Rayonnement ultraviolet – Attributs et avantages

Bref historique

Le physicien allemand Johann Wilhelm Ritter découvre le rayonnement UV en 1801. Il a observé un noircissement accéléré de papier imbibé de chlorure d'argent lorsque le papier était exposé à des rayons invisibles juste au-delà du spectre visible, à l'extrémité violette. Pour distinguer ces rayons des « rayons thermiques » (IR) découverts l'année précédente à l'autre extrémité du spectre visible, il a appelé le rayonnement UV « rayons oxydants », ce qui soulignait la réactivité chimique qu'il avait observée. Ce terme a rapidement été remplacé par celui de « rayons chimiques », qui est resté populaire pendant tout le reste du XIX^e siècle. Par la suite, les termes « rayons chimiques » et « rayons thermiques » ont été remplacés par les termes désormais courants « ultraviolets » et « infrarouges », respectivement.

Présentation des UV

Dans le spectre électromagnétique, le rayonnement ultraviolet (UV) est classifié comme ayant une longueur d'onde comprise entre 100 nm et 400 nm. Ces longueurs d'ondes sont plus courtes que celles de la lumière visible et plus longues que celles des rayons X. Il existe trois classifications de la lumière UV : les UVA ont des longueurs d'ondes comprises entre 315 nm et 400 nm, les UVB ont des longueurs d'ondes comprises entre 280 nm et 315 nm, et les UVC ont des longueurs d'ondes comprises entre 100 nm et 280 nm.

Figure 1 : Les longueurs d'ondes UV se situent juste en dessous de ce que l'œil humain peut voir. (Image reproduite avec l'autorisation de W.S. Badger Company, Inc.)

Notre soleil émet des rayons UV dans le spectre de 100 nm à 400 nm. En bordure de l'atmosphère terrestre, la lumière du soleil se compose d'environ 50 % de lumière infrarouge (IR), 40 % de lumière visible et 10 % de lumière UV. Lorsqu'elle atteint la surface de la Terre, avec le soleil à son point culminant, la composition de la lumière solaire est la suivante : 53 % d'IR, 44 % de lumière visible et 3 % d'UV. Sur ces 3 % d'UV qui atteignent le sol, environ 95 % sont des UVA et 5 % des UVB. Bien entendu, ces pourcentages varient quelque peu en fonction de la couverture nuageuse et d'autres conditions atmosphériques.

La plupart des longueurs d'ondes UVC sont absorbées par l'oxygène de la haute atmosphère, qui génère ensuite de l'ozone dans la couche d'ozone. La couche d'ozone bloque la plupart des UVB et le reste des UVC n'ayant pas été déjà absorbés par l'oxygène.

Émetteurs UV artificiels

Le soleil n'est pas la seule source de rayonnement UV. Il existe plusieurs appareils fabriqués par l'homme qui génèrent également ces ondes.

Lumières noires

Les générateurs d'UV les plus connus sont les lumières noires (Figure 2). Les lampes à lumière noire typiques émettent des ondes UVA avec très peu de lumière visible. Par exemple, les lumières noires fluorescentes utilisent un revêtement phosphore à l'intérieur du tube de verre pour émettre des ondes UVA au lieu de la lumière visible. Des lumières noires à vapeur de mercure plus puissantes utilisent le même principe pour émettre des rayons UVA à plus grande échelle, principalement pour les concerts et les représentations théâtrales.

Figure 2 : Les lumières noires fluorescentes typiques émettent des ondes UVA.

Les principales applications des lumières noires sont celles où la lumière visible parasite est indésirable, tout en observant la fluorescence résultante causée lorsque certaines substances sont exposées à la lumière UV.

Lampes UV à ondes courtes

Les lampes UV à ondes courtes sont constituées de tubes fluorescents sans revêtement de phosphore. La lumière UV avec des pics à 253,7 nm et 185 nm, tous les deux dans la bande UVC, est émise principalement à cause du mercure dans le tube. Cependant, seul le rayonnement de 253,7 nm traverse le tube en verre de quartz fondu, tandis que la longueur d'onde de 185 nm est complètement bloquée. Le rendement typique de ces lampes est de 30 % à 40 % et leur puissance UVC est deux à trois fois supérieure à celle des lampes fluorescentes classiques.

La principale application de ces lampes est la désinfection des surfaces de laboratoire, des surfaces de transformation alimentaire et des réserves d'eau.

Lampes à décharge UV

Les lampes à décharge contiennent différents gaz choisis pour produire un rayonnement UV à des lignes spectrales spécifiques, et elles sont utilisées dans des applications scientifiques spécialisées. Ces lampes sont principalement utilisées dans les équipements de spectroscopie UV utilisés dans l'analyse chimique.

Lasers

Les lasers peuvent être fabriqués spécifiquement pour produire de la lumière UV. En fonction de la technologie laser (lasers à gaz, diodes laser ou lasers à solide) et des matériaux utilisés, les lasers peuvent couvrir toute la bande UV.

Les lasers UV ont de nombreuses applications, notamment la gravure laser, la dermatologie, la kératectomie, la chimie, les communications, le stockage optique et la fabrication de circuits intégrés.

Diodes électroluminescentes

Des diodes électroluminescentes (LED) sont fabriquées spécifiquement pour produire de la lumière UV. Ces dispositifs sont actuellement utilisés dans des applications de séchage UV, de stérilisation, de thérapie de la peau, et en chimie pour identifier les mélanges de composants.

Problèmes de santé

Le rayonnement UV a un impact sur la santé humaine, à la fois positif et négatif. Une exposition trop importante peut être nocive, tandis qu'une exposition modérée a des effets bénéfiques.

Effets nocifs

Une exposition excessive aux rayons UV (LED UVA disponibles chez DigiKey) peut avoir des effets nocifs sur les yeux, la peau et le système immunitaire.

Les rayons UVA ne provoquent que peu ou pas de réactions immédiates, mais à des longueurs d'ondes proches du début de la bande UVB (315 nm), une photokératite (une affection oculaire douloureuse) et des rougeurs cutanées (les peaux plus claires sont plus sensibles) commencent à apparaître, les dommages augmentant rapidement à mesure que les longueurs d'ondes approchent de 300 nm. Les UV compris entre 265 nm et 275 nm, dans la bande UVC, sont les plus dangereux pour les yeux et la peau.

La surexposition aux UVB peut non seulement provoquer des coups de soleil, mais est également responsable de certaines formes de cancer de la peau.

Effets bénéfiques

Bien qu'une exposition excessive aux UV puisse être nocive, il existe des avantages pour la santé si l'on peut modérer son exposition aux UV. Les trois principaux avantages de l'exposition aux UV pour la santé sont la production de vitamine D, l'amélioration de l'humeur et l'augmentation de l'énergie.

Vitamine D

Une exposition modérée aux rayons UV est une bonne source de vitamine D. Cette vitamine contribue à la régulation du métabolisme du calcium, la sécrétion d'insuline, la tension artérielle, l'immunité et la propagation cellulaire. Des niveaux plus élevés de vitamine D ont été corrélés à des taux plus faibles de maladies cardiaques, d'accidents vasculaires cérébraux et de diabète, ainsi qu'à une tendance à la baisse de la tension artérielle.

Maladies de la peau

Il existe certaines affections cutanées qui peuvent être traitées par les rayons UV. Grâce à la photothérapie moderne, il est désormais possible de traiter avec succès l'eczéma, la dermatite, le rachitisme, la sclérodermie atopique et localisée, la jaunisse, le psoriasis et le vitiligo.

Cardiovasculaire et hypertension

Chez les patients souffrant d'une tension artérielle élevée et d'une carence en vitamine D, il a été démontré que l'exposition aux UVB peut faire baisser leur tension artérielle. D'autres études médicales montrent que le rayonnement UV, indépendamment de la vitamine D, présente des avantages mesurables pour la santé.

Sérotonine

La création de sérotonine est favorisée par la vitamine D et sa production est directement proportionnelle à l'exposition du corps aux rayons UV. Les changements du niveau de sérotonine affectent l'humeur et le comportement. Son effet exact sur le corps humain n'est pas entièrement connu, mais on pense que la sérotonine procure des sensations de bien-être, de sérénité et de bonheur.

Mélanine

Une exposition modérée aux UV augmente la quantité de mélanine, le pigment brun, dans la peau (autrement connu sous le nom de bronzage). La mélanine absorbe les rayons UVA et UVB et les dissipe sous forme de chaleur. La peau est ainsi protégée des dommages directs et indirects causés à l'ADN.

Applications

Il existe plusieurs applications qui exploitent les propriétés du rayonnement UV et apportent de nombreux avantages pour la santé et le bien-être des personnes. La capacité des ondes UV à tuer les microbes et à éliminer les contaminants est la principale utilisation actuelle.

Purification de l'air

Les contaminants environnementaux intérieurs sont essentiellement des composés organiques à base de carbone qui se décomposent à l'exposition à des UVC haute intensité dans la plage de 240 nm à 280 nm. Cela peut également détruire l'ADN des micro-organismes. Par conséquent, le passage de l'air par un émetteur UVC, tel que la LED UVC TUD7MF1B de SETi/Seoul Viosys (Figure 3), peut aider à la purification de l'air dans la pièce où il est placé. Cette LED UVC de 275 nm (nominal) est disponible sous la forme d'une unité sur carte en étoile avec une sortie rayonnée typique de 11,5 mW, convenant à de nombreuses applications différentes, y compris la purification de l'air.

Figure 3 : Cette LED UVC de SETi/Seoul Viosys est disponible en tant qu'unité sur carte en étoile pour simplifier l'ingénierie thermique. (Image reproduite avec l'autorisation de SETi/Seoul Viosys)

Stérilisation et désinfection

Les LED UVC peuvent également être utilisées pour diverses applications de stérilisation et de désinfection. Dans les laboratoires médicaux et biologiques, le rayonnement UVC est utilisé, en conjonction avec d'autres techniques, pour stériliser les outils et les surfaces des espaces de travail.

Les autres applications fréquentes du rayonnement UVC incluent le traitement des eaux usées et de l'eau potable. Il est même utilisé par les embouteilleurs d'eau de source pour stériliser leur produit. De plus, le rayonnement UVC est utilisé pour tuer les micro-organismes dans l'industrie de transformation alimentaire. Par exemple, les jus de fruits peuvent être pasteurisés par UVC lorsqu'ils passent devant une source.

Thérapie

Le rayonnement UV n'est pas seulement utile pour la purification et la stérilisation. Il peut également être utilisé pour le traitement de maladies de la peau telles que le psoriasis et le vitiligo (une affection où les taches cutanées perdent leur pigment). Dans ce cas, ce ne sont pas les UVC mais les ondes UVB qui sont utiles. Les LED UVB sont idéales pour cette application. Ces dispositifs de 280 nm à 315 nm peuvent servir de base à la conception de dispositifs de thérapie cutanée. Ces dispositifs sont disponibles dans une variété d'options de sortie rayonnée et de montage.

Conclusion

Le rayonnement UV a des effets à la fois nocifs et bénéfiques sur l'homme. Avec une conception appropriée, les attributs bénéfiques des ondes UVB et UVC peuvent être exploités pour nous protéger contre les infections et pour traiter certaines maladies de la peau. À cette fin, DigiKey propose des LED UV qui sont idéales pour ces applications et qui facilitent la conception par rapport à d'autres sources UV.