紫外線輻射 - 其屬性和益處

簡史

1801 年，德國物理學家 Johann Wilhelm Ritter 發現紫外線輻射。他觀察到，當浸過氯化銀的紙暴露在略高於紫色一端可見光譜的不可見光線下時，會加速變暗。為了將這些射線與前一年在可見光譜另一端發現的「熱射線」 (IR) 區分開，他將紫外線輻射稱為「氧化射線」，這強調了他觀察到的化學反應。這很快被「化學射線」這個術語所取代，該術語在 19 世紀後期仍然廣泛使用。最終，「化學」和「熱射線」術語分別被現在常見的「紫外線」和「紅外線」所取代。

什麼是紫外線？

在電磁光譜中，紫外線 (UV) 輻射被分類為具有從 100 nm 到 400 nm 的波長。這些波長比可見光短，比 X 射線長。紫外光分為三類：UVA 的波長在 315 到 400 nm 之間；UVB 的波長在 280 到 315 nm 之間；UVC 的波長在 100 到 280 nm 之間。

圖 1：UV 波長是直接低於人眼可見的波長。(圖片由 W.S. Badger Company, Inc. 提供)

太陽在 100 到 400 nm 的光譜範圍內發出紫外線輻射。在地球大氣層的邊緣，陽光由大約 50% 的紅外線 (IR) 、40% 的可見光和 10% 的紫外線組成。當它到達地球表面時，太陽處於最高點，太陽光的成分是 53% 的紅外線、44% 的可見光和 3% 的紫外線。在到達地面的這 3% 的紫外線中，大約 95% 是 UVA，5% 是 UVB。當然，這些百分比會隨著雲量和其他大氣條件而有所不同。

大部分 UVC 波長被高層大氣中的氧氣吸收，然後在臭氧層中產生臭氧。臭氧層阻擋了大部分 UVB 和尚未被氧氣吸收的剩餘 UVC。

人造紫外線發射器

太陽不是紫外線輻射的唯一來源。有幾種人造裝置也會產生這些波。

黑光燈

人們最熟悉的紫外線產生器是黑光燈 (圖 2) 。典型的黑光燈會發出幾乎沒有可見光的 UVA 波。例如，螢光黑光燈使用玻璃管內部的磷光體塗層來發射 UVA 波而不是可見光。更強大的汞蒸氣黑光燈使用相同的原理，更大規模地發射 UVA 輻射，主要用於音樂會和戲劇表演。

圖 2：典型的螢光黑光燈會發出 UVA 波

某些物質暴露於紫外光時會產生螢光，黑光燈主要用於在進行觀察此類物質時，不希望有外來可見光的應用。

短波紫外線燈

短波紫外線燈由沒有螢光粉塗層的螢光燈管組成。在 UVC 波段中具有 253.7 nm 和 185 nm 峰值的紫外光主要是由管中的汞發射。然而，只有 253.7 nm 的輻射通過熔融石英玻璃管，而 185 nm 波長則被完全阻擋。這些燈的典型效率為 30% 到 40%，是傳統螢光燈 UVC 功率的兩到三倍。

這些燈的主要應用是對實驗室表面、食品加工表面和供水進行消毒。

紫外線氣體放電燈

氣體放電燈包含不同的氣體，選用產生特定光譜線的紫外線輻射，用於特定科學應用。這些燈的主要用途是用於化學分析的紫外光譜設備。

雷射

可以專門製造產生紫外線的雷射。根據雷射技術 (氣體雷射、雷射二極體或固態雷射) 和使用的材料，可以製造覆蓋整個紫外波段的雷射。

紫外雷射有許多應用，包括雷射雕刻、皮膚病學、角膜切除術、化學、通訊、光儲存和積體電路製造。

發光二極體

發光二極體 (LED) 專門為產生紫外線而製造的。這些元件目前用於紫外線固化應用、消毒、皮膚治療和化學中以識別成分混合物。

健康問題

紫外線輻射對人體健康有有益和有害的影響。過多暴露可能有害，而適度的暴露則有益。

有害影響

過度的紫外線輻射 (UVA LED 可在 DigiKey 購買) 暴露有可能對眼睛、皮膚和免疫系統造成有害影響。

UVA 輻射很少或不會引起立即反應，但在接近 UVB 波段 (315 nm) 開始的波長處，會開始發生光角膜炎 (一種疼痛的眼部狀態) 和皮膚發紅 (淺色皮膚會更敏感)，並且隨著波長接近 300 nm，損害會快速增加。UVC 波段中 265 nm 至 275 nm 範圍內的紫外線對眼睛和皮膚的傷害最大。

UVB 過度暴露不僅會導致曬傷，還會導致某些形式的皮膚癌。

有益效果

儘管過度暴露於紫外線很糟糕，如果可以適度暴露於紫外線，就會對健康有益。紫外線照射的三個主要健康益處是產生維生素 D、改善情緒和增加能量。

維生素 D

適度暴露於紫外線輻射是維生素 D 的良好來源。這種維生素有助於調節鈣代謝、胰島素分泌、血壓、免疫力和細胞增殖。較高的維生素 D 與較低的心臟病、中風和糖尿病發病率以及降低血壓的趨勢相關。

皮膚狀況

某些皮膚狀況可以透過紫外線輻射進行治療。藉助現代光療，現在可以成功治療濕疹、皮炎、佝僂病、異位性和局部型硬皮症、黃疸、牛皮癬和白癜風。

心血管和高血壓

已經證明暴露於 UVB 可以降低高血壓和維生素 D 缺乏症患者的血壓。其他醫學試驗和研究表明，除了維生素 D 之外，紫外線輻射具有相當的健康益處。

血清素

維生素 D 促進血清素的產生，其產生與身體暴露於紫外線輻射成正比。血清素水準的變化會影響情緒和行為。對人體的確切影響尚不完全清楚，但人們認為血清素提供健康、寧靜和幸福的感覺。

黑色素

適度的紫外線照射會增加皮膚中黑色素 (棕色色素) 的含量 (也稱為曬黑) 。黑色素吸收 UVA 和 UVB 輻射，將其作為熱量消散。這可以保護皮膚免受直接和間接的 DNA 損傷。

應用

有幾種應用可以利用紫外線輻射的特性，為人們的健康和福祉帶來許多好處。紫外線波殺死微生物和去除污染物的能力是今日的主要用途。

空氣淨化

室內環境污染物幾乎是有機碳基化合物，暴露在 240 nm 至 280 nm 範圍內的高強度 UVC 下會分解。它還可以破壞微生物的 DNA。因此，循環空氣通過 UVC 發射器，例如 SETi/Seoul Viosys 的 TUD7MF1B UVC LED (圖 3) ，有助於淨化其所在房間內的空氣。這款 275 nm (標稱) UVC LED 可作為 Star Board 單元使用，典型輻射輸出為 11.5 mW，適用於包括空氣淨化在內的許多不同應用。

圖 3：這款 SETi/Seoul Viosys UVC LED 可用作 Star Board 單元，以簡化熱工程。(圖片由 SETi/Seoul Viosys 提供)

殺菌消毒

UVC LED 還可用於各種滅菌和消毒應用。在醫學和生物實驗室中，UVC 輻射與其他技術一起用於對工具和工作區表面進行消毒。

UVC 輻射的其他常見應用包括廢水和都市飲用水的處理。甚至被泉水裝瓶商用來對其產品進行消毒。此外，UVC 輻射可用於殺死食品加工業中的微生物。例如，果汁可以在流經光源時透過 UVC 進行殺菌。

治療

紫外線輻射不僅可用於淨化和消毒，還是牛皮癬和白癜風 (皮膚斑塊失去色素的情況) 等疾病的皮膚治療輔助。在這種情況下，有用的不是 UVC，而是 UVB 波。此處 UVB LED 非常適合此應用。這些 280 nm 至 315 nm 裝置可以作為設計皮膚治療設備的基礎。這些裝置有多種安裝和輻射輸出選項。

結論

紫外線輻射對人類既有有害的影響，也有有益的影響。透過適當設計，可以利用 UVB 和 UVC 波的有益屬性來保護我們免受感染並治療某些皮膚狀況。為此，DigiKey 提供 UV LED，它們非常適合這些應用，並且比其他 UV 光源更易於設計。