Ultraviolette Strahlung - ihre Eigenschaften und Vorteile

Eine kurze Geschichte

Der deutsche Physiker Johann Wilhelm Ritter entdeckte die UV-Strahlung im Jahr 1801. Er beobachtete eine beschleunigte Verdunkelung von mit Silberchlorid getränktem Papier, wenn es unsichtbaren Strahlen knapp jenseits des sichtbaren Spektrums am violetten Ende ausgesetzt wurde. Um diese Strahlen von den im Jahr zuvor entdeckten „Wärmestrahlen“ (IR) am anderen Ende des sichtbaren Spektrums zu unterscheiden, nannte er die UV-Strahlung „oxidierende Strahlen“, was die von ihm beobachtete chemische Reaktivität unterstrich. Diese Bezeichnung wurde bald durch den Begriff „chemische Strahlen“ ersetzt, der sich bis zum Ende des 19. Jahrhunderts hielt. Schließlich wurden die Begriffe „chemische Strahlung“ und „Wärmestrahlung“ durch die heute üblichen Bezeichnungen „Ultraviolett“ bzw. „Infrarot“ ersetzt.

Was ist UV?

Im elektromagnetischen Spektrum wird die ultraviolette (UV) Strahlung mit einer Wellenlänge von 100 nm bis 400 nm klassifiziert. Diese Wellenlängen sind kürzer als die des sichtbaren Lichts und länger als die der Röntgenstrahlen. Es gibt drei Klassifizierungen von UV-Licht: UVA hat Wellenlängen zwischen 315 und 400 nm, UVB hat Wellenlängen zwischen 280 und 315 nm und UVC hat Wellenlängen zwischen 100 und 280 nm.

Abbildung 1: Die UV-Wellenlängen liegen unmittelbar unterhalb dessen, was das menschliche Auge sehen kann. (Bild mit freundlicher Genehmigung von W.S. Badger Company, Inc.)

Unsere Sonne sendet UV-Strahlung im Spektrum von 100 bis 400 nm aus. Am Rande der Erdatmosphäre besteht das Sonnenlicht zu etwa 50 % aus Infrarotlicht (IR), zu 40 % aus sichtbarem Licht und zu 10 % aus UV-Licht. Wenn die Sonne am höchsten steht und die Erdoberfläche erreicht, setzt sich das Sonnenlicht zu 53 % aus IR-Strahlen, 44 % sichtbaren Strahlen und 3 % UV-Strahlen zusammen. Von diesen 3 % der UV-Strahlung, die den Boden erreichen, sind etwa 95 % UVA und 5 % UVB. Natürlich schwanken diese Prozentsätze je nach Bewölkung und anderen atmosphärischen Bedingungen etwas.

Ein Großteil der UVC-Wellenlängen wird von Sauerstoff in der oberen Atmosphäre absorbiert, der dann in der Ozonschicht Ozon erzeugt. Die Ozonschicht blockiert den größten Teil der UVB-Strahlung und den Rest der UVC-Strahlung, der nicht bereits von Sauerstoff absorbiert wird.

Künstliche UV-Strahler

Die Sonne ist nicht die einzige Quelle von UV-Strahlung. Es gibt eine Reihe künstlicher Geräte, die diese Wellen ebenfalls erzeugen.

Schwarze Strahler

Die bekanntesten UV-Generatoren sind Schwarzlichtlampen (Abbildung 2). Typische Schwarzlichtlampen strahlen UVA-Wellen mit sehr wenig sichtbarem Licht aus. Zum Beispiel verwenden fluoreszierende Schwarzlichtlampen eine Phosphorbeschichtung auf der Innenseite der Glasröhre, um UVA-Wellen anstelle von sichtbarem Licht zu emittieren. Stärkere Quecksilberdampf-Schwarzlichter nutzen das gleiche Prinzip, um UVA-Strahlung in größerem Umfang zu emittieren, vor allem für Konzerte und Theateraufführungen.

Abbildung 2: Typische fluoreszierende Schwarzlichtlampen emittieren UVA-Wellen

Schwarzlicht wird vor allem dort eingesetzt, wo sichtbares Fremdlicht unerwünscht ist und die Fluoreszenz beobachtet werden soll, die entsteht, wenn bestimmte Stoffe UV-Licht ausgesetzt werden.

Kurzwellige UV-Lampen

Kurzwellige UV-Lampen bestehen aus Leuchtstoffröhren ohne Phosphorbeschichtung. UV-Licht mit Spitzenwerten bei 253,7 nm und 185 nm, beide im UVC-Bereich, wird hauptsächlich durch das Quecksilber in der Röhre emittiert. Allerdings dringt nur die Strahlung von 253,7 nm durch das Quarzglasrohr, während die Wellenlänge von 185 nm vollständig blockiert wird. Der typische Wirkungsgrad dieser Lampen liegt bei 30 bis 40 %, und sie haben die zwei- bis dreifache UVC-Leistung herkömmlicher Leuchtstofflampen.

Die Hauptanwendung dieser Lampen ist die Entkeimung von Laborflächen, Oberflächen in der Lebensmittelverarbeitung und Wasserversorgung.

UV-Gasentladungslampen

Gasentladungslampen enthalten verschiedene Gase, die so ausgewählt sind, dass sie UV-Strahlung in bestimmten Spektrallinien erzeugen und in speziellen wissenschaftlichen Anwendungen eingesetzt werden. Diese Lampen werden hauptsächlich in UV-Spektroskopiegeräten für die chemische Analyse verwendet.

Laser

Laser können speziell für die Erzeugung von UV-Licht hergestellt werden. Je nach Lasertechnologie (Gaslaser, Laserdioden oder Festkörperlaser) und den verwendeten Materialien können Laser so gebaut werden, dass sie den gesamten UV-Bereich abdecken.

Es gibt zahlreiche Anwendungen für UV-Laser, darunter Lasergravur, Dermatologie, Keratektomie, Chemie, Kommunikation, optische Speicherung und Herstellung integrierter Schaltkreise.

Lichtemittierende Dioden

Licht emittierende Dioden (LEDs) werden speziell für die Erzeugung von UV-Licht hergestellt. Diese Komponenten werden derzeit in der UV-Härtung, der Sterilisation, der Hauttherapie und in der Chemie zur Identifizierung von Komponentengemischen eingesetzt.

Gesundheitsfragen

UV-Strahlung hat Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit, sowohl positive als auch negative. Eine zu starke Exposition kann schädlich sein, während eine moderate Exposition positive Auswirkungen hat.

Schädliche Auswirkungen

Übermäßige UV-Strahlung (UVA-LEDs sind bei DigiKey erhältlich) kann schädliche Auswirkungen auf das Auge, die Haut und das Immunsystem haben.

UVA-Strahlung verursacht keine oder nur geringe unmittelbare Reaktionen, aber bei Wellenlängen nahe dem Beginn des UVB-Bands (315 nm) treten Photokeratitis (eine schmerzhafte Augenerkrankung) und Hautrötungen (hellere Haut ist empfindlicher) auf, wobei die Schäden bei Wellenlängen um 300 nm rasch zunehmen. UV-Strahlung im Bereich von 265 nm bis 275 nm, im UVC-Bereich, ist für Augen und Haut am schädlichsten.

Eine übermäßige UVB-Bestrahlung kann nicht nur Sonnenbrand verursachen, sondern ist auch für einige Formen von Hautkrebs verantwortlich.

Wohltuende Wirkungen

So schädlich eine übermäßige UV-Belastung auch sein kann, kann sie auch gesundheitliche Vorteile mit sich bringen, wenn sie auf ein moderates Maß reduziert wird. Die drei wichtigsten gesundheitlichen Vorteile der UV-Bestrahlung sind die Produktion von Vitamin D, die Verbesserung der Stimmung und die Steigerung der Energie.

Vitamin D

Mäßige UV-Bestrahlung ist eine gute Quelle für Vitamin D. Dieses Vitamin ist an der Regulierung des Kalziumstoffwechsels, der Insulinsekretion, des Blutdrucks, der Immunität und der Zellvermehrung beteiligt. Höhere Vitamin-D-Spiegel werden mit niedrigeren Raten von Herzkrankheiten, Schlaganfällen und Diabetes sowie mit einer Tendenz zu niedrigerem Blutdruck in Verbindung gebracht.

Hautkrankheiten

Es gibt bestimmte Hautkrankheiten, die mit UV-Strahlung behandelt werden können. Mit der modernen Phototherapie lassen sich heute Ekzeme, Dermatitis, Rachitis, atopische und lokalisierte Sklerodermie, Gelbsucht, Psoriasis und Vitiligo erfolgreich behandeln.

Herz-Kreislauf-Erkrankungen und Bluthochdruck

Bei Patienten mit Bluthochdruck und Vitamin-D-Mangel hat sich gezeigt, dass eine UVB-Exposition den Blutdruck senken kann. Andere medizinische Versuche und Studien haben gezeigt, dass UV-Strahlung, unabhängig von Vitamin D, messbare gesundheitliche Vorteile hat.

Serotonin

Die Bildung von Serotonin wird durch Vitamin D gefördert, und seine Produktion ist direkt proportional zur UV-Strahlung im Körper. Veränderungen des Serotoninspiegels beeinflussen Stimmung und Verhalten. Seine genaue Wirkung auf den menschlichen Körper ist nicht vollständig bekannt, aber man nimmt an, dass Serotonin Gefühle des Wohlbefindens, der Gelassenheit und des Glücks vermittelt.

Melanin

Mäßige UV-Belastung erhöht die Menge an Melanin, dem braunen Pigment, in der Haut (auch bekannt als Sonnenbräune). Melanin absorbiert sowohl UVA- als auch UVB-Strahlen und gibt sie als Wärme ab. Dadurch wird die Haut sowohl vor direkten als auch vor indirekten DNA-Schäden geschützt.

Anwendungen

Es gibt verschiedene Anwendungen, die sich die Eigenschaften der UV-Strahlung zunutze machen und viele Vorteile für die Gesundheit und das Wohlbefinden der Menschen bieten. Die Fähigkeit der UV-Wellen, Mikroben abzutöten und Verunreinigungen zu beseitigen, ist heute die wichtigste Anwendung.

Luftreinigung

Bei den Umweltschadstoffen in Innenräumen handelt es sich größtenteils um organische Kohlenstoffverbindungen, die sich bei der Bestrahlung mit hochintensiver UVC-Strahlung im Bereich von 240 nm bis 280 nm zersetzen. Es kann auch die DNA in Mikroorganismen zerstören. Daher kann die Reinigung der Luft in einem Raum unterstützt werden, indem die Luft über einen UVC-Strahler wie die UVC-LED TUD7MF1B von SETi/Seoul Viosys (Abbildung 3) geleitet wird. Diese UVC-LED mit einer Wellenlänge von 275 nm (nominal) ist als Sternplatine mit einer typischen Strahlungsleistung von 11,5 mW erhältlich und eignet sich für viele verschiedene Anwendungen, einschließlich der Luftreinigung.

Abbildung 3: Diese UVC-LED von SETi/Seoul Viosys ist als Sternplatine zur Vereinfachung der Installation erhältlich. (Bild mit freundlicher Genehmigung von SETi/Seoul Viosys)

Sterilisation und Desinfektion

UVC-LEDs können auch für eine Vielzahl von Sterilisations- und Desinfektionsanwendungen eingesetzt werden. In medizinischen und biologischen Labors wird UVC-Strahlung in Verbindung mit anderen Techniken zur Sterilisation von Werkzeugen und Arbeitsflächen eingesetzt.

Weitere gängige Anwendungen für UVC-Strahlung sind die Behandlung von Abwasser und kommunalem Trinkwasser. Es wird sogar von Quellwasserabfüllern verwendet, um ihr Produkt zu sterilisieren. Außerdem wird UVC-Strahlung zur Abtötung von Mikroorganismen in der Lebensmittelindustrie eingesetzt. Zum Beispiel können Fruchtsäfte durch UVC pasteurisiert werden, während sie an einer Lichtquelle vorbeifließen.

Therapie

UV-Strahlung ist nicht nur zur Reinigung und Sterilisation nützlich, sondern auch zur Behandlung von Hautkrankheiten wie Schuppenflechte und Vitiligo (eine Krankheit, bei der Hautflächen Pigmente verlieren). In diesem Fall sind nicht die UVC-, sondern die UVB-Wellen von Nutzen. Hier sind UVB-LEDs ideal für diese Anwendung. Diese 280nm- bis 315nm-Komponenten können die Grundlage für die Entwicklung von Hauttherapiegeräten bilden. Diese Geräte sind in einer Vielzahl von Montage- und Strahlungsleistungsoptionen erhältlich.

Fazit

UV-Strahlung hat sowohl schädliche als auch positive Auswirkungen auf den Menschen. Mit dem richtigen Design können die positiven Eigenschaften von UVB- und UVC-Wellen genutzt werden, um uns vor Infektionen zu schützen und bestimmte Hautkrankheiten zu behandeln. Zu diesem Zweck bietet DigiKey UV-LEDs an, die sich ideal für diese Anwendungen eignen und einfacher zu implementieren sind als andere UV-Quellen.