Определяющие факторы ресурса бактерицидных ртутных ламп низкого давления

Известно, что УФ бактерицидное излучение широко применяется для обработки воды, воздуха и поверхностей. При этом наиболее эффективен диапазон длин волн 250-270 нм, и, соответственно, широкое распространение получили бактерицидные УФ ртутные лампы НД (РтЛНД), в основном излучающие в линии ртути 253,7.

Также известно, что удельная мощность (Р₁) обычных РтЛНД не превышает 0,5 Вт/см, иначе из-за перегрева стенки колбы давление паров ртути в лампе оказывается слишком велико для эффективного излучения в линии 253,7 нм. Поэтому при более высоких Р₁ в РтЛНД используют амальгаму, что позволяет поддерживать оптимальное давление паров ртути в некотором диапазоне повышенных температур стенки колбы и повышает экологичность РтЛНД.

Физический срок службы РтЛНД в основном определяется ресурсом работы электродов, а их полезный срок службы – скоростью спада потока бактерицидного УФ излучения в ходе эксплуатации. Последнее обусловлено модификацией внутренней поверхности колбы ламп под воздействием разрядной плазмы, снижающей прозрачность колбы. И реальна ситуация, когда такое снижение происходит значительно быстрее износа электродов.

Заметим, что изначально для питания мощных РтЛНД преимущественно использовались сетевое питание с частотой 50-60 Гц и стартёрный ПРА. При таких условиях разряд гаснет и зажигается каждый полупериод, что негативно сказывается на сроке службы электродов и приводит к пульсации излучения. В последние годы для питания таких ламп применяют ЭПРА с частотой тока до нескольких десятков килогерц, что значительно повышает ресурс работы электродов.

Известны также безэлектродные конструкции РтЛНД с ВЧ или СВЧ разрядом НД, в том числе с ВЧ разрядом трансформаторного типа. Разработчики безэлектродных РтЛНД утверждают, что отсутствие электродов обеспечивает им существенный выигрыш по сроку службы. Однако это возможно только тогда, когда скорость износа электродов выше скорости модификации внутренней поверхности колбы лампы. Эта модификация определяется потоком ионов в процессе амбиполярной диффузии, которая и в электродных разрядах НД, и в безэлектродных трансформаторного типа происходит одинаковым образом.

При этом при работе кварцевых электродных амальгамных РтЛНД с Р₁ = 1,5-3,5 Вт/см поток излучения в линии 253,7 нм снижается вдвое за 3-4 тыс. ч горения при разрядном токе 2 А и внутреннем диаметре колбы 16,6 мм. Это обусловлено снижением пропускания колбы лампы. Между тем время горения таких РтЛНВД до полного износа электродов может достигать 20 тыс. ч (при оптимально подобранных составе и давлении газовой смеси, конструкции электродных узлов, разрядного тока и размеров колбы).

Существенно повышает полезный срок службы РтЛНД защитное покрытие внутренней стороны колбы. Например, РтЛНД с указанным покрытием из оксидов металлов обладает малой скоростью спада уровня бактерицидного УФ излучения – около 30% после 8-12 тыс. ч горения, зависящей от толщины, наличия дефектов и химического состава защитного покрытия.

Исследование свойств этих покрытий существенно затрудняется тем, что длительность экспериментальных испытаний при непрерывном горении РтЛНД чрезвычайно велика: 8-12 тыс. ч и более. Её можно сократить исследованием разряда в смесях инертных газов неон-аргон без паров ртути. Однако при воздействии на кварцевую колбу разряда в смеси неон-аргон при давлении около 0,5 мм рт. ст. происходят выделения в разряд, что ведёт к повышению напряжения на лампе и погасанию разряда. Показано, что применение защитного покрытия существенно снижает скорость роста напряжения на экспериментальной лампе и, соответственно, скорость этих выделений.

Основным недостатком данной методики является существенное отличие плазмы разряда в неон-аргоновой смеси от плазмы с малой добавкой паров ртути в этот разряд. Таким образом оценка свойств защитного покрытия в лампе без ртути не всегда адекватна результатам при использовании данного покрытия в условиях разряда, содержащего ртуть.

Анализируя разряды при наличии паров ртути и без них с точки зрения их воздействия на внутреннюю стенку колбы, можно заключить, что модификация поверхности кварцевого стекла колбы происходит всегда, причём в случае разряда в инертных газах выделения из стенки колбы попадают в разряд, меняя его свойства, а при добавке малого количества ртути эти выделения связываются и влияния на разряд не оказывают, оставаясь, видимо, на стенке и снижая её пропускание. Похожие данные получены и для ЛЛ, но при меньших Р₁ (менее 1 Вт/см) и, естественно, некварцевой колбе. И заметим, что в ЛЛ внутренняя сторона колбы частично защищена слоем люминофора, а поскольку ЛЛ обычно – источник видимого излучения, снижение прозрачности стенки в бактерицидном УФ диапазоне на световой отдаче ЛЛ не сказывается.

При наличии защитного покрытия внутренней стороны кварцевой колбы разрядная плазма сначала разрушает его или формирует в нём поры, после чего, получая доступ к колбе, производит модификацию её поверхности.

Нами была исследована средняя часть внутренней поверхности кварцевой колбы РтЛНД без защитного покрытия после 13 тыс. ч горения при токе 2 А и примерно 50 циклах включения-выключения. При этом наружный диаметр и толщина стенки колбы – 19 и 1,2 мм соответственно, межэлектродное расстояние – 1,44 м, поток излучения в бактерицидной области – 25% от начального и внутренняя поверхность колбы имела ярко выраженный коричневый налёт.

 Рис. 1. Фотографии участков внутренней стороны колбы кварцевой ртутной лампы НД при наличии (а) и отсутствии (б) защитного покрытия при 0 ч (вверху) и после (внизу) 13 тыс. ч горения лампы

 
На рис. 1 хорошо просматривается увеличение характерного размера неровностей и неоднородностей поверхности колбы после длительного воздействия на неё плазмы разряда НД. Атомный состав приповерхностного слоя внутренней стороны колбы, толщина которого 5-10 мкм, после 13 тыс. ч горения РтЛНД в указанном режиме определялся аналитическим блоком электронного микроскопа. Как видно из рис. 2, кроме ртути присутствия других посторонних элементов (атомы кремния и кислорода входят в состав кварцевого стекла колбы) не обнаружено. Таким образом, в приповерхностном слое не обнаружено атомов, входящих в состав электродов. Следовательно, распыление электродов не служит причиной потемнения внутренней стороны колбы и соответствующего снижения пропускания бактерицидного УФ излучения.

Рис. 2. Спектрограмма элементного состава приповерхностного слоя внутренней стороны колбы кварцевой ртутной лампы НД при отсутствии защитного покрытия после 13 тыс. ч горения лампы

 
Кроме того, как следует из таблицы, испытуемый образец обеднён кислородом (О) относительно диоксида кремния (SiO₂). Иначе при содержании Si 38,8% содержание кислорода должно было бы быть 61,2%. Это свидетельствует о возможной реакции замещения атомов кислорода атомами ртути.

Таблица
Атомный состав элементов в образце кварцевой колбы лампы, отработавшей 13 000 ч

 
Итак, нами показано, что при работе кварцевых РтЛНД происходит связывание атомов ртути на внутренней стороне колбы, что приводит к существенному снижению пропускания излучения в ртутной линии 253,7 нм стенкой колбы. Полезный срок службы РтЛНД определяет только временной спад потока бактерицидного УФ излучения. После 13 тыс. ч горения кварцевой амальгамной РтЛНД с Р₁ = 1,7 Вт/см в приповерхностном слое внутренней стороны её колбы не обнаружено никаких элементов, входящих в состав электродов (с оксидным активатором). Этот слой содержит только кислород, кремний и ртуть. Поэтому потемнение стенки кварцевой колбы не зависит от наличия электродов и определяется только влиянием плазмы положительного столба разряда. Следовательно, переход на безэлектродное исполнение существенного повышения полезного срока службы РтЛНД дать не может (из-за потемнения стенок колбы). Повышение срока службы кварцевых РтЛНД достижимо путём совершенствования защитного покрытия внутренней стороны колбы этих ламп.