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HINTERGRUND
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Die
Erfindung betrifft allgemein Vorrichtungen und Verfahren zur Polarisation
von Proben zum Einsatz in der Magnetresonanzbildgebung (MRI = Magnetic
Resonance Imaging).
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Die
Erfindung betrifft die Kernspinresonanz-(NMR)-Analyse, und im Besonderen
Kernspinmagnetresonanzbildgebung (MRI) und analytische hochauflösende
NMR-Spektroskopie. MRI ist eine diagnostische Technik, die für Ärzte
besonders attraktiv geworden ist, da sie nicht invasiv ist und ohne
eine Belastung des zu untersuchenden Patienten mit möglicherweise
schädlicher Strahlung, beispielsweise Röntgenstrahlung,
auskommt. Analytische NMR-Spektroskopie mit hoher Auflösung
kommt routinemäßig in der Bestimmung von Molekülstrukturen zum
Einsatz.
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MRI
und NMR-Spektroskopie mangelt es aufgrund der normalerweise sehr
geringen Polarisation der Kernspins der verwendeten Proben an Empfindlichkeit.
Es existieren mehrere Techniken, um die Polarisation von Kernspins
in der festen Phase zu verbessern. Diese Techniken sind als Hyperpolarisationstechniken
bekannt und führten zu einer Steigerung der Empfindlichkeit.
In Hyperpolarisationstechniken wird eine Probe eines Bildgebungsagens,
beispielsweise von C13-Pyruvat oder von einem anderen ähnlichen
polarisierten metabolischen Bildgebungsagens, in den abzubildenden
Patienten eingeführt oder injiziert. In dem hier verwendeten
Sinne bezeichnet der Begriff "polarisieren" die Modifikation der
physikalischen Eigenschaften eines für eine weitere Verwendung
in der MRI bestimmten festen Materials. Darüber hinaus
bezeichnet der Begriff "hyperpolarisiert" in dem hier verwendeten
Sinn eine Polarisation bis zu einem Pegel, der jenen überschreitet, der
bei Raumtemperatur und 1 T vorzufinden ist, wie eingehender in dem
US-Patent 6 466 814 beschrieben.
Um das NMR-Signal für in vivo medizinische Bildgebung zu
nutzen, muss die polarisierte Probe allerdings in Lösung
gebracht werden, bevor sie in das Bildgebungsobjekt eingeführt
wird. Darüber hinaus kann es im Falle von in vitro analytischer
NMR-Spektroskopie außerdem häufig von Vorteil
sein, die polarisierte feste Probe in Lösung zu bringen.
Gegenwärtig werden Techniken entwickelt, die ex vivo Polarisation
von hyperpolarisierten Bildgebungsagenzien vor einer Verabreichung
und der Erfassung des MR-Signals verwenden. In einigen Fällen
erfährt das Bildgebungsagens eine Hyperpolarisation an
einem von seinem Verwendungszweck entfernten Ort, an dem MRI-Scanner.
Ein Problem in Zusammenhang mit einer ex vivo Polarisation basiert
darauf, dass die polarisierte feste Probe mit einem minimalen Verlust
an Polarisation in Lösung gebracht und in den NMR-Magneten übertragen
werden muss. Das
US-Patent 6 466
814 beschreibt eine Einrichtung und ein Verfahren zum Auflösen
fester polarisierter Proben. In diesem Verfahren wurde die polarisierte
Probe manuell aus dem Kryostaten entnommen und innerhalb etwa einer
Sekunde bei 40°C in Deuteriumoxid aufgelöst, während
sie einem Magnetfeld von 0,4 T unterworfen war. Dieses Verfahren
verbesserte die Polarisation um einen Faktor von bis zu 21 im Vergleich
zu anderen Verfahren zur Herstellung einer Lösung, die
die polarisierte Probe enthält.
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Weiter
muss die NMR-Ausrüstung in gegenwärtig in Betracht
kommenden Techniken, um eine Einrichtung herzustellen, die in der
Lage ist, Proben mit einer hohen Polarisation zu erzeugen, mit einem in
einem Magnetfeld angeordneten Tieftemperaturraum versehen sein.
Zu diesem Zweck kann jeder einfache NMR-Magnet, der eine ausreichend
weite Tunnelabmessung aufweist, mit einem Strömungskryostaten
und Instrumentarien ausgerüstet sein, um die Herstellung
von Lösungen von Molekülen mit verbesserter nuklearer
Polarisation zu ermöglichen. Ein Strömungskryostat
ist eine vakuumisolierte Kammer, die in den Tunnel eines Magneten
eingeführt werden kann, gewöhnlich konstruiert
sein kann, um einen Hohlraum mit Raumtemperatur aufzuweisen, um
dadurch zu ermöglichen, die Temperatur des Hohlraums mittels
eines kalten Kältemittelstroms zu senken. Der Strömungskryostat
ist gewöhnlich über eine Übertragungsleitung
und eine Pumpvorrichtung mit einer externen Kältemittelquelle
verbunden, und der in den Strömungskryostat strömende
Kältemittelstrom kühlt den Hohlraum des Magneten
und erzeugt einen Tieftemperaturraum. Der Strömungskryostat kann
mit Mitteln ausgerüstet sein, die geeignet sind, die Polarisation
fester Proben durch vielfältige Polarisationstechniken
zu ermöglichen, und er kann mit Instrumentarien für
die Detektion nuklearer Signale in dem festen und gelösten
Zustand ausgerüstet sein. Typischerweise ist der Tieftemperaturraum
in spezifizierten Systemen für die NMR-Analyse oder Erzeugung
von hyperpolarisierten Bildgebungsagenzien vorzugsweise in dem Kryostaten
integriert. Gegenwärtige Hyperpolarisationsysteme und Techniken
erfordern somit zusätzlich zu den zur Kühlung
des Magneten in dem MRI-System erforderlichen Kältemittel Kühlungsmittel
in Form eines kalten Kältemittels. Es bestehen vielfältige
praktische und die Umwelt betreffende Probleme in Zusammenhang mit
der Speicherung und Aufrechterhaltung von Kältemitteln. Darüber
hinaus treten in klinischer Umgebung Probleme in Zusammenhang mit
der Handhabung von Kältemitteln auf. Es besteht daher ein
Bedarf, Wege zu finden, um den Einsatz von Kältemitteln
in MRI-Systemen zu reduzieren, und es besteht somit ein Bedarf nach
Hyperpolarisationsvorrichtungen und -verfahren, die mit weniger
oder ohne Kältemittel auskommen.
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KURZBESCHREIBUNG
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In
einem ersten Aspekt der Erfindung ist eine Einrichtung zur Herstellung
hyperpolarisierter Proben zum Einsatz in der Magnetresonanzbildgebung (MRI)
geschaffen. Die Einrichtung enthält eine kältemittelfreie
Kryostatkonstruktion, die dazu dient, eine Probe eines ausgewählten
Materials zu polarisieren, wobei die Kryostatkonstruktion einen
zentralen Hohlraum, der dazu eingerichtet ist, evakuiert zu werden, um
einen Vakuumbereich zu erzeugen, und eine Kühlungsvorrichtung
aufweist, die in den zentralen Hohlraum eingesetzt ist, um eine
gewählte Temperatur der Probe aufrecht zu erhalten.
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In
einem zweiten Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Erzeugen
hyperpolarisierter Proben zum Einsatz in der Magnetresonanzbildgebung (MRI)
geschaffen. Zu dem Verfahren gehören die Schritte: Bereitstellen
einer Kryostatkonstruktion, die dazu dient, eine feste Probe eines
ausgewählten Materials zu polarisieren, wobei die Kryostatkonstruktion einen
Hohlraum, der dazu dient, das Polarisationssubsystem aufzunehmen,
wobei der Hohlraum dazu eingerichtet ist, einen Vakuumbereich zu
erzeugen, und eine Kühlungsvorrichtung aufweist, die in
dem Hohlraum eingeführt ist, um eine gewählte
Temperatur in der Probe aufrecht zu erhalten.
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ZEICHNUNGEN
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Diese
und weitere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung
werden nach dem Lesen der nachfolgenden detaillierten Beschreibung
in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen verständlicher,
in denen übereinstimmende Teile durchgängig mit übereinstimmenden
Bezugszeichen versehen sind:
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1 veranschaulicht
ein exemplarisches MRI-System und ein Polarisationssubsystem, auf
die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anwendbar
sind.
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2 zeigt
in einer schematischen Seitenansicht ein Systems zur Herstellung
hyperpolarisierter Proben zum Einsatz in der MRI, gemäß dem
gegenwärtigen Stand der Technik.
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3 zeigt
in einer schematischen Seitenansicht ein System zur Herstellung
hyperpolarisierter Proben zum Einsatz in der MRI, gemäß Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Unter
Bezugnahme auf 1 ist ein exemplarisches System 150 zur
Herstellung hyperpolarisierter Proben zum Einsatz in einer MRI-Vorrichtung gezeigt,
das einen Kryostaten 1 und ein Polarisationssubsystem 100 enthält,
um aus einem Behälter 110 stammendes Material
zu verarbeiten und im Ergebnis in hyperpolarisiertes Material zu überführen. Eine
Materialzufuhrleitung 120 wird verwendet, um das hyperpolarisierte
Material dem in dem MRI-Scanner 130 angeordneten Patienten 140 zu
verabreichen. In dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel,
werden die hyperpolarisierten Proben in einer in vivo Bildgebungsanwendung
verwendet. Es ist offensichtlich, dass hyperpolarisierte Proben
auch mittels der Verfahren und Techniken erzeugt werden können,
wie sie unten in Zusammenhang mit der Kernspinresonanz-(NMR)-Analyse
beschrieben sind.
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In
erfindungsgemäßen Verfahren und Vorrichtungen
kann eine feste Probe der zu polarisierenden Probe noch während
sie sich in der festen Phase befindet durch ein beliebiges geeignetes
bekanntes Verfahren, beispielsweise eine erzwungene Po larisation,
dynamische nukleare Polarisation oder das Spinkühlanlagenverfahren
polarisiert werden, während sie bei einer niedrigen Temperatur
(beispielsweise unter 100 K) in einem starken Magnetfeld (beispielsweise
1–25 T) gehalten wird. Nachdem die feste Probe polarisiert
ist, wird sie mit einem minimalen Verlust an Polarisation geschmolzen.
Im Folgenden soll der Begriff "Schmelzmittel" folgende Bedeutung einbeziehen:
eine Vorrichtung, die in der Lage ist, eine ausreichende Energie
zu erzeugen, um die feste polarisierte Probe zu schmelzen, oder
um die polarisierte Probe in sonstiger Weise für eine Verabreichung
an den abzubildenden Patienten in Lösung zu bringen. In
dem hier verwendeten Sinne bezeichnet der Begriff "fest" unter der
Voraussetzung, dass das Material irgendeine Umwandlung erfordert,
um einen flüssigen Zustand anzunehmen, der geeignet für
die Verabreichung an einen abzubildenden Patienten ist, feste Materialien,
halbfeste Materialien oder eine beliebige Kombination davon.
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Für
die meisten festen Proben steigt die Relaxationsrate (Verlust an
Polarisation im Falle einer Hyperpolarisierung) in Abhängigkeit
der inversen Feldstärke rasch an. Folglich ist es für
diese polarisierten Proben bevorzugt, dass sie während
der Handhabung in einem starken Magnetfeld (beispielsweise größer
als 0,1 T) gehalten werden. Es sind auch andere Ursachen für
den Verlust an Polarisation bekannt, beispielsweise plötzliche
Wechsel der Magnetfeldausrichtung, starke magnetische Gradienten oder
HF-Felder, und diese sollten weitestgehend vermieden werden. Das
Schmelzen der polarisierten Probe kann durch unterschiedliche Verfahren
gefördert werden, beispielsweise durch Ultraschall, Mikrowellenerwärmung,
Laserbestrahlung, Wärmestrahlung oder -konduktion oder
durch ein beliebiges sonstiges Mittel, das in der Lage ist, die
für das Schmelzen der festen Probe erforderliche Energie
in die Probe zu übertragen. Die funktional von der Temperatur
und dem Feld abhän gige Relaxationsrate ist für
jede feste Probe und für jedes System lösender und
gelöster Stoffe spezifisch. Es ist daher vorteilhaft, die
Temperatur der Prozedur hinsichtlich einer minimalen Relaxation
der zu schmelzenden tatsächlichen Probe zu optimieren.
Im Allgemeinen, jedoch nicht immer, sollte das Magnetfeld so stark
wie möglich sein. Der minimale Wert T1 wird
während des Verfahrens im Allgemeinen mit ansteigendem
Magnetfeld steigen.
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2 veranschaulicht
schematisch ein Ausführungsbeispiel eines Systems gemäß dem
gegenwärtigen Stand der Technik. 2 zeigt
ein Ausführungsbeispiel einer Kryostatvorrichtung 1 zum
Polarisieren einer festen Probe, wobei die Vorrichtung 1 mit oben
beschriebenen Mitteln zum Schmelzen fester polarisierter Proben
versehen ist. Die (durch gestrichelte Linien umrandet gezeigte)
Vorrichtung 1 weist in einem zentralen Hohlraum 6,
der von Magnetfelderzeugungsmitteln, beispielsweise einem supraleitenden
Magneten 5 umgeben ist, einen Kryostaten 2 auf,
der ein Polarisationsmittel 3 enthält, beispielsweise
eine Mikrowellenkammer 3a, die über einen Wellenleiter 3b mit
einer Mikrowellenquelle 3c verbunden ist. Kryostate und
Polarisationsmittel zum Polarisieren einer festen Probe sind hinlänglich
bekannt, und deren Konstruktionen werden nicht im Einzelnen erläutert.
Der Hohlraum 6 erstreckt sich bis mindestens zur Höhe
eines in der Nähe des supraleitenden Magneten 5 befindlichen
Bereichs P vertikal nach unten, wobei die magnetische Feldstärke
ausreichend hoch, beispielsweise zwischen 1–25 T oder mehr,
z. B. 3,5 T ist, um die Polarisation der Probe stattfinden zu lassen.
Der zentrale Hohlraum 6 ist dicht verschließbar
und kann bis zu geringen Drücken, beispielsweise Druckwerten
in der Größenordnung von 1 mbar oder weniger,
evakuiert werden. Ein Probeneinführungsmittel, beispielsweise
ein abnehmbares Probenförderrohr 7 kann in dem
Hohlraum 6 untergebracht sein, und dieses Rohr 7 kann von
dem oberen Rand des Hohlraums her nach unten zu einer innerhalb
der Mikrowellenkammer 3a in dem Bereich P befindlichen
Position eingeführt werden. Der Bereich P wird durch flüssiges
Helium auf eine Temperatur abgekühlt, die ausreichend tief
ist, um Polarisation auftreten zu lassen, beispielsweise sind dies
Temperaturen in der Größenordnung von 0,1–10
K. Zusätzlich ist eine (nicht gezeigte) Pumpe erforderlich,
um ein Quantum oder einen gewünschten Pegel von flüssigem
Helium in dem Bereich P aufrecht zu erhalten. Das Rohr 7 kann
auf eine beliebige geeignete Weise an seinem oberen Ende dicht verschlossen
werden, um das partielle Vakuum in dem Hohlraum 6 aufrecht
zu erhalten. Ein Probenrückhaltebehälter, beispielsweise
ein Probenrückhaltebecher 9, kann, vorzugsweise
abnehmbar, über dem unteren Ende des Probenförderrohrs 7 befestigt sein.
Dieser Becher 9 bedeckt das untere Ende des Rohrs 7 und
dient dazu, jede in das Rohr 7 eingebrachte Probe aufzunehmen.
Der Becher 9 ist vorzugsweise aus einem eine geringe spezifische
Wärmekapazität aufweisenden leichtgewichtigen
Material, beispielsweise einem geschäumten Kunststoff wie Polystyrol,
oder aus einem glasartigen Werkstoff, beispielsweise Pyrex oder
Polymethylmethacrylat (PMMA), hergestellt, so dass die Wärmekapazität
des Bechers 9 so niedrig wie möglich ist. Ein
(zur Verdeutlichung der Darstellung durch eine gestrichelte Linie
gezeigtes) dicht verschließbares Helium-Einlassrohr 10 erstreckt
sich von dem oberen Rand des Hohlraums 6 zu dem Grund des
Bechers 9.
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Mit
weiterem Bezug auf 2 wird eine Probe in dem Probenrückhaltebecher 9 in
der üblichen Weise polarisiert und anschließend
durch Schmelzen in eine Flüssigphase überführt.
Dieser Schmelzvorgang der polarisierten Probe in dem Probenrückhaltebecher 9 wird
durchgeführt, während sich die polarisierte Probe
noch in der Kryostatvorrichtung 1 befindet. Dies lässt
sich erreichen, indem ein Mittel zum Übertragen von Energie
auf die polarisierte feste Probe bereit gestellt wird, beispielsweise
Ultraschall und/oder elektromagnetische Energie, oder indem die
feste polarisierte Probe mit einer warmen Fläche oder Substanz
in Berührung gebracht wird. In der in 2 gezeigten
Vorrichtung wird die feste polarisierte Probe in dem Probenrückhaltebecher 9 durch
ein Mittel zum Übertragen von Energie auf die polarisierte
feste Probe in Form eines außerhalb des Kryostaten angebrachten
(nicht gezeigten) Lasers geschmolzen, der über eine optische
Faser 4 elektromagnetische Strahlung auf die in dem Probenrückhaltebecher 9 befindliche
Probe überträgt.
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Die
Vorrichtung 1 enthält ferner ein Extraktionssubsystem 100,
(das durch gestrichelte Linien dargestellt ist, um weiter unten
beschriebene Komponenten einzuschließen) das dazu dient,
Material aus dem Probenrückhaltebecher 9 zu extrahieren.
Das zum Extrahieren von Material dienende Extraktionssubsystem 100 ist
mit einem in dem Hohlraum 6 angeordneten Extraktionsrohr 11 verbunden,
das sich von einer Stelle kapp oberhalb des Grundes des Probenrückhaltebechers 9 ausgehend über
ein Ventil 14 zu einer Einheit für aufgelöstes
polarisiertes Material 15 erstreckt. Das Ventil 14 kann
manuell, oder vorzugsweise computergesteuert, geöffnet
werden, um zwischen dem Extraktionsrohr 11 und der Einheit
für aufgelöstes polarisiertes Material 15 eine
strömungsmäßige Verbindung zu erlauben,
und kann geschlossen werden, um eine solche strömungsmäßige
Verbindung zu unterbinden. Die Einheit für aufgelöstes polarisiertes
Material 15 weist einen hohlen Grundkörper 16 auf
und kann mit Mitteln zum Beschleunigen der Auflösung von
Feststoffen versehen sein, beispielsweise mit Misch-, Rühr-
oder Schütteleinrichtungen 17, z. B. einem mit
Schneiden 19 versehenen elektrischen Mixer. Vorzugsweise
sind sämtliche Flächen, mit denen das polarisierte
Material in Berührung gelangen kann, beschichtet, um zu
verhindern, dass polarisierte Moleküle mit paramagnetischen
Eisenkomponenten in Berührung kommen. Die Einheit für aufgelöstes
polarisiertes Material 15 ist vorzugsweise von Mitteln
zur Erzeugung eines Speichermagnetfeldes umgeben, beispielsweise
von einem Permanentmagneten 20 oder von einem Elektromagneten.
Der Ausdruck "Speichermagnetfeld" soll beinhalten, dass die Feldstärke
im Innern der Einheit für aufgelöstes Material 15 ausreichen
sollte, das Material für eine Zeitdauer von wenigstens
einigen Sekunden, und vorzugsweise für einige Minuten,
in einem Zustand der Polarisation aufrecht zu erhalten. Die Einheit
für aufgelöstes polarisiertes Material 15 kann
wenigstens zum Teil mit einem Lösungsmittel 21 gefüllt sein,
das geeignet ist, das Material aufzulösen. Eine Quelle
für Vakuum V lässt sich mit der Einheit für
aufgelöstes polarisiertes Material 15 über
ein Ventil 23 strömungsmäßig
verbinden, das vorzugsweise durch einen Computer 28 computergesteuert
ist. Die Basis der Einheit für aufgelöstes Material
weist einen Auslass 25 auf, der mit einem Ventil 27 versehen
ist, das vorzugsweise computergesteuert ist, und das dazu dient,
die Abfuhr des Inhalts der Einheit für aufgelöstes
polarisiertes Material 15 zu steuern. Die Verwendung computergesteuerter
oder in sonstiger Weise automatisierter Ventile ist bevorzugt, da
dies die Zeitsteuerung des Öffnens und Schließens
der zu steuernden Ventile in einer genauen und reproduzierbaren
Weise erlaubt. Selbstverständlich kann eine Bedienperson
eingesetzt werden, um einen Vorgang einzuleiten, beispielsweise
durch Drücken einer Starttaste oder Ausgeben eines Startbefehls
an einen Computer.
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In
einem Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum Polarisieren
von Proben, weist das Polarisationsverfahren für das Schmelzen
einer festen Probe, die polarisiert wurde, während sie
sich im festen Zustand befand, die folgenden Schritte auf: Einführen
der Probe, die vorzugsweise in Form von Pulver, Körnern
oder Kügelchen, um ein rasches und gleichmäßiges
Schmelzen zu erleichtern, jedoch möglicherweise in Form
einer Raum temperatur aufweisenden Flüssigkeit vorliegt,
am unteren Ende des Probenförderungsrohrs 7 in
den Probenrückhaltebecher 9; Einführen
des Probenförderrohrs 7 in den Hohlraum 6,
so dass der Probenrückhaltebecher 9 in einem Magnetfeld
der erforderlichen Feldstärke positioniert ist; vakuumdichtes
Verschließen des Hohlraums 6 und Evakuieren desselben
bis zu dessen Betriebsdruck; Polarisieren, vorzugsweise Hyperpolarisieren,
der noch festen Probe; und Erzeugen von atmosphärischem
Druck in dem Hohlraum 6. Danach folgen die Schritte: Aktivierung
der Mittel zum Übertragen von Energie auf die polarisierte
feste Probe, Übertragung von Energie, beispielsweise mittels
eines Lasers und einer (nicht gezeigten) optischen Faser, auf die
feste Probe, und Schmelzen der festen Probe. Optional wird ein zusätzlicher
Schritt einer Analyse der polarisierten flüssige Probe
durch NMR durchgeführt, beispielsweise vor ihrer endgültigen Verwendung
in einer umfassenden NMR-Analyse oder bei in vivo Bildgebungsanwendungen.
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In
weiteren Ausführungsbeispielen basiert eine in Betracht
kommende Abwandlung auf dem Einsatz mehrerer Probenhalter in der
Vorrichtung, so dass es möglich ist, mehrere Proben gleichzeitig
oder nacheinander zu polarisieren, und nacheinander zu schmelzen.
Es kann auch in Betracht kommen, ein System zu verwenden, bei dem
mehrere Proben gleichzeitig geschmolzen und analysiert werden. Wie für
den Fachmann klar, kann ein mehrere Probenhalter aufweisendes System
in vielfältiger Weise gestaltet sein, beispielsweise unter
Verwendung eines Karussellhalters oder eines gitterförmigen
Halters.
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In
einem Ausführungsbeispiel ist es möglich, eine
NMR-Ausrüstung mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zu versehen, um eine Einrichtung herzustellen, die in der Lage ist,
mittels dynamischer nuklearer Polarisation (DNP) Proben mit einer
hohen Polarisation zu erzeugen. Um dies durchzuführen, muss die
NMR-Ausrüstung mit einem in einem Magnetfeld angeordneten
Tieftemperaturraum versehen sein. Zu diesem Zweck kann ein beliebiger
einfacher NMR-Magnet, der eine ausreichend breite Tunnelabmessung
aufweist, mit einem Strömungskryostaten und Instrumentarien
ausgerüstet sein, wie sie nachstehend beschrieben sind,
um die Herstellung von Lösungen von Molekülen
mittels durch DNP verfeinerter nuklearer Polarisation zu ermöglichen.
Ein Strömungskryostat ist eine vakuumisolierte Kammer, die
in den Tunnel eines Magneten eingeführt werden kann, der
gewöhnlich konstruiert ist, um einen Hohlraum mit Raumtemperatur
aufzuweisen, um es dadurch zu ermöglichen, die Temperatur
des Hohlraums mittels eines kalten Kältemittelstroms zu
senken. Der Strömungskryostat ist gewöhnlich über
eine Übertragungsleitung mit einer externen Kältemittelquelle
verbunden, und der in den Strömungskryostaten strömende
Kältemittelstrom kühlt den Tunnel des Magneten
und bildet einen Tieftemperaturraum. Der Strömungskryostat
kann mit unten beschriebenen Mitteln ausgerüstet sein,
um die Polarisation fester Proben mittels DNP zu ermöglichen,
und er kann mit unten beschriebenen Instrumentarien für
die Detektion nuklearer Signale in dem festen und gelösten
Zustand versehen sein. Zu beachten ist, dass der Tieftemperaturraum
in spezifizierten DNP-Systemen zur NMR-Analyse oder Erzeugung hyperpolarisierter Bildgebungsagenzien
vorzugsweise in den Kryostaten integriert ist.
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In
einem weiteren Ausführungsbeispiel kann als Beispiel für
das Verfahren Schmelzen mittels eines Lasers gewählt sein.
Ein Diodenlaser oder eine sonstige bekannte Laser- oder Lichtquelle
mit einer Ausgangsleistung von 100 W ist eine bekanntes, im Handel
erhältliches Produkt. Dies würde die Temperatur
einer wässerigen Probe von 1 μl (ca. 1 mg) in 6,4
ms von 1 K auf 300 K steigern. In einem Beispiel dieser Ausführungsform
gehören zu einem Verfahren zum Schmelzen einer festen Probe, die
polarisiert wurde, während sie sich im festen Zustand befand, die
folgenden Schritte: Die Probe, die vorzugsweise in Form von Pulver,
Körnern oder Kügelchen vorliegt, um ein rasches
und gleichmäßiges Schmelzen zu erleichtern, jedoch
würde möglicherweise die Verwendung eines schwächeren
Lasers die Dauer des Schmelzvorgangs proportional steigern. Diodenlaser sind
mit einer Anzahl von Wellenlängen bei diesen Leistungspegeln
erhältlich, und vorzugsweise würde die feste Probe
selbst in der Lage sein, die Lichtenergie zu absorbieren, oder sie
könnte mit einem absorbierenden Molekül dotiert
sein, oder die an die feste Probe grenzende Fläche könnte
mit einem absorbierenden Material beschichtet sein. Die Wellenlänge kann
somit so ausgewählt werden, dass sie zu der Absorptionscharakteristik
der festen Probe oder der diese tragenden Platte passt. Zur Erzielung
einer hohen Effizienz des Schmelzvorgangs ist ein Probenplattenmaterial
mit hoher Absorption der Laserenergie und mit einer niedrigen Wärmeleitfähigkeit
bevorzugt. Ein elektrisch gesteuerter Spiegel kann den Laserstrahl
steuern, oder es kann alternativ, die Probe bewegt und der Laser
stationär gehalten werden.
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In
noch einem weiteren Ausführungsbeispiel wird der (Schmelzvorgang
der polarisierten festen Probe durchgeführt, indem diese
in thermischen Kontakt mit einer warmen Flüssigkeit gebracht
wird. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel
gehören zu dem Verfahren die Schritte: Injizieren oder
Einführen der Probe als eine Flüssigkeit (die
anschließend, beispielsweise in dem Kryostaten, tiefgefroren
wird) oder als einen fließfähigen Feststoff, beispielsweise Pulver,
Granulat, usw., in einen Probenaufnahmeraum in einer Kapillare.
Optional kann der Probenaufnahmeraum von einer Magnetspule umgeben
sein. Die Kapillare kann in den Kryostaten eingeführt werden,
und die Probe kann, wie oben beschrieben, tiefgefroren und polarisiert
werden. Nach der Polarisation kann ein Volumen heißer Flüssig keit
durch das Kapillarrohr in den Probenaufnahmeraum injiziert werden,
und die feste Probe rasch geschmolzen werden. Alternativ könnte
der Probenaufnahmeraum von einem Mittel zum Übertragen
von Energie auf die polarisierte feste Probe in Form einer Kammer
oder Rohrschlange, die sich mit einer heißen Flüssigkeit füllen
lässt, umgeben sein und sich mit dem Mittel in thermischer
Berührung befinden. Auf diese Weise kann die polarisierte
Probe durch Wärmeenergie geschmolzen werden, die von der
heißen Flüssigkeit über die Wände
der Kammer oder der Spule in den Probenaufnahmeraum übertragen
wird. Eine Verdünnung der Probe ist auf diese Weise vermieden.
Vorzugsweise wird die injizierte Flüssigkeit auch als ein Mittel
zur Anpassung der Empfindlichkeit für die Magnetspule dienen.
Die geschmolzene polarisierte Probe kann vor Ort analysiert werden
oder sie kann alternativ aus der Kapillare in einen gesonderten Spektroskopie-
oder Bildgebungsbereich gespült werden.
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Während
die Erwärmung mittels eines Lasers und heißer
Flüssigkeit beschrieben wurde, kann ein beliebiges Energieübertragungsverfahren
genutzt werden, und es ist in der Tat eine Kombination von Quellen
zum Übertragen thermischer Energie auf die Probe möglich.
Beispielsweise könnte das Laserschmelzen durch ein elektrisches
Wärmeelement unterstützt werden. Es ist von Bedeutung,
dass der Schmelzvorgang für den Kernspin auf einer Zeitskala von
T1 (oder vorzugsweise weniger) geschieht. Der Verlust an Polarisation
während des Schmelzvorgangs sollte weniger als 99%, vorzugsweise
weniger als 90%, und sogar eher bevorzugt weniger als 10%, betragen,
und diese verschiedenen Pegel von Verlust an Polarisation können
reproduzierbar durch Anpassen der Geschwindigkeit des Schmelzvorgangs der
polarisierten festen Probe erreicht werden. Es ist ebenfalls bevorzugt,
dass die Zufuhr von Energie zu der Probe geregelt wird, um den flüssigem
Zustand der Probe nach dem Schmelzen aufrecht zu erhalten, so dass
eine Bildgebung an der geschmolzenen Probe durchgeführt
werden kann.
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In
dem Tieftemperaturraum können ein Probenhalter und eine
geeignete Mikrowelleneinrichtung angeordnet sein, um eine Mikrowellenbestrahlung der
Probe durchzuführen. Die Mikrowelleneinrichtung kann eine
Hornantenne oder (wie in 2 gezeigt) eine an dem Ende
eines Wellenleiters befestigte Kammer sein, oder sie kann auf einem
Satz von Fabry-Perot-Spiegeln oder beliebigen sonstigen Mikrowellenbestrahlungseinrichtungen
basieren. Die Mikrowelleneinrichtung ist bevorzugt dazu eingerichtet,
als eine Resonanzkammer für Mikrowellen zu wirken, um die
Stärke des Mikrowellenfeldes in der Mikrowelleneinrichtung
zu steigern. Für die niedrigere Frequenzen (unterhalb von
etwa 200 GHz) können zweckmäßigerweise
Wellenleiter verwendet werden, um die Wellen zu der Bestrahlungseinrichtung
zu führen. Die Geometrie und die Abmessungen des Wellenleiters
sind gewählt, um Mikrowellenverluste zu reduzieren. Vorzugsweise
ist der Wellenleiter konstruiert, um eine möglichst geringe
Wärmebelastung des Tieftemperaturraums zu erhalten, und
er kann beispielsweise unter Verwendung von versilbertem dünnwandigem
rostfreiem Stahl hergestellt sein. Es könnten auch gewellte
Wellenleiter verwendet werden. Bei höheren Frequenzen können
quasioptische Verfahren genutzt werden, und die Mikrowelle kann mittels
Linsen und Spiegeln geführt werden. Die Mikrowelleneinrichtung
weist vorzugsweise Öffnungen auf, um einen problemlosen
Austausch von Proben und eine wirkungsvolle Kühlung der
Proben zu ermöglichen. Die Mikrowellen werden von einem
geeigneten Mikrowellenoszillator erzeugt, beispielsweise einem IMPATT-Diodenoszillator
oder einem mittels IMPATT verstärkten Gunn-Oszillator oder
einem BWO oder dergleichen. Weiter kann der Mikrowellenoszillator
ein integraler Bestanteil der zur Bestrahlung der Probe dienenden
Resonanzeinrichtung sein. Auf diese Weise kann die die Mikrowellen
erzeugende ak tive Vorrichtung physikalisch in dem Magneten in der
Nähe der Probe angeordnet sein, wodurch Übertragungverluste
reduziert würden.
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Die
NMR-Detektion ist besonders im Falle analytischer Anwendungen erwünscht.
Für andere Anwendungen erzeugt die NMR-Detektion optional einen
Messwert der nuklearen Polarisation. Die NMR-Detektionsspule könnte
auf einer beliebigen Konstruktion, beispielsweise einer Magnetspule,
basieren oder sattelförmig gestaltet sein. Für
gewöhnlich ist die Spule (Induktivität) mittels
eines Kondensators auf die NMR-Frequenz abgestimmt, und mit der
charakteristischen Impedanz der Verkabelung abgeglichen. Die NMR-Spule
könnte bei mehreren Frequenzen abgestimmt und abgeglichen
sein, um die interessierenden Kerne von mehr als einem Kerntypus
zu detektieren. Die Kondensatoren könnten in dem Tieftemperaturraum
in der Nähe der Spule angebracht sein. Dies würde
es ermöglichen, die höchsten Q-Werte zu erhalten.
Falls die Anordnung der Kondensatoren in der Nähe der Spule
undurchführbar sein sollte, könnten sie außerhalb
des Tieftemperaturraums angeordnet und über eine Übertragungsleitung
mit dem Tieftemperaturraum verbunden sein. Die Übertragungsleitung
könnte ein koaxiales, verdrilltes, bandförmiges
oder ein beliebiges sonstiges Kabel sein. Die Wahl wird ein Kompromiss
zwischen der Wärmebelastung des Tieftemperaturraums und
der Signaldämpfung sein. Es könnten auch mehrere
Spulen in Betracht gezogen werden. Diese könnten für
zwei NMR-Frequenzen abgestimmt sein und würden eine doppelte
Resonanz-NMR (Entkoppelung, Kreuzpolarisation, usw.) ermöglichen,
die sowohl in der festen als auch in der flüssigen Phase
auszuführen wäre. Diese würde außerdem
die gleichzeitige Detektion mehrerer Kerne ermöglichen.
Das Spektrometer müsste in diesem Fall mehrere Empfänger
aufweisen. Optional könnte das NMR-Signal der unterschiedlichen
Kerne sequentiell erfasst werden. Um die Analyse mehrerer Proben
in einer kurzen Zeitspanne zu erlauben, kann ein (nicht gezeigtes)
Probenkarussell zum Transport von Proben vorgesehen sein. Darüber
hinaus kann das Schmelzen der festen Probe durch optische Mittel
erfasst werden, um eine reproduzierbare NMR-Analyse durchzuführen.
Dies kann unter Verwendung optionaler, innerhalb oder außerhalb
der NMR-Analysekammer angeordneter optischer Fotodetektionsmittel überprüft
werden. Da einige der interessierenden Kerne möglicherweise
sehr kurze T1-Werte aufweisen, kann es wichtig
sein, die Analyse sicherzustellen, sobald der Schmelzvorgang vollendet
ist. Es ist daher bevorzugt, über Mittel zu verfügen,
die hinsichtlich einer koinzidenten Anregung/Detektion sämtliche
interessierende Kerne konstruiert sind. Falls der NMR-Detektionsschaltkreis gekühlt
wird, wird ein besseres Signal-Rausch-Verhältnis erzielt.
Außerdem ist eine Kühlung des Signalverstärkers
häufig von Vorteil. Der Signalverstärker kann
daher in der Nähe des NMR-Detektionsschaltkreises, und
vorzugsweise in dem Tieftemperaturraum positioniert sein. Supraleitende
Spulen und SQUID-Detektoren sind weitere verfügbare Vorrichtungen,
um das Signal-Rausch-Verhältnis zu verbessern.
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Unter
Bezugnahme auf 3 ist eine Darstellung eines
Ausführungsbeispiels einer Kryostatkonstruktion gemäß der
vorliegenden Erfindung gezeigt. In einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung weist eine Einrichtung zur Herstellung
hyperpolarisierter Proben zum Einsatz in der MRI eine Kryostatkonstruktion 200 auf,
die zur Herstellung der hyperpolarisierten Proben aus einem festen
Material dient. Die Kryostatkonstruktion 200 weist einen
Hohlraum 6 auf, und der Hohlraum 6 ist dazu eingerichtet, evakuiert
zu werden, um eine Vakuumumgebung zu erzeugen, wie es mit Bezug
auf 2 beschrieben ist. Der Hohlraum 6 dient
außerdem dazu, das Probenförderrohr 7 aufzunehmen,
das wiederum den Probenrückhaltebecher 9 enthält,
der zum Aufnehmen von polarisiertem Material, vorzugsweise hyperpolarisiertem
Material, dient. Eine Küh lungsvorrichtung 210 ist
in den Hohlraum 6 eingeführt und in unmittelbarer
Nähe des Probenförderrohrs 7 angeordnet,
um eine gewählte Temperatur in dem Polarisationssubsystem
aufrecht zu erhalten. In diesem Ausführungsbeispiel sind
die Verfahren und Techniken zum Polarisieren eines festen Materials
identisch mit den oben gemäß 2 beschriebenen
Verfahren, und die Erläuterungen, die den in jeder Figur
auftretenden Bezugszeichen entsprechen, sind identisch. Allerdings
weist die Kryostatkonstruktion 200 in diesem, in 3 gezeigten
Ausführungsbeispiel keinen mit einer Kühlflüssigkeit,
z. B. flüssigem Helium oder einer sonstigen, ähnlichen
Beriebskühlflüssigkeit (gefüllten Bereich
innerhalb des Hohlraums 6 auf, sondern enthält
eine Kühlungsvorrichtung 210, die in den Hohlraum 6 oder
optional in das Vakuum des Kryostaten in der Nähe des Öffnungsrohrs 6 eingeführt
ist. Die Kühlungsvorrichtung 210 kann eine Pulsrohrkälteerzeugungs-(PTR
= Pulse-Tube Refrigeration)-Vorrichtung sein, die auch unter der
Bezeichnung "Kühlkopf" oder "Kühlfinger" bekannt
ist und nachstehend im Allgemeinen als ein in den Hohlraum 6 eingeführter
"Kühlfinger" 210 bezeichnet wird. In einem weiteren
Ausführungsbeispiel ist der Kühlfinger eine nur
einen Zustand aufweisende PTR-Vorrichtung. Der Kühlfinger 210 dient
dazu, in dem Kryostaten eine ausgewählte Temperatur, beispielsweise
unterhalb von etwa 1,2 K, aufrecht zu erhalten, um als ein Polarisationsmittel
zu wirken, so dass die gewünschte Temperatur und die physikalischen
Eigenschaften des polarisierten Materials für dessen Verwendungszweck
in der mittels des MRI-Systems durchgeführten Bildgebung
aufrecht erhalten bleiben. Der Kühlfinger 210 ist
konstruiert, um eine PTR-Einheit und eine Rohrkonstruktion aufzunehmen,
die eine im Allgemeinen vertikale Orientierung aufweist, um in den
Hohlraum 6 eingeführt zu werden. In einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung wird der Kühlfinger 210 vertikal
in den zentralen Hohlraum 6 eingeführt, und er
wird in vertikaler Orientierung und in einer Vakuumum gebung betrieben.
Der Kühlfinger 210 ist aus Materialien aufgebaut,
die ausgewählt sind, um eine Kühlleistung von unterhalb
etwa 1,2 K, d. h. eine Temperatur zu erzeugen, die es ermöglicht,
die Probe für eine weitere Verwendung in MRI-Anwendungen
bei der erforderlichen Temperatur zu halten. Gegenwärtig
verfügbare Kühlfingerkonstruktionen, die für
vielfältige Zwecke genutzt werden, basieren im Allgemeinen
auf Seltenerdmaterial, beispielsweise Nd. Nd ist allerdings stark hygroskopisch,
schwierig zu handhaben und sein cp-Wert reicht nicht aus, um Temperaturen
unterhalb von 2 K zu erzielen. Mit der Entwicklung von GAP (Gadoliniumaluminiumperowskiten)
und GOS (Gadoliniumaluminiumsulfat) und anderen einen hohen cp-Wert
aufweisenden keramischen Regeneratormaterialien lassen sich gegenwärtig
mittels einer He3 verwendenden zweistufigen
4-K-PTR-Einheit Tieftemperaturen bis zu 1,4 K erzielen. Ähnliche
Materialien mit hohem cp-Wert werden erfolgreich in Entmagnetisierungskälteerzeugungs-(ADD)-Systemen verwendet.
Wünschenswerterweise enthält die Rohrkonstruktion
des Kühlfingers 210 Regeneratormaterialien, die
beispielsweise aus der Gruppe ausgewählt sind, zu der gehören:
magnetische Regeneratormaterialien, Keramikoxidregeneratormaterialien
und keramische Materialien mit einem hohen cp-Wert. Zu anderen Materialien,
die eine hohe spezifische Wärme bei Temperaturen unterhalb
von 4 K aufweisen, gehören: beispielsweise cp: in J/cm3K
für GGG, GGG (Gd3Ga5O12) bei 0,5 K, DAG (Dy3Al5O12) bei 2,5
K, DAP (DyAlO3) bei 3,5 K, GAP (GdAlO3) bei 3,8 K, sowie TbGaO3,
TbAlO3, TbFeO3, HoAlO3, ErAlO3, YbAlO3 und sonstige Seltenerd-Orthoaluminate
mit einem cp-Wert unterhalb von 4 K.
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In
einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Basistemperatur
des Kühlfingers 210 bevorzugt kleiner als 1,2
K und kann beispielsweise Gd1,5Al0,5O3 als das Regeneratormaterial
aufweisen, das im Falle einer vollständigen Ausbeute in
der Lage ist, cp-Spitzenwerte zwischen 1,5 K und 3,5 K zu liefern.
Eine weitere Leistungssteigerung kann erzielt werden, indem die
hinlänglich bekannte Ventilzeitsteuerung des Gasstroms
an dem Kühlfinger unter Verwendung unterschiedlicher Öffnungsabmessungen
oder durch Nadelventile optimiert wird. Darüber hinaus
kann ein (nicht gezeigter) hocheffizienter Wärmetauscher
für den Temperaturbereich 1 bis 2 K verwendet werden, um
die Kühlleistung der in dem Kühlfinger 210 enthaltenen
PTR-Vorrichtung weiter zu verbessern. Tiefere Temperaturen von unterhalb
1 K. werden erzielt, indem dem unteren Ende des Kühlfingers
eine allgemein bekannte supraflüssige Vortex-Kühlstufe
hinzugefügt wird, wie sie von De Waele in der Fachzeitschrift
Applied Physics, Ausgabe 1. August 2005, unter dem Titel "The
Superfluid Vortex Cooler" beschrieben ist. Mittels
der Vorrichtung von De Waele wurden Tieftemperaturen der gekapselten
Vorrichtung von bis zu 0,87 K erzielt.
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Indem
weiter auf 3 eingegangen wird, umfasst
die Kryostatkonstruktion 200 zur Herstellung hyperpolarisierter
Proben ferner eine erste oder Vorkühlstufe 220 und
eine zweite Kühlstufe 230, die in der Nähe
des Kühlfingers 210 angeordnet sind. Darüber
hinaus umfasst die Kryostatkonstruktion 200 zusätzlich
eine als die Basis der Kühleinrichtung dienende Kühlplatte 240 und
ein intermediäres Kühlungsverbindungselement 250,
das zwischen der ersten Kühlstufe 220 und der
zweiten Kühlstufe 230 angeordnet ist. Jede Komponente
wird im Folgenden eingehender beschrieben.
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In
einem Ausführungsbeispiel wird die erste oder Vorkühlstufe 220 mittels
der Kühlleistung des Magnetkühlsystems 260 des
NMR-Systems erzielt, und die Kühlung wird auf die Kühlfinger 210 übertragen.
Das Magnetkühlsystem 260 kann ein (mit Gifford-McMahon-Kolben
betriebener Kühler) 4K–GM oder eine vergleichbare
Vorrichtung sein, oder von der Pulsrohrkühlerbauart sein,
um dem Kühlfinger einen ersten Pegel einer Kühl temperatur
zu verleihen. Das Magnetkühlsystem 260 umfasst
ferner einen zum Antrieb des Kühlsystems dienenden (nicht
gezeigten) externen Kompressor mit einer Leistung von 2 kW oder
darüber. Der Kühlfinger 210 wird auf
diese Weise auf einer um den Umfang angeordneten Fläche
vorgekühlt. Die erforderliche Vorkühltemperatur ist
nicht feinstufig und kann um +/–20 K variieren, ohne die
Kühlfingerleistung, d. h. die Temperatur an der unteren
Spitze des Kühlfingers, zu beeinträchtigen.
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Die
zweite Kühlstufe 230 umfasst den Bereich zwischen
der Kühlplatte 240 und dem intermediären
Kühlungsverbindungselement 250 und erzeugt die
zusätzliche Kühlleistung, die die die Leistung
der Vorkühl- oder ersten Kühlstufe 220 übersteigt,
um der Probe 9 für ihren Verwendungszweck die
gewünschte Temperatur von beispielsweise etwa 1,2 K zu
verleihen. Falls gewünscht, kann ein intermediäres
thermisches Verbindungselement von dem Magnetkühlsystem 260,
das etwa 4 K aufweist, zum Pulsrohrkühlerkühlfinger 210 gemacht
werden, um eine zusätzliche Vorkühlstufe und im
Bedarfsfall eine Vorkühlung der Probe bereitzustellen.
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Die
Kühlplatte 240 ist an der Basis der Komponenten
angeordnet und kann auf den folgenden, in hohem Maße elektrisch
leitfähigen Materialien, beispielsweise Kupfer oder Aluminium,
basieren. Das Kühlungsverbindungselement 250 bildet
ein Verbindungselement zu dem Magnetkühlsystem 260 und kann
falls gewünscht abnehmbar und biegsam sein. Da die PTR-Vorrichtung
keinen sich bewegenden Kolben enthält, ist die am unteren
Ende der PTR-Kühlfingerspitze angeordnete Kühlplatte
keinerlei Schwingungen ausgesetzt.
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Eine
weitere Verbesserung der Betriebscharakteristik des Pulsrohrkühlers,
z. B. die Ventilzeitsteuerung an dem (nicht gezeigten) externen
Antriebssystem des PTR-Kühlfingers kann dazu beitragen,
diese Temperatur zu erreichen. Die optimale Ventilzeitsteuerung
und Frequenz wird für diesen Kühlfinger auf der
Grundlage von 4 Variablen eingestellt, die optimiert werden können
(Eingangs-/Ausgangsleistung des Regenerators und Eingangs-/Ausgangsleistung
der PTR).
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Wie
oben erwähnt, basiert der Kühlfinger 210 auf
zwei Rohren, die in dem Vakuumraum in unmittelbarer Nähe
des zentralen Hohlraums 6 oder optional in dem Hohlraumrohr 6 selbst
angeordnet sind. Das in dem Regeneratorrohr des Kühlfingers
verwendete keramische Material mit hohem cp-Wert kann ohne Leistungsverschlechterung
in der Nähe des Magnettunnels angeordnet sein. Das benachbarte
Pulsrohr ist leer und pulsiert lediglich mit gasförmigem
He3.
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Folglich
gestattet die Verwendung des Kühlfingers 210 in
diesem Ausführungsbeispiel ein kältemittelfreies
Polarisatorsystem im Gegensatz zu einem "feuchten" Polarisatorsystem,
und weist einige Vorteile auf: Es wird in vertikaler Orientierung
betrieben und es wird lediglich unter Vakuum betrieben. Eine Verschlechterung
der Kühlleistung des Kühlfingers, beispielsweise,
wenn der Kühlfinger in einer Heliumgas-Umgebung betrieben
wird, kann daher ausgeschlossen werden. Das heiße obere
Ende des Kaltfingers, von wo aus die aus dem Kühlfinger
extrahierte, lediglich wenige Watt aufweisende Wärme abgeleitet
werden muss, erfordert gewöhnlich einen mit Schlitzen ausgebildeten
Wärmetauscher oder eine im Handel erhältliche
Aluminiumrippen-Konstruktion, wie sie verwendet wird, um elektronische
Instrumente ohne die Erfordernis einer externen zwangsbelüfteten
Luftkühlung zu kühlen. Dies gestattet außerdem
die physische Trennung des Antriebssystems von dem oberen Ende der
PTR-Vorrichtung, was zu einem hinlänglich bekannten "aufgeteilten"
Antriebssystem führt. Dieses Antriebssystem, gewöhnlich
ein durch einen Schrittmotor oder einen synchronen An trieb betätigtes
Drehventil, kann an jeder geeigneten Position rund um das OVC (Guter
Vacuum Case = äußere Vakuumgehäuse) des
Polarisatorsystems angeordnet sein. An dem Zwischenabschnitt ist
bei dem Kühlfinger von dem benachbarten 4-K-GM-Kühler
oder dem 4-K-PTR-Kühler außerdem ausreichend Kühlung
verfügbar, um die Gesamtleistung des Kühlfingers
zu maximieren, ohne die Kühlleistung des 4-K-GM-Kühlers
oder 4-K-PTR-Kühlers zu schmälern. Das thermische
Verbindungselement zu dem GM-Kühler kann robust und zuverlässig
konstruiert sein, ist jedoch dennoch abnehmbar und nachgiebig, falls
es gewünscht ist.
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Vorteilhafterweise
weisen die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung
eine Reihe von Vorteilen auf. Beispielsweise ist die Kryostatkonstruktion
weiter vereinfacht und einem Anwender wird kein Hantieren mit kryogenen
Flüssigkeiten abverlangt, was von besonderer Bedeutung
ist, falls sich das System in einer Klinikanlage befindet. Darüber
hinaus wird ein plötzlicher Energieabfall aufgrund eines Übergangs
des Magneten in den Normalzustand den Kühlfinger nicht
beeinträchtigen, und es würde kein Heliumgas entweichen
oder verloren gehen. Außerdem tritt aufgrund der Abwesenheit
des He-II-Behälters kein Helium-II-Kriechen auf. Noch ein weiterer
Vorteil basiert darauf, dass auf thermische Schalter und auf eine
Sorptionspumpe sowie andere Komponenten, die erforderlich sind,
um tiefe Temperaturen bis zu 1,2 K zu erzielen, verzichtet werden kann,
was die Konstruktion vereinfacht und den Platzbedarf hinsichtlich
einer ultrakompakten NMR-Einheit auf ein Minimum reduziert, und
außerdem Geräuschquellen verringert. Beispielsweise
fügte der Kühlfinger dem System keinerlei zusätzliche Geräusche
hinzu, und es können GM- und PTR-Hybrid- oder PTR- und
PTR-Hybrid-Vorrichtungen nebeneinander verwendet werden. Von dem
Kühlfinger werden keine Schwingungen induziert, da der
Kontakt des GM der ersten Stufe nachgiebig konstruiert sein kann,
falls ein GM als das Magnetkühlsystem aus zuwählen
ist. Es ist außerdem ausreichend Raum für eine
vorübergehende Wärmestationierung der Probe längs
des Pyruvatpfads vorhanden. Die Wärmestationierung könnte
an der Verbindungselementplattform zwischen der ersten Kühlstufe 220 des 4-K-GM-Kühlers 260,
bei einer intermediären 4-K-Stufe und schließlich
auf der Kühlplatte in der Nähe der Spitze des
Kühlfingers 210 stattfinden. In dem Kompressor
wird bevorzugt He3 verwendet. Das für
die 2-kW-Kompressorfüllung erforderliche Volumen von He3 ist jedoch gering.
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Während
im Vorliegenden lediglich spezielle Merkmale der Erfindung veranschaulicht
und beschrieben wurden, erschließen sich dem Fachmann viele
Abwandlungen und Veränderungen. Es ist daher selbstverständlich,
dass die beigefügten Patentansprüche sämtliche
Abwandlungen und Veränderungen abdecken sollen, die in
den wahren Schutzbereich der Erfindung fallen.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Geschaffen
sind Verfahren und Einrichtung zur Herstellung hyperpolarisierter
Proben zum Einsatz in der Magnetresonanzbildgebung (MRI). Die Einrichtung
enthält eine ultrakompakte kältemittelfreie Kryostatkonstruktion,
die dazu dient, eine Probe eines ausgewählten Materials
zu polarisieren, wobei die Kryostatkonstruktion einen zentralen
Hohlraum, der dazu eingerichtet ist, evakuiert zu werden, um einen
Vakuumbereich zu erzeugen, und eine Kühlungsvorrichtung
aufweist, die in den zentralen Hohlraum oder optional in der Nähe
des zentralen Hohlraums eingesetzt ist, um eine gewählte
Temperatur der Probe aufrecht zu erhalten.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
-
- - US 6466814 [0003, 0003]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - De Waele in
der Fachzeitschrift Applied Physics, Ausgabe 1. August 2005, unter
dem Titel ”The Superfluid Vortex Cooler” [0026]