UV-lamppujen jäähdytyksen säätäminen

Matalapaine-elohopealamput saavuttavat korkeimman UV-tehonsa noin 40–50 °C:n seinämälämpötilassa, mikä vastaa noin 0,8 Pa:n elohopean höyrynpainetta. Liian kylmät lamput säteilevät liian vähän, liian kuumat lamput menettävät tehoa uudelleenabsorption vuoksi. Jäähdytystä ei siis pidä säätää maksimaaliseen jäähdytystehoon, vaan tähän lämpötilaikkunaan.

Matalapaine-elohopealamput ovat lamppuja, joiden emissio on 254 nm:ssä, ja niitä käytetään usein UV-sovelluksissa, kuten veden, ilman ja pintojen desinfioinnissa. Fosforipäällysteisinä näistä lampuista säteilee myös UVA- ja UVB-säteilyä.

Matalapaine-elohopealamput ovat tehokkaita ja kustannustehokkaita, ja niitä käytetään siksi laajasti. Näissä lampuissa on pieni määrä elohopeaa (Hg), joka muuttuu käytön aikana kaasumaiseen tilaan ja virittyy plasmaksi sähköisen purkauksen vaikutuksesta ja säteilee UV-säteilyä 254 nm:ssä ja 185 nm:ssä.

UV-lamppujen fysikaaliset periaatteet

Elohopean höyrynpaine matalapaine-elohopealampussa on ratkaiseva tekijä UV-emission kannalta. Höyrynpaine kuvaa painetta, jonka elohopea aiheuttaa kaasumaisessa tilassaan lampun sisällä. Se on vahvasti lämpötilariippuvainen: korkeammissa lämpötiloissa höyrynpaine kasvaa, matalammissa lämpötiloissa se laskee. UV-emission hyötysuhde riippuu suoraan elohopean höyrynpaineesta. 

Hg-paine kasvaa ympäristön lämpötilan noustessa. Tämä tarkoittaa, että enemmän Hg-atomeja emittoituu, mutta resonanssisäteilyn uudelleenabsorptio kasvaa myös. Näin ollen suurin säteilysaanto saavutetaan optimaalisessa lämpötilassa, noin 40 °C:sta 50 °C:seen, tai optimaalisessa Hg-paineessa 0,8 Pa. Optimi riippuu muun muassa putken halkaisijasta.

Matalapaine-elohopealamppujen lämpötila-alueet

Matalapaine-elohopealampun teho on erittäin lämpötilariippuvainen. On olemassa kapea lämpötila-alue, jolla lamppu toimii optimaalisesti:

Noin 40 °C:sta 50 °C:seen optimaalisessa lämpötilassa (matalapainelampuille) lamppu saavuttaa elohopean ihanteellisen höyrynpaineen, noin 0,8 Pa (pascal). Hyötysuhde on tällä alueella optimaalinen.

• Jos lamppu kuumenee liikaa, elohopean höyrynpaine nousee optimaalisen tason yläpuolelle. Tämä johtaa liialliseen elohopean höyrynpaineeseen ja lampun hyötysuhde heikkenee. Tämän seurauksena myös UV-säteilyvuo pienenee.

• Jos lämpötila on liian matala, höyrynpaine laskee optimaalisen tason alapuolelle, mikä tarkoittaa, että kaasufaasissa ei ole tarpeeksi elohopea-atomeja. Yksinkertaisesti sanottuna virittävät elektronit ovat liian nopeita tai ne eivät osu elohopea-atomeihin. Tämä johtaa myös heikentyneeseen UV-emissioon.

   

UV-lamppujen kylmin piste

Matalapaine-elohopealampun kylmin piste on lampun sisällä oleva kohta, jossa lämpötila on alhaisin. Tämä piste on ratkaiseva elohopean höyrynpaineen säätelyssä, sillä siihen elohopeapisarat keräytyvät ja haihtuvat. Tämän pisteen sijainti ja lämpötila vaikuttavat suoraan lampun sisällä olevan elohopeahöyryn määrään.

Käytännön sovellus

Matalapaine-elohopealamput saavuttavat optimaalisen käyttölämpötilan vain, kun itselämmitys ja jäähdytys ovat tasapainossa; ympäristön lämpötilalla on siksi suora vaikutus tehoon. Kun lamppu sytytetään ja alkaa palamisvaihe (itselämmitys), elohopea höyrystyy. Syntyy suurempi elohopeahöyry ja lampun jännite kasvaa. 

Optimaalinen piste saavutetaan, kun säteilyvuo alkaa laskea uudelleen. Tästä pisteestä eteenpäin lamppu on liian kuuma. Tyypillisesti lämpötila vakiintuu myöhemmin. Tämä tarkoittaa, että lamppu palaa vakaasti yhdellä tasolla.

Tämän vakaan tason sijainti riippuu nyt jäähdytyksestä kylmimmässä pisteessä.

Hyvin jäähdytetyt matalapaine-elohopealamput saavuttavat vakaan käytön noin 10–15 % maksimin alapuolella, joka saavutetaan optimaalisessa lämpötilassa noin 40 °C:sta 50 °C:seen.

Alijäähdytetyt matalapaine-elohopealamput saavuttavat toisinaan vain 30–70 % maksimitehosta.

Liian voimakkaasti jäähdytetyt matalapaine-elohopealamput eivät välttämättä saavuta optimaalista lämpötilaa lainkaan.

Lämpötilan hallinta matalapaineisissa elohopealampuissa ei ole käytännössä merkittävä haaste. Yleisiä ongelmia ja niiden ratkaisuja ovat

• Ongelmat:
  • Ylikuumeneminen: Tämä johtaa liialliseen höyrynpaineeseen ja siten heikentyneeseen UV-säteilyyn.
  • Alijäähtyminen: Voi johtua alhaisesta ympäristön lämpötilasta tai lampun riittämättömästä lämpenemisestä. Tämä johtaa liian alhaiseen höyrynpaineeseen ja niin ikään heikentyneeseen UV-säteilyyn.
• Ratkaisut:

Matalapaineisten elohopealamppujen tehokkuus ja suorituskyky voidaan maksimoida parametroimalla jäähdytys huolellisesti ja mittaamalla käynnistyksen jälkeinen ylösajo.

Huomioita amalgaamilampuista ja keskipainelampuista

UV-amalgaamilamput ja keskipainelamput eroavat merkittävästi matalapaineisista elohopealampuista lämpötilakäyttäytymisensä ja seosaineidensa höyrystymisen suhteen.

Amalgaamilamput saavuttavat korkeampia tehoja ja lämpötiloja. Tätä varten UV-amalgaamilampuissa käytetään amalgaamiseosta, joka mahdollistaa vakaamman UV-tehon korkeammissa, noin 100 °C – 120 °C:n lämpötiloissa. Amalgaami, joka on elohopean ja toisen metallin, kuten indiumin tai galliumin, seos, varmistaa, että elohopean höyrynpaine pysyy alhaisena myös näissä lämpötiloissa. Tämä mahdollistaa lampun toiminnan korkeammissa käyttölämpötiloissa ilman, että UV-säteilyn tehokkuus heikkenee.

Keskipainelamput puolestaan toimivat huomattavasti korkeammissa lämpötiloissa ja paineissa kuin matalapainelamput. Ne tuottavat laajan UV-säteilyn spektrin, mukaan lukien UV-A, UV-B ja UV-C, ja soveltuvat sovelluksiin, joissa vaaditaan suurempaa tehoa. Näissä lampuissa elohopea ja mahdolliset lisämetalliseokset höyrystyvät kokonaan. Näiden lamppujen kylmäpisteen tulisi saavuttaa noin 600 °C – 800 °C.

Jäähdytys on tässä ratkaisevan tärkeää, sillä ylikuumeneminen voi tuhota lamput.

Liian voimakas jäähdytys voi heikentää säteilyn tehokkuutta merkittävästi, ja yksittäiset seosaineet voivat tiivistyä tai sublimoitua. Tämän seurauksena ne puuttuvat purkauksesta, ja näin ollen vastaavat viivat spektristä "puuttuvat".