Ultraviolet stråling - Dens egenskaber og fordele

En kort historie

Den tyske fysiker Johann Wilhelm Ritter opdagede UV-stråling i 1801. Han observerede en accelereret mørkfarvning af sølvkloridvædet papir, når det blev udsat for usynlige stråler lige uden for det synlige spektrum i den violette ende. For at skelne disse stråler fra de "varmestråler" (IR), som han havde opdaget året før i den anden ende af det synlige spektrum, kaldte han UV-strålingen for "oxiderende stråler", hvilket understregede den kemiske reaktivitet, han observerede. Dette blev hurtigt erstattet af udtrykket "kemiske stråler", som forblev populært i resten af det 19. århundrede. Efterhånden blev de kemiske og varmestrålebetegnelser erstattet af de nu almindelige betegnelser for henholdsvis ultraviolet og infrarødt lys.

Hvad er UV?

I det elektromagnetiske spektrum klassificeres ultraviolet (UV) stråling som havende en bølgelængde fra 100 nm til 400 nm. Disse bølgelængder er kortere end for synligt lys og længere end for røntgenstråler. Der findes tre forskellige klassificeringer af UV-lys: UVA har bølgelængder mellem 315 og 400 nm, UVB har bølgelængder mellem 280 og 315 nm, og UVC har bølgelængder mellem 100 og 280 nm.

Figur 1: UV-bølgelængderne er de bølgelængder, der ligger umiddelbart under det, som det menneskelige øje kan se. (Billede venligst udlånt af W.S. Badger Company, Inc.)

Solen udsender UV-stråling i spektret fra 100 til 400 nm. Ved kanten af Jordens atmosfære består sollyset af ca. 50 % infrarødt lys (IR), 40 % synligt lys og 10 % UV-lys. Når sollyset når Jordens overflade, når solen står på sit højeste punkt, er sammensætningen af sollyset 53 % IR, 44 % synligt og 3 % UV-stråler. Af de 3 % UV-stråler, der når jorden, er ca. 95 % UVA-stråler og 5 % UVB-stråler. Selvfølgelig varierer disse procentdele noget med skydække og andre atmosfæriske forhold.

En stor del af UVC-bølgelængderne absorberes af ilt i den øvre atmosfære, som derefter danner ozon i ozonlaget. Ozonlaget blokerer det meste af UVB og resten af UVC-strålerne, som ikke allerede er absorberet af ilt.

Kunstige UV-emittere

Solen er ikke den eneste kilde til UV-stråling. Der findes flere menneskeskabte apparater, som også genererer disse bølger.

Sort lys

De UV-generatorer, som folk kender bedst, er sort lys (figur 2). Typiske sort lys lamper udsender UVA-bølger med meget lidt synligt lys. For eksempel bruger fluorescerende sort lys en fosforbelægning på indersiden af glasrøret til at udsende UVA-bølger i stedet for synligt lys. Kraftigere kviksølvdamp-sort lys anvender det samme princip til at udsende UVA-stråling i større skala, primært til koncert- og teaterbrug.

Figur 2: Typiske fluorescerende sort lys udsender UVA-bølger

Sort lys anvendes især i tilfælde, hvor det er uønsket at få synligt lys udefra og samtidig observere den fluorescens, der opstår, når visse stoffer udsættes for UV-lys.

Kortbølgede UV-lamper

Kortbølgede UV-lamper består af lysstofrør uden fosforbelægning. UV-lys med toppe ved 253,7 nm og 185 nm, begge i UVC-båndet, udsendes primært på grund af kviksølvet i røret. Det er imidlertid kun strålingen på 253,7 nm, der passerer gennem glasset af smeltet kvarts, mens bølgelængden på 185 nm er fuldstændig blokeret. Den typiske effektivitet for disse lamper er 30 - 40 %, og de har to til tre gange så meget UVC-effekt som konventionelle lysstofrør.

Den primære anvendelse af disse lamper er desinfektion af laboratorieoverflader, overflader til fødevareforarbejdning og vandforsyninger.

UV-gasudladningslamper

Gasudladningslamper indeholder forskellige gasser, der er udvalgt til at producere UV-stråling ved bestemte spektrallinjer, og anvendes til specialiserede videnskabelige formål. Disse lamper anvendes primært i UV-spektroskopiudstyr, der anvendes til kemisk analyse.

Lasere

Lasere kan fremstilles specielt til at producere UV-lys. Afhængigt af laserteknologien (gaslasere, laserdioder eller faststoflasere) og de anvendte materialer kan lasere fremstilles til at dække hele UV-båndet.

Der er mange anvendelsesområder for UV-lasere, herunder lasergravering, dermatologi, keratectomi, kemi, kommunikation, optisk lagring og fremstilling af integrerede kredsløb.

Lysemitterende dioder

Lysemitterende dioder (LED'er) fremstilles specielt til at producere UV-lys. Disse apparater anvendes i øjeblikket til UV-hærdning, sterilisering, hudterapi og inden for kemi til at identificere komponentblandinger.

Sundhedsspørgsmål

UV-stråling har en både gavnlig og skadelig indvirkning på menneskers sundhed. For meget eksponering kan være skadelig, mens moderat eksponering har gavnlige virkninger.

Skadelige virkninger

Overdreven udsættelse for UV-stråling (UVA LED'er er tilgængelig hos DigiKey) kan potentielt forårsage skadelige virkninger på øjnene, huden og immunsystemet.

UVA-stråling forårsager kun få eller ingen umiddelbare reaktioner, men ved bølgelængder nær starten af UVB-båndet (315 nm) begynder der at opstå fotokeratitis (en smertefuld øjensygdom) og rødme af huden (lysere hud er mere følsom), og skaderne øges hurtigt, når bølgelængderne nærmer sig 300 nm. UV-stråler i intervallet 265 nm til 275 nm i UVC-båndet er de mest skadelige for øjne og hud.

Overeksponering med UVB kan ikke kun forårsage solskoldning, men er også ansvarlig for nogle former for hudkræft.

Fordelagtige virkninger

Selv om overeksponering for UV-stråler kan være skadelig, er der sundhedsmæssige fordele at hente, hvis man kan begrænse sin UV-eksponering. De tre primære sundhedsmæssige fordele ved UV-eksponering er produktion af D-vitamin, forbedring af humøret og øget energi.

D-vitamin

Moderat udsættelse for UV-stråling er en god kilde til D-vitamin. Dette vitamin er med til at regulere calciummetabolismen, insulinudskillelsen, blodtrykket, immuniteten og celleforplantningen. Et højere niveau af D-vitamin er blevet korreleret med lavere forekomst af hjertesygdomme, slagtilfælde og diabetes samt en tendens til lavere blodtryk.

Hudsygdomme

Der er visse hudsygdomme, der kan behandles med UV-stråling. Med moderne lysbehandling er det nu muligt at behandle eksem, dermatitis, rakitis, atopisk og lokaliseret sklerodermi, gulsot, psoriasis og vitiligo med succes.

Kardiovaskulær og hypertension

Hos patienter med højt blodtryk og D-vitaminmangel har det vist sig, at UVB-eksponering kan sænke deres blodtryk. Andre medicinske forsøg og undersøgelser har vist, at UV-stråling, uafhængigt af D-vitamin, har målbare sundhedsmæssige fordele.

Serotonin

Dannelsen af serotonin fremmes af D-vitamin, og produktionen af serotonin er direkte proportional med kroppens eksponering for UV-stråling. Ændringer i serotoninniveauet påvirker humør og adfærd. Den nøjagtige virkning på menneskekroppen er ikke helt kendt, men man mener, at serotonin giver følelser af velvære, sindsro og lykke.

Melanin

Moderat UV-eksponering øger mængden af melanin, det brune pigment, i huden (også kendt som solbrændthed). Melanin absorberer både UVA- og UVB-stråling og afgiver den som varme. Dette beskytter huden mod både direkte og indirekte DNA-skader.

Applikationer

Der findes adskillige anvendelser, der udnytter UV-strålings egenskaber og giver mange fordele for menneskers sundhed og velvære. UV-bølgernes evne til at dræbe mikrober og fjerne forurenende stoffer er den primære anvendelse i dag.

Luftrensning

Indendørs miljøforureninger er stort set organiske kulstofbaserede forbindelser, der nedbrydes ved eksponering for UVC med høj intensitet i intervallet 240 nm til 280 nm. Det kan også ødelægge DNA'et i mikroorganismer. Derfor kan cyklisk luftgennemstrømning gennem en UVC-emitter, som f.eks. SETi/Seoul Viosys TUD7MF1B UVC LED (figur 3), hjælpe med at rense luften i det rum, hvor den er placeret. Denne 275 nm (nominelt) UVC LED er tilgængelig som en Star Board-enhed med et typisk strålingsoutput på 11,5 mW - velegnet til mange forskellige applikationer, herunder luftrensning.

Figur 3: Denne SETi/Seoul Viosys UVC LED er tilgængelig som en Star Board-enhed for at forenkle den termiske konstruktion. (Billede venligst udlånt af SETi/Seoul Viosys)

Sterilisering og desinfektion

UVC-LED'er kan også bruges til en række steriliserings- og desinfektionsformål. I medicinske og biologiske laboratorier bruges UVC-stråling sammen med andre teknikker til at sterilisere værktøj og arbejdsflader.

Andre almindelige anvendelser af UVC-stråling omfatter behandling af spildevand og kommunalt drikkevand. Det bruges endda af kildevandsaftappere til at sterilisere deres produkt. Desuden anvendes UVC-stråling til at dræbe mikroorganismer i fødevareindustrien. F.eks. kan frugtsaft pasteuriseres ved hjælp af UVC, mens den passerer en kilde.

Terapi

UV-stråling er ikke kun nyttig til rensning og sterilisering, men også til hudbehandling af sygdomme som psoriasis og vitiligo (en tilstand, hvor hudpletter mister pigment). I dette tilfælde er det ikke UVC-, men UVB-bølger, der er nyttige. Her er UVB-LED 'er ideelle til denne anvendelse. Disse 280 nm til 315 nm-apparater kan danne grundlag for udformningen af apparater til hudterapi. Disse enheder er tilgængelig med en række forskellige monteringsmuligheder og strålingsudgange.

Konklusion

UV-stråling har både skadelige og gavnlige virkninger på mennesker. Med den rette udformning kan de gavnlige egenskaber ved både UVB- og UVC-bølger udnyttes til både at beskytte os mod infektioner og behandle visse hudlidelser. Derfor tilbyder DigiKey UV-LED'er, der er ideelle til disse applikationer og er nemmere at designe med end andre UV-kilder.