Регулирование импульса энергии при электронном дозировании излучения ртутных ламп Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Библиографический список

1. Стешенхо В. Б. ПЛИС фирмы «Алтера»: элементная база, система проектирования и языки описания аппаратуры. — М.: Додека-ХХ1, 2002, - 576 с.

2. А. С. 847394 СССР. Устройство для испытания релейных схем сравнения по фазе / В. А. Бороденко; опубл. 15.07.81, Бюл. № 26. - 3 с: ил.

3. Бороденко В. А., Бороденко Г. Н. Установка для моделирования возмущений по питанию в электроприводе переменного тока. - В кн.: Электрооборудование промышленных установок. — Горький, изд-во ГПИ, 1986. — С. 39-43.

4. Бороденко В. А. Повышение эффективности автоматики подстанций с двигательной нагрузкой: Аналитический обзор. — Павлодар, ЦНТИ, 2005. - 88 с.

БОРОДЕНКО Виталий Анатольевич, кандидат технических наук, доцент, профессор кафедры «Автоматизация и управление».

Статья поступила в редакцию 30.10.06 г. © Бороденко В. А.

УДК 535:621.31 в. И. ГОРБУНКОВ

А. П. ПОПОВ

Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия

Омский государственный технический университет

РЕГУЛИРОВАНИЕ ИМПУЛЬСА ЭНЕРГИИ ПРИ ЭЛЕКТРОННОМ ДОЗИРОВАНИИ ИЗЛУЧЕНИЯ РТУТНЫХ ЛАМП

По уровню квантовой эффективности ультрафиолетовое излучение (УФИ) имеет неоспоримое преимущество перед видимым и инфракрасным излучением, что делает метрологическое обеспечение рассматриваемой методики дозирования весьма актуальным. Это позволяет использовать электронный дозатор как прибор, обеспечивающий воспроизводимость и повторяемость результатов при биологических исследованиях, а также в медицинской практике. Вместе с тем авторы уделили внимание возможности дозирования видимого и инфракрасного излучения.

Проблема точно определенной дозы ультрафиолетового излучения [1] возникает, прежде всего, при определении фотобиологической безопасности источников ультрафиолетового облучения (УФО) при использовании в целях:

— лечебно-профилактического УФО;

— санитарно-противоэпидемических мероприятий, направленных на подавление жизнедеятельности микроорганизмов в водной, воздушной и иных средах.

С этой же проблемой сталкиваются, например, при использовании медицинской технологии экстракорпоральной фотогемотерапии (воздействия на кровь ультрафиолетовым излучением), которая благодаря имуннорегулирующему эффекту перспективна для применения в клинической практике.

В последнее время внимание исследователей [2] стало привлекать воздействие всего диапазона оптического излучения на возможности изменений компонентов крови. Естественно, что нельзя рассматривать ряд основных процессов фотогемотерапии, таких, как разрыв связей молекул, диссоциация молекул, а также эффекты возбуждения гармонических колебаний и нагрев без изменения структуры молекул [3] неотрывно от величины квантовой эффективности излучения, начиная с УФ-диапазона и заканчивая инфракрасным.

Кроме того, появился интерес [4] к спектрам комбинационного рассеяния, получаемым путем облучения крови интенсивными линиями видимой части спектралинии ртути — 435,8 нм., 404,7 нм. и 546,2 Нм,

Поскольку ртутная газоразрядная лампа низкого давления (ГЛ НД) в подавляющем числе медицинских приборов [2) находится, по соображениям безопасной эксплуатации, в замкнутом теплоизолированном пространстве, то ее работу целесообразно рассмотреть в приближении абсолютно черного тела [5]. Спектр излучения закрытой ртутной ГЛ НД - линейчатый, в целом соответствует закону излучения Планка с температурой 9 270 К. Несмотря на низкое давление, в газоразрядной плазме этой лампы устанавливается термодинамическое равновесие, приводящее к существенному изменению спектральных характеристик излучения по сравнению с открытой лампой.

Из приведенной на рис. 1 спектральной характеристики ртутной ГЛ НД видно, что интенсивность излучения резонансной линии 253,7 не превышает 10% от общей интенсивности, в то время как в от-крытойлампе ее доля Доходит до 90% [6]. Кроме этого, в спектре появились линии, сравнимые по интенсивности с ней: это линии среднего и мягкого ультрафиолета (табл.1.) и линии комбинационного рассеяния.

ÍOOO

750

500

250

у

/ у

1

150.0 200.0 250.0 300.0 Волновое число

350.0 400.0

iM0~W

Рис. 1. Спектр излучения лампы ДРБ 8, находящейся в непрозрачной, металлической полости. Значение разрядного тока составляет 0,390 А,

падение напряжения - 56 В. Непрерывная кривая, огибающая максимумы спектральных линий, - кривая Планка.

5 -

g 0.109

■я «

8

I

00,0 iOOfi 400,0 500,0

Волновое число v ■ 10"*слГ'

Рис. 2. Спектральная характеристика монохроматической чувствительности фотодиода ФД УФ-1

Развитие нанотехнологии и диффузионных методов изготовления полупроводниковых приборов привели к появлению фотодиодов, работающих в широком диапазоне частот, включая ультрафиолет, и обладающих термонезависимыми характеристиками [7].

Частотный диапазон представленной на рис. 2 характеристики спектральной чувствительности фотодиода ФД УФ-1 достаточен, чтобы выделить с помощью комбинированных светофильтров большую часть линий из указанных в табл. 1.

С применением фотодиода ФД УФ-1 и цифровых электронных систем реализуется устройство, позволяющее в реальном масштабе времени произвести дозирование УФ-излучения ГЛ, причем доза излучения задается заранее, в цифровой форме[8]. Рассмотрим работу электронного цифрового дозатора.

На представленной блок-схеме [9] дозатора (рис. 3) электрический сигнал, пропорциональный падающему на фотодиод световому потоку УФ-излучения с фотодатчика 2, находящегося в зоне облучаемого газоразрядной лампой объекта, поступает в блок 3, на входе которого находится операционный усилитель, выходной сигнал которого пропорционален текущему значению мощности излучения и подвергается интегрированию и квантованию по

ватт-секундной площади. Блок 3, выполняя процедуру импульсного интегрирования текущего значения мощности потока, падающего на фотодиод в течение определенного периода времени, совместно с блоком 4 позволяет определить в цифровой форме дозу излучения. По завершению дозы вырабатывается команда на гашение разряда лампы с помощью блока коммутации 1. Немаловажная роль в работе схемы отводится аналоговым ключам, от работы которых зависит точность интегрирования аналогового сигнала и, следовательно, самого дозирования.

На основе рассмотренных характеристик ртутной ГЛ, фотодиода, а также устройства цифрового электронного дозатора, проведем оценку импульса энергии, вырабатываемого при электронном дозировании излучения.

Проведем оценку импульса энергии, которая квантуется за один шаг работы импульсного интегратора.

Сигнал с выхода операционного усилителя, на входе которого находится фотодиод, включенный в режиме короткого замыкания, пропорционален

где Яш. [Ом] — сопротивление обратной связи операционного усилителя, а /щ [А] — ток фотодиода.

Таблица 1

Характеристики отдельных спектральных линий лампы ДРБ 8, применяемой в составе медицинской аппаратуры. Питание лампы осуществлялось постоянным током величиной 0,390 А

Диапазон излучения Длина волны (нм) Волновое число (102 см1) Уровень энергии (эВ) Переход Интенсивность спектральной линии (относит, величина)

по Планку из эксперимента

УФ-С 253,7 394,16 4,89 63P,-6'S„ 896.9?. 935,65

УФ-В 296,73 337,01 8,85 63D,-63P„ 956.35 955,01

312,60 319,89 8,85 63D2-63P, 962.15 964,20

УФ-А 365,0 273,97 8,85 63D3-65Pj 942.23 81,44

Видимое 404,7 247,09 7,73 73S,-63P„ 903.17 877,96

435,8 229,46 9,55 73S,-63P| 865.65 818,62

546,1 183,12 7,73 73S,-63P2 721.71 650,20

Рис. 3. Блок-схема цифрового дозатора УФ-излучения (газоразрядных ламп): 1- блок коммутации; 2 - фотодиод; 3 - фотодатчик с импульсным интегратором; 4 - дозатор; 5 - пульт управления; 6 - блок сравнения; 7 - блок индикации

Так как спектральная плотность излучения рассматриваемой лампы имеет линейчатый спектр с ограниченным в диапазоне частот У^Уд/ числом N спектральных линий ртути, то суммарная плотность излучения лампы в этом диапазоне выразится:

АР.-,

(=1

При работе фотодиода в режиме короткого замыкания [10] ток пропорционален падающей на него спектральной плотности потока лучевой энергии Др,. (0 [Вт/м2], спектральной чувствительности фотодиода у,1{Ьсу ) [ А/ Вт] и его эффективной фоточувствительной площади [м2] :

Л Л,, (t) = -А р„

he V,

(1)

Здесь Л = 6,625-10 м [Дж с/ — постоянная Планка;

Положим, что полный ток короткого замыкания слагается из спектральных компонент

I» = ZAI,

K3V|

До-

считаем, что напряжение подается на вход интегрирующего усилителя с выхода операционного усилителя и 11оу = иаи(1).

Величина заряда емкости Си интегратора за время интегрирования от момента до Л определяется следующим образом:

0 = UuuW Л,

R

ь '0

где Ra — сопротивление интегрирующей цепочки.

Выходное напряжение импульсного интегратора, по истечении кванта времени г =tl-tg,t„ <t, <i, последовательно проходя период разряда и заряда конденсатора емкости Сц, будет достигать одного из пороговых значений ± U = Const, — U <uull(tj< <+ t/n , за время г которого вырабатывается импульс (квант) энергии электронного дозатора. Его величина может быть определена при uUH= |L/|0J из значения энергии заряженного до этого уровня конденсатора

C.-V?

W. =■

1Дж\

(3)

A Uv=-

У,

сл hcv

Sd ) APjt)dt [В].

(4)

Здесь CURU - постоянная времени интегрирования.

В случае использования стабилизированного источника излучения (и работающего на постоянном токе) можно принять, что А Р v = pv = const, и выражение (4) по завершении квантования предстанет в виде:

U = R»

" C.R.

hcV

(5)

Будем считать, что фотодиод указанного выше типа установлен в плоскости кюветы. Положим, что на пути падающего лучевого потока установлен комбинированный светофильтр с коэффициентом пропускания, равным единице, пройдя который, поток становится монохроматическим. В качестве примера выделяемой линии светофильтра выберем наиболее часто применяемую линию комбинационного рассеяния Л = 435,80 им [11].

Считаем, что энергия излучения пропорциональна относительной интенсивности спектральной линии, поэтому величина плотности потока выделенной линии р„ = 8,18 мВт/см2 (табл.1). Исходя из требований к уровню выходного сигнала операционного усилителя, выберем Лое = 5,6 кОм, величина/?,, = =680 Ом находится из соотношения

К = hcv

К.'

(6)

полученного из условия равенства импульса лучевой энергии, падающего на фотодиод

IV

И вычисляемого (3) интегратором. Так, при С. = 0,68 ¡лф, и-щ> = 2,4 В, Б{1 = 0,1см2 и чувствительности фотодиода, равной 0,10 тА/тВт (рис. 2), за найденное время I = 0,24-10 '2 с лучевая энергия

С,Л

W = U""p__

■ '' г, R,

hcv

(7)

где иин =VAUv, а

прошедшая фотопреобразование, будет равна величине 1,98 ■1061Дж], что приблизительно соответствует , равной 1,96-Ю'й [Дж]. Увеличение параметра в целое число раз равносильно введению делителя, оно приводит к пропорциональному увеличению энергии измеряемого импульса. В случаях, когда требуется дозирование энергии небольшой величины с высокой точностью, целесообразно снизить величину емкости Си, что приведет к снижению величины импульса энергии и погрешности вычислений.

Таким образом, в рассматриваемой схеме цифрового дозатора подбором постоянной времени интегрирования удается снизить ошибку дозирования, число доз и, следовательно, числа десятичных разрядов, необходимых для представления текущего значения дозы в широком диапазоне частот.

Соотношения (4) — (6) позволяют определить оптимальное соотношение параметров и характеристик, позволяющих сочетать точность вычислений и удобство контроля текущего значения дозы в рабочем диапазоне.

Выводы

Рассмотрение ГЛ НД с точки зрения абсолютно черного тела позволило связать простыми соотноше-

ниями излучение лампы, представленное в виде конечного числа спектральных гармоник, и спектральные характеристики используемых фотодиодов с параметрами электронной схемы, которая реализует процедуру дозирования излучения.

Регулирование величины импульса энергии при электронном дозировании выделяемой светофильтром линии излучения ртутной газоразрядной лампы подтверждает возможность дозирования монохроматического излучения ртутных ГЛ НД во всем рабочем диапазоне1.

Библиографический список

1. Механизмы влияния облученной ультрафиолетовыми лучами крови на организм человека и животных: Сб. науч. тр. / Под ред. И.Е. Ганелиной, К.А. Самойловой. — Л.: Наука, 1986. — 264 с.

2. Дуткевич И.Г., Марченко A.B. и др. Экстракорпоральная фотогемотерапия. Санкт-Петербург. Наука, 2006. - 400 с.

3.Тучин В.В. // Успехи физических наук. 1997. Том 167, №5, С. 517-539.

4. Марченко A.B. Внутрисосудистая фотомодификация крови в хирургии и смежных областях. Автореф. дис. ... д.м.н. СПб., 1999, 42 с.

5. Горбунков В.И. // Омский научный вестник. № 6 (4), сентябрь 2006. - С. 56-59.

6. Рохлин Г.Н. Разрядные источники света, - М.: Энерго-атомиздат, 1991, 720 с.

7. Гольдберг Ю.А., Забродский В,В. и др.. // Физика и техника полупроводников. 1999. Т. 33, вып. 3. — С. 344 — 345.

8. Попов А.П., Горбунков В.И. Устройство дозирования УФ-иэлучения газоразрядных ламп. Заявка N0 2005131628/14(035459). 10.01.2007 прин. реш. о выд. пат. на изобр. с приорит. от 12.10.2005 г.

9. Горбунков В.И. Дозатор УФ-иэлучения газоразрядных ламп для медицинских целей. Мат.1 Междунар. науч.-практ. конф. Т. 1. - Новосибирск, 2005. - С. 111-113.

10. Гольдберг Ю.А., Константинов О.В. и др. //Физика и техника полупроводников. 1995. Т. 29, вып. 3. - С. 421 -427.

11. Ельяшевич М.А. Атомная и молекулярная спектроскопия. - М.: Гос. изд. фиэ.-мат. лит., 1962. — 892 С.

ГОРБУНКОВ Владимир Иванович, старший преподаватель кафедры «Электроника и автотракторное электрооборудование» СибАДИ. ПОПОВ Анатолий Петрович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Теоретическая и общая электротехника» ОмГТУ.

Статья поступила в редакцию 01.10.06 г. © Горбунков В. И., Попов А. П.

УДК 615.478.73 И В МОЗГОВОЙ

А. Г. ПОНОМАРЕВ С. Г. МАЛЬЦЕВ

Омский государственный технический университет

ОБ ИСХОДНЫХ ТРЕБОВАНИЯХ К ТЕХНИЧЕСКИМ ХАРАКТЕРИСТИКАМ ИНДИКАТОРОВ ОПЕРАТИВНОГО КОНТРОЛЯ РАБОТЫ ПАРОВЫХ СТЕРИЛИЗАТОРОВ, ИЗГОТОВЛЕННЫХ ДО 1996 г._

Рассматриваются вопросы, касающиеся применения индикаторов оперативного контроля паровой стерилизации в процессах, проводимых на морально устаревающем, но еще исправно действующем оборудовании. Отмечаются факты несоответствия технических характеристик химических термовременных индикаторов стандартным требованиям. В части требований к точности работы индикаторов оперативного контроля подчеркивается необходимость установления зависимых допусков. Предлагаются решения, позволяющие обеспечить контроль работы действующего парка устаревающих паровых стерилизаторов в соответствии со стандартами.

Существующее многообразие индикаторов д\я оперативного контроля режимов паровой стерилизации изделий медицинского назначения (ИМН) разработано в части технических характеристик на базе требований соответствующих стандартов. (Под технической характеристикой в данной статье под-

разумевается зависимость вида Т= ГШ.гдеТ- температура, а I — время срабатывания индикаторов в чистой паровой среде).

Многие из этих стандартов связаны с происходящим обновлением и совершенствованием оборудования паровой стерилизации [1]. В частности, был