UV v kostce, aneb vše co byste měli vědět…

Základní rozdělení UV záření

Ultrafialové záření, tzv. UV záření, je forma elektromagnetické energie s vlnovými délkami kratšími než viditelné světlo a delšími než rentgenové záření. UV záření se dělí do tří hlavních pásem: UVA, UVB a UVC.

UVA má vlnové délky v rozmezí 315-400 nm a je nejméně škodlivé pro lidskou kůži a zrak.

UVB, s vlnovými délkami 280-315 nm, může způsobit opálení až spálení pokožky a má větší potenciál poškození DNA. Je to právě ta složka slunečního světla, vůči níž se chráníme krémy či brýlemi s UV filtry.

UVC, které má vlnové délky kratší než 280 nm, je nejnebezpečnější, je přirozeně filtrováno ozonovou vrstvou atmosféry. Na zemský povrch téměř nedopadá a je letální pro živé organismy včetně člověka.

 

Tabulka základního rozdělení UV záření
podle biologických účinků, potažmo bezpečnosti	podle vlnové délky	anglicky	vlnová délka v nm sestupně
UVA	dlouhovlnné	long wave   LW	400 – 315 nm
UVB	středněvlnné	mid – wave   MW	315 – 280 nm
UVC	krátkovlnné	short wave   SW	280 – 100 nm

 

Vzhledem k tomu, že první tři sloupce v tabulce jsou intervaly vlnových délek, je pro účely v oblasti geologie a minerologie nejvhodnější dělení na základě vlnové délky s udáním odpovídajících nanometrů (v případě posunu byť i jen o 10 nm může určitý minerál fluoreskovat jinak, nebo vůbec).

K čemu slouží v mineralogii

Ultrafialové světlo je významným nástrojem pro identifikaci a zkoumání minerálů. UV záření je ideální pro detekci určitých typů minerálů, které mohou pod UV světlem vykazovat luminiscenci. Tímto způsobem lze odhalit skryté vlastnosti minerálů, které nejsou viditelné pouhým okem, nebo přítomnost drobných inkluzí některých minerálů v horninách. UV světlo se používá v geologii, gemologii a ve sběratelství, jelikož umožňuje detailní prohlídku, identifikaci a nacenění vzácných kamenů, jako jsou např. rubíny, safíry či jantar. U diamantů, kromě odhalení jejich původu a čistoty, je UV záření schopné identifikovat inkluze. V neposlední řadě umožňuje velmi estetickou prezentaci minerálů ve sbírce.

Obr. 1: křemen s kalcitem v melafyru – viditelné světlo, foto autor

Obr. 2: křemen s kalcitem v melafyru – 365 nm, foto autor

Obr. 3: křemen s kalcitem v melafyru – 310 nm, foto autor

Obr. 4: křemen s kalcitem v melafyru – 255 nm, foto autor

Ochrana při používání UV světel

Požadavky na ochranu před UV světlem se stupňují s jeho přibývající hloubkou. UVA nevyžaduje tak přísné požadavky na ochranu, nicméně například používání ochranných brýlí je dobré hlavně z důvodu ochrany očí. Navíc ochranné brýle, které filtrují UV záření, zvyšují kontrast, což usnadňuje pozorování. Sledovaný objekt lze pozorovat bez škodlivého záření a zbytečné modré. U některých vzorků je dokonce použití brýlí nezbytnost, protože odraz UV světla je schopen přebít fluorescenci. U UVA je dobré používat alespoň opalovací krém – horské slunce používané v soláriu má prakticky stejnou vlnovou délku jako dlouhovlnné světlo používané na minerály. UVB i UVC jsou agresivnější než UVA. Mohou způsobit poškození DNA, proto by ochrana měla být přísnější a kvalitnější. Ochranné brýle v tomto případě mají být samozřejmostí, stejně tak oděvy, které zakrývají místa, jež mohou být exponovaná UV světlu. Všeobecně je dobré brát tato opatření jako doporučující pro všechny typy UV záření. Nedoporučuje se svítit přímo na kůži a už vůbec ne do očí. Kontrola svítilny se provádí odrazem světla od dobře fluorescenčního materiálu.

Vlnové délky

Vzorky můžeme nasvítit prakticky jakoukoliv vlnovou délkou. Nejvhodnější jsou však tyto tři základní – za dlouhou vlnovou délku je to 365 nm, za střední 310 nm a za krátkou je to 255 nm (nikdy se nejedná o úplně přesnou vlnu, vždy existuje nějaká minimální odchylka). Tyto délky jsou dané vyráběnými světly a k nim napasovanými filtry, bez kterých se světla neobejdou, jelikož filtry zadržují viditelné světlo. Bez filtrů lze nasvítit jen určité množství minerálů, zde však přebije viditelné světlo fluorescenci a pozorování může být zavádějící. Rozestup mezi základními vlnovými délkami je po 55 nm. Nejběžněji dostupná vlnová délka komerčně prodávaných svítilen je 395 nm a tyto svítilny obvykle neobsahují žádné filtry. Je to nejlevnější varianta, nicméně funguje pouze pro velmi malé množství minerálů. Vlnová délka 395 nm je tak blízko viditelnému spektru, že pod ní svítí jen velmi silně fluorescenční minerály, jako například – uranové slídy. U mnohých vzorků navíc způsobuje falešnou fluorescenci v podobě odrazu fialového světla, které emituje. Z toho důvodu není doporučitelná jako vhodný zdroj UV záření na nasvícení minerálů, ale spíš jako okrajově doplňkové světlo.

Obr. 5: Ukázka sodalitu nasvíceného dvěma typy dlouhovlnných svítilen, 365 nm s filtrem a 395 nm bez filtru, foto autor

Jaké vlnové délky, na jaké minerály?

Na jednoduchou otázku, co pod čím svítí, není jednoduchá odpověď. Je pravda, že jsou minerály, pro které je většinově daná fluorescence pod určitou vlnou. Stejně tak barva fluorescence minerálů pod určitými vlnami. Nicméně pro každé takovéto pravidlo existuje mnoho výjimek. Známý fakt, že scheelity svítí pouze pod krátkou vlnou, a navíc bíle až bílo-modře, může být mylný. Příkladem mohou být scheelity z Cínovce, které pod krátkou vlnou fluoreskují žlutě, a kdy spousta scheelitů svítí žlutě i pod střední vlnou. Navíc nejen u čínských scheelitů existuje navíc i fluorescence pod dlouhou vlnou. To, že willemity svítí jen pod krátkou vlnou, je taktéž mylné tvrzení. Některé willemity z New Jersey v USA totiž svítí pod všemi základními vlnovými délkami. Takovýchto výjimek se dá najít celá řada. Na druhou stranu je možné posoudit i intenzitní rozdíl, kdy například u většiny fluoritů je nejvýraznější fluorescence pod dlouhou vlnou. Stejně tak u rubínů, sodalitů nebo skapolitů a jiných minerálů. Pod střední vlnou má velmi dobrou odezvu velké množství kalcitů, výraznou fluorescenci vykazují též apatity aj další minerály. Pod krátkou vlnou excelují již zmíněné scheelity, willemity, ale též velké množství opálů a mnoho dalších minerálů.

Obr. 6: scheelit, Cínovec – viditelné světlo, foto autor

Obr. 7: scheelit, Cínovec – 310 nm, foto autor

Obr. 8: scheelit, Cínovec – 255 nm, foto autor

Typy UV svítidel

Výbojky s UV světlem

Výbojky s UV světlem, často nazývané rtuťové výbojky, jsou tradiční technologií používanou pro generování ultrafialového záření. Tyto výbojky fungují na principu elektrického výboje v plynu, který obsahuje rtuť. Když elektrický proud prochází plynem, rtuťové atomy emitují UV záření. Výbojky mohou produkovat silné, nicméně širokospektré UV záření. Obsahují plynnou rtuť, což může představovat zdravotní riziko při rozbití výbojky. Z hlediska ceny se mohou zdát levnější variantou, ale spotřebovávají větší množství energie a mají omezenou životnost vyžadující častější výměnu.

LED čipy

LED (Light Emitting Diode) čipy jsou moderní alternativou k tradičním výbojkám. LED čipy generují UV světlo pomocí polovodičových materiálů, které emitují světlo, když jimi prochází elektrický proud. LED čipy mají vyšší energetickou účinnost, což v kombinaci s delší životností a nižšími požadavky na údržbu znamená nižší provozní náklady. V porovnání s výbojkami můžou být u LED technologie vyšší pořizovací náklady. LED čipy často produkují užší spektrum UV záření, což snižuje náklady na křemíkové filtry viditelného světla.
Na výkon světel by měl být kladen zvláštní důraz. Obecně platí zásada, čím silnější světlo, tím lépe a více lze projevy luminiscence pozorovat. Pod silnějším světlem mohou začít fluoreskovat minerály, které předtím pod slabším světlem fluorescenci nevykazovaly. S výkonnými světly je ovšem třeba dbát na zvýšenou ochranu, viz kapitola ochrany.

UV filtry

Při používání UV světel rozlišujeme dva druhy filtrů:
1) Filtry, které nás chrání. UV filtry jsou důležité pro ochranu lidského zdraví a materiálů před škodlivými účinky UV záření. UV záření může způsobit poškození kůže, očí a degradaci materiálů.

Obr. 9: schéma stínění UV světla – OOPP

Obr. 10: Ochranné brýle – viditelné světlo, foto autor

Obr. 11: ukázka zachycení UV záření o vlnové délce 365 nm ochrannými brýlemi, foto autor

2) Filtry, které stíní viditelné světlo emitované výbojkami nebo LED čipy. Tímto typem filtrů navíc projde pouze UV světlo o určité požadované vlnové délce.

Obr. 12: schéma stínění UV světla – křemíkový filtr

Vývoj LED UV světel byl v posledních letech výrazně urychlen díky několika klíčovým faktorům:

Pokroky v materiálové vědě

Jedním z hlavních průlomů bylo objevení a zdokonalení polovodičových materiálů, jako je nitrid galia (GaN), který umožňuje efektivní produkci UV světla. Tento materiál je klíčový pro výrobu LED čipů, které mohou emitovat UV záření s vysokou účinností. Moderní výrobní technologie, jako je epitaxe (vrstvení krystalových mřížek) na safírových substrátech, umožnily produkci LED čipů s vyšší kvalitou a nižšími náklady. Tyto pokroky vedly k masové výrobě LED UV světel, což snížilo jejich cenu a zvýšilo dostupnost. Granty a financování výzkumných projektů navíc umožnily vědcům a inženýrům vyvíjet nové a efektivnější LED čipy.

Udržitelnost a poptávka

S rostoucím důrazem na energetickou účinnost a ekologickou udržitelnost se LED technologie staly preferovanou volbou pro mnoho aplikací, včetně UV osvětlení. UV LED světla jsou energeticky úspornější a mají delší životnost ve srovnání s tradičními výbojkami.

Inovace v designu a aplikacích

Vývoj nových aplikací, jako je dezinfekce vody a vzduchu pomocí UV LED světel, stimuloval další výzkum a vývoj v této oblasti. Významně tomuto odvětví také napomohla pandemie COVID-19. LED UV světla jsou nyní aplikována v různých průmyslových a zdravotnických přístrojích a zařízeních, což dále urychluje jejich další vývoj.

Obr. 13: Ukázka různých typů zdrojů UV záření, foto autor

Závěr

UV světla jsou skutečně impozantní technologií a jejich použití v mineralogii může otevřít dveře k novým objevům. Fluorescence minerálů pod UV světlem odhaluje skrytou krásu a pomáhá vědcům lépe porozumět jejich vlastnostem. Bezpečné používání UV světla je klíčové, a s vhodnými ochrannými opatřeními, jako jsou ochranné brýle a omezení expozice kůže, může být zážitek nejen poučný, ale i bezpečný. Ať už jste nadšený sběratel nebo profesionální geolog, UV světla mohou přinést nový rozměr vašemu bádání a obdivu přírodních pokladů, stejně jako poskytnout nový rozměr vaší sbírce minerálů.

Obr. 14: rubín v zoisitu, Namibie – 365 nm, foto autor

Obr. 15: Baryt, Labské Pískovce – 365 nm, foto autor