مصباح بخار الزئبق

مصباح بخار الزئبق هو مصباح تفريغ غازي يستخدم قوسًا كهربائيًا يمر عبر بخار الزئبق لإنتاج الضوء . عادةً ما يقتصر تفريغ القوس على أنبوب صغير من الكوارتز المنصهر مثبت داخل غلاف زجاجي أكبر من زجاج الصودا والجير أو زجاج البوروسيليكات . قد يكون الغلاف الخارجي شفافًا أو مطليًا بمادة فسفورية ؛ وفي كلتا الحالتين، يوفر الغلاف الخارجي عزلًا حراريًا ، وحماية من الأشعة فوق البنفسجية التي ينتجها الضوء، ومكانًا مناسبًا لتثبيت أنبوب الكوارتز المنصهر.

تُعدّ مصابيح بخار الزئبق أكثر كفاءة في استهلاك الطاقة من المصابيح المتوهجة ، حيث تتراوح كفاءتها الضوئية بين 35 و55 لومن/واط. ^{[ 1 ]} ومن مزاياها الأخرى عمرها الطويل الذي يصل إلى 24000 ساعة، بالإضافة إلى شدة إضاءتها العالية. ^{[ 1 ]} لهذه الأسباب، تُستخدم هذه المصابيح في الإضاءة العلوية للمساحات الكبيرة، كما هو الحال في المصانع والمستودعات والملاعب الرياضية، وكذلك في إنارة الشوارع . تُصدر مصابيح الزئبق الشفافة ضوءًا مائلًا إلى اللون الأخضر نتيجةً لتداخل خطوط الطيف في الزئبق. ^{[ 1 ]} وهذا لا يُناسب لون بشرة الإنسان ، لذا لا تُستخدم هذه المصابيح عادةً في متاجر البيع بالتجزئة. ^{[ 1 ]} تتغلب مصابيح الزئبق "المُصحّحة لونيًا" على هذه المشكلة بفضل وجود مادة فسفورية داخل الغلاف الخارجي تُصدر ضوءًا بأطوال موجية حمراء، مما يُوفر ضوءًا أكثر بياضًا ودقةً في عرض الألوان .

تعمل مصابيح بخار الزئبق بضغط داخلي يقارب الضغط الجوي، وتتطلب تجهيزات خاصة، بالإضافة إلى مُحَوِّل كهربائي . كما تحتاج إلى فترة تسخين تتراوح بين أربع وسبع دقائق للوصول إلى أقصى سطوع. وقد أصبحت مصابيح بخار الزئبق قديمة الطراز نظرًا لكفاءة مصابيح هاليد المعادن الأعلى وتوازن ألوانها الأفضل . ^{[ 2 ]}

لاحظ تشارلز ويتستون طيف التفريغ الكهربائي في بخار الزئبق عام 1835، ولاحظ وجود خطوط فوق بنفسجية في ذلك الطيف. وفي عام 1860، استخدم جون توماس واي مصابيح قوسية تعمل بمزيج من الهواء وبخار الزئبق عند الضغط الجوي للإضاءة. ^{[ 3 ]} درس الفيزيائي الألماني ليو آرونز (1860-1919) تفريغات الزئبق عام 1892، وطوّر مصباحًا يعتمد على قوس الزئبق. ^{[ 4 ]} في فبراير 1896، حصل هربرت جون داوسينغ وهـ.  س. كيتنغ من إنجلترا على براءة اختراع لمصباح بخار الزئبق، والذي يعتبره البعض أول مصباح حقيقي يعمل ببخار الزئبق. ^{[ 5 ]}

اخترع المهندس الأمريكي بيتر كوبر هيويت أول مصباح بخار زئبقي يحقق نجاحًا واسع النطاق عام 1901. ^{[ 6 ]} وحصل هيويت على براءة اختراع أمريكية رقم 682,692 في 17 سبتمبر 1901. ^{[ 7 ]} وفي عام 1903، ابتكر هيويت نسخة محسّنة ذات جودة لونية أفضل، والتي وجدت لاحقًا استخدامًا صناعيًا واسع النطاق. ^{[ 6 ]} وبحلول عام 1910، استُخدم الضوء فوق البنفسجي المنبعث من مصابيح بخار الزئبق في معالجة المياه. وكانت مصابيح هيويت تستهلك كمية كبيرة من الزئبق. وفي ثلاثينيات القرن العشرين، أدت المصابيح المحسّنة ذات الشكل الحديث، التي طورتها شركة أوسرام-جي إي سي وشركة جنرال إلكتريك وغيرها، إلى انتشار استخدام مصابيح بخار الزئبق في الإضاءة العامة.

يكون الزئبق الموجود في الأنبوب سائلاً في درجات الحرارة العادية. ويحتاج إلى التبخير والتأيين قبل أن يتمكن المصباح من إنتاج كامل طاقته الضوئية. ولتسهيل بدء تشغيل المصباح، يُركّب قطب كهربائي ثالث بالقرب من أحد الأقطاب الرئيسية، ويُوصل عبر مقاوم بالقطب الرئيسي الآخر. بالإضافة إلى الزئبق، يُملأ الأنبوب بغاز الأرجون تحت ضغط منخفض. عند تطبيق الطاقة، إذا كان الجهد كافياً لتأيين الأرجون، فسيُحدث غاز الأرجون المتأين قوساً كهربائياً صغيراً بين قطب بدء التشغيل والقطب الرئيسي المجاور. ومع توصيل الأرجون المتأين للكهرباء، تُبخر الحرارة الناتجة عن القوس الزئبق السائل؛ ثم يُؤين الجهد بين القطبين الرئيسيين غاز الزئبق. ويبدأ قوس كهربائي بين القطبين الرئيسيين، ثم يُشع المصباح ^{[ 8 ]} بشكل رئيسي في نطاق الأشعة فوق البنفسجية والبنفسجية والزرقاء . يؤدي استمرار تبخر الزئبق السائل إلى زيادة ضغط أنبوب القوس الكهربائي إلى ما بين 2 و18 بار ، وذلك تبعًا لحجم المصباح. وتؤدي هذه الزيادة في الضغط إلى زيادة سطوع المصباح. ^{[ 9 ] [ 10 ]} تستغرق عملية التسخين بأكملها ما يقارب 4 إلى 7 دقائق.

مصباح بخار الزئبق هو جهاز ذو مقاومة سالبة . هذا يعني أن مقاومته تقل مع زيادة التيار المار عبر الأنبوب. لذا، إذا تم توصيل المصباح مباشرةً بمصدر جهد ثابت مثل خطوط الكهرباء، فسيزداد التيار المار فيه حتى يتلف. لذلك، فهو يحتاج إلى مُحَوِّل كهربائي (بالاست) للحد من التيار المار فيه. تُشبه مُحَوِّلات مصابيح بخار الزئبق تلك المستخدمة مع مصابيح الفلورسنت . في الواقع، صُممت أول مصابيح فلورسنت بريطانية للعمل بمُحَوِّلات بخار الزئبق بقدرة 80 واط. كما تتوفر مصابيح بخار الزئبق ذاتية الموازنة. تستخدم هذه المصابيح سلكًا من التنجستن موصولًا على التوالي مع أنبوب القوس الكهربائي ليعمل كمُحَوِّل مقاوم، ويُضيف إشعاع الجسم الأسود المستمر إلى إشعاع أنبوب القوس. يمكن تركيب مصابيح بخار الزئبق ذاتية الموازنة في مقبس مصباح متوهج قياسي مزود بالجهد المناسب.

عند تشغيل مصباح بخار الزئبق لأول مرة، يُصدر توهجًا أزرق داكنًا لأن كمية ضئيلة فقط من الزئبق تتأين، وضغط الغاز في أنبوب القوس منخفض جدًا، لذا ينبعث معظم الضوء في نطاقات الأشعة فوق البنفسجية للزئبق . مع اشتعال القوس الرئيسي وارتفاع درجة حرارة الغاز وزيادة ضغطه، يتحول الضوء إلى نطاق الضوء المرئي ، ويؤدي ارتفاع ضغط الغاز إلى اتساع نطاقات انبعاث الزئبق قليلًا، مما ينتج ضوءًا يبدو أكثر بياضًا للعين البشرية، مع أنه ليس طيفًا متصلًا . حتى عند أقصى شدة إضاءة، يكون ضوء مصباح بخار الزئبق الخالي من الفوسفور مائلًا إلى اللون الأخضر بشكل واضح. يرتفع الضغط في أنبوب القوس الكوارتزي إلى ما يقارب ضغطًا جويًا واحدًا بمجرد وصول المصباح إلى درجة حرارة التشغيل. في حال انقطاع التفريغ الكهربائي (مثلًا بانقطاع التيار الكهربائي)، لا يمكن للمصباح أن يشتعل مجددًا إلا بعد أن يبرد المصباح بما يكفي لانخفاض الضغط بشكل ملحوظ. يعود سبب طول الفترة الزمنية قبل إعادة اشتعال المصباح إلى ارتفاع الضغط، مما يؤدي إلى زيادة جهد انهيار الغاز الموجود بداخله (الجهد اللازم لبدء القوس الكهربائي - قانون باشين )، وهو جهد يتجاوز قدرة المُحَوِّل. لهذا السبب، تحتوي العديد من مصابيح بخار الزئبق على مصباح ثانوي يعمل كمصدر إضاءة احتياطي حتى يتمكن مصباح بخار الزئبق من إعادة الاشتعال. عادةً ما يكون هذا المصباح الثانوي مصباح هالوجين ذو سطوع مماثل أو قريب من سطوع المصباح الأساسي.

اعتبارات الألوان

لتصحيح اللون الأخضر الباهت، تُطلى العديد من مصابيح بخار الزئبق من الداخل بمادة فسفورية تحوّل جزءًا من الأشعة فوق البنفسجية إلى ضوء أحمر. يساعد هذا في تعويض النقص الكبير في الطرف الأحمر من الطيف الكهرومغناطيسي . تُعرف هذه المصابيح عمومًا باسم المصابيح "المصححة اللون". تحتوي معظم مصابيح بخار الزئبق الحديثة على هذه الطبقة. كان أحد الانتقادات الأصلية لمصابيح الزئبق أنها تجعل الناس يبدون كـ"جثث بلا دم" بسبب نقص الضوء الأحمر من الطيف. ^{[ 12 ]} كانت إحدى الطرق الشائعة لتصحيح هذه المشكلة قبل استخدام المواد الفسفورية هي تشغيل مصباح الزئبق بالتزامن مع مصباح متوهج . كما يوجد أيضًا زيادة في اللون الأحمر (على سبيل المثال، بسبب الإشعاع المستمر) في مصابيح بخار الزئبق ذات الضغط العالي جدًا (عادةً ما يزيد عن 200 ضغط جوي)، والتي وجدت تطبيقًا في أجهزة عرض الوسائط الحديثة. عند استخدامها في الخارج، يمكن عادةً التعرف على المصابيح المطلية أو المصححة اللون من خلال "هالة" زرقاء تحيط بالضوء المنبعث منها.

طيف خط الانبعاث

أقوى قمم طيف خط الانبعاث هي ^{[ 13 ] [ 14 ]}

الطول الموجي (نانومتر)	الاسم (انظر: المقاوم الضوئي )	لون
184.45		الأشعة فوق البنفسجية (UVC)
253.7		الأشعة فوق البنفسجية (UVC)
365.0	خط الإنترنت	الأشعة فوق البنفسجية (UVA)
404.7	خط H	بنفسجي
435.8	خط جي	أزرق
546.1		أخضر
578		أصفر

في مصابيح بخار الزئبق منخفضة الضغط، تظهر فقط خطوط الطيف عند 184  نانومتر و254  نانومتر. ويُستخدم السيليكا المنصهر في تصنيعها لمنع  امتصاص ضوء 184 نانومتر. أما في مصابيح بخار الزئبق متوسطة الضغط،  فتظهر خطوط الطيف من 200 إلى 600 نانومتر. ويمكن تصميم هذه المصابيح بحيث تُصدر بشكل أساسي الأشعة فوق البنفسجية من النوع A (حوالي 400  نانومتر) أو الأشعة فوق البنفسجية من النوع C (حوالي 250  نانومتر). وتُستخدم مصابيح بخار الزئبق عالية الضغط عادةً لأغراض الإضاءة العامة، حيث تُصدر بشكل أساسي الضوء الأزرق والأخضر.

تحتوي مصابيح بخار الزئبق منخفضة الضغط ^{[ 15 ]} عادةً على غلاف كوارتز للسماح بمرور الضوء ذي الطول الموجي القصير . عند استخدام الكوارتز الصناعي، تزداد شفافية الكوارتز، ويُلاحظ أيضًا خط انبعاث عند 185  نانومتر. يمكن استخدام هذا المصباح حينها للتعقيم بالأشعة فوق البنفسجية ^{[ 16 ]} .  يُنتج خط 185 نانومتر الأوزون في جو يحتوي على الأكسجين، مما يُساعد في عملية التنظيف، ولكنه يُشكل أيضًا خطرًا على الصحة.

في المواقع التي يُعدّ فيها التلوث الضوئي ذا أهمية قصوى (مثل موقف سيارات المرصد ) ، يُفضّل استخدام مصابيح الصوديوم منخفضة الضغط . ولأنها تُصدر خطوطًا طيفية ضيقة عند طولين موجيين متقاربين جدًا، فإن ترشيحها هو الأسهل. أما مصابيح بخار الزئبق الخالية من الفوسفور فهي الخيار الثاني الأمثل؛ إذ تُنتج عددًا قليلًا من خطوط الزئبق الواضحة التي تحتاج إلى ترشيح.

في الاتحاد الأوروبي، تم حظر استخدام مصابيح بخار الزئبق منخفضة الكفاءة لأغراض الإضاءة في عام 2015. ولا يؤثر هذا الحظر على استخدام الزئبق في المصابيح الفلورية المدمجة ، ولا على استخدام مصابيح الزئبق لأغراض أخرى غير الإضاءة. ^{[ 17 ]}

في الولايات المتحدة، حُظر استخدام كوابح مصابيح بخار الزئبق للإضاءة العامة، باستثناء كوابح مصابيح بخار الزئبق المخصصة للتطبيقات الخاصة، بعد 1 يناير 2008. ^{[ 18 ]} ونتيجةً لذلك، بدأ العديد من المصنّعين ببيع مصابيح الفلورسنت المدمجة (CFL) ومصابيح الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED) كبدائل لتركيبات مصابيح بخار الزئبق، والتي لا تتطلب أي تعديلات على التركيبات القائمة. وقد قررت وزارة الطاقة الأمريكية في عام 2015 عدم تطبيق اللوائح المقترحة في عام 2010 بشأن مصابيح بخار الزئبق من نوع HID ، لأنها لن تحقق وفورات كبيرة. ^{[ 19 ]}

يُنتج أنبوب القوس في مصابيح الزئبق كمية كبيرة من الأشعة فوق البنفسجية قصيرة الموجة (UV-C) ، والتي قد تُسبب حروقًا في العين والجلد. عادةً ما يحجب الغلاف الزجاجي الخارجي للمصباح، وفي بعض المصابيح، طبقة الفوسفور أيضًا، هذه الأشعة. مع ذلك، يجب توخي الحذر في حال انكسار الغلاف الخارجي للمصباح، لأن أنبوب القوس سيستمر في العمل، مما يُشكل خطرًا على السلامة. ^{[ 20 ]} سُجلت حالات في الولايات المتحدة لتضرر مصابيح في صالات الألعاب الرياضية نتيجة اصطدام الكرات بها، مما أدى إلى حروق شمسية والتهاب في العين بسبب الأشعة فوق البنفسجية قصيرة الموجة. ^{[ 21 ]} عند استخدام هذه المصابيح في أماكن مثل صالات الألعاب الرياضية، يجب أن يحتوي المصباح على واقٍ خارجي قوي أو عدسة خارجية لحماية الجزء الخارجي من المصباح. نتيجةً لهذه الحالات الموثقة، قام بعض المصنّعين الأمريكيين بتصنيع مصابيح "أمان" تنطفئ عمدًا في حال انكسار الزجاج الخارجي. ويتحقق ذلك عادةً باستخدام شريط رقيق من التنجستن، يحترق عند تعرضه للهواء، لتوصيل أحد الأقطاب الكهربائية.

لا تزال مصابيح بخار الزئبق التقليدية ذات الغلاف الخارجي المصنوع من زجاج الصودا والجير أو زجاج البوروسيليكات تسمح بتسرب كمية كبيرة نسبيًا من الأشعة فوق البنفسجية بطول موجي 365 نانومتر. قد يؤدي ذلك إلى تسريع تلف بعض أنواع البلاستيك المستخدمة في صناعة وحدات الإضاءة، مما يتسبب في تغير لونها بشكل ملحوظ بعد بضع سنوات فقط من الاستخدام. ويُعدّ البولي كربونات من أكثر المواد عرضةً لهذه المشكلة، ومن الشائع رؤية أسطح البولي كربونات الجديدة نسبيًا، الموضوعة بالقرب من المصباح، وقد تحولت إلى لون أصفر باهت بعد فترة قصيرة.

• تاريخ إنارة الشوارع في الولايات المتحدة
• قائمة مصادر الإضاءة
• مصباح فائق الأداء

• وايموث، جون (1971). مصابيح التفريغ الكهربائي . كامبريدج، ماساتشوستس: مطبعة معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. ISBN 978-0-262-23048-3.
• متحف تكنولوجيا المصابيح الكهربائية

• وسائط متعلقة بمصباح بخار الزئبق على ويكيميديا ​​كومنز