קרינת אולטרה-סגול - תכונות ויתרונות

היסטוריה קצרה

הפיזיקאי הגרמני יוהאן וילהלם ריטר גילה את קרינת UV בשנת 1801. הוא צפה התכהות מואצת של נייר ספוג בכסף-כלוריד כאשר הוא נחשף לקרניים בלתי-נראות ממש מעבר לספקטרום הנראה בקצה הסגול. כדי להבדיל בין קרניים אלו מ"קרני החום" (IR) שהתגלו בשנה הקודמת בקצה השני של הספקטרום הנראה, הוא כינה את קרינת ה-UV "קרני חמצון" אשר הדגישו את התגובתיות הכימית שבה צפה. ^{זה הוחלף במהירות במונח "קרניים כימיות" שנשאר פופולרי לאורך יתר המאה ה-19.} בסוף, המונחים הקרניים הכימיות וקרני החום הוחלפו בציונים אולטרה-סגול ואינפרה-אדום הנפוצים כיום, בהתאמה.

מה זה UV?

בספקטרום האלקטרומגנטי, קרינת אולטרה-סגול (UV) מסווגת כבעלת אורך גל מ-100 ננומטר (nm‏) עד 400 ננומטר. אורכי גל אלו קצרים מאלה של אור נראה וארוכים מאלה של קרני רנטגן. ישנם שלושה סיווגים של אור UV: ל-UVA יש אורכי גל בין 315 ל-400 ננומטר, ל-UVB יש אורכי גל בין 280 ל-315 ננומטר, ול-UVC יש אורכי גל בין 100 ל-280 ננומטר.

איור 1: אורכי הגל UV הם אלה שמיד מתחת למה שהעין האנושית יכולה לראות. (התמונה באדיבות .W.S. Badger Company, Inc)

השמש שלנו פולטת קרינת UV על פני הספקטרום של 100 עד 400 ננומטר. בקצה האטמוספירה של כדור הארץ אור השמש מורכב מכ-50% אינפרה-אדום (IR‏), %‏40 נראה ו-10% אור UV. עד שהוא מגיע לפני השטח של כדור הארץ, כשהשמש בנקודה הגבוהה ביותר שלה, הרכב אור השמש הוא 53% IR‏, %‏44 נראה ו-3% UV. מתוך 3% של UV זה שמגיע לקרקע, כ-95% הם UVA ו-5% הם UVB‏. כמובן, אחוזים אלה משתנים במידה מסוימת עם כיסוי העננים ותנאים אטמוספיריים אחרים.

חלק גדול מאורכי הגל UVC‏ נספגים על ידי החמצן באטמוספרה העליונה, אשר יוצר אז אוזון בשכבת האוזון. שכבת האוזון חוסמת את רוב ה-UVB ואת יתר ה-UVC שלא נספג על-ידי החמצן.

פולטי UV מלאכותיים

השמש אינה המקור היחיד לקרינת UV. ישנם מספר התקנים מעשה ידי אדם המייצרים גם הם את הגלים הללו.

אורות שחורים

מחוללי ה-UV המוכרים ביותר לאנשים הם אורות שחורים (איור 2). מנורות אור שחור טיפוסיות פולטות גלי UVA עם מעט מאוד אור נראה. לדוגמה, נורות פלורסצנט שחורות משתמשות בציפוי זרחני בחלק הפנימי של צינור הזכוכית כדי לפלוט גלי UVA במקום אור נראה. אורות שחורים חזקים יותר של אדי כספית משתמשים באותו עיקרון כדי לפלוט קרינת UVA בקנה מידה גדול יותר, בעיקר עבור תצוגות בקונצרטים ותיאטרונים.

איור 2‏: נורות שחורות פלורסצנט טיפוסיות הפולטות גלי UVA‏

היישומים העיקריים של אורות שחורים הם אלה שבהם אור גלוי חיצוני אינו רצוי כשמתבוננים בקרינה הנובעת כתוצאה מכך שחומרים מסוימים נחשפים לאור UV.

מנורות UV גלים קצרים

מנורות UV גלים קצרים מורכבות משפופרות מנורות פלורסצנט ללא ציפוי זרחני. אור UV עם שיאי אורך-גל של 253.7 ננומטר ו-185 ננומטר, שניהם בפס UVC, נפלטים בעיקר בגלל הכספית שבשפופרת. עם זאת, רק קרינת 253.7 ננומטר עוברת דרך שפופרת זכוכית הקוורץ הטהור בעוד שאורך הגל של 185 ננומטר חסום לחלוטין. הנצילות הטיפוסית של מנורות אלו היא 30% עד 40% והן פי שניים עד שלוש מעוצמת ה-UVC של מנורות פלורסצנט קונבנציונליות.

היישום העיקרי של מנורות אלה הוא חיטוי של משטחי מעבדה, משטחי עיבוד מזון ואספקת מים.

מנורות פריקה בגז UV‏

מנורות פריקה בגז מכילות גזים שונים שנבחרו להפקת קרינת UV בפסים ספקטרליים ספציפיים ומשמשות ביישומים מדעיים מיוחדים. השימוש העיקרי של מנורות אלו הוא בציוד ספקטרוסקופיה UV המשמש באנליזה כימית.

לייזרים

ניתן לייצר לייזרים ספציפית כדי ליצור אור UV. בהתאם לטכנולוגיית הלייזר (לייזרי גז, דיודות לייזר או לייזרים מצב-מוצק) והחומרים המשמשים, ניתן לייצר לייזרים כדי לכסות את כל פס ה-UV.

ישנם יישומים רבים עבור לייזר UV כולל חריטת לייזר, דרמטולוגיה, קראטקומיה, כימיה, תקשורת, אחסון אופטי וייצור מעגלים משולבים.

דיודות פולטת אור

דיודות פולטות אור (LED) מיוצרות ספציפית כדי ליצור אור UV. התקנים אלו משמשים כיום ביישומי אשפרה UV, סטריליזציה, טיפול בעור ובכימיה לזיהוי תערובות מרכיבים.

נושאי בריאות

לקרינת UV יש השפעה על בריאות האדם, מועילה ומזיקה כאחד. חשיפה רבה מדי עלולה להזיק בעוד שלחשיפה מתונה יש השפעות מועילות.

השפעות מזיקות

לחשיפה גבוהה מדי לקרינת UV (נורות LED‏ UVA זמינות אצל DigiKey) יש פוטנציאל לגרום להשפעות מזיקות לעין, לעור ולמערכת החיסונית.

קרינת UVA לא גורמת לתגובה או לתגובה מועטה מיידית, אך באורכי גל סמוך לתחילת פס ה-UVB‏ (315 ננומטר), פוטוקרטיטיס (מצב של עיניים כואבות) ואדמומית בעור (עור בהיר יותר רגיש יותר) מתחילים להתרחש עם נזק הולך וגדל כשאורכי הגל מתקרבים ל-300 ננומטר. UV בתחום של 265 ננומטר עד 275 ננומטר, בפס UVC, הוא המזיק ביותר לעיניים ולעור.

חשיפת יתר ל-UVB יכולה לא רק לגרום לכוויות שמש, אלא גם אחראית לצורות מסוימות של סרטן העור.

השפעות חיוביות

חשיפת יתר ל-UV יכולה להיות מזיקה, אך יש יתרונות בריאותיים אם אפשר למתן את החשיפה ל-UV. שלושת היתרונות הבריאותיים העיקריים של חשיפת UV הם ייצור ויטמין D, שיפור במצב הרוח והגדלת האנרגיה.

ויטמין D

חשיפה מתונה לקרינת UV היא מקור טוב לוויטמין D. ויטמין זה מסייע בוויסות חילוף החומרים של סידן, הפרשת אינסולין, לחץ דם, חסינות והתפשטות תאים. רמות גבוהות יותר של ויטמין D נמצאו בקורלציה לשיעורים נמוכים יותר של מחלות לב, שבץ וסוכרת ביחד עם נטייה ללחץ דם נמוך יותר.

מצבי עור

ישנם מצבי עור מסוימים שניתן לטפל בהם באמצעות קרינת UV. עם פוטותרפיה מודרנית, טיפול מוצלח באקזמה, דרמטיטיס, רככת, סקלרודרמה אטופית ומקומית, צהבת, פסוריאזיס וויטיליגו אפשרי כיום.

קרדיו-וסקולארי ויתר לחץ דם

בחולים עם לחץ דם גבוה ומחסור בוויטמין D, הוכח שחשיפה ל-UVB יכולה להוריד את לחץ הדם שלהם. ניסויים ומחקרים רפואיים אחרים הראו שלקרינת UV, ללא תלות בוויטמין D, יש יתרונות בריאותיים ברי-מדידה.

סרוטונין

יצירת הסרוטונין מקודם על ידי ויטמין D וייצורו עומד ביחס ישר לחשיפה של הגוף לקרינת UV. שינויים ברמת הסרוטונין משפיעים על מצב הרוח וההתנהגות. ההשפעה המדויקת שלו על גוף האדם לא לגמרי ידועה, אך מניחים שסרוטונין מספק תחושות של רווחה, שלווה ואושר.

מלאנין

חשיפה מתונה ל-UV מגבירה את כמות המלאנין, הפיגמנט החום, בעור (הנקרא גם שיזוף). המלאנין סופג הן קרינת UVA והן קרינת UVB, ומפזר אותן כחום. זה מגן על העור מפני נזק DNA ישיר ועקיף כאחד.

יישומים

ישנם מספר יישומים הרותמים את תכונות קרינת ה-UV ומעניקים יתרונות רבים לבריאותם ולרווחתם של אנשים. היכולת של גלי UV להרוג חיידקים ולהסיר מזהמים היא השימוש העיקרי כיום.

טיהור אוויר

מזהמים סביבתיים בשימושי פנים הם פחות או יותר תרכובות אורגניות מבוססות-פחמן המתפרקות עם חשיפה ל-UVC בעוצמה גבוהה בתחום של 240 ננומטר עד 280 ננומטר. זה יכול גם להרוס את ה-DNA במיקרואורגניזמים. לכן, צירקולציה של אוויר דרך פולט UVC, כגון TUD7MF1B UVC LED‏ מבית SETi/Seoul Viosys‏ (איור 3), יכולה לסייע בטיהור האוויר בתוך החדר שבו הוא ממוקם. LED‏ UVC זה של 275 ננומטר (נומינלי) זמין כיחידת Star Board עם תפוקת קרינה טיפוסית של mW‏ 11.5 - מתאים עבור יישומים רבים ושונים, כולל טיהור אוויר.

איור 3‏: UVC LED זה מבית SETi/Seoul Viosys זמין כיחידת Star Board כדי לפשט את ההנדסה התרמית. (התמונה באדיבות SETi/Seoul Viosys)

סטריליזציה וחיטוי

נורות LED‏ UVC‏ יכולות לשמש גם עבור מגוון של יישומי סטריליזציה וחיטוי. במעבדות רפואיות וביולוגיות משתמשים בקרינת UVC, בשילוב עם טכניקות אחרות, עבור סטריליזציה של כלים ומשטחי עבודה.

יישומים נפוצים אחרים לקרינת UVC כוללים טיפול לאורך שפכים ומי שתייה עירוניים. הוא משמש אפילו עבור ממלאי בקבוקי מי מעיינות עבור סטריליזציה של המוצרים שלהם. בנוסף, קרינת UVC משמשת להרוג מיקרואורגניזמים בתעשיית עיבוד המזון. לדוגמה, מיצי פירות יכולים להיות מפוסטרים על ידי UVC כאשר הם זורמים על פני מקור.

טיפולים

קרינת UV משמשת לא רק לטיהור וסטריליזציה, היא גם עזר לטיפול בעור למצבים כמו פסוריאזיס וויטיליגו (מצב שבו כתמי עור מאבדים פיגמנט). במקרה זה, לא UVC אלא גלי UVB הם שימושיים. כאן נורות LED‏ UVB‏ הן אידיאליות עבור יישום זה. התקני 280 ננומטר עד 315 ננומטר אלו יכולים להיות הבסיס שעליו מתוכננים התקנים לטיפול בעור. התקנים אלה זמינים במגוון של אפשרויות הרכבה ויציאות קרינה.

סיכום

לקרינת UV יש השפעות מזיקות ומועילות כאחד על בני אדם. עם תכנון נכון, ניתן לרתום את התכונות המועילות של גלי UVB ו-UVC גם כדי להגן עלינו מפני זיהום וגם לטפל במצבי עור מסוימים. לשם כך, DigiKey מציעה נורות LED‏ UV‏ שהן אידיאליות עבור יישומים אלה וקל יותר לתכנן אתן מאשר עם מקורות UV אחרים.