CN102364333A - 一种永磁极化器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种永磁极化器，第一遮光罩内装有内蚀光栅激光器、多芯光纤、圆偏振/扩束器；第二遮光罩内装有光谱仪；多芯光纤的两端分别连接内蚀光栅激光器和圆偏振/扩束器；单开口真空阀门与蒸汽/气体室连接；带有工作气体入口和真空配气口的第一三开口真空阀门依次连接第三玻璃管、第一双开口真空阀门、第二玻璃管、脱氧管、第一玻璃管之后连接到蒸汽/气体室上，带有第一极化气体出口、第二极化气体出口的第二三开口真空阀门依次连接第五玻璃管、第二双开口真空阀门、第四玻璃管之后连接到蒸汽/气体室，蒸汽/气体室玻璃外壁上依次缠绕着电热丝、保温膜，磁屏蔽筒位于磁环组、保温膜、电热丝、蒸汽/气体室之外。
Description
技术领域
本发明涉及激光技术增强核磁共振(NMR)和磁共振成像(MRI)信号的领域，更具体涉及一种永磁极化器，通过激光方式产生大容量、高度核自旋极化的惰性同位素气体，从而能够极大地提高信号探测的灵敏度，适用于多孔、表面等材料和生物体的核磁共振/磁共振成像研究，或者用于分子生物探针。
背景技术
将惰性同位素气体原子核自旋极化增强到超过热平衡水平的方法，能够极大地提高核磁共振/磁共振成像检测灵敏度。亚稳态光抽运[Walters G.K.et al.，Phys.Rev.Lett.，8(1962)，439.]、自旋交换光抽运(SEOP)[Chupp T.E.et al.，，Phys.Rev.C.，36(1987)，2244.]、动态核极化(DNP)[Ardenkjaer-Larsen J.H.et al.，PNAS.，100 18(2003)，10158.]、仲氢诱导核极化(PHIP)[Natterer J.et al.，Progress in nuclearmagnetic resonance spectroscopy.，31(1997)，293.]等多种方法能够有效的增强原子核自旋极化，与其获得的非平衡极化度相比，远远高于在相同磁场里玻尔兹曼平衡值，可以使惰性同位素气体核磁共振的探测灵敏度提高4～5个数量级[Zhou X.et al.Chin.Phys.Lett.，21(2004)，1501.]。由于自旋交换光抽运方法比较简单和极为有效等特点[XinZhou，“In vivo NMR imaging：methods and protocols，Humana Press，(2011)，USA]，近20年来，使用自旋交换光抽运方式产生激光极化惰性同位素气体的方法获得极大发展。用于生物医学中的激光极化惰性同位素气体生产装置[Xin Zhou et al.，NMR in Biomed，21(2008)217.]，通常使用连续流动方式+固态累积/储存器组成。与激光极化惰性同位素气体在多孔材料(微孔沸石、中孔分子筛及纳米材料)、薄膜材料表面等方面应用相比较[Xin Zhou et al.，J.Magn.Reson.196(2009)，217.]，激光极化惰性同位素气体的核磁共振/磁共振成像应用于生物医学中[Xin Zhou et al.，Proc.Natl，Acad.Sci.106(2009)16903.]，例如生物体的核磁共振/磁共振成像研究[Xin Zhou et al.，NMR in Biomed，24(2011)170.]，必须获得更大容量、更高极化度的激光极化惰性同位素气体，因此，在方法和技术上都具有挑战性。
针对本发明应用背景的已有相关文章和专利的技术方案如下：
1)样品管或者泡技术。在一个独立的高真空度玻璃管或者球型玻璃泡里同时封装碱金属原子和惰性气体，能够达到高效率的增强129Xe原子核自旋极化，激光极化的增强倍数为103～105[Xianping Sunet al.，Appl.Magn.Reson.，16(1999)，363.；Zhou Xin et al.，Appl.Magn.Reson.，26(2004)，327.]。这种方法方便于低场极化的核磁共振探测[Sun Xianping et al.，Chinese J.Lasers.，B10 1(2001)，47.]或者直接强场极化的核磁共振探测/磁共振成像[Sun Xianping et al.，ChinesePhys.Lett.，16 6(1999)，408.；Mary Mazzanti et al.，PloS One 6(2011)e21607.]。但是，由于使用的局限性，其不易扩展研究到其它感兴趣的材料或者生物体中。
2)流动系统。Driehuys B.等人[Appl.Phys.Lett.，69(1996)，1668.]和Haak M.等人[J.Am.Chem.Soc.119(1997)，11711.]在他们的实验室里分别建造了大容量激光极化惰性气体生产装置，Driehuys B.等人的系统包括Helmholtz线圈、光抽运泡，压力表、玻璃真空系统和一个球形气体液体混合室；Haak M.等人的装置由光抽运室，碱金属凝缩池，压力表和激光极化129Xe固态储存室组成。因为出于不同方式的考虑和不同的使用目的，他们的装置与本发明——永磁极化器结构与方法上都有所不同。
3)磁场。方式A——通常使用Helmholtz线圈产生激光抽运的环境磁场[孙献平等人.，中国发明专利号：ZL01106694]。在要求磁场均匀度的条件下则需要大的直径，使得体积大，重量比较重；方式B——螺旋管磁场线圈需要连续缠绕，因此不适宜使用在多进出口的极化器泡的装置上，同时其也存在重量与需要电源供电等问题；方式C——利用核磁共振谱仪的翼磁场[Shing-Jong Huang et al.，Journalof Physical Chemistry B.，109 2(2005)，681.]——需要将极化装置靠近核磁共振谱仪的磁体，工作起来不方便；特别地，最新的商品核磁共振谱仪使用了高磁屏蔽或者超高磁屏蔽技术，5Gauss线很短，利用翼磁场的方法使用更加困难。
4)电加热产生碱金属原子蒸气。热空气加热方式A——由电热丝加热空气，然后经气体扩散传热至原子极化室玻璃壁[Xin Zhou etal.，Phys.Rev.B，70(2004)，052405.]；热空气加热方式B——由热管加热流动通过的空气，然后热空气加热原子极化室玻璃壁；液体加热方式——是电加热含有芳烃或环烷烃型导热油等液体，然后热液体传导热到原子极化室玻璃外表壁。
5)原子极化室热熔玻璃封口。此方式只能一次性注入碱金属使用，当碱金属消耗完或者意外氧化后需要整个更换，不经济、不方便。
6)保温筒。通常使用聚四氟乙烯塑料、聚醚醚酮树脂等保温材料制作，能够达到理想的保温效果。但是，它们体积较大，需要一定刚性材料支撑和结构连接增加了极化装置的复杂性。
7)激光器。通常使用两类激光器，一种是大功率阵列半导体激光器，具有太宽的线宽，FWHM：～3nm；另外一种是半导体激光器，尽管线宽很窄，FWHM：～10MHz，一般为低功率：≤150mW。
8)测量与监测。通常使用的光电探测器+波长计或者功率计方式——交换测量不方便、不直观；观测线宽、吸收等状态时需要激光光源的波长扫描。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种惰性同位素气体的永磁极化器。易移动、易操作、结构简单、全自动控制。能够有效地生产高度核自旋极化的惰性同位素气体，在多孔、表面等材料和生物体的核磁共振/磁共振成像研究，或者用于分子生物探针方面，能够极大地提高了核磁共振信号的探测灵敏度。
为了实现上述的目的，本发明采用以下技术措施：
一种永磁极化器，如图1所示为其结构示意图。包括内蚀光栅激光器、多芯光纤、圆偏振/扩束器、蒸气/气体室、电热丝、单开口真空阀门、磁屏蔽筒、磁环组、光谱仪，其特征在于：
第一遮光罩内装有内蚀光栅激光器、多芯光纤、圆偏振/扩束器；第二遮光罩内装有光谱仪；多芯光纤的两端分别连接内蚀光栅激光器和圆偏振/扩束器；单开口真空阀门与蒸气/气体室连接；带有工作气体入口和真空配气口的第一(三开口)真空阀门依次连接第三玻璃管、第一(双开口)真空阀门、第二玻璃管、脱氧管、第一玻璃管，第一(三开口)真空阀门连接到蒸气/气体室上，构成工作气体流入和真空配气控制通道。
带有第一极化气体出口、第二极化气体出口的第二(三开口)真空阀门依次连接第五玻璃管、第二(双开口)真空阀门、第四玻璃管之后连接到蒸气/气体室，构成极化惰性同位素气体输出控制通道；玻璃连接棒两端连接第一玻璃管和第四玻璃管，起加固支撑、保护作用。
蒸气/气体室玻璃外壁上依次缠绕着电热丝、保温膜，保证蒸气/气体室里工作的碱金属蒸气原子数密度；磁屏蔽筒位于磁环组、保温膜、电热丝、蒸气/气体室之外，保证蒸气/气体室里的碱金属原子蒸气和工作气体处于磁环组产生的磁场内；磁屏蔽筒、磁环组与蒸气/气体室三者同轴装配，磁环组产生纵向磁场，其方向与工作气体流动方向、激光束传输方向一致。
内蚀光栅激光器与多芯光纤、圆偏振/扩束器、蒸汽/气体室、光谱仪共中心轴。
所述的第一遮光罩为铝板材料制作的长方形盒，内表面全部涂黑处理；
所述的内蚀光栅激光器为QPC BrightlockTM Ultra 100或者Ultra500；
所述的多芯光纤为QPC 600μm/0.22NA；
所述的圆偏振/扩束器，由QPC Beam Collimator+λ/4波片(310-0142-001)组成；
所述的蒸气/气体室，由派瑞克斯玻璃制作，内表面由有机硅涂壁，外直径Φ30：Φ60mm，长60～200mm；
所述的电热丝为康铜加热丝型或者薄膜型；
所述的保温膜采用聚四氟乙烯薄膜；
所述的磁屏蔽筒由纯铁材料加工制成；
所述的磁环组由双数永磁铁磁环组成，使用一对或两对或三对，永磁铁磁环为钕铁硼材料制成；
所述的光谱仪为Ocean Optics Inc.USB2000+微型光纤光谱仪。
实现上述一种永磁极化器的步骤为：
(a)如图1所示为本发明——一种永磁极化器的结构示意图，通过永磁极化器的蒸气/气体室外面同轴装配的磁环组和磁屏蔽筒，提供高度极化惰性同位素气体所要求的强度与均匀性的环境磁场；蒸气/气体室玻璃外壁上直接缠绕电热丝和保温膜，在蒸气/气体室里产生高度极化惰性同位素气体所要求的碱金属蒸气原子数密度；
(b)进入永磁极化器的工作气体流动经过第一(三开口)真空阀门和第一(双开口)真空阀门后，由脱氧管进一步作纯化处理，通过脱氧管能够有效地滤出剩余的气体杂质、除去残留微量O2、H2O、CO等氧化性杂质气体，然后，流入到蒸气/气体室里与碱金属原子蒸气混合；
(c)内蚀光栅激光器发射的激光传输通过多芯光纤导引后，由圆偏振/扩束器转换为圆偏振且被扩束到与蒸气/气体室入口端匹配直径尺寸的激光束，照射蒸气/气体室，由于第一遮光罩的作用，激光束的散射光不会向外泄露；
(d)激光束沿着多芯光纤、圆偏振/扩束器、蒸气/气体室中心轴传输，从蒸气/气体室出射后，由光谱仪测量激光束的波长、线宽，监视碱金属蒸气原子吸收的状态；光谱仪放置在第二遮光罩里，因此，外部的光噪声不会对其的测量与监控产生影响；
(e)激光束传输与磁环组产生的磁场方向、工作气体流动方向一致。激光束与蒸气/气体室里的碱金属原子蒸气和流动工作气体相互作用后，连续产生高度核自旋极化的惰性同位素气体；
所述的高度核自旋极化的惰性同位素气体是指与其获得的非平衡极化度相比远远高于在相同磁场里玻尔兹曼平衡值。增强核自旋极化，可以使惰性同位素气体核磁共振的探测灵敏度提高104——105倍。
(f)工作气体中的惰性同位素气体原子核获得高度自旋极化后流动通过第二(双开口)真空阀门到达第二(三开口)真空阀门，最后选择第一极化气体出口或第二极化气体出口中的一个流出永磁极化器，或者到核磁共振/磁共振成像系统中使用，或者到固态累加/储存器里。
本发明的原理如下：
本发明是利用内蚀光栅激光器照射一个永磁铁磁场环境的蒸气/气体室里的碱金属蒸气原子和工作气体，实现惰性同位素气体原子核的高度自旋极化。永磁铁磁环组加上磁屏蔽筒产生由碱金属蒸气原子和工作气体所要求的磁场强度和均匀度。蒸气/气体室玻璃外壁上直接缠绕电热丝以及聚四氟乙烯薄膜，获得工作要求的碱金属蒸气原子数密度。使用脱氧管作进一步过滤和脱氧，加上可重复使用的蒸气/气体室，能够极大地延长了本发明——永磁极化器的使用寿命。光谱仪的使用更加直接地测量激光的波长、线宽和实时地监控碱金属蒸气原子吸收谱，能够非常直观地通过调节相关工作参数来增强产生激光极化惰性同位素气体原子核的效率。
该装置包括两个遮光罩、内蚀光栅激光器、多芯光纤、圆偏振/扩束器、激光束、蒸气/气体室、电热丝、(单开口)真空阀门、保温膜、磁屏蔽筒、磁环组、光谱仪、五根玻璃管、脱氧管、两个(双开口)真空阀门、两个(三开口)真空阀门、玻璃连接棒、工作气体入口、真空配气口、两个极化气体出口组成。其特征在于：本发明装置一体化设计，磁屏蔽筒的两端分别与两个遮光罩相连，一个遮光罩内装有内蚀光栅激光器、多芯光纤、圆偏振/扩束器，另一个遮光罩内装有光谱仪，由外至内装配磁屏蔽筒、磁环组、保温膜、电热丝、蒸气/气体室，保证蒸气/气体室里的碱金属原子蒸气和工作气体处于磁环组产生的磁场内，蒸气/气体室上依次缠绕着电热丝、保温膜，保证蒸气/气体室里工作的碱金属蒸气原子数密度，内蚀光栅激光器发射激光束传输依次通过多芯光纤、圆偏振/扩束器，成为圆偏振且被扩束的，然后传输通过蒸气/气体室、与光谱仪相连，多芯光纤的两端分别连接内蚀光栅激光器和圆偏振/扩束器，(单开口)真空阀门与蒸气/气体室连接，带有工作气体入口和真空配气口的(三开口)真空阀门通过玻璃管依次连接(双开口)真空阀门、脱氧管、然后连接到蒸气/气体室上，构成工作气体流入和真空配气控制通道，(双开口)真空阀门两端通过玻璃管分别连接带有两个极化气体出口的(三开口)真空阀门和蒸气/气体室、构成激光极化惰性同位素气体输出的控制通道，玻璃棒两端连接玻璃管，对整个器件起一个保护支撑作用。
所述的内蚀光栅激光器发射的激光束，沿着多芯光纤、圆偏振/扩束器、蒸气/气体室中心轴传输到达光谱仪。
所述的磁屏蔽筒、磁环组与蒸气/气体室三者同轴装配，磁环组产生的磁场方向与激光束传输方向一致。
所述的由工作气体入口进入本发明——永磁极化器的工作气体流动依次通过(三开口)真空阀门、(双开口)真空阀门和脱氧管进入蒸气/气体室，在蒸气/气体室里流动方向与磁场方向、激光束传输方向相同。
所述的本发明——永磁极化器生产的高度核自旋极化惰性同位素气体从蒸气/气体室里流动经过(双开口)真空阀门和(三开口)真空阀门后经过输出口到达本发明装置之外的核磁共振/磁共振成像仪或者到固态累加/储存器里。
本发明的突出特点在于：
(1)使用永磁铁方式产生磁场——双数永久磁铁环组成，通常使用一对、两对、三对等。提供与激光束传输方向一致的5～280Gauss纵向磁场。
(2)使用玻璃阀门方式注入碱金属——在蒸气/气体室熔接有真空阀门，开启阀门即可注入碱金属到蒸气/气体室内，使得极化器的蒸气/气体室能够重复使用：多次清洗，并可多次注入碱金属。
(3)使用接触加热方式——电热丝直接环绕在蒸气/气体室玻璃外壁上，接触性加热，无需媒介。
(4)使用保温膜方式保温——保温膜紧紧包裹住缠绕在蒸气/气体室玻璃外壁上的电热丝，防止热损失；并且对于多个进出口结构的蒸气/气体室使用非常方便，多层直接缠绕、体积小、保温效果好。
(5)增加了脱氧管——放置石英棉+碱金属到玻璃球(管)内，利用玻璃球(管)里石英棉的微孔滤出流动工作气体中的杂质；利用内含的碱金属预先与杂质气体相互作用。二者共同作用，极大地减少杂质气体对蒸气/气体室里碱金属的影响。
(6)采用最新内蚀光栅激光器——具有大功率(75～150W)、窄线宽特点，典型地FWHM：≤0.5nm。碱金属原子蒸气通过4He压力增宽后的吸收线型能够与之相吻合。
(7)采用光谱仪方式测量与监测——直接观测内蚀光栅激光器发射激光的线宽、波长和强度；实时监测工作时碱金属蒸汽原子吸收谱线轮廓。
对于进一步提高惰性同位素气体原子核自旋极化度、应用更加方便的目的，必要的是发展全新的极化器。而且，随着生物体核磁共振/磁共振成像研究的发展，也需要建立一种体积紧凑、容易操作、性能稳定、效率更高的极化器。
与现有技术相比本发明具有以下优点：
(1)采用永磁铁方式取代Helmholtz线圈或者螺旋管产生的磁场，极大地减轻极化器的重量，使得极化器结构紧凑、体积小，易移动工作。
(2)接触加热方式减少了热损失、更易精确控制加热温度和工作温度。
(3)脱氧管减少了杂质气体对蒸气/气体室里碱金属的影响。
(4)真空螺旋玻璃阀门方式注入碱金属到蒸气/气体室内，使得极化器工作状态稳定、使用寿命更长。
(5)内蚀光栅激光器的大功率、窄线宽特点，使得碱金属蒸气原子吸收线宽能够与之基本相吻合，激光抽运、极化转移的效率更高。
(6)采用光谱仪方式测量与监测内蚀光栅激光器发射激光的线宽、波长、强度、碱金属蒸汽原子吸收谱，更加方便、直观。
与现有激光极化气体装置相比，本发明——永磁极化器具有体积小、易移动、易操作、实时测量与监测等特点。本发明提供的永磁极化器采用了内布拉格光栅(Internal Bragg Grating)技术的激光器、永磁铁产生磁场、接触电加热、预过滤和脱氧、可重复使用的蒸气/气体室等新技术，能够有效地输出高度核自旋极化的惰性同位素气体，在多孔、表面等材料和生物体的核磁共振/磁共振成像研究，或者用于分子生物探针方面，能够极大地提高了信号探测灵敏度，是非常实用的极化装置。
由于本发明集成了永磁铁磁场、接触电加热、预过滤和脱氧、可重复使用的蒸气/气体室和4He压力增宽等技术，使用了最新的包含内布拉格光栅技术的大功率激光器，可以直接连续输出高极化度的激光极化惰性同位素气体，或者通过升华固态累积/储存的激光极化惰性同位素原子团为气体后再以大容量方式输出，能够满足多孔、表面等材料，或者生物体的核磁共振/磁共振成像研究的需求，更具有实用性。
附图说明
图1为一种永磁极化器的结构示意图。
其中：1-第一遮光罩、2-内蚀光栅激光器、3-多芯光纤、4-圆偏振/扩束器、5-激光束、6-蒸气/气体室、7-电热丝、8-单开口真空阀门、9-保温膜、10-磁屏蔽筒、11-磁环组、12-光谱仪、13-第二遮光罩、14-第一玻璃管、15-脱氧管、16-第二玻璃管、17-第一(双开口)真空阀门、18-第三玻璃管、19-第一(三开口)真空阀门、20-玻璃连接棒、21-第四玻璃管、22-第二(双开口)真空阀门、23-第五玻璃管、24-第二(三开口)真空阀门、25-工作气体入口、26-真空配气口、27-第一极化气体出口、28-第二极化气体出口。
具体实施方式
下面结合附图(图1.一种永磁极化器的结构示意图)作详细描述。
实施例1：
一种永磁极化器，它包括第一遮光罩1、第二遮光罩13、内蚀光栅激光器2、多芯光纤3、圆偏振/扩束器4、激光束5、蒸气/气体室6、电热丝7、(单开口)真空阀门8、保温膜9、磁屏蔽筒10、磁环组11、光谱仪12、第一玻璃管14、第二玻璃管16、第三玻璃管18、第四玻璃管21、第五玻璃管23、脱氧管15、第一(双开口)真空阀门17、第二(双开口)真空阀门22、第一(三开口)真空阀门19、第二(三开口)真空阀门24、玻璃棒20、工作气体入口25、真空配气口26、第一极化气体出口27、第二极化气体出口28。
其特征在于：第一遮光罩1内装有内蚀光栅激光器2、多芯光纤3、圆偏振/扩束器4，第二遮光罩13内装有光谱仪12，内蚀光栅激光器2发射激光束5传输依次通过多芯光纤3、圆偏振/扩束器4、成为圆偏振且被扩束的，然后传输通过蒸气/气体室6、与光谱仪12相连，多芯光纤3的两端分别连接内蚀光栅激光器2和圆偏振/扩束器4，(单开口)真空阀门8与蒸气/气体室6连接，带有工作气体入口25和真空配气口26的第一(三开口)真空阀门19依次连接第三玻璃管18、第一(双开口)真空阀门17、第二玻璃管16、脱氧管15、第一玻璃管14，最后连接到蒸气/气体室6上，构成工作气体流入和真空配气控制通道，带有两个极化气体出口的第二(三开口)真空阀门24依次连接第五玻璃管23、第二(双开口)真空阀门22、第四玻璃管21之后连接到蒸气/气体室6，构成极化惰性同位素气体输出控制通道，玻璃棒20两端连接第一玻璃管14和第四玻璃管21，起一个加固支撑、保护作用，磁屏蔽筒10位于磁环组11、保温膜9、电热丝7、蒸气/气体室6之外，保证蒸气/气体室6里的碱金属原子蒸气和工作气体处于磁环组11产生的磁场内，蒸气/气体室6玻璃外壁上依次缠绕着电热丝7、保温膜9，保证蒸气/气体室6里工作的碱金属蒸气原子数密度。
所述的磁屏蔽筒10、磁环组11与蒸气/气体室6三者同轴装配，磁环组11产生纵向磁场、方向与激光束5传输方向一致。
所述的工作气体由工作气体入口25进入本发明——永磁极化器，流动依次通过第一(三开口)真空阀门19、第一(双开口)真空阀门17和脱氧管15进入蒸气/气体室6，在蒸气/气体室6里流动方向与磁场方向、激光束5传输方向相同。
所述的内蚀光栅激光器2发射的激光束5，沿着多芯光纤3、圆偏振/扩束器4、蒸气/气体室6中心轴传输到达光谱仪12。
所述的内蚀光栅激光器2发射的激光束5照射蒸气/气体室6，连续生产高度核自旋极化的惰性同位素气体从蒸气/气体室6里流动经过第二(双开口)真空阀门22和第二(三开口)真空阀门24后，由极化气体选通第一极化气体出口27或者第二极化气体出口28输出到本发明——永磁极化器之外的核磁共振/磁共振成像仪或者固态累加/储存器里。
本发明-永磁极化器的工作流程为：
磁屏蔽筒和磁环组产生纵向环境磁场，蒸气/气体室玻璃外壁上依次缠绕着电热丝和保温膜保证工作要求的碱金属蒸气原子数密度。组合进入本发明装置的工作气体流动经过(三开口)和(双开口)真空阀门后，由脱氧管进一步除去杂质，接着进入蒸气/气体室与碱金属原子蒸气混合，参入自旋交换过程。内蚀光栅激光器发射的激光束传输通过多芯光纤后，由圆偏振/扩束器转换为圆偏振光束，并且被扩束到与蒸气/气体室入口端匹配直径尺寸进行照射蒸气/气体室，激光束与碱金属原子蒸气和流动工作气体相互作用后，连续产生高度核自旋极化的惰性同位素气体。从蒸气/气体室里出射的激光束由光谱仪进行激光波长和线宽测量，以及对碱金属蒸气原子吸收谱的监测。当工作气体中的惰性同位素气体原子核获得高度极化后流动通过(双开口)真空阀门到达(三开口)真空阀门，最后选择其中一个出口流出本发明装置，或者到核磁共振/磁共振成像系统中使用，或者到固态累加/储存器里。
下面结合附图1对本发明作进一步详细描述：
(a)在蒸气/气体室6外面同轴装配有磁环组11和磁屏蔽筒10，提供产生高度核自旋极化惰性同位素气体所要求的强度与均匀性的环境磁场。蒸气/气体室6玻璃外壁上直接缠绕电热丝7和保温膜9，在蒸气/气体室6里产生工作要求的碱金属蒸气原子数密度。
(b)进入本发明——永磁极化器的工作气体流动经过(三开口)真空阀门19和(双开口)真空阀门17后，由脱氧管15进一步纯化处理，接着进入蒸气/气体室6与碱金属原子蒸气混合。
(c)内蚀光栅激光器2发射的激光传输通过多芯光纤3导引后，由圆偏振/扩束器4转换为圆偏振且被扩束到与蒸气/气体室6入口端匹配直径尺寸的激光束5，照射蒸气/气体室6。
(d)激光束5沿着多芯光纤3、圆偏振/扩束器4、蒸气/气体室6中心轴传输，从蒸气/气体室6出射后，由光谱仪12测量激光束5的波长、线宽，监视碱金属蒸气原子吸收的状态。
(e)激光束5传输与磁环组11产生的磁场方向、工作气体流动方向一致。激光束5与蒸气/气体室6里的碱金属原子蒸气和流动工作气体相互作用后，连续产生高度核自旋极化的惰性同位素气体。
(f)工作气体中的惰性同位素气体原子核获得高度自旋极化后流动通过(双开口)真空阀门22到达(三开口)真空阀门24，最后选择极化气体出口27和28中的一个流出本发明装置，或者到核磁共振/磁共振成像系统中使用，或者到固态累加/储存器里。
根据上述本发明，并以使用碱金属Rb原子蒸汽和惰性同位素气体129Xe为例，对本发明所提供的永磁极化器作进一步的详细描述：
一种永磁极化器，包括内蚀光栅激光器2、多芯光纤3、圆偏振/扩束器4、蒸气/气体室6、电热丝7、单开口真空阀门8、磁屏蔽筒10、磁环组11、光谱仪12，使用的蒸气/气体室6玻璃外壁上缠绕有电热丝7和五层保温膜9，使得蒸气/气体室6恒温在160℃，产生工作要求的碱金属蒸气原子数密度。
在保温膜9外面同轴装配有磁环组11和磁屏蔽筒10，提供120Gauss的磁场强度与Φ60×120mm蒸气/气体室6尺寸匹配的均匀磁场区。
开启5atm工作气体129Xe+N2+4He流动进入本发明-永磁极化器，经过(三开口)真空阀门19和(双开口)真空阀门17后，由脱氧管15进一步作纯化处理、除去残留微量含氧气体(例如O2、H2O、CO等氧化性杂质)，接着进入蒸气/气体室6与Rb原子蒸气混合。
使用内蚀光栅激光器2，激光功率～150W、线宽(FWHM)为≤0.5nm、波长为碱金属Rb原子的D1共振谱线795nm；发射的激光传输通过多芯光纤3导引后，进入圆偏振/扩束器4被转换为圆偏振的且被扩束的激光束5，其直径与蒸气/气体室6入口端匹配尺寸，照射蒸气/气体室6。
激光束5沿着多芯光纤3、圆偏振/扩束器4、蒸气/气体室6中心轴传输，从蒸气/气体室6出射后，由光谱仪12测量内蚀光栅激光器2发射的激光束5的波长和线宽，同时监视工作气体129Xe+N2+4He中4He压力增宽导致Rb蒸气原子吸收的状态。
激光束5传输与磁环组11产生的纵向磁场方向、工作气体129Xe+N2+4He流动方向一致。激光束5纵向照射蒸气/气体室6里的Rb原子蒸气，将角动量转移到Rb原子上，然后极化Rb原子和流动工作气体129Xe+N2+4He相互作用后，连续产生高度核自旋极化的惰性同位素129Xe气体。
获得高度核自旋极化的129Xe原子流动通过(双开口)真空阀门22到达(三开口)真空阀门24，最后根据使用的需求，选通到极化气体出口27或者28流出本发明-永磁极化器，或者提供到核磁共振/磁共振成像系统中使用，或者输入到固态累加/储存器里。
上述描述中激光抽运碱金属均以Rb原子为例，在具体实施过程中，本发明涉及其它碱金属原子——K、Na和Cs，需要分别选择相应于碱金属原子谱线的激光二极管阵列、工作波长镀膜的圆偏振/扩束器、磁环组的永磁铁材料、高压工作的蒸气/气体室、原子数密度等参数；上述描述中的惰性同位素气体均以129Xe为例，本发明也涉及到83Kr、3He、131Xe。
首先描述本发明各部件的材料、形状和结构：
a)第一遮光罩1由铝板材料制作的长方形盒，内表面全部涂黑处理，第一遮光罩1将内蚀光栅激光器2、多芯光纤3、圆偏振/扩束器4、激光束5封闭在内，防止光辐射外泄；仅仅允许激光束5定向与蒸气/气体室6相通；
b)内蚀光栅激光器2，采用了内布拉格光栅技术，公司和型号为QPC BrightlockTM Ultra 100或者Ultra 500，具有大功率(75～150W)、窄线宽特点，典型地FWHM：≤0.5nm；
c)多芯光纤3，QPC公司，600μm/0.22NA，用于传输内蚀光栅激光器2发射的激光束5；
d)圆偏振/扩束器4为QPC BrightlockTM Ultra内蚀光栅激光器2的配套定制产品，由QPC Beam Collimator+λ/4波片(310-0142-001)组成。将来自多芯光纤3的光束变化为圆偏振激光，并且扩束其直径至：Φ30mm到：Φ60mm；
e)激光束5为由圆偏振/扩束器4扩束后的圆偏振激光；
f)蒸气/气体室6，由派瑞克斯玻璃制作，内表面由有机硅涂壁，外直径Φ30:Φ60mm，长60～200mm，是碱金属原子蒸气与工作气体混合之处，工作期间，激光束5照射碱金属原子蒸气与工作气体而产生高度核自旋极化的惰性同位素气体；
g)电热丝7为康铜加热丝型或者薄膜型，直接环绕在蒸气/气体室6玻璃外壁上，接触加热方式，为产生工作要求的碱金属原子蒸气提供加热；
h)单开口真空阀门8为超高真空螺旋玻璃阀门类，用于注入碱金属到蒸气/气体室6内，使得蒸气/气体室6能够重复使用：多次清洗，并可多次注入碱金属。
i)保温膜9采用聚四氟乙烯薄膜，紧紧包裹住电热丝7，防止热损失；这种方式对于多进出口的蒸气/气体室6使用非常方便、直接缠绕、体积小、保温效果好。
j)磁屏蔽筒10由纯铁材料加工，保证磁环组11产生满足激光极化惰性同位素气体的磁场强度，并保证磁场的均匀性。
k)磁环组11由双数永磁铁磁环组成，通常使用一对、两对、三对等。提供5～280Gauss的纵向磁场，与激光束5传输的方向一致。永磁铁磁环为材料钕铁硼制作。
l)光谱仪12(Ocean Optics Inc.USB2000+微型光纤光谱仪)，用于观测激光束5的线宽、波长和强度；监测碱金属蒸气原子对激光的吸收状态。
m)第二遮光罩13与第一遮光罩1材料、处理、加工方式相同，封闭光谱仪12在内，防止穿过蒸气/气体室6的激光束5散射光外泄、也防止外面的光入射影响光谱仪12正常工作。
n)第一玻璃管14两端分别连接蒸气/气体室6与脱氧管15，构成工作气体流动通道或者真空配气通道，与玻璃管16、18、21、23和玻璃棒20使用相同材质，均都为GG-17玻璃。
o)脱氧管15，自制GG-17玻璃管(球)，内装有石英棉和碱金属。利用石英棉的微孔滤出流动工作气体中的杂质，同时利用碱金属预先与残留微量含氧气体相互作用。二者共同减少杂质对蒸气/气体室6里碱金属的影响。石英棉为德国CNW Technologies GmbH公司产品，型号为GOEQ-002403。
p)第二玻璃管16的两端分别连接脱氧管15和第一(双开口)真空阀门17。
q)第一(双开口)真空阀门17为超高真空螺旋玻璃阀门类，用于注入碱金属到蒸气/气体室6里之后，关闭保证碱金属的安全和蒸气/气体室6的移动；也使得蒸气/气体室6方便地多次清洗和重装碱金属。
r)第三玻璃管18，连接第一(双开口)真空阀门17和第一(三开口)真空阀门19。
s)第一(三开口)真空阀门19为超高真空螺旋玻璃阀门类，开/关控制选通工作气体入口25或者真空配气口26。
t)玻璃棒20具有加固作用，使得蒸气/气体室6的两个连接玻璃管位置相对固定、方便移动。
u)第四玻璃管21连接蒸气/气体室6和第二(双开口)真空阀门22，是激光极化惰性同位素气体流动的通道。
v)第二(双开口)真空阀门22与第一(双开口)真空阀门17的类别、作用均相同。
w)第五玻璃管23，连接第二(双开口)真空阀门22和第二(三开口)真空阀门24。
x)第二(三开口)真空阀门24，开/关控制选通第一极化气体出口27或者第二极化气体出口28。
y)工作气体入口25连接本发明装置之外的气体控制单元，本发明装置工作时，工作气体以恒定流量流入永磁极化器。
z)真空配气口26连接本发明装置之外的真空配气系统，本发明装置工作之前，先预抽蒸气/气体室6至高真空；永磁极化器停止工作时，由此充入高纯N2气保护蒸气/气体室6内碱金属不被氧化。
aa)第一极化气体出口27，永磁极化器产生的极化气体由此输出到本发明装置之外的核磁共振/磁共振成像样品管，可以用于研究多孔材料、表面等。
bb)第二极化气体出口28，永磁极化器产生的激光极化惰性同位素气体由此输出到本发明装置之外的固态累加/储存器，升华后可用于生物体等需要大容量的核磁共振/磁共振成像研究体系。
以上各零部件均能由本领域的普通技术人员制备或直接从市场购置。
Claims (2)
1.一种永磁极化器，包括内蚀光栅激光器(2)、多芯光纤(3)、圆偏振/扩束器(4)、蒸气/气体室(6)、电热丝(7)、单开口真空阀门(8)、磁屏蔽筒(10)、磁环组(11)、光谱仪(12)，其特征在于：
第一遮光罩(1)内装有内蚀光栅激光器(2)、多芯光纤(3)、圆偏振/扩束器(4)；第二遮光罩(13)内装有光谱仪(12)；多芯光纤(3)的两端分别连接内蚀光栅激光器(2)和圆偏振/扩束器(4)；单开口真空阀门(8)与蒸气/气体室(6)连接；带有工作气体入口(25)和真空配气口(26)的第一三开口真空阀门(19)依次连接第三玻璃管(18)、第一双开口真空阀门(17)、第二玻璃管(16)、脱氧管(15)、第一玻璃管(14)之后连接到蒸气/气体室(6)上，构成工作气体流入和真空配气控制通道；
带有第一极化气体出口(27)、第二极化气体出口(28)的第二三开口真空阀门(24)依次连接第五玻璃管(23)、第二双开口真空阀门(22)、第四玻璃管(21)之后连接到蒸气/气体室(6)，构成激光极化惰性同位素气体输出控制通道；玻璃连接棒(20)两端连接第一玻璃管(14)和第四玻璃管(21)，起加固支撑和保护作用；
蒸气/气体室(6)玻璃外壁上依次缠绕着电热丝(7)、保温膜(9)，保证蒸气/气体室(6)里工作的碱金属蒸气原子数密度；磁屏蔽筒(10)位于磁环组(11)、保温膜(9)、电热丝(7)、蒸气/气体室(6)之外，保证蒸气/气体室(6)里的碱金属原子蒸气和工作气体处于磁环组(11)产生的磁场内；磁屏蔽筒(10)、磁环组(11)与蒸气/气体室(6)三者同轴装配，磁环组(11)产生纵向磁场，其方向与工作气体流动方向、激光束(5)传输方向一致；
内蚀光栅激光器(2)与多芯光纤(3)、圆偏振/扩束器(4)、蒸汽/气体室(6)、光谱仪(12)共中心轴。
2.实现如权利要求1所述的一种永磁极化器的方法，其步骤为：
a、通过永磁极化器的蒸气/气体室(6)外面同轴装配的磁环组(11)和磁屏蔽筒(10)，提供高度极化惰性同位素气体所要求的强度与均匀性的环境磁场；蒸气/气体室(6)玻璃外壁上直接缠绕电热丝(7)和保温膜(9)，在蒸气/气体室(6)里产生高度极化惰性同位素气体所要求的碱金属蒸气原子数密度；
b、进入永磁极化器的工作气体流动经过第一三开口真空阀门(19)和第一双开口真空阀门(17)后，由脱氧管(15)进一步作纯化处理，通过脱氧管(15)能够有效地滤出剩余的气体杂质、除去残留微量O2、H2O、CO等氧化性杂质气体，然后，流入到蒸气/气体室(6)里与碱金属原子蒸气混合；
c、内蚀光栅激光器(2)发射的激光传输通过多芯光纤(3)导引后，通过圆偏振/扩束器(4)转换为圆偏振且被扩束到与蒸气/气体室(6)入口端匹配直径尺寸的激光束(5)，照射蒸气/气体室(6)，由于第一遮光罩(1)的作用，激光束(5)的散射光不会向外泄露；
d、激光束(5)沿着多芯光纤(3)、圆偏振/扩束器(4)、蒸气/气体室(6)中心轴传输，从蒸气/气体室(6)出射后，由光谱仪(12)测量激光束(5)的波长、线宽，监视碱金属蒸气原子吸收的状态；光谱仪(12)放置在第二遮光罩(13)里，因此，外部的光噪声不会对其的测量与监控产生影响；
e、激光束(5)传输方向与磁环组(11)产生的磁场方向、工作气体流动方向一致；激光束(5)与蒸气/气体室(6)里的碱金属原子蒸气和流动工作气体相互作用后，连续产生高度核自旋极化的惰性同位素气体；
f、工作气体中的惰性同位素气体原子核获得高度自旋极化后流动通过第二双开口真空阀门(22)到达第二三开口真空阀门(24)，最后选择第一极化气体出口(27)或第二极化气体出口(28)中的一个流出，或者到核磁共振/磁共振成像系统中使用，或者到固态累加/储存器里。
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