JP4750988B2 - 不活性ガス分極装置のための試料セル - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、不活性ガス分極装置のための試料セルに関する。また、本発明は、試料セルの製造方法に関する。
【０００２】
ガラスと、ガス引入口及びガス排出口とから構成され、その中を通してレーザ光を伝達する、不活性ガス分極装置のための試料セルは、知られている。
【０００３】
最近では、分極した不活性ガスを用いる磁気共鳴断層撮影法（ＭＲＴ）や磁気共鳴分光法（ＮＭＲ）が開発されており、医学、物理学や材料科学における用途が期待されている。文献 Happer等, Phys. Rev. A, 29, 3092 (1984) から、アルカリ原子を用いた光ポンピングにより核スピンを高度に分極できることが立証されている。今のところ、ルビジウムは、通常、不活性ガスと窒素の存在下で用いられる。これにより、不活性ガスであるキセノン（¹²⁹Ｘｅ）の約２０パーセントが核スピン分極できるようになる。この核スピン分極は、臨床上の磁気共鳴断層撮影の平衡分極より約１００,０００倍大きい。将来的に医学、科学及び技術における新たな用途の可能性が期待される理由は、この信号対雑音比に関する著しい増加から説明される。
【０００４】
分極（polarisation）の用語は、原子核又は電子のスピンの配向（秩序化）の程度を示している。１００パーセントの分極とは、例えば、全ての核又は電子が同じ向きに配向していることを示している。核又は電子の分極は、磁気モーメントと関連している。
【０００５】
分極したキセノンは、例えば、人に吸入されるか、又は人に注入される。１０〜１５秒後に分極したキセノンが脳に蓄積される。脳内の不活性ガスの分布が磁気共鳴断層撮影法によって検出される。結果をさらなる分析に用いる。
【０００６】
不活性ガスの選択は、用途によって異なる。¹²⁹キセノンは、大きな化学シフトを有する。キセノンは、例えば表面に吸着された場合、共鳴周波数が著しく変化する。また、キセノンは脂肪を好む（すなわち親油性）液体に溶解する。これらの性質が必要なときに、キセノンが用いられる。
【０００７】
ヘリウムは、液体にほとんど溶解しない不活性ガスである。したがって、空隙が関与する時は、一般に³ヘリウムの同位体が用いられる。ヒトの肺は、このような空隙の一例である。
【０００８】
不活性ガスのいくつかは、上記のものとは異なる有益な性質を有する。例えば、同位体⁸³クリプトン、²¹ネオンや¹³¹キセノンは、例えば基礎研究や表面物理学の実験に重要である四極子モーメントを有する。しかし、これらの不活性ガスは非常に高価であるため、必要な量が比較的多い用途には不適当である。
【０００９】
文献 B. Driehuys 等, Appl. Phys. Lett. 69, 1668 (1996)から、以下の方法で、不活性ガスを分極させることが知られている。
【００１０】
円偏光、すなわち光子の角運動量又はスピンがすべて同じ向きを示す光は、レーザを用いて製造される。光子の角運動量は、アルカリ原子の自由電子に伝達される。したがって、アルカリ原子の電子スピンは、熱平衡から大きく逸脱する。これにより、アルカリ原子は分極する。電子スピンの分極は、アルカリ原子と不活性ガス原子とが衝突することによりアルカリ原子から不活性ガス原子に伝達される。このようにして、分極した不活性ガスが形成される。
【００１１】
アルカリ原子は、光と相互作用する大きな光双極子モーメントを有するため、用いられる。また、アルカリ原子は、原子当たり２個及びそれ以上の電子間の不都合な相互作用を防止する自由電子をそれぞれ有している。
【００１２】
セシウムは、特に適切なアルカリ原子であり、上記効果を得るにはルビジウムよりも優れている。しかし、今のところ、セシウムによって、キセノンの分極に必要な十分に高出力なレーザを入手することはできない。しかし、今後は、セシウムの波長で１００ワットの出力を備えたレーザが開発されることは予想される。その場合、おそらくセシウムを不活性ガスの分極に用いるのが好ましい。
【００１３】
先行技術では、ガス混合物を、通常７〜１０バールの圧力下で、円筒形のガラスセル中にゆっくりと運ぶ。ガス混合物は、⁴ヘリウム９８パーセント、窒素１パーセント及びキセノン１パーセントからなる。ガス混合物の典型的な速度は、数cm／秒である。
【００１４】
ガス混合物は、まず最初に、ルビジウム約１グラムが置かれた容器（以下「貯蔵容器」と称する）中を流れる。ルビジウムが中に置かれた貯蔵容器は、隣接したガラスセルと共に約１００〜１５０℃に加熱される。この温度に高められることでルビジウムが気化する。ガス相中の気化したルビジウム原子の濃度は、貯蔵容器の温度によって決定される。気化したルビジウム原子は、ガスの流れによって貯蔵容器から円筒形の試料セルへ運ばれる。強力な円偏光レーザ（連続操作で１００ワットの出力）を試料セル（以下「ガラスセル」とも称する）の軸方向に通過させ、ルビジウム原子を高度な分極状態に光ポンピングする。レーザの波長は、ルビジウム原子の光学的吸収線（Ｄ1ライン）に合わせる。換言すれば、光の偏光をアルカリ原子に最適に伝達するには、光の周波数を光学的クロスオーバーの共鳴周波数に一致させなければならない。試料セルは、コイル（一対のヘルムホルツコイル）によって発生させた数１０ガウスの静磁場にある。磁場の方向は、試料セルの円筒軸に対して平行に、又はレーザのビーム方向に対して平行に延びている。磁場は、分極したアルカリ原子を誘導するのに役立つ。レーザ光により光学的に高度に分極したルビジウム原子は、ガラスセル中で、とりわけキセノン原子と衝突し、キセノン原子に高度の分極を伝達する。試料セルを離れる際、ルビジウムは、他のガスの融点と比較して融点が高いために壁に沈着する。分極したキセノン又はガス混合物は、試料セルから凍結ユニットに運ばれる。これは、末端が液体窒素に浸されたガラスフラスコからなる。また、そのガラスフラスコは、１,０００〜２,０００ガウスの強磁場に置かれている。窒素からなる液体中にガラス壁が浸漬されている場合、高度に分極したキセノンガスは、凍結ユニット内部のガラス壁に氷として沈着する。凍結ユニットの排出口では、残りのガス（ヘリウム及び窒素）が、ニードル弁を通して運ばれ、最終的に排出される。
【００１５】
設備全体の流速は、ニードル弁によって制御することができ、これは測定器を用いて測定することができる。流速が過度に速い場合、ルビジウム原子からキセノン原子へ分極を伝達する時間がなくなるので、分極が得られない。流速があまりに遅い場合、所望の量の高度に分極したキセノンが凍結するまで、非常に多くの時間がかかる。実際には、キセノン原子の分極は、緩和のために再び減少する。キセノン原子の緩和は、凍結により、そして凍結ユニットがさらされる高磁場により著しく減速される。したがって、分極後はできる限り迅速に、最低限の損失で不活性ガスを凍結する必要がある。凍結による緩和は回避することができないが、最初に高度に分極したガスがさらに使用できなくなる程度に分極が減少するまでにＴ＝７７Ｋでなお１〜２時間かかる。
【００１６】
一つの遊離アルカリ原子を分極させるには、ある一定のエネルギー量が必要である。必要なエネルギーは、アルカリ原子の自由電子を基底状態から励起状態に上げるための共鳴周波数に相当する。レーザからアルカリ原子へエネルギーを最適に伝達するには、レーザ光線の周波数は、アルカリ原子の共鳴周波数に合わせる必要がある。レーザは、一般に特定の周波数スペクトルの範囲内で光を伝達する。これは、単一の周波数でなく周波数の分布である。利用できるレーザスペクトルは、いわゆる線幅によって特徴付けられる。レーザの線幅がアルカリ原子の光学的クロスオーバーの線幅と一致する場合、アルカリ原子は最も効果的に分極する。アルカリ原子の光学的線幅は、加えた4ヘリウムレーザの圧力（圧力幅）に従って比例する。実際、圧力が高いほど、アルカリ原子とヘリウムのような衝突相手との間の衝突回数が高くなる。
【００１７】
先行技術で用いられる強力な１００ワットのレーザは、２ナノメートルの典型的なスペクトル幅を有する、グラスファイバに結合したダイオードレーザである。１０バールのガス圧では、ルビジウム原子の光学的クロスオーバーの線幅は、約０.３ナノメートルに広がる。したがって、２ナノメートルの典型的な線幅を有する高価なダイオードレーザを光ポンピングに用いる既存のルビジウム／キセノン分極装置においては、レーザ光線の一部分しか使用されない。１０バールのガス圧で４〜５nmの線幅を有する、より安価なダイオードレーザを用いる場合、効率はさらに低くなる。
【００１８】
先行技術に係るガス混合物においては、一般に、ヘリウムの分圧は１０バール以下である。これは、他の分圧と比較すると非常に高い。アルカリ原子の光学的クロスオーバーの圧力幅に加えて、分圧が高いと、分極した原子がガラスセルの試料壁に到達して、例えば常磁性中心との相互作用により分極が減ることはめったに起こらない。分極した原子が、セル壁に不都合に衝突する可能性は、分圧を高めることで減少する。
【００１９】
レーザの十分な出力を利用すると同時に、壁との衝突による不都合な緩和効果を減少させるには３０バールよりもかなり高いヘリウム圧を使用しなければならない。
【００２０】
また、ガスの混合物を使用する場合、以下のことに留意しなければならない。
レーザから生じる光子を吸収した後に、ルビジウムのようなアルカリ原子は、蛍光（蛍光光子）により光子を放射することができる。この蛍光光子が近くの分極したアルカリ原子によって獲得される場合、この捕獲によりアルカリ原子が減極することになる。不活性ガスの分極に用いるガス混合物中の窒素は、上記の望ましくない減極を緩和するためこの蛍光放射線を抑制する（「消滅させる」）。先行技術においては、窒素分圧は、通常０.１バールである。
【００２１】
重い不活性ガス原子、例えばキセノン原子は、アルカリ原子と衝突する際にアルカリ原子の分極に著しい緩和を引き起こす。光ポンピングの際にアルカリ原子の分極を最大にするには、ガスの混合物の不活性ガスの分圧は、適切に低くしなければならない。ガス混合物のキセノン分圧が０.１バールしかなくても、全体の試料体積中のアルカリ原子の７０パーセントの分極を達成するには１００ワットのレーザ出力が必要である。
【００２２】
先行技術では、１ピースのガラスから吹きつけたガラスセルを用いる。従来は、所望の高圧に耐えることができると同時に高度の光学的品質が保証されたガラスセルを製造するには他の方法がなかった。ガラスセルを上記のように製造すると、セルのウィンドウを通してレーザ光線が進入する際、必ずカーブするか又は曲がるという問題が生じる。望ましくない不都合なレンズ効果は、レーザ光線が進入する際又は出る際に起こる。レーザ光線は、焦点が合わさるか又は広がる。これにより、ガラスセルのガス混合物中のアルカリ原子が分極する効率が著しく損なわれる。
【００２３】
不活性ガスの分極のためのガラスセルは、以下の条件を満たしていなければならない。
そのガラスセルは、少なくとも１０バールの高圧に耐え、非磁性体であり、２００℃以下の温度でアルカリ金属に対して耐性がなければならない。
【００２４】
ガラスセルは、バルブによって密閉できるようになっていなければならない。バルブヘッドとリングシールは、ガス混合物の存在下で２００℃の温度に耐え、非磁性体であり、耐圧性でなければならない。不活性ガスの分極におけるバルブの影響は、できる限り低く抑えなければならない。
【００２５】
セルの内部表面は、キセノン又はルビジウムの分極の際に破壊的な影響を受けてはならない。したがって、セルの内壁には常磁性又は強磁性中心があってはならない。セルを作る材料は、必ず非磁性体でなければならない。
【００２６】
レーザ光線は、セルを通してレンズ効果なしにできる限り遠く、すなわち平行に伝搬されるようになっていなければならない。
【００２７】
セルの進入ウィンドウは、レーザ光の吸収をできるだけ少なくしなければならない。でなければ、特に、進入ウィンドウは、過度に加熱されて最終的に破壊される。
【００２８】
進入ウィンドウは、常圧又は高圧のいずれにおいても複屈折であってはならない。でなければ、レーザの円偏光が損なわれるか又は少なくとも低減される。
【００２９】
本発明の目的は、これらの条件を満たすにあたって先行技術よりも優れた試料セルを提供することである。
【００３０】
本発明の目的は、請求項１の特徴を有するガラスセルによって達成される。ガラスセルの製造方法は、独立請求項の特徴を備えている。好都合な特徴は、下位の請求項から明らかとなる。
【００３１】
請求項に記載のガラスセルは、開口部（orifice）を有するガラス本体からなる。平らなガラスウィンドウが、開口部にはめ込まれる。ウィンドウの形状とサイズは、開口部の形状とサイズに一致している。開口部は、ウィンドウの厚さよりもふちが広くなっている。これにより、開口部のふちとウィンドウとの間に広い接点が与えられる。ウィンドウのふちは、開口部のふちと融合される。
【００３２】
このようにして、平らな進入ウィンドウを備えたガラスセルを得ることができる。これによりウィンドウを通して平行なビームを通過させることができる。
また、ガラス本体は、ガス引入口とガス排出口とを備えている。
【００３３】
ガラス本体は、特に円筒形をしている。そして、平らなウィンドウは、円板によって構成される。円板の直径は、ガラス本体の内径と一致している。円板は、円筒中の少し奥にはめ込まれる。そして円筒の内壁には、円板のふちが融合できる大きな接触領域が設けられている。そして、この内部表面は、ウィンドウの厚さより広い開口部のふちを形成している。
【００３４】
円筒の２つの開口部は、それぞれ平らなウィンドウによって密封されるのが好都合である。
円筒は、さらにガス引入口とガス排出口とを有する。
【００３５】
ウィンドウをガラスセルにしっかりと接合するには、ふちを、特に１,４００〜１,５００℃に数回加熱してそれぞれの領域を数回溶融させる。ガラス本体が円筒である場合、はめ込んだウィンドウを円筒と融合させるために外部から加熱する。
【００３６】
溶融を繰り返すため、ウィンドウの内部と外部のふちに１〜２mmのアールができている。その結果、ガラスセルは耐圧性になると同時に少なくとも１つの平らな進入ウィンドウを有する。
【００３７】
ウィンドウは、ガラス本体の開口部のふちにはめ込み溶融する前に研削してから、酸、特に１５パーセントのフッ化水素酸を用いて洗浄しておくのが都合がよい。特に、ふちは円筒状に研削する。これらの工程により、ガラス本体の開口部のふちとの継目が特に丈夫になる。
【００３８】
ホウケイ酸ガラスは、ガラス本体の材料として提供され、ボロフロートガラス（ホウケイ酸ガラスＩＳＯ規格３.３）は一方又は両方のウィンドウ用に提供される。両材料は、同じ熱膨張係数を有するため、特に都合よく融合できる。さらに、両ホウケイ酸ガラスは、常磁性中心がほとんどなく、例えば石英ガラスのように圧力をかけた時に、実質的に複屈折でない。
【００３９】
ガラス本体、例えば円筒は、通常２４ミリメートルの内径を有する。肉厚は、５ミリメートル又はそれ以上である。ウィンドウをガラス本体に接合するアールは、通常、１〜２ミリメートル突出している。
このタイプのガラスセルは、１５バールの圧力に耐える。
【００４０】
主にガラスから製造されたバルブを、試料セルの入口と出口に設けるのが好都合である。リングシールがガラスバルブに差し込まれる場合、リングシールはエチレンプロピレンからなる。エチレンプロピレンは、アルカリに耐性であり、常磁性中心を持たない。さらに、その材料は実質的に不活性ガスを吸収しない。
【００４１】
キセノン分極をＮＭＲ測定した後、このバルブの前及び後で分極の有意な損失がないことが直ちにわかった。
【００４２】
以下、図面を参照して本発明を更に詳細に説明する。
図１は、試料セルの基本的な構造を示す。試料セルは、ガラスからなる円筒１と２つの平らなウィンドウ２及び３とから構成される。平らなウィンドウ２及び３は、円筒のそれぞれの末端の少し奥にはめ込まれている。ウィンドウ２及び３は、円筒１にしっかりと接合されている。まず、ガス混合物を試料セルに運び、分極させた後、再び取り出す。管４及び５は、バルブ６及び７によって密封することができる。引入口の管４は、バルブ６と試料セル１、２、３との間で直径部分が拡大されている。この部分は、ここで気化したアルカリ金属を受け取り、そして試料セルに運ぶことができる。
【００４３】
図２は、試料セルの断面図である。進入ウィンドウ２及び出口ウィンドウ３が、円筒１の少し奥にはめ込まれている。溶融を繰り返すことによりウィンドウ２及び３は円筒１に接合されている。平らなウィンドウ２及び３と円筒１との間には融合された継目としてアール８が形成されている。アール８は、それぞれのウィンドウ２及び３のどちらの側にもあり、円筒１を接合している。円筒１は、ホウケイ酸ガラスからなる。ウィンドウは、ボロフロートガラスからなる。円筒壁は、５ｍｍの厚さである。また、ウィンドウも、５ミリメートルの肉厚を有する。円筒の外径は、約３５〜４０ｍｍである。
【００４４】
ボロフロートガラス及びホウケイ酸ガラスは、同じ熱膨張係数を有する。したがって、ウィンドウは、円筒と特に都合よく融合する。そして１５バールの圧力にも耐える非常に耐圧性のセルとなる。
【００４５】
図３は、バルブ６又は７の断面図である。ガラスからなるライン４（管）の端部が、漏斗９の中に通じている。漏斗には、ねじ山１０が施してある。ねじ山１０には、プラスチック材料からなるキャップ１１がとめられている。キャップ１１には、対応するめねじが刻まれている。キャップ１１の内部中央には、ガラスからなるボルト１２が固定されている。ボルト１２は、漏斗９の中を貫通している。ボルト１２は、Ｏリング１３が入る２つの溝を備えている。Ｏリング１３は、エチレンプロピレンからなる。漏斗９の大径を有する上部のふちに位置する分岐管は、示されていない。また、管が分岐している適度な長さの管（図示せず）を、漏斗９とねじ山１０の間に設けることができる。
一旦、キャップ１１を回してはめ込むと、先にあるＯリングは、漏斗９と緊密なシールを作り出す。その際、バルブは密閉される。
【００４６】
ボルト１２は、管４の内径よりも大きい外径を有することができるが、漏斗に面している末端では、テーパリング部分が漏斗の中に通じている。この部分は、漏斗に対応するものとして機能する。キャップ１１を回してはめ込むことにより漏斗方向にボルト１２が十分に移動すると、テーパリング部分の末端が漏斗９に密着するように、Ｏリングがテーパリング部分に取り付けられている。特に、この実施態様では、上記の高圧が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 試料セルの基本的な構造を示す。
【図２】 試料セルの断面図である。
【図３】 バルブ６または７の断面図である。

Claims (11)

1. ガス引入口（４）と、ガス排出口（５）と少なくとも１つの開口部とを備えたガラス本体（１）を有し、
   ・平らなガラスウィンドウ（２）が開口部にはめ込まれており、
   ・ウィンドウ(２）の形状とサイズが開口部の形状とサイズに一致しており、
   ・開口部は内壁にふちを有し、ふちは、開口部にウィンドウをはめ込んだ際にウィンドウと接触し、
   ・ふちは、ウィンドウの厚さより広く、
   ・ウィンドウのふちが開口部のふちと融合されている、
   ことを特徴とする、不活性ガス分極装置用の試料セル。
2. ガラス本体が円筒（１）の形状をしており、平らなウィンドウ（２）が、円筒の一端部でガラス本体にはめ込まれた円板により形成されていることを特徴とする請求項１記載の試料セル。
3. 試料セルが、互いに平行に配置された２つの平らなウィンドウ（２,３）を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の試料セル。
4. 一方又は両方のウィンドウのどちらの側にも、少なくとも１ミリメートルの２つの突出したアール（８）が、ウィンドウの周囲に隣接して直接配置され、開口部のふちで耐圧性のある継目を形成していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の試料セル。
5. ガラス本体（１）が、ホウケイ酸ガラスからなり、ウィンドウ（２,３）が、ボロフロートガラスからなる請求項１〜４のいずれか一項記載の試料セル。
6. ガラス（１,２,３）が、少なくとも５mmの厚さであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項記載の試料セル。
7. ガラス本体（１）の外径が、２０〜１００ミリメートル、特に３５〜４０ミリメートルであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項記載の試料セル。
8. ガラスで作られており、エチレンプロピレン製のリングシールを有するバルブ（６,７）が、ガスの入口と出口に設けられていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項記載の試料セル。
9. ガラス本体に、開口部と、引入口と排出口とが設けられ、平らなウィンドウが開口部にはめ込まれており、ウィンドウの円周は開口部の円周と一致しているが
   、開口部のふちはウィンドウの厚さより厚くなっており、そしてふちの近くのガラスが溶けて、ウィンドウとふちとの間に融合された継目ができるように、ふちを外部から少なくとも二回加熱することを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項記載の試料セルの製造方法。
10. 各ウィンドウをはめ込んでガラス本体の開口部のふちと溶融する前に、各ウィンドウのふちを研削する、特にふちを円筒状に研削してから、酸、特にフッ化水素酸で洗浄する、請求項１〜９のいずれか一項記載の方法。
11. 少なくとも１０バールの圧力での請求項１〜１０のいずれか一項記載の試料セルの使用。

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