Сделать рентген с помощью лазера? + видео

Лазеры в медицине, Новости науки и техники Комментариев к записи Сделать рентген с помощью лазера? + видео нет

Физик Артем Коржиманов о рентгеновском излучении, излучении электронов и ионизации газа

Одним из основных методов исследования в современной медицине является использование рентгена, рентгеновских снимков. Все с ними хорошо знакомы: проходили флюорографию или делали рентгенографию при каких-то травмах. Но если вы когда-то смотрели на получающиеся рентгеновские снимки, то вряд ли были довольны их качеством. И если, скажем, заметить перелом кости на таком снимке еще можно, то обнаружить какую-нибудь небольшую раковую опухоль или какое-то другое новообразование довольно сложно. Даже опытный рентгенолог не всегда справляется с этой задачей. Можем ли мы сделать что-то лучше, что-то более умное?

Ответ на этот вопрос положительный. В оптике, в оптической микроскопии такие методы уже довольно давно известны и широко используются. Один из них — это фазово-контрастная микроскопия.

В чем заключается идея?

В отличие от обычной рентгенографии, в которой используют свойство материалов поглощать рентген, то есть то, что мы видим на снимках, это на самом деле та тень, которую отбрасывает, скажем, наше тело при прохождении через него рентгена. То есть мы просто смотрим, видим те объекты, которые поглощают рентген. Так вот, вместо того чтобы использовать свойство поглощения, мы можем использовать другое свойство рентгена. Поскольку рентген, как и свет, — электромагнитная волна, то мы можем использовать его волновые свойства. В частности рентген, проходя через материалы, через объекты, испытывает небольшие отклонения, дифрагирует на этих объектах, и в результате мы видим картину дифракции — волновую картину, обусловленную волновой природой рентгена.

Известно, что такие методы обладают намного большей чувствительностью к наличию неких вкраплений в наших объектах, даже если эти вкрапления слабо отличаются по каким-то своим свойствам от окружающего материала.

Проблема заключается в том, что для получения таких изображений, для использования этого эффекта дифракции нам нужно то, что называется когерентные источники излучения.

Известным источником когерентного излучения являются лазеры.

Их излучение является хорошо направленным, оно происходит на четко определенной длине волны. И именно их можно использовать для таких целей. Проблема в том, что рентгеновские лазеры чрезвычайно дороги. Сейчас в мире действует всего два рентгеновских лазера. Это уникальные экспериментальные установки, и понятно, что использовать их для этих целей можно только в качестве каких-то отдельных экспериментов.

С другой стороны, наблюдать интерференцию, дифракцию света, волновые свойства света люди научились задолго до того, как они изобрели лазеры.

Лазеры появились в середине XX века, а известный опыт Томаса Юнга по дифракции на двух щелях был проведен за 150 лет до этого. Что использовал Юнг? Он брал маленькие источники, точечные источники света, он пропускал свет через тонкие щели, тем самым добиваясь эффекта этой когерентности. Таким образом, нам нужен точечный источник рентгена, чтобы получить наши фазово-контрастные снимки. Но если у нас источник рентгена точечный, имеет малый размер, то понятно, что он должен быть ярким. Потому что иначе, когда мы попытаемся облучить с помощью такого источника какой-то достаточно большой объект, например ладонь, может просто не хватить количества энергии этого рентгена, чтобы получить в итоге некий снимок. И проблема заключается в том, что точечный и яркий источник рентгена получить очень сложно. Рентген не так-то просто создать.

На самом деле фактически единственной возможностью до недавнего времени было использование больших ускорительных машин — синхротронов.

Синхротрон — это труба, завернутая в кольцо, и размер этого кольца составляет десятки и сотни метров. Самые большие достигают двухсот-трехсот метров в периметре. То есть на самом деле синхротрон — это такое большое здание размером со стадион, напичканное электроникой и прочей высокотехнологичной продукцией. И понятно, что стоимость такого сооружения совершенно баснословная: речь идет о стоимости в сотни миллионов долларов. В настоящий момент в мире действует всего лишь три-четыре десятка подобных систем. В России их всего два, например, и оба построены довольно давно.

Понятно, что такие системы малодоступны и использовать их для медицинских приложений можно только в каких-то совершенно особых случаях, когда других методов просто нет.

Хотелось бы, чтобы у нас была какая-то альтернатива, более компактная, более дешевая. И оказывается, что современные лазерные технологии позволяют такую альтернативу создать. Причем так сложилось, так природа нам помогла, что источники рентгена, основанные на современных мощных лазерах, устроены очень просто. Современные лазеры позволяют получать излучение мощностью порядка одного петаватта. Это огромная мощность. И оказывается, что если это мощное излучение сфокусировать в газ (это обычная газовая струя, располагающаяся в фокусе излучения), то лазерное излучение, распространяясь в этой струе, может очень эффективно передавать свою энергию в энергию электронов.

Что происходит?

Лазерное излучение бежит в газе, производит ионизацию этого газа, появляются свободные электроны, образуется плазма. Плазма — это просто свободные электроны, летающие рядом с оставшимися без электронов ядрами атомов. Лазерный импульс летит в этой плазме, и его воздействие на плазму чем-то похоже на то, как воздействует корабль, идущий по поверхности воды. Если вы когда-нибудь катались на кораблике и смотрели на его кильватер, на то, что остается позади него, то вы видели характерный кильватерный след. Корабль проходит, и расходятся волны от него. Точно так же лазерный импульс бежит в созданной им же плазме, а позади него остается плазменная кильватерная волна. В этой волне мы можем ускорять электроны, подобно тому как серферы используют волны на воде, для того чтобы ускоряться и достигать высоких скоростей. Такие же электроны садятся на плазменные волны, мчатся вместе с ними и набирают огромные энергии. На данный момент достигнут уровень энергии порядка 4 гигаэлектронвольт. Для сравнения можно сказать, что это тот уровень энергии, который получают на самых современных синхротронах.

Но получить электрон с большой энергией недостаточно — надо заставить эти электроны излучать. В синхротронах они излучают за счет того, что попадают в магнитные поля. То есть в этих трубах, в синхротронах стоят большие магниты, в которых электрон летит по окружности и во время этого своего движения излучает яркий рентген. Конечно, можно было бы взять такой же большой магнит, принести к нашему лазеру и эти электроны пропустить через этот магнит. Но природа оказалась к нам в этом смысле благодушна, и выяснилось, что такие большие магнитные поля, которые необходимы для генерации рентгена из этих электронов, существуют уже в этой плазменной волне, которая там есть. Те электроны, которые ускоряются, вместе с этим ускорением еще испытывают небольшие колебания в магнитных полях этой кильватерной плазменной волны. И автоматически получается, что у нас есть электроны с высокой энергией и эти электроны излучают яркий рентген. И этот рентген автоматически получается ярким, поскольку электронов довольно много, и точечным, поскольку речь идет о том, что все размеры здесь порядка размера лазерного импульса. А лазерный импульс можно фокусировать в очень маленькие размеры, порядка нескольких микронов, то есть это меньше толщины человеческого волоса. Из такого пятнышка, размер которого меньше толщины человеческого волоса, светит большое количество рентгена.

И в итоге получается очень простая система.

Лазеры сейчас умеют делать компактными и относительно дешевыми, современный лазер такого уровня занимает помещение порядка ста квадратных метров, а может, и меньше.

Вы берете излучение этого лазера, запускаете его в газовую струю, и из этой струи автоматически получается очень яркий рентген, на пути которого вам достаточно поставить ваш объект исследования и получить его изображение повышенной четкости. Это эксперименты, которые были проведены в 2010–2011 годах, совсем недавно, и это технология, которая фактически уже сейчас находится на стадии не внедрения, но продвижения к конечному пользователю — к медикам.

Источник: https://postnauka.ru/video/78296


© Интернет журнал "ЛАЗЕРНЫЙ МИР", 2016
Напишите нам:
laser.w@yandex.ru

Back to Top