Йодная лампа, возбуждаемая ёмкостным разрядом
IODINE LAMP EXCITED BY A CAPACITIVE DISCHARGE

Изобретение относится к газоразрядным источникам излучения, а именно, к йодным лампам, предназначенным для получения излучения на длине волны 206.2 нм при возбуждении емкостным разрядом. Изобретение может быть использовано в устройствах, где необходимо узкополосное ультрафиолетовое (УФ) излучение с длиной волны в области 200-210 нм, например, в медицине и биологии для дезинфекции поверхностей и воздуха с одновременным удалением нарабатываемого озона.
Известны различные источники УФ излучения, используемые для дезинфекции и обработки поверхностей, воздуха и воздуха с аэрозолями в области коротких длин волн λ, в том числе, и в области 200-210 нм. Отметим, что излучение с λ короче 200 нм имеет большое поглощение в воздухе [1], а излучение с λ, более 230 нм может существенно повреждать облучаемые поверхности при использовании в медицине [2]. Широко распространенные источники спонтанного широкополосного излучения в области спектра начиная с 200 нм и короче 250 нм описаны в патентах, обзорах и монографиях [3-6]. Наиболее близкими технические решения к предлагаемому изобретению - это йодные лампы, излучающие на длине волны 206.2 нм при возбуждении тлеющим [7] и емкостным [8, 9] разрядами, которые выбраны в качестве аналогов и прототипа.
Известна йодная лампа, возбуждаемая тлеющим разрядом, описанная в патенте [7], в которой излучатель состоит из прямой кварцевой прямой трубки с электродами с электродами у запаянных торцов. Трубка излучателя заполнена парами йода или смесью паров йода с инертными газами. Лампа снабжена источником питания, который подключается к электродам и возбуждает рабочую смесь тлеющим разрядом. Данный аналог обеспечивает получение узкополосного излучения на длине волны 206.2 нм.
К недостаткам йодной лампы, описанной в патенте [7], следует отнести сравнительно малый срок службы излучателя лампы из-за взаимодействия йода с металлическими электродами, которые контактируют с плазмой тлеющего разряда. Кроме того, указанная йодная лампа, использовалась без защитного металлического корпуса. Соответственно, высоковольтный электрод открытый, что делает работу с лампой опасной. Также, при работе с данной йодной лампой не была предусмотрена утилизация озона, который нарабатывается в воздухе со всех сторон от излучателя. Все это ограничивает применение данной йодной лампы в медицине, биологии и других областях.
Известна йодная лампа с возбуждением емкостным разрядом, описанная в патенте [8], предназначенная для получения узкополосного излучения на длине волны 206.2 нм. В такой лампе цилиндрические электроды расположены на внешней поверхности трубки излучателя и не имеют контакта с рабочей смесью. Это позволяет в несколько раз, при прочих равных условиях, увеличить срок службы излучателя.
К недостаткам йодной лампы, с возбуждением емкостным разрядом, описанной в [8], следует отнести сравнительно малые плотности мощности излучения на безопасном расстоянии от излучателя. Данная лампа также использовалась без установки излучателя в металлический корпус. Соответственно, открытый высоковольтный электрод делает работу с лампой опасной. Кроме того, при работе йодной лампы, описанной в патенте [8], также не предусмотрена утилизация озона, который нарабатывается в воздухе со всех сторон от излучателя. Все это ограничивает применение йодной лампы в медицине и биологии, а также других областях.
Наиболее близкой по конструктивному исполнению и технической сущности к заявляемому изобретению является йодная лампа, возбуждаемая емкостным разрядом, описанная подробно в обзоре [9], которая была принята за прототип. Йодная лампа, содержит излучатель, помещенный в заземленный металлический корпус с сетчатым окном для вывода УФ излучения; импульсный источник питания с высоковольтным трансформатором, отражатель также размещены в корпусе. Вентилятор, установлен на боковом торце корпуса. Излучатель, выполнен из кварцевой трубки с запаянными торцами и наполнен парами йода. Цилиндрические электроды, высоковольтный и заземленный, которые установлен на внешней поверхности трубки у ее концов.
К недостаткам прототипа [9] следует отнести сравнительно малую плотность мощности излучения с длиной волны 206.2 нм на выходе из окна лампы, что требует увеличивать время облучения поверхности, воздуха и воздуха с аэрозолями для достижения полезного эффекта. Это связано с тем, что излучатель, который изготовлен из отрезка прямой кварцевой трубки, удален от корпуса йодной лампы из-за наличия на ней высоковольтного электрода. Кроме того, при работе лампы за счет УФ излучения выходящего из окна в воздухе и у облучаемых поверхностей происходит наработка и накопление озона.
Техническим результатом при использовании предлагаемого изобретения является увеличение плотности мощности излучения на выходе из окна йодной лампы, возбуждаемой емкостным разрядом.
Другим техническим результатом является обеспечение озонобезопасности при работе персонала с лампой, при сохранении условий охлаждения всех элементов йодной лампы.
Указанный технический результат осуществляется в лампе, возбуждаемой емкостным разрядом, содержащей наполненный парами йода излучатель с отражателем, которые помещены в заземленный металлический корпус с сетчатым окном для вывода УФ излучения; импульсный источник питания с высоковольтным трансформатором также размещены в корпусе; излучатель выполнен из кварцевой трубки с запаянными торцами на внешней поверхности трубки у ее концов установлены цилиндрические высоковольтный и заземленный электроды; вентилятор установлен на боковом торце корпуса лампы, согласно изобретению, кварцевая трубка излучателя изогнута у высоковольтного электрода под углом 15-90 градусов, при этом прямая часть трубки у заземленного электрода установлена вплотную к сетке на выходном окне, а высоковольтный электрод расположен на удалении от корпуса лампы и отражателя, исключая шунтирующие пробои.
Кроме того, вентилятор размещен на торце корпуса со стороны высоковольтного электрода, а на противоположном торце просверлены отверстия. При таком расположении происходит всасывание воздуха через окно для вывода излучения и через отверстия и удаление облученного воздуха из корпуса в вытяжной шкаф или в фильтр. Происходит одновременная откачка озона, нарабатываемого УФ излучением в воздухе и у обрабатываемой поверхности, при сохранении условий охлаждения всех элементов йодной лампы.
На фиг. 1 показано поперечное сечение предлагаемой йодной лампы, возбуждаемой емкостным разрядом. Трубка излучателя 1 с высоковольтным 2 и заземленным электродом 3 находятся в корпусе 4. Вентилятор 5 размещен на одном из его торцов корпуса 4. Выходное окно 6, закрыто металлической сеткой 7. Источник питания 8 и высоковольтный трансформатор 9 выделены отдельными блоками. Высоковольтный электрод 2 излучателя удален от корпуса 4 и отражателя 10, который охватывает с противоположной от выходного окна 6 стороны часть трубки излучателя без электродов. Расстояние от высоковольтного электрода 2 до корпуса 4 и отражателя 10 выдерживается достаточным для исключения шунтирующих пробоев. Часть трубки излучателя до заземленного электрода 3 устанавливается вплотную к металлической сетке на выходном окне лампы 6.
Йодная лампа работает следующим образом. При включении тумблером 11 источника питания 8 в нем формируются импульсы напряжения, которые передаются на первичную обмотку высоковольтного трансформатора 9. Высоковольтные импульсы напряжения с вторичной обмотки трансформатора 9 подаются на электроды излучателя (2, 3) и осуществляют внутри трубки 1 излучателя пробой рабочей смеси, содержащей пары йода. При этом происходит возбуждение атомарных уровней паров йода, который излучает в основном на длине волны 206.2 нм.
В отличие от прототипа в предлагаемой лампе емкостного разряда трубка излучателя 1 изогнута от высоковольтного электрода 2 и часть ее со стороны заземленного электрода 3 располагается вплотную к сетке на выходном окне 6. Это обеспечивает при прочих равных условиях более высокую плотность мощности излучения на выходе из лампы.
Сравнение мощности излучения в прототипе и предлагаемой йодной лампе емкостного разряда было проведено при внешнем диаметре трубки из кварцевого стекла диаметром 23 мм. Использовались одинаковые частота следования импульсов (40 кГц) и напряжение на электродах (≈4 кВ). В прототипе трубка излучателя располагалась на расстоянии 1 см от сетки на выходном окне, а в предлагаемой лампе вплотную к сетке. Спектр излучения ламп регистрировался с помощью спектрометра HR2000+ES (Ocean Optics, Inc.) на основе многоканальной п.з.с.-линейки Sony ILX511B (рабочий диапазон 200-1100 нм, спектральная полуширина аппаратной функции ~ 1.33 нм). В области 200-230 нм наблюдалась одна линия с длиной волны 206.2 нм. Измерение средней мощности излучения проводилось прибором компании HAMAMATSU. Использовались приемник С8025-222 и пульт С8026. Измерения показали, что плотность мощности излучения на выходе из окна предлагаемой йодной лампе по сравнению с прототипом возросла в ≈2.5 раза.
В йодной лампе на фиг. 1 угол между прямыми частями кварцевой трубки равен 90 градусов. При этом длина трубки на ее изгибе и у высоковольтного электрода минимальна, но достаточна для исключения шунтирующих пробоев. Излучение из этой части трубки экранируется корпусом лампы и теряется. Однако эти потери мощности излучения для трубки с внешним диаметром 23 мм при длине выходного окна лампы 100 мм не превышали 20%, тогда как плотность мощности излучения на выходе из окна предлагаемой йодной лампе возросла в ≈2.5 раза. При увеличении диаметра трубки выполнять изгиб под углом ϕ ≈ 90 градусов технологически более сложно, поэтому при обеспечении безопасного расстояния от высоковольтного электрода до корпуса лампы возможно уменьшение угла ср. Моделирование показало, что, исходя из диаметра трубки и ее длины, угол изгиба достаточен в диапазоне от 15 до 90 градусов.
Второй технический результат был решен путем откачки озона, нарабатываемого в воздухе у выходного окна 6. Облученный за окном лампы воздух, в том числе у обрабатываемой поверхности, вентилятором 5 всасывается через окно 6 в корпус лампы 4, охлаждая трубку излучателя 1 и высоковольтный трансформатор 8. Это позволяет удалять озон, который образуются в воздухе и у облучаемой поверхности под действием УФ излучения, а за счет отверстий 12 в торце корпуса лампы на противоположной от вентилятора стороне дополнительно охлаждать излучатель у заземленного электрода 3, источник питания 8, высоковольтный электрод 2 и высоковольтный трансформатор 9.
2
Проверка откачки озона от облучаемой поверхности осуществлялась с помощью датчика озона Profile Dienmern (Air Quality Detector, Material ABS). На предлагаемой йодной лампе (длина волны излучения 206.2 нм) имелось окно для вывода излучения высотой 6 см и длиной 10 см. Плотность мощности излучения лампы у поверхности трубки составляла ≈1.2 мВт/см. Датчик озона располагался на расстоянии 20 мм или более от выходного окна. Он имел плоскую поверхность с встроенным детектором, размеры которой превышали размеры окна лампы, и имитировал облучаемую поверхность. Прокачка воздуха через лампу при испытаниях осуществлялась в двух направлениях. Согласно изобретению, воздух всасывался в корпус лампы через окно и отверстия в противоположном от вентилятора торце корпуса лампы. Для сравнения направление прокачки воздуха изменялось. Воздух, как в прототипе, нагнетался вентилятором в корпус работающей лампы и выходил через окно и отверстия в торце корпуса лампы на противоположной стороне.
3
2
При стационарном режиме работы йодной лампы на расстоянии до датчика озона от выходного окна 20 мм, всасывании воздуха в окно и концентрация озона при всасывании облученного воздуха уменьшилась более, чем в два раза. При дальнейшем увеличении расстояния от датчика до окна лампы эта разница увеличивалась. Контролируя время работы йодной лампы можно проводить облучения, не превышая предельно допустимые концентрации озона. Так, при расстоянии до датчика озона от выходного окна 50 мм концентрация озона у поверхности датчика была меньше предельно допустимой (0.05 ppm) при времени облучения до 8 минут. Используя короткие паузы между облучением, во время которых излучатель лампы отключался на 1 минуту, можно было набирать нужные дозы облучения, не превышая предельно допустимой концентрации озона у облучаемой поверхности, в том числе при использовании йодных ламп с большей плотностью мощности излучения. Отметим также, что средняя концентрация озона в помещении с объемом 50 м не превышала предельно допустимую при включении йодной лампы с плотностью мощности излучения ≈1.2 мВт/см на время до 1 часа без направления облученного воздуха в фильтр или вытяжной шкаф. Воздух, всасываемый с помощью вентилятора в корпус, охлаждает излучатель и источник питания. Это обеспечивает длительную работу йодной лампы без перегрева. Лампа включалась на 8 часов непрерывной работы в день в течение двух недель и сохранила свои параметры.
Таким образом, йодная лампа, возбуждаемая емкостным разрядом, созданная согласно предлагаемому изобретению, позволяет на выходе из окна увеличить плотность мощности излучения с длиной волны 206.2 нм. Кроме того, данная йодная лампа озонобезопасна, что позволяет использовать ее для дезинфекции и обработки поверхностей.
Источники информации:
1. Василяк, Л.М., Костюченко С.В., Кольцов. Г.В., 2008. Применение импульсного и непрерывного УФ-излучения для обеззараживания воды и воздуха. Сантехника, (3), р.75.
2. Buonanno, М., Welch, D., & Brenner, D. J. (2021). Exposure of human skin models to KrCl excimer lamps: The impact of optical filtering. Photochemistry and Photobiology. Accepted 14 January 2021, DOI: 10.1111/php.13383.
3. Eliasson B. and Kogelschatz U. UV Excimer Radiation from Dielectric-barrier Discharges // Appl. Phys. B. - 1988. - V.B46. - P. 299-303.
4. Light sources for optical and analytical instrumentation // Heraeus Noblelight GmbH. HNG B181E/01.10.wsp.
5. Boyd I.W., Zhang J.-Y., Kogelschatz U. Development and Applications of UV Excimer Lamps / In Book Photo-Excited processes, Diagnostics and Applications (Ed. A. Peled). - The Netherlands: Kluwer Academic Publishers, 2003. - P. 161-199.
6. Sosnin E.A., Sokolova I.V., Tarasenko V.F. Development and Applications of Novel UV and VUV Excimer and Exciplex Lamps for the Experiments in Photochemistry // In Book: Photochemistry Research Progress (Eds. by A. Sanchez, S.J. Gutierrez). - Nova Science Publishers, 2008. - P. 225-269.
7. Рабочая среда лампы тлеющего разряда, патент Российской Федерации №2151442 (от 18.02.1998).
8. Рабочая среда лампы высокочастотного емкостного разряда, патент Российской Федерации №2154323 (от 01.06.1998).
9. Ломаев М.И., Соснин Э.А., Тарасенко В.Ф., Шитц Д.В., Скакун B.C., Ерофеев М.В., Лисенко А.А. Эксилампы барьерного и емкостного разрядов и их применения (обзор). Приборы и техника эксперимента. 2006, №5, стр. 5-26.
10. Publication No.: US 2019/0192708 A1. Publication date June 27, 2019.