Justera kylningen av UV-lampor

Lågtryckskvicksilverlampor når sin högsta UV-utstrålning vid en väggtemperatur på cirka 40 till 50 °C, vilket motsvarar ett kvicksilverångtryck på ungefär 0,8 Pa. Lampor som är för kalla avger för lite, lampor som är för varma tappar effekt genom återabsorption. Kylningen ska därför inte ställas in på maximal kylkapacitet utan på detta temperaturfönster.

Lågtryckskvicksilverlampor är lampor med emission vid 254 nm, som ofta används i UV-tillämpningar som desinfektion av vatten, luft och ytor. Belagda med fosforer avger dessa lampor även UVA- och UVB-strålning.

Lågtryckskvicksilverlampor är effektiva och kostnadseffektiva och används därför i stor omfattning. Dessa lampor innehåller en liten mängd kvicksilver (Hg), som övergår till gasfas under drift och exciteras som ett plasma av den elektriska urladdningen och avger UV-strålning vid 254 nm och 185 nm.

Fysikaliska principer för UV-lampor

Kvicksilvrets ångtryck i en lågtryckskvicksilverlampa är en avgörande faktor för UV-emissionen. Ångtrycket beskriver det tryck som kvicksilvret i sitt gasformiga tillstånd utövar inuti lampan. Det är starkt temperaturberoende: vid högre temperaturer ökar ångtrycket, vid lägre temperaturer sjunker det. UV-emissionens verkningsgrad beror direkt på kvicksilvrets ångtryck. 

Hg-trycket ökar när omgivningstemperaturen stiger. Det innebär att fler Hg-atomer avges, men återabsorptionen av resonansstrålning ökar också. Det finns därför ett maximalt strålningsutbyte vid den optimala temperaturen på cirka 40 °C–50 °C eller det optimala Hg-trycket på 0,8 Pa. Optimumet beror bland annat på rörets diameter.

Temperaturintervall för lågtryckskvicksilverlampor

Prestandan hos en lågtryckskvicksilverlampa är starkt temperaturberoende. Det finns ett smalt temperaturintervall inom vilket lampan fungerar optimalt:

Vid en optimal temperatur på cirka 40 °C till 50 °C (för lågtryckslampor) uppnår lampan kvicksilvrets ideala ångtryck på cirka 0,8 Pa (Pascal). Verkningsgraden är optimal inom detta intervall.

• Om lampan blir för varm stiger kvicksilvrets ångtryck över den optimala nivån. Detta leder till för högt kvicksilverångtryck och lampans verkningsgrad minskar. Som följd minskar även UV-strålningsflödet.

• Om temperaturen är för låg sjunker ångtrycket under den optimala nivån, vilket innebär att det inte finns tillräckligt många kvicksilveratomer i gasfasen. Enkelt uttryckt är de exciterande elektronerna för snabba eller träffar inte kvicksilveratomerna. Detta leder också till minskad UV-emission.

   

Den kallaste punkten på UV-lamporna

Den kallaste punkten i en lågtryckskvicksilverlampa är den punkt inuti lampan där temperaturen är lägst. Denna punkt är avgörande för regleringen av kvicksilverångtrycket, eftersom det är där kvicksilverdropparna samlas och förångas. Positionen och temperaturen för denna punkt påverkar direkt mängden kvicksilverånga som finns i lampröret.

Praktisk tillämpning

Lågtryckskvicksilverlampor når sin optimala driftstemperatur endast när självuppvärmning och kylning är i balans; omgivningstemperaturen har därför en direkt effekt på utstrålningen. När lampan tänds och inbränningsfasen (självuppvärmning) börjar, förångas kvicksilvret. En högre kvicksilverånga bildas och lampspänningen ökar. 

Det optimala läget uppnås när strålningsflödet sjunker igen. Från denna punkt är lampan för varm. Vanligtvis utvecklas därefter (senare) ett termiskt stabilt tillstånd. Det innebär att lampan brinner stabilt på en nivå.

Positionen för denna stabila nivå är nu beroende av kylningen vid den kallaste punkten.

Väl kylda lågtryckskvicksilverlampor uppnår stabil drift cirka 10–15 % under maximum vid den optimala temperaturen på cirka 40 °C till 50 °C.

Underkylda lågtryckskvicksilverlampor uppnår ibland endast 30–70 % av maximal utstrålning.

Lågtryckskvicksilverlampor som kyls för mycket kan eventuellt inte nå den optimala temperaturen alls.

Att styra temperaturen i lågtryckskvicksilverlampor är i praktiken ingen större utmaning. Vanliga problem och deras lösningar inkluderar

• Problem:
  • Överhettning: Detta leder till alltför högt ångtryck och därmed till minskad UV-emission.
  • Underkylning: Kan uppstå på grund av låga omgivningstemperaturer eller otillräcklig uppvärmning av lampan. Detta leder till ett för lågt ångtryck och likaså till minskad UV-emission.
• Lösningar:

Verkningsgraden och prestandan hos lågtryckskvicksilverlampor kan maximeras genom noggrann parametrering av kylningen och genom att mäta upprampningen efter start.

Anmärkningar för amalgamlampor och medeltryckslampor

UV-amalgamlampor och medeltryckslampor skiljer sig avsevärt från lågtryckskvicksilverlampor vad gäller deras temperaturbeteende och förångningen av deras dopningsämnen.

Amalgamlampor uppnår högre uteffekter och temperaturer. För detta ändamål använder UV-amalgamlampor en amalgamblandning som möjliggör en mer stabil UV-uteffekt vid högre temperaturer på ca 100 °C – 120 °C. Amalgamet, en legering av kvicksilver och en annan metall som indium eller gallium, säkerställer att kvicksilverångtrycket förblir lågt även vid dessa temperaturer. Detta gör att lampan kan arbeta vid högre drifttemperaturer utan att förlora effektiviteten i UV-emissionen.

Medeltryckslampor arbetar däremot vid mycket högre temperaturer och tryck än lågtryckslampor. De producerar ett brett spektrum av UV-strålning, inklusive UV-A, UV-B och UV-C, och är lämpliga för tillämpningar med högre effektbehov. I dessa lampor förångas kvicksilvret och eventuell dopning från ytterligare metaller helt. Kallpunkten för dessa lampor bör uppnå ca 600 °C – 800 °C.

Kylningen är avgörande här, eftersom överhettning kan förstöra lamporna.

För stark kylning kan allvarligt försämra strålningens verkningsgrad, och enskilda dopningsämnen kan kondensera eller sublimera. Som resultat saknas dessa i urladdningen och följaktligen "saknas" linjerna i spektrumet.