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Ultraviolett-Bestrahlungsgerät mit veränderbarer Einstellbarkeit
der Anteile der ultravioletten Strahlung der verschiedenen spektralen Teilbereiche
Die ultraviolette Strahlung für Bestrahlungen erstreckt sich über ein Spektralgebiet,
das von der Wellenlänge 400 mm bis zu Wellenlängen unter 200 my reicht. Genauso
wie das Spektrum sichtbaren Lichts in einzelne Farbbereiche (Rot bis Violett) unterteilt
wird, so ist auch für das UV-Spektrum eine Unterteilung üblich geworden, welche
die biologische und photochemische Wirkung ultravioletter Strahlung kennzeichnet.
Man unterscheidet im Ultraviolett folgende Bereiche: UV-A (langwelliges UV) 400
bis 315 m;i, das relativ energiearm ist und z. B. für eine sichtbare Wirkung auf
die menschliche Haut (Direkt-Pigment) etwa die 200fache Dosis braucht wie UV-B (mittelwelliges
UV) 315 bis 280m.
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Die kürzesten Wellenlängen der natürlichen Höhensonne liegen in diesem
Bereich. Die menschliche Haut ist UV-Strahlung unter 315 mp nicht gewohnt und reagiert
mit einer kräftigen Abwehr ( Erythem, nachfolgende Hornhautverdickung und Pigment).
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UV-C (kurzwelliges UV) unter 280 my, eine energiequantenreiche Strahlung
mit hohem photochemischem Effekt, z. B. baktericid, vitaminbildend, unter 200 mp
ionisierend (Ozon) usw.
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Ultraviolette Strahlen finden in der Medizin, Kosmetik und Technik
eine vielfältige Anwendung. Als UV-Strahlenquellen stehen zur Verfügung: offene
Bogenlampen (Effekt-Kohlen) und Gas-Metalldampf-Entladungslampen (Hg, Cd, Ve...).
Seit der Erfindung von Quecksilberdampf - Hochdruck - Quarzlampen (HgHQ-Lampen)
im Jahre 1906 werden diese wegen ihrer Einfachheit und Wirtschaftlichkeit fast ausschließlich
als UV-Strahlenquellen benutzt. Deshalb wird auf diese Lampen bzw. Brenner nachfolgend,
jedoch immer nur stellvertretend für alle anderen Arten von UV-Strahlern, Bezug
genommen.
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HgHQ-Lampen -- gleichgültig, ob üblicherweise mit 1 oder mit 10 at
Hg-Dampfdruck betrieben haben ein UV-Spektrum, dessen Energie auf die drei Wellenlängenbereiche
etwa gleichmäßig verteilt ist: UV-A: UV-B: UV-C = 1:1:1.
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Es werden, grob gerechnet, in jedem der drei Wellenbereiche 7 Watt
je 100 Watt aufgenommener Leistung, insgesamt also etwa 20 Watt UV-Strahlung je
100 Watt HgHQ-Leistung, ausgetrahlt. Diese grobe Aufschlüsselung erhebt keinen Anspruch
auf Exakt-
heit, kennzeichnet aber den für die Erfindung wichtigen Sachverhalt.
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Die Energieverteilung im Spektrum der natürlichen Höhensonne ist
hingegen UV-A: UV-B: UV-C = 200: 0. Demzufolge ist auch die Wirkung der natürlichen
Höhensonne eine andere wie die der künstlichen Höhensonne«, d. H. einer HgHQ-Lampe.
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Es hat nicht an Versuchen gefehlt, elektrische UV-Strahler in ihrer
spektralen Energieverteilung der natürlichen Höhensonne anzugleichen. Meist hat
man HgHQ-Lampen durch beschränkt UV-durchlässige Spezialgläser gefiltert. (Man kann
natürlich die HgHQ-Strahlung auch durch Hautcreme filtern.) Aber eine Hautpigmentierung,
wie sie sich unter der natürlichen Höhensonne erreichen läßt, können gefilterte
UV-Strahler nicht vermitteln.
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Die Sonne hat eine außerordentlich starke UV-A-Strahlung. Wenn man
eine HgHQ-Lampe durch Filterung völlig sonnengleich macht, dann muß man, um eine
Pigmentierung der Haut zu erzielen, eine mehr als 200fache Strahlendosis verabreichen,
wie bei einer ungefilterten HgHQ-Lampe nötig wäre, um ein Erythem mit nachfolgendem
Pigment zu erhalten. Das würde eine mehr als 200fache Erhöhung der HgHQ-Lampenleistung
oder eine entsprechende Verlängerung der Bestrahlungszeit bedeuten. Beides ist in
dem erforderlichen Maße technisch verfahrensmäßig nicht möglich.
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So kommt es, daß alle künstlichen »UV-Sonnen«, d. h. alle (gefilterten)
Quarzlampen, mit einem relativ starken UV-B-Anteil in der Strahlung arbeiten. Durch
Filtrierung wird das Normalspektrum UV-A: UV-B: UV-C 1:1:1 in ein angeblich )>sonnenähnliches
«
Spektrum UV-A: UV-B: UV-C = I zu etwa 0,2 bis 0,5: 0 verwandelt. Da aber die Haut,
wie die bekannte Erythem-Kurve nach Hausser und Vahle zeigt, für UV-B überempfindlich
ist, resultiert die Hautpigmentierung dann stets aus dem UV-B-Anteil, der allerdings
beim natürlichen Sonneneffekt auch eine maßgebende Rolle spielt.
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HgHQ-Lampen werden nicht nur aus kosmetischen, sondern auch aus medizinischen
und technischen Gründen gefiltert. Folgende Konstruktionen gefilterter UV-Strahler
sind bekanntgeworden: 1. HgHQ-Lampen in Spezialglaskolben, 2. HgHQ-Lampen mit zusätzlichen
Spezialglasfiltern, 3. HgHQ-Lampen in oder hinter Glasfiltern, die sich durch Verschieben
öffnen oder schließen lassen oder ein verstellbares Austrittsfenster besitzen.
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Während die erstgenannten UV-Strahler ein konstantes UV-Spektrum
(UV-A: UV-B: UV-C 1 I zu etwa 0,2 bis 0,5: 0) ausstrahlen, ist dieses im Fall 3
in Grenzen variierbar (UVA-A: UV-B: UV-C -- 1: 0 bis 1: 0 bis 1). Die Konstruktion
2 erlaubt mehr Varianten, ist jedoch durch die Verwendung zusätzlicher Filter umständlich.
Durch die Erfindung wird eine Lösung des gestellten Problems ermöglicht, die die
Nachteile der bekannten Konstruktionen überwindet und darüber hinaus die UV-Bestrahlungstechnik
beträchtlich erweitert und vereinfacht.
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Die Erfindung betrifft ein Ultraviolett-Bestrahlungsgerät, das dadurch
gekennzeichnet ist, daß zur Erzielung der gewünschten spektralen Zusammensetzung
der Gesamtbetrahlungsdosis die Zeit der vom Gerät abgegebenen Strahlung in den verschiedenen
UV-Spektralgebieten unterschiedlich einstellbar ist und nach Abgabe der für das
jeweilige Spektralgebiet gewünschten Dosis auf mechanischem oder elektromechanischem
Wege selbsttätig abgebrochen wird.
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Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß es in der UV-Betrahlungstechnik
in den meisten Fällen nicht darauf ankommt, das Spektrum der Strahlung einer HgHQ-Lampe
bzw. eines anderen UV-Strahlers durch Filtrierung dem erstrebten Zweck möglichst
genau anzupassen. Alle UV-Betrahlungseffekte treten fast ohne Trägheit ein und werden
in dem bestrahlten Objekt gespeichert. Die Gesamtwirkung einer UV-Bestrahlung ist
abhängig von der verabfolgten Gesamtdosis, wobei es gleichgültig ist, ob alle Teileffekte
gleichzeitig oder im Laufe einer Bestrahlung nacheinander auftreten. Deshalb kann
auch eine Bestrahlung in zeitlich aufeinanderfolgenden, spektral verschiedenen Abschnitten
erfolgen, wenn z. B. ein Gesamteffekt gewünscht wird, der nur in verschiedenen Spektralbereichen
zustande kommt. Bei biologischen Bestrahlungen handelt es sich meist um derartige
komplexe Effekte.
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Gesetzt den Fall, es soll eine UV-Dosis verabfolgt werden, bei der
UV-A: UV-B: UV-C 200:1:1 im Verhältnis steht. Dann könnte man einen herkömmlichen
Strahler mit 200-Watt-Quarzbrenner und einstellbarem Filter - gemäß der bekannten
Konstruktion 3 - verwenden und das Filter so gering öffnen, daß nur ein Zweihundertstel
der ungefilterten UV-Strahlung austreten kann. Die Bestrahlungszeit richtet sich
nach der auf ein Zweihundertstel reduzierten, sehr schwachen UV-B/UV-C-Strahlung.
Abgesehen davon, daß eine so präzise Einstellbarkeit des Filters unüberwindliche
Schwierigkeiten bereitet, ist eine wesentliche
Verlängerung der Bestrahlungszeit
in der Regel untragbar.
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In Ausführung des Erfindungsgedankens wird hingegen vorgeschlagen
z. B. einen Strahler zu verwenden, in dem zwei HgHQ-Lampen vorhanden sind, von denen
die eine z. B. 1000 Watt leistet und ein geschlossenes Filter besitzt. das nur UV-A
durchläßt, während die andere HgHQ-Lampe nur 100 Watt leistet und ungefiltert ist.
Außerdem sind Zeitschalter vorhanden, welche die Betriebsdauer der beiden HgHQ-Lampen
unabhängig voneinander regeln. Mit diesem im Sinne der Erfindung ausgebildeten Bestrahlungsgerät
kann die Bestrahlung gegenüber dem vorerwähnten, herkömmlichen Strahler auf 20°/o
verkürzt werden. Das Mischungsverhältnis UV-A: UV-B: UV-C = 200: 1: 1 wird dadurch
erreicht, daß der ein Zehntel schwächere, ungefilterte HgHQ-Brenner nur für ein
Zwanzigstel der Bestrahlungszeit eingeschaltet wird. Diese Einschaltung kann vorher,
gleichzeitig oder abschließend erfolgen, so wie der Bestrahlungsablauf durch die
Zeitschalter eingestellt ist. Für die Gesamtdosis und -wirkung der Bestrahlung ist
das normalerweise gleichgültig. Durch die Erfindung ist es ebenfalls möglich, eine
quasi konstante, beliebig in ihrer Zusammensetzung einstellbare UV-Strahlung zu
verabfolgen, wenn z. B. bewegte Objekte (Bestrahlungsgut auf laufendem Band, durch
Bestrahlungsgänge wandernde Menschen usw.) es erfordern. In diesen Fällen wird die
kurzzeitige UV-Strahlenbeigabe intermittierend gestaltet.
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Es ist unverkennbar, daß das im Sinne der Erfindung ausgebildete
Bestrahlungsgerät entscheidende Vorteile gegenüber dem herkömmlichen bietet. Dabei
handelt es sich nur um ein Beispiel für die Erfindung, bezogen auf einen speziellen
gedachten Fall. Die Erfindung basiert auf der Berücksichtigung des Zeitfaktors,
dem bei der Dosierung von UV-Bestrahlungen die gleiche Bedeutung zukommt wie der
spektralen Energie.
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Alle bisherigen Versuche, die spektrale Energieverteilung von UV-Strahlenquellen,
insbesondere von HgHQ-Lampen, durch Filtrierung zu verändern, gehen hingegen nur
davon aus, das physikalisch gegebene Spektrum vom kurzwelligen Ende her zu verkürzen
oder teilweise zu unterdrücken, so daß der Strahler eine eingestellte, konstante
Strahlung während der Bestrahlung abgibt. An den zweiten Faktor der Strahlendosis,
an den Zeitfaktor wurde nicht gedacht.
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Für die technische Ausführung des Erfindungsgedankens bieten sich
unter anderem folgende Variationsmöglichkeiten für die zeitliche Zusammensetzung
spektral verschiedener UV-Dosiseinheiten an.
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Einstellbare elektrische oder mechanische Zeitelemente verändern während
des Betriebes, gegebenenfalls intermittierend, die Strahlung durch 1. Öffnen, Schließen
oder Verschieben von Filtern, 2. Einschalten verschiedener selektiv reflektierender
Reflektoren, 3. eine oder beide der unter 1 und 2 genannten Maßnahmen bei eventuell
gleichzeitiger Veränderung der elektrischen Leistung der UV-Strahlenquellen, 4.
Zu- oder Abschalten mehrerer verschiedenartiger UV-Strahlenquellen.
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Das Öffnen oder Verschieben von Filtern vor oder um UV-Strahlenquellen
und die Verwendung selektiver Reflektoren ist bekannt. Ebenso ist es nicht neu,
die
elektrische Leistung von UV-Strahlern zu verändern. Geräte mit mehreren Strahlenquellen
sind gleichfalls bekannt. Jedem Fachmann ist es geläufig, daß eine Strahlendosis
das Produkt aus Bestrahlungsintensität und -zeit ist. Aber bisher ist trotzdem nicht
vorgeschlagen oder versucht worden, diese bekannten Erfahrungen bei der Konstruktion
eines UV-Bestrahlungsgerätes zu verwenden, das es ermöglicht, eine UV-Dosis mit
in weiten Grenzen beliebiger Energieverteilung zu verabfolgen. Dazu ist es nötig,
in neuartiger Weise an sich bekannte Elemente im Sinne der Erfindung zu kombinieren.
So ergibt sich eine UV-Bestrahlungsanlage, die bisher unerfüllte Wünsche verwirklicht
und die UV-Bestrahlungstechnik außerordentlich erweitert.