DE102021101398A1 - Device and method for disinfecting an infectious aerosol, in particular for deactivating pathogens in aerosol droplets - Google Patents
Device and method for disinfecting an infectious aerosol, in particular for deactivating pathogens in aerosol droplets Download PDFInfo
- Publication number
- DE102021101398A1 DE102021101398A1 DE102021101398.4A DE102021101398A DE102021101398A1 DE 102021101398 A1 DE102021101398 A1 DE 102021101398A1 DE 102021101398 A DE102021101398 A DE 102021101398A DE 102021101398 A1 DE102021101398 A1 DE 102021101398A1
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- laser
- resonator
- aerosol
- infrared
- infrared radiation
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
- F24F—AIR-CONDITIONING; AIR-HUMIDIFICATION; VENTILATION; USE OF AIR CURRENTS FOR SCREENING
- F24F8/00—Treatment, e.g. purification, of air supplied to human living or working spaces otherwise than by heating, cooling, humidifying or drying
- F24F8/20—Treatment, e.g. purification, of air supplied to human living or working spaces otherwise than by heating, cooling, humidifying or drying by sterilisation
- F24F8/24—Treatment, e.g. purification, of air supplied to human living or working spaces otherwise than by heating, cooling, humidifying or drying by sterilisation using sterilising media
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
- A61L9/00—Disinfection, sterilisation or deodorisation of air
- A61L9/16—Disinfection, sterilisation or deodorisation of air using physical phenomena
- A61L9/18—Radiation
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01D—SEPARATION
- B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
- B01D53/34—Chemical or biological purification of waste gases
- B01D53/46—Removing components of defined structure
- B01D53/72—Organic compounds not provided for in groups B01D53/48 - B01D53/70, e.g. hydrocarbons
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01D—SEPARATION
- B01D2257/00—Components to be removed
- B01D2257/91—Bacteria; Microorganisms
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01D—SEPARATION
- B01D2258/00—Sources of waste gases
- B01D2258/06—Polluted air
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01D—SEPARATION
- B01D2259/00—Type of treatment
- B01D2259/45—Gas separation or purification devices adapted for specific applications
- B01D2259/4508—Gas separation or purification devices adapted for specific applications for cleaning air in buildings
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01D—SEPARATION
- B01D2259/00—Type of treatment
- B01D2259/80—Employing electric, magnetic, electromagnetic or wave energy, or particle radiation
- B01D2259/808—Laser
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
- H01S3/0007—Applications not otherwise provided for
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
- H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
- H01S3/08—Construction or shape of optical resonators or components thereof
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
- H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
- H01S3/106—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating by controlling devices placed within the cavity
- H01S3/1061—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating by controlling devices placed within the cavity using a variable absorption device
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
- Biomedical Technology (AREA)
- Epidemiology (AREA)
- Environmental & Geological Engineering (AREA)
- Animal Behavior & Ethology (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Public Health (AREA)
- Veterinary Medicine (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Apparatus For Disinfection Or Sterilisation (AREA)
Abstract
Vorgeschlagen wird eine energieeffiziente, wartungsarme, sichere und zuverlässige Vorrichtung (100) sowie ein Verfahren zur Desinfektion eines infektiösen Aerosols, insbesondere zum Deaktivieren von Krankheitserregern in Aerosoltropfen. Die Desinfektion mittels elektromagnetischer Strahlung ist bisher sehr energieaufwändig. Die Desinfektion durch die erfindungsgemäße Vorrichtung wird durch Absorption von Infrarotstrahlung realisiert. Dazu wird das infektiöse Aerosol mit Hilfe einer Ansaugeinrichtung (140) außerhalb des Lasermediums (130) durch den Resonator (110) eines Infrarotlasers geleitet. Das Lasermedium (130) wird durch eine Pump(licht)Quelle (135) angeregt. Die Leistung des Infrarotlichts im Resonator ist wesentlich überhöht gegenüber ausgekoppelter Infrarotstrahlung. Das Wasser der Aerosoltropfen absorbiert die Infrarotstrahlung hoch effizient. Dadurch erhitzen sich die Aerosoltropfen. Die darin befindlichen Krankheitserreger denaturieren temperaturbedingt. Auf diese Weise wird eine effiziente Desinfektion erreicht.An energy-efficient, low-maintenance, safe and reliable device (100) and a method for disinfecting an infectious aerosol, in particular for deactivating pathogens in aerosol droplets, is proposed. Disinfection by means of electromagnetic radiation has hitherto been very energy-intensive. The disinfection by the device according to the invention is realized by absorption of infrared radiation. For this purpose, the infectious aerosol is guided through the resonator (110) of an infrared laser outside of the laser medium (130) with the aid of a suction device (140). The laser medium (130) is excited by a pump (light) source (135). The power of the infrared light in the resonator is significantly higher than that of infrared radiation that is coupled out. The water in the aerosol drops absorbs the infrared radiation very efficiently. This heats up the aerosol droplets. The pathogens contained therein denature due to temperature. In this way, efficient disinfection is achieved.
Description
Gebiet der Erfindungfield of invention
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Desinfektion von infektiösen Aerosolen, insbesondere zum Deaktivieren von Krankheitserregern in Aerosoltropfen, um so deren Verbreitung zu vermindern.The invention relates to a device and a method for disinfecting infectious aerosols, in particular for deactivating pathogens in aerosol droplets in order to reduce their spread.
Die Luft eines Raumes, in dem sich Menschen aufhalten, kann durch Krankheitserreger kontaminiert sein und die Konzentration der Krankheitserreger in der Raumluft durch von Menschen ausgeatmete Luft, welche ebenso Krankheitserreger enthalten kann, erhöht werden. Die Krankheitserreger befinden sich häufig in Aerosoltropfen und werden vom Menschen eingeatmet, dabei scheidet sich ein Teil der inhalierten Aerosoltropfen im Atemtrakt ab, was nachteilige Folgen für die Gesundheit haben kann.The air in a room in which people are present can be contaminated by pathogens and the concentration of pathogens in the room air can be increased by the air exhaled by people, which can also contain pathogens. The pathogens are often found in aerosol droplets and are inhaled by humans, with part of the inhaled aerosol droplets separating in the respiratory tract, which can have adverse health consequences.
Eine effektive, zuverlässige und kontinuierliche Desinfektion der Raumluft mindert das Risiko einer Ansteckung mit Krankheitserregern, insbesondere mit denjenigen, die sich in Aerosoltropfen befinden und so über einen längeren Zeitraum in der Luft aufhalten können, wie bspw. Corona-Viren.Effective, reliable and continuous disinfection of the room air reduces the risk of infection with pathogens, especially those that are in aerosol droplets and can therefore remain in the air for a longer period of time, such as corona viruses.
An einer Vielzahl von Orten des täglichen Lebens wird die Luft in geschlossenen Räumen von allen Anwesenden geteilt. Da das Risiko einer Ansteckung von der Menge der eingeatmeten aktiven Krankheitserreger und damit von der Konzentration der aktiven Krankheitserreger in der Luft abhängt, mindert eine Reduzierung dieser Konzentration das Risiko einer Ansteckung.In many places of daily life, indoor air is shared by everyone present. Since the risk of infection depends on the amount of active pathogens inhaled and thus on the concentration of active pathogens in the air, reducing this concentration reduces the risk of infection.
Stand der TechnikState of the art
Nach dem Stand der Technik kann eine Reinigung von infektiösen Aerosolen bspw. durch Zerstäuben oder Vernebeln eines Desinfektionsmittels und anschließendes Umwälzen erfolgen. Auch ein Filtern der infektiösen Aerosole, bspw. mittels HEPA-Filtern, wird als eigenständiges oder ergänzendes Verfahren zum Reinigen infektiöser Aerosole eingesetzt.According to the prior art, infectious aerosols can be cleaned, for example, by atomizing or nebulizing a disinfectant and then circulating it. Filtering of the infectious aerosols, for example by means of HEPA filters, is also used as an independent or supplementary method for cleaning infectious aerosols.
Auch die Desinfektion infektiöser Aerosole mit Hilfe eines Plasmas oder Ionenfeldes findet sich im Stand der Technik.The prior art also includes the disinfection of infectious aerosols with the aid of a plasma or ion field.
In den meisten Fällen wird die Desinfektion von Luft in geschlossenen Räumen im Stand der Technik mit Hilfe von UV-Strahlung realisiert. Der Einsatz von UV-Strahlung hat gegenüber der Verwendung von Desinfektionsmitteln oder reinen Filtersystemen den Vorteil, bei der Anwendung kein Abfallprodukt zu erzeugen, sowie zusätzliche Wartungsschritte zur Reinigung unnötig zu machen.In most cases, the disinfection of air in closed rooms is realized in the prior art with the help of UV radiation. Compared to the use of disinfectants or pure filter systems, the use of UV radiation has the advantage of not producing any waste product during use and of making additional maintenance steps for cleaning unnecessary.
Als Quelle der UV-Strahlung werden, bis auf wenige Ausnahmen, Lampen oder Leuchtstoffröhren eingesetzt, welche Licht im UV-Bereich emittieren. Diese weisen neben einem hohen Energieverbrauch auch ein gesundheitliches Risiko für den Menschen auf. Die für die Desinfektion benötigten Strahlungsintensitäten des UV-Lichts bewirken fotochemische Veränderungen des menschlichen Gewebes. Menschliches Gewebe sollte daher möglichst wenig solcher UV-Strahlung ausgesetzt sein.With a few exceptions, lamps or fluorescent tubes that emit light in the UV range are used as the source of UV radiation. In addition to high energy consumption, these also pose a health risk for humans. The radiation intensities of the UV light required for disinfection cause photochemical changes in human tissue. Human tissue should therefore be exposed to as little UV radiation as possible.
Die Nutzung von UV-Strahlung zielt auf die direkte Zerstörung der Viren-RNA, indem durch Absorption der UV-Strahlung durch die RNA der Bruch kovalenter Bindungen innerhalb der Moleküle provoziert wird.The use of UV radiation aims at the direct destruction of the viral RNA by provoking the breaking of covalent bonds within the molecules through the absorption of the UV radiation by the RNA.
In der Druckschrift
Aufgabetask
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren anzugeben, welches eine energieeffiziente, wartungsarme, sichere, zuverlässige und kontinuierliche Reinigung oder Desinfektion von infektiösen Aerosolen, insbesondere das Deaktivieren von Krankheitserregern in Aerosoltropfen, ermöglicht.The object of the invention is to specify a device and a method which enables energy-efficient, low-maintenance, safe, reliable and continuous cleaning or disinfection of infectious aerosols, in particular the deactivation of pathogens in aerosol droplets.
Lösungsolution
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des Gegenstands des unabhängigen Anspruchs sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird hiermit durch Bezugnahme zum Inhalt dieser Beschreibung gemacht.This object is solved by the subject matter of the independent claim. Advantageous developments of the subject matter of the independent claim are characterized in the dependent claims. The wording of all claims is hereby made part of the content of this description by reference.
Die Verwendung der Einzahl soll die Mehrzahl nicht ausschließen, was auch im umgekehrten Sinn zu gelten hat, soweit nichts Gegenteiliges offenbart ist.The use of the singular is not intended to exclude the plural, which also applies vice versa, unless otherwise disclosed.
Zur Lösung der Aufgabe wird eine Vorrichtung vorgeschlagen. Die vorgeschlagene Vorrichtung ermöglicht eine Desinfektion von infektiösen Aerosolen, insbesondere das Deaktivieren von Krankheitserregern in Aerosoltropfen. Sie nutzt dafür das Infrarot-Licht eines Infrarot-Lasers. Der Infrarot-Laser weist eine Pumpquelle zum Anregen eines Lasermediums auf. Das Lasermedium befindet sich typischerweise in einem Resonator, typischerweise zwischen zwei Endspiegeln. Bei einem Resonator hoher Güte mit Endspiegeln sind diese maximal reflektierend für Infrarotstrahlung. Möglich ist aber auch ein externer Resonator hoher Güte, der an den Infrarot-Laser gekoppelt wird. In beiden Fällen sammelt der Resonator das Licht des Infrarot-Lasers, wodurch es zu einer Überhöhung der Lichtintensität im Resonator kommt.A device is proposed to solve the problem. The proposed device enables disinfection of infectious aerosols, in particular the deactivation of pathogens in aerosol droplets. To do this, it uses the infrared light of an infrared laser. The infrared laser has a pump source for exciting a laser medium. The laser medium is typically located in a resonator, typically between two end mirrors. In the case of a high-quality resonator with end mirrors, these are maximally reflective for infrared radiation. However, an external high-quality resonator that is coupled to the infrared laser is also possible. In both cases, the resonator collects the light from the infrared laser, causing the light intensity in the resonator to increase.
Mit Hilfe einer Umwälzeinrichtung bzw. Ansaugvorrichtung wird das infektiöse Aerosol durch den Resonator des Infrarot-Lasers oder den externen Resonator geleitet.The infectious aerosol is guided through the resonator of the infrared laser or the external resonator with the aid of a circulation device or suction device.
Die Aerosoltropfen absorbieren die Infrarotstrahlung im Inneren des Resonators und erhitzen sich dadurch. Die Hitze deaktiviert die Krankheitserreger durch die Denaturierung von Biomolekülen, welche bspw. in Form von Proteinen in der Hülle von Viren enthalten sind. Ein möglicher zusätzlicher Wirkmechanismus könnte in der direkten Zerstörung der viralen oder bakteriellen Strukturen mittels laserinduzierter Wasserevaporation liegen.The aerosol droplets absorb the infrared radiation inside the resonator and heat up as a result. The heat deactivates the pathogens by denaturing biomolecules, which are contained, for example, in the form of proteins in the envelope of viruses. A possible additional mechanism of action could be the direct destruction of the viral or bacterial structures by means of laser-induced water evaporation.
Die Absorption der Infrarotstrahlung innerhalb des Resonators steht im Gegensatz zu konventionellen Verfahren, bei denen das Laserlicht aus dem Resonator ausgekoppelt wird. Man spricht bei der Bestrahlung mit Laserlicht innerhalb eines Laser-Resonators auch von einem Cavity-Enhanced-Verfahren.The absorption of the infrared radiation within the resonator is in contrast to conventional methods in which the laser light is coupled out of the resonator. In the case of irradiation with laser light within a laser resonator, one also speaks of a cavity-enhanced method.
Die Pumpquelle regt zunächst Atome oder Moleküle im Lasermedium an. Hierdurch werden energetisch höhere Zustände besetzt. Wird ein angeregtes Atom durch ein Photon mit der gewünschten auszustrahlenden Energie zur stimulierten Emission gebracht, fällt das angeregte Atom wieder in seinen Grundzustand zurück. Dabei sendet es ein Photon der identischen Wellenlänge wie das stimulierende Photon aus. Beide Photonen bewegen sich in die gleiche Richtung mit gleicher Phase, also kohärent. Durch diese Verdoppelung des stimulierenden Photons wirkt das Lasermedium wie ein Lichtverstärker.The pump source first excites atoms or molecules in the laser medium. As a result, energetically higher states are occupied. If an excited atom is brought to stimulated emission by a photon with the desired energy to be emitted, the excited atom returns to its ground state. It emits a photon of the same wavelength as the stimulating photon. Both photons move in the same direction with the same phase, i.e. coherently. By duplicating the stimulating photon, the laser medium acts like a light intensifier.
Bei üblichen Lasern, die einen Teil des Lichts aus dem Resonator auskoppeln, ist die Intensität des Laserlichts innerhalb des Resonators wesentlich höher als die Intensität der ausgekoppelten Laserstrahlung. Wenn beide Endspiegel maximal reflektieren, ergibt sich eine noch höhere Intensität der Laserstrahlung im Resonator. Durch die Erhöhung der Strahlungsintensität im Laser-Resonator braucht die vorgeschlagene Vorrichtung wesentlich weniger elektrische Leistung, um die für die Desinfektion benötigte Lichtintensität zu erreichen. Ein Bestrahlen der in Aerosoltropfen innerhalb des Resonators steigert daher die Energieeffizienz im Gegensatz zu einem Bestrahlen außerhalb des Resonators.With conventional lasers, which decouple part of the light from the resonator, the intensity of the laser light inside the resonator is significantly higher than the intensity of the decoupled laser radiation. If both end mirrors reflect maximally, the intensity of the laser radiation in the resonator is even higher. By increasing the radiation intensity in the laser resonator, the proposed device requires significantly less electrical power to achieve the light intensity required for disinfection. Irradiating the aerosol droplets inside the resonator therefore increases the energy efficiency in contrast to irradiating outside the resonator.
Die hier vorgeschlagene Vorrichtung hält die Photonen im Resonator. So werden, abgesehen von sonstigen Resonatorverlusten, praktisch alle erzeugten Photonen von Aerosolen absorbiert.The device proposed here keeps the photons in the resonator. Apart from other resonator losses, practically all photons generated are absorbed by aerosols.
Der Resonator kann dabei durch den Laserresonator selbst oder einen entsprechend angekoppelten externen Resonator realisiert werden. Der Einsatz von Infrarotstrahlung ermöglicht ferner eine Desinfektion von infektiösen Aerosolenohne dabei Abfälle zu produzieren.In this case, the resonator can be realized by the laser resonator itself or by a correspondingly coupled external resonator. The use of infrared radiation also enables infectious aerosols to be disinfected without producing waste.
Die vorgeschlagene Vorrichtung ist insbesondere zur Desinfektion von Raumluft geeignet.The proposed device is particularly suitable for disinfecting room air.
Da Aerosoltropfen überwiegend aus Wasser bestehen, sollte die Wellenlänge des Infrarotlasers derart gewählt werden, dass sie ein hohes Absorptionsvermögen des Wassers trifft. In einer Variante der Erfindung kann ein Infrarot-Laser daher mit einer Wellenlänge im Bereich von 0,7 µm bis 50 µm, vorzugsweise in einem Bereich von 1 µm bis 30 µm, weiterhin vorzugsweise in einem Bereich von 2 µm bis 7 µm und besonders bevorzugt in einem Bereich von 2,5 µm bis 4 µm eingesetzt werden.Since aerosol droplets consist mainly of water, the wavelength of the infrared laser should be selected in such a way that it meets a high level of absorption of the water. In a variant of the invention, an infrared laser can therefore be used with a wavelength in the range from 0.7 μm to 50 μm, preferably in a range from 1 μm to 30 μm, more preferably in a range from 2 μm to 7 μm and particularly preferably in a range from 2.5 µm to 4 µm.
Ein CO2-Laser, der ein weit verbreiteter und günstiger Lasertyp ist, eignet sich mit seiner Wellenlänge von 10,6 µm gut für die Erfindung.A CO 2 laser, which is a widely used and inexpensive type of laser, is well suited for the invention with its wavelength of 10.6 μm.
Bei einer anderen Weiterbildung der Erfindung kann ein Festkörperlaser, der einen dotierten YAG-Kristall nutzt, zum Einsatz kommen. Je nach Dotierung befindet sich die Wellenlänge des Laserlichts in dem besonders bevorzugten Wellenlängenbereich von 2 µm bis 7 µm. Typischerweise erfolgt eine Dotierung eines YAG-Lasers mit Lanthanoiden.In another development of the invention, a solid-state laser that uses a doped YAG crystal can be used. Depending on the doping, the wavelength of the laser light is in the particularly preferred wavelength range of 2 μm to 7 μm. A YAG laser is typically doped with lanthanides.
Besonders geeignet für die vorgeschlagene Desinfektion ist ein mit Erbium dotierter YAG-Laser (Er:YAG) mit ihrer Wellenlänge von 2,9 µm. In diesem Wellenlängenbereich hat Wasser ein Absorptionsmaximum.An erbium-doped YAG laser (Er:YAG) with a wavelength of 2.9 µm is particularly suitable for the proposed disinfection. Water has an absorption maximum in this wavelength range.
Abhängig von der Leistung der Ansaugvorrichtung kann die Luftführung durch den Resonator longitudinal oder transversal zur Ausbreitungsrichtung der Infrarotstrahlung erfolgen. Dabei kann eine longitudinale Luftführung insbesondere dann von Vorteil sein, wenn die Bestrahlungsdauer verlängert werden soll, ohne die Strömungsgeschwindigkeit erhöhen zu müssen.Depending on the performance of the suction device, the air can be guided through the resonator longitudinally or transversely to the direction of propagation of the infrared radiation. A longitudinal air flow can be advantageous in particular when the irradiation time is to be extended without having to increase the flow rate.
Eine weitere Erleichterung stellt der Einsatz eines geschlossenen Luftkanals aus einem für Infrarotstrahlung maximal durchlässigen Material dar, der sich innerhalb des Resonators befindet. Auf diese Weise kann einer Verschmutzung der inneren Oberflächen des Resonators entgegengewirkt werden, da innerhalb des Resonators nur das Innere des geschlossenen Luftkanals mit der Raumluft in Berührung kommt.A further simplification is the use of a closed air duct made of a material that is maximally permeable to infrared radiation and is located inside the resonator. In this way, contamination of the inner surfaces of the resonator can be counteracted, since inside the resonator only the interior of the closed air duct comes into contact with the room air.
Von besonderem Vorteil ist es, den geschlossenen Luftkanal für Infrarotlicht zu entspiegeln, um die Reflexion von Infrarotstrahlung zu minimieren und die Effizienz weiter zu erhöhen.It is of particular advantage to have an anti-reflective coating on the closed air duct for infrared light in order to minimize the reflection of infrared radiation and further increase efficiency.
Zudem wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Desinfektion von Raumluft, insbesondere zum Deaktivieren von Krankheitserregern in Aerosoltropfen, bei dem die vorgeschlagene Vorrichtung zur Verfügung gestellt wird. Mit Hilfe der Vorrichtung wird Raumluft mittels einer Ansaugeinrichtung durch den Resonator des Infrarot-Lasers geleitet. Die Aerosoltropfen werden dabei durch Absorption der Infrarotstrahlung auf mindestens 50 °C erhitzt. Dies ist sinnvoll, da bei ab 50 °C mit einer Denaturierung von Biomolekülen zu rechnen ist. Diese Biomoleküle können bspw. Strukturproteine der Viren und Bakterien sein, die auf der Oberfläche von Viren sitzen. Die Viren und Bakterien werden so durch Denaturierung der Proteine deaktiviert.In addition, the object is achieved by a method for disinfecting room air, in particular for deactivating pathogens in aerosol droplets, in which the proposed device is made available. With the help of the device, room air is guided through the resonator of the infrared laser by means of a suction device. The aerosol droplets are heated to at least 50 °C by absorbing infrared radiation. This makes sense, since denaturation of biomolecules can be expected at temperatures above 50 °C. These biomolecules can, for example, be structural proteins of viruses and bacteria that sit on the surface of viruses. The viruses and bacteria are thus deactivated by denaturing the proteins.
Eine weitere Verbesserung wird erreicht, wenn die Aerosoltropfen innerhalb des Resonators auf eine Temperatur von mindestens 60 °C erhitzt werden. Eine sichere Denaturierung der Proteine wird erreicht, wenn die Aerosoltropfen auf mindestens 70 °C erhitzt werden. Ein Erhitzen auf mindestens 80 °C oder gar 90 °C erhöht die Denaturierung und damit die Desinfektion weiter. Maximale Desinfektion und damit Sicherheit bringt das Erhitzen der Aerosoltropfen innerhalb des Resonators auf eine Temperatur von mindestens 100 °C dar. Dies führt zum Verdampfen der Areosoltropfen, was in Kombination mit der Denaturierung durch Hitze die Zuverlässigkeit der Desinfektion weiter erhöht.A further improvement is achieved if the aerosol droplets are heated to a temperature of at least 60 °C within the resonator. Reliable protein denaturation is achieved if the aerosol droplets are heated to at least 70 °C. Heating to at least 80 °C or even 90 °C further increases denaturation and thus disinfection. Maximum disinfection and thus safety is provided by heating the aerosol droplets inside the resonator to a temperature of at least 100 °C. This leads to the evaporation of the aerosol droplets, which, in combination with heat denaturation, further increases the reliability of disinfection.
Weitere Einzelheiten und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Figuren. Hierbei können die jeweiligen Merkmale für sich alleine oder zu mehreren in Kombination miteinander verwirklicht sein. Die Möglichkeiten, die Aufgabe zu lösen, sind nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt. So umfassen beispielsweise Bereichsangaben stets alle - nicht genannten - Zwischenwerte und alle denkbaren Teilintervalle.Further details and features result from the following description of preferred exemplary embodiments in conjunction with the figures. The respective features can be implemented individually or in combination with one another. The options for solving the task are not limited to the exemplary embodiments. For example, range information always includes all - not mentioned - intermediate values and all conceivable sub-intervals.
Die Ausführungsbeispiele sind in den Figuren schematisch dargestellt. Gleiche Bezugsziffern in den einzelnen Figuren bezeichnen dabei gleiche oder funktionsgleiche bzw. hinsichtlich ihrer Funktionen einander entsprechende Elemente. Im Einzelnen zeigt:
-
1 einen Aufbau einer Desinfektionsvorrichtung mit einer zur Ausbreitungsrichtung der Infrarotstrahlung transversalen Luftführung; -
2 einen Aufbau einer Desinfektionsvorrichtung mit einer zur Ausbreitungsrichtung der Infrarotstrahlung longitudinalen Luftführung; -
3 einen Aufbau einer Desinfektionsvorrichtung mit einem geschlossenen Kanal für die Luftführung transversal zur Ausbreitungsrichtung der Infrarotstrahlung; -
4 einen Aufbau einer Desinfektionsvorrichtung mit einem geschlossenen Kanal für die Luftführung longitudinal zur Ausbreitungsrichtung der Infrarotstrahlung; -
5 ein Absorptionsspektrum von Wasser über einen großen Wellenlängenbereich elektromagnetischer Strahlung; -
6 die berechnete einzustrahlende Intensität in Abhängigkeit des Durchmessers der Aerosoltropfen.
-
1 a structure of a disinfection device with an air duct transverse to the propagation direction of the infrared radiation; -
2 a structure of a disinfection device with an air duct longitudinal to the propagation direction of the infrared radiation; -
3 a structure of a disinfection device with a closed channel for the air flow transverse to the direction of propagation of the infrared radiation; -
4 a structure of a disinfection device with a closed channel for the air flow longitudinal to the direction of propagation of the infrared radiation; -
5 an absorption spectrum of water over a wide range of wavelengths of electromagnetic radiation; -
6 the calculated intensity to be irradiated as a function of the diameter of the aerosol droplets.
Durch die zur Ausbreitungsrichtung der Infrarotstrahlung 205 longitudinale Luftführung kann die Verweildauer der Raumluft im Resonator 210 erhöht und damit die Bestrahlungsdauer der Aerosoltropfen gegenüber einer transversalen Luftführung verlängert werden. Auf diese Weise kann bei gleichbleibender Energie, die auf die Aerosoltropfen übertragen wird, die Strömungsgeschwindigkeit erhöht und / oder die Aufnahmeleistung des Lasers vermindert werden. Dadurch kann die Umwälzdauer verkürzt und / oder die Energieeffizienz der Vorrichtung erhöht werden.The dwell time of the room air in the
Anhand der nachfolgenden Punkte werden wichtige Parameter einer beispielhaften Ausgestaltung des in der Desinfektionsvorrichtung verwendeten Lasers berechnet.Important parameters of an exemplary configuration of the laser used in the disinfection device are calculated on the basis of the following points.
1) Berechnung der notwendigen Energie E zum Erhitzen der Aerosoltropfen um eine Temperatur ΔT1) Calculation of the energy E required to heat the aerosol droplets by a temperature ΔT
Die Energie E, die zum Erhitzen sämtlicher Aerosoltropfen eines Raums um eine Temperaturdifferenz ΔT benötigt wird, beträgt
c : spezifische Wärmekapazität von Wasser 4,2 J / (g • K)
mR: gesamte Masse aller zu erhitzender Aerosoltropfen im zu desinfizierenden Raum.The energy E required to heat all aerosol droplets in a room by a temperature difference ΔT is
c : specific heat capacity of water 4.2 J / (g • K)
m R : total mass of all aerosol droplets to be heated in the room to be disinfected.
Werden die Aerosoltropfen eines Raums für eine Zeit Δt, z.B. 15 Minuten, mit Infrarotlicht bestrahlt, steht für die Erhitzung also die Zeit Δt zur Verfügung, ergibt sich die notwendige Leistung PWärme an Infrarotstrahlung durch
2) Berechnung der Absorption des Aerosol-Luft-Gemisches in der Schichtdicke Δd sowie der benötigten Laserleistung PL.2) Calculation of the absorption of the aerosol-air mixture in the layer thickness Δd and the required laser power P L .
Diese Wärmeleistung muss durch Absorption von Infrarotstrahlung aufgebracht werden. D.h. die absorbierte Laserleistung Pabs muss genau der benötigten Wärmeleistung PWärme entsprechen. Es gilt also
Zur Berechnung der absorbierte Laserleistung Pabs ist es zweckmäßig, den Wirkungsquerschnitt σK eines Aerosoltropfens zu betrachten. Für die Rechnung soll anstelle der Kugeleine Würfelform mit der Kantenlänge ϕK angenommen werden.To calculate the absorbed laser power Pabs, it is useful to consider the effective cross section σ K of an aerosol drop. For the calculation, a cube with edge length ϕ K should be assumed instead of a sphere.
Es kann angenommen werden, dass für den Fall nahezu vollständiger Absorption im Tropfen, der Wirkungsquerschnitt σK gleich dem geometrischen Querschnitt
α die e-1-Eindringtiefe der Strahlung im Bulkwasser (volumenfüllendes Wasser) ist.It can be assumed that in the case of almost complete absorption in the drop, the effective cross section σ K is equal to the geometric cross section
α is the e -1 penetration depth of the radiation in bulk water (volume-filling water).
Liegt die Tropfengröße in der Größenordnung der Wellenlänge oder darunter, so wird die Absorption weiter abgeschwächt. Nach Rayleigh wird dann nur ein Anteil
Der effektive Wirkungsquerschnitt
Der gesamte effektive Wirkungsquerschnitt
Die Anzahl nL der im Laservolumen VL befindlichen nL Aerosoltropfen ergibt sich aus dem Verhältnis
p = Dichte von Wasser.The number n L of the n L aerosol droplets in the laser volume V L results from the ratio
p = density of water.
Für die im Laserstrahl befindliche Aerosolmasse mL gilt
ØL = Durchmesser des Laserstrahls und
Δd = Länge des vom Laserstrahl bestrahlten Volumens VL.The following applies to the aerosol mass m L in the laser beam
Ø L = diameter of the laser beam and
Δd = length of the volume V L irradiated by the laser beam.
Durch Einsetzen von nL in
Die Absorption A ist der absorbierte Anteil der Laserleistung PL. Sie ist definiert durch
Unter der fast immer erfüllten Annahme, dass das Laserlicht von den Aerosoltropfen nicht vollständig absorbiert wird, ergibt sich der absorbierte Anteil A aus dem Flächenverhältnis des Wirkungsquerschnitts
Für die absorbierte Laserleistung ergibt sich somit:
Die absorbierte Laserleistung Pabs muss genau der benötigten Wärmeleistung PWärme entsprechen. Es gilt also
Bemerkenswert ist, dass die Laserleistung PL nicht von der Masse mR der zu erhitzenden Aerosoltropfen abhängt. Dies ergibt sich daraus, dass bei kleiner Absorption die Absorption in gleichem Maße wie mR steigt. Auch auf die Größe des bestrahlten Volumens VL und den Durchmesser ØL des Laserstrahls kommt es nicht an, wohl aber auf die Länge des bestrahlten Volumens Δd.It is remarkable that the laser power P L does not depend on the mass m R of the aerosol droplets to be heated. This is due to the fact that with small absorption, the absorption increases to the same extent as mR . The size of the irradiated volume V L and the diameter Ø L of the laser beam are also irrelevant, but the length of the irradiated volume Δd is.
Soll die mit Aerosoltropfen beladene Luft in einem Raum mit Volumen VR innerhalb einer Zeit δt desinfiziert werden, so muss die gesamte Luft innerhalb der Zeit δt durch das bestrahlte Volumen VL gesaugt werden. Es gilt dann:
3) Beispielrechnung für eine Erwärmung der Aerosoltropfen um 80 K3) Example calculation for a heating of the aerosol droplets by 80 K
Im Wellenlängenbereich von 0,7 µm bis 50 µm ist die Absorption der elektromagnetischen Strahlung durch Wasser im Infraroten besonders hoch, weshalb dieser Bereich für eine effiziente Desinfektion genutzt werden kann. Das Absorptionsspektrum von Wasser zeigt bei 2,9 µm Wellenlänge ein Maximum im Infraroten, sodass ein Er:YAG-Laser für die Desinfektion besonders geeignet ist.In the wavelength range from 0.7 µm to 50 µm, the absorption of electromagnetic radiation by water in the infrared is particularly high, which is why this range can be used for efficient disinfection. The absorption spectrum of water shows a maximum in the infrared at a wavelength of 2.9 µm, making an Er:YAG laser particularly suitable for disinfection.
ΔT sei 80 K. Ein Raum mit einer Raumgröße VR von 100 m3 soll in Δt = 15 Minuten desinfiziert werden. Die Schichtdicke, innerhalb derer desinfiziert wird, sei Δd = 30 cm. Für einen Er:YAG-Laser mit einer Wellenlänge von ca. 2.9 µm ergibt sich eine Eindringtiefe α = 0,8 µm.Let ΔT be 80 K. A room with a room size V R of 100 m 3 should be disinfected in Δt = 15 minutes. The layer thickness within which disinfection takes place is Δd = 30 cm. For an Er:YAG laser with a wavelength of approx. 2.9 µm, the penetration depth is α = 0.8 µm.
Der Durchmesser der Aerosoltropfen in der menschlichen Atemluft liegt zwischen 0,6 µm und 100 µm (siehe z.B. de.wikipedia.org/wiki/Aerosol). Aerosoltropfen, die durch eine Desinfektionsvorrichtung wirksam sterilisiert werden sollen, müssen diese erreichen können. Aerosoltropfen größer als 25 µm fallen jedoch innerhalb von Sekunden zu Boden; sie dürften daher die Desinfektionsvorrichtung kaum erreichen. Bei einer geplanten Reinigungsperiode von Δt = 15 Minuten können nur Aerosoltropfen desinfiziert werden, die zumindest eine Minute schweben. Dies gilt für Aerosoltropfen mit einem Durchmesser bis 10 µm (siehe z.B. die Sinkgeschwindigkeit von Aerosoltropfen unter de.wikipedia.org/wiki/Aerosol). Wenn nicht anders angegeben wird daher im Folgenden mit ØK= 5 µm gerechnet.The diameter of the aerosol droplets in human breath is between 0.6 µm and 100 µm (see eg de.wikipedia.org/wiki/Aerosol). Aerosol droplets that are to be effectively sterilized by a disinfection device must be able to reach it. However, aerosol droplets larger than 25 µm fall to the ground within seconds; they should therefore hardly reach the disinfection device. With a planned cleaning period of Δt = 15 minutes, only aerosol droplets that float for at least one minute can be disinfected. This applies to aerosol droplets with a diameter of up to 10 µm (see, for example, the settling speed of aerosol droplets at de.wikipedia.org/wiki/Aerosol). Unless otherwise stated, calculations are made with Ø K = 5 µm in the following.
Mit der Dichte von Wasser ρ = 1 000 kg/m3 erhält man für einen Er:YAG-Laser
Dabei benötigt die Ansaugvorrichtung 140 eine Umwälzleistung von
4) Einordnen der benötigten Laser-Ausgangsleistung für den vorgesehenen Zweck der Desinfektion4) Classification of the required laser output power for the intended purpose of the disinfection
Laser mit den in Abschnitt 3) berechneten Ausgangsleistungen sind mit signifikanten Anschaffungs- und insbesondere hohen Betriebskosten verbunden. Für eine Ausgangsleistung von 100 W wird beim Einsatz von Faserlasern, die bereits einen hohen elektrischoptischen Wirkungsgrad aufweisen, einer Aufnahmeleistung von mehr als 1000 W benötigt. Zudem würden die auf konventionelle Weise eingesetzten Laser (der Strahl wird mittels Auskoppelspiegel aus dem Resonator ausgekoppelt) abgesehen von den hohen Kosten auch große Volumina benötigen.Lasers with the output powers calculated in Section 3) are associated with significant acquisition costs and, in particular, high operating costs. For an output power of 100 W, a power consumption of more than 1000 W is required when using fiber lasers, which already have a high electro-optical efficiency. In addition, the lasers used in a conventional manner (the beam is coupled out of the resonator by means of a coupling-out mirror) would also require large volumes, in addition to the high costs.
Der wesentliche Grund für die niedrige Effizienz ist, dass die überaus größte Anzahl der Laserphotonen nicht absorbiert wird und so ungenutzt bleibt.The main reason for the low efficiency is that the vast majority of the laser photons are not absorbed and thus remain unused.
5) Erhöhung der Effektivität5) Increase in effectiveness
Das Verfahren wird deutlich effektiver, wenn alle, oder zumindest ein Großteil der Photonen genutzt werden können. Man spricht in diesem Zusammenhang auch von Photonenrecycling.The method becomes significantly more effective if all or at least a large part of the photons can be used. In this context one also speaks of photon recycling.
Die wohl effektivste Realisierung dieses Gedankens ist, die Intensitätsüberhöhung im Inneren eines optischen Resonators 110, 210, 310, 410 zu nutzen. Ein solches Verfahren wird auch als Cavity-Enhanced-Verfahren bezeichnet. Andere, auf geometrischer Optik basierende Spiegel- oder Streuverfahren (bspw. Ulbricht-Kugel) sind weitaus weniger effizient.Probably the most effective realization of this idea is to use the increase in intensity inside an
Für vernachlässigbare Verluste im Inneren des Laserresonators 110, 210, 310, 410 ist das Verhältnis V der im Resonator 110, 210, 310 zirkulierenden Leistung Pin zur Ausgangsleistung PL gegeben durch
R1 der Reflexionsgrad des im herkömmlichen Laser eingesetzten Auskoppelspiegels und
R2 der Reflexionsgrad des hinteren Endspiegels (120; 220; 320; 420).For negligible losses inside the
R 1 is the degree of reflection of the output mirror used in conventional lasers and
R 2 the reflectance of the rear end mirror (120; 220; 320; 420).
Üblicherweise ist z. B. für CO2-Laser R2 ≈ 0.995 und R1 ≈ 0.5. Somit ergibt sich V ≈ 10.Usually z. B. for CO 2 lasers R 2 ≈ 0.995 and R 1 ≈ 0.5. This results in V ≈ 10.
Für eine Abschnitt 4) analoge Strahlungsleistung würden Er:YAG-Laser in der 10 Watt- bzw. CO2-Laser in der 100 Watt-Klasse ausreichen. Die Aufnahmeleistung kann im Vergleich zu konventionellen Verfahren so um eine Größenordnung reduziert werden. Für die vorliegende Anwendung würde der Auskoppelspiegel durch einen hochreflektierenden Endspiegel (120; 220; 320; 420) ersetzt werden, mit z.B. R1 ≈ 0.995.For a section 4) analog radiation power, Er:YAG lasers in the 10 watt class or CO 2 lasers in the 100 watt class would be sufficient. The recording capacity can be reduced by an order of magnitude compared to conventional methods. For the present application, the output mirror would be replaced by a highly reflective end mirror (120; 220; 320; 420), with R 1 ≈0.995, for example.
Koppelt man an einen kommerziellen Laser einen externen Resonator mit zwei Endspiegeln mit R1 = R2 ≈ 0.995, so ergibt sich
Hat der kommerzielle Laser beispielsweise eine Leistung von 10 W, so kann im externen Resonator eine überhöhte Leistung von 4 000 W erzeugt werden.For example, if the commercial laser has a power of 10 W, an excessive power of 4,000 W can be generated in the external resonator.
6) Beispielrechnung für kleine Tropfen6) Sample calculation for small drops
Glossarglossary
Aerosolaerosol
Heterogenes Gemisch (Dispersion) aus festen oder flüssigen Schwebeteilchen in einem Gas. Im Kontext dieser Anmeldung insbesondere eine Dispersion von wässrigen Aerosoltropfen in Luft.Heterogeneous mixture (dispersion) of solid or liquid suspended particles in a gas. In the context of this application in particular a dispersion of aqueous aerosol droplets in air.
Denaturierung durch Hitzeheat denaturation
Bei der Wärme- oder Hitzedenaturierung wird eine Veränderung der Molekülstruktur von Biomolekülen durch eine Erhöhung der Temperatur herbeigeführt. Dabei werden durch die Hitzeeinwirkung meist keine kovalenten chemischen Bindungen gebrochen oder gebildet. Stattdessen werden Wasserstoffbrückenbindungen gelöst oder neu gebildet, wodurch häufig eine Veränderung der Tertiärstruktur bei Proteinen eintritt. Dies hat meist einen Verlust der biologischen Aktivität zur Folge. Eine Denaturierung durch Hitze kann bspw. durch Absorption von Infrarotstrahlung durch Wasser erzielt werden, in dem sich die Biomoleküle befinden.In heat or heat denaturation, a change in the molecular structure of biomolecules is brought about by increasing the temperature. In most cases, no covalent chemical bonds are broken or formed as a result of the heat effect. Instead, hydrogen bonds are broken or newly formed, which often results in a change in the tertiary structure of proteins. This usually results in a loss of biological activity. Denaturation by heat can be achieved, for example, by absorption of infrared radiation by water in which the biomolecules are located.
Cavity-Enhanced-VerfahrenCavity Enhanced Process
Verfahren, bei der die mit Laser zu bestrahlende Substanz direkt in den Strahlengang des Lasers innerhalb des Laser-Resonators (engl. cavity) eingebracht wird, anstatt den ausgekoppelten Laserstrahl außerhalb des Resonators zu nutzen, werden als Cavity-Enhanced-Verfahren bezeichnet. Dabei wird die starke Überhöhung der Strahlungsintensität innerhalb des Resonators ausgenutzt.Methods in which the substance to be irradiated with the laser is introduced directly into the beam path of the laser inside the laser resonator (cavity) instead of using the coupled laser beam outside the resonator are referred to as cavity-enhanced methods. In this case, the strong increase in the radiation intensity within the resonator is used.
Laserlaser
Konzeptionell besteht ein Laser aus drei Bestandteilen:Conceptually, a laser consists of three components:
Lasermediumlaser medium
Im Lasermedium entstehen durch den optischen Übergang angeregter Atome oder Moleküle in einen energetisch niedrigeren Zustand Photonen. Zentrale Bedingung für ein Lasermedium ist, dass sich eine Besetzungsinversion herstellen lässt, d.h. der obere Zustand des optischen Übergangs wird mit einer höheren Wahrscheinlichkeit besetzt als der untere. Ein solches Medium muss mindestens über drei Energieniveaus verfügen und kann gasförmig (z. B. CO2), flüssig (z. B. Farbstofflösungen) oder fest (z. B. Kristall, Halbleitermaterial) sein.In the laser medium, photons are created as a result of the optical transition of excited atoms or molecules into a lower-energy state. The central condition for a laser medium is that a population inversion can be produced, ie the upper state of the optical transition is occupied with a higher probability than the lower one. Such a medium must have at least three energy levels and can be gaseous (e.g. CO 2 ), liquid (e.g. dye solutions) or solid (e.g. crystal, semiconductor material).
Pumpquellepump source
Um eine Besetzungsinversion herbeizuführen, muss in das Lasermedium Energie hineingepumpt (englisch pumping) werden. Damit dieser Pumpprozess nicht mit der stimulierten Emission konkurriert, muss dieser auf einem anderen quantenmechanischen Übergang basieren. Deshalb muss ein Lasermedium mindestens drei unterschiedliche Zustände aufweisen. Das Pumpen kann die Atome oder Moleküle des Lasermediums optisch (Einstrahlung von Licht) oder elektrisch (z.B. Gasentladung, elektrischer Strom bei Laserdioden) in angeregte Zustände bringen.In order to bring about a population inversion, energy must be pumped into the laser medium. So that this pumping process does not compete with the stimulated emission, it must be based on another quantum mechanical transition. Therefore, a laser medium must have at least three different states. The pumping can bring the atoms or molecules of the laser medium into excited states optically (irradiation of light) or electrically (e.g. gas discharge, electric current in laser diodes).
Resonatorresonator
Ein Resonator besteht zum Beispiel aus zwei parallelen Spiegeln (sog. Endspiegel, die einen hohen Reflexionsgrad aufwiesen), zwischen welchen sich z.B. ein aktives Lasermedium befindet. Photonen, deren Propagation senkrecht zu den Spiegeln verläuft, verbleiben im Resonator und können mehrfach die Emission weiterer Photonen im Lasermedium auslösen (stimulieren). Einer der beiden Spiegel kann teildurchlässig ausgeführt sein, so dass ein Teil des Lichts austreten und seiner Nutzung zugeführt werden kann.A resonator consists, for example, of two parallel mirrors (so-called end mirrors, which have a high degree of reflection), between which there is, for example, an active laser medium. Photons whose propagation runs perpendicular to the mirrors remain in the resonator and can repeatedly trigger (stimulate) the emission of further photons in the laser medium. One of the two mirrors can be designed to be partially transparent, so that part of the light can emerge and be put to use.
Es kann aber auch das gesamte Licht im Resonator gesammelt und dessen Intensität überhöht werden. Außerdem kann der Resonator extern an einen Laser angekoppelt werden, d.h. das Lasermedium befindet sich nicht im externen Resonator.However, all of the light can also be collected in the resonator and its intensity increased. In addition, the resonator can be externally coupled to a laser, i.e. the laser medium is not in the external resonator.
Für die Erzeugung von Laserstrahlung werden Atome oder Moleküle im Lasermedium durch Pumpen von unteren Energieniveaus in energetisch höhere angeregt. Von diesen muss das Lasermedium in einen intermediären Zustand relaxieren. Nun genügt eine Stimulierung eines Atoms oder Moleküls durch ein Photon mit der auszustrahlenden Energie, damit das angeregte Atom oder Molekül von dem intermediären Zustand wieder in seinen Grundzustand zurückfällt und dabei ein Photon der identischen Energie (also identischer Wellenlänge und Frequenz) sowie identischer Phasenlage wie das stimulierende Photon aussendet. Durch diese Verdoppelung des stimulierenden Photons wirkt das Lasermedium wie ein Lichtverstärker. Das zweite Photon kann dann seinerseits andere angeregte Atome oder Moleküle zur Ausstrahlung stimulieren und es kommt zu einer Kettenreaktion.For the generation of laser radiation, atoms or molecules in the laser medium are excited by pumping from lower energy levels into energetically higher ones. Of these, the laser medium must relax to an intermediate state. Now a stimulation of an atom or molecule by a Pho is sufficient ton with the energy to be emitted, so that the excited atom or molecule falls back from the intermediate state to its ground state and emits a photon of identical energy (i.e. identical wavelength and frequency) and identical phase position as the stimulating photon. By duplicating the stimulating photon, the laser medium acts like a light intensifier. The second photon can then in turn stimulate other excited atoms or molecules to emit and a chain reaction occurs.
Reflexionsgraddegree of reflection
Der Reflexionsgrad ist das Verhältnis zwischen reflektierter und einfallender Intensität, z.B. bei elektromagnetischen Wellen.The degree of reflection is the ratio between reflected and incident intensity, e.g. in the case of electromagnetic waves.
Strahlungsenergieradiant energy
Die Strahlungsenergie ist die von elektromagnetischen Wellen transportierte Energie. Die SI-Einheit der Strahlungsenergie ist Joule.Radiant energy is the energy transported by electromagnetic waves. The SI unit of radiant energy is the joule.
Strahlungsintensitätradiation intensity
Die auf eine Fläche bezogene Leistungsdichte beim Transport von Energie wird als Strahlungsintensität bezeichnet. Sie wird meist in der Einheit W/cm2 angegeben.The power density related to an area during the transport of energy is referred to as radiation intensity. It is usually specified in the unit W/cm2.
Strahlungsleistungradiant power
Die Strahlungsleistung ist die differentielle Energiemenge, die pro Zeitspanne von elektromagnetischen Wellen transportiert wird. Die SI-Einheit der Strahlungsleistung ist Watt.Radiant power is the differential amount of energy transported by electromagnetic waves per period of time. The SI unit of radiant power is the watt.
YAG-LaserYAG laser
Der Yttrium-Aluminium-Granat-Laser ist ein Festkörperlaser, der als Lasermedium einen YAG-Kristall verwendet und meist infrarote Strahlung emittiert. Yttrium-Aluminium-Granat wird vorwiegend als einkristalliner Wirtskristall genutzt und je nach gewünschten Eigenschaften, vor allem der zu emittierenden Wellenlänge mit verschiedenen Lanthanoiden dotiert, unter anderem mit Erbium (Er:YAG-Laser).The yttrium aluminum garnet laser is a solid-state laser that uses a YAG crystal as the laser medium and mostly emits infrared radiation. Yttrium aluminum garnet is mainly used as a monocrystalline host crystal and, depending on the desired properties, above all the wavelength to be emitted, is doped with various lanthanides, including erbium (Er:YAG laser).
BezugszeichenlisteReference List
- 100100
- Desinfektionsvorrichtungdisinfection device
- 105105
- Infrarotstrahlunginfrared radiation
- 110110
- Resonatorresonator
- 120120
- Endspiegelend mirror
- 130130
- Lasermediumlaser medium
- 135135
- Pump(licht)quellePump (light) source
- 140140
- Ansaugvorrichtungsuction device
- 145145
- Strömungsweg der Raumluft flow path of the room air
- 200200
- Desinfektionsvorrichtungdisinfection device
- 205205
- Infrarotstrahlunginfrared radiation
- 210210
- Resonatorresonator
- 220220
- Endspiegelend mirror
- 230230
- Lasermediumlaser medium
- 235235
- Pump(licht)quellePump (light) source
- 240240
- Ansaugvorrichtungsuction device
- 245245
- Strömungsweg der Raumluft flow path of the room air
- 300300
- Desinfektionsvorrichtungdisinfection device
- 305305
- Infrarotstrahlunginfrared radiation
- 310310
- Resonatorresonator
- 320320
- Endspiegelend mirror
- 330330
- Lasermediumlaser medium
- 335335
- Pump(licht)quellePump (light) source
- 340340
- Ansaugvorrichtungsuction device
- 345345
- Strömungsweg der Raumluftflow path of the room air
- 350350
- Luftkanal air duct
- 400400
- Desinfektionsvorrichtungdisinfection device
- 405405
- Infrarotstrahlunginfrared radiation
- 410410
- Resonatorresonator
- 420420
- Endspiegelend mirror
- 430430
- Lasermediumlaser medium
- 435435
- Pump(licht)quellePump (light) source
- 440440
- Ansaugvorrichtungsuction device
- 445445
- Strömungsweg der Raumluftflow path of the room air
- 450450
- Luftkanalair duct
zitierte Literaturcited literature
zitierte Patentliteraturcited patent literature
zitierte Nicht-Patentliteraturcited non-patent literature
Datenblatt zu UV-Lasern der ULM/ULR-355 Serie von IPG Photonics (https://www.ipgphotonics.com/en/81/FileAttachment/ULM-ULR-355-200+Datasheet.pdf, aufgerufen am 11.12.2020)Data sheet on UV lasers of the ULM/ULR-355 series from IPG Photonics (https://www.ipgphotonics.com/en/81/FileAttachment/ULM-ULR-355-200+Datasheet.pdf, accessed on December 11, 2020)
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of documents cited by the applicant was generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.
Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited
- CN 111603599 A [0010, 0087]CN 111603599A [0010, 0087]
Claims (10)
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102020134775.8 | 2020-12-22 | ||
DE102020134775 | 2020-12-22 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE102021101398A1 true DE102021101398A1 (en) | 2022-06-23 |
Family
ID=81846911
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE102021101398.4A Pending DE102021101398A1 (en) | 2020-12-22 | 2021-01-22 | Device and method for disinfecting an infectious aerosol, in particular for deactivating pathogens in aerosol droplets |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE102021101398A1 (en) |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
BE1013093A5 (en) | 1999-08-24 | 2001-09-04 | Wallonia Space Logistics En Ab | Decontamination method and device |
DE10107443A1 (en) | 2001-02-16 | 2002-08-29 | Heptec Gmbh | Fresh air disinfection process, air disinfection module and flash lamps |
WO2004110504A1 (en) | 2003-06-12 | 2004-12-23 | Safe Haven, Inc. | Methods and apparatus for sterilization of air and objects |
DE102018214646A1 (en) | 2018-08-29 | 2020-03-05 | Robert Bosch Gmbh | Device and method for cleaning and / or sterilizing a gas containing particles and / or germs and control unit |
CN111603599A (en) | 2020-05-09 | 2020-09-01 | 福建新位激光科技有限公司 | Air curtain type laser aerosol disinfection device and use method |
DE102021000459A1 (en) | 2020-03-20 | 2021-09-30 | Kastriot Merlaku | fan |
-
2021
- 2021-01-22 DE DE102021101398.4A patent/DE102021101398A1/en active Pending
Patent Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
BE1013093A5 (en) | 1999-08-24 | 2001-09-04 | Wallonia Space Logistics En Ab | Decontamination method and device |
DE10107443A1 (en) | 2001-02-16 | 2002-08-29 | Heptec Gmbh | Fresh air disinfection process, air disinfection module and flash lamps |
WO2004110504A1 (en) | 2003-06-12 | 2004-12-23 | Safe Haven, Inc. | Methods and apparatus for sterilization of air and objects |
DE102018214646A1 (en) | 2018-08-29 | 2020-03-05 | Robert Bosch Gmbh | Device and method for cleaning and / or sterilizing a gas containing particles and / or germs and control unit |
DE102021000459A1 (en) | 2020-03-20 | 2021-09-30 | Kastriot Merlaku | fan |
DE102021000458A1 (en) | 2020-03-20 | 2021-12-30 | Kastriot Merlaku | Air sterilizer |
CN111603599A (en) | 2020-05-09 | 2020-09-01 | 福建新位激光科技有限公司 | Air curtain type laser aerosol disinfection device and use method |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
DE3805080C2 (en) | CO¶2¶ laser | |
DE102020002707A1 (en) | Disinfection of air with the help of UVC laser beams | |
DE102010047318A1 (en) | Ultraviolet semiconductor light source irradiation device useful for e.g. sterilization and physical excitation of molecules into higher physical excitation state, comprises ultraviolet semiconductor light source and irradiation chamber | |
DD204850A5 (en) | DEVICE FOR STIMULATING BIOLOGICAL PROCESSES | |
Siddique et al. | Mirrorless laser action from optically pumped dye-treated animal tissues | |
DE2226087A1 (en) | Process and laser for the production of a medium with a negative absorption coefficient in the X-ray UV range | |
DE60316929T2 (en) | SOLID BODY LASER DEVICE WITH RADIAL VALENCING PROFILE | |
WO2006010363A2 (en) | Electromagnetic radiation emitter elements and method for generation of population inversions in said emitter elements | |
DE102004061820A1 (en) | Laser system for ionization of sample e.g. biological macromolecule, has solid body or semiconductor as laser unit, which emits pulsed laser radiation in wavelength ranging between specified nanometer | |
DE3505728C2 (en) | ||
DE2144201B2 (en) | Ram laser | |
DE102021101398A1 (en) | Device and method for disinfecting an infectious aerosol, in particular for deactivating pathogens in aerosol droplets | |
DE602004009202T2 (en) | Boost boost with synchronized multi-wavelength pumps in a solid-state laser | |
DE1489376B2 (en) | FLUORESCENT RADIATION SOURCE FOR INCOHAERENT FLUORESCENT LIGHT IN THE DISTANT ULTRAVIOLET SPECTRAL AREA | |
EP3660987A1 (en) | Laser device | |
KR20090052669A (en) | Method for manufacturing activated water by far infrared ray and appratus thereof | |
DE102018214646A1 (en) | Device and method for cleaning and / or sterilizing a gas containing particles and / or germs and control unit | |
DE102019211247B4 (en) | COLD AIR THERAPY UNIT, METHOD OF APPLYING A COOLED AIR FLOW AND USING AN AIR PURIFICATION DEVICE | |
DE1541165A1 (en) | Working methods using laser beams and arrangements for them | |
WO2016128341A1 (en) | Method and system for generating pulsed laser radiation | |
DE102016007736A1 (en) | Method for local modification of a substrate | |
EP2368441B1 (en) | Method and device for accelerated fermentation and aging of alcoholic drinks | |
Novo-Gradac et al. | Infrared to violet up-conversion in YLiF4: Nd3+ | |
EP2514045B1 (en) | Light source and method for producing light | |
DE102007054846A1 (en) | High-energy laser source |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R163 | Identified publications notified |