Der
Begriff des optischen Pumpens umfasst das von Kastler entwickelte
Verfahren, durch Lichteinstrahlung in Materie die Besetzungszahlen
bestimmter Energiezustände
gegenüber
dem Gleichgewichtszustand bedeutend zu erhöhen. Durch optisches Pumpen
können
die relativen Besetzungszahlen von Energieniveaus in Atomen, Ionen,
Molekülen und
Festkörpern
verändert
und Ordnungszustände hervorgerufen
werden. Die Besetzungsdichte des optisch gepumpten Zustandes weicht
deutlich von seiner thermischen Besetzungswahrscheinlichkeit gemäß der Boltzmann-Verteilung ab. Durch
optisches Pumpen von Zeeman-Niveaus kann z.B. eine Parallelstellung
der magnetischen Momente von Atomen und Atomkernen erreicht werden.
Typischerweise
wird in der Praxis das Alkaliatom Rubidium in Anwesenheit eines
Edelgases und Stickstoff eingesetzt. Dabei ist es möglich, eine
Kernspinpolarisation von z.B. 129Xe von
etwa 20 Prozent zu erreichen. Eine solche Kernspinpolarisation ist
ca. 100000 mal größer als
die Gleichgewichtspolarisation in klinischen Magnet Resonanz Tomographen
bei 1 T und 300 K. Die damit verbundene drastische Steigerung des
Signal-Rausch-Verhältnisses
erklärt, weshalb
in Zukunft neue Anwendungsmöglichkeiten in
der Medizin, Wissenschaft und Technik erwartet werden.
Unter
Polarisation wird der Grad der Ausrichtung (Ordnung) der Spins von
Atomkernen oder Elektronen verstanden. Zum Beispiel bedeutet 100
Prozent Polarisation, dass sämtliche
Kerne oder Elektronen in gleicher Weise orientiert sind. Mit der
Polarisation von Kernen oder Elektronen ist ein magnetisches Moment
verbunden.
Polarisiertes
Xenon wird zum Beispiel von einem Menschen inhaliert oder in ihn
injiziert. 10 bis 15 Sekunden später
sammelt sich das polarisierte Xenon im Gehirn an. Mit Hilfe der
Magnetischen Resonanz Tomographie wird die Verteilung des Edelgases im
Gehirn festgestellt. Das Ergebnis wird für weitere Analysen genutzt.
Die
Wahl des Edelgases hängt
jeweils vom Anwendungsfall ab. 129Xe weist
eine große
chemische Verschiebung auf. Wird Xenon z.B. auf einer Oberfläche adsorbiert,
so verändert
sich signifikant seine Resonanzfrequenz. Außerdem löst sich Xenon in lipophilen
Flüssigkeiten.
Wenn derartige Eigenschaften erwünscht
sind, wird Xenon eingesetzt.
Das
Edelgas Helium löst
sich kaum in Flüssigkeiten.
Das Isotop 3He wird daher regelmäßig dann
verwendet, wenn Hohlräume
betroffen sind. Die Lunge eines Menschen stellt ein Beispiel für einen solchen
Hohlraum dar.
Einige
Edelgase weisen andere wertvolle Eigenschaften als die vorgenannten
auf. So besitzen z.B. die Isotope 83Kr, 21Ne und 131Xe ein
Quadrupolmoment, welches z.B. für
Experimente in der Grundlagenforschung bzw. in der Oberflächenphysik
interessant sind. Diese Edelgase sind allerdings sehr teuer, so
dass diese für
Anwendungen, bei denen größere Mengen
verwendet werden, ungeeignet sind.
Aus
der Druckschrift Driehuys et al. (Appl. Phys. Lett. (1996). 69,
1668) ist bekannt, Edelgase auf folgende Weise in einem Polarisator
zu polarisieren.
Ausgehend
von einer Gasversorgung, wird ein Gasstrom, bestehend aus einem
Gemisch von 129Xe, 4He
und N2 in einem Rb-Behälter mit Rb-Dampf angereichert
und durch eine Pumpzelle geleitet. Mit Hilfe eines Lasers wird zirkular
polarisiertes Licht bereitgestellt, also Licht, bei dem der Drehimpuls
bzw. der Spin der Photonen alle in die gleiche Richtung zeigen.
In
der Pumpzelle werden die Rb-Atome als pumpbare Spezies mit dem Laserstrahl
(λ∼ 795 nm, Rb
D1-Linie) longitudinal zu einem Magnetfeld optisch gepumpt und so
die Elektronenspins der Rb-Atome
polarisiert. Dabei wird der Drehimpuls der Photonen auf freie Elektronen
von Alkaliatomen übertragen.
Die Spins der Elektronen der Alkaliatome weisen somit eine große Abweichung
vom thermischen Gleichgewicht auf. Die Alkaliatome sind folglich
polarisiert. Durch einen Stoß eines
Alkaliatoms mit einem Edelgasatom wird die Polarisation des Elektronenspins
vom Alkaliatom auf das Edelgasatom übertragen. Es entsteht so polarisiertes
Edelgas. Die durch das optische Pumpen von Alikaliatomen erzeugte
Polarisation des Elektronenspins der Alkaliatome wird also durch
Spinaustausch vom Alkali-Elektron
auf den Kernspin der Edelgase übertragen,
wie erstmals von Bouchiat am Rb/3He-System gezeigt
wurde.
Aus
Appelt et al. (S. Appelt, A. Ben-Amar Baranga, C. J. Erickson, M.
V. Romalis, A. R. Young, and W. Happer, Phys. Rev. A (1998), 58,
1412) ist zur Theorie von Zweikörperstößen bekannt,
zwischen einem Paar von Alkalimetall-Atomen einen Spinaustausch herbeizuführen.
Aus
WO 99/08766 A2 ist bekannt, neben einem ersten optisch pumpbaren
Alkalimetall ein Hilfs-Alkalimetall als nicht optisch pumpbare Spezies einzusetzen.
Die optisch pumpbare Spezies überträgt dabei
die Elektronenspinpolarisation auf die nicht optisch pumpbare Spezies,
wodurch effektiv eine Erhöhung
des Polarisationsgrades des Edelgases eintritt.
Alkaliatome
werden eingesetzt, da diese über
ein großes
optisches Dipolmoment verfügen, welches
mit dem Licht wechselwirkt. Ferner weisen Alkaliatome jeweils ein
freies Elektron auf, so dass keine nachteilhaften Wechselwirkungen
zwischen zwei und mehr Elektronen pro Atom auftreten können.
Cäsium wäre ebenfalls
ein gut geeignetes Alkaliatom, welches gegenüber Rubidium zur Erzielung vorgenannter
Wirkungen überlegen
ist. Es stehen jedoch zur Zeit keine Laser mit genügend hoher
Leistung zur Verfügung,
wie sie für
die Polarisation von Xenon mittels Cäsium benötigt würden.
Um
bei der Verwendung von breitbandigen Hochleistungs-Halbleiterlasern
möglichst
viele Photonen nutzen zu können,
wird beim optischen Pumpen von Edelgasen bei Drücken von mehreren Atmosphären gearbeitet.
Dabei unterscheidet sich das optische Pumpen von Alkalimetall-Atomen
je nach Art des zu polarisierenden Edelgases.
Zur
Polarisation von 129Xe wird ein Gasgemisch
unter einem Druck von etwa 7 bis 10 bar durch eine zylindrische
Glaszelle kontinuierlich oder halbkontinuierlich durchgeleitet.
Das Gasgemisch besteht zu 94 Prozent aus 4He,
zu 5 % aus Stickstoff und zu 1 % aus Xenon. Die typische Fließgeschwindigkeit
des Gasgemisches beträgt
1 cm je Sekunde.
Im
Falle der Polarisation von 3He wird der
nötige
Druck im Polarisator durch das 3He selbst
erzeugt, da die Elektronenspinrelaxationsrate von Rb-3He-Stößen klein
ist. Beim Spinaustauschpumpen von Rb-129Xe
ist dies nicht der Fall, weshalb der Druck durch ein zusätzliches
Puffergas wie 4He erzeugt wird. Aus den
unterschiedlichen Relaxations- und Spinaustauschraten ergeben sich
unterschiedliche Anforderungen an die Polarisatoren.
So
liegen bei 3He die Kernspin-Polarisations-Aufbauzeiten
im Bereich von Stunden. Da aber auch die Rubidium-Spin-Zerstörungsrate
für Rubidium-3He-Stöße relativ
gering ist, kann hier bei hohen 3He-Drücken gearbeitet
werden (> 5 bar).
Für 129Xe hingegen liegen die Kernspin-Polarisations-Aufbauzeiten
aufgrund des größeren Spinaustausch-Wirkungsquerschnittes
zwischen 20 bis 40 Sekunden. Aufgrund der sehr großen Rubidium-Elektronenspinrelaxationsrate
für Rubidium-Xenon-Stöße darf
beim optischen Spinaustauschpumpen der Xenon-Partialdruck nur weniger
als 100 mbar betragen, damit eine genügend hohe Rubidium- Polarisation aufrecht
erhalten werden kann. Deshalb wird in solchen Polarisatoren 4He zur Linienverbreiterung als Puffergas
eingesetzt.
Die
Polarisatoren können
als Fluss-Polarisatoren, z.B. zur Polarisation von 129Xe
oder als Polarisatoren mit einer abgeschlossenen Probenzelle für z.B. 3He ausgestaltet sein.
In
einem Durchflusspolarisator durchströmt das Gasgemisch zunächst ein
Gefäß, nachfolgend "Vorratsgefäß" genannt, in dem
sich eine gewisse Menge Rb befindet. Das Vorratsgefäß mit dem
darin befindlichen Rubidium wird zusammen mit der sich anschließenden Glaszelle
auf ca. 100 bis 150 Grad Celsius erwärmt. Durch Bereitstellung dieser
Temperaturen wird das Rubidium verdampft. Die Konzentration der
verdampften Rubidium-Atome
in der Gasphase wird durch die Temperatur im Vorratsgefäß bestimmt.
Der Gasstrom transportiert die verdampften Rubidium-Atome von dem Vorratsgefäß z.B. in
eine zylindrische Probenzelle. Ein leistungsstarker, zirkular polarisiertes
Licht bereitstellender Laser mit ca. 100 Watt Leistung im kontinuierlichen
Betrieb durchstrahlt die Probenzelle axial, das heißt in Flussrichtung
und pumpt optisch die Rubidium-Atome in einen hochpolarisierten
Zustand. Die Wellenlänge
des Lasers muss dabei auf die optische Absorptionslinie der Rubidium-Atome
(D1-Linie) abgestimmt
sein.
Mit
anderen Worten: Um die Polarisation vom Licht auf ein Alkaliatom
optimal zu übertragen, muss
die Frequenz des Lichts mit der Resonanzfrequenz des optischen Übergangs übereinstimmen.
Die
Probenzelle befindet sich in einem statischen magnetischen Feld
B0 von etwa 10 Gauss, das von Spulen, insbesondere
einem sogenannten Helmholtzspulenpaar, erzeugt wird. Die Richtung
des magnetischen Feldes verläuft
parallel zur Zylinderachse der Probenzelle bzw. parallel zur Strahlrichtung
des Lasers. Das Magnetfeld dient der Führung der polarisierten Atome.
Die durch das Licht des Lasers optisch hochpolarisierten Rubidium-Atome
kollidieren in der Glaszelle unter anderem mit den Xenon-Atomen und
geben ihre Polarisation an die Xenon-Atome ab.
Am
Ausgang der Probenzelle scheidet sich das Rubidium aufgrund des
hohen Schmelzpunkts im Vergleich zu den Schmelzpunkten der übrigen Gase
an der Wand ab. Das polarisierte Xenon bzw. das Restgasgemisch wird
von der Probenzelle in eine Ausfriereinheit weitergeleitet. Diese
besteht aus einem Glaskolben, dessen Ende in flüssigen Stickstoff getaucht
ist. Der Glaskolben befindet sich ferner in einem Magnetfeld mit
einer Stärke
von > 1000 Gauss.
Das hochpolarisierte Xenon-Gas scheidet sich an der inneren Glaswand
der Ausfriereinheit als Eis ab.
Am
Auslaß der
Ausfriereinheit wird das restliche Gas (4He
und N2) in der Regel über ein Nadelventil geleitet
und schließlich
abgelassen. Die Flussgeschwindigkeit in der gesamten Anordnung kann über das
Nadelventil gesteuert und mit einem Messgerät gemessen werden.
Steigt
die Flussgeschwindigkeit zu sehr an, so verbleibt keine Zeit zur Übertragung
der Polarisation von den Rubidium-Atomen auf die Xenon-Atome. Es
wird also nur eine geringe Polarisation erzielt. Ist die Flussgeschwindigkeit
zu niedrig, so verstreicht zuviel Zeit, bis die gewünschte Menge
an hochpolarisiertem Xenon eingefroren ist. Durch Relaxation im Xe-Eis
nimmt die Polarisation der Xenon-Atome nämlich wieder ab. Die Relaxation
der Xenon-Atome wird durch das Einfrieren sowie durch ein starkes
Magnetfeld, welchem die Ausfriereinheit ausgesetzt ist, stark verlangsamt.
Es ist daher erforderlich, nach der Polarisierung das Edelgas Xenon
möglichst
schnell und verlustfrei einzufrieren.
Zwar
kann die Relaxation durch das Einfrieren nicht ganz vermieden werden.
Es verbleiben jedoch bei 77 K ungefähr 1 bis 2 Stunden Zeit, ehe
die Xenon-Polarisation so stark abgenommen hat, dass eine weitere
Verwendung des anfangs hochpolarisierten Gases nicht mehr möglich ist.
Ein
Polarisator der vorgenannten Art weist stets Verbindungsstellen
auf. Verbindungsstellen sind solche, bei denen wenigstens zwei Leitungen, durch
die polarisiertes Gas geleitet wird, miteinander verbunden sind.
Die Leitungen bestehen in der Regel aus Glas. Die Verbindung wird
durch ein Verbindungselement wie z.B. Flansche hergestellt.
Um
ein einzelnes freies Alkaliatom zu polarisieren, ist eine bestimmte
Energie erforderlich. Die erforderliche Energie entspricht der Resonanzfrequenz
zur Anhebung des freien Elektrons des Alkaliatoms von einem Grundzustand
in einen angeregten Zustand. Um die Energie von einem Laser auf
das Alkaliatom optimal zu übertragen,
muss die Frequenz des Lichts des Lasers auf die Resonanzfrequenz
des Alkaliatoms abgestimmt werden. Einige Laser senden ihr Licht
innerhalb eines bestimmten Frequenzspektrums aus. Es handelt sich
dabei also nicht um eine einzelne Frequenz, sondern um eine Verteilung von
Frequenzen. Das zur Verfügung
stehende Spektrum eines Lasers wird durch die sogenannte Linienbreite
charakterisiert. Um wirtschaftlich Alkaliatome zu polarisieren,
werden breitbandige Halbleiter-Laser vorgesehen, deren Frequenz
und Linienbreite auf die Resonanzfrequenz bzw. die optische Linienbreite des
Alkaliatoms abgestimmt sind.
Um
die Energie von einem Laser auf Alkaliatome besser übertragen
zu können,
sind während
der Polarisation Stoßpartner
für die
Alkaliatome vorgesehen. Als Stoßpartner
dienen insbesondere die 4He-Atome. Durch
die Wechselwirkung bzw. durch die Stöße mit den Helium-Atomen verbreitert
sich die optische Linienbreite eines Alkaliatoms. Je breiter dieses
atomare Spektrum ist, desto eher können spektral breite und damit
preiswerte Laser eingesetzt werden.
Die
Anzahl der Stöße zwischen
einem Alkaliatom und einem Stoßpartner
wie 4He ist umso höher, je höher der Druck ist. Für 4He zum Beispiel ist die Verbreiterung der
optischen Linienbreite des Alkaliatoms proportional zum Druck des
Heliumgases. Außerdem
besitzt 4He die wertvolle Eigenschaft, dass
es nur wenig zerstörenden
Einfluss auf die Polarisation der Alkaliatome hat. Bei der Polarisation von 129Xe wird daher regelmäßig mit einem Gasgemisch gearbeitet,
welches zu 94 Prozent aus 4He besteht und
einen Druck von etwa 10 bar besitzt.
Bei
dem gemäß Stand
der Technik bekannten 100 Watt starken Laser für die Hyperpolarisation der
Rb-Elektronen handelt es sich um einen glasfasergekoppelten Diodenlaser
mit einer typischen Spektralbreite von 2 bis 4 Nanometern. Bei einem Gasdruck
von 10 bar ist die Linienbreite des optischen Überganges von Rubidiumatomen
auf ca. 0,3 Nanometer verbreitert. Daher wird in den vorhandenen
Rubidium-Xenon-Polarisatoren, in denen zum optischen Pumpen Hochleistungs-Diodenlaser
mit typischerweise 2 Nanometer Linienbreite eingesetzt werden, nur
ein Bruchteil des Laserlichts genutzt.
Die
Partialdrucke von 4He betragen in dem Gasgemisch
bis zu 10 bar. Im Vergleich zu den übrigen Partialdrucken (Xenon
bzw. Stickstoff) ist dies sehr hoch. Dies soll bewirken, dass polarisierte
Alkalimetall- oder Edelgasatome selten an die Innenwand der Glaszelle
gelangen und dort z.B. durch Wechselwirkung mit paramagnetischen
Zentren ihre Polarisation verlieren. Mit zunehmendem Partialdruck
des 4He nimmt also die Wahrscheinlichkeit
ab, dass polarisierte Atome nachteilhaft an die Zellinnenwand stoßen.
Ein
polarisiertes Alkaliatom wie z.B. Rubidium vermag eine Fluoreszenzstrahlung
zu erzeugen. Wird eine solche Strahlung von einem weiteren polarisierten
Alkaliatom eingefangen, so führt
dieser Einfang zur Depolarisation des Alkaliatoms. Der bei der Polarisation
von Edelgasen eingesetzte Stickstoff im Gasgemisch dient dem Strahlungseinfang
dieser Fluoreszenzstrahlung, um die vorgenannte unerwünschte Depolarisation
herabzusetzen. Das Element Stickstoff im Gasgemisch weist ebenso
wie Xenon nur einen geringen Partialdruck auf. Dieser Partialdruck
beträgt
typischerweise ca. 0,1 bar.
Die
schweren Edelgas-Atome, wie z. B. Xenon-Atome, verursachen bei Stößen mit
den Alkaliatomen eine starke Relaxation der Polarisation der Alkaliatome.
Um die Polarisation der Alkaliatome beim optischen Pumpen so groß wie möglich zu
halten, muss der Partialdruck des Xenongases im Gasgemisch entsprechend
klein sein. Selbst bei einem Xenon-Partialdruck im Gasgemisch von
0,1 bar braucht man Laserleistungen um die 100 Watt, um im ganzen Probenvolumen
eine Polarisation der Alkaliatome von etwa 70 Prozent zu erreichen.
Beim
Stand der Technik werden Probenzellen aus Glas eingesetzt, die aus
einem Stück
geblasen sind. Dies hat zur Folge, dass die Fenster, durch die das
Licht des Lasers ein- und austritt, stets gekrümmt bzw. abgerundet sind. Es
treten beim Eintritt oder Austritt des Lichts des Lasers unerwünschte, nachteilhafte
Linseneffekte auf. Das Licht des Lasers wird fokussiert oder aufgeweitet.
Hierdurch verschlechtert sich die der Polarisationsgrad erheblich. Der
Querschnitt der Probenzelle wird also nicht gleichmäßig durch
das Licht des Lasers ausgeleuchtet.
Ein
Gasvolumen mit geeigneter Zusammensetzung wird gemäß Stand
der Technik durch eine zylinderförmige
Probenzelle gedrückt.
Das Licht des Lasers, der die Polarisation erzeugt, wird in der
Probenzelle absorbiert. Dabei durchstrahlt der Pumpstrahl die Probenzelle
in Strömungsrichtung
des Gemisches, welches die optisch pumpbare Spezies und die zu hyperpolarisierenden
Atomkerne umfasst parallel zum Magnetfeld.
Aus
US 2002/0107439 A1 ist bekannt, Laserlicht im Gegenstrom zu dem
fließenden
Gemisch in die Probenzelle einzustrahlen.
Aus
DE 199 37 566 A1 ist
ein Verfahren zur Hyperpolarisation von Atomkernen durch optisches Pumpen
in einer Probenzelle bekannt, wobei eine mittels Laserlicht erzeugte
Polarisation eines Elektronenspins einer optisch pumpbaren Spezies
in einem Gemisch auf den Kernspin eines zu hyperpolarisierenden
Atoms übertragen
wird und die Bestandteile des Gemisches die Innenwände der
Probenzelle nur in geringem Ausmaß berührt.
Nachteilig
wird mit allen, bisher aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren
und Vorrichtungen zur Hyperpolarisation nur ein vergleichsweise geringer
Polarisationsgrad der Kernspins von maximal etwa 40 % erzielt. Grund
hierfür
sind Wechselwirkungen in Form von Stößen des Alkalimetalls oder des
Edelgases gegen die Innenwände
der Probenzelle.
Aufgabe
der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Hyperpolarisation
von Atomkernen und insbesondere Edelgaskernen bereit zu stellen,
welches zur Erhöhung
des Polarisationsgrades führt.
Es
ist weiterhin Aufgabe der Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des
Verfahrens bereit zu stellen.
Die
Aufgabe wird durch ein Verfahren mit der Gesamtheit der Merkmale
des Anspruchs 1 und durch eine Vorrichtung gemäß Nebenanspruch gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen ergeben sich aus den darauf rückbezogenen Ansprüchen.
Das
erfindungsgemäße Verfahren
sieht vor, eine mittels Laserlicht erzeugte Polarisation eines Elektronenspins
einer optisch pumpbaren Spezies in einem Gemisch auf den Kernspin
eines zu hyperpolarisierenden Atoms zu übertragen. Das Gemisch umfasst
die optisch pumpbare Spezies, die zu hyperpolarisierenden Kerne
und gegebenenfalls weitere Bestandteile, wie z.B. Puffer- und Quenschgase
sowie gegebenenfalls eine weitere Alkalimetall-Sorte als Hilfs-Alkalimetall.
Die
Bestandteile des Gemisches oder andere, für die Hyperpolarisation inerte
Bestandteile, werden durch geeignete Ausgestaltung des Einlasses der
Probenzelle für
diese Bestandteile derartig in die Probenzelle geleitet, dass die
optisch pumpbare Spezies und/oder die zu hyperpolarisierenden Kerne die
Innenwände
der Probenzelle nicht, oder in geringem Ausmaß berühren. Dadurch werden nachteilige Wechselwirkungen
in Form von Stößen des
Alkalimetalls und/oder des Edelgases gegen die Innenwände der
Probenzelle vermieden, die ansonsten die Polarisation der Elektronen
der optisch pumpbaren Spezies und der zu hyperpolarisierenden Kerne
entlang des Querschnitts der Probenzelle verringern würden.
Dabei
wird eine besonders einfache und wirkungsvolle optische Pumpzelle
mit, im Vergleich zum Stand der Technik, verminderter Wandrelaxation
bereit gestellt, in welcher der oder die Ein- und/oder Auslassstutzen
anstelle eines 90° Winkels
(zur Längsachse
der Zelle) um einen definierten Winkel um 45° geneigt sind.
Es
ist vorteilhaft möglich,
für die
Hyperpolarisation inerte Verbindungen, wie Puffergase, derartig in
die Probenzelle zu leiten, dass die Relaxation der optisch pumpbaren
Spezies und die der hyperpolarisierten Atomkerne durch Stöße an der
Innenwand vermieden wird.
Das
Gemisch mit optisch pumpbarer Spezies und zu hyperpolarisierenden
Kernen kann aber auch selbst als Freistrahl in die Probenzelle geleitet werden.
Der Freistrahl umfasst das Gemisch. Deren Bestandteile berühren auf
Grund der Ausführung
in Form eines Freistrahls nicht die Innenwände der Probenzelle. Auch diese
Maßnahme
für sich
allein bewirkt, dass die optisch pumpbare Spezies und/oder die zu
hyperpolarisierenden Kerne die Innenwände der Probenzelle nicht berühren.
In
Abhängigkeit
vom Gasdruck und von der Fließgeschwindigkeit
des Gemisches wird der Freistrahl und/oder der Mantelstrom so ausgestaltet
und in die Probenzelle geleitet, dass die Verweilzeit der hyperpolarisierten
optisch pumpbaren Spezies und die der hyperpolarisierten Kerne in
der Probenzelle geringer ist, als deren Diffusionszeit zu den Innenwänden der
Probenzelle.
Durch
Ausbildung des Mantelstromes und/oder des Freistrahls wird also
bewirkt, dass das Gemisch mit der hyperpolarisierten optisch pumpbaren
Spezies und den hyperpolarisierten Kernen die Innenwände erst
an der Stelle berühren
kann, an der das Gemisch bereits wieder aus der Probenzelle zwecks
Anreicherung geleitet wird.
Die
Relaxation der optisch pumpbaren Spezies und/oder die der hyperpolarisierten
Kerne durch Stöße an die
Innenwände
der Probenzelle wird auf diese Weise vollständig vermieden.
Der
Freistrahl kann als dünne
Schicht mit einer Dicke von z.B. 1 cm und/oder gegebenenfalls weniger
als 1 cm Durchmesser ausgeformt werden.
Das
Gemisch wird dann als ein freier Strahl in die Probenzelle injiziert
und berührt
dessen Innenwände
nicht oder aber in weit geringerem Ausmaße als dies gemäß Stand
der Technik durch einfaches Hindurchdrücken des Gemisches durch eine
Probenzelle der Fall ist. Es treten keine Konvektionsströmungen an
die Innenwände
auf. Die Fließgeschwindigkeit
eines Volumenelements beträgt
z.B. etwa 0,5 cm je Sekunde und der Gasdruck in der Probenzelle z.B.
7–15 bar.
Hierzu
weist die erfindungsgemäße Vorrichtung
Mittel auf, die das Gemisch in die Probenzelle als Freistrahl injizieren,
so dass das Gemisch nicht gegen die Wände stößt und also die Wandrelaxation vermieden
wird. Ein derartiger Flusspolarisator wird im weiteren auch als
Jet-Polarisator bezeichnet.
Eine
Düse kann
als Mittel zur Ausbildung des Freistrahls vorgesehen sein. Die Düse steht
mit der Gasversorgung der Probenzelle in Verbindung und weist Abmessungen
auf, die einen Freistrahl des Gemisches erzeugen kann. Hierzu wird
das Gasgemisch mit geeignetem Druck über die Düse in die Probenzelle injiziert.
Eine
Gasversorgung umfasst die Leitungen und die Vorratsbehälter für eine bestimmte
chemische Spezies, wie z.B. die optisch pumpbare Spezies und andere
inerte Bestandteile, wie auch für
die zu hyperpolarisierenden Kerne. Mehrere Gasversorgungen stellen
die verschiedenen Gase bereit, die für die Hyperpolarisation einer
bestimmten Sorte Kerne oder Edelgase benötigt werden. Es können Mischkammern
zur Mischung der verschiedenen Bestandteile vorgesehen sein.
Die
in die Probenzelle durch die Düse
injizierten Bestandteile des Freistrahls berühren die Wände nicht, so dass die Wandrelaxation
der optisch pumpbaren Spezies und der hyperpolariserten Kerne vermieden
wird. Im Effekt bewirkt die Ausformung des Freistrahls durch die
erfindungsgemäße Vorrichtung
eine Anhebung des Polarisationsgrades während der Durchführung des
Verfahrens.
Das
Verfahren wird ferner so ausgeführt, dass
der Abstand zwischen dem Ende des Freistrahls, an dem das Gemisch
aus der Probenzelle geleitet wird, und dem oder den Eintrittsfenstern
für das
Laserlicht genügend
groß gewählt wird,
damit sich die Bestandteile des Gemisches, insbesondere die optisch
pumpbare Spezies nicht an den Innenwänden des oder der Eintrittsfenster
für das
Laserlicht abscheiden können.
Auch
diese Maßnahme
für sich
allein bewirkt eine deutliche Anhebung des Polarisationsgrades der
hyperpolarisierten Atomkerne.
Das
Eintrittsfenster der Probenzelle für das Laserlicht kann hierzu
einen größtmöglichen
Abstand zum Eingang der Probenzelle für die optisch pumpbare Spezies
aufweisen.
Dadurch
kann die Dichte der optisch pumpbaren Spezies sehr hoch gewählt werden,
das heißt z.B.
mindestens 1014 cm–3 85Rb-Atome und größer, ohne dass es zu den genannten
nachteiligen Effekten der Abscheidung der optisch pumpbaren Spezies an
dem oder den Eintrittsfenstern für
das Laserlicht kommt.
Es
wurde im Rahmen der Erfindung erkannt, dass sich bei Polarisatoren
gemäß Stand
der Technik, mit Ein- und Auslass für das Gemisch im rechten Winkel
zu einer Längsseite
der zylinderförmigen
Probenzelle, auf der Innenseite des Eintrittsfensters für das Laserlicht
auf Grund der räumlichen
Nähe zum Eingang
für das
Gemisch mit der Zeit eine dünne Schicht
der optisch pumpbaren Spezies ablagert, die beim Durchgang eines
Pumpstrahls mit hoher Leistungsdichte verdampft, und eine Grenzschicht
(Dicke < 0,3 mm)
mit hoher Dichte ausbildet. Da die Atome in dieser Grenzschicht
nahezu unpolarisiert sind, wird in dieser Grenzschicht ein großer Teil
(> 50 %) der Leistung
des Pumpstrahls absorbiert. Diese in der Grenzschicht absorbierte Leistung,
steht für
den eigentlichen Pumpprozess in der Zelle nicht mehr zur Verfügung. Darüber hinaus
regt der auftretende starke Temperaturgradient gemäß Stand
der Technik zwischen dieser Grenzschicht und dem übrigen Zellvolumen
konvektive Strömungen
in der Zelle an. Dadurch wird der Transport des Gases an die Zellwände beschleunigt
und die Wandrelaxation nochmals vergrößert. Außerdem wird die Wandrelaxation
der Kernspins durch den Kontakt mit der Grenzschicht dramatisch
erhöht.
Die Führung
des Gemisches gemäß Stand
der Technik erfolgt also U-förmig.
Das
Verfahren kann erfindungsgemäß auch so
ausgeführt
werden, dass der Mantelstrom aus einer inerten Verbindung zur Separierung
des Gemisches von den Innenwänden
in die Probenzelle geleitet wird.
Das
oder die Eintrittsfenster für
den oder die Laser werden mit einem Mantelstrom gespült. Der Mantelstrom
wird so in die Probenzelle geleitet, dass er den Freistrahl umgibt
und die Innenwände
der Probenzelle spült.
Der Mantelstrom hat bezüglich
der Hyperpolarisation keine nachteiligen Effekte.
Vorteilhaft
umfasst der Mantelstrom eine inerte Verbindung, die für die Hyperpolarisation
eines bestimmten Kerns notwendig ist. Beispielhaft sei für die Hyperpolarisation
von 129Xe ein Mantelstrom aus 4He
genannt.
Der
Mantelstrom wird durch Mittel erzeugt, die z.B. eine Düse und mindestens
eine mit dieser in Verbindung stehende gesonderte Gasversorgungen umfassen,
mit denen ein dünner
Mantelstrom zur Spülung
der Innenwände
der Probenzelle erzeugt und in diese eingeleitet wird. Dadurch wird
bewirkt, dass das Gemisch im Freistrahl nicht gegen die Wände stößt. Die
Wandrelaxation der optisch pumpbaren Spezies und der Kerne wird
dadurch verhindert.
Der
Laser kann insbesondere im Falle einer zylinderförmigen Probenzelle so angeordnet
sein, dass das Laserlicht im Gegenstrom, das heißt antiparallel zur Strömungsrichtung
des in der Probenzelle fließenden
Gemisches und des Magnetfeldes in die Probenzelle einstrahlt. Hierzu
ist der Laser und die Polarisationsoptik an dem, dem Eingang des
Gemisches mit der optisch pumpbaren Spezies gegenüberliegenden
Ende der Probenzelle angeordnet.
Dann
nimmt vorteilhaft die Pumplichtleistung und die Intensität des Lasers
in Strömungsrichtung des
Gemisches zu. Die Auskopplung des Gemisches erfolgt in diesem Fall
vorteilhaft an der Stelle der Probenzelle, an der die Intensität des Lasers
am größten ist.
Das
Laserlicht kann in einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der
Erfindung auch senkrecht zur Strömungsrichtung
des in der Probenzelle fließenden
Gemisches in die Probenzelle eingestrahlt werden. Dadurch wird besonders
vorteilhaft bewirkt, dass der Freistrahl in seiner ganzen Ausdehnung
gleichmäßig vom
Laserlicht durchstrahlt wird. Der Vorteil besteht darin, dass der
Pumplaser geometrisch gesehen eine geringe Transmissionslänge auf
Grund der Dicke des Freistrahls durchdringen muss und somit eine
gleichmäßig hohe
Alkalimetallpolarisation entlang des Freistrahls erzielt wird.
Für derartige
Verfahren kann die Vorrichtung mit mindestens einem Laser, vorzugsweise
mit zwei Lasern und geeigneter Optik ausgeführt sein, die senkrecht zur
Flussrichtung des Gemisches im Freistrahl angeordnet sind.
Durch
entsprechende Anordnung der Laser und der jeweils zugehörigen Polarisationsoptik
in der Vorrichtung wird vorteilhaft bewirkt, dass auch mit zunehmender
Kernspinpolarisation am Ausgang der Probenzelle die Polarisation der
Elektronen effektiv auf die zu hyperpolarisierenden Kerne übertragen wird.
Durch
diese Maßnahme
für sich
allein, wird unabhängig
von der Ausbildung eines Freistrahls und/oder eines Mantelstroms,
eine weitere Erhöhung des
Polarisationsgrades der Kernspins des aus der Zelle austretenden
Gemisches gegenüber
einem Flusspolarisator mit Einstrahlrichtung des Laserlichts in
oder entgegen der Flussrichtung des Gemisches erzielt.
In
einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung
werden während
des Verfahrens die Wände
der Probenzelle gekühlt.
Hierzu kann die Vorrichtung z.B. eine Thermobox umfassen. Eine Vorrichtung
umfassend Mittel zum Kühlen der
Wände,
steht im Gegensatz zu den bisherigen Vorrichtungen, wie Flusspolarisatoren,
bei denen die Wände
immer mitgeheizt werden. Ermöglicht
wird dies durch gesonderte Heizungen für die Bestandteile des Gemisches
vor dem Eingang der Probenzelle und dem gebildeten Freistrahl, da
mit diesem die Wandberührung
des optisch gepumpten Gases während
der Durchgangszeit verhindert wird.
Vorteilhaft
wird durch diese Maßnahme
bewirkt, dass die Wärmeabfuhr
aus dem Gasgemisch optimiert wird. Besonders vorteilhaft wird auch
bewirkt, dass keine unpolarisierten Atome wie Alkalimetalle mehr
von den Innenwänden
abgegeben werden.
In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird der Spinaustausch
während
des Verfahrens indirekt auf den Kernspin eines zu hyperpolarisierenden
Kerns übertragen.
Der Spinaustausch wird dabei zunächst
von den Elektronen einer optisch pumpbaren Spezies auf die Elektronen
mindestens einer nicht durch den oder die Laser optisch pumpbaren
Spezies übertragen
und von dort auf die Kerne der zu hyperpolarisierenden Kerne übertragen.
Das Laserlicht pumpt die nicht optisch pumpbare Spezies nicht. Dann wird
vorteilhaft eine höhere
Dichte der nicht optisch pumpbaren Spezies gegenüber der optisch pumpbare Spezies
gewählt.
Weiterhin wird vorteilhaft bewirkt, dass eine nicht optisch pumpbare Spezies
zur Übertragung
der Elektronenspinpolaristion auf den Kernspin gewählt werden
kann, die eine hohe Effizienz, insbesondere eine Effizienz nahe
1 hierfür
aufweist.
Die
Vorrichtung zur Hyperpolarisation umfasst zu diesem Zweck mindestens
zwei Vorratsbehälter
für die
optisch pumpbare Spezies und die nicht optisch pumpbare Spezies,
wodurch diese auch für indirektes
Spinaustausch optisches Pumpen genutzt werden kann. Die Vorratsbehälter sind
vorteilhaft jeweils in einer separaten Gasversorgung der Vorrichtung
angeordnet und mit eigenen Heizungen versehen.
Die
Vorrichtung ist weiterhin so ausgeführt, dass das Eintrittsfenster
der Probenzelle für
das Laserlicht einen größtmöglichen
Abstand zum Eingang der Probenzelle für die optisch pumpbare Spezies aufweist.
Dadurch
wird vorteilhaft bewirkt, dass die optisch pumpbare Spezies sich
nicht am Eintrittsfenster abscheidet.
Das
Eintrittsfenster der Probenzelle für das Laserlicht kann besonders
vorteilhaft einen so großen
Abstand zum Ausgang der Probenzelle für das Gemisch aufweisen, dass
eine Abscheidung der optisch pumpbaren Spezies an der Innenwand
des Eintrittsfensters für
das Laserlicht vermieden wird.
Über Absaugrohre
und Leitungen wird das Gemisch radial zur Probenzelle abgesaugt.
Es handelt sich demgemäß um einen
Durchfluss-Polarisator.
Die
Ausbildung eines Mantelstroms, des Freistrahls, die genannten Mindestabstände des
Gemisches von den Innenwänden
in Abhängigkeit von der
Fließgeschwindigkeit
und des Drucks, sowie geeignete Laseranordnungen bewirken je für sich allein schon,
dass Wechselwirkungen des Gemisches mit den Innenwänden der
Probenzelle vermieden werden und eine Anhebung des Polarisationsgrades während des
Verfahrens erzielt wird. In Kombination miteinander kann eine weitere
Erhöhung
des Polarisationsgrades der zu hyperpolarisierenden Kerne erreicht
werden.
Die
Spulen zur Erzeugung eines Magnetfeldes sind so angeordnet, dass
die Magnetfeldrichtung entweder entgegen oder in Richtung des Laserstrahls
liegt.
Als
optisch pumpbare und gegebenenfalls nicht optisch pumpbare Spezies
werden insbesondere Alkalimetalle gewählt, da diese ein großes Dipolmoment
aufweisen.
Das
erfindungsgemäße Verfahren
ist z.B. zur Hyperpolarisation von 129Xe
mittels 85Rb allein, oder mittels 85Rb als optisch pumpbare und eines Cäsiumisotops
als nicht optisch pumpbare Spezies besonders geeignet. Es kann mit 85Rb und/ oder des Cäsiumisotops aber auch 13CO2 hyperpolarisiert
werden.
Das
Gemisch wird entweder kontinuierlich oder halbkontinuierlich durch
den Durchfluss-Polarisator geleitet. Im Fall von 3He
wird ein Polarisator mit abgeschlossener Probenzelle verwendet.