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高强度紫外线杀菌灯(下)

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疫情期间,如何在公共场合切断病毒的传播是重中之重,上半部分我们介绍了紫外线灯消毒的优点以及目前市场上紫外消毒光源在防疫中的不足,下半部分,我们将分享在射频聚焦等离子激励技术研发中取得的一些成果。如果想要了解上半部分的内容,请点击→高强度紫外线杀菌灯(上)。


0射频聚焦等离子激励技术的突破和前景

高亮度的极紫外光源(10nm-121nm)是组成光电子能谱仪、光电离质谱和半导体光刻等高端设备的关键核心部件。目前普通实验室中使用的极紫外光源普遍使用稀有气体电离复合产生。此技术是20世纪80年代形成并发展起来的,是国外厂商普遍使用的激励方法。稀有气体电离复合时需要几千至上万伏的高压,产生极紫外光的转换效率低、光子能量单一、亮度不足。同时这种极紫外光源体积大、输出不稳定、工作寿命短,近20年来这些缺点一直未能得到有效的解决。使得高亮度的极紫外光源成为高性能的光电子能谱仪、有机质谱仪、半导体光刻发展的关键性瓶颈。

为了解决当前稀有气体电离极紫外光源的不足之处,满足广大科技工作者和测试计量单位日益增长的研究需求,团队成员攻坚克难,经过2年多的努力,研发了新型高效射频聚焦等离子激励技术[11]。利用我们的射频聚焦等离子技术开发的多气体高辉度极紫外光源解决了长期以来实验室极紫外光源能量单一、光通量低等问题,性能大幅超越国际现有产品。





该技术采用特殊设计的射频场聚焦器,突破了传统波导谐振腔体大小受波长特征尺寸的限制,形成毫米级的局域射频场,极大的增强了局域场的电场强度。目前已成功开发的433MHz极紫外光源产品,单位长度的极紫外光功率输出可以达到传统方法的40倍,整体亮度比国外商业化的产品提高10倍以上。在国内外20多家高校研究所的前沿实验室取得非常良好的使用和示范效果,并逐步取代国外长期垄断的已有商业产品。这为开发UVC波段射频聚焦紫外灯提供了扎实的技术积累。

05已开展的研究工作和预期成果
面对来势汹汹的疫情,1月30日开始,团队成员快速行动,积极探索高强度紫外线杀菌光源的解决方案,为抗击疫情贡献自己的力量。团队成员借鉴射频聚焦等离子激励极紫外光源的发光原理,将稀有工作气体换成少量的汞齐药丸(5mg),成功的实现了以253.7nm占主导(85%以上)发光谱线发射。

预期指标:
● 光强:距离灯头1米远处,大于4000um/cm2;


● 时间:24V锂电池,充满电后7-8小时;


● 面积:单次覆盖5m2-10m2;


● 照射时间:停留30s-60s彻底灭毒;



基于射频聚焦等离子激励技术的紫外线杀菌灯优点有:

1> 射频场能量聚焦到毫米级,产生高电场强度高达109V/m,功率密度提到100倍以上,等离子密度相比传统放电管高1-2数量级。

2> 使用高频微波激发的等离子体中,能量主要转移到原子的电子部分,紫外光转换效率提高10倍以上,亮度高。

3> 易于实现大功率灯管,通量是目前紫外灯的20倍-100倍。可以应用于快速杀菌消毒,杀菌速率和应用空间体积大大提高。

4> 集成了先进的大功率半导体固态射频源作为驱动,24V直流电压驱动,无需电极和高压,更安全可靠;

5> 灯泡体积最短可缩小到10mm(最长可达500mm),固态射频源体积小、可锂电池驱动、便携,更易于集成到机器人等移动设备上。

6> 发光灯泡没有电极,寿命达10000小时以上。

7> 大幅减少汞齐的使用量,减少环境污染。

未来,基于射频聚焦等离子激励技术的基础,研发团队将充分发挥自身优势资源,全力以赴、攻坚克难,迅速开展高强度大面积高效固态射频紫外杀菌光源产品的设计、优化及生产,以开发出用于医院、学校、高铁站等开阔空间的大面积快速杀菌灭毒的高强度紫外灯产品,结合智能机器人巡检平台,完成杀菌消毒等日常空气净化工作。有效切断新型冠状病毒在人群中的传播途径,为超负荷工作的医生和高铁工作人员节省精力和时间,减少医患间交叉感染的风险,助力疫情防控。


参考文献

[1] 国家卫生健康委员会统计信息中心疫情防控动态,http://www.nhc.gov.cn.
[2] 国家卫生健康委员会《新型冠状病毒感染的肺炎公众防护指南》,人民出版社,2020年.
[3] 紫外线杀菌灯《GB19258-2012》,中国国家标准化委员会,2012年.
[4] Hirayama Hideki, Jo Masafumi, Maeda Noritoshi, Kashima Yukio, Recent Progress in AlGaN‐Based Deep‐UV LEDs, DOI:10.5772/intechopen.79936,2017.
[5]https://www.kickstarter.com/projects/740978067/cleanty-worlds-smallest-and-most-powerful-uvc-led
[6] 医疗机构消毒技术规范《WS/T367-2012》,国家卫生健康委员会,2012年.
[7] 医院空气净化管理规范《WS/T368-2012》,国家卫生健康委员会,2012年.
[8] Duan S M, Zhao X S, Wen R F, et al. Stability of SARS coronavirus in human specimens and environment and its sensitivity to heating and UV irradiation[J]. Biomed Environ Sci, 2003,16(3):246-255.
[9] Darnell M E, Taylor D R. Evaluation of inactivation methods for severe acute respiratory syndrome coronavirus in noncellular blood products[J]. Transfusion, 2006,46(10):1770-1777.
[10]Spiros Kitsinelis, Spyridon Kitsinelis,Light Sources: Basics of Lighting Technologies and Applications,CRC press,ISBN 9781138034044 - CAT# K31585,2017.
[11]发明专利201620355423.X《一种高效高亮度真空紫外光源装置》,2016年.


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