Ajuste de la refrigeración de las lámparas UV

Las lámparas de mercurio de baja presión alcanzan su máxima emisión UV a una temperatura de pared de aproximadamente 40 a 50 °C, lo que corresponde a una presión de vapor de mercurio de alrededor de 0,8 Pa. Las lámparas demasiado frías emiten muy poco, las lámparas demasiado calientes pierden potencia por reabsorción. Por lo tanto, la refrigeración no debe ajustarse a la máxima capacidad de enfriamiento, sino a esta ventana de temperatura.

Las lámparas de mercurio de baja presión son lámparas con emisión a 254 nm, que a menudo se utilizan en aplicaciones UV como la desinfección de agua, aire y superficies. Recubiertas con fósforos, estas lámparas también emiten radiación UVA y UVB.

Las lámparas de mercurio de baja presión son eficientes y económicas, por lo que se utilizan ampliamente. Estas lámparas contienen una pequeña cantidad de mercurio (Hg), que pasa a estado gaseoso durante el funcionamiento y se excita como plasma mediante la descarga eléctrica, emitiendo radiación UV a 254 nm y 185 nm.

Principios físicos de las lámparas UV

La presión de vapor del mercurio en una lámpara de mercurio de baja presión es un factor decisivo para la emisión UV. La presión de vapor describe la presión ejercida por el mercurio en su estado gaseoso dentro de la lámpara. Depende fuertemente de la temperatura: a temperaturas más altas, la presión de vapor aumenta; a temperaturas más bajas, disminuye. La eficiencia de la emisión UV depende directamente de la presión de vapor del mercurio. 

La presión de Hg aumenta a medida que sube la temperatura ambiente. Esto significa que se emiten más átomos de Hg, pero también aumenta la reabsorción de la radiación de resonancia. Por lo tanto, existe un rendimiento de radiación máximo a la temperatura óptima de aproximadamente 40 °C a 50 °C o a la presión de Hg óptima de 0,8 Pa. El óptimo depende, entre otras cosas, del diámetro del tubo.

Rangos de temperatura de las lámparas de mercurio de baja presión

El rendimiento de una lámpara de mercurio de baja presión depende en gran medida de la temperatura. Existe un rango de temperatura estrecho en el que la lámpara funciona de forma óptima:

A una temperatura óptima de aproximadamente 40 °C a 50 °C (para lámparas de baja presión), la lámpara alcanza la presión de vapor ideal del mercurio de alrededor de 0,8 Pa (Pascal). La eficiencia es óptima en este rango.

• Si la lámpara se calienta demasiado, la presión de vapor del mercurio aumenta por encima del nivel óptimo. Esto provoca una presión de vapor de mercurio excesiva y la eficiencia de la lámpara disminuye. Como resultado, el flujo de radiación UV también disminuye.

• Si la temperatura es demasiado baja, la presión de vapor cae por debajo del nivel óptimo, lo que significa que no hay suficientes átomos de mercurio en la fase gaseosa. En términos simples, los electrones excitadores son demasiado rápidos o no impactan a los átomos de mercurio. Esto también conduce a una emisión UV reducida.

   

Punto más frío en las lámparas UV

El punto más frío en una lámpara de mercurio de baja presión es el punto dentro de la lámpara donde la temperatura es más baja. Este punto es crucial para regular la presión de vapor de mercurio, ya que es donde se acumulan y evaporan las gotas de mercurio. La posición y la temperatura de este punto influyen directamente en la cantidad de vapor de mercurio presente en el bulbo.

Aplicación práctica

Las lámparas de mercurio de baja presión solo alcanzan su temperatura de funcionamiento óptima cuando el autocalentamiento y la refrigeración están en equilibrio; por lo tanto, la temperatura ambiente tiene un efecto directo sobre la potencia emitida. Cuando se encienden la lámpara y comienza la fase de rodaje (autocalentamiento), el mercurio se vaporiza. Se produce un mayor vapor de mercurio y la tensión de la lámpara aumenta. 

El punto óptimo se alcanza cuando el flujo radiante vuelve a disminuir. A partir de este punto, la lámpara está demasiado caliente. Normalmente, después se desarrolla un estado térmicamente estable. Esto significa que la lámpara arde de forma estable en un nivel determinado.

La posición de este nivel estable depende ahora de la refrigeración en el punto más frío.

Las lámparas de mercurio de baja presión bien refrigeradas alcanzan un funcionamiento estable aproximadamente un 10-15 % por debajo del máximo alcanzado a la temperatura óptima de aproximadamente 40 °C a 50 °C.

Las lámparas de mercurio de baja presión insuficientemente refrigeradas a veces solo alcanzan entre el 30 % y el 70 % de la potencia máxima.

Las lámparas de mercurio de baja presión que se refrigeran demasiado pueden no alcanzar en absoluto la temperatura óptima.

Controlar la temperatura en las lámparas de mercurio de baja presión no supone un gran reto en la práctica. Los problemas habituales y sus soluciones incluyen

• Problemas:
  • Sobrecalentamiento: Esto provoca una presión de vapor excesiva y, por tanto, una reducción de la emisión UV.
  • Enfriamiento insuficiente: Puede producirse debido a bajas temperaturas ambientales o a un calentamiento insuficiente de la lámpara. Esto provoca una presión de vapor demasiado baja y también una reducción de la emisión UV.
• Soluciones:

La eficiencia y el rendimiento de las lámparas de mercurio de baja presión pueden maximizarse parametrizando cuidadosamente la refrigeración y midiendo el tiempo de arranque tras el encendido.

Notas sobre lámparas de amalgama y lámparas de media presión

Las lámparas UV de amalgama y las lámparas de media presión se diferencian significativamente de las lámparas de mercurio de baja presión en cuanto a su comportamiento térmico y a la vaporización de sus dopantes.

Las lámparas de amalgama alcanzan potencias y temperaturas más elevadas. Para ello, las lámparas UV de amalgama utilizan una mezcla de amalgama que permite una salida UV más estable a temperaturas más altas de aproximadamente 100 °C - 120 °C. La amalgama, una aleación de mercurio y otro metal como el indio o el galio, garantiza que la presión de vapor de mercurio se mantenga baja incluso a estas temperaturas. Esto permite que la lámpara trabaje a temperaturas de servicio más elevadas sin perder eficiencia en la emisión UV.

Las lámparas de media presión, por su parte, funcionan a temperaturas y presiones mucho más altas que las lámparas de baja presión. Producen un amplio espectro de radiación UV, incluyendo UV-A, UV-B y UV-C, y son adecuadas para aplicaciones con mayores requisitos de potencia. En estas lámparas, el mercurio y cualquier dopaje procedente de metales adicionales se evapora por completo. El punto frío de estas lámparas debe alcanzar aproximadamente 600 °C - 800 °C.

La refrigeración es fundamental en este caso, ya que el sobrecalentamiento puede destruir las lámparas.

Una refrigeración demasiado intensa puede afectar gravemente a la eficiencia de la radiación y provocar que dopantes individuales se condensen o sublimen. Como resultado, estos faltan en la descarga y, en consecuencia, las líneas correspondientes «faltan» en el espectro