Все описанное ниже крайне опасно! Не повторяйте этот эксперимент!
Информация предоставлена только в образовательных целях!
Англоязычное описание проекта на ресурсе Hackaday - DIY ultraviolet machine .
Техника безопасности
Опасность при вскрытии лампы ДРЛ
При взломе колбы происходит распыление люминофора, покрывающего ее внутреннюю поверхность.
Если же при вскрытии колбы или в процессе эксплуатации разрушается ртутно-кварцевая горелка, то происходит распыление ртути на площади до 25 кв. м!
Порядок очистки помещения от ртути (из "Руководства по эксплуатации" для лампы ДРТ-125):
Опасность поражения электричеством
При работе прибора в нем присутствуют опасные для жизни человека уровни напряжения! Также представляют опасность конденсаторы, которые остаются заряженными и после отключения прибора от сети.
Опасность ультрафиолетового излучения
Ртутная лампа прибора излучает жесткое ультрафиолетовое излучение, которое може привести к повреждению сетчатки глаза!
Опасность при ионизации воздуха
При работе лампы ультрафиолетовое излучение ионизирует двухатомные молекулы кислорода, которые распадаются на атомы кислорода. Эти атомы, реагируя с двухатомными молекулами, образуют трехатомные молекулы озона:
3O2 + UV = 2O3
Озон - сильнейший окислитель (первый (высший) класс опасности). Следует учитывать, что озон тяжелее воздуха.
При комнатной температуре период полураспада молекулы озона составляет около 25 минут. После работы прибора помещение необоходимо проветривать в течение хотя бы 15 минут.
Также при работе лампы образуются окислы азота.
Применение ультрафиолета
Дезинфекция
Ультрафиолетовое излучение в диапазоне длин волн 200-280 нм (germicidal bandwidth, самая эффективная - 260 нм (максимальное поглощение для ДНК и РНК)) может быть использовано для дезинфекции, уничтожения вирусов и бактерий - разрушает клеточные мембраны, что вызывает гибель клеток, и разрушает ДНК/РНК микроорганизмов, что делает их безвредными, так как лишает их способности к воспроизводству и вызыванию заболеваний (такое облучение носит название ultraviolet germicidal irradiation (UVGI))!
Вот, например, дезинфекция ультрафиолетом в больнице:
Вот здесь заявляется - "it is proven that UV light will kill any DNA-based microorganism given enough UV dosage. UV breaks down DNA on a cumulative basis" и приводятся дозы УФ-облучения (для линии 253,7 нм), необходимые для уничтожения вирусов и бактерий - для вируса гриппа: уничтожение 90% колонии - 3400 мкДж/см2, уничтожение 99% колонии - 6600 мкДж/см2. Также подробная информация приведена в этой статье.
Этот процесс описывается уравнением:
$ {N_s \over N_0} = {10 ^ {-K \dot {H_o}}} $,
где $N_0$ - количество облученных микроорганизмов, $N_s$ - количество выживших микроорганизмов, $H_0$ - доза УФ-облучения, Дж/м2, $K$ - фактор восприимчивости для конкретных микроорганизмов, м2/Дж (для вируса гриппа типа A - 0,1187 м2/Дж).
Также УФ-излучение ионизирует воздух (например, эффективна в этом случае одна из длин волн, излучаемых ртутными лампами - 185 нм), продуцируя озон, дезинфекционные свойства которого намного эффективнее хлора.
Впервые ультрафиолет для дезинфекции воды был использован в 1910 году.
Мобильные УФ-роботы в борьбе с короновирусом - Autonomous Robots Are Helping Kill Coronavirus in Hospitals - IEEE Spectrum
Фотолюминесценция
Частицы вещества, способного люминесцировать, поглотив световую энергию, переходят в возбужденное состояние, длящееся очень короткий промежуток времени (порядка десятков наносекунд). Возвращаясь в исходное состояние, возбужденные частицы отдают избыток энергии в виде света. Правило Стокса гласит, что люминесцирующее вещество при поголощении световой энергии определенной длины волны излучает свет обычно большей длины волны. Поэтому, когда возбуждение производится ультрафиолетовыми лучами ближнего диапазона, люминесценция приходится на видимую область спектра и может быть любого цвета — от фиолетового до красного.
Лампа ДРЛ
В качестве донора для создания такого источника я использовал лампу ДРЛ (дуговая ртутная люминофорная лампа высокого давления) (англоязычное обозначение - HQL, HPL-N) мощностью 125 Вт (выпускаются лампы ДРЛ на мощности от 50 до 2000 Вт) с патроном E27:
В "Вестнике МГСУ No4 2010, Том 1" указано, что световой поток такой лампы без колбы составляет 6200 Лм.
Такие лампы относятся к ртутным лампам высокого давления (РЛВД), в которых свечение происходит при дуговом разряде в парах ртути (англ. обозначение mercury vapour (MV) lamp).
Внешняя колба покрыта изнутри люминофором и заполнена инертным газом (азотом). Она не пропускает ультрафиолет, поэтому для получения источника ультрафиолетового излучения ее необходимо удалить.
Я вскрыл внешнюю колбу лампы (поместив ее в пакет и аккуратно ударив молотком), удалив осколки ее стекла. Это чрезвычайно опасная операция, так как при неудачном стечении обстоятельств можно разрушить внутреннюю кварцевую трубку, что приведет к загрязнению ртутью окружающего пространства!
Безопаснее надломить колбу возле патрона, у самого основания, предварительно надточив стекло напильником. При таком способе колба остается практически целая.
Осколки внешней колбы должны быть утилизированы соответствующим образом!
Под колбой находится кварцевая трубка с электродами - ртутно-кварцевая горелка:
- основной электрод
- основной электрод
- дополнительный (зажигающий) электрод
- резистор, подключенный к зажигающему электроду
Трубка заполнена инертным газом - аргоном (также присутствует небольшое количество ртути - для обеспечения дугового разряда).
Эта трубка фактически является лампой ДРТ-125, параметры которой таковы (из "Руководства по эксплуатации" ламры ДРТ-125):
Схематическое устройство лампы ДРЛ:
При запуске лампы напряжение прикладывается к основным электродам (1) и (2). Электрод (2) через токограничивающий резистор (4) соединен со стартовым электродом (1). Напряжение между электродами (2) и (3) достаточно для ионизации находящегося под низким давлением (1,5...3 кПа) аргона, и между этими электродами возникает тлеющий разряд (5). Тепло от этой дуги вызывает испарение ртути (находящейся в трубке жидком состоянии), что приводит к зажиганию дуги в ртутных парах между основными электродами (6). Эта дуга вызывает ускорение испарения ртути и давление в трубке повышается одновременно с нагревом.
Горелка светит зеленым (546 нм), синим (436 нм) и фиолетовым (405 нм) светом, включая ультрафиолет, в том числе и дальнего диапазона:
- 185 нм - жесткий ультрафиолет типа C - ионизирует воздух, продуцируя озон
- 254 нм - жесткий ультрафиолет типа C
- 365 нм - ближний ультрафиолет типа A (наиболее интенсивный)
Люминофор, которым изнутри покрыта колба, излучает длины волн в красно-оранжевой области спектра:
535, 590, 618 (наиболее интенсивная), 650 нм.
В статье Е. В. Удальцова (Институт лазерной физики СО РАН) "Метод передачи служебной информации с помощью осветительной сети на лампах типа ДРЛ" приведен экспериментально полученный спектр излучения лампы ДРЛ-125:
Вот как выглядит спектр моей работающей горелки в видимом диапазоне (получен с помощью моего самодельного спектроскопа):
В спектре видны две фиолетовые линии (1, 2) и две зеленые линии (3, 4), соответствующие вышеприведенному спектру.
Я закрепил горелку (сохранив ее цоколь) вертикально в карболитовом патроне E27:
Схема питания лампы
Лампа ДРЛ обладает отрицательным дифференциальным сопротивлением, что требует принятия мер по ограничению тока, протекающего через лампу.
Питание через дроссель
Стандартная схема питания лампы ДРЛ подразумевает включение последовательно с лампой U дросселя L, играющего роль индуктивного балласта, а параллельно сетевым контактам - подключение компенсирующего конденсатора C:
Для дросселя ДРЛ-125 (ток 1,15 А) требуется конденсатор емкостью 12 мкФ на напряжение не менее 250 В, для ДРЛ-250 (ток 2,13 А) - 25 мкФ, для ДРЛ-400 (ток 3,25 А) - 32 мкФ.
Питание через балластный резистор
Также для лампы ДРТ-125 рекомендуется схема включения через последовательно соединенный резистор сопротивление 78-80 Ом (обеспечивающий через лампу штатный ток силой 1,6 А) (из "Руководства по эксплуатации" лампы ДРТ-125):
Мощность рассеяния балластного резистора должна быть не менее 200 Вт!
Питание через балластный конденсатор и выпрямитель с удвоением напряжения
В ультрафиолетовом облучателе «Солнышко» (ОУФб-04) для ограничения тока через лампу ДРТ-125 используется балластный конденсатор емкостью 12 мкФ, а для поджига используется схема выпрямителя с удвоением напряжения.
Питание через балластные конденсаторы и удвоитель напряжения
В своем устройстве я для питания лампы использовал умножитель сетевого напряжения по схеме, рекомендованной в этой статье.
Схема устройства (Mk.IV):
- конденсаторы КБГ-МН 4 мкФ x 600 В
- конденсаторы 8,2 нФ x 2000 В
- диоды UF5408
Периодически следует менять полярность напряжения питания на электродах лампы! Для этого я добавил переключатель SW2.
Для управления прибором использован микроконтроллер STM8:
Для питания микроконтроллера служит компактный сетевой блок питания, вырабатывающий напряжение 9 В:
Вывод D4 микроконтроллера управляет включением/выключением реле, подключающего умножитель к сети, через транзистор ("1" (напряжение около 3,3 В) на выходе включает реле).
Реле рассчитано на коммутацию тока до 7 А, напряжение срабатывания менее 7 В, напряжения отпускания более 2,5 В, сопротивление обмотки 400 Ом:
Вывод D5 микроконтроллера подключен к кнопке, служащей для управления прибором. Резистор R5 повышает помехозащищенность устройства (иначе запуск может инициироваться помехами в сети).
Вывод D6 микроконтроллера служит для подключения "буззера" ("пищалки"), индицирующего режимы работы прибора.
Внешний вид устройства:
Эксплуатация источника
Видео запуска установки - https://youtu.be/rwLwKSaDv7o
Управление работой лампы
После включения прибора в сеть он находится в режиме ожидания. После нажатия и отпускания кнопки SW1 запускается отсчет до готовности - 60 секунд, за которые оператору требуется покинуть опасную зону (при этом мигает красный светодиод на плате микроконтроллера с интервалом в 1 секунду). Затем происходит подключение умножителя к сети (красный светодиод начинает мигать с интервалом в 5 секунд, загорается мерцающий светодиод).
Время экспозиции УФ-лучами задается с помощью переменного резистора (варьируется от 10 до 45 минут), положение движка которого считывается микроконтроллером после отпускания кнопки.
Первые секунд десять лампа заметно мерцает и слышно "жужжание":
Затем разряд стабилизируется и лампа начинает постепенно разгораться:
Напряжение на лампе в начале этого процесса составляет 25 В и затем снижается до 23-24 В.
Номинальное напряжение питания лампы составляет 95 В.
Потребляемая из сети мощность составляет около 10 Вт. Исходя из этого, горелка работает не в режиме дугового, а в режиме тлеющего разряда.
На устойчивый режим лампа выходит в течение 6-7 минут.
Запах озона появляется практически сразу после включения.
Повторное включение лампы допускается только после ее остывания (через 5-10 минут после выключения - до стабилизации давления ртутных паров внутри лампы)!
Люминесценция. Проникновение ультрафиолета через различные материалы
Если обломки колбы, покрытые люминофором (в лампах ДРЛ применяется люминофор, возбуждаемый излучением с длинами волн 313 и 365 нм), поднести под излучение лампы, то они светятся красно-оранжевым светом (620-660 нм):
Но если перевернуть обломки стеклом к лампе, то люминофор не светится - стекло колбы не пропускает ультрафиолет.
Таким образом, эти обломки можно использовать при тестировании различных объектов на способность пропускать ультрафиолетовое излучение.
Также в свете лампы проявляются невидимые в видимом диапазоне света знаки на страницах военного билета:
Защита от ультрафиолетового излучения
СМОТРЕТЬ НА РАБОТАЮЩУЮ ЛАМПУ БЕЗ СРЕДСТВ ЗАЩИТЫ КАТЕГОРИЧЕСКИ ЗАПРЕЩЕНО!
Для безопасного наблюдения можно использовать стекло сварщика, например, светофильтр TC-3 C-5 10 SG1 ("SG" - Shade Grade, степень затемнения):
Вот как через этот светофильтр видны различные источники света:
1 - светодиодная лампа
2 - светодиодный фонарик
3 - компактная люминесцентная лампа
4 - лампа накаливания
Работающая горелка лампы ДРЛ практически незаметна при наблюдении через этот светофильтр:
Также для защиты от ультрафиолета можно использовать специальные очки:
Такие очки имеют специальную маркировку:
Например, на "черные" очки WURTH нанесена маркировка в соответствии со стандартом DIN EN166:
5-2.5 W 1F-EN166F:
5-2.5 - градационный шифр:
5 - шкальный номер
(5 - солнцезащитный светофильтр без нормирования требований к ИК-излучению)
2.5 - класс защиты (номер затенения) - 17,8-29,1% пропускания в видимом диапазоне, в диапазоне 280-315 нм - 10% пропускания от видимого диапазона
W - идентификатор производителя (WURTH)
1 - оптический класс
F - механическая прочность от высокоскоростных частиц - низкоэнергетический удар (45 м/с)
EN166 - стандарт - персональная защита зрения
на "желтые" очки WURTH нанесена маркировка:
2-1.2 W 1F-EN166F
2-1.2 - градационный шифр:
2 - шкальный номер
(2 - УФ-светофильтр, передача цвета может быть искажена)
1.2 - класс защиты (номер затенения) - 0,0003% пропускания на 313 нм и 10% на 365 нм
Очки с желтым светофильтром рекомендуются для работы за компьютером и в помещениях со светодиодным освещением, так как они обеспечивают защиту от излучения "синего" диапазона ("голубого света", HEV-излучения (High-energy visible light) - в отличие от УФ, оно достигает сетчатки глаза), снижают яркость экрана за счет селективного поглощения света, улучшают контрастность и четкость изображения.
В качестве подтверждения этого эффекта можно выполнить анализ диаграммы снимка камерой смартфона экрана LCD-монитора, залитого белым цветом
Вот какие диаграммы я получил с "желтыми" очками WURTH:
1 - без очков
2 - с очками
Как видно из нижней диаграммы, при использовании "желтых" очков интенсивность синего цвета заметно ниже, чем у красного и зеленого (на верхней диаграмме видно, что без очков интенсивности цветов одинаковы).
Такой же эффект наблюдается и для светодиодной лампы:
"Желтые" очки ослабляют "синий свет" и для облачного неба:
на "прозрачные" очки O15 HAMMER ACTIVE (артикул 11530, произведены на Суксунском оптико-механическом заводе) нанесена маркировка:
2С-1,2 FT N
2С-1,2 - бесцветный светофильтр для универсального применения
Более надежную защиту от ультрафиолетового излучения обеспечивают очки O15 HAMMER ACTIVE (артикул 11517) с маркировкой:
2-1,7 RZ 1FT
2-1,7 - градационный шифр (зеркальный светофильтр)
RZ - идентификатор производителя (РОСОМЗ)
1 - оптический класс
F - механическая прочность от высокоскоростных частиц - низкоэнергетический удар (45 м/с)
T - защита от частиц при температурах -5...+55 ºC
стекло - оптически прозрачный поликарбонат UV380 с покрытием Абсолют (водостойкое, устойчиво к химическому воздействию, стальной шерсти и абразивам)
Для максимальной защиты от УФ-излучения рекомендуется светофильтры 2-2 ("оранжевые"очки) и 2-2,5 ("красные" очки)
FT N - открытые очки с покрытием Super (двустороннее водостойкое твердое незапотевающее покрытие, устойчивое к химическому воздействию), стекло - оптически прозрачный поликарбонат UV380 - отфильтровывает 95% УФ-лучей
Я проверил эффективность защитных (со шкальным номером 2) очков двумя способами:
- расположив очки между лампой и обломками колбы, я наблюдал прекращение люминесценции покрытия колбы;
- наблюдая спектр УФ-лампы, я заметил исчезновение крайней (в фиолетовом диапазоне) линии в спектре:
Применение УФ-лампы для дезинфекции
Я выбрал для обработки масок и респираторов (размещая их на расстоянии около 15 см от лампы) такую схему:
- 30 минут - облучение ультрафиолетом с внешней стороны
- 15 минут - облучение ультрафиолетом с внутренней стороны
Возможные проблемы
Окисление выводов
При работе горелка сильно нагревается и так как колба удалена, то нагретые выводы (они изготовливаются из вольфрама или молибдена) контактируют с кислородом и окисляются, что может вызвать их износ и разрушение, которое может повлечь разрушение кварцевой горелки.
Но исследования с помощью термопары показали, что температура вывода в точке контакта с кварцевой трубкой в процессе работы не превышает 70 ºC.
Альтернативные варианты питания лампы
Были предложены и другие схемы питания разрядных ламп через удвоители напряжения.
Патент US3275922 CONVERSION AND BALLAST UNIT
Патент US3629647 VOLTAGE DOUBLER STARTING CIRCUIT FOR DISCHARGE LAMP
Продолжение следует