Особенности оптического излучения закрытой ртутной бактерицидной лампы

Газоразрядные ртутные лампы низкого давления являются простыми и эффективными источниками ультрафиолетового излучения. Известно [1], что в газоразрядной кварцевой ртутнойлампе до 80% лучистой энергии сосредоточено в спектральной линии при А,= 253.65 нм с узким лоренцевским контуром. Излучение с такой длиной волны является губительным для большинства микроорганизмов, поэтому открытые ртутные лампы с кварцевым кожухом эффективно используются для стерилизации помещений в лечебных учреждениях [2].

Дальнейшее исследование биофизического воздействия излучения с* этой' длиной волны на организм человека привело к расширению его применения* в лечебных целях. В частности, оно используется для экстракорпорального облучения крови и для внутрисосудистой фотогемотерапии [3−7]. Для этих целей разработаны и широко применяются газоразрядные ртутные лампы, установленные, по соображениям безопасной эксплуатации, в непрозрачном металлическом корпусе (модель МД73-М «Изольда" — модель «Надежда», изготовитель — НПК «Биотехник», г. Нижний Новгород, или ОВК — 3 модель 5, НПО «Кварц», СПб [8]). В таких закрытых лампах, по сравнению с лампами открытого типа, неизбежно изменяются термодинамические характеристики источника излучения — газоразрядной плазмы. Это может привести к существенному изменению ее спектральных характеристик излучения. Поэтому, с одной стороны, результаты облучения такой лампой могут определяться не только и не столько УФ-компонентом, а потоком всей лучистой энергии. С другой стороны, возможно смещение длины волны максимума воздействующего излучения относительно физического центра спектральной линии, способное изменить сам эффект воздействия на облучаемое вещество, особенно, если эффект является результатом резонансного воздействия.

В настоящее время нет сведений о спектральных измерениях ламп закрытого типа, по-видимому, считается, что спектр излучения этих ламп существенно не отличается от ламп открытого типа. Кроме того, остаются нерешенными задачи стабилизации интенсивности излучения ламп иконтроля-поглощенной биологической жидкостью или протекающей в сосудах кровью дозы излучения.

Вызванный в последние годы интерес к повышению точности и повторяемости результатов водействия УФ-излучения на объекты и среды-различной природы связано с исследованием1 антропогенного воздействия на человека и на окружающую среду, а также с расширением использования известных и вновь создаваемых" источников УФ-излучения в медицине, биологии, минералогии, промышленности и сельском хозяйстве:

Цель диссертационной работы, состоит в. исследовании спектрального состава и процессов формирования контуров, спектральных линий излучения ртути в промышленных газоразрядных ртутных лампах, закрытых светонепроницаемой полостью и вызвананеобходимостью? научного обоснования использования этих ламп для медицинских целей и. создания дозаторов УФ излучения.

Для достижения поставленной цели потребовалось: применение эмиссионной спектроскопии для исследования аномально тлеющего и дугового разряда достоянного и переменного тока закрытой ртутной бактерицидной лампы для изучения процессов и механизмов’формирования контуров излучения в широком диапазоне частотиспользование современного математического аппарата для анализа спектральнокинетических и температурных свойств низкотемпературной плазмыопределение диапазона физических условий, в которых обеспечивается стабильность спектральных характеристикисследование возможности построения дозатора УФ излучения закрытых ртутных бактерицидных ламп низкого давления;

Достоверность научных положений и других результатов диссертационной работы обеспечивается тем, что эксперименты проводились на аттестованной аппаратуре. Полученные экспериментальные результаты хорошо воспроизводятся, не противоречат результатам других авторов и теоретическим представлениям.

Научная новизна.

1. Показано, что дуговые ртутные лампы низкого давления, помещенные в светонепроницаемую полость, становятся Планковским излучателем видимого света, в котором резонансная линия X = 253,65нм не является доминирующей.

2. Большая ширина линий излучения атомов ртути, обусловленная сильным самопоглощением, делает результативным применение методов эмиссионной спектроскопии для исследования линий поглощения молекул ртути, что является рекомендацией использования Планковского излучателя для исследования димерных молекул.

3.Показано, что крылья контуров линий атомов ртути описываются дисперсионной кривой Лоренца для ударного уширения, что позволило получить простое соотношение для реальной полуширины спектральной линии.

4. Показано, что интегральная мощность излучения ртутной газоразрядной лампы закрытого типа с дискретным спектром пропорциональна четвертой степени температуры плазмы, причем коэффициент пропорциональности не равен постоянной Стефана-Больцмана.

5. Показано, что температурный режим работы Планковского излучателя обеспечивает неизменный спектральный состав света и постоянство энергетических характеристик дозы излучения.

Основные положения, выносимые на защиту.

1) вследствие многократного прохождения излучения сквозь плазму дуги распределение интенсивностей спектральных линий ртутной дуговой лампы низкого давления (6-ИЗ, 75)-10″ Торр, находящейся в замкнутой непрозрачной полости, соответствует закону излучения Планка;

2) при Планковском распределении интенсивностей спектральных линий вследствие стабильности температурного режима работы лампы обеспечивается постоянство средней за период спектральной мощности излучения лампы;

3) в спектре ртутной лампы дугового и аномально тлеющего разряда низкого давления (6-^6,75)-10″ Торр имеют место линии поглощения с длинами волн 253.29, 253.53, 253.76, 254.20 нм и излучения-253.83- 264.80, 264.96, 265.11, 279.89, 288.82, 301.5 и 301.95 нм молекулы ртути^%2;

4) спектр излучения ртутной газоразрядной лампы в области резонансной линии атома ртути 253,65 нм является наложением линии излучения атома и полос поглощения и излучения молекулы ртути Hg2;

5) вследствие выполнения закона Стефана-Больцмана в закрытой ртутной бако терицидной лампе низкого давления (6^-6,75)-10″ Торр проявляется эффект стабилизации интегральной мощности излучения на уровне 5−6% при изменении потребляемой мощности на 35%.

Научная ценность и практическая значимость.

• Экспериментально обнаружено большое число линий излучения и поглощения молекулы ртути Hg2, на основании которых построена энергетическая диаграмма нижних возбужденных состояний двухатомной молекулы ртути Hg2,.

• Показано, что в формировании контуров линий излучения атомов ртути большую роль играют образующиеся в газовом разряде молекулы ртути;

• Получено аппроксимационное выражение для полуширины линии планковского излучателя, выведенное на основе уширения спектральных линий за счет ударного взаимодействия между частицами плазмы газового разряда;

• Получено интегральное уравнение, связывающее состояние излучающей среды и параметров фотоприемника с интервалом времени, за который на облучаемый объект падает единица энергии дозы облучения;

• Получено значение плотности потока лучистой энергии в виде разложения по спектральным составляющим, используемое для оценки дозы излучения;

• Создано устройство для измерения дозы ультрафиолетового излучения газоразрядных ламп при облучении крови, прошедшего тестирование на кафедре «Общая хирургия с клиникой» С-Пб ГМУ им акад. И. П. Павлова;

По результатам работы получены патенты на изобретения № 2 285 357 РФ от 10.10.2006, № 2 304 007 РФ от 10.08.2007, № 2 336 105 РФ от 20.10.2008 г.

Апробация работы Основные положения и другие результаты диссертационной работы докладывались на XVI международном симпозиуме по молекулярной спектроскопии (Листвянка, 2009 г.) — I международной конференции «Общественное здоровье: инновации в экономике, управлении и правовые вопросы здравоохранения» (Новосибирск, 2005) — международной научно-практической конференции «Современные направления теоретических и прикладных исследований '2010» (Одесса 2010) — научном семинаре Института электрофизики УрО РАН (Екатеринбург, 2009), научных семинарах лаборатории «Моделирование сложных систем» Омского филиала Института математики им. С. Л. Соболева СО РАН (Омск, 2008, 2009), научных семинарах кафедры «Экспериментальная физика и радиофизика» в Омском государственном университете (2007;2009).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 17 печатных работ, в том числе три статьи в рецензированных журналах-, 4 статьи в сборниках научных трудов и материалах конференций, получено 3 патента на изобретения.

Материалы диссертации изложены в четырех главах.

В первой главе изложен литературный обзор по оптическим эмиссиион-ным методам исследования плазмы газового разряда. Рассмотрены приближения различных моделей к термодинамически равновесной плазме, отдельно рассмотрено понятие «планковский излучатель», для анализа которого успешно могут быть применены методы эмиссионной спектроскопии.

Показано, что при исследованиях спектрального распределения излучения ртутной ламп низкого давления недостаточно внимания уделялось влиянию молекул ртути на регистрируемое излучение. Приведены подробные данные по структуре молекулы ртути Hg2 и ее свойствам. Дано описание физических основ и принципа действия прибора, используемого для измерения дозы оптического излучения газового разряда закрытой ртутной бактерицидной лампы.

Во второй главе приведено описание экспериментальной установки и излучателя закрытого типа. Для выяснения причины превращения закрытой дуговой ртутной лампы в Планковский излучатель аналитически была решена задача определения светового поля внутри металлической полости с известным коэффициентом отражения с учетом самопоглощения. Показано, что в результате многократного отражения от стенок полости и прохождения отраженного света через излучающую и поглощающую плазму, распределение интенсивностей спектральных линий дуговой лампы низкого давления соответствует закону излучения Планкасильное самопоглощение обуславливает большую ширину линий излучения атомов ртути. Показано, что с помощью тока фотодиода, установленного в зоне облучаемого объекта, можно 9существить а.-:* 1 «контроль плотности энергии облучения и дозирование.

В третьей главе проведены исследования роли молекул ртути в формировании излучения закрытой газоразрядной лампы низкого давления. Полученные методами эмиссионной спектроскопии спектры излучения и поглощения двухатомных молекул ртути Hg 2 позволили уточнить схему нижних возбужденных электронных состояний молекулы. Это позволило показать, что провалы интенсивности в контурах основных линий атома ртути связаны с поглощением излучения молекулами ртути на электронно-колебательных переходахопределена равновесная концентрация молекул ртути в основном состоянии.

В четвертой главе приведено рассмотрение особенностей оптического излучения закрытой ртутной бактерицидной лампы. По коротковолновому крылу контура было обнаружено, что он достаточно точно описывается дисперсионной Лоренцевской кривой. Это приближение позволило предположить, что ушире-ние спектральных линий происходит за счет ударного взаимодействия между частицами плазмы газового разряда и провести на этой основе аппроксимацию измеренной полуширины планковского контура. Ширина контура является основой для расчетов средней мощности излучения рассматриваемого излучателя, подтвержденной экспериментально. Экспериментальное подтверждение получил и факт самостабилизации интегрального излучения рассматриваемого излучателя при изменении тока лампы. Близость значений приращений интегральной мощности излучения и коэффициента нестабильности излучателя, найденных по формуле Стефана-Больцмана как для непрерывного, так и дискретного спектров с одинаковой разностью температур объясняется правильностью оценки отношения интегральных мощностей, которая зависит только от четвертой степени отношения температур.

В заключении изложены основные выводы диссертационной работы, намечены пути дальнейших исследований.

Выводы к главе 4.

1. проведено исследование линий планковского излучателя, в котором по неискаженному коротковолновому крылу контура обнаружено, что крылья контура при ударном Лоренцевском уширении описываются дисперсионной кривойэто дает основание утверждать, что частицы находятся в состоянии газа и время жизни их энергетических уровней уменьшается за счет столкновений;

2. принимая во внимание высокое давление буферного газа (аргона), есть основания предполагать, что столкновения с его атомами играют главную роль в уширении атомов ртути;

3. на основании лоренцевской дисперсионной кривой получено аппроксимаци-онное выражение для реальной (планковской) полуширины контура, зависящей от дискретных параметров оптического перехода: статистического веса, силы осциллятора, энергии возбуждения излучательного уровня и частоты оптического перехода;

4. обнаружено, что в рассматриваемом диапазоне длин волн 253,65+579,0 нм на значение полуширин реального контура существенное влияние оказывают величины сил осцилляторов атомов ртути;

5. экспериментально обнаружено, что интегральная мощность излучения ртутной газоразрядной лампы закрытого типа с дискретным спектром пропорциональна четвертой степени температуры, причем коэффициент пропорциональности не равен постоянной Стефана-Больцмана;

6. обнаружено, что в основе эффекта самостабилизации интегральной мощности излучения лежит явление температурной стабилизации нагретого газа и паров ртути бактерицидной ртутной лампы закрытого типа;

7. Обнаруженный эффект самостабилизации интегральной мощности излучения может найти практическое применение при создании аппаратуры для биологических и минералогических исследований, а также в медицинской практике для оценки дозы локального облучения биологических сред;

8. отмечена нестабильность спектрального и интегрального излучения на границе аномально тлеющего и дугового разряда;

9. на основе фундаментального закона уширения спектральных линий за счет ударного взаимодействия между частицами плазмы планковского излучателя получено аппроксимационное выражение для ширины линии;

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Ртутная бактерицидная лампа, помещенная в замкнутую непрозрачную полость, является качественно новым излучателем, существенно отличающимся по характеристикам оптического излучения от лампы открытого типа. Оптическое излучение закрытой ртутной бактерицидной лампы имеет ряд характерных особенностей.

1. Спектральное распределение излучения атомов ртути в дуговой бактерицидной лампе, находящейся в защитной светонепроницаемой полости, соответствует закону излучения Планка. Это приводит к снижению энергетической доли ультрафиолетовой линии при Х= 253,65 нм в спектре излучения и смещению ее максимума в коротковолновую сторону до 253,3 нм;

2. Интегральная мощность излучения ртутной газоразрядной лампы закрытого типа с дискретным спектром пропорциональна четвертой степени температуры, причем коэффициент пропорциональности не равен постоянной Стефана-Больцмана;

3. Коротковолновые крылья контуров линий атома ртути описываются дисперсионной кривой для ударного Лоренцевского уширения, а сильное искажение центра и длинноволновых крыльев объясняется поглощением молекул Hg2',.

4. На основе обнаруженных линий излучения и поглощения молекулы ртути впервые получены потенциальные кривые нижних возбужденных состояний молекулы ртути Hg2;

5. Показано, что непрерывные спектры излучения на длиннои коротковолновом крыле контура резонансной линии атома ртути 253,65 нм возникают на переходах между различными состояниями молекулы ртути Hg 2.

6. Получено аппроксимационное выражение для полуширины линии, выведенное на основе фундаментального физического закона уширения спектральных линий за счет ударного взаимодействия между частицами плазмы газового разряда планковского излучателя;

7. Показано, что большая ширина линий излучения атомов ртути, обусловленная сильным самопоглощением, позволяет применить методы эмиссионной спектроскопии для исследования линий поглощения молекул ртути;

8. Получены соотношения между эффективной толщиной излучающего столба и коэффициентом отражения внутренней стенки полости, при которых устанавливается Планковское распределение;

9. Получено интегральное уравнение, решение которого для определения длительности импульса единицы дозы УФ-излучения газоразрядных лампнайденная спектральная мощность излучения лампы подтверждена опытным фактом;

10.Обнаружено явление стабилизации оптического излучения закрытой ртутной бактерицидной лампы при изменении напряжения питания;

11 .Показано, что между температурой плазмы закрытой газоразрядной лампы и плотностью ее тока существует линейная корреляция.