ES2289792T3 - Polarizacion por espin de un gas noble a traves de un intercambio de espin con metales alcalinos opticamente polarizados. - Google Patents
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Abstract
Un procedimiento para hiperpolarizar un gas noble que tiene un espín nuclear que no es cero mediante bombeo óptico con intercambio de espín, procedimiento que comprende: proporcionar una celda de polarización que contiene dicho gas noble, un metal alcalino primario y un metal alcalino secundario diferente; e iluminar la celda de polarización con una radiación que tenga una longitud de onda apropiada para polarizar ópticamente el metal alcalino primario, de forma que el metal alcalino secundario no sea susceptible de ser ópticamente polarizado a dicha longitud de onda; haciendo posible así una interacción con intercambio de espín entre el metal alcalino primario, el metal alcalino secundario y el gas noble; con lo que la transferencia de espín al gas noble, mediada por el metal alcalino secundario, produce gas noble hiperpolarizado, de forma que el grado de hiperpolarización está aumentado en comparación con una situación en la que estuviera ausente el metal alcalino secundario.
Description
Polarización por espín de un gas noble a través
de un intercambio de espín con metales alcalinos ópticamente
polarizados.
La invención se refiere a procedimientos para
hiperpolarizar gases nobles. Más particularmente, la invención se
refiere a procedimientos de bombeo óptico de eficacia elevada para
hiperpolarizar gases nobles.
Es conocido que los gases nobles como ^{3}He y
^{129}Xe pueden ser "hiperpolarizados" usando tecnologías
láser. Estos procedimientos de polarización incluyen bombeo óptico
con intercambio de espín, mediante los cuales un vapor de metal
alcalino es ópticamente polarizado seguido del "intercambio" de
esta polarización con el gas noble (Bouchiat et al. 1960;
Bhaskar et al. 1982; Happer et al. 1984; Zeng et
al. 1985; Cates et al. 1992). Otros procedimientos de
polarización emplean un intercambio de metaestabilidad, en los que
los núcleos de los gases nobles (normalmente
helio-3 (^{3}He)) son ópticamente bombeados de
forma directa sin intermediación de metales alcalinos (Schearer
1969; Laloe et al. 1984). Son descritos sistemas para
producir gases nobles polarizados en las patentes de EE.UU nº
5.642.625 y 5.617.860.
Los gases nobles hiperpolarizados pueden ser
usados para numerosos fines. Históricamente, el ^{129}Xe
polarizado ha sido usado para estudios fundamentales de simetría
(Chupp et al. 1994), estudios de relajación del espín
nuclear de sólidos (Gatzke et al. 1993), espectroscopía de
resonancia magnética nuclear de alta resolución (NMR) (Raftery
et al. 1991), y polarización cruzada a otros núcleos (Gatzke
et al. 1993; Long et al. 1993). El ^{3}He
polarizado es también una diana nuclear importante (Anthony et
al. 1993; Middleton (1994)).
Más recientemente, las señales mejoradas de RMN
del ^{129}Xe polarizado por láser, que son de un orden de
magnitud de aproximadamente cinco veces mayor que las del ^{129}Xe
térmicamente polarizado, han hecho posible la primera formación de
imágenes por resonancia magnética biológica (MRI) a velocidad
elevada de un gas (Albert et al. 1994). El
helio-3 a demostrado también que es un excelente
núcleo para la MRI de fase gaseosa (Middleton et al. 1995).
La patente de EE.UU. nº 5.545.396 describe el uso de ^{129}Xe,
^{3}He y otros núcleos de gases nobles para MRI biológica. Estas
ventajas sorprendentes están abriendo en la actualidad muchas nuevas
vías de investigación.
La limitación principal en estas aplicaciones de
gases nobles polarizados ha sido la disponibilidad de cantidades
suficientes de los gases para satisfacer la demanda.
Consecuentemente, se ha dirigido la atención a la mejora de las
velocidades de producción de gases nobles polarizados. Ha sido
concebido un aparato mediante el cual pueden ser producidas
cantidades mayores de gas polarizado sobre una base de modo continuo
o discontinuo. Véase la patente de EE.UU. nº 5.642.645. Los
procedimientos para limitar la despolarización de gases nobles
mediante interacciones con superficies del recipiente han sido
abordados proporcionando polímeros como revestimientos. Véase la
patente de EE.UU. nº 5.612.103. Ha sido desarrollado también un
aparato para permitir el almacenamiento de ^{129}Xe polarizado y
congelado.
Incluso con estos avances, los procedimientos
mediante los cuales los gases nobles pueden ser polarizados son
susceptibles de una mejora adicional, ya que muchos parámetros no
han sido optimizados. Por ejemplo, la eficacia de la polarización
está limitada por las propiedades físicas de los materiales usados
para construir el aparato de polarización. Además de ello, la
comprensión incompleta de las consideraciones teóricas que subyacen
en la física del intercambio de espín en diversos sistemas implica
que existen oportunidades de identificar sistemas con eficacias
mayores.
Desde una perspectiva práctica, la eficacia de
la hiperpolarización está relacionada con la potencia del láser,
mientras que el coste de la instalación y mantenimiento del láser
aumenta a menudo directamente con la potencia suministrada.
Consecuentemente, los sistemas de polarización para producir
cantidades mayores de gases nobles polarizados pueden requerir
láseres significativamente más caros. Por lo tanto, sería deseable
hacer posible que el experto en la técnica aumente el rendimiento
de polarización de un láser dado, y atenuar así los costes en
sistemas a gran escala.
Consecuentemente, es una de las finalidades de
esta invención superar las limitaciones anteriores en la técnica de
los procedimientos de bombeo óptico con intercambio de espín,
proporcionando procedimientos mediante los cuales se mejora
significativamente la eficacia de la polarización usando aparatos
actualmente disponibles. Es otra finalidad de la invención
proporcionar al experto en la técnica materiales y procedimientos
que hagan posible una diversidad más amplia de aparatos útiles para
polarizar gases nobles.
Se ha descubierto ahora que estos y otros
objetivos pueden ser conseguidos mediante la presente invención,
que en una realización es un procedimiento para hiperpolarizar un
gas noble mediante bombeo óptico con intercambio de espín, que
comprende:
- proporcionar una celda de polarización que contiene un gas noble y un híbrido de metal alcalino, en la que el híbrido de metal alcalino comprende un metal alcalino primario y un metal alcalino secundario diferente; e
- iluminar la celda de polarización con una radiación que tenga una longitud de onda apropiada para polarizar ópticamente el metal alcalino primario, de forma que el metal alcalino secundario no sea susceptible de ser ópticamente polarizado a dicha longitud de onda; haciendo posible así una interacción con intercambio de espín entre el metal alcalino primario, el metal alcalino auxiliar y el gas noble;
con lo que la transferencia de espín al gas
noble, mediada por el metal alcalino secundario, produce gas noble
hiperpolarizado, de forma que el grado de hiperpolarización está
aumentado en comparación con una situación en la que estuviera
ausente el metal alcalino secundario.
En la invención, la relación de metal alcalino
primario a metal alcalino auxiliar (=secundario) en la fase
condensada puede ser de aproximadamente 1:100 a aproximadamente
100:1, y es preferentemente de aproximadamente 1:25 a
aproximadamente 25:1. La relación de los metales alcalinos primarios
respecto al auxiliar en la fase de vapor puede ser de
aproximadamente 1:100 a aproximadamente 10:1, más referentemente de
aproximadamente 1:30 a aproximadamente 1:1. Es preferido que el
metal alcalino auxiliar tenga una eficacia mayor que el metal
alcalino primario en la polarización del gas noble.
En un híbrido de metales alcalinos preferido, el
metal alcalino primario es rubidio y el metal alcalino auxiliar es
potasio. En este caso, una relación preferida de rubidio a potasio
es de aproximadamente 5:95. En un híbrido alternativo de metales
alcalinos, el metal alcalino primario es potasio y el metal alcalino
auxiliar es sodio. En otro híbrido alternativo de metales
alcalinos, el metal alcalino primario es sodio y el metal alcalino
auxiliar es potasio. El uso de potasio y sodio aumenta la separación
del metal alcalino del gas hiperpolarizado, ya que el sodio y el
potasio tienen presiones de vapor inferiores.
Un gas noble preferido útil según la invención
es ^{3}He. La celda de polarización puede contener adicionalmente
un gas amortiguador y/o un gas inactivador.
En otra realización, la invención se refiere a
un aparato para hiperpolarizar un gas noble mediante bombeo óptico
con intercambio de espín, como se expone en la reivindicación
11.
En el aparato, el híbrido de metales alcalinos
es preferentemente una aleación de rubidio y potasio, más
preferentemente una aleación que comprende aproximadamente 5% de
rubidio y aproximadamente 95% de potasio. Alternativamente, el
híbrido de metales alcalinos es una aleación de sodio y potasio.
Consecuentemente, la invención hace posible
ahora que el experto en la técnica aumente la eficacia de cualquier
sistema dado de polarización con intercambio de espín sin modificar
los dispositivos físicos del sistema. La invención permite que el
experto en la técnica polarice un gas noble más eficazmente,
proporcionado un híbrido de metales alcalinos en el que un metal
alcalino es ópticamente polarizado y otro metal alcalino funciona
para mediar en la transferencia de espín al gas noble.
Consecuentemente, pueden ser empelados sistemas láser menos caros
con ahorros significativos de costes y mantenimiento, mientras que
se aumenta sustancialmente el rendimiento de gases nobles
polarizados.
Estas y otras ventajas de la presente invención
serán apreciadas a partir de la descripción detallada y ejemplos
que se exponen en la presente memoria descriptiva: la descripción
detallada y los ejemplos mejoran la compresión de la invención,
pero no esta previsto que limiten el alcance de la invención.
La presente invención se dirige a mejorar
procedimientos para hiperpolarizar gases nobles mediante bombeo
óptico con intercambio de espín. La técnica de polarizar núcleos de
gases nobles mediante bombeo óptico con intercambio de espín
incluye dos etapas: en la primera etapa es empleada luz de láser
resonante circularmente polarizada para iluminar un vapor de metal
alcalino, para alinear (polarizar) ópticamente el espín de los
electrones de los átomos del metal alcalino. Esta primera etapa es
denominada "bombeo óptico". En la segunda etapa, es
transferido algo de la alineación (polarización) a los núcleos de un
gas noble durante las colisiones con intercambio de espín entre los
átomos de metal alcalino polarizados y los átomos del gas noble.
Etapa segunda etapa es denominada "intercambio de espín". El
resultado final de este procedimiento en dos etapas es la
transferencia de un momento angular desde el haz del láser a los
núcleos de los átomos del gas noble.
Algo más en detalle, el intercambio de espín que
usa un metal alcalino comienza proporcionando un vapor
(preferentemente saturado) del metal alcalino a una cámara de
polarización. Normalmente esto es conseguido calentando la cámara
en una estufa, siendo seleccionada la temperatura según el metal
alcalino particular empleado. El vapor de metal alcalino es
seguidamente irradiado con luz circularmente polarizada a la
longitud de onda de una resonancia significativa del metal
alcalino. Normalmente, la luz tiene una longitud de onda en la
primera resonancia principal, es decir, la transición electrónica
D. para el rubidio, la longitud de onda es de 795 nm. Los átomos en
estado de base son elevados hasta un estado excitado absorbiendo la
energía incidente y posteriormente vuelve a caer hasta el estado de
base. En un campo magnético escaso, por ejemplo, de aproximadamente
0,001 T (10 G), este ciclo de los átomos entre el estado de base y
los estados excitados conduce a polarizaciones grandes
(aproximadamente 100%) en los pocos primeros milisegundos que siguen
a la iluminación.
La polarización electrónica se lleva a cabo
mayoritariamente por el electrón de la valencia única del metal
alcalino. Por lo tanto, esencialmente la totalidad de estos
electrones tienen sus espines alineados o
contra-alineados respecto al campo magnético,
dependiendo de la helicidad (estado de polarización circular hacia
la derecha o la izquierda) de la luz de bombeo. Si está presente
también un gas noble con espín nuclear que no es cero, los átomos
del metal alcalino pueden experimentar colisiones con los átomos del
gas noble, a través de lo cual la polarización de los electrones de
la valencia es transferida a los núcleos del gas noble por medio de
una alteración mutua del espín. Este "intercambio" del espín
resulta de la interacción hiperfina del contacto de Fermi entre el
electrón y el núcleo del gas noble.
La eficacia del procedimiento de transferir un
momento angular desde el láser hasta los núcleos de los átomos del
gas noble es definida como el número de núcleos del gas noble
polarizados dividido por el número de fotones de láser usados en el
procedimiento. La base física para la eficacia de dicho bombeo
óptico con intercambio de espín es la competencia entre los
procedimientos de transferencia de espín y otros procedimientos que
destruyen el espín. El número de fotones producidos por un sistema
de láser es directamente proporcional a la potencia de producción
del láser. Por lo tanto, un procedimiento para producir un gas noble
polarizado que tenga una eficacia de bombeo óptico con intercambio
de espín superior puede utilizar un sistema de láser menos potente
y menos costoso para polarizar una cantidad dada de gas hasta un
grado dado.
Cuando se considera el procedimiento de
intercambio de espín desde un metal alcalino hasta el gas noble, la
eficacia es definida como la fracción de momento angular transferido
al gas noble dividido por la suma del momento angular transferido
al gas noble y el momento angular perdido a través de otros
mecanismos. Se ha encontrado ahora, sorprendentemente, que la
eficacia que caracteriza el intercambio de espín entre metales
alcalinos y un gas noble puede ser significativamente modulada
seleccionando una combinación de metales alcalinos, denominada en
la presente memoria descriptiva "híbrido de metales alcalinos".
En particular, es posible actualmente aumentar sustancialmente la
eficacia del bombeo óptico con intercambio de espín seleccionado
combinaciones apropiadas de metales alcalinos. Por ejemplo, se ha
observado ahora que la eficacia que caracteriza el intercambio de
espín entre el potasio (K) y el helio-3 (^{3}He)
es aproximadamente diez veces mayor que la eficacia del intercambio
de espín entre el rubidio (Rb) y el ^{3}He. Un híbrido de
Rd-K según la invención mejora significativamente
la eficacia sobre la que es posible usando Rd solo.
La invención descrita en la presente memoria
descriptiva usa una mezcla híbrida de dos metales alcalinos
diferentes en el recipiente de bombeo óptico. El uso del híbrido de
metales alcalinos puede aumentar sustancialmente la eficacia del
procedimiento de bombeo óptico con intercambio de espín respecto a
las técnicas convencionales que utilizan solamente una especie de
metal alcalino en el recipiente de bombeo óptico. Entre las ventajas
del procedimiento de la invención está que el híbrido de metales
alcalinos puede ser usado en el contexto de los procedimientos
establecidos y disponibles para bombear ópticamente el vapor del
metal alcalino.
Aunque no se desean vinculaciones de carácter
teórico, se supone que en el bombeo óptico con intercambio de espín
con dos metales alcalinos diferentes según la invención, la
trayectoria primaria para el momento angular es congruente con
respecto a la que es empleada por los dos metales alcalinos. Esto
puede ser ilustrado en el contexto de un híbrido de metales
alcalinos que comprende rubidio y potasio.
El momento angular entra en la cámara de bombeo
óptico en la forma de fotones de láser circularmente polarizados
sintonizados a la transición electrónica D del Rb, alineando el
espín de los electrones de valencia del átomo de Rb. El átomo de Rb
polarizado colisiona seguidamente con un átomo de K, y la
polarización de Rb es seguidamente transferida al K a través del
procedimiento de intercambio de espín de
electrón-electrón que conserva el momento angular.
El átomo de K polarizado colisiona seguidamente con un átomo del gas
noble, transfiriendo la polarización desde el electrón de valencia
del átomo de K al núcleo del átomo de gas noble. El uso de K como un
asociado de intercambio de espín intermedio entre el Rb ópticamente
bombeado y los núcleos del gas noble hace posible que el experto en
la técnica aproveche parte del aumento de la eficacia asociada con
el sistema de K-^{3}He. Como consecuencia, al
experto en la técnica le es posible superar el hecho de que en la
actualidad los láseres capaces de bombear ópticamente el K de forma
directa son prohibitivamente caros.
Puede apreciarse que la trayectoria primaria
para la transferencia del momento angular tiene lugar desde el
metal alcalino primario hasta el metal alcalino auxiliar y
seguidamente hasta el gas noble, y que alguna fracción del momento
angular será probablemente transferida de forma directa desde el
metal alcalino primario hasta el gas noble. De hecho, el experto en
la técnica apreciará que se producirán numerosos procedimientos de
colisiones de forma simultánea en un sistema de gases que comprenda
una pluralidad de componentes. Sin embargo, normalmente lo que
sucede es que la contribución del mecanismo de transferencia directa
a la polarización neta del gas noble es sustancialmente menor que
la contribución del mecanismo de transferencia del híbrido.
Aunque la combinación especificada de Rb y K es
una mezcla de metales alcalinos especialmente preferida, la
invención puede ser puesta en práctica con cualesquiera dos metales
alcalinos. Por ejemplo, la eficacia de bombeo óptico con
intercambio de espín de Na-^{3}He está previsto
que sea un factor tres veces mayor que la de K-He.
Por lo tanto, la invención puede ser practicada de forma alternativa
usando K-Na como la mezcla de metales alcalinos. En
esta situación, el potasio esta ópticamente polarizado, mientras que
la transferencia de espín al ^{3}He está medida por el sodio.
\newpage
Alternativamente, dada una fuente de radiación
que emita a una longitud de onda apropiada, el sodio puede ser
ópticamente bombeado con una eficacia de polarización de
aproximadamente 100%. La transferencia de espín al ^{3}He puede
estar mediada a través de un híbrido que comprenda sodio (metal
alcalino primario) y potasio (metal alcalino auxiliar). La
composición del híbrido de metales alcalinos puede ser ajustada de
forma que solamente esté presente una cantidad menor de sodio,
minimizando así los efectos perjudiciales asociados con la
tendencia intrínseca de sodio a atacar la estructura del recipiente.
Por tanto, aunque la eficacia del procedimiento con intercambio de
espín que usa este híbrido de metales alcalinos es inferior a la
teóricamente posible para el sodio solo, las características únicas
del híbrido de metales alcalinos hacen posible que el experto en la
técnica supere un problema significativo de los materiales inherente
al uso del sodio.
Debe destacarse que están disponibles láseres
que emiten una radiación a longitudes de ondas apropiadas para
polarizar ópticamente sodio o potasio, pero actualmente son poco
prácticos económicamente en comparación con los sistemas
disponibles para polarizar rubidio. Consecuentemente, el metal
alcalino primario en muchas aplicaciones será el rubidio. A medida
que resulten disponibles más aparatos económicos para polarizar
ópticamente otro metal alcalino, el experto en la técnica
encontrará otras combinaciones de metales alcalinos eficaces para
polarizar gases nobles en esas situaciones.
Consecuentemente, el experto en la técnica
escogerá diseñar un sistema practicable basado en las ventajas
comparativas de los elementos componentes. Por ejemplo, el experto
en la técnica considerará parámetros como la eficacia del bombeo
óptico de los metales alcalinos particulares usando láseres
particulares, la eficacia del intercambio de espín entre los
diversos metales alcalinos, así como la eficacia de la transferencia
de espín desde metales alcalinos particulares hasta gases nobles
particulares. Serán considerados también otros parámetros, como la
temperatura a la que puede ser realizada la polarización, los
caudales que pueden ser conseguidos en sistemas de polarización
fluidos, las condiciones necesarias para separar el metal alcalino
del gas noble polarizado, etc. De hecho, el procedimiento de la
invención puede ser incorporado para ser usado en sistemas de
polarización fluidos como los descritos en la patente de EE.UU. nº
5.642.625.
El procedimiento de la invención puede ser usado
para hiperpolarizar cualquier gas noble. Los gases nobles
preferidos para la hiperpolarización incluyen ^{129}Xe y ^{3}He,
siendo más preferido el ^{3}He. Sin embargo, otros isótopos de
gases nobles que tengan un espín nuclear pueden ser hiperpolarizados
según la invención incluidos, por ejemplo, neón-21
(^{21}Ne), kriptón-83 (^{83}Kr) y
xenón-131 (^{131}Xe). El isótopo polarizable del
gas noble puede estar presente en el gas noble en abundancia
natural, o el gas noble puede estar enriquecido en el isótopo
deseado.
El gas noble puede ser proporcionado mezclado
con un gas amortiguador y/o un gas inactivador, para favorecer
adicionalmente la eficacia de la polarización. Los gases
amortiguadores funcionan para ensanchar por presión la banda de
absorción del metal alcalino primario, y son deseables en una
polarización a presión elevada, especialmente cuando la radiación
de la polarización es proporcionada en forma de una banda o de
longitudes de onda. Un gas inactivador preferido es ^{4}He
hidrógeno. Los gases de inactivación funcionan para suprimir la
fluorescencia de los átomos de metales alcalinos durante el
procedimiento de hiperpolarización. Los gases inactivadores
preferidos incluyen nitrógeno e hidrógeno.
Los metales alcalinos capaces de actuar como
mediadores de intercambio de espín en sistemas ópticamente bombeados
incluyen cualquiera de los metales alcalinos. Los metales alcalinos
preferidos incluyen sodio, potasio, rubidio y cesio. Normalmente,
estos metales alcalinos tendrán una abundancia isotópica natural,
sin enriquecimiento de ninguno de los isótopos particulares. Sin
embrago, pueden ser empleados metales alcalinos enriquecidos en
isótopos. Los isótopos preferidos incluyen litio-7
(^{7}Li), sodio-23 (^{23}Na),
potasio-39 (^{39}K), rubidio-85
(^{85}Rb), rubidio-87 (^{87}Rb) y
cesio-133 (^{133}Cs).
El híbrido de metales alcalinos según la
invención comprende un metal del alcalino primario y un metal
alcalino auxiliar. Estos términos son definidos en relación con un
sistema específico para hiperpolarizar un gas noble particular. Un
metal alcalino primario es definido como un metal alcalino es que es
capaz de una polarización óptica sustancial en el sistema de
hiperpolarización. Un metal alcalino auxiliar es definido como un
metal alcalino que (a) es capaz de un intercambio de espín con el
metal alcalino primario y el gas noble, y (b) es incapaz de una
polarización óptica significativa a la longitud de onda usada para
polarizar el metal alcalino primario. El híbrido de metales
alcalinos es proporcionado normalmente en forma de una aleación de
fases condensadas de los metales alcalinos primario y auxiliar. Sin
embargo, durante el procedimiento de polarización, los componentes
del híbrido de metales alcalinos están presentes cada uno en parte
en fase de vapor.
Normalmente, en la fase condensada, el híbrido
de metales alcalinos contiene los metales alcalinos primario y
auxiliar en una relación de aproximadamente 1:100 (\sim1% de
primario) a aproximadamente 100:1 (\sim99% de primario). Más
preferentemente, en la fase condensada, la relación de metales
alcalinos primario a auxiliar es de aproximadamente 1:25 (\sim4%
de primario) a aproximadamente 25:1 (\sim96% de primario). En el
caso de un híbrido de metales alcalinos en el que el rubidio es el
metal alcalino primario y el potasio es el metal alcalino auxiliar,
la relación de rubidio a potasio en la aleación puede ser de
aproximadamente 5:95 (\sim5% de primario).
Debido a la combinación de factores, la relación
en la fase de vapor del metal alcalino primario respecto al
secundario puede diferir significativamente de la correspondiente a
la fase condensada. Los factores que afectan a las relaciones en
vapor de metales alcalinos incluyen, por ejemplo, la temperatura de
la cámara de polarización (directamente relacionada con la
volatilidad), la reactividad comparativa de los metales alcalinos
con las paredes de la cámara de polarización y similares.
Consecuentemente, en la fase de vapor, la relación del metal
alcalino primario al auxiliar puede ser de aproximadamente 1:100
(\sim1% de primario) a aproximadamente 100:1 (\sim91% de
primario) y es más preferentemente de aproximadamente 1:30 (\sim3%
de primario) a aproximadamente 1:1 (\sim50% de primario) basada
en la densidad numérica de cada metal alcalino. Para ilustrar, la
relación en la fase de vapor para el híbrido de
Rd-K anteriormente proporcionado se observa que es
de aproximadamente 1:3 (\sim33%) a aproximadamente 220ºC, mientas
que, como se indicó, la relación en la fase condensada es de
aproximadamente 5:95 (\sim5%). En cualquier caso, es preferido
que el metal alcalino primario esté presente en una cantidad
suficiente en la fase de vapor, de forma que se absorba una
fracción significativa, más preferentemente de forma sustancial la
totalidad de la radiación polarizante incidente.
Las eficacias relativas de diversos metales
alcalinos para polarizar ^{3}He están relativamente bien
comprendidas, y generalmente está inversamente relacionado con el
peso atómico. En general, la eficacia de polarización sigue la
secuencia: Li, Na > K > Rb > Cs. El efecto puede ser menos
significativo en el caso de gases nobles más pesados.
El híbrido de metales alcalinos es proporcionado
normalmente en forma de una pequeña cantidad de metal depositado en
la cámara de polarización. El metal alcalino es proporcionado para
establecer el vapor de metal alcalino necesario en la cámara de
polarización bajo las condiciones para la polarización. Normalmente,
la cámara de polarización es calentada a una temperatura suficiente
para crear una densidad numérica apreciable de átomos de metal
alcalino en la cámara. Preferentemente, la cámara de polarización es
calentada a una temperatura suficiente para proporcionar una
saturación del gas en la cámara con el vapor de al menos uno, y
preferentemente los dos, de los metales alcalinos primario y
auxiliar. En sistemas de hiperpolarización fluidos, puede ser
proporcionado un vaporizador en dirección ascendente de la cámara de
polarización para proporcionar el vapor necesario. También, puede
ser proporcionado un condensador en dirección descendente de la
cámara de polarización para condensar el vapor de metal alcalino
que sale de la cámara hasta una forma líquida o sólida. Este
aparato, y el aparato de recirculación, son descritos en la
patenten de EE.UU. nº 5.642.625. Además, el uso de Na y K mejora la
separación de metales alcalinos del gas noble y prepolarizado, ya
que estos metales tienen una presión de vapor inferior y, por lo
tanto, se condensan fuera del gas hiperpolarizado más fácilmente que
los metales alcalinos con una presión de vapor superior. Esto da
lugar a un gas noble hiperpolarizado sustancialmente puro que está
sustancialmente exento de metales alcalinos.
La máxima polarización nuclear de gases nobles
en estado estacionario que puede ser conseguida depende de la
constante de tiempo que caracteriza el intercambio de espín con el
metal alcalino y la constante de tiempo que caracteriza la
relajación de (T_{1}) debida, por ejemplo, al contacto con las
superficies de la celda de bombeo. Los procedimientos para inhibir
la interacción de despolarización entre los núcleos del gas noble
polarizado y las superficies son conocidos en la técnica. Por
ejemplo, pueden ser fabricadas cámaras de polarización y otros
aparatos usado materiales que estén sustancialmente agotados en
impurezas paramagnéticas. También, pueden ser aplicados
revestimientos polímeros a las superficies interiores de aparato,
como se describe en la patente de EE.UU. nº 5.621.103. Sin embargo,
una consideración importante en la construcción de la cámara de
polarización es que resista a la degradación química por los metales
alcalinos. Por ejemplo, el sodio es bastante reactivo,
especialmente a temperaturas más elevadas.
Puede ser empleada cualquier fuente adecuada de
irradiación, con la condición de que la emisión de la irradiación
coincida apropiadamente con una transición electrónica útil (por
ejemplo, D_{1} o D_{2}) en el metal alcalino primario.
Normalmente, la fuente de irradiación es un láser. Preferentemente,
los fotones de hiperpolarización son suministrados por una o más
alineaciones de láseres de diodos que producen una potencia de onda
continua (cw). Sin embargo, puede ser aceptable cualquier sistema
láser que proporcione una potencia suficiente en las líneas D_{1}
o D_{2} del metal alcalino. El funcionamiento a presión elevada,
en el que el gas noble es proporcionado a la cámara de polarización
a presiones supra-atmosféricas, se ha encontrado que
requiere láseres capaces de suministrar más de 10 W y
preferentemente, más de aproximadamente 50 W de potencia. Los
láseres convencionales capaces de suministrar esta potencia son
prohibitivamente caros de adquirir y funcionar. Además de ello,
estos láseres son voluminosos y requieren instalaciones extensivas.
Las alineaciones de láseres de diodos evitan muchas de estas
desventajas, al ser pequeñas, relativamente baratas y económicas en
su funcionamiento.
Las alineaciones de láseres de diodo son bien
conocidas para ser usadas en el bombeo óptico de vapor de rubidio
para un intercambio de espín con gases nobles como ^{3}He y
^{129}Xe(Chupp et. al. 1989; Cummings et al.
1995). Los láseres convencionales emiten una luz coherente de una
longitud de onda única y, consecuentemente, exhiben un perfil
espectral extremadamente estrecho. Por el contrario, los láseres de
diodos son dispositivos de banda ancha que emiten luz normalmente
en una banda continua de longitudes de onda, es decir, las emisiones
tienen una anchura espectral. Normalmente, esta anchura espectral
es relativamente estrecha, apareciendo como un ensanchamiento
alrededor de alguna longitud de onda principal, y que tiene tan solo
aproximadamente 1-5 nm de ancho. Se ha observado
que la banda de absorción de los vapores de metales alcalinos pueden
ser ensanchada mediante el uso de presiones de gases elevadas en la
cámara de polarización. Esto puede ser realizado proporcionando el
gas noble mezclado con un gas amortiguador a presiones hasta
aproximadamente 10 atm. Por lo tanto, las alineaciones de diodos
son deseablemente empleadas conjuntamente con presiones de gases
elevadas en la celda de polarización, para aprovechar el
ensanchamiento inducido por la presión de la banda de absorción del
metal alcalino. Véase, por ejemplo, la patente de EE.UU. nº
5.642.625.
Los siguientes ejemplos son proporcionados para
ayudar a una mejor compresión de la invención. Los materiales
particulares y las condiciones empleadas está previsto que sean para
una ilustración adicional de la invención.
Ejemplo
1
Una celda de bombeo óptico es rellenada con una
aleación de Rb-K que comprende 5% de Rb y 95% de K y
es calentada a 218ºC. La química de los vapores sobre las
soluciones ideales establece que la presión de vapor de cada
especie de metal alcalino sea suprimida por su fracción en solución.
Las presiones de vapor en equilibrio de los metales alcalinos como
Rb y K están publicadas en "CRC Handbook of Chemistry and
Physics", 73 rd edition, CRC Press, Boca Raton (1992). En este
ejemplo, la relación de K a Rb en la fase de vapor del recipiente de
bombeo óptico es aproximadamente 3 a 1, y la densidad numérica de K
es aproximadamente 3 x 10^{14} cm^{-3} y la densidad numérica
de Rb es aproximadamente 1 x 10^{14} cm^{-3}. Esta elección de
la densidad numérica de Rb es suficientemente grande para absorber
una fracción sustancial de la luz de láser incidente. La densidad
numérica de metal alcalino total es comparable a la densidad
numérica de Rb típica usada en recipientes de bombeo óptico de
mono-metal alcalino, de forma que la cantidad de
tiempo requerida para polarizar una cantidad de gas noble sería
igual en los dos procedimientos. Sin embargo, debido a la mezcla de
metales alcalinos, este recipiente de bombeo óptico con intercambio
de espín es más eficaz. Asignando valores razonables a otras
cantidades relevantes, la polarización de ^{3}He máxima alcanzable
utilizando esta mezcla es de 65%. La eficacia de un sistema de
bombeo óptico con intercambio de espín que funcione con este híbrido
de metales alcalinos es hasta cinco veces mayor que la de una celda
de Rb puro. Por lo tanto, puede ser polarizado 5 veces más de un
gas noble con el mismo láser. Como el precio del láser representa el
coste principal en la construcción de un sistema de bombeo óptico
con intercambio de espín, esto representa una mejora sustancial
sobre las tecnologías existentes que utilizan recursos de láser.
Es evidente que esta invención mejora
significativamente la eficacia de los sistemas de láser existentes
usados para polarizar gases nobles, y hace posible también que el
experto en la técnica use láseres más pequeños y más baratos que
actualmente tienen una potencia insuficiente para realizar el
resultado deseado por otros medios.
Por tanto, aunque ha sido descrito lo que se
cree actualmente que son las realizaciones preferidas de la presente
invención, los expertos en la técnica comprobarán que pueden
hacerse otras realizaciones sin apartarse del alcance de las
reivindicaciones expuestas en la memoria descriptiva.
Las siguientes publicaciones son mencionadas en
la memoria descriptiva que antecede.
Albert MS, Cates GD,
Driehuys B, Happer W, Saam B, Springer
CS, and Wishnia A, "Biological magnetic resonance imaging
using laser-polarized 129Xe", Nature 370:
199-201 (1994).
Anthony PL et al.,
"Determination of the neutron spin structure function", Phys
Rev Lett 71:959-962 (1993).
Bouchiat MA, Carver TR, and
Varnum CM, "Nuclear polarization in 3He gas induced by
optical pumping and dipolar exchange", Phys Rev Lett
5:373-377 (1960).
Bhaskar ND, Happer W, and
McClelland T, Phys Rev Lett 49:25 (1982).
Cates GD, Fitzgerald RJ,
Barton AS, Bogorad P, Gatzke M, Newbury
NR, and SaamB, Phys Rev A 45:4631 (1992).
Chupp TE and Wagshul M, Phys
Rev A 40:4447 (1989).
Chupp TE, Hoare RJ,
Walsworth RL, and Wu B, Phys Rev Lett, 72:2363
(1994).
Cummings WJ, Häusser O,
Lorenzon W, Swenson DR, and Larson B,
"Optical pumping of Rb vapor using high power
Ga1-xAlxAs diode laser arrays", Phys Rev A
51(6):4842-4851 (1995).
Driehuys B, Cates GD,
Happer W, Mabuchi H, Saam B, Albert MS,
and Wishnia A, Phys Lett A 184:88 (1993).
Gatzke M, Cates GD,
Driehuys B, Fox D, Happer W, and Saam B,
"Extraordinarily slow nuclear spin relaxation in frozen
laser-polarized 129Xe", Phys Rev Lett
70:690-693 (1993).
Happer W, Miron E, Schaefer
S, van Wijngaarden WA, and Zeng X, "Polarization of
the nuclear spins of noble-gas atoms by spin
exchange with optically pumped alkali-metal
atoms", Phys Rev A 29:3092 (1984).
Laloë F, Nacher PJ, Leduc
M, Schearer LD, AIP Conf Proc #131 (Workshop on polarized 3He
beams and targets) (1984).
Long HW, Gaede HC, Shore J,
Reven L, Bowers CR, Kritzenbereger J,
Pietrass T, Pines A, Tang P, and Reimer
JA, J Am Chem Soc 115:8491 (1993).
Middleton H, "The spin structure of the
neutron determined using a polarized 3He target", Ph. D.
Thesis, Princeton University (1994).
Middleton H, Black RD, Saam
B, Cates GD, Cofer GP, Guenther R,
Happer W, Hedlund LW, Johnson GA, Juvan
K, and Swartz J, "MR Imaging with hyperpolarized 3He
gas", Magn Reson Med 33:271-275
(1995).
Newbury NR et al., "Laser
polarized muonic helium", Phys Rev Lett 69:391
(1992).
Raftery D, Long H, Meersman
T, Grandinetti PJ, Reven L, and Pines A,
Phys Rev Lett 66:584 (1991).
Schearer LD, Phys Rev 180:83
(1969).
Zeng X, Wu Z, Call T,
Miron E, Schreiber D, and Happer W, Phys Rev
A 31:260 (1985).
Claims (24)
1. Un procedimiento para hiperpolarizar un gas
noble que tiene un espín nuclear que no es cero mediante bombeo
óptico con intercambio de espín, procedimiento que comprende:
proporcionar una celda de polarización que
contiene dicho gas noble, un metal alcalino primario y un metal
alcalino secundario diferente; e
iluminar la celda de polarización con una
radiación que tenga una longitud de onda apropiada para polarizar
ópticamente el metal alcalino primario, de forma que el metal
alcalino secundario no sea susceptible de ser ópticamente
polarizado a dicha longitud de onda; haciendo posible así una
interacción con intercambio de espín entre el metal alcalino
primario, el metal alcalino secundario y el gas noble;
con lo que la transferencia de espín al gas
noble, mediada por el metal alcalino secundario, produce gas noble
hiperpolarizado, de forma que el grado de hiperpolarización está
aumentado en comparación con una situación en la que estuviera
ausente el metal alcalino secundario.
2. Un procedimiento según la reivindicación 1,
en el que la relación de fases de vapor del metal alcalino primario
respecto al metal alcalino secundario es de aproximadamente 1:100 a
aproximadamente 10:1.
3. Un procedimiento según la reivindicación 2,
en el que la relación de fases de vapor del metal alcalino primario
respecto al metal alcalino secundario es de aproximadamente 1:30 a
aproximadamente 1:1.
4. Un procedimiento según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 3, en el que el metal alcalino primario es
rubidio y el metal alcalino secundario es potasio.
5. Un procedimiento según la reivindicación 4,
en el que la relación de fases de vapor de rubidio a potasio es de
aproximadamente 1:3.
6. Un procedimiento según la reivindicación 1,
en el que el metal alcalino primario es potasio y el metal alcalino
secundario sodio.
7. Un procedimiento según la reivindicación 1,
en el que el metal alcalino primario es sodio y el metal alcalino
secundario es potasio.
8. Un procedimiento según la reivindicación 1,
en el que el metal alcalino secundario tiene una eficacia mayor que
el metal alcalino primario en la polarización del gas noble.
9. Un procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que el gas noble es ^{3}He.
10. Un procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que la celda de polarización
contiene adicionalmente al menos uno de un gas amortiguador y un gas
inactivante.
11. Un aparato para hiperpolarizar un gas noble
por bombeo óptico con intercambio de espín, que comprende:
- una celda de polarización que contiene un gas noble y un metal alcalino primario; y
- una fuente de bombeo óptico configurada para polarizar ópticamente el metal alcalino primario en la celda de polarización,
en el que, en funcionamiento, la transferencia
de espín al gas noble produce gas noble hiperpolarizado,
caracterizado porque la celda de polarización contiene un
metal alcalino secundario diferente incapaz de ser ópticamente
polarizado a la longitud de onda usada para polarizar el metal
alcalino primario, haciendo posible la mezcla de dichos metales
alcalinos y el gas noble una interacción con intercambio de espín
entre el metal alcalino primario, el metal alcalino secundario y el
gas noble; con lo que la transferencia de espín al gas noble,
mediada por el metal alcalino secundario, produce gas noble
hiperpolarizado, de forma que el grado de hiperpolarización es
mejorado en comparación con una situación en la que estuviera
ausente el metal alcalino secundario.
12. Aparato según la reivindicación 11, en el
que la fuente de bombeo óptico genera una luz que tiene una
longitud de onda en la primera resonancia principal, es decir, la
transición electrónica D1 del metal alcalino primario.
13. Aparato según la reivindicación 11 ó 12, en
el que la relación de fases de vapor del metal alcalino primario al
metal alcalino secundario es de aproximadamente 1:100 a
aproximadamente 10:1.
14. Aparato según la reivindicación 13, en el
que la relación de fases de vapor del metal alcalino primario al
metal alcalino secundario es de aproximadamente 1:30 a
aproximadamente 1:1.
15. Aparato según la reivindicación 11, en el
que la relación de fases condensadas del metal alcalino primario al
metal alcalino secundario es de aproximadamente 1:100 a
aproximadamente 100:1.
16. Aparato según la reivindicación 11, en el
que el híbrido de metales alcalinos que consiste en el metal
alcalino primario y el secundario es una aleación de rubidio y
potasio.
17. Aparato según la reivindicación 16, en el
que el metal alcalino primario es rubidio y el metal alcalino
secundario es potasio.
18. Aparato según la reivindicación 16 ó 17, en
el que la relación de fases de vapor de rubidio a potasio es
aproximadamente 1:3.
19. Aparato según la reivindicación 11, en el
que el híbrido de metales alcalinos que consiste en el metal
alcalino primario y el secundario es una aleación que comprende
aproximadamente 5% de rubidio y aproximadamente 95% de potasio en
la fase condensada.
20. Aparato según la reivindicación 11, en el
que el metal alcalino primario es potasio y el metal alcalino
secundario es sodio.
21. Aparato según la reivindicación 11, en el
que el metal alcalino primario es sodio y el metal alcalino
secundario es potasio.
22. Aparato según la reivindicación 11, en el
que el metal alcalino secundario tiene una eficacia aumentada sobre
la del metal alcalino primario en la polarización del gas noble a
través de un intercambio de espín.
23. Aparato según una cualquiera de las
reivindicaciones 11 a 22, en el que el gas noble es ^{3}He.
24. Aparato según una cualquiera de las
reivindicaciones 11 a 23, en el que la celda de polarización
contiene adicionalmente al menos uno de un gas amortiguador y un
gas inactivante.
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