История лазера - Марио Бертолотти

Первые спектры в живых тканях были получены лишь около 20 лет назад. Причина, почему потребовалось так много времени для разработки этой техники, может быть в том, что в ядерном магнитном резонансе (ЯМР) с переходами связаны очень малые энергии, и поэтому, чтобы получить достаточно сильные сигналы, требуются сильные постоянные поля. Эти поля должны быть крайне однородными во всей области исследуемого образца, который может иметь большие размеры, например человеческое тело. Использование сверхпроводящих магнитов преодолевает эту трудность. Медицинское применение ЯМР сегодня позволяет получать изображения анатомических частей человеческого тела и идентифицировать химические составляющие в организме. Эта диагностика уже получила широкое распространение во многих больницах. Она во многих случаях заменяет и дополняет наряду с ультазвуковой диагностикой (УЗИ) традиционную рентгенографию. Ее преимущества заключаются в высокой чувствительности и исключении вредности рентгеновских лучей. В 2003 г. Нобелевская премия по физиологии и медицине была присуждена американскому химику Полю Латербуру и британскому медику Петеру Мансфилду «за их вклад в визуализацию магнитного резонанса». В 1970-х гг. эти два исследователя, независимо друг от друга, продвинули преобразование технологии ЯМР из спектроскопических лабораторий в клиническую диагностику. Идея была в том, чтобы пространственные изменения сигналов в однородном магнитном поле ЯМР спектрометра связать с теми областями, откуда эти сигналы получаются. Действительно, поскольку резонансная частота спина зависит от силы однородного магнитного поля, то если эта сила различна в разных точках, то и резонансные частоты в разных точках будут различны. Поэтому знание значения магнитного поля в каждой точке позволяет локализовать те ядра, котоые производят сигнал ЯМР. В 1973 г. Латербур опубликовал первое пространственно разрешенное изображение. В 1974-1975 гг. Мансфилд со своими коллегами разработал методики быстрого сканирования в образцах и в 1976 г. получил первое изображение живого человеческого тела. Нобелевская премия явилась оценкой их вклада в разработку полезной клинической методики.

ЯМР-изображения всего человеческого тела появились около 1980 г. По сравнению с первыми расплывчатыми изображениями в настоящее время получаются четкие изображения. Детали можно различать с разрешением в несколько кубических миллиметров, что позволяет исследовать отдельные органы.

Рис. 38. (а) Ориентация оси симметрии кристалла рубина по отношению к направлению магнитного поля (угол θ). Энергетические уровни рубина для θ = 0° (б) и для θ =90° (в)

Электронный парамагнитный резонанс

Электронный парамагнитный резонанс существенно не отличается от ядерного резонанса, за исключением того, что энергетические уровни получаются во внешнем магнитном поле не от ядерных спинов, а зеемановскими уровнями, которые получаются в результате воздействия магнитного поля на движение электронов в атоме. Как мы уже видели, при приложении внешнего магнитного поля к атому снимается вырождение атомных орбит, и каждый уровень энергии электрона расщепляется на несколько подуровней, разделенных малой величиной энергии, которой типично соответствует микроволновая частота, причем это разделение подуровней зависит от величины внешнего магнитного поля.

Принцип метода очень прост. Постоянное магнитное поле прикладывается к веществу так, чтобы электронные уровни испытывали зеемановское расщепление. Одновременно на образец посылается малое радиочастотное поле и его частота варьируется. Пики поглощения наблюдаются, когда частота этого поля точно соответствует разности энергий между двумя зеемановскими уровнями. В качестве примера сошлемся на ионы хрома, содержащиеся в кристалле рубина (позднее мы детально обсудим рубин). Эти ионы содержат неспаренные электроны, которые дают полный спин, равный 3/2. Электрическое поле, образуемое всеми атомами кристалла, блокирует все другие угловые моменты, и поэтому при наличии внешнего магнитного поля поведение рубина определяется лишь неспаренными электронами. Диаграмма образующихся уровней зависит от ориентации внешнего магнитного поля по отношению к главной оси симметрии кристалла (рис. 38, а). Этот эффект существенно зависит от силы магнитного поля для разных ориентации, как видно из рис. 38, б и 38, в. Стоит отметить, что подбором подходящего значения внешнего поля можно получить нужное разделение уровней. Это является фундаментальным принципом работы трехуровнего мазера.

Атомные часы

Как мы уже говорили, в 1949 г. Н. Рамси изобрел резонансную методику с разнесенными осциллирующими полями, которая в 1955 г. была использована Дж. Захариасом, Дж. Пари, Луисом Эссеном и др. для создания атомных часов и стандартов частоты. За этот метод Рамси в 1989 г. получил Нобелевскую премию по физике вместе с Г. Демельтом и В. Полем, которые разработали изощренную методику для изучения одиночных атомов и молекул.

Проблема измерения времени всегда была важной и трудной. Вначале она была связана с вращением Земли вокруг своей оси, которое, как полагали, происходит с высокой регулярностью. Увеличение точности маятника, введенное Гюйгенсом и астрономическими наблюдениями, побудило во времена Ньютона, Джона Фламстида, первого Королевского Астронома в Гринвиче, проверить регулярность вращения Земли, используя маятниковые часы. Он не нашел каких-либо доказательств несовершенства в этой регулярности, но последующие поколения астрономов собрали все увеличивающийся список нерегулярности продолжительности суток.

В начале 20 столетия, например, благодаря астрономическим наблюдениям было определенно установлено, что вращение Земли замедляется из-за приливного трения. К середине 1930-х гг. часы были улучшены благодаря появлению кварцевых часов. Это позволило измерить нерегулярности вращения (рис. 39). В кварцевых часах колебания кристалла кварца создают электрические колебания с постоянной частотой, с помощью которой и измеряют время. Кварцевые часы можно откалибровать по астрономическим наблюдениям, а затем использовать их в лаборатории. Лучшие из них могут работать в течение года, накапливая ошибку в 5 миллисекунд. Эта точность, тем не менее, недостаточна для современных научных и технологических целей.

Рис. 39. Изменение продолжительности дня за период четыре года. Отметьте, что шкала по ординате только 3 мс = 0,003 с

Как только были обнаружены нерегулярности вращения Земли, стало необходимым найти другой способ определить стандарт единицы времени.

Эта единица, секунда, определялась как 86400-я часть средних солнечных суток, получаемых астрономами, рассматривающих замкнутое движение Земли по орбите вокруг Солнца (эфемиридное время). За образец принималась средняя продолжительность 1900 г. Эта единица измерений времени была принята Генеральной Ассамблеей Мер и Весов в 1960 г. (одна секунда определялась как 1/31 556 925, 9747 часть 1900-го года).

Однако требования на стабильность маятниковых и кварцевых часов не могли быть удовлетворены в отношении наиболее важного критерия, а именно, — независимая воспроизводимость.

Развитие атомной теории и, в частности, заключение, что атомы данного химического элемента все одинаковы, позволяло принять за основу единицу измерения, связанную не с Землей, но с самим атомом. Уже Максвелл и лорд Кельвин предложили использовать в качестве единицы измерения длины и времени длину волны и соответственно частоту излучения, испускаемого подходящим атомом. Например, водорода, в простейшем случае, или D-линию натрия, которая очень интенсивна. Однако потребовалось много лет, прежде чем эта идея нашла практическое воплощение. Сразу же после Второй мировой войны Ч. Таунс из Bell Labs и Р. Паунд из MIT предложили использовать микроволновое поглощение для стабилизации генератора.

Рассматривая генератор микроволн, мы видим, что по многим причинам его частота не остается строго стабильной во времени, но испытывает малые случайные изменения. Поэтому имеется проблема найти пути поддерживать ее стабильной. Решение, предложенное Таунсом и Паундом, заключалось в том, чтобы использовать молекулу аммиака, которая имеет максимум в зависимости поглощения от частоты точно на частоте 23,8 ГГЦ, причем эта частота не изменяется во времени. Принцип очень прост. Рассмотрим его для специфического случая аммиака. Предположим, что мы направляем микроволновое излучение, частоту которого мы можем изменять вблизи частоты 24 ГГц, в кювету, наполненную аммиаком, и измеряем мощность на выходе. Изменяя частоту, мы обнаруживаем максимум поглощения как раз на центральной частоте линии аммиака (23,8 ГГц). Когда поглощение максимально, мы знаем, что частота микроволн, которые мы посылаем в кювету, как раз и равна этому значению. Таким образом, достигается стабильность. Мы можем зафиксировать параметры генератора так, чтобы он генерировал точно на этой частоте. Если по какой-либо причине частота генератора изменится, то уменьшится и поглощение (т.е. увеличится мощность на выходе), и с помощью подходящей системы обратной связи мы можем подстроить частоту генератора так, чтобы получить снова частоту максимума поглощения. Этот метод позволяет контролировать и фиксировать микроволновую частоту в течение продолжительного времени, используя линии поглощения молекул.