Устройство для ультрафиолетового облучения

Полезная модель относится к газоразрядным источникам излучения, в частности к безэлектродным эксилампам, и может быть использована для осуществления фотохимических и фотобиологических процессов, для которых необходимо ультрафиолетовое излучение, в т.ч. для ультрафиолетового обеззараживания и лечения кожных заболеваний.
Известны различные облучательные установки, в т.ч. ультрафиолетовые, предназначенные получения и перераспределения в пространстве, во времени и по спектру потока излучения для обеспечения целесообразной реакции приемников излучения [1]. Такие установки содержат лампу, источник питания (внешний или автономный), и - при необходимости - корпус, оптические элементы для перераспределения излучения в пространстве (зеркала, линзы, шторки и т.п.) и элементы управления (выключатели, схемы модуляции и т.п.).
Известны облучательные установки, в которых в качестве источника ультрафиолетового излучения применяются безэлектродные эксилампы барьерного и емкостного разрядов [2-6]. Преимущества использования этих ламп состоят, в частности, следующем:
зависимости от газового наполнения эксилампы обеспечивают сравнительно узкий спектр излучения полушириной от 2 до 15 нм для эксиплексных молекул и до 30 нм для эксимеров инертных газов. Это, в свою очередь, обеспечивает селективность проведения разнообразных фотохимических реакций и, соответственно, широкую применимость таких источников излучения в задачах, где нужна узкополосность и не нужны направленность и когерентность излучения;
эксилампы имеют различное конструктивное исполнение, что позволяет адаптировать их к решению разных задач;
при включении эксилампы выходят на максимум энергетической светимости за доли секунд;
применяемые эксилампы в отличие от широко распространенных ртутных ламп не содержат опасных веществ в колбе.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому источнику излучения является устройство для лечения кожных заболеваний [8]. Оно включает в себя XeCl-эксилампу, импульсный источник питания, интерфейсный контроллер и оснащено датчиком расстояния для автоматической корректировки дозы ультрафиолетового излучения при изменении дистанции от кожи пациента. Устройство предназначено для стабилизации энергетической освещенности кожи пациентов при фотолечении.
Устройство имеет недостатки. Во-первых, применяемый датчик расстояния имеет погрешность, которая связана с различиями кожи пациентов и фона, на котором располагается облучаемый объект. Во-вторых, за счет деградации рабочей смеси и материала оболочки эксилампы, ее интенсивность излучения со временем меняется (может расти или падать), эти изменения датчик расстояния не корректирует. А это в свою очередь приводит к тому, что для обеспечения нужной дозы облучения устройство необходимо перенастраивать, что может делать только квалифицированный персонал. Кроме того, интенсивность излучения эксиламп зависит от сетевого напряжения, что тоже может приводить к нарушению режима ультрафиолетового облучения.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является увеличение стабильности облучения поверхности различных объектов.
Технический результат достигается тем, что в устройстве для ультрафиолетового облучения поверхности, содержащем эксилампу, импульсный источник питания, контроллер, датчик, согласно полезной модели, датчик является оптическим, расположен в заданной зоне воздействия излучения эксилампы на облучаемом объекте, электрически связан с контроллером, при этом контроллер выполнен с возможностью сравнения сигнала с датчика с сигналом от источника питания эксилампы и установления необходимой частоты следования импульсов излучения для обеспечения заданной в данных условиях энергетической освещенности поверхности.
Предложенное решение обеспечивает стабилизацию энергетической освещенности в различных условиях эксплуатации, прежде всего благодаря тому, что датчик является оптическим, а значит реакция микроконтроллера не зависит от свойств облучаемого объекта или среды. Датчик располагается в заданной зоне воздействия излучения эксилампы на облучаемом объекте. Он имеет высокую спектральную чувствительность в диапазоне ультрафиолетового излучения эксилампы. Контроллер сравнивает сигнал с датчика с сигналом от источника питания эксилампы и устанавливает необходимую частоту следования импульсов излучения для обеспечения заданной в данных условиях энергетической освещенности объекта и среды. Если объект удаляется или приближается к эксилампе, то по контуру обратной связи «эксилампа - датчик - микроконтроллер - источник питания» происходит коррекция частоты следования импульсов излучения для сохранения уровня энергетической освещенности. Эта же обратная связь работает при изменении интенсивности излучения эксилампы в ходе ее долговременной работы из-за деградации рабочей смеси и материала оболочки. Поскольку контроллер фиксирует также ток эксилампы, он обеспечивает и корректировку интенсивности излучения в случае, если сетевое напряжение питания устройства испытывает колебания. Благодаря этому энергетическая освещенность ультрафиолетового излучения остается стабильной в различных условиях - при изменении положения облучаемого объекта, при скачках напряжения и при деградации эксилампы. Это в свою очередь упрощает эксплуатацию устройства: не нужно следить за указанными факторами и перенастраивать источник питания.
На фиг. 1 представлена структурная схема устройства для ультрафиолетового облучения, на фиг. 2 и 3 - примеры работы устройства в режиме стабилизации (1) и без него (2).
Устройство состоит из эксилампы 1, импульсного источника питания 2, источника сетевого напряжения 3, контроллера 4, имеющего прямую и обратную связь с импульсным источником питания, оптического датчика 5, расположенного в заданной зоне воздействия излучения эксилампы 7 на облучаемом объекте 6.
Устройство работает следующим образом.
Эксилампа 1 зажигается от импульсного источника питания 2, который преобразует напряжение от сети 3 в высоковольтные импульсы с частотой от единиц до сотен килогерц. Излучение эксилампы заданной интенсивности падает на оптический датчик 5, находящийся в заданной зоне облучаемого объекта 7 и электрически связан с контроллером 4. Сигнал с датчика 5 используется контроллером 4 для коррекции частоты следования высоковольтных импульсов напряжения источника питания 2. Для этого контроллер 4 сравнивает сигнал с датчика 5 с сигналом от источника питания 2, а также следит за потребляемым эксилампой током. Как результат, энергетическая освещенность ультрафиолетового излучения остается стабильной при изменении положения облучаемого объекта, при скачках напряжения и при деградации рабочей смеси и колбы эксилампы (что снижает интенсивность ее излучения). Все это стабилизирует энергетическую освещенность потока излучения эксилампы на облучаемом объекте.
Примеры работы устройства приведены на фиг. 2 и 3. В качестве источника излучения была взята XeCl-эксилампа с максимумом излучения на длине волны 308 нм и полушириной полосы излучения 1.8 нм. Датчик - ультрафиолетовый фотодиод GUVA-S12SD, чувствительный к излучению эксилампы. Микроконтроллер Atmega8 согласован через логическую микросхему CD4011 с высоковольтным источником питания эксилампы, обеспечивающим частоты следования высоковольтных импульсов излучения от 10 до 100 кГц. Измерения мощности проводили фотоприемником Hamamatsu с головкой Н8025-222, чувствительной к излучению эксилампы.
На фиг. 2 и 3 - примеры работы устройства в режиме стабилизации (1) и без него (2).
На фиг. 2 видно, что с удалением эксилампы от облучаемого объекта в режиме стабилизации получаем почти линейную зависимость энергетической освещенности от расстояния. Расчетный коэффициент пульсации в этом случае составляет 2.75%.
По фиг. 3 видно, что при изменении сетевого напряжения от 180 до 240 В устройство также обеспечивает стабилизацию энергетической освещенности на облучаемом объекте, расположенном на расстоянии 1.5 см от поверхности эксилампы. Расчетный коэффициент пульсации в этом случае составляет 1.3%. Аналогичным образом при долговременной эксплуатации и снижении интенсивности излучения эксилампы будет осуществляться коррекция ее питания, что также приведет к стабилизации энергетической освещенности излучения эксилампы на облучаемом объекте.
Таким образом, предлагаемое решение обеспечивает стабильность облучения поверхностей различных объектов.
Источники информации
1. Справочная книга по светотехнике / Под ред. Ю.Б. Айзенберга. 3-е изд. перераб. и доп. - М.: Boos Lighting Group, 2008. - 952 с.
2. Соснин Э.А. Эксилампы и новое семейство газоразрядных ультрафиолетовых облучателей на их основе // Светотехника. - 2006. - №6. - С. 25-31.
3. Соснин Э.А., Тарасенко В.Ф. Эксилампы - перспективный инструмент фотоники // Фотоника. - 2015. - №1. - С. 60-69.
4. Соснин Э.А., Скакун В.С., Панарин В.А., Печеницин Д.С. Устройство для обеззараживания воздуха // Патент RU 2746562 С1. - Заявка №2020123655. - Приоритет: 09.07.2020. - Опубликовано 15.04.2021. - Бюл. №11.
5. Соснин Э.А., Авдеев С.М., Скакун В.С., Панарин В.А., Печеницин Д.С., Сорокин Д.А. Источник излучения // Полезная модель к патенту RU 205117 U1. - Заявка №2020143326. - Приоритет: 25.12.2020. - Опубликовано 28.06.2021. - Бюл. №19.
6. Бойченко А.М., Ломаев М.И., Панченко А.Н., Соснин Э.А., Тарасенко В.Ф. Ультрафиолетовые и вакуумно-ультрафиолетовые эксилампы: физика, техника и применения. - Томск: STT, 2011. - 512 с. -ISBN 978-5-93629-433-4.
7. Авдеев С.М., Орловский В.М., Панарин В.А., Печеницин Д.С., Скакун B.C., Соснин Э.А., Тарасенко В.Ф. Эффективные источники УФ- и ВУФ-излучения - эксилампы и фотореакторы на их основе // Известия вузов. Физика. - 2017. - Т. 60. - №8. - С. 31-35.
8. Щитц Д.В., Бессонов В.А., Анискевич В.М. Устройство для лечения кожных заболеваний // Полезная модель к патенту RU 160730 U1. - Заявка №2015135427/14, - Приоритет: 20.08.2015. - Опубликовано 27.03.2016. - Бюл. №9.