ضبط تبريد مصابيح الأشعة فوق البنفسجية

تصل مصابيح الزئبق منخفضة الضغط إلى أعلى ناتج للأشعة فوق البنفسجية عند درجة حرارة جدار تتراوح من 40 إلى 50 °C، وهو ما يقابل ضغط بخار زئبقي يبلغ نحو 0.8 Pa. المصابيح الباردة أكثر من اللازم تُصدر إشعاعاً أقل من اللازم، والمصابيح الساخنة أكثر من اللازم تفقد ناتجها بسبب إعادة الامتصاص. لذلك ينبغي ألا يُضبط التبريد على أقصى سعة تبريد بل على نطاق درجة الحرارة هذا.

مصابيح الزئبق منخفضة الضغط هي مصابيح ذات انبعاث عند 254 nm، وتُستخدم غالباً في تطبيقات الأشعة فوق البنفسجية مثل تطهير المياه والهواء والأسطح. وعند طلائها بمواد فسفورية، تُصدر هذه المصابيح أيضاً أشعة UVA وUVB.

تتميز مصابيح الزئبق منخفضة الضغط بالكفاءة وانخفاض التكلفة، ولذلك فهي مستخدمة على نطاق واسع. تحتوي هذه المصابيح على كمية صغيرة من الزئبق (Hg)، الذي يتحول إلى حالة غازية أثناء التشغيل ويُثار كبلازما بواسطة التفريغ الكهربائي فيُصدر أشعة فوق بنفسجية عند 254 nm و185 nm.

المبادئ الفيزيائية لمصابيح الأشعة فوق البنفسجية

يُعد ضغط بخار الزئبق في مصباح الزئبق منخفض الضغط عاملاً حاسماً لانبعاث الأشعة فوق البنفسجية. يصف ضغط البخار الضغط الذي يمارسه الزئبق في حالته الغازية داخل المصباح. وهو شديد الاعتماد على درجة الحرارة: فعند درجات حرارة أعلى يزداد ضغط البخار، وعند درجات حرارة أقل ينخفض. وتعتمد كفاءة انبعاث الأشعة فوق البنفسجية مباشرة على ضغط بخار الزئبق. 

يزداد ضغط الزئبق (Hg) مع ارتفاع درجة حرارة المحيط. وهذا يعني انبعاث المزيد من ذرات الزئبق، لكن إعادة امتصاص إشعاع الرنين تزداد أيضاً. لذلك يوجد أقصى ناتج إشعاعي عند درجة الحرارة المثلى التي تبلغ نحو 40 °C - 50 °C أو ضغط الزئبق الأمثل البالغ 0.8 Pa. ويعتمد هذا المثالي، ضمن عوامل أخرى، على قطر الأنبوب.

نطاقات درجة الحرارة لمصابيح الزئبق منخفضة الضغط

يعتمد أداء مصباح الزئبق منخفض الضغط اعتماداً كبيراً على درجة الحرارة. ويوجد نطاق ضيق لدرجة الحرارة يعمل فيه المصباح على النحو الأمثل:

عند درجة حرارة مثلى تتراوح من نحو 40 °C إلى 50 °C (بالنسبة للمصابيح منخفضة الضغط)، يصل المصباح إلى ضغط البخار المثالي للزئبق عند نحو 0.8 Pa (باسكال). وتكون الكفاءة مثلى في هذا النطاق.

• إذا أصبح المصباح ساخناً أكثر من اللازم، يرتفع ضغط بخار الزئبق فوق المستوى الأمثل. ويؤدي ذلك إلى ضغط بخار زئبقي مفرط وتنخفض كفاءة المصباح. ونتيجة لذلك، ينخفض أيضاً تدفق الأشعة فوق البنفسجية.

• إذا كانت درجة الحرارة منخفضة أكثر من اللازم، ينخفض ضغط البخار دون المستوى الأمثل، مما يعني عدم وجود عدد كافٍ من ذرات الزئبق في الطور الغازي. وببساطة، تكون الإلكترونات المثيرة سريعة جداً أو لا تصطدم بذرات الزئبق. ويؤدي هذا أيضاً إلى انخفاض انبعاث الأشعة فوق البنفسجية.

   

أبرد نقطة في مصابيح الأشعة فوق البنفسجية

أبرد نقطة في مصباح الزئبق منخفض الضغط هي النقطة داخل المصباح التي تكون درجة الحرارة فيها الأدنى. وتُعد هذه النقطة حاسمة لتنظيم ضغط بخار الزئبق، إذ تتجمع فيها قطيرات الزئبق وتتبخر. ويؤثر موضع هذه النقطة ودرجة حرارتها تأثيراً مباشراً على كمية بخار الزئبق الموجودة داخل الحوصلة.

التطبيق العملي

لا تصل مصابيح الزئبق منخفضة الضغط إلى درجة حرارة التشغيل المثلى إلا عندما يكون التسخين الذاتي والتبريد في حالة توازن؛ لذلك تؤثر درجة حرارة المحيط تأثيراً مباشراً على الناتج. وعند إشعال المصباح وبدء مرحلة التسخين المبدئي (التسخين الذاتي)، يتبخر الزئبق. وينتج بخار زئبقي أعلى ويزداد جهد المصباح. 

تُبلغ النقطة المثلى عندما ينخفض التدفق الإشعاعي مرة أخرى. ومن هذه النقطة فصاعداً، يكون المصباح ساخناً أكثر من اللازم. وعادةً ما تتطور بعد ذلك (لاحقاً) حالة مستقرة حرارياً. وهذا يعني أن المصباح يحترق بثبات عند مستوى واحد.

ويعتمد موضع هذا المستوى المستقر الآن على التبريد عند أبرد نقطة.

تصل مصابيح الزئبق منخفضة الضغط جيدة التبريد إلى تشغيل مستقر أقل بنحو 10–15% من الحد الأقصى الذي يتحقق عند درجة الحرارة المثلى البالغة نحو 40 °C إلى 50 °C.

وفي بعض الأحيان، لا تصل مصابيح الزئبق منخفضة الضغط شديدة التبريد إلا إلى 30–70% من أقصى ناتج.

أما مصابيح الزئبق منخفضة الضغط المُبرَّدة تبريداً مفرطاً، فقد لا تصل إطلاقاً إلى درجة الحرارة المثلى.

لا يُعدّ التحكّم في درجة الحرارة في مصابيح الزئبق منخفضة الضغط تحدّياً كبيراً من الناحية العملية. تشمل المشكلات الشائعة وحلولها ما يلي

• المشكلات:
  • ارتفاع درجة الحرارة الزائد: يؤدي هذا إلى ضغط بخار مفرط وبالتالي إلى انخفاض انبعاث الأشعة فوق البنفسجية.
  • انخفاض درجة الحرارة الزائد: يمكن أن يحدث بسبب انخفاض درجات حرارة المحيط أو عدم كفاية تسخين المصباح. يؤدي هذا إلى ضغط بخار منخفض جداً وبالتالي أيضاً إلى انخفاض انبعاث الأشعة فوق البنفسجية.
• الحلول:

يمكن زيادة كفاءة وأداء مصابيح الزئبق منخفضة الضغط إلى الحد الأقصى من خلال ضبط معلمات التبريد بعناية وقياس مدة الإحماء بعد التشغيل.

ملاحظات حول مصابيح الملغم ومصابيح الضغط المتوسط

تختلف مصابيح الملغم فوق البنفسجية ومصابيح الضغط المتوسط اختلافاً كبيراً عن مصابيح الزئبق منخفضة الضغط من حيث سلوكها الحراري وتبخّر المواد المطعّمة بها.

تحقق مصابيح الملغم نواتج ودرجات حرارة أعلى. ولهذا الغرض، تستخدم مصابيح الملغم فوق البنفسجية خليط ملغم يتيح ناتجاً فوق بنفسجي أكثر استقراراً عند درجات حرارة أعلى تبلغ نحو 100 °C - 120 °C. ويضمن الملغم، وهو سبيكة من الزئبق ومعدن آخر مثل الإنديوم أو الغاليوم، أن يبقى ضغط بخار الزئبق منخفضاً حتى عند هذه الدرجات من الحرارة. ويتيح ذلك للمصباح العمل عند درجات حرارة تشغيل أعلى دون فقدان كفاءة الانبعاث فوق البنفسجي.

أما مصابيح الضغط المتوسط، فتعمل عند درجات حرارة وضغوط أعلى بكثير من المصابيح منخفضة الضغط. وهي تنتج طيفاً واسعاً من الأشعة فوق البنفسجية، يشمل UV-A وUV-B وUV-C، وهي مناسبة للتطبيقات ذات متطلبات القدرة الأعلى. وفي هذه المصابيح، يتبخّر الزئبق وأي مواد مطعّمة من معادن إضافية بالكامل. وينبغي أن تصل النقطة الباردة لهذه المصابيح إلى نحو 600 °C - 800 °C.

يُعدّ التبريد أمراً بالغ الأهمية هنا، إذ يمكن أن يؤدي ارتفاع درجة الحرارة الزائد إلى تدمير المصابيح.

يمكن أن يؤدي التبريد الشديد جداً إلى الإضرار بشدة بكفاءة الإشعاع، وقد تتكاثف بعض المواد المطعّمة الفردية أو تتصعّد. ونتيجة لذلك، تكون هذه المواد مفقودة في التفريغ، وبالتالي "تختفي" الخطوط في الطيف