Газоразрядный импульсный источник высокоинтенсивного ультрафиолетового излучения

Полезная модель относится к электротехнике, в частности к газоразрядным (ГР) лампам, используемым в качестве источника высокоинтенсивного ультрафиолетового (УФ) излучения в устройствах обеззараживания (УО) воздуха, открытых поверхностей и воды.
В настоящее время практически во всех современных импульсных УО, применяемых в медицинской практике, для инактивации микроорганизмов используется УФ-излучение, генерируемое импульсными ксеноновыми лампами с прямой трубчатой колбой из кварцевого стекла, которые до недавнего времени использовались преимущественно в лазерной технике. Спектр излучения такого ГР импульсного источника высокоинтенсивного излучения в диапазоне длин волн 200-300 нам является сплошным, что с учетом функционального назначения ГР лампы, обеспечивает высокую бактерицидную эффективность УО.
Е
Одной из основных эксплуатационных характеристик ГР импульсного источника УФ-излучения является долговечность, под которой принято понимать срок службы, в течение которого параметры источника сохраняют свои значения в установленных пределах. Долговечность импульсных ГР ламп, применяемых в УО, исчисляется количеством часов, в течение которых происходит снижение энергетической экспозиции  в спектральном диапазоне 200-300 нм от начального значения до регламентированной в технических условиях на ГР лампу величины, которая обеспечивает бактерицидную эффективность УО.
Е
Е
Е
Основной причиной, вызывающей снижение  излучения ламп с кварцевой колбой, является постепенное уменьшение ее прозрачности из-за налета, образующегося в следствие работы в частотном режиме при высокой удельной нагрузке. Налет образуется в результате двух процессов в разрядном объеме лампы: распыления в результате эрозии материала электродов и изменения структуры внутренней поверхности кварцевой колбы. В последнем случае компоненты налета представляют собой продукты разложения кремнезема, возникающие в результате взаимодействия плазмы с материалом колбы. Компенсировать снижении  УФ-излучения ГР ламп с кварцевой оболочкой в процессе эксплуатации можно только за счет увеличения электрической нагрузки, что, в свою очередь, с высокой степенью вероятности, может привести к разрушению колбы в результате возрастания газодинамического воздействия ударных волн и мгновенных термических ударов в момент прохождения импульсного тока короткой длительности. Для решения данной проблемы колбы ГР лампы изготавливают из устойчивого к агрессивным воздействиям плазмы и обладающего механической прочностью в условиях повышенных электрических нагрузок сапфира. У ГР ламп с сапфировой колбой снижение  происходит только в результате эрозии электродов под высокотемпературным воздействием плазмы.
Так, из уровня техники известен ГР импульсный источник высокоинтенсивного УФ-излучения (RU 103668 U1, опубл. 20.04.2011), который содержит заполненную плазмообразующей средой на основе ксенона прямую трубчатую колбу из сапфира, на противоположных концах которой герметично установлены электродные узлы. Колба представляет собой изготовленный по методу А.В. Степанова монокристалл оксида алюминия в виде прямой трубки.
Однако изготовленные по методу А.В. Степанова трубки из сапфира имеют недостаточную долговечность в силу образования следующих дефектов в процессе изготовления:
Е
1. На внутренней и внешней поверхностях трубки в процессе направленной кристаллизации формируется дефектный слой толщиной до 0,20 мм в виде пузырей, заполненных газообразными примесями, огранки, волнистости и т.д. Наличие указанного слоя приводит к снижению прозрачности колбы за счет поглощения, отражения и рассеяния излучения, и как следствие, способствует уменьшению долговечности в силу низкого начального значения  УФ-излучения.
р
уд
.
2. В толщине стенки формируются отдельные участки монокристаллической структуры (блоки), на границах которых возникают упругие напряжения, снижающие механическую прочность трубки и удельную электрическую нагрузку () на единицу внутренней поверхности колбы.
Е=f
Р
Р
Р
Е
Р
р
π·d·L
d, L
р
Е.
л
л
л
л
.пред.
уд
.
уд
.
Известно, что (), где  - электрическая мощность лампы, то есть чем выше , тем больше . А предельная электрическая мощность лампы определяется как = ·(), где - внутренний диаметр и части длины колбы, соответствующей межэлектродному промежутку разрядной камеры. Таким образом, при наличии более 6 блоков ограничение удельной электрической нагрузки () приводит к пределу начального значения
Наиболее близким аналогом является ГР источник высокоинтенсивного излучения (US 2006202627 A1, опубл. 14.09.2006), содержащий заполненную плазмообразующей средой прямую трубчатую колбу из сапфира и установленные на противоположных концах колбы электродные узлы, причем наружная и внутренняя поверхности колбы по крайней мере на части длины, соответствующей межэлектродному промежутку, имеют сниженную толщину и шероховатость не более 0,012 мкм. Известный ГР источник может применяться в автомобильных газоразрядных фарах, лампах для освещения дисплеев, в видеопроекционных и медицинских лампах видимого диапазона, оптоволоконном освещении.
В данном решении за счет уменьшения толщины стенок колбы и полировки внутренней и внешней поверхностей трубки до указанной шероховатости устранен отмеченный выше основной недостаток ГР лампы с сапфировой колбой, заключающийся в наличии дефектного слоя, приводящего к снижению прозрачности колбы за счет поглощения, отражения и рассеяния излучения. Однако в изделии не устранен другой недостаток, связанный со снижением механической прочности трубки и удельной электрической нагрузки вследствие возникновения упругих напряжений на границах монокристаллических блоков неограниченного количества, что ведет к снижению долговечности таких ГР источников излучения. Кроме того, известная ГР лампа применяется как источник видимого излучения (света), т.е. колба лампы имеет максимальный коэффициент пропускания в диапазоне 380 - 780 нм, что не обеспечивает возможность ее применения в качестве эффективного высокоинтенсивного источника УФ-излучения.
Задачей полезной модели является создание ГР импульсного источника высокоинтенсивного УФ-излучения, способного работать в спектральном диапазоне 200-300 нм и лишенного недостатков прототипа.
р
Е)
уд
.
Технический результатзаключается в повышении долговечности ГР импульсного источника высокоинтенсивного излучения путем увеличения удельной электрической нагрузки () и повышения энергетической экспозиции ( УФ-излучения в начале срока службы.
R
a
Заявленный результат достигается газоразрядным импульсным источником высокоинтенсивного УФ-излучения, выполненным с возможностью работы в спектральном диапазоне 200-300 нм и содержащим заполненную плазмообразующей средой на основе ксенона трубчатую колбу из сапфира, имеющего в поперечном сечении стенки менее 6 монокристаллических блоков, и установленные на противоположных концах колбы электродные узлы, причем наружная и внутренняя поверхности колбы по крайней мере на части длины, соответствующей межэлектродному промежутку, отшлифованы на глубину 0,20 - 0,25 мм, и выполнены с постоянными радиусами при отклонении профиля  не более 0,012 мкм.
Е
Предложенная полезная модель обладает повышенной спектральной плотностью энергетической экспозиции  УФ-излучения в начале срока службы, что способствует повышению долговечности ГР лампы, за счет использования менее 6 монокристаллических блоков, что позволяет выдерживать повышенные электрические нагрузки, и шлифовки поверхностей колбы до обозначенных значений, что в свою очередь обеспечивает прозрачность колбы со среднеарифметическим значением коэффициента пропускания УФ-излучения в спектральном диапазоне 200-300 нм не менее 75%.
Полезная модель поясняется с помощью фиг.1, на которой схематически изображен вариант исполнения предложенного ГР источника УФ-излучения.
ГР импульсный источник высокоинтенсивного УФ-излучения способен работать в спектральном диапазоне 200-300 нм за счет обеспечения разрядным контуром поступления большой энергии в плазму вплоть до 300 Дж за короткий промежуток времени до 150 мкс и содержит выполненную из бесцветного сапфира трубчатую колбу 1, как правило, выполняемую прямой, но не исключаются и криволинейные формы. На противоположных концах колбы 1 герметично установлены электродные узлы 2 и 3. Колба 1 заполнена плазмообразующей средой 4 в виде инертного газа ксенона или смеси инертных газов с содержанием ксенона не менее 70%.
А
Б
L
r
r
R
Е
1
2
a
Колба 1 представляет собой изготовленную по методу А.В. Степанова трубку из сапфира, внешняя  и внутренняя  поверхности которой по меньшей мере на длине , соответствующей межэлектродному промежутку, выполнены постоянных радиусов  и путемшлифовки и/или полировки на глубину 0,20-0,25 мм до достижения значения отклонения профиля  не более 0,012 мкм, что устраняет дефектный слой, приводящий к снижению прозрачности колбы за счет поглощения, отражения и рассеяния излучения, и совместно с проверкой сапфира на оптическую прозрачность обеспечивает в спектральном диапазоне 200-300 нм среднеарифметическое значение коэффициента пропускания излучения колбы 1 не менее 75%. А за счет высокого значения коэффициента пропускания обеспечивается высокое начальное значение спектральной плотности энергетической экспозиции  УФ-излучения и, соответственно, повышенная долговечность изделия.
r
r
L
1
2
Постоянство радиусов  и  может быть достигнуто не только на длине , соответствующей межэлектродному промежутку, но и, например, на всей длине колбы 1, однако это не является необходимым для достижения заявленного технического результата или работоспособности изделия в принципе.
Также колба 1 из сапфира имеет в поперечном сечении стенки менее 6 монокристаллических блоков, это позволяет выдерживать повышенные электрические нагрузки, что в свою очередь способствует повышению долговечности лампы.
р
n
р
р
n
р
уд
.
уд
.
уд
.
уд
.
2
2
Так, согласно исследованию зависимости удельной электрической нагрузки  от количества блоков , с ростом количества блоков снижается предельное значение удельной электрической нагрузки , до постоянного значения = 170 Вт/см, начиная с =6. Таким образом, выполнение сапфировой колбы 1 с менее, чем шестью монокристаллическими блоками в поперечном сечении стенки, способствует выдерживанию повышенных электрических нагрузок, при которых > 170 Вт/см.
р
уд
.
Отдельно стоит отметить, что удельная электрическая нагрузка  на единицу внутренней поверхности колбы определяется по формуле:
d, L
Р
р
d
L
Р
эл.
уд
.
эл.
2
где - внутренний диаметр и часть длины колбы, соответствующей межэлектродному промежутку разрядной камеры ГР источника, а - электрическая мощность лампы. Подставив в формулу (1) значения предельной = 170 Вт/сми числа π, можно охарактеризовать требование к количеству блоков следующим неравенством, отражающим связь внутреннего диаметра  и части длины  колбы с :
Р
d·L
эл
< 534 () (2)
Работает предложенный ГР импульсный источник высокоинтенсивного УФ-излучения следующим образом.
Т
к
Источником УФ-излучения является ксеноновая плазма, которая формируется в сапфировой колбе 1 путем приложения высоковольтного напряжения к электродам 2 и 3, герметично соединенными с колбой. В результате воздействия излучения и теплопередачи плазмы внутренняя поверхность колбы 1 разогревается до температур  = 1000-1400°С, а температура наружной поверхности достигает 400-600°С.
Т
р
р
к
уд
.
уд
.
2
Наличие градиента температуры по толщине стенки колбы 1 усиливает сдвиговые деформации в сапфире по границам блоков, которые в свою очередь, являются источником термоупругих напряжений из-за сдвига кристаллической решетки. В итоге при работе лампы и повышении температуры колбы 1 указанные напряжения суммируются. Учитывая тот факт, что температуры плазмы и, соответственно, внутренней поверхности колбы 1 () определяются удельной электрической нагрузкой(), то при достижении значения = 170 Вт/см и более, под воздействием температуры плазмы в толщине стенки сапфировой колбы 1, имеющей менее 6 блоков, суммарная величина термоупругих напряжений не превышает предел прочности колбы и она не разрушается, что произошло бы при выполнении сапфировой колбы с 6 и более блоками.
Б
А
R
a
За счет того, что шлифованием внутренней  и внешней  поверхностей колбы 1 на глубину 0,20-0,25 мм устранены различные поверхностные дефекты (пузыри, включения и т.д.), а полированием до отклонения профиля поверхностей колбы  не более 0,012 мкм устранены образовавшиеся после шлифовки микротрещины, выходящее из плазмы излучение не поглощается, не отражается и не рассеивается на различных поверхностных дефектах поверхностях колбы 1, которая имеет коэффициент пропускания выше 75% в спектральном диапазоне 200-300 нм.
Ниже приведены примеры достижения технического результата при использовании полезной модели.
Пример 1.
2r
L
1
Были изготовлены импульсные ГР лампы с внутренним диаметром разрядного объема  0,5 см, межэлектродным расстоянием  - 12 см и давлением ксенона в холодном состоянии - 300 мм рт.ст. Для колб выбирались сапфировые трубы с различным количеством блоков. Контроль количества блоков осуществлялся по кольцевому образцу-свидетелю, который отрезался от концевой части колбы. Торцы кольца обрабатывались на шлифовально-полировальном станке, контроль количества блоков производился по известной методике посредством стереоскопического поляризационного микроскопа.
I
л
Для повышения точности полученных результатов были изготовлены по три лампы с одинаковым количеством блоков в стенке колбы. После испытаний каждой партии ламп результаты измерений удельной электрической нагрузки усреднялись. При испытаниях лампы устанавливались горизонтально. После включения лампы устанавливали начальный ток=6А. Лампы прогревались в течение 5 минут, затем ток увеличивался до 17А. Затем через каждые 5 минут ток увеличивали на 1А вплоть до разрушения лампы. При каждом значении тока фиксировалась величина напряжения на лампе и рассчитывалась ее электрическая мощность. Полученные результаты представлены в таблице 1.
Таблица 1
Количество блоков, шт.
1
2
3
4
5
6
7
8
<i>р</i><sub><i>уд</i></sub><sub>., </sub>Вт/см<sup>2</sup>
390
312
296
261
230
170
165
159
Время работы лампы до разрушения, час
5·10<sup>3</sup>
3·10<sup>3</sup>
2,2 10<sup>3</sup>
1,5·10<sup>3</sup>
10<sup>3</sup>
1,8·10<sup>2</sup>
1,5·10<sup>2</sup>
10<sup>2</sup>
р
уд
.
Как видно из таблицы 1, начиная с 6 блоков значение становится практически постоянным, что свидетельствует о предельной величине термоупругих напряжений на границах монокристаллических блоков.
Пример 2.
2r
L
R
Е
1
a
Из центральной бездефектной части, выращенной по методу А.В. Степанова сапфировой трубы были изготовлены две импульсные лампы с внутренним диаметром разрядного объема  0,5 см, межэлектродным расстоянием  - 12 см и давлением ксенона в холодном состоянии - 300 мм рт.ст. В лампе №1 в качестве колбы применялась выращенная из расплава сапфировая труба без механической обработки, в лампе №2 внешняя и внутренняя поверхности колбы в зоне разрядного промежутка после шлифовки и полировки свободным абразивом имели шероховатость с отклонением профиля = 0,012±0,0005 мкм. Изготовленные лампы работали в разрядном контуре, обеспечивающем энергию импульса разряда 60 Дж, а частота следования импульсов разряда - 3 Гц. В качестве критерия при сопоставлении параметров ламп использовалась средняя спектральная плотность энергетической экспозиции в спектральном диапазоне от (205±5) до (290±5) нм.
Е
Е
Е
R
2
2
a
В результате испытаний получены следующие результаты: для лампы №1 средняя спектральная плотность энергетической экспозиции составила = 0,68 Дж/м·нм, а для лампы №2 = 0,8 Дж/м·нм. Таким образом, превышение  у заявляемой конструкции с использованием колбы, у которой наружная и внутренняя боковые поверхности выполнены с постоянными радиусами с отклонением профиля  не более 0,012 мкм составляет 15% по сравнению с колбой без шлифования и полирования.
Е
А
Б
Проведенные испытания показали, что в начале наработки ГР лампы с колбой, изготовленной из полированного сапфира с коэффициентом пропускания выше 75%, средняя спектральная плотность энергетической экспозиции в спектральном диапазоне 200-300 нм на 15% выше, чем у ГР лампы без обработки поверхностей  и . Таким образом технический результат, достигаемый при использовании заявляемого ГР источника УФ-излучения, заключается в увеличении наработки (увеличение срока службы при повышении величины пиковой силы УФ-излучения), что крайне важно при аппаратурном использовании такого источника в составе УО.
ГР импульсный источник высокоинтенсивного УФ-излучения в соответствии с заявляемым решением разработан для серийного производства с использованием типовых технологий.