Новости Физического института им. П.Н.Лебедева РАН
23.03.2010
В ФИАНе ПРОИЗВЕДЕН СВЕРХПРОВОДЯЩИЙ СОЛЕНОИД, УДОВЛЕТВОРЯЮЩИЙ ВСЕМ ТРЕБОВАНИЯМ МАГНИТНО-РЕЗОНАНСНОЙ ТОМОГРАФИИ
В Физическом институте им. П.Н. Лебедева РАН (ФИАН) создан первый в России сверхпроводящий соленоид для магнитно-резонансной томографии. Он станет важной составной частью отечественного магнитно-резонансного томографа, конкурирующего по своим характеристикам с томографами зарубежных компаний, лидирующих на мировом рынке медицинской техники.
Как известно, человек в основном состоит из воды, поэтому карта распределения в человеческом теле протонов водорода из молекул воды позволяет судить о структуре тканей нашего организма. Именно такая карта и получается на выходе магнитно-резонансной томографии, которая является на сегодняшний день наиболее точным, чувствительным и безопасным методом диагностики внутренних органов и тканей человеческого организма. Однако в России в настоящее время магнитно-резонансные томографы (МРТ) не производятся. При этом согласно программе Минздравсоцразвития РФ по оснащению оборудованием региональных и муниципальных учреждений здравоохранения, реализуемой в настоящее время, медицинские комплексы МРТ являются одними из лидирующих по степени необходимости.
Группа разработчиков из ФИАНа под руководством доктора физ.-мат. наук Евгения Демихова два года назад взялась заполнить рыночную нишу - сделать конкурентный отечественный прибор. Финансовую поддержку оказало Федеральное агентство по науке и инновациям.
"Известные на сегодня магнитно-резонансные томографы различаются по способу получения магнитного поля, при этом от величины магнитного поля обратно пропорционально зависит время исследования. И это очень важно, так как, находясь внутри томографа, пациент должен быть неподвижен. Мы создали сверхпроводящий соленоид с полем в 1,5 Тесла (Тл), исследование томографом на его основе займет всего несколько минут, а сам томограф будет обладать разрешением 0,6 мм. Это означает, что исследуя с помощью такого томографа внутренние органы и ткани человека, врачи смогут видеть объекты размером вплоть до 0,6 мм - а это уже размеры артерий", - объясняет Евгений Демихов.
Для охлаждения соленоида до критической температуры перехода в сверхпроводящее состояние и его поддержания используется специально разработанный для этого криостат с "нулевым парением", осуществляющий принцип безжидкостного охлаждения. Катушка просто помещается в криостат, который заливается жидким гелием один раз в год. Испаряющийся гелий конденсируется на теплообменнике, охлаждаемом низкотемпературным криорефрижератором замкнутого цикла до температуры 4 К. Если бы не было утечек через различные уплотнения, то гелий не надо было бы подливать вообще.
"Экономия жидкого гелия составляет около 4000 литров в год, что позволяет экономить около 2 миллионов рублей в год только на жидком гелии. Для сравнения скажу, что 4000 литров гелия в год - это потребление среднего физического института РАН", - комментирует профессор Демихов.
На основе сверхпроводящего соленоида, помещенного в криостат, уже изготовлен макет будущего магнитно-резонансного томографа для исследования конечностей. Такие томографы в 60% случаев заменяют томографы для диагностики всего тела, ведь большинство травм происходит именно с конечностями, актуальна и проблема варикоза. Однородность магнитного поля, генерируемого в макете, находится на уровне 10-6 в сфере диаметром 160 мм. Этот параметр соответствует высшему уровню требований к МР-томографам. Еще одна особенность томографа производства ФИАН - отсутствие магнитного поля вне томографа. Это достигается наличием специального компенсирующего магнита, за счет него максимальное внешнее магнитное поле не выходит за пределы 5 мТл на расстоянии 0,5 м от томографа.
"Дело осталось, во-первых, за разработкой электроники, необходимой для получения изображения, - говорит Евгений Демихов. - Сейчас она как раз проектируется. Во-вторых, нужен дизайн. Мы хотим сделать красивый прибор и для этого пригласили к сотрудничеству специальную дизайнерскую компанию, которая подготовит такой дизайн, который будет не стыдно показать ни у нас в стране, ни за рубежом. Закончить работы и продемонстрировать прибор уже в готовом виде, мы планируем к концу этого года. По примерным расчетам, стоимость нашего МР-томографа будет в разы меньше стоимости зарубежных аналогов"
Примерно через год планируется начать выводить опытные образцы МРТ на рынок. Тем не менее, по словам самих же разработчиков, эти работы они рассматривают лишь как промежуточный этап. Следующим шагом будет разработка МР-томографа с полем в 3 Тл для диагностики всего тела человека. При повышении поля до 3 Тл с помощью томографа можно будет увидеть детали человеческого организма размером до 0,2 мм.
По материалам АНИ " ФИАН-информ " (http://www.fian-inform.ru/?mode=mnews&id=385&page=1)
СЕРДЦЕ МИНИАТЮРНЫХ АТОМНЫХ ЧАСОВ НАЧАЛО БИТЬСЯ
Сотрудники Лаборатории стандартов частоты ФИАН работают над созданием малогабаритных атомных часов нового поколения. В частности, в настоящее время разработан миниатюрный квантовый дискриминатор - "сердце" будущих высокостабильных атомных часов. Несмотря на малый объем квантового дискриминатора - не более 10 см3 - создающиеся в ФИАНе атомные часы будут настолько точны, что за сутки накопят отклонение всего лишь в одну миллионную часть секунды.
Относительная нестабильность одних из самых точных в мире атомных стандартов частоты и времени (цезиевых фонтанов) достигает 10-16. Такие часы задают время в национальных метрологических лабораториях. Часы с более низкой точностью - 10-13 -обеспечивают точное измерение времени на навигационных спутниках, например, на спутниках систем GPS и ГЛОНАСС. В большинстве массовых применений на Земле столь высокая точность не нужна, достаточно 10-11 - 10-9. Так, прецизионные кварцевые генераторы, производимые в настоящее время, имеют относительную долговременную нестабильность частоты около 10-9 - 10-10 за сутки. Традиционные рубидиевые стандарты с объемом порядка тысячи кубических сантиметров, а весом - до килограммов, обладают нестабильностью выходной частоты 10-12.
Физики из ФИАНа (к.ф.-м.н Владимир Величанский, н.с. Виталий Васильев, к.ф.-м.н Сергей Зибров и аспиранты Ольга Козлова и Александр Сивак) в сотрудничестве с Институтом лазерной физики СО РАН (а конкретно, теоретиками д.ф.-м.н В.И. Юдиным и д.ф.-м.н В.А. Тайченачевым) разрабатывают атомные часы нового поколения с относительной нестабильностью 10-11, сочетая ее с миниатюрностью прибора. "Маятником" разрабатываемых часов является атом цезия, в котором взаимная ориентация моментов ядра и электрона меняется примерно 10 миллиардов раз в секунду. Такие часы рассчитаны на массовое применение и заменят прецизионные кварцевые генераторы, по крайней мере, на порядок превосходя их по долговременной стабильности при меньшем объеме и энергопотреблении. Ожидается, что объем часов не будет превышать 50 см3, а необходимая для потребления мощность - 0,3 Вт.
"На габариты атомных стандартов частоты и времени предыдущего поколения накладывалось ограничение, определяемое длиной волны резонансного СВЧ-поля, взаимодействующего с атомной средой. Поэтому создать прибор с характерными размерами меньше нескольких сантиметров до недавнего времени считалось невозможным. Однако благодаря открытию в 70-х годах эффекта когерентного пленения населенностей (КПН) и разработке миниатюрных диодных лазеров, только в настоящее время эти ограничения удалось устранить. Теперь вместо зондирования метрологического резонанса атомов оптическим и СВЧ полем, используют два оптических поля, и необходимость в громоздком СВЧ резонаторе отпала. Это и открыло путь к миниатюризации" - поясняет научный сотрудник лаборатории Стандартов частоты Виталий Васильев.
"Для оптического возбуждения теперь вместо газоразрядных ламп используются миниатюрные лазеры, что позволяет без ухудшения характеристик в десятки раз уменьшить габариты атомных стандартов с относительной нестабильностью около 10-11, сократить их энергопотребление и стоимость. Это позволит встраивать атомные часы в портативные устройства", - говорит аспирант Александр Сивак.
Область весьма актуальна - разработка подобных атомных часов активно ведется также в США, Франции, Китае, Израиле, Канаде, Швейцарии.
"Наука интернациональна и данный проект подтверждает это особенно наглядно. В Италии обнаружили КПН эффект, в Канаде первыми осуществили чисто оптическое зондирование СВЧ резонанса, мы в ФИАНе в 91 году первыми применили высококогерентные полупроводниковые лазеры для регистрации эффекта, в Германии продемонстрировали возможность использования самого миниатюрного типа полупроводниковых лазеров - лазеров с вертикальным резонатором. Уже в этом веке Национальный Институт Стандартов и Технологии (США) и мощные компании (Honeywell, Symmetricom, Kernko) приступили к разработке технологии для массового производства малогабаритных атомных часов. Мы пока отстаем от США в технологии изготовления атомных часов, поэтому именно в данном направлении сейчас сосредоточены основные наши усилия. Что касается физики эффекта, то наши работы выполнены на мировом уровне", - рассказывает ведущий научный сотрудник Лаборатории стандартов частоты Владимир Величанский.
Одновременно с разработкой соответствующей компактной электронной схемы в ФИАНе работают над дальнейшим уменьшением объема дискриминатора и над новыми технологиями создания его основных узлов. Завершение опытно-конструкторской разработки запланировано на 2012 год, после чего одна из российских компаний приступит к организации в России серийного производства точных и малогабаритных атомных часов. Серийно выпускаемый и доступный прибор позволит значительно увеличить быстродействие потребительских навигационных устройств, развить помехозащищенную широкополосную связь, применить новые методы локации и многое другое.
По материалам АНИ " ФИАН-информ " (http://www.fian-inform.ru/?mode=mnews&id=393&page=1)