DE19928032C2 - Meßvorrichtung für die Messung der absoluten Polarisation von Alkaliatomen sowie Verfahren zum Betreiben der Meßvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit einer Probenzelle zur Aufnahme von Alkaliatomen gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1, bei der die absolute Polarisation der Alkaliatome in der Probenzelle gemessen wird. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung.

Neuere Entwicklungen in der Magnet Resonanz Tomographie (MRT) sowie in der Magnet Resonanz Spektroskopie (NMR) mit polarisierten Edelgasen lassen Anwendungen in der Medizin, in der Physik und in den Materialwissenschaften erwarten. Große Polarisationen von Kernspins von Edelgasen können durch optisches Pumpen mit Hilfe von Alkaliatomen erzielt werden, wie der Druckschrift Happer et al., Phys. Rev. A, 29, 3092 (1984) zu entnehmen ist. Typischerweise wird zur Zeit das Alkaliatom Rubidium in Anwesenheit eines Edelgases und Stickstoff eingesetzt. Auf diese Weise ist es möglich, eine Kernspinpolarisation des Edelgases Xenon (¹²⁹Xe) von ca. 20 Prozent zu erreichen. Eine solche Kernspinpolarisation ist ca. 100000 mal größer als die Gleichgewichtspolarisation in klinischen Magnet Resonanz Tomographen. Die damit verbundene drastische Steigerung des Signal zu 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. 100 Prozent Polarisation bedeutet zum Beispiel, 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 vom Anwendungsfall ab. ¹²⁹Xenon 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 fettliebenden (d. h.: lipophilen) Flüssigkeiten. Wenn derartige Eigenschaften erwünscht sind, wird Xenon eingesetzt.

Das Edelgas Helium löst sich kaum in Flüssigkeiten. Das Isotop ³Helium 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 ⁸³Krypton, ²¹Neon und ¹³¹Xenon 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 "B. Driehuys et al., Appl. Phys. Lett. 69, 1668 (1996) ist bekannt, Edelgase auf folgende Weise zu polarisieren.

Mit Hilfe eines Lasers und einer im Lichtstrahl des Lasers angeordneten λ/4-Platte wird zirkular polarisiertes Licht bereitgestellt, also Licht, bei dem der Drehimpuls bzw. der Spin der Photonen alle in die gleiche Richtung zeigen. Der Drehimpuls der Photonen wird auf die 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 von einem Alkaliatom mit einem Atom eines Edelgases wird die Polarisation des Elektronenspins vom Alkaliatom auf den Kernspin des Edelgases übertragen. Es entsteht so polarisiertes Edelgas.

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 oder Molekül auftreten können.

Cäsium wäre ein besonders gut geeignetes Alkaliatom, welches gegenüber Rubidium zur Erzielung von polarisiertem Xenon 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 würde. Es ist jedoch zu erwarten, daß in Zukunft Laser mit Leistungen um 100 Watt auf der Cäsiumwellenlänge entwickelt werden. Dann wird voraussichtlich bevorzugt Cäsium für die Polarisation von Edelgasen eingesetzt.

Der Stand der Technik ist, ein Gasgemisch unter einem Druck von typischerweise 7 bis 10 bar durch eine zylindrische Glaszelle langsam durchzuleiten. Das Gasgemisch besteht zu 98 Prozent aus ⁴Helium, einem Prozent Stickstoff bzw. einem Prozent Xenon. Die typischen Geschwindigkeiten des Gasgemisches betragen einige cm pro Sekunde.

Das Gasgemisch durchströmt zunächst ein Gefäß (nachfolgend "Vorratsgefäß" genannt), in dem sich ca. ein Gramm Rubidium 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 in die zylindrische Probenzelle. Ein leistungsstarker, zirkular polarisierter Laser (100 Watt Leistung im kontinuierlichen Betrieb) durchstrahlt die Probenzelle, die im allgemeinen eine Glaszelle ist, axial 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 einigen 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 u. a. mit den Xenon-Atomen und geben ihre hohe 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 Gasen an der Wand ab. Das polarisierte Xenon bzw. das Gasgemisch 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 bis 2000 Gauss. Das hochpolarisierte Xenon-Gas scheidet sich an der inneren Glaswand der Ausfriereinheit als Eis ab. Am Auslaß der Ausfriereinheit wird das restliche Gas (Helium und Stickstoff) 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 keine Polarisation erzielt. Ist die Flußgeschwindigkeit zu niedrig, so verstreicht zuviel Zeit, bis die gewünschte Menge an hochpolarisiertem Xenon eingefroren ist. Durch Relaxation nimmt die Polarisation der Xenon-Atome nämlich wieder ab. Die Relaxation der Xenon-Atome wird durch das Einfrieren sowie durch das starke Magnetfeld, welchem die Ausfriereinheit ausgesetzt ist, stark verlangsamt. Es ist daher erforderlich, nach der Polarisierung das Edelgas möglichst schnell und verlustfrei einzufrieren. Zwar kann die Relaxation durch das Einfrieren nicht vermieden werden. Es verbleiben jedoch noch 1 bis 2 Stunden Zeit, ehe die 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.

Das Licht des Lasers, der die Polarisation erzeugt, wird in der Probenzelle absorbiert. Die Intensität des Lichts und damit die Polarisierung der Alkaliatome in der Probenzelle nimmt entsprechend ab. Der Querschnitt der Probenzelle wird aus technischen Gründen im allgemeinen nicht gleichmäßig durch das Licht des Lasers ausgeleuchtet. Folglich werden die Alkaliatome nicht gleichmäßig polarisiert.

Wechselwirkungen mit den Wänden der Probenzelle verändern die Polarisation der Alkaliatome ebenfalls entlang des Querschnitts der Probenzelle. In der Probenzelle verändert sich die Polarisation der Alkaliatome folglich in Abhängigkeit vom Ort.

Für die Steuerung und Analyse der Polarisation von Edelgasen ist es erforderlich, diese in Abhängigkeit vom Ort in der Probenzelle zu messen. Aus der Druckschrift S. Appelt et al., Phys. Rev. A 58, 1412, (1998) sowie aus A. Ben-Amar Baranga et al., Phys. Rev. A 58, 2282, (1998) ist bekannt, die absolute Polarisation der Alkaliatome in Abhängigkeit vom Ort wie folgt zu messen.

Zu beiden Seiten der Probenzelle sind RF-Spulen angebracht. Durch diese Spulen wird in der Probenzelle ein oszillierendes Magnetfeld erzeugt. Das durch die RF-Spulen erzeugte oszillierende Magnetfeld wird von dem durch Helmholtzspulen erzeugten statischen Magnetfeld B₀ überlagert. Die Magnetfeldlinien des statischen Magnetfeldes verlaufen parallel zur Längsachse der zylindrischen Probenzelle. Die Magnetfeldlinien des oszillierenden Magnetfeldes der Frequenz ω_RF verlaufen senkrecht hierzu. Das Zusammenwirken der beiden Magnetfelder in der Probenzelle hat zur Folge, daß ein präzedierender Kegel der Elektronenspin-Polarisation der Alkaliatome auftritt, wenn die Frequenz des RF-Magnetfeldes mit der Lamorfrequenz des Gesamtspins der Rubidiumatome übereinstimmt.

Das Magnetfeld B₀ wird kontinuierlich verändert, so daß der Kegel bei Erreichen der Lamorfrequenz auftritt und wieder verschwindet, wenn die Lamorfrequenz verlassen wird. Alternativ könnte die Frequenz des RF-Magnetfeldes bei konstantem B₀-Feld entsprechend durchfahren werden.

Zur Detektion des Kegels durchleuchtet ein Titan-Saphir- Laser, der zirkular polarisiertes Licht erzeugt, die Probenzelle senkrecht zur Längsachse. Dieses Licht wechselwirkt mit der Transversalkomponente des Kegels. Das Licht wird in Abhängigkeit vom Vorliegen des Kegels absorbiert. Ein Photodetektor ist auf der gegenüberliegenden Seite der Probenzelle so angeordnet, daß er das Licht des Lasers mißt. Der Photodetektor "sieht" die rotierende Transversalkomponente des Kegels als Modulationssignal mit der Frequenz ω_RF. Das Signal des Photodetektors wird demoduliert, so daß anschließend das Signal durch eine Resonanzkurve wiedergegeben wird. Bei einem kleinen Feld B₀ zeigt die Resonanzkurve nur eine Resonanzfrequenz in Form von einem Peak. Für große Magnetfelder B₀, das heißt Magnetfelder von typischerweise 30 Gauss und darüber können eine Vielzahl von Resonanzfrequenzen gemessen werden. Aus diesem Signal wird die absolute Polarisation der Alkaliatome ermittelt.

Um die absolute Polarisation der Alkaliatome entlang des Querschnitts der Probenzelle senkrecht zu den Magnetfeldlinien des B₀-Feldes (in x-Richtung) messen zu können, wird zusätzlich eine Gradientenspule vorgesehen, mit der in der Probenzelle ein Gradient des B₀- Magnetfeldes erzeugt wird. Hierdurch wird eine Ortsinformation kodiert: Die Polarisation kann dann in Abhängigkeit von der x-Richtung der Probenzelle ermittelt werden.

Die Vorrichtung weist den Nachteil auf, daß die Polarisation nur entlang in x-Richtung in Abhängigkeit vom Ort gemessen werden kann. Es muß ferner nachteilhaft ein sehr teurer Titan-Saphir-Laser eingesetzt werden. Der Einsatz einer preiswerten Laser-Diode erwies sich bisher als nicht möglich.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer verbesserten Meßvorrichtung der eingangs genannten Art für eine Messung der absoluten Polarisation von Alkaliatomen in der Probenzelle sowie von Verfahren zum Betreiben dieser Meßvorrichtung.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch einen Polarisator für ein Edelgas mit den Merkmalen des ersten Anspruchs gelöst. Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung weisen die Merkmale der Nebenansprüche auf. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die anspruchsgemäße Vorrichtung weist eine Probenzelle sowie in einer Ausgestaltung der Erfindung Mittel auf, um Alkaliatome in der Probenzelle zu polarisieren. Durch Helmholtzspulen (Spulenpaar)) wird das B₀-Magnetfeld in der Probenzelle erzeugt, deren Magnetfeldlinien entlang einer Richtung verlaufen, die nachfolgend z-Richtung genannt wird. RF-Spulen sind vorgesehen, die senkrecht zur z-Richtung ein oszillierendes Magnetfeld erzeugen. Diese Richtung wird im folgenden x-Richtung genannt. Entlang der x-Richtung durchstrahlt das zirkular polarisierte Licht eines Lasers, nachfolgend auch Detektionslaser genannt, die Probenzelle. Mit Hilfe eines Sensors - insbesondere eines Photodetektors - wird die Intensität des Lichts nach Passieren der Probenzelle gemessen, das gemessene Signal einer Auswerteelektronik zugeführt und so die Polarisation der Alkaliatome in der Probenzelle ermittelt.

Ein Laser kann die Probenzelle in einer Ausführungsform der Erfindung in z-Richtung durchstrahlen. Wird das Licht des Lasers zuvor mit einer λ/4-Platte zirkular polarisiert, so werden die Alkaliatome in der Probenzelle polarisiert.

Mittel zur Steuerung der Temperatur des Detektionslasers sind vorgesehen. Insbesondere umfassen die Mittel einen Temperatursensor, mit dem die Temperatur des Detektionslasers gemessen wird. Ferner umfassen die Mittel eine Heiz-/Kühleinrichtung, mit der der Detektionslaser bei Bedarf beheizt oder gekühlt wird. Die Heiz-/ Kühleinrichtung wird in Abhängigkeit von der gemessenen Temperatur des Detektionslasers durch eine Steuereinrichtung gesteuert. Mit Hilfe der vorgenannten Mittel wird die Temperatur des Lasers konstant gehalten.

Es hat sich gezeigt, daß die Einhaltung einer konstanten Temperatur verbesserte Meßergebnisse zur Folge hat. Eine genügend konstante Temperatur ist ferner Voraussetzung, um anstelle eines Titan-Saphir-Lasers eine preiswerte Halbleiter-Diode als Detektionslaser einsetzen zu können. Insbesondere bei Einsatz der Halbleiter-Diode liegen verbesserte Meßergebnisse vor.

In einer Ausgestaltung der Erfindung sind die Mittel zur Einhaltung einer konstanten Temperatur so ausgelegt, daß die Temperaturschwankungen nicht mehr als ein tausendstel Grad Celsius pro Stunde betragen.

Um Temperaturschwankungen so gering wie möglich beim Laser zu halten, wird der Laser in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung in ein wärmeleitendes Metall, insbesondere in Kupfer eingebettet. Die Wärmekapazität des Metalls ist dann sehr viel größer als die Wärmekapazität des Lasers. Temperaturschwankungen des Lasers werden durch das Metall aufgefangen. Es ist so möglich, die gewünschte hohe Konstanz der Temperatur zu halten. Es hat sich gezeigt, daß die Temperaturkonstanz eine wesentliche Maßnahme darstellt, um zu guten Meßergebnissen zu gelangen. Das Volumen des Metalls sollte das Volumen des Lasers insbesondere um ein Mehrfaches übertreffen.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird ein Peltier-Element verwendet, um den Laser bei Bedarf zu heizen bzw. zu kühlen. Das Peltier-Element kontaktiert dann insbesondere einen Kühlkörper, um einwandfrei zu funktionieren. Der Kühlkörper weist im allgemeinen sogenannte Kühlrippen auf, die für eine große Oberfläche und damit für einen schnellen Abtransport von Wärme sorgen.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist eine Elektronik vorgesehen, die den Strom konstant hält, mit dem der für die Detektion der Alkalipolarisation vorgesehene Laser betrieben wird. Dieser Versorgungsstrom für den Laser sollte insbesondere um weniger als 10 ppm schwanken. Eine geeignete Elektronik, die die Anforderungen erfüllt, wird in der Druckschrift "Rev. Sci. Instrum. 61 (8), August 1990" beschrieben. Durch diese weitere Ausgestaltung der Erfindung wird das Meßergebnis weiter verbessert.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird eine Halbleiter-Diode als Laser, insbesondere eine "Mono Mode Laser Diode" zur Detektion der Polarisation der Alkaliatome in Abhängigkeit vom Ort eingesetzt. Ein solcher Laser ist erheblich billiger als der beim Stand der Technik eingesetzte Titan-Saphir-Laser. Der Preisunterschied beträgt zur Zeit ca. einen Faktor 100 bis 1000. Darüber hinaus hat sich gezeigt, daß mit dem Laser, der aus einer Halbleiter-Diode besteht, bessere Ergebnisse im Vergleich zu einem Titan-Saphir-Laser erzielt werden, wenn die Temperatur und der Versorgungsstrom in der vorgenannten Weise stabilisiert werden. Das Amplitudenrauschen des aus der Halbleiter-Diode bestehenden Lasers ist dann sehr viel kleiner im Vergleich zum Amplitudenrauschen eines Farbstoff- oder eines Titan-Saphir-Lasers). Das Frequenzrauschen des aus der Halbleiter-Diode bestehenden Lasers entspricht dem Frequenzrauschen eines nicht stabilisierten Titan-Saphir-Lasers, wenn die vorgenannten Maßnahmen zur Stabilisierung der Temperatur und des Versorgungsstroms durchgeführt werden. Auf Grund des verbesserten Amplitudenrauschens ergeben sich bessere Meßergebnisse im Vergleich zum Stand der Technik. Eine Halbleiter-Diode ist klein und leicht im Vergleich zu einem Titan-Saphir-Laser. Selbst bei Verwendung eines Metallblocks, der über eine sehr viel größere Wärmekapazität als die Diode verfügt, ist der Aufbau klein und leicht im Vergleich zu einem Titan-Saphir-Laser. Der erfindungsgemäße Aufbau mit der Halbleiter-Diode ist daher besonders beweglich, was in einem nachfolgend genannten Anwendungsfall von besonderem Vorteil ist.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung handelt es sich bei der Halbleiter-Diode um eine "Single (Mono) Mode Laserdiode mit einer Leistung von zum Beispiel ca. 20 Milliwatt. Durch diese Auswahl wird die Frequenzstabilität vorteilhaft gewährleistet. Die Wellenlänge, mit der die Halbleiter-Diode Licht ausstrahlt, beträgt insbesondere um die 795 Nanometer.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Halbleiter-Diode zusammen mit dem gegenüberliegenden Detektor auf einem in z-Richtung verfahrbaren Schlitten angebracht. Durch Verfahren des Schlittens relativ zur Probenzelle wird die Polarisation der Alkaliatome in der Probenzelle zusätzlich in z-Richtung gemessen. Es ergibt sich somit ein zweidimensionales Bild der absoluten Polarisation der Alkaliatome.

Der Schlitten kann eine auf Schienen rollende Platte sein, auf der die Halbleiter-Diode zusammen mit dem gegenüberliegenden Detektor bzw. Sensor und den ggf. erforderlichen weiteren optischen Elementen wie Linsen, Spiegel, Linear- oder Zirkularpolarisatoren aufgebracht sind. Auf einem solchen Schlitten ist ferner insbesondere die Gradientenspule befestigt. Dies ermöglicht eine schnelle und unkomplizierte Messung von zweidimensionalen Bildern der Rubidiumpolarisation.

Die Meßergebnisse ermöglichen eine optimale Einstellung und Steuerung der Polarisationsvorrichtung, um möglichst wirtschaftlich Edelgase zu polarisieren.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Vorrichtung Gradientenspulen auf, die sich über ein wesentlich größeres Volumen (zum Beispiel über ein doppelt so großes Volumen) im Vergleich zum Volumen der Probenzelle erstrecken. Durch diese Maßnahme ist es möglich, einen nahezu linearen Gradienten (dB₀/dx = konstant) des B₀-Magnetfeldes bereitzustellen. Dann kann nicht nur das Meßsignal auf besonders einfache Weise ausgewertet werden, sondern es ist darüber hinaus auch sichergestellt, daß die Zuordnung von Polarisation zu einem Ort x eindeutig möglich ist.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Fig. 1 und 2 näher erläutert.

Fig. 1 zeigt den einen Teil des Aufbaus eines Polarisators für Edelgase mit der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung. Durch eine Probenzelle 1 wird ein Gasgemisch der eingangs genannten Art in z-Richtung, das heißt in Längsrichtung der Probenzelle hindurchgeleitet. Die Probenzelle wird in Längsrichtung von einem Laser 2 durchstrahlt. Dieser Laser 2 weist eine Leistung von ca. 100 Watt auf. Er sendet mit einer Wellenlänge von 795 Nanometer zirkular polarisiertes Licht aus. Mit Hilfe dieses Lasers 2 werden die Alkaliatome in dem Gasgemisch polarisiert.

In z-Richtung gesehen befinden sich vor und hinter der Probenzelle je ein Spulenkörper der Helmholtzspule. Durch die Helmholtzspule wird ein statisches B₀-Feld in der Probenzelle bereitgestellt, deren Magnetfeldlinien in z- Richtung verlaufen. Zu beiden Seiten der Probenzelle 1 sind in unmittelbarer Nähe je eine RF-Spule 4 angeordnet. Durch die beiden RF-Spulen 4 wird in der Probenzelle ein oszillierendes Magnetfeld erzeugt, dessen Magnetfeldlinien senkrecht zur z-Richtung verlaufen. Diese Richtung wird als x-Richtung bezeichnet. Mit Abstand zur Probenzelle sind Gradientenspulen 5 vorgesehen, mit denen in der Probenzelle ein Magnetfeld parallel zum B₀-Feld bereitgestellt wird, welches sich in x-Richtung linear verändert. Der durch die Gradientenspulen aufgespannte Raum ist wenigstens doppelt so groß wie das Volumen der Probenzelle 1. Durch eine Laser-Diode mit einer Leistung von ca. 20 Milliwatt und einer Wellenlänge von 795 Nanometern wird linear polarisiertes Licht erzeugt. Aas Licht der Laser-Diode 6 fällt auf einen Spiegel 7, der das Licht so umlenkt, daß dieses in x-Richtung die Probenzelle 1 passiert. Zwischen dem Spiegel 7 und der Probenzelle 1 ist ein λ/4-Plättchen in den Lichtstrahl des Lasers 2 hineingestellt. Hierdurch wird das Licht des Lasers zirkular polarisiert. Nach Durchlaufen der Probenzelle wird das Licht des Lasers durch eine Linse 8 gebündelt und zu einer Photodiode 9 weitergeleitet.

Einem Synthesizer 10 ist ein HF-Verstärker 11 nachgeschaltet. Das so verstärkte elektrische Signal des Synthesizers 10 wird auf die RF-Spule 4 übertragen (RF: Radiofrequenz). Die Frequenz der Radiofrequenzeinstrahlung beträgt typischerweise um die 25 MHz und die Sinusleistung beträgt 8 Watt. Zugleich liefert der Synthesizer 10 ein Referenzsignal an einen Lock-in-Verstärker 12. Das von der Photodiode 9 stammende elektrische Signal wird ebenfalls an den Lock-in-Verstärker 12 weitergeleitet. Dieser bewirkt, daß das Rauschen herausgefiltert wird. Das Signal wird an ein Oszilloskop 13 weitergeleitet. Das Oszilloskop 13 dient der Darstellung des Ergebnisses, aus dem die räumliche Verteilung der Alkalipolarisation in der Probenzelle ermittelt wird.

Ein Synthesizer 14 liefert eine Sägezahnspannung. Die Sägezahnspannung steuert eine Konstantstromquelle 15 an. Diese liefert einen Strom an die Helmholtzspule (Helmholtzspulenpaar) 3, so daß ein magnetisches B₀-Feld von ca. 50 Gauss entsteht, welches sich zeitlich in der Form eines Sägezahns in der Probenzelle um ca. +/-2,5 Gauss ändert.

Über eine Konstantstromquelle 16 werden die Gradientenspulen 5 mit einem konstanten Strom gespeist.

Der Betrieb der bis jetzt beschriebenen beispielhaften Vorrichtung führt zur Ermittlung einer Polarisation P in Abhängigkeit von x, beschrieben durch eine Funktion P = P(x).

Die Laser-Diode 6, die Photodiode 9 nebst der Linse 8, dem Lamda/4-Plättchen 28 und dem Spiegel 7 befinden sich - auf einer Aluminiumplatte 17, die in z-Richtung relativ zur Probenzelle 1 verschoben werden kann (Schlitten). Wird die Aluminiumplatte 17 in z-Richtung verschoben, so wird die Polarisation in der Probenzelle zusätzlich in Abhängigkeit vom Ort z ermittelt. Insgesamt kann so also die Polarisation P = P(x, z) ermittelt werden.

Der vorgenannte Aufbau ist im wesentlichen auf einer Grundplatte 18 befestigt. Die Probenzelle 1 befindet sich in einem Behälter 19, der der Wärmeisolierung dient.

Fig. 2 verdeutlicht im Schnitt den Aufbau der Laser- Diode 6 aus Fig. 1. Die eigentliche Laser-Diode 6 wird von einem aus Kupfer bestehenden Block 20 eingebettet. Ein Messingring 27 mit Außengewinde ist so mit dem Block 20 verschraubt, daß der Detektionslaser 6 am Block 20 fest anliegt und so ein guter Wärmeübergang gewährleistet ist. Der Kupferblock 20 nimmt ein Volumen ein, welches sehr viel größer ist als das Volumen der Laser-Diode 6. Im Block 20 ist eine Bohrung 21 vorgesehen, die bis an die Laser-Diode 6 heranreicht. Ein winziges Thermoelement 22 (Thermistor) ist mit der Spitze eines Führungsstabes verklebt. Das Thermoelement wird zusammen mit dem Führungsstab in die Bohrung 21 geschoben. Auf diese Weise wird spezifisch die Temperatur der Laserdiode verzögerungsfrei gemessen. Auf der Unterseite des aus Kupfer bestehenden Blocks 20 ist ein Peltier-Element angebracht. Das Peltier-Element 23 ist wiederum mit einem Kühlkörper 24 verbunden. Der Kühlkörper ist insbesondere durch Kühlrippen charakterisiert, so daß eine sehr große Oberfläche des Kühlkörpers 24 vorliegt.

In Abhängigkeit von der durch das Thermoelement 22 gemessenen Temperatur wird das Peltier-Element 23 so mit Strom versorgt, daß die Temperatur der Laser-Diode 6 konstant gehalten wird. Die Schwankungen der Temperatur sollte ein tausendstel Grad Celsius pro Stunde nicht überschreiten.

Die Versorgung der Laser-Diode 6 erfolgt über einen kommerziell erhältlichen Stromkonstanter 25, der einen Strom von 100 mA ± 1 µA/h liefert. Als Temperaturregler 26 wurde der aus der Druckschrift "Rev. Sci. Instrum. 61 (8), Aug. 1990" bekannte eingesetzt.

Im Vergleich zum Stand der Technik lassen sich so schneller und bessere Meßergebnisse erzielen.

Claims (14)

1. Vorrichtung zur Ermittlung der absoluten Polarisation von Alkaliatomen

• - mit einer Probenzelle (1) zur Aufnahme von Alkalimetall,
• - mit Mitteln zur Polarisierung von Alkaliatomen,
• - mit einem Spulenpaar (3) zur Erzeugung eines B₀- Magnetfeldes in der Probenzelle (1),
• - mit Spulen (4), die senkrecht zu den Magnetfeldlinien des B₀-Magnetfeldes ein oszillierendes Magnetfeld erzeugen,
• - mit einem Laser (6) für die Detektion der Polarisation der Alkaliatome, mit dem Licht erzeugbar ist, welches senkrecht zu den Magnetfeldlinien des B₀- Magnetfeldes die Probenzelle (1) passiert,
• - mit einem Sensor (9), der die Intensität des Lichts nach Passieren der Probenzelle (1) mißt,
• - mit einer Auswerteelektronik (12), die das durch den Sensor gemessene Signal auswertet und so die absolute Polarisation von Alkaliatomen in der Probenzelle ermittelt,

gekennzeichnet durch

• - Mittel zur Steuerung der Temperatur des Lasers für die Detektion der Polarisation der Alkaliatome,
• - die Mittel zur Steuerung der Temperatur des Lasers für die Detektion der Polarisation der Alkaliatome umfassen einen Temperatursensor (22), mit dem die Temperatur des Lasers gemessen wird,
• - die Mittel zur Steuerung der Temperatur des Lasers für die Detektion der Polarisation der Alkaliatome umfassen eine Heiz-/Kühleinrichtung (23), mit der der Laser (6) beheizt oder gekühlt wird,
• - die Mittel zur Steuerung der Temperatur des Lasers für die Detektion der Polarisation der Alkaliatome umfassen eine Steuereinrichtung (26), die die Heiz-/ Kühleinrichtung in Abhängigkeit von der gemessenen Temperatur des Lasers so steuert, daß die Temperatur des Lasers (6) konstant gehalten wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei dem die Mittel zur Einhaltung einer konstanten Temperatur des Lasers (6) für die Detektion der Polarisation der Alkaliatome so ausgelegt sind, daß die Temperaturschwankungen nicht mehr als ein tausendstel Grad Celsius pro Stunde betragen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Laser (6) für die Detektion der Polarisation der Alkaliatome in ein wärmeleitendes Metall (20), insbesondere in Kupfer eingebettet ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Laser für die Detektion der Polarisation der Alkaliatome in ein wärmeleitendes Metall (20), insbesondere in Kupfer eingebettet ist, wobei das vom Metall eingenommene Volumen das Volumen des eingebetteten Lasers (6) wenigstens um den Faktor eins, insbesondere um den Faktor drei überschreitet.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem Peltier-Element (23), mit dem der Laser (6) für die Detektion der Polarisation der Alkaliatome geheizt oder gekühlt wird, wobei das Peltier-Element insbesondere an einen Kühlkörper (24) angrenzt.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem an den Laser angrenzenden Thermistor (22) als Temperatursensor.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer Elektronik (25), die den Strom konstant hält, mit dem der Laser (6) für die Detektion der Polarisation der Alkaliatome betrieben wird.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer Halbleiter-Diode als Laser (6) für die Detektion der Polarisation der Alkaliatome.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem parallel zu den Magnetfeldlinien des B₀-Feldes verfahrbaren Schlitten (17), auf dem der Laser (6) für die Detektion der Polarisation der Alkaliatome, optische Elemente, insbesondere Linsen, Spiegel und/ oder Zirkularpolarisator sowie Detektor (9) zur Messung der Intensität des Laserlichts angebracht sind.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit Gradientenspulen (5), die ein Volumen einschließen, welches wenigstens doppelt so groß ist wie das Volumen der Probenzelle, zur Erzeugung eines nahezu linearen Gradienten des B₀-Magnetfeldes in der Probenzelle.

11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem thermisch isolierenden Gehäuse, in dem sich der Laser für die Detektion befindet.

12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Probenzelle Teil eines Polarisators für Edelgase ist.

13. Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung mit den Merkmalen nach einem der vorgehenden Ansprüche, bei dem die Temperatur des Lasers für die Detektion der Polarisation der Alkaliatome so gesteuert wird, daß die Temperaturschwankungen weniger als ein tausendstel Grad Celsius pro Stunde betragen.

14. Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung mit den Merkmalen nach einem der vorgehenden Ansprüche 1 bis 9, bei dem der Strom für den Betrieb des Lasers für die Detektion der Polarisation der Alkaliatome so gesteuert wird, daß dieser weniger als 10 ppm/Stunde schwankt.