JP4350775B2 - スピン分極された希ガスを製造するための大容量超分極装置 - Google Patents
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Description
本発明は、希ガスを超分極(hyperpolarizing)させるための装置及び方法に関する。詳細には、本発明は連続的方法で多量の超分極された希ガスを製造するための方法及び装置に関する。
a)希ガスを含んでいる標的ガス(target gas)をポンピングチャンバを通して流すことと、
b)アルカリ金属原子とのスピン交換によってポンピングチャンバ内の流れている希ガスを超分極させることと
を含み、流れている超分極された希ガスを提供する方法である。
a)流れている希ガスを送給できるようになっている標的ガス送達システムと、
b)アルカリ金属原子とのスピン交換によって流れている希ガスを超分極させるためのポンピングチャンバと、
c)ポンピングチャンバ内の流れている希ガスを超分極させるための超分極手段と
を含んでいる。
1)超分極放射線を送給することのできるレーザーシステムと
2)超分極法の制御及び監視を可能にするコンピュータシステムと
を含んでなる超分極手段と、
1)希ガス、好ましくは3Heを含有している標的ガスを高圧で保持及び送給するための標的ガス送給システム、及び
2)標的ガス送給システムと流体連絡しているポンピングチャンバと
を含んでなる交換可能な分極ユニットとからなっている。
本実施態様では、交換可能な分極ユニットは、希ガスの超分極のためにレーザー源からの光エネルギーをポンピングチャンバ内に伝達するためにポンピングチャンバが配向されるように該ユニットが超分極手段と組合わさっており、一緒に作動できるような形状に作られている。好ましくは、本装置は希ガスとアルカリ金属の原子間でのスピン交換によって超分極を生じさせることができるようになっている。
本実施態様では、超分極システムは希ガスを通し、さらに分極ユニットがそれに組合わさっているときにポンピングチャンバ内へ超分極放射線を送球できるようになっている汎用ポンピングチャンバを有する取外し可能な分極ユニットと一緒に取外し可能に組合わさって一緒に作動するようになっている。超分極システムは好ましくは希ガスのスピン交換分極を可能にする。
本発明の好ましい実施態様は図解及び説明の目的で選択されており、いかなる点においても本発明の請求の範囲を制限することは意図されていない。本発明の一定の態様の好ましい実施態様を下記の添付の図面において示す。
a.光ポンピングセル4内での超分極及びキセノンアキュムレータ17における集積のための約0.1%〜約5%の129Xe(若しくは少なくともほぼ天然同位体組成のキセノン);
b.光ポンピングセル4内で蛍光をクエンチするための約1%〜約3%のN2。N2ガスに比較してH2ガスにおけるアルカリ金属原子のより小さなスピン減極断面積を利用するために、N2の代わりにいくらか高い部分圧(例、約1%〜約30%)でH2が使用されてもよい;
c.ガスの残余は、光ポンピングセル4内のアルカリ金属原子の光吸収線のプレッシャーブロードニングのためのバッファガス、好ましくはHeである。HEガス圧は、キセノンに比較してほんの僅かなスピン減極を誘発することを保証するように調整される。標的ガスへのクエンチング及びプレッシャーブロードニング特性を与えるためにその他の混合ガスが使用されてもよい。
標準的には、これらの弁はPyrexガラス製本体及びステムを有しており、同様にアルカリ金属に対して抵抗性である柔軟かつ弾性のシールを備えている。そうしたシールは標準的にはOリングであり、様々な高分子材料から製造することができる。アルカリの攻撃に実質的に全く感受性を示さない好ましいOリング材料は、エチレンとプロピレンの共重合体である。適合する可能性のあるその他の重合体類にはシリコン重合体類が含まれる。VitonTM、Teflonその他のようなフルオロエラストマー類はアルカリの攻撃に対して比較的に抵抗性が小さいために余り望ましくないが、短期間の使用には適する。アルカリ攻撃に対するOリング類の抵抗性は重要な特徴であるが、これは万一破損したOリングを通して酸素が流入した場合にはポンピングチャンバの酸化が発生する可能性があるためである。
好ましくは、観察窓は光軸に実質的に垂直な位置から分極チャンバの視認を許容するように配向される。この窓7dは、アルカリ金属蒸気の光ポンピングの結果として生じるD2共鳴蛍光の観察を許容する。図3はさらに、蛍光視認手段を図示している。一般的には、そうした手段は蛍光を観察するためにD2フィルタ7bと一緒にビデオカメラ7a及びモニタ7cを含んでいる。光ポンピング温度を最大化し、レーザーを整列させ、並びにレーザー波長を調整するためには画像を使用することができる。
本システムは、同時に分極チャンバの品質の重大な低下を防止するためにガス流における十分な純度を同時に保証しながら分極チャンバ内へ制御可能な混合ガスを導入する。分極チャンバの品質はその中で超分極されるガスのT1(分極寿命)によって決定される。分極チャンバの質は、ガスの不純物及び壁上の汚染物質の両方によって影響を受けることが知られている。
本発明に従った連続式流動分極装置は一般に上記で説明され、図2に図示されている構造に従って構成されてきた。ポンピングチャンバは長さ6cm及び容量約30cm3のガラス製シリンダである。光軸はチャンバの縦軸と同一直線上にある。
我々は、ポンピングチャンバを通る最適の流れが温度に依存することを発見した。この30cm3のチャンバ内での129Xe(ヘリウム96%中の3%;10atm)の超分極については、流量は150℃で約300cm3/min〜約600cm3/minの範囲内である。モデリングは、約20%〜約30%のレーザー光が150℃で吸収され、これは22sのスピン交換時間(τSE)、及び約50%の平均ルビジウム分極に相当することを示している。
約26%の129Xe、1%の窒素、及び96%のヘリウムの天然同位体組成を有している3%のXeの混合ガスを例1記載の装置を使用して分極した。さらに、本発明に従ったクライオトラッピングアキュムレータを使用してポンピングチャンバに残留しているガスを集積させた。ガラス製冷却指用の冷媒として液体窒素を使用して、120cm3の冷凍超分極129Xeを0.5時間で集積させた。集積中の標的ガスの公称流量はSTPで80−100cm3/minであった。混合ガスはたった3%のXeであったので、これはSTPで約3cm3/minまでのキセノン集積量を許容した。昇華すると、129Xeはパルス式NMRコイルが装備されたポンピングチャンバ内で再び膨張することが許容された。NMR信号
強度は密閉されたポンピングチャンバ内のHe:Xe:N2混合ガスから見てさえ最大飽和の約1/4であると測定された。コンピュータモデリングから、光ポンピング方法中の129Xeの飽和分極は約75%であると考えられる。昇華キセノンの圧は、静電容量マノメータを用いてポンピング中の混合ガス中のキセノンの−/27atmに比較して1.21atmであると測定された。圧及びNMR信号の割合を前提として、我々は集積129Xeの5%の粗分極に到達した。
Claims (16)
- a)希ガスを含んでなる高圧条件下の標的ガスを、連続的に分極可能な量の希ガスの多くを保持できる加圧されたガス供給源から連続式又は半連続式にポンピングチャンバに制御可能に流すステップであって、前記ポンビングチャンバが、吸気ポートと該吸気ポートとは別個の排気ポートとを有し、上記ガス供給源から上記標的ガスの連続量が、上記吸気ポートから上記ポンピングチャンバへ流れるステップと、
b)超分極された希ガス流を得るために、上記ポンビングチャンバを通して上記標的ガスを連続的に流しながら、または上記ポンピングチャンバ内の上記標的ガスを一時的に分離して、上記ポンピングチャンバ内の第1の量の上記標的ガスを、アルカリ金属原子とのスピン交換によって超分極するステップと、該ポンピングチャンバの排気ポートから超分極させた第1の量の標的ガスを連続式又は半連続式に制御可能に放出するステップと、
c)上記ポンピングチャンバから放出された上記超分極された第1の量の標的ガスを集積するステップと、
d)超分極された希ガス流を供給するために、上記ポンビングチャンバを通して上記標的ガスを連続的に流しながら、または上記ポンピングチャンバ内の上記標的ガスを一時的に分離して、上記ポンビングチャンバ内の第2の量の上記標的ガスを、アルカリ金属原子とのスピン交換によって超分極するステップと、該ポンピングチャンバの排気ポートから超分極させた第2の量の標的ガスを連続式又は半連続式に制御可能に放出するステップと、
e)上記ポンピングチャンバから放出された上記超分極された第2の量の標的ガスを集積するステップと、
を含む、連続的に流れる又は一時的に中断された希ガスを超分極する、超分極希ガスの製造方法。
- 前記アルカリ金属と前記希ガスの原子間のスピン交換時間τSEの0.5〜5倍の前記希ガスの平均原子滞留時間を生じさせる速度で、前記ポンピングチャンバを通して前記標的ガスが流れる請求項1に記載の方法。
- 前記アルカリ金属と前記希ガスの原子間のスピン交換時間τSEの1〜3倍の前記希ガスの平均原子滞留時間を生じさせる速度で、前記ポンピングチャンバを通して前記標的ガスが流れる請求項2に記載の方法。
- 前記希ガスが、129Xeを含有し、前記標的ガスを流すステップが、前記希ガスの前記超分極の間、前記分極チャンバを通って前記標的ガスを連続式に流すことを含んでなる請求項1〜3のいずれかに記載の方法。
- 前記希ガスが、3Heを含み、さらに、前記ポンビングチャンバ内で前記希ガスの少なくとも二回の別個量の超分極を許容するために、前記ポンピングチャンバ内に前記標的ガスを一時的に分離するステップを含んでなり、
前記ポンビングチャンバの排気ポートから、前記少なくとも二回の別個量の超分極のうち超分極された第1の量の標的ガスを、前記吸気ポートを通って前記ポンビングチャンバに連続する前記少なくとも二回の超分極のための第2の量の標的ガスを導入する前に放出する請求項1〜3のいずれかに記載の方法。 - 前記高圧下の標的ガスをポンピングチャンバに制御可能に流すステップの前に、前記ガス供給源から前記ポンビングチャンバの吸気ポートまでのラインを不活性バッファガスでパージングする又は該ラインを排気する洗浄ステップをさらに含んでなる請求項1〜5のいずれかに記載の方法。
- 前記標的ガス供給源が、予め混合された、希ガスを含むマルチプルガスを含有する請求項1〜6のいずれかに記載の方法。
- (a)光学的にポンプされたアルカリ金属原子とのスピン交換によって、連続式に流れる又は半連続式に流動可能な希ガスを超分極するためのポンピングチャンバであって、半連続式なモードでは、一時的に分極可能な量の希ガスの多くを、制御可能に繰り返して、受け入れ、分極し、放出できるポンピングチャンバと、
(b)希ガスを含む標的ガス流を、連続的に及び/又は一時的に分極可能な量の希ガスの多くを保持するできる加圧ガス供給源から前記ポンピングチャンバに連続式に又は半連続式に送給できる標的ガス送給システムと、
(c)前記ポンピングチャンバ内の前記希ガスを超分極するための超分極手段と、
を含んでなる、希ガスを超分極するための装置であって、
前記標的ガス供給システムが、希ガスを含むマルチプルガスを含有する、予め混合され加圧された標的ガス源を含み、
前記装置が、加圧された予め混合された標的ガス供給が前記標的ガス供給システムと前記ポンピングチャンバの間に延びる供給路に連結された後、該供給路を洗浄するための、前記ポンピングチャンバと連体連動するパージガス放出ベントとパージガスとをさらに備える装置。 - 前記アルカリ金属と前記希ガスの原子間のスピン交換時間τSEの0.5〜5倍の前記希ガスの平均原子滞留時間を生じさせる速度で、前記ポンピングチャンバを通して前記標的ガスが流れる請求項8に記載の装置。
- 前記アルカリ金属と前記希ガスの原子間のスピン交換時間τSEの1〜3倍の前記希ガスの平均原子滞留時間を生じさせる速度で、前記ポンピングチャンバを通して前記標的ガスが流れる請求項9に記載の装置。
- 前記希ガスが、3Heを含み、前記超分極手段が、アルカリ金属原子とのスピン交換によって3Heの超分極を可能とするのに充分な超分極放射線を送給するためのレーザシステムを含み、前記ポンピングチャンバが、3Heを含む標的ガスの半連続式な流れを許容でき、前記装置と取り外し可能な分極ユニットの中に置かれ、該分極ユニットが該装置上に置かれるときは、該装置は前記ポンピングチャンバ内へ超分極放射線を送給できる請求項8に記載の装置。
- 前記希ガスが、129Xeを含み、前記超分極手段が、アルカリ金属原子とのスピン交換によって129Xeの超分極を可能とするのに充分な超分極放射線を送給するためのレーザシステムを含み、前記ポンピングチャンバが、129Xeを含む標的ガスの連続式な流れを許容でき、前記装置と取り外し可能な分極ユニットの中に置かれ、該分極ユニットが該装置上に置かれるときは、該装置は前記ポンピングチャンバ内へ超分極放射線を送給できる請求項8に記載の装置。
- 前記標的ガス供給システムが、前記希ガスを含むマルチプルガスの加圧され予め混合された標的ガス源を備え、
前記装置が、前記ポンピングチャンバへの流路を開閉するために、前記標的ガス源と前記ポンピングチャンバとの間に存在し、前記ポンピングチャンバへの吸気ポートの上流で該吸気ポートと連動する配管中の弁をさらに備える請求項8に記載の装置。 - 前記ポンピングチャンバが、前記ポンビングチャンバ中の標的ガス流の連続的又は半連続的な除去又は交換を許容する、個別の再密閉可能な吸気ポートと排気ポートを有する請求項8に記載の装置。
- 前記ポンピングチャンバと該ポンピングチャンバの下流に存在する集積リザーバを、該集積リザーバと該ポンピングチャンバの間の取り外し点から分離する、間隔をあけた一対の弁をさらに備える請求項8に記載の装置。
- 前記標的ガス供給システムが、前記標的ガスを前記ポンビングチャンパ内に流す前に該標的ガスから不純物を除くためのガス精製装置をさらに備える請求項8に記載の装置。
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