使用紫外线的抗菌装置的制作方法

使用紫外线的抗菌装置
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求于2020年8月12日提交、序列号为16/991,359的美国申请的优先权，本技术要求于2019年9月3日提交、序列号为62/895,164的美国临时专利申请的优先权，其内容通过引用整体并入本文。


背景技术：

3.当前的抗菌装置使用汞、激发二聚体(即准分子)或激发复合物(即激态复合物，例如krbr*、arf*或krf*)形成紫外线。在此过程中，电子从受激的准分子或激态复合物状态跃迁到弱束缚基态，从而导致能量以光子形式释放。光子的能量大小与光子的电磁频率成正比，而电磁频率与波长成反比。
4.该装置可能产生具有对人体细胞或其组分(包括脱氧核糖核酸(dna)、核糖核酸(rna)或两者)有害的波长的光。该装置可能产生的光的强度低于灭菌、消毒或抗菌目的所需强度。因此，抗菌装置的局限性可能导致受限的功效，无论是由于有害波长、降低的强度还是类似原因。
5.需要一种更有效的抗菌装置。
附图说明
6.图1a示出了示例性抗菌装置。
7.图1b示出了示例性抗菌装置。
8.图2示出了示例性uv模块。
9.图3示出了示例性uv模块。
具体实施方式
10.本文讨论了一种抗菌装置，例如手电筒、提灯或灯。抗菌装置产生的紫外(uv)光的波长在期望波长范围150-250纳米(nm)内，包括200-230nm。抗菌装置包括电子源、提取器和目标材料。电子源提供自由电子。自由电子可用于引起释放波长在期望波长范围内的光子，无论是通过目标材料还是通过电子本身。提取器从电子源提取电子。目标材料是自由电子指向的组件。目标材料可以释放波长在期望波长范围内的光子、或使电子释放波长在期望波长范围内的光子。在一个示例中，目标材料在被电子源提供的自由电子撞击或激发时释放光子。在另一个示例中，目标材料可以使自由电子减速，从而使电子发射光子。在每次减速事件中，电子都会失去能量，但能够继续产生这些光子，直到达到最小电子能量。
11.抗菌装置可以控制由电子源提供的自由电子的能量、或选择材料以发射具有给定波长或波长范围的光子。这种控制允许抗菌装置生成具有特定波长的紫外光。紫外光对人体细胞(包括dna、rna或两者)无害，并具有足够高的强度以对表面、液体、空气、气体、类似物或其组合或多种进行适当地消毒(或灭菌，在适当的情况下)。
12.通过调节热电子发射器的温度、释放的自由电子上的加速电压、量子点的数量和
密度、以及量子点的材料和尺寸，可以达到任何期望水平的远紫外光强度。这造就了一种光源或灯，它可以造成从非常暗淡到非常亮的光强度范围，用于期望范围内的任何选定波长，甚至是消毒目的期望的波长分布。
13.图1a示出了抗菌装置100，例如手电筒。图1b示出了另一种抗菌装置120，例如提灯。抗菌装置100包括uv模块106和具有电源开关104的主体102。抗菌装置100还可包括电池108、转换器110或两者。电源开关104控制从电源(无论是电池110还是经由转换器110的外部电源)到uv模块106的电流。在一个示例中，电池108是内部电源。电池108可以是可充电的或不可充电的。电池108也可以是内部可拆卸的或固定的。在另一个示例中，转换器110可以连接到外部电源，例如电源插座。转换器110可以包括将ac功率转换为dc功率的整流器。在又一个示例中，抗菌装置100可以包括电池108和转换器110，使得抗菌装置100既包括内部电源，又可以连接到外部电源。因此，抗菌装置100可以是便携式的、可充电的或类似的或它们的组合。
14.uv模块106生成用于消毒的紫外光。图2示出了uv模块106。uv模块106包括电子源202、提取器204和目标材料208。电子源202提供自由电子。自由电子是不附着在离子、原子或分子上并且在施加的电场或磁场的影响下自由移动的电子。自由电子可用于引起释放波长在期望波长范围(即，150-250nm，包括200-230nm)内的光子，无论是通过目标物还是通过自由电子本身。通过加热电子源202(例如凭借加热元件)、通过向电子源202施加电磁场(例如，在存在碳纳米管或磁场发生器的情况下增加阳极上的正电荷)、通过化学刺激(例如通过化学刺激物)等、或通过它们的组合或倍数(multiple)，可以生成自由电子。电子源202可包括阴极(例如，热阴极、热离子阴极等)、灯丝(例如，热灯丝)、纳米管、光电发射器等，或它们的组合或倍数。电子源202可以由钨、六硼化镧、碳等或其组合或倍数组成。
15.提取器204(例如闸门)从电子源202提取自由电子。为了提取自由电子，提取器204可以产生磁场(带正电)、或比电子源202具有更大的电势。提取器204可以是套筒、管、环形等，以允许提取的自由电子通过提取器204并朝向目标材料208。
16.当自由电子激发目标材料208时，目标材料208释放波长在期望波长范围内(例如，150-250nm，包括200-230nm)的光子。光子的波长可以基于目标材料208的类型、自由电子撞击或激发目标材料208的能量、自由电子减速时损失的能量等或其组合或倍数。目标材料208(例如固态材料)在受到例如自由电子或光源的激发时发出磷光。目标材料208可以是氟化钙、晶体(例如，氮化硼、氮化铝等)、量子点、磷光体、荧光材料(例如，体光子材料，包括氮化硼、氟化钡，或类似)、等离子体、宽带隙能量材料(例如，氮化铝、氮化硼、金刚石等)等，或其组合或倍数。
17.在一个示例中，目标材料208释放波长在期望范围内的光子。当自由电子具有8.226电子伏(ev)或更大的能量时，从目标材料208释放的光子具有150nm的波长。当自由电子具有4.959ev或更大的能量时，从目标材料208释放的光子具有250nm的波长。当自由电子具有6.199ev或更大的能量时，从目标材料208释放的光子具有200nm的波长。当自由电子具有5.391ev或更大的能量时，从目标材料208释放的光子具有230nm的波长。因此，在撞击或激发目标材料208后，自由电子的能量可以至少为4.95ev，包括5.3ev至12.5ev。目标材料208将自由电子的能量转换成适当数量的光子，光子携带能量远离目标材料208。或者，自由电子能量(fee)可以大于或等于待发射的具有期望波长范围内波长(λ)的光子所需的能量
乘以在期望波长下发射的光子数。换句话说，
18.fee＝(具有波长λ的光子的能量)x(光子的数量)
19.在另一示例中，目标材料208可以由一种或多种材料组成，这些材料(无论单独或一起)释放波长在期望波长范围内的光子。光子的波长基于目标材料208的一种或多种性质，包括尺寸、材料类型等或其组合或倍数。例如，目标材料208可以是量子点。量子点是纳米级的半导体粒子(例如1-10nm)。量子点可以是一元的(例如，由来自单个周期族的材料组成)、二元的(例如，由两种材料组成，每种材料来自不同的周期族)、三元的(例如，由三种材料组成，每种材料来自不同的周期族)、四元的(例如，由四种材料组成，每种材料来自不同的周期族)等。例如，量子点可以由来自周期族iv的材料(例如，si、ge、c等)组成。作为另一个例子，量子点可以由周期族ii-vi、iii-v、iv-vi等制成，包括但不限于硒化镉、硫化镉、碲化镉、硫化锌、碲化锌、铟砷化物、氮化镓、氮化硼、氮化铝和磷化铟。
20.量子点的性质(例如尺寸、材料或两者)的差异可以改变光子的波长，从而允许制造或选择量子点以释放具有期望波长范围内(例如，150-250nm，包括200-230nm)特定波长的光子。
21.在又一示例中，目标材料208可以具有缺陷或杂质，这些缺陷或杂质产生波长在期望波长范围内的光子、或重组以产生波长在期望波长范围内的光子辐射的电子和电子空穴(即，不存在电子)。
22.在又一个示例中，可以选择目标材料208以使自由电子减速。减速(即动能的降低)产生波长在期望波长范围内的光子，例如通过产生轫致辐射。在每次减速事件中，电子都会失去能量，但能够继续产生这些光子，直到达到最小电子能量。例如，目标材料208可以是具有使自由电子减速的电荷的等离子体。等离子体可通过自由电子使部分或全部原子激发到更高的能级，然后其释放期望波长范围内的能量。等离子体可以是非麦克斯韦的。替代地，目标材料208可以具有使自由电子减速(即，自由电子散射)的原子量。替代地，目标材料208可以是减速电极，其生成使自由电子减速的磁场或电场。
23.uv模块106还可以包括在电子源202和目标材料208之间的间隔210。该间隔可以大于或等于0.1nm，包括最大10cm。间隔210可以包括真空、电介质(例如，固体电介质)、路径电极206等，或者它们的组合或倍数。
24.路径电极206帮助自由电子沿着传输路径218穿过间隔210移动，例如从电子源202向目标材料208移动。当自由电子穿过间隔210行进时，路径电极206可以增加、减少或保持自由电子的能量。例如，自由电子的初始能量可以生成具有非期望波长的光子。然而，自由电子的能量可以改变(无论是增加还是减少)为第二能量以产生波长在期望波长范围内的光子，例如在激发目标材料或产生轫致辐射时。
25.uv模块106还可以包括光学反射器216。光学反射器216将从目标材料208释放的光子从抗菌装置100向外反射。可朝向抗菌装置100的窗口、开口、孔等反射光子。光学反射器216可以是平坦的、球形的或抛物线的。光学反射器216可以由铝或任何其它合适材料构成。在一个示例中，如图2所示，光学反射器216在自由电子的传输路径218中，并允许自由电子通向目标材料208。
26.在另一个例子中，图3示出了uv模块300。uv模块300类似于uv模块106，除了uv模块300包括偏离于自由电子的传输路径218的光学反射器304，例如当目标材料302不垂直于自
由电子的传输路径218(例如1-89
°
，包括10
°
、20
°
、30
°
、33
°
、45
°
等)时。
27.返回图2，uv模块106还可以包括水平偏转器212、垂直偏转器214或两者(例如，偏转器轭)。当自由电子从电子源202向目标材料208行进时，水平偏转器212可以向左和向右引导或偏转自由电子。当自由电子从电子源202向目标材料208行进时，垂直偏转器214可以向上和向下引导自由电子。
28.尽管水平偏转器212和垂直偏转器214示出为与uv模块106的其它组件成直线，但是水平偏转器212和垂直偏转器214可以在其它组件之外(例如，每个偏转器具有两个板，使得水平偏转器212的一个板在间隔210或路径电极206的左侧，并且一个板在间隔210或路径电极206的右侧；并且使得垂直偏转器214的一个板位于间隔210或路径电极206的顶部，并且一个板位于间隔210或路径电极206的底部)。
29.尽管水平偏转器212和垂直偏转器214示出为位于提取器204和路径电极206之间，但是水平偏转器212和垂直偏转器214可以位于uv模块106的任何其它组件之前、之间或之后。水平偏转器212和垂直偏转器214也可以位于不同位置。
30.返回图1a，抗菌装置100可以包括光学训练器(train)112。光学训练器112可以包括透镜、镜子、滤光片等，或者它们的组合或倍数，以将光子116引导到抗菌装置100的孔114。孔114是开口，光子或光通过该开口从抗菌装置100发射到周围环境。
31.本发明的实施例可以包括非暂时性计算机可读介质，其可以存储用于执行上述方法及其任何步骤(包括它们的任何组合)的指令。例如，非暂时性计算机可读介质可以存储指令以供一个或多个处理器或类似装置执行。
32.本发明的更多实施例还可以包括一个或多个用户组件，用户组件读取并执行计算机可执行指令，例如记录或存储在存储介质(其可以与如上所述的用于存储图像或文件的存储介质相同或不同)上的非暂时性计算机可读介质，以执行任何实施例或示例的功能。该组件可以包括中央处理单元(cpu)、微处理单元(mpu)或其它电路(例如处理器)中的一个或多个，并且可以包括单独的用户设备或服务器或单独的计算机处理器的网络。计算机可执行指令可以例如从存储介质提供给组件。
33.尽管关于抗菌装置的一个实施例或示例描述了某些元件、方面、组件等，但是这些元件、方面、组件等可以包含于任何其它抗菌装置中，例如当它这样做是期望的或有利时。
34.出于解释目的，前面的描述使用了特定术语以提供对本公开的透彻理解。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，不需要特定细节来实践本文描述的系统和方法。出于说明和描述的目的，以示例的方式呈现了特定实施例或示例的前述描述。它们并非旨在穷举或将本公开限制为所描述的精确形式。鉴于上述教导，许多修改和变化都是可能的。示出和描述实施例或示例是为了最好地解释本公开的原理和实际应用，从而使本领域的其它技术人员能够最好地利用本公开以及具有适合预计特定用途的各种修改的各种实施例或示例。本公开的范围旨在由所附权利要求及其等同物来限定。