Ртутьсодержащие лампы

Ртутьсодержащие лампы — это группа искусственных источников света, в которых для генерации излучения используется электрический разряд в парах ртути. Относятся к классу газоразрядных ламп. Основным рабочим элементом является герметичная колба, заполненная инертным газом (обычно аргоном) и дозированным количеством ртути. При подаче напряжения в парах ртути возникает дуговой или тлеющий разряд, сопровождающийся излучением в ультрафиолетовом (УФ) диапазоне. Для преобразования УФ-излучения в видимый свет внутренняя поверхность колбы многих типов ламп покрывается люминофором. Ртутьсодержащие лампы отличаются высокой световой отдачей и длительным сроком службы по сравнению с лампами накаливания, однако содержат токсичную ртуть, что требует специальных мер утилизации.

История

Первые опыты с электрическим разрядом в парах ртути были проведены в середине XIX века. В 1860 году английский физик Джон Генри Пойнтинг (John Henry Poynting) продемонстрировал свечение ртутной дуги. В 1901 году американский изобретатель Питер Купер Хьюитт (Peter Cooper Hewitt) запатентовал первую ртутную лампу низкого давления, которая излучала преимущественно в сине-зелёной и УФ-областях спектра. Эти лампы использовались в основном для фотохимических процессов и уличного освещения, хотя их свет был неприятен для глаз.

В 1930-х годах были разработаны ртутные лампы высокого давления (ДРЛ — дуговые ртутные люминесцентные), которые благодаря добавлению люминофора давали более приемлемый белый свет. В СССР массовое производство ламп типа ДРЛ началось в 1950-х годах. Они широко применялись для освещения промышленных предприятий, улиц, стадионов и других объектов.

В 1970-х годах получили распространение компактные люминесцентные лампы (КЛЛ) — ртутьсодержащие лампы низкого давления с встроенным электронным пускорегулирующим аппаратом (ЭПРА). Они стали альтернативой лампам накаливания в быту. В 2010-х годах, в связи с развитием светодиодных технологий (LED), использование ртутьсодержащих ламп начало сокращаться, а в ряде стран (включая Россию) были введены ограничения на их оборот.

Классификация

Ртутьсодержащие лампы классифицируются по нескольким признакам: по давлению в колбе, по типу разряда, по назначению и по конструктивным особенностям.

По давлению рабочего газа

• Лампы низкого давления — давление паров ртути в рабочем состоянии составляет менее 100 Па (обычно 0,1–1 Па). К этому типу относятся люминесцентные лампы (линейные и компактные). Они имеют высокую световую отдачу (до 100 лм/Вт) и длительный срок службы (до 10 000–20 000 часов). Излучение в основном сосредоточено в УФ-диапазоне (254 нм), преобразуемом люминофором в видимый свет.
• Лампы высокого давления — давление паров ртути от 0,1 до 1 МПа. К ним относятся лампы типа ДРЛ, ДРИ (дуговые ртутные с йодидами), ДНаТ (дуговые натриевые трубчатые — хотя натрий является основным рабочим веществом, в них также присутствует ртуть для стабилизации разряда). Световая отдача достигает 50–60 лм/Вт, срок службы — до 12 000 часов. Спектр содержит больше синего и зелёного излучения, чем красного.
• Лампы сверхвысокого давления — давление более 1 МПа. Используются в проекционных устройствах (кинопроекторы, медицинские эндоскопы, осветители для микроскопов). Отличаются высокой яркостью и компактностью.

По типу разряда

• Дуговые лампы — разряд происходит между двумя электродами в виде дуги. Наиболее распространённый тип для ламп высокого и сверхвысокого давления.
• Тлеющие лампы — разряд происходит при низком давлении и малом токе. Пример — ртутные лампы для бактерицидных облучателей (без люминофора, излучают жёсткий УФ).

По наличию люминофора

• Люминесцентные лампы — внутренняя поверхность колбы покрыта люминофором, преобразующим УФ-излучение в видимый свет. Используются для общего освещения.
• Бактерицидные лампы — не имеют люминофора, излучают преимущественно УФ-излучение с длиной волны 254 нм, эффективное для обеззараживания воздуха и поверхностей. Также называются ртутными кварцевыми лампами.
• Эритемные лампы — излучают УФ-излучение в диапазоне 280–320 нм, используемое для загара и лечения некоторых кожных заболеваний.

Устройство и принцип действия

Лампы низкого давления (люминесцентные)

Основные элементы: герметичная стеклянная трубка (линейная или изогнутая), заполненная аргоном и парами ртути; два электрода (вольфрамовые спирали, покрытые оксидным эмиссионным слоем) на концах трубки; внутреннее люминофорное покрытие. Для зажигания разряда требуется высокое напряжение, которое обеспечивается пускорегулирующим аппаратом (ПРА) — электромагнитным (дроссель и стартер) или электронным (ЭПРА). При подаче напряжения между электродами возникает тлеющий разряд, который переходит в дуговой. В дуге электроны сталкиваются с атомами ртути, возбуждая их, и при возврате в основное состояние излучается УФ-свет (254 нм). Люминофор поглощает это излучение и испускает видимый свет.

Лампы высокого давления (ДРЛ)

Колба изготавливается из тугоплавкого кварцевого стекла или специального стекла, выдерживающего высокие температуры и давление. Внутри колбы находятся два основных электрода и один или два вспомогательных (зажигающих) электрода. Пространство между электродами заполняется аргоном и дозированным количеством ртути. Для зажигания используется импульс высокого напряжения, создаваемый специальным ПРА. После зажигания ртуть испаряется, давление в колбе резко возрастает, и разряд переходит в дуговой. Излучение дуги содержит много УФ- и сине-зелёных компонентов. Для улучшения цветопередачи на внутреннюю поверхность внешней колбы (если она есть) наносится люминофор, преобразующий часть УФ-излучения в красный свет.

Применение

Ртутьсодержащие лампы нашли широкое применение в различных сферах:

• Освещение помещений — люминесцентные лампы (линейные и КЛЛ) использовались в офисах, школах, больницах, жилых домах. В России с 2011 года действует запрет на оборот ламп накаливания мощностью 100 Вт и выше, что стимулировало использование КЛЛ.
• Уличное освещение — лампы ДРЛ и ДНаТ применялись для освещения дорог, парков, промышленных зон. ДНаТ (натриевые) дают жёлтый свет, более экономичны, но имеют плохую цветопередачу.
• Промышленность — лампы высокого давления используются в цехах, на складах, строительных площадках.
• Специальное применение — бактерицидные лампы для обеззараживания воздуха в медицинских учреждениях, пищевых производствах, общественном транспорте; эритемные лампы для соляриев; лампы сверхвысокого давления для проекторов.
• Фотохимия — ртутные лампы используются для отверждения полимеров, печати на фотобумаге, в фотолитографии.

Экологические аспекты и утилизация

Ртуть, содержащаяся в лампах, является токсичным веществом первого класса опасности. Одна люминесцентная лампа может содержать от 1 до 50 мг ртути (в зависимости от типа), а лампа высокого давления — до 100–500 мг. При разрушении колбы пары ртути попадают в воздух, что может вызвать отравление при длительном вдыхании.

В России обращение с отработанными ртутьсодержащими лампами регулируется Федеральным законом № 89-ФЗ «Об отходах производства и потребления» и постановлением Правительства РФ № 681 от 3 сентября 2010 года. Согласно этим документам, запрещено выбрасывать такие лампы в мусорные контейнеры. Они подлежат обязательному сбору и передаче специализированным организациям, имеющим лицензию на деятельность по сбору, транспортированию, обработке, утилизации, обезвреживанию, размещению отходов I–IV классов опасности. Пункты приёма отработанных ламп организуются управляющими компаниями, муниципалитетами и торговыми сетями.

Процесс утилизации включает демеркуризацию (извлечение ртути) и переработку компонентов (стекло, алюминий, люминофор). Ртуть может быть регенерирована и использована повторно.

Альтернативы и перспективы

С начала 2010-х годов ртутьсодержащие лампы активно вытесняются светодиодными (LED) источниками света. Светодиоды имеют ряд преимуществ: более высокий КПД (до 150–200 лм/Вт), отсутствие ртути, мгновенное включение, устойчивость к вибрациям, более длительный срок службы (до 50 000 часов и более). В России в 2019 году был принят ГОСТ Р 58412-2019, устанавливающий требования к светодиодным лампам для общего освещения.

В то же время ртутьсодержащие лампы продолжают использоваться в ряде нишевых применений (бактерицидные облучатели, проекционные устройства, некоторые промышленные процессы), где их спектральные характеристики или мощность остаются востребованными. В России выпуск ламп ДРЛ и КЛЛ постепенно сокращается, но они по-прежнему доступны в продаже.

Интересные факты

• Первая ртутная лампа (1901 год) давала свет, который был настолько неприятен для глаз, что её рекомендовали использовать только для фотосъёмки.
• В СССР лампы ДРЛ широко применялись для освещения Красной площади и других объектов.
• Бактерицидные лампы (ртутные кварцевые) используются для обеззараживания воздуха в больницах, но их излучение опасно для кожи и глаз человека, поэтому они включаются только в отсутствие людей.
• В некоторых странах (например, в странах Евросоюза) с 2023 года введён полный запрет на продажу люминесцентных ламп, за исключением специальных типов.