RU2281527C2

RU2281527C2 - Method and device for melting polarized nmr specimens

Info

Publication number: RU2281527C2
Application number: RU2003112009/28A
Authority: RU
Inventors: Ян Хенрик АРДЕНКЬЕР-ЛАРСЕН (SE); Ян Хенрик АРДЕНКЬЕР-ЛАРСЕН; Оскар Х.Э. АКСЕЛЬССОН (SE); Оскар Х.Э. АКСЕЛЬССОН; Клаэс Каппель ГОЛЬМАН (SE); Клаэс Каппель ГОЛЬМАН; Георг ХАНССОН (SE); Георг ХАНССОН; Х. Йоханнессон (Se); Х. Йоханнессон; Рольф СЕРВИН (SE); Рольф СЕРВИН; Миккель ТАНИНГ (SE); Миккель ТАНИНГ; Леннарт ХАНССОН (SE); Леннарт ХАНССОН
Original assignee: Амершем Хелт АС
Priority date: 2001-11-02
Filing date: 2001-11-02
Publication date: 2006-08-10

Abstract

FIELD: melting solid polarized nuclear magnetic resonance specimens.

SUBSTANCE: proposed method for melting solid hyperpolarized specimen involves use of device that has means for hyperpolarization of solid specimen at low temperature in magnetic field produced by mentioned device that also has means 4, 8 for melting mentioned hyperpolarized solid specimen; in addition it has coils 31-31" for NMR analysis of mentioned molten specimen disposed in mentioned cryostat; means for melting mentioned hyperpolarized solid specimen are disposed inside mentioned cryostat in said magnetic field.

EFFECT: improved method and device for producing highly polarized specimens, as compared with prior art.

11 cl, 3 dwg

Description

Область техникиTechnical field

Настоящее изобретение относится к устройствам и способам, предназначенным для плавления твердых поляризованных образцов с сохранением высокого уровня поляризации.The present invention relates to devices and methods for melting solid polarized samples while maintaining a high level of polarization.

Уровень техникиState of the art

Настоящее изобретение касается анализа методом ядерного магнитного резонанса (ЯМР-анализа), в частности ЯМР-визуализации и аналитической ЯМР-спектроскопии высокого разрешения. ЯМР-визуализация представляет собой диагностическую методику, которая стала особенно популярной у медиков, поскольку является неразрушающей и не подвергает пациента воздействию потенциально вредного, например рентгеновского, излучения. Аналитическая ЯМР-спектроскопия высокого разрешения обычно используется для определения молекулярной структуры.The present invention relates to nuclear magnetic resonance analysis (NMR analysis), in particular NMR imaging and high resolution analytical NMR spectroscopy. NMR imaging is a diagnostic technique that has become especially popular among physicians because it is non-destructive and does not expose the patient to potentially harmful, for example, x-ray radiation. High resolution analytical NMR spectroscopy is commonly used to determine molecular structure.

ЯМР-визуализация и ЯМР-спектроскопия характеризуются невысокой чувствительностью вследствие очень низкой поляризации ядерных спинов в обычных образцах. Существует несколько способов увеличения поляризации ядерных спинов в твердой фазе. Эти способы, известные как способы гиперполяризации, обеспечивают повышение чувствительности. Однако при применении ЯМР-сигнала для визуализации in vivo с медицинскими целями, перед введением в исследуемый объект поляризованный образец должен быть превращен в раствор. Кроме того, для аналитической ЯМР-спектроскопии in vitro также часто предпочтительнее использовать поляризованный твердый образец в виде раствора. Проблема состоит в том, что поляризованный твердый образец необходимо преобразовать в раствор и перенести в ЯМР-магнит с минимальными потерями поляризации. В международной заявке WO 99/35508 описывается способ растворения твердого поляризованного образца. В этом способе поляризованный образец вручную вынимают из криостата и приблизительно в течение 1 секунды растворяют в тяжелой воде при 40°С в магнитном поле 0,4 Тл. Этот способ увеличивает поляризацию до 21 раза по сравнению с другими способами получения растворов, содержащих поляризованный образец. Однако, поскольку в этом способе образец перемещают вручную, трудно получить воспроизводимые результаты. Это связано с тем, что на поляризацию влияет скорость и плавность подъема поляризованного образца из криостата, но очень трудно обеспечить, чтобы разные операторы поднимали поляризованный образец с одинаковой скоростью и одинаково плавно. Целью изобретения является разработка способов и устройств, позволяющих усовершенствовать известный способ получения поляризованного образца с высокой степенью поляризации.NMR imaging and NMR spectroscopy are characterized by low sensitivity due to the very low polarization of nuclear spins in conventional samples. There are several ways to increase the polarization of nuclear spins in the solid phase. These methods, known as hyperpolarization methods, provide increased sensitivity. However, when using the NMR signal for in vivo imaging for medical purposes, before being introduced into the test object, the polarized sample must be converted into a solution. In addition, for in vitro analytical NMR spectroscopy, it is also often preferable to use a polarized solid sample in the form of a solution. The problem is that a polarized solid sample must be converted into a solution and transferred to an NMR magnet with minimal polarization loss. WO 99/35508 describes a method for dissolving a polarized solid sample. In this method, the polarized sample is manually removed from the cryostat and dissolved for approximately 1 second in heavy water at 40 ° C in a magnetic field of 0.4 T. This method increases polarization up to 21 times compared with other methods for producing solutions containing a polarized sample. However, since the sample is moved manually in this method, it is difficult to obtain reproducible results. This is due to the fact that the polarization is affected by the speed and smoothness of the rise of the polarized sample from the cryostat, but it is very difficult to ensure that different operators lift the polarized sample at the same speed and equally smoothly. The aim of the invention is to develop methods and devices to improve the known method for producing a polarized sample with a high degree of polarization.

Сущность изобретенияSUMMARY OF THE INVENTION

Согласно настоящему изобретению, по меньшей мере некоторые из проблем, присущих известному способу, решаются с помощью устройства, признаки которого приведены в отличительной части п.1 формулы изобретения, и способа, признаки которого приведены в отличительной части п.6 формулы изобретения. В частности, изобретение предлагает способ и средства плавления поляризованного твердого образца из поляризующего блока с минимальной потерей поляризации. Описаны устройства и способы получения расплавленных (гипер)поляризованных образцов, например контрастных агентов или аналитических образцов.According to the present invention, at least some of the problems inherent in the known method are solved using a device whose features are shown in the characterizing part of claim 1, and a method whose features are shown in the characterizing part of claim 6. In particular, the invention provides a method and means for melting a polarized solid sample from a polarizing block with minimal loss of polarization. Devices and methods for producing molten (hyper) polarized samples, for example, contrast agents or analytical samples, are described.

Дополнительно усовершенствованные устройства и способы имеют признаки, приведенные в зависимых пунктах формулы изобретения.Additionally improved devices and methods have the characteristics given in the dependent claims.

В одном из вариантов осуществления изобретения поляризующее устройство содержит средства плавления образца, поляризованного с помощью поляризующего устройства, т.е. твердый поляризованный образец плавится внутри того устройства, в котором он был поляризован. В предпочтительном варианте осуществления изобретения поляризующая камера поляризующего блока и плавильная камера объединены в одну камеру. В особенно предпочтительном варианте осуществления изобретения поляризующая и плавильная камеры объединены с ЯМР-спектрометром и/или устройством для ЯМР-визуализации, так что расплавленный поляризованный образец можно исследовать в том же устройстве, в котором он был расплавлен. Согласно настоящему изобретению, поляризация может быть достигнута, помимо прочего, при помощи поляризующего агента, например состава, включающего парамагнитные органические свободные радикалы. ЯМР-данные, полученные при помощи устройств и способов согласно настоящему изобретению, могут быть данными ЯМР-визуализации и/или данными ЯМР-спектроскопии.In one embodiment, the polarizing device comprises means for melting the sample polarized by the polarizing device, i.e. a solid polarized sample melts inside the device in which it was polarized. In a preferred embodiment, the polarizing chamber of the polarizing unit and the melting chamber are combined in one chamber. In a particularly preferred embodiment, the polarizing and melting chambers are combined with an NMR spectrometer and / or an NMR imaging device, so that the molten polarized sample can be examined in the same device in which it was molten. According to the present invention, polarization can be achieved, inter alia, by using a polarizing agent, for example, a composition comprising paramagnetic organic free radicals. NMR data obtained using the devices and methods of the present invention may be NMR imaging data and / or NMR spectroscopy data.

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

На фиг.1 схематично показан вид сбоку для первого варианта выполнения устройства согласно настоящему изобретению;1 schematically shows a side view for a first embodiment of a device according to the present invention;

на фиг.2 показан вариант выполнения контейнера для образца согласно настоящему изобретению; иfigure 2 shows an embodiment of a container for a sample according to the present invention; and

на фиг.3 схематично показан вариант выполнения схемы для измерения магнитного резонанса.figure 3 schematically shows an embodiment of a circuit for measuring magnetic resonance.

Подробное описание примеров осуществления изобретенияDetailed Description of Embodiments

В способах и устройствах согласно настоящему изобретению твердый образец из поляризуемого материала может быть поляризован, когда он находится в твердой фазе, любым известным способом, например прямой поляризацией, динамической поляризацией ядер или методом "замораживания" спинов, когда образец находится при низкой температуре (например, ниже 100 К) в сильном магнитном поле (например, 1-25 Тл). После того, как твердый образец поляризован, его расплавляют с минимальной потерей поляризации. В нижеследующем описании выражение "средства плавления" означает следующее: устройство, способное передать твердому поляризованному образцу достаточно энергии для его плавления.In the methods and devices according to the present invention, a solid sample of a polarizable material can be polarized when it is in the solid phase, by any known method, for example, direct polarization, dynamic polarization of nuclei or by freezing spins when the sample is at a low temperature (for example, below 100 K) in a strong magnetic field (e.g. 1-25 T). After a solid sample is polarized, it is melted with minimal loss of polarization. In the following description, the expression “melting means” means the following: a device capable of transferring enough energy to a solid polarized sample to melt it.

В одном из вариантов осуществления изобретения плавление происходит в комбинированном устройстве, предназначенном для поляризации, плавления и ЯМР-анализа.In one of the embodiments of the invention, the melting takes place in a combined device designed for polarization, melting and NMR analysis.

Преимущество изобретения состоит в том, что предложен воспроизводимый способ перевода поляризованного твердого материала в жидкое состояние с минимальной потерей поляризации. Это чрезвычайно важно при использовании методов гиперполяризации твердых материалов для визуализации медицинских объектов и для проведения лабораторных аналитических исследований путем ЯМР-спектроскопии высокого разрешения. При использовании растворов линии ЯМР являются узкими. Это значительно улучшает отношение сигнал/шум и спектральное разрешение, а также дает технические преимущества, поскольку образец не нужно вращать, как в случае использования твердых образцов.An advantage of the invention is that a reproducible method of converting a polarized solid material into a liquid state with minimal loss of polarization is proposed. This is extremely important when using methods of hyperpolarization of solid materials for the visualization of medical objects and for laboratory analytical studies by high resolution NMR spectroscopy. When using solutions, the NMR lines are narrow. This significantly improves the signal-to-noise ratio and spectral resolution, and also gives technical advantages, since the sample does not need to be rotated, as in the case of using solid samples.

Для большинства твердых образцов скорость релаксации (потеря поляризации в случае гиперполяризации) быстро растет с уменьшением величины поля. Поэтому для таких поляризованных образцов предпочтительно, чтобы при обработке они находились в сильном магнитном поле (например, свыше 0,1 Тл). Известны и другие причины потери поляризации, например внезапные изменения ориентации магнитного поля, сильные градиенты магнитного поля или наличие радиочастотных электромагнитных полей, поэтому необходимо устранить эти факторы, насколько это возможно. Плавление поляризованного материала может быть стимулировано несколькими способами, например ультразвуком, СВЧ-нагревом, лазерным облучением, с помощью излучения или передачи тепла или с помощью любого другого средства, которое позволяет передать твердому телу энергию, необходимую для его плавления. Зависимость скорости релаксации от температуры и поля уникальна для каждого твердого образца и системы растворитель/растворенное вещество. Поэтому предпочтительно, чтобы температура обработки была оптимизирована с целью достижения минимальной релаксации для фактического растворяемого образца. Обычно, хотя и не всегда, магнитное поле должно быть как можно более сильным. Минимальная величина T₁ во время обработки в общем случае растет с ростом магнитного поля.For most solid samples, the relaxation rate (loss of polarization in the case of hyperpolarization) increases rapidly with decreasing field strength. Therefore, for such polarized samples, it is preferable that during processing they were in a strong magnetic field (for example, above 0.1 T). Other reasons for the loss of polarization are known, for example, sudden changes in the orientation of the magnetic field, strong gradients of the magnetic field, or the presence of radio frequency electromagnetic fields, so it is necessary to eliminate these factors as much as possible. Melting of polarized material can be stimulated in several ways, for example, by ultrasound, microwave heating, laser irradiation, by radiation or heat transfer, or by any other means that allows the solid body to transfer the energy necessary for its melting. The dependence of the relaxation rate on temperature and field is unique for each solid sample and solvent / dissolved system. Therefore, it is preferable that the processing temperature be optimized in order to achieve minimal relaxation for the actual dissolving sample. Usually, although not always, the magnetic field should be as strong as possible. The minimum value of T ₁ during processing generally increases with increasing magnetic field.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения устройство для плавления твердого поляризованного материала входит в систему динамической поляризации ядер. Эта система включает магнит с индукцией магнитного поля 0,1-25 Тл или более, который помещен в криостат с малыми потерями для достижения оптимального времени криогенного удержания. Для магнитных полей свыше приблизительно 2 Тл магнит может быть сверхпроводящим. Для более слабых полей предпочтительно использовать более простые магниты. Особенно предпочтительные системы динамической поляризации ядер содержат сверхпроводящий магнит, рассчитанный на создание поля с индукцией 2-25 Тл. Для достижения оптимального времени криогенного удержания магнит помещают в криостат с очень малыми потерями. Требуемая однородность магнитного поля зависит от образца, но обычно она должна составлять ±0,2 мТл по всему объему образца. Этого можно достичь, даже для больших образцов, с помощью магнитных шиммов. Соответственно, стабильность поля в процессе поляризации должна быть лучше, чем критерий его однородности, то есть дрейф поля не должен превышать неоднородности поля. В магните имеется низкотемпературное пространство для охлаждения образца. Криостат сверхпроводящего магнита предпочтительно имеет прокачиваемую гелиевую ванну или, по меньшей мере, низкотемпературное пространство в канале магнита. Гелиевая ванна может находиться в трубе, которая термически изолирована (например, с помощью вакуума) от резервуара для гелия, предназначенного для охлаждения магнита, но связана с этим резервуаром капиллярной трубкой, что позволяет заполнять ванну из резервуара для магнита. Низкотемпературное пространство может быть простым цилиндром (выполненным из тонкостенной нержавеющей стали или меди, или другого немагнитного материала, или из комбинаций этих материалов) с закрытым нижним торцом. Для получения минимальных возможных температур при минимальных расходах на охлаждение, низкотемпературное пространство предпочтительно располагают в вакууме внутри емкости с гелием сверхпроводящего магнита, а низкотемпературный цилиндр предпочтительно устанавливают в углублении в соответствующих местах, обеспечивая его тепловую привязку, например к экрану, охлаждаемому испаряющимся гелием, жидким азотом и т.п. Низкотемпературный цилиндр может снабжаться гелием посредством капиллярной трубки, проходящей через его основание. Поток гелия можно регулировать с помощью игольчатого клапана, управляемого внешним устройством, вручную или автоматически посредством компьютерного устройства и т.п. Потоком гелия в гелиевую ванну можно управлять с помощью игольчатого клапана с электроприводом. Уровень жидкости можно контролировать, например, с помощью измерителя Аллена Бредли с угольным сопротивлением, и с помощью игольчатого клапана, управляемого вручную или автоматически, можно поддерживать постоянный уровень жидкости. Для достижения более низких температур, порядка 1 К (⁴He), ванну можно прокачивать, а ее температуру можно контролировать путем измерения упругости паров гелия, например с помощью измерительного преобразователя абсолютной емкости или элемента Пирани. При охлаждении газом результаты измерения температуры можно использовать для управления работой игольчатого клапана. Криогенное вещество, например гелий или азот, можно также подавать из внешнего резервуара. Для охлаждения как магнита, так и низкотемпературного пространства, можно предусмотреть и холодильники замкнутого цикла (без криогенного вещества). Поляризацию образца производят, облучая его СВЧ-излучением подходящей частоты. Для облучения образца используется СВЧ-оборудование. Это СВЧ-оборудование может быть сконструировано множеством способов. На более низких частотах (приблизительно менее 200 ГГц) для подвода излучения к пространству, где расположен образец, можно использовать волновод. На более высоких частотах можно использовать квазиоптические методы. Пространство для размещения образца предпочтительно формируют как резонансную СВЧ-структуру. СВЧ-структуру предпочтительно выполняют так, чтобы обеспечить легкую установку и замену образцов и их эффективное охлаждение. После того как образец поляризован, его расплавляют с помощью устройства и способа, предложенных согласно настоящему изобретению, как описано ниже.In a preferred embodiment, a device for melting a solid polarized material is included in a dynamic nuclear polarization system. This system includes a magnet with a magnetic field induction of 0.1-25 T or more, which is placed in a cryostat with low losses to achieve optimal cryogenic retention time. For magnetic fields above about 2 T, the magnet may be superconducting. For weaker fields, it is preferable to use simpler magnets. Particularly preferred systems for dynamic polarization of nuclei contain a superconducting magnet designed to create a field with an induction of 2-25 T. To achieve optimal cryogenic retention time, the magnet is placed in a cryostat with very low losses. The required uniformity of the magnetic field depends on the sample, but usually it should be ± 0.2 mT over the entire volume of the sample. This can be achieved, even for large samples, using magnetic shims. Accordingly, the field stability during the polarization process should be better than the criterion for its uniformity, that is, the field drift should not exceed the field inhomogeneity. The magnet has a low-temperature space for cooling the sample. The cryostat of the superconducting magnet preferably has a pumped helium bath or at least a low-temperature space in the magnet channel. A helium bath may be located in a pipe that is thermally isolated (for example, by vacuum) from a helium tank designed to cool the magnet, but connected to this tank by a capillary tube, which allows filling the bath from the magnet tank. The low-temperature space can be a simple cylinder (made of thin-walled stainless steel or copper, or other non-magnetic material, or from combinations of these materials) with a closed lower end. To obtain the lowest possible temperatures at the lowest cooling costs, the low-temperature space is preferably placed in a vacuum inside a container with helium of a superconducting magnet, and the low-temperature cylinder is preferably installed in a recess in appropriate places, providing thermal binding, for example, to a screen cooled by evaporating helium, liquid nitrogen etc. The low temperature cylinder may be provided with helium through a capillary tube passing through its base. Helium flow can be controlled using a needle valve controlled by an external device, manually or automatically, through a computer device, etc. The flow of helium into the helium bath can be controlled using an electric needle valve. The liquid level can be monitored, for example, with an Allen Bradley meter with carbon resistance, and with the help of a needle valve controlled manually or automatically, a constant liquid level can be maintained. To achieve lower temperatures, of the order of 1 K ( ⁴ He), the bath can be pumped, and its temperature can be controlled by measuring the vapor pressure of helium, for example, using an absolute capacity measuring transducer or a Pirani element. For gas cooling, temperature measurement results can be used to control the operation of a needle valve. A cryogenic substance, such as helium or nitrogen, can also be supplied from an external reservoir. For cooling both the magnet and the low-temperature space, closed-loop refrigerators (without cryogenic substances) can also be provided. The sample is polarized by irradiating it with microwave radiation of a suitable frequency. Microwave equipment is used to irradiate the sample. This microwave equipment can be constructed in a variety of ways. At lower frequencies (approximately less than 200 GHz), a waveguide can be used to supply radiation to the space where the sample is located. At higher frequencies, quasi-optical methods can be used. The space for accommodating the sample is preferably formed as a resonant microwave structure. The microwave structure is preferably performed so as to provide easy installation and replacement of samples and their effective cooling. After the sample is polarized, it is melted using the device and method proposed according to the present invention, as described below.

Один из возможных вариантов осуществления изобретения иллюстрируется на фиг.1. На этом чертеже показано криостатное устройство 1 для поляризации твердого образца, которое содержит средства плавления твердого поляризованного образца, выполненные согласно настоящему изобретению. Устройство 1 (показанное штриховой линией) включает криостат 2, содержащий средства 3 поляризации, например СВЧ-камеру 3а, соединенную с источником 3с СВЧ-излучения посредством волновода 3b, в центральном канале 6, окруженном средствами создания магнитного поля, например сверхпроводящим магнитом 5. Криостаты и средства поляризации, предназначенные для поляризации твердого образца, хорошо известны, и поэтому их конструкция не будет описываться подробно. Канал 6 идет вертикально вниз по меньшей мере до уровня области Р около сверхпроводящего магнита 5, где индукция магнитного поля достаточна для поляризации образца, например составляет от 1 до 25 Тл или более, например 3,5 Тл. Центральный канал 6 является герметичным и может быть откачан до низкого давления, например порядка 1 мбар и менее. Средство для ввода образца, например съемная трубка 7 для транспортировки образца, может вводиться в канал 6, эту трубку 7 можно вставить в верхнюю часть канала и опустить вниз до СВЧ-камеры 3а в области Р. Область Р охлаждается жидким гелием до достаточно низкой температуры, позволяющей осуществить поляризацию материала, например до температуры порядка 0,1-10 К. Чтобы в канале 6 сохранялся частичный вакуум, трубку 7 можно герметизировать на верхнем конце любым подходящим способом. Контейнер для образца, например чашка 9, может быть надет, предпочтительно с возможностью последующего снятия, на нижний конец трубки 7 для транспортировки образца. Эта чашка 9 закрывает трубку 8 снизу и предназначена для удержания в ней любого материала, введенного в трубку 7. Чашка 9 предпочтительно выполнена из легкого материала с низкой удельной теплоемкостью, такого как пенопласт, например из полистирола, чтобы теплоемкость чашки 9 была как можно меньше. Герметичная входная трубка 10 для подачи гелия (для упрощения чертежа показана штриховой линией) проходит от верха канала 6 до дна чашки 9.One possible embodiment of the invention is illustrated in FIG. This drawing shows a cryostat device 1 for polarizing a solid sample, which comprises means for melting a solid polarized sample made according to the present invention. The device 1 (shown by the dashed line) includes a cryostat 2 containing polarization means 3, for example, a microwave camera 3a, connected to a microwave radiation source 3c by means of a waveguide 3b, in a central channel 6 surrounded by magnetic field generating means, for example, a superconducting magnet 5. Cryostats and polarization means intended to polarize a solid sample are well known, and therefore their design will not be described in detail. Channel 6 runs vertically downward at least to the level of region P near the superconducting magnet 5, where the magnetic field induction is sufficient to polarize the sample, for example, from 1 to 25 T or more, for example 3.5 T. The central channel 6 is sealed and can be pumped out to low pressure, for example of the order of 1 mbar or less. A means for introducing a sample, for example, a removable tube 7 for transporting a sample, can be introduced into the channel 6, this tube 7 can be inserted into the upper part of the channel and lowered down to the microwave chamber 3a in region P. Region P is cooled with liquid helium to a sufficiently low temperature, allowing the polarization of the material, for example, to a temperature of the order of 0.1-10 K. In order to maintain partial vacuum in the channel 6, the tube 7 can be sealed at the upper end by any suitable method. A sample container, such as a cup 9, can be put on, preferably with the possibility of subsequent removal, on the lower end of the tube 7 for transporting the sample. This cup 9 closes the tube 8 from the bottom and is designed to hold any material introduced into the tube 7. It is preferably made of lightweight material with a low specific heat, such as polystyrene, for example polystyrene, so that the heat capacity of the cup 9 is as low as possible. Hermetic inlet tube 10 for supplying helium (to simplify the drawing is shown by a dashed line) runs from the top of the channel 6 to the bottom of the cup 9.

В способе согласно настоящему изобретению образец, находящийся в чашке 9 для образца, поляризуют известным путем, а затем переводят в жидкую фазу путем плавления. Это плавление поляризованного образца в чашке 9 для образца осуществляют, когда поляризованный образец все еще находится внутри криостатного устройства 1. Для этого предусмотрены средства подачи энергии в поляризованный твердый образец, например посредством ультразвука, электромагнитной энергии или путем приведения твердого поляризованного образца в контакт с теплой поверхностью или материалом. В устройстве, показанном на фиг.1, твердый поляризованный образец плавят в чашке 9 для образца с помощью средств подачи энергии в поляризованный твердый образец, выполненных в виде лазера 8, установленного вне криостата и посылающего электромагнитное излучение через оптическое волокно 4 на образец, находящийся в чашке 9 для образца.In the method according to the present invention, the sample in the sample cup 9 is polarized in a manner known per se and then transferred to the liquid phase by melting. This melting of the polarized sample in the sample cup 9 is carried out when the polarized sample is still inside the cryostat device 1. For this, means are provided for supplying energy to the polarized solid sample, for example by means of ultrasound, electromagnetic energy or by bringing the polarized solid sample into contact with a warm surface or material. In the device shown in FIG. 1, a polarized solid sample is melted in a sample cup 9 by means of supplying energy to a polarized solid sample made in the form of a laser 8 mounted outside of a cryostat and sending electromagnetic radiation through optical fiber 4 to a sample located in 9 cup for sample.

Пример осуществления способа согласно настоящему изобретению для плавления твердого образца, поляризованного в твердом состоянии, включает следующие операции:An example implementation of the method according to the present invention for melting a solid sample polarized in the solid state includes the following operations:

образец, предпочтительно в виде порошка, зерен или шариков, что способствует быстрому и однородному плавлению, но возможно и в виде жидкости при комнатной температуре, вводят в чашку 9 для образца, расположенную у нижней части трубки 7 для транспортировки образца;the sample, preferably in the form of a powder, grains or balls, which contributes to fast and uniform melting, but also in the form of a liquid at room temperature, is introduced into the sample cup 9 located at the bottom of the tube 7 for transporting the sample;

трубку 7 для транспортировки образца вводят в канал 6 так, чтобы чашка 9 для образца была расположена в магнитном поле необходимой величины, канал 6 герметизируют и откачивают до его рабочего давления;the tube 7 for transporting the sample is introduced into the channel 6 so that the sample cup 9 is located in the magnetic field of the required size, the channel 6 is sealed and pumped to its working pressure;

материал, находящийся в твердом состоянии, поляризуют, предпочтительно гиперполяризуют;the solid material is polarized, preferably hyperpolarized;

давление в канале 6 доводят до атмосферного;the pressure in the channel 6 is brought to atmospheric;

если чашка 9 для образца находится под поверхностью жидкого гелия в криостате, то трубку 7 для транспортировки образца поднимают до тех пор, пока она не окажется выше поверхности гелия;if the sample cup 9 is located under the surface of liquid helium in a cryostat, then the tube 7 for transporting the sample is raised until it is higher than the surface of helium;

приводят в действие средства подачи энергии в поляризованный твердый образец, энергию подают в твердый образец, например с помощью лазера 9 и оптического волокна 4, и твердый образец расплавляют.the means for supplying energy to the polarized solid sample are driven, the energy is supplied to the solid sample, for example using a laser 9 and optical fiber 4, and the solid sample is melted.

Как возможный вариант, выполняют также шаг анализа поляризованного жидкого образца методом ЯМР.As a possible option, also perform the step of analysis of the polarized liquid sample by NMR.

Предпочтительно, способ автоматизирован, например, осуществляется под управлением компьютера (не показан).Preferably, the method is automated, for example, is controlled by a computer (not shown).

Когда поляризованный твердый образец плавят в поляризующем блоке, он, предпочтительно, остается в сильном магнитном поле поляризующего блока или вблизи области сильного магнитного поля магнита, чтобы минимизировать потери поляризации образца. Если образец поляризуют в гелиевой (или азотной) ванне, то для удаления жидкого хладагента перед плавлением образец можно поднять из этой ванны на небольшое расстояние, например 5 или 10 см. При этом образец все еще подвергается воздействию значительной части магнитного поля поляризующего блока. Затем твердый образец можно расплавить и можно провести ЯМР-анализ.When a polarized solid sample is melted in a polarizing block, it preferably remains in the strong magnetic field of the polarizing block or near the region of the strong magnetic field of the magnet to minimize polarization loss of the sample. If the sample is polarized in a helium (or nitrogen) bath, then to remove the liquid refrigerant before melting, the sample can be lifted from this bath a small distance, for example 5 or 10 cm. However, the sample is still exposed to a significant part of the magnetic field of the polarizing block. Then, the solid sample can be melted and an NMR analysis can be performed.

В варианте осуществления изобретения, показанном на фиг.1, аналитическое ЯМР-оборудование размещено в том же инструментальном средстве, что и поляризующий блок с блоком плавления. Это показано на фиг.1 в виде множества катушек 31-31" для ЯМР-анализа, то есть катушек для ЯМР-визуализации и/или для ЯМР-спектроскопии. Катушки, которые могут использоваться для шиммирования магнитного поля и обнаружения ЯМР-сигнала, можно поместить в позиции, известные в технике ЯМР-анализа высокого разрешения. В этом случае плавление поляризованного образца происходит в том же месте, где осуществляется визуализация расплавленного поляризованного образца, и время транспортировки из области плавления в область визуализации равно нулю. Это предпочтительно, поскольку в этом случае при выполнении анализа, то есть при визуализации или спектроскопии, нет необходимости выносить образец из магнитного поля сверхпроводящего магнита, и исключаются потери поляризации образца, обусловленные транспортировкой. Потери поляризации, т.е. разница между величиной поляризации в твердом состоянии и величиной поляризации в расплавленном состоянии, могут быть минимизированы путем быстрого плавления образца. Кроме того, низкая рабочая температура катушек, погруженных в жидкий гелий, значительно (более чем в три раза) улучшает отношение сигнал/шум.In the embodiment of the invention shown in FIG. 1, NMR analysis equipment is housed in the same tool as the polarizing unit with the melting unit. This is shown in FIG. 1 as a plurality of coils 31-31 "for NMR analysis, that is, coils for NMR imaging and / or for NMR spectroscopy. Coils that can be used to shim magnetic field and detect the NMR signal can placed in positions known in the high-resolution NMR analysis technique. In this case, the polarized sample is melted in the same place where the molten polarized sample is visualized, and the transport time from the melting region to the visualization region is zero. it is preferable because in this case, when performing the analysis, that is, during visualization or spectroscopy, it is not necessary to remove the sample from the magnetic field of the superconducting magnet, and the polarization loss of the sample due to transport is eliminated. and the magnitude of the polarization in the molten state, can be minimized by rapid melting of the sample. In addition, the low operating temperature of coils immersed in liquid helium significantly (more than three times) improves the signal-to-noise ratio.

Однако в некоторых случаях требования к величине магнитного поля и температуре для осуществления поляризации и для обнаружения ЯМР могут не совпадать, поэтому можно предусмотреть средства перемещения образца из одной части магнита в другую. Может оказаться предпочтительным осуществлять обнаружение ЯМР при большей или меньшей величине поля, чем оптимальная величина поля для динамической поляризации ядер. Поэтому в одном из вариантов осуществления изобретения динамическая поляризация ядер проводится в холодном газообразном гелии в нижней части магнита (то есть в менее сильном поле, например 3,35 Тл). В этом случае следует шиммировать поле в этой области для обеспечения требуемой однородности этого поля. После поляризации образца для его плавления и для обнаружения ЯМР-образец можно поднять к центру магнита (где поле сильнее, например 9,4 Тл, и является однородным). Кроме того, для плавления образец можно поднять в промежуточное положение, а затем для обнаружения ЯМР переместить к центру магнита.However, in some cases, the requirements for the magnitude of the magnetic field and temperature for polarizing and for detecting NMR may not coincide, therefore, means can be provided for moving the sample from one part of the magnet to another. It may be preferable to carry out NMR detection at a larger or smaller field value than the optimal field value for the dynamic polarization of nuclei. Therefore, in one embodiment of the invention, the dynamic polarization of the nuclei is carried out in cold gaseous helium in the lower part of the magnet (that is, in a less strong field, for example, 3.35 T). In this case, the field in this region should be shaded to ensure the required uniformity of this field. After polarization of the sample for melting and for detection, the NMR sample can be raised to the center of the magnet (where the field is stronger, for example 9.4 T, and is uniform). In addition, for melting, the sample can be raised to an intermediate position, and then moved to the center of the magnet to detect NMR.

Возможной модификацией изобретения является включение в устройство держателя для множества образцов, чтобы можно было одновременно или последовательно поляризовать несколько образцов и плавить их один за другим. Кроме того, можно использовать систему, в которой несколько образцов плавят и анализируют одновременно. Как понятно специалистам, система с держателем на несколько образцов может быть выполнена многими различными способами, например с использованием карусельного или решеточного держателя.A possible modification of the invention is the inclusion of a holder for a plurality of samples in the holder so that several samples can be polarized simultaneously or sequentially and melted one after another. In addition, you can use a system in which several samples are melted and analyzed simultaneously. As understood by those skilled in the art, a system with a multi-sample holder can be implemented in many different ways, for example using a carousel or grill holder.

Согласно одному из вариантов осуществления изобретения, для создания устройства, которое позволяет получать высокополяризованные материалы путем динамической поляризации ядер, обычное ЯМР-оборудование можно снабдить устройством, выполненным согласно настоящему изобретению. Для этого ЯМР-оборудование должно иметь низкотемпературное пространство, которое находится в магнитном поле. С этой целью любой обыкновенный ЯМР-магнит, имеющий достаточно широкий внутренний канал, можно снабдить проточным криостатом и оборудованием, описанным ниже, для получения растворов молекул, поляризация которых увеличена путем динамической поляризации ядер. Проточный криостат представляет собой вакуумно-изолированную камеру, которая может быть вставлена в канал магнита, рассчитанного на работу при комнатной температуре сердечника, что позволяет понизить температуру в канале посредством потока холодного криогенного вещества. Проточный криостат обычно соединяется с внешним источником криогенного вещества посредством передаточной линии. Поток криогенного вещества в проточном криостате охлаждает канал магнита и формирует низкотемпературное пространство. Проточный криостат может быть оборудован средствами, которые описаны ниже, для поляризации твердых материалов путем динамической поляризации ядер и может иметь оборудование, описанное ниже, для обнаружения сигналов от ядер в твердом теле и в растворе. Следует отметить, что в системах динамической поляризации ядер, специально предназначенных для ЯМР-анализа или для получения гиперполяризованных агентов для ЯМР-визуализации, низкотемпературное пространство предпочтительно интегрировано в криостат магнита.According to one embodiment of the invention, to create a device that allows highly polarized materials to be produced by dynamic polarization of nuclei, conventional NMR equipment can be equipped with a device made according to the present invention. For this, NMR equipment must have a low-temperature space that is in a magnetic field. For this purpose, any ordinary NMR magnet having a sufficiently wide internal channel can be equipped with a flowing cryostat and equipment described below to obtain solutions of molecules whose polarization is increased by dynamic polarization of the nuclei. The flow cryostat is a vacuum-insulated chamber that can be inserted into the magnet channel, designed to operate at room temperature of the core, which allows lowering the temperature in the channel through the flow of cold cryogenic substance. A flow cryostat is usually connected to an external source of cryogenic substance via a transfer line. The flow of cryogenic substance in the flowing cryostat cools the magnet channel and forms a low-temperature space. The flow cryostat may be equipped with the means described below for polarizing solid materials by dynamically polarizing the nuclei and may have the equipment described below for detecting signals from nuclei in a solid and in a solution. It should be noted that in systems of dynamic polarization of nuclei specially designed for NMR analysis or for obtaining hyperpolarized agents for NMR imaging, the low-temperature space is preferably integrated into the magnet cryostat.

В качестве примера реализации предложенного способа может быть выбрано плавление с помощью лазера. Диодный лазер или любой другой известный лазер или источник света с выходной мощностью 100 Вт является распространенным коммерческим изделием. Такой лазер нагреет образец на основе воды объемом 1 мл (приблизительно 1 мг) от 1 К до 300 К за 6,4 мс.As an example of the implementation of the proposed method, laser melting can be selected. A diode laser or any other known laser or light source with an output power of 100 W is a common commercial product. Such a laser heats a sample based on water with a volume of 1 ml (approximately 1 mg) from 1 K to 300 K in 6.4 ms.

С_р(лед)=1,67 Дж/К/г (зависит от температуры, намеренно завышена)C _p (ice) = 1.67 J / K / g (depending on temperature, intentionally overstated)

С_р(вода)=4,18 Дж/К/гC _p (water) = 4.18 J / K / g

Теплота плавления=79,8 Дж/гHeat of fusion = 79.8 J / g

Масса (вода) m=1 мгMass (water) m = 1 mg

Энергия (нагрев 1-273 К)=1,67 Дж/К/г*272К* 1 мг=450 мДжEnergy (heating 1-273 K) = 1.67 J / K / g * 272K * 1 mg = 450 mJ

Энергия (плавление)=79,8 Дж/г*1 мг=80 мДжEnergy (melting) = 79.8 J / g * 1 mg = 80 mJ

Энергия (нагрев 273-300 К)=4,18 дЖ/К/г*27 К*1 мг=113 мДжEnergy (heating 273-300 K) = 4.18 J / K / g * 27 K * 1 mg = 113 mJ

Итого, 643 мДжTotal, 643 mJ

Время подачи энергии 643 мДж лазером мощностью 100 Вт составляет 643 мДж/100 Вт=6,4 мсThe power supply time of 643 mJ with a 100 W laser is 643 mJ / 100 W = 6.4 ms

Использование менее мощного лазера пропорционально увеличивает время плавления. Имеются диодные лазеры с такими уровнями мощности для множества длин волн, при этом предпочтительно, чтобы твердый образец сам был способен поглощать оптическую энергию, или же в него можно добавить поглощающие молекулы, или поверхность твердого образца можно покрыть поглощающим материалом. Таким образом, длину волны лазерного излучения можно выбрать так, чтобы она соответствовала параметрам поглощения твердого образца или тарелки, на которой он расположен. Для высокой эффективности плавления образца предпочтительно использовать тарелку для образца с хорошим поглощением энергии лазерного излучения и низкой удельной теплопроводностью. Лучом лазера можно управлять с помощью управляемого зеркала или, альтернативно, можно перемещать образец, оставляя лазер неподвижным.The use of a less powerful laser proportionally increases the melting time. There are diode lasers with such power levels for multiple wavelengths, while it is preferable that the solid sample itself is capable of absorbing optical energy, or absorbing molecules can be added to it, or the surface of the solid sample can be coated with absorbing material. Thus, the wavelength of the laser radiation can be chosen so that it matches the absorption parameters of the solid sample or plate on which it is located. For high melting efficiency of the sample, it is preferable to use a plate for the sample with good absorption of laser radiation energy and low thermal conductivity. The laser beam can be controlled using a controlled mirror or, alternatively, you can move the sample, leaving the laser stationary.

В другом варианте осуществления изобретения поляризованный твердый образец плавят, вводя его в тепловой контакт с теплой жидкостью. Это может быть достигнуто введением образца в виде жидкости (которую затем можно заморозить, например, в криостате) или сыпучего твердого тела, например порошка, шариков и т.п., в пространство для приема образца в капиллярной трубке. Как вариант, пространство для приема образца может быть окружено соленоидной катушкой. Капиллярную трубку можно ввести в криостат, и заморозить и поляризовать образец, как описано выше. После поляризации образца в пространство для приема образца через капиллярную трубку можно ввести некоторый объем горячей жидкости, и твердый образец быстро расплавится. Альтернативно, пространство для приема образца может быть окружено и приведено в тепловой контакт со средствами подачи энергии в поляризованный твердый образец, выполненными в виде камеры или спирали из трубки, которую можно заполнить горячей жидкостью. Таким образом, поляризованный образец можно расплавить за счет тепловой энергии, передаваемой от горячей жидкости в пространство для приема образца через стенки камеры или спирали. При этом удастся избежать разбавления образца. Предпочтительно, вводимая жидкость служит также средством согласования восприимчивости для соленоидной катушки. Расплавленный поляризованный образец можно анализировать на месте или же, альтернативно, можно вылить из капиллярной трубки в отдельную область проведения ЯМР-спектроскопии или визуализации.In another embodiment, the polarized solid sample is melted by thermal contact with a warm liquid. This can be achieved by introducing the sample in the form of a liquid (which can then be frozen, for example, in a cryostat) or a free-flowing solid, such as powder, beads, etc., into the space for receiving the sample in a capillary tube. Alternatively, the space for receiving the sample may be surrounded by a solenoid coil. A capillary tube can be inserted into the cryostat, and the sample can be frozen and polarized as described above. After polarization of the sample, a volume of hot liquid can be introduced into the space for receiving the sample through the capillary tube, and the solid sample will quickly melt. Alternatively, the space for receiving the sample can be surrounded and brought into thermal contact with means for supplying energy to a polarized solid sample, made in the form of a chamber or a spiral from a tube that can be filled with hot liquid. Thus, a polarized sample can be melted due to the thermal energy transferred from the hot liquid to the space for receiving the sample through the walls of the chamber or spiral. In this case, dilution of the sample can be avoided. Preferably, the injected fluid also serves as a means of matching the susceptibility of the solenoid coil. The molten polarized sample can be analyzed in situ or, alternatively, can be poured from the capillary tube into a separate area for NMR spectroscopy or imaging.

Хотя было описано нагревание с помощью лазера и горячей жидкости, можно использовать любой способ подачи энергии, причем возможна подача тепловой энергии в образец от нескольких источников. Например, плавлению образца с помощью лазера можно помочь посредством электронагревательного элемента. Важно, чтобы плавление происходило за время порядка величины T₁ (или, предпочтительно, за меньшее время) для ядерного спина. Потери поляризации за время плавления должны быть менее 99%, предпочтительно - менее 90%, а более предпочтительно - менее 10%, и эти различные уровни потерь поляризации можно воспроизводимо получить, подбирая скорость плавления поляризованного твердого образца. Кроме того, предпочтительно регулировать подачу энергии в образец так, чтобы после плавления он сохранялся в жидком состоянии, и можно было осуществлять визуализацию с использованием жидкого образца.Although heating with a laser and hot liquid has been described, any method of supplying energy can be used, and it is possible to supply thermal energy to the sample from several sources. For example, laser melting of a sample can be helped by an electric heating element. It is important that melting occurs over a time of the order of magnitude of T ₁ (or, preferably, in less time) for the nuclear spin. The polarization loss during melting should be less than 99%, preferably less than 90%, and more preferably less than 10%, and these different levels of polarization loss can be reproducibly obtained by selecting the melting rate of the polarized solid sample. In addition, it is preferable to control the energy supply to the sample so that after melting it remains in a liquid state, and visualization using a liquid sample can be carried out.

Для СВЧ-облучения образца держатель образца и соответствующую СВЧ-структуру можно разместить в низкотемпературном пространстве. СВЧ-структура может быть рупорной антенной, камерой, присоединенной к концу волновода (как показано на фиг.2), набором зеркал Фабри-Перо или любым другим устройством для СВЧ-облучения. Предпочтительно, эта структура работает как СВЧ-резонатор, что увеличивает уровень СВЧ-поля внутри нее. В случае более низких частот (меньше, чем приблизительно 200 ГГц) для подвода электромагнитного излучения к облучающей структуре удобно использовать волноводы. Геометрию и габариты волноводов выбирают так, чтобы снизить потери СВЧ-мощности. Предпочтительно, чтобы волновод оказывал как можно меньшую тепловую нагрузку на низкотемпературное пространство; он может быть выполнен, например, из посеребренной тонкостенной нержавеющей стали. Можно также использовать гофрированные волноводы. На более высоких частотах можно использовать квазиоптические методы, и СВЧ-излучение можно направлять с помощью линз и зеркал. Предпочтительно, чтобы СВЧ-структура имела отверстия, обеспечивающие легкую замену и эффективное охлаждение образца. СВЧ-излучение генерируют с помощью подходящего СВЧ-генератора, например генератора на лавинно-пролетном диоде, генератора на диоде Ганна с усилителем на лавинно-пролетном диоде, генератора на лампе обратной волны и т.п. СВЧ-генератор может быть интегрирован в резонансную структуру, предназначенную для облучения образца. Таким образом, активное устройство, создающее СВЧ-колебания, может быть физически расположено в магните рядом с образцом, в результате чего потери при передаче СВЧ-мощности снижаются.For microwave irradiation of the sample, the sample holder and the corresponding microwave structure can be placed in a low-temperature space. The microwave structure can be a horn antenna, a camera attached to the end of the waveguide (as shown in figure 2), a set of Fabry-Perot mirrors, or any other device for microwave irradiation. Preferably, this structure acts as a microwave cavity, which increases the level of the microwave field inside it. In the case of lower frequencies (less than approximately 200 GHz), it is convenient to use waveguides to supply electromagnetic radiation to the irradiating structure. The geometry and dimensions of the waveguides are chosen so as to reduce the loss of microwave power. Preferably, the waveguide exerts the smallest possible thermal load on the low-temperature space; it can be made, for example, of silver-plated thin-walled stainless steel. Corrugated waveguides can also be used. At higher frequencies, quasi-optical methods can be used, and microwave radiation can be directed using lenses and mirrors. Preferably, the microwave structure has openings for easy replacement and efficient cooling of the sample. Microwave radiation is generated using a suitable microwave generator, for example, an avalanche-span diode generator, a Gunn diode generator with an avalanche-span diode amplifier, a backward-wave oscillator, and the like. The microwave generator can be integrated into a resonant structure designed to irradiate the sample. Thus, the active device that generates microwave oscillations can be physically located in the magnet next to the sample, as a result of which the transmission losses of microwave power are reduced.

На фиг.2 показана в перспективе часть одного из вариантов выполнения средств 3 поляризации, предназначенных для размещения в криостате системы динамической поляризации ядер. Эти средства содержат СВЧ-камеру 3а, связанную с помощью волновода 3b с источником СВЧ-мощности (не показан). Камера 3 имеет по существу цилиндрическую внешнюю стенку 3d, верхнее основание 3е и нижнее основание 3f. Камера 3а выполнена из материала, отражающего СВЧ-излучение, например из латуни. Верхнее основание 3е имеет центральное круговое отверстие 3g с диаметром, позволяющим ввести чашку 9 для образца (не показана) в камеру 3а. Верхнее и нижнее основания 3е, 3f имеют множество вырезов 3h, которые закрыты сеткой 3i, отражающей СВЧ-излучение, которая позволяет жидкому гелию проникать в камеру 3а через вырезы 3h, но препятствует выходу СВЧ-излучения из камеры За. Камера За установлена на нижнем конце 3j волновода 3b, при этом щель 3k в стенке 3d камеры 3а совпадает с аналогичной щелью 3l в нижнем конце 3j волновода 3b, что позволяет СВЧ-излучению выходить из волновода 3b в камеру 3а. Размеры щелей 3k, 3l выбраны так, чтобы оптимизировать передачу СВЧ-мощности в камеру 3а.Figure 2 shows in perspective part of one of the embodiments of means 3 of polarization, designed to be placed in a cryostat of a system of dynamic polarization of nuclei. These means comprise a microwave camera 3a coupled via a waveguide 3b to a microwave power source (not shown). The chamber 3 has a substantially cylindrical outer wall 3d, an upper base 3e and a lower base 3f. The chamber 3a is made of a material reflecting microwave radiation, for example, brass. The upper base 3e has a central circular hole 3g with a diameter that allows the introduction of a sample cup 9 (not shown) into the chamber 3a. The upper and lower bases 3e, 3f have a plurality of cutouts 3h, which are covered by a microwave radiation reflecting grid 3i, which allows liquid helium to enter the chamber 3a through the cutouts 3h, but prevents the microwave radiation from leaving the chamber Za. Camera Za is mounted on the lower end 3j of waveguide 3b, and the slot 3k in the wall 3d of camera 3a coincides with a similar slot 3l at the lower end 3j of waveguide 3b, which allows microwave radiation to exit from waveguide 3b into chamber 3a. The dimensions of the slots 3k, 3l are selected so as to optimize the transmission of microwave power to the chamber 3a.

Например, если внутренний диаметр камеры равен 28 мм, внутренняя высота - 28 мм, а внутренняя ширина волновода 7 мм, то щели могут иметь высоту 5-10 мм и ширину 2-7 мм. Нижний конец 3j волновода 3b сужается по направлению к днищу, действуя как СВЧ-отражатель, что увеличивает СВЧ-мощность, передаваемую в камеру 3а. Подходящие углы сужения зависят от размеров волновода, частоты используемых СВЧ-колебаний и размеров щелей 3k, 3l и могут быть приблизительно от 5 до 60°, предпочтительно - от 15° до 30°. Размеры камеры 3а, волновода 3b и щелей 3k, 3l выбирают так, чтобы камера За работала как СВЧ-резонатор. Для измерения поляризации образца, содержащегося в чашке для образца, камера может включать центральную измерительную ЯМР-катушку 51. Она может быть выполнена в виде фторопластового цилиндра 53, на который, в зависимости от ориентации статического поля, помещены спиральные или седлообразные медные обмотки (не показаны), и соединена с соответствующими средствами измерения.For example, if the inner diameter of the chamber is 28 mm, the inner height is 28 mm, and the inner width of the waveguide is 7 mm, then the slots can have a height of 5-10 mm and a width of 2-7 mm. The lower end 3j of the waveguide 3b narrows toward the bottom, acting as a microwave reflector, which increases the microwave power transmitted to the chamber 3a. Suitable narrowing angles depend on the dimensions of the waveguide, the frequency of the microwave oscillations used and the sizes of the slits 3k, 3l and can be from about 5 to 60 °, preferably from 15 ° to 30 °. The dimensions of the chamber 3a, the waveguide 3b, and the slots 3k, 3l are chosen so that the chamber B operates as a microwave resonator. To measure the polarization of the sample contained in the sample cup, the chamber can include a central NMR measuring coil 51. It can be made in the form of a fluoroplastic cylinder 53, on which, depending on the orientation of the static field, spiral or saddle-shaped copper windings (not shown) are placed ), and is connected to appropriate measuring instruments.

В этом варианте осуществления изобретения образец помещают в чашку 9 для образца, опускаемую в центр камеры 3а (внутрь измерительной катушки, если таковая имеется). Источник СВЧ-излучения включает и облучает образец, пока он не будет поляризован. Затем его можно расплавить с помощью средств подачи энергии, например оптического волокна 4 (показано штриховыми линиями), соединенного с лазером 8, описанным выше и показанным на фиг.1, и с входным отверстием 33 для лазерного света в стенке 3d, так что лазерный свет через оптическое волокно 4 попадает на поляризованный твердый образец.In this embodiment, the sample is placed in a sample cup 9, lowered into the center of the chamber 3a (inside the measuring coil, if any). The microwave radiation source turns on and irradiates the sample until it is polarized. It can then be melted using energy supply means, for example optical fiber 4 (shown by dashed lines) connected to the laser 8 described above and shown in FIG. 1 and to the laser light inlet 33 in the wall 3d, so that the laser light through an optical fiber 4 it enters a polarized solid sample.

Во втором варианте выполнения камеры согласно настоящему изобретению, нижнее основание 3f имеет центральное отверстие 3m такого же диаметра, что и чашка 9 для образца. Это позволяет опускать чашку 9 для образца сквозь камеру 3а ниже ее дна. Контейнер для образцов может содержать множество разнесенных в вертикальном направлении чашек для образцов. Высота каждой из этих чашек может быть равна высоте камеры 3а или ее части. Если она равна высоте камеры 3а, то можно подвергнуть СВЧ-облучению в камере 3а первый образец в первой чашке, в то время как второй образец во второй чашке находится вне камеры, но все же очень близко к сильному магнитному полю. Когда первый образец достаточно поляризован, контейнер для образцов можно переместить вертикально, чтобы второй образец во второй чашке оказался в камере 3а, а поляризованный первый образец в первой чашке сохранялся поляризованным в магнитном поле вне камеры 3а. Эти шаги можно повторять до тех пор, пока все образцы не окажутся поляризованными, затем все образцы можно одновременно расплавить, используя одно или множество средств подачи энергии в поляризованный твердый образец. Альтернативно, поляризованные образцы можно плавить поочередно в сильном магнитном поле в блоке для динамической поляризации ядер или в магнитном поле, создаваемом спектрометрическим или визуализирующим устройством.In a second embodiment of the chamber according to the present invention, the lower base 3f has a central opening 3m of the same diameter as the sample cup 9. This allows you to lower the cup 9 for the sample through the chamber 3A below its bottom. The sample container may comprise a plurality of vertically spaced sample cups. The height of each of these cups may be equal to the height of the chamber 3a or part thereof. If it is equal to the height of chamber 3a, then the first sample in the first cup can be subjected to microwave irradiation in chamber 3a, while the second sample in the second cup is outside the chamber, but still very close to a strong magnetic field. When the first sample is sufficiently polarized, the sample container can be moved vertically so that the second sample in the second cup is in the chamber 3a, and the polarized first sample in the first cup is kept polarized in a magnetic field outside the chamber 3a. These steps can be repeated until all samples are polarized, then all samples can be melted simultaneously using one or more means of supplying energy to the polarized solid sample. Alternatively, polarized samples can be melted alternately in a strong magnetic field in a block for dynamically polarizing nuclei or in a magnetic field generated by a spectrometric or imaging device.

Обнаружение ЯМР особенно желательно в аналитических приложениях. В других приложениях обнаружение ЯМР дает возможность получить меру поляризации ядер. Катушка для обнаружения ЯМР может иметь любую известную конструкцию, например, она может быть соленоидной или седлообразной. Обычно катушку (индуктивность) настраивают на частоту ЯМР с помощью конденсатора и согласовывают с волновым сопротивлением кабеля. Для обнаружения ядер более чем одного вида, катушку для обнаружения ЯМР можно настроить на множество частот. Конденсаторы можно установить близко к катушке в низкотемпературном пространстве. Это позволяет получить максимальную добротность. Если непрактично располагать конденсаторы близко к катушке, их можно поместить вне низкотемпературного пространства и соединить с катушками в низкотемпературном пространстве посредством линии передачи. Линия передачи может быть коаксиальной линией, витой парой, полосковой линией или любой кабельной линией. Выбор определяется компромиссом между тепловой нагрузкой на низкотемпературное пространство и затуханием сигнала. Можно предусмотреть также использование нескольких катушек. Их можно настроить на две частоты ЯМР, что позволяет наблюдать двойной ЯМР (расщепление, поперечную поляризацию и т.д.) как в твердой, так и в жидкой фазе. Кроме того, это позволяет одновременно обнаруживать больше ядер. В этом случае спектрометр должен иметь несколько приемников. Как вариант, сигналы ЯМР от различных ядер можно измерять последовательно. Для анализа нескольких образцов за малое время, можно предусмотреть для образцов перемещаемый держатель карусельного типа. Кроме того, плавление твердого материала можно контролировать с помощью оптических средств, чтобы обеспечить воспроизводимость ЯМР-анализа. Плавление можно контролировать с использованием фотодетекторов внутри или снаружи камеры для ЯМР-анализа. Поскольку некоторые ядра, представляющие интерес, могут иметь очень короткие времена T₁ релаксации, может оказаться важным выполнение анализа сразу же после окончания процесса плавления. Поэтому предпочтительно иметь средства одновременного возбуждения/обнаружения всех ядер, представляющих интерес. Лучшее отношение сигнал/шум достигается, когда схема обнаружения ЯМР охлаждена. Кроме того, часто полезно охлаждать усилитель сигналов. Следовательно, усилитель сигналов можно установить близко к схеме обнаружения ЯМР, предпочтительно в низкотемпературном пространстве. Другими устройствами, позволяющими улучшить отношение сигнал/шум, являются сверхпроводящие катушки и сверхпроводящие квантовые интерференционные датчики (СКВИД).NMR detection is especially desirable in analytical applications. In other applications, NMR detection makes it possible to obtain a measure of nuclear polarization. The coil for detecting NMR can have any known design, for example, it can be solenoidal or saddle-shaped. Typically, the coil (inductance) is tuned to the NMR frequency using a capacitor and matched with the wave impedance of the cable. To detect more than one kind of nuclei, an NMR detection coil can be tuned to multiple frequencies. Capacitors can be installed close to the coil in a low-temperature space. This allows you to get maximum quality factor. If it is impractical to place the capacitors close to the coil, they can be placed outside the low-temperature space and connected to the coils in the low-temperature space via a transmission line. The transmission line may be a coaxial line, twisted pair, strip line, or any cable line. The choice is determined by the compromise between the thermal load on the low-temperature space and the signal attenuation. The use of multiple coils may also be envisaged. They can be tuned to two NMR frequencies, which allows one to observe double NMR (splitting, transverse polarization, etc.) both in the solid and in the liquid phase. In addition, it allows you to simultaneously detect more cores. In this case, the spectrometer should have several receivers. Alternatively, NMR signals from different nuclei can be measured sequentially. For the analysis of several samples in a short time, a movable carousel-type holder can be provided for the samples. In addition, the melting of the solid material can be controlled by optical means to ensure reproducibility of the NMR analysis. Melting can be controlled using photodetectors inside or outside the camera for NMR analysis. Since some nuclei of interest may have very short relaxation times T ₁ , it may be important to perform the analysis immediately after the melting process. Therefore, it is preferable to have means for simultaneously exciting / detecting all the nuclei of interest. The best signal to noise ratio is achieved when the NMR detection circuit is cooled. In addition, it is often useful to cool the signal amplifier. Therefore, the signal amplifier can be installed close to the NMR detection circuit, preferably in a low-temperature space. Other devices that improve the signal-to-noise ratio are superconducting coils and superconducting quantum interference sensors (SQUIDs).

Простая и дешевая схема, которую можно использовать для простых измерений поляризации, показана на фиг.3. Устройство представляет собой простой высокочастотный магниторезонансный спектрометр. Такое устройство может использоваться для измерения поляризации твердого образца до его расплавления, и в нем используется любая из ранее описанных измерительных катушек. Высокочастотная схема содержит генератор 81, управляемый напряжением, направленный ответвитель 83, 180° гибридное устройство 85, смеситель 87, малошумящий усилитель 89, низкочастотный фильтр 91, компьютерную плату 93 сбора данных и настроенные и согласованные магниторезонансные катушки 95, или катушки возбуждения (создающие магнитное поле В₁), которые обеспечивают создание практически однородного поля в направлении, поперечном направлению статического поля В₀, создаваемого статическими катушками 97 возбуждения. Катушки настроены на частоту магнитного резонанса и согласованы с волновым сопротивлением линии передачи (например, 50 Ом). Генератор 81, управляемый напряжением (или функциональный генератор), вырабатывает непрерывный гармонический сигнал, разделяемый направленным ответвителем 83 (делителем) на два сигнала, один из которых возбуждает гетеродин смесителя 87, а другой подается в гибридное устройство 85, питающее магниторезонансную катушку 95. Для установки уровня сигналов можно использовать нерегулируемые аттенюаторы (не показаны). Генератор 81, управляемый напряжением, должен обеспечивать частотную модуляцию в диапазоне частот, достаточном для перекрытия спектрального диапазона, представляющего интерес. Типичная полоса частот модуляции составляет 5-50 Гц, и сигнал модуляции подается синхронно с сигналом обнаружения (усреднением сигнала). Предпочтительно, сигнал модуляции и сигнал обнаружения вырабатываются в компьютерной плате 93 сбора данных, и сигнал легко доступен для дальнейшего анализа информации. При сканировании частоты в момент прохождения магнитного резонанса наблюдается изменение коэффициента отражения. Отраженный сигнал усиливается малошумящим усилителем 89 и подается в смеситель 87. Путем регулировки длины кабелей можно выбрать сигнал поглощения или сигнал дисперсии. Полоса частот магниторезонансных катушек 95 сама по себе задает параболическую базисную линию, которую нужно вычесть из сигнала. Базисную линию можно определить до ввода образца, или же ее можно аппроксимировать полиномиальной функцией (или сплайнами) вне областей сигналов. Ширину полосы частот катушек можно оптимизировать множеством способов, например демпфированием с помощью резистора, использованием сильной связи, что дает лучшие результаты, или, предпочтительно, активной нагрузкой катушек 95 малошумящим усилителем 89. Естественная ширина полосы настроенной катушки в этом частотном режиме составляет несколько сотен герц, что является недостаточным для большинства приложений. Демпфирование с помощью резистивного сопротивления увеличивает полезную ширину полосы до приемлемой величины. Однако это приводит к ухудшению отношения сигнал/шум пропорционально квадратному корню от увеличения ширины полосы. До некоторой степени это допустимо, поскольку отношение сигнал/шум часто определяется амплитудным и фазовым шумом генератора, управляемого напряжением. Величина магнитного поля может быть от нескольких мТл до многих Тл, в зависимости от гиромагнитного соотношения для спина и частоты генератора 81, управляемого напряжением.A simple and cheap scheme that can be used for simple polarization measurements is shown in FIG. 3. The device is a simple high-frequency magnetic resonance spectrometer. Such a device can be used to measure the polarization of a solid sample before it melts, and it uses any of the previously described measuring coils. The high-frequency circuit includes a voltage-controlled oscillator 81, a directional coupler 83, a 180 ° hybrid device 85, a mixer 87, a low-noise amplifier 89, a low-pass filter 91, a data acquisition computer board 93 and tuned and matched magnetic resonance coils 95, or excitation coils (creating a magnetic field B ₁ ), which ensure the creation of a practically uniform field in the direction transverse to the direction of the static field B ₀ created by the static excitation coils 97. The coils are tuned to the frequency of the magnetic resonance and are matched to the impedance of the transmission line (for example, 50 ohms). A voltage-controlled oscillator 81 (or a functional generator) generates a continuous harmonic signal, divided by a directional coupler 83 (divider) into two signals, one of which excites the mixer local oscillator 87, and the other is fed to a hybrid device 85 supplying the magnetic resonance coil 95. For installation signal level, unregulated attenuators (not shown) can be used. The voltage controlled oscillator 81 must provide frequency modulation in a frequency range sufficient to cover the spectral range of interest. A typical modulation frequency band is 5-50 Hz, and the modulation signal is supplied synchronously with the detection signal (signal averaging). Preferably, the modulation signal and the detection signal are generated in the computer data acquisition board 93, and the signal is readily available for further information analysis. When scanning the frequency at the time of passage of the magnetic resonance, a change in the reflection coefficient is observed. The reflected signal is amplified by a low-noise amplifier 89 and supplied to the mixer 87. By adjusting the length of the cables, an absorption signal or a dispersion signal can be selected. The frequency band of the magnetoresonance coils 95 by itself defines a parabolic baseline that needs to be subtracted from the signal. The baseline can be determined before entering the sample, or it can be approximated by a polynomial function (or splines) outside the signal regions. The width of the frequency band of the coils can be optimized in many ways, for example, damping with a resistor, using strong coupling, which gives better results, or, preferably, the active load of the coils 95 with a low-noise amplifier 89. The natural bandwidth of the tuned coil in this frequency mode is several hundred hertz, which is insufficient for most applications. Resistive damping increases the useful bandwidth to an acceptable value. However, this leads to a deterioration of the signal-to-noise ratio in proportion to the square root of the increase in bandwidth. To some extent this is acceptable, since the signal-to-noise ratio is often determined by the amplitude and phase noise of a voltage controlled oscillator. The magnitude of the magnetic field can be from several mT to many T, depending on the gyromagnetic ratio for the spin and frequency of the generator 81, controlled by voltage.

Вышеописанные варианты осуществления изобретения предназначены для иллюстрации изобретения и не ограничивают его объем, который определяется формулой изобретения.The above embodiments of the invention are intended to illustrate the invention and do not limit its scope, which is determined by the claims.

Claims

1. A device for melting a solid hyperpolarized sample, containing a cryostat, in which there are means for hyperpolarizing the solid sample at a low temperature in the magnetic field generated in the specified device, which also contains means (4, 8) for melting the specified hyperpolarized solid sample, characterized in that it additionally contains coils (31-31 ") for NMR analysis of the specified molten sample located in the specified cryostat, and the means of melting the specified hyperpolarized solid about the particles are located inside the indicated cryostat in the indicated magnetic field.

2. The device according to claim 1, characterized in that said means of melting a hyperpolarized solid sample are capable of melting said sample so quickly that the polarization loss of this sample during melting is less than 99%.

3. The device according to claim 1, characterized in that said means of melting a hyperpolarized solid sample are capable of melting said sample so quickly that the polarization loss of this sample during melting is less than 90%.

4. The device according to claim 1, characterized in that said means of melting a hyperpolarized solid sample are capable of melting said sample so quickly that the polarization loss of this sample during melting is less than 10%.

5. The device according to any one of the preceding paragraphs, characterized in that said means of melting a hyperpolarized solid sample and a coil (31-31 ") are made so that melting of a hyperpolarized solid sample can occur in the same region as the NMR analysis of the molten hyperpolarized sample .

6. A method of obtaining a molten hyperpolarized sample, characterized in that it includes the following steps:

introducing the sample into a device containing a cryostat (2), in which there are means of hyperpolarizing the sample at a low temperature in the magnetic field generated in the specified device;

freezing said sample;

hyperpolarization of this sample inside the specified cryostat;

melting of the hyperpolarized sample while it is still inside the cryostat (2) in the indicated magnetic field; and

NMR analysis of said molten hyperpolarized sample in said cryostat.

7. The method according to claim 6, characterized in that the melting of the hyperpolarized sample is performed so quickly that the polarization loss of this sample is less than 99%.

8. The method according to claim 6, characterized in that the melting of the hyperpolarized sample is performed so quickly that the polarization loss of this sample is less than 90%.

9. The method according to claim 6, characterized in that the melting of the hyperpolarized sample is performed so quickly that the polarization loss of this sample is less than 10%.

10. The use of the device according to any one of claims 1 to 5 for hyperpolarization of a solid sample, melting this hyperpolarized solid sample, and subsequent NMR analysis of the molten hyperpolarized sample.

11. Using the method according to any one of claims 6 to 9 for hyperpolarization of a solid sample, melting this hyperpolarized solid sample, and subsequent NMR analysis of the molten hyperpolarized sample.