ГАЗОРАЗРЯДНЫЙ ИМПУЛЬСНЫЙ ИСТОЧНИК ВЫСОКОИНТЕНСИВНОГО УЛЬТРАФИОЛЕТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Полезная модель относится к электротехнике, в частности к газоразрядным (ГР) лампам, используемым в качестве источника ультрафиолетового (УФ) излучения в устройствах стерилизации воздушной среды.
Решение проблем, связанных с эффективным противодействием современному терроризму обострили интерес к системам противодействия акциям с использованием биологического оружия. Так, наиболее опасным и легко осуществимым сценарием возможного террористического акта, по мнению ряда экспертов, считается заброс в систему принудительной вентиляции аэрозоля с биологическими агентами.
Известно, что наиболее эффективным способом, снижающим уровень микробной обсеменности в воздушной среде, является использование УФ излучения, обладающего ярко выраженным бактерицидным действием [1]. Механизм воздействия бактерицидной составляющей УФ излучения на микроорганизмы связан с поглощением живой клеткой энергии бактерицидного излучения [2]. К настоящему времени установлено, что максимальной бактерицидной активностью обладает коротковолновое УФ излучение с длинами волн 200…300 нм.
2
Основной задачей, стоящей перед разработчиками эффективных источников УФ излучения, является обеспечение необходимого уровня интенсивности излучения в заданном спектральном диапазоне и увеличение полезного срока службы (т.н. наработка) источника. Первая задача решается путем выбора оптимального состава плазмообразующей среды, в которой формируется электрический разряд, а вторая - зависит от используемых в ГР источнике излучения материалов и, в первую очередь, материала колбы. Практически во всех современных бактерицидных установках, применяемых в медицинской практике, в качестве источника УФ излучения используются трубчатые ртутные лампы низкого давления [3, 4]. Однако такие лампы имеют ряд недостатков. Так, максимальная энергетическая эффективность ртутных ламп реализуется в очень узком диапазоне физических и энергетических параметров - только при удельной электрической мощности, вкладываемой на единицу длины лампы, не более 1 Вт на 1 см длины. Именно поэтому даже самые мощные ртутные лампы длиной до 1 м по мощности не превышают 100 Вт. В результате интенсивность УФ излучения и, соответственно, облученность обрабатываемого объекта оказывается весьма низкой - микроватты на 1 см. И, следовательно, для набора необходимой биоцидной дозы и осуществления обеззараживающего эффекта требуется длительная экспозиция [5]. Другой существенный недостаток ртутных ламп связан с монохроматичностью (селективностью) испускаемого УФ излучения (254 нм). Но поскольку различные микроорганизмы имеют в УФ области спектра различные спектральные полосы поглощения [6], то эффективно ртутные лампы могут инактивировать только отдельные виды микроорганизмов - те, максимум спектральной чувствительности которых совпадает или достаточно близок к спектральной линии излучения УФ источника - 254 нм. По этой причине ртутные лампы имеют весьма низкую биоцидную эффективность в отношении ряда микроорганизмов, которые могут использоваться в качестве биологических агентов при проведении террористического акта.
Указанных недостатков лишен источник УФ излучения, используемый при реализации способа экстренной дезинфекции воздуха от всех видов микрофлоры [7], что особенно актуально при осуществлении противодействия террористическим актам с использованием биологических агентов. Этот способ дезинфекции воздушной среды основан на использовании высокоинтенсивного импульсного УФ излучения сплошного спектра. Для инактивации микроорганизмов в данном случае используется УФ излучение, генерируемое импульсной ксеноновой лампой с прямой трубчатой колбой из кварцевого плавленого стекла (типа ИНП), которые до недавнего времени использовались преимущественно в лазерной технике [8]. Спектр излучения такого ГР импульсного источника высокоинтенсивного излучения, выбранного в качестве прототипа, в диапазоне длин волн 200…300 нм - сплошной. Как показали исследования широкоспектральное УФ облучение микроорганизмов обеспечивает инактивацию различных видов микроорганизмов независимо от их индивидуальных спектральных характеристик, причем бактерицидная эффективность высокоинтенсивного импульсного УФ излучения сплошного спектра в диапазоне длин волн 200…300 нм примерно в 30 раз выше эффективности низкоинтенсивного непрерывного УФ излучения, сосредоточенного в линии 254 нм [5].
Одна из основных эксплуатационных характеристик ГР импульсного источника УФ излучения, используемого в качестве излучающего элемента устройства стерилизации воздушной среды, - его долговечность. Под долговечностью ГР источника излучения принято понимать срок его службы, в течение которого параметры источника сохраняют свои значения в установленных пределах. Долговечность импульсных ГР ламп, применяемых в устройствах стерилизации воздушной среды (частный случай фотоосветительных устройств), исчисляется наработкой, т.е. количеством часов по критерию снижения пиковой силы излучения на 30% [8]. В работе [9] указано, что наработка импульсных ксеноновых ГР ламп с кварцевой трубчатой колбой составляет не более 150 часов. Основной причиной, вызывающей снижение пиковой силы излучения таких ламп, является постепенное уменьшение прозрачности колбы. В работе [8] указано, что это является следствием образования на внутренней поверхности разрядной части колбы уменьшающего прозрачность (в т.ч. в УФ области спектра) налета, возникающего у ламп, работающих в частотном режиме при высокой удельной нагрузке. Исследования состава налета показали, что образующие его компоненты представляют собой продукты диссоциации кремнезема (температура кипения и испарения кварца - 2500°C), возникающие в результате взаимодействия плазмы с кварцем колбы.
Таким образом, недостаток конструкции ГР импульсного источника высокоинтенсивного УФ излучения, выбранного в качестве прототипа, состоит в снижении пиковой силы УФ излучения в процессе эксплуатации, компенсировать которое можно только за счет увеличения электрической нагрузки, что в свою очередь, с высокой степенью вероятности, может привести к разрушению колбы в следствии возрастания газодинамического воздействия ударных волн и мгновенных термических ударов в момент прохождения импульсного тока короткой длительности [10].
Задача, на решение которой направлена полезная модель, заключается в сохранении прозрачности колбы ГР источника в процессе длительной работы.
Заявляемый ГР импульсный источник высокоинтенсивного УФ излучения, как и ГР импульсный источник, выбранный в качестве прототипа, снабжен заполненной плазмообразующей средой на основе ксенона прямой трубчатой колбой из прозрачного в УФ области спектра излучения разряда материала. Отличие от прототипа состоит в том, что заявляемый ГР источник высокоинтенсивного УФ излучения снабжен ограничивающей разряд колбой из бесцветного лейкосапфира.
На фиг.1 приведено схематическое изображение варианта конкретного исполнения заявляемого ГР источника УФ излучения.
ГР импульсный источник высокоинтенсивного УФ излучения содержит выполненную из бесцветного лейкосапфира прямую трубчатую колбу 1, на противоположных концах которой герметично установлены электродные узлы 2 и 3. Колба 1 заполнена плазмообразующей средой 4 в виде инертного газа ксенона. Колба 1 представляет собой изготовленную по методу А.В.Степанова [11] монокристалл окиси алюминия (бесцветный лейкосапфир) в виде прямой трубки, который обеспечивает спектральный диапазон пропускания и, соответственно, излучения источника в требуемом диапазоне УФ излучения - 200...300 нм. Температура кипения монокристаллической окиси алюминия значительно выше температуры кипения кварца (3500°C [12]) и, следовательно, изменение прозрачности колбы 1 по указанным выше (применительно к кварцу) причинам отсутствует и не вызывает уменьшения величины пиковой силы УФ излучения источника в процессе его длительной эксплуатации.
Экспериментальная проверка заявляемой конструкции осуществлена на базе ГР импульсного источника высокоинтенсивного УФ излучения с лейкосапфировой колбой, внутренний диаметр которой составлял 0,5 см, межэлектродной расстояние - 10 см, а давление ксенона в холодном состоянии - 300 мм рт. ст. Энергия импульса разряда составляла 60 Дж, а частота следования импульсов разряда - 3 Гц.Проведенные испытания показали, что после 300 часов работы уменьшение величины пиковой силы УФ излучения составляло не более 15%. Таким образом технический результат, достигаемый при использовании заявляемого ГР источника УФ излучения, заключается в увеличении наработки (увеличение срока службы при сохранении величины пиковой силы УФ излучения), что крайне важно при аппаратурном использовании такого источника в составе оборудования, предназначенного для экстренной дезинфекции воздушной среды.
ГР импульсный источник высокоинтенсивного УФ излучения в соответствии с заявляемым решением разработан для серийного производства с использованием типовых технологий.
Литература:
1. Лазарев Д.Н. Ультрафиолетовая радиация, М.: Госэнергоиздат, 1950.
2. Конев С.В., Волотовский И.Д. Фотобиология, Минск: Изд. БГУ, 1979.
3. Светотехника, №6, 2004, с.90.
4. Справочная книга по светотехнике, М.: Энергоиздат, 1983.
5. Безопасность жизнедеятельности, 2003, №1, с.32.
6. Стейк Р., Уильяме Д. Основы биологической и медицинской физики, М.: Изд. Иностранной литературы, 1959.
7. Патент РФ на изобретение №2001629, 1993.
8. Маршак И.С. Импульсные источники света, М.: Энергия, 1978.
9. Газоразрядные источники высокоинтенсивного оптического излучения, М.: Внешторгиздат, 1988.
10. Светотехника, №2, 1973, с.12.
11. Антонов П.И., Затуловский Л.М., Костылев А.С., Получение профилированных монокристаллов и изделий методом Степанова, Л.: Наука, 1971.
12. Классен-Неклюдова М.В., Багдасаров Х.С., Рубин и сапфир, М.: Наука, 1974.