لامپ بخار جیوه

لامپ بخار جیوه چیست؟

لامپ بخار جیوه یکی از قدیمی ترین انواع لامپ های تخلیه گازی است که در روشنایی عمومی و صنعتی کاربرد گسترده ای دارد. این لامپ ها با ایجاد قوس الکتریکی در بخار جیوه تحت فشار، نور تولید می کنند. بازده نوری نسبتاً بالا و طول عمر طولانی از ویژگی های بارز این لامپ ها محسوب می شود.

اصول کار لامپ های بخار جیوه بر پایه تخلیه الکتریکی در گاز است. هنگامی که جریان الکتریکی از میان بخار جیوه عبور می کند، اتم های جیوه برانگیخته شده و در بازگشت به حالت پایه، انرژی را به صورت نور مرئی و فرابنفش ساطع می کنند. این فرایند فیزیکی باعث تولید نور با طیف خاصی می شود که معمولاً رنگ سفید متمایل به آبی دارد.

اجزای اصلی لامپ بخار جیوه شامل لوله تخلیه کوارتز، الکترودها، گاز جیوه و گاز بی اثر (معمولاً آرگون) است. لوله کوارتزی به دلیل مقاومت بالا در برابر حرارت و شفافیت برای عبور نور فرابنفش انتخاب می شود. این لوله در داخل یک محفظه شیشه ای بزرگتر قرار می گیرد که با فسفر پوشیده شده است.

کاربردهای اصلی لامپ های بخار جیوه شامل روشنایی خیابان ها، پارک ها، کارخانه ها، سالن های ورزشی و فضاهای بزرگ باز است. با این حال، به دلیل مسائل زیست محیطی و مصرف انرژی نسبتاً بالا، در بسیاری از کشورها استفاده از این لامپ ها محدود یا ممنوع شده است و جای خود را به تکنولوژی های جدیدتر مانند LED داده اند.

تاریخچه و تکامل لامپ های بخار جیوه

اولین نمونه های لامپ بخار جیوه در اوایل قرن بیستم توسط مهندسان و دانشمندان مختلف توسعه یافت. مخترع آمریکایی پیتر کوپر هیویت در سال 1901 اولین لامپ بخار جیوه عملی را ثبت اختراع کرد. این لامپ های اولیه بازده نوری بهتری نسبت به لامپ های التهابی آن زمان داشتند اما نور آنها فاقد بخش قرمز طیف بود.

در دهه 1930، پیشرفت های تکنولوژیکی منجر به توسعه لامپ های بخار جیوه با پوشش فسفری شد که مشکل طیف نوری را تا حدی حل کرد. این لامپ های بهبود یافته توانستند با تبدیل بخشی از نور فرابنفش به نور مرئی، طیف کامل تری ایجاد کنند و رنگ اشیا را طبیعی تر نمایش دهند.

در طول دهه های 1950 تا 1970، لامپ های بخار جیوه به طور گسترده در روشنایی عمومی مورد استفاده قرار گرفتند. تولید انبوه و هزینه نسبتاً پایین این لامپ ها باعث شد بسیاری از شهرها برای روشنایی معابر از آنها استفاده کنند. در این دوره همچنین انواع مختلفی از لامپ های بخار جیوه با توان های مختلف توسعه یافتند.

با ظهور تکنولوژی های جدید مانند لامپ های سدیمی و متال هالید در اواخر قرن بیستم، محبوبیت لامپ های بخار جیوه کاهش یافت. امروزه اگرچه هنوز در برخی کاربردهای خاص استفاده می شوند، اما به دلیل مسائل زیست محیطی و مصرف انرژی، تولید و استفاده از آنها در بسیاری از کشورها محدود شده است.

مزایا و معایب لامپ های بخار جیوه

لامپ های بخار جیوه دارای مزایای متعددی هستند که باعث شد در طول قرن بیستم به طور گسترده مورد استفاده قرار گیرند. مهمترین مزیت این لامپ ها طول عمر بالای آنهاست که معمولاً بین 24000 تا 36000 ساعت است. این مقدار بسیار بیشتر از لامپ های التهابی معمولی است. همچنین بازده نوری نسبتاً خوبی دارند و حدود 35 تا 65 لومن بر وات نور تولید می کنند.

از دیگر مزایای این لامپ ها می توان به توانایی کار در دماهای مختلف محیطی اشاره کرد. برخلاف برخی لامپ های گازی دیگر، لامپ های بخار جیوه عملکرد نسبتاً پایدار در دماهای مختلف دارند. همچنین این لامپ ها پس از روشن شدن به سرعت به حداکثر نوردهی خود می رسند (حدود 5-7 دقیقه) که این زمان نسبت به برخی لامپ های گازی دیگر کوتاه تر است.

با این حال، لامپ های بخار جیوه معایب قابل توجهی نیز دارند. مهمترین مشکل این لامپ ها بازده انرژی نسبتاً پایین آنها در مقایسه با تکنولوژی های جدیدتر است. همچنین نور تولیدی توسط این لامپ ها شاخص نمود رنگ پایینی دارد (معمولاً بین 15 تا 50) که باعث می شود رنگ اشیا زیر نور آنها طبیعی به نظر نرسد.

مشکل دیگر لامپ های بخار جیوه وجود جیوه در ساختار آنهاست که یک ماده سمی برای انسان و محیط زیست محسوب می شود. دفع نامناسب این لامپ ها می تواند منجر به آلودگی محیط زیست شود. همچنین این لامپ ها معمولاً به بالاست خاصی نیاز دارند و نمی توان آنها را مستقیماً به برق شهری وصل کرد که این موضوع هزینه نصب و راه اندازی را افزایش می دهد.

انواع مختلف لامپ های بخار جیوه

لامپ های بخار جیوه در انواع و طرح های مختلف تولید شده اند که هر کدام ویژگی ها و کاربردهای خاص خود را دارند. متداول ترین نوع، لامپ بخار جیوه با پوشش فسفری است که شامل یک لوله تخلیه داخلی و یک حباب خارجی با پوشش فسفر می باشد. این پوشش نور فرابنفش تولید شده را به نور مرئی تبدیل می کند و طیف نور را بهبود می بخشد.

نوع دیگر، لامپ های بخار جیوه بدون پوشش هستند که نور آبی-سبز ساطع می کنند و عمدتاً در کاربردهای صنعتی و فتوشیمیایی استفاده می شوند. این لامپ ها بازده نوری بالاتری دارند اما کیفیت نور آنها برای روشنایی عمومی مناسب نیست. همچنین در برخی کاربردهای تخصصی مانند میکروسکوپ های فلورسانس از لامپ های بخار جیوه فشار بالا استفاده می شود.

از نظر توان نیز لامپ های بخار جیوه در رنج های مختلفی از 40 وات تا 1000 وات تولید شده اند. لامپ های با توان پایین تر معمولاً برای روشنایی محلی و لامپ های با توان بالاتر برای روشنایی فضاهای بزرگ مانند خیابان ها و سالن های صنعتی استفاده می شوند. هر کدام از این انواع به بالاست و تجهیزات راه اندازی خاص خود نیاز دارند.

در سال های اخیر، برخی تولیدکنندگان انواع اصلاح شده لامپ های بخار جیوه را ارائه کرده اند که مصرف انرژی کمتری دارند یا با مواد کم خطرتر ساخته می شوند. با این حال، با توجه به پیشرفت تکنولوژی های روشنایی مانند LED، تولید و استفاده از لامپ های بخار جیوه به طور پیوسته در حال کاهش است و در بسیاری از کشورها برنامه هایی برای حذف کامل آنها وجود دارد.

نحوه عملکرد و اجزای داخلی لامپ بخار جیوه

لامپ بخار جیوه از چند بخش اصلی تشکیل شده است که با همکاری یکدیگر فرایند تولید نور را ممکن می سازند. مهمترین جزء، لوله تخلیه کوارتزی است که حاوی مقدار دقیقی جیوه و گاز بی اثر (معمولاً آرگون) تحت فشار پایین است. این لوله به دلیل مقاومت بالا در برابر حرارت و شفافیت برای عبور نور فرابنفش از کوارتز ساخته می شود.

در دو انتهای لوله تخلیه، الکترودهای اصلی قرار دارند که معمولاً از تنگستن ساخته می شوند و با مواد امیتر پوشیده شده اند تا انتشار الکترون را تسهیل کنند. علاوه بر این، بسیاری از لامپ های بخار جیوه دارای یک الکترود کمکی یا استارتر هستند که به راه اندازی اولیه لامپ کمک می کند. این الکترود معمولاً نزدیک به یکی از الکترودهای اصلی قرار می گیرد.

فرایند روشن شدن لامپ بخار جیوه چند مرحله دارد. ابتدا با اعمال ولتاژ، تخلیه الکتریکی در گاز آرگون رخ می دهد که باعث گرم شدن لوله و تبخیر جیوه می شود. با تبخیر جیوه، تخلیه الکتریکی اصلی در بخار جیوه شکل می گیرد و تولید نور می کند. این فرایند معمولاً چند دقیقه طول می کشد تا لامپ به نوردهی کامل برسد.

حباب خارجی لامپ که معمولاً از شیشه ساخته می شود، چند عملکرد مهم دارد. این حباب از لوله تخلیه داخلی محافظت می کند، دمای کار لامپ را تنظیم می نماید و در انواعی که پوشش فسفری دارند، نور فرابنفش را به نور مرئی تبدیل می کند. طراحی این حباب همچنین می تواند الگوی توزیع نور لامپ را تحت تأثیر قرار دهد.

مسائل زیست محیطی و جایگزین های مدرن

استفاده از لامپ های بخار جیوه به دلیل محتوای جیوه آنها نگرانی های زیست محیطی قابل توجهی ایجاد کرده است. جیوه یک فلز سنگین سمی است که می تواند در زنجیره غذایی تجمع یابد و اثرات مخربی بر سلامت انسان و اکوسیستم داشته باشد. دفع نامناسب لامپ های بخار جیوه می تواند منجر به آزاد شدن جیوه به محیط زیست شود.

در پاسخ به این نگرانی ها، بسیاری از کشورها قوانین سختگیرانه ای برای تولید، استفاده و دفع لامپ های بخار جیوه وضع کرده اند. برای مثال، اتحادیه اروپا در چارچوب دستورالعمل RoHS، استفاده از جیوه در بسیاری از محصولات از جمله لامپ ها را محدود کرده است. برخی کشورها نیز برنامه های ویژه ای برای جمع آوری و بازیافت ایمن این لامپ ها ایجاد کرده اند.

با پیشرفت تکنولوژی، جایگزین های کارآمدتر و سازگارتر با محیط زیست برای لامپ های بخار جیوه توسعه یافته اند. لامپ های LED امروزی می توانند همان مقدار نور را با مصرف انرژی بسیار کمتر تولید کنند و طول عمر بیشتری نیز دارند. علاوه بر این، لامپ های LED فاقد مواد سمی هستند و شاخص نمود رنگ بهتری ارائه می دهند.

دیگر جایگزین های رایج برای لامپ های بخار جیوه شامل لامپ های متال هالید و سدیمی فشار بالا هستند که بازده انرژی بهتری دارند. اگرچه برخی از این جایگزین ها نیز حاوی مقدار کمی جیوه هستند، اما مقدار آن بسیار کمتر از لامپ های بخار جیوه سنتی است. با ادامه پیشرفت تکنولوژی، انتظار می رود لامپ های بخار جیوه به تدریج کاملاً از چرخه استفاده خارج شوند.