Tomografia a Risonanza Magnetica e superconduttori

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Tomografia a Risonanza
Magnetica
e
superconduttori
Dai magneti e le loro applicazioni alla
risonanza magnetica per uso medico
La prima applicazione del magnetismo: la bussola
Una delle prime bussole: descritta nel 1040 nel Wu Ching Tsung Yao, un trattato di
tecniche militari
Altoparlante (o microfono)
How spealers work
Altoparlante (o microfono)
How spealers work
●
Magneti permanenti
Magnetite
10 cm
Ferrite
NdFeB
...GRANATI
●
Registrazione magnetica: la spina dorsale della rivoluzione elettronica
Oersted + Ampere
UN FATTO: La corrente che passa per un filo devia l'ago della
bussola
S
L'ago e' un piccolo magnete
N
SPIEGAZIONE: La corrente I produce un campo magnetico B
intorno a se`
L'ago si allinea lungo il campo magnetico B
Le correnti esercitano una forza sugli aghi magnetici
I magneti (B) esercitano una forza sulle correnti
Anche il campo del magnete
e` dovuto a microcorrenti:
quelle degli atomi (ad
esempio del ferro)
Riassunto:
i campi magnetici sono
l'effetto di correnti
Per ottenere B intensi:
1) Materiali magnetici
Bmax ~ 2T ~ 30000 volte Bterra
oppure
2) correnti elevatissime
e molte spire
Linee di forza
Cosa e` il campo magnetico?
le curve immaginarie
(linee di forza)
lungo cui si allineano
gli aghi magnetici delle
bussole
limatura come piccoli
aghetti
S
Aghi sempre piu` piccoli
NN
la limatura di ferro
aghi femtoscopici:
lo spin dei nuclei
dell'atomo di idrogeno
(i protoni, 1H)
N
S
trottola
La precessione, ovvero non sempre gli aghi si allineano
Trottola: il
momento angolare
precede attorno a
g
protoni (1H):
lo spin precede
attorno a B
La frequenza di precessione e` regolata dal campo magnetico
= B
Precessione di Larmor
Legge di Faraday
B
bobine di ricezione
NMR (e MRI)
+
a)
magnete
+
b)
spin nucleari
+
d)
induzione di un segnale
alla frequenza = B
c)
occorre
farli danzare a tempo
irraggiandoli inizialmente
con onde radio
Uno strumento medico moderno
Magnete e bobine di
ricezione
Per vedere cosa e` la MRI andiamo a Harvard
Mozilla
http://www.med.harvard.edu/AANLIB/cases/caseNA/pb9.htm
Per vedere cosa e` la MRI andiamo a Harvard
Mozilla
http://www.med.harvard.edu/AANLIB/cases/caseNA/pb9.htm
Joe ci spiega la tomografia
Joe P. Hornak http://www.cis.rit.edu/htbooks/mri
La Risonanza Magnetica Nucleare (NMR):
cosa si osserva?
un voxel
La Risonanza Magnetica Nucleare (NMR):
cosa si osserva?
cellule
La Risonanza Magnetica Nucleare (NMR):
cosa si osserva?
acqua
La Risonanza Magnetica Nucleare (NMR):
cosa si osserva?
molecole di H2O
La Risonanza Magnetica Nucleare (NMR):
cosa si osserva?
molecola di H2O
H
nucleo di 1H
(protone)
Come si fa ad osservare una sola fetta del cervello di Joe?
La radiofrequenza fa
danzare a tempo solo quella
Come si ottiene la tomografia dentro la fetta?
Immaginiamo che
l'idrogeno sia concentrato
in tre soli punti
Se mettiamo la testa di Joe
in uno strumento NMR
frequenza di Larmor
L'intensita` del segnale NMR e` proporzionale al
numero di nuclei di 1H
Se il campo B cresce in una direzione
i tre punti precedono a frequenze
diverse
= B
Se B cresce così
ma se in esperimenti
successivi B cresce in
diverse direzioni
Rielaborando l'informazione
si puo` ricostruire l'immagine
Il corpo umano (per parti)
Sempre piu` piccolo, con B=8T:
Un polso <-------> 5cm
Una fettina <-------------->
0.1 mm!
Ricostruzioni tridimensionali
I polmoni che respirano gas Xenon ultrapolarizzato
Perche` i superconduttori?
per produrre B=10T (circa
circa 140 000 volte il campo della terra
terra)
30 000 A di corrente
in fili di rame: 5 MW di
potenza dissipata (resistenza),
pari al consumo delle abitazioni
di una citta`come Fidenza
Superconduttore:
se la resistenza e` nulla, la potenza dissipata e`nulla!
La scoperta della superconduttivita`in Hg (1907)
resistenza (Ohm)
Con l'elio liquido (4.2K=-273 C)
temperatura (K)
dal discorso di K. Onnes a Stoccolma
Spiegazione della
scomparsa della
resistenza elettrica.
Gli elettroni
viaggiano a due a due
e domano
l'agitazione termica
caotica degli ioni.
Purtroppo occorre restare al freddo:
Hg sotto Tc = 4.2K = -269 C
Nb sotto Tc = 9.2 K = -264 C
I cuprati:
record
Tc = 134K = -139 C
(HgBa2Ca2Cu3O8)
YBa2Cu3O7
Tc = 92 K = -181 C
Diamagnetismo (Effetto Meissner-Ochsenfeld)
Levitazione
Levitazione
Maglev
Yamanashi Maglev Test Line
Superconducting Coil
Magnetomotive force
700 x 4 x 2
(kA) x poles x rows
Max.speed(km/h)
581(result)
Completed year
1996-2002
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