Ультрафиолетовое излучение. Первичные механизмы действия ультрафиолетового излучения на биологические объекты

Электромагнитное излучение, занимающее спектральную область между фиолетовой границей видимого света (l= 400 нм) и длинноволновой частью рентгеновского излучения (l= 10 нм), называют ультрафиолетовым (УФ).

В медицине находит применение УФ, длинна волны которого выше 200 нм.

Значительная доля излучения накаленных твердых тел при высоких температурах - УФ-излучение. Если максимум светимости нагретого тела находится в УФ области спектра, то температура этого тела больше 7000 К. Т. е. в обычных условиях нагре0тые тела не могут служить эффективными источниками УФ-излучения.

Мощным источником УФ-излучения является Солнце, 9% излучения которого на границе земной атмосферы составляет УФ.

Для практических целей в качестве источников УФ-излучения используют электрический разряд в газах и парах металлов. Такое излучение характеризуется линейчатым спектром.

Энергия кванта света УФ-излучения достаточна для перевода атома или молекулы в электронно-возбужденное состояние. Максимумы спектров поглощения сложных биологических молекул лежат именно в области УФ (рис.3.1). Избыточная энергия атома или молекулы в электронно-возбужденном состоянии тратится либо на химические реакции молекулы, либо на люминесценцию.

Рис. 1. Спектры поглощения и флюоресценции некоторых биологически важных соединений. Сплошные кривые – оптическая плотность, кривые пунктиром – интенсивность флюоресценции.

Работа люминесцентных микроскопов основана на интенсивной флюоресценции (видимая область спектра) некоторых биологических объектов, поглощаемых свет в УФ. Основное применение УФ-излучения в медицине связано со свойством УФ вызывать фотохимические процессы. УФ (области В и А) обладает антирахитным действием, так как фотохимическим путем образует витамин Д из его провитамина (спектр поглощения лежит в областях А и В УФ). Эти же области УФ играют важную роль в образовании пигмента, который придает коже коричневую окраску. Излучение области С УФ вызывает разрушение биологически важных молекул, поэтому используется в медицине в качестве бактерицидного фактора. Это свойство используют для предотвращения распространения заразных болезней и стерилизации помещения, в котором проводятся микробиологические работы. УФ может быть при избыточном воздействии причиной конъюнктивита (область С) и рака (область В).

Измерение УФ-излучения в основном осуществляется фотоэлектрическими приёмниками: фотоэлементами, ФЭУ. Индикаторами УФ света являются люминесцирующие вещества и фотопластинки.

Источником УФ-излучения, применяемого для лечебных и профилактических целей, являются специальные газоразрядные лампы: ртутно-кварцевые, бактерицидные и другие.

Вопрос 2. 15 минут

2. Устройство и принцип работы ртутных ламп

В основном в медицине используются лампы, в которых электрический разряд происходит в атмосфере ртутных паров. При этом возбужденные атомы ртути дают интенсивное излучение в УФ области спектра. Ртутные лампы разделяются на лампы низкого (0,01¸1,0 мм ртутного столба), высокого (150¸ 400 мм ртутного столба) и сверхвысокого (выше атмосферного) давления. В медицине используются лампы низкого и высокого давления.

Медицинская ртутно-кварцевая лампа высокого давления представляет прямую трубку из кварцевого стекла, из которой удален воздух (рис.3.2). Трубка наполнена аргоном под невысоким давлением (2-3 мм рт. ст) и содержит также небольшое количество ртути. Впаянные по концам металлические электроды a и b для улучшения эмиссии электронов покрыты окислами щелочных металлов. Вдоль трубки расположена тонкая металлическая полоска В, прижатая к ней кольцами c и d. Полоска В и оба кольца играют роль одной из обкладок конденсатора. При включении лампы кольцо с через конденсатор С₁ заряжается, знак заряда кольца противоположен заряду электрода a. В результате между электродами и кольцами создается мощное электрическое поле. В аргоне возникает тлеющий разряд. Разряд начинается за счет тех единичных ионов и электронов, которые имеются в естественном газе и поддерживается за счет вторичной ионизации. Характерной особенностью этого вида разряда в газе является малая плотность тока и сравнительно большое напряжение на электродах.

Электроды вследствие бомбардировки их ионами газа и электронами нагреваются, и с их поверхности происходит электронная эмиссия. Нагревается вся лампа, и имеющаяся в ней ртуть испаряется. Возникает дуговой разряд в ртутных парах. Характерной особенностью дугового разряда является высокая плотность тока и малая разность потенциалов на электродах. С возникновением дугового разряда давление ртутных паров возрастает до некоторого предела (около 1 атм), и постепенно устанавливается нормальный режим работы горелки. При этом лампа дает излучение с линейчатым спектром в УФ области (максимум излучения при l=365 нм), а также в сине-фиолетовой части видимого света. Это излучение и наблюдается глазом при работе лампы.

Рис. 2. Устройство ртутной лампы высокого давления.

a и b- электроды, В – пластинка, c и d – кольца, К – ключ, С₁ и С₂- конденсатор, D – дроссель.

Лампу включают в сеть переменного тока, параллельно лампе через кнопку включен конденсатор С₂, разряд которого облегчает зажигание лампы. Погашенная горелка перед повторным зажиганием требует полного охлаждения в течение 8-10 минут. Последовательно с лампой включается дроссель D, который стабилизируется ток в цепи лампы. При разряде в газе незначительное изменение напряжения между электронами может вызвать непропорционально большое изменение тока, которое нарушает работу лампы. При изменении тока в дросселе возникает э.д.с. самоиндукции, противодействующая этому изменению, и таким образом сила тока автоматически ограничивается до 5-6 А, а напряжение достигает 20-25 В. Подобный режим длится 2-3 минуты. С образованием дугового разряда и постепенным повышением давления ртутных паров ток снижается до 3 А, а напряжение возрастает до 115-120 В. эти значения соответствуют установившемуся рабочему режиму лампы. Процесс длиться примерно 10-12 минут.

Ртутная лампа низкого давления, называемая в медицине бактерицидной лампой, представляет собой трубку из увиолевого стекла, на концах которой имеются два электрода в форме спиралей накала (рис. 3).

Рис.3. Устройство ртутной лампы низкого давления.

Трубка заполнена аргоном под давлением в несколько мм ртутного столба и в ней помещается капля металлической ртути. Лампа включается в сеть последовательно с дросселем, параллельно электродам лампы включен стартер. Он представляет неоновую лампочку с биметаллическим электродом, который замыкает цепь тока для накала спиралей основных электродов. Как только электроды лампы нагреются и возникнет электронная эмиссия, ток через стартер уменьшится и биметаллическая пластинка размыкает цепь. При этом между электродами в лампе возникает тлеющий разряд в атмосфере аргона. Постепенно ртуть испаряется и ее пары заполняют трубку. Лампа переходит на рабочий режим, при котором тлеющий разряд происходит уже в атмосфере ртутных паров и между холодными электродами. Лампа дает излучение с линейчатым спектром преимущественно в УФ области, максимум которого (до 70 %всего излучения) падает на длину волны 253,7 нм.

Люминесцентные лампы, используемые для освещения помещений, устроены подобно ртутной лампе низкого давления, но делаются из простого стекла, внутренняя сторона которого покрыта соответствующим люминофором. В зависимости от состава люминофора лампы дают белый свет различных оттенков и часто называются лампами дневного света. В спектре люминесцентной лампы сочетается сплошной спектр излучения люминофора с линейчатым спектром частично проходящего через люминофор излучения паров ртути.

Разработана люминесцентная лампа, которая дает длинноволновое УФ излучение (максимум при 310 - 320 нм), содержащееся в солнечном излучении, достигающем земной поверхности. Лампа называется эритемной и применяется для освещения в школах, яслях, больницах при недостатке солнечного света.

Вопрос 3. 10 минут

Дата добавления: 2014-01-14