Az ibolyántúli sugárzás tulajdonságai és előnyei

Rövid történet

Az ibolyántúli sugárzást Johann Wilhelm Ritter német fizikus fedezte fel 1801-ben. Megfigyelte, hogy az ezüst-kloriddal átitatott papír gyorsabban sötétedik, ha a látható spektrum ibolyaszín felőli végén túli láthatatlan sugaraknak van kitéve. Hogy megkülönböztesse ezeket a sugarakat az előző évben a látható spektrum másik végén túl felfedezett „hősugaraktól” (infravörös – ritkán: vörösön inneni – vagy a magyarban is elterjedt angol rövidítéssel IR-sugarak), az ibolyántúli sugárzást „oxidáló sugaraknak” nevezte el, a hangsúlyt az általa megfigyelt vegyi reakcióképességre helyezve. Ezt hamarosan felváltotta a „kémiai sugárzás” kifejezés, amely a XIX. század hátralévő részében népszerű maradt. Végül a kémiai és a hősugárzás kifejezést felváltotta a ma már elterjedt ibolyántúli, illetve infravörös elnevezés.

Mi az ibolyántúli sugárzás?

Az ibolyántúli (UV) sugárzás az elektromágneses spektrum 100 nm és 400 nm közötti hullámhosszú része. Ezeknek a hullámoknak a hullámhossza rövidebb, mint a látható fényé, de hosszabb, mint a röntgensugaraké. Az ibolyántúli fényt három kategóriába sorolják: az UVA 315 nm és 400 nm közötti, az UVB 280 nm és 315 nm közötti, az UVC pedig 100 nm és 280 nm közötti hullámhosszú.

1. ábra: Az ibolyántúli fény hullámhosszai közvetlenül az emberi szem által érzékelhető hullámhosszok alatt vannak (rövidebbek annál) (kép: a W.S. Badger Company, Inc. jóvoltából)

Napunk a 100–400 nm-es spektrumban bocsát ki ibolyántúli sugárzást. A Föld légkörének peremén a napfény körülbelül 50%-ban infravörös (IR), 40%-ban látható és 10%-ban ibolyántúli (UV) fényből áll. Mire eléri a Föld felszínét, amikor a Nap látszólagos útja legmagasabb pontján van, a napfény összetétele már 53%-ban infravörös, 44%-ban látható és csak 3%-ban ibolyántúli fény. Ennek a talajt elérő 3%-nyi ibolyántúli sugárzásnak körülbelül 95%-a UVA, 5%-a pedig UVB sugárzás. Természetesen ezek a százalékos arányok a felhőzet és más légköri viszonyok függvényében némileg változnak.

Az UVC hullámhosszok nagy részét a felső légkörben lévő oxigén elnyeli, ennek hatására aztán ózon keletkezik az ózonrétegben. Az ózonréteg elnyeli az UVB sugárzás nagy részét és az UVC sugárzás maradékát, amelyet az oxigén még nem nyelt el.

Mesterséges UV-sugárzók

Nem a Nap az ibolyántúli sugárzás egyetlen forrása. Számos ember alkotta eszköz is előállít ilyen hullámokat.

Feketelámpák

Az átlagemberek által leginkább ismert ibolyántúlifény-előállító szerkezetek a feketelámpák vagy más néven UV-lámpák (2. ábra). A jellegzetes feketelámpák (emberi szemmel nem látható) UVA-hullámokat bocsátanak ki nagyon kevés látható fény mellett. A fénycsöves kivitelű feketelámpák például az üvegcső belsejére felvitt foszforbevonatot használnak arra, hogy a látható fény helyett UVA-hullámokat sugározzanak. A nagyobb teljesítményű higanygőz-feketelámpák ugyanezt az elvet hasznosítják nagyobb mértékű UVA-sugárzás kibocsátására, és elsősorban koncertek fénytechnikájához és színházi megvilágítás céljára használják őket.

2. ábra: A jellegzetes fénycsöves feketelámpák UVA-hullámokat bocsátanak ki

A feketelámpák fő alkalmazási területei azok, ahol a látható fény nem kívánatos, miközben az ibolyántúli fénynek kitett bizonyos anyagok fluoreszkálását figyelik.

Rövidhullámú UV-lámpák

A rövidhullámú UV-lámpák foszforbevonat nélküli fénycsövekből állnak. A legerősebb „fényt” a 253,7 nm-es és 185 nm-es (egyaránt az UVC-sávban található) hullámhosszon előállító UV-lámpák esetében az ibolyántúli fényt elsősorban a csőben lévő higany bocsátja ki. A nagy tisztaságú amorf kvarcüveg csövön azonban csak a 253,7 nm-es sugárzás halad át, míg a 185 nm-es hullámhosszú sugárzás teljes mértékben elnyelődik. Ezeknek a lámpáknak a jellemző hatásfoka 30–40%, ami a hagyományos fénycsövek UVC-teljesítményének két-háromszorosa.

Ezeknek a lámpáknak az elsődleges alkalmazási területe a laboratóriumi felületek, az élelmiszer-feldolgozó felületek és a vízkészletek fertőtlenítése.

Gázkisüléses UV-lámpák

A gázkisüléses lámpák különböző gázokat tartalmaznak, amelyeket úgy választanak ki, hogy az egyes speciális tudományos felhasználási területeken szükséges bizonyos spektrumvonalaknak megfelelő ibolyántúli sugárzást állítsanak elő. Ezeket a lámpákat elsősorban a vegyi elemzésekhez használt UV-spektroszkópos berendezésekben alkalmazzák.

Lézerek

Lézereket lehet kifejezetten ibolyántúli fény előállítására gyártani. A használt lézertechnikától (gázlézerek, lézerdiódák vagy szilárdtestlézerek) és a felhasznált anyagoktól függően a lézerek a teljes UV-sávot lefedhetik.

Az UV-lézereknek számos felhasználási területük van, többek között a lézergravírozás, a bőrgyógyászat, a szaruhártya-eltávolítás, a vegyészet, a kommunikáció, az optikai adattárolás és az integrált áramkörök gyártása.

Világítódiódák

Az ibolyántúli fény előállítására készülő világítódiódákat (LED) különleges eljárással gyártják. Ezeket az eszközöket jelenleg az ibolyántúli fénnyel történő gyógykezelés területén, sterilizálási célokra, a bőrgyógyászatban, illetve a vegyiparban az keverékek összetevőinek azonosítására használják.

Egészségügyi kérdések

Az UV-sugárzás hatással van az emberi egészségre, van jótékony és káros hatása is. Ha túl sokat van kitéve a szervezet az ibolyántúli fény hatásának, az káros lehet, míg a szervezetet mérsékelt ideig érő UV-sugárzás jótékony hatású.

Káros hatások

A túlzott mértékű ibolyántúli sugárzás (UVA LED-ek kaphatók a DigiKey áruházában) káros hatással lehet a szemre, a bőrre és az immunrendszerre.

Az UVA-sugárzás kevés vagy semmilyen azonnali reakciót nem okoz, de az UVB-sáv kezdetéhez közeli hullámhosszon (315 nm) szaruhártya-gyulladás (fájdalmas szemészeti állapot) léphet fel és bőrpír (a világosabb bőr érzékenyebb) jelentkezik, és a 300 nm-es hullámhosszhoz közeledve a károsodás mértéke gyorsan növekszik. A szemre és a bőrre az UVC-sávba tartozó 265 nm és 275 nm közötti UV-sugárzás a legkárosabb.

A túlzottan nagymértékű UVB-sugárzás nemcsak leégést okozhat, hanem a bőrrák egyes formáiért is felelős.

Jótékony hatások

Bármilyen káros tud is lenni a túlzott mértékű ibolyántúli sugárzás, ha valaki mérsékelni tudja, hogy mennyi ideig teszi ki magát az UV-sugárzás hatásának, akkor az ibolyántúli sugárzás jótékony hatással van az egészségre. Az ibolyántúli sugárzás három fő egészségügyi előnye a D-vitamin-termelés, a hangulat javulása és az energia növekedése.

D-vitamin

A szervezetet érő mérsékelt mennyiségű ibolyántúli sugárzás serkenti a D-vitamin termelését. Ez a vitamin segíti a kalcium-anyagcserének, az inzulinelválasztásnak, a vérnyomásnak, az immunrendszernek és a sejtek szaporodásának a szabályozását. A magasabb D-vitamin-szint összefüggésbe hozható a szívbetegségek, az agyvérzés és a cukorbetegség kisebb valószínűségével, valamint a vérnyomás fokozatos csökkenésével.

Bőrbetegségek

Vannak bizonyos bőrbetegségek, amelyek UV-sugárzással kezelhetők. Korszerű fényterápiával ma már lehetséges az ekcéma, a bőrgyulladás, az angolkór, az atópiás és helyi bőrkérgesedés, a sárgaság, a pikkelysömör és a bőrpigmenthiány sikeres kezelése.

Szív- és érrendszeri betegségek és magas vérnyomás

Magas vérnyomásban és D-vitamin-hiányban szenvedő betegeknél kimutatták, hogy az UVB-sugárzás hatására csökkenhet a vérnyomásuk. Más orvosi kísérletek és tanulmányok azt mutatták ki, hogy az ibolyántúli sugárzás a D-vitamintól függetlenül is mérhető egészségügyi előnyökkel jár.

Szerotonin

A D-vitamin elősegíti a szerotonin termelődését, és a szerotonin termelődése egyenesen arányos a szervezetet érő ibolyántúli sugárzás mennyiségével. A szerotoninszint változásai befolyásolják a hangulatot és a viselkedést. Az emberi szervezetre gyakorolt pontos hatása nem teljesen ismert, de úgy gondolják, hogy a szerotonin a jólét, a derű és a boldogság érzetét kelti.

Melanin

A mérsékelt mennyiségű ibolyántúli sugárzás növeli a melanin, a barna pigment mennyiségét a bőrben (hétköznapi nyelven napbarnítottá teszi a bőrt). A melanin mind az UVA, mind az UVB sugárzást elnyeli, és hővé alakítja. Ez védi a bőrt a közvetlen és közvetett DNS-károsodástól.

Felhasználási területek

Számos olyan felhasználási terület létezik, amely kihasználja az ibolyántúli sugárzás tulajdonságait, és számos előnnyel jár az emberek egészségére és jólétére nézve. Napjainkban az ibolyántúli sugárzás elsődleges felhasználási területe az UV-hullámok mikrobák elpusztítására és szennyeződések eltávolítására való képessége.

Légtisztítás

A beltéri környezeti szennyeződések nagyrészt szénalapú szerves vegyületek, amelyek a 240 nm és 280 nm közötti tartományba eső erős UVC-sugárzás hatására lebomlanak. Az ilyen erős UVC-sugárzás a mikroorganizmusok DNS-ét is képes szétroncsolni. Ezért a keringetett levegőnek valamilyen UVC-kibocsátó eszközön, például a SETi/Seoul Viosys TUD7MF1B UVC LED eszközön (3. ábra) való átvezetése segíthet azon helyiség levegőjének a megtisztításában, amelyben el van helyezve. Ez a (névlegesen) 275 nm-es UVC LED csillag alakú kártyára szerelt egységként kapható, 11,5 mW jellegzetes sugárzási teljesítménnyel, és számos különböző felhasználási területen használható, többek között légtisztításra is alkalmas.

3. ábra: Ez a SETi/Seoul Viosys UVC LED a hűtés egyszerűsítése érdekében csillag alakú kártyára szerelt egységként kapható (kép: a SETi/Seoul Viosys jóvoltából)

Sterilizálás és fertőtlenítés

Az UVC LED-ek számos sterilizálási és fertőtlenítési területen is használhatók. Az orvosi és biológiai laboratóriumokban az UVC-sugárzást más technikákkal együtt az eszközök és a munkafelületek sterilizálására használják.

Az UVC-sugárzás egyéb hétköznapi felhasználási területei közé tartozik a szennyvíz és a vezetékes ivóvíz kezelése. Emellett még a forrásvizet palackozók is használják az UVC-sugárzást a termékük sterilizálására. Ezenkívül az UVC-sugárzást az élelmiszer-feldolgozó iparban mikroorganizmusok elpusztítására is használják. A gyümölcsleveket például pasztőrözni lehet UVC-sugárzással, miközben egy forráson áthaladnak.

Gyógykezelés

Az ibolyántúli sugárzás nemcsak tisztításra és sterilizálásra használható, de olyan bőrbetegségek kezelésére is, mint a pikkelysömör és a bőrpigmenthiány (olyan állapot, amikor a bőr foltokban elveszíti a pigmentjét). Ebben az esetben nem az UVC-, hanem az UVB-hullámoknak vehetjük hasznát. Erre a felhasználásra az UVB LED-ek az ideálisak. Ezek a 280–315 nm-es eszközök lehetnek például bőrgyógyászati eszközök tervezésének az alapjai. Az UVB LED-ek többféle szerelhetőségi változatban és sugárzási teljesítménnyel kaphatóak.

Összegzés

Az ibolyántúli sugárzásnak káros és jótékony hatásai is vannak az emberi szervezetre. Megfelelő kialakítással mind az UVB-, mind az UVC-hullámok jótékony tulajdonságai felhasználhatók a fertőzések elleni védelemre és bizonyos bőrbetegségek kezelésére. Ilyen célokra a DigiKey olyan UV LED-eket kínál, amelyek ideálisak ezekre az felhasználási területekre, és amelyekkel könnyebb tervezni, mint más UV-forrásokkal.