Regulacja chłodzenia lamp UV

Niskociśnieniowe lampy rtęciowe osiągają najwyższą emisję UV przy temperaturze ścianki wynoszącej około 40 do 50 °C, co odpowiada ciśnieniu pary rtęci na poziomie około 0,8 Pa. Zbyt zimne lampy emitują zbyt mało, a zbyt gorące lampy tracą wydajność w wyniku reabsorpcji. Chłodzenie nie powinno być zatem ustawione na maksymalną wydajność chłodzenia, lecz na to okno temperaturowe.

Niskociśnieniowe lampy rtęciowe to lampy emitujące promieniowanie przy 254 nm, które są często stosowane w zastosowaniach UV, takich jak dezynfekcja wody, powietrza i powierzchni. Pokryte luminoforem, lampy te emitują również promieniowanie UVA i UVB.

Niskociśnieniowe lampy rtęciowe są wydajne i ekonomiczne, dlatego są szeroko stosowane. Lampy te zawierają niewielką ilość rtęci (Hg), która podczas pracy przechodzi w stan gazowy i jest wzbudzana jako plazma przez wyładowanie elektryczne, emitując promieniowanie UV przy 254 nm i 185 nm.

Podstawy fizyczne lamp UV

Ciśnienie pary rtęci w niskociśnieniowej lampie rtęciowej jest czynnikiem decydującym o emisji UV. Ciśnienie pary opisuje ciśnienie wywierane przez rtęć w stanie gazowym wewnątrz lampy. Jest ono silnie zależne od temperatury: przy wyższych temperaturach ciśnienie pary wzrasta, a przy niższych temperaturach maleje. Wydajność emisji UV zależy bezpośrednio od ciśnienia pary rtęci. 

Ciśnienie Hg wzrasta wraz ze wzrostem temperatury otoczenia. Oznacza to, że emitowanych jest więcej atomów Hg, ale zwiększa się również reabsorpcja promieniowania rezonansowego. Istnieje zatem maksymalna wydajność promieniowania przy optymalnej temperaturze wynoszącej ok. 40 °C – 50 °C lub przy optymalnym ciśnieniu Hg wynoszącym 0,8 Pa. Wartość optymalna zależy między innymi od średnicy rurki.

Zakresy temperatur niskociśnieniowych lamp rtęciowych

Wydajność niskociśnieniowej lampy rtęciowej jest silnie zależna od temperatury. Istnieje wąski zakres temperatur, w którym lampa działa optymalnie:

Przy optymalnej temperaturze wynoszącej od około 40 °C do 50 °C (dla lamp niskociśnieniowych), lampa osiąga idealne ciśnienie pary rtęci na poziomie około 0,8 Pa (Paskal). W tym zakresie wydajność jest optymalna.

• Jeśli lampa staje się zbyt gorąca, ciśnienie pary rtęci wzrasta powyżej optymalnego poziomu. Prowadzi to do nadmiernego ciśnienia pary rtęci, a wydajność lampy maleje. W rezultacie zmniejsza się również strumień promieniowania UV.

• Jeśli temperatura jest zbyt niska, ciśnienie pary spada poniżej optymalnego poziomu, co oznacza, że w fazie gazowej znajduje się zbyt mało atomów rtęci. Mówiąc prościej, wzbudzające elektrony są zbyt szybkie lub nie trafiają w atomy rtęci. Prowadzi to również do zmniejszonej emisji UV.

   

Najzimniejszy punkt lampy UV

Najzimniejszy punkt w niskociśnieniowej lampie rtęciowej to miejsce wewnątrz lampy, w którym temperatura jest najniższa. Punkt ten ma kluczowe znaczenie dla regulacji ciśnienia pary rtęci, ponieważ to właśnie tam gromadzą się i odparowują kropelki rtęci. Położenie i temperatura tego punktu bezpośrednio wpływają na ilość pary rtęci obecnej w bańce.

Zastosowanie praktyczne

Niskociśnieniowe lampy rtęciowe osiągają optymalną temperaturę pracy tylko wtedy, gdy samonagrzewanie i chłodzenie są w równowadze; temperatura otoczenia ma zatem bezpośredni wpływ na wydajność. Gdy lampa zostaje zapalona i rozpoczyna się faza wypalania (samonagrzewanie), rtęć odparowuje. Powstaje wyższe ciśnienie pary rtęci i wzrasta napięcie lampy. 

Punkt optymalny zostaje osiągnięty, gdy strumień promieniowania ponownie spada. Od tego momentu lampa jest zbyt gorąca. Zazwyczaj (później) rozwija się wówczas stan termicznie stabilny. Oznacza to, że lampa pali się stabilnie na jednym poziomie.

Położenie tego stabilnego poziomu zależy teraz od chłodzenia w najzimniejszym punkcie.

Dobrze chłodzone niskociśnieniowe lampy rtęciowe osiągają stabilną pracę na poziomie około 10–15% poniżej maksimum osiąganego przy optymalnej temperaturze wynoszącej od około 40 °C do 50 °C.

Niedostatecznie chłodzone niskociśnieniowe lampy rtęciowe osiągają czasami jedynie 30–70% mocy maksymalnej.

Niskociśnieniowe lampy rtęciowe, które są chłodzone zbyt intensywnie, mogą w ogóle nie osiągnąć optymalnej temperatury.

Kontrolowanie temperatury w niskoprężnych lampach rtęciowych nie stanowi w praktyce większego wyzwania. Typowe problemy i ich rozwiązania obejmują

• Problemy:
  • Przegrzanie: Prowadzi to do nadmiernego ciśnienia par, a tym samym do zmniejszonej emisji UV.
  • Niedogrzanie: Może wystąpić na skutek niskiej temperatury otoczenia lub niedostatecznego podgrzania lampy. Prowadzi to do zbyt niskiego ciśnienia par, a także do zmniejszonej emisji UV.
• Rozwiązania:

Wydajność i skuteczność niskoprężnych lamp rtęciowych można zmaksymalizować poprzez dokładne dobranie parametrów chłodzenia oraz pomiar czasu rozbiegu po włączeniu.

Wskazówki dotyczące lamp amalgamatowych i lamp średniociśnieniowych

Lampy amalgamatowe UV oraz lampy średniociśnieniowe różnią się znacznie od niskoprężnych lamp rtęciowych w zakresie zachowania temperaturowego oraz parowania swoich domieszek.

Lampy amalgamatowe osiągają wyższe moce i temperatury. W tym celu lampy amalgamatowe UV wykorzystują mieszaninę amalgamatu, która umożliwia stabilniejszą emisję UV przy wyższych temperaturach wynoszących ok. 100 °C - 120 °C. Amalgamat, będący stopem rtęci i innego metalu, takiego jak indium lub gal, zapewnia, że ciśnienie par rtęci pozostaje niskie nawet przy tych temperaturach. Umożliwia to pracę lampy w wyższych temperaturach roboczych bez utraty skuteczności emisji UV.

Lampy średniociśnieniowe, z drugiej strony, pracują przy znacznie wyższych temperaturach i ciśnieniach niż lampy niskoprężne. Wytwarzają szerokie widmo promieniowania UV, obejmujące UV-A, UV-B i UV-C, i są odpowiednie do zastosowań o wyższych wymaganiach mocy. W tych lampach rtęć oraz wszelkie domieszki dodatkowych metali odparowują całkowicie. Punkt zimny w tych lampach powinien osiągać ok. 600 °C - 800 °C.

Chłodzenie ma tu kluczowe znaczenie, ponieważ przegrzanie może zniszczyć lampy.

Za silne chłodzenie może poważnie pogorszyć skuteczność promieniowania, a poszczególne domieszki mogą skondensować lub sublimować. W wyniku tego brakuje ich w wyładowaniu, a co za tym idzie, w widmie "brakuje" odpowiadających im linii.