Ultraviolett strålning - dess egenskaper och fördelar

En kort historik

Den tyske fysikern Johann Wilhelm Ritter upptäckte UV-strålning 1801. Han observerade att papper som dränkts i silverklorid mörknade snabbare när det utsattes för osynliga strålar strax utanför det synliga spektrumet på den violetta sidan. För att skilja dessa strålar från de "värmestrålar" (IR) som upptäckts året innan i andra änden av det synliga spektrumet, kallade han UV-strålningen för "oxiderande strålar", vilket betonade den kemiska reaktivitet han observerade. Detta ersattes snabbt av termen "kemiska strålar" som förblev populär under resten av^1800-talet. Så småningom ersattes de kemiska termerna och värmestrålarna med de numera vanliga beteckningarna, ultraviolett och infraröd.

Vad är UV?

I det elektromagnetiska spektrumet klassificeras ultraviolett strålning (UV-strålning) som en våglängd från 100 nm till 400 nm. Våglängderna är kortare än för synligt ljus och längre än för röntgenstrålar. Det finns tre klassificeringar för UV-ljus: UVA har våglängder mellan 315 och 400 nm, UVB har våglängder mellan 280 och 315 nm och UVC har våglängder mellan 100 och 280 nm.

Figur 1: UV-våglängderna är de våglängder som ligger omedelbart under vad det mänskliga ögat kan se. (Bild med tillstånd av W.S. Badger Company, Inc.)

Solen avger UV-strålning i spektrumet 100-400 nm. Vid kanten av jordens atmosfär består solljuset av cirka 50 % infrarött ljus, 40 % synligt ljus och 10 % UV-ljus. När solen står som högst, och solljuset når jordens yta, består det av 53 % IR-ljus, 44 % synligt ljus och 3 % UV-ljus. Av de 3 % UV-strålar som når marken är cirka 95 % UVA och 5 % UVB. Naturligtvis varierar dessa procentsatser något beroende på molntäckning och andra atmosfäriska förhållanden.

En stor del av UVC-våglängderna absorberas av syret i den övre atmosfären som sedan bildar ozon i ozonskiktet. Ozonskiktet blockerar det mesta av UVB-strålningen och resten av UVC-strålningen som inte redan absorberats av syret.

Konstgjorda UV-källor

Solen är inte den enda källan till UV-strålning. Det finns flera konstgjorda apparater som också genererar dessa vågor.

UV-lampor

De UV-generatorer som är mest bekanta för människor är UV-lampor (figur 2). Typiska UV-lampor avger UVA-vågor med väldigt lite synligt ljus. I t.ex. fluorescerande UV-lampor används en fosforbeläggning på glasrörets insida för att skicka ut UVA-vågor i stället för synligt ljus. Mer kraftfulla UV-lampor med kvicksilverånga använder samma princip för att skicka ut UVA-strålning i större skala, främst för konserter och teaterföreställningar.

Figur 2: Typiska fluorescerande UV-lampor skickar ut UVA-vågor.

De viktigaste användningsområdena för UV-lampor är de där synligt ljus är oönskat, samtidigt som man kan observera den fluorescens som uppstår när vissa ämnen exponeras för UV-ljus.

Kortvågiga UV-lampor

Kortvågiga UV-lampor består av lysrör utan fosforbeläggning. UV-ljus med toppar vid 253,7 nm och 185 nm, båda i UVC-bandet, skickas i huvudsak på grund av kvicksilvret i röret. Det är dock endast strålningen på 253,7 nm som passerar genom glasröret av smält kvarts, medan våglängden på 185 nm är helt blockerad. Den typiska effektiviteten hos dessa lampor är 30-40 % och de har två till tre gånger så hög UVC-effekt som vanliga lampor med lysrör.

Lamporna används i första hand för desinfektion av laboratorieytor, ytor för livsmedelsbearbetning och vattenförsörjning.

UV-gasurladdningslampor

Gasurladdningslampor innehåller olika gaser som valts ut för att producera UV-strålning vid specifika spektrallinjer och används i specialiserade vetenskapliga tillämpningar. Lamporna används främst i utrustning för UV-spektroskopi som används vid kemisk analys.

Lasrar

Lasrar kan tillverkas specifikt för att producera UV-ljus. Beroende på lasertekniken (gaslaser, laserdioder eller fasta lasrar) och de material som används kan lasrar tillverkas så att de täcker hela UV-bandet.

Det finns många användningsområden för UV-laser, bland annat lasergravyr, dermatologi, keratektomi, kemi, kommunikation, optisk lagring och tillverkning av integrerade kretsar.

Lysdiod

Lysdioder (LED) tillverkas särskilt för att producera UV-ljus. Apparaterna används för närvarande för härdning med UV-ljus, sterilisering, hudterapi och inom kemin för att identifiera komponentblandningar.

Hälsofrågor

UV-strålning påverkar människors hälsa, både positivt och negativt. För mycket exponering kan vara skadligt, medan måttlig exponering har positiva effekter.

Skadliga effekter

Överdriven exponering för UV-strålning(UVA-lysdioder finns hos DigiKey) kan orsaka skadliga effekter på ögon, hud och immunsystem.

UVA-strålning orsakar inga eller få omedelbara reaktioner, men vid våglängder nära UVB-bandets början (315 nm) börjar fotokeratit (en smärtsam ögonsjukdom) och hudrodnad (ljusare hud är känsligare) att uppträda, och skadorna ökar snabbt när våglängderna närmar sig 300 nm. UV-strålning i intervallet 265-275 nm, i UVC-bandet, är mest skadlig för ögon och hud.

Överexponering av UVB kan inte bara orsaka solbränna utan även vissa former av hudcancer.

Positiva effekter

Även om överexponering för UV-strålning kan vara dåligt, finns det hälsofördelar att få om man kan begränsa sin UV-exponering. De tre främsta hälsofördelarna med UV-exponering är produktion av D-vitamin, förbättrat humör och ökad energi.

D-vitamin

Måttlig exponering för UV-strålning är en bra källa till D-vitamin. Detta vitamin bidrar till regleringen av kalciummetabolismen, insulinutsöndring, blodtryck, immunitet och cellförökning. Högre nivåer av D-vitamin har korrelerats med lägre nivåer av hjärtsjukdomar, stroke och diabetes samt en tendens till lägre blodtryck.

Hudproblem

Det finns vissa hudtillstånd som kan behandlas med UV-strålning. Med modern fototerapi är det nu möjligt att framgångsrikt behandla eksem, dermatit, engelska sjukan, atopisk och lokaliserad sklerodermi, gulsot, psoriasis och vitiligo.

Kardiovaskulära sjukdomar och högt blodtryck

Hos patienter med högt blodtryck och D-vitaminbrist har det visat sig att UVB-exponering kan sänka blodtrycket. Andra medicinska prövningar och studier har visat att UV-strålning, oberoende av D-vitamin, har mätbara hälsofördelar.

Serotonin

Utsöndringen av serotonin främjas av D-vitamin och produktionen av serotonin är direkt proportionell mot kroppens exponering för UV-strålning. Förändringar i serotoninnivån påverkar humöret och beteendet. Dess exakta effekt på människokroppen är inte helt känd, men man tror att serotonin ger känslor av välbefinnande, lugn och lycka.

Melanin

Måttlig UV-exponering ökar mängden melanin, det bruna pigmentet, i huden (även känt som solbränna). Melanin absorberar både UVA- och UVB-strålning och avleder den som värme. Detta skyddar huden från både direkta och indirekta DNA-skador.

Tillämpningar

Det finns flera tillämpningar som utnyttjar UV-strålningens egenskaper och ger många fördelar för människors hälsa och välbefinnande. UV-strålarnas förmåga att döda mikrober och avlägsna föroreningar är den främsta användningen idag.

Luftrening

Föroreningar i inomhusmiljön är i stort sett organiska kolbaserade föreningar som bryts ner vid exponering för UVC med hög intensitet i intervallet 240-280 nm. Det kan också förstöra DNA i mikroorganismer. Därför kan luftcirkulation genom en UVC-källa, som t.ex. TUD7MF1B UVC LED från SETi/Seoul Viosys (figur 3), bidra till att rengöra luften i rummet där den är placerad. Denna UVC-lysdiod på 275 nm (nominellt) finns som en Star Board-enhet med en typisk strålningseffekt på 11,5 mW - lämplig för många olika tillämpningar, inklusive luftrening.

Figur 3: UVC-lysdioden från SETi/Seoul Viosys finns som en Star Board-enhet för att förenkla den termiska konstruktionen. (Bild med tillstånd från SETi/Seoul Viosys)

Sterilisering och desinfektion

UVC-lysdioder kan även användas för en mängd olika steriliserings- och desinfektionstillämpningar. I medicinska och biologiska laboratorier används UVC-strålning tillsammans med andra tekniker för att sterilisera verktyg och arbetsytor.

Andra vanliga användningsområden för UVC-strålning är behandling av avloppsvatten och kommunalt dricksvatten. Det används även hos tillverkare av källvatten, för att sterilisera sina produkter. UVC-strålning används dessutom för att döda mikroorganismer inom livsmedelsindustrin. Fruktjuice kan exempelvis pastöriseras med UVC när den passerar en källa.

Terapi

UV-strålning är inte bara användbar för rening och sterilisering, utan även för hudbehandling av sjukdomar som psoriasis och vitiligo (ett tillstånd där hudfläckar förlorar pigment). I det här fallet är det inte UVC utan UVB-vågor som är användbara. Här är UVB-lysdioder perfekta för tlllämpningen. Enheterna för 280-315 nm kan ligga till grund för utformningen av hudterapianordningar. Enheterna finns med en mängd olika monteringsalternativ och strålningsutgångar.

Sammanfattning

UV-strålning har både positiva och negativa effekter på människor. Med rätt konstruktion, kan de positiva egenskaperna hos både UVB- och UVC-vågor utnyttjas för att både skydda oss från infektioner och behandla vissa hudtillstånd. Därför erbjuder DigiKey UV-lysdioder som är perfekta för dessa tillämpningar och lättare att konstruera med än andra UV-källor.