RU103668U1

RU103668U1 - GAS DISCHARGE PULSE SOURCE OF HIGH-INTENSITY UV RADIATION

Info

Publication number: RU103668U1
Application number: RU2010147268/07U
Authority: RU
Inventors: Сергей Викторович Гавриш; Александр Иванович Кобзарь; Дмитрий Николаевич Кугушев; Владимир Владимирович Логинов; Сергей Геннадьевич Шашковский
Original assignee: Закрытое акционерное общество "Специальное конструкторское бюро "ЗЕНИТ"
Priority date: 2010-11-19
Filing date: 2010-11-19
Publication date: 2011-04-20

Abstract

Газоразрядный импульсный источник высокоинтенсивного ультрафиолетового излучения, содержащий заполненную плазмообразующей средой на основе ксенона прямую трубчатую колбу из прозрачного в ультрафиолетовой области спектра излучения разряда материала, отличающийся тем, что колба выполнена из бесцветного лейкосапфира. A gas-discharge pulsed source of high-intensity ultraviolet radiation containing a straight tube flask filled with a xenon-based plasma-forming medium from a discharge discharge material transparent in the ultraviolet region of the radiation spectrum, characterized in that the flask is made of colorless leucosapphire.

Description

Полезная модель относится к электротехнике, в частности к газоразрядным (ГР) лампам, используемым в качестве источника ультрафиолетового (УФ) излучения в устройствах стерилизации воздушной среды.The utility model relates to electrical engineering, in particular to gas-discharge (GR) lamps used as a source of ultraviolet (UV) radiation in air sterilization devices.

Решение проблем, связанных с эффективным противодействием современному терроризму обострили интерес к системам противодействия акциям с использованием биологического оружия. Так, наиболее опасным и легко осуществимым сценарием возможного террористического акта, по мнению ряда экспертов, считается заброс в систему принудительной вентиляции аэрозоля с биологическими агентами.Solving the problems associated with the effective counteraction against modern terrorism has sharpened interest in systems for countering stocks using biological weapons. Thus, according to a number of experts, the most dangerous and easily feasible scenario of a possible terrorist act is considered to be an aerosol with biological agents being thrown into the forced ventilation system.

Известно, что наиболее эффективным способом, снижающим уровень микробной обсеменности в воздушной среде, является использование УФ излучения, обладающего ярко выраженным бактерицидным действием [1]. Механизм воздействия бактерицидной составляющей УФ излучения на микроорганизмы связан с поглощением живой клеткой энергии бактерицидного излучения [2]. К настоящему времени установлено, что максимальной бактерицидной активностью обладает коротковолновое УФ излучение с длинами волн 200…300 нм.It is known that the most effective way of reducing the level of microbial contamination in the air is the use of UV radiation, which has a pronounced bactericidal effect [1]. The mechanism of action of the bactericidal component of UV radiation on microorganisms is associated with the absorption of bactericidal radiation energy by a living cell [2]. To date, it has been established that short-wave UV radiation with wavelengths of 200 ... 300 nm has the maximum bactericidal activity.

Основной задачей, стоящей перед разработчиками эффективных источников УФ излучения, является обеспечение необходимого уровня интенсивности излучения в заданном спектральном диапазоне и увеличение полезного срока службы (т.н. наработка) источника. Первая задача решается путем выбора оптимального состава плазмообразующей среды, в которой формируется электрический разряд, а вторая - зависит от используемых в ГР источнике излучения материалов и, в первую очередь, материала колбы. Практически во всех современных бактерицидных установках, применяемых в медицинской практике, в качестве источника УФ излучения используются трубчатые ртутные лампы низкого давления [3, 4]. Однако такие лампы имеют ряд недостатков. Так, максимальная энергетическая эффективность ртутных ламп реализуется в очень узком диапазоне физических и энергетических параметров - только при удельной электрической мощности, вкладываемой на единицу длины лампы, не более 1 Вт на 1 см длины. Именно поэтому даже самые мощные ртутные лампы длиной до 1 м по мощности не превышают 100 Вт. В результате интенсивность УФ излучения и, соответственно, облученность обрабатываемого объекта оказывается весьма низкой - микроватты на 1 см². И, следовательно, для набора необходимой биоцидной дозы и осуществления обеззараживающего эффекта требуется длительная экспозиция [5]. Другой существенный недостаток ртутных ламп связан с монохроматичностью (селективностью) испускаемого УФ излучения (254 нм). Но поскольку различные микроорганизмы имеют в УФ области спектра различные спектральные полосы поглощения [6], то эффективно ртутные лампы могут инактивировать только отдельные виды микроорганизмов - те, максимум спектральной чувствительности которых совпадает или достаточно близок к спектральной линии излучения УФ источника - 254 нм. По этой причине ртутные лампы имеют весьма низкую биоцидную эффективность в отношении ряда микроорганизмов, которые могут использоваться в качестве биологических агентов при проведении террористического акта.The main task facing developers of effective sources of UV radiation is to provide the necessary level of radiation intensity in a given spectral range and increase the useful life (so-called operating time) of the source. The first problem is solved by choosing the optimal composition of the plasma-forming medium in which an electric discharge is formed, and the second depends on the materials used in the GR source of radiation and, first of all, the material of the flask. In almost all modern bactericidal plants used in medical practice, low-pressure tubular mercury lamps are used as a source of UV radiation [3, 4]. However, such lamps have several disadvantages. So, the maximum energy efficiency of mercury lamps is realized in a very narrow range of physical and energy parameters - only with a specific electric power invested per unit length of the lamp, not more than 1 W per 1 cm of length. That is why even the most powerful mercury lamps up to 1 m long do not exceed 100 watts in power. As a result, the intensity of UV radiation and, accordingly, the irradiation of the treated object is very low - microwatts per 1 cm ² . And, therefore, for a set of the necessary biocidal dose and the implementation of the disinfecting effect, a long exposure is required [5]. Another significant drawback of mercury lamps is associated with the monochromaticity (selectivity) of the emitted UV radiation (254 nm). But since different microorganisms have different spectral absorption bands in the UV spectral region [6], efficiently mercury lamps can inactivate only certain types of microorganisms — those with a maximum spectral sensitivity that matches or is close enough to the spectral line of the UV source radiation - 254 nm. For this reason, mercury lamps have very low biocidal efficacy against a number of microorganisms that can be used as biological agents in a terrorist attack.

Указанных недостатков лишен источник УФ излучения, используемый при реализации способа экстренной дезинфекции воздуха от всех видов микрофлоры [7], что особенно актуально при осуществлении противодействия террористическим актам с использованием биологических агентов. Этот способ дезинфекции воздушной среды основан на использовании высокоинтенсивного импульсного УФ излучения сплошного спектра. Для инактивации микроорганизмов в данном случае используется УФ излучение, генерируемое импульсной ксеноновой лампой с прямой трубчатой колбой из кварцевого плавленого стекла (типа ИНП), которые до недавнего времени использовались преимущественно в лазерной технике [8]. Спектр излучения такого ГР импульсного источника высокоинтенсивного излучения, выбранного в качестве прототипа, в диапазоне длин волн 200…300 нм - сплошной. Как показали исследования широкоспектральное УФ облучение микроорганизмов обеспечивает инактивацию различных видов микроорганизмов независимо от их индивидуальных спектральных характеристик, причем бактерицидная эффективность высокоинтенсивного импульсного УФ излучения сплошного спектра в диапазоне длин волн 200…300 нм примерно в 30 раз выше эффективности низкоинтенсивного непрерывного УФ излучения, сосредоточенного в линии 254 нм [5].The indicated drawbacks are deprived of the source of UV radiation used in the implementation of the method of emergency disinfection of air from all types of microflora [7], which is especially important when countering terrorist acts using biological agents. This method of disinfection of the air is based on the use of high-intensity pulsed UV radiation of a continuous spectrum. In this case, inactivation of microorganisms uses UV radiation generated by a pulsed xenon lamp with a straight tube bulb made of fused silica glass (IIT type), which until recently were used mainly in laser technology [8]. The emission spectrum of such a GR of a pulsed source of high-intensity radiation, selected as a prototype, is continuous in the wavelength range of 200 ... 300 nm. As studies have shown, the wide-spectrum UV irradiation of microorganisms ensures the inactivation of various types of microorganisms regardless of their individual spectral characteristics, and the bactericidal efficiency of high-intensity pulsed UV radiation of the continuous spectrum in the wavelength range 200 ... 300 nm is approximately 30 times higher than the efficiency of low-intensity continuous UV radiation concentrated in the line 254 nm [5].

Одна из основных эксплуатационных характеристик ГР импульсного источника УФ излучения, используемого в качестве излучающего элемента устройства стерилизации воздушной среды, - его долговечность. Под долговечностью ГР источника излучения принято понимать срок его службы, в течение которого параметры источника сохраняют свои значения в установленных пределах. Долговечность импульсных ГР ламп, применяемых в устройствах стерилизации воздушной среды (частный случай фотоосветительных устройств), исчисляется наработкой, т.е. количеством часов по критерию снижения пиковой силы излучения на 30% [8]. В работе [9] указано, что наработка импульсных ксеноновых ГР ламп с кварцевой трубчатой колбой составляет не более 150 часов. Основной причиной, вызывающей снижение пиковой силы излучения таких ламп, является постепенное уменьшение прозрачности колбы. В работе [8] указано, что это является следствием образования на внутренней поверхности разрядной части колбы уменьшающего прозрачность (в т.ч. в УФ области спектра) налета, возникающего у ламп, работающих в частотном режиме при высокой удельной нагрузке. Исследования состава налета показали, что образующие его компоненты представляют собой продукты диссоциации кремнезема (температура кипения и испарения кварца - 2500°C), возникающие в результате взаимодействия плазмы с кварцем колбы.One of the main operational characteristics of the GR of a pulsed UV radiation source used as a radiating element of an air sterilization device is its durability. Under the durability of the GR of the radiation source, it is customary to understand its service life, during which the parameters of the source retain their values within the established limits. The durability of flash GR lamps used in air sterilization devices (a special case of photo-lighting devices) is calculated by the operating time, i.e. the number of hours by the criterion of reducing the peak radiation power by 30% [8]. In [9], it was indicated that the operating time of pulsed xenon GR lamps with a quartz tube bulb is no more than 150 hours. The main reason for the decrease in the peak radiation strength of such lamps is a gradual decrease in the transparency of the bulb. It was indicated in [8] that this is a consequence of the formation on the inner surface of the discharge part of the bulb reducing transparency (including in the UV spectral region) of plaque that occurs in lamps operating in the frequency mode at high specific load. Studies of the composition of plaque showed that its constituent components are products of silica dissociation (boiling and evaporation of quartz - 2500 ° C) arising from the interaction of plasma with quartz of a flask.

Таким образом, недостаток конструкции ГР импульсного источника высокоинтенсивного УФ излучения, выбранного в качестве прототипа, состоит в снижении пиковой силы УФ излучения в процессе эксплуатации, компенсировать которое можно только за счет увеличения электрической нагрузки, что в свою очередь, с высокой степенью вероятности, может привести к разрушению колбы в следствии возрастания газодинамического воздействия ударных волн и мгновенных термических ударов в момент прохождения импульсного тока короткой длительности [10].Thus, the design disadvantage of the pulsed high-intensity UV radiation source selected as a prototype is a decrease in the peak UV radiation power during operation, which can only be compensated for by increasing the electrical load, which in turn, with a high degree of probability, can lead to to the destruction of the flask due to an increase in the gas-dynamic effect of shock waves and instantaneous thermal shocks at the instant of passage of a pulsed current of short duration [10].

Задача, на решение которой направлена полезная модель, заключается в сохранении прозрачности колбы ГР источника в процессе длительной работы.The problem, which the utility model is aimed at, is to maintain the transparency of the bulb of the source during the long-term operation.

Заявляемый ГР импульсный источник высокоинтенсивного УФ излучения, как и ГР импульсный источник, выбранный в качестве прототипа, снабжен заполненной плазмообразующей средой на основе ксенона прямой трубчатой колбой из прозрачного в УФ области спектра излучения разряда материала. Отличие от прототипа состоит в том, что заявляемый ГР источник высокоинтенсивного УФ излучения снабжен ограничивающей разряд колбой из бесцветного лейкосапфира.The inventive GR pulsed source of high-intensity UV radiation, as well as the GR pulsed source selected as a prototype, is equipped with a filled plasma-forming medium based on xenon with a straight tube flask from a material that is transparent in the UV region of the emission spectrum. The difference from the prototype is that the claimed GR source of high-intensity UV radiation is equipped with a discharge-limiting flask made of colorless leucosapphire.

На фиг.1 приведено схематическое изображение варианта конкретного исполнения заявляемого ГР источника УФ излучения.Figure 1 shows a schematic illustration of a specific embodiment of the inventive GR source of UV radiation.

ГР импульсный источник высокоинтенсивного УФ излучения содержит выполненную из бесцветного лейкосапфира прямую трубчатую колбу 1, на противоположных концах которой герметично установлены электродные узлы 2 и 3. Колба 1 заполнена плазмообразующей средой 4 в виде инертного газа ксенона. Колба 1 представляет собой изготовленную по методу А.В.Степанова [11] монокристалл окиси алюминия (бесцветный лейкосапфир) в виде прямой трубки, который обеспечивает спектральный диапазон пропускания и, соответственно, излучения источника в требуемом диапазоне УФ излучения - 200...300 нм. Температура кипения монокристаллической окиси алюминия значительно выше температуры кипения кварца (3500°C [12]) и, следовательно, изменение прозрачности колбы 1 по указанным выше (применительно к кварцу) причинам отсутствует и не вызывает уменьшения величины пиковой силы УФ излучения источника в процессе его длительной эксплуатации.The GR pulsed source of high-intensity UV radiation contains a straight tubular flask 1 made of colorless leucosapphire, at the opposite ends of which electrode assemblies 2 and 3 are hermetically sealed. The flask 1 is filled with a plasma-forming medium 4 in the form of an inert xenon gas. Flask 1 is an alumina single crystal (colorless leucosapphire) made according to the method of A. Stepanov [11] in the form of a straight tube, which provides a spectral transmission range and, accordingly, a source radiation in the required range of UV radiation - 200 ... 300 nm . The boiling point of single-crystal alumina is much higher than the boiling point of quartz (3500 ° C [12]) and, therefore, there is no change in the transparency of flask 1 for the reasons mentioned above (with reference to quartz) and does not cause a decrease in the peak strength of the UV radiation of the source during its long-term operation.

Экспериментальная проверка заявляемой конструкции осуществлена на базе ГР импульсного источника высокоинтенсивного УФ излучения с лейкосапфировой колбой, внутренний диаметр которой составлял 0,5 см, межэлектродной расстояние - 10 см, а давление ксенона в холодном состоянии - 300 мм рт. ст. Энергия импульса разряда составляла 60 Дж, а частота следования импульсов разряда - 3 Гц.Проведенные испытания показали, что после 300 часов работы уменьшение величины пиковой силы УФ излучения составляло не более 15%. Таким образом технический результат, достигаемый при использовании заявляемого ГР источника УФ излучения, заключается в увеличении наработки (увеличение срока службы при сохранении величины пиковой силы УФ излучения), что крайне важно при аппаратурном использовании такого источника в составе оборудования, предназначенного для экстренной дезинфекции воздушной среды.An experimental verification of the claimed design was carried out on the basis of a pulse source of high-intensity UV radiation with a leucosapphire bulb, the inner diameter of which was 0.5 cm, the interelectrode distance was 10 cm, and the xenon pressure in the cold state was 300 mm RT. Art. The energy of the discharge pulse was 60 J, and the repetition rate of the discharge pulses was 3 Hz. The tests performed showed that after 300 hours of operation, the decrease in the magnitude of the peak strength of UV radiation was no more than 15%. Thus, the technical result achieved by using the inventive GR source of UV radiation is to increase operating time (increase the service life while maintaining the magnitude of the peak strength of UV radiation), which is extremely important when using this source in hardware as part of equipment designed for emergency disinfection of the air.

ГР импульсный источник высокоинтенсивного УФ излучения в соответствии с заявляемым решением разработан для серийного производства с использованием типовых технологий.GR pulse source of high-intensity UV radiation in accordance with the claimed solution is designed for mass production using standard technologies.

Литература:Literature:

1. Лазарев Д.Н. Ультрафиолетовая радиация, М.: Госэнергоиздат, 1950.1. Lazarev D.N. Ultraviolet Radiation, Moscow: Gosenergoizdat, 1950.

2. Конев С.В., Волотовский И.Д. Фотобиология, Минск: Изд. БГУ, 1979.2. Konev S.V., Volotovsky I.D. Photobiology, Minsk: Izd. BSU, 1979.

3. Светотехника, №6, 2004, с.90.3. Lighting engineering, No. 6, 2004, p.90.

4. Справочная книга по светотехнике, М.: Энергоиздат, 1983.4. Reference book on lighting engineering, M .: Energoizdat, 1983.

5. Безопасность жизнедеятельности, 2003, №1, с.32.5. Life Safety, 2003, No. 1, p.32.

6. Стейк Р., Уильяме Д. Основы биологической и медицинской физики, М.: Изд. Иностранной литературы, 1959.6. Steak R., William D. Fundamentals of biological and medical physics, M .: Ed. Foreign Literature, 1959.

7. Патент РФ на изобретение №2001629, 1993.7. RF patent for the invention No. 2001629, 1993.

8. Маршак И.С. Импульсные источники света, М.: Энергия, 1978.8. Marshak I.S. Pulse light sources, M .: Energy, 1978.

9. Газоразрядные источники высокоинтенсивного оптического излучения, М.: Внешторгиздат, 1988.9. Gas-discharge sources of high-intensity optical radiation, M .: Vneshtorgizdat, 1988.

10. Светотехника, №2, 1973, с.12.10. Lighting engineering, No. 2, 1973, p.12.

11. Антонов П.И., Затуловский Л.М., Костылев А.С., Получение профилированных монокристаллов и изделий методом Степанова, Л.: Наука, 1971.11. Antonov P.I., Zatulovsky L.M., Kostylev A.S., Production of profiled single crystals and products by the Stepanov method, L .: Nauka, 1971.

12. Классен-Неклюдова М.В., Багдасаров Х.С., Рубин и сапфир, М.: Наука, 1974.12. Klassen-Neklyudova M.V., Bagdasarov H.S., Rubin and sapphire, Moscow: Nauka, 1974.

Claims

A gas-discharge pulsed source of high-intensity ultraviolet radiation containing a straight tube flask filled with a xenon-based plasma-forming medium from a material discharge that is transparent in the ultraviolet region of the radiation spectrum, characterized in that the flask is made of colorless leucosapphire.