Ультрафиолетовая лампа

Ультрафиолетовая лампа — это искусственный источник света, основная часть излучения которого приходится на ультрафиолетовый (УФ) диапазон электромагнитного спектра (длины волн от 10 до 400 нм). В отличие от ламп общего освещения, УФ-лампы предназначены не для видимого света, а для инициирования специфических физико-химических процессов: люминесценции, фотополимеризации, дезинфекции, фотохимических реакций и синтеза витамина D.

Принцип действия

Ультрафиолетовое излучение возникает в результате электрического разряда в парах металлов (преимущественно ртути) или в специальных светодиодах. В газоразрядных лампах электрический ток, проходя через инертный газ и пары ртути, возбуждает атомы ртути, которые при возвращении в основное состояние испускают фотоны, в том числе в УФ-диапазоне. В светодиодных УФ-лампах излучение генерируется при рекомбинации электронов и дырок в полупроводниковом кристалле на основе нитрида галлия (GaN) или алюминия-галлия-нитрида (AlGaN).

Колба лампы изготавливается из кварцевого стекла или специального увиолевого стекла, которое пропускает УФ-излучение, в отличие от обычного натриево-кальциевого стекла, поглощающего его. Внутренняя поверхность колбы может быть покрыта люминофором — веществом, преобразующим УФ-излучение в видимый свет (как в люминесцентных лампах) или в более длинноволновое УФ-излучение (например, в лампах «чёрного света»).

Классификация

Ультрафиолетовые лампы классифицируются по длине волны излучения, типу конструкции и области применения.

По длине волны

• УФ-А (315–400 нм) — длинноволновое излучение, называемое «чёрным светом». Используется для привлечения насекомых, в криминалистике (обнаружение следов), в соляриях, для отверждения УФ-отверждаемых клеев и лаков, а также в фотополимерных 3D-принтерах.
• УФ-В (280–315 нм) — средневолновое излучение. Применяется в фототерапии (лечение псориаза, витилиго, атопического дерматита), в лампах для облучения животных (синтез витамина D3), а также в некоторых моделях бактерицидных ламп.
• УФ-С (100–280 нм) — коротковолновое излучение, обладающее наибольшей бактерицидной активностью. Основное применение — обеззараживание воздуха, воды и поверхностей. Наиболее распространённая длина волны — 253,7 нм (ртутная линия). Излучение короче 200 нм (вакуумный УФ) поглощается кислородом воздуха и используется редко.

По конструкции

• Газоразрядные ртутные лампы низкого давления — наиболее распространённый тип. Представляют собой трубку из кварцевого стекла с парами ртути и инертным газом. Дают интенсивное излучение на длине волны 253,7 нм (бактерицидное) и 185 нм (озонообразующее). Эффективность преобразования электроэнергии в УФ-излучение достигает 35–40%.
• Газоразрядные ртутные лампы высокого давления — имеют более компактную конструкцию, дают широкий спектр излучения, включая УФ-А, УФ-В и видимый свет. Используются в соляриях, для фотохимических процессов и в некоторых типах проекторов.
• Амальгамные лампы — разновидность ламп низкого давления, в которых вместо чистой ртути используется амальгама (сплав ртути с другими металлами). Позволяют работать при более высоких температурах (до 100 °C) и обладают большей мощностью (до 800 Вт) при тех же габаритах.
• Светодиодные УФ-лампы (УФ-СИД) — современный тип, использующий полупроводниковые кристаллы. Отличаются мгновенным включением, отсутствием ртути, компактностью и длительным сроком службы (до 50 000 часов). Однако их эффективность и мощность пока уступают газоразрядным лампам, особенно в УФ-С диапазоне.
• Ксеноновые импульсные лампы — генерируют мощные короткие вспышки УФ-излучения широкого спектра. Используются для высокоскоростной стерилизации (например, в пищевой промышленности) и в научных исследованиях.
• Эксилампы — лампы на основе эксимерных молекул (например, XeCl, KrCl). Излучают в узкой полосе УФ-С (222 нм, 308 нм). Считаются более безопасными для человека, так как не проникают в глубокие слои кожи.

Применение

Дезинфекция и стерилизация

Бактерицидные лампы (преимущественно УФ-С) используются для обеззараживания воздуха в помещениях (больницы, лаборатории, пищевые производства), воды (в установках водоподготовки), поверхностей и упаковки. Механизм действия основан на повреждении ДНК и РНК микроорганизмов, что приводит к их гибели. Различают открытые облучатели (прямое излучение, опасное для человека) и закрытые рециркуляторы (излучение внутри корпуса, воздух прокачивается вентилятором).

Медицина

• Фототерапия (УФ-В) — лечение кожных заболеваний (псориаз, экзема, витилиго).
• Диагностика (УФ-А) — обнаружение грибковых инфекций (лампа Вуда), стоматологических материалов, некоторых кожных заболеваний.
• Стерилизация медицинского инструмента и помещений.

Промышленность

• Отверждение (полимеризация) — УФ-лампы (УФ-А и УФ-В) используются для мгновенного отверждения клеев, лаков, красок, чернил (в полиграфии, производстве электроники, оптики).
• Фотолитография — в производстве микроэлектроники для переноса рисунка на фоторезист.
• Неразрушающий контроль — УФ-А лампы (дефектоскопы) используются для обнаружения трещин и дефектов с помощью флуоресцентных пенетрантов.
• Очистка воды и воздуха — промышленные установки с мощными амальгамными или импульсными лампами.

Косметология и быт

• Солярии — лампы УФ-А и УФ-В для получения искусственного загара.
• Лампы для маникюра — УФ-А лампы для отверждения гель-лаков.
• Привлечение насекомых — лампы «чёрного света» (УФ-А) в электрических ловушках для комаров и мух.
• Обнаружение фальшивых купюр — УФ-А лампы для проверки защитных меток.

Научные исследования

• Спектроскопия — возбуждение флуоресценции, изучение электронных переходов в молекулах.
• Фотохимия — инициирование химических реакций.
• Астрономия — УФ-телескопы для наблюдения небесных тел.

Безопасность

Ультрафиолетовое излучение, особенно в диапазонах УФ-В и УФ-С, представляет опасность для человека. Прямое воздействие на кожу вызывает эритему (солнечный ожог) и увеличивает риск развития рака кожи (меланома, базальноклеточный рак). Воздействие на глаза может привести к фотокератиту (воспалению роговицы, «снежная слепота») и катаракте.

При работе с открытыми УФ-лампами (особенно бактерицидными) необходимо использовать средства индивидуальной защиты: защитные очки, блокирующие УФ-излучение (светлые очки не защищают), перчатки, одежду с длинными рукавами. В помещениях, где работают открытые УФ-облучатели, не должны находиться люди, растения и животные. Закрытые рециркуляторы безопасны для постоянного присутствия людей.

Озонообразующие лампы (излучающие на длине волны 185 нм) генерируют озон, который в высоких концентрациях токсичен для дыхательной системы. Такие лампы требуют хорошей вентиляции или использования в помещениях без людей.

Интересные факты

• Первая искусственная УФ-лампа была создана в 1901 году немецким физиком Рихардом Кюхом (ртутно-кварцевая лампа).
• Бактерицидное действие УФ-излучения было открыто в 1877 году британскими учёными Артуром Даунсом и Томасом Блантом.
• В 1903 году датский врач Нильс Финсен получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине за использование УФ-излучения для лечения волчанки (туберкулёза кожи).
• Лампы «чёрного света» (УФ-А) широко используются в криминалистике для обнаружения следов крови, спермы, слюны и других биологических жидкостей, которые флуоресцируют под УФ-излучением.
• Светодиодные УФ-С лампы активно вытесняют ртутные лампы в системах обеззараживания воды и воздуха благодаря экологичности и безопасности.

Источники

• ГОСТ Р МЭК 62471-2013 «Фотобиологическая безопасность ламп и ламповых систем»
• СанПиН 2.1.3.2630-10 «Санитарно-эпидемиологические требования к организациям, осуществляющим медицинскую деятельность» (раздел о бактерицидных лампах)
• Учебное пособие «Источники ультрафиолетового излучения и их применение» (МГУ, 2018)
• Статья «Ultraviolet germicidal irradiation: current best practices» (ASHRAE Journal, 2008)
• Материалы компании Philips Lighting (Signify) по УФ-лампам