Что выделяет ультрафиолетовая лампа
Полный обзор и правила выбора ультрафиолетовой лампы
В естественных условиях УФ-излучение вырабатывается из солнечного света и позволяет получить витамин D, необходимый детям и взрослым. Принимая солнечные ванны, человек увеличивает защиту организма, делая его выносливым к разным инфекциям.
Изначально УФ-лампа создавалась для дезинфекции различных помещений, но позже ей стали пользоваться и в других сферах быта. Из-за этого на рынке появилось много ламп разных конструкции, типов пользования.
Что это такое
Ультрафиолетовая лампа – искусственный источник света, излучающий необычное свечение. Неоново-синий цвет появляется в колбе из-за контакта ртути с электричеством. Спектральный диапазон ультрафиолета находится между видимым и рентгеновскими излучениями.
Применение УФ-ламп
Ниже рассмотрим основные сферы использования ультрафиолетовых ламп.
Изменение физических свойств материалов
При воздействии ультрафиолета многие краски могут становиться твердыми или наоборот мягкими и способны менять цвет.
Например, в стоматологии, мягкая фотополимерная пломба становится крепкой, когда ее подсветят УФ-лучами. В косметологических целях они применяются для наращивания ногтей, которые покрывают особым лаком, твердеющим под излучением.
Криминалистика и уголовное право
Ультрафиолетовыми лучами проверяют подлинность ценных бумаг и купюр. В криминалистике УФ-излучатели используют для нахождения пятен крови. Она не светится и выглядит черной под воздействием лучей.
При дефиците естественного ультрафиолета
Когда не хватает естественного УФ – излучения иммунная система слабеет, а цвет кожи становится бледным. Комнатные растения под обычными источниками света много болеют и медленно растут. Там, где недостаточно света, улучшить их состояние помогут ультрафиолетовые приборы.
Для дезинфекции
Ультрафиолет диапазона С способен уничтожить бактерии, проникая в их структуру. Поэтому излучатели типа В и С применяют для очищения воздуха, воды, а также при инфекционных заболеваний.
Устройство и принцип работы
Прибор создают в виде колбы, ее заполняют газом вместе со ртутью. На противоположных концах колбы расположены электроды, через которые поступает напряжение, создается заряд и при взаимодействии со ртутью исходит ультрафиолет. Его диапазон зависит от материала, из которого была сделана колба. Например, через эритемное стекло проходят УФ-лучи А, а через увиолевое – В, но только не С.
Если колба кварцевая, то она будет пропускать все три спектральных диапазона. Ультрафиолетовые лампы – газоразрядные и включаются с помощью электронного пускорегулирующего аппарата, иначе при большем напряжении разряд внутри колбы станет дуговым.
Длина волны
Основной принцип выбора ультрафиолетовых светильников зависит от его диапазона, который состоит из трех групп:
Срок службы
Принцип работы и строение УФ-ламп схож с люминесцентными, кажется, что и срок эксплуатации тоже одинаковый, однако, это не так. Во время долгой работы световое излучение прибора становится меньше.
У лампы накаливания — это сразу заметно, но у ультрафиолетовой определить срок службы сложно. Обычно ее срок работы составляет 1000–9000 часов.
Что светится под ультрафиолетом
Давайте разберемся, что на самом деле светится под ультрафиолетом.
Невидимые красители
Подтверждение подлинности купюр, ценных бумаг, лабораторные исследования – это все, в чем требуется ультрафиолетовое излучение. Под ультрафиолетом от разных веществ исходит разное свечение: от светло-голубого до желтого, и даже красноватого оттенка. Но некоторые соединения по-разному реагируют на длины волн: они могут поглощать УФ-лучи в 365 нанометров и излучать свет в 400 нанометров, а могут и наоборот.
Есть вещества, нейтральные к искусственному излучению. Например, пятна крови, поглощающие ультрафиолет различного диапазона.
Минералы
Есть много минералов, начинающих излучать свет при попадании на них ультрафиолета. Чтобы это увидеть, следует выключить лампочку накаливания, а затем подсветить минерал ультрафиолетом.
Тогда он начнет светиться и переливаться красивыми узорами.
Какие бывают виды и типы
В домашних условиях лампы используют для дезинфекции комнат, потому что лучи в 100–320 нанометров уничтожают все вредные микробы, но это происходит внутри излучения. Вредная микрофлора его выдерживает, поэтому для их уничтожения требуется оставить прибор включенным на большее время.
Есть два типа ультрафиолетовых ламп:
В медицинских центрах кварцевые лампы работают все время, но тогда их накрывают кожухом, чтобы свечение лампы было вверх. Это нужно, чтобы обезопасить глаза сотрудников и посетителей. Если долго смотреть на прибор, это приведет к ожогу глаз и зрение ухудшится, поэтому их нужно защищать очками.
Свойства ультрафиолета и его воздействие на человека
Ультрафиолетовое излучение есть трех спектральных типов:
Рекомендуем посмотреть видео:
Возможна ли аллергия
На появление аллергических реакций влияют фотосенсибилизаторы – вещества, повышающую чувствительность кожи к источникам света. Признаки аллергии на загар из солярия похожи на обычные раздражения кожи, поэтому надо знать, чем они отличаются. К симптомам относятся шелушение, красные пятна и отеки.
Аллергия на ультрафиолет проявляется на любом участке кожи через несколько секунд, часов и даже дней. Если аллергию сразу обнаружить, то есть возможность быстрого и успешного лечения.
Смягчить чесотку и другие признаки аллергической реакции помогут цинкосодержащие мази, Фенистил гель, а также капли Зиртек. Не стоит лечиться самостоятельно, так как это вызовет только еще большие последствия аллергии.
Немного о преимуществе и недостатке УФ-лампы в доме
Если Уф-лампами правильно пользоваться, то они принесут пользу. Например, ультрафиолетовый светильник используют для нанесения загара, но при переизбытке излучения, кожу можно повредить. Независимо от интенсивности лучей и использования, каждая из ламп негативно влияет на зрение. Чтобы его защитить, нужно надевать очки, которые не пропускают излучение.
Приборы широко применяются в быту из-за их преимуществ:
Недостаток ультрафиолетовых ламп состоит в том, что в них есть ртутные пары. Когда заканчивается срок службы, от лампы нужно правильно избавиться, иначе можно получить повреждения и отравление. Если стекло колбы повредилось, то излучатель необходимо утилизировать, а комнату обработать от ртутных паров.
Для чего нужна УФ-лампа в больницах и офисах
УФ-лампы необходимы для очистки воздуха и уничтожения микробов. Излучатели используют для лечения кожных заболеваний, проявившиеся из-за недостатка витамина D, а также в банковской сфере и во многих других областях.
Основные нюансы выбора
Перед покупкой УФ-лампы надо подумать так ли она нужна. Прибор приносит пользу семьям, где дети часто болеют, а также лежачим больным, так как излучатель избавляет комнату от неприятных запахов, борется с пролежнями. Лампа действует против инфекционных заболеваний, устраняет проблемы с кожей.
Самые популярные модели УФ-ламп и стоимость
А вот две самые популярные модели:
Как сделать УФ-лампу самому
Чтобы сделать ультрафиолетовый излучатель, нужно разбить другую лампу ДРЛ. Колбу обернуть тряпкой – защитив себя – а затем стукнуть по ней молотком. Внутри будет находиться трубка, которая будет излучать ультрафиолетовые волны. Ее нужно подключить к дросселю и включить в сеть.
Самодельный источник света будет открытого типа, поэтому при его работе нужно выходить из помещения. Но лучше не рисковать своим здоровьем, а купить готовый прибор.
Заключение
Ультрафиолетовый свет нужен всему живому, но его не всегда бывает достаточно. УФ-лучи помогают в борьбе с разными микроорганизмами. Покупая прибор нужно обращать внимание на его мощность, диапазон волн, срок службы и аккуратно им пользоваться, чтобы не было неприятностей. Необходимо следовать советам врачей и не превышать дозу облучения, так как это опасно.
Больше вреда, чем пользы: насколько опасны ультрафиолетовые лампы
Ультрафиолетовые – это амальгамные лампы, в которых содержится ртуть, вещество токсичное и даже в малом количестве способное нанести непоправимый вред здоровью. Пары этого металла повреждают легкие, почки, кожу и глаза, а также нервную и пищеварительную системы. В некоторых случаях доходит до летального исхода. Да и прямой свет от амальгамной лампы не должен попадать на человека, говорит эксперт по системам освещения Алексей Надежин.
НАДЕЖИН: Опасность в том, что в этих лампах в небольшом количестве содержится ртуть. Если лампа будет разбита, то эта ртуть может попасть в окружающую среду и вызвать отравление. И само излучение вредное, если какой-нибудь пассажир под него попадет. И вообще, все это несколько сомнительно.
При нагревании ртуть выделяет ультрафиолет, который, как известно, губителен для различных микроорганизмов. Микробы, как следствие, гибнут. Таким образом обеззараживают не только воздух, но и воду, объясняет ведущий эколог независимой испытательной лаборатории «ЭкоТестЭкспресс» Григорий Нисман.
НИСМАН: Обычно лампы используют для обеззараживания помещений: это либо квартиры после ремонта, либо квартиры, в которых была обнаружена плесень. Ультрафиолетовые лампы используются практически во всех больницах, поликлиниках и других лабораториях, в которых ведётся работа с какими-то микробами.
При этом, уточняет эксперт, ртуть находится в лампе не в чистом виде, а в “связанном” – в виде, собственно, амальгамы. Бояться ее стоит лишь в том случае, если лампа будет разбита, будучи нагретой, то есть – включенной.
НИСМАН: Опасность в том, что если разбить включенную лампу, мы получим выделение чистой ртути в помещение. Но если разобьем холодную лампу, которая не была подключена ни к чему, то это будет абсолютно безопасно, потому что ртуть будет находиться внутри амальгамы. Соответственно, ее можно будет утилизировать, как обычный мусор.
По санитарным нормам обеззараживание воздуха должно в обязательном порядке проводиться в местах большого скопления людей: это и поезда, и больницы, и поликлиники. Ультрафиолетовые лампы на сегодня – самый популярный способ обеззараживания помещений. Но существует строгая техника безопасности установки подобных ламп, разъясняет эксперт по системам освещения Алексей Надежин.
НАДЕЖИН: Они должны размещаться таким образом, чтобы человек ни при каких обстоятельствах не увидел свет самой лампы. Это должна быть либо какая-то скрытая установка в системе вентиляции, либо за какими-то кожухами, чтобы ее не было видно. Считается, что более эффективно, если она не просто висит где-то и светит, а если мимо активно продувается воздух с помощью вентиляторов.
Впрочем, ряд экспертов и медиков настаивает на том, что амальгамные лампы вполне можно заменить светодиодными, которые не содержат ртути или каких-то других вредных веществ, а с обеззараживанием воздуха в помещении справляются не хуже амальгамных. Но такое сочетание, безусловно, сказывается на их цене.
Популярное
Команда Зеленского уходить не собирается
«Речь идёт о постепенном вовлечении Украины в НАТО»
МИХАИЛ ЛЕОНТЬЕВ: Вчера было заявление Министерства обороны о том, что деятельность США в Чёрном море – это изучение театра боевых действий. Это жёстко, но это малая часть. Самое главное, что речь идёт о постепенном вовлечении Украины в инфраструктуру НАТО… Дело в том, что качество, стабильность и эффективность украинской государственности никакого значения не имеет. Это в первую очередь территория, на которой осуществляется военная деятельность.
«США подталкивают Зеленского к вооружённой провокации»
СЕРГЕЙ МИХЕЕВ: Давайте сопоставим. Байден считает, что Россия и Китай – нехорошие страны, которые даже климат на планете не хотят защищать. Второе, скоро собирается «саммит демократий» под руководством Америки, на котором они должны какие-то всем приговоры выносить.
Ультрафиолет: эффективная дезинфекция и безопасность
Свойства ультрафиолета зависят от длины волны, а ультрафиолет разных источников отличается спектром. Обсудим, какие источники ультрафиолета и как применять, чтобы максимизировать бактерицидное действие, минимизировав риски нежелательных биологических эффектов.
Рис. 1. На фотографии не дезинфекция излучением UVC, как можно подумать, а тренировка использования защитного костюма с выявлением в лучах UVA люминесцирующих пятен учебных телесных жидкостей. UVA – мягкий ультрафиолет и не оказывает бактерицидного действия. Закрытые глаза – оправданная мера безопасности, так как широкий спектр используемой люминесцентной лампы UVA пересекается с UVB, который опасен для зрения (источник Simon Davis/DFID).
Длина волны видимого света соответствует энергии кванта, при которой только-только становится возможным фотохимическое действие. Кванты видимого света возбуждают фотохимические реакции в специфической фоточувствительной ткани – в сетчатке глаза.
Ультрафиолет невидим, его длина волны меньше, частота и энергия кванта выше, излучение жестче, разнообразие фотохимических реакций и биологических эффектов больше.
Ультрафиолет различается на:
Бактерицидное действие ультрафиолета
Бактерицидное действие оказывает жесткий ультрафиолет – UVC, и в меньшей степени ультрафиолет средней жесткости – UVB. По кривой бактерицидной эффективности видно, что явное бактерицидное действие оказывает только узкий диапазон 230…300 нм, то есть примерно четверть от диапазона, называемого ультрафиолетом.
Рис. 2 Кривые бактерицидной эффективности из [CIE 155:2003]
Кванты с длинами волн в этом диапазоне поглощаются нуклеиновыми кислотами, что приводит к разрушению структуры ДНК и РНК. Помимо бактерицидного, то есть убивающего бактерии, этот диапазон оказывает вирулицидное (противовирусное), фунгицидное (противогрибковое) и спороцидное (убивающее споры) действие. В том числе убивается вызвавший пандемию 2020 г. РНК-содержащий вирус SARS-CoV-2.
Бактерицидное действие солнечного света
Бактерицидное действие солнечного света относительно невелико. Посмотрим на солнечный спектр над атмосферой и под атмосферой:
Рис. 3. Спектр солнечного излучения над атмосферой и на уровне моря. Наиболее жесткая часть ультрафиолетового диапазона до поверхности земли не доходит (заимствовано из Википедии).
Стоит обратить внимание на выделенный желтым надатмосферный спектр. Энергия кванта левого края спектра надатмосферных солнечных лучей с длиной волны менее 240 нм соответствует энергии химической связи 5.1 эВ в молекуле кислорода «O2». Молекулярный кислород поглощает эти кванты, химическая связь рвется, образуется атомарный кислород «O», который соединяется обратно в молекулы кислорода «O2» и, частично, озона «O3».
Солнечный надатмосферный UVC образует в верхних слоях атмосферы озон, называемый озоновым слоем. Энергия химической связи в молекуле озона ниже, чем в молекуле кислорода и поэтому озон поглощает кванты меньшей энергии, чем кислород. И если кислород поглощает только UVC, то озоновый слой поглощает UVC и UVB. Получается, что солнце самым краешком ультрафиолетовой части спектра генерирует озон, и этот озон затем поглощает большую часть жесткого солнечного ультрафиолета, защищая Землю.
А теперь аккуратно, обращая внимание на длины волн и масштаб, совместим солнечный спектр со спектром бактерицидного действия.
Рис. 4 Спектр бактерицидного действия и спектр солнечного излучения.
Видно, что бактерицидное действие солнечного света незначительно. Часть спектра, способная оказывать бактерицидное действие, почти полностью поглощена атмосферой. В разное время года и в разных широтах ситуация немного различается, но качественно похожа.
Опасность ультрафиолета
Руководитель одной из крупных стран предложил: «для излечения от COVID-19 нужно доставить солнечный свет внутрь организма». Однако, бактерицидный УФ разрушает РНК и ДНК, включая человеческие. Если «доставить солнечный свет внутрь организма» – человек погибнет.
Эпидермис, в первую очередь роговой слой отмерших клеток, защищает живую ткань от UVC. Ниже эпидермального слоя проникает только менее 1% излучения UVC [ВОЗ]. Более длинные волны UVB и UVA проникают на большую глубину.
Если бы солнечного ультрафиолета не было, возможно, люди бы не имели эпидермиса и рогового слоя, и поверхность тела была слизистой, как у улиток. Но так как люди эволюционировали под солнцем, слизистыми являются только защищенные от солнца поверхности. Наиболее уязвима слизистая поверхность глаза, условно защищенная от солнечного ультрафиолета веками, ресницами, бровями, моторикой лица, и привычкой не смотреть на солнце.
Когда впервые научились заменять хрусталик на искусственный, офтальмологи столкнулись с проблемой ожогов сетчатки. Стали разбираться в причинах и выяснили, что живой человеческий хрусталик для ультрафиолета непрозрачен и защищает сетчатку. После этого стали делать непрозрачными для ультрафиолета и искусственные хрусталики.
Изображение глаза в ультрафиолетовых лучах иллюстрирует непрозрачность хрусталика для ультрафиолета. Собственный глаз освещать ультрафиолетом не стоит, так как со временем хрусталик мутнеет, в том числе из-за набранной с годами дозы ультрафиолета, и нуждается в замене. Поэтому воспользуемся опытом отважных людей, которые пренебрегли безопасностью, посветили себе в глаза ультрафиолетовым фонариком на длине волны 365 нм, и выложили результат в YouTube.
Рис. 5 Кадр из ролика Youtube-канала «Kreosan».
Вызывающие люминесценцию ультрафиолетовые фонарики с длиной волны 365 нм (UVA) популярны. Покупаются взрослыми, но неизбежно попадают в руки детям. Дети светят себе этими фонариками в глаза, внимательно и подолгу рассматривают светящийся кристалл. Такие действия желательно предотвратить. Если это произошло, можно успокоить себя тем, что катаракта в исследованиях на мышах уверенно вызывается облучением хрусталика UVB, но катарогенозный эффект UVA неустойчив [ВОЗ].
И все же точный спектр действия ультрафиолета на хрусталик неизвестен. А если учесть, что катаракта – сильно отложенный эффект, нужно некоторое количество ума, чтобы не светить себе в глаза ультрафиолетом заранее.
Относительно быстро под ультрафиолетом воспаляются слизистые оболочки глаза, это называется фотокератит и фотоконъюнктивит. Слизистые становятся красными, и появляется ощущение «песка в глазах». Эффект проходит через несколько дней, но многократные ожоги могут привести к помутнению роговицы.
Длины волн, вызывающих эти эффекты, примерно соответствуют взвешенной функции УФ-опасности, приведенной в стандарте по фотобиологической безопасности [IEC 62471] и примерно совпадают с диапазоном бактерицидного действия.
Рис. 6 Спектры действия ультрафиолета, вызывающего фотоконъюнктивит и фотокератит из [DIN 5031-10] и взвешенная функция актиничной УФ опасности для кожи и глаз из [IEC 62471].
UVB в диапазоне 280-320 нм, с максимумом около 300 нм вызывает рак кожи. Пороговой дозы нет, больше доза – выше риск, и эффект отложен.
Рис. 7 Кривые действия ультрафиолета, вызывающие эритему и рак кожи.
Фотоиндуцированное старение кожи вызывается ультрафиолетом во всем диапазоне 200…400 нм. Известна фотография дальнобойщика, подвергавшегося за рулем облучению солнечным ультрафиолетом преимущественно с левой стороны. Водитель имел привычку ездить с опущенным стеклом водительского окна, но правая часть лица была защищена от солнечного ультрафиолета лобовым стеклом. Разница возрастного состояния кожи на правой и левой стороны впечатляет:
Рис. 8 Фотография водителя, в течение 28 лет ездившего с опущенным стеклом водительского окна [Nejm].
Если грубо оценить, что возраст кожи с разной стороны лица этого человека различается на двадцать лет и это следствие того, что примерно эти же двадцать лет одна сторона лица освещалась солнцем, а вторая нет, можно сделать осторожный вывод, что день под открытым солнцем на один день и старит кожу.
Из справочных данных [ВОЗ] известно, что в средних широтах летом под прямым солнцем минимальная эритемная доза 200 Дж/м 2 набирается быстрее чем за час. Сравнив эти цифры со сделанным выводом, можно сделать еще один вывод, – старение кожи при периодической и непродолжительной работе с ультрафиолетовыми лампами не является значимой опасностью.
Сколько нужно ультрафиолета для дезинфекции
Рис. 9 Зависимость доли выживших микобактерий туберкулеза от дозы ультрафиолетового излучения на длине волны 254 нм.
Экспоненциальная зависимость примечательна тем, что даже малая доза убивает большую часть микроорганизмов.
Пример оценки необходимого времени облучения: допустим, необходимо дезинфицировать воздух и поверхности в комнате размером 5 × 7 × 2,8 метра, для чего используется одна открытая лампа Philips TUV 30W.
Если требования к стерильности невелики и достаточно «одной девятки», для рассмотренного примера нужно в три раза меньшее время облучения – округленно 20 минут.
Защита от ультрафиолета
Основная мера защиты во время дезинфекции ультрафиолетом – уходить из помещения. Находиться рядом с работающей УФ-лампой, но отводить взгляд не поможет, слизистые глаза все равно облучаются.
Частичной мерой защиты слизистых глаза могут быть стеклянные очки. Категоричное заявление «стекло не пропускает ультрафиолет» неверно, в какой-то степени пропускает, причем разные марки стекла по-разному. Но в целом с уменьшением длины волны коэффициент пропускания снижается, и UVC эффективно пропускается только кварцевым стеклом. Очковые стекла в любом случае не кварцевые.
Уверенно можно сказать, что не пропускают ультрафиолет линзы очков с маркировкой UV400.
Рис. 10 Спектр пропускания очковых стекол с индексами UV380, UV400 и UV420. Изображение с сайта [Mitsuichemicals]
Также мерой защиты является использование источников бактерицидного диапазона UVC, не излучающих потенциально опасные, но не эффективные для дезинфекции диапазоны UVB и UVA.
Источники ультрафиолета
УФ-диоды
Наиболее распространены ультрафиолетовые диоды 365 нм (UVA) предназначены для «полицейских фонариков», которые вызывают люминесценцию для обнаружения невидимых без ультрафиолета загрязнений. Дезинфекция такими диодами невозможна (см. рис. 11).
Для дезинфекции можно использовать коротковолновые UVC–диоды с длиной волны 265 нм. Стоимость модуля на диодах, который заменил бы ртутную бактерицидную лампу, превосходит стоимость лампы на три порядка, поэтому на практике такие решения для дезинфекции больших площадей не используются. Но появляются компактные устройства на УФ-диодах для дезинфекции малых площадей – инструментов, телефонов, мест повреждений кожи и т.д.
Ртутные лампы низкого давления
Ртутная лампа низкого давления – это стандарт, с которым сравниваются все другие источники.
Основная доля энергии излучения паров ртути при низком давлении в электрическом разряде приходится на длину волны 254 нм, идеально подходящую для дезинфекции. Небольшая часть энергии излучается на длине волны 185 нм, интенсивно генерирующей озон. И совсем небольшое количество энергии излучается на других длинах волн, включая видимый диапазон.
В обычных ртутных люминесцентных лампах белого света стекло колбы не пропускает излучаемый парами ртути ультрафиолет. Но люминофор, порошок белого цвета на стенках колбы, под действием ультрафиолета светится в видимом диапазоне.
Лампы UVB или UVA устроены похожим образом, стеклянная колба не пропускает пики 185 нм и пик 254 нм, но люминофор под действием коротковолнового ультрафиолета излучает не видимый свет, а длинноволновый ультрафиолет. Это лампы технического назначения. А так как спектр ламп UVA похож на солнечный, такие лампы используются еще и для загара. Сравнение спектра с кривой бактерицидной эффективности показывает, что использовать лампы UVB и тем более UVA для дезинфекции нецелесообразно.
Рис. 11 Сравнение кривой бактерицидной эффективности, спектра лампы UVB, спектра лампы UVA «для загара» и спектра диода 365 нм. Спектры ламп взяты с сайта американской ассоциации производителей красок [Paint].
Отметим, что спектр люминесцентной лампы UVA широк и захватывает UVB-диапазон. Спектр диода 365 нм значительно уже, это «честный UVA». Если требуется UVA чтобы вызывать люминесценцию в декоративных целях или для обнаружения загрязнений, использование диода безопасней использования ультрафиолетовой люминесцентной лампы.
Ртутная бактерицидная лампа низкого давления UVC отличается от люминесцентных тем, что на стенках колбы нет люминофора, и колба пропускает ультрафиолет. Основная линия 254 нм пропускается всегда, а генерирующая озон линия 185 нм может быть оставлена в спектре лампы или убрана колбой из стекла с селективным пропусканием.
Рис. 12 Диапазон излучения указан на маркировке ультрафиолетовых ламп. Бактерицидную лампу UVC можно узнать по отсутствию люминофора на колбе.
Озон оказывает дополнительное бактерицидное действие, но является канцерогеном, поэтому чтобы не ждать выветривания озона после дезинфекции, используют не образующие озон лампы без линии 185 нм в спектре. Эти лампы имеют почти идельный спектр — основная линия с высокой бактерицидной эффективностью 254 нм, очень слабое излучение в небактерицидных диапазонах ультрафиолета, и небольшое «сигнальное» излучение в видимом диапазоне.
Рис. 13. Спектр ртутной лампы низкого давления UVC (предоставлен журналом lumen2b.ru) совмещен со спектром солнечного излучения (из Википедии) и кривой эффективности бактерицидного действия (из ESNA Lighting Handbook [ESNA]).
Синее свечение бактерицидных ламп позволяет увидеть, что ртутная лампа включена и работает. Свечение слабое, и это создает обманчивое впечатление, что смотреть на лампу безопасно. Мы не чувствуем, что излучение в UVC диапазоне составляет 35…40% полной потребляемой лампой мощности.
Рис. 14 Малая доля энергии излучения паров ртути приходится на видимый диапазон и видна как слабое голубое свечение.
Бактерицидная ртутная лампа низкого давления имеет тот же цоколь, что и обычная люминесцентная, но делается другой длины, чтобы бактерицидную лампу не вставляли в обычные светильники. Светильник для бактерицидной лампы, помимо габаритов, отличается тем, что все пластиковые детали устойчивы к ультрафиолету, провода от ультрафиолета закрыты, и нет рассеивателя.
Для домашних бактерицидных потребностей автор использует бактерицидную лампу 15 Вт, ранее использовавшуюся для обеззараживания питательного раствора гидропонной установки. Ее аналог можно найти по запросу «aquarium uv sterilisator». При работе лампы выделяется озон, что не хорошо, но для дезинфекции, к примеру, обуви, полезно.
Рис. 15 Ртутные лампы низкого давления с цоколем различных типов. Изображения с сайта Aliexpress.
Ртутные лампы среднего и высокого давления
Повышение давления паров ртути приводит к усложнению спектра, спектр расширяется и в нем появляется больше линий, в том числе на генерирующих озон длинах волн. Введение в ртуть добавок приводит к еще большему усложнению спектра. Разновидностей подобных ламп много, и спектр каждой особенный.
Рис. 16 Примеры спектров ртутных ламп среднего и высокого давления
Повышение давления снижает КПД лампы. На примере марки Aquafineuv лампы среднего давления в области UVC излучают уже 15-18% от потребляемой мощности, а не 40% как лампы низкого давления. И стоимость оборудования из расчета на один ватт потока UVC получается выше [Aquafineuv].
Снижение КПД и повышение стоимости лампы компенсируется компактностью. К примеру, обеззараживание проточной воды или сушка наносимого на высокой скорости лака в полиграфии требуют компактных и мощных источников, удельная стоимость и эффективность неважны. Но использовать такую лампу для дезинфекции некорректно.
УФ-облучатель из горелки ДРЛ и лампы ДРТ
Есть «народный» способ относительно недорого получить мощный источник ультрафиолета. Выходят из употребления, но все еще продаются лампы ДРЛ белого света 125…1000 Вт. В этих лампах, внутри внешней колбы стоит «горелка» — ртутная лампа высокого давления. Она излучает широкополосный ультрафиолет, который задерживается внешней стеклянной колбой, но заставляет светиться люминофор на ее стенках. Если разбить внешнюю колбу и подключить горелку к сети через штатный дроссель, получится мощный излучатель широкополосного ультрафиолета.
У такого кустарно изготовленного излучателя есть недостатки: низкий по сравнению с лампами низкого давления КПД, большая доля ультрафиолета вне бактерицидного диапазона, и в помещении нельзя находиться некоторое время после выключения лампы, пока не распадется или не выветрится озон.
Но бесспорны и плюсы: низкая стоимость и большая мощность при компактных размерах. К плюсам можно отнести и генерацию озона. Озон продезинфицирует затененные поверхности, на которые не попадут лучи ультрафиолета.
Рис. 17 Ультрафиолетовый облучатель, сделанный из ламп ДРЛ. Фотография публикуется с разрешения автора, болгарского стоматолога, использующего этот облучатель в дополнении к стандартной бактерицидной лампе Philips TUV 30W.
Аналогичные источники ультрафиолета для дезинфекции в виде ртутных ламп высокого давления используют в облучателях типа ОУФК-01 «Солнышко».
Рис. 18 Источник широкополосного ультрафиолета — лампа ДРТ-125
По заявленным характеристикам видно, что спектр широкополосен с почти равной долей излучения в мягком, среднем, и жестком ультрафиолете, в том числе захватывает генерирующий озон жесткий UVC. Бактерицидный поток составляет 6,4% от потребляемой мощности, то есть КПД в 6 раз меньше, чем у трубчатой лампы низкого давления.
Производитель не публикует спектра этой лампы, а в интернете циркулирует одна и та же картинка со спектром какой-то из ДРТ. Первоисточник неизвестен, но соотношение энергии в UVC, UVB и UVA диапазонах не соответствует заявленным для лампы ДРТ-125. Для ДРТ заявлено примерно равное соотношение, а по спектру видно, что энергия UVB кратно больше энергии UBC. А в UVA кратно выше, чем в UVB.
Рис. 19. Спектр дуговой ртутной лампы высокого давления, наиболее часто иллюстрирующей спектр широко применяемых в медицинских целях ДРТ-125.
Понятно, что лампы с разным давлением и добавками в ртуть излучают несколько по-разному. Также понятно, что неинформированный потребитель склонен самостоятельно вообразить желаемые характеристики и свойства продукта, приобрести основанную на собственных предположениях уверенность, и совершить покупку. А публикация спектра конкретной лампы вызовет обсуждения, сравнения и выводы.
Автор однажды купил установку ОУФК-01 с лампой ДРТ-125 и несколько лет использовал для испытаний на УФ-стойкость пластиковых изделий. Облучал одновременно два изделия, одно из которых контрольное из устойчивого к ультрафиолету пластика, и смотрел какое пожелтеет быстрее. Для такого применения знание точной формы спектра не обязательно, важно лишь, чтобы излучатель был широкополосным. Но для чего применять широкополосный ультрафиолет, если требуется дезинфекция?
В назначении ОУФК-01 указано, что облучатель применяется при острых воспалительных процессах. То есть в случаях, когда положительный эффект дезинфекции кожи превышает возможный вред широкополосного ультрафиолета. Очевидно, что и в таком случае лучше использовать узкополосный ультрафиолет, без длин волн в спектре, оказывающих иное действие кроме бактерицидного.
Дезинфекция воздуха
Ультрафиолет признается недостаточным средством для дезинфекции поверхностей, так как лучи не могут проникнуть туда, куда проникает, например, спирт. Но ультрафиолет эффективно дезинфицирует воздух.
При чихании и кашле образуются капельки размером несколько микрометров, которые висят в воздухе от нескольких минут до несколько часов [CIE 155:2003]. Исследования туберкулеза показали, что для заражения достаточно одной аэрозольной капли.
На улице мы в относительной безопасности из-за огромных объемов и подвижности воздуха, способного развеять и обеззаразить временем и солнечной радиацией любой чих. Даже в метро, пока доля зараженных людей мала, общий объем воздуха в пересчете на одного зараженного велик, и хорошая вентиляция делает риск распространения инфекции малым. Самое опасное место во время пандемий заболеваний, передающихся воздушно-капельным путем, – это лифт. Поэтому чихающие должны сидеть на карантине, а воздух в общественных помещениях при недостаточной вентиляции нуждается в обеззараживании.
Рециркуляторы
Один из вариантов обеззараживания воздуха – закрытые УФ-рецикуляторы. Обсудим один из таких рециркуляторов – «Дезар 7», известный тем, что замечен даже в кабинете первого лица государства.
В описании рециркулятора сказано, что он продувает 100 м 3 в час и предназначен для обработки помещения объемом 100 м 3 (приблизительно 5 × 7 × 2,8 метра).
Однако, способность продезинфицировать 100 м 3 воздуха в час не означает, что воздух в комнате объемом 100 м 3 за час будет обработан так же эффективно. Обработанный воздух разбавляет грязный воздух, и в таком виде снова и снова попадает в рециркулятор. Несложно построить математическую модель и посчитать эффективность такого процесса:
Рис. 20 Влияние работы УФ-рециркулятора на количество микроорганизмов в воздухе комнаты без вентиляции.
Чтобы снизить концентрацию микроорганизмов в воздухе на 90% рециркулятору необходимо работать более двух часов. При отсутствии вентиляции в помещении, это возможно. Но помещений с людьми и без вентиляции в норме нет. К примеру, [СП 60.13330.2016] предписывает минимальный расход наружного воздуха при вентиляции 3 м 3 в час на 1 м 2 площади квартиры. Что соответствует полной замене воздуха раз в час и делает бесполезной работу рециркулятора.
Если рассматривать модель не полного перемешивания, а ламинарных струй, которые проходят по установившейся сложной траектории в комнате и уходят в вентиляцию, польза дезинфекции одной из таких струй еще меньше, чем в модели полного перемешивания.
В любой случае УФ-рециркулятор не полезнее открытой форточки.
Одна из причин малой эффективности рециркуляторов в том, что крайне мал бактерицидный эффект в пересчете на каждый ватт УФ-потока. Луч проходит порядка 10 сантиметров внутри установки, а потом отражается от алюминия с коэффициентом около k=0,7. Это означает, что эффективный пробег луча внутри установки около полуметра, после чего он без пользы поглощается.
Рис. 21. Кадр из ролика на Youtube, на котором разбирают рецикулятор. Видны бактерицидные лампы и алюминиевая отражающая поверхность, значительно хуже отражающая ультрафиолет, чем видимый свет [Дезар].
Бактерицидная лампа, которая открыто висит на стене в кабинете поликлиники и по расписанию включается врачом, многократно эффективней. Лучи от открытой лампы проходят несколько метров, дезинфицируя сначала воздух, а затем еще и поверхности.
Облучатели воздуха в верхней части помещения
В палатах больниц, в которых постоянно находятся лежачие больные, иногда используют УФ-установки, облучающие циркулирующие потоки воздуха под потолком. Основной недостаток таких установок – решетка, закрывающая лампы, позволяет проходить лишь лучам, идущим строго в одном направлении, поглощая без пользы более 90% остального потока.
Можно дополнительно продувать воздух через такой облучатель, чтобы заодно получился рециркулятор, но так не делается, вероятно из-за нежелания получить в палате пыленакопитель.
Рис. 22 Подпотолочный УФ-облучатель воздуха, изображение с сайта [Airsteril].
Решетки защищают людей в помещении от прямого потока ультрафиолета, но тот поток, что прошел через решетку, попадает на потолок и стены и диффузно отражается, с коэффициентом отражения около 10%. Помещение заполняется всенаправленным ультрафиолетовым излучением и люди получают дозу ультрафиолета, пропорциональную проведенному в помещении времени.
Рецензенты и автор
Рецензенты:
Артём Балабанов, инженер-электронщик, разработчик систем УФ-отверждения;
Румен Василев, к.т.н., светотехник, ООД «Интерлукс», Болгария;
Вадим Григоров, биофизик;
Станислав Лермонтов, инженер-светотехник, ООО «Комплексные Системы»;
Алексей Панкрашкин, к.т.н., доцент, полупроводниковая светотехника и фотоника, ООО «ИНТЕХ Инжиниринг»;
Андрей Храмов, специалист по проектированию освещения медицинских учреждений;
Виталий Цвирко, начальник светотехнической испытательной лаборатории «ЦСОТ НАН Беларуси»
Автор: Антон Шаракшанэ, к.ф.-м.н, светотехник и биофизик, Первый МГМУ им. И.М. Сеченова
Ссылки
UPD: В порядке эксперимента выпущена видеоверсия статьи