quarta-feira, 8 de junho de 2011

A importância do vácuo pelas extremidades da lâmpada


O presente artigo apresentará os dois principais modelos tecnológicos que envolvem procedimentos de vácuo em lâmpadas de cura ultravioleta, apresentando suas características e aspectos relacionados à durabilidade dos bulbos.

Palavras-Chave: lâmpadas UV, bulbos, procedimentos de vácuo, probabilística de vácuo.

Inicialmente devo introduzir o leitor ao que, em física, chamamos de forças de van der Waals. Imaginemos que haja uma superfície totalmente limpa, como é (ou pelo menos deveria ser) a parede interna do bulbo de uma lâmpada ultravioleta. Esta superfície está em temperatura ambiente (em equilíbrio térmico com o meio externo) e não está carregada eletricamente por qualquer processo. Dada esta situação, se visualizarmos a superfície do quartzo com a ajuda de um espectrofotômetro de massa, encontraremos a presença de moléculas de água.
A molécula de água, presente no ar atmosférico através de vapores, se liga a superfície do vidro (ligação meramente de contato) através das chamadas forças de van der Waals. Tais forças são interações atrativas entre corpos distintos (quartzo e água) que ocorrem mesmo na ausência de outras forças de interação (térmica, mecânica, magnética, eletrostática, ...).
O contorno de tais forças, se medirmos microscopicamente o formato da partícula de água, sugere que as mesmas não respeitam a topografia do quartzo, isto quer dizer que não atuam com intensidade proporcional ao formato superficial do vidro. Esta diferença de vetores de força, além de provocar uma determinada forma na partícula (morfologia) de água, também altera a trajetória de tais partículas quando colocadas em movimento cinético dentro do bulbo.
Desta forma, por ação de tais forças, não podemos pensar as probabilidades de movimento dentro dos parâmetros da física clássica quando estudarmos a trajetória de uma molécula de água que é evacuada do bulbo de quartzo.
Explicada a ação destas forças devo mencionar que parte do processo de fabricação de uma lâmpada ultravioleta consiste na remoção de partículas contaminantes do interior do bulbo.
De todas as partículas, a que apresente maior dificuldade de remoção é a da água (dado seu peso atômico). A água, responsável por parte do processo de oxidação e erosão dos eletrodos de tungstênio, se deposita no interior do bulbo simplesmente através do contato dos vapores presentes na atmosfera com o quartzo. Todavia a intensidade desta ligação é dada pelas forças de van der Waals.
Tradicionalmente, os bulbos de lâmpadas ultravioletas eram evacuados através da abertura de um orifício, com diâmetro interno variando desde 1,5 até 2,5mm. Assim, a velocidade de vazão (litros/minuto) do vácuo, bem como a passagem das partículas contaminantes, era limitada a este diminuto conduto.
Abaixo, pode-se visualizar um corte do bulbo com este orifício, comumente chamado de umbigo, e ainda a trajetória esperada da molécula de água durante o vácuo.
 
 
O conduto posicionado na vertical é o “umbigo”. As duas linhas horizontais representam o bulbo da lâmpada (aqui cortado para fins ilustrativos). O pequeno círculo azul depositado na parede interna do bulbo representa uma molécula de água.
A elipse vermelha representa, graficamente, as probabilidades de trajetória da molécula de água. O segmento de reta de cor verde, por exemplo, representa, em comparação ao segmento de reta rosa (que inicia no círculo e termina na elipse), a maior probabilidade de trajetória.
Assim, ao se soltar do quartzo, pela ação da agitação molecular provocada pelo vácuo (volatização), a molécula de água tem maior probabilidade de se colar do lado oposto do que se direcionar até a saída do umbigo.
Tal representação gráfica, fruto de um elaborado cálculo de probabilística, que leva em consideração a topografia do quartzo, a morfologia da gotícula de água e ainda as equações de van der waals, demonstra a dificuldade encontrada pela molécula em encontrar a saída necessária, ou seja, ser evacuada pelo sistema de vácuo. Há de se reiterar ainda o agravamento do problema pelo reduzido diâmetro do umbigo. Abaixo, pode-se visualizar fotografia de bulbos dotados de umbigo.



Após 48 horas de procedimento de vácuo, com alcance de alto vácuo final de até –10 Torr, sob temperatura de 350ºC, para a surpresa de todos, ainda constatou-se a presença de moléculas de água (até 3% do volume), por meio de um espectrofotômetro de massa.
Assim, a questão primordial seria desenvolver outro paradigma de processo de vácuo que reduzisse a presença de água. O simples aumento do diâmetro do umbigo não é boa saída pois aquele ponto apresentará menor intensidade de emissão UV na medida em que contaminantes externos e internos forem se depositando nesta topografia propícia para tanto. Além disto, a presença do umbigo pode gerar um fenômeno chamado falso vácuo.

 

A ilustração acima mostra, através de um corte na parede do quartzo, a configuração topográfica do umbigo. Esta configuração se dá pela forma de corte e selagem do umbigo, demonstrada na fotografia abaixo. Além do mesmo ser um ponto propício ao depósito de contaminantes internos do bulbo (resultantes da erosão do eletrodo), o mesmo, em diversos casos, constitui uma bolsa de acúmulo de moléculas de água e/ou ar.

 
Os sistemas de vácuo podem identificar um bom nível de vácuo (através dos medidores de vácuo) para que a lâmpada seja selada com o mercúrio e o gás ignitor. Todavia, tal medição de alto vácuo pode ser falsa, pois, através dos micro-orifícios formados pela selagem do umbigo (durante o corte do conduto de 2,5mm), forma-se uma bolsa que contém ar. Este ar vai lentamente migrando desta bolsa para o interior do bulbo, acelerando o processo de oxidação dos eletrodos, encurtando a vida útil. Diante dos limites impostos pelo paradigma que resolvemos chamar “umbigo”, desenvolvemos a utilização de outra forma de vácuo : pela extremidade do bulbo. Tal processo é ilustrado na fotografia abaixo:



Abaixo é possível visualizar um bulbo de quartzo, já devidamente montado, configurando assim uma lâmpada acabada.

 

Em ambas as extremidades da lâmpada ocorre o processo de selagem, ou seja, fusão do quartzo para vedação hermética da condição interna do bulbo. No caso do vácuo pela extremidade, ao invés de nos valermos de um orifício feito diretamente no bulbo (o que compromete a emissão naquele ponto como dito anteriormente), o vácuo se dá através de um tubo de quartzo com diâmetro interno de 6,0mm.
Este tubo é o presente no diagrama acima, nas duas extremidades, onde são colados os soquetes de fixação da lâmpada. A opção de evacuar o bulbo por este tubo visa incrementar a taxa de vácuo (litros/minuto) e ainda garantir um melhor vácuo final (expresso em Torr).
Notadamente a probabilidade de uma partícula ser evacuada através de um conduto de 6,0mm de diâmetro é maior do que em um com 2,5mm. Além disto, o fato deste tubo de 6,0mm estar alinhado com o bulbo garantia maior probabilidade de que as moléculas sejam evacuadas, como demonstrado anteriormente. Uma área relativa a um diâmetro de 6,00 temmais probabilidade de ser atravessada por uma partícula em movimento que uma área relativa a um diâmetro de 2,5mm.
Diversas simulações de trajetória de moléculas feitas no paradigma anterior sempre resultavam a presença de água em até 3% do volume. Todavia, mesmo que fossem trajetórias muito complexas, os modelos matemáticos vinculados ao novo paradigma de vácuo que propomos, indicam maior chance de evacuar a água.
Abaixo, pode-se verificar que mesmo, sob trajetórias diversas, a molécula sai do bulbo evacuado pela extremidade. A ilustração é fruto de um cálculo.

Após evacuar um bulbo pela extremidade, durante 48horas, sob 350ºC, em vácuo final de –10Torr, encontramos a presença de moléculas de água em proporção menor que 1% do volume, novamente com a utilização de um espectrofotômetro de massa.
Enfim, a verificação empírica colabora com nossos cálculos de probabilística que reforçam a relevância deste novo paradigma tecnológico nos processos de vácuo em lâmpadas UV. A adoção deste modelo de vácuo (pela extremidade do bulbo e não pelo umbigo) confere maior durabilidade à lâmpada ultravioleta, posto que a vida útil estará sempre ligada ao grau de contaminação interna do bulbo.


Nenhum comentário:

Postar um comentário