UVランプの冷却調整

低圧水銀ランプは、管壁温度が約40〜50 ℃のときに最大のUV出力に達し、これは約0.8 Paの水銀蒸気圧に相当します。ランプが冷えすぎると放射量が不足し、熱くなりすぎると再吸収により出力が低下します。したがって、冷却は最大冷却能力に設定するのではなく、この温度範囲に設定する必要があります。

低圧水銀ランプは254 nmで発光するランプであり、水、空気、表面の消毒などのUV用途でよく使用されます。蛍光体でコーティングすることで、これらのランプはUVAおよびUVB放射も放出します。

低圧水銀ランプは効率が高く、コストパフォーマンスに優れているため、広く使用されています。これらのランプには少量の水銀（Hg）が含まれており、動作中に気体状態に変化し、放電によりプラズマとして励起され、254 nmおよび185 nmでUV放射を放出します。

UVランプの物理的原理

低圧水銀ランプ内の水銀の蒸気圧は、UV放射にとって決定的な要素です。蒸気圧とは、ランプ内部で気体状態の水銀が及ぼす圧力のことです。これは温度に強く依存します。温度が高くなると蒸気圧は上昇し、温度が低くなると低下します。UV放射の効率は水銀の蒸気圧に直接依存します。 

周囲温度が上昇すると、Hg圧力も上昇します。これにより、より多くのHg原子が放出されますが、共鳴放射の再吸収も増加します。したがって、約40 ℃〜50 ℃の最適温度、すなわち0.8 Paの最適Hg圧力において、最大の放射収率が得られます。この最適値は、管径などにも依存します。

低圧水銀ランプの温度範囲

低圧水銀ランプの性能は温度に強く依存します。ランプが最適に機能する温度範囲は非常に狭いです。

約40 ℃〜50 ℃（低圧ランプの場合）の最適温度において、ランプは約0.8 Pa（パスカル）という理想的な水銀の蒸気圧に達します。この範囲で効率は最適になります。

• ランプが熱くなりすぎると、水銀の蒸気圧が最適レベルを超えて上昇します。これにより水銀蒸気圧が過剰となり、ランプの効率が低下します。その結果、UV放射束も減少します。

• 温度が低すぎると、蒸気圧が最適レベルを下回り、気相中の水銀原子が不足します。簡単に言えば、励起電子が速すぎるか、水銀原子に当たらない状態になります。これによりUV放射も低下します。

   

UVランプの最も冷たい点

低圧水銀ランプにおける最も冷たい点とは、ランプ内部で温度が最も低い箇所のことです。この点は水銀蒸気圧を調整する上で重要であり、ここに水銀滴が集まり蒸発します。この点の位置と温度は、バルブ内に存在する水銀蒸気の量に直接影響します。

実際の応用

低圧水銀ランプは、自己発熱と冷却が釣り合ったときにのみ最適な動作温度に達するため、周囲温度は出力に直接影響を及ぼします。ランプが点灯し、バーンインフェーズ（自己発熱）が始まると、水銀が蒸発します。より多くの水銀蒸気が発生し、ランプ電圧が上昇します。 

放射束が再び低下したときが最適点です。この点を超えると、ランプは熱くなりすぎです。通常、その後（時間が経つと）熱的に安定した状態が形成されます。つまり、ランプは一定のレベルで安定して点灯します。

この安定レベルの位置は、最も冷たい点における冷却状態に依存します。

十分に冷却された低圧水銀ランプは、約40 ℃〜50 ℃の最適温度で到達する最大値よりも約10〜15%低いレベルで安定動作します。

冷却不足の低圧水銀ランプは、最大出力の30〜70%程度しか達しないこともあります。

過度に冷却された低圧水銀ランプは、最適温度にまったく到達しないことがあります。

低圧水銀ランプの温度制御は、実務上大きな課題ではありません。一般的な問題とその解決策には以下が含まれます

• 問題：
  • 過熱： これにより蒸気圧が過剰になり、その結果UV放射が低下します。
  • 過冷却： 周囲温度が低い場合やランプの加熱が不十分な場合に発生することがあります。これにより蒸気圧が低くなりすぎ、同様にUV放射が低下します。
• 解決策：

低圧水銀ランプの効率と性能は、冷却を注意深くパラメータ設定し、点灯後の立ち上がりを測定することで最大化できます。

アマルガムランプおよび中圧ランプに関する注意事項

UVアマルガムランプおよび中圧ランプは、温度特性およびドーパントの気化に関して低圧水銀ランプと大きく異なります。

アマルガムランプはより高い出力および温度を実現します。このためUVアマルガムランプでは、約100 ℃～120 ℃のより高い温度でも安定したUV出力を可能にするアマルガム混合物を使用します。アマルガムとは水銀とインジウムやガリウムなどの他の金属との合金であり、これらの温度でも水銀蒸気圧を低く保つことを可能にします。これにより、UV放射の効率を損なうことなく、より高い動作温度でランプを稼働させることができます。

一方、中圧ランプは低圧ランプよりもはるかに高い温度と圧力で動作します。UV-A、UV-B、UV-Cを含む広範なUVスペクトルを生成し、より高い出力を必要とする用途に適しています。これらのランプでは、水銀および追加金属によるドーピングが完全に蒸発します。これらのランプのコールドポイントは約600 ℃～800 ℃に達する必要があります。

過熱によりランプが破損する可能性があるため、ここでの冷却は非常に重要です。

冷却が強すぎると放射の効率が大きく損なわれ、個々のドーパントが凝縮または昇華することがあります。その結果、放電中にこれらが不足し、スペクトル中の輝線が「欠落」します。