Ультрафиолет

Что такое ультрафиолет

Ультрафиолетовая область излучения охватывает длины волн от 100 до 400 нм и лежит в спектре между видимым светом и рентгеновским излучением. Ультрафиолет инициирует в облучаемом веществе фотохимические превращения – он способен активировать атомы и молекулы, с которыми взаимодействует, возбуждая в них электроны.

Именно эта способность и делает ультрафиолет «излучением тысячи применений»: от стерилизации до отверждения полимеров. Как устроен механизм этого действия на молекулярном уровне – в статье «Механизм повреждающего действия ультрафиолетового излучения».

Диапазоны ультрафиолета: УФ-А, УФ-В, УФ-С

Ультрафиолетовый диапазон делят на три зоны, различающиеся по энергии и действию:

Отдельно выделяют вакуумный ультрафиолет (100–200 нм): он сильно поглощается воздухом, поэтому исследуется только в вакууме и в обычных условиях не встречается. Деление на зоны не строгое – свойства, приписанные одной области, часто присущи и соседним, но в меньшей мере.

Чем короче длина волны, тем больше энергия фотона и жёстче действие излучения. Как зоны действуют на глаза – в статье «Защита глаз от ультрафиолета».

Естественные источники: Солнце и озоновый слой

Главный естественный источник ультрафиолета – Солнце. Спектр солнечного излучения близок к спектру абсолютно чёрного тела, нагретого примерно до 5800 К, с максимумом в сине-зелёной области (460 нм). Но до земной поверхности доходит не весь ультрафиолет.

Озоновый слой работает как фильтр. Коротковолновый ультрафиолет расщепляет молекулы кислорода O₂ в верхних слоях атмосферы, из атомарного кислорода образуется озон O₃. Слой озона на высоте около 50 км (толщиной порядка 3 мм) почти полностью поглощает излучение 175–290 нм. Поэтому самая короткая длина волны солнечного ультрафиолета, наблюдаемая у поверхности Земли, – около 286 нм: всё, что жёстче, отсекается атмосферой.

Именно поэтому истощение озонового слоя опасно: уменьшение содержания озона всего на 5 % увеличивает жёсткую радиацию у поверхности примерно на 10 %. На долю ультрафиолета приходится не более 1,5 % общей солнечной энергии, достигающей Земли. Причём заметная часть доходит не напрямую, а через рассеяние в атмосфере – «излучение неба» составляет 50–80 % общего УФ-потока, поэтому загореть можно даже в тени.

Искусственные источники ультрафиолета

Когда солнечного ультрафиолета не хватает – из-за сезона, широты, запылённости города, – применяют искусственные источники. Их делят на три типа.

1. Температурные. Любое нагретое тело излучает, и с ростом температуры доля ультрафиолета растёт. У ламп накаливания (2000–3000 К) ультрафиолета почти нет – излучение в основном инфракрасное. А вот угольная дуга (4000 К), пламя горелки и плазменная горелка (свыше 6000 К) дают интенсивный ультрафиолет.

2. Газоразрядные – самые распространённые в технике. В основе – возбуждение атомов электрическим полем: электрон переходит на высокий энергетический уровень, затем возвращается, излучая разницу энергий в виде фотона ультрафиолетового диапазона. Наибольшее значение имеет разряд в парах ртути: ртутные лампы низкого давления дают линию 253,7 нм (максимум бактерицидной эффективности), высокого давления – линии 254, 297, 303, 313, 365 нм. Ксеноновые лампы дают спектр, близкий к солнечному.

3. Люминесцентные. Ртутный пар генерирует коротковолновый ультрафиолет, а люминофор на стенке трубки преобразует его в длинноволновый или видимый свет. Сюда относятся люминесцентные «солнечные» лампы (излучают около 340 нм, эффективны для загара) и источники «чёрного света» (300–410 нм с максимумом 350–365 нм, для свечения люминесцентных красок). Подробнее – в статьях «Люминесцентные лампы» и «Искусственные источники УФ-А».

4. Светодиодные (LED) – сегодня основной тип источника ультрафиолета для отверждения полимеров, вытеснивший ртутные лампы. УФ-светодиод излучает в узкой полосе вокруг рабочей длины волны – 365, 395 или 405 нм, – без лишнего спектра. Преимущества перед газоразрядными лампами:

• Узкий спектр точно под фотоинициатор – вся энергия идёт на отверждение, а не в тепло и видимый свет;
• «Холодный» свет – LED почти не греет деталь, что важно при работе по стеклу, пластику и ЛКП;
• Мгновенный старт – не нужен прогрев, как ртутной лампе;
• Долгий ресурс – десятки тысяч часов, стабильная интенсивность;
• Без ртути и компактность – от карманного фонаря до линейной лампы под длину шва.

Именно поэтому современные УФ-лампы для отверждения полимеров – это LED-источники ближнего ультрафиолета: линейные УФ LED 30 см и 56 см 365 нм под протяжённые швы, компактные фонари и прожекторы 365 и 395 нм под точечную и площадную засветку.

Применения ультрафиолета

Ультрафиолет лежит в основе множества технологий:

• УФ-отверждение клеёв, смол, гелей и лаков – фотополимеризация под ультрафиолетом;
• обеззараживание – стерилизация воздуха, воды, инструмента (см. «Обеззараживание помещений с помощью УФ»);
• синтез витамина D, лечебное облучение;
• люминесцентный анализ и дефектоскопия – обнаружение пор и трещин в отливках и швах;
• криминалистика – выявление подделки денег и документов (см. «Применение УФ в криминалистике»);
• искусствоведение – исследование и реставрация старых картин и пергаментов;
• фотография, светокопирование, отбеливание.

Для компании «Спектр» ключевое применение – УФ-полимеризация: ультрафиолет запускает фотоинициатор в клее или смоле, и состав отверждается за секунды.

Как ультрафиолет действует на человека

Основные приёмники ультрафиолета у человека – кожа и глаза. Действие бывает и полезным, и вредным, и всё решает доза.

Бактерицидное. Ультрафиолет с длиной волны 253,7–265,4 нм губителен для микробов: его мишень – молекулы ДНК. При облучении 253,7 нм за минуту гибнет около 63 % микробов в объёме воздуха, за 10 минут – 99,99 %. На этом основана санация воздуха, воды, инструмента.

Эритемное. Ультрафиолет вызывает эритему – покраснение кожи от расширения капилляров, а затем пигментацию, то есть загар. В отличие от теплового покраснения, УФ-эритема проявляется не сразу, после латентного периода. Меланин при загаре служит защитным экраном от ультрафиолета.

Антирахитное. При облучении 280–302 нм в коже образуются витамины группы D, влияющие на фосфорно-кальциевый обмен. Недостаток ультрафиолета ведёт к «световому голоданию»: у детей – к рахиту.

Действие на глаза. Ультрафиолет короче 300 нм поглощается роговицей и водянистой влагой, до сетчатки почти не доходит. Но передозировка вызывает фотокератит (порог для 270 нм – 50 Дж/м²), а с годами – катаракту. Источниками поражения бывают сварочная дуга, отражение от снега и песка, ртутные лампы высокого давления. Подробно про защиту – в статье «Защита глаз от ультрафиолета».

Общий вывод по воздействию: умеренные дозы полезны, превышение безопасных доз ведёт к заболеваниям кожи и глаз. Поэтому при работе с искусственными источниками ультрафиолета нужна защита.

Вывод

Ультрафиолет – невидимое излучение 100–400 нм с тремя зонами: УФ-С (200–280 нм, бактерицидная), УФ-В (280–315 нм, антирахитная и эритемная), УФ-А (315–380 нм, ближняя, на ней работает УФ-отверждение). Чем короче волна, тем выше энергия и жёстче действие.

Природный источник – Солнце, от жёсткой части которого нас защищает озоновый слой; искусственные – газоразрядные и люминесцентные лампы. Одна и та же фотохимическая активность ультрафиолета делает его и опасным для тканей, и полезным в технологиях – от стерилизации до отверждения полимеров.

Ультрафиолет в технологиях «Спектр»

«Спектр» производит УФ-отверждаемые материалы и оборудование с 2005 года. Вся продукция построена на управляемом применении ближнего ультрафиолета:

• УФ-клеи, смолы и гели отверждаются под ультрафиолетом 320–405 нм – фотоинициатор запускает полимеризацию;
• УФ-лампы и фонари 365 и 395 нм – в основном светодиодные (LED): узкий спектр, не греют деталь, мгновенный старт;
• Защитные очки – тот же ультрафиолет, что полезен для клея, вреден для глаз, поэтому очки отсекают рабочие 365 и 395 нм.

Нужна консультация по источникам ультрафиолета или подбор оборудования – опишите задачу технологу: какой процесс, длина волны, мощность. Подбор бесплатный: 8 (800) 600-76-32. Каталог – УФ-лампы.

Часто задаваемые вопросы

Что такое ультрафиолет и какие у него длины волн?

Ультрафиолет – невидимое электромагнитное излучение с длиной волны от 100 до 400 нм, между видимым светом и рентгеном. Делится на УФ-А (315–380 нм), УФ-В (280–315 нм) и УФ-С (200–280 нм), плюс вакуумный ультрафиолет 100–200 нм.

Чем отличаются УФ-А, УФ-В и УФ-С?

УФ-С самый коротковолновый и жёсткий – бактерицидный, поглощается озоном. УФ-В средний – даёт загар и синтез витамина D. УФ-А ближний, наименее энергетичный – на нём работают люминесцентный анализ и УФ-отверждение.

Какие бывают источники ультрафиолета?

Естественный – Солнце. Искусственные делят на температурные (дуга, плазма), газоразрядные (ртутные, ксеноновые лампы), люминесцентные и светодиодные (LED). Сегодня для отверждения полимеров применяют в основном LED-источники 365 и 395 нм – они не греют деталь и дают узкий спектр под фотоинициатор.

Почему до Земли не доходит жёсткий ультрафиолет?

Его отсекает озоновый слой: излучение 175–290 нм почти полностью поглощается озоном на высоте около 50 км. Самая короткая длина волны солнечного ультрафиолета у поверхности – около 286 нм.

Где применяют ультрафиолет?

Обеззараживание воздуха и воды, синтез витамина D, загар, люминесцентный анализ и дефектоскопия, криминалистика, реставрация, а в промышленности – УФ-отверждение клеёв, смол и гелей.

Ультрафиолет полезен или вреден?

И то, и другое – вопрос дозы. Умеренные дозы дают витамин D и применяются в лечении, а превышение безопасной дозы вызывает эритему, фотокератит и катаракту. При работе с искусственными источниками нужна защита глаз и кожи.

Какой ультрафиолет используют для отверждения клея?

Ближний ультрафиолет (УФ-А): рабочие длины волн 365 и 395 нм, реже 405 нм. Источник – как правило светодиодный (LED): он даёт узкую полосу точно под фотоинициатор и не перегревает деталь. Фотоинициатор поглощает этот ультрафиолет и запускает полимеризацию.

Обращайтесь, если нужна помощь с выбором УФ-оборудования и материалов – детально проконсультируем.
Email: market@nipg.ru
Тел.: +7 (831) 414-01-71, 8 (800) 600-76-32
WhatsApp: +7 (905) 014-00-15, Telegram: NIPGSpektr

Материал подготовлен техническим специалистом ООО НИПГ «Спектр». При полном или частичном копировании материалов ссылка на источник обязательна.