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INTERAZIONE ELETTROMECCANICA
Nel grafico delle interazioni (Fig.1) troviamo al gradino più alto quella elettromeccanica. Si tratta di
un’interazione tra tessuto biologico e un laser impulsato con impulsi che vanno dai 10 nsec ai 20
psec. Tipico laser usato in questa modalità è il Nd:YAG Q-switching e mode-loked. Il processo
interattivo non è sostenuto da un assorbimento lineare e quindi non è di tipo termico; infatti
abbiamo intensità luminose che vanno dai 10
10
W/cm
2
(per tempi di qualche nsec) ai 10
11
W/cm
2
(per tempi di qualche psec) che generano campi elettrici dell’ordine di 10
6
-10
7
V/cm.
Tali campi elettrici sono paragonabili ai campi coulumbiani intermolecolari e alle energie di
ionizzazione delle molecole; l’azione di questi campi provoca un breakdown nel materiale con una
conseguente formazione di microplasma. Nella zona colpita dal fascio si ha quindi un’alta densità di
elettroni liberi. L’onda d’urto associata alla rapida espansione del plasma genera una rottura
meccanica localizzata nei punti in cui l’aumento della pressione eccede le forze di coesione dei
tessuti.
Possiamo riassumere i passi del processo in questo modo:
IMPULSO CORTO FOCALIZZATO SUL BERSAGLIO
PRODUZIONE DI ALTA DENSITA’ DI ENERGIA (I ~ 10
10
-10
11
W/cm
2
)
PRODUZIONE DI CAMPI ELETTRICI ELEVATI (E ~ 10
6
-10
7
V/cm )
BREAKDOWN DIELETTRICO (Ener
laser
~ Ener
ionizz.molecole
)
FORMAZIONE DI PLASMA ED ELETTRONI LIBERI (N
e
~ 10
21
cm
-3
, T > 20000°C)
PROPAGAZIONE DI UN’ONDA D’URTO ALLA VELOCITA’ DEL SUONO
ROTTURA MECCANICA LOCALIZZATA DEI TESSUTI (Press > Forza coesiva tessuti)
Il meccanismo di ionizzazione iniziale varia a seconda della durata dell’impulso laser.
Per impulsi dell’ordine di 10 nsec la ionizzazione è causata da un’emissione termoionica derivante
dalla focalizzazione del calore sul bersaglio dove la temperatura eccede i 10000°C (la presenza di
impurità aumenta questo effetto).
Per impulsi dell’ordine di 20 psec si ha ionizzazione a causa di un processo non lineare chiamato
“assorbimento multiplo di fotoni”: l’alta radiazione concentrata nello spot focale viene assorbita ed
arriva a ionizzare le molecole producendo elettroni liberi.
La soglia d’intensità per la produzione dei due fenomeni è diversa: ad esempio in aria si ottengono
elettroni liberi per effetto termico con intensità di 10
11
W/cm
2
mentre per avere assorbimento
multiplo di fotoni occorrono intensità dell’ordine di 10
14
W/cm
2
(nei tessuti biologici tali valori sono
ridotti di un fattore 100).
La densità di energia distribuita è comunque uguale nei due casi ed è circa 10J/cm
2
.
La densità di elettroni liberi che si raggiunge è di circa 10
21
cm
-3
.
L’espansione del plasma genera un’onda d’urto sferica che copre una distanza di circa 30
m
m;
durante tale espansione si raggiungono le temperature più alte e pressioni dell’ordine di qualche
Kbar.
La pressione dovuta all’onda d’urto genera uno stress meccanico e una conseguente lacerazione del
tessuto in esame.
