固態汞知識

2024年2月29日發(作者：陳官莊)

固汞在低氣壓氣體放電燈中的應用

一、固汞的分類

我國古代將“合金”稱為“齊”，汞與其它金屬組成的合金叫汞齊。汞齊種類很多，也有多種制造方法。燈用汞齊有：Zn-Hg、Bi-Pb-Sn-Hg、Bi-In-Hg等，也包括Zn、Ni、Hg圓柱體汞齊。

固態汞指汞大部分以原子或微細汞粒形式吸附在載體中的含汞固體混合物。如：Fe、Cu等金屬與汞組成的圓柱體固態汞，該固態汞中也含少部分汞齊，這種固態汞汞蒸汽壓溫度特性幾乎與液汞完全一樣

我們將汞齊和固態汞統稱為固汞，固汞常溫下呈固體態。

1、固汞按制造方法、顆粒形狀分：熔融滴制法，顆粒為球體，產品有Zn-Hg、Sn-Hg、Zn-Sn-Hg、Bi-Sn-Hg、Bi-Pb-Sn-Hg、Bi-In-Hg、In-Pb-Hg等球丸;壓制法，顆粒常為圓柱體，產品有Zn、Ni、Hg圓柱體汞齊，Fe、Cu、Hg圓柱體固態汞。

2、固汞按控制汞蒸汽特性可分為兩大類：

一類是非控制汞蒸汽壓型，包括固態汞和部分汞齊。這類固汞特點：

① 蒸汽壓隨固汞溫度變化的規律與液汞接近，溫度低，汞蒸汽壓低，溫度高，汞蒸汽壓高，對應飽和汞蒸汽壓為0.8Pa或1.0Pa的溫度不同。

②光輸出從90%到100%波動對應的連續的工作溫度——下稱ΔT90約25℃，光輸出從95%到100%波動對應的連續的工作溫度——下稱ΔT95約15℃，缺乏一個使光輸出穩定的較寬的工作溫度區域。

③低溫或常溫下飽和汞蒸汽壓略小于液汞。

這類固汞一般均不需要輔助In網幫助啟動，用于代替液汞。

另一類為控制汞蒸汽壓型，如：Bi-Pb-Sn-Hg、Bi-In-Hg、In-Pb-Hg等，這類固汞能在較寬的溫度區域將汞蒸汽壓控制在1.0 Pa附近，固汞工作于較高的溫度下仍可使燈獲得高光效。控制汞蒸汽壓型固汞隨各金屬元素組份不同，其工作溫度區域ΔT90、ΔT95不同。ΔT90一般大于35℃，ΔT95大于25℃。控制汞蒸汽壓型固汞一般均需要輔助In網幫助啟動。

3、固汞按熔融溫度高低分為：高熔融溫度固汞(一般指熔融溫度高于180℃

二、固汞的主要性能

固汞的主要性能參數包括：

1、汞蒸汽壓溫度特性曲線：

特性曲線包括：最佳工作溫度、ΔT90溫度范圍、ΔT95溫度范圍、高低溫汞蒸汽壓變化趨勢等相關參數。

(注：CWAIB為Zn-Sn-Hg ，CWISB為Sn-Hg，CWORB主要成分為Bi、Pb、Sn、Hg ，CWRTB主要成分為Bi、In、Hg，CWOTB主要成分為In、Pb、Hg，后面的數字表示含汞比例。)

2、汞的有效率。汞的有效率指特定的工作溫度下，固汞能不斷釋放的汞量占固汞含汞量的百分比。

3、汞的蒸發速度。固汞因其結構不同，合金性能不同，汞的蒸發速度也不同。如部分Sn-Hg在50℃時，達到飽和汞蒸汽壓1.0Pa的時間較長，不宜放入燈內使用，如放入燈內使用，需要烤汞。Zn-Hg(含Hg 50%)、Zn-Sn-Hg(含Hg 48%)在45℃時，達到飽和汞蒸汽壓1.0Pa的時間較短。同一固汞在不同溫度下，達到飽和汞蒸汽壓所需的時間也不同。

4、固汞固、液相點溫度及熔融溫度。固相點溫度表示在該溫度及該溫度以下固汞為固態，液相點溫度表示該溫度及超過該溫度固汞完全為液態，熔融溫度指固汞熔融變形溫度，熔融溫度低于液相點溫度。

5、固汞釋汞后汞蒸汽壓溫度特性。隨燈燃點時間延長，固汞中汞不斷被消耗，含汞比例減少，釋放一部分汞后的固汞汞蒸汽壓溫度特性會發生變化，不同固汞變化情況不同。如：含汞6%的Bi-Pb-Sn-Hg與失去部分汞變成含汞4%的Bi-Pb-Sn-Hg，含汞50%的Zn-Hg與失去部分汞變成含汞30%的Zn-Hg，釋汞前后汞蒸汽壓溫度特性有差異。制燈企業在設計、選擇、使用固汞時均要考慮，使用固汞的燈，其光衰由燈固有的光衰(只考慮使用液汞時，雜質氣體、熒光粉等與固汞無關的工藝因素決定)、汞原子的遷移過程、固汞特性變化引起的光衰綜合決定。

6、固汞吸汞特性。不同固汞對燈內汞原子的回吸量和回吸速度不同，同一固汞在不同溫度下回吸量和回吸速度也不同。固汞回吸燈內的汞原子會導致再次燃點時燈光輸出爬升慢。

7、固汞溢汞、表面粘連特性。固汞受溫度、振動、氧化或其它因素影響，汞會溢出固汞表面，導致顆粒粘連。部分固汞存在一定程度的溢汞，含汞量高的Zn-Sn-Hg溢汞嚴重，需要表面處理，添加其它金屬可減少溢汞，但可能會降低固汞的汞有效率。

8、其它需要綜合考慮的特性。如合金中各金屬的蒸汽壓、成本等。有的金屬蒸汽壓大，過高的溫度長時間烤汞可能對燈參數有影響，如金屬Zn。

三、如何設計選擇固汞

1、選擇固汞前應明確：

①最佳發光效率對應最佳汞蒸汽壓。253.7nm輻射效率與汞蒸汽壓有關，當汞蒸汽壓小于最佳汞蒸汽壓Po，隨汞蒸汽壓升高，汞原子碰撞機會增多，253.7nm的輻射效率提高，當汞蒸汽壓高于最佳汞蒸汽壓Po，隨汞蒸汽壓升高，汞原子產生的253.7nm輻射被相鄰汞原子吸收，即共振吸收，253.7nm輻射效率降低。不同規格的燈，其光輸出隨汞蒸汽壓變化的規律不同。

②固汞和液汞的汞蒸汽壓在低氣壓氣體放電燈中均為飽和汞蒸汽壓，不同固汞飽和汞蒸汽壓為1.0Pa對應的溫度不同。

③隨固汞的放置位置、燃點方向不同，燈內的汞原子分布存在梯度，汞原子會向更低汞蒸汽壓的冷端遷移。

2、固汞使用原則:

能用低溫固汞的不用中溫固汞，能用中溫固汞的不用高溫固汞。一方面是啟動爬升性能：低溫固汞優于中溫固汞，中溫固汞優于高溫固汞。另一方面是成本：低溫固汞低于中溫固汞，中溫固汞低于高溫固汞。

選擇使用固汞的步驟：

1、根據固汞要求的工作溫度區域確定固汞的類型。

①管電流密度、固汞放置的位置、燈的結構決定了固汞的溫度。

②燈的離散性、燃點方式及相應的參數要求，決定了固汞的工作溫度區域。如要同時保證燈頭朝上與燈頭朝下燃點的光通輸出，應選擇工作溫度區域寬的固汞。

③固汞的工作溫度區域確定了固汞的類型。

④確定固汞的類型要同時分析清楚燈內除固汞外的控制、影響汞蒸汽壓的控制源，這種控制作用給燈帶來什么影響，避免多個控制源引起燈長時間不穩定。

2、確定固汞的大小和粒數。

①根據排氣管的大小，確定固汞的大小。

②燈內注汞量及每個固汞顆粒含汞量決定固汞的顆粒數。

③一般不將固汞放入燈內，避免劃粉。

3、根據所選擇固汞的型號制定配套工藝，包括固汞注入方式及保證排氣管留長長度。

①固汞的型號決定了其熔融溫度。熔融溫度高的固汞可采用固汞上注入的全自動圓排氣機，熔融溫度低的固汞不宜采用固汞上注入的全自動圓排氣機，排氣管朝上的全自動圓排氣機由于燈管離開烘箱后排氣管溫度仍然很高，固汞下落并存放于排氣管中，熔融溫度低的固

汞會軟化變形、熔融掉入燈內。使用熔融溫度低的固汞建議使用排氣管朝下的圓排氣機生產，固汞采用機械或人工預注入方式。

②固汞溫度與排氣管留長長度和固汞限位方式密切相關，制燈工藝應滿足排氣管留長長度和放置方便的需要。

③固汞自動注入裝置應加冷卻水套將溫度控制在25℃以下，并同時采用惰性氣體密閉保護，可更好地避免固汞由于高溫、轉動引起溢汞粘連，同時減少汞向生產場地擴散。

4、根據排氣管的留長長度決定整燈的結構。

選擇固汞一般可按上述順序設計，但前后順序又交互影響，要綜合考慮，整體設計，在此不一一列出。以下就最常用的幾種燈及所用固汞作一介紹。

四、直管型熒光燈用固汞

目前國內T10、T8、 T5直管型熒光燈固汞放置有兩種方式，一種是置于燈內，優點是生產方便，成本低;缺點是燈在振動的儲運過程中易劃粉，選擇這種工藝應考慮盡可能使用高含汞量、熔融溫度高的小顆粒球丸固汞，放多粒。小顆粒球丸固汞是為了減輕劃粉，用熔融溫度高的固汞是為了避免固汞在圓排機排氣后粘連，小顆粒球丸固汞變成大顆粒，大顆粒易劃粉。

另一種方法是置于排氣管中：

1、根據固汞要求的工作溫度區域確定固汞的類型。

首先應測試排氣管的溫度，方法是在燈頭中開小孔將點溫探頭固定在對應固汞位置的排氣管外壁，在燃點條件下測試排氣管外壁溫度，40-45℃可用Fe、Cu、Hg固汞，Zn、Ni、Hg固汞，Zn-Hg球丸，Zn-Sn-Hg球丸，45-55℃可用Bi-Zn-Hg球丸。T10、T8、 T5直管型熒光燈常溫25℃下燃點，排氣管內的溫度較低，應選擇使用工作溫度低、低溫下汞有效率高的固汞代替液汞。

T10、T8、 T5直管型熒光燈不宜使用含汞量低的Zn-Hg(如含汞20-30%)、Zn- Sn-Hg(如含汞20-35%)，低含汞量的固汞工作溫度略高，低溫汞有效率低，不符合燈的需要。在試驗條件下我們測得：Zn-Hg(含Hg 50%)在50℃、90℃汞有效率約為90%，Zn-Hg(含Hg 20%)汞有效率約為55%，Zn-Sn-Hg(含Hg 48%)汞有效率約為88%。造成上述固汞汞有效率不能達到100%是由于一部分汞溶解在Zn中不能釋放，一部分汞與Sn結合成化合物，在測試溫度下釋放慢的緣故。T10、T8、 T5直管型熒光燈用固汞的金屬成分中應避免使用Cu，Sn含量盡量低。

2、確定固汞的大小和粒數。

T10、T8、 T5直管型熒光燈排氣管普遍較大，一般用一粒即可。

①、采用夾扁排氣管使固汞存留在排氣管內的方法時，為保證排氣抽氣速率，夾扁不宜

過深，同時又要阻止固汞掉入燈內，應選擇大顆粒固汞，可用Fe、Cu、Hg固汞，Zn、Ni、Hg固汞，這種方法芯柱制造成本低，固汞成本略高;

②、采用大排氣管內置一短小排氣管使固汞存留在排氣管內的方法時，固汞顆粒可小些，可用Fe、Cu、Hg固汞，Zn、Ni、Hg固汞，也可用Zn-Hg球丸，Zn-Sn-Hg球丸，這種方法芯柱制造成本高，固汞成本略低。

3、根據所選擇固汞的型號確定制燈工藝。

上述固汞熔融溫度均較高，可采用固汞上注入的全自動圓排氣機生產，排氣管留長長度應使固汞溫度與固汞的工作溫度相適應。

4、根據排氣管的留長長度決定整燈的結構。

在粗管徑直管型熒光燈中排氣管內溫度較低，如縮短排氣管的留長長度，仍不足以提高固汞的溫度，可考慮對燈頭泥材料或燈頭上稍作改進，進一步提高固汞的溫度來提高光輸出。

考慮未來燈內含汞量標準進一步降低的發展趨勢，同時考慮同一圓排氣機在不同時間使用三基色粉(固汞含汞量小于5mg)和鹵粉(固汞含汞量小于10mg)生產更替方便，建議使用壓制生產的固汞。如Fe、Cu、Hg圓柱體固汞，Zn、Ni、Hg圓柱體固汞。這種固汞可以做到含汞量2.5mg、4.5mg、9.0mg的顆粒均為同一尺寸，使用時不會因為三基色粉和鹵粉轉換而需要更換固汞裝置。這種固汞通過添加Fe、Cr、Ni等金屬粉使固汞性能不改變而顆粒變大，熔融法生產的球體固汞要保證固汞性能不改變而顆粒變大是難以實現的。

Fe、Cu、Hg固汞不易出現汞回吸，但表面易溢汞，引起顆粒含汞量不均勻，對運輸儲存條件要求高。Zn、Ni、Hg固汞表面不易溢汞，顆粒含汞量均勻，運輸儲存條件要求低，常溫汞回吸比Sn-Hg要少，綜合性能較好。球體的Zn、Ni、Hg固汞使用更方便，是我們期盼的一種較理想球丸。

五、緊湊型熒光燈裸燈用固汞

緊湊型熒光燈由于排氣管內徑普遍較小，一般使用球丸形固汞。

1、根據固汞要求的工作溫度區域確定固汞的類型。

當固汞放于排氣管中，固汞溫度可能達到100℃，使用中、高溫固汞成本高，需要輔助In網，生產工序復雜。是否一定要用中、高溫固汞呢?

①在燈頭朝上燃點時，固汞溫度約100℃，我們可以將三U管分為六支直管來分析，放固汞的一支，固汞端為熱端(約100℃)，另一彎管端為冷端(約43℃)，如使用低溫固汞，熱端汞蒸汽壓均遠大于1.0Pa，在這支直管中汞蒸汽壓呈梯度分布，發光效率略低，但另五支直管中汞蒸汽壓受冷端控制，發光效率高，燈總的發光效率接近液汞。這種情況下，盡管固汞溫度達到100℃，但只要控制好冷端溫度，燈發光效率仍然很高，燈長時間燃點后，固汞中的汞主要沉積在冷端，燈由微動態進入穩定態，完全可以用低溫固汞。

②在燈頭朝下燃點時，固汞溫度約80℃，無合適冷端，燈發光效率低，但可加長排氣管的長度，降低固汞溫度，使固汞溫度接近其最佳工作溫度，提高燈的發光效率。雙U緊湊型熒光燈類似。

裸露式雙U、三U、雙Π、三Π、雙UΠ、三UΠ緊湊型熒光燈從燈發光效率考慮，在燈頭朝上燃點時，Zn-Hg、Zn-Sn-Hg、Bi-Zn-Hg、Sn-Hg 、Bi-Sn-Hg均可放于排氣管中使用，使用成本低。

不同固汞工作溫度不同，低溫汞飽和蒸汽壓也不同。

低溫汞飽和蒸汽壓：10℃飽和汞蒸汽壓：液汞%26gt; CWIS-20%26gt;

CWARB-15%26gt;CWAIB-48 %26gt;Zn-Hg (50%)%26gt;CWIRB-15%26gt;CWLS-20，25℃飽和汞蒸汽壓：液汞%26gt; CWISB-20%26gt; CWAIB-48%26gt; CWARB-15%26gt; CWLS-20 %26gt;

CWIRB-15%26gt; Zn-Hg (50%)。

啟動性能除了考慮低溫汞飽和蒸汽壓，還要考慮汞回吸的影響，除Fe、Cu、Hg固汞外，目前所有固汞產品均存在汞易回吸現象，不同固汞回吸速度、回吸量不同，由于常溫真實狀態下測試時間長，目前測試數據不充分。理論上Sn-Hg、Bi-Sn-Hg由于合金中Sn與Hg原子數之比較大，易形成化合物，汞較易回吸，另外合金表面光亮致密，汞蒸發速度慢，燈如未經烤汞釋汞，長期存放后，易引起燈的光輸出爬升慢。Zn-Hg、Bi-Zn-Hg也存在汞回吸現象，在43℃以下，Zn與Hg也有化合物，Bi與Hg不會形成化合物，從形成化合物的角度看，Bi-Hg、Bi-Zn-Hg(少量Zn)，燈常溫長期存放后，燈的啟動爬升性能優于Sn-Hg，這一點還有待更多的測試數據證明。Bi-Sn-Hg存在類似Sn-Hg長期存放后光輸出爬升慢的問題，部分企業使用Bi-In-Sn-Hg、Bi-Pb-Sn-Hg，不加In網尤其要注意燈長期存放后的爬升特性，因為In、Pb吸汞能力更強。綜合考慮我們建議緊湊型熒光燈裸燈使用Zn-Hg、Zn-Sn-Hg(含Sn應低于15%)、Bi-Zn-Hg。

2、確定固汞的大小和粒數。

排氣管內徑大于1.8mm可選擇一粒Bi-Zn-Hg，排氣管內徑大于1.4mm可選擇一粒Zn-Hg或Zn-Sn-Hg，排氣管內徑小于1.2mm可選擇兩粒Zn-Hg或Zn-Sn-Hg。典型Zn-Hg、Zn-Sn-Hg由于含汞比例高，顆粒小，典型Bi-Zn-Hg由于含汞比例低，顆粒大。目前市場上這三種固汞的含汞量分別為：Zn-Hg含Hg 50%、Zn-Sn-Hg含Hg 40-50%、Bi-Zn-Hg含Hg 10-15%。

3、根據所選擇固汞的型號確定制燈工藝，包括固汞注入方式及保證排氣管留長長度。

Zn-Hg、Zn-Sn-Hg、Bi-Zn-Hg固汞熔融溫度均較高，可采用固汞上注入式全自動圓排氣機。燈頭朝下燃點時，排氣管留長長度盡量長，使固汞溫度與固汞的工作溫度相適應。

4、根據排氣管的留長長度決定整燈的結構。

在電子節能燈中，電子整流器線路板上應留孔并滿足排氣管留長長度的要求，保證固汞的溫度符合設計要求，固汞的溫度不僅由燈的規格、排氣管留長長度決定，也和電子整流器

性能及整燈的結構有關。

小結

各國都在尋求降低能耗、減少有害物質排放的辦法，緊湊型熒光燈作為成熟的高效光源，將迎來空前發展，隨著減少有害物質排放標準嚴格實施，熒光燈降低汞污染的形勢將更加緊迫。

液汞由于表面張力難于微量準確稱量，準確注入，液汞耗散在生產場地難以清理干凈，不利環保;液汞在高于60℃溫度下，汞蒸汽壓大于3.0Pa，光輸出明顯降低。固汞能準確控制燈內的注汞量，降低燈壽命期結束后對環境造成的污染，降低生產場地的汞污染，能使高管壁負載的緊湊型熒光燈獲得高光效。固汞取代液汞是目前較理想的選擇，也是發展的方向，國內外制燈企業正加快固汞取代液汞的步伐。但固汞也有一些缺點：成本高，光輸出爬升慢等。

隨著產品質量要求的提高，固汞生產企業也將面臨更多的考驗，一方面要不斷創新，設計新產品適應新要求，嚴格把好產品質量關，另一方面要嚴格控制固汞生產生產場地的汞污染，確保廢氣、廢水、廢渣的排放符合國家相關標準。制燈企業一方面要對固汞有充分認識，統籌設計，正確選擇使用固汞，提高燈的質量，另一方面也要嚴格控制制燈生產場地的汞擴散污染。

從我們與許多制燈企業交流情況看，制燈企業對固汞的特性缺乏充分了解，對固汞與制燈工藝配套認識不足，整體設計意識不強。使用固汞的熒光燈潛伏著一些問題，直管型熒光燈用固汞普遍忽視汞有效率的問題，某批次或部分產品可能壽命達不到要求，帶罩緊湊型熒光燈用固汞普遍忽視固汞熔融溫度及工作特性問題，燈的離散性大。要把固汞做好，把燈做好，固汞生產企業與制燈企業應充分交流，密切配合，共同提高。

對固汞的研究還有許多工作要做，在此僅就目前固汞的情況及使用情況作一介紹，拋磚引玉，請我們專家、同行批評指正，交流提高，讓固汞產品能更好適應燈的要求，促進高效節能，綠色環保照明的發展。