Justere kjølingen av UV-lamper

Lavtrykks kvikksølvlamper når sitt høyeste UV-utbytte ved en veggtemperatur på rundt 40 til 50 °C, noe som tilsvarer et kvikksølvdamptrykk på omtrent 0,8 Pa. Lamper som er for kalde avgir for lite, lamper som er for varme taper utbytte gjennom reabsorpsjon. Kjølingen bør derfor ikke settes til maksimal kjølekapasitet, men til dette temperaturvinduet.

Lavtrykks kvikksølvlamper er lamper med emisjon ved 254 nm, som ofte brukes i UV-applikasjoner som desinfeksjon av vann, luft og overflater. Belagt med fosforer avgir disse lampene også UVA- og UVB-stråling.

Lavtrykks kvikksølvlamper er effektive og kostnadseffektive og er derfor mye brukt. Disse lampene inneholder en liten mengde kvikksølv (Hg), som går over i gassform under drift og eksiteres som et plasma av den elektriske utladningen og avgir UV-stråling ved 254 nm og 185 nm.

Fysiske prinsipper for UV-lamper

Damptrykket til kvikksølv i en lavtrykks kvikksølvlampe er en avgjørende faktor for UV-emisjon. Damptrykket beskriver trykket kvikksølvet i gassform utøver inni lampen. Det er sterkt temperaturavhengig: Ved høyere temperaturer øker damptrykket, ved lavere temperaturer minker det. Effektiviteten til UV-emisjonen avhenger direkte av damptrykket til kvikksølvet. 

Hg-trykket øker når omgivelsestemperaturen stiger. Dette betyr at flere Hg-atomer avgis, men reabsorpsjonen av resonansstrålingen øker også. Det finnes derfor et maksimalt strålingsutbytte ved den optimale temperaturen på ca. 40 °C – 50 °C eller det optimale Hg-trykket på 0,8 Pa. Optimum avhenger blant annet av rørdiameteren.

Temperaturområder for lavtrykks kvikksølvlamper

Ytelsen til en lavtrykks kvikksølvlampe er svært temperaturavhengig. Det finnes et smalt temperaturområde der lampen fungerer optimalt:

Ved en optimal temperatur på rundt 40 °C til 50 °C (for lavtrykkslamper) oppnår lampen det ideelle damptrykket til kvikksølv på rundt 0,8 Pa (Pascal). Effektiviteten er optimal i dette området.

• Hvis lampen blir for varm, stiger damptrykket til kvikksølvet over det optimale nivået. Dette fører til et for høyt kvikksølvdamptrykk, og effektiviteten til lampen reduseres. Som følge av dette reduseres også UV-strålingsfluksen.

• Hvis temperaturen er for lav, faller damptrykket under det optimale nivået, noe som betyr at det ikke er nok kvikksølvatomer i gassfasen. Enkelt sagt er de eksiterende elektronene for raske eller treffer ikke kvikksølvatomene. Dette fører også til redusert UV-emisjon.

   

Kaldeste punkt på UV-lampene

Det kaldeste punktet i en lavtrykks kvikksølvlampe er punktet inni lampen der temperaturen er lavest. Dette punktet er avgjørende for reguleringen av kvikksølvdamptrykket, siden det er her kvikksølvdråpene samler seg og fordamper. Posisjonen og temperaturen til dette punktet påvirker direkte mengden kvikksølvdamp som finnes i lampekolben.

Praktisk anvendelse

Lavtrykks kvikksølvlamper oppnår kun sin optimale driftstemperatur når selvoppvarming og kjøling er i balanse; omgivelsestemperaturen har derfor en direkte effekt på utbyttet. Når lampen tennes og innbrenningsfasen (selvoppvarming) begynner, fordamper kvikksølvet. Det oppstår høyere kvikksølvdamp, og lampespenningen øker. 

Det optimale punktet er nådd når strålingsfluksen faller igjen. Fra dette punktet er lampen for varm. Vanligvis utvikler det seg deretter en (senere) termisk stabil tilstand. Dette betyr at lampen brenner stabilt på ett nivå.

Posisjonen til dette stabile nivået er nå avhengig av kjølingen ved det kaldeste punktet.

Godt kjølte lavtrykks kvikksølvlamper oppnår stabil drift ca. 10–15 % under maksimumet som nås ved den optimale temperaturen på rundt 40 °C til 50 °C.

Underkjølte lavtrykks kvikksølvlamper når noen ganger bare 30–70 % av maksimalt utbytte.

Lavtrykks kvikksølvlamper som kjøles for mye, når muligens ikke den optimale temperaturen i det hele tatt.

Å kontrollere temperaturen i kvikksølvlavtrykkslamper er ikke en stor utfordring i praksis. Vanlige problemer og løsningene på dem inkluderer

• Problemer:
  • Overoppheting: Dette fører til for høyt damptrykk og dermed til redusert UV-emisjon.
  • Underkjøling: Kan oppstå på grunn av lav omgivelsestemperatur eller utilstrekkelig oppvarming av lampen. Dette fører til for lavt damptrykk og også til redusert UV-emisjon.
• Løsninger:

Effektiviteten og ytelsen til kvikksølvlavtrykkslamper kan maksimeres ved nøye parameterisering av kjølingen og måling av oppstartsforløpet etter innkobling.

Merknader om amalgamlamper og mellomtrykkslamper

UV-amalgamlamper og mellomtrykkslamper skiller seg betydelig fra kvikksølvlavtrykkslamper med hensyn til temperaturoppførsel og fordampning av dopingstoffene deres.

Amalgamlamper oppnår høyere effekter og temperaturer. Til dette bruker UV-amalgamlamper en amalgamblanding som muliggjør en mer stabil UV-utgang ved høyere temperaturer på ca. 100 °C–120 °C. Amalgamet, en legering av kvikksølv og et annet metall som indium eller gallium, sørger for at kvikksølvdamptrykket forblir lavt selv ved disse temperaturene. Dette gjør at lampen kan arbeide ved høyere driftstemperaturer uten å tape effektiviteten til UV-emisjonen.

Mellomtrykkslamper, derimot, opererer ved mye høyere temperaturer og trykk enn lavtrykkslamper. De produserer et bredt spekter av UV-stråling, inkludert UV-A, UV-B og UV-C, og er egnet for anvendelser med høyere effektbehov. I disse lampene fordamper kvikksølvet og eventuell doping fra tilleggsmetaller fullstendig. Kaldpunktet for disse lampene bør nå ca. 600 °C–800 °C.

Kjøling er kritisk her, siden overoppheting kan ødelegge lampene.

For sterk kjøling kan sterkt forringe effektiviteten av strålingen, og enkelte dopingstoffer kan kondensere eller sublimere. Som følge av dette mangler disse i utladningen, og dermed "mangler" linjene i spekteret