Nastavení chlazení UV lamp

Nízkotlaké rtuťové výbojky dosahují nejvyššího UV výkonu při teplotě stěny přibližně 40 až 50 °C, což odpovídá tlaku rtuťových par přibližně 0,8 Pa. Příliš chladné lampy vyzařují příliš málo, příliš horké lampy ztrácejí výkon reabsorpcí. Chlazení by proto nemělo být nastaveno na maximální chladicí výkon, ale na toto teplotní okno.

Nízkotlaké rtuťové výbojky jsou lampy s emisí při 254 nm, které se často používají v UV aplikacích, jako je dezinfekce vody, vzduchu a povrchů. Tyto lampy, opatřené vrstvou fosforu, vyzařují také UVA a UVB záření.

Nízkotlaké rtuťové výbojky jsou účinné a nákladově efektivní, a proto se široce používají. Tyto lampy obsahují malé množství rtuti (Hg), která se během provozu přemění do plynného stavu a je elektrickým výbojem excitována jako plazma a vyzařuje UV záření při 254 nm a 185 nm.

Fyzikální principy UV lamp

Tlak par rtuti v nízkotlaké rtuťové výbojce je rozhodujícím faktorem pro UV emisi. Tlak par popisuje tlak vyvíjený rtutí v jejím plynném stavu uvnitř lampy. Je silně teplotně závislý: při vyšších teplotách tlak par stoupá, při nižších teplotách klesá. Účinnost UV emise přímo závisí na tlaku par rtuti. 

Tlak Hg stoupá s rostoucí okolní teplotou. To znamená, že je emitováno více atomů Hg, ale zároveň se zvyšuje reabsorpce rezonančního záření. Existuje tedy maximální výtěžek záření při optimální teplotě přibližně 40 °C – 50 °C, respektive optimálním tlaku Hg 0,8 Pa. Optimum závisí mimo jiné na průměru trubice.

Teplotní rozsahy nízkotlakých rtuťových výbojek

Výkon nízkotlaké rtuťové výbojky je vysoce teplotně závislý. Existuje úzký teplotní rozsah, ve kterém lampa funguje optimálně:

Při optimální teplotě přibližně 40 °C až 50 °C (u nízkotlakých lamp) dosahuje lampa ideálního tlaku par rtuti přibližně 0,8 Pa (Pascal). Účinnost je v tomto rozsahu optimální.

• Pokud je lampa příliš horká, tlak par rtuti stoupá nad optimální úroveň. To vede k příliš vysokému tlaku par rtuti a účinnost lampy klesá. V důsledku toho klesá i tok UV záření.

• Pokud je teplota příliš nízká, tlak par klesá pod optimální úroveň, což znamená, že v plynné fázi není dostatek atomů rtuti. Zjednodušeně řečeno, excitující elektrony jsou příliš rychlé nebo nezasáhnou atomy rtuti. To také vede ke snížené UV emisi.

   

Nejchladnější místo na UV lampách

Nejchladnější místo v nízkotlaké rtuťové výbojce je místo uvnitř lampy, kde je teplota nejnižší. Toto místo je rozhodující pro regulaci tlaku par rtuti, protože zde se shromažďují a odpařují kapičky rtuti. Poloha a teplota tohoto místa přímo ovlivňují množství rtuťových par přítomných v baňce.

Praktické použití

Nízkotlaké rtuťové výbojky dosahují své optimální provozní teploty pouze tehdy, když je vlastní zahřívání a chlazení v rovnováze; okolní teplota tak má přímý vliv na výkon. Když je lampa zapálena a začíná fáze zahořování (vlastní zahřívání), rtuť se odpařuje. Vzniká vyšší tlak rtuťových par a napětí lampy stoupá. 

Optimální bod je dosažen, když zářivý tok znovu klesne. Od tohoto bodu je lampa příliš horká. Následně se (později) obvykle vytvoří tepelně stabilní stav. To znamená, že lampa hoří stabilně na jedné úrovni.

Poloha této stabilní úrovně nyní závisí na chlazení v nejchladnějším místě.

Dobře chlazené nízkotlaké rtuťové výbojky dosahují stabilního provozu přibližně 10–15 % pod maximem dosaženým při optimální teplotě přibližně 40 °C až 50 °C.

Nedostatečně chlazené nízkotlaké rtuťové výbojky někdy dosahují jen 30–70 % maximálního výkonu.

Nízkotlaké rtuťové výbojky, které jsou chlazeny příliš intenzivně, nemusí optimální teplotu dosáhnout vůbec.

Regulace teploty v nízkotlakých rtuťových lampách není v praxi zásadní výzvou. Mezi běžné problémy a jejich řešení patří

• Problémy:
  • Přehřátí: To vede k nadměrnému tlaku par a tím ke snížené UV emisi.
  • Podchlazení: Může nastat v důsledku nízkých okolních teplot nebo nedostatečného zahřátí lampy. To vede k příliš nízkému tlaku par a rovněž ke snížené UV emisi.
• Řešení:

Účinnost a výkon nízkotlakých rtuťových lamp lze maximalizovat pečlivým nastavením parametrů chlazení a měřením náběhu po zapnutí.

Poznámky k amalgámovým lampám a středotlakým lampám

UV amalgámové lampy a středotlaké lampy se výrazně liší od nízkotlakých rtuťových lamp, pokud jde o teplotní chování a odpařování jejich dopantů.

Amalgámové lampy dosahují vyšších výkonů a teplot. Za tímto účelem používají UV amalgámové lampy amalgámovou směs, která umožňuje stabilnější UV výkon při vyšších teplotách přibližně 100 °C - 120 °C. Amalgám, slitina rtuti a jiného kovu, jako je indium nebo galium, zajišťuje, že tlak rtuťových par zůstává nízký i při těchto teplotách. To umožňuje lampě fungovat při vyšších provozních teplotách bez ztráty účinnosti UV emise.

Středotlaké lampy naproti tomu pracují při mnohem vyšších teplotách a tlacích než nízkotlaké lampy. Produkují široké spektrum UV záření, včetně UV-A, UV-B a UV-C, a jsou vhodné pro aplikace s vyššími výkonovými nároky. V těchto lampách se rtuť a případné doplňkové kovy zcela odpaří. Studený bod u těchto lamp by měl dosahovat přibližně 600 °C - 800 °C.

Chlazení je v tomto případě klíčové, protože přehřátí může lampy zničit.

Příliš silné chlazení může výrazně narušit účinnost záření a jednotlivé dopanty mohou kondenzovat nebo sublimovat. V důsledku toho chybí ve výboji, a proto v spektru "chybí" příslušné čáry.