Ajuster le refroidissement des lampes UV

Les lampes à vapeur de mercure basse pression atteignent leur émission UV maximale à une température de paroi d'environ 40 à 50 °C, ce qui correspond à une pression de vapeur de mercure d'environ 0,8 Pa. Des lampes trop froides émettent trop peu, des lampes trop chaudes perdent en puissance par réabsorption. Le refroidissement ne doit donc pas être réglé sur la capacité de refroidissement maximale, mais sur cette plage de température.

Les lampes à vapeur de mercure basse pression sont des lampes émettant à 254 nm, souvent utilisées dans des applications UV telles que la désinfection de l'eau, de l'air et des surfaces. Revêtues de luminophores, ces lampes émettent également un rayonnement UVA et UVB.

Les lampes à vapeur de mercure basse pression sont efficaces et économiques, ce qui explique leur utilisation répandue. Ces lampes contiennent une petite quantité de mercure (Hg), qui passe à l'état gazeux pendant le fonctionnement et est excitée sous forme de plasma par la décharge électrique, émettant un rayonnement UV à 254 nm et 185 nm.

Principes physiques des lampes UV

La pression de vapeur du mercure dans une lampe à vapeur de mercure basse pression est un facteur déterminant pour l'émission UV. La pression de vapeur décrit la pression exercée par le mercure à l'état gazeux à l'intérieur de la lampe. Elle dépend fortement de la température : à des températures plus élevées, la pression de vapeur augmente, à des températures plus basses, elle diminue. L'efficacité de l'émission UV dépend directement de la pression de vapeur du mercure. 

La pression de Hg augmente lorsque la température ambiante s'élève. Cela signifie que davantage d'atomes de Hg sont émis, mais la réabsorption du rayonnement de résonance augmente également. Il existe donc un rendement de rayonnement maximal à la température optimale d'environ 40 °C à 50 °C, soit à la pression de Hg optimale de 0,8 Pa. L'optimum dépend, entre autres, du diamètre du tube.

Plages de température des lampes à vapeur de mercure basse pression

La performance d'une lampe à vapeur de mercure basse pression dépend fortement de la température. Il existe une plage de température étroite dans laquelle la lampe fonctionne de manière optimale :

À une température optimale d'environ 40 °C à 50 °C (pour les lampes basse pression), la lampe atteint la pression de vapeur idéale du mercure d'environ 0,8 Pa (pascal). L'efficacité est optimale dans cette plage.

• Si la lampe devient trop chaude, la pression de vapeur du mercure dépasse le niveau optimal. Cela entraîne une pression de vapeur de mercure excessive et l'efficacité de la lampe diminue. Le flux de rayonnement UV diminue également en conséquence.

• Si la température est trop basse, la pression de vapeur tombe en dessous du niveau optimal, ce qui signifie qu'il n'y a pas suffisamment d'atomes de mercure en phase gazeuse. En termes simples, les électrons excitateurs sont trop rapides ou ne rencontrent pas les atomes de mercure. Cela entraîne également une émission UV réduite.

   

Point le plus froid des lampes UV

Le point le plus froid d'une lampe à vapeur de mercure basse pression est l'endroit à l'intérieur de la lampe où la température est la plus basse. Ce point est déterminant pour la régulation de la pression de vapeur de mercure, car c'est là que les gouttelettes de mercure se rassemblent et s'évaporent. La position et la température de ce point influencent directement la quantité de vapeur de mercure présente dans l'ampoule.

Application pratique

Les lampes à vapeur de mercure basse pression n'atteignent leur température de fonctionnement optimale que lorsque l'auto-échauffement et le refroidissement sont en équilibre ; la température ambiante a donc un effet direct sur le rendement. Lorsque la lampe est allumée et que la phase de rodage (auto-échauffement) commence, le mercure se vaporise. Une vapeur de mercure plus importante est produite et la tension de la lampe augmente. 

Le point optimal est atteint lorsque le flux radiant diminue à nouveau. À partir de ce point, la lampe est trop chaude. En général, un état thermiquement stable se développe alors (plus tard). Cela signifie que la lampe brûle de manière stable à un certain niveau.

La position de ce niveau stable dépend désormais du refroidissement au point le plus froid.

Les lampes à vapeur de mercure basse pression bien refroidies atteignent un fonctionnement stable environ 10 à 15 % en dessous du maximum atteint à la température optimale d'environ 40 °C à 50 °C.

Les lampes à vapeur de mercure basse pression sous-refroidies n'atteignent parfois que 30 à 70 % de la puissance maximale.

Les lampes à vapeur de mercure basse pression trop refroidies peuvent ne jamais atteindre la température optimale.

Le contrôle de la température dans les lampes à mercure basse pression ne constitue pas un défi majeur en pratique. Les problèmes courants et leurs solutions sont les suivants

• Problèmes :
  • Surchauffe : Elle entraîne une pression de vapeur excessive et donc une émission UV réduite.
  • Sous-refroidissement : Peut se produire en raison de basses températures ambiantes ou d'un chauffage insuffisant de la lampe. Cela entraîne une pression de vapeur trop faible et également une émission UV réduite.
• Solutions :

L'efficacité et la performance des lampes à mercure basse pression peuvent être maximisées en paramétrant soigneusement le refroidissement et en mesurant la montée en régime après la mise sous tension.

Remarques concernant les lampes à amalgame et les lampes à pression moyenne

Les lampes UV à amalgame et les lampes à pression moyenne diffèrent nettement des lampes à mercure basse pression en ce qui concerne leur comportement thermique et la vaporisation de leurs dopants.

Les lampes à amalgame atteignent des puissances et des températures plus élevées. À cette fin, les lampes UV à amalgame utilisent un mélange d'amalgame qui permet une émission UV plus stable à des températures plus élevées d'environ 100 °C - 120 °C. L'amalgame, un alliage de mercure et d'un autre métal tel que l'indium ou le gallium, garantit que la pression de vapeur de mercure reste faible même à ces températures. Cela permet à la lampe de fonctionner à des températures de service plus élevées sans perdre en efficacité d'émission UV.

Les lampes à pression moyenne, en revanche, fonctionnent à des températures et des pressions bien plus élevées que les lampes basse pression. Elles produisent un large spectre de rayonnement UV, comprenant l'UV-A, l'UV-B et l'UV-C, et conviennent aux applications nécessitant une puissance plus élevée. Dans ces lampes, le mercure et tout dopage provenant de métaux supplémentaires s'évaporent complètement. Le point froid de ces lampes doit atteindre environ 600 °C - 800 °C.

Le refroidissement est ici essentiel, car une surchauffe peut détruire les lampes.

Un refroidissement trop important peut fortement altérer l'efficacité du rayonnement et certains dopants peuvent se condenser ou se sublimer. Il en résulte qu'ils sont absents de la décharge et que, par conséquent, les raies correspondantes « manquent » dans le spectre.