Ajuste do resfriamento das lâmpadas UV

As lâmpadas de mercúrio de baixa pressão atingem sua maior emissão UV a uma temperatura de parede de aproximadamente 40 a 50 °C, o que corresponde a uma pressão de vapor de mercúrio de cerca de 0,8 Pa. Lâmpadas muito frias emitem muito pouco, lâmpadas muito quentes perdem potência por reabsorção. Portanto, o resfriamento não deve ser ajustado para a máxima capacidade de refrigeração, mas sim para essa faixa de temperatura.

As lâmpadas de mercúrio de baixa pressão são lâmpadas com emissão em 254 nm, frequentemente utilizadas em aplicações UV como a desinfecção de água, ar e superfícies. Revestidas com fósforos, essas lâmpadas também emitem radiação UVA e UVB.

As lâmpadas de mercúrio de baixa pressão são eficientes e econômicas e, por isso, são amplamente utilizadas. Essas lâmpadas contêm uma pequena quantidade de mercúrio (Hg), que passa ao estado gasoso durante a operação e é excitado como plasma pela descarga elétrica, emitindo radiação UV em 254 nm e 185 nm.

Princípios físicos das lâmpadas UV

A pressão de vapor do mercúrio em uma lâmpada de mercúrio de baixa pressão é um fator decisivo para a emissão UV. A pressão de vapor descreve a pressão exercida pelo mercúrio em seu estado gasoso dentro da lâmpada. Ela é fortemente dependente da temperatura: em temperaturas mais altas a pressão de vapor aumenta, em temperaturas mais baixas ela diminui. A eficiência da emissão UV depende diretamente da pressão de vapor do mercúrio. 

A pressão de Hg aumenta conforme a temperatura ambiente sobe. Isso significa que mais átomos de Hg são emitidos, mas a reabsorção da radiação de ressonância também aumenta. Portanto, há um rendimento máximo de radiação na temperatura ideal de aproximadamente 40 °C a 50 °C ou na pressão de Hg ideal de 0,8 Pa. O ideal depende, entre outros fatores, do diâmetro do tubo.

Faixas de temperatura das lâmpadas de mercúrio de baixa pressão

O desempenho de uma lâmpada de mercúrio de baixa pressão é altamente dependente da temperatura. Há uma faixa estreita de temperatura na qual a lâmpada funciona de forma ideal:

Em uma temperatura ideal de aproximadamente 40 °C a 50 °C (para lâmpadas de baixa pressão), a lâmpada atinge a pressão de vapor ideal de mercúrio de cerca de 0,8 Pa (Pascal). A eficiência é ideal nessa faixa.

• Se a lâmpada ficar muito quente, a pressão de vapor do mercúrio sobe acima do nível ideal. Isso leva a uma pressão de vapor de mercúrio excessiva e a eficiência da lâmpada diminui. Como resultado, o fluxo de radiação UV também diminui.

• Se a temperatura for muito baixa, a pressão de vapor cai abaixo do nível ideal, o que significa que não há átomos de mercúrio suficientes na fase gasosa. Em termos simples, os elétrons excitadores são muito rápidos ou não atingem os átomos de mercúrio. Isso também leva a uma emissão UV reduzida.

   

Ponto mais frio nas lâmpadas UV

O ponto mais frio em uma lâmpada de mercúrio de baixa pressão é o local dentro da lâmpada onde a temperatura é mais baixa. Esse ponto é crucial para regular a pressão de vapor do mercúrio, pois é onde as gotículas de mercúrio se acumulam e evaporam. A posição e a temperatura desse ponto influenciam diretamente a quantidade de vapor de mercúrio presente no bulbo.

Aplicação prática

As lâmpadas de mercúrio de baixa pressão só atingem sua temperatura de operação ideal quando o autoaquecimento e o resfriamento estão em equilíbrio; portanto, a temperatura ambiente tem um efeito direto na potência emitida. Quando a lâmpada é acesa e a fase de queima inicial (autoaquecimento) começa, o mercúrio se vaporiza. Um maior vapor de mercúrio é produzido e a tensão da lâmpada aumenta. 

O ponto ideal é atingido quando o fluxo radiante volta a cair. A partir desse ponto, a lâmpada está muito quente. Normalmente, um estado termicamente estável se desenvolve (depois). Isso significa que a lâmpada queima de forma estável em um determinado nível.

A posição desse nível estável depende agora do resfriamento no ponto mais frio.

Lâmpadas de mercúrio de baixa pressão bem resfriadas atingem operação estável aproximadamente 10–15% abaixo do máximo alcançado na temperatura ideal de cerca de 40 °C a 50 °C.

Lâmpadas de mercúrio de baixa pressão subrefrigeradas às vezes atingem apenas 30–70% da potência máxima.

Lâmpadas de mercúrio de baixa pressão resfriadas em excesso podem não atingir a temperatura ideal.

Controlar a temperatura em lâmpadas de mercúrio de baixa pressão não é um grande desafio na prática. Problemas comuns e suas soluções incluem

• Problemas:
  • Superaquecimento: Isso leva a uma pressão de vapor excessiva e, portanto, a uma emissão UV reduzida.
  • Resfriamento insuficiente: Pode ocorrer devido a baixas temperaturas ambientes ou aquecimento insuficiente da lâmpada. Isso leva a uma pressão de vapor muito baixa e também a uma emissão UV reduzida.
• Soluções:

A eficiência e o desempenho das lâmpadas de mercúrio de baixa pressão podem ser maximizados parametrizando cuidadosamente o resfriamento e medindo o tempo de estabilização após ligar.

Observações para lâmpadas de amálgama e lâmpadas de média pressão

Lâmpadas UV de amálgama e lâmpadas de média pressão diferem significativamente das lâmpadas de mercúrio de baixa pressão em termos de comportamento térmico e vaporização de seus dopantes.

Lâmpadas de amálgama alcançam saídas e temperaturas mais altas. Para isso, as lâmpadas UV de amálgama usam uma mistura de amálgama que permite uma saída UV mais estável em temperaturas mais altas de aproximadamente 100 °C - 120 °C. O amálgama, uma liga de mercúrio e outro metal como índio ou gálio, garante que a pressão de vapor de mercúrio permaneça baixa mesmo nessas temperaturas. Isso permite que a lâmpada trabalhe em temperaturas de operação mais altas sem perder a eficiência da emissão UV.

Lâmpadas de média pressão, por outro lado, operam em temperaturas e pressões muito mais altas do que as lâmpadas de baixa pressão. Elas produzem um amplo espectro de radiação UV, incluindo UV-A, UV-B e UV-C, e são adequadas para aplicações com requisitos de potência mais elevados. Nessas lâmpadas, o mercúrio e qualquer dopagem de metais adicionais evapora completamente. O ponto frio dessas lâmpadas deve atingir aproximadamente 600 °C - 800 °C.

O resfriamento é crítico aqui, pois o superaquecimento pode destruir as lâmpadas.

Um resfriamento muito forte pode prejudicar seriamente a eficiência da radiação, e dopantes individuais podem condensar ou sublimar. Como resultado, eles ficam ausentes na descarga e, consequentemente, as linhas no espectro "faltam"