无汞荧光灯的研究

无汞荧光灯的研究

唐效峰石挺

指导教师陈育明

摘要：现有的荧光灯具有节能高效，显色性好等优点，因而被广泛应用在日常生活中的各个领域。但荧光灯含有对人体有害的汞，每年数十亿支灯管的产量给环境埋下了巨大隐患。本文通过采用高频无极放电，对无汞荧光灯的光效及其启动电参数做了测试与分析。发现在启动特性上，从实验中可以看出，灯管的启动电压与启动频率无关，而启动电流随频率的上升而下降。在灯工作时，其对频率变化十分敏感，约10%的频率波动即可使其电压与电流下降一半左右。氦氙灯由于较小的电离损失和双极性扩散损失，光效要较氖氙灯更高。

关键词：无汞荧光灯高频无极放电

Abstract: The current fluorescent lamps have the advantages of saving energy and high CRI and are widely being used in various fields of daily life. However, mercury, the poisonous vapor contained in billions of lamps manufactured every year, has brought tremendous potential hazard to our environment. In this paper, we apply rf electrode less discharge and calculate the luminous efficacy. The starting voltage and current were also recorded. It is found that the starting voltage is independent on the operating frequency while the starting current rises with the frequency. While the lamp works under the proper conditions, the lamp is quite sensitive to the change of frequency. Only 10% change of the frequency can result to the drastic drop of voltage and current to 50%. The He-Xe lamp has a higher luminous efficacy than the Ne-Xe lamp due to less ionization loss and ambipolar loss.

引言（前言）

毫无疑问，无汞荧光灯的研究所带来的最大好处就是对环境的保护。以目前国内厂商的生产水平来看，每支荧光灯内含汞量大约为3-5毫克，而中国每年荧光灯管的产量高达数十亿支。最新研究表明，一支打破的荧光灯管所释放出的汞含量就足以污染一百平方米的空间，可以使人类的大脑，肾脏，肝脏和神经系统遭到不可逆的破坏。因此，含汞产品的生产已经遭到越来越多的各国政府实体的限制，欧盟已经颁布了WEEE指令等一系列条款来减少汞在产品中的应用。

另一方面，无汞荧光灯在电光特性及化学稳定性上都要比一般的含汞荧光灯更胜一筹。具体表现为以下几点：

1.带来灯启动特性的改善，瞬间达到最大光输出。（微秒数量级）

2.一般荧光灯在温度太低时，汞蒸气压太低不足以与氩气产生潘宁效应，造成

荧光灯难以启动，而无汞荧光灯则没有这种问题。

3.普通荧光灯中的汞会和灯管中的钠离子形成钠汞合金，附着在荧光粉上，降

低荧光粉的发光效率，无汞荧光灯则光衰较小。

许多研究工作者已经提出了新的高效无汞荧光灯的方案。这些新方案及时地提供了各种可行的含汞荧光灯的替代品：在Hilbig和Hatta的研究基础上，Jinno 也对分子辐射光源做出了探索。由于Ar的亚稳态能级与N2的C3Πu能级接近，且两者质量接近，所以可以预计Ar的亚稳态能量转移效率较高。Jinno因此采用

9.3Kpa的99.9:0.1的N2+Ar作为工作气体。工作时，亚稳态Ar将能量给N2并使其辐射出波长范围在300—400nm的近紫外，因此可以较小的斯托克斯位移损失为代价激发荧光粉发光，但由于热辐射耗散功率过大，该方案的荧光灯光效为7lm/w[1]。Jinno等人还尝试过使用介质阻挡放电原理制作无汞灯[10][11]。他们的方案为在石英管内充入1.33kPa的7：3的Xe和Ne，在管壁外交替缠绕阴极和阳极，并用30KHz的交流电产生介质阻挡放电，实际样品的功率为8.5w，表面亮度为10000cd/m2，虽然亮度较一般无汞灯高，但要作为实际的LCD显示背光源或复印机光源，其亮度仍与所需要求有一定距离。A. P. Golovitski对Xe作为汞的替代气体方案做了一系列详细研究。在放电结构上，他采用高频无极放电，使Xe+Cl2气体在灯管内形成准分子放电，并由此激发XeCl2准分子发出308nm的紫外。实验显示，在220V的电压下，使用13.56Mhz的高频放电，可以制成光效达40lm/w的无汞荧光灯，但由于氯对管壁的腐蚀作用，该灯的实际寿命并不长，因此对玻璃腐蚀作用较小的Xe+I2或Xe+BR2的方案将被进一步研究[9]。Xe 由于能产生147nm 紫外，因此也被认为是非常有前途的一种替代气体，D Uhrlandt 研究了以Xe作为工作气体时，各种缓冲气体的组分以及最佳配比和总充气压。研究发现55Pa的98%氦气+2%氙气，其光效最高。A.K Shuaibov则在氩氪氙的混合气体中掺入溴气，从而产生170-310nm带宽的紫外辐射并以此激发荧光粉发光[3]。

在本实验中，我们将对两种不同填充气体的无汞荧光灯进行研究，并将它们的相关特性，如光效、启动特性等与普通充汞荧光灯进行比较。实验所用到的灯管均采用了无电极结构，通过线圈直接绕制的方法以及高频电源，在灯管内感应放电。

1实验装置

实验所用到的泡壳如下图所示：

图一未绕线前图二绕线后灯长8.5cm，宽7.5cm，两纵柱直径均为2.5cm，横臂直径为2cm。在灯泡横