Ansys Speos在紫外光学系统中的应用
作者：由甲 上海安世亚太光学软件应用工程师
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▲ 医疗消毒设备
在新冠肺炎（COVID-19）危机期间，公众最大的担忧之一就是医护人员个人防护装备（PPE）的短缺。
医护人员的个人防护装备可以有效帮助医生和护士在治疗患者时保持安全，降低病毒感染的风险。
在特殊时期，PPE供应链体系压力重重，因为这些装备都是一次性的，使用过后就会被丢弃。由于对PPE的需求量极大，因此工程师和医疗从业人员正在寻找对装备进行消毒从而重复使用的方法。
一种可能的解决方案是使用与无数医疗设备相同的紫外线消毒技术
借助仿真，工程师们可以设计新的装备，或优化现有装备的效率，以降低PPE的一次性消耗。
一.紫外消毒的工作原理
▲ 在紫外线消毒下进行的测试
根据美国疾病控制与预防中心（CDC）的说法，紫外线杀菌照射是一种使用短波长光消除或灭活微生物的消毒方法：紫外消毒灯可以通过与细菌和病毒的核酸反应，使之失去繁殖和自我复制的功能从而达到杀菌消毒的目的。可惜的是，该技术对付细菌孢子不是很有效。
许多行业利用波长在240到280纳米之间强光源完成对水、空气、植入物、隐形眼镜以及表面等的消毒灭菌。无论在空气还是水循环系统中，都能对微生物做到有效的控制。
CDC指出，消毒灯的有效性取决于诸多变量：
■ 有机物/微生物的体量
■ 光的波长与强度
■ 悬浮材料
■ 温度
■ 光源与微生物之间的距离
■ 系统清洁度
请记住
这项技术目前仅限于对表面和物体进行灭菌。例如CDC指出，对近15,000名患者进行的双盲研究表明，紫外线不能有效降低术后伤口的感染率。此外，疾病预防控制中心和世界卫生组织（WHO）警告，用紫外线照射人体可能会造成伤害。
二.仿真可以帮助工程师设计紫外线消毒系统
最近的紫外线杀菌照射技术的发展表明，LED可以替代传统上使用的汞灯。
这些半导体发出的光在255至280纳米之间，同时减小了消毒系统的尺寸，这使得工程师能够更好地将它们集成到医疗设备之中。
▲ Ansys SPEOS辐照度分析结果提供最低照度值，计算得出完成消毒过程仅需4秒。
紫外LED同时具备更好的短期操作耐受性。因此当它们间歇使用时，可以比汞灯获得更长的使用寿命，这使得LED成为在短期内消毒大量PPE口罩的理想选择。
AAA
▲ 紫外光对口罩消毒的仿真
但是工程师需要证明：这项技术可适用于对像个人防护面罩一样的多孔表面进行消毒。
为了完成这项任务，他们可以使用光学仿真工具（如Ansys SPEOS）来设计一个系统：
通过改变以下变量从而最大限度的进行消毒：
■ 辐射通量
■ LED的数量
■ LED的位置
■ 与光进行相互作用的材料
仿真结果还可以确定：
■ 消毒所需的曝光时间
■ 整个表面的辐射功率
■ 设备效率
■ 最佳设备配置
由于这些模拟可以帮助工程师比使用物理原型更快地进行设计迭代，因此他们可以迅速地设计，优化并验证可以对PPE或其他医疗设备进行消毒的紫外线消毒系统，这或许是一种可以帮助人类战胜新冠病毒（COVID-19）以及未来可能存在的传染类疾病。
文章来源：Ansys
翻译：上海安世亚太光学团队
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