UV紫外线辐射特性与益处

来源：Digi-Key
作者：Rich Miron

历史简述

德国物理学家 Johann Wilhelm Ritter 在 1801 年发现了 UV 辐射。他用纸片蘸取氯化银溶液，并将纸片暴露在可见光谱紫色端外的不可见光下，随后观察到纸片加速变黑。为了区分这种光线和前一年在可见光谱另一端发现的“热射线”（红外线，IR），他将 UV 辐射称为“氧化射线”，用于强调他所观察到的化学反应。“化学射线”一词很快取代了“氧化射线”，并在整个 19 世纪剩下的时间内得以广泛使用。最后，“化学射线”和“热射线”这两个词分别被现在通用的名称“紫外线”和“红外线”所取代。

UV 是什么？

在电磁波谱中，紫外线 (UV) 辐射被归类为波长为 10 - 400 nm 的光。这样的波长比可见光短，比 X 射线长。UV 光一共有三类：UVA 波长在 315 - 400 nm 之间，UVB 波长在 280 - 315 nm 之间，以及 UVC 波长在 100 - 280 nm 之间。


图 1：UV 波长刚好比人眼可见光的波长短。（图片由 W.S. Badger Company, Inc. 提供）

太阳发出 10 - 400 nm 光谱范围内的 UV 辐射。在地球大气层边缘，大阳光由大约 50% 的红外光 (IR)、40% 的可见光和 10% 的 UV 光组成。当太阳位于最高点，并且太阳光照射到地球表面时，太阳光的成分是 53% 的 IR、44% 的可见光和 3% 的 UV。在这 3% 到达地面的 UV 中，大约有 95% 是 UVA，5% 是 UVB。当然，这些比例可能会因云层覆盖和其他大气条件而有所波动。

许多 UVC 波长被上层大气的氧气所吸收，然后在臭氧层中产生臭氧。臭氧层能阻挡大部分 UVB 和未被氧气吸收的剩余 UVC。

人造 UV 发射器

太阳并不是唯一的 UV 辐射源。有几种人造设备也能产生这些光波。

· 黑光灯

人们最熟悉的 UV 发生器是黑光灯（图 2）。典型的黑光灯能发出 UVA 波和极少的可见光。例如，荧光黑光灯使用玻璃管内侧的荧光粉涂层发出 UVA 波而非可见光。更大功率的水银黑光灯利用相同原理发出更大规模的 UVA 辐射，主要用于音乐会和剧场的显示器。


图 2：典型的荧光黑光灯发出 UVA 波

黑光灯主要应用于：在不存在外来可见光的前提下，观察特定物质暴露于 UV 光下产生的荧光。

· 短波 UV 灯

短波 UV 灯由不涂敷荧光粉涂层的荧光灯管组成。UV 光的波峰为 253.7 nm 和 185 nm，都在 UVC 波段内，灯管里的汞是能够发出这些 UV 光的主要原因。不过，只有 253.7 nm 辐射能穿过熔凝石英玻璃管，而 185 nm 波长则被完全阻挡。这些灯的能效一般为 30% 至 40%，是传统荧光灯 UVC 功率的两到三倍。

它们主要应用于实验室表面、食品加工表面和供水的消毒。

· UV 气体放电灯

气体放电灯包含不同的特定气体，能产生位于特定光谱线的 UV 辐射，用于专门的科学应用。这些灯主要用于化学分析中使用的 UV 光谱设备。

· 激光器

专门制造的激光器可产生 UV 光。根据激光器技术（气体激光器、激光二极管或固态激光器）和所用材料，可以制造覆盖整个 UV 波段的激光器。

UV 激光器可以应用于很多方面，包括光刻、皮肤病学、角膜切除术、化学、通信、光存储和集成电路制造。

· 发光二极管

专门制造的发光二极管 (LED) 可产生 UV 光。这些设备目前用于 UV 固化应用、灭菌、皮肤治疗，以及在化学领域用于鉴别各种成分的混合物。

健康问题

UV 辐射对人类健康是把双刃剑。过度接触有害，而适度接触有益。

· 有害影响

过度接触 UV 辐射有可能伤害眼睛、皮肤和免疫系统。

UVA 辐射极少引起或根本不会引起即时反应，但在波长接近 UVB 波段起始端 (315 nm) 时，就会开始引起光性角膜炎（眼睛疼痛）和皮肤发红（颜色越浅的皮肤越敏感），而且伤害随着波长接近 300 nm 而快速加剧。处于 UVC 波段 265 - 275 nm 范围内的 UV 对眼睛和皮肤的伤害最大。

过度接触 UVB 不仅可导致晒斑，还是某些皮肤癌的诱因。

· 有益影响

过度接触 UV 有害健康，而适度接触 UV 则对健康有益。接触 UV 对健康有三大益处：促进人体产生维生素 D、改善情绪和增加能量。

维生素 D

适度接触 UV 辐射是维生素 D 的很好来源。这种维生素有助于调节钙代谢、胰岛素分泌、血压、免疫力和细胞繁殖。维生素 D 含量较高能够降低心脏病、中风和糖尿病的患病率，并有可能降低血压。

皮肤病

可以利用 UV 辐射治疗某些皮肤病。借助现代光疗法，成功治愈湿疹、皮炎、佝偻病、特应性皮炎、局限性硬皮病、黄疸、银屑病和白癜风现在已成为可能。

心血管和高血压

经证明，高血压和缺乏维生素 D 的患者照射 UVB 能够降低血压。其他医学试验和研究表明，除了与维生素 D 有关的影响外，UV 辐射对健康还有其他重大益处。

血清素

维生素 D 促进合成血清素，其产生的量直接与人体接触 UV 辐射的量成正比。血清素含量的变化会影响情绪和行为。虽然尚不完全清楚血清素对人体的确切作用，但一般认为血清素可提供幸福感、宁静感和愉悦感。

黑色素

适度接触 UV 会增加皮肤中的黑色素（褐色的色素）数量（即所谓的晒黑）。黑色素能够吸收 UVA 和 UVB 辐射并将其作为热量散发掉，从而保护皮肤免受直接和间接的 DNA 伤害。

· 应用

有许多应用就是利用了 UV 辐射的特性，为人类的健康和幸福带来很多好处。UV 波如今的主要用途是杀灭细菌和去除污染物。

空气净化

室内环境污染物几乎全部是有机碳基化合物，暴露于 240 - 280 nm 范围内的高强度 UVC 下即会分解。这样的 UVC 还可以破坏微生物的 DNA。因此，可以在室内放置 RayVio RVXE-280 和 RVXP-280 UV LED 等 UVC 发射器，让空气循环流经发射器来帮助净化室内空气。这些 280 nm（标称值）UVC LED 可作为星形板装置或表面贴装设备提供，其典型辐射输出为 4 mW（RVXE 设备）、16 mW（RVXP1 设备）和 50 mW（RVXP4 设备），适合包括空气净化在内的许多不同应用。


图 3：RayVio UV LED 可作为星形板单元提供，也可提供表面贴装封装。（图片由 RayVio 提供）

· 灭菌和消毒

UVC LED 还可用于各种灭菌和消毒应用。医学和生物实验室中将 UVC 辐射与其他技术配合使用，对工具和工作区表面进行灭菌。

其他常见的 UVC 辐射应用包括污水和市政饮用水的处理。甚至矿泉水灌装厂也使用 UVC 辐射对产品进行灭菌。此外，食品加工业还使用 UVC 辐射杀灭微生物。例如，让果汁流经 UVC 辐射源进行巴氏灭菌。

· 治疗

UV 辐射不仅可用于净化和灭菌，还能帮助治疗银屑病和白癜风（皮肤色素脱失形成斑块）等皮肤病。在这种情况下，起作用的不是 UVC 波而是 UVB 波。RayVio 同样也提供非常适合这种应用的 LED。RayVio 的 310 nm LED 元器件（Digi-Key 很快到货）可以作为皮肤治疗设备的基础器件。这些设备的安装方式和辐射输出选择与上述 UVC LED 一样。

结论

UV 辐射对人类既有害又有益。恰当的设计可以利用 UVB 和 UVC 波的有益特性保护我们免受感染并治疗某些皮肤病。为此，RayVio 针对这些应用提供了多种非常合适的 LED，并且设计时比使用其他 UV 光源更加简单。