Матеріали та елементи лазерних медичних систем та детекторів радіації
Спеціальність: Мікро- та наносистемна техніка (освітньо-наукова програма)
Код дисципліни: 7.176.02.E.021
Кількість кредитів: 7.00
Кафедра: Напівпровідникова електроніка
Лектор: Бурий О.А.
Семестр: 2 семестр
Форма навчання: денна
Завдання: Внаслідок вивчення навчальної дисципліни студент повинен бути здатним продемонструвати такі результати навчання:
знати основні оптичні явища, на яких базується використання активних середовищ у лазерній техніці і детекторах радіації, зокрема в медичних лазерних системах та дозиметричних системах;
знати номенклатуру та класифікацією оптичних матеріалів для лазерних систем, сцинтиляційних та дозиметричних матеріалів за ознакам їх властивостей, технології виготовлення та застосування;
знати основні методи визначення характеристик матеріалів лазерних систем та детекторів радіації;
знати основні методи отримання активних середовищ лазерних систем та детекторів радіації;
знати особливості дії лазерного випромінювання та іонізуючого випромінювання на речовину та живу тканину;
вміти сформулювати основні вимоги до активних середовищ, що використовуються в лазерних системах;
вміти порівняти різні активні середовища лазерних систем за їх основними характеристиками та вибрати оптимальне для заданого застосування;
вміти пояснити використання активних середовищ у широковживаних типів лазерів, пристроїв керування лазерним променем та детекторах радіації.
Вивчення навчальної дисципліни передбачає формування і розвиток у студентів компетентностей:
загальних:
• поглиблені знання в галузі мікро- та наносистемної техніки, необхідні для освоєння професійно-орієнтованих дисциплін;
• здатність до аналізу та синтезу;
• здатність до застосування знань на практиці;
• мати дослідницькі навички;
фахових:
•. розроблення матеріалів з наперед заданими властивостями і проведення відповідних теоретичних і експериментальних досліджень;
• проведення прогнозованого пошуку нових матеріалів і фізичних явищ, які можна використати для створення матеріалів і компонентів фізичної та біомедичної електроніки;
• розрахунок і проектування структури і пристроїв для електронної техніки на сучасній елементній базі з використанням новітніх матеріалів і технологій їх одержання;
• постановка задач та проведення досліджень у галузі фізики і технології матеріалів та приладів фізичної та біомедичної електроніки.
Результати навчання: У результаті вивчення навчальної дисципліни здобувач освіти повинен бути здатним продемонструвати такі програмні результати навчання:
РН1 1. Р1. Формулювати і розв’язувати складні інженерні, виробничі та/або науковізадачі під час проектування, виготовлення і дослідження мікро- тананосистемної техніки різноманітного призначення та створення конкурентоспроможних розробок, втілення результатів у бізнес-проектах.
РН2. Р4. Застосовувати спеціалізовані концептуальні знання, що включають сучасн інаукові здобутки, а також критичне осмислення сучасних проблем у сфері мікро- та наноелектроніки, для розв’язування складних задач професійної діяльності.
РН3. Р7. Розв’язувати задачі синтезу та аналізу приладів та пристроїв мікро- та наносистемної техніки.
РН4. Р12. Будувати і досліджувати фізичні, математичні і комп’ютерні моделі об’єктів та процесів мікро- та наноелектроніки.
РН5. ФКС1. Проведення прогнозованого пошуку нових матеріалів і фізичних явищ, які можна використати для створення матеріалів і компонентів біомедичних мікро- та наноелектронних систем.
РН6. КС2. Розрахунок і проектування структури і пристроїв для електронної техніки на сучасній елементній базі з використанням новітніх матеріалів і технологій їх одержання.
РН7. АіВ3. ФКС3. Постановка задач та проведення досліджень у галузі фізики і технології матеріалів та біомедичних мікро- та наноелектронних систем.
Необхідні обов'язкові попередні та супутні навчальні дисципліни: Попередні навчальні дисципліни:
фізика;
твердотільна електроніка.
Супутні навчальні дисципліни:
електронна апаратура для медичної діагностики,
сучасні методи досліджень.
Короткий зміст навчальної програми: Дисципліну присвячено вивченню фізичних основ використання лазерів у галузі медицини, а також детекторів радіаційних випромінювань. Розглядаються основні типи матеріалів, що застосовуються в лазерних системах та детекторах радіації, зокрема, характеристики матеріалів та методи їх отримання. На практичних заняттях проводяться розрахунки параметрів лазерів, за допомогою презентацій та учбових фільмів вивчаються різні аспекти застосування лазерів у медицині.
Опис: Тема 1. Основні напрямки використання лазерів у медицині
Лазери у медичній діагностиці, терапії та хірургії. Класифікація твердотільних лазерів для медицини. Вимоги до матеріалів.
Тема 2. Енергетичні рівні активаторів
Основний та збуджені рівні. Розщеплення рівнів під дією електрон-електронної та спін-орбітальної взаємодії. Правила Хунда. Кристалічне поле та штарківське розщеплення енергетичних рівнів. Переходи між рівнями, правила відбору. Сила осцилятора.
Тема 3. Лазерний кристал рубіну.
Оптичні та генераційні властивості кристала рубіну. Застосування рубінового лазера у медицині.
Тема 4. Неодимові лазерні кристали
Ітрій-алюмінієвий гранат, алюмо-ітрієвий перовськит, галієві гранати, фторид літію-ітрію, їх механічні, теплові, оптичні та генераційні характеристики. Неодимові лазерні стекла, характеристики та методи отримання. Застосування неодимових лазерів у медицині.
Тема 5. Процеси безвипромінювального передавання енергії електронного збудження
Концентраційне гасіння люмінесценції. Крос-релаксація, ап-конверсія, сенсибілізація. Дезактивація нижнього лазерного рівня. Каскадна лазерна генерація. Лазерні кристали, активовані іонами Er, Ho, Tm, Ho, Pr, Yb, енергетичні рівні, спектрально-люмінесцентні властивості, механізми генерації та енергетичні характеристики, використання у медицині.
Тема 6. Лазерні кристали з перебудовою частоти випромінювання, їх основні властивості
Електронно-коливні переходи. Адіабатичні потенціали. Лазери на центрах забарвлення в лужногалоїдних кристалах. Принципи генерації і основні характеристики. Центри забарвлення в кристалах і методи їх створення. Механізми генерації на центрах забарвлення. Використання лазерів із перебудовою частоти у медицині.
Тема 7. Пристрої керування світловим променем
Лінійний електрооптичний ефект, основні співвідношення. Електрооптичні модулятори та дефлектори світла. Типи модуляції світла. Основні характеристики модуляторів. Матеріали електрооптичних пристроїв. Електрооптичний ефект Керра. Акустооптичний ефект, основні співвідношення. Пристрої на основі акустооптичного ефекту, принцип роботи, основні характеристики. Акустооптичні матеріали. Магнітооптичний ефект Фарадея, його використання для керування світловим променем.
Тема 8. Нелінійні оптичні явища і пристрої на їх основі
Нелінійна поляризація. Генерація сумарних і різницевих частот. Умова фазового синхронізму. Помножувачі частоти. Параметрична генерація світла. Вимушене комбінаційне розсіювання і розсіювання Мандельштама-Брілюена. Самофокусування лазерного променя. Нелінійні кристали, їх основні властивості.
Тема 9. Мікрочіпові лазери та області їх застосування. Епітаксійні гранатові структури для мікрочіпових лазерів, методи їх отримання та властивості. Тонкоплівкові модулятори світла на основі кристала YAG:Сr4+.
Тема 10. Види іонізуючих випромінювань
Джерела радіації. Розподіл енергії іонізуючих випромінювань при взаємодії з середовищем. Поглинута, експозиційна та еквівалентна радіації. Радіаційні дефекти і механізми їх утворення. Деградація характеристик матеріалів при опроміненні. Радіаційна модифікація твердих тіл. Дія радіації на живі організми.
Тема 11. Методи дозиметрії
Детектори іонізуючих випромінювань. Сцинтиляційні та люмінесцентні детектори. Основні матеріали сцинтиляційних та люмінесцентних детекторів.
Методи та критерії оцінювання: Діагностика знань проводиться шляхом опитувань студентів при проведенні практичних занять а також завдяки контролю виконання ними поставлених практичних завдань.
Поточний контроль: виконані завдання.
Підсумковий контроль: залік.
Критерії оцінювання результатів навчання: Виконання завдань на практичних заняттях - 40
Залік - 60
Разом за дисципліну – 100
Порядок та критерії виставляння балів та оцінок: 100–88 балів – («відмінно») виставляється за високий рівень знань (допускаються деякі неточності) навчального матеріалу компонента, що міститься в основних і додаткових рекомендованих літературних джерелах, вміння аналізувати явища, які вивчаються, у їхньому взаємозв’язку і роз витку, чітко, лаконічно, логічно, послідовно відповідати на поставлені запитання, вміння застосовувати теоретичні положення під час розв’язання практичних задач; 87–71 бал – («добре») виставляється за загалом правильне розуміння навчального матеріалу компонента, включаючи розрахунки , аргументовані відповіді на поставлені запитання, які, однак, містять певні (неістотні) недоліки, за вміння застосовувати теоретичні положення під час розв’язання практичних задач; 70 – 50 балів – («задовільно») виставляється за слабкі знання навчального матеріалу компонента, неточні або мало аргументовані відповіді, з порушенням послідовності викладення, за слабке застосування теоретичних положень під час розв’язання практичних задач; 49–26 балів – («не атестований» з можливістю повторного складання семестрового контролю) виставляється за незнання значної частини навчального матеріалу компонента, істотні помилки у відповідях на запитання, невміння застосувати теоретичні положення під час розв’язання практичних задач; 25–00 балів – («незадовільно» з обов’язковим повторним вивченням) виставляється за незнання значної частини навчального матеріалу компонента, істотні помилки у відповідях на запитання, невміння орієнтуватися під час розв’язання практичних задач, незнання основних фундаментальних положень.
Рекомендована література: Література
Базова
1. Бурий О.А., Убізський С.Б. Матеріали лазерних медичних систем та детекторів радіації. Львів, видавництво „Львівської політехніки”, 2018.
2. Матковский А.О. Матеріали квантової електроніки. Львів: Ліга Пресс, 2000.
3. O. Zvelto. Principles of lasers. Springer, 1998.
4. Fuxi Gan. Laser materials. World Scientific, Singapure, 1995.
5. Kochner W. Solid State Laser Engineering. Springer, Berlin, 1996
Допоміжна
6. Kaminski A.A. Today and Tomorrow of Laser Crystal Physics. Phys. Stat. Sol. (a), 1995, V.148, № 1, p.9-79.
7. Kaminski A.A. Modern Developments in the Physics of Crystalline Laser Materials // Phys. Stat. Sol. (a) – 2003. –Vol. 200, No.2. – P. 215-296.
8. Бурий О.А., Убізський С.Б. Матеріали лазерних медичних систем та детекторів радіації. Львів, видавництво „Львівської політехніки”, 2018.
Методичні вказівки
Бурий О.А. Розрахунок тверодільного лазера неперервного режиму роботи. Методичні вказівки до практичних та самостійних робіт. Львів, видавництво „Львівської політехніки”, 2015.
Інформаційні ресурси
Навчально-методичний комплекс дисципліни, розміщений у віртуальному середовищі Національного університету «Львівська політехніка» за адресою https:// https://vns.lpnu.ua/course/view.php?id=3851
Учбові відео з мережі Internet, які демонструють застосування методів медичної діагностики.
Уніфікований додаток: Національний університет «Львівська політехніка» забезпечує реалізацію права осіб з інвалідністю на здобуття вищої освіти. Інклюзивні освітні послуги надає Служба доступності до можливостей навчання «Без обмежень», метою діяльності якої є забезпечення постійного індивідуального супроводу навчального процесу студентів з інвалідністю та хронічними захворюваннями. Важливим інструментом імплементації інклюзивної освітньої політики в Університеті є Програма підвищення кваліфікації науково-педагогічних працівників та навчально-допоміжного персоналу у сфері соціальної інклюзії та інклюзивної освіти. Звертатися за адресою:
вул. Карпінського, 2/4, І-й н.к., кімн. 112
E-mail: nolimits@lpnu.ua
Websites: https://lpnu.ua/nolimits https://lpnu.ua/integration
Академічна доброчесність: Політика щодо академічної доброчесності учасників освітнього процесу формується на основі дотримання принципів академічної доброчесності з урахуванням норм «Положення про академічну доброчесність у Національному університеті «Львівська політехніка» (затверджене вченою радою університету від 20.06.2017 р., протокол № 35).