辉器等封闭灯罩（灯具）内点燃。排气管上的温度分布是灯管本身发出的热量、镇流器发出的热量和灯罩的密封程度的函数。其中某一个因素的变化均能影响到温度的分布。排气管上平衡温度T的分布曲线必须采用用户确认的镇流器和灯罩，在25的环境温度下来测定。由此可以看出，CFL发光管与灯具的配套性
12、和整体性要求是比较高的。许多测量实践表明，距灯丝越近，即L越小，则平衡温度T越高。(2) 确定主汞齐到封口线的距离L。确定主汞齐位置时首先要考虑的是灯具或灯头的尺寸和几何形状允许L的长度。其次，依据不同汞齐的最佳工作温度区域，选择合适的主汞齐。下面提供一些不成熟的经验资料供参考。a. 在SL型的某种球灯中（采用电感镇流器），CFL排气管平衡温度T如下：L25毫米处 T70L10毫米处 T84依据上述情况，如果灯具尺寸允许“长尾巴”，则可确定L25毫米，选用价格较低的BiPbSnHg为主汞齐（最佳工作点65）；如果灯具尺寸不允许“长尾巴”，则可确定L10毫米，选用价格较贵的BiInHg为主汞齐（
13、最佳工作点85）。b. 在封闭型的反射灯或帕（PAR）灯中应用的双U、双H、3U等CFL灯：L02毫米处，T80。因为需装灯头，只能选用高温性能较好的BiInHg为主汞齐。c. 在封闭的壁灯或吸顶灯中应用2D灯。L2毫米处，T60。可以采用BiPbSnHg或工作温度更低一些的改进型的BiSnHg。上面的例举数据仅供参考。二、CFL汞齐灯管的光电特性曲线1. 汞齐灯管的测试方法CFL的特性曲线必须在“应用场合”或模拟场合测定，单独的发光管测定是毫无意义的。典型的CFL特性曲线如图9所示。图中的纵坐标分别是光通量（lm），灯管工作电压Va（V），灯管工作电流Ia（mA）。横坐标是灯管启动后的点燃时
14、间t。t是CFL在应用场合下的工作温度的函数。工作温度T随着t的延伸而上升。当tt3时，工作温度T达到平衡。现在来分析灯管启动后的几个工作区域：1）从t0到t1是辅汞齐工作区。辅汞齐迅速放汞加速光通量建立，光通量很快达到最佳值m。灯管内对应的汞气压也达到最佳值0.8Pa（6103乇）。2）从t1到t2，辅汞齐影响区。辅汞齐大量放汞使管内的汞气压继续增加，超过了最佳值，使光通量下降。3）从t2到t3主汞齐影响区。主汞齐吸收灯管内的汞原子使汞气压逐步下降恢复到最佳汞气压0.8Pa，光通量也随之恢复到最大值m。4）t3以后是主汞齐工作区。从t3开始，主汞齐处m温度已达到平衡温度（应该长时间保持不变例
15、如大于12小时）。t3以后即是国际上规定的法定测试区域。我国目前虽然对此尚无规定，但国际上已明确规定：t15分钟、t360120分钟。如果CFL设计得合理，主汞齐的各类位置选择得恰当，灯管的光电参数应长时间保持稳定，光通量应长时间保持在最佳值m。这里特别要强调的是：汞齐灯管的光电参数必须测试一条曲线，绝对不能只测一个点。图9 典型的CFL特性曲线若按照目前传统的方法，测15分钟一个点，其结果必定是错误的（其先测的光通量可能正是“马鞍”形的底部），是不符合事物客观事实的。抽样测试12小时，检验其保持光通量的特性也是必要的。图中的T3即灯管的稳定工作时间，各类灯管不相同。例如：110V 60Hz的球灯（15瓦）约60分钟，220V 18瓦SL灯约120分钟，密封罩3U18瓦约50分钟。2.特性曲线的异常及改进方法a.光通量曲线无第一峰出现。光通量曲线中的第一峰值应于点燃后48秒内出现。若无此峰，曲线缓缓上升，说明辅汞齐未起作用。估计
