Ультрафиолетовое излучение: вопросы и ответы о применении в медицине и в бытовых приборах

Что такое ультрафиолетовый свет?

Ультрафиолетовое излучение – это составляющая солнечного электромагнитного спектра, которая распространяется от светила в диапазоне длин волн 10-400 нм и, соответственно, на частотах – 30-0,75 ПГц. Спектральный участок находится за верхней границей светового диапазона, различаемого человеческим зрением. Однако можно увидеть ультрафиолетовое свечение от яркого искусственного источника на длине волны, близкой к 400 нм.

Количество ультрафиолета, достигающего земной поверхности, зависит от целого ряда факторов:

Главные свойства ультрафиолетового излучения:

По международным стандартам ISO ультрафиолетовый свет разделяется на несколько поддиапазонов двумя способами. Первый охватывает расширенную область спектра до 10 нм:

Второй вариант более распространен. В нем исключен частотный участок 10-100 нм, часто называемый «вакуумным». Он не имеет особого значения, поскольку полностью отражается околоземной атмосферой.

Puva терапия

Лечение таким методом проходит с помочью UV-A облучения, с длинной волны 320-400нм.
Обычно ПУВА терапию совмещают с медикаментозным лечением, а перед процедурой, пациент принимает препараты, усиливающие чувствительность кожи к ультрафиолету.
Процедура занимает от 3 до 25 минут за сеанс. Обычно требуется 15-25 сеансов.
Проведение процедуры и её длительность контролирует врач.
Эффективность такой процедуры достигает 85-95%, но к недостаткам можно отнести: относительно высокую стоимость, необходимость посещать медицинское учреждение (т.к. аппараты стационарные и требуется амбулаторное лечение), необходимость принимать препараты.

Uvb терапия

Процедура происходит с помощью облучения ультрафиолетом с длинной волны 311 нм. 
Такие волны относятся к UV-B спектру и имеют ниже проникающую способность, по сравнению с UV-A облучением, это уменьшает повреждение
Эффективность данного метода достигает 95%, а результат становится заметен уже на второй недели использования.
При проведении лечения в домашних условиях, без непосредственного наблюдения врача, важно помнить о длительности процедуры. Начинать следует с 1 минут, постепенно увеличивая время с каждым сеансом. Даже добившись стойкой ремиссии не стоит пренебрегать наблюдением у профильного врача.

Бактерицидное действие солнечного света

Бактерицидное действие солнечного света относительно невелико. Посмотрим на солнечный спектр над атмосферой и под атмосферой:

Рис. 3. Спектр солнечного излучения над атмосферой и на уровне моря. Наиболее жесткая часть ультрафиолетового диапазона до поверхности земли не доходит (заимствовано из Википедии).

Стоит обратить внимание на выделенный желтым надатмосферный спектр. Энергия кванта левого края спектра надатмосферных солнечных лучей с длиной волны менее 240 нм соответствует энергии химической связи 5.1 эВ в молекуле кислорода «O2». Молекулярный кислород поглощает эти кванты, химическая связь рвется, образуется атомарный кислород «O», который соединяется обратно в молекулы кислорода «O2» и, частично, озона «O3».

Солнечный надатмосферный UVC образует в верхних слоях атмосферы озон, называемый озоновым слоем. Энергия химической связи в молекуле озона ниже, чем в молекуле кислорода и поэтому озон поглощает кванты меньшей энергии, чем кислород. И если кислород поглощает только UVC, то озоновый слой поглощает UVC и UVB.

А теперь аккуратно, обращая внимание на длины волн и масштаб, совместим солнечный спектр со спектром бактерицидного действия.

Рис. 4 Спектр бактерицидного действия и спектр солнечного излучения.

Видно, что бактерицидное действие солнечного света незначительно. Часть спектра, способная оказывать бактерицидное действие, почти полностью поглощена атмосферой. В разное время года и в разных широтах ситуация немного различается, но качественно похожа.

Бактерицидное действие ультрафиолета

Бактерицидное действие оказывает жесткий ультрафиолет – UVC, и в меньшей степени ультрафиолет средней жесткости – UVB. По кривой бактерицидной эффективности видно, что явное бактерицидное действие оказывает только узкий диапазон 230…300 нм, то есть примерно четверть от диапазона, называемого ультрафиолетом.

Рис. 2 Кривые бактерицидной эффективности из [CIE 155:2003]

Кванты с длинами волн в этом диапазоне поглощаются нуклеиновыми кислотами, что приводит к разрушению структуры ДНК и РНК. Помимо бактерицидного, то есть убивающего бактерии, этот диапазон оказывает вирулицидное (противовирусное), фунгицидное (противогрибковое) и спороцидное (убивающее споры) действие. В том числе убивается вызвавший пандемию 2020 г. РНК-содержащий вирус SARS-CoV-2.

Бактерицидные лампы

Так называют ртутные лампы высокого и низкого давления, а также ксеноновые импульсные лампы. Колба такой лампы изготавливается из кварцевого стекла. Основной плюс бактерицидных ламп – долгий срок службы и мгновенная способность к работе. Примерно 60% их лучей находятся в бактерицидном спектре.

Ртутные лампы достаточно опасны в эксплуатации, при случайном повреждении корпуса необходима тщательная очистка и демеркуризация помещения. Ксеноновые лампы менее опасны при повреждении и отличаются более высокой бактерицидной активностью. Также бактерицидные лампы разделяют на озоновые и безозоновые.

Первые характеризуются наличием в своем спектре волны длиной 185 нанометров, которая взаимодействует с находящимся в воздухе кислородом и превращает его в озон. Высокие концентрации озона опасны для человека, и использование таких ламп строго ограничено во времени и рекомендуется только в проветриваемом помещении.

Вне зависимости от вида бактерицидные лампы имеют общие недостатки: они работают в сложной и дорогостоящей аппаратуре, средний ресурс работы излучателя – 1,5 года, а сами лампы после перегорания должны храниться упакованными в отдельном помещении и утилизироваться специальным образом согласно действующим нормативам.

Бактерицидные облучатели

Состоят из лампы, отражателей и других вспомогательных элементов. Такие устройства бывают двух видов – открытые и закрытые, в зависимости от того, проходят УФ-лучи наружу или нет. Открытые выпускают ультрафиолет, усиленный отражателями, в пространство вокруг, захватывая сразу практически всю комнату, если установлены на потолке или стене.

Проводить обработку помещения таким облучателем в присутствии людей строго запрещено. Закрытые облучатели работают по принципу рециркулятора, внутри которого установлена лампа, а вентилятор втягивает в прибор воздух и выпускает уже облученный наружу.

Их размещают на стенах на высоте не менее 2 м от пола. Их возможно использовать в присутствии людей, однако длительное воздействие не рекомендуется производителем, так как часть УФ-лучей может проходить наружу. Из недостатков таких приборов можно отметить невосприимчивость к спорам плесени, а также все сложности утилизации ламп и строгий регламент использования в зависимости от типа излучателя.

Дезинфекция воздуха

Ультрафиолет признается недостаточным средством для дезинфекции поверхностей, так как лучи не могут проникнуть туда, куда проникает, например, спирт. Но ультрафиолет эффективно дезинфицирует воздух.

При чихании и кашле образуются капельки размером несколько микрометров, которые висят в воздухе от нескольких минут до несколько часов [CIE 155:2003]. Исследования туберкулеза показали, что для заражения достаточно одной аэрозольной капли.

На улице мы в относительной безопасности из-за огромных объемов и подвижности воздуха, способного развеять и обеззаразить временем и солнечной радиацией любой чих. Даже в метро, пока доля зараженных людей мала, общий объем воздуха в пересчете на одного зараженного велик, и хорошая вентиляция делает риск распространения инфекции малым.

Детектор валюты

Ультрафиолетовое излучение применяется для определения подлинности денежных купюр. В купюры впрессовываются полимерные волокна со специальным красителем, который поглощает ультрафиолетовые кванты, а потом испускает менее энергичное излучение видимого диапазона. Под действием ультрафиолета волокна начинают светиться, что и служит одним из признаков подлинности.

Ультрафиолетовое излучение детектора невидимо для глаза, синее свечение, заметное при работе большинства детекторов, связано с тем, что применяемые источники ультрафиолета излучают также и в видимом диапазоне.

Далее: Видимый диапазон

Защита от ультрафиолета

Основная мера защиты во время дезинфекции ультрафиолетом – уходить из помещения. Находиться рядом с работающей УФ-лампой, но отводить взгляд не поможет, слизистые глаза все равно облучаются.

Частичной мерой защиты слизистых глаза могут быть стеклянные очки. Категоричное заявление «стекло не пропускает ультрафиолет» неверно, в какой-то степени пропускает, причем разные марки стекла по-разному. Но в целом с уменьшением длины волны коэффициент пропускания снижается, и UVC эффективно пропускается только кварцевым стеклом. Очковые стекла в любом случае не кварцевые.

Уверенно можно сказать, что не пропускают ультрафиолет линзы очков с маркировкой UV400.

Рис. 10 Спектр пропускания очковых стекол с индексами UV380, UV400 и UV420. Изображение с сайта [Mitsuichemicals]

Также мерой защиты является использование источников бактерицидного диапазона UVC, не излучающих потенциально опасные, но не эффективные для дезинфекции диапазоны UVB и UVA.

Ионизация

Источники ультрафиолета

Источники ультрафиолета можно разделить на 3 типа:

• природные;
• искусственные;
• лазерные.

Природные источники УФ-излучения включают множество источников, но самым главным среди них является Солнце. Лучи, достигающие Землю, находятся в разном соотношении по подтипам, что зависит от факторов:

• степень отражения лучшей от поверхностей разных типов (воды, почвы и др.);
• состояние облачного покрова и степень его интенсивности;
• атмосферное рассеивание;
• высота поверхности над уровнем моря;
• высота Солнца относительно линии горизонта;
• концентрация плотности озонового слоя, рост количества озоновых дыр и их состояние над определенным типом поверхности.

Искусственные источники ультрафиолета появились благодаря развитию науки и техники. Как только люди стали понимать плюсы от использования УФ-лучей, они стали пытаться получить их как можно больше.

На сегодняшний день номенклатура искусственных источников УФ-излучения очень велика и насчитывает более 80 видов. Их классификация происходит в соответствии с диапазонами спектра:

• эритемные лампы — созданы в 60-х годах прошлого века в связи с «необходимостью компенсации недостаточности УФ-лучей и, в частности, витамина D3 в коже человека»;
• ультрафиолетовые люминесцентные лампы — для получения искусственного загара в странах Центральной Европы и России в связи с распространением на данных территориях самых светлых оттенков кожи, характерных для европеоидной расы;
• лампы полного спектра — разработаны в связи с «зимней депрессией» или сезонным расстройством настроения у людей, проживающих в широтах с недостаточной нормой инсоляции;
• лампы со спектром излучения, совпадающим с действием фототаксиса некоторых летающих насекомых-вредителей, которые являются переносчиками болезнетворных бактерий, заболеваний и инфекций. Подобные лампы используются на предприятиях пищевой промышленности, на заводах по производству одежды, обуви, в животноводческих и птицеводческих хозяйствах;
• светодиоды;
• эксилампы;
• люминесцентные лампы «дневного света»;
• ртутно-кварцевые лампы.

Лазерные источники обладают большой интенсивностью и позволяют получать излучение высокой интенсивности. Данный тип источников УФ-лучей характерен для медицины, биотехнологий, науки, где требуется точечное применение.

В УФ-лазерах для создания активной среды используются инертные газы, специальные газы, органические сцинтилляторы, свободные электроны.

Как ультрафиолет воздействует на живой организм?

УФА – распространяется на более низких частотах. Проникает в кожный покров на минимальную глубину и служит причиной пигментации кожи (загара). Умеренное использование способствует укреплению иммунитета, синтезирует выработку витамина D, благотворно воздействует на кожу.

Но безопасность «мягкого» ультрафиолета весьма условна. При несоблюдении меры происходит разрушение клеток эпидермиса и появляются ожоги. Именно поэтому врачи рекомендуют надевать солнцезащитные очки и пользоваться солнцезащитным кремом в яркий солнечный день.

Исследования ученых доказали положительное действие ультрафиолетового света поддиапазона A на развитие любой фауны и флоры. Но польза лишь в умеренном его количестве.

УФВ – отличается способностью проникновения в верхние слои тканей и их структурного изменения с частичным разрушением ДНК. Сквозь озоновую защиту проникает менее 5% этого излучения, что минимизирует опасность для живых существ. Ультрафиолет B даже в самой малой дозе вызывает моментальный ожог кожного покрова, глазного хрусталика и роговицы.

УФС – фактически является биологическим оружием, разрушающим организм на клеточном уровне, а также сжигающим цепочки ДНК и вызывающим мутации.

Он губителен для любых организмов, включая микробы, большинство разновидностей бактерий и вирусов. Дополнительный фактор опасности в том, что высокочастотное излучение ионизирует молекулы атмосферного кислорода, превращая их в озон (3-х атомный кислород), который чрезвычайно токсичен.

Облучатели воздуха в верхней части помещения

В палатах больниц, в которых постоянно находятся лежачие больные, иногда используют УФ-установки, облучающие циркулирующие потоки воздуха под потолком. Основной недостаток таких установок – решетка, закрывающая лампы, позволяет проходить лишь лучам, идущим строго в одном направлении, поглощая без пользы более 90% остального потока.

Можно дополнительно продувать воздух через такой облучатель, чтобы заодно получился рециркулятор, но так не делается, вероятно из-за нежелания получить в палате пыленакопитель.

Рис. 22 Подпотолочный УФ-облучатель воздуха, изображение с сайта [Airsteril].

Решетки защищают людей в помещении от прямого потока ультрафиолета, но тот поток, что прошел через решетку, попадает на потолок и стены и диффузно отражается, с коэффициентом отражения около 10%. Помещение заполняется всенаправленным ультрафиолетовым излучением и люди получают дозу ультрафиолета, пропорциональную проведенному в помещении времени.

Опасность ультрафиолета

Руководитель одной из крупных стран предложил: «для излечения от COVID-19 нужно доставить солнечный свет внутрь организма». Однако, бактерицидный УФ разрушает РНК и ДНК, включая человеческие. Если «доставить солнечный свет внутрь организма» – человек погибнет.

Эпидермис, в первую очередь роговой слой отмерших клеток, защищает живую ткань от UVC. Ниже эпидермального слоя проникает только менее 1% излучения UVC [ВОЗ]. Более длинные волны UVB и UVA проникают на большую глубину.

Если бы солнечного ультрафиолета не было, возможно, люди бы не имели эпидермиса и рогового слоя, и поверхность тела была слизистой, как у улиток. Но так как люди эволюционировали под солнцем, слизистыми являются только защищенные от солнца поверхности.

Когда впервые научились заменять хрусталик на искусственный, офтальмологи столкнулись с проблемой ожогов сетчатки. Стали разбираться в причинах и выяснили, что живой человеческий хрусталик для ультрафиолета непрозрачен и защищает сетчатку. После этого стали делать непрозрачными для ультрафиолета и искусственные хрусталики.

По исполнению

1. Открытые и полуоткрытые

Этот тип приборов излучает ультрафиолетовый свет в окружающее пространство. Предназначены для обеззараживания, загара, подсветки растений и медицинских целей. Неправильное применение может привести к опасным для людей последствиям.

2. Закрытые (рециркуляторы)

Отличаются лучшей безопасностью, поскольку источники света закрыты экранирующим кожухом. УФ облучение воздействует на воздух или воду, пропускаемый через изолированную камеру. Назначение – антибактериальная (антимикробная, антивирусная) воздухо- и водоочистка.

3. Универсальные

Поддерживают режим закрытой рециркуляции и обеззараживания, а также режим прямого ультрафиолетового излучения. Основное отличие в комплектации раскладными экранирующими шторками, которые открываются или закрываются в зависимости от выбранного рабочего режима.

Можно сделать вывод, что газоразрядные изделия небезопасно использовать дома из-за наличия в них ртути. Более безопасны светодиодные лампы и ленты, которые к тому же потребляют намного меньше электроэнергии. Для дезинфекции комнат безопаснее и удобнее пользоваться рециркулятором. Вам не придется уходить из помещения и проветривать его для удаления озона.

Подтипы уф излучения

Современные исследователи разделяют УФ-излучение на три подтипа:

• УФ-А — ближний ультрафиолет;
• УФ-Б — средний спектр;
• УФ-С — дальний спектр.

Ближний диапазон УФ-излучения не распознается человеческим глазом, из-за чего называется «черным светом». Также он является естественным излучением, так как попадает на Землю вследствие попадания солнечного света.

Для описания свойств дальнего и экстремального спектра используется термин «вакуумный», так как данные лучи практически полностью поглощаются земной атмосферой.

Свойства УФ-излучения делятся на положительные и отрицательные по отношению к воздействию на человека.

Свойства и характеристики УФ-излучения:

• невидимо без использования специальных устройств;
• обладает всеми свойствами электромагнитных волн (отражением, интерференцией, дифракцией);
• высокая химическая активность лучей;
• способность ионизировать воздух;
• большая проникающая способность;
• антибактериальное воздействие — УФ-лучи способны уничтожать микроорганизмы (как положительно, так и отрицательно влияющие на человека). Отсутствие контроля может привести к облучению и повышенной радиации;
• выработка витамина Д в организме человека и нормализация эмоционального состояния;
• вызывает люминесценцию ряда материалов;
• приводит к химическим изменениям во многих пластических материалах.

Положительное влияние ультрафиолета

У ультрафиолета множество положительных эффектов. Например, такие жизненно важные, как выработка витамина D, необходимого для всасывания кальция, обеспечивающего правильное развитие костного скелета.  Еще он способствует понижению возбудимости нервных окончаний, повышению обмена веществ, стимулированию выработки эндорфинов. Активирует образование соединительной ткани, что ускоряет заживление ран, язв и рубцов.

Важно помнить, что Ультрафиолетовое излучение благотворно влияет лишь в тех случаях, когда дозы облучения незначительны. 

Правила безопасности при использовании ультрафиолетовых ламп

Нельзя забывать, что УФ излучение опасно для здоровья и жизни. Только точное следование инструкции по эксплуатации прибора сделает его применение безопасным. Рассмотрим основные требования:

1. нельзя использовать УФ лампу для посторонних целей;
2. необходимо пользоваться специальными очками, защищающими глаза от ожога;
3. следует соблюдать рекомендованное производителем время и дозирование облучения;
4. рекомендуется особая осторожность при обращении с изделиями, содержащими ртуть;
5. необходимо утилизировать ртутные лампы по предписанному регламенту;
6. требуется покинуть помещение после включения оборудования открытого типа для обеззараживания;
7. нужно обязательно проветрить комнату после отключения озонообразующих ламп.

Применение ультрафиолетового излучения

Искусственные источники ультрафиолета создаются и используются в медицине, сельском хозяйстве, косметологии и различных санитарных учреждениях. Генерирование ультрафиолетового излучения возможно несколькими способами: температурой (лампы накаливания), движением газов (газовые лампы) или металлических паров (ртутные лампы).

При этом мощность таких источников варьируется от нескольких ватт, обычно это небольшие мобильные излучатели, до киловатта. Последние монтируются в объемные стационарные установки. Сферы применения УФ-лучей обусловлены их свойствами: способностью ускорять химические и биологические процессы, бактерицидным эффектом и люминесценцией некоторых веществ.

Ультрафиолет широко применяется для решения самых различных задач. В косметологии использование искусственного УФ-излучения используется прежде всего для загара. Солярии создают довольно мягкий ультрафиолет-А согласно введенным нормам, а доля УФ-В в лампах для загара составляет не более 5%.

Современные психологи рекомендуют солярии для лечения «зимней депрессии», которая в основном вызвана дефицитом витамина D, так как он образуется под влиянием УФ-лучей. Также УФ-лампы используют в маникюре, так как именно в этом спектре высыхают особо стойкие гель-лаки, шеллак и подобные им.

Ультрафиолетовые лампы используют для создания фотоснимков в нестандартных ситуациях, например, для запечатления космических объектов, которые невидимы в обычный телескоп.

Широко применяется ультрафиолет в экспертной деятельности. С его помощью проверяют подлинность картин, так как более свежие краски и лаки в таких лучах выглядят темнее, а значит можно установить реальный возраст произведения. Криминалисты также используют УФ-лучи для обнаружения следов крови на предметах.

Рецензенты и автор

Рецензенты:

Артём Балабанов, инженер-электронщик, разработчик систем УФ-отверждения;

Румен Василев, к.т.н., светотехник, ООД «Интерлукс», Болгария;

Вадим Григоров, биофизик;

Станислав Лермонтов, инженер-светотехник, ООО «Комплексные Системы»;

Алексей Панкрашкин, к.т.н., доцент, полупроводниковая светотехника и фотоника, ООО «ИНТЕХ Инжиниринг»;

Андрей Храмов, специалист по проектированию освещения медицинских учреждений;

Виталий Цвирко, начальник светотехнической испытательной лаборатории «ЦСОТ НАН Беларуси»

Рециркуляторы

Один из вариантов обеззараживания воздуха – закрытые УФ-рецикуляторы. Обсудим один из таких рециркуляторов – «Дезар 7», известный тем, что замечен даже в кабинете первого лица государства.

В описании рециркулятора сказано, что он продувает 100 м3 в час и предназначен для обработки помещения объемом 100 м3 (приблизительно 5 × 7 × 2,8 метра). Однако, способность продезинфицировать 100 м3 воздуха в час не означает, что воздух в комнате объемом 100 м3 за час будет обработан так же эффективно.

Рис. 20 Влияние работы УФ-рециркулятора на количество микроорганизмов в воздухе комнаты без вентиляции.

Чтобы снизить концентрацию микроорганизмов в воздухе на 90% рециркулятору необходимо работать более двух часов. При отсутствии вентиляции в помещении, это возможно. Но помещений с людьми и без вентиляции в норме нет. К примеру, [СП 60.13330.2022] предписывает минимальный расход наружного воздуха при вентиляции 3 м3 в час на 1 м2 площади квартиры. Что соответствует полной замене воздуха раз в час и делает бесполезной работу рециркулятора.

Если рассматривать модель не полного перемешивания, а ламинарных струй, которые проходят по установившейся сложной траектории в комнате и уходят в вентиляцию, польза дезинфекции одной из таких струй еще меньше, чем в модели полного перемешивания.

В любой случае УФ-рециркулятор не полезнее открытой форточки.

Одна из причин малой эффективности рециркуляторов в том, что крайне мал бактерицидный эффект в пересчете на каждый ватт УФ-потока. Луч проходит порядка 10 сантиметров внутри установки, а потом отражается от алюминия с коэффициентом около k=0,7. Это означает, что эффективный пробег луча внутри установки около полуметра, после чего он без пользы поглощается.

Ртутные лампы низкого давления

Ртутная лампа низкого давления – это стандарт, с которым сравниваются все другие источники.

Основная доля энергии излучения паров ртути при низком давлении в электрическом разряде приходится на длину волны 254 нм, идеально подходящую для дезинфекции. Небольшая часть энергии излучается на длине волны 185 нм, интенсивно генерирующей озон. И совсем небольшое количество энергии излучается на других длинах волн, включая видимый диапазон.

В обычных ртутных люминесцентных лампах белого света стекло колбы не пропускает излучаемый парами ртути ультрафиолет. Но люминофор, порошок белого цвета на стенках колбы, под действием ультрафиолета светится в видимом диапазоне.

Лампы UVB или UVA устроены похожим образом, стеклянная колба не пропускает пики 185 нм и пик 254 нм, но люминофор под действием коротковолнового ультрафиолета излучает не видимый свет, а длинноволновый ультрафиолет. Это лампы технического назначения.

Рис. 11 Сравнение кривой бактерицидной эффективности, спектра лампы UVB, спектра лампы UVA «для загара» и спектра диода 365 нм. Спектры ламп взяты с сайта американской ассоциации производителей красок [Paint].

Отметим, что спектр люминесцентной лампы UVA широк и захватывает UVB-диапазон. Спектр диода 365 нм значительно уже, это «честный UVA». Если требуется UVA чтобы вызывать люминесценцию в декоративных целях или для обнаружения загрязнений, использование диода безопасней использования ультрафиолетовой люминесцентной лампы.

Ртутная бактерицидная лампа низкого давления UVC отличается от люминесцентных тем, что на стенках колбы нет люминофора, и колба пропускает ультрафиолет. Основная линия 254 нм пропускается всегда, а генерирующая озон линия 185 нм может быть оставлена в спектре лампы или убрана колбой из стекла с селективным пропусканием.

Рис. 12 Диапазон излучения указан на маркировке ультрафиолетовых ламп. Бактерицидную лампу UVC можно узнать по отсутствию люминофора на колбе.

Озон оказывает дополнительное бактерицидное действие, но является канцерогеном, поэтому чтобы не ждать выветривания озона после дезинфекции, используют не образующие озон лампы без линии 185 нм в спектре. Эти лампы имеют почти идельный спектр — основная линия с высокой бактерицидной эффективностью 254 нм, очень слабое излучение в небактерицидных диапазонах ультрафиолета, и небольшое «сигнальное» излучение в видимом диапазоне.

Ртутные лампы среднего и высокого давления

Повышение давления паров ртути приводит к усложнению спектра, спектр расширяется и в нем появляется больше линий, в том числе на генерирующих озон длинах волн. Введение в ртуть добавок приводит к еще большему усложнению спектра. Разновидностей подобных ламп много, и спектр каждой особенный.

Рис. 16 Примеры спектров ртутных ламп среднего и высокого давления

Повышение давления снижает КПД лампы. На примере марки Aquafineuv лампы среднего давления в области UVC излучают уже 15-18% от потребляемой мощности, а не 40% как лампы низкого давления. И стоимость оборудования из расчета на один ватт потока UVC получается выше [Aquafineuv].

Снижение КПД и повышение стоимости лампы компенсируется компактностью. К примеру, обеззараживание проточной воды или сушка наносимого на высокой скорости лака в полиграфии требуют компактных и мощных источников, удельная стоимость и эффективность неважны. Но использовать такую лампу для дезинфекции некорректно.

Сколько нужно ультрафиолета для дезинфекции

Количество выживших микроорганизмов на поверхностях и в воздухе при увеличении дозы ультрафиолета снижается по экспоненте. К примеру, доза, убивающая 90% микобактерий туберкулеза – 10 Дж/м

²

. Две таких дозы убивают 99%, три дозы убивают 99,9% и т.д.

Рис. 9 Зависимость доли выживших микобактерий туберкулеза от дозы ультрафиолетового излучения на длине волны 254 нм.

Экспоненциальная зависимость примечательна тем, что даже малая доза убивает большую часть микроорганизмов.

Среди перечисленных в [CIE 155:2003] патогенных микроорганизмов наиболее устойчива к ультрафиолету сальмонелла. Доза, убивающая 90% ее бактерий — 80 Дж/м2. По данным обзора [Kowalski2020] среднее значение дозы, убивающей 90% коронавирусов – 67 Дж/м2.

По действующей утвержденной Минздравом России методике использования ультрафиолета для обеззараживания воздуха [Р 3.5.1904-04] максимальная эффективность дезинфекции «три девятки» или 99,9% требуется для операционных, родильных домов и т.д.

Пример оценки необходимого времени облучения: допустим, необходимо дезинфицировать воздух и поверхности в комнате размером 5 × 7 × 2,8 метра, для чего используется одна открытая лампа Philips TUV 30W.

В техническом описании лампы указан бактерицидный поток 12 Вт [TUV]. В идеальном случае весь поток идет строго на дезинфицируемые поверхности, но в реальной ситуации половина потока пропадет без пользы, например будет избыточно интенсивно освещать стенку за светильником.

В среднем на поверхности падает поток бактерицидного излучения 6 Вт/137м2 = 0,044 Вт/м2. За час, то есть за 3600 секунд на эти поверхности придется доза 0,044 Вт/м2 × 3600 с = 158 Дж/м2, или округленно 150 Дж/м2.

Что соответствует трем стандартным дозам 50 Дж/м2 или «трем девяткам» – 99,9% бактерицидной эффективности, т.е. требованиям к операционным. А так как рассчитанная доза, прежде чем упасть на поверхности, прошла через объем комнаты, с не меньшей эффективностью продезинфицирован и воздух.

Если требования к стерильности невелики и достаточно «одной девятки», для рассмотренного примера нужно в три раза меньшее время облучения – округленно 20 минут.

Солнечный ожог

Ультрафиолет при псориазе

Благодаря ультрафиолетовому излучению, улучшается состояние кожи: уменьшается шелушение, проходит зуд, бляшки становятся меньше.Длительное наблюдение подтверждает, что после «солнечных ванн» кожа дольше остается в стадии ремиссии, а если обострение и наступает, то не такое сильное.

В основном положительный эффект – это заслуга UV-B спектра, он задерживается верхним слоем эпителия и не травмирует глубокие, здоровые участки кожи. Но солнце – это сильный раздражитель, излишнее пребывание под его лучами может вызвать повреждение кожи, что может привести к обострению болезни.

Больным псориазом, перед выходом под прямые солнечные лучи, следует подготовиться – снять воспалительные процессы в бляшках (например средствами на основе пиратиона цинка) и нанести солнцезащитное средство на все неповрежденные участки кожи.В первое время, пребывание под прямыми солнечными лучами, стоит сократить до 5-7 минут, постепенно увеличивая это время до 30 минут.

Ультрафиолетовое излучение

Ультрафиолетовым, называют излучение с длинной волны от 10 до 400 нм. Большая часть этого спектра не видна глазу. Граница лучей, видимых человеком, начинается от 350 – 400 нм. Этот диапазон, условно, делят на три группы, отличающихся по проникающей способности и воздействию на организм.

·         UV-A (длинна волны 315-400 нм) – Такое излучение составляет 95% инфракрасного излучения проходящего через озоновый слой земли.
Оно имеет высокую проникающую способность, практически не задерживаются кожей и могут достигать гиподермиса, подкожной клетчатки.

·         UV-B (длинна волны 280-315 нм) – Большая часть этого спектра задерживается в атмосфере земли. Излучение не имеет такого сильного проникающего эффекта и проникает только в верхние слои кожи. Считается наиболее полезной частью спектра УФ излучения, так как активно способствует выработке витамина D, укреплению эпидермиса, и не повреждает нижние слои дермы.

·         UV-C (длинна волны 100-280 нм) – Практически полностью задерживаются в атмосфере земли. Имеет сильный бактерицидный эффект – способно уничтожать бактерии вирусы и грибки. Чаще всего встречается при работе искусственных источников, применяемых при обеззараживании поверхностей и помещений.

Ультрафиолетовое излучение • большая российская энциклопедия — электронная версия

Уф-диоды

Наиболее распространены ультрафиолетовые диоды 365 нм (UVA) предназначены для «полицейских фонариков», которые вызывают люминесценцию для обнаружения невидимых без ультрафиолета загрязнений. Дезинфекция такими диодами невозможна (см. рис. 11).

Для дезинфекции можно использовать коротковолновые UVC–диоды с длиной волны 265 нм. Стоимость модуля на диодах, который заменил бы ртутную бактерицидную лампу, превосходит стоимость лампы на три порядка, поэтому на практике такие решения для дезинфекции больших площадей не используются.

Уф-облучатель из горелки дрл и лампы дрт

Есть «народный» способ относительно недорого получить мощный источник ультрафиолета. Выходят из употребления, но все еще продаются лампы ДРЛ белого света 125…1000 Вт. В этих лампах, внутри внешней колбы стоит «горелка» — ртутная лампа высокого давления.

Она излучает широкополосный ультрафиолет, который задерживается внешней стеклянной колбой, но заставляет светиться люминофор на ее стенках. Если разбить внешнюю колбу и подключить горелку к сети через штатный дроссель, получится мощный излучатель широкополосного ультрафиолета.

У такого кустарно изготовленного излучателя есть недостатки: низкий по сравнению с лампами низкого давления КПД, большая доля ультрафиолета вне бактерицидного диапазона, и в помещении нельзя находиться некоторое время после выключения лампы, пока не распадется или не выветрится озон.

Но бесспорны и плюсы: низкая стоимость и большая мощность при компактных размерах. К плюсам можно отнести и генерацию озона. Озон продезинфицирует затененные поверхности, на которые не попадут лучи ультрафиолета.

Рис. 17 Ультрафиолетовый облучатель, сделанный из ламп ДРЛ. Фотография публикуется с разрешения автора, болгарского стоматолога, использующего этот облучатель в дополнении к стандартной бактерицидной лампе Philips TUV 30W.

Аналогичные источники ультрафиолета для дезинфекции в виде ртутных ламп высокого давления используют в облучателях типа ОУФК-01 «Солнышко».

К примеру, для популярной лампы «ДРТ 125-1» производитель не публикует спектр, но в документации приводит параметры: интенсивность облучения на расстоянии 1 м от лампы UVA – 0,98 Вт/м2, UVB – 0,83 Вт/м2, UVC – 0,72 Вт/м2, бактерицидный поток 8 Вт, и после использования требуется вентиляция помещения от озона [Lisma].

Рис. 18 Источник широкополосного ультрафиолета — лампа ДРТ-125

По заявленным характеристикам видно, что спектр широкополосен с почти равной долей излучения в мягком, среднем, и жестком ультрафиолете, в том числе захватывает генерирующий озон жесткий UVC. Бактерицидный поток составляет 6,4% от потребляемой мощности, то есть КПД в 6 раз меньше, чем у трубчатой лампы низкого давления.

Производитель не публикует спектра этой лампы, а в интернете циркулирует одна и та же картинка со спектром какой-то из ДРТ. Первоисточник неизвестен, но соотношение энергии в UVC, UVB и UVA диапазонах не соответствует заявленным для лампы ДРТ-125. Для ДРТ заявлено примерно равное соотношение, а по спектру видно, что энергия UVB кратно больше энергии UBC. А в UVA кратно выше, чем в UVB.

Рис. 19. Спектр дуговой ртутной лампы высокого давления, наиболее часто иллюстрирующей спектр широко применяемых в медицинских целях ДРТ-125.

Понятно, что лампы с разным давлением и добавками в ртуть излучают несколько по-разному. Также понятно, что неинформированный потребитель склонен самостоятельно вообразить желаемые характеристики и свойства продукта, приобрести основанную на собственных предположениях уверенность, и совершить покупку. А публикация спектра конкретной лампы вызовет обсуждения, сравнения и выводы.

Автор однажды купил установку ОУФК-01 с лампой ДРТ-125 и несколько лет использовал для испытаний на УФ-стойкость пластиковых изделий. Облучал одновременно два изделия, одно из которых контрольное из устойчивого к ультрафиолету пластика, и смотрел какое пожелтеет быстрее.

В назначении ОУФК-01 указано, что облучатель применяется при острых воспалительных процессах. То есть в случаях, когда положительный эффект дезинфекции кожи превышает возможный вред широкополосного ультрафиолета. Очевидно, что и в таком случае лучше использовать узкополосный ультрафиолет, без длин волн в спектре, оказывающих иное действие кроме бактерицидного.

Фототерапия

Так как курортно-санаторное лечение доступно не всем и не в любое время года, а негативное влияние солнечных лучей может усугубить болезнь, было разработано лечение, при котором пациент подвергается воздействию искусственных источников излучения с определенной длиной волны, таких как лазер, светодиоды, флуоресцентные и дихроитические лампы.

Фототерапия действует благодаря целому ряду механизмов: изменению экспрессии цитокинов, индукции апоптоза и иммуносупрессии клеток Лангерганса. При облучении происходит апоптоз (Апоптоз – невоспальтельная, запрограммированная, контролируемая гибель клеток, запускаемая организмом при распознавании повреждения клетки или её неправильной работы.) пораженных клеток и угнетение иммунного ответа на клетки собственного организма.

Фототерапию разделяют на два основных направления, отличающихся длинной волны, излучаемой аппаратами.