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水銀灯は、気化した水銀に電気アークを発生させて光を生成する放電ランプです。アーク放電は通常、ソーダ石灰ガラスまたはホウケイ酸ガラス製の大型バルブ内に取り付けられた小型の溶融石英アーク管内で行われます。外側のバルブは透明なものもあれば、蛍光体でコーティングされたものもあります。いずれの場合も、外側のバルブは断熱材として機能し、光から発生する紫外線から保護するとともに、溶融石英アーク管を取り付けやすい構造になっています。
水銀灯は、35～55ルーメン/ワットの光束効率を持つ白熱灯よりもエネルギー効率が高い。 [ 1 ] その他の利点としては、24,000時間という長い電球寿命と高輝度の光出力が挙げられる。[ 1 ] これらの理由から、工場、倉庫、スポーツアリーナなどの広いエリアの天井照明や街灯に使用されている。透明な水銀灯は、水銀のスペクトル線の組み合わせにより緑がかった光を発する。[ 1 ]これは人間の肌の色 に合わないため、このようなランプは通常、小売店では使用されない。[ 1 ] 「色補正」水銀電球は、外側の電球の内側に赤色波長で発光する蛍光体を使用すること でこの問題を克服し、より白い光と優れた演色性を実現している。
水銀灯は、約1気圧の内部圧力で動作し、専用の器具と電気安定器が必要です。また、最大光量に達するまで4～7分のウォームアップ時間が必要です。水銀灯は、メタルハライドランプの効率の高さと優れた色バランスにより、時代遅れになりつつあります。[ 2 ]
チャールズ・ホイートストンは1835年に水銀蒸気中の放電のスペクトルを観測し、そのスペクトル中の紫外線線に注目した。1860年、ジョン・トーマス・ウェイは、大気圧下で空気と水銀蒸気の混合気中で作動するアーク灯を照明に使用した。[ 3 ] ドイツの物理学者レオ・アロンズ（1860-1919）は1892年に水銀放電を研究し、水銀アークを基にしたランプを開発した。[ 4 ] 1896年2月、イギリスのハーバート・ジョン・ダウジングとH・ S・キーティングは水銀蒸気ランプの特許を取得した。これは一部の人々によって最初の真の水銀蒸気ランプと考えられている。[ 5 ]
広く普及した最初の水銀蒸気ランプは、1901年にアメリカのエンジニア、ピーター・クーパー・ヒューイットによって発明されました。[ 6 ]ヒューイットは1901年9月17日に米国特許第682,692号を取得しました。[ 7 ] 1903年、ヒューイットはより満足のいく色特性を持つ改良版を作成し、それが最終的に産業で広く使用されるようになりました。[ 6 ] 水銀蒸気ランプからの紫外線は、1910年までに水処理に利用されました。ヒューイットのランプは大量の水銀を使用していました。1930年代には、オスラムGEC社、ゼネラル・エレクトリック社などが開発した現代的な改良型ランプにより、水銀蒸気ランプが一般照明に広く使用されるようになりました。
管内の水銀は常温では液体です。ランプが完全な光出力を生成するには、水銀を気化させてイオン化する必要があります。ランプの起動を容易にするために、3番目の電極が主電極の1つの近くに取り付けられ、抵抗器を介してもう一方の主電極に接続されています。水銀に加えて、管内には低圧のアルゴンガスが充填されています。電源が投入され、アルゴンをイオン化するのに十分な電圧があれば、イオン化されたアルゴンガスは始動電極と隣接する主電極の間に小さなアークを発生させます。イオン化されたアルゴンが伝導すると、そのアークからの熱で液体の水銀が気化します。次に、2つの主電極間の電圧によって水銀ガスがイオン化されます。2つの主電極間にアークが発生し、ランプは主に紫外線、紫色、青色の発光線で放射します[ 8 ] 。液体の水銀の継続的な気化により、ランプのサイズに応じて、アーク管の圧力は2～18バールまで上昇します。圧力の上昇によりランプはさらに明るくなる。[ 9 ] [ 10 ]ウォームアッププロセス全体は約4～7分かかる。
水銀灯は負性抵抗素子です。つまり、管を流れる電流が増加すると抵抗が減少します。そのため、ランプを電力線などの定電圧源に直接接続すると、ランプが破壊されるまで電流が増加し続けます。したがって、ランプを流れる電流を制限するために安定器が必要です。水銀灯用安定器は、蛍光灯用安定器と似ています。実際、最初の英国製蛍光灯は、80ワットの水銀灯用安定器で動作するように設計されていました。自己安定型水銀灯も市販されています。これらのランプは、アーク管と直列にタングステンフィラメントを使用し、抵抗安定器として機能するとともに、アーク管からの放射に加えて連続的な黒体放射も加えます。自己安定型水銀灯は、適切な電圧が供給された標準的な白熱電球ソケットにねじ込むことができます。
非常によく似たランプ設計であるメタルハライドランプは、水銀と金属ハロゲン化物という形で様々な化合物を使用します。ヨウ化ナトリウムとヨウ化スカンジウムが一般的に使用されています。これらのランプは、蛍光体を使用せずに、はるかに高品質の光を生成できます。始動電極を使用する場合、ランプが点灯すると、主電極と始動電極間の電位差をなくすための熱短絡スイッチが必ず備えられています（ハロゲン化物が存在する場合、この電位差によってガラス/金属シールが破損する可能性があります）。より現代的なメタルハライドシステムでは、独立した始動電極は使用せず、高圧ナトリウムランプと同様に、高電圧パルスを使用してランプを始動します。
自己安定型（SB）ランプは、タングステンフィラメントがアーク管と直列に接続された水銀灯で、アーク管は電気安定器として機能します。外部安定器なしで主電源に直接接続できる唯一の水銀灯です。これらのランプは白熱灯やハロゲンランプと同程度の効率ですが、寿命が長いという利点があります。点灯するとすぐに点灯しますが、通常の水銀灯と同様に、電源が遮断された場合は再点灯に数分かかります。フィラメントから発せられる光のため、水銀灯よりもはるかに優れた演色性を備えています。自己安定型ランプは、構造が複雑なため、一般的に標準的な水銀灯よりも高価です。
水銀灯を初めて点灯すると、水銀のイオン化がごくわずかで、アーク管内のガス圧が非常に低いため、濃い青色の光を発します。これは、光の大部分が紫外線の水銀発光帯によるものです。主アークが発生し、ガスが加熱されて圧力が上昇すると、光は可視光領域に移行し、高いガス圧によって水銀の発光帯がやや広がり、人間の目にはより白く見える光になりますが、それでも連続スペクトルではありません。蛍光体を使用していない水銀灯は、最大強度でも明らかに緑がかった色をしています。石英アーク管内の圧力は、電球が動作温度に達すると約1気圧まで上昇します。放電が中断された場合（例えば、電源が遮断された場合）、電球が十分に冷えて圧力が大幅に低下するまで、ランプは再点火できません。ランプが再び点灯するまでに時間がかかる理由は、内部のガス圧が高くなるため、ガスの絶縁破壊電圧（アーク放電を開始するために必要な電圧、パッシェンの法則）が高くなり、それが安定器の能力を超えてしまうからです。そのため、多くの水銀灯には、水銀灯が再び点灯するまでの間、バックアップ光源として機能する補助ランプが備えられています。この補助ランプは通常、ほぼ同等の明るさのハロゲンランプです。
緑がかった色合いを補正するために、多くの水銀蒸気ランプは外側の電球の内側に蛍光体でコーティングされており、紫外線の放射の一部を赤色の光に変換します。これにより、そうでなければ非常に不足している電磁スペクトルの赤色端を補うことができます。これらのランプは一般に「色補正」ランプと呼ばれます。現代の水銀蒸気ランプのほとんどはこのコーティングが施されています。水銀灯に対する当初の不満の1つは、スペクトルの赤色端からの光が不足しているため、人が「血の気のない死体」のように見える傾向があることでした。[ 12 ]蛍光体を使用する前にこの問題を解決する一般的な方法は、水銀ランプを白熱ランプと併用することでした。超高圧水銀蒸気ランプ（通常200気圧以上）では赤色が増加する（たとえば、連続放射による）ため、現代のメディアプロジェクターに応用されています。屋外では、コーティングされたランプや色補正されたランプは、通常、発せられる光の周囲に青い「ハロー」が現れることで識別できます。
発光線スペクトルの最も強いピークは[ 13 ] [ 14 ]である。
低圧水銀蒸気ランプでは、184 nmと254 nmの線のみが存在します。製造には、184 nmの光が吸収されないように溶融石英が使用されます。中圧水銀蒸気ランプでは、200～600 nmの線が存在します。これらのランプは、主にUV-A（約400 nm）またはUV-C（約250 nm） を発光するように構成できます。高圧水銀蒸気ランプは、一般的に一般照明に使用されます。これらは主に青色と緑色を発光します。
低圧水銀蒸気ランプ[ 15 ]は、短波長の光を透過させるために通常石英バルブを備えています。合成石英を使用すると、石英の透明度がさらに向上し、 185 nmの発光線も観測されます。このようなランプは、紫外線殺菌照射に使用できます。[ 16 ] 185 nmの線は、酸素を含む雰囲気中でオゾンを生成し、洗浄プロセスに役立ちますが、健康被害も引き起こします。
光害対策が最重要となる場所（例えば、天文台の駐車場など）では、低圧ナトリウムランプが好まれる。低圧ナトリウムランプは、非常に近い2つの波長で狭いスペクトル線を放出するため、フィルターで除去するのが最も容易である。蛍光体を含まない水銀蒸気ランプは次善の選択肢であり、フィルターで除去する必要のある明確な水銀線はごくわずかである。
EUでは、照明目的での低効率水銀灯の使用は2015年に禁止されました。これは、コンパクト蛍光灯における水銀の使用や、照明以外の目的での水銀灯の使用には影響しません。[ 17 ]
米国では、特殊用途の水銀蒸気ランプ用バラストを除き、一般照明用の水銀蒸気ランプ用バラストは2008年1月1日以降禁止されました。[ 18 ]このため、いくつかのメーカーは、既存の器具を改造する必要のない、水銀蒸気器具用の代替コンパクト蛍光灯（CFL）および発光ダイオード（LED）電球の販売を開始しました。米国エネルギー省は2015年に、2010年に提案された水銀蒸気タイプのHIDランプに関する規制は、大幅な節約にはならないため実施しないと決定しました。[ 19 ]
水銀ランプのアーク管は、目や皮膚に火傷を引き起こす可能性のある短波UV-C放射を大量に発生させます。通常、ランプのガラス製の外側ジャケット、そして一部のランプでは蛍光体コーティングもこの放射を遮断します。しかし、ランプの外側ジャケットが破損した場合は、アーク管が作動し続け、安全上の危険をもたらすため、注意が必要です。[ 20 ]米国では、体育館でボールがランプに当たってランプが破損し、短波紫外線による日焼けや目の炎症を引き起こした事例が記録されています。 [ 21 ]体育館などの場所で使用する場合、器具にはランプの外側の電球を保護するための丈夫な外側ガードまたは外側レンズが必要です。上記の事例を受けて、一部の米国メーカーは、外側のガラスが破損した場合に意図的に消灯する「安全」ランプを製造しました。これは通常、空気中で燃える薄いタングステンストリップを使用して電極の1つを接続することによって実現されます。
ソーダ石灰ガラスやホウケイ酸ガラス製の外装を持つ一般的な水銀灯は、365nmの紫外線を比較的多く放出します。この紫外線は、照明器具の製造に使用される一部のプラスチックの劣化を早め、わずか数年の使用で著しく変色させてしまうことがあります。ポリカーボネートは特にこの問題の影響を受けやすく、ランプの近くに設置された比較的新しいポリカーボネート表面が、短期間でくすんだ黄色に変色してしまうことは珍しくありません。
他のタイプのHIDランプが普及しつつあるものの、水銀灯は米国、カナダ、日本では依然としてエリア照明や街路照明に使用されることがある。
水銀蒸気ランプは、印刷業界でインクの硬化に使用されます。これらのランプは通常、高出力で、使用するインクを迅速に硬化・定着させます。ランプは密閉されており、人体への曝露を防ぐための保護装置と、発生するオゾンを除去するための特殊な排気システムが備えられています。
高圧水銀蒸気ランプ（および一部の特殊設計のメタルハライドランプ）は、アークプラズマの高い電子温度によりミリ波およびテラヘルツ波長で有用な広帯域連続（「ノイズ」）エネルギーを提供するため、分子分光法に利用されています。イオン化水銀の主要な紫外線発光線（254 nm）は、T = 11,500 K の黒体に対応します。この特性により、高圧水銀ランプは、このような周波数を生成するために利用できる数少ないシンプルで安価な光源の 1 つとなっています。たとえば、標準的な 250 ワットの一般照明用水銀ランプは、120 GHz から 6 THz まで大きな出力を生成します。さらに、高温の石英アーク管エンベロープから中赤外線の短い波長が放出されます。紫外線出力と同様に、ガラス製の外側バルブはこれらの周波数ではほとんど不透明であるため、この目的のためには取り外す必要があります（または、専用ランプでは省略する必要があります）。[ 22 ]
超高圧水銀蒸気ランプは、超高性能ランプまたはUHPランプと呼ばれ、DLP、3LCD、LCoSプロジェクターなどのデジタルビデオプロジェクターで一般的に使用されています。
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