כיוון קירור מנורות UV

מנורות אדי כספית בלחץ נמוך מגיעות לתפוקת UV מרבית בטמפרטורת קיר של כ-40 עד 50 °C, המתאימה ללחץ אדי כספית של כ-0.8 Pa. מנורות קרות מדי פולטות מעט מדי, ומנורות חמות מדי מאבדות תפוקה עקב קליטה חזרה (reabsorption). לכן אין לכוון את הקירור לכושר הקירור המרבי אלא לחלון הטמפרטורות הזה.

מנורות אדי כספית בלחץ נמוך הן מנורות עם פליטה ב-254 nm, המשמשות לרוב באפליקציות UV כגון חיטוי מים, אוויר ומשטחים. מנורות אלה, כאשר הן מצופות בזרחנים, פולטות גם קרינת UVA ו-UVB.

מנורות אדי כספית בלחץ נמוך הן יעילות וחסכוניות, ולכן הן נפוצות מאוד בשימוש. מנורות אלה מכילות כמות קטנה של כספית (Hg), העוברת למצב גזי בזמן הפעולה ומתעוררת כפלזמה על ידי הפריקה החשמלית ופולטת קרינת UV ב-254 nm וב-185 nm.

עקרונות פיזיקליים של מנורות UV

לחץ האדים של הכספית במנורת אדי כספית בלחץ נמוך הוא גורם מכריע לפליטת UV. לחץ האדים מתאר את הלחץ שמפעילה הכספית במצבה הגזי בתוך המנורה. הוא תלוי מאוד בטמפרטורה: בטמפרטורות גבוהות יותר לחץ האדים עולה, ובטמפרטורות נמוכות יותר הוא יורד. נצילות פליטת ה-UV תלויה במישרין בלחץ אדי הכספית. 

לחץ ה-Hg עולה עם עליית טמפרטורת הסביבה. פירוש הדבר שנפלטים יותר אטומי Hg, אך גם הקליטה החזרה (reabsorption) של קרינת התהודה עולה. לכן קיימת תשואת קרינה מרבית בטמפרטורה האופטימלית של כ-40 °C עד 50 °C, או בלחץ ה-Hg האופטימלי של 0.8 Pa. הנקודה האופטימלית תלויה, בין היתר, בקוטר השפופרת.

טווחי הטמפרטורה של מנורות אדי כספית בלחץ נמוך

הביצועים של מנורת אדי כספית בלחץ נמוך תלויים מאוד בטמפרטורה. קיים טווח טמפרטורה צר בו המנורה פועלת באופן אופטימלי:

בטמפרטורה אופטימלית של כ-40 °C עד 50 °C (למנורות בלחץ נמוך), המנורה מגיעה ללחץ האדים האידיאלי של הכספית, כ-0.8 Pa (פסקל). הנצילות אופטימלית בטווח זה.

• אם המנורה מתחממת יתר על המידה, לחץ האדים של הכספית עולה מעל הרמה האופטימלית. הדבר מוביל ללחץ אדי כספית מוגזם, ונצילות המנורה יורדת. כתוצאה מכך, גם שטף קרינת ה-UV יורד.

• אם הטמפרטורה נמוכה מדי, לחץ האדים יורד מתחת לרמה האופטימלית, כך שאין מספיק אטומי כספית בפאזה הגזית. במילים פשוטות, האלקטרונים המעוררים מהירים מדי או אינם פוגעים באטומי הכספית. גם זה מוביל לפליטת UV מופחתת.

   

הנקודה הקרה ביותר במנורות ה-UV

הנקודה הקרה ביותר במנורת אדי כספית בלחץ נמוך היא הנקודה בתוך המנורה שבה הטמפרטורה הנמוכה ביותר. נקודה זו קריטית לוויסות לחץ אדי הכספית, שכן זהו המקום שבו נאספים ומתאדים טיפות הכספית. המיקום והטמפרטורה של נקודה זו משפיעים במישרין על כמות אדי הכספית הנוכחת בבועה.

יישום מעשי

מנורות אדי כספית בלחץ נמוך מגיעות לטמפרטורת ההפעלה האופטימלית שלהן רק כאשר ההתחממות העצמית והקירור נמצאים באיזון; לכן טמפרטורת הסביבה משפיעה במישרין על התפוקה. כאשר המנורה מוצתת ומתחיל שלב ה-burn-in (התחממות עצמית), הכספית מתאדה. נוצרים יותר אדי כספית ומתח המנורה עולה. 

הנקודה האופטימלית מושגת כאשר שטף הקרינה יורד מחדש. מנקודה זו ואילך, המנורה חמה מדי. בדרך כלל מתפתח לאחר מכן (בשלב מאוחר יותר) מצב יציב תרמית. כלומר, המנורה בוערת באופן יציב ברמה אחת.

מיקום הרמה היציבה הזו תלוי כעת בקירור בנקודה הקרה ביותר.

מנורות אדי כספית בלחץ נמוך המקוררות היטב מגיעות לפעולה יציבה בכ-10 עד 15% מתחת למקסימום המושג בטמפרטורה האופטימלית של כ-40 °C עד 50 °C.

מנורות אדי כספית בלחץ נמוך מקוררות בחסר מגיעות לעיתים רק ל-30 עד 70% מהתפוקה המרבית.

מנורות אדי כספית בלחץ נמוך המקוררות יתר על המידה עלולות לא להגיע לטמפרטורה האופטימלית בכלל.

שליטה בטמפרטורה במנורות מרקורי בלחץ נמוך אינה מהווה אתגר מרכזי בפועל. בין הבעיות הנפוצות ופתרונותיהן:

• בעיות:
  • חימום יתר: מוביל לעליית לחץ האדים ומכאן לירידה בפליטת ה-UV.
  • קירור יתר: יכול להתרחש עקב טמפרטורות סביבה נמוכות או חימום לא מספק של המנורה. הדבר מוביל ללחץ אדים נמוך מדי וגם לירידה בפליטת ה-UV.
• פתרונות:

ניתן למקסם את היעילות והביצועים של מנורות מרקורי בלחץ נמוך על ידי כיוון קפדני של פרמטרי הקירור ומדידת זמן ההתייצבות אחרי ההדלקה.

הערות למנורות אמלגם ומנורות בלחץ בינוני

מנורות אמלגם UV ומנורות בלחץ בינוני שונות באופן מהותי ממנורות מרקורי בלחץ נמוך מבחינת התנהגות הטמפרטורה שלהן ואופן התנדפות התוספים.

מנורות אמלגם מגיעות להספקים וטמפרטורות גבוהים יותר. לשם כך, מנורות אמלגם UV משתמשות בתערובת אמלגם המאפשרת פליטת UV יציבה יותר בטמפרטורות גבוהות יותר של כ-100 °C עד 120 °C. האמלגם, שהוא סגסוגת של מרקורי ומתכת נוספת כגון אינדיום או גליום, מבטיח שלחץ אדי המרקורי יישאר נמוך אף בטמפרטורות אלו. הדבר מאפשר למנורה לעבוד בטמפרטורות הפעלה גבוהות יותר מבלי לאבד מיעילות פליטת ה-UV.

מנורות בלחץ בינוני, לעומת זאת, פועלות בטמפרטורות ולחצים גבוהים בהרבה ממנורות בלחץ נמוך. הן מייצרות טווח רחב של קרינת UV, הכולל UV-A, UV-B ו-UV-C, ומתאימות לשימושים הדורשים הספקים גבוהים יותר. במנורות אלו, המרקורי וכל תוסף ממתכות נוספות מתנדפים לחלוטין. נקודת הקור במנורות אלו צריכה להגיע לכ-600 °C עד 800 °C.

הקירור קריטי במקרה זה, שכן חימום יתר עלול להרוס את המנורות.

קירור חזק מדי עלול לפגוע באופן משמעותי ביעילות הקרינה, ותוספים בודדים עשויים להתעבות או להתסנן. כתוצאה מכך, אלו חסרים בפריקה, ולכן הקווים בספקטרום "חסרים".