L’ultraviolet ( UV ) est une forme de rayonnement électromagnétique avec une longueur d’ onde de 10 nm [1] (avec une fréquence correspondante autour de 30 PHz ) à 400 nm (750 THz ), plus courte que celle de la Lumière visible , mais plus longue que les rayons X. Le rayonnement UV est présent dans la lumière du soleil et constitue environ 10 % du rayonnement électromagnétique total émis par le Soleil. Il est également produit par des arcs électriques et des lampes spécialisées, telles que les lampes à vapeur de mercure , les lampes de bronzage et les lumières noires .. Bien que l’ultraviolet à grande longueur d’onde ne soit pas considéré comme un rayonnement ionisant parce que ses photons n’ont pas l’énergie nécessaire pour ioniser les atomes , il peut provoquer des réactions chimiques et provoquer la lueur ou la fluorescence de nombreuses substances . Par conséquent, les effets chimiques et biologiques des UV sont supérieurs aux simples effets de chauffage, et de nombreuses applications pratiques du rayonnement UV dérivent de ses interactions avec des molécules organiques.
La lumière ultraviolette à ondes courtes endommage l’ADN et stérilise les surfaces avec lesquelles elle entre en contact. Pour les humains, le bronzage et les coups de soleil sont des effets familiers de l’exposition de la peau aux rayons UV, ainsi qu’un risque accru de cancer de la peau . La quantité de lumière UV produite par le Soleil signifie que la Terre ne serait pas en mesure de maintenir la vie sur la terre ferme si la majeure partie de cette lumière n’était pas filtrée par l’atmosphère. [2] Les UV “extrêmes” plus énergétiques et de longueur d’onde plus courte en dessous de 121 nm ionisent l’air si fortement qu’il est absorbé avant qu’il n’atteigne le sol. [3] Cependant, la lumière ultraviolette (en particulier les UVB) est également responsable de la formation de vitamine D dans la plupart des terresvertébrés , dont l’homme. [4] Le spectre UV a donc des effets à la fois bénéfiques et nocifs pour la vie.
La limite de longueur d’onde inférieure de la vision humaine est classiquement fixée à 400 nm, de sorte que les rayons ultraviolets sont invisibles pour les humains, bien que les gens puissent parfois percevoir la lumière à des longueurs d’onde plus courtes que cela. [5] Les insectes, les oiseaux et certains mammifères peuvent voir le proche UV (NUV) (c’est-à-dire des longueurs d’onde légèrement plus courtes que ce que les humains peuvent voir) [ la citation nécessaire ] .
Visibilité
Les rayons ultraviolets sont invisibles pour la plupart des humains. Le cristallin de l’œil humain bloque la plupart des rayonnements dans la gamme de longueurs d’onde de 300 à 400 nm ; les longueurs d’onde plus courtes sont bloquées par la cornée . [6] Les humains manquent également d’adaptations des récepteurs de couleur pour les rayons ultraviolets. Néanmoins, les photorécepteurs de la rétine sont sensibles au proche UV, et les personnes dépourvues de cristallin (une condition connue sous le nom d’ aphakie ) perçoivent le proche UV comme un bleu blanchâtre ou un violet blanchâtre. [7] Dans certaines conditions, les enfants et les jeunes adultes peuvent voir l’ultraviolet jusqu’à des longueurs d’onde d’environ 310 nm. [8] [9] Le rayonnement proche UV est visible pour les insectes, certains mammifères et certainsoiseaux . Les oiseaux ont un quatrième récepteur de couleur pour les rayons ultraviolets; ceci, associé à des structures oculaires qui transmettent plus d’UV, donne aux oiseaux plus petits une “véritable” vision UV. [10] [11]
Histoire et découverte
« Ultraviolet » signifie « au-delà du violet » (du latin ultra , « au-delà »), le violet étant la couleur des fréquences les plus élevées de la Lumière visible . L’ultraviolet a une fréquence plus élevée (donc une longueur d’onde plus courte) que la lumière violette.
Le rayonnement UV a été découvert en 1801 lorsque le physicien allemand Johann Wilhelm Ritter a observé que les rayons invisibles juste au-delà de l’extrémité violette du spectre visible assombrissaient le papier imbibé de chlorure d’argent plus rapidement que la lumière violette elle-même. Il les appela “rayons (dés-)oxydants” ( en allemand : de-oxidierende Strahlen ) pour souligner la réactivité chimique et les distinguer des ” rayons de chaleur “, découverts l’année précédente à l’autre extrémité du spectre visible. Le terme plus simple “rayons chimiques” a été adopté peu de temps après et est resté populaire tout au long du 19ème siècle, bien que certains aient dit que ce rayonnement était entièrement différent de la lumière (notamment John William Draper, qui les a nommés “rayons tithoniques” [12] [13] ). Les termes “rayons chimiques” et “rayons thermiques” ont finalement été abandonnés au profit respectivement des rayonnements ultraviolets et infrarouges . [14] [15] En 1878, l’effet stérilisant de la lumière à courte longueur d’onde en tuant les bactéries a été découvert. En 1903, les longueurs d’onde les plus efficaces étaient connues pour être d’environ 250 nm. En 1960, l’effet du rayonnement ultraviolet sur l’ADN a été établi. [16]
La découverte du rayonnement ultraviolet avec des longueurs d’onde inférieures à 200 nm, nommé “ultraviolet sous vide” car il est fortement absorbé par l’oxygène de l’air, a été faite en 1893 par le physicien allemand Victor Schumann . [17]
Sous-types
[ 18 ] _ _ _
Nom | Abréviation | Longueur d’onde (nm) |
Énergie photonique (eV, aJ) |
Remarques/noms alternatifs |
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Ultraviolet A | UV‐A | 315–400 | 3,10–3,94, 0,497–0,631 |
UV ondes longues, Lumière noire , non absorbée par la couche d’ozone : UV doux. |
Ultraviolet B | UV‐B | 280–315 | 3,94–4,43, 0,631–0,710 |
UV à ondes moyennes, majoritairement absorbés par la couche d’ozone : UV intermédiaires ; Rayonnement de Dorno . |
Ultraviolets C | UV‐C | 200–280 | 4,43–12,4, 0,710–1,987 |
UV à ondes courtes, UV germicides , rayonnements ionisants à longueurs d’onde plus courtes, totalement absorbés par la couche d’ozone et l’atmosphère : UV durs. |
Près de l’ultraviolet | N‐UV | 300–400 | 3,10–4,13, 0,497–0,662 |
Visible pour les oiseaux, les insectes et les poissons. |
Moyen ultraviolet | M‐UV | 200–300 | 4,13–6,20, 0,662–0,993 |
|
ultraviolet lointain | F‐UV | 122–200 | 6,20–10,16, 0,993–1,628 |
Rayonnement ionisant à des longueurs d’onde plus courtes. |
Hydrogène Lyman-alpha |
H Lyman‐α | 121–122 | 10.16–10.25, 1.628–1.642 |
Ligne spectrale à 121,6 nm, 10,20 eV. |
Ultraviolet extrême | E‐UV | 10–121 | 10.25–124, 1.642–19.867 |
Rayonnement entièrement ionisant selon certaines définitions; complètement absorbé par l’atmosphère. |
Ultraviolet sous vide | V-UV | 100–200 | 6,20–124, 0,993–19,867 |
Fortement absorbé par l’oxygène atmosphérique, bien que les longueurs d’onde de 150 à 200 nm puissent se propager à travers l’azote. |
Plusieurs dispositifs à semi-conducteurs et à vide ont été explorés pour une utilisation dans différentes parties du spectre UV. De nombreuses approches cherchent à adapter les dispositifs de détection de Lumière visible, mais ceux-ci peuvent souffrir d’une réponse indésirable à la Lumière visible et de diverses instabilités. Les ultraviolets peuvent être détectés par des photodiodes et des photocathodes appropriées , qui peuvent être adaptées pour être sensibles à différentes parties du spectre UV. Des photomultiplicateurs UV sensibles sont disponibles. Les spectromètres et les radiomètres sont conçus pour mesurer le rayonnement UV. Les détecteurs au silicium sont utilisés dans tout le spectre. [19]
Les longueurs d’onde UV ou VUV sous vide (inférieures à 200 nm) sont fortement absorbées par l’ oxygène moléculaire dans l’air, bien que les longueurs d’onde plus longues autour de 150–200 nm puissent se propager à travers l’azote . Les instruments scientifiques peuvent donc utiliser cette gamme spectrale en fonctionnant dans une atmosphère sans oxygène (généralement de l’azote pur), sans avoir besoin de chambres à vide coûteuses. Des exemples significatifs incluent les équipements de photolithographie à 193 nm (pour la fabrication de semi -conducteurs ) et les spectromètres à dichroïsme circulaire .
La technologie de l’instrumentation VUV a été largement tirée par l’astronomie solaire pendant de nombreuses décennies. Alors que l’optique peut être utilisée pour éliminer la Lumière visible indésirable qui contamine le VUV, en général ; les détecteurs peuvent être limités par leur réponse au rayonnement non VUV, et le développement de dispositifs de stores solaires a été un domaine de recherche important. Les dispositifs à semi-conducteurs à large espace ou les dispositifs à vide avec des photocathodes à coupure élevée peuvent être intéressants par rapport aux diodes au silicium.
Les UV extrêmes (EUV ou parfois XUV) se caractérisent par une transition dans la physique de l’interaction avec la matière. Les longueurs d’onde supérieures à environ 30 nm interagissent principalement avec les électrons de valence externes des atomes, tandis que les longueurs d’onde plus courtes interagissent principalement avec les électrons et les noyaux de la coque interne. L’extrémité longue du spectre EUV est définie par une raie spectrale He + proéminente à 30,4 nm. L’EUV est fortement absorbé par la plupart des matériaux connus, mais il est possible de synthétiser des optiques multicouches qui réfléchissent jusqu’à environ 50% du rayonnement EUV à une Incidence normale . Cette technologie a été mise au point par NIXT et MSSTAfusées-sondes dans les années 1990, et il a été utilisé pour fabriquer des télescopes pour l’imagerie solaire. Voir aussi le satellite Extreme Ultraviolet Explorer .
Certaines sources utilisent la distinction « UV durs » et « UV mous ». Par exemple, dans le cas de l’astrophysique, la limite peut être à la limite de Lyman (longueur d’onde 91,2 nm), les «UV durs» étant plus énergétiques; [20] les mêmes termes peuvent également être utilisés dans d’autres domaines, tels que la cosmétologie , l’ Optoélectronique , etc. Les valeurs numériques de la frontière hard/soft, même au sein de domaines scientifiques similaires, ne coïncident pas nécessairement ; par exemple, une publication de physique appliquée a utilisé une limite de 190 nm entre les régions UV dures et douces. [21]
ultraviolet solaire
Les objets très chauds émettent un rayonnement UV (voir rayonnement du corps noir ). Le Soleil émet un rayonnement ultraviolet à toutes les longueurs d’onde, y compris l’ultraviolet extrême où il se transforme en rayons X à 10 nm. Les étoiles extrêmement chaudes émettent proportionnellement plus de rayonnement UV que le Soleil. La lumière solaire dans l’espace au sommet de l’atmosphère terrestre (voir constante solaire ) est composée d’environ 50 % de lumière infrarouge, 40 % de Lumière visible et 10 % de lumière ultraviolette, pour une intensité totale d’environ 1400 W/m 2 dans le vide. [22]
L’atmosphère bloque environ 77% des UV du Soleil, lorsque le Soleil est le plus haut dans le ciel (au zénith), l’absorption augmentant à des longueurs d’onde UV plus courtes. Au niveau du sol avec le soleil au zénith, la lumière du soleil est composée de 44% de Lumière visible, 3% d’ultraviolet et le reste d’infrarouge. [23] [24] Du rayonnement ultraviolet qui atteint la surface de la Terre, plus de 95 % sont les longueurs d’onde plus longues d’UVA, avec le petit reste UVB. Quasiment aucun UVC n’atteint la surface de la Terre. [25] La fraction d’UVB qui reste dans le rayonnement UV après avoir traversé l’atmosphère dépend fortement de la couverture nuageuse et des conditions atmosphériques. Les jours “partiellement nuageux”, les zones de ciel bleu apparaissant entre les nuages sont également des sources d’UVA et d’UVB (diffusés),de la même manière que la lumière bleue visible de ces parties du ciel. Les UVB jouent également un rôle majeur dans le développement des plantes, car ils affectent la plupart des hormones végétales. [26] Pendant le ciel couvert total, la quantité d’absorption due aux nuages dépend fortement de l’épaisseur des nuages et de la latitude, sans mesures claires corrélant l’épaisseur spécifique et l’absorption des UVB. [27]
Les bandes plus courtes d’UVC, ainsi que le rayonnement UV encore plus énergétique produit par le Soleil, sont absorbés par l’oxygène et génèrent l’ozone dans la couche d’ozone lorsque des atomes d’oxygène uniques produits par la Photolyse UV du dioxygène réagissent avec plus de dioxygène. La couche d’ozone est particulièrement importante pour bloquer la plupart des UVB et la partie restante des UVC qui n’est pas déjà bloquée par l’oxygène ordinaire de l’air.
Bloqueurs, absorbeurs et fenêtres
Les absorbeurs d’ultraviolets sont des molécules utilisées dans les matériaux organiques ( Polymères , peintures , etc.) pour absorber le rayonnement UV afin de réduire la Dégradation UV (photo-oxydation) d’un matériau. Les absorbants peuvent eux-mêmes se dégrader avec le temps, il est donc nécessaire de surveiller les niveaux d’absorption dans les matériaux altérés.
Dans les écrans solaires , les ingrédients qui absorbent les rayons UVA/UVB, tels que l’avobenzone , l’oxybenzone [28] et l’octyl méthoxycinnamate , sont des absorbeurs chimiques organiques ou des “bloquants”. Ils sont en contraste avec les absorbeurs/”bloqueurs” inorganiques du rayonnement UV tels que le noir de carbone , le dioxyde de titane et l’oxyde de zinc .
Pour les vêtements, le facteur de protection contre les ultraviolets (UPF) représente le rapport des UV causant des coups de soleil sans et avec la protection du tissu, similaire aux indices de Facteur de protection solaire (SPF) pour les écrans solaires . [ citation nécessaire ] Les tissus d’été standard ont un UPF d’environ 6, ce qui signifie qu’environ 20 % des UV passeront à travers. [ citation nécessaire ]
Les nanoparticules en suspension dans le vitrail empêchent les rayons UV de provoquer des réactions chimiques qui modifient les couleurs de l’image. [ citation nécessaire ] Un ensemble de puces de référence de couleur en vitrail devrait être utilisé pour calibrer les caméras couleur pour la mission 2019 du rover ESA sur Mars, car elles resteront intactes par le niveau élevé d’UV présent à la surface de Mars. [ citation nécessaire ]
Le verre sodocalcique commun , tel que le verre à vitre, est partiellement transparent aux UVA, mais est opaque aux longueurs d’onde plus courtes, laissant passer environ 90% de la lumière au-dessus de 350 nm, mais bloquant plus de 90% de la lumière en dessous de 300 nm. [29] [30] [31] Une étude a révélé que les vitres des voitures laissent passer 3 à 4 % des UV ambiants, en particulier si les UV étaient supérieurs à 380 nm. [32] D’autres types de vitres de voiture peuvent réduire la transmission des UV supérieurs à 335 nm. [32] Le quartz fondu , selon la qualité, peut être transparent même aux longueurs d’ onde UV sous vide . Quartz cristallin et certains cristaux tels que CaF 2et MgF 2 transmettent bien jusqu’à des longueurs d’onde de 150 nm ou 160 nm. [33]
Le verre de Wood est un verre de silicate de baryum-sodium bleu violet foncé avec environ 9% d’ oxyde de nickel développé pendant la Première Guerre mondiale pour bloquer la Lumière visible pour les communications secrètes. Il permet à la fois les communications infrarouges diurnes et ultraviolettes nocturnes en étant transparent entre 320 nm et 400 nm, ainsi que les longueurs d’onde infrarouges plus longues et rouges à peine visibles. Sa transmission UV maximale est à 365 nm, une des longueurs d’onde des lampes au mercure .
Sources artificielles
“Lumières noires”
Une lampe à Lumière noire émet un rayonnement UV‐A à ondes longues et peu de Lumière visible. Les Lampes fluorescentes à Lumière noire fonctionnent de la même manière que les autres Lampes fluorescentes , mais utilisent un luminophore sur la surface du tube interne qui émet un rayonnement UV-A au lieu de la Lumière visible. Certaines lampes utilisent un filtre optique en verre de Wood bleu-violet profond qui bloque presque toute la Lumière visible avec des longueurs d’onde supérieures à 400 nanomètres. [34] La lueur violette dégagée par ces tubes n’est pas l’ultraviolet lui-même, mais la lumière violette visible de la raie spectrale 404 nm du mercure qui s’échappe en étant filtrée par le revêtement. D’autres lumières noires utilisent du verre ordinaire au lieu du verre Wood plus cher, de sorte qu’elles apparaissent bleu clair à l’œil lorsqu’elles fonctionnent.
Des lumières noires incandescentes sont également produites, en utilisant un revêtement de filtre sur l’enveloppe d’une ampoule à incandescence qui absorbe la Lumière visible ( voir la section ci-dessous ). Ceux-ci sont moins chers mais très inefficaces, n’émettant qu’une petite fraction d’un pour cent de leur puissance sous forme d’UV. Des lumières noires à vapeur de mercure d’une puissance allant jusqu’à 1 kW avec du phosphore émettant des UV et une enveloppe en verre de Wood sont utilisées pour les représentations théâtrales et de concert.
Les lumières noires sont utilisées dans des applications dans lesquelles la Lumière visible étrangère doit être minimisée ; principalement pour observer la fluorescence , la lueur colorée que de nombreuses substances dégagent lorsqu’elles sont exposées à la lumière UV. Les ampoules émettant des UV‐A/UV‐B sont également vendues à d’autres fins particulières, comme les lampes de bronzage et l’élevage de reptiles.
Lampes ultraviolettes à ondes courtes
Les lampes UV à ondes courtes sont fabriquées à l’aide d’un tube de lampe fluorescente sans revêtement de phosphore, composé de quartz fondu ou de vycor , car le verre ordinaire absorbe les UV‐C. Ces lampes émettent une lumière ultraviolette avec deux pics dans la bande UV‐C à 253,7 nm et 185 nm en raison du mercure à l’intérieur de la lampe, ainsi qu’un peu de Lumière visible. De 85% à 90% des UV produits par ces lampes sont à 253,7 nm, alors que seulement 5 à 10% sont à 185 nm. [ citation nécessaire ]Le tube de quartz fondu laisse passer le rayonnement de 253,7 nm mais bloque la longueur d’onde de 185 nm. Ces tubes ont deux ou trois fois la puissance UV-C d’un tube de lampe fluorescente ordinaire. Ces lampes à basse pression ont une efficacité typique d’environ 30 à 40 %, ce qui signifie que pour 100 watts d’électricité consommée par la lampe, elles produiront environ 30 à 40 watts de sortie UV totale. Ils émettent également une Lumière visible blanc bleuâtre, due aux autres raies spectrales du mercure. Ces lampes “germicides” sont largement utilisées pour la désinfection des surfaces dans les laboratoires et les industries agro-alimentaires, et pour la désinfection des réserves d’eau.
Lampes incandescentes
Les lampes à incandescence à « Lumière noire » sont également fabriquées à partir d’une ampoule à incandescence avec un revêtement filtrant qui absorbe la plupart de la Lumière visible. Les lampes halogènes avec enveloppes en quartz fondu sont utilisées comme sources de lumière UV peu coûteuses dans la gamme des UV proches, de 400 à 300 nm, dans certains instruments scientifiques. En raison de son spectre de corps noir, une ampoule à incandescence est une source ultraviolette très inefficace, n’émettant qu’une fraction de pour cent de son énergie sous forme d’UV.
Lampes à décharge
Des lampes à décharge UV spécialisées contenant différents gaz produisent un rayonnement UV sur des raies spectrales particulières à des fins scientifiques. Les lampes à arc à l’ argon et au deutérium sont souvent utilisées comme sources stables, soit sans fenêtre, soit avec diverses fenêtres telles que le fluorure de magnésium . [35] Ce sont souvent les sources émettrices des équipements de spectroscopie UV pour l’analyse chimique.
D’autres sources UV avec des spectres d’émission plus continus comprennent les lampes à arc au xénon (couramment utilisées comme simulateurs de lumière solaire), les lampes à arc au deutérium, les lampes à arc au mercure-xénon et les lampes à arc aux halogénures métalliques .
La lampe à excimère , source UV développée au début des années 2000, connaît une utilisation croissante dans les domaines scientifiques. Il présente les avantages d’une haute intensité, d’un rendement élevé et d’un fonctionnement dans une variété de bandes de longueurs d’onde dans l’ultraviolet du vide.
LED ultraviolettes
Les diodes électroluminescentes (LED) peuvent être fabriquées pour émettre un rayonnement dans la gamme ultraviolette. En 2019, après des avancées significatives au cours des cinq années précédentes, des LED UV-A de 365 nm et de longueur d’onde plus longue étaient disponibles, avec des rendements de 50 % à une sortie de 1,0 W. Actuellement, les types de LED UV les plus courants que l’on peut trouver/acheter sont dans les longueurs d’onde 395 nm et 365 nm, toutes deux dans le spectre UV-A. En ce qui concerne la longueur d’onde des LED UV, la longueur d’onde nominale est la longueur d’onde maximale que les LED émettent, et la lumière à des fréquences de longueur d’onde supérieures et inférieures près de la longueur d’onde maximale est présente, ce qui est important à prendre en compte lorsque vous cherchez à les appliquer pour certaines fins.
Les LED UV 395 nm les moins chères et les plus courantes sont beaucoup plus proches du spectre visible, et les LED fonctionnent non seulement à leur longueur d’onde maximale, mais elles dégagent également une couleur violette et finissent par ne pas émettre de lumière UV pure, contrairement aux autres LED UV qui sont plus profonds dans le spectre. [36] Ces LED sont de plus en plus utilisées pour des applications telles que les applications de séchage UV , la charge d’objets qui brillent dans le noir tels que Des peintures ou des jouets, et elles deviennent très populaires dans un processus connu sous le nom de rétro-éclairement, qui accélère la processus de remise à neuf/blanchiment des vieux plastiques et des lampes de poche portables pour détecter la fausse monnaie et les fluides corporels, et ont déjà du succès dans les applications d’impression numérique et les environnements de séchage UV inertes. Densités de puissance proches de 3 W/cm 2(30 kW/m 2 ) sont désormais possibles, ce qui, associé aux développements récents des photo-initiateurs et des formulateurs de résine, rend probable l’expansion des matériaux UV durcis par LED.
Les LED UV-C se développent rapidement, mais peuvent nécessiter des tests pour vérifier l’efficacité de la désinfection. Les citations pour la désinfection de grande surface concernent les sources UV non LED [37] connues sous le nom de lampes germicides . [38] En outre, ils sont utilisés comme sources de ligne pour remplacer les lampes au deutérium dans les instruments de chromatographie liquide . [39]
Lasers ultraviolets
Les lasers à gaz , les diodes laser et les lasers à semi-conducteurs peuvent être fabriqués pour émettre des rayons ultraviolets, et des lasers sont disponibles qui couvrent toute la gamme UV. Le laser à azote gazeux utilise l’excitation électronique des molécules d’azote pour émettre un faisceau principalement UV. Les raies ultraviolettes les plus fortes se situent à 337,1 nm et 357,6 nm de longueur d’onde. Un autre type de lasers à gaz à haute puissance sont les lasers à excimères . Ce sont des lasers largement utilisés émettant dans les gammes de longueurs d’onde ultraviolettes et ultraviolettes sous vide. Actuellement, les lasers excimères UV argon-fluorure fonctionnant à 193 nm sont couramment utilisés dans la production de circuits intégrés par photolithographie . Le courant [Plage de temps? ]la longueur d’onde limite de production d’UV cohérents est d’environ 126 nm, caractéristique du laser excimère Ar2*.
Des diodes laser à émission directe d’UV sont disponibles à 375 nm. [40] Des lasers à semi-conducteurs pompés par diode UV ont été démontrés en utilisant des cristaux de fluorure d’aluminium et de strontium de lithium dopés au cérium ( Ce:LiSAF), un procédé développé dans les années 1990 au Lawrence Livermore National Laboratory . [41] Des longueurs d’onde inférieures à 325 nm sont générées commercialement dans des lasers à semi-conducteurs pompés par diode . Les lasers ultraviolets peuvent également être fabriqués en appliquant une conversion de fréquence aux lasers à basse fréquence.
Les lasers ultraviolets trouvent des applications dans l’industrie ( gravure laser ), la médecine ( dermatologie et kératectomie ), la chimie ( MALDI ), les communications sécurisées à l’air libre , l’informatique ( stockage optique ) et la fabrication de circuits intégrés.
Ultraviolet sous vide accordable (VUV)
La bande ultraviolette sous vide (V-UV) (100–200 nm) peut être générée par un mélange non linéaire à 4 ondes dans les gaz par mélange de fréquence somme ou différence de 2 lasers à longueur d’onde plus longue ou plus. La génération se fait généralement dans des gaz (ex. krypton, hydrogène qui résonnent à deux photons près de 193 nm) [42] ou des vapeurs métalliques (ex. magnésium). En rendant l’un des lasers accordable, le V‐UV peut être accordé. Si l’un des lasers résonne avec une transition dans le gaz ou la vapeur, la production de V‐UV est intensifiée. Cependant, les résonances génèrent également une dispersion de longueur d’onde, et donc l’accord de phase peut limiter la plage accordable du mélange à 4 ondes. Mélange de fréquences différentielles (c’est-à-dire f 1 + f 2 − f 3) comme un avantage par rapport au mélange de fréquence somme car l’accord de phase peut fournir un meilleur accord. [42]
En particulier, la différence de fréquence mélangeant deux photons d’un laser excimère Ar F (193 nm) avec un laser visible ou proche infrarouge accordable dans l’hydrogène ou le krypton fournit une couverture V-UV accordable améliorée en résonance de 100 nm à 200 nm. [42] Pratiquement, le manque de matériaux de fenêtre de cellule gaz / vapeur appropriés au-dessus de la longueur d’onde de coupure du fluorure de lithium limite la plage d’accord à plus d’environ 110 nm. Des longueurs d’onde V‐UV accordables jusqu’à 75 nm ont été obtenues à l’aide de configurations sans fenêtre. [43]
Sources plasma et synchrotron d’UV extrêmes
Des lasers ont été utilisés pour générer indirectement un rayonnement UV extrême (E-UV) non cohérent à 13,5 nm pour la lithographie dans l’ultraviolet extrême . L’E-UV n’est pas émis par le laser, mais plutôt par des transitions d’électrons dans un plasma d’étain ou de xénon extrêmement chaud, qui est excité par un laser excimer. [44] Cette technique ne nécessite pas de synchrotron, mais peut produire des UV à la limite du spectre des rayons X. Les sources de lumière synchrotron peuvent également produire toutes les longueurs d’onde d’UV, y compris celles à la limite des spectres UV et X à 10 nm.
Effets liés à la santé humaine
L’impact du rayonnement ultraviolet sur la santé humaine a des implications sur les risques et les avantages de l’exposition au soleil et est également impliqué dans des problèmes tels que les Lampes fluorescentes et la santé . Une trop grande exposition au soleil peut être nocive, mais avec modération, l’exposition au soleil est bénéfique. [45]
Effets bénéfiques
La lumière UV (en particulier les UV‐B) amène le corps à produire de la vitamine D , qui est essentielle à la vie. Les humains ont besoin d’un peu de rayonnement UV pour maintenir des niveaux adéquats de vitamine D. Selon l’Organisation mondiale de la santé : [46]
Nul doute qu’un peu de soleil vous fait du bien ! Mais 5 à 15 minutes d’exposition occasionnelle au soleil des mains, du visage et des bras deux à trois fois par semaine pendant les mois d’été suffisent pour maintenir votre taux de vitamine D à un niveau élevé.
La vitamine D peut également être obtenue à partir des aliments et des suppléments. [47] Une exposition excessive au soleil produit cependant des effets nocifs. [46]
La vitamine D favorise la création de sérotonine . La production de sérotonine est directement proportionnelle au degré de lumière solaire reçue par le corps. [48] On pense que la sérotonine procure des sensations de bonheur, de bien-être et de sérénité aux êtres humains. [49]
Maladies de la peau
Les rayons UV traitent également certaines affections cutanées. La photothérapie moderne a été utilisée avec succès pour traiter le psoriasis , l’eczéma , la jaunisse , le vitiligo , la dermatite atopique et la sclérodermie localisée . [50] [51] De plus, il a été démontré que la lumière UV, en particulier le rayonnement UV-B, induisait un arrêt du cycle cellulaire dans les kératinocytes , le type de cellule cutanée le plus courant. [52] En tant que telle, la thérapie par la lumière du soleil peut être un candidat pour le traitement d’affections telles que le psoriasis et la chéilite exfoliative , affections dans lesquelles les cellules de la peau se divisent plus rapidement que d’habitude ou nécessaire.[53]
Effets nuisibles
Chez l’homme, une exposition excessive aux rayons UV peut entraîner des effets nocifs aigus et chroniques sur le système dioptrique et la rétine de l’œil . Le risque est élevé à haute altitude et les personnes vivant dans des régions de haute latitude où la neige recouvre le sol jusqu’au début de l’été et où les positions du soleil, même au zénith , sont basses, sont particulièrement à risque. [54] La peau, le système circadien et le système immunitaire peuvent également être affectés. [55]
Les effets différentiels de diverses longueurs d’onde de lumière sur la cornée et la peau humaines sont parfois appelés le “spectre d’action érythémal”. [56] Le spectre d’action montre que les UVA ne provoquent pas de réaction immédiate, mais plutôt que les UV commencent à provoquer une photokératite et des rougeurs cutanées (les individus à la peau plus claire étant plus sensibles) à des longueurs d’onde commençant près du début de la bande UVB à 315 nm, et rapidement passant à 300 nm. La peau et les yeux sont les plus sensibles aux dommages causés par les UV à 265-275 nm, qui se situent dans la bande UV-C inférieure. À des longueurs d’onde UV encore plus courtes, les dommages continuent de se produire, mais les effets manifestes ne sont pas aussi importants avec si peu de pénétration dans l’atmosphère. L’ indice ultraviolet standard de l’OMSest une mesure largement diffusée de la force totale des longueurs d’onde UV qui provoquent des coups de soleil sur la peau humaine, en pondérant l’exposition aux UV pour les effets du spectre d’action à un moment et à un endroit donnés. Cette norme montre que la plupart des coups de soleil sont dus aux UV à des longueurs d’onde proches de la limite des bandes UV-A et UV-B.
Dommages cutanés
La surexposition aux rayons UV-B peut non seulement provoquer des coups de soleil , mais également certaines formes de cancer de la peau . Cependant, le degré de rougeur et d’irritation des yeux (qui ne sont en grande partie pas causés par les UV-A) ne prédit pas les effets à long terme des UV, bien qu’ils reflètent les dommages directs de l’ADN par les ultraviolets. [57]
Toutes les bandes de rayonnement UV endommagent les fibres de collagène et accélèrent le vieillissement de la peau. Les UV‐A et les UV‐B détruisent la vitamine A dans la peau, ce qui peut causer d’autres dommages. [58]
Le rayonnement UVB peut causer des dommages directs à l’ADN. [59] Ce lien avec le cancer est l’une des raisons de s’inquiéter de l’appauvrissement de la couche d’ ozone et du trou dans la couche d’ozone.
La forme la plus mortelle de cancer de la peau , le mélanome malin , est principalement causée par des dommages à l’ADN indépendants du rayonnement UV‐A. Ceci peut être vu de l’absence d’une mutation directe de signature UV dans 92% de tous les mélanomes. [60] La surexposition occasionnelle et les coups de soleil sont probablement des facteurs de risque plus importants de mélanome qu’une exposition modérée à long terme. [61] Les UV-C sont le type de rayonnement ultraviolet le plus énergétique et le plus dangereux, et provoquent des effets indésirables qui peuvent être mutagènes ou cancérigènes. [62]
Dans le passé, les UV-A étaient considérés comme non nocifs ou moins nocifs que les UV-B, mais on sait aujourd’hui qu’ils contribuent au cancer de la peau via des dommages indirects à l’ADN (radicaux libres tels que les espèces réactives de l’oxygène). [ citation nécessaire ] Les UV-A peuvent générer des intermédiaires chimiques hautement réactifs, tels que des radicaux hydroxyle et oxygène, qui à leur tour peuvent endommager l’ADN. Les dommages à l’ADN causés indirectement à la peau par les UV-A consistent principalement en des cassures simple brin de l’ADN, tandis que les dommages causés par les UV-B comprennent la formation directe de dimères de thymine ou de dimères de cytosine et la rupture de l’ADN double brin. [63]Les UV‐A sont immunosuppresseurs pour l’ensemble du corps (représentant une grande partie des effets immunosuppresseurs de l’exposition au soleil) et sont mutagènes pour les kératinocytes basocellulaires de la peau. [64]
Les photons UVB peuvent causer des dommages directs à l’ADN. Le rayonnement UV-B excite les molécules d’ADN dans les cellules de la peau, provoquant la formation de liaisons covalentes aberrantes entre les bases pyrimidiques adjacentes , produisant un dimère . La plupart des dimères de pyrimidine induits par les UV dans l’ADN sont éliminés par le processus connu sous le nom de réparation par excision de nucléotide qui emploie environ 30 protéines différentes. [59] Ces dimères de pyrimidine qui échappent à ce processus de réparation peuvent induire une forme de mort cellulaire programmée ( apoptose ) ou peuvent provoquer des erreurs de réplication de l’ADN conduisant à une mutation .
En tant que défense contre les rayons UV, la quantité de pigment brun mélanine dans la peau augmente lorsqu’elle est exposée à des niveaux de rayonnement modérés (selon le type de peau ); c’est ce qu’on appelle communément un bronzage . Le but de la mélanine est d’absorber le rayonnement UV et de dissiper l’énergie sous forme de chaleur inoffensive, protégeant la peau contre les dommages directs et indirects de l’ADN causés par les UV. Les UV‐A donnent un bronzage rapide qui dure des jours en oxydant la mélanine déjà présente et déclenche la libération de la mélanine des mélanocytes. Les UV-B donnent un bronzage qui prend environ 2 jours à se développer car ils stimulent le corps à produire plus de mélanine.
Débat sur la sécurité des écrans solaires
Les organisations médicales recommandent aux patients de se protéger des rayons UV en utilisant un écran solaire . Il a été démontré que cinq ingrédients de protection solaire protègent les souris contre les tumeurs cutanées. Cependant, certains produits chimiques de protection solaire produisent des substances potentiellement nocives s’ils sont éclairés alors qu’ils sont en contact avec des cellules vivantes. [65] [66] La quantité d’écran solaire qui pénètre dans les couches inférieures de la peau peut être suffisamment importante pour causer des dommages. [67]
La crème solaire réduit les dommages directs à l’ADN qui causent les coups de soleil, en bloquant les UV-B, et l’ indice SPF habituel indique l’efficacité avec laquelle ce rayonnement est bloqué. Le SPF est donc aussi appelé UVB-PF, pour “UV‐B protection factor”. [68] Cette cote, cependant, n’offre aucune donnée sur une protection importante contre les UVA, [69] qui ne causent pas principalement de coups de soleil mais qui sont toujours nocifs, car ils causent des dommages indirects à l’ADN et sont également considérés comme cancérigènes. Plusieurs études suggèrent que l’absence de filtres UV-A pourrait être la cause de l’incidence plus élevée de mélanome chez les utilisateurs d’écran solaire par rapport aux non-utilisateurs. [70] [71] [72] [73] [74] Certaines crèmes solaires contiennent du dioxyde de titane, de l’oxyde de zinc et de l’avobenzone , qui aident à protéger contre les rayons UV‐A.
Les propriétés photochimiques de la mélanine en font un excellent photoprotecteur . Cependant, les produits chimiques de protection solaire ne peuvent pas dissiper l’énergie de l’état excité aussi efficacement que la mélanine et, par conséquent, si les ingrédients de la protection solaire pénètrent dans les couches inférieures de la peau, la quantité d’ espèces réactives de l’oxygène peut être augmentée. [75] [65] [66] [76] La quantité d’écran solaire qui pénètre à travers la couche cornée peut ou non être suffisamment importante pour causer des dommages.
Dans une expérience de Hanson et al . publié en 2006, la quantité d’ espèces réactives de l’oxygène (ROS) nocives a été mesurée dans la peau non traitée et dans la peau traitée avec un écran solaire. Au cours des 20 premières minutes, le film de crème solaire avait un effet protecteur et le nombre d’espèces de ROS était plus faible. Après 60 minutes, cependant, la quantité de crème solaire absorbée était si élevée que la quantité de ROS était plus élevée dans la peau traitée par la crème solaire que dans la peau non traitée. [75] L’étude indique que la crème solaire doit être réappliquée dans les 2 heures afin d’empêcher la lumière UV de pénétrer dans les cellules cutanées vivantes infusées de crème solaire. [75]
Aggravation de certaines affections cutanées
Le rayonnement ultraviolet peut aggraver plusieurs affections et maladies cutanées, notamment [77] le lupus érythémateux disséminé , le syndrome de Sjögren, le syndrome de Sinear Usher , la rosacée , la dermatomyosite , la maladie de Darier , le syndrome de Kindler-Weary et la porokératose . [78]
Lésions oculaires
L’œil est le plus sensible aux dommages causés par les UV dans la bande UV‐C inférieure à 265–275 nm. Le rayonnement de cette longueur d’onde est presque absent de la lumière du soleil, mais se trouve dans les lampes à arc des soudeurs et d’autres sources artificielles. L’exposition à ceux-ci peut provoquer un “flash de soudeur” ou un “arc oculaire” ( photokératite ) et peut entraîner la formation de cataractes , de ptérygion et de pinguécule . Dans une moindre mesure, les UV-B de la lumière du soleil de 310 à 280 nm provoquent également une photokératite (“cécité des neiges”), et la cornée , le cristallin et la rétine peuvent être endommagés. [79]
Les lunettes de protection sont bénéfiques pour les personnes exposées aux rayons ultraviolets. Étant donné que la lumière peut atteindre les yeux par les côtés, une protection oculaire complète est généralement justifiée s’il existe un risque accru d’exposition, comme dans l’alpinisme à haute altitude. Les alpinistes sont exposés à des niveaux de rayonnement UV supérieurs à la normale, à la fois parce qu’il y a moins de filtrage atmosphérique et à cause de la réflexion de la neige et de la glace. [80] [81] Les lunettes ordinaires non traitées offrent une certaine protection. La plupart des lentilles en plastique offrent une meilleure protection que les lentilles en verre, car, comme indiqué ci-dessus, le verre est transparent aux UV-A et le plastique acrylique couramment utilisé pour les lentilles l’est moins. Certains matériaux de lentilles en plastique, tels que le polycarbonate , bloquent intrinsèquement la plupart des UV.[82]
Dégradation des Polymères, pigments et colorants
La dégradation par les UV est une forme de dégradation des Polymères qui affecte les plastiques exposés à la lumière du soleil . Le problème apparaît comme une décoloration ou une décoloration, une fissuration, une perte de résistance ou une désintégration. Les effets de l’attaque augmentent avec le temps d’exposition et l’intensité de la lumière solaire. L’ajout d’absorbeurs d’UV inhibe l’effet.
Les Polymères sensibles comprennent les thermoplastiques et les fibres spéciales comme les aramides . L’absorption des UV entraîne une dégradation de la chaîne et une perte de résistance aux points sensibles de la structure de la chaîne. La corde en aramide doit être protégée par une gaine en thermoplastique si elle veut conserver sa résistance.
De nombreux pigments et colorants absorbent les UV et changent de couleur, de sorte que les peintures et les textiles peuvent nécessiter une protection supplémentaire à la fois contre la lumière du soleil et les ampoules fluorescentes, deux sources courantes de rayonnement UV. Le verre des fenêtres absorbe certains UV nocifs, mais les artefacts de valeur nécessitent une protection supplémentaire. De nombreux musées placent des rideaux noirs sur des aquarelles et des textiles anciens, par exemple. Étant donné que les aquarelles peuvent avoir de très faibles niveaux de pigments, elles ont besoin d’une protection supplémentaire contre les UV. Diverses formes de verre d’encadrement , y compris les acryliques (plexiglas), les stratifiés et les revêtements, offrent différents degrés de protection contre les UV (et la Lumière visible).
Applications
En raison de sa capacité à provoquer des réactions chimiques et à exciter la fluorescence dans les matériaux, le rayonnement ultraviolet a un certain nombre d’applications. Le tableau suivant [83] donne quelques utilisations de bandes de longueurs d’onde spécifiques dans le spectre UV
- 13,5 nm : Lithographie ultraviolette extrême
- 30–200 nm : Photoionisation , spectroscopie de photoélectrons ultraviolets , fabrication de circuits intégrés standard par photolithographie
- 230–365 nm : UV-ID, suivi d’étiquettes, codes- barres
- 230–400 nm : Capteurs optiques , instrumentation diverse
- 240–280 nm : Désinfection , décontamination des surfaces et de l’eau ( l’ absorption de l’ADN a un pic à 260 nm), lampes germicides [38]
- 200–400 nm : analyse médico -légale , détection de drogue
- 270–360 nm : analyse des protéines , séquençage de l’ADN , découverte de médicaments
- 280–400 nm : Imagerie médicale des cellules
- 300–320 nm : luminothérapie en médecine
- 300–365 nm : Durcissement des Polymères et des encres d’imprimante
- 350–370 nm : Bug zappers (les mouches sont plus attirées par la lumière à 365 nm) [84]
La photographie
Le film photographique réagit au rayonnement ultraviolet, mais les lentilles en verre des appareils photo bloquent généralement le rayonnement inférieur à 350 nm. Des filtres bloquant les UV légèrement jaunes sont souvent utilisés pour la photographie en extérieur afin d’éviter le bleuissement indésirable et la surexposition aux rayons UV. Pour la photographie dans le proche UV, des filtres spéciaux peuvent être utilisés. La photographie avec des longueurs d’onde inférieures à 350 nm nécessite des lentilles en quartz spéciales qui n’absorbent pas le rayonnement. Les capteurs des appareils photo numériques peuvent avoir des filtres internes qui bloquent les UV pour améliorer la précision du rendu des couleurs. Parfois, ces filtres internes peuvent être retirés, ou ils peuvent être absents, et un filtre de Lumière visible externe prépare l’appareil photo pour la photographie proche UV. Quelques caméras sont conçues pour être utilisées dans les UV.
La photographie par rayonnement ultraviolet réfléchi est utile pour les investigations médicales, scientifiques et médico-légales, dans des applications aussi répandues que la détection d’ecchymoses sur la peau, les altérations de documents ou les travaux de restauration de peintures. La photographie de la fluorescence produite par l’éclairage ultraviolet utilise les longueurs d’onde visibles de la lumière.
En astronomie ultraviolette , les mesures sont utilisées pour discerner la composition chimique du milieu interstellaire, ainsi que la température et la composition des étoiles. Étant donné que la couche d’ozone empêche de nombreuses fréquences UV d’atteindre les télescopes à la surface de la Terre, la plupart des observations UV sont effectuées depuis l’espace.
Industrie électrique et électronique
La décharge corona sur les appareils électriques peut être détectée par ses émissions ultraviolettes. L’effet Corona provoque une dégradation de l’isolation électrique et l’émission d’ ozone et d’oxyde d’azote . [85]
Les EPROM (Erasable Programmable Read-Only Memory) sont effacées par exposition aux rayons UV. Ces modules ont une fenêtre transparente ( quartz ) sur le dessus de la puce qui laisse entrer le rayonnement UV.
Utilisations des colorants fluorescents
Des colorants fluorescents incolores qui émettent de la lumière bleue sous UV sont ajoutés comme azurants optiques au papier et aux tissus. La lumière bleue émise par ces agents neutralise les teintes jaunes éventuellement présentes et fait apparaître les couleurs et les blancs plus blancs ou plus colorés.
Les colorants fluorescents UV qui brillent dans les couleurs primaires sont utilisés dans les peintures, les papiers et les textiles soit pour améliorer la couleur sous un éclairage à la lumière du jour, soit pour fournir des effets spéciaux lorsqu’ils sont éclairés avec des lampes UV. Les peintures Blacklight qui contiennent des colorants qui brillent sous les UV sont utilisées dans un certain nombre d’applications artistiques et esthétiques.
Les parcs d’attractions utilisent souvent un éclairage UV pour éclairer les œuvres d’art et les arrière-plans des manèges. Cela a souvent pour effet secondaire de faire briller les vêtements blancs du cavalier en violet clair.
Pour aider à prévenir la contrefaçon de monnaie ou la falsification de documents importants tels que les permis de conduire et les passeports , le papier peut inclure un filigrane UV ou des fibres multicolores fluorescentes visibles sous la lumière ultraviolette. Les timbres-poste sont étiquetés avec un luminophore qui brille sous les rayons UV pour permettre la détection automatique du timbre et du revêtement de la lettre.
Les colorants fluorescents UV sont utilisés dans de nombreuses applications (par exemple, la biochimie et la médecine légale ). Certaines marques de gaz poivré laisseront un produit chimique invisible (colorant UV) qui n’est pas facilement lavé sur un agresseur aspergé de poivre, ce qui aiderait la police à identifier l’agresseur plus tard.
Dans certains types de tests non destructifs, les UV stimulent les colorants fluorescents pour mettre en évidence les défauts dans une large gamme de matériaux. Ces colorants peuvent être entraînés dans les défauts de rupture de surface par capillarité ( inspection par ressuage ) ou ils peuvent être liés à des particules de ferrite capturées dans des champs de fuite magnétique dans des matériaux ferreux ( inspection par particules magnétiques ).
Utilisations analytiques
Médecine légale
Les UV sont un outil d’enquête sur les lieux du crime utile pour localiser et identifier les fluides corporels tels que le sperme, le sang et la salive. [86] Par exemple, les fluides éjaculés ou la salive peuvent être détectés par des sources UV à haute puissance, quelle que soit la structure ou la couleur de la surface sur laquelle le fluide est déposé. [87] La microspectroscopie UV-visible est également utilisée pour analyser des traces de preuves, telles que des fibres textiles et des éclats de peinture, ainsi que des documents remis en question.
D’autres applications incluent l’authentification de divers objets de collection et d’art, et la détection de fausse monnaie. Même les matériaux qui ne sont pas spécialement marqués avec des colorants sensibles aux UV peuvent avoir une fluorescence distinctive sous exposition aux UV ou peuvent fluorescer différemment sous les ultraviolets à ondes courtes par rapport aux ondes longues.
Améliorer le contraste de l’encre
L’imagerie multispectrale permet de lire des papyrus illisibles , comme les papyrus brûlés de la Villa des Papyrus ou d’ Oxyrhynchus , ou encore le palimpseste d’Archimède . La technique consiste à photographier le document illisible à l’aide de différents filtres dans l’infrarouge ou l’ultraviolet, finement réglés pour capter certaines longueurs d’onde lumineuses. Ainsi, la portion spectrale optimale peut être trouvée pour distinguer l’encre du papier sur la surface du papyrus.
Des sources NUV simples peuvent être utilisées pour mettre en évidence une encre à base de fer délavée sur du vélin . [88]
Conformité sanitaire
La lumière ultraviolette aide à détecter les dépôts de matières organiques qui restent sur les surfaces où le nettoyage et la désinfection périodiques peuvent avoir échoué. Il est utilisé dans l’industrie hôtelière, la fabrication et d’autres industries où les niveaux de propreté ou de contamination sont inspectés . [89] [90] [91] [92]
Les reportages pérennes de nombreuses organisations de presse télévisée impliquent un journaliste d’investigation utilisant un appareil similaire pour révéler les conditions insalubres dans les hôtels, les toilettes publiques, les mains courantes, etc. [93] [94]
Chimie
La spectroscopie UV/Vis est largement utilisée comme technique en chimie pour analyser la structure chimique , la plus notable étant les systèmes conjugués . Le rayonnement UV est souvent utilisé pour exciter un échantillon donné où l’émission fluorescente est mesurée avec un spectrofluorimètre . Dans la recherche biologique, le rayonnement UV est utilisé pour la quantification d’acides nucléiques ou de protéines . En chimie environnementale, le rayonnement UV pourrait également être utilisé pour détecter les contaminants d’intérêt émergent dans les échantillons d’eau. [95]
Dans les applications de contrôle de la pollution, les analyseurs ultraviolets sont utilisés pour détecter les émissions d’oxydes d’azote, de composés soufrés, de mercure et d’ammoniac, par exemple dans les gaz de combustion des centrales électriques à combustible fossile. [96] Le rayonnement ultraviolet peut détecter de minces reflets d’ huile déversée sur l’eau, soit par la haute réflectivité des films d’huile aux longueurs d’onde UV, la fluorescence des composés dans l’huile, soit en absorbant les UV créés par la diffusion Raman dans l’eau. [97]
Les lampes ultraviolettes sont également utilisées dans le cadre de l’analyse de certains minéraux et pierres précieuses .
La science des matériaux utilise
Détection d’incendie
En général, les détecteurs ultraviolets utilisent soit un dispositif à semi-conducteurs, tel qu’un dispositif à base de carbure de silicium ou de nitrure d’aluminium , soit un tube rempli de gaz comme élément de détection. Les détecteurs UV qui sont sensibles aux UV dans n’importe quelle partie du spectre réagissent à l’irradiation par la lumière du soleil et la lumière artificielle . Une flamme d’hydrogène en combustion, par exemple, rayonne fortement dans la gamme de 185 à 260 nanomètres et seulement très faiblement dans la région IR , alors qu’un feu de charbon émet très faiblement dans la bande UV mais très fortement aux longueurs d’onde IR ; ainsi, un détecteur d’incendie qui fonctionne à la fois avec des détecteurs UV et IR est plus fiable qu’un détecteur avec un détecteur UV seul. Pratiquement tous les incendies émettent des radiationsdans la bande UVC, alors que le rayonnement solaire dans cette bande est absorbé par l’ atmosphère terrestre . Le résultat est que le détecteur UV est « aveugle solaire », ce qui signifie qu’il ne déclenchera pas d’alarme en réponse au rayonnement du soleil, il peut donc facilement être utilisé à l’intérieur et à l’extérieur.
Les détecteurs UV sont sensibles à la plupart des incendies, y compris les hydrocarbures , les métaux, le soufre , l’ hydrogène , l’ hydrazine et l’ammoniac . Le soudage à l’arc , les arcs électriques, la foudre , les rayons X utilisés dans les équipements de test non destructifs des métaux (bien que cela soit hautement improbable) et les matériaux radioactifs peuvent produire des niveaux qui activeront un système de détection UV. La présence de gaz et de vapeurs absorbant les UV atténuera le rayonnement UV d’un incendie, affectant négativement la capacité du détecteur à détecter les flammes. De même, la présence d’un brouillard d’huile dans l’air ou d’un film d’huile sur la fenêtre du détecteur aura le même effet.
Photolithographie
Le rayonnement ultraviolet est utilisé pour la photolithographie à résolution très fine , une procédure dans laquelle un produit chimique appelé photoréserve est exposé au rayonnement UV qui a traversé un masque. L’exposition provoque des réactions chimiques dans la résine photosensible. Après élimination de la résine photosensible indésirable, un motif déterminé par le masque reste sur l’échantillon. Des mesures peuvent alors être prises pour “graver”, déposer ou autrement modifier des zones de l’échantillon où il ne reste plus de photorésist.
La photolithographie est utilisée dans la fabrication de semi- conducteurs , de composants de circuits intégrés [98] et de cartes de circuits imprimés . Les procédés de photolithographie utilisés pour fabriquer des circuits intégrés électroniques utilisent actuellement des UV de 193 nm et utilisent expérimentalement des UV de 13,5 nm pour la lithographie dans l’ultraviolet extrême .
Les composants électroniques qui nécessitent une transparence claire pour que la lumière puisse sortir ou entrer (panneaux photovoltaïques et capteurs) peuvent être enrobés à l’aide de résines acryliques durcies à l’aide d’énergie UV. Les avantages sont de faibles émissions de COV et un durcissement rapide.
Certaines encres, revêtements et adhésifs sont formulés avec des photoinitiateurs et des résines. Lorsqu’ils sont exposés à la lumière UV, une polymérisation se produit, et ainsi les adhésifs durcissent ou durcissent, généralement en quelques secondes. Les applications incluent le collage du verre et du plastique, les revêtements de fibres optiques , le revêtement de sol, le revêtement UV et les finitions de papier dans l’ impression offset , les obturations dentaires et les “gels” décoratifs pour les ongles.
Les sources UV pour les applications de séchage UV comprennent les lampes UV , les LED UV et les lampes flash à excimère . Les processus rapides tels que la flexo ou l’impression offset nécessitent une lumière à haute intensité focalisée via des réflecteurs sur un substrat en mouvement et des ampoules à base de Hg (mercure) ou de Fe (fer, dopé) à haute pression sont utilisées, alimentées par des arcs électriques ou des micro-ondes. Les Lampes fluorescentes et les LED de faible puissance peuvent être utilisées pour des applications statiques. Les petites lampes à haute pression peuvent avoir une lumière focalisée et transmise à la zone de travail via des guides de lumière remplis de liquide ou à fibre optique.
L’impact des UV sur les Polymères est utilisé pour modifier la ( rugosité et hydrophobicité ) des surfaces Polymères. Par exemple, une surface en poly(méthacrylate de méthyle) peut être lissée par ultraviolet sous vide. [99]
Le rayonnement UV est utile dans la préparation de Polymères à faible énergie de surface pour les adhésifs. Les Polymères exposés aux UV s’oxyderont, augmentant ainsi l’ énergie de surface du polymère. Une fois que l’énergie de surface du polymère a été augmentée, la liaison entre l’adhésif et le polymère est plus forte.
Utilisations liées à la biologie
Purification de l’air
En utilisant une réaction chimique catalytique à partir du dioxyde de titane et de l’exposition aux UVC, l’oxydation de la matière organique convertit les agents pathogènes , les pollens et les spores de moisissures en sous-produits inertes inoffensifs. Cependant, la réaction du dioxyde de titane et des UVC n’est pas linéaire. Plusieurs centaines de réactions se produisent avant l’étape des sous-produits inertes et peuvent entraver la réaction résultante en créant du formaldéhyde, de l’aldéhyde et d’autres COV en route vers une étape finale. Ainsi, l’utilisation du dioxyde de titane et des UVC nécessite des paramètres très spécifiques pour un résultat réussi. Le mécanisme de nettoyage des UV est un processus photochimique. Les contaminants dans l’environnement intérieur sont presque entièrement des composés organiques à base de carbone, qui se décomposent lorsqu’ils sont exposés à des UV de haute intensité de 240 à 280 nm. Le rayonnement ultraviolet à ondes courtes peut détruire l’ADN des micro-organismes vivants. [100] L’efficacité des UVC est directement liée à l’intensité et au temps d’exposition.
Il a également été démontré que les UV réduisent les contaminants gazeux tels que le monoxyde de carbone et les COV . [101] [102] [103] Les lampes UV rayonnant à 184 et 254 nm peuvent éliminer de faibles concentrations d’ hydrocarbures et de monoxyde de carbone si l’air est recyclé entre la pièce et la chambre de la lampe. Cette disposition évite l’introduction d’ozone dans l’air traité. De même, l’air peut être traité par passage par une seule source UV fonctionnant à 184 nm et passé sur du pentoxyde de fer pour éliminer l’ozone produit par la lampe UV.
Stérilisation et désinfection
Les lampes ultraviolettes sont utilisées pour stériliser les espaces de travail et les outils utilisés dans les laboratoires de biologie et les installations médicales. Les lampes à vapeur de mercure à basse pression disponibles dans le commerce émettent environ 86% de leur rayonnement à 254 nanomètres (nm), 265 nm étant la courbe d’efficacité germicide maximale. Les UV à ces longueurs d’onde germicides endommagent l’ADN/ARN d’un micro-organisme afin qu’il ne puisse pas se reproduire, le rendant inoffensif (même si l’organisme ne peut pas être tué). [104] Étant donné que les micro-organismes peuvent être protégés des rayons ultraviolets dans les petites fissures et autres zones ombragées, ces lampes ne sont utilisées qu’en complément d’autres techniques de stérilisation.
Les LED UV-C sont relativement nouvelles sur le marché commercial et gagnent en popularité. [ échec de la vérification ] [105] En raison de leur nature monochromatique (±5 nm) [ échec de la vérification ] , ces LED peuvent cibler une longueur d’onde spécifique nécessaire à la désinfection. Ceci est particulièrement important sachant que les agents pathogènes varient dans leur sensibilité à des longueurs d’onde UV spécifiques. Les LED sont sans mercure, s’allument/s’éteignent instantanément et ont un cycle illimité tout au long de la journée. [106]
La désinfection par rayonnement UV est couramment utilisée dans les applications de traitement des eaux usées et est de plus en plus utilisée dans le traitement de l’ eau potable municipale . De nombreux embouteilleurs d’eau de source utilisent un équipement de désinfection UV pour stériliser leur eau. La désinfection solaire de l’eau [107] a été étudiée pour traiter à moindre coût l’eau contaminée en utilisant la lumière naturelle du soleil . L’irradiation UV-A et l’augmentation de la température de l’eau tuent les organismes dans l’eau.
Le rayonnement ultraviolet est utilisé dans plusieurs procédés alimentaires pour tuer les micro- organismes indésirables . Les UV peuvent être utilisés pour pasteuriser les jus de fruits en faisant couler le jus sur une source ultraviolette à haute intensité. [108] L’efficacité d’un tel procédé dépend de l’ absorbance UV du jus.
La lumière pulsée (PL) est une technique de destruction des micro-organismes sur les surfaces à l’aide d’impulsions à large spectre intense, riche en UV-C entre 200 et 280 nm . La lumière pulsée fonctionne avec des lampes flash au xénon qui peuvent produire des flashs plusieurs fois par seconde. Les robots de désinfection utilisent des UV pulsés. [109]
Biologique
Certains animaux, y compris les oiseaux, les reptiles et les insectes comme les abeilles, peuvent voir des longueurs d’onde proches de l’ultraviolet. De nombreux fruits, fleurs et graines se détachent plus fortement de l’arrière-plan dans les longueurs d’onde ultraviolettes par rapport à la vision humaine des couleurs. Les scorpions brillent ou prennent une couleur jaune à verte sous éclairage UV, aidant ainsi au contrôle de ces arachnides. De nombreux oiseaux ont des motifs dans leur plumage qui sont invisibles aux longueurs d’onde habituelles mais observables dans l’ultraviolet, et l’urine et d’autres sécrétions de certains animaux, y compris les chiens, les chats et les êtres humains, sont beaucoup plus faciles à repérer avec l’ultraviolet. Les traînées d’urine de rongeurs peuvent être détectées par les techniciens en lutte antiparasitaire pour un traitement approprié des habitations infestées.
Les papillons utilisent l’ultraviolet comme système de communication pour la reconnaissance du sexe et le comportement d’accouplement. Par exemple, chez le papillon eurythème Colias , les mâles s’appuient sur des repères visuels pour localiser et identifier les femelles. Au lieu d’utiliser des stimuli chimiques pour trouver des partenaires, les mâles sont attirés par la couleur réfléchissant les ultraviolets des ailes postérieures des femelles. [110] Chez les papillons Pieris napi , il a été démontré que les femelles du nord de la Finlande avec moins de rayonnement UV présent dans l’environnement possédaient des signaux UV plus forts pour attirer leurs mâles que ceux qui se produisent plus au sud. Cela suggérait qu’il était évolutivement plus difficile d’augmenter la sensibilité aux UV des yeux des mâles que d’augmenter les signaux UV émis par les femelles. [111]
De nombreux insectes utilisent les émissions de longueur d’onde ultraviolette des objets célestes comme références pour la navigation aérienne. Un émetteur ultraviolet local perturbera normalement le processus de navigation et finira par attirer l’insecte volant.
La protéine fluorescente verte (GFP) est souvent utilisée en génétique comme marqueur. De nombreuses substances, telles que les protéines, ont des bandes d’absorption lumineuse importantes dans l’ultraviolet qui intéressent la biochimie et les domaines connexes. Les spectrophotomètres capables d’UV sont courants dans ces laboratoires.
Des pièges à ultraviolets appelés bug zappers sont utilisés pour éliminer divers petits insectes volants. Attirés par les UV, ils sont tués par un choc électrique ou piégés dès qu’ils entrent en contact avec l’appareil. Différents modèles de pièges à rayonnement ultraviolet sont également utilisés par les entomologistes pour la collecte d’ insectes nocturnes lors d’études d’enquête faunistique .
Thérapie
Le rayonnement ultraviolet est utile dans le traitement des affections cutanées telles que le psoriasis et le vitiligo . L’exposition aux UVA, alors que la peau est hyper-photosensible, en prenant des psoralènes est un traitement efficace du psoriasis . En raison du potentiel des psoralènes à endommager le foie , la thérapie PUVA ne peut être utilisée qu’un nombre limité de fois au cours de la vie d’un patient.
La photothérapie UVB ne nécessite pas de médicaments ou de préparations topiques supplémentaires pour le bénéfice thérapeutique ; seule l’exposition est nécessaire. Cependant, la photothérapie peut être efficace lorsqu’elle est utilisée en association avec certains traitements topiques tels que l’anthraline, le goudron de houille et les dérivés des vitamines A et D, ou des traitements systémiques tels que le méthotrexate et le soriatane. [112]
Herpétologie
Les reptiles ont besoin d’UVB pour la biosynthèse de la vitamine D et d’autres processus métaboliques. [ citation nécessaire ] Spécifiquement le cholécalciférol (vitamine D3), qui est nécessaire au fonctionnement cellulaire / neuronal de base ainsi qu’à l’utilisation du calcium pour la production d’os et d’œufs. [ citation nécessaire ] La longueur d’onde UVA est également visible pour de nombreux reptiles et pourrait jouer un rôle important dans leur capacité à survivre dans la nature ainsi que dans la communication visuelle entre les individus. [ citation nécessaire ] Par conséquent, dans un enclos typique pour reptiles, une source fluorescente UV a/b (à la puissance/spectre approprié pour l’espèce) doit être disponible pour de nombreux [qui? ]espèces captives pour survivre. [ citation nécessaire ]Une simple supplémentation encholécalciférol(vitamine D3) ne suffira pas car il existe une voie de biosynthèse complète[ laquelle ? ]qui est “en saute-mouton” (risques de surdosages possibles), les molécules intermédiaires et les métabolites[ lesquels ? ]jouent également des fonctions importantes dans la santé des animaux. [ citation nécessaire ]La lumière naturelle du soleil aux bons niveaux sera toujours supérieure aux sources artificielles, mais cela pourrait ne pas être possible pour les gardiens dans différentes parties du monde. [ citation nécessaire ]
C’est un problème connu que des niveaux élevés de sortie de la partie UVa du spectre peuvent à la fois causer des dommages cellulaires et ADN aux parties sensibles de leur corps – en particulier les yeux où la cécité est le résultat d’une utilisation et d’un placement inappropriés de la source UVa/b photokératite . [ citation nécessaire ] Pour de nombreux gardiens, il doit également y avoir une disposition pour une source de chaleur adéquate, ce qui a entraîné la commercialisation de produits “combinés” de chaleur et de lumière. [ citation nécessaire ] Les gardiens doivent faire attention à ces générateurs de lumière/chaleur et UVa/b “combinés”, ils émettent généralement des niveaux élevés d’UVa avec des niveaux inférieurs d’UVb qui sont définis et difficiles à contrôler afin que les animaux puissent avoir leurs besoins satisfaits. [citation nécessaire ]Une meilleure stratégie consiste à utiliser des sources individuelles de ces éléments afin qu’ils puissent être placés et contrôlés par les gardiens pour le bénéfice maximum des animaux. [113]
Signification évolutive
L’évolution des protéines et des enzymes de la reproduction précoce est attribuée dans les modèles modernes de la théorie de l’évolution au rayonnement ultraviolet. Les UVB provoquent la liaison de paires de bases de thymine côte à côte dans des séquences génétiques en dimères de thymine , une perturbation du brin que les enzymes de reproduction ne peuvent pas copier. Cela conduit à un décalage de cadre pendant la réplication génétique et la synthèse des protéines , tuant généralement la cellule. Avant la formation de la couche d’ozone bloquant les UV, lorsque les premiers procaryotess’approchaient de la surface de l’océan, ils s’éteignaient presque invariablement. Les quelques survivants avaient développé des enzymes qui surveillaient le matériel génétique et éliminaient les dimères de thymine par des enzymes de réparation par excision de nucléotides . De nombreuses enzymes et protéines impliquées dans la mitose et la méiose modernes sont similaires aux enzymes de réparation et sont considérées comme des modifications évoluées des enzymes utilisées à l’origine pour surmonter les dommages à l’ADN causés par les UV. [114]
Voir également
- Astronomie ultraviolette
- Lumière visible à haute énergie
- Catastrophe ultraviolette
- Indice ultraviolet
- Stabilisateurs UV dans les plastiques
- Essais climatiques des Polymères
- Marqueur UV
- Infrarouge
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Lectures complémentaires
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- Strauss, CEM ; Funk, DJ (1991). “Génération de fréquence de différence largement accordable de VUV en utilisant des résonances à deux photons dans H2 et Kr”. Lettres d’optique . 16 (15): 1192–4. Bib code : 1991OptL …16.1192S . doi : 10.1364/ol.16.001192 . PMID 19776917 .
- En ligneHockberger, Philip E. (2002). “Une histoire de la photobiologie ultraviolette pour les humains, les animaux et les micro-organismes”. Photochimie et photobiologie . 76 (6): 561–569. doi : 10.1562/0031-8655(2002)0760561AHOUPF2.0.CO2 . PMID 12511035 . S2CID 222100404 .
- Allen, Jeannie (6 septembre 2001). Rayonnement ultraviolet : comment il affecte la vie sur Terre . Observatoire de la Terre. NASA, États-Unis.
Liens externes
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Médias liés à la lumière ultraviolette sur Wikimedia Commons -
La définition du dictionnaire de l’ultraviolet au Wiktionnaire