JPH11248809A - 偏極希ガスの製造装置を有する核磁気共鳴検出装置並びにその装置を用いる核磁気共鳴測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高い偏極率で偏極希ガスを発生し、
偏極率を減少させずに検出感度の高い時間の短い極微小
領域での検出を可能とし、核磁気共鳴測定を行う。 【解決手段】 フローセル１内に希ガスと光ポンピ
ング用触媒の混合気体を一方向に流通させると共に、フ
ローセル１内には１／４波長板３を通したダイオードレ
ーザ２からの励起光を照射し、かつ励起光照射面に垂直
に磁力線が通過するように磁石１３を配置して磁場を印
加する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、偏極している希ガ
スの製造装置並びにその製造方法及びその偏極希ガス製
造装置を有する核磁気共鳴検出装置並びにその装置を用
いた核磁気共鳴測定方法とその偏極希ガスを用いる核磁
気共鳴測定方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】偏極しているとは、主静磁場に対する配
向状態に対応する原子核の核スピンのエネルギー準位を
占有するスピン数の分布が、熱平衡時におけるその分布
に比べて、極端に偏っていることをいう。

【０００３】そして、この偏極している状態を有する希
ガスは、キセノン−１２９、ヘリウム−３等のスピン量
子数１／２の核スピンを有する単原子分子を含む希ガス
のガスおよびルビジウム、セシウム等のアルカリ金属蒸
気を混合した気体に、円偏光された励起光を照射するこ
とによって、ルビジウム等の基底状態準位にある電子が
光吸収により励起されて励起状態準位を経由した後に基
底状態準位に戻る際に、外部から印加された磁場によっ
て磁気的に縮退が解かれた基底状態準位の内の電子準位
の一方の準位に高い確率で遷移させ、ルビジウム分子等
の電子スピン偏極度が高い状態を作成し、この高偏極状
態のルビジウム等がキセノン等の希ガスと衝突して、こ
の過程でルビジウム等の高偏極状態がキセノン等の希ガ
スの核スピン系に移動することによって得られる[W.Hap
per, E. Miron, S.Schaefer, D.Schreiber, W.A.van Wi
jngaarden, and X.Zeng, Phys.Rev.A29, 3092 (198
4).]。この過程は、一般に光ポンピングと呼ばれてい
る。

【０００４】従来の偏極希ガス製造装置としては、光反
応容器内に希ガスとアルカリ金属蒸気の混合気体を封じ
込め、これに励起光の照射と磁場の印加を行うもので、
例えば高密度の偏極ヘリウム−３を中性子ポーラライザ
ーとして使用することを目的として、円筒状ガラスアン
プル中にヘリウム−３ガスと窒素ガスの混合気体及びア
ルカリ金属を封じ込んで製造する装置がある[M. E. Wag
shul and T. E. Chupp, Phy. Rev. A 40, 4447 (198
9).]。

【０００５】また、キセノン−１２９の偏極希ガスを核
磁気共鳴測定（ＮＭＲ）や磁気共鳴イメージング測定
（ＭＲＩ）に応用したものとして、上記と同様な円筒状
ガラス容器に導入したキセノン−１２９とルビジウムを
用いて、偏極キセノン−１２９のＮＭＲ信号を測定する
方法やこの偏極したキセノン−１２９核からプロトン−
１核に核オーバーハウザー効果を利用してスピン分極を
転送してプロトン−１のＮＭＲ信号を測定する方法[D.
Raftery, H. Long, T.Meersmann , P. J. Grandinetti,
L. Reven, and A. Pines, Phy. Rev. Lett. 66, 584
(1991)及びG. Navon, Y.-Q. Song, T. Room, S. Appel
t, R. E. Taylor, and A. Pines, Science 271, 1848
(1996)]あるいは、偏極キセノン−１２９を動物に導入
して肺などの空洞の画像を測定した例がある［M. S. Al
bert, G. D. Cates, B. Driehuys, W. Happer, B. Saa
m, C. S. Springer Jr., and A. Wishnia, Nature 370,
199 (1994)及び米国特許5545396(1996)]。

【０００６】いずれも、偏極率を高めるための操作を、
希ガス等を光反応容器内に滞留させた状態で、一方向か
ら励起光を入射して行っている。偏極率が高まったとこ
ろで、冷却してそのまま中性子ポーラライザーとして使
用するか、偏極希ガスをガラス容器から別の容器へ移送
してＮＭＲ等測定に使用することが行われていた。

【０００７】一方、ガスを流しながら偏極希ガスを製造
する装置としては、例えば１，０００ｋＰａ程度のヘリ
ウム−４ガスのバッファーガスに１％のキセノン−１２
９を混合して円筒状ガラス容器に導入し、励起光をガス
の流れに対して平行に、すなわち円筒状ガラス容器の円
柱底面方向より容器内ガス出口側から導入側に向かっ
て、照射して偏極させ、偏極混合ガスを容器内ガス出口
より液体窒素で冷却したデュワー内に誘導し偏極キセノ
ン−１２９を固体にして分離させ、残りのヘリウム−４
ガスはベントラインから排出させるものもある[B. Drie
huys, G. D. Cates, E. Miron, K. Sauer, D. K. Walte
r and W. Happer, Appl. Phys. Lett. 69,1668 (199
6).]。この場合も、いったんデュワー内に固体分離され
た偏極キセノン−１２９は、再度加熱してガス化し、別
の偏極ガス保存用容器に移送してから使用することが行
われていた。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】従来のガス等を滞留さ
せて偏極させる装置では、連続的に偏極希ガスを発生す
ることができず、いちいち偏極ガスを別の容器に取り出
してＮＭＲ装置等まで運ぶため手間がかかり、またその
間に偏極率が減少するという問題点があった。

【０００９】また、ガスを流しながら偏極希ガスを製造
する装置においては、偏極キセノン−１２９分子間の衝
突による偏極率の損失を少なくするため、高圧のバッフ
ァーガスを共に導入するのでガスの取り扱いが危険であ
ること、また冷却デュワーに固化した偏極キセノン−１
２９を再度加熱させて取り出させねばならず、操作も面
倒で手間がかかりＮＭＲ測定までに時間を要すること、
さらにこの発明で実際に偏極されたキセノン−１２９の
量は５％程度と低いという問題点があった。

【００１０】そこで、本発明は以上の従来技術の欠点を
解消し、安全にガスを流しながら高い偏極率で偏極希ガ
スを製造する装置とその製造方法及び連続的に偏極希ガ
スを発生させた後、偏極率を減少させずに短時間でＮＭ
Ｒ測定を行える核磁気共鳴検出装置とその核磁気共鳴検
出装置及び偏極させた希ガスを用いた検出感度の高い測
定時間の短い極微小領域での検出が可能な核磁気共鳴測
定方法を提供することを目的としている。

【００１１】

【課題を解決するための手段】請求項１の偏極希ガス製
造装置は、フローセル内に希ガスと光ポンピング用触媒
の混合気体を一方向に流通させると共に、フローセル内
には励起光を照射し、かつ磁場を印加することを特徴と
する。

【００１２】また、請求項２の偏極希ガス製造装置は、
フローセル内に希ガスと光ポンピング用触媒とクエンチ
ャーガスの混合気体を一方向に流通させると共に、フロ
ーセル内には励起光を照射し、かつ磁場を印加すること
を特徴とする。

【００１３】そして、請求項３の偏極希ガス製造装置
は、フローセル内に希ガスと光ポンピング用触媒又は希
ガスと光ポンピング用触媒とクエンチャーガスとの混合
気体を一方向に流通させると共に、フローセル内には励
起光を照射し、かつフローセルの励起光照射面に垂直に
磁力線が通過するように磁石を配置した磁場を印加する
ことを特徴とする。

【００１４】また、請求項４の偏極希ガス製造装置は、
フローセル内に希ガスと光ポンピング用触媒又は希ガス
と光ポンピング用触媒とクエンチャーガスとの混合気体
を一方向に流通させると共に、励起光を拡大してフロー
セルの照射面全面に照射し、かつ磁場を印加することを
特徴とする。さらにこの磁場は、フローセルの励起光照
射面に垂直に磁力線が通過するように磁石を配置した磁
場であってもよい。

【００１５】そして、請求項５の偏極希ガス製造装置
は、フローセル内に希ガスと光ポンピング用触媒又は希
ガスと光ポンピング用触媒とクエンチャーガスとの混合
気体を一方向に流通させると共に、フローセル内の気体
の流通方向に垂直に励起光を照射し、かつ磁場を印加す
ることを特徴とする。さらにこの磁場は、フローセルの
励起光照射面に垂直に磁力線が通過するように磁石を配
置した磁場であってもよく、またこの励起光は拡大して
フローセルの照射面全面に照射するものであってもよ
い。

【００１６】請求項６の偏極希ガス製造方法は、フロー
セル内に希ガスと光ポンピング用触媒の混合気体を一方
向に流通させると共に、フローセル内には励起光を照射
し、かつ磁場を印加することを特徴とする。

【００１７】また、請求項７の偏極希ガス製造方法は、
フローセル内に希ガスと光ポンピング用触媒とクエンチ
ャーガスの混合気体を一方向に流通させると共に、フロ
ーセル内には励起光を照射し、かつ磁場を印加すること
を特徴とする。

【００１８】そして、請求項８の偏極希ガス製造方法
は、フローセル内に希ガスと光ポンピング用触媒又は希
ガスと光ポンピング用触媒とクエンチャーガスとの混合
気体を一方向に流通させると共に、フローセル内には励
起光を照射し、かつフローセルの励起光照射面に垂直に
磁力線が通過するように磁石を配置した磁場を印加する
ことを特徴とする。

【００１９】また、請求項９の偏極希ガス製造方法は、
フローセル内に希ガスと光ポンピング用触媒又は希ガス
と光ポンピング用触媒とクエンチャーガスとの混合気体
を一方向に流通させると共に、励起光を拡大してフロー
セルの照射面全面に照射し、かつ磁場を印加することを
特徴とする。さらにこの磁場は、フローセルの励起光照
射面に垂直に磁力線が通過するように磁石を配置した磁
場であってもよい。

【００２０】そして、請求項１０の偏極希ガス製造方法
は、フローセル内に希ガスと光ポンピング用触媒又は希
ガスと光ポンピング用触媒とクエンチャーガスとの混合
気体を一方向に流通させると共に、フローセル内の気体
の流通方向に垂直に励起光を照射し、かつ磁場を印加す
ることを特徴とする。さらにこの磁場は、フローセルの
励起光照射面に垂直に磁力線が通過するように磁石を配
置した磁場であってもよく、またこの励起光は拡大して
フローセルの照射面全面に照射するものであってもよ
い。

【００２１】請求項１１の核磁気共鳴検出装置は、フロ
ーセル内に希ガスと光ポンピング用触媒の混合気体を一
方向に流通させると共に、フローセル内には励起光を照
射し、かつ磁場を印加させる偏極希ガス製造装置を有す
ることを特徴とする。

【００２２】また、請求項１２の核磁気共鳴検出装置
は、フローセル内に希ガスと光ポンピング用触媒とクエ
ンチャーガスの混合気体を一方向に流通させると共に、
フローセル内には励起光を照射し、かつ磁場を印加させ
る偏極希ガス製造装置を有することを特徴とする。

【００２３】そして、請求項１３の核磁気共鳴検出装置
は、フローセル内に希ガスと光ポンピング用触媒又は希
ガスと光ポンピング用触媒とクエンチャーガスとの混合
気体を一方向に流通させると共に、フローセル内には励
起光を照射し、かつフローセルの励起光照射面に垂直に
磁力線が通過するように磁石を配置した磁場を印加させ
る偏極希ガス製造装置を有することを特徴とする。

【００２４】また、請求項１４の核磁気共鳴検出装置
は、フローセル内に希ガスと光ポンピング用触媒又は希
ガスと光ポンピング用触媒とクエンチャーガスとの混合
気体を一方向に流通させると共に、励起光を拡大してフ
ローセルの照射面全面に照射し、かつ磁場を印加させる
偏極希ガス製造装置を有することを特徴とする。さらに
この磁場は、フローセルの励起光照射面に垂直に磁力線
が通過するように磁石を配置した磁場であってもよい。

【００２５】そして、請求項１５の核磁気共鳴検出装置
は、フローセル内に希ガスと光ポンピング用触媒又は希
ガスと光ポンピング用触媒とクエンチャーガスとの混合
気体を一方向に流通させると共に、フローセル内の気体
の流通方向に垂直に励起光を照射し、かつ磁場を印加さ
せる偏極希ガス製造装置を有することを特徴とする。さ
らにこの磁場は、フローセルの励起光照射面に垂直に磁
力線が通過するように磁石を配置した磁場であってもよ
く、またこの励起光は拡大してフローセルの照射面全面
に照射するものであってもよい。

【００２６】請求項１６の核磁気共鳴測定方法は、フロ
ーセル内に希ガスと光ポンピング用触媒の混合気体を一
方向に流通させると共に、フローセル内には励起光を照
射し、かつ磁場を印加させる偏極希ガス製造装置を有す
る核磁気共鳴検出装置を用いることを特徴とする。

【００２７】また、請求項１７の核磁気共鳴測定方法
は、フローセル内に希ガスと光ポンピング用触媒とクエ
ンチャーガスの混合気体を一方向に流通させると共に、
フローセル内には励起光を照射し、かつ磁場を印加させ
る偏極希ガス製造装置を有する核磁気共鳴検出装置を用
いることを特徴とする。

【００２８】そして、請求項１８の核磁気共鳴測定方法
は、フローセル内に希ガスと光ポンピング用触媒又は希
ガスと光ポンピング用触媒とクエンチャーガスとの混合
気体を一方向に流通させると共に、フローセル内には励
起光を照射し、かつフローセルの励起光照射面に垂直に
磁力線が通過するように磁石を配置した磁場を印加させ
る偏極希ガス製造装置を有する核磁気共鳴検出装置を用
いることを特徴とする。

【００２９】また、請求項１９の核磁気共鳴測定方法
は、フローセル内に希ガスと光ポンピング用触媒又は希
ガスと光ポンピング用触媒とクエンチャーガスとの混合
気体を一方向に流通させると共に、励起光を拡大してフ
ローセルの照射面全面に照射し、かつ磁場を印加させる
偏極希ガス製造装置を有する核磁気共鳴検出装置を用い
ることを特徴とする。さらにこの磁場は、フローセルの
励起光照射面に垂直に磁力線が通過するように磁石を配
置した磁場であってもよい。

【００３０】そして、請求項２０の核磁気共鳴測定方法
は、フローセル内に希ガスと光ポンピング用触媒又は希
ガスと光ポンピング用触媒とクエンチャーガスとの混合
気体を一方向に流通させると共に、フローセル内の気体
の流通方向に垂直に励起光を照射し、かつ磁場を印加さ
せる偏極希ガス製造装置を有する核磁気共鳴検出装置を
用いることを特徴とする。さらにこの磁場は、フローセ
ルの励起光照射面に垂直に磁力線が通過するように磁石
を配置した磁場であってもよく、またこの励起光は拡大
してフローセルの照射面全面に照射するものであっても
よい。

【００３１】請求項２１の核磁気共鳴測定方法は、フロ
ーセル内に希ガスと光ポンピング用触媒の混合気体を一
方向に流通させると共に、フローセル内には励起光を照
射し、かつ磁場を印加させて製造した偏極希ガスを用い
ることを特徴とする。

【００３２】また、請求項２２の核磁気共鳴測定方法
は、フローセル内に希ガスと光ポンピング用触媒とクエ
ンチャーガスの混合気体を一方向に流通させると共に、
フローセル内には励起光を照射し、かつ磁場を印加させ
て製造した偏極希ガスを用いることを特徴とする。

【００３３】そして、請求項２３の核磁気共鳴測定方法
は、フローセル内に希ガスと光ポンピング用触媒又は希
ガスと光ポンピング用触媒とクエンチャーガスとの混合
気体を一方向に流通させると共に、フローセル内には励
起光を照射し、かつフローセルの励起光照射面に垂直に
磁力線が通過するように磁石を配置した磁場を印加させ
て製造した偏極希ガスを用いることを特徴とする。

【００３４】また、請求項２４の核磁気共鳴測定方法
は、フローセル内に希ガスと光ポンピング用触媒又は希
ガスと光ポンピング用触媒とクエンチャーガスとの混合
気体を一方向に流通させると共に、励起光を拡大してフ
ローセルの照射面全面に照射し、かつ磁場を印加させて
製造した偏極希ガスを用いることを特徴とする。さらに
この磁場は、フローセルの励起光照射面に垂直に磁力線
が通過するように磁石を配置した磁場であってもよい。

【００３５】そして、請求項２５の核磁気共鳴測定方法
は、フローセル内に希ガスと光ポンピング用触媒又は希
ガスと光ポンピング用触媒とクエンチャーガスとの混合
気体を一方向に流通させると共に、フローセル内の気体
の流通方向に垂直に励起光を照射し、かつ磁場を印加さ
せて製造した偏極希ガスを用いることを特徴とする。さ
らにこの磁場は、フローセルの励起光照射面に垂直に磁
力線が通過するように磁石を配置した磁場であってもよ
く、またこの励起光は拡大してフローセルの照射面全面
に照射するものであってもよい。

【００３６】

【発明の実施の形態】フローセル内に常圧の希ガスと光
ポンピング用触媒さらにクエンチャーガスの混合気体を
一方向に流通させると共に、フローセル内に特定の条件
下で励起光を照射し、かつ磁場を印加させて高い偏極率
で、しかも安全にガスを取り扱い、偏極希ガスを製造し
た後、当該偏極希ガス製造装置の後方に配置した核磁気
共鳴検出装置を用いて核磁気共鳴測定を行う。

【００３７】以下、図面を使って、本発明の実施の形態
を説明する。図１は、この発明に係る偏極希ガス製造装
置を有した核磁気共鳴検出装置の全体の構成図である。
希ガスは、核スピンを有する気体ならば希ガスに限らず
公知のガスのいずれも本発明に用いることができるが、
特にスピン量子数が１／２の核スピンを持つガス、例え
ばキセノン−１２９、ヘリウム−３等が好ましい。

【００３８】また、図１においては、希ガスはボンベか
ら供給されているが、ボンベに限らずカードル、屋外設
置の大型タンクからのハウスライン、あるいは低温保存
容器等公知のガス供給装置のいずれも用いることができ
る。

【００３９】図１においては、クエンチャーガスとして
窒素ガスを用いている。励起光照射で励起された光ポン
ピング用触媒は、自然放出で基底状態に戻る主過程のほ
かに、非放射遷移で基底状態に戻る副過程がある。この
副過程は緩和時間が長いため、クエンチャーガスを導入
することで、光ポンピング用触媒の中間準位のエネルギ
ーをクエンチャーガスに遷移させて短時間で基底状態に
戻すことができる。このクエンチャーガスはセル内に存
在しなくても偏極ガスを製造することは可能であるが、
存在した方がより好ましい。

【００４０】クエンチャーガスには、水素、窒素などあ
るいは不飽和結合を有する無機ガス、あるいは不飽和結
合を有する有機ガス、例えばアセチレン、ベンゼン、π
電子系化合物等を用いることができるが、特に窒素が好
ましい。図１においては、クエンチャーガスはボンベか
ら供給されているが、ボンベに限らずカードル、屋外設
置の大型タンクからのハウスライン、あるいは低温保存
容器等公知のガス供給装置のいずれも用いることができ
る。

【００４１】そして、図１においては、希ガス及びクエ
ンチャーガスのほかに洗浄用ガスを接続しているが、洗
浄用ガスは希ガス及びクエンチャーガスを導入する以前
にガス配管とセル内部の水分や酸素などの不純物を除去
し、さらに希ガス及びクエンチャーガスを停止させてい
る間洗浄用ガスを流して外部からの空気や内壁から徐々
に脱離してくる水分を除去するためのものである。洗浄
用ガスを使用しなくても本発明の実施は可能であるが、
使用することがさらに望ましい。洗浄用ガスには窒素、
アルゴンなどのボンベ、カードル、屋外設置の大型タン
クからのハウスラインによる供給が可能である。

【００４２】また、図１において希ガス及びクエンチャ
ーガスは、圧力調整器で高圧から常圧付近まで圧力を下
げてからフローセルに導入される。圧力は取り扱いの簡
便と安全のため大気圧から１，０００ｋＰａ以下が望ま
しく、特に大気圧から３００ｋＰａの領域が好ましい。

【００４３】図１において、希ガス及びクエンチャーガ
スは圧力調整器を通過した後、マスフローコントローラ
ーで流量制御される。流量調節には、流量計、ニードル
バルブ付き流量計、オリフィス、マスフローメーター、
マスフローコントローラーなど市販のガス流量調節装置
のいずれも本発明に用いることができるが、特にマスフ
ローコントローラーが好ましい。ガス分子間や配管壁、
セル内壁への衝突による偏極希ガスの偏極率減少を防ぐ
ため、流量は層流域又は層流と乱流の混合域が用いられ
るが、特に層流域が好ましい。

【００４４】図１において、マスフローコントローラー
を通過した希ガス及びクエンチャーガスは、ガス乾燥化
装置とガス高純度化装置を通過して不純物を除いてから
セルに導入される。水分、酸素、二酸化炭素、一酸化炭
素その他の不純物は、光ポンピング剤と反応して光ポン
ピングの効率を低下させたり、また、偏極した希ガスと
衝突した際にスピン系を緩和させ希ガスの偏極率を減少
するため、セル内に導入するガスは高純度が望ましい。

【００４５】ガス乾燥化装置はガス中の水分を除去する
ためのもので、本発明において使用しなくてもガス高純
度化装置のみでガスを精製することは可能だが、ガス高
純度化装置の使用寿命を延ばすことを考慮すると使用す
ることが好ましい。ガス乾燥化装置にはモレキュラーシ
ーブやシリカゲル等の公知の吸着剤いずれも本発明に用
いることができるが、特にあらかじめ加熱乾燥させたモ
レキュラーシーブが好ましい。

【００４６】ガス高純度化装置はさらに酸素、二酸化炭
素、一酸化炭素その他の反応性不純物を除くために使用
するもので、ゲッター型、レジン型、金属錯体型等市販
のガス精製器のいずれも本発明に使用することができ
る。

【００４７】そして、図１において、ガス高純度化装置
を通過した希ガス及びクエンチャーガスは、光ポンピン
グ剤貯蔵容器から蒸発した光ポンピング剤蒸気と混合さ
れてセルに導入される。光ポンピング剤とは、円偏光さ
れた励起光を照射することによって、基底状態準位にあ
る電子が光吸収により励起されて励起状態準位を経由し
た後に基底状態準位に戻る際に、外部から印加された磁
場によって磁気的に縮退が解かれた基底状態準位の内の
電子準位の一方の準位に高い確率で遷移し、電子スピン
偏極度が高い状態を作成し得る性質を持つ物質である。
本発明には、光ポンピング剤としてアルカリ金属原子、
例えばセシウム、ルビジウム、ナトリウム等あるいは金
属原子、例えば水銀原子、鉛、カドミウムなど、あるい
は準安定状態の単原子分子、例えば放電によって生成さ
れた準安定状態ヘリウム原子など、あるいは有機ラジカ
ル、無機ラジカルなどの多原子分子を用いることができ
る。

【００４８】本発明において、光ポンピング剤を導入す
る方法としては、光ポンピング剤貯蔵容器を加熱し光ポ
ンピング剤を蒸発させながら希ガス及びクエンチャーガ
スと混合させることが望ましい。

【００４９】そして、本発明においては、不均一な温度
分布により光ポンピング剤が偏析するのを防ぐため、光
ポンピング剤貯蔵容器のほか、下流の配管及びセル全体
は均一の温度に保持することが望ましい。この温度は、
光ポンピング剤の濃度を制御するために、その飽和蒸気
圧を考慮して決めるのが望ましい。

【００５０】図２は、この発明における偏極希ガス製造
装置のフローセルと励起光と磁力線の配置例を示す図で
ある。フローセルは励起光照射面が平面のものが望まし
く、図２においては、直方体型を用いているが、立方体
型、円筒状型等の公知のセルいずれも本発明に使用する
ことができるが、特に直方体型で、長軸方向にガスの出
入口がある構造が好ましい。

【００５１】フローセルの材質には、金属、例えばステ
ンレス、アルミニウム、銅等あるいはガラス、例えば石
英、パイレックス、ソーダガラスなど、あるいは樹脂、
ＡＢＳ樹脂、ポリエチレン、アクリル、塩化ビニル等を
用いることができ、セルの一部分または全体に光入射用
の窓を有する構造が望ましい。この窓には、透過性に優
れたガラス例えば石英、パイレックス、ソーダガラスな
ど、あるいは透明な樹脂、例えばアセテート、ポリエス
テル、アクリル板等を使用することができ、特にセル全
体が石英またはパイレックスのガラスであることが好ま
しい。

【００５２】光ポンピングを行うためには、励起光入射
方向と磁力線は垂直あるいはほぼ垂直に配置することが
望ましい。この配置で、ガスを流しながら偏極率を向上
させるには、ガスの流れの方向が励起光入射方向と磁力
線の両者に対して垂直あるいはほぼ垂直になることが最
も効果が大きい。したがって、本発明においては図２に
示すように、フローセル内の気体の流通方向に垂直に励
起光を照射し、フローセルの励起光照射面に垂直に磁力
線が通過するように磁石を配置した構造が、特に好まし
い。

【００５３】励起光源には、ランプ、レーザー等を使用
することができるが、特にレーザーダイオードが好まし
い。励起光源の前面には１／４波長板を配置して直線偏
光を円偏光に変換することが望ましい。本発明において
は、偏極率を向上させるため、円偏光に変換後レンズで
励起光を拡大して照射面全面に照射する励起光をさらに
一軸方向に拡大し、セルの励起光入射面全面が照射され
ることが特に好ましい。レンズは、凹・凸シリンドリカ
ルレンズ組み合わせた、エキスパンダーを用いることが
望ましい。

【００５４】セルで偏極された希ガスは、図１に示すよ
うに後方の核磁気共鳴検出装置に導入され、核磁気共鳴
測定が行われる。ここで用いる核磁気共鳴検出装置は、
連続波掃引方式（ＣＷ）誘導型の検出装置、パルス方式
の誘導検出型の検出装置、ＲＦ照射下の光学式検出装
置、もしくは、ＡＦＭの原理を利用した力検出型検出装
置等、いずれの方式でも利用することができるが、特に
キセノン−１２９の偏極率の見積もりを行うための実験
では、周波数を固定して静磁場の掃引を行う連続波掃引
方式誘導型検出装置がもっとも好ましい。

【００５５】従来からの滞留式の希ガス偏極装置におい
ては、パルス方式誘導検出法を適用したくても、緩和時
間の長いキセノン−１２９が飽和する問題があり不適当
であった。しかし、本発明における核磁気共鳴検出装置
においては、計測に関わる偏極希ガス分子が順次入れ替
わっていくので、飽和の影響を受けずに核磁気共鳴信号
の計測が可能である。

【００５６】

【実施例】以下、本発明の偏極希ガス製造方法は、例え
ば、図１に例示する装置を用いて説明することができ
る。

【００５７】図１は、装置の全体構成を示すものであ
り、励起用フローセル(１)、ダイオードレーザー（Ｌ
Ｄ）（２）、１／４波長板（３）、ビーム拡大光学系
（４）、希ガス等（５，６）のボンベ、ルビジウムリザ
ーバ（７）、ガス高純度化装置（８，９）、マスフロー
コントローラー（１０，１１）、恒温槽（１２）、電磁
石（１３）、核磁気共鳴検出装置（１４）などから構成
されている。

【００５８】希ガス（５）は、日本酸素製の天然同位体
比（キセノン−１２９：２６．４４％含有）のキセノン
（純度９９．９５％ ）を、窒素ガス（６）は日本酸素
製のＳグレード（純度９９．９９９９％）用い、圧力調
整器（１６，１７）、マスフローコントローラー（ＭＫ
Ｓ社製Ｍ−１００−１１Ｃ，Ｍ−３１０−０１Ｃ）（１
０，１１）によりそれぞれの流量を制御した。その後、
ラインで混合され、ガス高純度化装置（８，９）を通
し、ルビジウムリザーバー（７）から放出されるルビジ
ウム金属の蒸気を加え、電磁石（１３）中に置かれた、
石英製の励起用フローセル（１）へ導入された。このと
き、ルビジウムサーバー（７）からフローセル（１）に
かけては、恒温槽（１２）を用いて、１００−１５０℃
程度の温度に制御した。

【００５９】マスフローコントローラー（１０，１１）
は、希ガスおよびフローセル内の窒素（クエンチャーガ
ス）の流量を制御するためのもので、最大流量・最小制
御流量はそれぞれのガスについて、１０ＳＣＣＭ・０．
２ＳＣＣＭと１．０ＳＣＣＭ・０．０２ＳＣＣＭを用い
た。

【００６０】ガス高純度化装置（８，９）は、二つの方
式を併用した。前段には、水分除去用に、ステンレス鋼
３０４製のカラムにモレキュラーシーブ（３Ａサイズ）
を吸着剤として充填したものに、テープヒーターを巻い
て２９０℃まで加熱し、窒素ガスを０．８ｍ³／ｈで２
日間流して乾燥させたもの（８）を用いた。さらに、酸
素や二酸化炭素などの反応性不純物を除くために、後段
にはミリポア社製のガス高純度化器（ＷＰＲＶ−２００
−ＳＩ）（９）を用いた。

【００６１】ルビジウムリザーバ（７）は、一端を封じ
た外形寸法１２ｍｍ、肉厚０．５ｍｍのステンレス鋼３
０４パイプにベローズシール構造のステンレス鋼３０４
製バルブ（１５）を取り付けたものを用いた。ルビジウ
ムはフルウチ化学製（純度９９．９９％）を用い、ガラ
スアンプルのまま当該リザーバ内部に装着し、到達圧力
１０^-7Ｐａ台のターボモレキュラーポンプ付きの真空排
気装置で到達圧力になるまで１週間程度真空排気を行な
った。この時、ルビジウムリザーバのまわりにテープヒ
ーターを装着して約１００℃まで加熱を行ない、セル内
壁およびガラスアンプルの外側に吸着されていた水等の
不純物を除去した。ルビジウムリザ−バのテープヒータ
ーを外して室温に戻した後にステンレス鋼３０４製バル
ブを閉じ、当該ガスラインのガス高純度化装置とフロー
セルとの間にＴ字型継ぎ手を用いて取り付けた。

【００６２】電磁石（１３）は、真鍮製の枠に銅線を巻
いたヘルムホルツコイル型のもので、約０．０１６Ｔの
静磁場を発生できるものを使用した。中心部に石英製の
励起用フローセル（１）（５ｍｍ×１０ｍｍ×４０ｍ
ｍ）を流れの方向が静磁場と垂直になるように配置し
た。

【００６３】恒温槽（１２）は、ルビジウムリザーバか
らフローセルまでの間のルビジウム蒸気が存在する配管
を含む部分全部の温度を均一にするためのものであり、
温度調節器により設定値の±０．１℃以内に制御した。
フローセル内のルビジウム蒸気圧力は温度の変化により
変化するために、一部でも低温部が存在すると偏析して
ルビジウム蒸気圧力の制御が難しくなるため、全体を均
一に保持する必要があるからである。

【００６４】励起光には、ＧａＡｌＡｓダイオードレー
ザー(Ｏｐｔｏｐｏｗｅｒ社製ＯＰＣ−Ｄ０１２−７９
５−ＨＢＨＳ）（２）を使用した。発振波長７９４．７
ｎｍのもので、アッセンブリ全体での出力は１２Ｗで、
５ｍｍ×５ｍｍ角の平行光ビームである。該ビームを１
／４波長板（ＣＶＩ社製 ＱＷＰＯ−７９５−１０−４
−Ｒ１５）（３）を通して回転偏光にした後、凹凸シリ
ンドリカルレンズ一組からなるビーム拡大光学系（４）
で、一軸方向だけ１０倍に拡大した。この５ｍｍ×５０
ｍｍの平行ビームをフローセル（１）の１０ｍｍ厚さの
方向から入射して、偏極操作を行った。フローセルを出
た偏極された混合ガスは、自然冷却され、ルビジウム蒸
気を除いた。

【００６５】こうして、生成された偏極希ガスを、ガラ
ス管のさらに先に配置した核磁気共鳴検出装置（１４）
を使って、キセノン−１２９のＮＭＲ信号強度から、そ
の量を測定した。気体のキセノン−１２９は、一般にス
ピン−格子緩和時間が長いので、磁化の大きさを見積も
るには、速い断熱通過（ＡＦＰ）ＮＭＲ法が適してい
る。核磁気共鳴検出装置（１４）は、静磁場用電磁石、
静磁場掃引用コイル、ＲＦ照射用コイル、ＲＦ増幅器、
ＮＭＲ検出コイル、増幅器等から構成されている。ここ
では、検出器の周波数は、プロトンとキセノン−１２９
共に、７ＭＨｚになるよう各部品を調節した。

【００６６】次に、偏極希ガスの生成は以下の実験手順
によった。まず、準備として乾燥用窒素ラインのバルブ
を開けて、ガス高純度化装置を通した窒素ガスを約２日
間流してフローセルを含む配管内の乾燥および高純度化
を行なった。このとき、ガス高純度化装置より下流のガ
スラインは、リボンヒーターを巻いて、約８０℃に温度
制御した。また、ルビジウムリザ−バのステンレス鋼３
０４製バルブ（１５）を最後の４時間は開けてリザ−バ
内のガス置換を行った。ルビジウムリザ−バの肉厚０．
５ｍｍのステンレス鋼３０４パイプを外側からクランプ
で挟んで、内部のガラスアンプルを破砕し、リザーバ内
にルビジウム金属を充填した。この後、ルビジウムリザ
ーバ及び励起用フローセルの温度を制御する恒温槽（１
２）の電源を入れて９４℃で制御を開始した。ルビジウ
ムの蒸気圧は、０℃で１０^-8 Torr、３８．８９℃で約
１０^-5 Torr、９４℃で１０^-4 Torrであり、本実施例で
は９４℃即ち、１０^-4 Torrに設定した。

【００６７】次に、乾燥用窒素ラインのバルブを閉じ
て、キセノンおよび窒素の圧力調整器（１６，１７）を
開け、マスフローコントローラー（１０,１１）を調節
して流量をそれぞれ０．４ＳＣＣＭ, ０．０２ＳＣＣＭ
にした。混合ガスのセル中の滞在時間は、この場合、５
分程度と見積もられる。核磁気共鳴検出装置（１４）に
当該キセノン・窒素混合ガスが到達してから信号レベル
を記録した。

【００６８】次に、ダイオードレーザー（ＬＤ）（２）
の電源を入れて円偏光を励起用フローセル（１）に照射
し、検出器の出力信号を記録した。確認のために、ダイ
オードレーザー（２）の電源を断続して、この時の検出
器の出力信号を記録した（図３）。一方、偏極キセノン
の実験時に用いるガラス管と同一寸法のガラス管に磁化
率が既知の水を詰め、検出器に挿入した時に得られる信
号を測定したらその値は１０ｍＶであった。

【００６９】熱平衡時のプロトンと偏極率１００％のキ
セノン−１２９での信号に寄与するスピン数の比は、
１：７３０である。この関係を用いて、プロトンとキセ
ノン−１２９の磁気回転比と同体積の水及び偏極キセノ
ンを使った実験で得られたＮＭＲ信号強度から、キセノ
ン−１２９の偏極率を見積もることができる。図３の信
号強度と同体積の水を用いた校正で得られたＮＭＲ信号
強度とから、キセノン−１２９の偏極率の最大値とし
て、２０％が得られた。

【００７０】以上まとめると、本実施形態の偏極希ガス
製造装置へ、高出力ダイオードレーザー光を図２に示す
ような光学系を用いて照射したところ、生成された偏極
キセノンの信号強度をモニターして示すＮＭＲ検出器の
出力波形は図３に示すように、ダイオードレーザー光の
強度の時間変化に対応して可逆的に変化した。すなわ
ち、ダイオードレーザー光の強度の増減または断続によ
り偏極キセノンの生成量が制御されること、すなわち、
ダイオードレーザー光の照射により、キセノン−１２９
のＮＭＲ信号を約１０，０００倍以上の感度増強ができ
ることが確認された。

【００７１】

【発明の効果】本発明は、以上説明したようなものであ
るから、以下に記載されるような効果を奏する。フロー
セル内に低圧の希ガスと光ポンピング用触媒さらにクエ
ンチャーガスの混合気体を一方向に流通させると共に、
フローセル内には励起光を照射し、かつ磁場を印加する
ことで、連続的に偏極希ガスを安全に製造することが可
能である。そして、フローセルの励起光照射面に垂直に
磁力線が通過するように磁石を配置し、フローセルに励
起光を拡大して照射面全面に平行に照射させ、フローセ
ル内の気体の流通方向に垂直に励起光を照射すること
で、偏極率を飛躍的に向上させることが可能である。

【００７２】また、偏極希ガス製造装置を核磁気共鳴検
出装置の前方に有することで、連続的に発生した偏極希
ガスを、別容器への移送による偏極率の減少を起こさず
に短時間で核磁気共鳴検出装置に導入し核磁気共鳴測定
することが可能である。さらに、偏極させた希ガスを検
出に用いるため、ＮＭＲ信号の検出感度を偏極させなか
った場合の約１０，０００倍以上に向上でき、核磁気共
鳴測定の測定時間の大幅な短縮化や従来不可能であった
検出領域の極微小化が可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明における偏極希ガス製造装置を有した核
磁気共鳴装置の全体の構成図

【図２】本発明における偏極希ガス製造装置のフローセ
ルと励起光と磁力線の配置例を示す図

【図３】本発明の実施例における偏極希ガス生成実験の
結果

【符号の簡単な説明】

１ 励起用フローセル ２ ダイオードレーザー（ＬＤ） ３ １／４波長板 ４ ビーム拡大光学系 ５ 希ガス ６ 窒素（クエンチャーガス） ７ ルビジウムリザーバー ８、９ ガス高純度化装置 １０、１１ マスフローコントローラー １２ 恒温槽 １３ 電磁石 １４ 核磁気共鳴検出装置 １５ ステンレス鋼３０４製バルブ １６、１７ 圧力調整器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 597007743 守谷 哲郎 茨城県つくば市東２丁目23番地８号 (72)発明者 服部 峰之 茨城県つくば市梅園１丁目１番４ 工業技 術院電子技術総合研究所内 (72)発明者 平賀 隆 茨城県つくば市梅園１丁目１番４ 工業技 術院電子技術総合研究所内 (72)発明者 守谷 哲郎 茨城県つくば市梅園１丁目１番４ 工業技 術院電子技術総合研究所内

Claims (25)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】フローセル内に希ガスと光ポンピング用触
   媒の混合気体を一方向に流通させると共に、フローセル
   内には励起光を照射し、かつ磁場を印加することを特徴
   とする偏極希ガスの製造装置。
2. 【請求項２】混合気体として希ガスと光ポンピング用触
   媒とクエンチャーガスを用いたことを特徴とする請求項
   １記載の偏極希ガス製造装置。
3. 【請求項３】フローセルの励起光照射面に垂直に磁力線
   が通過するように磁石を配置したことを特徴とする請求
   項１又は請求項２記載の偏極希ガス製造装置。
4. 【請求項４】励起光を拡大して照射面全面に平行に照射
   することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記
   載の偏極希ガス製造装置。
5. 【請求項５】フローセル内の気体の流通方向に垂直に励
   起光を照射することを特徴とする請求項１〜４のいずれ
   か１項に記載の偏極希ガス製造装置。
6. 【請求項６】フローセル内に希ガスと光ポンピング用触
   媒の混合気体を一方向に流通させると共に、フローセル
   内には励起光を照射し、かつ磁場を印加することを特徴
   とする偏極希ガスの製造方法。
7. 【請求項７】混合気体として希ガスと光ポンピング用触
   媒とクエンチャーガスを用いた請求項６記載の偏極希ガ
   ス製造方法。
8. 【請求項８】フローセルの励起光照射面に垂直に磁力線
   が通過するように磁石を配置したことを特徴とする請求
   項６又は請求項７記載の偏極希ガス製造方法。
9. 【請求項９】励起光を拡大して照射面全面に平行に照射
   することを特徴とする請求項６〜８のいずれか１項に記
   載の偏極希ガス製造方法。
10. 【請求項１０】フローセル内の気体の流通方向に垂直に
    励起光を照射することを特徴とする請求項６〜９のいず
    れか１項に記載の偏極希ガス製造方法。
11. 【請求項１１】請求項１記載の偏極希ガス製造装置を有
    することを特徴とする核磁気共鳴検出装置。
12. 【請求項１２】請求項２記載の偏極希ガス製造装置を有
    することを特徴とする核磁気共鳴検出装置。
13. 【請求項１３】請求項３記載の偏極希ガス製造装置を有
    することを特徴とする核磁気共鳴検出装置。
14. 【請求項１４】請求項４記載の偏極希ガス製造装置を有
    することを特徴とする核磁気共鳴検出装置。
15. 【請求項１５】請求項５記載の偏極希ガス製造装置を有
    することを特徴とする核磁気共鳴検出装置。
16. 【請求項１６】請求項１１記載の核磁気共鳴検出装置を
    用いたことを特徴とする核磁気共鳴測定方法。
17. 【請求項１７】請求項１２記載の核磁気共鳴検出装置を
    用いたことを特徴とする核磁気共鳴測定方法。
18. 【請求項１８】請求項１３記載の核磁気共鳴検出装置を
    用いたことを特徴とする核磁気共鳴測定方法。
19. 【請求項１９】請求項１４記載の核磁気共鳴検出装置を
    用いたことを特徴とする核磁気共鳴測定方法。
20. 【請求項２０】請求項１５記載の核磁気共鳴検出装置を
    用いたことを特徴とする核磁気共鳴測定方法。
21. 【請求項２１】フローセル内に希ガスと光ポンピング用
    触媒の混合気体を一方向に流通させると共に、フローセ
    ル内には励起光を照射し、かつ磁場を印加することを特
    徴とする偏極希ガスを用いた核磁気共鳴測定方法。
22. 【請求項２２】混合気体として希ガスと光ポンピング用
    触媒とクエンチャーガスを用いたことを特徴とする請求
    項２１記載の偏極希ガスを用いた核磁気共鳴測定方法。
23. 【請求項２３】フローセルの励起光照射面に垂直に磁力
    線が通過するように磁石を配置したことを特徴とする請
    求項２１又は請求項２２記載の偏極希ガスを用いた核磁
    気共鳴測定方法。
24. 【請求項２４】励起光を拡大して照射面全面に平行に照
    射することを特徴とする請求項２１〜２３のいずれか１
    項に記載の偏極希ガスを用いた核磁気共鳴測定方法。
25. 【請求項２５】フローセル内の気体の流通方向に垂直に
    励起光を照射することを特徴とする請求項２１〜２４の
    いずれか１項に記載の偏極希ガスを用いた核磁気共鳴測
    定方法。