Ультрафиолетовые лампы низкого давления¶

Ультрафиолетовые лампы низкого давления — газоразрядные источники света, генерирующие ультрафиолетовое (УФ) излучение в диапазоне длин волн преимущественно от 100 до 400 нм, у которых парциальное давление рабочего газа (обычно паров ртути) в процессе работы не превышает 100 Па. Относятся к классу ртутных ламп и являются наиболее распространённым типом УФ-излучателей благодаря высокому КПД, длительному сроку службы и относительно низкой стоимости производства. Основные области применения — обеззараживание воды и воздуха, полимеризация материалов, фотолитография и аналитическое оборудование.

¶Устройство и принцип действия

Конструктивно лампа представляет собой герметичную трубку из кварцевого или увиолевого стекла, заполненную инертным газом (аргоном, неоном или криптоном) и небольшим количеством ртути (от 1 до 20 мг). Внутри трубки расположены два вольфрамовых электрода, покрытых эмиссионным слоем из оксидов щелочноземельных металлов для снижения работы выхода электронов.

При подаче напряжения между электродами возникает тлеющий или дуговой разряд. Электроны, ускоренные электрическим полем, сталкиваются с атомами ртути, переводя их в возбуждённое состояние. При возвращении атома в основное состояние испускается фотон с длиной волны, определяемой энергетическими переходами. Для ртути основная резонансная линия приходится на 253,7 нм, что составляет около 60–70 % всей излучаемой энергии. Дополнительные линии находятся в области 185 нм (вакуумный УФ) и 365 нм (ближний УФ).

¶Классификация

По типу стекла и спектру излучения лампы делят на три основные группы:

• Кварцевые лампы — изготавливаются из кварцевого стекла, пропускающего жёсткий УФ (185 нм и 254 нм). Используются для бактерицидной обработки, так как излучение 253,7 нм эффективно разрушает ДНК микроорганизмов. Излучение 185 нм способствует образованию озона, что усиливает окислительное действие, но требует последующей деструкции озона.
• Увиолевые (мягкого УФ) лампы — изготавливаются из увиолевого стекла, отсекающего излучение короче 240 нм. Не генерируют озон, применяются в медицинских облучателях и физиотерапии.
• Эксилампы — работают на переходах молекул инертных газов или их галогенидов (например, XeCl, KrCl), не содержат ртути. Излучают узкие спектральные полосы в диапазоне 172–308 нм, применяются в науке и микроэлектронике.

По мощности различают лампы малой (4–40 Вт), средней (40–100 Вт) и высокой (свыше 100 Вт) мощности. По конструкции — прямые, U-образные, кольцевые и компактные с цоколем.

¶История

Первые газоразрядные источники УФ-излучения появились в начале XX века. В 1901 году Питер Купер Хьюитт создал ртутную лампу низкого давления, однако она имела низкую эффективность. Значительный прогресс наступил в 1930-х годах, когда были разработаны люминесцентные лампы, в которых УФ-излучение ртутного разряда преобразовывалось люминофором в видимый свет. Собственно бактерицидные лампы без люминофора начали массово производиться в 1940-х годах для нужд военной медицины и пищевой промышленности.

В 1970–1980-х годах появились компактные люминесцентные лампы, использующие тот же принцип, а также амальгамные лампы, в которых ртуть находится в виде амальгамы с висмутом или индием, что позволяет увеличить мощность при сохранении низкого давления.

¶Применение

Основные сферы использования:

• Обеззараживание — бактерицидные лампы применяются в установках для очистки питьевой воды, сточных вод, воздуха в медицинских учреждениях и системах вентиляции. Эффективность обеззараживания определяется дозой УФ-излучения, обычно составляющей 16–40 мДж/см².
• Полимеризация — УФ-излучение 365 нм инициирует отверждение фотополимерных композиций в стоматологии, полиграфии и производстве электроники.
• Аналитическая техника — лампы используются как источники возбуждения в спектрофотометрах, флуориметрах и хроматографах.
• Физиотерапия — увиолевые лампы применяются для лечения кожных заболеваний (псориаз, экзема) и дефицита витамина D.

¶Достоинства и недостатки

К преимуществам относятся высокий КПД преобразования электрической энергии в УФ-излучение (до 35 %), длительный ресурс (8000–15000 часов), компактность и простота управления. Недостатками являются наличие ртути, требующей специальной утилизации, деградация эмиссионного покрытия электродов со временем, а также снижение прозрачности кварцевого стекла из-за образования накипи и помутнения.

¶Экологические аспекты

В связи с содержанием ртути лампы относятся к отходам I класса опасности. В России действуют правила сбора и утилизации ртутьсодержащих ламп, предусматривающие их передачу в специализированные организации. Минаматская конвенция о ртути (2013) стимулирует разработку безртутных альтернатив, включая эксилампы и светодиодные УФ-излучатели, однако последние пока уступают ртутным лампам по мощности в жёстком УФ-диапазоне.