25.11.2010
Wykład 7: Fizyka medyczna
I. Promieniowanie optyczne
1. widmo emisyjne można przedstawić jako:
 liczbę kwantów promieniowania na przedział energii (lub częstotliwości) w funkcji
energii
 całkowitą energię wyemitowaną na przedziale energii w funkcji energii
 liczbę kwantów na przedział w długości fali w funkcji długości fali
 całkowita energię wyemitowaną na przedział długości fali w funkcji długości fali
2. z
ródła promieniowania
1) naturalne  słońce (7% UV, 43% VIS, 50% IR)
2) elektryczne
- UV
3) lampy ksenonowe (UV-A)
4) lampy metalohalogenkowe  rtęciowe (UV-A, UV-B, UV-C)
5) świetlówki UV-A, świetlówki bakteriobójcze UV-C
6) lampy Wooda UV-A
7) IR:
- promienniki podczerwieni (żarówki o specjalnym wykonaniu)
- promienniki kwarcowe
- lampy ksenonowe
Ciało doskonale czarne
 całkowicie pochłania padające na nie promieniowanie elektromagnetyczne we
wszystkich zakresach długości fali
 Å›wiatÅ‚o może być emitowane tylko w porcjach o energii E=h ÃÄ…
 wzór opisujący widmo promieniowania ciała doskonale czarnego wyprowadzamy przez
Plancka ma postać:
Prawo promieniowania Stefana-Boltzmanna
całkowita moc wypromieniowania przez ciało na jednostkę powierzchni jest proporcjonalna do 4
potęgi temp. ciała
4
RśąT źą=ÈÄ… T
2 Ćą5 k4
ÈÄ…=
15 c2 h3
3. Wpływy biologiczne promieniowania optycznego
 Termiczne  głównie IR
 Fotochemiczne UV, VIS
 Bezpośrednie wpływy pola elektromagnetycznego na molekuły biologiczne przy dużych
natężeniach wiązek
Skutki ekspozycji na to promieniowanie zależą od:
 parametrów fizycznych promieniowania (długość fali, intensywność promieniowania dla
poszczególnych długości fali, wielkości pochłoniętej dawki)
 właściwości optycznych i biologicznych eksponowanej tkanki (rodzaj tkanki oko, skóra,
fototyp skóry itp.)
3. Korzystne skutki oddziaływania promieniowania optycznego na organizm
człowieka:
UV
 działa przeciwkrzywiczne,
 przyczynia się do wzrostu odporności organizmu
 przyczynia się do obniżenia ilości cholesterolu
 przyczynia się do szybszego gojenia się ran, ustępowania infekcji
 łagodzi objawy niektórych chorób skóry (np. łuszczycy)
VIS
 umożliwia człowiekowi widzenie otaczającego świata
 pobudza układ hormonalny, czym reguluje rytm biologiczny ustroju człowieka
IR
 miejscowa poprawa ukrwienia i pobudzenie przez to procesów
Szkodliwie skutki oddziaływania promieniowania optycznego
 UV-A zaćma fotochemiczna
 UV-B, UV-C  zapalenia rogówki, uszkodzenia rogówki, zapalenie spojówek
 VIS  fotochemiczne i termiczne uszkodzenia siatkówki
 IR-A  Termiczne uszkodzenia siatkówki
 IR-A, IR-B, IR-C  poparzenia u uszkodzenia rogówki
 IR-A, IR-B  zaćma termiczna (po wielu latach chronicznej ekspozycji)
Rodzaj uszkodzenia skóry w zależności od długości fali:
 UV  Zaczerwienienie, poparzenie, pigmentacja skóry, foto-starzenie przednowotworowe
i nowotworowe zmiany skóry
WIELKOÅšCI CHARAKTERYZUJ
CE MOCE
dla z
ródła
1) luminancja energetyczna  stosunek natężenia promieniowania, do powierzchni rzutu
elementu z
ródła na płaszczyznę prostopadłą do danego kierunku lub inaczej moc
promieniowania emitowanego z jednostki powierzchni z
ródła w jednostkowy kąt bryłowy
W
[ ]
sr · m2
ÇÄ…V
2) Spektralna gęstość energii = całka ze spektralnej gęstości energii jest
W
[ ]
proporcjonalna do natężenia promieniowania
sr · m2· Hz
c ÇÄ…V
3) Luminancja widmowa gdzie c  prędkość światła
LV =
4Ćą
4) natężenie promieniowania [W/sr] dla z
ródeł punktowych
5) ilość energii promienistej [J]
6) moc energii (strumień energetyczny) [W]
W
[ ]
7) Emitancja energetyczna
m2
dla powierzchni naświetlanej
W
[ ]
1) natężenie promieniowania
m2
J
[ ]
2) napromienienie(ekspozycja)
m2
PORÓWNANIE LUMINANCJI I G
STOÅšCI SPEKTRALNEJ
bardzo słaby laser He-Ne
moc 1 mW
emisja na z rozbieżnością kątową (kąt bryłowy sr)
1 mm2 4o 10-6
luminancja energetyczna wiÄ…zki laserowej
1 mW W
=109[ ]
1 mm2· 10-6 sr m2 · sr
50x więcej niż luminancja słońca /bo moc słońca (?????)
4 · 1026[W ]
typowe szerokości spektralne światła
laser He-Ne : 1 MHz
słońce Hz
1015
gęstości spektralne
W
103[ ]
laser He-Ne
m2· sr · Hz
W
2 · 10-8[ ]
słońce
m2 · sr · Hz
II. PROMIENIOWANIE OPTYCZNE
szkodliwe skutki oddziaływania promieniowania optycznego na organizm człowieka.
Kryteria oceny zagrożenia oraz wartości graniczne ekspozycji na promieniowanie optyczne
określa Rozporządzenie Ministra Pracy i polityki społecznej
IR (nielaserowe)
 zagrożenie promieniowaniem podczerwonym rozpatrujemy pod względem zagrożenia
termicznego, maksymalna dopuszczalną wartość skuteczna luminancji energetycznej
z
ródła określa zależność
1400
LÁÄ…· RÁÄ…·­Ä…ÁÄ…
"
380
UV (nielaserowe)
 skutek biologiczny zależy od ilości pochłonięte promieniowania, długości fali i od rodzaju
eksponowanej tkanki
 ilość pochłoniętego przez tkankę promieniowania (dawka promieniowania ) jest zależna
od jej napromieniowania (iloczyn natężenia promieniowania i czasu ekspozycji) praz
współczynników odbicia i przepuszczania eksponowanej tkanki
 zagrożenia pracowników promieniowaniem nadfioletowym charakteryzowane jest przez
VIS (laserowe)
 oddziaływanie ma charakter fotochemiczny lub termiczny w odniesieniu.
Oddziaływanie promieniowania optycznego z materią:
 tłumienie (rozpraszanie, absorpcja)  pr. Beera
ËÄ…=ËÄ…e·e-śą·Ä…ƒÄ… roźąx=ËÄ…e· e-ÂÄ… x
gdzie  moc energii promienistej (strumień energetyczny) po przejściu przez
ËÄ…
ośrodek o grubości x
ËÄ…e  moc energii promienistej wnikajÄ…cej do oÅ›rodka pochÅ‚aniajÄ…cego
·Ä… współczynnik rozpraszania ·Ä…=·Ä… śąÁąźą
ÇÄ…  współczynnik pochÅ‚aniania ÇÄ…=ÇąśąÁąźą
Detektory promieniowania optycznego:
 emulsje fotograficzne
 metody aktynometryczne np. fotoliza szczawianu żelaza
 mikroorganizmu jako dozymetry UV
 detektory termiczne (termopary, balometry, kalorymetry)
 detektory kwantowe (fotokomórki, fotopowielacze, fotodiody)
 detektory termoluminescencyjne
LASERY  podstawy fizyczne
 Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation  wzmocnienie światła poprzez
wymuszonÄ… emisjÄ™ promieniowania
 pierwszy laser (rubinowy) zbudował i uruchomił 16 maja 1960
cechy światła laserowego:
- monochromatyczność
- kierunkowość
- spójność
- znaczna gęstość mocy
- spójność
1. Monochromatyczność
 dokładnie jedna częstotliwość (jedna długość fali)
 w rzeczywistości  pojęcie naturalnej szerokości linii widmowej promieniowania
laserowego
 emitowane promieniowanie elektromagnetyczne zawiera siÄ™ w pewnym przedziale f,
ponieważ zgodnie z zasada nieoznaczoność Heisenberga nie ma możliwości dokładnego
oznaczenia energii poziomów energetycznych.
 O zakresie f decyduje sposób generacji tego promieniowania oraz rezonator optyczny
np. w laserze rubinowym szerokość linii widmowej nie przekracza na ogół 0,01 mm
2. Równoległość wiązki laserowej;
 rodzaj rezonatora optycznego ma wpływ na kąt rozbieżności wiązki laserowej
 uginanie się dali elektromagnetycznej na aparaturze układu optycznego  dodatkowa
rozbieżność
 najmniejsza rozbieżność dla rezonatora w postaci 2 warstw (?)
DOÅšWIADCZENIE YOUNGA
 światło z s1 i s2 interferuje dając obraz w punkcie P
 szczelina odpowiednio mała
 różnica dróg SS1P i SS2P  parzysta WZMOCNIENIE, nieparzysta  WYGASZENIE
spójność
E1, E2  natężenie pól elektr, (ten sam kierunek)
gęstość energii ok
E2
2
I =< E >
I =< E12Ä…ƒÄ…< E22Ä…ƒÄ…2"Ä…E1E2 >
I1=< E12 >
I2=< E22 >
I =I1ƒÄ…I2ƒÄ…2"Ä…E1 E2Ä…czÅ‚on interferencyjny
wiązki niespójne: stopień spójności = 0
człon znika
maksymalna spójność człon = 1
=> stopień spójności <0,1>
->stopień spójności wyznacza się mierząc tzw WIDZIALNOŚC PR
ŻKÓW
I  I
max min
ImaxƒÄ…I
min
I min , I max  min i max natężeń prążków
spójność czasowa
 interferometr Michelsona
- Lc  graniczna wartość różnicy dróg optycznych dla której obraz interferencyjne znika
tzw. długość spójności
3. Koherencja (spójność wiązki laserowej)
 fale są spójne gdy różnica faz w czasie jest stała (zdolność do interferowania)
 spójność czasowa  zdolność do interferencji dwóch fal świetlnych , które wychodzą w
tym samym kierunku z tego samego z
ródła promieniowania, ale w pewnym odstępie
czasowym
 spójność przestrzenna 0 zdolność do interferencji fal świetlnych emitowanych przez
z
ródło rozciągłe pod warunkiem istnienia spójności czasowej
4. Moc wiÄ…zki
 gęstość mocy promieniowania laserowego to stosunek mocy całkowitej promieniowania
do powierzchni przez która ona przechodzi
5. Emisja wymuszona  atom wzbudzony zderza się z fotonem o takiej f, że jego energia kwantu
jest równa różnicy poziomów między stanem wzbudzonym a podstawowym, Foton uderzający
nie ulega pochłonięciu , ale przyspiesza przejście atomu ze stanu wzbudzonego do
podstawowego i dlatego z atomu wylatujÄ… w tym samym kierunku...
6. Prawo Boltzmanna
W ośrodku złożonym z bardzo wielkiej liczby identycznych mikroukładów rozkład obsadzeń w
warunkach równowagi termodynamicznej między stan 1 i 2 jest opisany zależnością
-­Ä… E
N
2
kT
=e
N
1
 małej energii odpowiada duża liczba obsadzeń i odwrotnie
 w wysokiej temperaturze stany energetyczne mogą być porównywalnie obsadzone
Rozkład antyboltzmański
 stan nierównowagi termodynamicznej (nietrwały, w skończonym czasie układ wraca do
równowagi)
 liczba obsadzeń N2 poziomu energii wyższej E2
7. Warunki konieczne do wytworzenia promieniowania spójnego
 wytworzenie w ośrodku czynnym stanu odwrócenia obsadzeń realizacja POMPOWANIE
OÅšRODKA CZYNNEGO
 wstępne naświetlanie ośrodka czynnego promieniowaniem wymuszającym o gęstości
mocy dostatecznej na to by, efektywnie spowodować emisję wymuszoną w określonym
kierunku realizacja ZASTOSOWANIE REZONATORA
pompowanie optyczne
 co najmniej 3 poziomy dyskretne  typowe np. dla większości substancji fluoryzujących
 błysk lampy wyładowczej przenosi przeważającą część centrów czynnych ze stanów 1
do 3 (ABSORPCJA)
 ze stanu 3  powrót, przejście bezpromieniste do stanu 2, (szybsze, większość atomów
wzbudzonych w stanie 2)
 ze stanu 2 (STAN METASTABILNY)  przejście do stanu 1 (fluorescencja)
Rezonator
 układ 2 zwierciadeł prostopadłych do osi (płaskie lub sferyczne) o współczynnikach
odbici dla jednego 100% a dla drugiego 95% + 5% na transmisje
 promieniowanie wielokrotnie siÄ™ rozchodzi tam i z powrotem
 promieniowanie to wymusza kolejne przejścia promieniste wzbudzonych centrów i w ten
sposób WZMACNIA
ÁÄ…=l
n ·
2
 rezonator powinien być dostrojony do wzmacnianej długości fali
 dÅ‚ugość rezonatora l jest rzÄ™du kilkudziesiÄ™ciu cm , a ÁÄ… jest uÅ‚amkiem ÂÄ… m ,
Budowa lasera
1. ośrodek aktywny (czynny)
2. układ pompujący
3. zwierciadło odbijające
4. zwierciadło częściowo odbijające
5. wiązka częściowo przepuszczająca
zasada działania lasera
1. pobudzanie ośrodka czynnego lasera porcją energii
2. pochłanianie porcji energii przez atomy/cząsteczki
3. przejście atomów do wyższego poziomu
4. emisja spontaniczna
5. emisja wymuszona
6. lawinowe powstawanie dużej ilości fotonów
7. zastosowanie luster do wzmocnienia emisji wymuszonej
8. powstanie wiÄ…zki laserowej
W zależności od rodzaju ośrodka czynnego rozróżnia się lasery:
 krystaliczne (np.; rubinowy)
 szklane
 gazowe