汞齐与节能荧光灯

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25～30％。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P H＝0.8Pa，克服温升光衰。

当灯管内的汞气压P H>0.8Pa（对应的管壁温度约40～45℃）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P H＝0.8Pa。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40～45℃达到控制P H＝0.8Pa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P H＝0.8Pa。

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。其金相结构与汞含量的关系甚大。图1为典型的T－X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T1

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（6×10－3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Bi－In－Hg和Bi－Pb－Sn－Hg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）①液汞Tm0.8Pa＝42～45℃

②ZnHg Tm0.8Pa＝45～48℃（无台阶特性）

③B汞齐BiPbSnHg12％Tm0.8Pa＝55℃（±20℃）

④A汞齐BiPbSnHg6％Tm0.8Pa＝65℃（±30℃）

⑤G汞齐BiInHg4.5％Tm0.8Pa＝85℃（±35℃）

⑥K汞齐BiInHg5％Tm0.8Pa＝90℃（±40℃）

⑦M汞齐BiPbSnHg3％Tm0.8Pa＝72℃（±30℃）

⑧O汞齐BiPbSnHg15％Tm0.8Pa＝50℃（±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2×7毫米，每支灯2～3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：Φ1.0±0.1毫米，Φ1.5±0.1毫米，Φ1.9±0.1毫米，Φ2.1±0.1毫米，Φ2.7±0.1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、13瓦、7瓦三种灯管中液汞的最佳温度40～45℃，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：A－20瓦3U灯；B－13瓦3U灯；C－7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（Bi－In－Hg）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3～4μm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，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Φ10毫米、长度（L）为360～450毫米的灯管，辅汞齐用4×7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。

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3～4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V＝IaR。

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：

L＝25毫米处T＝70℃

L＝10毫米处T＝84℃

依据上述情况，如果灯具尺寸允许“长尾巴”，则可确定L＝25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L＝10毫米，选用价格较贵的BiInHg为主汞齐（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：L＝0～2毫米处，T＝80℃。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。

L＝2毫米处，T＝60℃。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Φ（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t＝t3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Φm。灯管内对应的汞气压也达到最佳值0.8Pa（6×10－3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Φm。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：t1＝5分钟、t3＝60～120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Φ＝Φm。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4～8秒内出现。若无此峰，曲线缓缓上升，说明辅汞齐未起作用。估计有两种可能；第一种，灯管熄灭后不久，因为时间太短，辅汞齐尚未吸到足够的汞原子，重新启动时辅汞齐放不出大量的汞原子，起不到应有的“助推作用”，因而不出现第一峰值。第二种，辅汞齐表面被碳或油污染覆盖，无法吸附汞原子而失效，当然不出现第一峰值——此类不多。

b.高温光通量曲线下降。t3以后，光通量缓缓下降，最后稳定在某个低于Φm的水平（如图2虚线种所示）。出现这种现象的原因有两种可能性，可以依据Ia的变化作出判断。第一种：Ia缓缓上升再稳定到某个较高值，管内的汞气压已超过0.8Pa，说明主汞齐处的温度已超过该汞齐的位置或调换主汞齐的类型。第二种：Ia缓缓下降再稳定到某个较低值，灯管内汞气压低于0.8Pa，说明主汞齐处的温度不够或主汞齐的总量不够。解决的途径是调整主汞齐的位置或增加主汞齐的用量。具体见图10说明。

c.无第二峰出现，如果灯管在正常的整灯使用中，启跳后燃点720分钟后，光通量仍旧不能回升到第一峰95％的水平，则说明汞齐位置的温度太低，未达到主汞齐的工作温度区域，可以参照B提高位置温度或改用较低温度的主汞齐。

Φm最佳光通量，Im最佳管电流（非灯电流），对应于最佳汞气压＝0.8Pa

测试180分钟的连续光通量与管流的数据，作出时间的特性曲线。图中实线正常值，虚线为异常值。

以图为例：80分钟后光通量下降，Ia有两种情况：a大于最佳管流Im，说明，主汞齐的位置温度太高，b 小于最佳管流Im，说明主汞齐的位置温度太低。

图10 特性曲线的修正方法

如何确定汞齐的类型和位置：

a. 以上图为例：若是用的A汞齐，Ia>Im，说明汞齐位置温度太高。

①可降低位置温度——伸长波杆，或放置于“中管”芯柱。

②采用高温汞齐G替代汞齐A，使得Ia＝Im。

b. 以上图为例：若是用的A汞齐，Ia

①可以提高位置温度，缩短波杆。

②采用低温汞齐B或O型替代汞齐A，使Ia上升，Ia＝Im。

3 汞齐灯管的制灯工艺

汞齐灯管除了对真空度要求较高外，其余工艺基本与液汞灯管相同。现按工艺程序表述如下：

1. 辅汞齐的处理

来料辅汞齐为7毫米（mm）×30米(m)的一卷带料（可配置7500支灯管）。首先用剪刀或侧刀下料成2×7mm2的片料，一般每支灯管用二片。片料辅汞齐应用无水乙醇清洗后，清洁、干躁保存（像灯丝一样），装架时用脉冲点焊机，焊到内导丝上。为了不影响“灯丝的辉光”，辅汞齐应尽量远离灯丝，要求大于4毫米。内导丝可焊于辅汞齐的中间，然后辅汞齐对折——不影响吸汞与释汞的特性。

2. 关于主汞齐的操作

①“小泡管”必须经过清洁、烘干处理，主汞齐不能用于灌进“小泡管”——可用摄子钳装进，或将主汞齐放于玻璃培养器中用“小泡管”直接把主汞齐“抄”进去。当然也可以制造一个专门的装汞齐的工具。

②装好主汞齐后，应放置一根设定长度的清洁处理过的实芯玻璃杆（注意不能用空芯的玻璃管）。因在排气工艺中，空芯玻管内壁吸附的气体是难以清除的，必然把大量的残留气体带到成品灯管中去。

③封口工艺时尽量控制火焰的温度，不要让火焰烧到辅汞齐。因为辅汞齐的基金属是1Cr18NiqTi的不锈

钢网。Ti在高温下极易吸氧而氧化（Ti在真空中作为吸气剂用）。当然不希望辅汞齐网片发灰、发黑。然而即使网片中的Ti氧化发黑了，也并不影响表面铟的吸汞和释汞的功能。在成品灯管燃点过程中，网片的温度大约400℃，Ti始终起一定的吸气剂作用。

④排气工艺。要主汞齐保冷，烘箱时间加长，汞齐灯管对真空度的要求比液汞的灯管高（后面将论述）不能低于10－3乇水平，因此排气中烘烤灯管的温度和保温时间都应比液汞灯管的规范重一些。确保管壁的吸气除净。放置主汞齐的小泡管下端应置于远离烘箱处，使“主汞齐保冷”——处于室温下。要避免烘箱的辐射热使主汞齐熔结（约100℃）。主汞齐热熔后，首先要蒸发汞原子被真空泵排出，影响汞齐的汞含量。并且熔结后的汞齐不再是正球体——可能是2～3粒结成一块，封离后主汞齐难以倒进灯管——拉小头（老尖）。如用大头把主汞齐烧熔再倒进灯管，小泡管会大量放气，必然降低灯管的真空度。实践表明，凡是用大头把主汞齐烧熔再倒进的灯管都是低K值灯管，因此排气工艺中要避免主汞齐烧结。

“辉光”困难是汞齐灯管在排气中常见的现象。在排气工艺中阴极分解、激活以后都有一道“辉光”的工序。“辉光”是利用灯丝自身的电位差在Ar气环境中灯丝二端产生弧光放电——小电弧。其作用是补偿灯丝分解时的冷端效应，使灯丝二端补充分解电子粉，同时也可以检验前道分解和激活工序的质量。

在汞齐灯管中，由于辅汞齐靠近灯丝而影响灯丝附近的电场，产生“辉光”困难。有些灯管厂在使用汞齐的初期黄黑率很高，其原因就在于此。如按照液汞灯管的辉光规范来辉光，汞齐灯管往往辉光不起来，灯管老练时黑点黑斑率高。如加大灯丝电流使汞齐灯管辉光到像液汞灯管一样“发白”，则由于灯丝中段过热，排气车上即产生“黄斑”。解决“辉光”困难的关键是尽量减少辅汞齐对灯丝的影响（如前所述）。适当调整阴极的分解辉光规范也是必要的，黄黑率可以控制到低于液汞灯管的水平。

⑤老练先保温——使主汞齐释汞后再老练

完成排气工序的灯管，尽管内部已含有主汞齐（和辅汞齐），但如果立即进行老练，许多灯管难以启跳，尤其是在气温低的季节里。这是什么原因呢？因为刚刚完成排气的灯管内，虽然有主汞齐和辅汞齐，但是，主汞齐在常温下释汞很慢，灯管内的汞原子很少，尚未形成饱和汞气压，而辅汞齐此时还仅仅是铟的涂层，汞齐尚未形成，根本没有汞原子可释放。因此，灯管难以形成繁流放电和雪崩电离，从而导致灯管启跳困难。

为了解决这种由于灯管内的初始汞原子不够而引起的启跳困难，必须在灯管老练工艺中首先对灯管进行保温。使主汞齐加速释汞，尽快使灯管内形成一定的汞气压后再进行老练程序。在工艺实施中，可以将灯管置于100℃左右的环境中（或烘箱中）释汞10分钟，再进行老练工序。这一点在工艺上是不难做到的。尤其是对于自动老练车，只要在灯丝预热的工位上对灯管给予100℃保温10分钟，即很容易地实施“老练先保温”的要求。

经过老练的灯管在以后的使用过程中是否还会再发生启跳困难的现象呢？实践表明，如果采用Bi－Pb－Sn －Hg作为主汞齐即使不用辅汞齐，灯管在0℃低温的环境中也能立即启跳（但启动特性较差，光通量上升较缓）。这是因为室温下Bi－Pb－Sn－Hg的饱和汞气压较高，大约是液汞的55％，所以在低温也不会发生启跳困难。如果采用Bi－Sn－Hg作为主汞齐而不用辅汞齐，灯管在0℃低温下则难以启跳。因为Bi－In －Hg在常温下的饱和汞气压很低，大约仅是液汞的18％。因此，Bi－In－Hg一般不能单独作为主汞齐使用，必须与辅汞齐联合使用，－10℃也能正常启跳。

本文发表于：

《21世纪稀土节能光源创新研讨会论文集》2000年10月。