Лазеры и их применение в медицине. Физические основы интроскопии

 

 

 

 

 

 

Самостоятельная работа на тему

«Лазеры и их применение в медицине. Физические основы интроскопии»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Курск 2012

Цель  самостоятельной работы

1. Изучить способы получения индуцированного излучения, устройство оптического квантового генератора.
2. Ознакомиться с направлениями приложения лазера в медицине.
3. Рассмотреть явление магнитного резонанса.
4. Изучить медицинское приложение магнитных резонансных методов.
5. Получить представление об устройстве спектрометров ЭПР.
6. Рассмотреть явление ядерного магнитного резонанса.
7. Изучить возможности применения ЯМР в медицине.
8. Овладеть навыками отбора литературы и методикой приобретения знаний

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание самостоятельной работы

1. Спонтанное и индуцированное излучение.
2. Устройство оптического квантового генератора.
3. Основные направления использования лазера в медицине.
4. Расщепление энергетических уровней атомов в магнитном поле.
5. Электронный парамагнитный резонанс.
6. Медико-биологическое применение электронного парамагнитного резонанса.
7. Основные характеристики ядер. Магнитный момент ядра.
8. Ядерный магнитный резонанс.
9. ЯМР-интроскопия.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Спонтанное и вынужденное излучение

 

 
    

В нормальных условиях (при  отсутствии внешних воздействий) большая  часть электронов в атомах находятся  на самом низком невозбужденном уровне Е₁, т.е. атом обладает минимальным запасом внутренней энергии, остальные уровни Е₂, Е₃....Е_n, соответствующие возбужденным состояниям, обладают минимальной заселенностью электронами или вообще свободны. Если атом находится в основном состоянии с Е₁, то под действием внешнего излучения может осуществиться вынужденный переход в возбужденное состояние с Е₂. Вероятность таких переходов пропорциональна плотности излучения, вызывающего эти переходы.

Атом, находясь в возбужденном состоянии 2, может через некоторое  время спонтанно самопроизвольно (без внешних воздействий) перейти  в состояние с низшей энергией, отдавая избыточную энергию в  виде электромагнитного излучения, т.е. испуская фотон.           

 Процесс испускания  фотона возбужденным атомом без  каких-либо внешних воздействий  называется спонтанным (самопроизвольным) излучением. Чем больше вероятность спонтанных переходов, тем меньше среднее время жизни атома в возбужденном состоянии. Т.к. спонтанные переходы взаимно не связаны, то спонтанное излучение не когерентно.           

 Если на атом, находящийся  в возбужденном состоянии 2, действует  внешнее излучение с частотой, удовлетворяющей hn = Е₂ - Е₁, то возникает вынужденный (индуцированный) переход в основное состояние 1 с излучением фотона с той же энергией hn = Е₂ - Е₁. При подобном переходе происходит излучение атомом дополнительно к тому фотону, под действием которого произошел переход. Излучение, происходящее в результате внешнего облучения называется вынужденным. Таким образом, в процесс вынужденного излучения вовлечены два фотона: первичный фотон, вызывающий испускание излучения возбужденным атомом, и вторичный фотон, испущенный атомом. Вторичные фотоны неотличимы от первичных.           

 Эйнштейн и Дирак  доказали тождественность вынужденного  излучения вынуждающему излучению:  они имеют одинаковую фазу, частоту,  поляризацию и направление распространения.Þ Вынужденное излучение строго когерентно с вынуждающим излучением.           

 Испущенные фотоны, двигаясь  в одном направлении и, встречая  другие возбужденные атомы, стимулируют  дальнейшие индуцированные переходы, и число фотонов растет лавинообразно.  Однако наряду с вынужденным  излучением будет происходить  поглощение.

Поэтому для усиления падающего  излучения необходимо, чтобы число  фотонов в вынужденных излучениях (которое пропорционально заселенности возбужденных состояний) превышало  число поглощенных фотонов. В  системе атомы находятся в  термодинамическом равновесии, поглощение будет преобладать над вынужденным излучением, т.е. падающее излучение при прохождении через вещество будет ослабляться.        

 Чтобы среда усиливала  падающее на нее излучение  необходимо создать неравновесное состояние системы, при котором число атомов в возбужденном состоянии больше, чем в основном. Такие состояния называются состояниями с инверсией заселенностей. Процесс создания неравновесного состояния вещества называется накачкой. Накачку можно осуществить оптическими, электрическими и другими способами.           

 В средах с инверсной  заселенностью вынужденное излучение  может превысить поглощение, т.е.  падающее излучение при прохождении  через среду будет усиливаться  (эти среды называются активными). Для этих сред в законе Бугера I = I₀e^-ax  , коэффициент поглощения a - отрицателен. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Устройство оптического квантового генератора.

Одним из самых замечательных достижений физики второй половины двадцатого века было открытие физических явлений, послуживших  основой для создания удивительного  прибора - оптического квантового генератора, или лазера.

Лазер представляет собой источник монохроматического когерентного света с высокой направленностью светового луча. Само слово “лазер” составлено из первых букв английского словосочетания, означающего усиление света в результате вынужденного излучения”.

Действительно, основной физический процесс, определяющий действие лазера, - это вынужденное испускание излучения. Оно происходит при взаимодействии фотона с возбужденным атомом при  точном совпадении энергии фотона с  энергией возбуждения атома (или  молекулы)

В результате этого взаимодействия атом переходит в невозбужденное состояние, а избыток энергии  излучается в виде нового фотона с  точно такой же энергией, направлением распространения и поляризацией, как и у первичного фотона. Таким  образом, следствием данного процесса является наличие уже двух абсолютно  идентичных фотонов. При дальнейшем взаимодействии этих фотонов с возбужденными  атомами, аналогичными первому атому, может возникнуть “цепная реакция” размножения одинаковых фотонов, “летящих”  абсолютно точно в одном направлении, что приведет к появлению узконаправленного  светового луча. Для возникновения  лавины идентичных фотонов необходима среда, в которой возбужденных атомов было бы больше, чем невозбужденных, поскольку при взаимодействии фотонов  с невозбужденными атомами происходило  бы поглощение фотонов. Такая среда  называется средой с инверсной населенностью  уровней энергии.

Итак, кроме вынужденного испускания фотонов возбужденными атомами  происходят также процесс самопроизвольного, спонтанного испускания фотонов  при переходе возбужденными атомами  в невозбужденное состояние и  процесс поглощения фотонов при  переходе атомов из невозбужденного  состояния в возбужденное. Эти  три процесса, сопровождающие переходы атомов в возбужденные состояния  и обратно, были постулированы А. Эйнштейном в 1916 г.

Если число возбужденных атомов велико и существует инверсная выделенность уровней (в верхнем, возбужденном состоянии атомов больше, чем в нижнем, невозбужденном), то первый же фотон, родившийся в результате спонтанного излучения, вызовет все нарастающую лавину появления идентичных фотонов. Произойдет усиление спонтанного излучения.

На возможность усиления света  в среде с инверсной населенностью  за счет вынужденного испускания впервые  указал в 1939 г. советский физик В. А. Фабрикант, предложивший создавать  инверсную населенность в электрическом  разряде в газе.

 

 

При одновременном рождении (принципиально  это возможно) большого числа спонтанно  испущенных фотонов возникнет большое  число лавин, каждая из которых будет  распространяться в своем направлении, заданном первоначальным фотоном соответствующей лавины. В результате мы получим потоки квантов света, но не сможем получить ни направленного луча, ни высокой монохроматичности, так как каждая лавина инициировалась собственным первоначальным фотоном. Для того чтобы среду с инверсной населенностью можно было использовать для генерации лазерного луча, т. е. направленного луча с высокой монохроматичностью, необходимо “снимать” инверсную населенность с помощью первичных фотонов, уже обладающих одной и той же энергией, совпадающей с энергией данного перехода в атоме. В этом случае мы будем иметь лазерный усилитель света.

Существует, однако, и другой вариант  получения лазерного луча, связанный  с использованием системы обратной связи. Спонтанно родившиеся фотоны, направление распространения которых  не перпендикулярно плоскости зеркал, создадут лавины фотонов, выходящие  за пределы среды.

В то же время фотоны, направление  распространения которых перпендикулярно  плоскости зеркал, создадут лавины, многократно усиливающиеся в  среде вследствие многократного  отражения от зеркал. Если одно из зеркал будет обладать небольшим пропусканием, то через него будет выходить направленный поток фотонов перпендикулярно  плоскости зеркал. При правильно  подобранном пропускании зеркал, точной их настройке относительно друг друга и относительно продольной оси среды с инверсной населенностью  обратная связь может оказаться  настолько эффективной, что излучением “вбок” можно будет полностью  пренебречь по сравнению с излучением, выходящим через зеркала. На практике это, действительно, удается сделать. Такую схему обратной связи называют оптическим резонатором, и именно этот тип резонатора используют в большинстве  существующих лазеров.

В 1955 г. одновременно и независимо Н. Г. Басовым и А. М. Прохоровым в  СССР и Ч. Таунсом в США был предложен принцип создания первого в мире генератора квантов электромагнитного излучения на среде с инверсной населенностью, в котором вынужденное испускание в результате использования обратной связи приводило к генерации чрезвычайно монохроматического излучения.

Спустя несколько лет, в 1960 г., американским физиком Т. Мейманом был запущен первый квантовый генератор оптического диапазона - лазер, в котором обратная связь осуществлялась с помощью описанного выше оптического резонатора, а инверсная населенность возбуждалась в кристаллах рубина, облучаемых излучением ксеноновой лампы-вспышки. Рубиновый кристалл представляет собой кристалл оксида алюминия АL2О3 с небольшой добавкой = 0,05% хрома. При добавлении атомов хрома прозрачные кристаллы рубина приобретают розовый цвет и поглощают излучение в двух полосах ближней ультрафиолетовой области спектра. Всего кристаллами рубина поглощается около 15% света лампы-вспышки. При поглощении света ионами хрома происходит переход ионов в возбужденное состояние в результате внутренних процессов возбужденные ионы хрома переходят в основное состояние не сразу, а через два возбужденных уровня. На этих уровнях происходит накопление ионов, и при достаточно мощной вспышке ксеноновой лампы возникает инверсная населенность между промежуточными уровнями и основным уровнем ионов хрома.

Торцы рубинового стержня полируют, покрывают отражающими интерференционными пленками, выдерживая при этом строгую  параллельность торцов, друг другу.

При возникновении инверсии населенностей уровней ионов хрома в рубине происходит лавинное нарастание числа вынужденно испущеных фотонов, и обратной связи на оптическом резонаторе, образованном зеркалами на торцах рубинового стержня, обеспечивает формирование узконаправленного луча красного света. Длительность лазерного импульса=0. 0001 с, немного короче длительности вспышки ксеноновой лампы. Энергия импульса рубинового лазера около 1ДЖ.

С помощью механической системы (вращающееся  зеркало) или быстродействующего электрического затвора можно “включить “  обратную связь (настроить одно из зеркал) в момент достижения максимальной инверсии населенностей и, следовательно, максимального  усиления активной среды. В этом случае мощность индуцированного излучения  будет чрезвычайно велика и инверсия населенности “снимется” вынужденным  излучением за очень короткое время.

В этом режиме модулированной добротности  резонатора излучается гигантский импульс  лазерного излучения. Полная энергия  этого импульса останется приблизительно на том же уровне, что и в режиме “свободной генерации”, но вследствие сокращения в сотни раз длительности импульса также в сотни раз возрастает мощность излучения, достигая значения =100000000Вт.