3, Устройство и принцип действия оптического квантового генератора.

Свойства излучения оптического квантового генератора. Применение излучения квантовых генераторов в медицине.

БИЛЕТ 4

1. Физические основы рефрактометрии. Рефрактометр, назначение и принцип действия. Его применение для определения концентрации раствора

2. Рентген (Устройство и принцип действия рентгеновской трубки. Тормозное рентгеновское излучение, механизм его возникновения. Спектр тормозного рентгеновского излучения.

Характеристическое рентгеновское излучение, механизм его возникновения. Спектр характеристического рентгеновского излучения.)

Рентгеновским излучением называют электромагнит­ные волны с длиной приблизительно от 80 до 10~⁵ нм. Наиболее длинноволновое рентгеновское излучение перекрывается коротковолновым ультрафиолетовым, коротковолновое — длинноволновым у-излучением. По способу возбуждения рентгеновское излучение подразделяют на тормозное и характеристическое.

Наиболее распространенным источником рентгеновского излучения является рентгеновская трубка, которая представляет собой двухэлектродный вакуумный прибор. Подогревный катод / испускает электроны 4. Анод 2, называемый часто антикатодом, имеет наклонную поверхность, для того чтобы направить возникающее рентгеновское излучение 3 под углом к оси трубки. Анод изготовлен из хорошо теплопроводящего материала для отвода теплоты, образующейся при ударе электронов. Поверхность анода выполнена из тугоплавких материалов, имеющих большой порядковый номер атома в таблице Менделеева, например из вольфрама. В отдельных случаях анод специально охлаждают водой или маслом.

Для диагностических трубок важна точечность источника рентгеновских лучей, чего можно достигнуть, фокусируя электроны в одном месте антикатода. Поэтому конструктивно приходится учитывать две противоположные задачи: с одной стороны, электроны должны попадать на одно место анода, с другой стороны, чтобы не допустить перегрева, желательно распределение электронов по разным участкам анода. В качестве одного из интересных технических решений является рентгеновская трубка с вращающимся анодом. В результате торможения электрона частицы) электростатическим полем атомного ядра и атомарных электронов вещества антикатода возникает тормозное рентгеновское излучение. Механизм его можно пояснить сле­дующим образом. С движущимся электрическим зарядом связано магнитное поле, индукция которого зависит от скорости электрона. При торможении уменьшается магнитная индук­ция и в соответствии с теорией Максвелла появляется электромагнитная волна.

При торможении электронов лишь часть энергии идет на создание фотона рентгеновского излучения, другая часть расходуется на нагревание анода. Так как соотношение между этими частями случайно, то при торможении большого количества электронов образуется непрерывный спектр рентгеновского излучения. В связи с этим тормозное излучение называют также и сплошным.

В каждом из спектров наиболее коротковолновое тормозное излучение ^_min возникает тогда, когда энергия, приобретенная электроном в ускоряющем поле, полностью переходит в энергию фотона:

Коротковолновое рентгеновское излучение обычно обладает большей проникающей способностью, чем длинноволновое, и называется жестким, а длинноволновое — мягким.

Увеличивая напряжение на рентгеновской трубке, изменяют спектральный состав излучения и увеличивают жесткость.

Если увеличить температуру накала катода, то возрастут эмиссия электронов и сила тока в трубке. Это приведет к увеличению числа фотонов рентгеновского излучения, испускаемых каждую секунду. Спектральный состав его не изменится.

Поток рентгеновского излучения вычисляется по формуле Ф=kIU²Z

Характеристическое рентгеновское излучение.

Увеличивая напряжение на рентгеновской трубке, можно заметить на фоне сплошного спектра появление линейчатого, который соответствует характеристическому рентгеновскому излучению.

Он возникает вследствие того, что ускоренные электроны проникают в глубь атома и из внутренних слоев выбивают электроны. На свободные места переходят электроны с верхних уровней, в результате высвечиваются фотоны характеристического излучения. В отличие от оптических спектров характеристические рентгеновские спектры разных атомов однотипны. Однотипность этих спектров обусловлена тем, что внутренние слои у разных атомов одинаковы и отличаются лишь энергетически, так как силовое воздействие со стороны ядра увеличивается по мере возрастания порядкового номера элемента. Это обстоятельство приводит к тому, что характеристические спектры сдвигаются в сторону больших частот с увеличением заряда ядра.

Есть еще одна разница между оптическими и рентгеновскими спектрами. Характеристический рентгеновский спектр атома не зависит от химического соединения, в которое этот атом входит. Так, например, рентгеновский спектр атома кислорода одинаов для О, СЬ и НгО, в то время как оптические спектры этих соединений существенно различны. Эта особенность рентгеновского спектра атома послужила основанием и для названия характеристическое.

Характеристическое излучение возникает всегда при наличии свободного места во внутренних слоях атома независимо от причины, которая его вызвала.

3. Самописец (Регистрирующие устройства, их назначение. Чувствительность регистрирующего устройства, его частотная характеристика. Электромеханический самописец. Устройство и 1щинцип действия вибратора самописец. Электромеханический самописец. Принцип развертки изображения сигнала. Виды записи.)

Электромеханические самопишущие устройства являются наиболее распространенным видом устройств отображения информации медицинских диагностических приборов. Эти устройства входят как составная часть в такие медицинские приборы как электрокардиограф, электроэнцефалограф, фонокардиограф и др.. Так как в результате работы электромеханического самопишущего устройства получается изображе­ние отображаемого сигнала в виде двухмерного графика на каком-то носителе информации, т.е. получается документ, то такие устройства часто называют регистрирующими устройствами.

Любое электромеханическое самопишущее устройство состоит из трех основных частей: вибратора или гальванометра, носителя информации и устройства перемещения носителя информации.

Вибратор самопишущего устройства служит для преобразования электрического напряжения, несущего информацию, в механические перемещения пишущего элемента (пера) самописца. В самопишущих устройствах используются вибраторы различных конструкций.

Рассмотрим устройство и принцип действия электромагнитного вибратора, получившего в настоящее время наибольшее распространение. Такой вибратор состоит из постоянного магнита специальной формы 1, управляющей катушки 2 и сердечника из ферромагнитного материала 3. Сердечник закреплен на оси 4 между полюсными наконечниками 5 постоянного магнита и удерживается в определенном положении плоскими пружинами 6. На той же оси закреплен пишущий элемент 7, поворачивающийся одновременно с сердечником.

В основе работы вибратора лежит действие магнитных полей постоянного магнита и управляющей катушки на ферромагнитный сердечник. Благодаря специальной форме полюсных наконечников, сердечник вибратора одновременно пронизывается двумя магнитными полями: магнитным полем постоянного магнита, создающего магнитный поток Ф₀, и магнитным полем управляющей катушки, создающей магнитный поток Ф. У одной пары диагонально расположенных полюсных наконечников эти магнитные потоки складываются и магнитное поле усиливается, а у другой пары - потоки вычитаются и магнитное поле ослабляется. В результате получается неоднородное магнитное поле, которое стремится повернуть сердечник на некоторый угол (ферромагнитный сердечник втягивается в область более сильного магнитного поля). При повороте сердечника под действием сил магнитного поля происходит закручивание пружин 6, возникает механический момент, противодействующий повороту сердечника. Сердечник будет поворачиваться до тех пор, пока механический момент закручивающихся пружин не станет равным моменту сил, действующих со стороны магнитного поля. Так как момент сил действующих со стороны магнитного поля зависит от силы тока в управляющей катушке, то и угол поворота сердечника будет зависеть от силы тока, протекающего по управляющей катушке.

При изменении направления тока в управляющей катушке (при изменении полярности регистрируемого напряжения) изменяется направление магнитного потока Ф, создаваемого катушкой; области сильного и слабого магнитных полей меняются местами и сердечник поворачивается в другую сторону. Таким образом, оказывается, что направление И величина угла поворота сердечника зависят от направления и силы тока, протекающего по управляющей катушке.

Поворот сердечника передается связанному с ним пишущему элементу. Пишущий элемент, скользя по носителю информации, рисует на нем линию, размах которой пропорционален величине отображаемого сигнала.

Для того чтобы "развернуть" отображаемый сигнал во времени, носитель информации перемещают с помощью специального устройства с постоянной скоростью в направлении, перпендикулярном направлению движению пишущего элемента. При этом получается двухмерный график изменения отображаемого сигнала во времени, так как перемещение носителя информации пропорционально времени.

Существует несколько видов механических самопишущих устройств, отличающихся видом носителей информации и конструкцией пишущих элементов.

В чернильно-перьевых самописцах запись ведется на обычной бумажной ленте с помощью обычных чернил. Пишущий элемент в таком самописце представляет собой тонкий капилляр, один конец которого прижимается к бумажной ленте, а к другому концу по эластичной трубке подводятся чернила. При движении кончика капилляра по бумаге на ней рисуется кривая изменения отображаемого напряжения или тока.

В последнее время широкое распространение получили самопишущие устройства с тепловой записью.

Одной из важнейших характеристик любого устройства отображения информации является чувствительность.

Чувствительностью электромеханического самопишущего устройства называется отношение величины изображения на носителе информации к величине электрического напряжения, приложенного к вибратору самописца

где Н - величина изображения на носителе информации в миллиметрах, U - величина напряжения, приложенного к вибратору самописца, в вольтах.

Чувствительность численно равна величине изображения отображаемого сигнала при напряжении сигнала в 1 вольт.

Другой важной характеристикой устройства отображения информации является частотная характеристика, т.е. зависимость чувствительности устройства от частоты отображаемого сигнала.

Электромеханические самописцы позволяют регистрировать сравнительно низкочастотные сигналы, так как подвижная система самописца (сердечник с пишущим элементом) имеет достаточно большую массу и не успевает реагировать на изменения величины быстро ме­няющихся сигналов. Электромеханические самописцы с вибраторами электромагнитного типа позволяют записывать сигналы с частотами не превышающими 200-250 Гц.

БИЛЕТ 5