БАКТЕРИЦИДНЫЙ ОБЛУЧАТЕЛЬ
BACTERICIDAL IRRADIATOR

Заявляемое техническое решение относится к источникам света, точнее к источникам ультрафиолетового излучения бактерицидного диапазона спектра (бактерицидным облучателям) и представляет интерес для задач стерилизации, прежде всего оперативной и эффективной стерилизации участков поверхности без использования химических реагентов или высокотемпературной обработки.
Источники ультрафиолетового излучения широко используются в задачах  бактерицидной обработки объема и поверхностей. Для решения этой задачи предпочтительным считается излучение в диапазоне 215÷300 (230÷290) нм, соответствующем высокой бактерицидной эффективности излучения. В качестве источников такого излучения чаще всего используются ртутные лампы низкого давления (РЛНД), импульсно-периодические ксеноновые лампы, эксимерные лампы, в последнее время началось использование светодиодных источников.
Ртутные лампы низкого давления (РЛНД) распространены наиболее широко, они излучают практически монохроматический свет с длиной волны около 254 нм, эта длина волны близка к максимуму бактерицидной эффективности воздействия света на молекулы ДНК и РНК (~265 нм). Для λ=254 нм потребные для стерилизации с эффективностью 90-99,9% дозы излучения подробно изучены ([1]: Руководство Р 3.5.1904-04 «Использование ультрафиолетового бактерицидного излучения для обеззараживания воздуха в помещениях») и для большинства патогенных бактерий и вирусов находятся в интервале 1÷30 мДж/см2, для используемого в качестве стандартного  стерилизуемого объекта золотистого стафилококка поверхностная доза облучения для степени обеззараживания 99,9% составляет 6,6 мДж/см2, для ряда вирусов для указанной степени обеззараживания достаточна доза ~ 1 мДж/см2. Типичная эффективность излучения современных РЛНД составляет 25-40% (меньшая величина относится к лампам малой длины) при ресурсе 8÷15 тысяч часов, на сегодня такие параметры излучателя бактерицидного диапазона вне конкуренции.
В то же время в ряде случаев может быть более эффективной стерилизация широкополосным излучением импульсных ксеноновых ламп или излучением других участков ультрафиолетового спектра (в том числе одновременно нескольких полос бактерицидного диапазона) с использованием эксимерных ламп. Здесь механизм инактивации бактерий и вирусов может включать не только воздействие на ДНК или РНК, но также на белки и другие компоненты клетки, что в итоге обеспечивает большую эффективность стерилизации, а также, по мнению некоторых исследователей, возможность реализовать существенно более высокую степень дезактивации, например 99,99% и выше при умеренном росте потребной дозы ([2]: сайт компании «НПП Мелитта» http://www.melitta-uv.ru/technology/work/; [3]: K. G. Linden, J. Thurston, R. Schaefer, J.P. Malley, Jr. «Enhanced UV Inactivation of Adenoviruses under Polychromatic UV Lamps». Applied and environmental microbiology, 2007, vol. 73, № 23, p. 7571–7574).
В последние годы разработаны также светодиодные источники света с длиной волны 260-280 нм, которые могут использоваться для задач бактерицидной обработки. Однако малая мощность при весьма высокой стоимости излучателя (сейчас в расчете на единицу генерируемой мощности излучения РЛНД дешевле светодиода в сотни раз), а также низкие КПД (< 4÷5%) и ресурс (в пределах нескольких тысяч часов) светодиодов с длиной волны излучения <290 нм не позволяет широко ипользовать такие источники, в том числе для высокопроизводительной обработки поверхностей.
Описанные выше источники бактерицидного излучения применяются как в открытом виде, одновременно освещая значительные площади или объемы, в этом случае обработка поверхностей и объемов проводится в отсутствие людей, так и в закрытых системах (рециркуляторах), когда бактерицидные источники света устанавливаются в непрозрачной для излучения полости и стерилизация УФ излучением может проводиться в присутствие людей ([1]). В последнем случае в полости облучателя с источником бактерицидного излучения имеются входное и выходное сечения (отверстия) для прокачки стерилизуемого потока воздуха, а также обязательно предпринимаются специальные меры для того, чтобы УФ излучение не выходило за пределы полости, в том числе через входное и выходное отверстия. Внутренняя поверхность полости, как правило, выполняется зеркально отражающей из полированного алюминия или нержавеющей стали, как, например в рециркуляторе Аэролит-400 производства компании ЛИТ ([4]: сайт компании «ЛИТ» http://www.lit-uv.com/ru/company/). Известно также применение в закрытых рециркуляторах диффузно отражающей поверхности облучателя, обеспечивающей более высокий, чем при зеркальном отражении, эффективный коэффициент отражения в бактерицидном диапазоне R до 90÷95% и более ([5]: заявка США № US 2012/0315184A1). Указанное техническое решение для закрытого рециркулятора обеспечивает высокую производительность очистки воздуха за счет многократного усиления бактерицидного излучения в полости облучателя с диффузно отражающей поверхностью,  однако оно в принципе не позволяет решать востребованную задачу стерилизации поверхностей вне рециркулятора.
Для стерилизации поверхности в настоящее время используются открытые облучатели, в том числе облучатели на базе трубччатых ртутных ламп с соответствующими цилиндрическими осветителями. Однако их применение ограничено, поскольку:
- одновременно облучается значительный объем (площадь), что делает невозможным применение облучателя в присутствие людей;
- достаточно большие габариты ламп и осветителей затрудняют локальное облучения относительно небольших участков поверхности;
- умеренные световые потоки, составляющие на поверхности амальгамных РЛНД ~ 70÷120 мВт/см2 и ~ 10÷20 мВт/см2 для традиционных ртутных ламп низкого давления, приводят к низким световым потокам на обрабатываемых поверхностях и, соответственно, к значительному времени бактерицидной обработки с высоким эффектом стерилизации. Например, на расстоянии 2 метра от амальгамной ртутной лампы низкого давления длиной 600 мм, излучающей 40 Вт бактерицидного света, средняя интенсивность излучения не превышает 0,1 мВт/см2, то есть потребное для степени стерилизации 99,9% золотистого стафилококка время превышает 70 секунд и даже для легко инактивируемых биологических объектов необходимо время > 15 с. Для неамальгамных ламп потребное время, как правило, уже > 3÷4 минут и одной минуты, соответственно. Использование специальных отражателей (осветителей) может уменьшить это время приблизительно вдвое, но не существенно больше, при этом габарит установки в целом только возрастает.
Таким образом, закрытые рециркуляторы обеспечивают стерилизацию прокачиваемого через объем облучателя воздушного потока, то есть обеззараживается только объем воздуха, открытые облучатели стерилизуют как объем, так и поверхности, прежде всего не в зоне тени и находящиеся не слишком далеко от источника излучения. Обрабатывать небольшие участки поверхности, в том числе оперативно с открытыми облучателями не слишком удобно и в силу значительных, как правило, размеров такого рода аппаратов, так и необходимостью удаления людей, что не позволяет облучатель легко и быстро перемещать в обрабатываемом помещении (если не только не рассматривать сложные роботизированные комплексы, которые стоимость обработки увеличивают кардинально).
Наиболее близким техническим решением является предложенный ([6]: заявка RU 2018117347) бактерицидный облучатель, включающий источник света бактерицидного диапазона спектра, размещенный в полости, основная часть внутренней поверхности которой выполнена по существу диффузно отражающей, отличающийся тем, что в полости выполнено по меньшей мере одно отверстие для вывода излучения из полости. То есть, в [6] предложен до некоторой степени симбиоз открытого и закрытого облучателей, когда излучение из полости выводится во внешнее пространство, но не во всех, а в заранее известном направлении, что позволяет исключить или, по меньшей мере, значительно уменьшить вредное воздействие ультрафиолетового излучения на находящихся в помещении людей. В предпочтительном варианте известного технического решения в качестве излучателя применяется ртутная лампа низкого давления и на соотношение площадей участков полости с диффузно отражающей поверхностью S и участков через которые излучение выводится из полости s выполняется условие (1-R)<s/S<1, где R — коэффициент диффузного отражения излучения от поверхности полости.
Идея известного технического решения состоит в том, что при высоком коэффициенте диффузного отражения бактерицидного излучения даже при относительно небольшой доле площади отверстия, через которое излучение выводится из полости, возможно эффективно вывести и использовать основную часть излучаемой источником в полости световой мощности. В самом деле, по аналогии с известными для интегрирующих сфер соотношениями для выводимой мощности бактерицидного излучения Q можно получить соотношение:
Q ≈ W*s/[s + S*(1-R)] = W/[1 + S*(1-R)/s]    (1),
W – мощность источника излучения в полости. Таким образом при сформулированном в [6] условии (1-R)<s/S через отверстие относительно малой площади можно вывести значительную долю мощности источника света и за счет этого обеспечить резкий рост интенсивности бактерицидного света на выходном отверстии и, соответственно, увеличить скорость обеззараживания соответствующего участка поверхности, на который направлено выводимое из полости излучение. Например, при R =9 5% и s/S = 0,1, согласно (1), через отверстие в полости возможно вывести около 67% излучаемой мощности и тогда интенсивность света на этом отверстии будет в ~ 7 раз больше, чем средняя на такой же общей площади (S+s) для открытого источника света, что потенциально позволит увеличить производительность стерилизации локальных поверхностей.
Однако авторами заявляемого технического решения установлено, что расположенный в полости источник света в наиболее распространенном случае применения в качестве источника света ртутной лампы низкого давления или импульсной ксеноновой лампы в относительно небольшой полости существенно изменяет ситуацию и сам по себе является эффективным поглотителем генерируемого самим этим источником излучения, что в общем случае резко — кратно (см. ниже) снижает эффективность известного технического решения и производительность стерилизации с помощью известного технического решения.
Техническим результатом заявляемого изобретения является резкое повышение производительности и эффективности стерилизации локальных участков поверхности.
Технический результат достигается тем, что в бактерицидном облучателе, представляющем собой по существу полость с размещенным в полости источником света бактерицидного диапазона спектра, в котором основная часть внутренней поверхности полости облучателя выполнена по существу диффузно отражающей с по меньшей мере одним отверстием для вывода излучения из полости, причем общая площадь отверстий для вывода излучения из полости облучателя не меньше площади поверхности источника бактерицидного излучения.
Блок питания источника света в предпочтительном варианте при этом располагается вне полости. Отметим, что здесь под «источником света» мы понимаем все размещенные в полости источники бактерицидного излучения, например несколько РЛНД, несколько импульсно-периодических ксеноновых ламп или РЛНД и ксеноновая лампа и т.д. Соответственно, блоков питания источника света может быть не только один, но и несколько.
Как установлено авторами, доля поглощаемого источником излучения в полости с по существу диффузно рассеивающей внутренней поверхностью, площадь которой в предпочтительном варианте существенно превосходит как площадь поверхности источника бактерицидного излучения, так и общую площадь отверстий для вывода излучения, пропорциональна площади поверхности источника. В связи с этим соотношение (1) для источника конечных размеров в полости с в основном диффузно отражающей поверхностью необходимо скорректировать следующим образом:
Q ≈ W*s/[s + S*(1-R) + kSи] = W/[1 + S*(1-R)/s + kSи/s]   (2),
Sи – площадь поверхности источника бактерицидного излучения, k – коэффициент (k ≤ 1), описывающий то обстоятельство, что часть поглощенного излучения может быть снова переизлучена в источником в объем полости: если повторное переизлучение отсутствует, то k=1, если все поглощенное излучение вновь переизлучается, то k=0. Утверждение авторов состоит в том, что для РЛНД (в первую очередь) и импульсных трубчатых ксеноновых ламп, использование которых является предпочтительным в рамках заявляемого технического решения (а также для светодиодов) коэффициент k существенно больше 0 и даже >0,5. Именно по этой причине при выполнении сформулированного авторами в первом пункте заявляемого технического решения условии s ≥ Sи эффективность вывода излучения из полости существенно увеличивается — конечно, при одновременном выполнении условия пункта формулы заявляемого технического решения (1-R) < s/S.
Следует указать, что формально из (2) следует, что целесообразно максимально увеличивать отношение s/S. Однако это не так, поскольку (1)-(2) верны для случая излучения, которое достаточно хорошо «перемешано» в полости облучателя за счет неоднократного диффузного переотражения излучения. В противном случае описанного выше эффекта усиления не будет и по мере увеличения отношения s/S ситуация все в большей степени будет приближаться к случаю открытого излучателя, не представляющего здесь интерес. В связи с этим целесообразно выбирать s/S < 0,4, в предпочтительном варианте s/S < 0,2 и, по возможности, еще меньше.
Указанное условие означает, что в качестве материала диффузно рассеивающей полости облучателя необходимо выбирать материал с R>90%, предпочтительно R>95%. Такие материалы известны, из относительно дорогих можно указать экспандированный фторопласт (e-PTFE), обеспечивающий в бактерицидном диапазоне за счет многократного перерассеяния на границах пора-фторопласт при толщине 2 мм R ~ 96%, спектралон с R ~ 98% и т.д. - известно достаточно много материалов, обеспечивающих высокий эффективный коэффициент отражения падающего излучения именно за счет многократного его перерассеяния в оптически неоднородном прозрачном материале. Кроме того, с целью реализации диффузного рассеяния может использоваться соответствующее покрытие на не обязательно диффузно расеивающий или просто плохо отражающий бактерицидное излучение материал облучателя — например, покрытие типа Spectraflect компании LABSPHERE, INC. с эффективным коэффициентом диффузного отражения около 93% ([7]: https://www.labsphere.com/labsphere-products-solutions/materials-coatings-2/coatings-materials/spectraflect/). В этом случае корпус облучателя может быть выполнен из широкой гаммы материалов от пластиков до металлов с нанесенным на его внутреннюю поверхность диффузно рассеивающим покрытием.
Из относительно дешевых материалов для выполнения полости облучателя укажем первичный фторопласт-4 (PTFE), обеспечивающий при толщине 4 мм эффективный коэффициент диффузного отражения не меньше 92ч93%.
Заметим, что для диффузно-отражающей поверхности «отражение» падающего излучения происходит под углами, отличающимся от зеркального, такие поверхности называют также рассеивающими. Для идеальной диффузно отражающей (рассеивающей) поверхности выполняется известный закон Ламберта: яркость такой поверхности одинакова во всех направлениях. Не существует материалов, «отражающих» свет в точном соответствии с законом Ламберта, обычно в отраженном (то есть не поглощенном и не прошедшем сквозь тело) свете есть как зеркальная, так и диффузная компоненты. Под диффузно-отражающей поверхностью в настоящем техническом решении, включая все пункты формулы изобретения, мы понимаем по существу диффузно-отражающую поверхность — такую, для которой диффузная составляющая рассеянного (отраженного) света существенно превосходит зеркальную составляющую, например такую поверхность, для которой доля диффузной составляющей в отраженном свете превосходит ⅔ (≥70%).
Для реализации настоящего изобретения существенно не только то, что диффузное отражение позволяет не только получить недостижимый для зеркального отражения в области длин волн ~ 260 нм коэффициент отражения >90%, но и эффективно «перемешать» излучение в полости и тем самым реализовать равномерную засветку отверстия (отверстий), через которые излучение выводится из полости, даже в ситуации достаточно большого размера такого отверстия.
В предпочтительном варианте заявляемого изобретения в качестве источника бактерицидного излучения используются трубчатые импульсно-периодические лампы на инертных газах, а также в первую очередь трубчатые РЛНД, в том числе те и другие лампы  U-образной формы с целью большей компактности. Предпочтительность ртутных ламп низкого давления связана с их высоким КПД, значительным ресурсом работы до 10 тыс. часов и выше, а также хорошей бактерицидной эффективностью и дешевизной.
Как указывалось выше, входящий в состав облучателя блок питания источника света в основном варианте реализации заявляемого технического решения располагается вне полости. При его расположении в полости облучателя поверхность блока питания также должна учитываться при расчете доли выводимого из полости излучения. Поскольку обычно поверхность блоки питания хорошо поглощает ультрафиолетовое излучение, то эффективность вывода излучения при нахождении блока питания в полости может значительно уменьшиться. При размещении блока питания в полости облучателя предпочтительно выполнить его поверхность также диффузно отражающей бактерицидное излучение, например, с помощью соответствующих покрытий или выполнив его корпус из фтороплата и т.д.
При ручной обработке небольших площадей удобным является вариант реализации заявляемого технического решения, когда полость с диффузно отражающей внутренней поверхностью имеет по существу осесимметричную форму, ограниченную двумя торцами, с отверстием для вывода излучения в одном из торцов полости.
Соответствующий пример реализации указанного варианта заявляемого изобретения показан на фиг. 1, здесь 1 — изготовленная точением из прутка первичного фторопласта-4 полость в виде цилиндра с открытым торцом с внутренним диаметром 95 мм, высотой (определяемой по расстоянию от его открытого торца до «дна» того же диаметра) около 140 мм и толщиной стенок цилиндра 5 мм. В цилиндре размещен источник бактерицидного излучения, в качестве которого используется компактная U-образная ртутная лампа компании OSRAM серии PURITEC HNS G23 с потребляемой мощностью питания 5 Вт и излучаемой мощностью около 0,9 Вт: 2 — цоколь лампы с выводами для подачи питания 3, который «спрятан» в ручке облучателя диаметром ~45 мм и высотой ~65 мм («нижняя» часть облучателя меньшего диаметра). Для генерации тока в лампе используются нагреваемые электроды 4. Стенки лампы 5 толщиной около 1 мм с внешним диаметром 12 мм выполнены из прозрачного для излучения с длиной волны 254 нм кварцевого стекла, рабочая среда лампы 6 во время генерации излучения состоит из паров ртути давлением ~ 1 Па и смеси аргона с неоном давлением ~ 500 Па. Длина U – образного разрядного промежутка между электродами около 130 мм, общая длина поглощающего столба атомов ртути в лампе до 135 мм.
Таким образом, в описанном примере площадь отверстия для вывода излучения из полости s ≈ 71 см2, площадь диффузно рассеивающей поверхности осветителя S ≈ 480 cм2, площадь боковой поверхности ртутной лампы Sи ≈ 50 см2. Измеренная средняя мощность  излучения в плоскости открытого торца цилиндра составила 5,5ч6,2 мВт/см2 (отметим, что достаточно хорошая стабильность распределения мощности излучения по сечению торца с относительной вариацией менее 10% обусловлена тем, что S многократно больше s), полная мощность выводимого бактерицидного излучения Q ≈ 420 мВт или около 45% полной мощности лампы в открытом пространстве, что в 20ч25 раз больше, чем на таком же расстоянии от лампы в открытом пространстве (без облучателя).
Для указанных значений площадей и W = 950 мВт расчет по формуле (2) при R = 93% и k = 1 дает Q  ≈ 435 мВт в хорошем соответствии с измеренным значением (для R = 91% той же рачетной величине соответствует k ≈ 0,8).
При увеличении диаметра цилиндрической полости с лампой до 120 мм полная мощность выводимого излучения несколько увеличилась — до ~ 470 мВт, однако значительно ухудшилась однородность распределения световой интенсивности по сечению открытого торца облучателя, что нежелательно.
Для сравнения из такого же фторопласта был изготовлен бактерицидный облучатель с тем же источником бактерицидного излучения, но размеры полости облучателя при той же толщине стенки 5 мм были уменьшены до следующих величин: внутренний диаметр 32 мм, высота 75 мм. Таким образом, в «контрольном» варианте облучателя площадь отверстия для вывода излучения из полости s ≈ 8 см2, площадь диффузно рассеивающей поверхности осветителя S ≈ 81 cм2  (отношение S/s больше, чем в первом примере, условие (1-R) < s/S также выполняется), площадь боковой поверхности ртутной лампы (площадь поверхности излучателя) Sи ≈ 50 см2, то есть условие s>Sи нарушено. Измеренная средняя мощность  излучения в плоскости открытого торца цилиндра составила ≈14 мВт/см2, что в 3ч3,5 раз больше, чем в случае открытой РЛНД. Полная мощность выводимого бактерицидного излучения Q ≈ 115 мВт или около 12% полной мощности лампы в открытом пространстве, это значение также близко к рассчитываемому по (2) при R = 93% и k = 1.
Таким образом, использование заявляемого технического решения позволяет обеспечить поток на фиксированной области поверхности в 20÷25 (и более) раз больше, чем для открытой лампы и общий выводимый поток бактерицидного излучения в несколько раз больше (в конкретном примере — в четыре раза), чем по прототипу. Соответственно, во столько же раз может быть увеличена и производительность локальной обработки поверхности. В частности, для описанной выше геометрии облучателя с мощностью выводимого излучения более 400 мВт доза 6,6 мДж/см2 (достаточная для получения степени стерилизации не менее 99,9% для большинства бактерий и вирусов) обеспечивает  производительность обеззараживания поверхности 60 см2/с или около 1 м2 за 3 минуты (то есть, проводя открытый торец описанной полости вдоль обрабатываемой поверхности со скоростью 5÷6 см/с, получим полностью стерилизованный «след» движения открытого торца); для микроорганизмов с меньшей необходимой бактерицидной дозой обработка может проводиться еще кратно быстрее.
2
Заметим, что предлагаемое техническое решение обеспечивает качественную стерилизацию поверхности с низкими текущими затратами: для обработки 1 м за 3 минуты затрачивается не более 1500 Дж электроэнергии — это менее 0,0005 кВтч, то есть не более 0,3 коп. при стоимости электроэнергии 6 руб./кВтч (и еще меньшие затраты при меньшей потребной бактерицидной дозе).
В аналогичном осветителе могут также эффективно использоваться компактные трубчатые ксеноновые лампы, например импульсные лампы типа ИНП производства компании ООО "Зенит Трейдинг" ([8]: http://www.znt.ru/index.php/catalog/flash-lamps-inp) или аналогичные, в частности лампы типа ИНП-3/45А с диаметром трубки 3 мм и межэлектродным растоянием 45 мм. В предпочтительном варианте реализации лампа может иметь U-образную форму, а электроды и вообще все участки лампы, на которых излучение не генерируется (за исключением разрядного канала) выведены за пределы полости облучателя, например в «ручку» облучателя (см. фиг. 1). Заметим, что в варианте использования трубчатой импульсной лампы согласно формуле заявляемого технического решения возможно использовать и более компактные бактерицидные облучатели, поскольку площадь  поверхности излучателя в этом случае существенно меньше, чем у компактной РЛНД — например, для указанной лампы Sи ≈ 4,2 см2, то есть уже при диаметре отверстия на открытом торце 4 см площадь отверстия для вывода излучения втрое больше Sи.
Таким образом, предлагаемое техническое решение обеспечивает такие потоки бактерицидного света от компактного бактерицидного облучателя, что может эффективно использоваться для локальной оперативной (практически мгновенной) стерилизации относительно небольших открытых поверхностей, в том числе во время операций и при необходимости неоднократно или периодически), в случаях аллергии на стерилизующие химические реагенты, для специальных поверхностей и в других ситуациях, включая достаточно быструю обработку поверхностей значительной площади.
Важно также отметить, что полость облучателя может быть не только цилиндрической, но и конической, а также иметь другую форму, в предпочтительном варианте полость облучателя имеет осесимметричную форму, это, как правило, упрощает и изготовление облучателя.
В некоторых приложениях заявляемого технического решения форма отверстия для вывода излучения из полости облучателя может быть заранее оптимизирована по форме обрабатываемого объекта — например, бактерицидный облучатель для стерилизации купюр может иметь прямоугольное выходное сечение соответствующего купюрам размера. Или, для стерилизующей обработки поверхности поручня эскалатора, форма отверстия для вывода излучения из полости может соответствовать сечению ленты поручня эскалатора и т.д. В этих случаях диффузный характер отражения излучения от основной части поверхности полости также обеспечивает достаточную однородность светового потока на обрабатываемой поверхности.
2
2
2
Обработка ленты эскалатора представляет также пример возможности использования существенно другой геометрии облучателя по сравнению с показанной на фиг. 1. В этом случае предпочтительным может оказаться цилиндрическая полость с закрытыми диффузно отражающими торцами и открытым пазом вдоль его образующей и расположенной соосно с пазом и осью полости облучателя прямой РЛНД (или несколькими РЛНД). Например, (это не единственный возможный вариант) для обработки ленты шириной 10 см может использоваться облучатель с цилиндрической полостью с диффузно отражающей поверхностью диаметром 10 см длиной 15 см, в которой располагается РЛНД диаметром 10 мм с межэлектродным расстоянием 15 см (электродные узлы при этом вынесены за пределы полости, а торцы полости также выполнены диффузно отражающими). В полости имеется паз длиной 12 см и шириной 5 см (два паза шириной по 2,5 см) и т.д. Через указанный паз бактерицидное излучение выводится из полости и обрабатывает движущуюся ленту эскалатора. В указанном примере площадь диффузно отражающей поверхности полости (с учетом торцов) S ≈ 550 см, площадь отверстия (в данном случае прямоугольного паза) s = 60 см (S/s~9) и площадь поверхности излучателя Sи ≈ 47 см, как видно сформулированные в пунктах 1-3 формулы изобретения условия выполняются для, например фторопластовой полости с R ≈ 93%.
2
2
2
Аналогично, полость облучателя для обеззараживания той же ленты эскалатора может иметь сферическую форму, например диаметром 15 см с таким же пазом 12х5 см (S≈620 cм, s ≈ 60 см, S/s ~ 10) с аналогичной РЛНД, расположенной по диаметрусферы.
2
2
2
2
Кроме различной геометрии полости облучателя (цилиндр-сфера-конус и т.д.) при решении конкретной задачи может быть различным взаимное расположение облучателя и обрабатываемой (стерилизуемой) поверхности. Так, при стерилизации той же ленты эскалатора паз облучателя и его ось симметрии может быть расположена не только «поперек» направления движения ленты, но и вдоль этого направления. Например, в качестве источника бактерицидного излучения может использоваться прямая трубчатая РЛНД производства компаний Osram, Philips и пр. с энергопотреблением 16 Вт, межэлектродным расстоянием около 235 мм, диаметром 15 мм и излучаемой мощностью около 4,5 Вт (Philips TUV 16W G16T5 и аналогичные). В качестве полости облучателя может использоваться цилиндр диаметром 20 см длиной ~23,5 см (электроды лампы вынесены за пределы полости, чтобы исключить потери излучения на поглощение этими участками лампы) с диффузно рассеивающими торцами и пазом шириной 12 см (для обработки боковых участков ленты) длиной 15 см, при такой геометрии S ≈ 1900 см, s = 180 см (S/s~10), излучателя Sи ≈ 110 см. В этом случае мощность полезно используемого бактерицидного излучения ~ 2 Вт и для скорости движения ленты 40 см/с бактерицидная доза составит ~ 8 мДж/см — достаточную для доли микроорганизмов. При необходимости обеспечить большую дозу возможно использовать лампу и полость облучателя пропорционально большей длины при такой же ширине и пропорционально большей длине паза.
Специально укажем, что в предпочтительном варианте реализации заявляемого облучателя электродные узлы, цоколи ламп и т.д. выносятся за пределы полости облучателя, как описано в представленных выше примерах.
В варианте реализации заявляемого технического решения, прежде всего тогда, когда высокий коэффициент диффузного отражения обеспечивается за счет нанесения соответствующего покрытия на материал полости, полость может быть выполнена составной. Например, в осесимметричном варианте полости согласно п. 6 формулы изобретения она может включать две части — две «половинки», когда полость состоит из двух симметричных вдоль оси симметрии полости «полуцилиндров или конусов с дном-ручкой». На такие составные части полости технологически проще и удобнее наносить соответствующее диффузно-отражающее покрытие или слой соответствующего материала — например, слой экспандированного фторопласта. В указанном случае материал самой полости может быть выбран оптимальным без учета требований высокого коэффициента диффузного отражения, например, выбран материал с необходимой теплопроводностью (для поддержания оптимальной температуры в полости облучателя) или выполнен из непрозрачного для бактерицидного излучения материала, что гарантирует безопасность человека (оператора), использующего заявляемый бактерицидный облучатель (небольшая доля бактерицидного излучения может «просачиваться» сквозь диффузно рассеивающий, но непоглощающий излучение материал.
В связи с требованиями безопасности в предпочтительном и основном варианте реализации корпус облучателя в целом выполняется непрозрачным для бактерицидного излучения (и даже в целом для ультрафиолетового излучения). Это может быть выполнено различными способами, например:
- корпус облучателя выполнен из непрозрачного для бактерицидного излучения материала, на внутреннюю поверхность полости нанесено диффузно рассеивающее покрытие или же к ней прикреплен слой диффузно рассеивающего материала: слой экспандированного фторопласта, слой обычного фторопласта и т.д.;
- корпус облучателя выполнен из диффузно рассеивающего материала, на внешнюю поверхность которого нанесен слой поглощающего бактерицидное излучение материала — это может быть слой пластика, металлический слой (достаточно буквально алюминиевой фольги) или краска.
2
В предпочтительном варианте реализации заявляемого изобретения отверстие для вывода излучения из полости облучателя закрыто прозрачным для излучения материалом, например пластиной из прозрачного в УФ (в том числе в бактерицидном диапазоне) кварцевого стекла, фторида магния (MgF), фторида лития (LiF), лейкосапфира и т.д. То есть, в указанном варианте полость с источником излучения отделена от внешнего пространства, в том числе полость выполняется герметичной, при этом излучение выводится из полости через прозрачный для излучения материал. В этом случае, в частности, исключается попадание пыли в полость (особенно при выключении лампы, когда температура воздуха в полости снижается, индуцируя воздушный поток извне внутрь полости), что может быть существенно, поскольку оседаюшая на стенки полости пыль постепенно снижает коэффициент диффузного отражения. Более того, исключение накопления пыли в полости облучателя позволяет использовать в облучателе диффузно рассеивающие материалы, накопление пыли которыми возможно в виду их пористой структуры — например, экспандированного фторопласта, обеспечивающего значительно меньшую величину (1-R) по сравнению с обычным фторопластом, что автоматически увеличивает эффективность облучателя. Герметичность полости обеспечивает также дополнительный уровень безопасности в случае нарушения герметичности лампы при использовании в качестве источников света ламп с ртутьсодержащими газовыми смесями.
В одном из вариантов реализации заявляемого изобретения полость облучателя заполняется газом, который, в отличие от воздуха, прозрачен не только в бактерицидном диапазоне спектра, но и в более коротковолновой области, включая часть ВУФ области спектра, по крайней мере до длины волны 185 нм (резонансный переход атома ртути) и даже 170÷175 нм (полоса излучения димеров ксенона). Это может быть азот или инертные газы — например, ксенон, прозрачные по карайней мере до длин волн 150 нм (и существенно меньше для криптона и более легких инертных газов). В этом случае до выходного окна облучателя может быть доведено, например, излучение резонансного перехода атома ртути с длиной волны 185 нм из синглетного возбужденного состояния (для РЛНД из прозрачного в ВУФ кварца) или широкополосное коротковолновое излучение импульсных ксеноновых ламп. Соответственно, располагая выходное окно облучателя вблизи обрабатываемой поверхности, возможно довести до нее, например, высокоэнергетичные фотоны с длиной волны ≈185 нм (длина пробега таких фотонов в воздухе с типичной влажностью составляет 6÷8 см), которые эффективно обеспечивают не только бактерицидную обработку (вместе с фотонами 253,7 нм второго резонансного перехода атома ртути из триплетного возбужденного состояния), но и разложение подавляющего большинства химических соединений, включая вредные соединения и токсины, что может предоставлять самостоятельный интерес для многих приложений, в том числе специальных. Эффект воздействия более коротковолновым излучением может быть существенным и в случае импульсно-периодических ламп на инертных газах, включая известные лампы на ксеноне. В этом случае может быть предпочтительно выполнять колбу лампы из материала с высоким коэффициентом пропускания в коротковолновой области — специальных видах кварцевого стекла, лейкосапфира и т.д.
В указанном предпочтительном варианте также может быть полезна генерация озона ВУФ излучением вблизи выходного окна (окон) полости облучателя, озон — сильнейший оксилитель — также эффективно как разлагает химические соединения, так и ингибирует биологические объекты. Здесь существенно и полезно, что генерация озона производится локально только в области вблизи выходного окна (окон) полости облучателя.
В качестве прозрачных в близком ВУФ диапазоне материалов могут использоваться некоторые сарки кварца (например, КУ-1, супрасил), а также лейкосапфир, фторид лития или магния и т.д.
Для указанного варианта излучателя также существенно, что достаточно высокий коэффициент диффузного рассеяния в чистом фторопласте-4 и его «производных» типа экспандированного фторопласта реализуется и в ближнем ВУФ диапазоне, по крайней мере до длины волн ~ 170÷185 нм. В то же время коэффициент отражения все таки ниже, чем в области 260 нм и по этой причине предпочтительное для вывода ВУФ излучения количество переотражений (перерассеяний) в полости облучателя должно быть меньше, чем для излучения основного бактерицидного диапазона. Поскольку в первом приближении число переотражений ~ S/s (даже с учетом поглощения в источнике излучения), то для ВУФ излучения предпочтительное отношение S/s может быть ~ 5÷7 (для бактерицидного диапазона и эффективного коэффициента диффузного рассеяния 96% без значительных потерь можно использовать полости с отношение S/s ~ 10÷15. Укажем также, что при важности использования именно ВУФ излучения режим работы источника излучения и/или состав его газовой среды может быть сответствующим образом скорректированы — известно, например, различие в оптимальных условиях генерации излучения на резонансных переходах атома ртути 185 нм и 254 нм в РЛНД.
Один из вариантов реализации полости с закрытым прозрачной пластиной отверстием для вывода излучения показан на фиг. 2, на котором 7 — прозрачная для бактерицидного излучения пластина для вывода излучения из полости, 8 — уплотнительная прокладка, 9 — фланец, фиксируемый на полости 1 резьбовым соединением, остальные обозначения совпадают с указанными на фиг. 1. Отметим, что выступающий вперед (по ходу распространения света) «козырек» 10 фланца дополнительно защищает оператора от рассеянного обрабатываемой поверхностью УФ излучения, в предпочтительном варианте такого рода защитный «козырек» выступает не менее, чем на 10 мм от торца отверстия (размер h на фиг. 2), через которое излучение выводится из полости облучателя — например, таким образом, чтобы «козырек» находился вплотную или практически вплотную к обрабатываемой поверхности, в том числе и четко граничивая обрабатываемую область поверхности. При этом весь фланец или его «козырек» (в варианте составного фланца) может быть выполнен из прозрачного для видимого света материала и непрозрачен для бактерицидного излучения (например, из оргстекла или «обычного» стекла) — в этом случае оператор может безопасно контролировать обрабатываемый излучением участок поверхности. Соединение пластины с полостью может быть выполнено и другими известными способами, например с помощью клея и т.д. (как и соединение прозрачной для видимого излучения части фланца («козырька») с остальной частью фланца.
Укажем, что в предпочтительном варианте описанный защитный «козырек» может входить в состав облучателя и в том случае, когда полость облучателя является открытой, то есть прозрачная в бактерицидном диапазоне пластина для вывода излучения не используется. Поверхность «козырька» может быть цилиндрической или конической, на фиг. 2 показан вариант с конической поверхностью, угол раскрытия конуса Ф может быть достаточно большим — до 120÷150 градусов, угол Ф может быть и отрицательным («сходящийся» конус). Замена одного «козырька» на другой также позволяет оперативно изменять размер обрабатываемого облучателем участка поверхности. При выводе из полости бактерицидного излучателя ВУФ излучения «козырек» дополнительно ограничивает и область генерации озона и радикала ОН при взаимодействии такого излучения с кислородом и находящимися в воздухе парами воды, соответственно, что, как правило, полезно для повышения эффективности воздействия на обрабатываемые поверхность и объем.
Заметим, что в процессе работы полость облучателя из-за тепловыделения в ней дополнительно нагревается (хотя и рост температуры в большинстве случаев мал —  тепловыделение относительно небольшое, а площадь поверхности полости достаточно велика, так что тепловой поток на стенки полости, как правило оказывается < 0,03 Вт/cм2, что соответствует незначительному перегреву). Тем не менее, перегрев соответствует росту давления в полости, при увеличении температуры на 5÷7 оС избыточное давление в полости составит ~ 2 кПа (отметим, что рост давления определяется средней температурой полости, которая значительно меньше рабочей температуры стенок РЛНД ~ 40÷45 оС) и для диаметра отверстия в полости 95 мм действующая на прозрачную пластинку избыточная сила составит ~ 15 Н. Такого рода дополнительные напряжения не представляют проблемы для даже тонких кварцевых пластин или пластин из другого материала, а также для фиксации этих пластин с помощью клея или фланцев.
Однако при существенном увеличении размеров полости и, соответственно, размера отверстия для вывода излучения из полости в предпочтительном варианте вместо одного отверстия большой площади возможно использовать несколько отверстий меньшего диаметра. При этом отверстия для вывода излучения могут располагаться на соответствующей по прочности «поддерживающей решетке» с высоким коэффициентом диффузного рассеяния излучения с обращенной к полости стороне. То есть, торец полости облучателя, например, может быть выполнен из фторопластовой пластины необходимой толщины с несколькими отверстиями для вывода излучения из полости, на каждом устанавливается прозрачная для излучения пластина, которая фиксируется клеем, фланцем и т.д. Размер отдельного отверстия, толщина пластины и ширина промежутков между отверстиями определяется условием необходимой для противостояния избытку давления прочности как прозрачных пластин, так и «поддерживающей решетки».
Поскольку прочность многих материалов и соединений (например, клеевого) на сжатие значительно прочнее, чем на растяжение, то в одном из вариантов реализации полость облучателя герметизируется при температуре более высокой, чем температура полости во время работы источника излучения. В этом случае как при включенном источнике света (есть тепловыделение), так и выключенном источнике света (нет тепловыделения) давление газа в полости может быть меньше внешнего — это автоматически обеспечит хорошее качество и ресурс клеевого соединения, дополнительную фиксацию улотнительных прокладок и т.д., что упрощает и улучшает герметизацию полости. Отметим, что для такого варианта герметизации полости необходимо учитывать и возможные вариации атмосферного давления.
Как указывалось выше, ртутные лампы низкого давления во многих случаях представляются оптимальными для многих задач стерилизации вследствие высоких бактерицидной эффективности и КПД, низкой стоимости и высокого ресурса. Однако эти лампы помимо собственного поглощения обладают существенным для задач оперативной стерилизации недостатком: они требуют значительного времени для выхода на рабочий режим после включения питания — от десятков секунд для компактных неамальгамных ламп до нескольких минут для амальгамных ламп. Основная причина задержки связана с необходимостью разогрева поверхности колбы РЛНД до температуры, обеспечивающей необходимую концентрацию паров ртути: ~ 40÷45 оС для неамальгамного варианта ртутных ламп и ~ 100÷120 оС для амальгамных. Заметим, что подобной проблемы нет для импульсных ламп на инертных газах, эксимерных и светодиодных источников.
Указанная проблема может быть решена по меньшей мере двумя способами.
1. РЛНД может работать (быть включена) постоянно или включена в начале рабочей смены и выключена в ее конце и т.д., а отверстие для вывода излучения при этом закрыто непрозрачной крышкой (диафрагмой). На время использования излучения бактерицидного облучателя для стерилизации поверхности крышка снимается или диафрагма открывается (в том числе автоматически) и производится облучение обрабатываемой поверхности. Конкретные варианты реализации такого «затвора» могут быть разными, в том числе диафрагма может открываться на заданный промежуток времени аналогично тому, как это выполнялось затвором пленочных фотоаппаратов. Конкретные варианты реализации указанного варианта технического решения хорошо известны квалифицированным специалистам в этой области.
Постоянная работа лампы в описанном варианте не приводит к сколько-нибудь значительным дополнительным затратам. В самом деле, при потребляемой мощности 5 Вт за 40 часов работы (рабочая неделя) потребление электроэнергии составляет 0,2 кВтч, что при цене 1 кВтч в России 6 рублей соответствует затратам ~1 рубль в неделю, а за все время работы такой лампы ~ 10 тыс. часов потребление электроэнергии составит около 50 кВтч с затратами на ее оплату ~ 300 рублей (при этом в случае полной загрузки может быть стерилизована площадь масштаба 20 и более гектар!).
2. В полости может быть размещен по меньшей мере один дополнительный источник тепловыделения (например, омического нагрева), постоянная работа которого обеспечивает поддержание необходимой для работы лампы температуры кварцевых стенок РЛНД. В этом случае при подаче питания лампа начинает генерировать излучение намного быстрее, поскольку время разогрева электродов минимально и, кроме того, подогрев электродов также может быть все время включен — тогда излучение РЛНД включается практически мгновенно. Соответственно, на время работы лампы блок питания дополнительного нагревателя отключается (или его мощность существенно снижается) и снова включается на полную мощность после отключения разряда в РЛНД, то есть блоки питания источника излучения (РЛНД) и дополнительного источника тепловыделения синхронизированы. При этом время работы РЛНД (длительность излучения бактерицидного света) может программироваться различными способами, которые хорошо известны специалистам в этой области.
Последнее техническое решение предпочтительно использовать в варианте, когда источник бактерицидного излучения (РЛНД) располагают в герметичной полости. В этом случае снижается теплоотдача в окружающую среду и потребляемая нагревателем мощность минимальна, а температура практически одинакова во всем объеме полости. Потребная для поддержания температуры в полости ~ 40 оС минимальна, если стенки полости облучателя или по меньшей мере, один слой полости выполнен из материала с низкой теплопроводностью, например полистирола с коэффициентом теплопроводности ϰ = 0,9*10-3 Вт/(см*град), при этом теплопроводность фторопласта в 2,6 раза больше, чем у полистирола.
Оптимальная мощность дополнительного нагревателя для заданных формы и материала полости, а также конкретной модели РЛНД определяется экспериментально, при этом стоимость потребляемой таким дополнительным источником тепла электроэнергии остается незначительной. Здесь также существенно, что при размещении РЛНД в герметичной полости температурный режим ее работы изменяется по сравнению со случаем размещения лампы в свободном пространстве, что может привести к некоторой корректировке (в сторону уменьшения) потребляемой от блока питания мощности и даже некоторому росту эффективности лампы, поскольку в условиях затрудненной в герметичной полости теплоотдачи меньшая часть мощности затрачивается на поддержание повышенной температуры стенок лампы.
Небольшая потребная мощность дополнительного тепловыделения может быть получена от источника малой площади, то есть источник тепловыделения минимально повлияет на световое поле в полости и эффективность вывода излучения из нее, особенно в случае, если поверхность источника имеет высокий коэффициент диффузного отражения излучения — например, выполнена из соответствующего материала или на поверхность нанесено соответствующего покрытия, как было описано выше.
При использовании в заявляемом техническом решении амальгамных РЛНД, размещенных в герметично закрытой полости с выводом излучения через прозрачный для бактерицидного излучения материал, предпочтительным может быть использование двух источников тепловыделения, каждый из которых решает разные задачи:
- первый источник тепловыделения обеспечивает необходимую температуру амальгамы (обычно 100÷130 оС в зависимости от конкретного состава амальгамы), то есть ту температуру, при которой давление насыщенных паров ртути над амальгамой составляет ~ 1 Па — оптимальную для РЛНД величину;
- второй источник (источники) при работающем нагреве амальгамы (при работающем первом источнике) обеспечивает температуру в полости, в том числе температуру стенок РЛНД, такую, чтобы насыщенные пары ртути гарантированно не оседали на стенки лампы, это ~ 45÷50 оС.
Другими словами, для амальгамной РЛНД нет необходимости прогревать всю поверхность лампы до температуры амальгамы, что экономит значительную мощность при поддержании лампы в постоянно работоспособном состоянии. Если амальгамная РЛНД использует несколько амальгамных «пятен», то предпочтительно использовать соответствующее количество источников локального нагрева.
В большинстве случаев источник бактерицидного излучения излучает также  видимый свет (например, РЛНД излучает в видимом диапазоне ~ 2÷5% от всей излучаемой мощности), что облегчает пользователю контроль корректной работы бактерицидного излучателя. В некоторых случаях целесообразной и удобной для пользователя может быть индикация невидимого глазом бактерицидного излучения, например с помощью люминофора, излучающего видимый свет под действием ультрафиолетового источника света. Люминофор может быть нанесен на небольшой участок пластины, через которую бактерицидное излучение выводится из полости облучателя.
Таким образом, применение заявляемого технического решения позволяет с малыми затратами обеспечить эффективную высокопроизводительную стерилизацию локальных участков поверхности бактерицидным излучением, включая при необходимости участки поверхности человеческого тела и одежды, в том числе в присутствие других людей. С помощью заявляемого технического решения возможна также оперативная очистка поверхностей не только от бактериологических объектов, но и от широкого круга химических соединений. Здесь также специально отметим «абсолютную стерильность» излучения, при использовании которого принципиально невозможно внести на обрабатываемую поверхность микроорганизм, токсин и т.д.
Компактность, малый вес и низкое энергопотребление, возможность обработки выделенного участка поверхности принципиально позволяет использовать такого типа бактерицидные облучатели в составе малогабаритных роботизированных комплексов, устанавливать такого рода облучатели на дроны с возможностью автономной работы в течение достаточно продолжительного времени с питанием от автономного накопителя. Например, используемые в смартфонах легкие, малоразмерные, дешевые и далеко не самые энергоемкие аккумуляторы запасают энергию, которой достаточно для достаточно большого времени автономной работы: емкость 6000 мАч при напряжении зарядки 4,2 В соответствует электрической энергии ~ 90 кДж, при разряде до напряжения 2,8 В выделяется свыше 30 кДж, что соответствует времени автономной работы бактерицидного облучателя более 1,5 часа. Более энергоемкие аккумуляторы легко обеспечат время автономной работы от трех-четырех часов.
Заявляемое техническое решение применимо к различным конкретным источникам бактерицидного света и способам их питания (непрерывный разряд постоянного тока, импульсно-периодический разряд с разной формой отдельного импульса и с разной частотой их следования и т.д.), геометрии излучателя (трубчатая лампа, шаровая лампа, U-образная лампа и т.д.), материалу, из которого изготовлена лампа (например, импульсная ксеноновая лампа из лейкосапфира может обеспечить большую мощность излучения в коротковолновом диапазоне), форме и размеру полости с диффузно отражающей внутренней поверхностью, способам реализации диффузного отражения за счет материала, из которого изготовлена полость или ее внутренний слой (изготовленный по разным технологиям фторопласт, экспандированный фторопласт и пр.), или за счет соответствующего покрытия на выбранном из других соображений материале, а также комбинация указанных решений. В качестве материала пластинки, герметично закрывающей отверстие для вывода бактерицидного излучения из полости, могут использоваться различные материалы, пластинка может быть не плоской, а форма соответствующего отверстия не круглой.
Конкретная реализация дополнительного источника тепловыделения в полости  может быть различной. Различными могут быть способ синхронизации работы РЛНД и источника тепловыделения, принцип работы диафрагмы или затвора, если РЛНД работает постоянно, а также способ предварительного задания длительности импульса излучения от долей секунды до непрерывного режима генерации света. Это означает, что в состав бактерицидного облучателя может быть включена, в том числе, система управления, которая контролирует режим работы излучателя, в том числе его ресурс (счетчик времени работы) и т.д.
Для удовлетворения каких-либо возможных конкретных требований могут быть выполнены очевидные для квалифицированных специалистов в этой области изменения описанных выше вариантов реализации заявляемого технического решения. В том числе это относится к конкретному варианту материала и геометрии полости с диффузно отражающей поверхностью, отверстия для вывода излучения из полости и материала прозрачной для излучения пластины (пластин), оптимизации режима питания источника бактерицидного излучения и обеспечения его выхода на рабочий режим, реализации системы управления бактерицидным облучателем и т.д.