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
臂处紧密地绕上线圈，直至线圈电感达约25uH左右。

灯泡内壁涂有三基色荧光粉。

灯泡内的充气有两种方案，分别为充1000Pa的Ne-Xe混合气，Ne:Xe=7:3和充20Pa的He-Xe混合气，He:Xe=98:2。

充氙气的好处是，相比于其他稀有气体，其辐射频率接近253.7nm，斯托克斯位移小，辐射的荧光粉转换效率高。

实验原理图如下：
图三实验原理图
图四实验装置
图三图四是实验装置。

高频信号发生器（NF WF1943A）接功率放大器（NF HSA4101）作为电源电压源。

灯泡线圈与电容的串联构成一个LC谐振电路，线
圈两端的电压可用电压探头（Tektronix P5205）测得，线圈中的电流可用电流探头（Tektronix TCP202）测得。

调节电压频率至电路谐振点时，谐振发生，灯泡即被点亮。

将灯泡放入积分球内可测出灯泡的光通量。

调节电压频率以测得不同频率下的光通量以及启动电压。

借此可以分析得到光通量及启动电压对应于频率的曲线关系，以确定最佳的工作频率。

2.实验结果与分析：
图五、图六所示为不同填充成分的灯管的启动电压、启动电流随频率的变化关系。

这里需要说明的是，本文所提到的启动电压和启动电流与普通有电极结构的光源的启动电压和启动电流的意义略有不同。

对于普通光源来讲，如果灯管两端电压不够高，那么灯就不会点亮，电路中也不会有电流。

因此，对于普通光源来讲，启动电压和电流对应了灯管启动瞬间的情况。

在灯启动的瞬间，回路中有了电流，那么此时灯两端的电压就是启动电压，而这个电流也就是启动电流。

本实验中的情况有所不同。

由于灯管线圈和电容构成了一个LC谐振回路，所以，即使灯管没有击穿，回路中也会有电流，电压探头也会测得电压。

当调节信号源的频率时，回路中的感抗和容抗会发生变化。

在接近LC谐振频率时，灯管线圈两端电压会急剧增大，电流急剧升高；此时，灯管有可能击穿。

那么，在击穿的瞬间，电压探头测得的电压并非传统意义上的启动电压。

然而，这一电压仍能反映灯管击穿的难易程度。

同理，击穿瞬间测得的电流也并非传统意义上的启动电流，不过，它也能反映灯管启动的难易程度。

在电路谐振点附近，改变加在线圈上的电压频率，用电压传感器（Tektronix P5205）测线圈两端的电压，用电流传感器（Tektronix TCP202）测线圈中的电流，可得到启动电压和电流与频率的关系。

2.1启动特性
从图五中我们可以看出，填充了1000Pa稀有气体的泡壳启动电压最高，超过了1300V；而填充了20Pa稀有气体的泡壳的启动电压在600V ~ 700V之间。

这一现象说明现有灯管的启动特性位于帕邢曲线的右侧，即气压越高启动电压越高，气压越低启动电压越低。

另外，我们还可以发现，灯管的启动电压并未随频
率变化而出现大幅变化。

从图六中我们可以看出，充气压力高的灯管的启动电流高。

同样充He-Xe的泡壳，含有汞的泡壳的启动电流略高。

另外，灯管的启动电流表现出了明显的随频率变化的趋势。

频率高的时候启动电流小，频率低的时候启动电流大。

从图五、六中还能看出，充He-Xe混合气20Pa及充He-Xe混合气20Pa外加汞齐的两个灯泡，其启动电压及电流随频率变化曲线基本重合，故充汞与否对启动电压及电流的影响不大。

启动电压与电流随频率变化的曲线关系可以由如下解释：令V c为线圈上的电压，V2为灯泡内的感应电动势，则有V c= V2·N/√k，其中N为线圈匝数，k是线圈与激发产生的等离子体之间的耦合系数。

令灯泡启动所需的场强为E st，则有E st= V2/L=V c·√k/（N·L）,L为等离子体的长度。

因为灯泡启动所需的场强、等离子体的长度和耦合系数均不随频率变化，故启动电压V c不随频率变化。

实验中所用的频率f是兆赫兹级的，电感量为25uH左右，又有ω=2·pi·f,那么ω·L就几百欧左右，远大于线圈电阻，故电阻可忽略。

随着频率增加，感抗增加，因启动电压V st不变，则根据公式V st=Z c·I st≈ω·L·I st[4]，Ist将减小。

这个结论也与实验结果相符。

2.2 工作点参数
2.2.1匹配网络频率
改变电路匹配网络的频率会对灯的管压及电流产生较大的影响，对在LC串联谐振电路中，电容值为136pF，灯上缠绕线圈的电感值为26.4uH, 由公式 2LC=1, 可知其谐振频率在2.6M附近，分别在电路中接上氦氙灯与氖氙灯，测试其在谐振点频率附近电光参数随频率的变化关系。

图七和图八分别显示了氦氙灯和氖氙灯工作时电压和电流与频率偏离谐振点位置的关系。

由于氖氙灯充气压较高的关系，其工作时的管压降也要较氦氙灯高，达420V。

同样，氖氙灯在谐振点附近的工作电流也要比氦氙灯大20%左右，超过1.2A。

在谐振点附近，灯的管压与电流对频率极为敏感，仅9%频率的变化，即可导致电流下降一半。

分析其原因应该是由于线圈电感较大，而导线电阻远远小于高频时的感抗值，因此电感品质因素较高，但使得其带宽较窄。

虽然这使得灯对电源电压的频率稳定性提出了较高的要求，但也同时带来了灯两端电压可以大大高于电源电压的优点，帮助灯管顺利启动。

当频率继续向着远离谐振点移动时，随着灯管压下降至最大值的74%附近，等离子体放电模式由H放电转向E放电，此时光通急剧下降，电流也随之下降为最大值的75%左右。

进一步使得频率偏离谐振点后，发现灯管熄灭。

2.2.2氦氙灯与氖氙灯的光效对比
将灯放入光通球后，在灯的两端加上电压探头与电流探头，可以在示波器中检测出两者相位差。

这样我们就可以同时得到灯在固定谐振点的情况下，光效随
将之前得到的对应频率下的电压与电流值与相位的余弦值做乘积，可得到不同频率下灯管的实际工作功率。

这样灯的光效就可求出：光效=光通/功率。

根据D Uhrlandt的模型，在氦氙等离子体放电过程中，随着总气压的升高，产生紫外辐射的损失从30%下降到11%，电离损失从11%下降到3%，双极性扩散损失从17%下降到3%。

从图中可以很清晰地看到在其他条件相同的情况下，主要的能量损失来自于电子的弹性碰撞损失[6]。

然而氦氙灯较之与氖氙灯有更高的光效。

其主要原因却是由于氦氙灯内离子复合损失和双极性扩散损失更小。

虽然用原子量较重的氖代替氦可以减少弹性碰撞带来的能量损失，但由于氖的有效碰撞界面小于氦，激发电位也更低，将会导致更高的电离能量损失以及双极性扩散损失。

因而考虑所有的能量损失之和后，氦氙混合等离子体的总能量损失反而更小。

图十 D Uhrlandt氦氙等离子体能量损失模
型L VUV紫外损失L IR红外损失L el弹性
碰撞损失L diff亚稳态扩散损失L e双极性扩
散损失
2.2.3无汞灯与有汞灯的光效对比
(1)尽管氙相比其他稀有气体来说，辐射出波长最长的紫外光，从而降低斯托克斯位移损失，但其缺点也是显而易见的：（a）氙发光的亮度并不高（b）氙发光的正柱区容易收缩，而收缩的正柱区会减少激发荧光粉的紫外辐射，从而降低光效。

(2)灯在E放电情况下可以发出光色十分令人满意的白光，然而在H放电下，尽管有更高的亮度，但光色却偏红，其波长位置位于视觉函数的较小区域，影响了光效的提高。

(3)线圈的遮挡效应：线圈在灯管上耦合的部分为灯电场强度最高的区域，也同时为发光强度最大的区域。

但由于导线的遮挡效应，这部分的光不能有效的散
发出来[7]。

(4)导线上的功耗损失：由于灯管要放入积分球内测量光通，实际导线需要加长，然而导线的加长意味着系统电阻的增加，由于LC谐振对电路的要求较高，导线加长一倍即意味着干路电流相应减小一倍，从而灯管两端压降也减小一倍，不仅影响了灯的启动特性，也耗散了相当大的一部分功率。

(5)灯管结构：灯管体积相比线圈来说过小，H放电时，环形磁路有严重泄露。

导致相当大的一部分能量不能通过电磁场有效地耦合进等离子体内[8]。

3实验总结：
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。

无汞灯相较充汞灯除在环保方面外，还有一些诸如启动特性和光维持性等其他优点。

因此也是许多人视为光源前进与发展的一个重要方向。

相信随着后续进一步的研究，还有很多值得深入研究的机理与现象，还可以在放电结构与配比参数做出更大的改进。

参考文献:
1Masafumi Jinno, Shuji Takubo, Yuji Hazata2005 J. Phys. D: Appl. Phys. 38
2 D Uhrlandt, R Bussiahn, S Gorchakov 2005 J. Phys. D: Appl. Phys. 38
3 A. K. Shuaibov, I. A. Grabovaya 2007 Instruments and Experimental Techniques,, Vol. 50
4 Oleg Popov and Jakob Maya 2000 Plasma Sources Sci. Technol. 9
5 Oleg A Popov and Robert Chandler 2002Plasma Sources Sci. Technol. 11
6 S Gortchakov and D Uhrlandt2005 Plasma Sources Sci. Technol. 14
7 Eugen Statnic and Valentin Tanach2006 Plasma Sources Sci. Technol. 15
8 Eugen Statnic and Valentin Tanach2004 Plasma Sources Sci. Technol. 13
9 A. P. Golovitski., and S. V. Lebedev, Opt. Spektrosk. 82, 251 ~1997!
10 Muguruma Y, Matsuda T, Takubo S, Motomura H and Jinno M, Proc. of Light ourcesWorkshop(Matusyama, Japan) (2005) 122-123
11 Jinno M, Muguruma Y, Matsuda T, Motomura H and Takubo S, J. Light & Vis. Env. 30 (2006)55-57。