Освещение

Эксимерные лампы — будущее медицины и светотехники

8 декабря 2020 г. в 08:58

Светодиоды, которые сейчас считаются инновационными источниками света, когда-нибудь устареют. Что придет им на смену? Возможно, эстафету примут эксимерные лампы. В связи с пандемией COVID-19 это направление стало интенсивно развиваться для медицинских нужд. Но полученные результаты в будущем могут найти применение и в общем освещении.

Уже несколько десятилетий внимание ученых привлекают удивительные по своим свойствам соединения, именуемые эксимерами и эксиплексами. Молекула эксимера состоит из двух одинаковых атомов, один из них или оба находятся в возбужденном электронном состоянии. При этом данные атомы в обычном, не возбужденном, состоянии не могут образовать такое соединение. Эксиплексами называются аналогичные соединения, но состоящие из двух или трех атомов двух разных типов. При этом эксиплексы из трех атомов встречаются крайне редко и практического применения пока не нашли.

3D-проект медицинского кабинета

Эксимеры, как правило, образуются из атомов инертных газов. Собственно, такие газы и называются инертными потому, что они не образуют соединений в обычных условиях. Эксиплексы, как правило, состоят из двух атомов: инертного газа и одного из следующих элементов: фтор, хлор, бром, йод. Время жизни эксимеров и эксиплексов в большинстве случаев составляет порядка единиц или десятков наносекунд (хотя известны и соединения с большим сроком жизни). При распаде эксимера испускается ультрафиолетовое (УФ) излучение. Его можно использовать без преобразования для медицинских целей либо с помощью люминофора преобразовать ультрафиолет в видимый спектр точно так же, как это делается в люминесцентных лампах. В инженерной практике эксимеры и эксиплексы обычно называют одним словом — «эксимеры», и именно этот термин мы далее будем использовать.

Приоритет в использовании эксимеров для создания УФ-излучения принадлежит отечественным ученым. В 1970 г. сотрудники Физического института Академии наук СССР (ФИАН) Н. Басов, В. Даниличев, А. Молчанов и Ю. Попов первыми в мире создали эксимерный лазер. Он нашел применение в качестве «скальпеля» в хирургии, но его более широкое использование сдерживалось способностью работать только в импульсном режиме, выдавая короткие импульсы УФ-излучения длительностью 10-30 нс. Решить задачу обеспечения непрерывности работы эксимерного источника удалось только в 90-е годы XX века.

Принцип работы эксимерной лампы

Как и в обычной ртутной (люминесцентной) лампе, в эксимерной возникает плазменный разряд, благодаря которому и происходит возбуждение атома. Отличие заключается в том, что в современных эксимерных лампах разряд является диэлектрическим, т. е. плазма при разряде не имеет электрического контакта с электродами.

Для этого электроды покрывают специальным диэлектрическим веществом, тонкий слой которого не разрушается под действием плазмы. Состав этого покрытия является производственным секретом и производителями эксимерных ламп не разглашается.

Лампа имеет герметичную колбу из кварцевого или увиолевого стекла, внутри которой закачан инертный газ под давлением от 0,15 до 1,8 атм, а также (при необходимости) размещается второй компонент эксиплекса. Электроды размещаются внутри колбы.

Для обеспечения непрерывности излучения пускорегулирующая аппаратура (ПРА) должна подавать в лампу электрические импульсы на достаточно высокой частоте. Производители эксимерных ламп не раскрывают параметры импульсов, подаваемых на источник света, но, согласно данным, приведенным в [1], для лампы на основе Xe2 оптимальными являются следующие параметры: напряжение 4 кВ, длительности импульса 20 мкс, частота 6,7 кГц.

Подобно светодиодам, эксимерные лампы диммируются в широких пределах, а их долговечность практически не зависит от количества включений/выключений.

Серийное производство эксимерных ламп впервые в мире было начато компанией OSRAM в 1999 году. Эта модель лампы Xeradex 172 выпускается в Германии до сих пор, ее производство передано выделившейся из состава OSRAM фирмы Radium. В качестве рабочего вещества используется Xe2, длина волны составляет 172 нм. Потребляемая мощность, в зависимости от модификации, достигает 1000 Вт, КПД составляет около 40 %, срок службы — 2500 ч. Под действием излучения 172 нм не происходит дезинфекция, но зато распадаются некоторые токсичные соединения, поэтому такие лампы применяются в системах очистки воды. Также излучение с данной длиной волны нашло свое применение в промышленности для тонкой очистки поверхностей и затвердевания некоторых сортов лака.

Эксимерная лампа Radium Xeradex 172
Эксимерная лампа Radium Xeradex 172

Цена Xeradex 172 впечатляет — за самый недорогой вариант мощностью 20 Вт просят порядка 10 000 долл. Да, это не опечатка — лампа по цене недорогого автомобиля. За ПРА придется выложить еще около 6000 долл. Причина в малом объеме выпуска, так как область применения очень узкая. Да и конкурентов нет — других ламп, которые бы давали именно такую длину волны, в мире пока не производится.

Безвредная дезинфекция

В середине 2010-х годов ученые обнаружили, что наряду с ультрафиолетом, имеющим длину волны 254 нм (его дают ртутные лампы), болезнетворные микроорганизмы разрушаются также излучением с длиной волны 222 нм. Помимо надежного уничтожения вирусов и бактерий, данная длина волны обладает уникальным свойством — она практически безвредна для человека (по данным на сентябрь 2020 г.) Излучение просто не проходит через ороговевший слой кожи — так называемый эпидермис. Внешняя поверхность эпидермиса состоит из уже неживых клеток кожи, принести им вред излучение 222 нм не может [2]. Есть данные, что такое излучение не проникает и внутрь глаза, поэтому не может нанести ущерб зрению. Но с другой стороны, нет и выработки озона, который вреден в больших количествах.

Экспериментальный прибор для дезинфекции, использующий излучение с длиной волны 222 нм, был создан Ushio еще в 2017 г. и успешно прошел клинические испытания в одном из сингапурских госпиталей
Экспериментальный прибор для дезинфекции, использующий излучение с длиной волны 222 нм, был создан Ushio еще в 2017 г. и успешно прошел клинические испытания в одном из сингапурских госпиталей

По информации из имеющихся источников, излучение с длиной волны 222 нм могут давать только эксимерные лампы. Пандемия COVID-19 ускорила работы над данной технологией, и уже в августе 2020 г. японская компания Ushio начала серийное производство таких ламп.

При налаживании массового производства эксимерных ламп станут ненужными рециркуляторы — достаточно повесить в публичных местах открытые излучатели на 222 нм, они будут надежно дезинфицировать как воздух, так и поверхности в присутствии людей. Установка таких излучателей в операционных позволит дезинфицировать поверхности в постоянном режиме. Это поможет значительно сократить время проведения операций и уменьшить послеоперационные осложнения. Специалисты говорят о настоящей революции в медицине.

В лампах Ushio Care222 используется хлорид криптона (KrCl). Электроды лампы сделаны в виде сеток, излучение выходит наружу через отверстия в них. Ushio предлагает на рынке модуль из 6 ламп с ПРА, на расстоянии 24 см от дезинфицируемой поверхности он дает интенсивность облучения 0,1 мВт/кв. см. За время работы 30 с в таком режиме уничтожается 99,7 % образцов COVID-19. Данные о сроке службы и потребляемой мощности ламп производитель не приводит.

К недостаткам Care222 следует отнести наличие в их спектре не только составляющей 222 нм, но и в небольшом количестве некоторых других. Поэтому готовый модуль с лампами включает в себя фильтр, отсекающий побочные составляющие спектра. Это связано с еще не отработанной до конца технологией производства. В будущем фильтр не потребуется.

Поставки Care222 пока осуществляются только производителям медицинского оборудования по предварительному заказу. Стоимость ламп пока не раскрывается, Ushio лишь намекает на относительно доступные, по меркам данного сегмента рынка, цены. Возможно (это только предположение автора статьи), речь идет о цене порядка 1000 долл. за лампу. Но продукт имеет большой рынок сбыта, что в перспективе означает значительные объемы производства и возможность снижения цены.

Эксимерная лампа Ushio Care222
Эксимерная лампа Ushio Care222

Общее освещение

До сих пор есть применения, где светодиоды не могут заменить газоразрядные источники света и даже лампы накаливания. В первую очередь это заводские цеха с высокой температурой. Горячий воздух поднимается вверх, и даже если люди работают в относительно комфортной температуре, светильникам приходится выдерживать сильный нагрев до +80 °С, что приводит к быстрому выходу из строя светодиодов. Эксимерные лампы теоретически могут работать в таких условиях, при этом, в отличие от люминесцентных и металлогалогенных, они не содержат ртуть. Значит, снижается нагрузка на окружающую среду и нет необходимости в специальных мерах по утилизации.

Любой белый светодиод имеет (хотя бы небольшой) локальный пик излучения примерно на 450 нм (более современные — на 400 нм), что зачастую неприемлемо для решения задач высокоточных измерений и контроля качества продукции. Поэтому уже сейчас эксимерные лампы могут найти применение в измерительных приборах.

В [1] описывается создание эксимерной лампы, где люминофор возбуждается излучением 172 нм. В результате получается белый свет с качественным спектром, не имеющим «синего пика». Составляющая 172 нм не проходит через обычное стекло, из которого можно изготавливать колбы эксимерных осветительных ламп, так что в спектре она также не будет присутствовать. Уже первый представленный научному сообществу образец эксимерной лампы белого свечения имел светоотдачу 90 лм/Вт, т. е. на уровне лучших люминесцентных и металлогалогенных ламп. Расчеты показывают, что если довести до ума технологию производства эксимерных ламп, то они обеспечат светоотдачу на уровне 150 лм/Вт, как у лучших образцов светодиодов. И это уже на старте развития технологии! В дальнейшем у эксимерных ламп есть все шансы обойти светодиоды по энергоэффективности.

Но указанные исследования датируются 2012 г., позже ученые переключились на развитие эксимерных ламп для медицинских применений, куда пошли инвестиции. После победы человечества над коронавирусом останутся большие производственные мощности по выпуску эксимерных ламп, которые нужно будет загрузить. Тогда и начнется массовое производство недорогих эксимерных ламп для освещения, превосходящих по своим параметрам светодиоды.

Литература

  1. Masoud N., Murnick D. High Effi ciency, Fluorescent Excimer Lamps, an Alternative to CFLs and White Light LEDs // Journal of Light & Visual Environment, Jan 2013, N 37(4): 171–175.
  2. Yamano N. и другие. Long-term effects of 222 nm ultraviolet radiation C sterilizing lamps on mice susceptible to ultraviolet radiation // Photochemistry & Photobiology, депонировано DOI: 10.1111/php.13269.

Источник: Алексей Васильев, журнал «Электротехнический рынок» № 6, 2020 год

👉 Подписывайтесь на Elec.ru. Мы есть в Телеграм, ВКонтакте и Одноклассниках

Васильев Алексей Владимирович
Все новости и публикации пользователя Васильев Алексей в персональной ленте вашего личного кабинета на Elec.ru
Подписаться
Читайте также
Новости по теме
Объявления по теме

ПРОДАМ: Светодиодные лампы общего назначения Е14 и Е27

Светодиодные лампы — это источники света будущего, которые вы можете купить уже сегодня. Основные преимущества светодиодных ламп — это самое низкое энергопотребление и долгий срок службы до 50 000 часов. Не забудем и про повышенную экологичность LED-ламп — этот революционный источник света не содержит ртути, а потому является абсолютно безопасным. Светодиодные лампы е27 и е14 мощностью от 10 до 13,5 ватт обладают наилучшими характеристиками светового потока. Светодиодные лампы — это экономичная и практичная замена ламп накаливания, галогенных ламп и компактных люминесцентных ламп; Led лампы - это высокие показатели светового потока, класс энергосбережения А; экономия электроэнергии до 90%; декоративная форма; отсутствие ультрафиолетового и инфракрасного излучения; срок службы ламп до 50 000 часов. Купить качественные недорогие светодиодные лампы можно уже сегодня. Звоните! Заказывайте! Экономьте!
Бабкин Евгений · Релайт Групп · Вчера · Россия · г Москва
Светодиодные лампы общего назначения Е14 и Е27

ПРОДАМ: Лампы накаливания Osram

Лампы накаливания имеют огромный спектр применения, что делает их незаменимыми, как в бытовых условиях, так и для организации эффективного и энергосберегающего коммерческого освещения. Наш магазин предлагает качественную продукцию, которую вы сможете заказать на сайте и купить, не затрачивая лишнего времени. Лампочки накаливания – простейший источник освещения, который используется с момента изобретения электричества, но на протяжении многих десятков лет они не становятся менее популярными. Продажа ламп от производителя – наша основная деятельность, поэтому мы сможем предложить вам лучшие модели, отличающиеся друг от друга, как по конструкции, так и по функциональности. Лампы накаливания для дома и офиса Главное преимущество ламп накаливания – доступная цена, которая в разы отличается от более современных источников освещения. Купить эту осветительную продукцию может каждый человек. Кроме того, такие лампы имеют и ряд других преимуществ: — компактные размеры; — простота в эксплуатации; — работа в условиях разного напряжения тока; — нетоксичность; — бесшумны; — устойчивость к конденсату. Это самый распространенный вариант организации освещения для дома. Лампочки накаливания легко заменяются, а их срок службы, благодаря современным технологиям, более длителен, чем у аналогов-предшественников. Кроме того, лампочки накаливания эффективно используются, как элемент освещения для офиса, создания рекламных конструкций, в световом дизайне. Продажа лампочек накаливания по цене производителя В нашем каталоге представлено несколько десятков позиций от производителя. Вся продукция прошла контроль качества и имеет гарантированный срок службы. Огромный ассортимент позволяет выбрать оптимальную модель в форме исполнения: — классический шар; — груша; — свеча; — свеча на ветру. При помощи правильно выбранного освещения можно создать для дома особую атмосферу комфорта с «теплым» или «нейтральным» излучением, а для...
Отдел продаж · LEDVANCE · 12 июня · Россия · Смоленская обл
Лампы накаливания Osram

ПРОДАМ: Медицинские светильники «Кама» Duray

Светильники для потолочного и настенного освещения в различных учреждениях. Предназначены для общего освещения помещений и индивидуального освещения, в т. ч. прикроватной зоны в больничных палатах. Модификации могут комплектоваться облучателем-рециркулятором закрытого типа. Светильники серии Кама не являются медицинским оборудованием. Классический настенный светильник для прикроватного освещения в больничных палатах. Светильник предназначен для комплектования палат больниц, госпиталей и других медицинских учреждений. Климатическое исполнение УХЛ4. Соответствует степени защиты IP40. Устанавливается над кроватью больного на высоте 1,7 м от пола.
Пелевин Андрей · Дюрэй · 13 июня · Россия · Пермский край
Медицинские светильники «Кама» Duray

ПРОДАМ: Светодиодный светильникA. LED. (PROM/STRIT)30-- 1000Вт

Собственное производство уличных и промышленных светильников. Мы зарекомендовали себя как НАДЕЖНЫЙ ПОСТАВЩИК. В случае определения брака наш девиз: «Мы не ищем оправданий — мы меняем!» У нас вы найдете большой выбор светодиодных светильников для промышленности и уличного освещения, а также комплектующих для LED-освещения собственного производства (Республика Беларусь).
Семёнов Дмитрий · ООО"Владасвет-Бел" · 5 июня · Беларусь · г Минск
Светодиодный светильникA. LED. (PROM/STRIT)30-- 1000Вт

ПРОДАМ: Уличные светильники «Арктика» Duray

Мощные светодиодные светильники способны полностью заменить традиционные источники света в освещении придомовых территорий, улиц и дорог. Высокие светотехнические характеристики светодиодов OSRAM и многоуровневая защита, создают стабильную и энергоэффективную систему освещения городской среды. Серия отлично подходит для освещения городской среды благодаря новому дизайну эргономичного литого корпуса и высоким техническим характеристикам, в т. ч. IP66, готовность к подключению системы Управления светом и возможность регулировки угла наклона светильника. Надежность и качество светильника соответствует всем требованиям и нормам. Область применения: автомобильные дороги и магистрали, территории предприятий и торговых центров, городские улицы, проспекты, дворы и парки. Виды уличных светильников: По типу крепления: — Консольные светильники. Самыми распространенными осветительными приборами, используемыми для уличного освещения, являются консольные светильники, проще говоря — светильники на столбы. — Настенные уличные светильники. При освещении придомовой территории и детских площадок используются настенные светильники, которые крепятся на специальные кронштейны. Могут оснащаться датчиками, реагирующими на движение. По виду ламп: — ДНаТ — дуговые трубчатые натриевые лампы высокого давления. Используются в магистральном освещении, на аэродромах, в промышленных зонах; — ДРЛ — ртутные газоразрядные лампы высокого давления. Применяются при освещении дорог; — LED — светодиодные светильники. Имеют широкий спектр применения — от детских площадок до промышленных зон и магистралей.
Пелевин Андрей · Дюрэй · 13 июня · Россия · Пермский край
Уличные светильники «Арктика» Duray
Autonics - международная компания из Южной Кореи, которая занимается производством компонентов промышленной автоматики. Компания производит датчики, контроллеры, устройства движения, измерительное оборудование, системы лазерной маркировки, соединительное оборудование и другое. Номенклатура продукции превышает 15000 наименований. Продукция отличается высоким качеством, надежностью и доступной ценой, что делает ее лидером продаж в Корее. На рынке автоматизации компания присутсвует больше 40 лет.