Supraleiter und die medizinische Anwendu[...]

Supraleiter und die medizinische Anwendung
Wir haben bereits eine Menge über Isolatoren, Halbleiter und Leiter gelernt. Was aber ist ein
Supraleiter? Etwa ein „Super Leiter“?
Ja! Der Supraleiter ist ein „Super Leiter“ bei tiefen Temperaturen.
Supraleitende Stoffe wie Germanium, Silizium, Keramiken bzw. verschiedenste Verbindungen mit
Eisen, verlieren bei
ei tiefen Temperaturen ihren elektrischen Widerstand nahezu vollständig. Die
Konsequenz ist, dass Strom ungehindert, also ohne Verluste fließen kann.
k
Die Temperatur, bei der der Supraleiter seinen elektrischen Widerstand verliert, nennt man
Sprungtemperatur TC.
Über Supraleitungen kann also Energie (Strom) ohne Verluste transportiert werden.
R in Ω
Normalleiter
Supraleiter
Restwiderstand
0
T in K
TC
Man unterscheidet zwischen Tief
Tief- und Hochtemperatursupraleitern.
Tieftemperatursupraleiter Hochtemperatursupraleiter
Stoffbeispiel
Quecksilber, Wolfram,…
Keramiken
Eisenverbindungen
Sprungtemperatur -235°C
235°C bis -273°C
-130°C bis -180°C -220°C
220°C bis -250°C
entdeckt
1920 bis heute
1920 bis heute
2008 bis heute
Solche tiefen Temperaturen erreicht man z.B. mit Kühlung durch flüssigen Stickstoff ((-195°C) oder
flüssiges Helium (-273°C).
Eine weitere Eigenschaft, diee sich aus der Supraleitung ergibt, sind hohe Magnetfelder.
Wir wissen, dass jeder stromdurchflossene Leiter von einem Magnetfeld umgeben ist. Hoher Strom
bedeutet hohes Magnetfeld.
Dadurch werden Supraleiter beim Bau von Magnetschwebebahnen eingesetzt.
Supraleiter in der Radiologie:
Im Folgenden soll vereinfacht erklärt werden, warum der Supraleiter unendlich wichtig für die
heutige Medizin ist.
Die Heilung von Krebs, ist von der Früherkennung im Kernspintomograf abhängig. Hirnverletzungen
können nur durch
rch geeignete Kernspinoperationen durchgeführt werden.
Der Körper besteht aus vielen verschiedenen Atomen. Diese haben alle einen Kern. Der Kern dreht
sich um seine eigene Achse. Man sagt dazu Kernspin.
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Der Pfeil ist die Drehachse und zugleich steht er für ein magnetisches Feld. Man sagt, jeder Kern hat
ein magnetisches Moment (langer Pfeil).
Wird ein solcher Atomkern in ein äußeres Magnetfeld (Bz) eingebracht, dann macht er eine
Präzessionsbewegung wie ein Kreisel.
Bei der Kernspin- oder Magnetresonanztomographie (MRT) wird der Patient in ein starkes
Magnetfeld gebracht. Bestimmte Atomkerne im Körper richten sich darin wie Magnetnadeln aus.
Wenn nun ein starker Hochfrequenzimpuls (Radiowelle) eingestrahlt wird, ändern sich die
Orientierung der Atomkerne. Beim Abschalten des Impulses kehren die Kerne (Spins) in ihre
Ausgangslage zurück, wobei sie ein Radiosignal abstrahlen, welches in speziellen Empfangsspulen
gemessen wird. Die verschiedenen Gewebe im Körper reagieren auf das Magnetfeld und den Impuls
unterschiedlich, wodurch verschiedene Signale ausgesendet werden. Die Signalstärke wird zur
Erzeugung eines Bildes verwendet. Dies wird auf der nächsten Seite nochmals genauer erläutert.
Zunächst der Aufbau eines MRT:
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Der Magnet in der obigen Abbildung (Ziffer 5) ist ein Elektromagnet aus supraleitendem Material.
Die 1,5 Tesla des „Magnetom Vision“ entsprechen dem 25.000 bis 50.000 fachen des
Erdmagnetfelds.
Wird ein Körper in ein MRT eingeführt, dann präzedieren alle Kerne um das statische Magnetfeld.
Durch weitere supraleitende Elektromagnete wird kurzzeitig ein Feld erzeugt, welches die
Präzessionsbewegung stört. Es dauert eine gewisse Zeit (Relaxationszeit) bis der Kernspin sich der
Präzessionsbewegung wieder angepasst hat. Diese Zeit ist für die unterschiedlichen
Gewebeschichten charakteristisch.
In der sogenannten Kopfspule (bei Kopfuntersuchungen) werden die Relaxationszeiten gemessen
und an einen PC übertragen.
Die entstanden Rohdaten werden mit Hilfe der Mathematik (Fourier-Transformation) zu Bildern
umgerechnet.
Querschnitt: Schädel von oben
Mathematik
Die MRT kommt also ohne Röntgenstrahlung aus. Ein weiterer Vorteil ist der hohe Gewebekontrast,
speziell auch im Bereich des Bewegungsapparates, wo sich auch feinste Strukturen voneinander
abgrenzen lassen.
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