JP4231533B2 - スピン偏光したキセノン−129用の低温アキュムレーター - Google Patents
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Description
本発明は希ガスを過偏光(hyperpolarize)させる装置および方法に関する。詳細には、本発明は連続方式でかなりの量の過偏光希ガスを製造して蓄積する方法および装置に関する。
a)ガスが貫流することが可能な蓄積貯蔵器と、
b)129Xeを凍結状で蓄積貯蔵器内に蓄積させるのに十分な温度まで蓄積貯蔵器を冷蔵するための冷蔵手段と
を含む蓄積手段内に129Xeを蓄積することを含む。
a)貫通する過偏光129Xeを蓄積するための蓄積貯蔵器と、
b)過偏光129Xeを凍結状で蓄積させるのに十分な温度まで蓄積貯蔵器を冷蔵するための冷蔵手段と
を含む。
a)流動する129Xeを提供するのに適した起源ガス供給システムと、
b)流動する129Xeを過偏光して流動する過偏光129Xeを提供するための過偏光手段と、
c)過偏光129Xeを蓄積するための蓄積手段と
を含む。
好ましくは、蓄積手段は、
a)過偏光129Xeを蓄積するための蓄積貯蔵器と、
b)129Xeを凍結状で蓄積貯蔵器内に蓄積させるのに十分な温度まで貯蔵器を冷蔵するための冷蔵手段と
を含む。
磁界を、好ましくは、蓄積温度における過偏光129Xeのスピン格子緩和時間を最大化するのに十分な磁界を、蓄積貯蔵器に印加する手段を、蓄積手段がさらに含む装置も望ましい。
a)流動する129Xeを偏光するための偏光チャンバと、
b)偏光チャンバ内に過偏光放射線を送ることができる光源と
を含む過偏光手段を含む。
スピン交換過偏光手順中に、アルカリ金属蒸気を提供するのに十分な量のアルカリ金属、好ましくはルビジウムまたはセシウムを、偏光チャンバに提供することができる。アルカリ金属気化装置およびアルカリ金属還流装置を組込んで、流動構成におけるアルカリ金属の損失を制限することが可能である。
a)129Xeを蓄積するための蓄積貯蔵器と、
b)蓄積貯蔵器内に129Xeを蓄積させるのに十分な温度まで蓄積貯蔵器を冷蔵するための冷蔵手段と、
c)蓄積貯蔵器に磁界を印加するための手段と
を含むアキュムレーター手段の中を、過偏光129Xeを含有す標的ガスを貫流させて過偏光129Xeを蓄積することを含む。
a)過偏光129Xeを含有す標的ガスを、過偏光手段の中を貫流させることと、
b)過偏光手段内でアルカリ金属原子とのスピン交換によって129Xeを過偏光させ、標的ガス中に過偏光129Xeを提供することと、
c)標的ガスを、蓄積手段の中を貫流させ、凍結状で過偏光129Xeを蓄積させることと
を含み、
アキュムレーター手段が、
1)凍結した過偏光129Xeを蓄積するための蓄積貯蔵器と、
2)129Xeを凍結状で蓄積貯蔵器内に蓄積させるのに十分な温度まで蓄積貯蔵器を冷蔵するための冷蔵手段と
を含む過偏光129Xeの連続蓄積法を提供する。
本発明の好ましい実施態様は、例示および説明のために選択されたものであり、いずれにしても、本発明の範囲を制限するためのものではない。本発明のある局面の好ましい実施態様を添付の図面に示す。
a.光ポンピングセル4の中での過偏光およびキセノンアキュムレーター17での蓄積用には、約0.1%から約5%の129Xe(すなわち少なくともほぼ天然の同位元素組成のキセノン)。
b.光ポンピングセル4内で蛍光を消すためには、約1%から約3%のN2。N2の代わりに幾らか高い分圧(たとえば、約1%から約30%)でH2を使用し、N2ガスと比較して小さいH2中のアルカリ金属原子のスピン偏光解消横断面を利用することが可能である。
c.光ポンピングセル4内のアルカリ金属原子の光吸収線を広げる圧力の場合、ガスの残りは緩衝ガス、好ましくはHeである。Heガスが、キセノンと比較して無視できるスピン偏光を確実に惹起するように、Heガス圧を調節する。他のガス混合物を使用して、消光特性およびプレッシャーブロードニング特性を標的ガスに与えることが可能である。
偏光工程は、偏光可能な希ガス(一般に、だいたい0.1〜数十気圧)と少量(一般に10〜100Torr)の消光用ガス(通常は窒素であるが、水素または他のガスでも可)の両者を必要とする。消光用ガスは光ポンピングエ程の効率を高める。過偏光129Xeの場合、アルカリ金属吸収線を広げて偏光効率を高める作用をする、多量の緩衝ガス(一般に約1〜数十気圧)も含むことが好ましい。
使用した個々の材料および条件は、本発明をさらに例証するためであり、発明の妥当な範囲を制限するものではない。
連続流れ偏光装置は一般に上記図1に図示した構造に準拠して構築されてきた。ポンピングチャンバは長さ6cm、容積約30cm3のガラス製円筒である。光軸は、チャンバの縦軸と同一線上にある。
ポンピングチャンバを通る最適流れは温度によって異なることを我々は発見した。この30cm3のチャンバ内で129Xe(96%の4He中に3%、10atm)を過偏光させる場合、流速は150℃で約300cm3〜約600cm3/分の範囲内であろう。150℃でレーザー光線の約20%〜約30%が吸収され、これはスピン交換時間(τSE)22秒に相応し、平均ルビジウム偏光は約50%であることがモデリングでわかる。
偏光した固体129Xeの緩和時間によって、蓄積の時間尺度が決定される。蓄積時間が固体129Xeの緩和時間より著しく長いと、129Xe偏光は低減する。77Kで且つ磁界が500G以上のとき、T1=3時間である。上記の通り、ポンプチャンバ温度が150℃の場合、スピン交換時間はτSE=22秒である。[He]=10amagat中[Xe]=2amagatの飽和偏光は88%である。所定の129Xeがポンプチャンバ内で時間2τSEを費やす流速を設定すると、結果として生じる129Xe偏光はその86%であり、すなわち、P=76%である。相応するキセノン流速はF=(0.2amagat×20cm3/44秒)=0.09amagat cm3s-1である。3時間の蓄積で、標準温度および標準圧力(STP)で約1Lの偏光ガスが生じる。固体の緩和時間を考慮すると、このようにして得られた1Lは、凍結時に初期偏光の63%を保持し、P=48%である。
実施例1に記載の装置を使用して、天然同位元素存在度が129Xe約26%であるXe3%、N21%、4He96%のガス混合物を偏光させた。さらに、本発明によるアキュムレーターを使用して、ポンプチャンバを出るガスを蓄積した。このアキュムレーターは液体窒素をアキュムレーター貯蔵器の冷凍剤として使用した。貯蔵器は、過偏光129Xe含有ガスがその中を貫流するガラス製の冷たい指状のものであった。約1800Gの磁界を生じる小さい永久磁石を設置して、貯蔵器に適当な磁場を提供した。ガラス製導管を使用して、ポンピングチャンバからアキュムレーター貯蔵器にガスを運んだ。
このシステムを使用すると、0.5時間で120cm3(STPで)の過偏光129Xeが蓄積した。蓄積中の標的ガスの名目上の流速はSTPで80〜100cm3/分であった。ガス混合物は、Xeが僅か3%であっため、STPで約3cm3/分までのキセノン蓄積速度が可能であった。129Xeは、昇華すると同時に、パルスNMRコイルを備えたポンピングチャンバ内で膨張した。NMR信号の強さは、密封されたポンプチャンバ内のHe:Xe:N2ガス混合物でも見られる最大飽和の約1/4であると決定された。コンピュータのモデリングから、光ポンピング手順中の129Xeの飽和偏光は約75%であると考えられる。静電容量型圧力計で、昇華したキセノンの圧力は1.21atmであると決定されたのに対して、ポンピング中のガス混合物のキセノンは0.27atmであった。圧力とNMR信号の比率を与えると、蓄積された129Xeのおおよその偏光は5%であった。
構築された装置の出口マニホールド部品の体積をおおまかに較正し(〜±5%)、流量計上の流速も同様に較正してきたが、これは正確と考えられる。アキュムレーター貯蔵器内に蓄積されたキセノンの量は、誤差の範囲内から蓄積中の流量計の流速示度に蓄積時間を掛けた積に相当する。これは、ガス混合物中のキセノンの実質的に全部がアキュムレーター内に効果的に捕捉されることを示す。
Claims (19)
上記過偏光された129Xeと上記少なくとも一つの他の選択されたガスを上記偏光セルからガス導入ポートを通って蓄積貯蔵器に流動させるステップであって、該蓄積貯蔵器での貫流を許容する流動ステップと、
上記蓄積貯蔵器を129Xeが凍結する温度まで冷却するステップと、
上記蓄積貯蔵器に上記過偏光された129Xeを凍結状で蓄積するステップであって、上記凍結された129Xeを上記蓄積貯蔵器に保持しながら、上記少なくとも一つの他のガスを上記蓄積貯蔵器から流動的に導出させる蓄積ステップと、
上記蓄積貯蔵器に磁界を印加するステップと、
を含んでなる過偏光された129Xeを蓄積する方法。
上記過偏光129Xeを供給するために、上記蓄積貯蔵器から実質的にキセノンからなり過偏光129Xeを含む上記ガスを放出するステップと
をさらに含む請求項1〜8のいずれかに記載の方法。
(b)過偏光129Xeを凍結状で蓄積させるのに充分な低温に上記蓄積貯蔵器を冷蔵するために、該貯蔵器に連結した冷蔵手段と、
(c)上記蓄積温度における上記過偏光129Xeのスピン格子緩和時間を最大化するのに充分な磁界を上記蓄積貯蔵器に印加する手段と、
を含んでなる過偏光129Xeを蓄積するための蓄積装置であって、
上記蓄積貯蔵器の流動ガス導入ポートと連結する弁と、上記導入ポートの下流で上記蓄積貯蔵器の流動ガス放出ポートと連結する別個の放出弁とをさらに備えてなり、これらの弁が、それぞれの導入ガス路と放出ガス路を開閉でき、上記蓄積貯蔵器及び/又はガス抜きを通るガス流を調節する蓄積装置。
(b)上記マニホールドから酸素を除去するために真空源と連結されたポンピングポートと
をさらに備える請求項11に記載の装置。
(b)過偏光 129 Xeを凍結状で蓄積させるのに充分な低温に上記蓄積貯蔵器を冷蔵するために、該貯蔵器に連結した冷蔵手段と、
(c)上記蓄積温度における上記過偏光 129 Xeのスピン格子緩和時間を最大化するのに充分な磁界を上記蓄積貯蔵器に印加する手段と、
を含んでなる過偏光 129 Xeを蓄積するための蓄積装置であって、
上記蓄積貯蔵器に連結する偏光セルをさらに備え、該蓄積貯蔵器が該偏光セルの下流に設けられ、
上記偏光セルと上記蓄積貯蔵器に連結するマニホールドであって、該マニホールドによって画定される流路を選択的に開閉可能とする弁を有するマニホールドと、
上記マニホールドから酸素を除去するために真空源と連結されたポンピングポートと
をさらに備える蓄積装置。
上記弁が閉められている間、上記凍結129Xeを加熱するために上記蓄積貯蔵器と連結する熱源と、
加熱時に過偏光129Xeの過剰の加圧を抑制するために上記蓄積貯蔵器と連結する圧力ベントと
をさらに備える請求項16〜18のいずれかに記載の装置。
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