CN103618209B - 一种用于自旋交换光泵的恒温装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于自旋交换光泵的恒温装置，在保温盒上依次安装有保温筒、导热筒、玻璃管道、光窗、多芯接头、隔热板、风扇，在隔热板上依次连接保温盒、保温筒、导热筒，保温筒依次安装了导热筒、电热丝、气体/蒸气预混合室，保温筒的一端与隔热板相连，保温筒里依次装配有导热筒、电热丝、测温电阻、控温电阻、光泵泡，温度控制显示器通过电缆线和电线分别与安装在保温盒上的多芯接头、风扇连接，温度控制显示器依次连接电线、风扇，真空阀门依次连接玻璃管道、气体和蒸气预混合室、碱金属、光泵室。结构简单，操作方便，极大地减小了激光加热效应产生的温度梯度、恒温整个光泵泡，本发明具有实用性和广泛的应用前景。

Description

一种用于自旋交换光泵的恒温装置

技术领域

本发明涉及原子、分子激光泵浦领域，更具体涉及一种用于自旋交换光泵的恒温装置，尤其适用于自旋交换光泵产生大容量激光预极化惰性气体，及其在肺部、脑部的磁共振成像研究。

背景技术

使用自旋交换光泵方法，可以产生激光预极化的氦－3、氙－129等惰性气体，使得它们原子核自旋高度极化、核磁共振探测灵敏度增强～10,000倍。因此，激光预极化的惰性气体可能成为肺部、脑部功能性可视或者临床早期疾病诊断的一种新工具。

自旋交换光泵的方法之一是利用激光光泵碱金属蒸气原子，激光极化的碱金属原子与惰性气体通过自旋交换碰撞，将碱金属原子电子自旋极化转移到惰性气体核自旋。因此，在自旋交换光泵过程中需要解决以下问题：

1）通常，碱金属在常温下是固态。例如，碱金属钠、钾、铷、铯的熔点分别为：97.81、63.65、38.89、28.84℃，因此，为了产生满足于自旋交换光泵的原子蒸气，必需使用一种方法对碱金属进行加热、产生要求的碱金属原子密度；

2）为了满足碱金属原子与惰性气体之间能够充分地自旋交换碰撞的要求，需要在整个光泵区产生较为均一密度的碱金属蒸气原子，在光学厚的条件下，特别要求尽可能地减小光泵区域的温度梯度；

3）在流动工作模式的自旋交换光泵下，工作气体的流动会带走部分碱金属蒸气原子，其结果导致了光泵区的碱金属原子密度的降低；

4）为了获得高极化度、大容量的激光预极化惰性气体，目前在自旋交换光泵实验中大多数采用大功率半导体二极管阵列激光器。此情况下，会产生强烈地“激光加热效应”——a、激光照射加热了光泵泡入射端口玻璃壁；b、激光与工作气体相互作用，导致了光泵泡里出现温度梯度；c、激光与碱金属原子相互作用，剧烈地导致了光泵泡里大的温度梯度，特别地，激光入射的光泵泡前端温度极大地高于出射端的。

因此，如何解决以上问题？达到提高自旋交换光泵的效率、增大激光预极化惰性气体的产生率目的，对于激光预极化惰性气体在肺部、脑部磁共振成像的应用是一个非常急迫的需要。

在使用大功率半导体二极管阵列激光器的自旋交换光泵研究中，现已有的光泵泡加热／恒温方法与技术如下：

（1）在使用大功率半导体二极管阵列激光器的间歇流动方式激光预极化惰性气体系统里，我们试采用了传统的电热丝加热、恒温的方法，在光泵泡外绕制了电热丝，外端加有保温层。当没有开启激光器时，电热丝逐渐加热光泵泡一直到设定温度点、然后恒温。但是，开启了激光器后，由于激光束照射光泵泡端口玻璃壁、以及激光与工作气体相互作用、特别是与碱金属原子蒸气之间的相互作用，“激光加热效应”极为显著，会导致在整个光泵泡里出现大的温度梯度。例如，使用一个长200mm光泵泡的实验测试表明：电加热温度控制点设置在110℃或者120℃，而激光的照射会加热使得光泵泡表面温度远远超出设置点，达到170±1℃的平衡温度点。并且，在光泵泡的光入射前端，激光的加热效应更加显著，则在整个光泵泡区域产生了大的温度梯度，其结果对于间歇流动方式产生的激光预极化惰性气体极化度影响极大；

（2）ElliotWoolley［“ProductionofHyperpolarised¹²⁹XeforNMRSpectroscopyandImaging”，Thesis,August2007.］的恒温装置采用了通用的加热方式之一——流动热空气，在其对角端分别设计有热空气的进口和出口。工作时，热空气流动使得进口端的温度高于出口端，因此加热整个光泵泡存在一个温度梯度，导致碱金属原子密度分布不太均匀；在其激光预极化惰性气体系统工作在连续流动方式期间，尽管连续流动的工作气体减小了“激光加热效应”，但是，也带走部分碱金属蒸气原子，使得原子密度减小；另外，增加了一个“气体通道”——要求装备一个能够产生和输送热空气的电热管，而气体源自于一个空气压缩机或者实验室的高压气体管道，即：增加“气体通道”的同时则附带地增加了激光预极化惰性气体系统的复杂性，移动使用时不那么方便；

（3）当我们也使用流动热空气加热方式、激光预极化惰性气体系统工作在一个连续流动方式时，在激光预极化惰性气体完成固态累加／储存后，需要取出固态→升华到气体→输送到呼吸机→用于肺部磁共振成像，这时，激光预极化惰性气体系统仍保持在“待工作”状态，但是，工作气体停止了流动。因此，与间歇工作方式类似，“激光加热效应”会出现，测量到光泵泡的表面温度急剧上升。一旦再次进行激光预极化惰性气体工作时，由于光泵泡温度偏离了设置工作点，并且有一个大的温度梯度，则会直接影响自旋交换光泵过程、导致影响激光预极化惰性气体的极化度；

（4）SamuelPatz等人［“Hyperpolarized¹²⁹XeMRI:AViableFunctionalLungImagingModality?”，EuropeanJournalofRadiology64(2007)335–344.］设计了另一种温度控制方式，其将光泵泡区分为了两大部分，下半部为加热／温控区，上半部为水冷却区。加热／温控区长度为～940mm，为保证良好的加热，其将下半部分的光泵区放置在一个玻璃容器中，通过油加热和恒温，最终实现5℃的较小温度梯度。另外，为防止碱金属蒸气原子随流动的工作气体流出，其在上部设计水冷使碱金属凝结在玻璃壁上。同时，采用“锥形”激光束入射到光泵区域的方法，也减小了“激光加热效应”。这种方法能够非常有效地实现产生大容量高极化度激光预极化惰性气体的需求。但是，在高1800mm的装置里，包括了油加热／温控、水冷系统等，使得结构复杂、不易移动；特别地，在更换碱金属或者部件时，操作不太方便。

本发明专利提出一种用于自旋交换光泵的恒温装置，其基于“分区电热丝加热＋风扇冷却”的方法，利用电热丝、导热筒、双层保温，使得光泵泡的气体和蒸气预混合室和光泵泡后部均匀加热／保温，并在光泵泡前部的保温盒里设计了一个冷却风扇，有效地解决了在光泵泡前部产生的“激光加热效应”导致光泵泡后部里碱金属原子蒸气不能被充分激光照射的问题，由于利用大功率激光的照射加热也防止了碱金属凝聚于光泵泡的激光入射端面，因此，极大地简化了自旋交换光泵的恒温装置，使用方便、更加实用。

发明内容

本发明的目的是在于提供了一种用于自旋交换光泵的恒温装置。结构简单，操作方便，针对大功率半导体二极管阵列激光器产生的“激光加热效应”、会在流动工作方式光泵泡产生大的温度梯度问题，使用“分区电热丝加热＋风扇冷却”方法，极大地减小了温度梯度、恒温整个光泵泡，使得“激光加热效应”不再是激光预极化惰性气体系统里影响自旋交换光泵效率的主要因数，具有广泛的应用前景。

为了实现上述目的，本发明装置采用了如下技术措施:

一种用于自旋交换光泵的恒温装置（图1），它由保温筒、导热筒、光窗、保温盒、测温电阻、电热丝、控温电阻、多芯接头、多芯电缆线、温度控制/显示器、电线、风扇、隔热板、玻璃管道、气体/蒸气预混合室、碱金属、真空阀门、光泵泡组成。其连接关系是：本发明装置所包含的上述部件中除保温盒和温度控制显示器外，其它部件都安装在保温盒上。保温盒上依次安装有第一保温筒、第一导热筒、第一玻璃管道、第二保温筒、第二导热筒、第一光窗、多芯接头、隔热板、风扇、第二光窗、第二玻璃管道，隔热板依次连接保温盒、第二保温筒、第二导热筒，隔热板将光泵泡分成前部（即：激光入射端）和后部（即：荧光／透射激光出射端）两个部分，隔热板也将保温盒分成了电热丝加热／保温和风扇冷却／保温两个区域，第一保温筒的一端连接保温盒，第一保温筒的另外一端连接第二保温筒，第一保温筒从外到内依次安装了第一导热筒、电热丝、气体/蒸气预混合室、第一碱金属，第二保温筒的一端与隔热板相连，第二保温筒的另外一端与保温盒相连，第二保温筒从外到内依次装配有第二导热筒、电热丝、光泵泡、第二碱金属、第一测温电阻、控温电阻，温度控制显示器通过多芯电缆线和电线分别与安装在保温盒上的多芯接头、风扇连接，温度控制显示器一路依次连接电线、风扇，温度控制显示器的另外一路依次连接多芯电缆线、多芯接头、第一测温电阻、控温电阻，第二测温电阻、光泵泡，风扇安装在保温盒的前端，第一真空阀门依次连接第一玻璃管道、气体/蒸气预混合室、第一碱金属、第二玻璃管道、光泵泡、第二碱金属、第三玻璃管道、第二真空阀门，本发明装置实施工作时（图2），其位于磁场B₀内，激光L与磁场B₀同方向入射通过第二光窗、照射光泵泡里的碱金属原子，然后荧光/透射激光F/L通过第一光窗出射，工作气体G经过第一真空阀门、第一玻璃管道后与气体和蒸气预混合室内碱金属蒸气混合、一同经过第三玻璃管道流入光泵泡与极化的碱金属原子自旋交换，最后，激光极化惰性气体H经过第三玻璃管道、第二真空阀门流出。

所述的一种用于自旋交换光泵的恒温装置基于“分区电热丝加热＋风扇冷却”工作方式达到光泵泡恒温的目的。

所述的隔热板将光泵泡分为前部和后部两个部分、也将保温盒分隔为电热丝加热／保温和风扇冷却/恒温两个区域，提供于光泵泡分区恒温。

所述的第一保温筒与第一导热筒、电热丝，构成用于气体和蒸气预混合室的加热／保温单元。

所述的第二保温筒与第二导热筒、电热丝、第一测温电阻、控温电阻，组成用于光泵泡后部的加热／保温单元。

所述的风扇用于冷却光泵泡前部，降低由于“激光加热效应”升高的温度，减少光泵泡的温度梯度。

所述的温度控制显示器与保温盒、第一保温筒、第一导热筒、第二保温筒、第二导热筒、电热丝、第一测温电阻、控温电阻、第二测温电阻、风扇联合工作，用于光泵泡的分区加热、冷却、恒温控制。

本发明使用隔热板将保温盒分为主动加热／保温区、主动冷却／保温区，保温盒用于被动保温和安装架，温度控制显示器用于控温与测温。主动加热／保温单元由电热丝、控温电阻、测温电阻、导热筒、保温筒组成，功能是主动电加热、恒温光泵泡气体入口端的气体和蒸气预混合室和位于主动加热／保温区光泵泡后部（荧光／透射激光出射端，如图2所示）；风扇的作用是降低由于激光照射位于主动冷却／保温区光泵泡时在其前部（激光入射端，如图2所示）产生的加热温度，使得光泵泡的温度可控，并且恒温在人为的设定值；外部被动保温盒的作用是为恒温光泵泡提供保障、防止温度散失；温度控制显示器根据来自控温、测温电阻的信息为电热丝提供加热功率，或者控制风扇开／关，使得光泵泡恒温、并且温度分布均匀。本发明一种用于自旋交换光泵的恒温装置能够有效地减小了光泵泡温度梯度，使得包括间歇流动方式和连续流动方式的激光预极化惰性气体系统正常工作，产生肺部和脑部磁共振成像要求的高极化度、大容量激光预极化惰性气体。本发明装置的特点是具有针对性、实用性、结构简单、使用方便。

本发明提供基于“分区电热丝加热＋风扇冷却”方法的一种用于自旋交换光泵的恒温装置。利用其特性，分区电热丝加热光泵泡的气体和蒸气预混合室和光泵泡后部、产生碱金属原子蒸气，自激光预极化惰性气体系统气路流入的工作气体与它们初步混合、以及进一步达到工作状态。风扇用于冷却位于主动冷却／保温区的光泵泡前部，减少由于激光照射产生的“激光加热效应”，保持光泵泡恒温和温度分布均匀。当激光器工作时，光泵极化碱金属原子，并与工作气体里的惰性气体碰撞自旋交换，最终高度极化惰性气体核自旋，使得激光预极化惰性气体系统里的自旋交换光泵效率最佳。本发明也可以用于其它需要恒温的原子或者分子系统。

一种用于自旋交换光泵的恒温装置，其安装步骤是：

（A）以保温盒为安装架，使用电热丝、导热筒、保温筒构建加热／保温区，分别用于恒温气体和蒸气预混合室和光泵泡后部。使用风扇和保温盒的部分组成冷却／保温区，用于光泵泡前部的温度控制；

（B）安装放入光泵泡，让本发明装置开始工作，温度控制显示器与电热丝、测温和控温电阻、风扇联合作用，提供于光泵泡分区主动加热和冷却；

（C）电热丝分别加热气体和蒸气预混合室和光泵泡后部，位于这两个区域内的碱金属被加热形成原子蒸气，来自激光预极化惰性气体系统气路的工作气体与碱金属原子蒸气在预混合室里首先进行初步混合后，再流入光泵泡进一步混合进入工作状态；

（D）激光照射光泵泡里的碱金属蒸气，然后，激光极化碱金属原子与工作气体里惰性气体之间碰撞、转移极化度；

（E）在“激光加热效应”引起光泵泡的温度高于工作设定值时，温度控制显示器协同风扇一起工作，冷却光泵泡的温度，减小温度梯度；

（F）最终，分区主动加热／保温和主动冷却／保温，使得光泵泡恒温，为气体/蒸气预混合、自旋交换光泵提供了均匀分布的温度环境，使得产生能够满足肺部和脑磁共振成像要求的高极化度、大容量的激光预极化惰性气体。

本发明有关的技术方案如下：

（A）本发明装置主要由两个保温筒、两个导热筒、两个光窗、保温盒、两个测温电阻、加热丝、控温电阻、多芯接头、多芯电缆线、温度控制/显示器、电线、风扇、隔热板、三个玻璃管道、两团碱金属、两个真空阀门、光泵泡组成。

（B）本发明装置使用“分区电热丝加热和风扇冷却”工作方式，由隔热板将保温盒分隔为主动加热／保温区和主动冷却／保温区；

（C）在主动加热／保温区里，由电热丝、导热筒、保温筒、测温电阻、控温电阻等组成了两个加热／保温单元，分别为光泵泡的气体和蒸气预混合室和光泵泡后部提供温度环境。

（D）主动冷却／保温区里包括风扇和保温盒的部分构成的冷却／保温单元，用于平抑由“激光加热效应”引起的光泵泡前部上升温度，减小光泵泡的温度梯度。

（E）温度控制显示器与电热丝、测温电阻、控温电阻联合使用，完成光泵泡的加热、冷却、控温系列工作。

（F）温度控制显示器与主动加热／保温单元和主动冷却／保温单元的合并工作，减小了光泵泡的温度梯度、实现了整体的恒温。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：

（1）利用“分区电热丝加热＋风扇冷却”工作方式，能够均匀地电热丝加热和恒温气体和蒸气预混合室和光泵泡后部，风扇冷却能够有效地减少“激光加热效应”，分区作用，效果明显，利用激光的照射加热光泵泡也防止了碱金属凝聚到泡的玻璃端口上；

（2）相比于现有的传统电加热方法和技术，本发明具有针对性，光泵泡的加热／保温区、冷却／保温区的温度更为均匀，温度梯度极大地被减小。

（3）相比于ElliotWoolley使用电加热管的“流动热空气”方法和技术，本发明装置使用加热丝和一台微型风扇，加热更为均匀，风扇冷却使得光泵泡的温度可主动控制，组件更为简单，无需使用空气压缩机或者连接到实验室高压气体管道上。

（4）相比于IulianC.Ruset使用的“油加热／恒温＋水冷＋锥形激光”方法和技术，本发明装置结构简单，使得光泵泡易于安装和拆卸，方便于光泵泡的更换、清洗、以及碱金属的重新充入。

与现有自旋交换光泵的恒温装置相比，本发明一种用于自旋交换光泵的恒温装置具有针对性强、更加实用的特点，适合于使用大功率半导体二极管阵列激光器的激光预极化惰性气体系统，对于提高激光预极化惰性气体的极化度、增加产生率起着至关重要的作用。

一种自旋交换光泵的恒温装置，其基于“分区电热丝加热＋风扇冷却”工作方式，对光泵泡的气体和蒸气预混合室、光泵泡后部、光泵泡前部分别加热／保温和冷却／保温，极大地减少了“激光加热效应”引起的温度梯度影响，达到了恒温整个光泵泡的目的，能够满足肺部和脑部磁共振成像的激光预极化惰性气体系统应用的要求。本发明具有广泛的应用前景，其方法可以用于其它需要恒温的原子、分子系统。

附图说明

图1为一种用于自旋交换光泵的恒温装置。

其中：第一保温筒1、第一导热筒2、第一光窗3、保温盒4、第二保温筒5、第二导热筒6、第一测温电阻7、电热丝8、控温电阻9、多芯接头10、多芯电缆线11、温度控制显示器12、电线13、风扇14、第二测温电阻15、隔热板16、第二光窗17、第二玻璃管道18、气体和蒸气预混合室19、第一碱金属20、第一玻璃管道21、第一真空阀门22、第二碱金属23、光泵泡24、第三玻璃管道25、第二真空阀门26。

图2为一种用于自旋交换光泵的恒温装置实施示意图。

其中：第一保温筒1、第一导热筒2、第一光窗3、保温盒4、第二保温筒5、第二导热筒6、第一测温电阻7、加热丝8、控温电阻9、多芯接头10、多芯电缆11、温度控制显示器12、电线13、风扇14、第二测温电阻15、隔热板16、第二光窗17、第二玻璃管道18、气体和蒸气预混合室19、第一碱金属20、第一玻璃管道21、第一真空阀门22、第二碱金属23、光泵泡24、第三玻璃管道25、第二真空阀门26、荧光/透射激光F／L、激光L、混合气体G、激光预极化气体H、磁场B₀。

具体实施方式

实施例1：

下面结合图1对本发明作进一步的详细描述。

一种用于自旋交换光泵的恒温装置，它由第一保温筒1、第一导热筒2、第一光窗3、保温盒4、第二保温筒5、第二导热筒6、第一测温电阻7、电热丝8、控温电阻9、多芯接头10、多芯电缆线11、温度控制显示器12、电线13、风扇14、第二测温电阻15、隔热板16、第二光窗17、第二玻璃管道18、气体和蒸气预混合室19、第一碱金属20、第一玻璃管道21、第一真空阀门22、第二碱金属23、光泵泡24、第三玻璃管道25、第二真空阀门26。其连接关系是：本发明装置所包含的上述部件中除保温盒4和温度控制显示器12外，其它部件都安装在保温盒4上。在保温盒4上依次安装有第一保温筒1、第一导热筒2、第一玻璃管道21、第二保温筒5、第二导热筒6、第一光窗3、多芯接头10、隔热板16、风扇14、第二光窗17、第三玻璃管道25。在隔热板16上依次连接保温盒4、第二保温筒5、第二导热筒6，隔热板16将光泵泡分为前部和后部两个部分、也将保温盒4分成了两个区域。第一保温筒1的一端连接保温盒4，第一保温筒1的另外一端连接第二保温筒5，第一保温筒1从外到内依次安装了第一导热筒2、电热丝8、气体/蒸气预混合室19、第一碱金属20，第二保温筒5的一端与隔热板16相连，第二保温筒5的另外一端与保温盒4相连，第二保温筒5从外到内依次装配有第二导热筒6、电热丝8、第一测温电阻7、控温电阻9、光泵泡24、第二碱金属23，温度控制显示器12通过多芯电缆线11和电线13分别与安装在保温盒4上的多芯接头10、风扇14连接，温度控制显示器12一路依次连接电线13、风扇14，温度控制显示器12另外一路依次连接多芯电缆线11、多芯接头10、第一测温电阻7、控温电阻9、第二测温电阻15、电热丝8、光泵泡24。风扇14安装在保温盒4的前端，第一真空阀门22依次连接第一玻璃管道21、气体/蒸气预混合室19、第一碱金属20、第二玻璃管道18、光泵泡24、第二碱金属23、第三玻璃管道25、第二真空阀门26。

本发明装置实施工作时（如图2所示），其位于磁场B₀内，工作气体G流入本发明装置、经过第一真空阀门22、第一玻璃管道21后，在气体/蒸气预混合室19里与第一碱金属20的原子蒸气混合，再经过第二玻璃管道18流入光泵泡24与第二碱金属蒸气23混合，与磁场B₀相同方向的激光L入射通过第二光窗17后照射光泵泡24、光泵并极化混合的碱金属原子蒸气，经过第一光窗3出射的是混合碱金属原子发射的荧光和透射的激光F/L，极化的碱金属原子与混合的工作气体进行碰撞自旋交换，最后，激光预极化惰性气体H依次经过第三玻璃管道25、第二真空玻璃阀门26流出本发明装置。

所述的一种用于自旋交换光泵的恒温装置基于“分区电热丝加热＋风扇冷却”工作方式达到光泵泡24恒温的目的。

所述的隔热板16将保温盒4分隔为主动电热丝加热／保温和主动风扇冷却/保温两个区域，提供于光泵泡24分区恒温。

所述的第一保温筒1与第一导热筒2、电热丝8，构成用于气体和蒸气预混合室19的加热／保温单元。

所述的第二保温筒5与第二导热筒6、电热丝8、第一测温电阻7、控温电阻9，组成用于光泵泡24后部的加热／保温单元。

所述的风扇4用于冷却光泵泡24前部，降低由于“激光加热效应”升高的温度，减少光泵泡24的温度梯度。

所述的温度控制显示器12与保温盒4、第一保温筒1、第一导热筒2、第二保温筒5、第二导热筒6、电热丝8、第一测温电阻7、控温电阻9、第二测温电阻15、风扇14联合工作，用于光泵泡24的分区加热、冷却、和恒温控制。

本发明装置各部件的材料、形状和结构如下：

a）第一保温筒1由两片半圆的聚四氟乙烯材料组成圆筒，其一端与保温盒4连接，另外一端与第二保温筒5相连，内包括第一导热筒2和电热丝8，合并构成气体和蒸气预混合室19的加热／保温单元。第一保温筒1的尺寸是依照气体和蒸气预混合室19、电热丝8和第一导热筒2组装后的尺寸而设计，这个加热／保温单元是可随气体和蒸气预混合室19位置变化而移动的。

b）第一导热筒2由两片半圆铝材加工而成的圆筒，其两端分别连接保温盒4和保温筒5，内外分别是加热丝8和第一保温筒1，其作用是使得电热丝8加热提供到气体和蒸气预混合室19的温度分布更加均匀。其尺寸设计为完全覆盖加热丝8。

c）第一光窗3为耐热石英玻璃材料，直径范围为38～65mm，略大于扩束后的激光束L。其安装在保温盒4的后端，一方面用于保持光泵泡24后部的温度稳定，另一方面使得激光束L通过光泵泡24之后能够出射到荧光／透射激光F/L监测系统进行光谱分析。

d）保温盒4的材料为聚四氟乙烯，其除了被动保温作用外，也作为一个安装架，将除了温度控制显示器12以外的本发明装置其它组件集成在一起。

e）第二保温筒5的材料及结构都与第一保温筒1一样，只是尺寸加大了、依照安装在内的光泵泡24、加热丝8和第二导热筒6的组装尺寸而设计，其两端分别连接保温盒4和隔热板16，它们共同合成为光泵泡24后部加热／保温单元，用于保持光泵泡24后部的温度恒定。

f）第二导热筒6使用与第一导热筒2相同的材料与结构，其直径与长度是根据光泵泡24后部尺寸和电热丝8绕制的结构而设计，其作用与第一导热筒2类似。

g）第一测温电阻7为UST薄膜膜片铂电阻Pt100，其通过多芯接头10和多芯电缆线11与温度控制显示器12连接，用于监测光泵泡24后部的温度。

h）电热丝8为铠装双线定制产品，电阻值依据本发明装置要求加热功率计算而设计，其绕制通过需要加热的光泵泡24后部位置和气体和蒸气预混合室19，可以是单根的或者是多根串接一起。电热丝8依次与多芯接头10、多芯电缆线11和温度控制显示器12连接。其也可以使用加热带、电热板等其它类型电热器件替代。

i）控温电阻9使用与第一测温电阻7相同的UST薄膜膜片铂电阻Pt100，工作时将光泵泡后端表面的温度信息提供到温度控制显示器12，由温度控制显示器12确定电热丝8的开或者关。

j）多芯接头10与多芯电缆线11配用，为8芯电缆线接头，安装在保温盒4上，其作用是将第一测温电阻7、控温电阻9、第二测温电阻15和电热丝8的引线集合在一起，使它们通过多芯电缆线11连接到温度控制显示器12上。

k）多芯电缆线11为8芯电缆线，其的作用是连线，提供加热电功率、测温和控温信息通道，其一端连接到多芯接头10，另外一端连接温度控制显示器12。

l）温度控制显示器12为自组装单元——集电源、温控电路、温度显示为一体，其一端通过多芯电缆线11、多芯接头10分别与第一测温电阻7、控温电阻9、第二测温电阻15和电热丝8相连接，另外一端依次连接电线13、风扇14。

m）电线13为双芯电缆线，两端分别连接温度控制/显示器12和风扇14，用于风扇14的供电控制。

n）风扇14的型号为TFS802512M，通过电线13与温度控制/显示器12连接，用于降低光泵泡24前部“激光加热效应”引起的温度变化，以达到减小光泵泡24温度梯度目的。

o）第二测温电阻15与第一测温电阻7、控温电阻9一样，也使用UST薄膜膜片铂电阻Pt100，与温度控制/显示器12联用，监测光泵泡24前部表面温度。

p）隔热板16的材料为聚四氟乙烯，其作用是将保温盒4分隔为两个区域——主动加热／保温区和主动冷却／保温区，其位置依据光泵泡24里“激光加热效应”的范围可以进行调节。

q）第二光窗17与第一光窗3相同，为石英玻璃材料，自设计定制，直径略大于扩束后的激光L的光束，直接安装在保温盒4的前端，作用之一是作为激光L的入射窗口，另外一个作用是作为保温盒4前端的填补——即：光泵泡24前端主动冷却／保温区里被动保温层的部分。

r）第二玻璃管道18的材质为Pyrex，直径范围为5～15mm，壁厚1～1.5mm，其作用是连通气体和蒸气预混合室19和光泵泡24，使得气体和蒸气预混合室19里的混合气体能够输送到光泵泡24里。

s）气体和蒸气预混合室19使用了与第二玻璃管道18的相同材质，其设计为球形或者圆柱形，直径范围为10～30mm，壁厚1～1.5mm，进出口设计了～5mm直径的收口，内充有第一碱金属20，气体和蒸气预混合室19用于电热丝8加热产生碱金属蒸气并且提供于与流入的工作气体G的预混合。

t）第一碱金属20是预先充入的，用于产生原子蒸气，与流入的工作气体G预混合，提供于光泵泡24里激光L光泵及补充由于工作气体G流动带走的碱金属原子。

u）第一玻璃管道21与第二玻璃管道18一样使用Pyrex材质以及相同尺寸，其作用是连接第一真空阀门22、气体和蒸气预混合室19。

v）第一真空阀门22为型号K-82651的玻璃高真空阀门，主要作用有两个，一是在气体/蒸气预混合室19和光泵泡24充入第一碱金属20、第二碱金属23之后关闭，保护碱金属不被氧化，二是开启或者关闭工作气体G通道。

w）第二碱金属23与第一碱金属20使用相同碱金属，用于产生原子蒸气，提供于激光L进行光泵。

x）光泵泡24为自设计加工，圆柱形，直径范围为35～60mm，壁厚为2～3mm，长度为80～300mm，使用与第二玻璃管道18相同的Pyrex玻璃制做，用于自旋交换光泵。

y）第三玻璃管道25使用与第二玻璃管道18一样的材质2，直径与壁厚也相同，其作用是连通光泵泡24和第二真空阀门26。

z）第二真空阀门26使用与第一真空阀门22相同的玻璃高真空阀门K-82651，用于控制光泵泡24工作于间歇流动或者连续流动工作方式，也作为控制激光极化惰性气体H从本发明装置的流出

aa）荧光／透射激光F/L是激光L照射碱金属原子发射的荧光和其传输通过光泵泡24的光束之合，可以给出光泵过程的信息。

bb）激光L来自激光预极化惰性气体系统的大功率半导体二极管阵列激光器，作为圆偏振光泵源，激光L的扩束直径与光泵泡24内直径相吻合、传输方向与磁场B₀的方向一致。

cc）工作气体G为混合气体，典型的为惰性气体＋压力增宽气体＋荧光淬灭气体，压力范围2～6bar。

dd）激光预极化惰性气体H是激光L照射光泵泡24里的碱金属原子蒸气和工作气体G而产生的激光预极化气体。

ee）磁场B₀通常为亥姆赫兹线圈或者磁共振谱仪的翼场产生，磁场场强范围为0.0005～0.02T。

本发明装置中的连接详细描述如下：

本发明装置所包含的上述部件中除保温盒4和温度控制显示器12外，其它部件都安装在保温盒4上。在保温盒4上依次安装有第一保温筒1、第一导热筒2、第一玻璃管道21、第二保温筒5、第二导热筒6、第一光窗3、多芯接头10、隔热板16、风扇14、第二光窗17、第三玻璃管道25。在隔热板16上依次连接保温盒4、第二保温筒5、第二导热筒6，隔热板16将光泵泡24分为了前部和后部两个部分，也将保温盒4分成了两个区域。第一保温筒1的一端连接保温盒4，另外一端连接第二保温筒5，第一保温筒1从外到内依次安装了第一导热筒2、电热丝8、气体和蒸气预混合室19、第一碱金属20。第二保温筒5的一端与隔热板16相连，另外一端与保温盒4相连，第二保温筒5从外到内依次装配有第二导热筒6、电热丝8、第一测温电阻7、控温电阻9、光泵泡24、第二碱金属23。温度控制显示器12通过多芯电缆线11和电线13分别与安装在保温盒4上的多芯接头10、风扇14连接，温度控制显示器12一路依次连接电线13、风扇14，另外一路依次连接多芯电缆线11、多芯接头10、第一测温电阻7、控温电阻9、第二测温电阻15、电热丝8。

下面结合附图1对一种用于自旋交换光泵的恒温装置作详细说明，其工作流程与步骤是：

（A）保温盒4作为被动保温和安装架使用，并将激光L入射端设定为保温盒4的前端和光泵泡24的前部，荧光/透射激光F/L出射端设定为保温盒4后端和光泵泡24后部。使用电热丝8、第一导热筒2、第一保温筒1、第二导热筒6、第二保温筒5构建分别用于气体/蒸气预混合室19和光泵泡24后部的主动加热／保温单元。使用风扇14和保温盒4的部分组成用于光泵泡24前部温度控制的主动冷却／保温单元；

（B）本发明装置安装在激光预极化惰性气体系统里，工作时，温度控制显示器12与电热丝8、第一测温电阻7、第二测温电阻15、控温电阻9、风扇14联合作用，提供于分区主动加热、主动冷却，控制气体和蒸气预混合室19和光泵泡24的温度；

（C）电热丝8分别加热气体和蒸气预混合室19和光泵泡24的后部，第一碱金属20和第二碱金属23被加热形成原子蒸气，来自激光预极化惰性气体系统气路的工作气体G进入本发明装置后，首先在气体和蒸气预混合室19里与第一碱金属20原子蒸气进行初步混合后，再流入光泵泡24里与第二碱金属23原子蒸气再混合；

（D）激光L照射光泵泡24里第一碱金属20原子蒸气与第二碱金属23原子蒸气的混合碱金属蒸气，然后，激光极化的碱金属原子与工作气体G里惰性气体之间碰撞转移极化度；

（E）在“激光加热效应”引起光泵泡24的表面温度高于设定温度值时，温度控制显示器12协同风扇14一起工作，冷却光泵泡24；

（F）最终，分区主动加热／保温、主动冷却／保温，使得光泵泡24恒温，为气体和蒸气预混合、自旋交换光泵提供了稳定的工作环境，使得激光预极化系统产生能够满足肺部和脑磁共振成像要求的高极化度、大容量的激光预极化惰性气体H。

根据上述的描述本发明的技术方案：以使用铷碱金属为例，本发明所提供的一种用于自旋交换光泵的恒温装置作进一步的详细描述。

图2为一种用于自旋交换光泵的恒温装置实施示意图。在本发明装置实施自旋交换光泵过程中，气体和蒸气预混合室19和光泵泡24里充入了第一铷碱金属20和第二铷碱金属23，工作气体G典型地为天然氙气、氦－4气和高纯氮气的混合气体。本发明一种用于自旋交换光泵的恒温装置，它包括第一保温筒1、第一导热筒2、第一光窗3、保温盒4、第二保温筒5、第二导热筒6、第一测温电阻7、电热丝8、控温电阻9、多芯接头10、多芯电缆线11、温度控制显示器12、电线13、风扇14、第二测温电阻15、隔热板16、第二光窗17、第二玻璃管道18、气体和蒸气预混合室19、第一铷碱金属20、第一玻璃管道21、第一真空阀门22、第二铷碱金属23、光泵泡24、第三玻璃管道25、第二真空阀门26。本发明装置所包含的上述部件中除保温盒4和温度控制显示器12外，其它部件都安装在保温盒4上。保温盒4上依次安装有第一保温筒1、第一导热筒2、第一玻璃管道21、第二保温筒5、第二导热筒6、第一光窗3、多芯接头10、隔热板16、风扇14、第二光窗17、第三玻璃管道25。隔热板16依次连接保温盒4、第二保温筒5、第二导热筒6，隔热板16将光泵泡24分为前部和后部两个部分，也将保温盒4分成了两个区域。第一保温筒1的一端连接保温盒4，另外一端连接第二保温筒5，第一保温筒1从外到内依次安装了第一导热筒2、电热丝8，构成用于气体和蒸气预混合室19的加热／保温单元，第二保温筒5的一端与隔热板16相连，另外一端与保温盒4相连，第二保温筒5从外到内依次装配有第二导热筒6、加热丝8、第一测温电阻7、控温电阻9，组成用于光泵泡24后部的加热/恒温单元，温度控制显示器12通过多芯电缆线11和电线13分别与安装在保温盒4上的多芯接头10、风扇14连接，温度控制/显示器12的一端依次连接电线13、风扇14，用于光泵泡24前部的局部冷却/恒温，降低光泵泡24前部由于“激光加热效应”升高的温度，减少光泵泡24的温度梯度，温度控制/显示器12的另外一端依次连接多芯电缆线11、多芯接头10、第一测温电阻7、控温电阻9、第二测温电阻15、电热丝8，加热/恒温光泵泡24的后端，本发明一种用于自旋交换光泵的恒温装置基于“分区电热丝加热＋风扇冷却”工作方式达到恒温光泵泡24的目的，隔热板16将保温盒4分隔为电热丝加热／保温和风扇冷却／保温两个区域，提供于分区恒温光泵泡24，温度控制显示器12与保温盒4、第一保温筒1、第一导热筒2、第二保温筒5、第二导热筒6、电热丝8、第一测温电阻7、控温电阻9、第二测温电阻15、风扇14联合工作，分区控制光泵泡24的加热、冷却、恒温。

本发明装置安装在激光预极化惰性气体系统里，工作时，温度控制显示器12与电热丝8、第一测温电阻7、第二测温电阻15、控温电阻9、风扇14联合作用，提供于光泵泡24分区的主动加热和冷却；电热丝8分别加热气体和蒸气预混合室和光泵泡24的后部，第一铷碱金属20和第二铷碱金属23被加热形成原子蒸气，来自激光预极化惰性气体系统气路的工作气体G（其典型地为1％氙气＋89％氦气＋10％氮气的混合气体，压力2～6bar，流量150～500ml／min）流入本发明装置，经过第一真空阀门22、第二玻璃管道21与第一铷碱金属20原子蒸气首先在气体和蒸气预混合室19里进行初步混合后，经过第一玻璃管道18流入光泵泡24，与第二铷碱金属23原子蒸气再混合；激光L照射光泵泡24里混合的碱金属蒸气，然后，激光极化的碱金属原子与工作气体G里惰性气体之间碰撞转移极化度；在“激光加热效应”引起光泵泡24的表面温度高于设定温度值时，温度控制显示器12协同风扇14一起工作，冷却光泵泡24；最终，分区主动加热／保温、主动冷却／保温，使得减小温度梯度和恒温光泵泡24，为气体和蒸气预混合、自旋交换光泵提供了稳定的工作环境，产生能够满足肺部和脑磁共振成像要求的高极化度激光预极化氙-129惰性气体H。最后，激光预极化氙-129惰性气体H经过第三玻璃管道25、第二真空阀门26流出本发明装置。

本发明装置的上述描述中均以碱金属铷原子为例，在具体实施过程中，本发明涉及其它碱金属—钾、钠、铯，或者混合使用它们，按照要求的碱金属原子密度设置相应的工作温度；工作气体以氙气＋氦气＋氮气的混合气体为例，本发明也涉及氦、氪、氖加上其它气体的混合气体，工作时仅仅调整它们的混合比、压力和流量。

Claims (1)

1.一种用于自旋交换光泵的恒温装置，它由第二保温筒(5)、第二导热筒(6)、第二光窗(17)、保温盒(4)、第一测温电阻(7)、电热丝(8)、控温电阻(9)、多芯接头(10)、多芯电缆线(11)、温度控制显示器(12)、电线(13)、风扇(14)、隔热板(16)、气体和蒸气预混合室(19)、第一碱金属(20)、第一玻璃管道(21)、第一真空阀门(22)、光泵泡(24)组成，其特征在于：在保温盒(4)上依次安装有第一保温筒(1)、第一导热筒(2)、第一玻璃管道(21)、第二保温筒(5)、第二导热筒(6)、第一光窗(3)、多芯接头(10)、隔热板(16)、风扇(14)、第二光窗(17)、第三玻璃管道(25)，在隔热板(16)上依次连接保温盒(4)、第二保温筒(5)、第二导热筒(6)，第一保温筒(1)从外到内依次安装了第一导热筒(2)、电热丝(8)、气体和蒸气预混合室(19)、第一碱金属20，第二保温筒(5)的一端与隔热板(16)相连，第二保温筒(5)的另外一端与保温盒(4)相连，第二保温筒(5)从外到内依次装配有第二导热筒(6)、电热丝(8)、第一测温电阻(7)、控温电阻(9)、光泵泡(24)、第二碱金属23，温度控制显示器(12)通过多芯电缆线(11)和电线(13)分别与安装在保温盒(4)上的多芯接头(10)、风扇(14)连接，温度控制显示器(12)一路依次连接电线(13)、风扇(14)，风扇(14)安装在保温盒(4)的前端，温度控制显示器(12)另外一路依次连接多芯电缆线(11)、多芯接头(10)、第一测温电阻(7)、控温电阻(9)、第二测温电阻(15)、电热丝(8)、光泵泡(24)，第一真空阀门(22)依次连接第一玻璃管道(21)、气体和蒸气预混合室(19)、第一碱金属(20)、第二玻璃管道(18)、光泵泡(24)、第二碱金属(23)、第三玻璃管道(25)、第二真空阀门(26)；

隔热板(16)将光泵泡(24)分为前部和后部两个部分，也将保温盒(4)分成两个区域，提供于光泵泡(24)的分区恒温；

第一保温筒(1)与第一导热筒(2)、电热丝(8)，构成用于气体和蒸气预混合室(19)的加热/保温单元，所述的第二保温筒(5)与第二导热筒(6)、电热丝(8)、第一测温电阻(7)、控温电阻(9)，组成用于光泵泡(24)后部的加热/保温单元。