Regolazione del raffreddamento delle lampade UV

Le lampade a bassa pressione di mercurio raggiungono la massima emissione UV a una temperatura di parete di circa 40–50 °C, che corrisponde a una pressione di vapore di mercurio di circa 0,8 Pa. Le lampade troppo fredde emettono troppo poco, le lampade troppo calde perdono resa a causa del riassorbimento. Il raffreddamento non dovrebbe quindi essere impostato sulla massima capacità di raffreddamento, bensì su questa finestra di temperatura.

Le lampade a bassa pressione di mercurio sono lampade con emissione a 254 nm, spesso utilizzate in applicazioni UV come la disinfezione di acqua, aria e superfici. Rivestite con fosfori, queste lampade emettono anche radiazione UVA e UVB.

Le lampade a bassa pressione di mercurio sono efficienti ed economiche e per questo sono molto diffuse. Queste lampade contengono una piccola quantità di mercurio (Hg), che durante il funzionamento passa allo stato gassoso e viene eccitato come plasma dalla scarica elettrica, emettendo radiazione UV a 254 nm e 185 nm.

Principi fisici delle lampade UV

La pressione di vapore del mercurio in una lampada a bassa pressione di mercurio è un fattore determinante per l'emissione UV. La pressione di vapore descrive la pressione esercitata dal mercurio nel suo stato gassoso all'interno della lampada. È fortemente dipendente dalla temperatura: a temperature più elevate la pressione di vapore aumenta, a temperature più basse diminuisce. L'efficienza dell'emissione UV dipende direttamente dalla pressione di vapore del mercurio. 

La pressione dell'Hg aumenta con l'aumentare della temperatura ambiente. Ciò significa che vengono emessi più atomi di Hg, ma aumenta anche il riassorbimento della radiazione di risonanza. Esiste quindi una resa radiante massima alla temperatura ottimale di circa 40 °C - 50 °C ovvero alla pressione ottimale dell'Hg di 0,8 Pa. L'ottimale dipende, tra l'altro, dal diametro del tubo.

Intervalli di temperatura delle lampade a bassa pressione di mercurio

La resa di una lampada a bassa pressione di mercurio dipende fortemente dalla temperatura. Esiste un intervallo di temperatura ristretto in cui la lampada funziona in modo ottimale:

A una temperatura ottimale di circa 40 °C - 50 °C (per le lampade a bassa pressione), la lampada raggiunge la pressione di vapore ideale del mercurio di circa 0,8 Pa (Pascal). L'efficienza è ottimale in questo intervallo.

• Se la lampada diventa troppo calda, la pressione di vapore del mercurio sale al di sopra del livello ottimale. Ciò porta a una pressione di vapore di mercurio eccessiva e l'efficienza della lampada diminuisce. Di conseguenza, diminuisce anche il flusso di radiazione UV.

• Se la temperatura è troppo bassa, la pressione di vapore scende al di sotto del livello ottimale, il che significa che non ci sono abbastanza atomi di mercurio in fase gassosa. In termini semplici, gli elettroni eccitanti sono troppo veloci o non colpiscono gli atomi di mercurio. Anche questo porta a una riduzione dell'emissione UV.

   

Punto più freddo sulle lampade UV

Il punto più freddo di una lampada a bassa pressione di mercurio è il punto all'interno della lampada in cui la temperatura è più bassa. Questo punto è determinante per la regolazione della pressione di vapore del mercurio, poiché è qui che si raccolgono ed evaporano le goccioline di mercurio. La posizione e la temperatura di questo punto influenzano direttamente la quantità di vapore di mercurio presente nel bulbo.

Applicazione pratica

Le lampade a bassa pressione di mercurio raggiungono la loro temperatura di esercizio ottimale solo quando l'autoriscaldamento e il raffreddamento sono in equilibrio; la temperatura ambiente ha quindi un effetto diretto sulla resa. Quando la lampada viene accesa e inizia la fase di rodaggio (autoriscaldamento), il mercurio evapora. Si produce un vapore di mercurio più elevato e la tensione della lampada aumenta. 

Il punto ottimale viene raggiunto quando il flusso radiante diminuisce nuovamente. Da questo punto in poi, la lampada è troppo calda. Tipicamente, si sviluppa poi (successivamente) uno stato termicamente stabile. Ciò significa che la lampada brucia in modo stabile a un determinato livello.

La posizione di questo livello stabile dipende ora dal raffreddamento nel punto più freddo.

Le lampade a bassa pressione di mercurio ben raffreddate raggiungono un funzionamento stabile a circa il 10–15% al di sotto del massimo raggiunto alla temperatura ottimale di circa 40 °C - 50 °C.

Le lampade a bassa pressione di mercurio sottoraffreddate a volte raggiungono solo il 30–70% della resa massima.

Le lampade a bassa pressione di mercurio raffreddate eccessivamente potrebbero non raggiungere affatto la temperatura ottimale.

Il controllo della temperatura nelle lampade a vapori di mercurio a bassa pressione non rappresenta una sfida rilevante nella pratica. I problemi comuni e le relative soluzioni comprendono

• Problemi:
  • Sovrariscaldamento: Questo porta a una pressione di vapore eccessiva e quindi a una riduzione dell'emissione UV.
  • Sottoraffreddamento: Può verificarsi a causa di basse temperature ambiente o di un riscaldamento insufficiente della lampada. Questo porta a una pressione di vapore troppo bassa e anch'esso a una riduzione dell'emissione UV.
• Soluzioni:

L'efficienza e le prestazioni delle lampade a vapori di mercurio a bassa pressione possono essere massimizzate parametrizzando con cura il raffreddamento e misurando la fase di avviamento dopo l'accensione.

Note per le lampade ad amalgama e le lampade a media pressione

Le lampade UV ad amalgama e le lampade a media pressione differiscono in modo significativo dalle lampade a vapori di mercurio a bassa pressione per quanto riguarda il comportamento termico e la vaporizzazione dei loro elementi dopanti.

Le lampade ad amalgama raggiungono potenze e temperature più elevate. A tale scopo, le lampade UV ad amalgama utilizzano una miscela di amalgama che consente un'emissione UV più stabile a temperature più elevate di circa 100 °C - 120 °C. L'amalgama, una lega di mercurio e un altro metallo come l'indio o il gallio, garantisce che la pressione di vapore del mercurio rimanga bassa anche a queste temperature. Ciò consente alla lampada di funzionare a temperature di esercizio più elevate senza perdere l'efficienza dell'emissione UV.

Le lampade a media pressione, invece, operano a temperature e pressioni molto più elevate rispetto alle lampade a bassa pressione. Producono uno spettro ampio di radiazione UV, comprendente UV-A, UV-B e UV-C, e sono adatte per applicazioni con requisiti di potenza più elevati. In queste lampade, il mercurio ed eventuali elementi dopanti di metalli aggiuntivi evaporano completamente. Il punto freddo di queste lampade dovrebbe raggiungere circa 600 °C - 800 °C.

Il raffreddamento è qui fondamentale, poiché il sovrariscaldamento può distruggere le lampade.

Un raffreddamento troppo intenso può compromettere gravemente l'efficienza della radiazione e singoli elementi dopanti possono condensare o sublimare. Di conseguenza, questi risultano assenti nella scarica e pertanto le righe nello spettro "mancano"