水銀灯

水銀灯は、気化した水銀を介した電気アークを利用して光を生成するガス放電ランプです。^[1]アーク放電は、通常、より大きなソーダ石灰ガラスまたはホウケイ酸ガラスのバルブ内に取り付けられた小さな石英ガラス製アーク管に限定されます。^[1]外側のバルブは透明の場合もあれば、蛍光体でコーティングされている場合もあります。どちらの場合でも、外側のバルブは断熱性があり、光が生成する紫外線から保護し、石英ガラス製アーク管を便利に取り付けることができます。^[1]

水銀灯は白熱灯よりもエネルギー効率が高く、発光効率は35～55ルーメン/ワットです。^{[1] [2]} その他の利点としては、24,000時間という長い電球寿命と、高輝度で透明な白色光出力が挙げられます。^{[1] [2]} これらの理由から、水銀灯は工場、倉庫、スポーツ競技場などの広い範囲の頭上照明や街灯に使用されています。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、緑がかった光を生成します。^[2]これは人間の肌の色 に似合わないため、このようなランプは通常、小売店では使用されません。^{[2] 「色補正」水銀電球は、赤色の波長で発光する}蛍光体を外側の電球の内側に配置することで この問題を克服し、より白い光とより優れた色再現を提供します。

水銀灯は内部圧力が約1気圧で作動し、特殊な器具と電気安定器を必要とする。また、最大光出力に達するまで4～7分のウォームアップ時間も必要である。水銀灯は、メタルハライドランプの効率と色バランスが向上したため、廃れつつある。^[3]

チャールズ・ホイートストンは1835年に水銀蒸気の放電スペクトルを観察し、そのスペクトルに紫外線の線があることに気づいた。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物で動作するアークランプを照明に使用した。^[4] 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、水銀アークに基づくランプを開発した。^[5] 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ランプの特許を取得したが、これは最初の真の水銀ランプであると考える者もいる。^[6]

広く普及した最初の水銀灯は、1901年にアメリカの技術者ピーター・クーパー・ヒューイットによって発明されました。^[7]ヒューイットは1901年9月17日に米国特許682,692を取得しました。 ^[8] 1903年に、ヒューイットはより満足のいく色品質を備えた改良版を作成し、最終的に産業用途で広く利用されるようになりました。^[7] 水銀灯の紫外線は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によって開発された現代形式の改良型ランプにより、水銀灯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ある。ランプが完全な光出力を発揮するには、水銀を気化させてイオン化する必要がある。 ^[1]ランプの始動を容易にするために、第3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る。水銀に加えて、管には低圧のアルゴンガスが充填されている。電力が供給されると、アルゴンをイオン化するのに十分な電圧があれば、イオン化したアルゴンガスが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る。イオン化したアルゴンが伝導すると、そのアークの熱によって液体水銀が気化し、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る。2つの主電極間でアークが発生し、ランプは主に紫外線、紫色、青色の輝線で放射する^[9]。液体水銀が継続的に気化すると、ランプのサイズに応じて、アーク管の圧力が2～18 barに上昇する。圧力の上昇により、ランプはさらに明るくなります。^{[10] [11]}ウォームアッププロセス全体には、およそ4〜7分かかります。一部の電球には、始動電極を隣接する主電極に短絡させ、主アークが発生すると始動アークを消すサーマルスイッチが含まれています。

水銀灯は負抵抗装置です。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、ランプを流れる電流が増加し、最終的にはランプが破壊されます。したがって、ランプを流れる電流を制限するためにバラストが必要です。水銀灯バラストは、蛍光灯で使用されるバラストに似ています。実際、英国初の蛍光灯は、80 ワットの水銀灯バラストで動作するように設計されていました。セルフバラスト式水銀灯も利用できます。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て、抵抗バラストとして機能するとともに、アーク管の光にフル スペクトルの光を追加します。セルフバラスト式水銀灯は、適切な電圧が供給される標準的な白熱灯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では、水銀とともに金属ハロゲン化物の形でさまざま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、蛍光体に頼らずに、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は、ランプが点灯すると、主電極と始動電極間の電位を排除するための熱短絡スイッチが常に存在します。(ハロゲン化物が存在する場合のこの電位は、ガラス/金属シールの破損を引き起こす可能性があります)。より現代的なメタルハライドシステムでは、別の始動電極は使用されません。代わりに、高圧ナトリウム蒸気ランプと同様に、 高電圧パルスを使用してランプが始動されます。

セルフバラスト (SB) ランプは、内部にタングステン フィラメントがあり、電気バラストとして機能するアーク管と直列に接続されている水銀ランプです。これは、外部バラストなしで直接主電源に接続できる唯一の種類の水銀ランプです。これらのランプは、同サイズの白熱ランプと同等かわずかに高い効率しかありませんが、寿命は白熱ランプより長くなります。起動するとすぐに点灯しますが、電源が中断された場合は、通常、再点灯するまでに数分かかります。フィラメントから発せられる光のため、水銀ランプよりも演色性がわずかに優れています。セルフバラスト ランプは通常、標準的な水銀ランプよりも高価です。

水銀灯を初めて点灯すると、少量の水銀しかイオン化されておらず、発光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。そのため、光の大部分は紫外線水銀帯で発生します。メインアークが点灯し、ガスが加熱されて圧力が上昇すると、光は可視範囲に移行し、高いガス圧によって水銀発光帯がいくらか広がり、人間の目にはより白く見える光が生成されますが、それでも連続スペクトルではありません。最大強度でも、蛍光体のない水銀灯からの光は明らかに青みがかっています。石英発光管内の圧力は、バルブ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 (電源の中断など)、バルブが十分に冷えて圧力が大幅に低下するまで、ランプを再度点灯することはできません。ランプが再点灯するまでの時間が長くなる理由は、圧力が上昇し、内部のガスの絶縁破壊電圧（アークを開始するために必要な電圧 -パッシェンの法則）が高くなるためです。これは安定器の能力を超えています。このため、多くの水銀灯には、水銀灯が再点灯するまでのバックアップ光源として機能する二次ランプがあります。このランプは通常、同等かそれに近い明るさのハロゲンランプです。

青みがかった色合いを補正するため、多くの水銀灯では、外管の内側に蛍光体が塗られており、紫外線放射の一部を赤色光に変換します。これにより、電磁スペクトルの非常に不足している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。現代の水銀灯のほとんどに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ということでした。^{[12]蛍光体が使用される前は、この問題を補正する一般的な方法は、水銀灯を}白熱灯と組み合わせて使用​​することでした。超高圧水銀灯 (通常 200 気圧以上) では赤色が増す (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。

輝線スペクトルの最も強いピークは^{[13] [14]}

低圧水銀灯には、184 nm と 254 nm の線のみがあります。製造時には、184 nm の光が吸収されないように、溶融シリカが使用されています。中圧水銀灯には、200 ～ 600 nm の線があります。ランプは、主に UV-A (約 400 nm) または UV-C (約 250 nm) を放射するように構成できます。高圧水銀灯は、一般的な照明によく使用されます。主に青と緑を放射します。

低圧水銀灯^[15]には通常、短波長の光を透過できるように石英バルブが付いています。合成石英を使用すると、石英の透明度がさらに高まり、185 nmの輝線も観測されます。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で オゾンを生成し、洗浄プロセスに役立ちますが、健康にも害を及ぼします。

光害が最も問題となる場所（たとえば、天文台の 駐車場）では、低圧ナトリウムランプが適しています。このランプは 2 つの非常に近い波長で狭いスペクトル線を放射するため、除去するのが最も簡単です。蛍光体を含まない水銀灯は次善策です。このランプは、除去する必要がある明確な水銀線を数本だけ生成します。

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、コンパクト蛍光灯での水銀の使用や、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、特殊用途の水銀灯バラストを除き、一般照明用の水銀灯用バラストは2008年1月1日以降禁止されている。^[18]このため、いくつかのメーカーは、既存の器具の改造を必要としない、水銀灯器具用の交換用コンパクト蛍光灯（CFL）および発光ダイオード（LED）電球の販売を開始している。米国エネルギー省は、2010年に提案された水銀灯タイプのHIDランプの規制は、大幅な節約にはつながらないため、2015年に実施されないことを決定した。^[19]

水銀ランプの発光管は、目や皮膚の火傷を引き起こす可能性のある短波UV-C放射線を大量に生成します。通常、ランプのガラス製外被と、一部のランプでは蛍光体コーティングもこの放射線を遮断します。ただし、ランプの外側のジャケットが破損した場合は、発光管が作動し続け、安全上の危険が生じるため、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起こしたという記録があります。 ^[21]体育館などの場所で使用する場合、ランプの外側のバルブを保護するために、器具に強力な外側ガードまたは外側レンズが含まれている必要があります。上記の記録された事例の結果、一部の米国の製造業者は、外側のガラスが破損すると故意に燃え尽きる「安全」ランプを製造しました。これは通常、空気の存在下で燃え尽きる薄いタングステンストリップを使用して、電極の 1 つを接続することで実現されます。

ソーダ石灰ガラスまたはホウケイ酸ガラス製の外管を備えた一般的な水銀灯でも、比較的大量の 365 nm の紫外線がランプから漏れ出します。このため、照明器具の製造に使用されている一部のプラスチックの劣化が早まり、数年の使用で著しく変色することがあります。ポリカーボネートは特にこの問題に悩まされており、ランプの近くに置かれた比較的新しいポリカーボネートの表面が、短期間で鈍い黄色に変色している​​ことは珍しくありません。

他のタイプのHID が一般的になりつつありますが、米国、カナダ、日本では、 エリア照明や街路照明に水銀灯が今でも使用されることがあります。

水銀ランプは、印刷業界でインクを硬化させるために使用されます。これらは通常、使用するインクを急速に硬化させて固定するために高出力です。これらは密閉されており、人体への曝露を防ぐ保護装置と、発生したオゾンを除去するための特殊な排気システムを備えています。

高圧水銀蒸気ランプ（および一部の特別に設計されたメタルハライドランプ）は、アークプラズマの電子温度が高いため、ミリ波およびテラヘルツ波長で有用な広帯域連続波（「ノイズ」）エネルギーを提供するため、分子分光法に応用されています。イオン化水銀の主な紫外線放出線（254 nm）は、T = 11,500 K の黒体と相関しています。この特性により、これらのランプは、このような周波数を生成するために利用できる非常に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、中赤外線のより短い波長が放射されます。紫外線出力と同様に、ガラス製の外管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されます）。^{[引用が必要]}

超高性能ランプまたは UHP ランプと呼ばれる特殊な超高圧水銀ランプは、 DLP、3LCD、LCoSプロジェクターなどのデジタルビデオ プロジェクターでよく使用されます。

• アメリカの街路照明の歴史
• 光源一覧
• 超高性能ランプ

• ウェイマス、ジョン（1971）。放電ランプ。マサチューセッツ州ケンブリッジ：MITプレス。ISBN 978-0-262-23048-3。
• 電気ランプ技術博物館

• ウィキメディア・コモンズの水銀灯関連メディア