RU2228766C1 - Устройство для комбинированной бактерицидной обработки - Google Patents

Abstract

Настоящее изобретение относится к электротехническим устройствам, используемым для обеззараживания инфицированных патогенной микробной флорой различных сред и объектов, и, в частности, к микроволновым устройствам бактерицидного облучения электромагнитными волнами ультрафиолетового (УФ) и сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазонов. Устройство содержит СВЧ-тракт, по меньшей мере один участок которого снабжен излучателем энергии СВЧ в виде по крайней мере одной СВЧ-прозрачной щели и источником УФ оптического излучения, размещенным соосно с трактом и выполненным в виде осесимметричной безэлектродной СВЧ-газоразрядной лампы, в СВЧ- и УФ-прозрачной вакуумно-плотной оболочке которой вдоль оси симметрии сформирована сквозная вневакуумная полость, СВЧ-тракт выполнен в виде коаксиальной линии передачи, центральный проводник которой на участке с излучателем энергии СВЧ и безэлектродной СВЧ-газоразрядной лампой размещен в сквозной вневакуумной полости безэлектродной СВЧ-газоразрядной лампы, а наружный проводник азимутально охватывает ее, при этом СВЧ-прозрачные щели излучателя расположены в наружном проводнике коаксиальной линии поперек ее оси и выполнены УФ-прозрачными. Изобретение позволяет создать конструкцию устройства комбинированного бактерицидного воздействия, обеспечивающую недопущение “загрязняющих” ТЕ и ТМ волн низших типов, приводящих к отказу в работе устройства в целом; расположение ламп в зоне с высокой амплитудой напряженности СВЧ-электрического поля; возможность работы устройства на более низких разрешенных частотах СВЧ-накачки. 4 ил.

Description

Настоящее изобретение относится к электротехническим устройствам, используемым для обеззараживания инфицированных патогенной микробной флорой различных сред и объектов, и, в частности, к микроволновым устройствам бактерицидного облучения электромагнитными волнами ультрафиолетового (УФ) и сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазонов.

Известны различные устройства для стерилизации и обеззараживания воздуха, поверхностей предметов, а также жидких сред с помощью автономных воздействий УФ-, СВЧ-облучений и озона. Также известны установки камерного, погружного и проточного типа, использующие комбинированное УФ-СВЧ и озонное воздействие.

Ряд технических решений, относящихся к конкретным устройствам УФ-облучателей, отражен в общетехнической литературе (например: Сарычев Г.С. "Облучательные светотехнические установки". Энергоатомиздат, 1992 - [1]). Практически осуществленные установки, содержащие источники УФ-излучения (в том числе озонообразующие), используют преимущественно ртутные газоразрядные лампы, питаемые от электрической сети через соответствующие пускорегулирующие аппараты (ПРА).

Однако известны и источники УФ-излучения, использующие безэлектродные СВЧ-газоразрядные лампы, питаемые непосредственно СВЧ-энергией. Более того, на рубеже веков получили известность и бактерицидные устройства комбинированного действия, в которых СВЧ-излучение является и бактерицидным фактором, и инициатором УФ-излучения безэлектродной лампы, при этом УФ-излучение служит и бактерицидным фактором, и инициатором образования озона, а совокупное воздействие всех трех факторов приводит к наиболее эффективному уничтожению болезнетворных микроорганизмов, демонстрируя явление синергизма.

Так, примерами устройств, близких к заявляемому объекту либо по идеям и задачам, либо по отдельным техническим подходам, являются следующие.

В публикации Шлифера Э.Д. "Некоторые особенности и проблемы в создании осветительных и облучательных устройств на базе безэлектродных газоразрядных ламп с СВЧ-накачкой", Светотехника 1/99, янв.-февр. 1999, с.8-9, фиг.4, 5 - [2] представлена установка, содержащая и источник СВЧ-энергии, и источник бактерицидного и озонообразующего УФ-излучения, которая является аналогом заявляемого объекта. Более детально конструкция этой установки описана в Патенте РФ №2173562, МКИ A 61 L 11/00, 2/12, 2/20, Опубл. в бюлл. №26 20.09.2001, автор Шлифер Э.Д. - [3], и, тем самым, также относящаяся к числу аналогов.

Особенности конструкции аналога [2, 3], сходного по отдельным признакам с заявляемым объектом, состоят в следующем.

1. В установке имеется по меньшей мере одна так называемая "ведущая" УФ-безэлектродная СВЧ-газоразрядная лампа (см. фиг.4, 5 из [2]), выполненная в форме коаксиального сосуда Дюара со сквозной вневакуумной полостью. Указанная полость ограничена внутренней боковой стенкой вакуумно-плотного баллона лампы.

2. В сквозной вневакуумной полости соосно укреплена (вклеена) металлическая втулка, которая служит для сочленения лампы с коаксиальным трактом СВЧ-накачки и в сочлененном положении является продолжением наружного проводника этого коаксиального СВЧ-тракта. Указанная втулка (продолжение наружного проводника) имеет осевую протяженность в сквозной полости баллона лампы существенно меньшую, чем длина лампы и, соответственно, ее сквозной полости.

3. Центральный (внутренний) проводник коаксиальной линии передачи, канализирующей СВЧ-энергию накачки, имеет излучающий конец, консольно выступающий за пределы длины наружного проводника (включая длину втулки, являющейся "принадлежностью" безэлектродной лампы). Этот выступающий в сквозную полость лампы СВЧ-излучатель простирается на некоторое осевое расстояние, определяемое не длиной лампы, а требуемым эквивалентным сопротивлением излучения. Поэтому, как видно из фиг.5 [2], СВЧ-излучающий конец внутреннего проводника не выступает за пределы длины лампы.

4. И оптическое УФ-излучение, и СВЧ-излучение локализованы в замкнутом объеме рабочей камеры, где и осуществляется бактерицидная комбинированная обработка помещенных в камеру объектов (в т.ч. жидких сред пропускаемых по встроенному в камеру СВЧ- и УФ-прозрачному змеевику). При этом рабочая камера установки [2, 3] является многовидовым СВЧ-резонатором со сложной топографией СВЧ-поля. Соответственно, несмотря на то, что СВЧ-энергия накачки поступает по коаксиальной линии в УФ-лампу на ТЕМ волне с азимутально симметричным распределением поля излучения, результирующее поле в зоне расположения лампы оказывается в общем случае неоднородным и в осевом, и в радиальном, и в азимутальном направлениях. Для камерной установки по [2, 3] эта ситуация вполне приемлема, особенно с учетом наличия вращающегося поддона, перемещающего обрабатываемые предметы относительно облучающего поля.

Подчеркнутые выше особенности аналога [2, 3] относятся главным образом к использованным в устройстве форме безэлектродной лампы и адекватному конструкторскому исполнению электродинамического сопряжения этой лампы с источником СВЧ-энергии. Оптимальность реализованного в [2, 3] технического решения заключается в обеспечении в рабочей камере устойчивого зажигания и поддержания безэлектродного разряда (на что затрачивается ~10-15% СВЧ-энергии накачки) при одновременном поступлении в камеру непоглощенной в разряде СВЧ-мощности для облучения подлежащих бактерицидной обработке объектов. При этом, если в камере (см, фиг.5 из [2]) установлена (закреплена посредством упомянутой втулки) вторая, так называемая "ведомая", лампа, аналогичная по конструкции "ведущей", то в том же СВЧ-поле, локализованном в камере, зажигается разряд и в ведомой лампе, на что также затрачивается несколько процентов СВЧ-энергии накачки.

Недостатком рассмотренного аналога является непригодность этого устройства в том его виде, который предусмотрен в [2, 3], для комбинированной бактерицидной обработки сред и объектов, находящихся вне камеры. Это обстоятельство существенно сужает возможности осуществления комбинированной бактерицидной обработки инфицированных объектов на местности, крупногабаритных предметов и жидких сред в промышленных масштабах. Иными словами, недостаток связан не с низкой эффективностью или нестабильностью работы устройства, а с ограниченной сферой его возможных применений.

Известен аналог заявляемого объекта, служащий для обеззараживания жидких сред в погружной или промачиваемой установке. Этот аналог, наиболее близкий к заявляемому объекту, представлен в Патенте РФ №2173561, МКИ A 61 L 2/08, 2/12, опубл. в бюлл. №26 от 20.09.2001, автор Шлифер Э.Д. - [4]. Устройство [4] является, как и [2, 3], одновременно источником СВЧ-энергии и УФ-оптического излучения (бактерицидного и озонообразующего диапазонов) и по совокупности признаков, охватывающих и часть признаков аналога [2, 3], может быть признано прототипом.

В устройстве-прототипе [4], как и в [2, 3], источником УФ-излучения является по крайней мере одна осесимметричная безэлектродная СВЧ-газоразрядная лампа, а в общем случае - последовательность ряда ламп, размещенных вдоль общей оси. Каждая лампа имеет СВЧ- и УФ-прозрачную вакуумно-плотную оболочку с коаксиальными наружной и внутренней боковыми стенками. Внутренняя стенка оболочки ограничивает сквозную вневакуумную полость. В сквозных полостях ламп соосно с их общей осью расположен СВЧ-тракт, выполненный в виде волновода круглого сечения с рабочим типом волны TE₀₁, характеризующимся наличием только кольцевых СВЧ-токов в стенке волновода. В стенке волновода выполнены сквозные продольные щели, которые в результате их пересечения кольцевыми СВЧ-токами являются СВЧ-излучающими (или, что то же самое - СВЧ-прозрачными). Тем самым каждая безэлектродная лампа, охватывающая круглый волновод на участке расположения СВЧ-прозрачных щелей, оказывается в азимутально-симметричном СВЧ-поле излучения, часть энергии которого инициирует и поддерживает безэлектродный СВЧ-разряд в парогазовой смеси (в типичном случае - аргонно-ртутной). При этом типичное значение температуры оболочки лампы в стационарном режиме разряда низкого давления должно и может быть обеспечено в интервале 60-70°С. Не поглощенная разрядом значительная часть СВЧ-энергии излучается в пространство, окружающее лампу. В прототипе [4] в его "погружном" построении эта излученная СВЧ-энергия, как и Уф-излучение лампы, поглощается непосредственно в обрабатываемой жидкой среде, практически не отражаясь к лампе. Аналогичное поглощение СВЧ- и УФ- излучений осуществляется и в варианте построения прокачиваемой бактерицидной установки, содержащей согласно [4] трубопровод с проточной жидкостью, охватывающий лампу по ее периферии. В этом варианте в [4] предусмотрено выполнение наружной стенки трубопровода СВЧ- и светонепрозрачной, что не допускает выхода излучений в окружающее пространство за пределы трубопровода. Это является важным функциональным признаком прототипа.

Важным конструктивным признаком, как видно из приведенного выше рассмотрения, является то, что СВЧ-тракт размещен внутри сквозной вневакуумной полости лампы (или последовательности ряда ламп), а разрядный объем каждой лампы, ограниченный стенками ее баллона, локализован вне тракта. Упрощенно говоря: лампа (или группа ламп) нанизана на СВЧ-тракт с его внешней стороны. Заметим, что эта конструктивная особенность сохраняется независимо от того, какой тип волны канализируется по этому СВЧ-тракту: "чистая" или "загрязненная" паразитными низшими волнами ТЕ₀₁ волна.

Следует подчеркнуть еще одну особенность прототипа. СВЧ-прозрачность щелей, выполненных в стенке волновода, является принципиально необходимой для работы устройства, тогда как в прозрачности щелей для УФ-оптического излучения лампы никакой необходимости нет. Более того, "прохождение" УФ-излучений сквозь щели в волновод - это потери мощности бактерицидного УФ-потока, облучающего обеззараживаемый объект.

Общепотребительским недостатком устройства-прототипа [4] является его неуниверсальность или относительно узкоцелевое построение, обеспечивающее эффективную комбинированную бактерицидную обработку жидких сред, находящихся в резервуарах, лотках и совмещенных с СВЧ-УФ-устройством трубопроводах, но при этом не пригодное для обработки зараженных объектов "на местности", таких, как, например, поверхности стен, полов, мебели, больничных коек и др. местных предметов, спецодежды, больничного мусора, пищевых, животноводческих и др. инфицированных отходов, а также пищевых продуктов в их различной форме.

Этот недостаток прототипа [4], строго говоря, относится не к конкретной его конструкции, решающей свой круг задач, а к ситуации, складывающейся в общей системе обеспечения санэпидемической безопасности населения.

Эта ситуация характеризуется недостаточностью арсенала технических средств, пусть узкоцелевых, но выполненных в необходимом количестве модификаций и разновидностей (по производительности, способам базирования и, конечно, по пригодности для обработки определенных классов объектов в стационарных и иных условиях, в т.ч. в полевых, чрезвычайных и т.п.).

Конкретными же недостатками конструктивного построения прототипа [4] можно считать следующие:

1. Использование в тракте не низшего рабочего типа волны TE₀₁ диктует условия выбора диаметра круглого волновода: D>λ_pa6/0,82, где λ_раб - длина волны, соответствующая рабочей частоте в разрешенном диапазоне. В волноводе такого диаметра на той же рабочей длине волны λ_раб могут распространяться конкурирующие ("загрязняющие") ТЕ и ТМ волны низших типов, на которые "перекачивается" часть энергии волны TE₀₁ и для которых значительная часть СВЧ-токов не пересекает щелевые излучатели, т.е. как бы не участвует в возбуждении безэлектродного разряда в лампе и не переносит СВЧ-энергию в обрабатываемый объект. Иными словами, частично утрачивается СВЧ-прозрачность щелей. Образующиеся в тракте стоячие волны низших типов могут нарушить работу генератора СВЧ энергии (магнетрона) вплоть до "срыва" колебаний и гибели генератора. Это означает "катастрофический" отказ в работе устройства в целом. Но даже если такого отказа не произойдет, то для возбуждения разряда в безэлектродной лампе (лампах) могут оказаться недостаточными амплитуды рабочего поля излучения у щелевых излучателей. Поэтому надежность работы устройства в целом при конкуренции типов волн существенно падает. Отсюда необходимость принятия в устройстве [4] специальных мер для подавления конкурирующих типов волн. В прототипе эти меры не предусмотрены.

2. Еще один недостаток конструкции прототипа [4] связан с внетрактовым (наружным) расположением ламп, обуславливающим их нахождение в зоне относительно невысоких амплитуд напряженности СВЧ-электрического поля излучения даже при распространении по тракту рабочей TE₀₁-волны, не "загрязненной" конкурирующими низшими типами волн. Если учесть, что указанные амплитуды к тому же убывают вдоль радиуса поперечного сечения лампы, то надежность "зажигания" и поддержания СВЧ-разряда (в одной лампе или в нескольких из последовательности) может оказаться труднодостижимой. Незажигание ламп является хотя и не катастрофическим, но функциональным отказом устройства.

3. Наконец, последний (по порядку перечисления, но не по значимости) недостаток прототипа состоит в невозможности его использования на какой-либо из других более низких разрешенных частот СВЧ-накачки, кроме той, на которую рассчитаны и выбраны размеры СВЧ-тракта - круглого волновода с TE₀₁ волной. Покажем это на примере.

Если устройство рассчитано на разрешенную рабочую частоту f=2450 МГц (длина волны λ_раб ≈ 12,24 см), то диаметр круглого волновода должен быть D_в ≈ 1,2λ_раб/0,82≈18,0 см. Если желательно перейти на другую разрешенную частоту f=915 МГц (длина волны λ_раб ≈ 32,79 см), то диаметр волновода уже должен быть D_в ≈ 1,2λ_раб/0,82≈48 см, а в волноводе с D_в=18 см распространение TE₀₁ волны на частоте 915 МГц невозможно (он запределен). Если, наоборот, волновод с D_в=48 см, допускающий работу на низкой (915 МГц) частоте, использовать на рабочей частоте 2450 МГц, то в нем будет распространяться множество "загрязняющих" низших ТЕ и ТМ типов волн с отмеченными выше последствиями.

Кроме отмеченного видно, что для работы на относительно низкой разрешенной частоте (915 МГц) поперечные размеры тракта, а следовательно, и ламп, азимутально охватывающих тракт, должны быть весьма большими, что делает все устройство-прототип [4] требующим весьма мощных СВЧ-генераторов, громоздким, материалоемким и технологически трудно осуществимым, но главное - пригодным для использования только в крупных стационарных резервуарах, емкостях и т.п. - иными словами, пригодным только для "промышленных" масштабов применения.

Таким образом, резюмируя сказанное, недостатки прототипа можно кратко определить как:

- непригодность для построения мобильных установок обеззараживания местных предметов;

- неуниверсальность в отношении выбора разрешенных частот;

- ненадежность зажигания и поддержания СВЧ-разряда в безэлектродных лампах, в частности, из-за отсутствия мер по устранению низших типов волн в СВЧ-тракте;

- громоздкость устройства в целом, непригодность для индивидуальных пользователей, в т.ч. в бытовых применениях.

Все вышесказанное свидетельствует о том, что наличие (да и появление в последние годы) новых эффективных устройств комбинированного бактерицидного действия [1-4] все же не обеспечивает требуемой полноты арсенала средств борьбы с болезнетворными микроорганизмами.

Конкретной задачей изобретения является создание конструкции устройства комбинированного бактерицидного воздействия, обеспечивающей:

- недопущение "загрязняющих" ТЕ и ТМ волн низших типов, приводящих к отказу в работе устройства в целом;

- расположение ламп в зоне с высокой амплитудой напряженности СВЧ-электрического поля;

- возможность работы устройства на более низких разрешенных частотах СВЧ-накачки.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении предлагаемого устройства, отвечающего поставленной задаче, состоит по меньшей мере в следующем.

Во-первых, повышение надежности работы устройства в целом.

Во-вторых, надежность зажигания СВЧ-разряда в безэлектродных лампах и безотказность в эксплуатации.

В-третьих, обеспечивается малогабаритность и универсальность устройства в отношении выбора и использования рабочей частоты СВЧ-излучения и, соответственно, глубины его проникновения в облучаемый объект, будь то жидкий, твердофазный или газообразный.

В-четвертых, увеличение допустимого разнообразия облучаемых объектов (их форм, местоположений, структуры, состава, агрегатного состояния, подвижности).

Тем самым обеспечивается возможность комплексного дезинфицирующего воздействия СВЧ-УФ-излучений и образующегося озона на зараженные (случайно или преднамеренно) местные (в т.ч. дистанцированные от облучателя) предметы различных конфигураций, обсемененные патогенными микроорганизмами, при одновременном обеззараживании воздушной (или пылевоздушной) среды, находящейся в контакте с зараженными объектами. Это уменьшает опасность распространения болезнетворных микроорганизмов конвекционными и иными потоками атмосферного воздуха.

В целом обеспечивается возможность расширения сфер применения эффективных способов комбинированной бактерицидной обработки сред и объектов с одновременным повышением надежности устройств, предназначенных для осуществления этой обработки.

Решение вышесформулированной задачи и соответствующий указанный технический результат достигаются тем, что в предлагаемом устройстве для комбинированной бактерицидной обработки, содержащем СВЧ-тракт, по меньшей мере один участок которого снабжен излучателем энергии СВЧ в виде по крайней мере одной СВЧ-прозрачной щели и источником УФ-оптического излучения, размещенным соосно с трактом и выполненным в виде осесимметричной безэлектродной газоразрядной лампы, в СВЧ- и УФ-прозрачной вакуумно-плотной оболочке которой вдоль оси симметрии сформирована сквозная вневакуумная полость, СВЧ-тракт выполнен в виде коаксиальной линии передачи, центральный проводник которой в каждом участке с излучателем энергии СВЧ и лампой размещен в сквозной вневакуумной полости лампы, а наружный проводник азимутально охватывает ее, при этом СВЧ-прозрачные щели излучателя расположены в наружном проводнике коаксиальной линии поперек ее оси и выполнены УФ-прозрачными.

Дополнительные достоинства заявляемого объекта таковы:

- обеспечивается возможность формирования сфокусированных и расфокусированных бактерицидных потоков СВЧ и УФ-излучений с различными требуемыми формами диаграмм направленности (в том числе с неодинаковыми формами для СВЧ- и для УФ-потоков) путем постановки в предлагаемое устройство тех или иных внешних отражателей. Это также расширяет сферу применения устройства и возможности его базирования на передвижных, переносных, стационарных носителях и тем самым пополняет арсенал технических средств, призванных обеспечить безопасную бактериологическую обстановку в среде обитания, в том числе и в условиях борьбы с бактериологическим терроризмом;

- построение предложенного устройства оставляет и возможность его непосредственного использования в замкнутой рабочей камере и, более того, допускает одновременное использование множества аналогичных устройств для создания крупных производственных бактерицидных и технологических установок с наперед запрограммированным пространственно-временным распределением СВЧ- и УФ-излучений;

- сохраняется возможность использования устройства в погружных построениях путем постановки внешнего СВЧ- и УФ-прозрачного (например, кварцевого) герметизирующего чехла (колпака) без вмешательства в конструкцию заявляемого объекта.

Сопоставительный анализ предлагаемой конструкции устройства для комбинированной бактерицидной обработки с уровнем техники и отсутствие описания аналогичного технического решения в известных источниках информации позволяет сделать вывод о соответствии предложенного устройства критерию "новизна". Заявленное устройство характеризуется совокупностью признаков, проявляющих новые качества, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "изобретательский уровень".

На фиг.1 схематично показан вариант однолампового устройства для комбинированной бактерицидной обработки.

На фиг.2 показан вариант исполнения наружного проводника в устройстве для комбинированной бактерицидной обработки.

На фиг.3 схематично показан фрагмент поперечного сечения антенно-облучательной установки с цилиндропараболическим внешним СВЧ- и УФ-отражателем на базе устройства для комбинированной бактерицидной обработки.

На фиг.4 схематично показана антенно-облучательная установка в целом.

На фиг.1 представлена одноламповая конструкция заявляемого объекта, которая хотя и схематично, но наглядно отражает сущность изобретения, его конструктив, концептуальную основу и в целом - идеологию построения СВЧ-УФ-облучательного устройства для обеззараживания сред и предметов, включая предметы, дистанцированные от облучателя.

Так, на фиг.1 показано устройство, в котором СВЧ-тракт выполнен в виде коаксиальной линии передачи 1, канализирующей от не показанного на фиг.1 СВЧ-генератора электромагнитных колебаний энергию накачки (Рсвч) к безэлектродной СВЧ-газоразрядной лампе 2. Лампа 2 выполнена в форме сосуда Дюара. Вакуумно-плотный осесимметричный баллон лампы, откачанный и наполненный, например, аргоном и ртутью или амальгамой, имеет УФ- и СВЧ-прозрачные (например, кварцевые) коаксиальные стенки: наружную 3 и внутреннюю 4 (боковые), а также торцевые 5, 6, вакуумно-плотно соединяющие между собой боковые стенки 3, 4. На фиг.1 боковые стенки 3, 4 выполнены цилиндрическими по всей длине лампы 2. При таком исполнении лампы 2 в ней образована ограниченная внутренней боковой стенкой 4 сквозная цилиндрическая вневакуумная полость 7, как это имеет место и в аналоге [2], и в прототипе [4]. Вдоль оси лампы в полости 7 соосно с внутренней стенкой 4 лампы 2 расположен центральный проводник 8, являющийся участком (продолжением) центрального же проводника 9 коаксиальной линии 1. Этот центральный проводник 8 пронизывает сквозную полость 7 на всей длине лампы 2 и выступает за ее пределы (за торец 6). Лампа 2 соосно зафиксирована на центральном проводнике 8 посредством посадочных втулок 10, 11, выполненных из теплопроводного диэлектрического материала (например, из окиси бериллия, нитрида бора и т.п.) с коэффициентом линейного расширения (КЛР), близким к КЛР материала баллона лампы 2. Это сделано во избежание разрушения баллона лампы 2 при изменениях ее температуры. При этом выбором длины втулок 10, 11 и их осевого положения по длине лампы 2 может быть осуществлено требуемое распределение температуры по длине баллона лампы 2. Следует заметить, что при традиционном для безэлектродных ламп использовании разряда низкого давления, характеризующегося высоким выходом бактерицидного УФ-излучения, рабочие температуры баллона лампы 2 должны находиться в диапазоне ~60-70°С. Это обеспечивается, в частности, выбором местоположения, осевой и азимутальной протяженностей термоконтактов втулок 10, 11 со стенкой 4 баллона и центральным проводником 8 на посадочных местах 12, 13, а также выбором материала втулок 10, 11. Кроме того, втулки 10, 11 могут быть выполнены с продольными скосами, лысками, канавками, отверстиями и с иными особенностями конфигурации. При этом отверстия могут быть полезными в обеспечение "воздухопрозрачности" сквозной вневакуумной полости 7. Выбор указанных конфигураций втулок 10, 11, числа и размеров отверстий одновременно позволяет "регулировать" усредненную величину диэлектрической постоянной втулок ε_отн при неизменном материале, из которого эти втулки изготовлены. Отмеченные возможности выбора весьма многообразны и поэтому ни на фиг.1, ни отдельно не изображены. Наряду с указанным выбором, не перегружая конструкцию дополнительными признаками, отметим лишь, что на фиг.1 посадка втулок 10, 11 на центральный проводник 8 выполнена с учетом компенсаций влияния диэлектрической постоянной ε_отн на величину волнового сопротивления коаксиальной линии. Указанная компенсация осуществлена общеизвестным путем - уменьшением диаметра центрального проводника 8 на посадочных местах 12, 13 для размещения на них втулок 10, 11. В результате предотвращаются нежелательные локальные отражения волны ТЕМ, канализируемой вдоль линии.

Особо отметим, что волна ТЕМ является низшей, а коаксиальная линия 1 независимо от поперечных размеров допускает распространение СВЧ-энергии на любой частоте. Это означает, что устройство может быть при одних и тех же поперечных размерах выполнено, например, и для использования разрешенной частоты 2450 МГц, и для разрешенной частоты 915 МГц, причем ТЕМ волна окажется "незагрязненной" иными типами в отличие от прототипа [4].

Наружный проводник 14 коаксиальной линии 1 в зоне расположения лампы 2 содержит СВЧ- и УФ-прозрачный излучатель 16, выполненный на участке 15 наружного проводника 14, соосного с центральным проводником 8. СВЧ- и одновременно УФ-прозрачность наружного проводника на участке 15 обеспечена тем, что в нем выполнены поперек оси линии сквозные излучающие щели 16, азимутально пересекающие линии продольных СВЧ-токов, характерные для распространяющейся ТЕМ-волны. Именно в силу взаимного пересечения линий СВЧ-токов проводимости и поперечных щелей 16 (в которых, как известно, ток проводимости замыкается током смещения) указанные щели являются СВЧ-прозрачными, т.е. излучающими СВЧ-энергию из коаксиальной линии в окружающее пространство.

На этом основании правомерно использовать определение "щелевые излучатели". Применительно к прототипу [4] щелевыми излучателями являются продольные сквозные прорези в проводящей стенке круглого волновода (с рабочей волной TE₀₁). Применительно же к заявляемому объекту щелевыми излучателями являются сквозные поперечные прорези в наружном проводнике коаксиальной линии с рабочей волной ТЕМ. На фиг.1 показано, что участок 15 наружного проводника 14 с СВЧ-прозрачным щелевым излучателем 16 полностью перекрывает охватываемую им лампу 2 со стороны ее наружной стенки 3 и не соприкасается с этой стенкой 3. Это не является обязательным признаком предложенной конструкции. Более того, может оказаться полезным (и с позиций управления теплораспределением по длине лампы 2, и с позиций обеспечения механической прочности устройства) выполнение участка 15 в термоконтактном соприкосновении со стенкой 3 лампы 2 (см. фиг.2). СВЧ-прозрачный участок 15 наружного проводника 14 коаксиальной линии 1 и центральный проводник 8, являющийся участком центрального же проводника 9 коаксиальной линии 1, короткозамкнуты между собой со стороны торца 6 лампы 2 посредством короткозамыкателя 17, способ крепления которого на фиг.1 не детализирован, как не имеющий признаков, предусмотренных к патентной защите. Важно лишь отметить, что выбор взаимного осевого положения лампы 2 и короткозамыкателя 17 определен исходя из общеизвестного в СВЧ-технике факта: пучность электрического СВЧ-поля для стоячей волны в короткозамкнутой линии передачи отстоит от короткозамыкателя на расстоянии l=(2k+1)λ_раб/4, где k=0, 1, 2...; λ_раб - рабочая длина волны, т.е. равном нечетному числу четвертей длины волны λ_раб. Отсюда выбор линейных размеров лампы 2, участка центрального проводника 8, участка 15 наружного проводника 14 и положения короткозамыкателя 17 осуществлен таким образом, что координата середины лампы 2 находится на расстоянии от короткозамыкателя 17, как уже отмечено, равном =(2k+1)λ_раб/4.

Следует заметить, что заявленный объект, не уклоняясь от существа предлагаемого изобретения, может иметь непоказанный многоламповый вариант исполнения. В этом случае вдоль СВЧ-тракта 1 размещается ряд однотипных ламп 2 (одна за другой), каждая из которых перекрывается соответствующим участком 15 с щелевым излучателем 16 наружного проводника 14. В таком построении короткозамыкатель 17, естественно, будет располагаться только за последней (оконечной) лампой 2 из всей последовательности.

На фиг.1 для иллюстрации дополнительных возможностей (хотя и не единственным вариантом их реализации) устройства показано следующее.

Центральный проводник 9 выполнен полым - с продольным каналом 18 для подачи кислорода (О₂) и системой выходных отверстий 19, 20 (в центральном проводнике 8) и 21, 22, соответственно, в короткозамыкателе 17 и наружном проводнике 14. Этим предусмотрена возможность регулируемого образования озона (третьего воздействующего бактерицидного фактора для комбинированной СВЧ-УФ-озонной обработки) в принудительно подводимой струе кислорода (O₂), а не только автоматического (и недостаточно управляемого) его образования в воздушной среде, пронизываемой УФ-излучением.

Конкретные формы отверстий 19, 20, 21, 22 и их расположение не являются принципиальными, важно лишь то, что в совокупности они обуславливают свободное прохождение кислорода (воздуха) в зону расположения лампы и вывод образующегося озона за пределы устройства на обрабатываемый объект. Этому способствует выполнение втулок 10, 11 с каналами, лысками и т.п., упомянутое выше.

На фиг.1 показан также необязательный, но полезный для придания жесткости конструкции и для пылезащиты и предохранения устройства от случайных механических повреждений при эксплуатации, СВЧ- и УФ-прозрачный (кварцевый) цилиндр 23.

На фиг.2 схематично показано исполнение участка 15 наружного проводника 14 со щелевым излучателем в виде спирали с межвитковыми зазорами, образующими выше упоминавшиеся СВЧ- и УФ-прозрачные щели 16. В этом исполнении поперечные щели 16 образованы выбором шага спирали. Электродинамической особенностью варианта на фиг.2 является наличие у участка 15 свойств замедляющей системы или спиральной антенны, что накладывает зависящие от шага спирали условия выбора линейных размеров лампы 2 и ее положения относительно короткозамыкателя 17, но не ревизует конструкции заявляемого объекта в целом. При этом спираль может быть выполнена моно- или бифилярной, одно- или многозаходной и т.п., что также не ревизует сути изобретения, но позволяет отнести бактерицидное устройство к классу антенно-облучательных установок. Схематично такая установка показана на фиг.3 и 4.

Независимо от исполнения (по фиг.1 или фиг.2) построение антенно-облучательной установки на базе предложенного устройства может быть схематично проиллюстрировано на примере его использования совместно с внешним цилиндропараболическим рефлектором 28 (фиг.3, 4). На фиг.4 без привязки заявленного устройства к несущей конструкции (будь то свод камеры или конвейерной линейки, перевозная тележка или подвижная платформа, робот, выносная антенная колонка или стрела подвеса и т.п.) без детализации показаны условно блок управления 24, источник вторичного питания 25 исполнительных механизмов, органов (не показаны) и СВЧ-генератора 26, СВЧ-адаптер 27, СВЧ-тракт (в частности, коаксиальная линия 1), безэлектродная лампа 2, расположенная на фокальной оси цилиндропараболического рефлектора 28. Это построение может быть определено как одномодульное. Представляется очевидной возможность компоновки антенно-облучательной установки в целом в виде "решетки", составленной из множества однотипных модулей, что мы оставляем вне рамок настоящего описания, заметив лишь, что этим открываются возможности построения бактерицидных установок различных модификаций, типоразмеров и типономиналов (по целевому назначению, уровням мощностей, производительности и т.п.) и соответственно существенно расширяется арсенал технических средств борьбы с бактериологическими опасностями.

Работу предложенного на фиг.1 и 2 устройства для комбинированной бактерицидной обработки поясним на примере его использования в антенно-облучательной установке с учетом фиг.3, 4.

При включении блока управления 24 и источника вторичного питания 25 мощность СВЧ генератора 26 (Р_СВЧ) через СВЧ-адаптер 27 поступает в коаксиальную линию передачи 1 на волне типа ТЕМ. Падающая волна ТЕМ распространяется по коаксиальной линии 1 в область расположения безэлектродной лампы 2 на центральном проводнике 8 и щелевого излучателя 16 на участке 15 наружного проводника 14 коаксиальной линии 1. Распространение ТЕМ волны по участку 15 сопровождается излучением через щели 16 СВЧ-мощности (некоторой доли от Р_СВЧ) в окружающее пространство. Структура СВЧ-поля, формируемая волной ТЕМ в линии, азимутально симметрична и характеризуется наличием только радиальных составляющих СВЧ-электрического поля. Соответственно по наружному проводнику 14 и его участку 15 и центральному проводнику 9 и его участку 8 протекают продольные СВЧ-токи. Волна ТЕМ с несколько уменьшенной мощностью (за счет излучения) распространяется к короткозамыкателю 17. В результате отражения от короткозамыкателя в коаксиальной линии возникает стоячая волна, пучности поля которой располагаются на расстояниях от короткозамыкателя 17, равных нечетному числу четвертей рабочей длины волны l=(2k+1)λ_раб/4(k=0, 1, 2...).

Так как осевая координата середины лампы 2 выбрана именно на таких расстояниях (в частности, при k=0) от короткозамыкателя 17, то лампа 2 оказывается в зоне пучности СВЧ-электрического поля стоячей волны. Соответственно в лампе 2 возбуждается безэлектродный СВЧ-разряд (в заполняющем стартовом газе, например, аргоне, и парах рабочего вещества, например, ртути). Далее в лампе 2 устанавливается стационарный тепловой режим и соответствующее давление паров рабочего вещества. Если используемые в устройстве элементы (собственно лампа 2, посадочные втулки 10, 11, а также иные элементы, термоконтактирующие с баллоном лампы 2, выбраны в обеспечение рабочей температуры баллона лампы 2 в области 60-70°С, то в лампе поддерживается СВЧ-разряд низкого давления (с неполностью испаренной ртутью). При этом на поддержание разряда расходуется только некоторая часть (10-12%) мощности Р_СВЧ, а остальная (непоглощенная разрядом) излучается через поперечные СВЧ-прозрачные щели 16 и направляется с помощью внешнего рефлектора 28 (см. фиг.3, 4) на обрабатываемый объект. Таким же путем направляются на обрабатываемый объект УФ-излучения лампы 2 через те же щели 16, являющиеся УФ-прозрачными. Аргонно-ртутный СВЧ-разряд низкого давления характеризуется высоким выходом УФ-излучения на бактерицидной линии λ=253,7 нм и одновременно - на озонообразующей линии λ=185 нм.

Таким образом, окружающий атмосферный воздух (в т.ч. запыленный) "автоматически" озонируется и озон служит третьим (наряду с СВЧ- и УФ-излучениями) бактерицидным фактором в комбинированной обработке [2]. В устройстве (фиг.1) предусмотрено и преднамеренное введение баллонного кислорода (или озона от стороннего озонатора). Введение кислорода для надежного и управляемого дозирования озона осуществляется через продольный канал 18 в центральном проводнике 8, а выход озона на объект - через системы отверстий 19, 20 (в центральном проводнике 8) и 21, 22 - в короткозамыкателе 17 и наружном проводнике 14 коаксиальной линии передачи 1.

Claims (1)

1. Устройство для комбинированной бактерицидной обработки, содержащее СВЧ-тракт, по меньшей, мере один участок которого снабжен излучателем энергии СВЧ в виде по крайней мере одной СВЧ-прозрачной щели и источником УФ оптического излучения, размещенным соосно с трактом и выполненным в виде осесимметричной безэлектродной СВЧ-газоразрядной лампы, в СВЧ- и УФ-прозрачной вакуумно-плотной оболочке которой вдоль оси симметрии сформирована сквозная вневакуумная полость, отличающееся тем, что СВЧ-тракт выполнен в виде коаксиальной линии передачи, центральный проводник которой на участке с излучателем энергии СВЧ и безэлектродной СВЧ-газоразрядной лампой размещен в сквозной вневакуумной полости безэлектродной СВЧ-газоразрядной лампы, а наружный проводник азимутально охватывает ее, при этом СВЧ-прозрачные щели излучателя расположены в наружном проводнике коаксильной линии поперек ее оси и выполнены УФ-прозрачными.

Images