Justering af kølingen af UV-lamper

Lavtryks-kviksølvlamper opnår deres højeste UV-output ved en vægtemperatur på ca. 40 til 50 °C, hvilket svarer til et kviksølvdamptryk på omkring 0,8 Pa. Lamper, der er for kolde, udsender for lidt, lamper, der er for varme, taber output gennem reabsorption. Kølingen bør derfor ikke indstilles til maksimal kølekapacitet, men til dette temperaturvindue.

Lavtryks-kviksølvlamper er lamper med emission ved 254 nm, som ofte anvendes i UV-applikationer såsom desinfektion af vand, luft og overflader. Belagt med phosphorer udsender disse lamper også UVA- og UVB-stråling.

Lavtryks-kviksølvlamper er effektive og omkostningseffektive og anvendes derfor ofte. Disse lamper indeholder en lille mængde kviksølv (Hg), som overgår til en gasformig tilstand under drift og eksciteres som et plasma af den elektriske afladning og udsender UV-stråling ved 254 nm og 185 nm.

Fysiske principper for UV-lamper

Kviksølvets damptryk i en lavtryks-kviksølvlampe er en afgørende faktor for UV-emissionen. Damptrykket beskriver det tryk, som kviksølvet udøver i sin gasformige tilstand inde i lampen. Det er stærkt temperaturafhængigt: Ved højere temperaturer stiger damptrykket, ved lavere temperaturer falder det. Effektiviteten af UV-emissionen afhænger direkte af kviksølvets damptryk. 

Hg-trykket stiger, når den omgivende temperatur stiger. Det betyder, at flere Hg-atomer udsendes, men reabsorptionen af resonansstråling stiger også. Der er derfor et maksimalt strålingsudbytte ved den optimale temperatur på ca. 40 °C - 50 °C eller det optimale Hg-tryk på 0,8 Pa. Optimum afhænger blandt andet af rørdiameteren.

Temperaturområder for lavtryks-kviksølvlamper

Ydelsen af en lavtryks-kviksølvlampe er stærkt temperaturafhængig. Der er et snævert temperaturområde, hvor lampen fungerer optimalt:

Ved en optimal temperatur på omkring 40 °C til 50 °C (for lavtrykslamper) opnår lampen det ideelle damptryk for kviksølv på omkring 0,8 Pa (Pascal). Effektiviteten er optimal i dette område.

• Hvis lampen bliver for varm, stiger kviksølvets damptryk over det optimale niveau. Dette fører til for højt kviksølvdamptryk, og lampens effektivitet falder. Som følge heraf falder også UV-strålingsfluksen.

• Hvis temperaturen er for lav, falder damptrykket under det optimale niveau, hvilket betyder, at der ikke er nok kviksølvatomer i gasfasen. Enkelt sagt er de exciterende elektroner for hurtige eller rammer ikke kviksølvatomerne. Dette fører også til reduceret UV-emission.

   

Koldeste punkt på UV-lamperne

Det koldeste punkt i en lavtryks-kviksølvlampe er det punkt inde i lampen, hvor temperaturen er lavest. Dette punkt er afgørende for regulering af kviksølvdamptrykket, da det er her, kviksølvdråberne samler sig og fordamper. Placeringen og temperaturen af dette punkt påvirker direkte mængden af kviksølvdamp i pæren.

Praktisk anvendelse

Lavtryks-kviksølvlamper opnår kun deres optimale driftstemperatur, når selvopvarmning og køling er i balance; den omgivende temperatur har derfor en direkte effekt på outputtet. Når lampen tændes og indbrændingsfasen (selvopvarmning) begynder, fordamper kviksølvet. Der produceres et højere kviksølvdamptryk, og lampespændingen stiger. 

Det optimale punkt er nået, når strålingsfluksen falder igen. Fra dette punkt er lampen for varm. Typisk udvikles der derefter (senere) en termisk stabil tilstand. Det betyder, at lampen brænder stabilt på et niveau.

Placeringen af dette stabile niveau afhænger nu af kølingen ved det koldeste punkt.

Godt kølede lavtryks-kviksølvlamper opnår stabil drift ca. 10-15 % under det maksimum, der nås ved den optimale temperatur på omkring 40 °C til 50 °C.

Underkølede lavtryks-kviksølvlamper opnår nogle gange kun 30-70 % af maksimalt output.

Lavtryks-kviksølvlamper, der køles for meget, opnår muligvis slet ikke den optimale temperatur.

At styre temperaturen i lavtryks-kviksølvlamper er i praksis ikke en stor udfordring. Almindelige problemer og deres løsninger omfatter

• Problemer:
  • Overophedning: Dette fører til for højt damptryk og dermed til reduceret UV-emission.
  • Underafkøling: Kan opstå på grund af lave omgivelsestemperaturer eller utilstrækkelig opvarmning af lampen. Dette fører til for lavt damptryk og også til reduceret UV-emission.
• Løsninger:

Effektiviteten og ydeevnen af lavtryks-kviksølvlamper kan maksimeres ved omhyggelig parametrering af køling og ved at måle opstartsforløbet efter tænding.

Bemærkninger til amalgamlamper og mellemtryklamper

UV-amalgamlamper og mellemtryklamper adskiller sig væsentligt fra lavtryks-kviksølvlamper med hensyn til deres temperaturadfærd og fordampningen af deres dopingstoffer.

Amalgamlamper opnår højere effekt og temperaturer. Til dette formål bruger UV-amalgamlamper en amalgamblanding, der muliggør en mere stabil UV-effekt ved højere temperaturer på ca. 100 °C - 120 °C. Amalgamet, en legering af kviksølv og et andet metal som indium eller gallium, sikrer, at kviksølvdamptrykket forbliver lavt selv ved disse temperaturer. Dette gør det muligt for lampen at arbejde ved højere driftstemperaturer uden at miste effektiviteten af UV-emissionen.

Mellemtryklamper arbejder derimod ved meget højere temperaturer og tryk end lavtrykslamper. De producerer et bredt spektrum af UV-stråling, herunder UV-A, UV-B og UV-C, og er velegnede til anvendelser med højere effektbehov. I disse lamper fordamper kviksølvet og enhver doping fra yderligere metaller fuldstændigt. Det kolde punkt for disse lamper bør nå ca. 600 °C - 800 °C.

Køling er kritisk her, da overophedning kan ødelægge lamperne.

For kraftig køling kan alvorligt forringe strålingens effektivitet, og enkelte dopingstoffer kan kondensere eller sublimere. Som følge heraf mangler disse i udladningen, og linjerne i spektret "mangler" dermed