DE69726720T2

DE69726720T2 - Vorrichtung zur hyperpolarisation von spin-polarisiertem edelgas mit hoher kapazität

Info

Publication number: DE69726720T2
Application number: DE69726720T
Authority: DE
Inventors: D. Gordon CATES; Bastian Driehuys; William Happer; Eli Miron; Brian Saam; Daniel Walter; Hunter Middleton
Original assignee: Princeton University
Current assignee: Princeton University
Priority date: 1996-03-29
Filing date: 1997-03-27
Publication date: 2004-10-28
Anticipated expiration: 2017-03-28
Also published as: EP0896655B1; EP0896655A1; EP1816423A3; JP4040095B2; ATE256274T1; JP4350775B2; EP1386618A3; PT896655E; EP1816423A2; AU709623B2; CA2250168A1; DE69726720D1; JP2000507689A; EP0896655A4; DK0896655T3; EP1386618A2; CA2250168C; ES2212092T3; WO1997037178A1; AU2594397A

Description

Diese Erfindung wurde mit Förderung der Regierung unter den Erteilungsnr. DAAH04-94-G-0204, DAMD1794J4469 und F49620-94-0466 gemacht. Die Regierung besitzt die Rechte an dieser Erfindung.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft Vorrichtungen und Verfahren für die Hyperpolarisierung von Edelgasen. Insbesondere betrifft die Erfindung Verfahren und Vorrichtungen für die kontinuierliche Herstellung von hyperpolarisieruen Edelgasen in großem Maßstab.
Die kernmagnetische Resonanz (nuclear magnetic resonance, NMR) ist ein Phänomen, das durch das Anlegen von Energie an einen Atomkern, welcher in einem Magnetfeld gehalten wird, hervorgerufen werden kann. Falls der Kern ein magnetisches Moment aufweist, kann er innerhalb eines von außen angelegten magnetischen Feldes ausgerichtet werden. Diese Ausrichtung kann dann durch Anlegen eines kurzen Radiofrequenz-Energiestoßes an das System vorübergehend gestört werden. Die resultierende Störung des Kerns drückt sich als meßbare Resonanz bzw. meßbares "Wobbeln" des Kerns in Bezug auf das externe Feld aus.
Für jeden Kern, der mit einem externen Feld in Wechselwirkung treten soll, gilt jedoch, daß der Kern ein magnetisches Moment, d. h. einen "Non Zero"-Spin, aufweisen muß. Ein stark bevorzugter solcher Kern ist das Proton (¹H), das in der Regel durch Beobachten und Manipulieren des Verhaltens von Wasserprotonen (¹H₂O) in Magnetfeldern untersucht wird. Andere Kerne, einschließlich bestimmter Edelgaskeme, wie ³He und ¹²⁹Xe, eignen sich grundsätzlich für die Untersuchung durch NMR. Das seltene natürliche Vorkommen dieser Isotopen, ihre geringen magnetischen Momente und andere physikalische Faktoren machen NMR-Untersuchungen dieser Kerne jedoch schwierig, wenn nicht unmöglich.
Eine wichtige Überlegung bei der Untersuchung von Edelgaskernen durch NMR gilt der Tatsache, daß sie normalerweise nur eine sehr geringe NMR-Signalintensität liefern. Bekanntermaßen kann jedoch die Spinpolarisation solcher Edelgase wie ³He und ¹²⁹Xe über das natürliche Niveau hinaus angehoben werden, d. h. Populationen dieser Isotope können künstlich "hyperpolarisiert" werden, um viel stärkere NMR-Signale zu liefern. Ein bevorzugtes Hyperpolarisierungsverfahren ist als Spinaustausch-Hyperpolarisierung bekannt. Ohne dieses Verfahren bis ins einzelne beschreiben zu wollen, wird in diesem Szenario ein Edelgas durch die Wechselwirkung mit Alkalimetalldampf, wie Rubidium, das seinerseits durch die Absorption der Laserenergie mit geeigneter Wellenlänge polarisiert wurde, hyperpolarisiert. Das polarisierte Rubidium überträgt seine Polarisation durch ein Phänomen, das Spin-Transfer (spin exchange transfer) genannt wird, auf das Edelgas. Das Endergebnis ist eine "Hyperpolarisation" des Edelgases, d. h. eine stärkere Polarisation, als es ansonsten der Fall wäre. Die Einzelheiten der Theorie, die der Spinaustausch-Hyperpolarisierungstechnik zugrunde liegt, sind in der Literatur zu finden.
Obwohl als theoretisches Phänomen allgemein anerkannt, hat sich die praktische Umsetzung der Spinaustausch-Hyperpolarisierung als ziemlich schwierig erwiesen. Die Herstellung und Handhabung von hyperpolarisierten Edelgasen ist nicht nur logistisch anspruchsvoll, sondern auch teuer. Darüber hinaus wurde aufgrund der experimentellen Natur der Untersuchungen zum Spinaustausch die Herstellung von hyperpolarisierten Edelgasen bisher in der Regel nur im kleinen Maßstab durchgeführt. In der Regel ist dafür großes Wissen und Können erforderlich, was Erfahrungen auf einer Reihe von Gebieten einschließt, wozu die Laser-, Elektro-, Glasblas-, Ultrahochdruckpumpen-Technik, der Umgang mit hochreinem Gas sowie die kernmagnetische Resonanzspektroskopie gehören.
Beispielsweise beinhaltete die Herstellung einer einzigen Probe von hyperpolarisiertem Edelgas bisher die Herstellung einer verschlossenen Wegwerf- bzw. Einmal-Glaszelle mit einem Aufnahmevolumen von nur wenigen zehn bis einigen hundert Kubikzentimetern. Solche Zellen erfordern Sorgfalt bei der Herstellung, aber ihre Qualität, die an ihrer Tendenz, das Edelgas zu depolarisieren, gemessen wird, ist trotzdem nicht immer kalkulierbar. Darüber hinaus erfordert es die Verwendung solcher Zellen für den Spinaustausch, daß sie verschlossen werden und dabei ein Alkalimetall einschließen. Das heißt, man muß darauf achten, Verunreinigungen zu entfernen, die zu einer Oxidation des Metalls und einer daraus folgenden Verderbung der Zelle führen können. Andere Probleme liegen an dem Glas an sich, welches das Edelgas möglicherweise schneller depolarisiert als dieses polarisiert werden kann. Für Untersuchungen des polarisierten Edelgases durch kernmagnetische Resonanz- (NMR)-Verfahren muß die verschlossene Zelle geöffnet oder zerstört werden, um das hyperpolarisierte Gas in das NMR-Spektrometer zu entlassen. Der Übergang zur nächsten Probe macht es notwendig, alle diese Schritte zu wiederholen, einschließlich der Herstellung und Befüllung einer neuen Glaszelle, die nicht zuverlässig von gleicher Qualität ist, was das Verfahren mühsam und unkalkulierbar macht.
Middleton zeigte erstmals die Möglichkeit auf, verschlossene Zellen herzustellen, welche größere Edelgasmengen für die Hyperpolarisierung durch das Spinaustauschverfahren aufnehmen können. Middleton, H., The Spin Structure of the Neutron Determined Using a Polarized ³He Target. Ph. D. Dissertation, Princeton University (1994). Trotzdem hat sich herausgestellt, daß die Zuverlässigkeit der in dieser Veröffentlichung beschriebenen Verfahren für den Routineeinsatz nicht genügt, da die Schwankung von Probe zu Probe weiterhin ein Problem darstellt. Darüber hinaus findet sich in diesem Dokument keinerlei Offenbarung eines Verfahrens zur Herstellung wiederbefüllbarer Zellen oder von Zellen, die auf kontinuierlicher oder Durchflußbasis verwendet werden können, ohne in nennenswertem Umfang wieder in Stand gesetzt werden zu müssen. Obwohl Fortschritte auf dem Gebiet der Zellenherstellung gemacht wurden, ergibt der Stand der Technik trotzdem keine Methode, um wiederbefüllbare oder für den kontinuierlichen Durchfluß geeignete Spinaustausch-Pumpzellen herzustellen.
Andere beinhalten optisch polarisierte Edelgase. Beispielsweise beschreibt die WO95/27438 ein herkömmliches Polarisationsverfahren unter Verwendung einer ver schlossenen optischen Pumpzelle. Pietrass et al. beschreiben in Optically Polarized ¹²⁹Xe in NMR Spectroscopy, Advanced Materials XP-002098966, S. 826–838 (1995), eine optische Pumpvorrichtung, die ¹²⁹Xe optisch mit einem Alkalimetall polarisiert. Die optische Pumpzelle wird unter die Bohrung eines superleitfähigen Magneten gehalten. Diese Literaturstelle, welche als der nächstliegende Stand der Technik betrachtet wird, lehrt weder die Wiederbefüllung der Pumpzellen mit einem Targetgas unter hyperbarem Druck auf Durchflußbasis noch die sequentielle oder episodische Freisetzung des strömenden polarisierten Gases.
Die Veröffentlichung von Becker et al., Nucl. Inst. & Meth. In Phys. Res. A, 346: 45–51 (1994), beschreibt ein Verfahren für die Herstellung von ³He anhand eines ganz anderen Polarisationsverfahrens, das als Metastabilitätsaustausch bekannt ist. Dieser Ansatz erfordert die Verwendung eines extrem niedrigen ³He-Drucks, d. h. etwa 101,325 Pa (0,001 atm) bis etwa 1013,25 Pa (0,01 atm), und beinhaltet keine Verwendung eines Akalimetalls. Eine nennenswerte Akkumulierung von hyperpolarisiertem Gas wird durch die Notwendigkeit der Verwendung von riesigen Pumpzellen (d. h. von etwa 1 Meter Länge) und das anschließende Komprimieren des Gases auf ein geeignetes Niveau verhindert. Die Veröffentlichung von Becker et al. offenbart einen erfindungsreichen, aber technisch schwierigen Ansatz, der großvolumige Kompressoren aus Titan erfordert, um das Gas auf etwa Atmosphärendruck zu komprimieren. Leider erfordern die Herstellung und der Betrieb solch eines Systems ein hohes Maß an technischem Können, was die routinemäßige Reproduzierbarkeit und Durchführbarkeit des Systems einschränkt. Die von Becker et al. beschriebene Vorrichtung hat außerdem einen großen Flächenbedarf und kann nicht bewegt werden. Die Schrift von Becker et al. sagt außerdem nichts über die Verwendung von Alkalimetallen in den Pumpzellen und offenbart kein Verfahren für die Herstellung von hyperpolarisiertem Edelgas durch Spinaustausch. Somit löst die Schrift von Becker et al. nicht das Problem, daß die Herstellung von Pumpzellen, für die ein Alkalimetall verwendet wird, kompliziert ist. Infolgedessen wird in dieser Veröffentlichung kein Verfahren oder keine Vorrichtung im Zusammenhang mit der Herstellung und Bereitstellung von beliebig großen oder kleinen Mengen an hyperpolarisiertem Edelgas durch Spinaustausch offenbart oder vorgeschlagen.
Kürzlich wurde gezeigt, daß hyperpolarisierte Edelgase anhand von kernmagnetischen Resonanz-Bildgebungs- (MRI-) Verfahren abgebildet werden können. Siehe die US-Patentanmeldung Serial No. 08/225,243. Da die Gruppe der Edelgase inert und ungiftig ist, wurde außerdem gefunden, daß hyperpolarisierte Edelgase für die MRI von Menschen und Tieren verwendet werden kann. Infolgedessen besteht ein wachsender Bedarf an der Erzeugung von größeren Mengen an hyperpolarisierten Edelgasen. Aufgrund von human- und tierärztlichen Bedenken ist es erforderlich, die Gleichmäßigkeit und Verläßlichkeit der Reinheit der Gase und den Hyperpolarisationsgrad zu kontrollieren. Weiter besteht ein dringender Bedarf an der unkomplizierten und sicheren Erzeugung dieser hyperpolarisierten Gase für den Einsatz in der klinischen Praxis, bei dem Techniker, die nur wenig oder gar kein spezielles Training in der oben beschriebenen Labortechnik hatten, trotzdem in der Lage sind, einzelne oder kontinuierliche hyperpolarisierte Edelgasproben für Probanden bzw. Patienten herzustellen, welche sich einer MRI unterziehen.
Angesichts der obigen Überlegungen liegt es auf der Hand, daß die Vorrichtung und die Verfahren, die im gegenwärtigen Stand der Technik zur Anwendung kommen, in mehrfacher Hinsicht beschränkt sind. Beispielsweise liefert der gegenwärtige Stand der Technik keinerlei praktische Einrichtungen bzw. Methoden, um eine Spinaustausch-Polarisierungskammer (-zelle) wiederzubefüllen, nachdem sie einmal verwendet wurde. Die derzeit gängigsten Kammern werden entweder nach dem ersten Befüllen dauerhaft verschlossen oder liefern nach dem Wiederbefüllen nur unbefriedigende Ergebnisse. So wäre es von Vorteil, Einrichtungen bzw. Methoden zu entwickeln, um eine Pumpkammer effizient wiederzubefüllen oder sogar um ein optisches Pumpen unter kontinuierlichem Durchfluß in der gleichen Kammer durchzuführen, um die Material- und Personalkosten zu senken.
Übrigens wurde sogar die erfolgreiche Befüllung von dauerhaft verschlossenen, bereits benutzten Zellen anhand eines ganz anderen Systems durchgeführt. In der Vergangenheit war ein teures Ultrahochvakuum-System mit entweder ölfreien Pumpen oder Öl enthaltenden Cryopumpen erforderlich, um eine ausreichend reine Vorrichtung für die Befüllung von Qualitäts-Polarisierungskammern zu erzeugen. Solch ein System ist teuer (etwa $ 30 000), nicht sehr kompakt (3 ft mal 6 ft Bodenfläche) und benötigt eine intensive Wartung durch einen ausgebildeten Vakuumtechniker. Ein neues System, das nur eine minimale Wartung erfordert und das ohne Spezialkenntnisse der Vakuumtechnik betrieben werden kann, wäre erstrebenswert. Außerdem wäre ein System von zweckmäßigerer Größe für die klinische Praxis nützlich.
Darüber hinaus gab es bisher kein praxistaugliches Verfahren, um hyperpolarisiertes Gas auf kontinuierliche Weise herzustellen. Für jeden Spinaustausch-Hyperpolarisierungsvorgang muß eine neue verschlossene Probe hergestellt und in die Hyperpolarisierungsvorrichtung eingebracht werden. Es wäre daher wünschenswert, ein System zu entwickeln, das diese Beschränkung überwindet, um Methoden bzw. Einrichtungen für die kontinuierliche Hyperpolarisierung von Edelgasströmen bereitzustellen.
Bisher waren die Systeme für die Herstellung von hyperpolarisierten Gasen auch ziemlich sperrig und erforderten in der Regel eigene Räume für ihre Installation. Diese Systeme sind nicht transportabel. Also wären kleine, zweckmäßige Hyperpolarisierer von Vorteil. Auch wären transportable Systeme in Situationen, wo auf den Platzbedarf Rücksicht genommen werden muß, von Vorteil.
Bisher gab es auch noch keine zweckmäßige Methode, um größere Mengen an hyperpolarisierten Edelgasen für die spätere Aufteilung in Einzelmengen von beliebiger Größe (bis zu Litern bei Atmosphärendruck) zu lagern. Es wäre wichtig, auch diese Beschränkung zu überwinden, um Vorrichtungen für die kontinuierliche Ansammlung von hyperpolarisiertem Edelgas ebenso wie für die Lagerung und bedarfsgerechte gesteuerte Abgabe des hyperpolarisierten Gases bereitzustellen, während die Hyperpolarisationsgrade im wesentlichen erhalten bleiben.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Somit wird als Ergebnis der Erfindung nunmehr eine verbesserte Vorrichtung und ein verbessertes Verfahren für die Herstellung von polarisierten Edelgasen bereitgestellt. Genauer wird eine in sich geschlossene Vorrichtung für die Herstellung und die Abgabe von großen Mengen an hochreinen hyperpolarisierten Edelgasen für die Verwendung bei der Magnetresonanz-Bildgebung bereitgestellt.
In einer Ausführungsform umfaßt die Vorrichtung einen Hochleistungs-Hyperpolarisierer, in dem ein strömendes Edelgas, vorzugsweise Xenon-129 oder Helium-3, in wesentlich größeren Mengen hyperpolarisiert werden kann als es in der Vergangenheit möglich war. Dieser Hyperpolarisierer enthält eine Einrichtung für die Hyperpolarisierung eines Edelgasstroms auf kontinuierliche oder diskontinuierliche Weise. Beispielsweise kann man das Edelgas kontinuierlich durch die Polarisierungskammer des Hyperpolarisierers strömen lassen, so daß die Durchflußrate erlaubt, daß ein erheblicher Teil der Kerne während ihres Durchtritts durch die Polarisierungskammer hyperpolarisiert werden. Dieser kontinuierliche Strömungsansatz eignet sich besonders gut für ein Edelgas mit einer relativ kurzen Polarisierungszeit, beispielsweise ¹²⁹Xe. Alternativ dazu kann der Edelgasstrom isoliert oder vorübergehend unterbrochen werden, um eine Hyperpolarisierung von einzelnen Volumina des Edelgases zu ermöglichen. In diesem halb-kontinuierlichen Modus wird eine bestimmte Menge oder ein bestimmtes Volumen des Edelgases in der Polarisierungskammer hyperpolarisiert, und danach wird der Strom wieder aufgenommen, um eine Einzelmenge oder einen Einzelpuls des Edelgases zu liefern. Es können auch aufeinanderfolgende Volumina der strömenden Gases so behandelt werden, daß episodische oder periodische Pulse an hyperpolarisiertem Edelgas erzeugt werden. Helium-3 hat eine relativ lange Polarisierungszeit, d. h. bis zu mehreren Stunden, und wird vorzugsweise mit diesem episodischen Strömungsansatz polarisiert.
In dieser Vorrichtung ermöglicht die Polarisierungskammer einen entweder kontinuierlichen oder halb-kontinuierlichen Durchfluß des Edelgases. Somit wird die Erzeugung von relativ großen Mengen an hyperpolarisiertem Edelgas nicht durch die Not wendigkeit, für jede einzelne Polarisierung neue Hyperpolarisierungszellen herzustellen, behindert oder anderweitig beschränkt.
In einer anderen Ausführungsform weist die Hyperpolarisierungsvorrichtung der Erfindung außerdem eine Einrichtung für die kontinuierliche oder halb-kontinuierliche Ansammlung von hyperpolarisiertem ¹²⁹Xe auf. Dieses System ermöglicht es, daß hyperpolarisiertes Xenon aus der Polarisierungskammer durch einen Cryopumpen-Akkumulationsbehälter strömt und wirksam und selektiv als gefrorenes Xenon aufgefangen wird. Die Akkumulationseinrichtung macht es möglich, daß das in den Akkumulationsbehälter strömende Xenon sich an das zuvor abgeschiedenen Xenon anlagert, wodurch die Akkumulation von Xenoneis ermöglicht wird. Da die feste Form des hyperpolarisierten ¹²⁹Xe eine wesentlich längere Polaisierungsstandzeit aufweist als die Gasform, kann die Akkumulationseinrichtung als Aufbewahrungsvorrichtung dienen, wodurch die Akkumulation von erheblichen Mengen an hyperpolarisiertem Gas für die spätere Verwendung möglich ist.
Die Erfindung stellt ein Verfahren für die Hyperpolarisierung eines Edelgases nach Anspruch 1 bereit. Sie umfaßt weiter ein Verfahren für die Hyperpolarisierung eines Edelgases, in dem eine ¹²⁹Xe-Gasmischung hyperpolarisiert wird. Die Gasmischung enthält eine geringe Menge Xenon, eine geringe Menge Fluoreszenzquenchgas, wie Stickstoff oder Wasserstoff, und eine große Menge Puffergas. Es wurde nunmehr beobachtet, daß die Hyperpolarisierung von Xenon mit hohen Partialdrücken nicht so wirksam ist wie erhofft, d. h. Xenon, das unter hohem Druck steht, kann seine eigene Hyperpolarisierng dadurch behindern, daß es das Alkalimetall zu wirksam depolarisiert. Daher bestand bisher die notwendige Regel, daß die Hyperpolarisierng bei niedrigem Druck durchgeführt wird. Das neue erfindungsgemäße Verfahren für die Verbesserung der Wirksamkeit der Xenon-Hyperpolarisierung umfaßt jedoch die Verwendung eines Puffergases, um die Absorption der Laserenergie zu verbreitern, wodurch die Effizienz des Hyperpolarisierungsverfahrens verbessert wird. Das bevorzugte Puffergas ist Helium, obwohl auch Wasserstoff verwendet werden kann. Somit umfaßt die Erfindung die Verwendung eines Puffergases, bei dem es sich nicht um das Quench gas handelt, um das Problem zu lösen, daß bestimmte Quenchgase die Depolarisierung des Alkalimetalldampfs verursachen, wenn des Quenchgas unter hohem Druck steht. Somit enthält eine bevorzugte Gasmischung eine geringe Menge an ¹²⁹Xe, eine geringe Menge an Fluoreszenzquenchgas, und im übrigen Helium. Stärker bevorzugt umfaßt die Mischung etwa 0,1% bis etwa 5% ¹²⁹Xe, etwa 0,1% bis etwa 30% eines Quenchgases, wie Stickstoff oder Wasserstoff, und im übrigen Helium. Am stärksten bevorzugt umfaßt die Mischung etwa 1% ¹²⁹Xe, etwa 1% Stickstoff, und im übrigen Helium. Alternativ dazu kann die Mischung etwa 0,1% bis etwa 5% ¹²⁹Xe umfassen, wobei der Rest aus Wasserstoff besteht, wobei Wasserstoff eine Quench- und Druckverbreiterungswirkung hat.
Das Verfahren umfaßt vorzugsweise das Strömen lassen des Targetgases durch die Pumpkammer bei einer Geschwindigkeit, die eine durchschnittliche Verweildauer der Edelgasatome ergibt, die etwa der 0,5- bis etwa der 5-fachen Spinaustauschzeit τ_SE zwischen den Atomen des Alkalimetalls und des Edelgases entspricht.
Das Verfahren kann so durchgeführt werden, daß das Targetgas während der Hyperpolarisierung kontinuierlich durch die Pumpkammer strömt. Dieser Modus ist für Edelgase wie ¹²⁹Xe bevorzugt, die relativ kurze Polarisierungszeiten haben. Alternativ dazu kann das Verfahren das vorübergehende Unterbrechen (Reduzieren oder Anhalten) des Stroms beinhalten, um eine Einzelmenge an Targetgas in der Pumpkammer zu isolieren, wodurch die Hyperpolarisierung einer bestimmten Edelgasmenge möglich ist. Das Strömen des Gases wird wieder aufgenommen oder verstärkt, sobald die gewünschte Menge Edelgas im gewünschten Ausmaß hyperpolarisiert wurde. Edelgase wie ³He, die längere Polarisationszeiten haben, werden vorzugsweise anhand dieses Verfahrens polarisiert. Bei dem episodischen oder vereinzelten Ansatz wird dieses Verfahren vorzugsweise mindestens zweimal durchgeführt, um zwei oder mehr Einzelmengen an hyperpolarisiertem Edelgas zu liefern, wodurch eine Abgabe mit halbkontinuierlichem Durchsatz erhalten wird.
Das Verfahren der Erfindung beinhaltet die Hyperpolarisierung von Edelgas durch Spinaustausch mit Alkalimetallatomen. Ein bevorzugtes Alkalimetall ist Rubidium, was vorzugsweise Rubidium-85 und/oder Rubidium-87 einschließt. Es hat sich gezeigt, daß Rubidiumatome sowohl für die Polarisierung von ¹²⁹Xe als auch ³He geeignet sind. In anderen Anwendungen können jedoch Cäsium (für ¹²⁹Xe bevorzugt) oder Kalium (für ³He) erwünscht sein. Es können nach Bedarf auch andere Alkalimetalle verwendet werden.
Das Edelgas umfaßt vorzugsweise eine polarisierbare Menge an Edelgasisotopen mit Kernspin. Bevorzugte Edelgase umfassen Xenon, einschließlich von ¹²⁹Xe, und Helium, einschließlich von ³He. Nach Bedarf können auch andere Edelgase verwendet werden. Vorzugsweise ist das Isotop mit Non-Zero-Spin im Edelgas mindestens in seiner natürlichen Häufigkeit anwesend. Angereicherte Edelgase, d. h. solche, in denen das gewünschte Isotop wesentlich häufiger vorliegt als in der Natur, sind stärker bevorzugt. Insbesondere die natürliche Häufigkeit von Helium-3 in Helium ist zu niedrig (d. h. 10^–6), so daß eine Anreicherung notwendig ist. Geeignete Mengen an ³He (d. h. mindestens 10%, vorzugsweise mehr als 50% ³He) können durch Ernten von ³He, das durch den radioaktiven Zerfall von Tritium entsteht, erhalten werden, und Heliumgas, das bis zu 100% ³He enthält, ist im Handel erhältlich.
In einem bevorzugten Szenario enthält das Targetgas nicht nur Edelgas, sondern außerdem ein Quenchgas, das auch dazu dient, die Fluoreszenz der Alkalimetallatome während der Hyperpolarisierung zu unterdrücken. Bevorzugte Quenchgase schließen Stickstoffgas (N₂) und Wasserstoffgas (H₂) ein.
Ein besonders bevorzugtes Verfahren umfaßt die Verwendung eines Targetgases, worin das Edelgas ¹²⁹Xe einschließt. In diesem Fall beinhaltet das Targetgas ein Quenchgas ebenso wie ein Puffergas, das eine Druckverbreiterung des geeigneten optischen Absorptionsspektrums bewirkt, bei dem die Alkalimetallatome die Hyperpolarisierungsstrahlung absorbieren. Ein stark bevorzugtes Puffergas ist Helium, das im wesentlichen aus ⁴He besteht. Daher enthält ein geeignetes Targetgas gemäß dieser Aus führungsform eine geringe Menge an ¹²⁹Xe, eine geringe Menge an Stickstoff oder Wasserstoff als Quenchgas und eine größere Menge Helium. Stärker bevorzugt enthält das Targetgas etwa 1% bis etwa 5% ¹²⁹Xe, etwa 0,1% bis etwa 30% Quenchgas, wobei der Rest aus Helium besteht. Noch stärker bevorzugt umfaßt das Targetgas etwa 1% ¹²⁹Xe, etwa 1% Stickstoff und zu übrigen Teilen Helium. Somit umfaßt die Erfindung dreifach zusammengesetzte Targetgase, in denen das Quenchgas und das Puffergas verschieden sind. Jedoch können die Targetgase Wasserstoff sowohl als Quenchgas als auch als Puffergas enthalten, z. B. etwa 0,1% bis etwa 5% ¹²⁹Xe, wobei der Rest Wasserstoff ist.
In einer weiteren Ausführungsform beinhaltet das Hyperpolarisierungsverfahren außerdem die Akkumulation von hyperpolarisiertem Edelgas, das aus der Pumpkammer strömt. Im Fall von ³He kann eine große Menge ³He (bei oder über Atmosphärendruck) in einem Gas-Akkumulationsbehälter angesammelt werden. Im Fall von ¹²⁹Xe weist die bevorzugte Akkumulationsvorrichtung einen Cryopumpen- Akkumulationsbehälter auf, der den Gasdurchfluß erlaubt, wobei das ¹²⁹Xe in gefrorener Form gesammelt wird, während die Akkumulation anderer Gase, beispielsweise Quench- und Puffergase, die anfänglich in der Targetgasmischung vorhanden sind, beschränkt wird.
Das Verfahren umfaßt das Strömen lassen der Edelgase unter hyperbaren oder supra-atmosphärischen Bedingungen. Vorzugsweise läßt man das Gas bei einem Druck von etwa 101325 Pa (1 Atmosphäre (atm)) bis etwa 3 039 750 Pa (30 atm) strömen. Ein derzeit bevorzugter Druck liegt bei etwa 1013 250 Pa (10 atm).
In einem besonders vorteilhaften Ansatz ist das Edelgas (oder Targetgas), das man durch die Pumpkammer strömen läßt, im wesentlichen frei von Verunreinigungen, die den Hyperpolarisierungsablauf stören können. Somit sollten Verunreinigungen, wie solche, die mit Alkalimetall reagieren können, und Verunreinigungen, die anderweitig bewirken würden, daß sich das Alkalimetall in der Festphase in der Pumpkammer ablagert, entfernt werden. Ebenso sollten insbesondere im Fall von ³He Verunreinigungen, die das Edelgas depolarisieren können, entfernt werden. Vorzugsweise entfernt das Reinigungsmittel (z. B. Getter) Verunreinigungen, wie Wasserdampf oder Sauerstoff, die während der Herstellung oder dem Mischen des Gases entstehen, vor der Durchführung einer Hyperpolarisierung.
Das Hyperpolarisierungsverfahren der Erfindung wird durch Erwärmen der Pumpkammer und ihres Inhalts während der Hyperpolarisierung verbessert, wodurch die Wirksamkeit des Verfahrens zunimmt. Darüber hinaus ist es wünschenswert, daß die verschiedenen Aspekte und Parameter des Verfahrens von einer zentralen Steuereinheit, die in der Regel einen Rechner umfaßt, überwacht und kontrolliert werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform stellt die Erfindung außerdem ein Verfahren für die Hyperpolarisierung von ¹²⁹Xe in einem Targetgas bereit. Das Targetgas umfaßt ¹²⁹Xe, ebenso wie ein Quenchgas, um die Fluoreszenz der Alkalimetallatome während der Hyperpolarisierung zu quenchen, und ein Puffergas für die Druckverbreiterung der optischen Absorptionsbande der Alkalimetallatome, und die Hyperpolarisierung wird unter Bedingungen durchgeführt, die ausreichen, um eine Hyperpolarisierung des ¹²⁹Xe durch Spinaustausch mit Alkalimetallatomen zu induzieren, um so hyperpolarisiertes ¹²⁹Xe bereitzustellen. Das Puffergas und das Quenchgas sind vorzugsweise verschieden. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Quenchgas um Stickstoff oder Wasserstoff. Das Puffergas ist vorzugsweise Helium oder Wasserstoff. Stärker bevorzugt umfaßt das Targetgas etwa 0,1% bis etwa 5% ¹²⁹Xe, etwa 0,1% bis etwa 30% Quenchgas, und zu übrigen Teilen Helium. Noch stärker bevorzugt umfaßt das Targetgas etwa 1% ¹²⁹Xe, etwa 1% Stickstoff und zu übrigen Teilen Helium.
Die Erfindung umfaßt eine Vorrichtung für die Hyperpolarisierung eines Edelgasstroms gemäß Anspruch 12.
Das Targetgas-Versorgungssystem umfaßt vorzugsweise einen Gasbehälter, der in der Lage ist, das Edelgas unter Druck zu halten, bevor man das Gas durch die Pumpkammer strömen läßt. Für diesen Zweck kann eine Hochdruck-Gaspatrone oder -Gasflasche oder eine andere derartige Vorrichtung verwendet werden. Darüber hinaus sollte das Versorgungssystem in der Lage sein, das Targetgas unter hyperbaren Bedingungen zu liefern. Die übrigen Teile des Targetgas-Versorgungssystems sind vorzugsweise verschlossen, um das Gas bei einem hyperbaren Druck von etwa 101325 Pa (1 atm) bis etwa 3 039 750 Pa (30 atm), stärker bevorzugt etwa 1013 250 Pa (10 atm) zu halten. Tatsächlich sollten sämtliche Teile der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die mit dem Gas in Berührung kommen, einschließlich der zur Pumpkammer gehörenden Leitungen und Ventile, in der Lage sein, hyperbare Gasdrücke, vorzugsweise von etwa 101325 Pa (1 atm) bis etwa 3 039 750 Pa (30 atm) auszuhalten. Das Targetgas-Versorgungssystem beinhaltet außerdem eine Einrichtung für die Entfernung von Verunreinigungen, beispielsweise solchen, die mit Alkalimetall reagieren, und von depolarisierenden Verunreinigungen aus dem Targetgasstrom, bevor das Gas durch die Pumpkammer strömt.
Die Pumpkammer in der Vorrichtung ist in der Lage, hyperpolarisiertes Edelgas, das aus der Pumpkammer strömt, aufzunehmen. Für ¹²⁹Xe umfaßt ein stark bevorzugtes Aufnahmereservoir einen Cryopumpen-Akkumulator, um ¹²⁹Xe in gefrorenem Zustand zu sammeln.
Die Vorrichtung ist so ausgelegt, daß sie während der Hyperpolarisierung einen kontinuierlichen Fluß des Targetgases durch die Pumpkammer zuläßt. Alternativ dazu kann die Vorrichtung auch mit Ventilen versehen sein, um eine Kontrolle der Durchflußrate zu ermöglichen, um so die Strömung zu reduzieren oder vorübergehend aufzuhalten, während die Strömung nach Wunsch wieder aufgenommen oder erhöht werden kann.
Die Vorrichtung sollte in der Lage sein, das Targetgas mit einer Geschwindigkeit durch die Pumpkammer zu liefern, die ausreicht, um eine durchschnittliche Verweildauer der Edelgasatome in der Pumpkammer bereitzustellen, die etwa dem 0,5- bis etwa dem 5-fachen, stärker bevorzugt etwa dem 1- bis etwa dem 3-fachen der Spinaustauschzeit τ_SE zwischen den Atomen des Alkalimetalls und denen des Edelgases entspricht.
Die Hyperpolarisierungseinrichtung der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfaßt vorzugsweise ein Lasersystem, das in der Lage ist, genügend Strahlung in die Pumpkammer abzugeben, um das Edelgas über den Spinaustausch mit Alkalimetallatomen, beispielsweise Rubidium-, Cäsium- oder Kaliumatomen, zu hyperpolarisieren. Obwohl herkömmliche Lasertypen mit der Erfindung kompatibel sind, wird für das Lasersystem vorzugsweise mindestens eine Laserdiodenanordnung verwendet. In einer bevorzugten erfindungsgemäßen Vorrichtung werden für das Lasersystem vorzugsweise zwei Laserquellen verwendet, die entlang einer einzigen optischen Achse einander gegenüber angeordnet sind, wobei die Pumpkammer in der Lage ist, die Strahlung von beiden Lasern aufzunehmen. Jede der zwei Laserquellen umfaßt vorzugsweise mindestens eine Laserdiodenanordnung. Zweidimensionale oder gestapelte Laserdiodenanordnungen sind bevorzugt und können eine erhebliche Ausgangsleistung an die Pumpkammer abgeben. Das Lasersystem jeder dieser Ausführungsformen umfaßt vorzugsweise Strahlenbündelungs-Einrichtungen, um die Strahlung, die aus dem Lasersystem tritt, zu bündeln. Solch eine Bündelungseinrichtung enthält vorzugsweise eine Fresnel-Linse.
Die Pumpkammer selbst sollte die hyperpolarisierende Strahlung aus der Lasergelle(n) eintreten lassen. Bevorzugte Bauweisen der Kammer schließen konische oder kegelstumpfe (frustokonische) Strukturen ein, obwohl in bestimmten Anordnungen auch eine zylindrische Zelle geeignet ist. Vorzugsweise ist die Kammer so ausgelegt, daß sie zusammen mit dem Lasersystem die Lichtabgabe in die Kammer und durch deren Inneres maximiert, um die Effizienz des Hyperpolarisierungsvorgangs zu maximieren.
Auch andere Vorrichtungen können mit Vorteil mit dem Laser und der Pumpkammer verbunden werden. Beispielsweise umfaßt die Vorrichtung vorzugsweise auch eine Heizeinrichtung, um die Pumpkammer während des Hyperpolarisierungsvorgangs zu erwärmen. Die Vorrichtung umfaßt außerdem vorzugsweise eine Einrichtung, um die Hyperpolarisierung in der Pumpkammer zu überwachen, beispielsweise durch NMR-Polarimetrie. Darüber hinaus umfaßt die Pumpkammer vorzugsweise ein Fluoreszenz-Beobachtungsfenster, ebenso wie eine Fluoreszenz-Überwachungseinrichtung, um die Fluoreszenz durch das Fluoreszenz-Beobachtungsfenster hindurch zu überwachen.
Darüber hinaus umfaßt die Vorrichtung in kontinuierlichen Durchflußsystemen vorzugsweise einen Alkalimetallverdampfer, um eine ausreichende Alkalimetall-Dampfdichte in dem strömenden Targetgas bereitzustellen, so daß ein hoher Wirkungsgrad des Hyperpolarisierungsverfahrens aufrechterhalten werden kann. Darüber hinaus ist die Pumpkammer vorzugsweise mit einer Alkalimetall-Refluxiereinrichtung ausgestattet, um den Alkalimetalldampf, der normalerweise zusammen mit dem strömenden Gas die Kammer im Anschluß an die Hyperpolarisierung verläßt, wiederzugewinnen. Der Verdampfer und die Refluxiereinrichtung können zusammen betrieben werden, um eine kontinuierliche Rückführung des Alkalimetalldampfs durch die Pumpkammer zu bewirken. In bevorzugten Fällen enthält die Vorrichtung eine Alkalimetallmenge, welche die Aufrechterhaltung einer ausreichenden Dichte des Alkalimetalldampfs während des Hyperpolarisierungsvorgangs ermöglicht.
In einer anderen Ausführungsform stellt die Erfindung eine Vorrichtung für die Hyperpolarisierung eines Edelgases bereit, welches ³He umfaßt, wobei die Vorrichtung folgendes enthält:

a) eine Hyperpolarisierungseinrichtung, welche folgendes enthält:
1) ein Lasersystem, das in der Lage ist, eine hyperpolarisierende Strahlung abzugeben, und
2) ein Rechnersystem, das die Steuerung und Überwachung eines Hyperpolarisierungsvorgangs ermöglicht; und
b) eine austauschbare Polarisierungseinheit, welche folgendes enthält.
1) ein Targetgas-Abgabesystem, um ein Targetgas einschließlich eines Edelgases, vorzugsweise ³He, bei hyperbarem Druck zu halten und abzugeben, und
2) eine Pumpkammer, die in Fluidverbindung mit dem Targetgas-Abgabesystem steht.

In dieser Ausführungsform ist die austauschbare Polarisierungseinheit so konstruiert, daß die Einheit so mit der Hyperpolarisierungseinrichtung verbunden und zu sammen mit dieser betrieben werden kann, daß die Pumpkammer so ausgerichtet wird, daß die Lichtenergie von der Laserquelle in die Pumpkammer übertragen werden kann, um das Edelgas zu hyperpolarisieren. Vorzugsweise ist die Vorrichtung in der Lage, eine Hyperpolarisierung mittels des Spinaustauschs zwischen Atomen des Edelgases und eines Alkalimetalls zu ermöglichen.
Eines der wünschenswerten Merkmale der Vorrichtung, welche eine austauschbare Polarisierungseinheit beinhaltet, besteht in der Möglichkeit, daß man eine bestimmte Targetgasmenge in die Pumpkammer strömen lassen, eine bestimmte Edelgasmenge hyperpolarisieren und die Polarisierungseinheit anschließend aus der Hyperpolarisierungseinrichtung entnehmen kann, um eine fließende Abgabe der gewünschten Gasmenge zu ermöglichen, z. B. an einen Probanden, der sich einer MRI unterzieht. Sofort kann eine weitere austauschbare Einheit in der Hyperpolarisierungseinrichtung installiert werden, um mit der fließenden Hyperpolarisierung einer weiteren Gasmenge zu beginnen. Dieser Betriebsmodus ist besonders für ³He wünschenswert, das ziemlich lange Polarisationszeiten erfordert.
In einer weiteren Ausführungsform stellt die Erfindung eine Vorrichtung für die Hyperpolarisierung eines strömenden Edelgases bereit, welches ³He einschließt, welche folgendes umfaßt:
eine abnehmbare Polarisierungseinheit, welche enthält:
eine Pumpkammer, die so ausgelegt ist, daß sie den Durchstrom eines Edelgases ermöglicht, und die für eine hyperpolarisierende Strahlung durchlässig ist, die einen Edelgasstrom hyperpolarisiert.
Die Polarisierungseinheit in dieser Ausführungsform ist so ausgelegt, daß sie mit einem Hyperpolarisierungssystem verbunden und betrieben werden kann, das ein Lasersystem enthält, welches in der Lage ist, eine hyperpolarisierende Strahlung in die Pumpkammer abzugeben, wenn diese mit der Polarisierungseinheit verbunden ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht die Spinaustausch-Hyperpolarisierung des Edelgases.
Diese Ausführungsform der Erfindung stellt weiter eine Vorrichtung bereit, in welcher die abnehmbare Polarisierungseinheit außerdem ein Targetgas-Abgabesystem umfaßt, das ein Targetgas halten und durch die Pumpe strömen lassen kann, welches das Edelgas, das hyperpolarisiert werden soll, enthält. Das Targetgas-Abgabesystem enthält solch ein Targetgas, das ein Edelgas enthält, welches hyperpolarisiert werden soll.
In dieser Ausführungsform kann die Pumpkammer außerdem eine Menge an Alkalimetall enthalten, die ausreicht, um während des Hyperpolarisierungsvorgangs den Alkalimetalldampf aufrechtzuerhalten.
Andere Merkmale der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die hierin an anderer Stelle beschrieben sind, können in diese Ausführungsform aufgenommen werden. Beispielsweise kann die Vorrichtung eine abnehmbare Polymerisierungseinheit enthalten, die auch ein Heizsystem für das Erwärmen der Pumpkammer enthält. Weiter kann das Target-Abgabesystem eine Targetgas-Reinigungseinrichtung enthalten, um Verunreinigungen, die mit Alkalimetall reagieren können, aus dem Targetgas zu entfernen, bevor man das Targetgas durch die Pumpkammer strömen läßt. Es können auch Alkalimetall-Verdampfereinrichtungen und Refluxiereinrichtungen enthalten sein.
Die Polarisierungseinheit, einschließlich der Elemente des Targetgas-Abgabesystems und der Polarisierungskammer, kann unter Bedingungen betrieben werden, unter denen das Targetgas unter hyperbarem Druck steht, z. B. von etwa 1013 25 Pa (1 atm) bis etwa 3 039 750 Pa (30 atm).
Die Erfindung stellt in einer weiteren Ausführungsform außerdem eine Vorrichtung für die Hyperpolarisierung eines ³He enthaltenden Edelgases bereit, welche enthält:
ein Hyperpolarisierungssystem, welches enthält:
ein Lasersystem für die Abgabe einer hyperpolarisierender Strahlung, die ausreicht, um die Hyperpolarisierung eines Edelgasstroms zu ermöglichen.
In dieser Ausführungsform ist das Hyperpolarisierungssystem so ausgelegt, daß es lösbar mit einer abnehmbaren Polarisierungseinheit verbunden und zusammen mit dieser betrieben werden kann, wobei diese eine wiederverwendbare Pumpkammer enthält, die so ausgelegt ist, daß sie den Durchfluß eines Edelgases ermöglicht und die Abgabe von hyperpolarisierender Strahlung in die Pumpkammer zuläßt, wenn diese mit der Polarisierungseinheit verbunden ist. Das Hyperpolarisierungssystem ermöglicht vorzugsweise die Spinaustausch-Hyperpolarisierung des Edelgases.
Das Hyperpolarisierungssystem umfaßt vorzugsweise außerdem ein Hyperpolarisierungs-Überwachungssystem, z. B. ein NMR-Polarimetriesystem, um den Status eines Hyperpolarisierungsvorgangs zu überwachen. Darüber hinaus kann das System ein Heizsystem für das Erwärmen der Pumpkammer der abnehmbaren Polarisierungseinheit enthalten, wenn diese damit verbunden ist.
Dieser Typ eines Hyperpolarisierungssystems kann außerdem ein Reservoir für die Akkumulierung eines strömenden hyperpolarisierten Edelgases enthalten. In diesem Fall ist die Akkumulationseinrichtung so ausgelegt, daß sie eine Fluidverbindung mit der Pumpkammer ermöglicht, wenn die abnehmbare Polarisierungseinheit mit dieser verbunden ist. Das Reservoir ermöglicht vorzugsweise den Durchfluß eines Targetgases. Im bevorzugten Fall mit ³He ermöglicht der Behälter die hyperbare Ansammlung des hyperpolarisierten ³He. Alternativ dazu kann hyperpolarisiertes ¹²⁹Xe in gefrorener Form über selektives Cryopumpen des hyperpolarisierten ¹²⁹Xe-Gases gesammelt werden.
In dieser Ausführungsform umfaßt das Lasersystem außerdem mindestens eine, vorzugsweise zwei Laserquellen. Wenn zwei Laserquellen vorgesehen sind, werden sie vorzugsweise entlang einer einzigen optischen Achse einander gegenüber angeordnet, so daß die hyperpolarisierende Strahlung aus entgegengesetzten Richtungen in die Pumpkammer abgegeben wird, wenn die Polarisierungseinheit mit dem Hyperpolarisierungssystem verbunden ist. Unabhängig davon, ob eine oder mehrere Laserquellen verwendet werden, enthält jede Laserquelle vorzugsweise mindestens eine Laserdioden anordnung. Wie bei den anderen erfindungsgemäßen Vorrichtungen werden die Laserdiodenanordnungen vorzugsweise gestapelt angeordnet, wenn zwei oder mehr davon verwendet werden.
Diese und andere Vorteile der Erfindung werden aus der detaillierten Beschreibung und den hierin ausgeführten Beispielen ersichtlich. Die detaillierte Beschreibung und die Beispiele sollen die Erfindung verständlicher machen, aber den Bereich der Erfindung nicht einschränken.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
Es wurden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung ausgewählt, um diese zu erläutern und zu beschreiben, sie sollen den Bereich der Erfindung jedoch in keiner Weise beschränken. Die bevorzugten Ausführungsformen bestimmter Aspekte der Erfindung sind in den begleitenden Figuren dargestellt, wobei:
1 ein Blockdiagramm ist, das den allgemeinen Aufbau einer erfindungsgemäßen Hyperpolarisierungseinrichtung zeigt;
2 ein Schema ist, welches eine erfindungsgemäße Durchfluß-Hyperpolarisierungs- und Akkumulationsvorrichtung zeigt;
3 ein Schema ist, welches eine kontinuierliche oder episodische Polarisierungszelle gemäß der Erfindung zeigt, einschließlich von bestimmten angeschlossenen Vorrichtungen;
4 das Schema einer erfindungsgemäßen Hyperpolarisierungseinheit ist, welches den Aufbau von erfindungsgemäßen Einzel- und Duallasersystemen zeigt;
5 die Darstellung eines erfindungsgemäßen transportablen Hyperpolarisierungssystems ist; und
6 das Schema einer erfindungsgemäßen abnehmbaren Polarisierungseinheit ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Allgemein ausgedrückt, zeigt 1 ein Blockschema eines erfindungsgemäßen integrierten Hyperpolarisierungssystems, das für die Erzeugung und Akkumulierung großer Mengen an strömendem hyperpolarisiertem Edelgas geeignet ist. In 1 ist eine Hyperpolarisierungseinheit dargestellt, die mehrere wichtige Untersysteme enthält, einschließlich eines MRI-Gasabgabe-Untersystems, durch das hindurch das strömende polarisierte Gas nach Bedarf für Bildgebungsuntersuchungen geliefert werden kann.
Die in dem Schema dargestellte Pumpkammer ist die Kammer, in der das optische Pumpen des Alkalimetalls und der Spinaustausch mit dem Edelgas stattfinden. Anfangs tritt unpolarisiertes Gas aus dem Hochreinheits-Gashandhabungs-Untersystem aus und gelangt in die Aufbewahrungskammer für das polarisierte Gas, wo das hyperpolarisierte Gas gesammelt wird.
Das Gashandhabungs-Untersystem stellt die angemessene Zufuhr von Gasen zur Polarisierungskammer bereit, während es die für den Hyperpolarisierungsablauf nötige Reinheit des Gases herstellt und/oder aufrechterhält.
Nachdem es in der Polarisierungskammer polarisiert worden ist, kann man das hyperpolarisierte Gas in die Aufbewahrungskammer für polarisiertes Gas strömen lassen, wo es bis zu seiner Verwendung gesammelt und aufbewahrt wird. Die Polarisierungskammer und die Aufbewahrungskammer für das polarisierte Gas müssen im allgemein sorgfältig vorbereitet werden, um die Gaspolarisation beizubehalten und können auch dazu dienen, das hyperpolarisierte Edelgas von einem inerten Puffergas zu trennen. Fall nötig, läßt man das hyperpolarisierte Gas aus dieser Kammer in das MRI-Zufuhr-Untersystem strömen.
Das in 1 dargestellte MRI-Zufuhr-Untersystem umfaßt sämtliche Ausrüstungen, die für die Atemgasabnahme von einem Probanden mit dem hyperpolarisierten Gas entweder aus der Aufbewahrungskammer für polarisiertes Gas oder direkt aus der Polarisierungskammer erforderlich ist. Dies kann Vorrichtungen und Systeme einschließen, die eine Reihe nützlicher Funktionen erfüllen, was vorzugsweise die Druckregulierung, die Virenfilterung (HEPA, usw.), das Mischen von Gasen, um Sauerstoff aufzunehmen, eine MR-kompatible Beatmungsmaske usw. einschließt. In der Regel wird die ausgeatmete Luft von der gleichen Maske gesammelt und in ein Untersystem für die Gasrückgewinnung geschickt. Nachdem es für einen Probanden verwendet wurde, wird das Gas von dem Untersystem für die Gasrückgewinnung gesammelt., so daß es für künftige Verwendungen zur Verfügung steht. Das gesammelte Gas kann in regelmäßigen Abständen an eine zentrale Aufbereitungsanlage für die Reinigung und/oder Sterilisierung zurückgeschickt werden.
Das in 1 dargestellte Polarimetrie-Untersystem überwacht den Polarisationsgrad des Gases in der Polarisierungskammer oder in der Gas-Aufbewahrungskammer.
1 zeigt auch, daß das Laser-Untersystem die nötigen Photonen (die hyperpolarisierende Strahlung) für das optische Pumpverfahren liefert. Der Ausgangsstrahl aus diesem System wird in die Polarisierungskammer gelenkt.
Bei dem Steuersystem handelt es sich um ein vereinheitlichtes Untersystem aus Computersoftware und Verkabelungen, das die unterschiedlichen Verfahren, die in den verschiedenen Untersystemen ablaufen, steuert und überwacht.
2 zeigt in etwas größerer Einzelheit ein erfindungsgemäßes integriertes Hyperpolarisierungssystem, das sich für die Erzeugung und Akkumulierung großer Mengen an strömendem hyperpolarisiertem Edelgas eignet.
In 2 hat eine Laserdiodenanordnung 1 eine Ausgangsleistung von etwa 100 W bis etwa 500 W auf und sendet eine Strahlung mit einer Wellenlänge λ aus, die für die Absorption durch Alkalimetallatome geeignet ist. Die Wellenlängenspreizung (spread) Δλ beträgt etwa 2 nm FWHM, mit einer linearen Polarisation von etwa 95% oder mehr. Aufgrund der großen Wellenlängenspreizung wird dieser Lasertyp hierin als "Breitbandlaser" bezeichnet. In einer alternativen Ausführungsform können zwei Laser verwendet werden, die von gegenüberliegenden Seiten der Pumpzelle 4 pumpen, wenn die Zelle 4 und das optische Diagnosesystem 10 entsprechend angepaßt werden.
Eine asphärische Fresnel-Linse 2 (typischerweise Kunststoff) lenkt den größten Teil des Lichts aus der Diodenlaseranordnung 1 in die optische Pumpzelle 4. Ein Bild der Diodenfläche entsteht unmittelbar hinter dem Ende der optischen Pumpzelle. Obwohl die Fresnel-Linse preiswert ist und gut für die derzeit zur Verfügung stehenden Diodenlaseranordnungen geeignet ist, könnten andere optische Einrichtungen für die Laser der Zukunft, die eine höhere intrinsische Helligkeit als die derzeit zur Verfügung stehenden haben werden, besser geeignet sein.
Das Viertelwellenlängen-Plättchen 3 wandelt das linear polarisierte Licht von der Diodenlaseranordnung in zirkulär polarisiertes Licht um. Wie dargestellt, ist ein Viertelwellenlängen-Plättchen aus Kunststoff unmittelbar hinter der Fresnel-Linse 2 angeordnet, wo der Laserstrahl sich so weit ausgebreitet hat, daß das Aufheizen der Linse und des Wellenlängen-Plättchens kein Problem darstellt. Das Licht vom Laser 1, das bereits in hohem Maße linear polarisiert ist, kann durch einen (nicht dargestellten) linearen Polarisierer geschickt werden, bevor es das Viertelwellenlängen-Plättchen 3 erreicht, falls die natürliche lineare Polarisation nicht ausreicht.
Es ist eine optische Pumpzelle 4 dargestellt, die mit gesättigtem Alkalimetalldampf, z. B. Rb oder Cs, und einer optimalen Gasmischung aus ¹²⁹Xe, N₂ und He ausgestattet ist, wie nachstehend in Verbindung mit dem Vormischungs-Gastank 11 beschrieben. Die Zelle 4 hat eine kegelstumpfe Form, um das konvergierende Licht von der Linse 2 aufzunehmen. Refluxiertes Alkalimetall aus dem Ausgangsrohr 6 fällt durch die Zelle zurück und sammelt sich im Verdampfer 5. Die Zelle und die angeschlossenen Leitungen müssen dem hohen Druck des vorgemischten Gases standhalten, in der Regel etwa 1 Atmosphäre bis etwa 30 Atmosphären. Ein hoher Gasdruck in der Zelle ist wichtig, um eine effiziente Absorption des Breitbandlichts von einem Diodenlaser zu ermöglichen.
Es wird ein Verdampfer 5 bereitgestellt, in diesem Fall der Pumpzelle 4 vorgeschaltet, um die strömende Gasmischung mit Alkalimetalldampf aufzuladen, bevor das Gas in die Zelle tritt. Der Verdampfer 5 kann aus zerknüllten Drähten aus Kupfer oder einem anderen nicht-magnetischen Metall oder einem gesinterten Metall bestehen, das bereits mit flüssigen Alkalimetallen getränkt ist (z. B. einem Metallschwamm). Der Verdampfer 5 wird mit einem flüssigen Alkalimetall getränkt und in ein Gefäß aus geeigneten Materialien und mit geeigneten Abmessungen gegeben, um eine vollständige Aufladung des Gases mit Dampf zu gewährleisten. Die Strömungsgeschwindigkeit des Gases, die Strecke, die es zurücklegt, und der Porendurchmesser des "Schwamms" werden so angepaßt, daß eine vollständige Sättigung des Gases mit Alkalimetalldampf gewährleistet ist, bevor es in die optische Pumpzelle gelangt. Der Verdampfer löst die Probleme der geringen Oberfläche der Alkalimetalltröpfchen in der optischen Pumpzelle, die häufig dazu führen, daß das Gas in der optischen Pumpzelle nicht vollständig mit Dampf gesättigt wird.
Es sei darauf hingewiesen, daß auch andere Mittel angewendet werden können, um das Edelgas mit Alkalimetalldampf aufzuladen. Beispielsweise kann eine Mischkammer verwendet werden, die eine Einrichtung für die Bereitstellung von Alkalimetalldampf an eine relativ statische Gasmenge vor der Infusion in die Polarisierungskammer aufweist. Solch ein Ansatz wäre in Systemen und für Verfahren von Vorteil, in denen der Strom moduliert oder unterbrochen wird.
Der in 2 dargestellte Verdampfer wird von dem der Schwerkraft folgenden Strom des kondensierten Alkalimetalls aus einem Rückfluß-Auslaßrohr 6 wiederaufgefüllt, der die Zelle im wesentlichen vertikal ausrichtet. Das Rückfluß-Auslaßrohr 6 bewirkt, daß der Alkalimetalldampf in dem Gas, das die Zelle verläßt, an den Wänden des Rohrs kondensiert. Die Abmessungen und die Strömungsgeschwindigkeit werden so eingestellt, daß sichergestellt ist, daß der größte Teil des Alkalimetalls kondensiert und der Schwerkraft folgend in die optische Pumpzelle zurücktropft und schließlich in den Verdampfer zurückkehrt. So wirken der Verdampfer und der Rückflußkühler zusammen als Alkalimetall-Rückführungssystem für die erfindunggemäßen Strömungshyperpolarisierer.
Ein Flureszenz-Überwachungsdetektor 7, der z. B. eine CCD (charge coupled device)-Kamera und geeignete Filter enthält, ist bereitgestellt, um die schwache, ungequenchte D₂-Fluoreszenz des optisch gepumpten Alkalimetalldampfs zu beobachten. Die Fluoreszenz-Überwachungsanordnung kann für die Verwendung mit zwei Lasern angepaßt werden, die von jeder Seite der Zelle aus pumpen.
Ein Isolierfenster 8 ist bereitgestellt, um zu ermöglichen, daß Pumplicht in den Ofen 9 und die optische Pumpzelle 4 gelangt. Dieses Fenster und andere lichtdurchlässige Oberflächen können mit einer antireflektierenden Beschichtung versehen sein. Ähnliche Fenster sind für den Fluoreszenzmonitor 7 und den optischen Vielkanalanalysierer (OMA) 10 bereitgestellt.
Der Ofen 9 ist so bereitgestellt, daß er die optische Pumpzelle bei einer Temperatur hält, die für die Absorption des größten Teils des nützlichen Lichts aus dem Diodenlaser geeignet ist. Typische Betriebstemperaturen für Rubidium liegen bei etwa 100°C bis etwa 200°C. Etwas niedrigere Temperaturen sind für Cäsium geeignet, daß sich leichter verflüchtigt. Der Ofen kann durch einen warmen Luftstrom oder durch interne, nicht-magnetische elektrische Heizeinrichtungen erwärmt werden.
Der optische Vielkanalanalysierer (OMA) 10 dient dem Messen des Absorptionswirkungsgrads für Licht von der Breitband-Laserdiodenanordnung. Eine andere OMA-Anordnung ist erforderlich, falls die Zelle von beiden Seiten gepumpt wird. OMA-Systeme, die für die Verwendung in der erfindungsgemäßen Vorrichtung geeignet sind, sind im Handel erhältlich.
Ein Hochdrucktank 11 ist enthalten, um ein vorgemischtes Targetgas bei einem Druck von mehreren hundert Atmosphären zu halten. Die bevorzugten Targetgas-Bestandteile, bezogen auf den Partialdruck, sind:

a. 0,1% bis etwa 5% ¹²⁹Xe (oder Xenon mit mindestens etwa natürlicher isotopischer Zusammensetzung) für die Hyperpolarisierung in der optischen Pumpzelle 4 und die Akkumulierung im Xenon-Akkumulator 17;
b. etwa 1% bis etwa 3% N₂, um die Fluoreszenz in der optischen Pumpzelle 4 zu quenchen. H₂ kann anstelle von N₂ bei etwas höheren Partialdrücken (z. B. etwa 1% bis etwa 30%) verwendet werden, um sich die im Vergleich zum N₂-Gas kleineren Spindepolarisierungs-Querschnitte der Alkalimetallatome im H₂-Gas zunutze zu machen;
c. der Rest des Gases ist Puffergas, vorzugsweise He, für die Druckverbreiterung der optischen Absorptionslinien der Alkalimetallatome in der optischen Pumpzelle 4. Der He-Gasdruck wird angepaßt, um sicherzustellen, daß er im Vergleich zum Xenon eine nur unbedeutende Spindepolarisierung bewirkt. Es können auch andere Gasmischungen verwendet werden, die dem Targetgas Quench- und Druckverbreiterungs-Eigenschaften verleihen.

Ein Druckregler 12 wird verwendet, um den sehr hohen Druck des vorgemischten Gases im Aufbewahrungstank 11 auf einen Druck zu senken, der sich für die optische Pumpzelle 4 eignet. Dieser liegt in der Regel bei etwa 10 bis etwa 30 Atmosphären, abhängig davon, welche Druckverbreiterung für den optimalen Einsatz des Breitband-Laserlichts erforderlich ist.
Ein Gasreiniger (Getter) 13 wird verwendet, um Spuren von Verunreinigungen, hauptsächlich Wasserdampf, aus dem vorgemischten Targetgasstrom zu entfernen.
Wie in 2 dargestellt, enthält der Akkumulationsbehälter 17 für das Sammeln von Xenon einen Gegenströmungs-Kältefalle – gekühlt von flüssigem Stickstoff oder einem anderen Cryomittel in einem Dewar-Gefäß. Für das Kühlen können auch Umlaufkühler verwendet werden. Solche Systeme wären in einer Vorrichtung, die für ³He bestimmt ist, nicht enthalten.
Ein Ablösepunkt 14 ermöglicht zusammen mit dem Ablösepunkt 20 die Abnahme des Akkumulationsreservoirs 17. Ein Ventil 14 isoliert die optische Pumpzelle 4 vom Ablösepunkt 15 und steuert den Strom dazwischen. Ein Ventil 16 dient dazu, das Akkumulationsreservoir 17 vom Ablösepunkt 15 zu isolieren.
Ein Dauermagnet 18 ist bereitgestellt, um im Akkumulationsreservoir dort, wo gefrorenes Xenon vorhanden ist, ein statisches Feld mit mehr als 500 Gauss (0,05 T) zu erzeugen. Ein so großes Feld ist geeignet, um möglichst lange Spingitter-Relaxationszeiten (z. B. etwa 3 Sunden bei Flüssigstickstoff-Temperaturen) zu erhalten. Für niedrigere Kondensationstemperaturen, bei denen sehr viel längere Spingitter-Relaxationszeiten erreichbar sind, sind größere Magnetfelder erforderlich. Der Magnet kann sich auch im Inneren der cryogenen Vorrichtung befinden und zusammen mit dem Xenon-Akkumulationsreservoir gekühlt werden.
Ein Ventil 19 wird verwendet, um den Xenonkühler 17 vom Ablösepunkt 20 zu isolieren, welcher zusammen mit dem Ablösepunkt 15 die Abnahme des Xenonkühlers 17 ermöglicht.
Ein Ventil 21 wird verwendet, um sublimiertes hyperpolarisiertes ¹²⁹Xe-Gas bei Atmosphärendruck in einen Transportbeutel 22 oder einen anderen Transportbehälter für hyperpolarisiertes ¹²⁹Xe-Gas für verschieden Zwecke abzulassen, z. B. für die MRI von Probanden, eine zerstörungsfreie Bewertung usw. Um das hyperpolarisierte ¹²⁹Xe-Gas bei anderen Drücken zu transportieren, können Behälter mit festen Wänden verwendet werden.
Ein Ventil 23 isoliert den Xenon-Akkumulator 17 während der Sublimierung des kondensierten Xenons und des Gastransfers in den Beutel oder anderen Behälter 22.
Eine Glas/Metall-Dichtung 24 ist bereitgestellt, wobei die Leitung an der Pumpenseite der Dichtung vorzugsweise aus Edelstahl oder einem anderen Metall besteht. An der Xenonkühler-Seite der Abdichtung besteht die Leitung aus Glas. Ähnliche Glas/Metall-Dichtungen an der Stromeingangsseite des Gasstroms und geeignete spannungsmindernde Federbälge sind nicht dargestellt, aber normalerweise bevorzugt.
Ein Druckmesser 25 wird verwendet, um den Druck während der Akkumulationsphase zu überwachen und zu steuern.
Eine Pumpe 27, die durch ein Ventil 26 isoliert ist, wird verwendet, um am Ende der Akkumulationsperiode etwaiges verbliebenes He und N₂ aus dem Xenonkühler 17 zu entfernen.
Ein Nadelventil 28 oder eine andere Durchfluß-Steuereinrichtung ist enthalten, die es ermöglicht, verbrauchtes He und N₂ in die Umgebung oder einen Sammelbehältr für die Wiedergewinnung abzulassen. Dieses Ventil 28 steuert die Strömungsgeschwindigkeit durch die optische Pumpzelle 4. Die Entlüftungsrate wird so eingestellt, daß die Erzeugung von hyperpolarisiertem ¹²⁹Xe gemäß den von uns entwickelten Prinzipien optimiert wird. Der Gasstrom wird von einem Strömungsmesser 29 überwacht.
Es ist eine Entlüftung 30 für verbrauchtes Puffergas (z. B. He) und Quenchgas (z. B. N₂ oder H₂) bereitgestellt, die in die Atmosphäre oder in einen Akkumulationsbehälter führt.
Eine Öffnung 31 ist enthalten, um die Gasleitungen durch die Entlüftung 24 hindurch mit sauberem Gas (z. B. Argon, Helium oder Stickstoff) zu spülen, nachdem der Tank für das vorgemischte Gas befestigt wurde. Die Entlüftung 33 erlaubt das Ablassen des Spülgases, das durch die Öffnung 31 eingeführt wurde.
Ein Befestigungspunkt 32 ist vorhanden, um die Gasvormischungs-Versorgungseinrichtung mit der optischen Pumpzelle zu verbinden. Ein Ventil 34 isoliert die optische Pumpzelle während des Spülens von der Gas-Zufuhrleitung.
Weiter ist eine kernmagnetische Resonanz-Spule (pick-up coil) vorhanden, um die ¹²⁹Xe-Polarisierung in der Pumpkammer zu überwachen, was für die Optimierung der Gas-Strömungsrate nützlich ist.
Ein Temperatursensor 36, z. B. ein resistiver Temperatursensor (resistive temperature device, RTD) wird verwendet, um die Ofentemperatur zu überwachen.
Ein statisches Magnetfeld 37 ist ebenfalls dargestellt. Die Quelle ist nicht gezeigt, aber wir haben mit Erfolg entweder Helmholtz-Spulen oder die Randfelder eines Magnetresonanzbildgebungs-Magneten oder eine Kombination davon verwendet.
Ein (nicht dargestelltes) Steuerungs-Untersystem sollte allgemein ein vereinheitliches Computer-Software- und Verkabelungs-Untersystem sein, das verwendet wird, um die unterschiedlichen Abläufe in den verschiedenen Untersystemen zu steuern und zu überwachen.
3 stellt einen Aufbau des Hyperpolarisierungssystems gemäß der Erfindung, einschließlich von zusätzlichen Details, die bestimmte Komponenten der Polarisierungskammer betreffen. Die Figur zeigt eine Polarisierungskammer (-zelle) 4, einen Ofen 9, der die Zelle 4 aufnimmt, und Heiz- und Steuervorrichtungen 4a–f, die notwendig sind, um den Ofen 4 bei der gewählten Temperatur zu halten.
Eine Ausführung der Polarisierungskammer ist in 3 dargestellt. Als Kammer, in welcher das optische Pumpen und der Spinaustausch stattfinden, muß sie eine Reihe von Anforderungen erfüllen. Beispielsweise muß die Pumpkammer eine geeignete Menge an polarisierbarem Gas in einer praktisch auslaufsicheren Umgebung aufnehmen. Der Gasdruck in der Kammer wird gemäß den Anforderungen der Vorrichtung gehalten, vorzugsweise wird er bei einem Druck von über Atmosphärendruck (hierin auch als "hyperbar" bezeichnet) bis zu etwa 30 atm und stärker bevorzugt von etwa 8 atm bis etwa 12 atm für eine Glaszelle gehalten. Der Gasdruck kann je nach Bedarf auch außerhalb dieses Bereichs (darüber oder darunter) liegen. Ein derzeit bevorzugter Druck ist etwa 10 atm, was die strukturellen Grenzen von Glas widerspiegelt, des Materials, das in der Regel am häufigsten für die Herstellung von Polarisierungskammern verwendet wird. In anders aufgebauten Polarisierungskammern könnten ein höherer Druck oder eine höhere Gasdichte verwendet werden.
Die Pumpkammer 4, die in 3 dargestellt ist, ist eine bevorzugte Ausführungsform mit zwei Lichtöffnungen oder Fenstern (4a und 4b), um die hyperpolarisierende Strahlung (Pfeile 41 und 42) von zwei Lasern (nicht dargestellt), die so angeordnet sind, daß sie entlang der gleichen Achse, aber von gegenüberliegenden Seiten aus strahlen, in die Zelle einzulassen. Unabhängig davon, ob nur eine Lichtöffnung verwendet wird oder mehr als eine, sind die Öffnungen bevorzugt für Licht bei oder in der Nähe der Wellenlänge der Übergangslinie für das optische Pumpen des verwendeten Alkalimetalls (d. h. "der hyperpolarisierenden Strahlung") durchlässig. Beispielsweise liegt die Wellenlänge des D₁-Übergangs von Rubidium bei 794,7 nm, und die Lichtöffnungen, die sich für die Verwendung mit Rubidium eignen, sollten zumindest weitgehend für Licht dieser Wellenlänge durchlässig sein. Es werden auch andere Alkalimetalle hyperpolarisiert, für die andere Wellenlängen erforderlich sind, und die Lichtöffnungen sollten für die geeignete Wellenlänge durchlässig sein. Eine Optimierung der Pumpleistung würde erfordern, daß die Lichtöffnungen so durchlässig wie möglich für Licht der erforderlichen Wellenlänge sind, d. h. die Absorption der hyperpolarisierenden Strahlung sollte minimiert werden. Sie könnten mit einer antireflektierenden Beschichtung versehen werden, um die Lichtdurchlässigkeit zu maximieren.
Die volumengemittelte Relaxationszeit der Kernpolarisation eines Gases in der Pumpkammer muß relativ zur Geschwindigkeit des Spinaustauschs zwischen dem Alkalimetallatom und dem Edelgaskern genügend lang sein, damit der erwünschte Polarisationsgrad in der Zelle erreicht werden kann. Die Materialien und das Design der Polarisierungskammer müssen daher sorgfältig ausgewählt werden. Beispielsweise sollte die Pumpkammer chemisch mit Alkalimetallen kompatibel sein, vorzugsweise sollte sie bei Temperaturen, die sich für das optische Pumpen eignen (z. B. bis zu 200°C oder mehr) mit Alkalimetallen kompatibel sein. Wenn ein NMR-Polarimetriesystem verwendet wird, um den Hyperpolarisierungsablauf zu überwachen, ist es außerdem bevorzugt, daß die Wände der Pumpkammer das für die Polarimetrie erforderlichen RF-Feld nicht nennenswert stören.
Die spezielle Ausführung der Pumpkammer hängt von der Art des Gases ab, das polarisiert wird. Wie oben angegeben, können Polarisierungskammern, die sich für die Erfindung eignen, aus Glas bestehen. Das Glas sollte gegenüber dem bzw. den im Spinaustauschverfahren verwendeten Alkalimetall(en) beständig sein. Für ³He besteht die Pumpkammer außerdem vorzugsweise aus Glas mit einer begrenzten Durchlässigkeit für Helium. Stärker bevorzugt weist das Glas eine Heliumdurchlässigkeit auf, die unter der von Corning 7704 (Pyrex^®) liegt. Beispiele für solche Gläser sind Aluminosilicat-Gläser (wie Corning 1720) oder metallabdichtende Borosilicatgläser (wie Corning 7052 oder Schott 8502). Für ¹²⁹Xe besteht andererseits nicht die zwingende Notwendigkeit für eine begrenzte Durchlässigkeit, da Xenon ein wesentlich größeres Atom ist, und Durchlässigkeit kein besonderes Problem darstellt. Ein weiteres geeignetes Glas ist Glas, das so gefertigt wurde, daß es im wesentlichen eisenfrei ist. Für den Einsatz bei niedrigeren Temperaturen kann Standard-Borosilicat-Laborglas, z. B. Pyrex^®, Duran^®, verwendet werden.
Die Pumpkammer ist vorzugsweise konisch oder kegelstumpf (frustokonisch) geformt, um ein Gasvolumen bereitzustellen, das im wesentlichen mit dem konvergierenden Strahl der Hyperpolarisierungsstrahlung konform ist. Durch Bündeln (Konvergieren) der Laserstrahlung in einer Zelle mit abnehmendem Durchmesser entlang der optischen Achse wird die Lichtintensität in Regionen der Zelle, die distal zum Laser liegen, effizient erhöht, um die Abnahme der Intensität, die aufgrund der Absorption des Lichts in den proximalen Regionen stattfindet, zumindest teilweise auszugleichen. Trotzdem können in manchen Ausführungsformen zylindrische Pumpzellen erwünscht sein. Sanduhrförmige Zellen (d. h. Zellen, die zwei Kegeln gleichen, die sich mit aufeinanderliegenden Spitzen gegenüber liegen) können erwünscht sein, um die Wirksamkeit von einander gegenüber liegenden Lasersystemen umzusetzen und zu maximieren.
Derzeit werden die Pumpzellen aus Glas hergestellt. Es können auch anders gestaltete Pumpkammern, die mit höherem Druck betrieben werden können, verwendet werden. Zellen mit Drücken von über 10 Atmosphären können leicht unter Verwendung von Metallwänden und -rohren mit geeigneten optischen Fenstern, die das Licht einlassen, hergestellt werden. Man kann auch optische Glas-Pumpzellen bauen, die in einer externen Zelle mit geeigneten Fenstern von einem Hochdruckgas oder einer transparenten Flüssigkeit (z. B. einem Pumpöl) umgeben sind. Dann wird der Druckunterschied durch die Innen-Zellwände minimiert, und es besteht nicht die Gefahr eines Brechens.
Bisher stand das Hyperpolarisierungsgas in verschlossenen Zellen über längere Zeit mit den Wänden der Zelle in Berührung, wodurch das Gas in großem Umfang die Gelegenheit hatte, durch die Wechselwirkung mit Eisen und anderen paramagnetischen Verunreinigungen zu relaxieren. Ein Vorteil des kontinuierlichen oder halbkontinuierlichen Hyperpolarisierungssystems der Erfindung besteht jedoch darin, daß das hyperpolarisierte Edelgas nicht über längere Zeit mit Glas in Kontakt bleiben muß. Wir haben gefunden daß aufgrund dieses Merkmals die Notwendigkeit zum Entfernen von paramagnetischen Verunreinigungen im Glas verringert ist, was die Verwendung von weniger teuren Materialien möglich macht.
Weiter ist es erwünscht, daß die Pumpkammer 4 separate, wiederverschließbare Ein- und Auslaßöffnungen hat, beispielsweise O-Ringventile, die es möglich machen, das hyperpolarisierte Gas kontinuierlich oder episodisch zu entnehmen und zu ersetzen. Es können beliebige Gasöffnungen verwendet werden, solange sie sich für die Durchflußsteuerung eignen. Die Kammer 4 kann eine einzige Gasöffnung aufweisen, durch welche Gas episodisch in und aus der Zelle strömt. Damit das Gas kontinuierlich strömen kann, sind jedoch zwei Gasöffnungen erforderlich. Solch eine Anordnung ist in 3 dargestellt, die eine Einlaßöffnung 43 und eine Auslaßöffnung 44 zeigt. Die übrigen Teile des Gashandhabungs- bzw. -leitungssystems sind in dieser Figur nicht dargestellt.
Die wiederverschließbaren Gasöffnungen weisen Ventileinrichtungen auf, um den Gasstrom zu steuern. In der Regel haben diese Ventile Pyrex^®-Glaskörper und -schäfte und sind mit flexiblen und elastischen Dichtungen versehen, die auch gegenüber Alkalimetallen beständig sind. Bei diesen Dichtungen handelt es sich in der Regel um O-Ringe, und sie können aus verschiedenen polymeren Materialien bestehen. Ein bevorzugtes Material für O-Ringe, das sich als praktisch unempfindlich gegenüber Alkali erwiesen hat, ist ein Copolymer aus Ethylen und Propylen. Andere geeignete Polymere können Siliciumpolymere einschließen. Fluorelastomere, wie Viton^TM, Teflon^® usw. sind relativ wenig alkalibeständig, und daher weniger bevorzugt, obwohl sie sich für kurzzeitige Verwendungen eignen. Die Alkalibeständigkeit der O-Ringe ist eine wichtige Eigenschaft, da es zu einer Oxidation der Pumpkammer kommen kann, falls Sauerstoff durch defekte O-Ringe in die Kammer gelangt.
Die Ventile in einer Vorrichtung mit wiederverschließbaren Gaseinlässen und -auslässen sind durch Leitungen vom Hauptkörper der Pumpkammer getrennt, vorzugsweise durch Röhren aus Glas, das demjenigen ähnelt, das für die Polarisierungskammer verwendet wird. Siehe Leitungen 43 und 44 in 3. Diese Röhren ermöglichen die thermische Trennung der wärmeempfindlichen O-Ringmaterialien vom Hauptkörper der Zelle und dem Ofen, der die Zelle umgibt, die während des Polarisierungsablaufs häufig über den Grenzwert für den O-Ring hinaus erhitzt werden. Die Röhren dienen auch dazu, die Netto-Polarisationsrelaxation aufgrund der Wechselwirkung des hyperpolarisierten Edelgases mit dem Ventilkörper zu begrenzen. Man nimmt an, daß dies mit der Verwendung von hohen Gas-Betriebsdrücken zusammenhängt, bei denen die abwärts gerichtete Druckdiffusion in den Röhren im Vergleich zur Depolarisations-Zeitkonstante des Hauptvolumens (die vom Verhältnis des Röhrenvolumens zum Gesamtvolumen abhängt) langsam ist. Weiter begrenzen Kapillarröhren den Grad, bis zu dem das hyperpolarisierte Gas, insbesondere ³He, mit den Ventildichtungen in Kontakt kommt (in diese diffundiert) und depolarisiert wird. Ventile, die aus Nicht-Eisenmetallen gestaltet sind, können ebenfalls verwendet werden.
Wir haben gefunden, daß die Pumpzelle eine längere ³He-Polarisierungsstandzeit hat, wenn die Grund-Glasröhre während der Herstellung der Zelle ganz umgeblasen wird. Umblasen heißt, daß während der Herstellung jede Innenfläche zum Schmelzen gebracht und neu geformt wird. Eine saure Spülung mit einer starken Säure, beispielsweise HNO₃ oder HCl, kann ebenfalls verwendet werden, um die Polaisierungsstandzeit zu verbessern, ist aber alleine nicht so wirksam wie das Umblasen.
Wenn die Innenflächen des Glases ausreichend sauber sind und die Kammer gemäß den hierin beschriebenen Verfahren hergestellt wurde, kommt es innerhalb des zeitlichen Rahmen des Spinaustauschverfahrens zu keiner nennenswerten Relaxation der Edelgaspolarisation. Eine ausführliche Beschreibung dieser Verfahren findet sich in Middleton, H. L., The Spin Structure of the Neutron Determined Using a Polarized ³He Target, Ph. D. Dissertation, Kapitel 5, Princeton University (1994). Diese Beschreibung ist hierin durch Bezugnahme aufgenommen. Kurz gesagt werden die inneren Zellwände gereinigt, indem man sie auf bis zu 500°C erhitzt, entweder während die Zelle unter Vakuum steht oder während sie mit einem reinem Puffergas gespült wird. Eine Radiofrequenz (RF)-Entladung kann ebenfalls im Inneren der Zelle durchgeführt werden, um das Ablösen von Verunreinigungen von der Oberfläche zu unterstützen. Nachdem sie gereinigt wurden, werden die Zellen nicht der Atmosphäre ausgesetzt, sondern entweder unter Vakuum oder mit dem reinen Spülgas gefüllt gehalten, bis das Alkalimetall und das Edelgas eingeführt werden. Da das Alkalimetall typischerweise durch Erwärmen eines Metallreservoirs in die Zelle getrieben wird, müssen sämtliche Gas/Vakuum-Verbindungsleitungen zwischen der Zelle und dem Reservoir beständig gegen Alkalimetall sein und von flüchtigen absorbierten Spezies gereinigt werden, und zwar auf ähnliche Weise wie im Zellreinigungsverfahren. Nachdem das Alkalimetall in die Zelle geladen wurde, wird die gewünschte Menge Targetgas eingeführt, und die Zelle wird verschlossen, wonach sie bereit für die Polarisierung ist.
Andere Verbesserungen bezüglich der Reduzierung der Gasdepolarisation können mit Vorteil in die Vorrichtung der Erfindung aufgenommen werden. Beispielsweise können Metallfilmbeschichtungen (Gold, Alkalimetalle usw.) die Polaisierungsstand zeiten verbessern und den Aufwand für das Reinigen und Herstellen der Zellen verringern. Wie haben beispielsweise gefunden, daß Gold keinerlei nennenswerte Relaxation der Kernpolarisation induziert und somit als gutes Wandbeschichtungsmaterial dienen kann. Polymere Beschichtungen, wie diejenigen, die in der US-Patentanmeldung Serial No. 08/478,276, eingereicht am 7. Juni 1995, beschrieben sind, können mit Vorteil verwendet werden.
Ein weiteres Verfahren zur Verbesserung des Reinigungsverfahrens umfaßt die Verwendung einer Niederdruck-Gasspülung zusammen mit einer RF-Entladung.
Ein drittes alternatives Verfahren umfaßt die Herstellung der Zellen aus spanbaren Nicht-Eisenmetallen, um hohe Gasdrücke zu ermöglichen. Solch eine Innenfläche kann eine Beschichtung mit einem geeigneten Metall- oder Polymerfilm erfordern. Darüber hinaus müßten dann Laseröffnungen hinzugefügt werden, um den Eintritt des Laserlichts in die Zelle zu ermöglichen. Da die für die NMR-Polarimetrie verwendete Radiofrequenz nur einige zehn kHz hat, müßte die Metallschichtstärke/-dicke so sein, daß die Metallwände die NMR nicht stören. Alternativ dazu kann die Polarimetrie weggelassen, in einer separaten Aufbewahrungskammer durchgeführt oder optisch bewerkstelligt werden, und zwar durch Messen der Frequenzverschiebung der Alkali-EPR-Frequenz aufgrund des Vorhandenseins von polarisiertem ³He.
Ein vierter Ansatz bestünde darin, die Zellen mit einer Alkalimetallampulle auszustatten, die eine mechanische Dichtung aufweist, welche nach dem Reinigen der Zelle geöffnet werden könnte. Beispielsweise könnte ein dünnes Glasfenster von einem Glaskügelchen oder durch den Edelgasdruck zerbrochen werden, wenn die Zelle befüllt wird. Solch ein System würde den erforderlichen Umgang mit Alkalimetall während der Befüllung der Zelle reduzieren.
Eine weitere vorteilhafte Technik umfaßt die Herstellung der Aufbewahrungskammern für bereits polarisiertes Edelgas, die im wesentlichen identisch mit der der Polarisationskammer abläuft, abgesehen davon, daß die Anforderungen an die chemische Alkimetallbeständigkeit und an die Durchlässigkeit für den optischen Pumplaser niedriger sein können. Dies wirkt sich besonders auf die Akkumulationsresevoirs aus, die für die Erfindung geeignet sind. Wir haben unerwartet gefunden, daß aufgrund der wirksamen Unterdrückung der Relaxation des hyperpolarisierten ¹²⁹Xe im gefrorenen Zustand die Herstellungsqualität der Wände des Reservoirs weniger wichtig wird. Durch dieses Merkmal ist es somit möglich, die Qualitätsüberwachungsstandards zu erniedrigen, was gleichzeitig Kosten spart.
Wir haben gefunden, daß Alkalimetalldampf selbst bei mäßigen Gasströmen (10 bis 20 cm³/min) die Tendenz hat, aus einer Gasstrom-Polarisierungskammer zu verschwinden, falls nicht umfangreiche Vorkehrungen ergriffen werden. Dies hat bisher ein wesentliches Hindernis für die Entwicklung von wieder befüllbaren oder kontinuierlichen Durchflußzellen dargestellt. Wir haben beispielsweise beobachtet, daß die Rubidium-Absorptionsresonanz und die D₂-Resonanz unter ungünstigen Bedingungen völlig verschwinden können. Unsere Untersuchung liefert Hinweise darauf, daß die Hauptursache für den Rubidiumverlust in einem Gasstromsystem auf das Einfangen von Verunreinigungen (vermutlich H₂O und O₂) durch den Rubidiumdampf zurückzuführen ist. Geringe Mengen dieser Verunreinigungen im zugeführten Gas hätten normalerweise nur verschwindend geringe Auswirkungen auf das Rubidium in einer geschlossenen Zelle. Ein Gasstrom scheint jedoch eine ständig frische Zufuhr dieser mit Alkali reaktiven Verunreinigungen in die Polarisierungskammer zu bewirken, was zu einer anhaltenden und erheblichen Verringerung des zur Verfügung stehenden Alkalimetalldampfs führt. Unsere gegenwärtige Erklärung beruht auf unserer Entdeckung, daß dieser Rubidiumdampfverlust durch die Installation eines inline-Gasreinigers, beispielsweise eines der Stickstoffreiniger (Getter), die von Ultra Pure Systems erhältlich sind, im wesentlichen verhindert werden kann. Es hat sich gezeigt, daß diese Reiniger das Beschickungsgas ausreichend reinigen, so daß der Rubidiumdampfverlust in einem großen Bereich von Strömungsraten praktisch ausgeschaltet wird. Diese Reiniger sind in der Regel für die Reinigung von Stickstoff ausgelegt, aber sie kommen auch mit Edelgas ohne weiteres zurecht, und es hat sich gezeigt, daß sie sich ideal für die Reinigung beispielsweise einer He : Xe : N₂-Mischung eignen, die vorzugsweise für das Verfahren der Erfindung verwendet wird.
Zu einem weiteren, weniger bedeutenden Rubidiumverlust kommt es, weil Rubidium die Zelle verläßt, wenn Gas in die Zelle strömt. Wir haben dieses Problem auf mehrere Arten gelöst. Erstens kann der Rubidiumverlust dadurch begrenzt werden, daß sichergestellt wird, daß die Temperatur der Leitung, die von der Pumpzelle wegführt, ausreichend niedrig ist, um die Ablagerung des Rubidiums an den Leitungswänden zu gewährleisten. Raumtemperatur reicht im allgemeinen aus. Es wird kein zusätzliches Filter und keine zusätzliche Falle benötigt, obwohl eine Kältefalle für medizinische Zwecke verwendet werden kann, um sicherzustellen, daß das Rubidium vollständig entfernt wird. Zweitens und stärker bevorzugt kann eine Rückführungsvorrichtung verwendet werden. Beispielsweise kann ein Rückführungs-Auslaßrohr verwendet werden, um den Alkalimetalldampf zu kondensieren. Die Abmessungen des Rohrs und die Strömungsgeschwindigkeit des Gases können so angepaßt werden, daß sichergestellt ist, daß der größte Teil des Alkalimetalls kondensiert und aufgrund der Schwerkraft in die Pumpzelle zurücktropft. Demgemäß macht man sich in einer Auslaßleitung, die von der Pumpkammer in im wesentlich vertikaler Richtung wegführt, diesen Schwerkraftfluß zunutze. Dieser Aufbau ist in 2 dargestellt. In strömungsfreien Systemen, beispielsweise in den bisher üblicherweise verwendeten verschlossenen Zellen, ist solch eine Rückführung natürlich überflüssig, da das Alkalimetall aus den verschlossenen Zellen nicht entweichen kann.
Trotz dieser Vorkehrungen wird das Alkalimetall in der Pumpkammer schließlich oxidiert oder verbraucht sein. In diesem Fall können die Pumpkammem selbst leicht recycelt werden. Das derzeit gebräuchliche Verfahren besteht im Spülen der Kammer mit warmem Wasser und anschließendem Trocknen in einem Ofen. Die Zelle kann dann erneut mit einem Beschichtungsmittel, wie Dimethyldichlorsilan, überzogen und wieder an einem Verteiler befestigt werden. Die Zelle kann dann über Nacht ausgebrannt werden, und evakuiert werden. Sie ist dann bereit für die erneute Installierung im Hyperpolarisierer. Die Zellen können auf diese Weise viele Male ohne wahrnehmbare Leistungseinbußen recycelt werden.
Wie oben kurz erwähnt, zeigt 3 auch den Ofen 9, der die Polarisierungskammer 4 aufnimmt. Der Ofen für die optische Pumpvorrichtung wird in einem Temperaturbereich betrieben, der durch den Verlust der Alkalimetalldampf-Polarisation bei zu hohen Temperaturen begrenzt wird. Das Maximieren der Temperatur ohne Abstriche bei der Rubidiumpolarisation maximiert die Spinaustauschrate, was eine schnellere Akkumulierung des polarisierten Edelgases erlaubt. Typischerweise liegt der Temperaturbereich für den Ofen bei etwa 80°C bis etwa 200°C. Eine bevorzugte Temperatur liegt im Bereich von etwa 105°C bis etwa 150°C. Beispielsweise liefert eine Temperatur von etwa 150°C eine RB/¹²⁹Xe-Spinaustauschzeit von etwa 22 s, und eine durchschnittliche Rubidiumpolarisierung von etwa 50%. Etwa 20– 0% des Laserlichts wird bei dieser Temperatur vom Rubidium absorbiert. Eine Temperatur von etwa 130°C kann bevorzugt sein, da das ¹²⁹Xe-NMR-Signal bei höheren Temperaturen steil abfällt. Bei 130°C ist die RB/¹²⁹Xe-Spinaustauschzeit etwa 65 s, etwa um den Faktor drei langsamer als die Zeit bei 150°C. Demgemäß müßten die Strömungsraten bei niedrigeren Temperaturen niedriger sein, was in einer geringeren Ausbeute von polarisiertem ¹²⁹Xe resultiert. Man hat auch gefunden, daß die laserinduzierte Erwärmung eine höhere (~20°C höhere) wirksame Zelltemperatur (und damit eine höhere Rubidiumzahldichte ([Rb])) bewirkt als vom Ofenthermometer angezeigt wird.
Durch Steuern der Gasströmungsrate und der Temperatur in der Polarisierungskammer können der Polarisationsgrad und das Gesamtvolumen des erzeugten hyperpolarisierten Gases angepaßt werden. Für eine bestimmte zur Verfügung stehende Laserleistung und -bandbreite wird die Temperatur der Pumpkammer so hoch wie möglich eingestellt, ohne nennenswerte Abstriche bei der volumengemittelten Polarisation des Alkalimetalldampfs zu machen. Diese Optimierung bestimmt die Spinaustauschrate γ_SE, bei der die Polarisation auf das Edelgas übertragen wird. Die Strömungsrate wird dann vorzugsweise so eingestellt, daß ein Edelgasatom im Durchschnitt etwa 1 bis 3 Spinaustausch-Zeitkonstanten (1/γ_SE) in der Polarisierungskammer verbringt. Eine heißere Kammer resultiert in einem schnelleren Spinaustausch, wodurch höhere Strömungsraten des Gases möglich sind. Die Strömungseinstellungen können durch Vergleich des Edelgas-NMR-Signals gegen die Strömungsrate verifiziert werden. Falls die Strömung zu schnell ist, fällt das Edelgassignal ab, da die Probe keine Gelegenheit hat, vollständig zu polarisieren.
Der Ofen sollte so konstruiert sein, daß er die Erzeugung von Magnetfeldgradienten minimiert, die in der Lage sind, eine Kernrelaxation des Edelgases zu induzieren. Vorzugsweise ist der Ofen aus Materialien gestaltet, die keine ausreichend großen Gradienten erzeugen, um eine nennenswerte Kernrelaxation des Edelgases zu induzieren. Die Ofenmaterialien sollten auch bei Temperaturen von mindestens bis zu etwa 250°C ihre strukturelle Integrität weitgehend behalten. Hochtemperatur-Kunststoffe oder Aluminium sind geeignete Alternativen. Ferromagnetische Materialien, wie Stahl, erzeugen Magnetfeldgradienten, die das Edelgas schnell depolarisieren können, und sind als Werkstoffe daher weniger erwünscht. Eine Erörterung dieses Effekts kann in der Dissertation von Middleton gefunden werden, die hierin an anderer Stelle genannt wurde.
Wie oben mit Bezug auf 3 erwähnt, ist der dargestellte Ofen 9 mit zwei oder mehr Laserfenstern 8a und 8b versehen, die so angeordnet sind, daß sie den Ein- und Austritt von Laserlicht (Pfeile 41 und 42) in bzw. aus dem Ofen entlang der optischen Achse des Systems ermöglichen. (Die optische Achse wird als der Weg definiert, auf dem das Laserlicht verläuft, und umfaßt den Laser, die optischen Einrichtungen und die Zelle) Der Ofen ist vorzugsweise so ausgerichtet, daß die optische Achse mit der Richtung des angelegten magnetischen Felds, das für das optische Pumpen erforderlich ist, fluchtet. Vorzugsweise behindern die Ofenfenster 8a und 8b den Durchtritt des Laserlichts durch Reflexion und/oder Absorption kaum. Sie können auch mit einer Antireflexionsbeschichtung versehen sein, um die Lichtdurchlässigkeit zu maximieren.
3 zeigt weiter, daß der Ofen auch mit einem Fluoreszenz-Beobachtungsfenster 7d ausgestattet sein kann. Vorzugsweise ist das Beobachtungsfenster so ausge richtet, daß die Polarisierungskammer von einer Position aus, die im wesentlichen senkrecht zur optischen Achse ist, einsehbar ist. Dieses Fenster 7d ermöglicht die Beobachtung der D₂-Resonanzfluoreszenz, die aus dem optischen Pumpen eines Alkalimetalldampfs resultiert. 3 erläutert weiter eine Einrichtung zur Sichtbarmachung der Fluoreszenz. In der Regel umfaßt diese Einrichtung eine Videokamera 7a und einen Monitor 7c, der mit einem D₂-Filter 7b ausgestattet ist, um die Fluoreszenz zu beobachten. Das Bild kann für die Abstimmung der Laserwellenlänge verwendet werden, um die optimale Temperatur für das optische Pumpen einzustellen, und um den Laser auszurichten.
Der Ofen sollte mittels der Materialien und auf eine Weise geheizt werden, welche die gleichen Bedingungen erfüllen, die oben für die Minimierung des Magnetfeldgradienten beschrieben wurden. Wie in 3 gezeigt, wird in einer bevorzugten Ausführungsform Druckluft in der Leitung 45a über einen Heizfaden 45b geführt, der mehrere Fuß vom Ofen 9 entfernt ist. (Die Heizeinrichtung ist mit Abstand angeordnet, um die Feldgradienten zu minimieren, die von dem Strom erzeugt werden, der durch sie hindurchfließt). Die Warmluft strömt dann über den Einlaß 45c in den Ofen 9, um die gewünschte Temperatur zu erreichen. Eine Temperatur-Steuereinrichtung 45d betätigt die Heizeinrichtung aufgrund der Signale von einem Temperatursensor 45e im Inneren des Ofens. Warme Luft wird durch den Auslaß 45f abgeführt. Der Sensor 45e sollte nicht-ferromagnetisch sein, um die Erzeugung von Feldgradienten zu vermeiden. In einem alternativen Ansatz kann ein elektrischer Hochfrequenz-RF-Heizer verwendet werden, um die Kammer zu erwärmen. Die Verwendung einer solchen Hochfrequenz-RF-Leistung eliminiert von Natur aus Gradiententypen, welche die Polarisation stören könnten.
In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung bleibt die Ventilanordnung der Pumpkammer außerhalb des Ofens. Dies reduziert nicht nur die Beschädigung der temperaturempfindlichen O-Ringe, sondern begrenzt auch die Migration von potentiell gefährlichem Alkalimetall zum Ventil.
Das Gasleitungs- und -reinigungssystem kann zahlreiche Merkmale enthalten. Das System führt eine steuerbare Mischung von Gasen in die Polarisationskammer ein, während es gleichzeitig eine ausreichende Reinheit des Gasstroms gewährleistet, um eine nennenswerte Verschlechterung der Qualität der Polarisierungskammer zu verhindern. Die Qualität der Polarisierungskammer wird von der T, (Polarisierungsstandzeit) des in ihm befindlichen hyperpolarisierten Gases bestimmt. Bekanntermaßen wird die Qualität der Polarisierungskammer sowohl durch gasförmige Verunreinigungen als auch durch Verunreinigungen an den Wänden beeinträchtigt.
Das Polarisationsverfahren erfordert sowohl polarisierbares Edelgas (in der Regel irgendwo zwischen 0,1 atm bis einigen zehn atm) und eine geringe Menge (im allgemeinen 10 bis 100 Torr) Quenchgas (im allgemeinen Stickstoff, aber möglicherweise auch Wasserstoff oder andere). Das Quenchgas verbessert die Effizienz des optischen Pumpverfahrens. Für die Hyperpolarisierung von ¹²⁹Xe wird vorzugsweise auch eine große Menge Puffergas (im allgemeinen etwa 1 atm bis einige zehn atm) eingeschlossen, das dazu dient, die Alkalimetall-Absorptionslinie zu verbreitern und die Polarisierungseffizienz zu erhöhen. Siehe nachstehend mehr Einzelheiten bezüglich des Puffergases.
Ein Rohrsystem-Typ, der für das Targetgas-Handhabungssystem verwirklicht wird, enthält separate Kanäle für das Einführen der Niederdruck- (Stickstoff-) und Hochdruck-Gase. Auf diese Weise kann eine separate Niederdruck-Meßeinrichtung von den Hochdruckgasen isoliert werden, um zu verhindern, daß sie zerreißt. Man hat gefunden, daß nach Bedarf chemische oder cryogene Getter in den Gasströmungsleitungen installiert werden sollten, um die Reinheit des Gases zu erhöhen. Da verschiedene Verunreinigungen des Gases vorhanden sein können, wird der Umfang der zusätzlichen Reinigung aufgrund der Messungen der Verschlechterung der Polarisationskammer gegen entweder die Anzahl der Wiederbefüllungen (falls Einzelchargen verwendet werden) oder die Gesamt-Betriebszeit (fals ein kontinuierliches Durchflußsystem verwendet wird) eingerichtet. Es hat sich jedoch gezeigt, daß selbst hochreine Gase genügend Verunreinigungen, biespielsweise O₂ und H₂O, enthalten, um in einem relativ kurzen Strömungszeitraum oder nach nur wenigen Wiederbefüllungen eine erhebliche Verschlechterung der Zellen zu bewirken.
Mit einem Multi-Gashandhabungssystem geht das Befüllen der Zellen so vor sich wie im folgenden beschrieben, um Einzelchargen von polarisiertem Gas zu erhalten. Zuerst wird jegliches verbliebene inerie Puffergas in dem System mittels einer Grobvakuumpumpe entfernt. Zweitens wird die geringe Menge des benötigten Stickstoffs in die Polarisierungskammer eingeführt, und das Ventil des Niederdruck-Meßinstruments wird geschlossen. Dann werden das Gas, das polarisiert werden soll, und eventuell weitere Hochdruck-Puffergase eingeführt, und das Ventil der Polarisierungskammer wird verschlossen, sobald der gewünschte Druck erreicht ist.
Ein kontinuierlicher Strom in die Pumpkammer kann durch Einbringen von Dosierventilen in die verschiedenen Gasstromleitungen und die Verwendung eines Strömungsmessers an der Ablaßöffnung der Polarisierungskammer, um den Strom gegen den Druckgradienten zu kalibrieren und durch Einstellen des Dosierventils erreicht werden. Da nur eine geringe Stickstoffmenge erforderlich ist, kann es angesichts der viel höheren Strömungsraten der anderen Gase schwierig sein, dessen Strömungsrate einzustellen. Da Stickstoff die Fluoreszenz, die während des optischen Pumpens aus der Polarisierungskammer kommt, stark beeinflußt, kann dies durch die Kalibrierung des Stickstoffstroms gegen die Gesamtfluoreszenz, die während des optischen Pumpens aus der Kammer kommt, überwunden werden.
Obwohl der Multi-Gasbehandlungsansatz funktioniert und den Vorteil hat, daß er eine kontinuierliche Einstellung der Gasmenge ermöglicht, ist es stärker bevorzugt, vorgemischte Gase zu verwenden. In einer sehr stark bevorzugten Ausführungsform wird ein vorgemischtes Gas aus einem einzigen Reservoir direkt in die Polarisierungskammer geliefert, ohne daß eine Anpassung der jeweiligen Strömungsraten notwendig ist. Dies vereinfacht den Betrieb des Systems und macht das Polarisierungsverfahren besser reproduzierbar und konsistenter. Beispielsweise bleiben die Anteile der Gase an der Mischung im Lauf der Zeit und zwischen den einzelnen Hyperpolarisierungsvorgängen unverändert. Geeignete Gasmischungen werden hierin an anderer Stelle erörtert, und können über den Handel bezogen werden.
Selbstverständlich sollte aufgrund der Tatsache, daß die Hyperpolarisierungsvorrichtung der Erfindung die Hyperpolarisierung eines Edelgases auf kontinuierlicher Basis erlaubt, das Gasversorgungsystem vorzugsweise so ausgelegt sein, daß es leicht gesteuert werden kann und konsistente Gasmischungen in der Pumpkammer ermöglicht. In Systemen größeren Maßstabs kann ein Single-Gashandhabungssystem verwendet werden, um das Targetgas seriell oder gleichzeitig zwei oder mehren Polarisierungssystemen zuzuführen. Es können separate Steuereinrichtungen bereitgestellt werden, um die individuelle Steuerung des Gasstroms zu jeder der Pumpzellen zu gewährleisten.
In jedem Fall muß das Innere sämtlicher Gasrohrleitungen vor dem Befüllen einer Polarisierungskammer gereinigt werden. Dies verhindert, daß sich Verunreinigungen von den Innenflächen lösen und in die Polarisierungskammer getragen werden, wo sie deren Oberfläche beschädigen könnten. Dieses Reinigen kann durch mäßiges Erwärmen der Rohrleitungen auf etwa 100°C bei gleichzeitigem Reinigen der Leitungen mit einem geeigneten hochreinen, inerten Puffergas und/oder Evakuieren der Leitungen erreicht werden. Falls eine Kombination aus Reinigung und Evakuierung angewendet wird, können diese Verfahren kombiniert und hintereinander oder nacheinander durchgeführt werden.
Sobald das Gas in die Polarisierungskammer strömt und das Hyperpolarisieren begonnen hat, sollte der Ablauf überwacht werden. Genauer sollte der Zustand der Gasbestandteile in der Kammer bestimmt werden, während die Hyperpolarisierung voranschreitet. Die NMR-Polarimetrie ist ein bevorzugtes Verfahren für das Überwachen der Gaspolarisation in der Polarisierungskammer (-zelle). Das System ist vorzugsweise in der Lage, in angelegten Magnetfeldern der Größenordnung 10 G zu arbeiten, was NMR-Frequenzen von einigen zehn kHz für ¹²⁹Xe entspricht. Die Erzeugung eines NMR-Signals wird durch Plazieren einer Induktionsspule in der Nähe der Zelle erreicht. Die Spule ist Teil eines abgestimmten Stromkreises mit Resonanz in der Nähe der NMR- Frequenz. Aufgrund der niedrigen Frequenzen kann die Abstimmung in einer separaten Abstimmbox durchgeführt, werden, die sich in einiger Entfernung von der Spule befinden und mit einem Koaxialkabel mit ihr verbunden sein kann.
Das Polarimetrie-Untersystem funktioniert nach typischen NMR-Prinzipien. Es gibt zwei Stufen bei der Erzeugung eines NMR-Signals: Die Radiofrequenz (RF)-Anregung und die Signalerfassung. Ein einzelner RF-Puls wird bei oder nahe der Larmor-Frequenz zur Spule geschickt, um einen kleinen Teil der Spins anzuregen, die anschließend etwa um das angelegte Magnetfeld präzessieren. Die Präzession wird erfaßt, weil sie eine kleine Spannung in derselben Spule erzeugt. Die Signalspannung wird verstärkt, überlagert, gefiltert und für die Analyse und die Anzeige auf einem Rechner digitalisiert. Andere Stromkreiskomponenten dienen dazu, sowohl wichtige Erfassungskomponenten während der RF-Anregung abzuschalten (Stumm-Mischer (muting mixer)), als auch dazu, zu verhindern, daß entwichene RF während der Signalerfassung die Spule erreicht (Isoliermischer und Diodengatter).
Um die Polarisation effizient überwachen zu können, sollte die Signalgröße direkt proportional zur Polarisation des Gases sein. Dies wird ohne nennenswerte Depolarisierung der Probe erreicht, wenn man einen kleinen Anregungs- (Flip-) Winkel in Verbindung mit einer Oberflächenspule verwendet, die nur einen kleinen Teil der Kerne anregt. Obwohl das Verfahren zur Signalerzeugung die Polarisation effektiv zerstört, ist die Zahl der betroffenen Kerne im Vergleich zur Gesamtprobe zu vernachlässigen. Trotzdem erzeugt dieser kleine Teil der Spins in der Regel ein ausreichend starkes NMR-Signal, wenn das Gas hyperpolarisiert ist. Wenn die RF-Anregung reproduzierbar durchgeführt wird, ist das Signal, das in dieser kleinen Kernfraktion erzeugt wird, proportional zur Polarisation der Gesamtprobe. Das System ist so kalibriert, daß es einen absoluten Wert der Polarisation (0–100%) durch Vergleich der Signale des polarisierten Gases mit denen einer Wasserprobe von gleicher Geometrie ergibt, für die die Wärmegleichgewichts-Polarisation berechnet werden kann. Die Methode der gepulsten Niedrigfeld-NMR für die Durchführung einer Polarimetrie ist ein deutlicher Vorteil gegenüber dem Stand der Technik der Adiabatic Fast Passage (AFP), besonders seit der Wunsch nach der Polarisierung immer größerer Volumina wächst, da AFP eine starke RF-Anregung des gesamten Probenvolumens erfordert.
Als Alternative kann eine separate Auslaßküvette an der Polarisierungskammer befestigt werden, um die Akkumulierung einer Testprobe des polarisierten Gases zu ermöglichen. Die Küvette kann in einer AFP-Vorrichtung untersucht werden, die viel bessere NMR-Signale liefern kann als die gepulste NMR der Pumpkammer. Diese Vorrichtung kann so kalibriert werden, daß sie experimentelle Meßergebnisse der Gaspolarisation liefert, die dafür verwendet werden können, die Einstellung der Akkumulierungsparameter weiter zu verfeinern.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann das gesamte Hyperpolarisierungssystem von einem Desktop-Computer mit ein paar speziellen Leiterplatten aus betrieben werden. Eine dieser Platinen erzeugt die notwendigen Radiofrequenzpulse durch direkte digitale Signalsynthese (direct digital synthesis, DDS). Eine weitere erwünschte Platine ist ein Analog-zu-Digital-Wandler (ADC-Karte), der das Signal digitalisiert. Die letztgenannte Platine erzeugt auch die (TTL)-Torimpulse, welche die Stumm- und Isoliermischer schalten.
Das Laser-Untersystem der Hyperpolarisierungsvornchtung liefert die Photonen (die Hyperpolarisierungsstrahlung), die für das optische Pumpverfahren erforderlich sind. Vorzugsweise werden die Photonen von einer oder mehreren Laserdiodenanordnungen beliefert, die kontinuierliche Wellen- (cw-) Energie liefern. Es sind jedoch alle Lasersysteme akzeptabel, die ausreichend Energie an den D₁- oder D₂-Linien von Alkalimetallen liefern. Ein Betrieb bei den hierin beschriebenen hohen Drücken erfordert Laser, die in der Lage sind, mehr als 20 W und vorzugsweise mehr als 50 W Energie zu liefern. Herkömmliche Laser, die in der Lage sind, diese Energie zu liefern, sind in Erwerb und Betrieb unerschwinglich teuer. Darüber hinaus sind solche Laser sperrig und erfordern eine teure und mehr oder weniger dauerhafte Installation. Für transportable oder integrierte Hyperpolarisierungseinheiten sind diese Laser zu unhandlich. In solchen Ausführungsformen sind Laserdiodenanordnungen aufgrund ihrer Kompaktheit und ihres Wirkungsgrads immer stärker bevorzugt, ebenso aufgrund ihrer relativ niedrigen Anschaffungs- und Betriebskosten.
4 ist eine schematische Darstellung eines Laser-Untersystems, das für die Verwendung in der erfindungsgemäßen Vorrichtung geeignet ist. Der obere Teil von 4 zeigt eine optische Anordnung der Laserdiode(n), während der untere Teil der Figur die Schaltungskonfiguration zeigt. Die Anordnung der optischen Elemente, gezeigt im gestrichelten Rahmen, stellt eine von mehreren Möglichkeiten dar, eine Lichtemission zu erzeugen. Das Licht verläuft entlang der optischen Achse, im wesentlichen parallel zu einem angelegten magnetischen Feld, durch die Ofenfenster und in die Zelle. Die optischen Einrichtungen werden so angepaßt, daß sie das lichtabsorbierende Volumen in der Zelle maximieren. Wie oben angegeben, wird ein konvergierender oder gebündelter Strahl bevorzugt, zusammen mit einer konvergierenden Zellstruktur, um die Absorption der hyperpolarisierenden Strahlung entlang der Zellachse zu maximieren. Gegebenenfalls lenkt ein zweites ähnliches Laser- und Optikset das Licht entlang der gleichen optischen Achse in die Zelle, aber von der gegenüberliegenden Seite aus. Die Schaltungskonfiguration besteht aus einer Energiequelle und mehreren Stromkreiselementen, die für die Überwachung und den Schutz der Laserdiode(n) erforderlich sind.
Anders als herkömmliche Laser, die kohärentes Licht einer einzigen Wellenlänge aussenden (extrem schmales Profil), sind Diodenanordnungs-Laser Breitbandvorrichtungen, deren Emissionen eine gewisse Spektralbreite aufweisen, d. h. sie senden in der Regel Licht bei einer kontinuierlichen Wellenlängenbande aus. Normalerweise ist diese Spektralbreite ziemlich gering und erscheint als Verbreiterung um einige Hauptwellenlängen, wobei sie etwa nur 1–5 nm breit ist. GaAIAs-Diodenanordnungen mit geringerer Energie wurden für die Spinaustauschpolarisierung von ³He verwendet. Chupp et al., Phys. Rev. A 40(8): 4447–4454 (1989) beschreiben die Verwendung einer ungefähr 1 W-Diodenanordnung, und Cummings et al., Phys. Rev. A 51(6) 4842–4851 (1995), beschreiben eine 20 W-Diodenanordnung. Für das Verfahren und die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung ist die Leistung der Diodenanordnung vorzugsweise wesentlich größer, nämlich über etwa 50 W, und stärker bevorzugt über etwa 100 W.
Die Wahl der Laseremissions-Wellenlänge λ wird von der Wahl des für den Spinaustausch verwendeten Alkalimetalls bestimmt. Wie angemerkt, sollte der Laser bei etwa der D₁- (oder D₂)-Übergangslinie des gewünschten Alkalimetalls emittieren. Für Rubidium ist λ vorzugsweise etwa 795 nm, während λ für Cäsium vorzugsweise etwa 894 nm ist. So kann der Laser für Rubidium ein GaAIAs-Laser sein Die Verwendung von Cäsium anstelle von Rubidiummetall erlaubt jedoch aufgrund der längeren Resonanzwellenlänge für Cs die Verwendung von zuverlässigeren, aluminiumfreien Diodenlaseranordnungen (z. B. InGaAsP-Lasern), niedrigeren Betriebstemperaturen und 13% mehr Photonen pro Watt. Eine derzeit bevorzugte Laserdiodenanordnung (erhältlich von Opto Power, Tucson, Arizona) ist eine GaAIAs-Laserdiodenanordnung, die 10 Bar-Dioden in gestapelter Anordnung umfaßt, die etwa 125 W kontinuierliche Wellen- (cw)-Leistung entwickelt, auf eine Peak-Wellenlänge von 794,44 nm abgestimmt werden kann und eine Halbwertsbreite des vollen Spektrums (FWHM) von etwa 2 nm zeigt.
Sollten in Zukunft Laser mit schmaleren Bandbreiten mit herkömmlichen Anordnungen wettbewerbsfähig werden (Wirkungsgrad, Preis usw.), wäre ein weniger linienverbreiterndes Puffergas erforderlich als für die derzeit erhältlichen, oben genannten Laser. Dies würde die Verwendung von größeren Xenonanteilen in der Targetgasmischung ermöglichen, was wiederum die Ausbeute der Akkumulationsvorrichtung verbessern würde. Ein Betrieb bei niedrigeren Drücken würde auch einige technische Probleme bezüglich des Hyperpolarisierers lösen.
Ebenfalls anders als bei herkömmlichen Lasern sind Diodenlaser-Emissionen in der Regel stark divergent, was eine optische Korrektur erfordert, um das Licht im gewünschten Fokus zu konzentrieren. Die optischen Elemente, die in 4 dargestellt sind, schließen unter anderem eine Laserdiodenanordnung 51, eine oder mehrere (zylindrische oder asphärische) Linsen 52a–52d, einen polarisierenden Strahlteilerwürfel 53 und eine Viertelwellenplatte 54 ein. Die Linsen 52a–52d kollimieren und/oder bündeln das Laserlicht durch das Fenster 8a auf eine Strahlgröße, die im allge meinen den Abmessungen der Polarisierungszelle 4 im Ofen 9 entspricht. Abhängig vom Verwendungszweck reduzieren die optischen Einrichtungen zumindest wesentlich die Divergenz des Strahls, was den Strahl kollimiert oder stärker bevorzugt einen konvergenten Strahl erzeugt. Wir haben gefunden, daß zirkulär polarisiertes, konvergentes Licht mit Winkeln von so groß wie 30° von der Magnetfeldrichtung Alkalimetallatome wirksam spinpolarisieren kann. Die Linsen werden in zwei Gruppen unterteilt: jeweils eine Gruppe für das unabhängige horizontale (52a und 52c) und vertikale (52b und 52d) Bewegen und Bündeln des Lichts. 4 stellt ebenfalls indirekt ein bevorzugtes optionales Lasersystem dar, in dem ein zweiter Laser verwendet wird, um hyperpolarisierende Strahlung durch das Fenster 8b im Ofen 9 in die Zelle 4 zu lenken. Das optionale zweite Lasersystem ist vom gestrichelten Kasten II an der rechten Seite der Zeichnung dargestellt und sollte im Wesentlichen die gleichen Elemente enthalten, die im gestrichelten Kasten I an der linken Seite der Zeichnung enthalten sind.
Wir haben unerwartet gefunden, daß einfache asphärische Fresnel-Linsen verwendet werden können, um das Licht aus den Diodenanordnungen zu bündeln. Diese kostengünstigen Linsen helfen dabei, die Kosten für den Hyperpolarisierer gegenüber anderen Installationstypen zu senken, für die wesentlich teurere zylindrische Linsen verwendet werden. Es sind auch andere Lichtsammlungs-Anordnungen möglich, beispielsweise Mikrolinsen auf der Diodenanordnung, oder Kombinationen aus Spiegeln und Linsen.
Der Strahlteilerwürfel 53 teilt das einfallende Licht in zwei separate orthogonale lineare Polarisationen. Eine Polarisation wird bei 90 Grad zur optischen Achse reflektiert und von einer Wand (beam block, nicht dargestellt) absorbiert. Die andere Polarisation geht durch die Viertelwellenplatte 45 hindurch, welche das linear polarisierte Licht in das zirkulär polarisierte Licht. umwandelt, das für optisches Pumpen erforderlich ist.
Wie in 4 dargestellt, sind Laserdiodenanordnungen 51 jeweils auf einem Messing-Kühlblock 55 montiert, durch den Wasser über Kühlflüssigkeitsleitungen 57 und Ventile 58 und 59 in einen Wärmetauscher 56 und wieder hinaus strömt. Der Wärmetauscher 56 kann alles mögliche sein, von einem Recycling-Kühler mit sekundärem Wasserkreislauf bis zu einem einfachen Radiator, je nach Laserenergie. Wie ebenfalls in 4 dargestellt, kann in einer Multilaser-Anlage eine einzige Wärmetauschereinheit verwendet werden, um beide Laser zu versorgen, mit Ventilen oder separaten Heizeinheiten auf jeder Wasserleitungsgruppe, um die Temperatur für jeden Laser unabhängig zu steuern. Alternativ dazu kann jeder Laser einen eigenen Wärmetauscherhaben.
Die Laserdiodenanordnung wird von dem Stromkreis, der ebenfalls in 4 dargestellt ist, elektrisch angetrieben, oder durch einen anderen, diesem gleichwertigen Stromkreis. Die genaue Leistung der Energieversorgung 61 hängt von der Zahl der Laserdioden ab und davon, ob sie hintereinander oder parallel angeordnet sind. Bei einem einzelnen Laser kann die Energiezufuhr beispielsweise in einem Gleichstrom von etwa 20–40 V und etwa 20–40 A bestehen. Ein 200 Ohm-Shunt-Widerstand 62 reduziert die Stärke etwaiger Spannungsstöße aus einer Versorgungseinrichtung 61 (siehe ebenfalls 4). Ein 0,1 Ohm-Reihenwiderstand 63 und ein Gleichstrom-Spannungsmesser 64 werden verwendet, um den Strom durch die Laserdiode 65 zu überwachen. Eine parallel in Rückwärtsrichtung geschaltete Schottky-Diode 66 stellt einen Schutz gegen eine unabsichtlich falsch gepolte Verbindung der Laserdiode 65 dar. Mittels der Steuereinrichtungen der Energiezuführung 61 werden der Strom eingestellt und ein Stromgrenzwert gesetzt. Ein Thermoelement 67, das direkt auf den Kühlblock 55 montiert ist, überwacht dessen Temperatur. Falls diese Temperatur einen festgesetzten Wert überschreitet, löst ein Obergrenzen-Temperatursensor 68 einen manuellen Rückstellungs-Relaisschalter 69 aus und unterbricht die Energiezufuhr.
Ein Merkmal der Spinaustausch-Hyperpolarisierung von Helium ist die Tatsache, daß sie bei relativ hohen Gasdrücken durchgeführt werden kann, was mit Metastabilitäts-Austauschverfahren nicht möglich ist. Dies ist insofern ein Vorteil gegenüber dem Metastabilitäts-Austausch, als der Aufwand für die Dekomprimierung eines Gases wesentlich geringer ist als der für seine Komprimierung. Wie weiter oben angegeben, ist eine komplizierte Vorrichtung notwendig, um ³He, das mittels Metastabilitäts-Austausch erzeugt wurde, um etwa zwei Größenordnungen zu komprimieren, um geeignete Gasdrücke zu erzeugen (~101 325 Pa) (~1 atm).
Es ist bekannt, daß hyperpolarisiertes ³He mit hohen Polarisationen mittels eines Spinaustauschs bei hohen Drücken (10 kg/cm²) (~10 atm) hergestellt werden kann. Wir haben jedoch gefunden, daß dies nicht möglich ist, wenn hohe ¹²⁹Xe-Drücke verwendet werden. Insbesondere der Wirkungsgrad, mit dem Xenon Rubidiumdampf depolarisiert, ist überraschend hoch. Wir nehmen an,
Es ist bekannt, daß hyperpolarisiertes ³He mit hohen Polarisationen mittels eines Spinaustauschs bei hohen Drücken (~101 325 Pa) (~10 atm) hergestellt werden kann. Wir haben jedoch gefunden, daß dies nicht möglich ist, wenn hohe ¹²⁹Xe-Drücke verwendet werden. Insbesondere der Wirkungsgrad, mit dem Xenon Rubidiumdampf depolarisiert, ist überraschend hoch. Wir nehmen an, daß, läßt man den molekularen Beitrag außer acht, 10 132,5 Pa (0,1 atm) Xenon etwa die gleiche destruktive Wirkung haben wie 27 357 750 Pa (270 atm) Helium. Infolgedessen wird nun angenommen, daß Xenondrücke von über 1 atm eine sehr geringe Rubidiumpolarisation zur Folge haben, und zwar für alle Pumplaser bis auf diejenigen mit der höchsten Leistung (d. h. tausenden von Watt).
Beispielsweise resultiert bei einem Diodenlaser eine Laserintensität von etwa 20 W/cm² (oder 100 W/5 cm²) im vorderen Bereich einer Kammer, die 1 013 250 Pa (10 atm) Xenon enthält, in einer elektronischen Rb-Polarisation von nur etwa 25%. Dieser Polarisationsgrad nimmt erst zum hinteren Ende der Kammer hin ab, so daß nur kleine Polarisationsvolumina zugelassen werden können, mit entsprechend geringer Ausbeute an polarisiertem ¹²⁹Xe.
Die Verwendung von niedrigen Xenondrücken kann höhere Polarisationen zur Folge haben, aber zu einem hohen Preis. Niedrige Xenongasdrücke können höhere Rb-Polarisationen zur Folge haben, aber zu einem hohen Preis. Niedrige Gasdrücke ergeben schmale Rb-D₁-Resonanzlinien und ermöglichen daher nur die Nutzung eines winzigen Teils der breiten Spektralbereichs der Diodenanordnung (2 nm FWHM). Außerdem bedeutet das spektrale Lochbrennen, das eine Folge der schmalen D₁-Resonanz ist, wiederum, daß nur sehr kleine Volumina von Rb polarisiert werden können, was geringe Mengen an polarisiertem ¹²⁹Xe liefert. Beispielsweise liefert eine 20 cm³-Zelle, die 50 662,5 Pa (0,5 atm) Xenon enthält und eine Wandrelaxationszeit von 1000 s aufweist, höchstens eine ¹²⁹Xe-Polarisation von 56%, wobei nur 2,3 W der 100 W genutzt werden, die auf die Zelle treffen. Die resultierenden 10 cm³ polarisiertes Gas (bei 101 325 Pa) (1 atm) reichen für die meisten interessanten Anwendungsgebiete nicht aus.
In typischen Hyperpolarisierungsverfahren wird unpolarisiertes ¹²⁹Xe zusammen mit einigen zehn Torr eines Gases (häufig Stickstoff), welches die Fluoreszenz der laserangeregten Rubidiumatome quencht, in eine verschlossene Pumpzelle gegeben, um das optische Pumpverfahren zu unterstützen. Wir haben jedoch unerwartet gefunden, daß der Probe ein Puffergas zugesetzt werden kann, um die Alkalimetall-Resonanzlinie zu verbreitern, was eine effizientere Absorption des breiten Spektralbereichs der gegenwärtig verwendeten Hochleistungs-Laserdiodenanordnungen ergibt. Ohne dieses Hochdruck-Puffergas kann wegen der großen Spektralbandbreite der Diodenlaseranordnung (2 nm oder mehr) und der sehr schmalen (0,01 nm) Absorptionsbandbreite der Alkalimetallatome bei niedrigem Druck nur ein sehr geringer Teil (etwa 1%) des Lichts aus dem Diodenlaser absorbiert werden. Um diese Wirkung zu erzielen, sollte das Puffergas während des optischen Pumpens weder eine nennenswerte Spinzerstörung des Alkalimetalldampfs noch des ¹²⁹Xe induzieren. Ein stark bevorzugtes Puffergas ist Helium mit einer natürlichen ⁴He-Isotopenhäufigkeit von 99 +, aber es können auch andere Gase mit ähnlichen Eigenschaften verwendet werden.
Wir haben beobachtet, daß erhöhte Puffergasdrücke eine Verbreiterung der Absorptionsbande von Rubidium induzieren, und daß Gasdrücke in der Größenordnung von 10 atm oder mehr bevorzugt sind, um die gewünschte Verbreiterung zu erzielen. Aufgrund der natürlichen Fähigkeit des Xenons, eine Alkalimetallpolarisation zu zerstören, wird jedoch angenommen, daß Proben, die 10 atm oder mehr reines Xenon ent halten, unbrauchbar wären. Dagegen wurde gefunden, daß Helium auf die Alkalilmetallspins kaum zerstörerisch wirkt und ohne Nachteile als Linienverbreiterungsmittel verwendet werden kann. Wasserstoff kann sowohl als Löschgas als auch als Puffergas verwendet werden, um die optische Absorptionslinie zu verbreitern. Stickstoff ist ein für diesen Zweck nicht so gut geeignetes Gas wie Wasserstoff oder Helium, da es eine erhebliche Spindepolarisierung der Alkalimetallatome bewirkt.
Demgemäß würde eine bevorzugte Gasmischung für die Hyperpolarisierung von ¹²⁹Xe gemäß dem Verfahren der Erfindung einen erheblichen Anteil an Puffergas, z. B. Helium, mit einer kleinen, aber signifikanten Menge an ¹²⁹Xe enthalten. Beispielsweise kann die Mischung etwa 0,1% bis etwa 5% Xenon, das ein zumindest natürliches ¹²⁹Xe-Isotopenvorkommen aufweist, etwa 0,1% bis etwa 3% N₂ und zu übrigen Teilen Helium enthalten. Stärker bevorzugt enthält die Mischung etwa 1% ¹²⁹Xe, etwa 1% N₂ und etwa 98% Helium. Alternativ dazu sollten, falls es sich bei dem Quenchgas um Wasserstoff handelt, etwa 1% bis etwa 30% der Gasmischung aus Wasserstoff bestehen, mit einer entsprechenden Reduzierung des Nettoanteils an Helium. Für Helium ist die Gasmischung einfacher, da die Zugabe eines Puffergases keine Vorteile bringen würde. Jedoch enthält die Heliumgasmischung wie bei ¹²⁹Xe vorzugsweise eine Menge an Stickstoff oder Wasserstoff als Löschgas, die mit der Menge vergleichbar ist, die für ¹²⁹Xe verwendet wird.
Die niedrigen Xe-Partialdrücke, die im bevorzugten Verfahren verwendet werden, sind die Ursache für mehrere Probleme. Erstens muß polarisiertes ¹²⁹Xe von dem Helium getrennt werden, um geeignete ¹²⁹Xe-Konzentrationen zu erhalten. Zweitens muß das polarisierte ¹²⁹Xe unter Druck gesetzt werden, um aus der Polarisationsvorrichtung extrahiert werden zu können. Drittens ist trotz der Tatsache, daß hohe ¹²⁹Xe-Polarisationen in sehr kurzer Zeit erreicht werden können, die Ausbeute an polarisiertem Gas aus der Pumpkammer sehr gering. Wir haben nun gefunden, daß ein Gefrieren des polarisierten ¹²⁹Xe zu einem Feststoff (T ≤ 160 K) alle diese drei Probleme löst.
Um laserpolarisiertes ¹²⁹Xe in nennenswerten Mengen zu erzeugen, haben wir uns die extrem langen Spingitter-Relaxationszeiten T₁ von festem ¹²⁹Xe zunutze gemacht. Es wurde gezeigt, daß ¹²⁹Xe, sobald es polarisiert ist, mit nur geringem Polarisationsverlust zu einem Feststoff gefroren werden kann. Wie detailliert in Gatzke et al., Phys. Rev. Lett., 70(5): 690–693 (1993), beschrieben, sind die Relaxationszeiten in der Festphase wesentlich länger als die, die bisher in der Gasphase erreicht wurden.
Es ist nunmehr möglich, sich mittels einer Cryopumpen-Akkumulationsvorrichtung die Vorteile der Eigenschaften von Xenoneis zunutze zu machen. Insbesondere hat man erkannt, daß die dreistündige Relaxationszeit von ¹²⁹Xe als Eis bei Flüssigstickstoff-Temperaturen das Pumpen und die kontinuierliche Akkumulierung von polarisiertem ¹²⁹Xe für bis zu drei Stunden auf einmal ermöglicht. Die Verwendung von noch niedrigeren Temperaturen kann die potentielle Akkumulationszeit noch weiter verlängern.
Sobald das strömende Targetgas hyperpolarisiert ist, kann man den gesamten Gasstrom (¹²⁹Xe, Helium und Stickstoff) durch einen Akkumulator strömen lassen. Die Einzelheiten des für ¹²⁹Xe besonders bevorzugten Akkumulators sind in der mitanhängigen Patentanmeldung Serial No. 08/622,865 mit dem Titel "Cryogenic Accumulator for Spin-Polarized Xenon-129" beschrieben, die am gleichen Tag wie die vorliegende Anmeldung eingereicht wurde, und deren gesamte Offenbarung durch Bezugnahme hierin aufgenommen ist. Der Akkumulator umfaßt einen Cryostaten, der vorzugsweise im Temperaturbereich von etwa 4,2 K bis etwa 157 K betrieben wird. Eine Temperatur von etwa 77 K, d. h. etwa die Temperatur flüssigen Stickstoffs (S. p. = 77 K) ist aus Bequemlichkeitsgründen bevorzugt, da dieser ein leicht erhältliches Kühlmittel darstellt. Jedoch sind im allgemeinen niedrigere Temperaturen bevorzugt, da längere Polarisierungsstandzeiten erhalten werden können, wenn die Akkumulierungs- und Lagertemperaturen gesenkt werden.
Auf jeden Fall polarisiertes ¹²⁹Xe Polarisation und die lange T₁. Wasserstoff kann als Quenchgas genommen werden, um dieses Problem zu vermeiden. Die Masse des Gases, d. h. das Helium, geht einfach durch den Cryostaten und durch die Ausgangsöffnung hindurch. Somit besteht ein günstiges Merkmal dieses Verfahrens darin, daß es wirksam eingesetzt werden kann, um das hyperpolarisierte Xenon von anderen, unerwünschten Bestandteilen der Targetgasmischung zu trennen.
Da die Relaxationszeit T₁ von gefrorenem ¹²⁹Xe deutlich verlängert ist, wenn es in einem angelegten Magnetfeld gehalten wird, wird der cryostatische Akkumulator vorzugsweise mit einem kleinen Permanentmagneten ausgestattet, der in der Lage ist, solche Magnetfeldstärken zu erzeugen, die die Haltezeiten verbessern. Die erste Überlegung bei der Wahl der Stärke des angelegten Felds ist die, daß das Feld eine Akkumulierung und/oder Aufbewahrung für einen Zeitraum ermöglichen sollte, der etwa der maximal möglichen Spingitter-Relaxationszeit bei der Akkumulierungs/Aufbewahrungstemperatur entspricht. Demgemäß sollte das angelegte Feld bei Flüssigstickstoff-Temperaturen mindestens etwa 500 G (0,05 G) betragen. Wir beobachten jedoch, daß die Wahl der Feldstärke von der Temperatur abhängt, bei der ¹²⁹Xe akkumuliert und aufbewahrt wird. Insbesondere profitiert die Akkumulation und/oder Lagerung bei niedrigen Temperaturen von der Verwendung stärkerer Magnetfelder.
Die hierin beschriebene Vorrichtung kann in MRI-Bildgebungssysteme integriert werden, die mit den Systemen konsistent sind, die in der US-Patentanmeldung Serial No. 08/225,243 beschrieben sind. Typisch für solche Systeme ist eine im Handel erhältliche MR-Bildgebungseinheit, die einen horizontalen 2 Tesla-, 30 cm-Omega CSI-Magneten (G. E. NMR Instruments, Fremont, CA) und eine angeschlossene Vorrichtung enthält, die in größerer Einzelheit in Middleton et al., Magn. Reson. in Med. 33: 271–275 (1995), beschrieben ist. Die Fähigkeit, große Mengen an hyperpolarisiertem Edelgas zu erzeugen, kann nun mit Vorteil genutzt werden, um die Akkumulierung und Aufbewahrung von genügend Gas vor der Bildgebung zu ermöglichen, damit während der eigentlichen Bilderzeugung keine zusätzliche Hyperpolarisierung vorgenommen werden muß. So können nun ein oder zwei Probanden in einer klinischen Anlage mittels einer einzigen Quelle für zuvor akkumuliertes Xenon abgebildet werden. Alternativ dazu kann nunmehr, ermöglicht durch die außergewöhnlichen Eigenschaften der Edel gase, eine Bilderzeugung vorgenommen werden, bei der ein kontinuierlicher Hyperpolarisierungsablauf eine kontinuierliche Quelle für hyperpolarisiertes Gas erzeugt, das einem Probanden für Untersuchungen der Respiration oder anderer physiologischer Abläufe zugeführt wird. Bisher war eine Bilderzeugung dieser Art entweder unmöglich oder aufgrund der geringen Mengen an hyperpolarisiertem Gas kaum praktikabel.
In einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei der Hyperpolarisierungsvorrichtung der Erfindung um eine freistehende integrierte Einheit, die im wesentlichen in sich geschlossen und leicht zu bedienen ist. Beispielsweise kann die Vorrichtung in einem beweglichen Wagensystem mit einer Bodenfläche von etwa 2 Fuß mal 6 Fuß vorgesehen sein. In dieser Ausführungsform umfaßt die Einheit das Lasersystem, eine Gasquelle, eine Polarisierungszelle, NMR-Polarimetriesysteme, Energieversorgungseinrichtungen und einen Rechner, der so programmiert ist, daß er den größten Teil oder die Gesamtheit der Systeme steuert.
Das Laser-Untersystem der Hyperpolarisiersystem-Einheit umfaßt vorzugsweise eine oder mehrere Hochleistungs-Diodenlaseranordnungen, eine Energieversorgungseinrichtung für die Laser, eine Schutzbeschaltung, eine Kühleinheit und eine Zusammenstellung von optischen Einrichtungen für die Steuerung und Lenkung der Laserenergie.
Das Steuerungs-Untersystem umfaßt ein Rechnersystem, beispielsweise einen PC, Mikrocomputer oder einen Bildschirmarbeitsplatz, Komponenten für die Überwachung der Polarisation durch NMR während der Durchführung des Verfahrens, und Komponenten für die Überwachung und Aufrechterhaltung der Zelltemperatur während des Verfahrens. Beispielsweise kann die RF für die Polarimetrie mittels einer direkten digitalen Signalerzeugung bereitgestellt werden, wie hierin an anderer Stelle beschrieben ist.
Idealerweise enthält das Hyperpolarisierungssystem auch eine Anzahl von Sicherheitssystemen, einschließlich von Verriegelungseinrichtungen (interlocks), Grenzwertschaltern, nicht-rechnergesteuerten Relais usw.
Vorzugsweise umfaßt das integrierte Polarisierungssystem eine austauschbare Polarisierungspatronen-Einheit, die sämtliche Komponenten enthält, mit denen das Gas während des Polarisierungsverfahrens in Kontakt kommt. So kann die Polarisierungseinheit eine Hochdruck-Gasflasche enthalten, die genügend Gas enthält, um während der Hyperpolarisierung einen im wesentlichen hyperbaren Gasstrom bereitzustellen. Die Polarisierungseinheit umfaßt außerdem die Pumpzelle. Einlaß- und Auslaßleitungen, die in bzw. aus der Pumpzelle führen, sind enthalten. Diese enthalten Ventile für die Steuerung des Gasstroms in die Zelle und aus der Zelle. Aus Gründen der Bequemlichkeit kann die Polarisierungspatrone auch einige oder alle Bauteile des Pumpofens enthalten, ebenso wie die Polarimetrieproben. Andere Bauteile, wie Druckgeber, Regler und Gasreiniger, können ebenfalls enthalten sein, falls gewünscht.
Die Polarisierungseinheit ist so ausgelegt, daß sie ohne weiteres direkt in die Hyperpolarisierungssystem-Einheit eingeführt und wieder daraus entnommen werden kann. Die Patrone sollte eine solche Größe und ein solches Gewicht aufweisen, daß sie leicht zu handhaben und zu installieren ist. Die Anmelder nehmen an, daß eine geeignete Polarisierungseinheit etwa 30 cm mal 50 cm mal 10 cm oder etwas in diesem Bereich messen kann. Bei dieser Größe können die wesentlichen Bauteile enthalten sein, ohne die Handhabung der Einheit unnötig zu erschweren. Eine Konstruktion, die in der Lage ist, diese verschiedenen Gestaltungsvorgaben zu erfüllen, wird später detailliert beschrieben.
Ein weiteres günstiges Merkmal der austauschbaren Polarisierungseinheit ist die Tatsache, daß das Targetgas vorzugsweise vorgemischt in einer einzigen Flasche zugeführt wird. Dies ermöglicht die Formulierung und Verwendung von konsistenten Targetgasmischungen und vermeidet die Notwendigkeit, daß technisches Personal die Gasmischung kontrolliert bzw. steuert, wodurch der Betrieb der Einheit vereinfacht wird. Trotzdem kann die Polarisierungseinheit alternativ separate Flaschen für jedes Gas enthalten, das in das Targetgas eingemischt wird.
5 stellt eine Ausführungsform einer transportablen Hyperpolarisierungssystem-Einheit gemäß der Erfindung dar. In dieser Ausführungsform sind zwei Laserdiodenanordnungen 100a und 100b auf einem Räderwagen 101 montiert. Optische Untersysteme 102a und 102b sind so bereitgestellt, daß die Laserenergie kollimiert wird, wodurch die Energie auf der Pumpzelle 103 fokussiert wird. Die Pumpzelle kann separat oder als Teil eines austauschbaren Polarisierungseinheits-Untersystems montiert sein, wie nachstehend beschrieben. In 5 ist die Pumpzelle 103 als Teil solch einer Polarisierungseinheit 110 dargestellt. Demgemäß kann der Hyperpolarisierer als Andockstation betrachtet werden, in welche die Polarisierungspatrone eingeführt werden kann, um sie mit den Systemen auf dem Hyperpolarisierer zu verbinden und gemeinsam zu betreiben. Das Hyperpolarisierungssystem enthält weiter ein Energie-Untersystem, das eine Energieversorgungseinheit 120, eine Hauptenergiesicherung 121 und eine weitere Schutzbeschaltung 122 enthält, die jeweils je nach Bedarf Steuerungen und Anzeigen aufweisen. Ein Kühlsystem 125 ist bereitgestellt, um die Betriebstemperatur des Lasers zu modulieren. Eine Ablage 127 bietet Platz für einen (nicht gezeigten) Mikrocomputer, um das Polarisierungsverfahren zu überwachen und zu steuern. Der Wagen 101 enthält weiter eine Abdeckung 105, um das Laserlicht einzugrenzen. Ähnliche Systeme können permanent oder semipermanent installiert sein, beispielsweise in einer Wandbefestigung oder einem festen Anbringungssystem für Elektrogeräte. Auch andere Ausgestaltungen liegen im Bereich der Erfindung. Vorzugsweise kann jedes der Haupt- und Untersysteme leicht ausgetauscht werden, beispielsweise dadurch, daß sie über Steck- und Klinkverbindungen mit der Einheit verbunden werden.
6 liefert eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen austauschbaren Polarisierungseinheit. Eine Gasflasche 201 ist bereitgestellt, die das Targetgas einschließlich eines Edelgases wie ³He oder ¹²⁹Xe enthält. Geeignete Gasmischungen, wie hierin beschrieben, sind von Gaslieferbetrieben erhältlich, beispielsweise von Isotec, Inc., Miamisburg, OH. Die Gasflasche kann das Targetgas unter hohem Druck halten und enthält genügend Gas, um mehrere Hochdruckbefüllungen einer Pumpkammer 221 oder einen kontinuierlichen Hochdruckstrom durch die Kammer zu ermöglichen, der ausreicht, die erforderliche Menge an hyperpolarisiertem Edelgas zu erzeugen. Ein wichtiger Vorteil der Polarisierungseinheit besteht darin, daß sie leicht ausgetauscht werden kann, wenn die Gasquelle erschöpft ist. Darüber hinaus können Ersatz-Polarisierungeinheiten hergestellt und verschickt werden, die bereit für die Installation in einem Hyperpolarisierungssytem sind und unbegrenzt in Reserve gehalten werden können.
Die Gasflasche 201 steht über Leitungen 205 und 206, die von einem Ventil 207 gesteuert werden, in Fluidverbindung mit einem Druckregler 203. Der Druckregler 203 steuert den Gasstrom und ist vorzugsweise ein Hochreinheits-Regler, beispielsweise ein zweistufiger Edelstahl-Ultrahochreinheits- (UHP)-Regler (z. B. Modell E99-OLRC, erhältlich von Air Products). Das Ventil 207 und andere Ventile in der Patrone, die mit dem Gas in Berührung kommen, sollten unter hohem Druck betrieben werden können. Geeignete Ventile schließen alle Nupro-Ventile Modell SS-4BG-VCR ein, die von Penn Valve & Fitting Co., Willow Grove, PA, erhältlich sind.
Eine Leitung 209 führt vom Regler 203 zu einem Durchfluß-Druckgeber 211, und der Strom wird von einem Ventil 213 gesteuert. Das Ventil 213 wird verwendet, um den Strom zu regulieren, wenn die Zelle mit einer neuen Gascharge befüllt wird. Der Zelldruck wird von dem Durchfluß-Druckgeber 211 überwacht. Der Druckgeber 211 ist vorzugsweise bis auf etwa 200°C erhitzbar. Geeignete Druckgeber schließen beispielsweise das Modell HS-10S ein, erhältlich von Hastings NALL Mass Flowmeters, oder das Modell 212FT, erhältlich von Setra Sytems, Inc., Acton, MA.
Der Druckgeber 211 steht über eine Leitung 217 in Fluidverbindung mit dem Gasreiniger 215. Der Reiniger 215 ist für die Entfernung von Wasserdampf und anderen Verunreinigungen aus dem Targetgas bevorzugt, da solche Verunreinigungen das Polarisierungsverfahren stören können. Der Reiniger 215 ist vorzugsweise eine Gettervorrichtung, beispielsweise das Mini-Reinigungsgefäß, das von Ultra-Pure Systems, Inc., Colorado Springs, CO, erhältlich ist. In der Regel werden diese Vorrichtungen erwärmt, um die Reinigung zu verbessern, z. B. von einem externen Heizband mit einem Thermoelement (z. B. von Ultra-Pure Systems, Inc., erhältlich).
Leitungen 219 und 220 verbinden den Reiniger 215 mit einer Pumpzelle 221, gesteuert von einem Ventil 223. Die Pumpzelle 221 wird hergestellt wie hierin an anderer Stelle beschrieben und weist ein Volumen von etwa 10 cm³ bis etwa 100 cm³, vorzugsweise etwa 30 cm³ auf. Die Pumpzelle 221 enthält auch eine Entlüftung 225, die von einem Ventil 227 gesteuert wird.
Die Leitung 219 verzweigt sich, um eine Leitung 220 zur Pumpzelle und eine Leitung 229 zum Ventil 231 bereitzustellen. Dann führt eine Leitung 233 von dem Ventil 231 weg und verzweigt sich, um eine Leitung 235, die zu einer Membranpumpe 237 führt (gesteuert von einem Ventil 239), und eine Leitung 241 bereitzustellen, die zu einem Spülauslaß 243 führt und von einem Ventil 245 gesteuert wird.
Die so gestaltete Gasversorgung erlaubt ein bequemes Spülen des Systems, das wichtig ist, um die Effizienz des Hyperpolarisierungsverfahrens aufrechtzuerhalten. Ein Spülprotokoll kann wie folgt ablaufen: zuerst wird ein heißes, sauberes Spülgas in den Spülungseinlaß 247 eingeführt, läuft durch die Leitung 249, die vom Ventil 251 gesteuert wird. Danach durchströmt das Spülgas den Regler 203, den Druckgeber 211 und den Reiniger 215. Durch Öffnen der Ventile 231 und 245 kann das Spülgas durch den Spülungsauslaß 243 entlassen werden. Prinzipiell können die Ventile 223 und 227 verwendet werden, um die Zelle zu spülen, man nimmt jedoch an, daß dies nicht routinemäßig erforderlich ist. Schließlich kann die Membranpumpe 237 verwendet werden, um das restliche Spülgas im Anschluß an das Spülen durch das Ventil 239 zu entfernen.
Die folgenden Beispiele werden angegeben, um das Verständnis der Erfindung zu erleichtern. Die jeweils verwendeten Materialien und Bedingungen sollen die Erfindung weiter erläutern, aber ihren Bereich nicht einschränken. Insbesondere werden hierin bestimmte Betrachtungen, die auf die erfindungsgemäße Polarisierung von Edelgasen zutreffen, mit Bezug auf die Polarisierung von strömendem ¹²⁹Xe durch den Spinaustausch mit Rubidiumatomen angestellt. Diese Beschreibung sollte jedoch nicht als Beschränkung des Bereichs der Erfindung aufgefaßt werden. Diese Betrachtungen treffen auf die Polarisierung von ³He, beispielsweise auf halbkontinuierlich strömende Weise, ebenso zu wie auf die Verwendung anderer Alkalimetalle, beispielsweise Cäsium oder Kalium. Ausnahmen und Variationen dieser allgemeinen Abläufe, so weit sie bekannt sind, sind hierin genannt, falls sie relevant sind, ohne jedoch die allgemeine Anwendbarkeit der Erfindung zu beeinträchtigen
Beispiel 1
Eine Vorrichtung für die kontinuierliche Strömungspolarisierung gemäß der Erfindung wurde im allgemeinen in Übereinstimmung mit der in 2 dargestellten Konstruktion, wie sie oben beschrieben ist, aufgebaut. Die Pumpkammer ist ein Glaszylinder, der 6 cm lang ist und ein Volumen von etwa 30 cm³ hat. Die optische Achse ist colinear mit der Längsachse der Kammer. Wir haben gefunden, daß der optimale Strom durch die Pumpkammer von der Temperatur abhängt. Für die Hyperpolarisierung von ¹²⁹Xe (3% in 96% Helium; 1013 250 Pa (10 atm)) in dieser 30 cm³-Kammer kann die Strömungsrate bei 150°C im Bereich von etwa 300 cm³/min bis etwa 600 cm³/min liegen, was einer Spinaustauschzeit (τ_SE) von 22 s und einer durchschnittliche Rubidiumpolarisation von etwa 50% entspricht.
Beispiel 2
Eine Gasmischung aus 3% Xe mit einer natürlichen Isotopenzusammensetzung von etwa 26% ¹²⁹Xe, 1% Stickstoff und 96% Helium wurde mittels der in Beispiel 1 beschriebenen Vorrichtung polarisiert. Darüber hinaus wurde ein erfindungsgemäßer Cryopumpen-Akkumulator verwendet, um das Gas, das die Pumpkammer verließ, zu sammeln. unter Verwendung von flüssigem Stickstoff als Kühlmittel für einen Glaskühlfinger wurden in 0,5 h 120 cm³ gefrorenes hyperpolarisiertes ¹²⁹Xe gesammelt. Die Soll-Strömungsrate des Targetgases während der Akkumulierung betrug 80 bis 100 cm³/min bei STP. Da die Gasmischung nur zu 3% aus Xe bestand, ist eine Xenon- Akkumulierungsrate von bis zu etwa 3 cm³/min bei STP möglich. Nach dem Sublimieren ließ man das ¹²⁹Xe sich wieder in die Pumpkammer ausbreiten, die mit einer Puls-NMR-Spule ausgestattet war. Die Stärke des NMR-Signals wurde als etwa ¼ der größten Sättigung bestimmt, die selbst bei einer He : XeN₂-Gamischung in einer verschlossenen Pumpkammer beobachtet wurde. Aufgrund von Computermodellierungen nimmt man an, daß die Sättigungspolarisierung von ¹²⁹Xe während des optischen Pumpverfahrens etwa 75% beträgt. Der Druck des sublimierten Xenons betrug laut Kapazitätsmanometer 122 603,25 Pa (1,21 atm) im Vergleich zu 27.357,75 Pa (0,27 atm) Xenon in der Gasmischung während des Pumpens. Angesichts des Verhältnisses der Drücke und NMR-Signale ergibt sich eine ungefähre Polarisation des akkumulierten ¹²⁹Xe von 5%.
Die in diesem Versuch erhaltene Netto-Polarisation lag in der Größenordnung der theoretischen maximalen Polarisation. Obwohl man sich darüber im klaren sein muß, daß dieses Verfahren nicht optimiert war, zeigt sich doch, daß die kontinuierliche Herstellung von hyperpolarisiertem ¹²⁹Xe anhand des Verfahrens und der Vorrichtung der Erfindung möglich ist. Darüber hinaus blieb während des Herstellungs- und Akkumulierungsverfahrens die Polarisation des Xenons in erheblichem Umfang erhalten. Aufgrund dieser Untersuchung ist mit Verbesserungen bei der Ausbeute des sublimierten Gases zu rechnen.
Ein wichtiges Merkmal des Verfahrens und der Vorrichtung der Erfindung besteht darin, daß nunmehr wesentlich größere Mengen an hyperpolarisiertem Xenon erzeugt werden können als es unter Verwendung von im wesentlichen reinem Xenon als Targetgas möglich war. Das heißt, die Ausbeute an hyperpolarisiertem Xenon als Funktion der Zeit ist beträchtlich erhöht, ganz abgesehen von der Tatsache, daß das Xenon nur einen kleinen Teil ausmacht, wenn das Targetgas zu 90% oder mehr aus Puffergas besteht.
Es ist deutlich, daß die Volumina an hyperpolarisiertem ¹²⁹Xe, die unter Verwendung der Vorrichtung der Erfindung erhalten werden, die Erzeugung von hyperpolarisierten Gasvolumina erlauben, die in der Größenordnung von mindestens einigen zehn Litern pro Tag liegen. Demgemäß macht es die Erfindung zum ersten Mal möglich, genügend polarisierte Edelgase zu erzeugen, um klinische Atemstudien der menschlichen Lunge mit MRI zu durchzuführen.

Claims

Verfahren zum Hyperpolarisieren eines kontinuierlichen oder zeitweise unterbrochenen Edelgasstroms, die folgenden Schritte umfassend: (a) kontrolliertes, kontinuierliches oder halb-kontinuierliches Strömen lassen eines ein Edelgas umfassenden Targetgases unter hyperbarem Druck aus einer Druckgas-Zufuhrquelle, die so konstruiert und bemessen ist, daß sie eine Vielzahl von hintereinander polarisierbaren Edelgas-Einheiten aufnehmen kann, in eine Pumpzelle; und (b) Hyperpolarisieren des Edelgases in der Pumpzelle durch Spin-Austausch mit Alkalimetallatomen und kontrolliertes, kontinuierliches oder halb-kontinuierliches Ablassen des hyperpolarisierten Gases aus der Pumpzelle, um einen hyperpolarisierten Edelgasstrom bereitzustellen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Strömen lassens das Leiten des Targetgases durch die Pumpzelle bei einer Geschwindigkeit umfaßt, welche eine durchschnittliche Verweilzeit des Edelgasatoms ermöglicht, die etwa dem 0,5- bis etwa dem 5-Fachen der Spin-Austauschzeit τ_SE zwischen den Atomen des Alkalimetalls und des Edelgases entspricht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Edelgas um Xenon handelt, welches ¹²⁹XE in zumindest natürlicher Isotopenhäufigkeit umfaßt.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Edelgas um Helium handelt, das einen ³He-Anteil aufweist, der wesentlich höher ist als die natürliche Isotopenhäufigkeit von ³He.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Targetgas zu 0,1% bis 5% aus ¹²⁹Xe und zu 0,1% bis 30% aus einem Quenchgas besteht, das die Alkalimetall-Fluoreszenz während der Hyperpolarisierung quencht.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Targetgas zu 1% aus ¹²⁹Xe, zu 1% aus Stickstoff und zu übrigen Teilen aus Helium besteht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Targetgas zu 0,1% bis 5% aus ¹²⁹Xe und zu übrigen Teilen aus Wasserstoff besteht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Edelgas ¹²⁹Xe umfaßt und das Verfahren weiter die Akkumulierung des hyperpolarisierten Edelgases umfaßt, und daß diese Akkumulierung das Akkumulieren des ¹²⁹Xe im eingefrorenen Zustand beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 1, worin der Schritt des halb-kontinuierlichen Strömen lassens das vorübergehende Isolieren einer Targetgas-Einheit in der Pumpzelle umfaßt, um die Hyperpolarisierung des Gases zu ermöglichen.
Verfahren nach Anspruch 10, worin das Verfahren mindestens zweimal durchgeführt wird, um zwei oder mehr separat polarisierte Einheiten an hyperpolarisiertem Edelgas bereitzustellen.
Verfahren nach Anspruch 1, worin das Targetgas weiter Puffergas- und Quenchgas-Einheiten umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Puffergas und das Quenchgas voneinander unterscheiden.
Vorrichtung für das Hyperpolarisieren eines Edelgases, umfassend: a) eine Pumpkammer (4), um einen kontinuierlichen oder halbkontinuierlichen Edelgasstrom durch Spin-Austausch mit optisch gepumpten Alkalimetallatomen zu hyperpolarisieren, worin die Pumpkammer so ausgelegt ist, daß sie im halb-kontinuierlichen. Modus kontrolliert und wiederholt episodisch polarisierte Edelgas-Einheiten einfängt, polarisiert und dann abläßt, b) ein Targetgas-Zufuhrsystem, das so ausgelegt ist, daß es einen Targetgasstrom, welcher das Edelgas umfaßt, unter hyperbarem Druck aus einer Druckgas-Zufuhrquelle (11) liefert, die so konstruiert und abgemessen ist, daß sie eine Vielzahl nacheinander polarisierter Edelgas-Einheiten enthalten kann, und c) ein Hyperpolarisierungs-Vorrichtung (1), um das Edelgas zu hyperpolarisieren.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Targetgas-Zufuhrsystem einen Gasbehälter umfaßt, der in der Lage ist, das Targetgas unter Druck zu halten.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung in der Lage ist, das Targetgas bei einer Geschwindigkeit durch die Pumpzelle zu liefern, die ausreicht, um eine durchschnittliche Verweilzeit des Edelgasatoms in der Pumpzelle bereitzustellen, welche das 0,5- bis 5-Fache der Spin-Austauschzeit τ_SE zwischen Atomen des Alkalimetalls und des Edelgases beträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 2, worin die Hyperpolarisierungs-Einrichtung ein Lasersystem umfaßt, das in der Lage ist, eine hyperpolarisierende Strahlung in die Pumpzelle zu abzugeben, und zwar in einer Menge, die ausreicht, um ein Edelgas durch Spin-Austausch mit Alkalimetallatomen zu hyperpolarisieren, und worin das Lasersystem zwei Laserquellen umfaßt, die entlang einer optischen Achse einander gegenüber angeordnet sind, wobei die Pumpzelle die Strahlung aus beiden Laserquellen eintreten lassen kann.
Vorrichtung nach Anspruch 12 zum Hyperpolarisieren eines Edelgases, worin das Edelgas ³He umfaßt, worin die Hyperpolarisierungs-Einrichtung umfaßt: 1) ein Lasersystem, das in der Lage ist, eine hyperpolarisierende Strahlung zu liefern, die ausreicht, um ³He durch Spin-Austausch mit Alkalimetallatomen zu hyperpolarisieren, und 2) ein Computersystem, das die Steuerung und Überwachung der Hyperpolarisierung ermöglicht; und worin das Targetgas-Zufuhrsystem und die Pumpzelle so ausgelegt sind, daß sie sich in einer austauschbaren Polarisationseinheit befinden, die von der Apparatur abgenommen werden kann, wobei die Pumpzelle so ausgelegt ist, daß sie ein Targetgas, welches ³He bei hyperbarem Druck umfaßt, halten und abgeben kann, und worin die austauschbare Polarisationseinheit so an die Hyperpolarisierungs-Vorrichtung angeschlossen und zusammen mit dieser betrieben werden kann, daß die Pumpzelle so ausgerichtet wird, daß die hyperpolarisierende Strahlung von der Laserquelle in die Pumpzelle gelangen kann, um das ³He zu hyperpolarisieren.
Vorrichtung nach Anspruch 2, worin die Pumpzelle außerdem ein Fluoreszenz-Beobachtungsfenster und weiter eine Fluoreszenz-Überwachungsvorrichtung umfaßt, um die Fluoreszenz durch das Fluoreszenz-Beobachtungsfenster hindurch zu überwachen.
Vorrichtung nach Anspruch 12, worin das Edelgas ³He umfaßt, worin die Hyperpolarisierungs-Einrichtung ein Lasersystem umfaßt, das in der Lage ist, eine hyperpolarisierende Strahlung in die Pumpzelle zu liefern, worin die Pumpzelle so ausgelegt ist, daß sie einen halb-kontinuierlichen Durchstrom des ³He umfassenden Targetgases ermöglicht und genügend hyperpolarisierende Strahlung einfallen läßt, um das ³He durch Spin-Austausch mit Alkalimetallatomen zu hyperpolarisieren, und wobei die Pumpzelle mit Einrichtungen ausgestattet ist, welche die Strömungsgeschwindigkeit des halbkontinuierlichen Targetgas-Stroms in die Pumpzelle und aus der Pumpzelle steuern; und worin das Targetgas-Zufuhrsystem und die Pumpzelle so konstruiert sind, daß sie sich in einer austauschbaren Polarisationseinheit befinden, die von der Apparatur abgenommen werden kann.
Vorrichtung nach Anspruch 12, worin das Edelgas ³He umfaßt, worin, die Hyperpolarisierungs-Einrichtung ein Lasersystem umfaßt, das ausreichend hyperpolarisierende Strahlung liefert, um eine Hyperpolarisierung von ³He durch Spin-Austausch mit Alkalimetallatomen zu ermöglichen, wobei die Pumpzelle so konstruiert ist, daß sie einen halb-kontinuierlichen Durchstrom des ³He umfassenden Targetgases erlaubt, wobei die Pumpzelle sich in einer Polarisationseinheit befindet, die so konstruiert ist, daß sie lösbar an die Apparatur angeschlossen werden kann, und wobei die Apparatur so konstruiert ist, daß die Polarisationseinheit, wenn sie auf der Apparatur positioniert wurde, eine hyperpolarisierende Strahlung in die Pumpzelle schickt.