Почему колбы ртутных медицинских ламп делают из кварцевого стекла

№1638. Почему ртутные лампы ультрафиолетового излучения делают не из обычного стекла, а из кварцевого?

Кварцевое стекло пропускает ультрафиолетовое излучение.

Решебник по физике за 9, 10, 11 класс (Г.Н.Степанова, 2000 год),
задача №1638
к главе «65. Излучение и спектры».

Сила ультрафиолета: как отечественные бактерицидные лампы помогают защищать здоровье

Научно-производственное объединение "Лаборатория импульсной техники" (НПО "ЛИТ") сегодня входит в число крупнейших производителей ультрафиолетового оборудования. Компания присутствует на рынке уже более 30 лет, и ее продукция помогает очищать воду, воздух и поверхности.

Чем можно очищать?

В современном мире мы стараемся максимально обезопасить себя от воздействия различных болезнетворных микроорганизмов. Водный путь распространения инфекций является одним из самых частых, поэтому питьевые и сточные воды должны проходить стадию обеззараживания. Но не всегда это удается сделать. Например, в Москве массово обеззараживать сточные воды начали только в 2007 году. Из-за того, что они составляют почти половину дебита Москвы-реки, применение хлора для обеззараживания нанесло бы непоправимый вред экологии Московского региона.

Были и другие варианты. Так, возможность очистки воды с помощью ультрафиолета описали в 1877 году английские ученые А. Даунс и Т. Блант. Первую ртутную дуговую лампу изобрел российский ученый профессор И. Репьев в 1879 году. А датский физик Н. Финзен впервые применил ультрафиолет против туберкулезной палочки, и за это открытие он получил Нобелевскую премию в 1903 году.

Новый механизм дезинфекции был эффективным, но дорогим и сложным для массового применения, поэтому воду продолжали обрабатывать хлором. Он накапливался в водоемах, почве, растениях и оказывал на человека негативное действие. Так что ученые продолжали работать над технологией.

В 1960-70-е годы в мире, и в том числе в СССР, наконец появились промышленные лампы бактерицидного УФ-излучения. С этого момента и начали массово внедрять в практику обеззараживание воды и воздуха ультрафиолетом. А в 1991 году выпускники Московского физико-технического института основали НПО "ЛИТ", которое начало выпуск новых УФ-ламп.

"В 1989 году „АВТОВАЗ“ пригласил инженеров-физиков из МФТИ для сотрудничества. Начали разрабатываться несколько тем, и в их числе — обеззараживание воды, потому что Автозаводской район города Тольятти и завод сбрасывали в Волгу в сутки до 300 тыс. кубометров сточной воды и до 2 тонн жидкого хлора. От руководства „АВТОВАЗа“ был запрос на физический, а не химический метод обеззараживания. На решение этой задачи ушло 7 лет, но в итоге мы поставили УФ-блоки очистки на водопроводе и на канализации, и вся вода в Тольятти обеззараживалась ультрафиолетом", — рассказал председатель Совета директоров НПО "ЛИТ" Сергей Костюченко.

Как работает УФ-лампа

НПО "ЛИТ" разработало и выпускает УФ-системы на базе амальгамных ламп собственной разработки для обеззараживания воды и воздуха практически любой производительности.

Принцип работы любой ртутной бактерицидной УФ-лампы довольно простой. В парах ртути между двумя электродами проходит электрический разряд, и начинается генерация ультрафиолетового излучения. Но УФ-лампы прошлых поколений с жидкой ртутью имеют существенные технические ограничения, не позволяющие выпускать высокомощные приборы с хорошим КПД.

В амальгамной лампе содержится не чистая ртуть, а твердый сплав ртути с другими металлами, который безопасен для человека. Кроме того, над амальгамой давление паров ниже, чем над чистой ртутью, и за счет этого амальгамные лампы могут достигать большей мощности.

Колбы УФ-ламп делают из кварцевого стекла, которое хорошо пропускает ультрафиолетовое излучение. На стенки колбы наносится тонкий слой специального состава, который выполняет защитные функции и продлевает срок службы УФ-лампы.

Таким образом, по сравнению с обычной ртутной лампой амальгамная имеет два преимущества: ее мощность может достигать 1 кВт, и срок службы при этом выше, так как на стекле есть защитное покрытие. Именно после создания такой бактерицидной лампы стало возможным делать очистные установки, которые требовали сравнительно небольшого количества ламп, и их не приходилось постоянно менять.

В 1996 году на заводе "ЛИТ" началось промышленное производство амальгамной УФ-лампы, разработанной НПО, и с этого момента компания выпустила более 1 млн высокопроизводительных амальгамных ламп. "Если вам надо обеззараживать большие объемы воды, то старых бактерицидных ламп надо очень много. А количество амальгамных ламп будет разумным, и вы можете строить агрегаты практически любой производительности", — отмечает Сергей Костюченко.

Области применения

Очистка воды и сегодня остается одной из приоритетных сфер применения УФ-ламп. В частности, НПО "ЛИТ" построило одни из крупнейших в мире УФ-станции обеззараживания природных и сточных вод в Санкт-Петербурге и Москве.

Системы УФ-станций обеспечивают безопасной питьевой водой жителей Владивостока, Хабаровска, Новосибирска, Уфы, Нижнего Новгорода, Ростова-на-Дону и многих других городов страны.

Помимо этого, УФ-системы "ЛИТ" установлены в 55 странах мира на более чем 10 тыс. объектах коммунального хозяйства, в том числе на водоканалах Берлина, Вены, Будапешта, Тегерана, Пекина, Ханоя, Сеула и других крупных городов.

Однако у УФ-технологии есть и другие направления работы. Одно из них — обеззараживание воздуха, которое вышло на первый план с началом пандемии COVID-19, а также дезинфекция поверхностей в больницах, на пищевых производствах и т.д.

"Ультрафиолет является одним из эффективных способов обеззараживания воздуха и поверхностей, в том числе в лечебных учреждениях. Специальная техника применяется в „красных зонах“ больниц, в реанимациях и т.д. Также мы работаем в пищевой промышленности, где остро стоит вопрос обеззараживания среды, в которой идет производственный процесс", — сказал Сергей Костюченко.

Подобный масштаб работы и разнообразие сфер применения УФ-технологии стали возможными в том числе за счет того, что НПО "ЛИТ" уделяет большое внимание научно-исследовательским и опытно-конструкторским разработкам.

Компания тесно сотрудничает с профильными отраслевыми и академическими институтами, а также с ведущими вузами страны, такими как Московский физико-технический институт, Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана, Национальный исследовательский университет "МЭИ".

Развитие УФ-производства

Производство УФ-ламп зарождалось там же, где находится МФТИ, выпускники которого организовали НПО , — в Долгопрудном. Потом на протяжении многих лет завод находится в Москве, но здесь его масштабы были ограничены. Чтобы выпускать промышленные очистные установки, нужны были другие площади, поэтому компания "вернулась" в Московскую область.

Новый научно-производственный комплекс в Долгопрудном был открыт в 2022 году, и здесь выпускают безопасные УФ-лампы новых поколений мощностью до 1 кВт, а также можно развивать роботизацию и выпуск больших машин.

Как пояснил Сергей Костюченко, работа в Долгопрудном имеет для компании ряд преимуществ. Например, для выпуска ламп необходим газ. Когда предприятие работало в Москве, единственным вариантом была покупка газа в баллонах. Сейчас "ЛИТ" использует магистральный газ и имеет собственную газовую станцию с жидкими кислородом и аргоном.

И это только один пример того, чем отличается новое производство от завода в Москве, на котором сохранен технологический процесс, не требующий больших масштабов.

Вызов времени

В 2022 году НПО вынуждено было решать вопросы, связанные с необходимостью импортозамещения и поиска новых зарубежных партнеров, и полностью перейти на российские и азиатские комплектующие всего за полгода. При этом качество осталось на прежнем высоком уровне, а по ряду позиций даже выросло.

Появились и новые рынки. "Компания переориентируется на Ближний Восток и Юго-Восточную Азию. Тем более что азиатский рынок растет сегодня даже быстрее, чем европейский", — отметил Сергей Костюченко.

Что касается работы в России, то УФ-станции, разработанные НПО "ЛИТ", принимают участие в ряде экологических программ и нацпроектах, и все они к настоящему моменту продолжают действовать.

Мастер-класс по изготовлению ультрафиолетовой лампы в домашних условиях

Ультрафиолетовые лампы отличаются от обычных отсутствием нити накаливания. В них в качестве светящего элемента применяют колбу с газом. Как сделать ультрафиолет? Свечение получается вследствие дугового разряда между двух электродов, находящихся в герметичной кварцевой колбе. Поэтому их относят к классу электроразрядные.

Если сравнить с лампой накаливания, есть преимущества:

При всех плюсах, выделяют ряд минусов:

• дорогие лампы и оборудование к ним; неприменимы для работы в короткий срок;
• сразу при включении не работают в полную силу: требуется подождать некоторое время для ее накаливания;
• перебои в мощности электропитания гасят лампу (для повторного включения нужно пару минут).

В таких лампах происходит превращение электроэнергии в ультрафиолетовое излучение через преобразование электрической энергии в кинетическую.

Сталкивающиеся электроны вызывают излучение, выдаваемое током при прохождении паров металла, присутствующих в колбе.

Ультрафиолетовое излучение — процесс, состоящий из нескольких этапов:

1. ускорение свободных электронов под действием электрического тока;
2. возникновение тока лампы: упорядочивание движения электронов под действием электричества;
3. преобразование энергии движения (кинетической) в испускаемое излучение.

Ртутные лампы высокого давления

1. Вырезаем кусочек скотча такого же размера как защитное стекло фонарика.
2. Приклеиваем его поверх стекла.
3. Закрашиваем скотч в том месте, где проходит луч света синим цветом.
4. Вырезаем еще один кусочек скотча.
5. Наклеиваем поверх закрашенного.
6. Теперь закрашиваем его фиолетовым цветом.
7. Наклеиваем, закрашивая по очереди маркерами еще пару слоев.
8. Сверху наклеим ленту, не закрашивая ее.

Классификация

Приборы, работающие по принципу УФ ламп, принято классифицировать по ряду признаков:

• принцип работы: открытая система, закрытая;
• способ получения УФ излучения: давление высокое или низкое;
• образование озона: озоновые и безозоновые;
• тип установки: стационарная, мобильная;
• метод установки: настенная, напольная, настольная;
• мощность;
• состав излучения;
• габариты;
• срок службы.

Лампы открытого типа применимы в обработке комнат от бактерий — кварцевании. Для безопасного использования необходимо соблюдать определенные правила. Главное из них – отсутствие людей в помещении со включенным источником излучения.

Применение закрытой системы не требует удаления людей из радиуса действия. Воздух проходит через камеру, где очищается.

Подбирают ультрафиолетовые лампы, учитывая тип стекла, состав спектра излучения, мощность. Продолжительность эксплуатации также зависит от производителя. Лучшими считаются лампы, изготовленные в Нидерландах (Филипс), Германии (Осрам), Америки (Дженерал Электрик).

Кварцевая лампа. Бактерицидная лампа.

Кварцевая лампа — это ртутная газоразрядная лампа, имеет колбу из кварцевого стекла, предназначена для получения ультрафиолетового излучения.

Кварцевая лампа — это ртутная газоразрядная лампа, имеет колбу из кварцевого стекла, предназначена для получения ультрафиолетового излучения.

Применяют подобные лампы для обеззараживания различных помещений, предметов, продуктов питания.

Бактерицидная лампа – это газоразрядная лампа, предназначена для дезинфекции помещений, ее часто ошибочно называют «кварцевой». Колбы таких ламп изготавливаются из увиолевого стекла.

• Колба кварцевой лампы сделана с кварцевого стекла, которое образует озон (O3) в больших количествах. После работы кварцевой лампы нужно хорошо проветрить обрабатываемое помещение! Одним из основных отличий стекла кварцевой лампы от стекла бактерицидной является наличие продольных «царапин» по всей колбе лампы.

• Колба бактерицидной лампы сделана с увиолевого стекла, которое тщательно фильтрует озон. После работы бактерицидной лампы не требуется обязательно проветривать помещения. Бактерицидные лампы часто называются «безозоновыми».

Предназначением кварцевой лампы является обеззараживание различных типов помещений на основе общих и внутриполостных облучений в эффективном спектральном диапазоне излучения 205—315 нм (УФС-диапазон).

Для расчёта освещенности помещения вы можете воспользоваться калькулятором расчета освещенности помещения.

• в хирургии — лечения гнойных ран и язв, пролежней, ожогов и отморожений, маститов и т. д.;
• в стоматологии — для лечения афтозных стоматитов, пародонтоза и др.;
• заболевания и травмы опорно-двигательного аппарата;
• помогают справиться с заболеваниями периферической нервной, дыхательной и мышечной систем (невриты, радикулиты, бронхиты, плевриты, миозиты),
• кожные заболевания и др.

В последнее время набирают популярность кварцевые лампы для дома и так называемые уфо кварцевые лампы. При правильном соблюдении режима использования лампы, кварцевание вреда не несёт

Но не следует забывать и о технике безопасности, самое основное правило категорически запрещает смотреть на работающую кварцевую лампу и пытаться под ней загорать.

Кварцевая лампа. Бактерицидная лампа, калькулятор онлайн, конвертер

Бактерицидная лампа из ДРЛ

Из дуговой ртутной лампы (ДРЛ) можно изготовить источник ультрафиолетового света, для самых разных целей. При этом, для обеспечения большей долговечности, кварцевая «горелка» такой лампы будет использоваться только в тлеющем разряде, без перевода её в дуговой.

Как известно, бактерицидным действием обладает ультрафиолетовое излучение в диапазоне длин волн 205…315 нм, которое проявляется в деструктивно-модифицирующих фотохимических повреждениях ДНК клеточного ядра микроорганизма, что приводит к гибели микробной клетки в первом или последующем поколении.

Нас интересует резонансное излучение б «бактерицидной» области ультрафиолетового спектра. Это, в основном, самые интенсивные резонансные линии ртути — 184,9 нм и 253,7 нм (далее. 185 нм и 254 нм соответственно). При работе лампы чувствуется образование озона — он образуется от излучения с длиной волны 185 нм, которое ионизирует молекулы кислорода.

За счет зеркального отражателя из-за многократного прохождения излучения через плазму возникают другие спектральные линии -265, 280. 289, 302 нм. Интенсивность нужных нам линий излучения ртути в окрестностях этих длин волн показана на рис.1 где обозначены: 1 — дуговой разряд, ток 0,34 А; 2 — тлеющий разряд, ток 0,25 А.

Таким образом, тлеющий разряд в ртутной лампе высокого давления достаточен для обеззараживания, скажем, погреба или дезинфекции воды.

Чтобы изготовить бактерицидную лампу, можно взять лампу ДРЛ любой мощности, но речь будет идти о 400-ваттной лампе, у которой аккуратно разбиваем внешнюю колбу у горловины, предварительно завернув ее в ткань. В итоге мы имеем кварцевую лампу с длинными выводами. Для удобства следует укоротить эти выводы «болгаркой» (см. фото).

Затем нужно отсоединить резистор, идущий к добавочному «поджигающему» электроду, — у трехвыводной лампы он один, у четырехвыводной — два.

Для получения тлеющего разряда есть несколько способов включения лампы, например с индуктивностью. Автор экспериментировал с простейшей схемой, показанной на рис.2.

При отпускании кнопки SW1 создается импульс высокого напряжения на лампе, который поджигает лампу, и дальше она питается от сети 220 В/50 Гц через балластный дроссель. Можно применить другие схемы с дросселями со стартерами и бесстартерные. Недостаток таких схем, очевиден -это сам дроссель, громоздкий, к тому же он нагревается.

Кроме того, со временем в таком устройстве эмиссия электродов уменьшится, и запуск лампы будет затруднен.

На рис.3 показана схема питаюше-пускового устройства для кварцевой лампы. На выходе умножителя напряжения получается напряжение около 700 В — от него лампа зажигается сразу.

Почему ртутные лампы ультрафиолетового излучения делают не из обычного стекла, а из кварцевого?

Как быстро выучить стихотворение наизусть? Запоминание стихов является стандартным заданием во многих школах.

Как научится читать по диагонали? Скорость чтения зависит от скорости восприятия каждого отдельного слова в тексте.

Как быстро и эффективно исправить почерк? Люди часто предполагают, что каллиграфия и почерк являются синонимами, но это не так.

Как научится говорить грамотно и правильно? Общение на хорошем, уверенном и естественном русском языке является достижимой целью.