14. Установка облучения биологических объектов лазерным

УСТАНОВКА ОБЛУЧЕНИЯ БИОЛОГИЧЕСКИХ
ОБЪЕКТОВ ЛАЗЕРНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ
В.А. Алексеев, А.С. Перминов, С.И. Юран
ГОУ ВПО «Ижевский государственный технический университет»
Предложен вариант конструкции установки для облучения биологических объектов лазерным излучением. Установка позволяет изменять плотность мощности, время
облучения, диаметр пучка в широких пределах, контролировать плотность мощности в
процессе облучения
В биологической литературе, посвященной стимуляции низкоинтенсивным лазерным излучением (ЛИ) биологических объектов (БО), редко приводятся корректные описания параметров действующего фактора (параметров, характеризующих
ЛИ). По представленным в большинстве публикаций данным исследователям не удается воспроизвести режимы облучения, что обесценивает сообщаемую информацию.
Указание дозы лазерного облучения, по мнению авторов, являются некорректным.
Во-первых, под дозой лазерного облучения объекта разные авторы понимают
совершенно разные понятия:
− энергия ЛИ, которую поглощает БО (суммарная энергия, поглощенная БО за
все время облучения);
− энергия ЛИ, которая падает на объект за все время облучения;
− мощность ЛИ, падающая на БО;
− плотность энергии ЛИ, которую поглощает БО (суммарная плотность энергии, поглощенная БО за все время облучения);
− плотность энергии ЛИ, которая падает на объект за все время облучения;
− плотность мощности ЛИ, падающей на БО;
− и т.д.
Следует отметить, что, например, в дозиметрии ионизирующих излучений (ИИ) вводится понятие дозы, приведенное к единице массы объекта.
Во-вторых, в дозиметрии ИИ параметр, характеризующий взаимодействие излучения с объектом (показатель ослабления), достаточно слабо зависит от энергии кванта излучения. В то время как для оптического излучения эта зависимость может иметь
ярко выраженную зависимость от энергии кванта (например, при попадании в полосу
поглощения какого-либо центра). Нет смысла облучать БО излучением с длиной волны, которая не поглощается тем или иным структурным образованием БО.
В-третьих, «геометрия» облучения БО (угол, под которым падает ЛИ на поверхность БО; расходимость ЛИ) многими авторами просто не учитывается, а ведь коэффициент отражения от границы раздела двух сред излучения оптического и ближнего
ИК диапазонов спектра в значительной степени определяется углом падения.
В-четвертых, некоторые авторы приводят в своих работах в качестве характеристики действующего излучения вообще паспортные данные для лазерного излучателя.
В данной работе авторы предлагают оставить на время величины воздействия на
БО (до согласования этих величин [1, 2]), а описывать воздействие излучения только
параметрами падающего на БО ЛИ (введение понятия экспозиционной дозы фотонного излучения в дозиметрии ИИ в свое время и решило эту задачу). Аналогом экспозиционной дозы можно считать плотность энергетической экспозиции ЛИ (Дж/м2), а
аналогом мощности экспозиционной дозы – плотность мощности ЛИ (Вт/м2).
177
Плотность мощности ЛИ, усл. ед. ïëîòíîñòü ìîùíîñòè ËÈ, óñë.åä.
Наиболее простым для описания воздействия ЛИ на объект и воспроизводимым
при эксперименте является использование так называемых гауссовых пучков, распределение плотности мощности ЛИ в поперечном сечении пучка F (r ) для которого
описывается функцией вида
r2
F (r ) = F0 ⋅ exp(− 2 ) ,
r0
где
F0 – плотность мощности ЛИ на оси пучка ЛИ,
r – расстояние от оси пучка до рассматриваемой точки,
r0 – размер лазерного пучка.
На рисунке 1 представлена зависимость плотности мощности ЛИ для гауссова
пучка при F0 = 5, а r0 = 1 (в условных единицах).
5
4.5
4
3.5
3
F( x)
( − 1)
e
⋅ F0
2.5
2
1.5
1
0.5
0
3
2
1
0
1
2
3
x
Расстояние от оси пучка, усл.ед. ðàññòîÿíèå îò îñè ïó÷êà, óñë. åä.
Рисунок 1 - Распределение плотности мощности гауссова пучка ЛИ в зависимости
от расстояния от оси пучка. Пунктиром отмечен уровень, по которому определяется
размер пучка
Такая зависимость приводит к тому, что указать величину воздействия (параметры
действующего на объект ЛИ) оказывается весьма затруднительно. На рисунке 2 приведено поперечное сечение гауссова пучка с указанием размеров зон, в которых плотность
мощности изменяется с шагом 10%.
За единичную площадь принята площадь с размером, равным размеру гауссова
пучка, т.е. плотность мощности на краю которого меньше плотности мощности на оси
пучка в е раз. Размер пучка равен 1, концентрические круги соответствуют размеру пучка с уменьшением плотности мощности на границе с шагом 10%. Центральный круг –
90% от значения плотности мощности на оси (радиус – 0,325, а площадь – 5,3% от принятой за единицу); второй круг – плотность мощности на границе 80%, радиус – 0,472, а
площадь кольца, в котором плотность мощности ЛИ находится в пределах от 90% до
80% от максимальной – 5,9% и т.д.
Таким образом, не представляется возможным указать ту плотность мощности, которой подвергается воздействию объект. Во-первых, в пределах размера пучка плотность мощности изменяется примерно на 60 %, а во-вторых, значительная часть объекта
подвергается воздействию заниженной плотностью мощности.
178
Поэтому при отсутствии данных о независимости (или слабой зависимости) реакции объекта при изменении плотности мощности ЛИ вполне обоснованным, по мнению
авторов, является требование о незначительном изменении плотности мощности ЛИ в
пределах действующего излучения.
.
10.500
0.325
11.800
0.472
13.400
0.597
15.400
0.715
18.200
0.833
22.300
0.957
28.800
1.097
40.500
1.269
69.300
1.517
100.00
1
0
1
2
ψ
Рисунок 2 - Зоны гауссова пучка с 10 % градацией плотности мощности.
Левый столбец – площадь зоны в единицах площади пучка, правый – размер внешнего
радиуса зоны в единицах размера пучка
В настоящей работе предлагается разработанная авторами экспериментальная
лабораторная лазерная установка для облучения биологических объектов лазерным
излучением низкой интенсивности. При разработке установки за основные действующие факторы были приняты плотность мощности лазерного излучения и время
облучения, т.к. остальные параметры достаточно легко рассчитываются через эти параметры.
Установка (макет) собрана на базе гелий-неонового лазера мощностью
1 мВт с возможной заменой излучателя без значительного изменения остальной части
установки. Облучение осуществляется ТЕМ00 модой (для выделения которой используется Фурье-фильтр [3]) параллельным пучком, для того чтобы исключить влияние
геометрической расходимости. В конструкции установки предусмотрены устройства
для:
− ступенчатого изменения мощности (плотности мощности) излучения;
− плавного изменения диаметра пучка в пределах от 10 до 80 мм;
− устройство, обеспечивающее заданную однородность плотности мощности в
пучке;
− устройство, обеспечивающее заданное время облучения;
− устройство для контроля плотности мощности в процессе облучения;
− экранирующий кожух для обеспечения безопасной работы.
Облучение осуществляется при нормальном падении излучения на биологиче 179
ский объект в экранированном отсеке-боксе.
Изменение плотности мощности ЛИ осуществляется дискретно ослабляющими
светофильтрами. Конструкция барабанного типа.
Рисунок 3 - Схема установки облучения биологических объектов
Изменение диаметра пучка производится с помощью подвижной оптической линзовой системы с переменным фокусным расстоянием: двухкомпонентная система с регулируемым расстоянием между компонентами (изменение фокусного расстояния системы). Совмещение переднего фокуса системы с фильтром Фурье (диафрагма малого
размера) позволяет получать параллельный пучок на выходе системы.
Заданная однородность плотности мощности пучка ЛИ осуществляется ирисовой
диафрагмой.
Отклоняющее зеркало направляет параллельный лазерный пучок на объект. Облучение можно производить как в чашках Петри соответствующего диаметра, так и в пробирках при незначительном ослаблении излучения объектом. Зеркало многослойное диэлектрическое, коэффициент отражения 98%, задняя поверхность зеркала имеет просветляющее покрытие. Прошедшее за зеркало излучение используется для контроля
распределения плотности мощности и контроля мощности ЛИ.
Управление временем воздействия осуществляется с помощью таймера, управляющего затвором – прерывателем.
Распределение плотности мощности ЛИ по сечению пучка определяется с помощью калиброванного фотоприемника до начала облучения БО. Контроль плотности
мощности в процессе проведения эксперимента осуществляется с помощью фотоприемника на оси пучка.
Литература
1 Змиевской Г.Н., «Биодозиметрия в низкоинтенсивной фототерапии», ЛазерИнформ, №№ 15,16 и 17, 2008г.
2 Рогаткин Д.А., «Биодозиметрический винегрет», Лазер-Информ, №23, 2008г.
3 Будаговский А.В. Управление функциональной активностью растений когерентным светом : дис. … докт. техн. наук / А.В. Будаговский. - М.: 2008.- 497 с.
180