WO2024132296A1 - Method and device for generating polarized atoms, molecules, and ions thereof - Google Patents

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WO2024132296A1
WO2024132296A1 PCT/EP2023/081589 EP2023081589W WO2024132296A1 WO 2024132296 A1 WO2024132296 A1 WO 2024132296A1 EP 2023081589 W EP2023081589 W EP 2023081589W WO 2024132296 A1 WO2024132296 A1 WO 2024132296A1
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coils
magnetic field
sample
generated
particle beam
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Application number
PCT/EP2023/081589
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German (de)
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Inventor
Ralf W. Engels
Kannis Chrysovalantis
Markus BÜSCHER
Christoph Hanhart
Thomas Sefzick
Helmut Soltner
Lukas Kunkel
Nicolas Faatz
Original Assignee
Forschungszentrum Jülich GmbH
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Publication date
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  • the invention relates to a method and a device for generating polarized atoms, molecules and their ions.
  • Polarized ions or atoms can be created by "optical pumping" with lasers. By exciting them with polarized photons from a laser beam, atoms can be excited and their outermost electrons polarized. Their polarization can either be partially transferred to the nuclear spin during de-excitation or to other atoms through collisions. This process enables polarizations of up to 80% and is scalable to macroscopic quantities. 3 He, various Xe isotopes and hydrogen can, for example, be polarized by optical pumping.
  • Atoms and molecules can be polarized using a brute force method and by dynamic nuclear polarization (DNP).
  • DNP dynamic nuclear polarization
  • the binding energy levels split. If this happens in a very cold environment, the Boltzmann distribution can cause an occupation number inversion over time, which can be further enhanced by additional excitations of individual substates.
  • This method can be used for molecules such as HD or NH 3. Polarizations of macroscopic amounts between 40% and 70% are possible.
  • Polarized atom beam sources are technically very complex, therefore very expensive and their intensity is limited to 10 17 atoms/s. In addition, the process only works for hydrogen and deuterium.
  • the object of the invention is to be able to polarize atoms, molecules and their ions in a technically simple manner.
  • a method for polarizing a sample consisting of atoms, molecules or ions comprises the following steps:
  • a coil is an electrical conductor that is wound at least once. Basically, the coil comprises a plurality of windings.
  • the conductor is wound in a circle, for example.
  • One coil can be at a distance from the other coil. The two coils then do not touch each other.
  • the center of one coil can, for example, be at a distance of at least 4 cm or at least 8 cm or at least 10 cm from the center of the other coil.
  • the center of one coil can, for example, be at a distance of a maximum of 30 cm or a maximum of 25 cm or a maximum of 20 cm from the center of the other coil.
  • the two Coils can be arranged so that a particle beam can first fly through the windings of the first coil and then through the windings of the second coil.
  • each coil If an electric current flows through the coils, each coil generates its own magnetic field. The summation results in a jointly formed magnetic field that oscillates spatially or temporally.
  • the electric current can be a constant direct current. Both coils then generate their own magnetic fields, which add up to a magnetic field that only oscillates spatially.
  • the electric current can oscillate.
  • a magnetic field that changes over time is then generated by the coil through which the oscillating current flows.
  • the current can be a current pulse.
  • a current then flows through a coil for a limited period of time.
  • This provides a technically simple method for polarizing a sample.
  • the sample is exposed to a wave-like magnetic field in order to polarize it.
  • Two coils are generally used to generate a wave-like magnetic field. However, this is not absolutely necessary. It is only important that a device is available that can generate a wave-like magnetic field. This is also the case It is possible to generate oscillating magnetic fields using permanent magnets. For example, the same poles of two permanent magnets can be arranged opposite each other. This creates a spatially oscillating field that can in principle be used for polarization.
  • coils have the advantage that a suitable magnetic field can be set in a technically simple way.
  • a spatially oscillating magnetic field is generated, the sample flies through the spatially oscillating magnetic field and is thus exposed to a wave-like course of a magnetic field.
  • the spatially oscillating magnetic field occurs, for example, when opposing, i.e. oppositely directed, magnetic fields are statically generated by the two coils.
  • the sample can then be a particle beam that is guided through the two coils for polarization.
  • a constant direct current can then flow permanently through the two coils during operation.
  • the one direct current that flows through one coil can then flow in the opposite direction to the other direct current flowing through the other coil.
  • the currents may be of different sizes, i.e. the current strengths may differ.
  • the current strengths are the same in order to generate magnetic fields with the same flux density.
  • the coils are preferably the same in order to generate, for example, magnetic fields with the same flux density in a technically simple manner.
  • the magnitude of the flux density of the first magnetic field is then equal to the magnitude of the flux density of the second magnetic field.
  • the two coils are aligned in the same way. This means that they are aligned parallel to each other.
  • the two coils are exactly opposite each other. There is therefore no offset arrangement.
  • the sample or particle beam can be guided through the middle of the two coils. However, it can be advantageous for the particle beam not to be in the middle of the coil, as the amplitude of the radial component of the magnetic field increases sharply with the axial distance.
  • opposing magnetic fields can be generated by the two coils and consequently a spatially oscillating magnetic field.
  • a particle beam is guided through the two coils and thus exposed to an oscillating magnetic field.
  • the polarization of the guided particle beam is measured.
  • the magnetic field strengths of the two generated Magnetic fields are changed until it is measured that the particle beam passed through them has been polarized.
  • the settings required to polarize particles of the same particle beam are then found.
  • the magnetic fields that need to be generated for polarization depend on the hyperfine structures of the particles in a sample.
  • the magnetic fields that need to be generated for polarization can be determined, for example, by computer simulation, taking into account the hyperfine structures of the particles in a sample.
  • Hyperfine structure refers to an energy splitting in the spectral lines of the atomic spectra. It is about 2000 times smaller than the fine structure splitting.
  • the hyperfine structure is based on the interaction of the electrons with magnetic (dipole) and electrical (quadrupole) moments of the nucleus and on the isotopy of the elements.
  • Hyperfine structure refers in particular to a splitting of the energy levels of an atom compared to the levels of the fine structure.
  • the particles can then be polarized.
  • the process can also polarize particles with complex hyperfine structures. The particles are brought into a single hyperfine structure state and the particles can thus be nuclear spin and/or electron spin polarized. Ionization is also possible in order to separate nuclei and electrons without losing polarization.
  • a sample can be placed between the two coils and a temporally oscillating magnetic field can be generated, which polarizes the sample.
  • This design can polarize a stationary sample or the atoms, molecules or their ions, i.e. the particles of the sample.
  • a temporally oscillating magnetic field consisting of an odd number of half waves is a temporally oscillating magnetic field that is suitable for polarizing the particles of a sample.
  • Such a magnetic field has an even number of minima and an odd number of maxima or vice versa.
  • Such a magnetic field is generated for a limited time. It then comprises, for example, only one maximum and only two minima or vice versa only two maxima and one minimum.
  • a half or a quarter wave can be sufficient. These then comprise only one Maximum or just a minimum. Even an even smaller fraction of a wave can suffice.
  • two additional coils can be present that generate a constant or oscillating magnetic field, also known as a holding field, to polarize the sample.
  • the sample is then located between the two additional coils.
  • the temporally oscillating magnetic field and the holding field are generally generated at the same time and thus applied to the stationary sample at the same time.
  • the holding field can also be limited in time in order to polarize the sample.
  • the oscillating magnetic field can consist of an even number of half waves to polarize a sample. The number of minima and maxima of the sample are then equal.
  • the two coils that generate the holding field can be dimensioned differently than the other two coils.
  • a total of four coils can be arranged around a stationary sample. Two coils that are opposite each other can generate the holding field. The other two coils can generate the temporally oscillating magnetic field, which can be formed from an odd number of half waves. Overall, the magnetic fields can add up to a temporally oscillating magnetic field that can polarize a stationary sample.
  • the polarized atoms or ions can be used as tracers, i.e. as markers to track biochemical processes in an organism.
  • the polarized atoms, molecules or their ions can be used for magnetic resonance imaging.
  • the structure and function of tissues and organs in the body can be depicted using the polarized atoms, molecules or their ions.
  • Polarized fuel for nuclear fusion to increase energy yield.
  • New types of polarized ion sources for accelerators e.g. 3He+.
  • Hyperpolarization increases the signal strength and improves the resolution. This makes it possible to use magnetic resonance imaging with a lower magnetic field strength, i.e. superconducting magnets would no longer be necessary, which would make production and operation considerably cheaper.
  • the invention therefore also relates to a magnetic resonance imaging device with a polarization device according to the invention.
  • the invention also relates to a polarization device for carrying out the method.
  • the device can comprise a device for generating a magnetic field by means of which a sample formed from atoms or ions can be polarized by means of an oscillating magnetic field.
  • the device may comprise two coils.
  • the apparatus may comprise means by which a particle beam can be directed through the two coils.
  • the device for directing the particle beam may comprise a Wien filter.
  • the polarization device can comprise a particle source.
  • the particle source can be, for example, a gas bottle filled with hydrogen or a tank filled with hydrogen.
  • the gas bottle or tank can be connected to a tubular line of the steering device via a valve. If there is excess pressure in the gas bottle or tank, opening the valve causes gas to flow into the tubular line.
  • the hydrogen and thus particles can be guided to the coils via the line. Stations can be provided in between that modify the hydrogen, filter out foreign particles and/or regulate the speed of the particles.
  • the device is thus such that an alternating current can be generated in a defined manner such that an odd number of maxima and an even number of minima occur in a planned and repeatable manner, i.e. not merely randomly, or conversely an even number of maxima and an odd number of minima.
  • FIG. 1 Coil arrangement
  • FIG. 1 Particle beam with coils
  • FIG. 3 Magnetic fields depending on the path
  • Figure 5 Coil arrangement with resting sample
  • FIG. 7 Coil arrangement for resting sample
  • Figure 10 Coil arrangement with split particle beam.
  • Figure 1 shows two opposing coils 1 and 2.
  • the two coils 1, 2 are located exactly opposite each other.
  • the center of the first coil 1 can, for example, be 10 cm to 15 cm away from the center of the other coil 2.
  • the two coils 1, 2 are arranged in such a way that a particle beam can first fly through the windings of the first coil 1 and then through the windings of the second coil 2.
  • the two coils 1, 2 are aligned parallel to each other.
  • the two coils 1, 2 can be the same.
  • the two coils 1, 2 are then the same size, have the same wound electrical conductor with the same electrical resistance and have the same number of windings.
  • a first direct electric current flows through the first coil 1 and a second direct electric current flows through the second coil 2.
  • the first direct current flows in the opposite direction to the direction of the second direct current for polarization.
  • Each coil 1, 2 then generates its own Magnetic field.
  • the magnetic field generated by the first coil 1 is then directed in the opposite direction to the magnetic field generated by the second coil 2, as indicated by arrows in Figure 1.
  • the two magnetic fields generated are added together. This creates a spatially oscillating magnetic field.
  • the amounts of the electric currents that flow through the coils 1, 2 during operation can be equal.
  • the flux density of the first magnetic field is then the same as the flux density of the second magnetic field for the same coils 1, 2.
  • Figure 2 shows a particle beam 3 that flies through the first coil 1 at a predetermined speed and then through the second coil 2. Measurements have shown, for example, that a current with a current intensity l 0 that flows through each coil 1, 2 polarizes the particles of the particle beam 3. For polarization, a current intensity of l 0 can therefore be set for the current that flows through each coil 1, 2. The particles of the particle beam 3 that pass through the two coils 1, 2 and thus a spatially oscillating magnetic field can thus be polarized.
  • Figure 3 shows path-dependent magnetic fields 4 to 9 for determining a suitable magnetic field by which the particle beam 3 from Figure 2 can be polarized.
  • the magnetic flux density B [mT] resulting from the magnetic fields is plotted along the path s [cm] traveled by the particle beam.
  • a first current strength is set, thereby generating a first magnetic field 4. It is then measured whether the particle beam 3 from Figure 2 has been polarized by the magnetic field 4.
  • a second current strength is set, thereby generating a second magnetic field 5. It is then measured whether the particle beam 3 from Figure 2 has been polarized by the magnetic field 5.
  • Further magnetic fields 6 to 9 can be tested in this way until a magnetic field is found that polarizes the particle beam 3.
  • the corresponding current intensity is then the current intensity l 0 , which is set when the particle beam 3 is to be polarized with its predetermined speed through the coils 1 and 2.
  • any particle with a nuclear spin can be polarized in large quantities using coils 1 and 2 and a static, spatially oscillating magnetic field generated thereby, by creating a beam of particles with a fixed speed that flies through the two coils 1 and 2 and thus through the static, spatially oscillating magnetic field.
  • Figure 4 shows a polarization device with which polarized, metastable hydrogen atoms can be generated.
  • a bottle 10 filled with H 2 i.e. hydrogen
  • Hydrogen can be fed from the bottle 10 into an ionizer 11 via a line provided with a valve.
  • the ionizer 11 generates H 2 + ions and protons.
  • the particle beam formed from the hydrogen molecules is fed into a Wien filter 12. Only particles with a suitable speed can pass through the Wien filter 12. A particle beam with a fixed speed is thereby filtered out of the particle stream. In addition, any foreign particles can be filtered out in this way.
  • the proportion of protons is then fed into a cesium cell 13 in order to generate metastable hydrogen atoms.
  • the particle beam is then introduced into a cell 14 in which the two coils 1 and 2 are arranged for polarization. If, for example, there are three different hyperfine structure states a, b and c that can interact with each other, two of the three hyperfine structure states States are brought into the remaining hyperfine structure state. For example, the states b and c are brought into the hyperfine structure state a. Almost all states b and c can be converted into a single hyperfine structure state a. The metastable hydrogen atoms are thus polarized.
  • the particle beam that emerges from the cell 14 then consists of polarized particles.
  • the particle beam can first be introduced into a spin filter 15. Only suitably polarized metastable hydrogen atoms can pass through the spin filter 15.
  • the spin filter 15 is initially set up so that only particles in the hyperfine structure state a can pass through.
  • a photomultiplier 16 can be arranged behind the spin filter 15, which can detect whether the particles of the particle stream 3 were able to pass through the spin filter 15. If particles were able to pass through the spin filter 15, the particles generate flashes of light in the photomultiplier. It was thus determined that flashes of light were only generated in the photomultiplier if the spin filter 15 was set so that particles in the hyperfine structure state a could pass through. This provided evidence that the metastable hydrogen atoms could be polarized.
  • polarization devices can be constructed with which substances or particles with hyperfine structures can be polarized and detected. These can comprise an ionizer 11 if particles are to be ionized. If necessary, a Wien filter 12 can be present to ensure that the particles fly at the same speed and/or to filter out foreign particles. A cell 13 can be present to bring particles into a metastable state before they are polarized.
  • the temporally oscillating magnetic field that can be applied to the resting sample 3 is illustrated in Figure 6.
  • the flux density B r to which the sample 3 is exposed is shown.
  • Such magnetic fields are generated by current pulses.
  • the pulse-shaped magnetic field from Figure 6 has two maxima and one minimum and thus three half-waves. In general, it is preferable that the number of maxima is even and the number of minima is odd or conversely, that the number of minima is even and the number of maxima is odd.
  • Figure 5 shows two coils 1 and 2 that are identical, aligned in the same way and exactly opposite each other.
  • a stationary sample 3 In the middle between the two coils 1 and 2 there is a stationary sample 3.
  • a common, temporally oscillating magnetic field can be generated with the two coils 1, 2.
  • the temporally oscillating magnetic field that can be applied to the stationary sample 3 is illustrated in Figure 6. It shows the flux density B r to which the sample 3 is exposed. Such magnetic fields are generated by current pulses.
  • the pulse-shaped magnetic field from Figure 3 has two maxima and one minimum in order to be able to polarize a sample 3. In general, it is preferable that the number of maxima is even and the number of minima is odd, or vice versa, that the number of minima is even and the number of maxima is odd. The number of maxima and minima therefore differ. Exceptions are possible, however, as described above.
  • Figure 7 shows a coil arrangement with coils 1 and 2 facing each other.
  • coils 1 and 2 there are two further coils 17 and 18 which are arranged opposite each other.
  • coils 17 and 18 can be arranged orthogonally relative to coils 1 and 2.
  • a stationary sample 3 is arranged in the middle between the two coils 1 and 2 and between coils 17 and 18.
  • coils 1 and 2 can generate a magnetic field in pulse form, as shown in Figure 6.
  • Coils 17 and 18 can simultaneously generate a magnetic holding field in pulse form, as shown in Figure 8, in order to polarize sample 3.
  • coils 1 and 2 can also generate the magnetic field or magnetic holding field shown in Figure 8 and coils 17 and 18 can generate the magnetic field shown in Figure 6 in order to polarize sample 3.
  • the magnetic field or holding field shown in Figure 8 has an equal number of maxima and minima.
  • a magnetic field sensor 19 can be placed near the sample. If the magnetic fields of the coils 1, 2, 17 and 18 are switched off, the magnetic field sensor 19 indicates the presence of a magnetic field when the stationary sample 3 has been successfully polarized.
  • the current strength and frequency of the magnetic fields shown in Figures 6 and 8 can be varied until suitable settings are found with which the sample 3 can be polarized. If the same sample is to be polarized again, the settings found are made. Alternatively or additionally, it is also possible to change the distances between coils 1, 2, 17, 18 in order to find suitable settings.
  • the magnetic fields from Figures 6 and 8 can also be varied in order to polarize a stationary sample.
  • a static magnetic field with a constant flux density B z can be generated.
  • the other magnetic field from Figure 6 can then be adjusted so that the relative movement between the stationary sample 3 and the generated magnetic field is the same relative movement as in the case of the particle beam 3. This can be achieved, for example, by using a pulse-shaped, oscillating magnetic field that only has one maximum or one minimum, i.e. consists of half a wave and not, as in the case of Figure 6, of 1.5 waves.
  • the sample 3 In one case with the particle beam, the sample 3 is moved and in the other case with the stationary sample 3, the magnetic field. The difference therefore only lies in the way in which the relative movement between the sample and the magnetic field is generated.
  • the length 22 of a coil 1, 2 is equal to or greater than the diameter 21 of the coil 1, 2, as shown in Figure 9. It has been shown that this geometry further improves polarization. To improve the polarization, it is also advantageous if a particle beam 3 flies off-center through the coils 1, 2, as shown in Figure 9.
  • a device 22 for generating and/or directing the particle stream can be arranged off-center relative to the coils 1, 2, as shown in Figure 9.
  • the device 22 for generating and feeding the particle stream 3 can be constructed as shown in Figure 4.
  • Particles can be polarized even more effectively if the particles fly off-center through the two coils that generate an oscillating magnetic field using more than one particle beam 3.
  • Figure 10 shows two particle beams 3 that fly off-center through the coils 1, 2. More than two particle beams or an annular particle beam 3 that runs in a ring around the center of the coils 1, 2 are also possible.

Abstract

The invention relates to a method for polarizing a sample (3) made of atoms, molecules, or ions, having the steps of: providing coils (1, 2); ascertaining an oscillating magnetic field which is generated by the coils (1, 2) and which can polarize the sample (3); and generating the ascertained oscillating magnetic field and applying same to the sample (3) in order to polarize same. The invention additionally relates to a device for carrying out the method.

Description

Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung von polarisierten Atomen, Molekülen und deren Ionen Method and apparatus for generating polarized atoms, molecules and their ions
Beschreibung Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung von polarisierten Atomen, Molekülen und deren Ionen. The invention relates to a method and a device for generating polarized atoms, molecules and their ions.
Polarisierte Ionen oder Atome können durch „optisches Pumpen“ mit Lasern erzeugt werden. Durch Anregung mit polarisierten Photonen eines Laserstrahls können Atome angeregt und dabei deren äußerste Elektronen polarisiert werden. Deren Polarisation kann entweder bei der Abregung teilweise auf den Kernspin oder durch Stöße auf andere Atome übertragen werden. Dieses Verfahren ermöglicht Polarisationen von bis zu 80% und ist auf makroskopische Mengen skalierbar. 3He, verschiedene Xe-Isotope sowie Wasserstoff können beispielsweise durch optisches Pumpen polarisiert werden. Polarized ions or atoms can be created by "optical pumping" with lasers. By exciting them with polarized photons from a laser beam, atoms can be excited and their outermost electrons polarized. Their polarization can either be partially transferred to the nuclear spin during de-excitation or to other atoms through collisions. This process enables polarizations of up to 80% and is scalable to macroscopic quantities. 3 He, various Xe isotopes and hydrogen can, for example, be polarized by optical pumping.
Für ein Polarisieren durch „optisches Pumpen“ sind hinreichend schmalbandige Laser zu verwenden. Diese stehen nur für wenige Atome zur Verfügung. Auch versagt das Polarisieren durch „optisches Pumpen“ häufig bei komplexeren Hyperfeinstrukturen und damit nahezu immer bei Molekülen. So ist z.B. das indirekte optische Pumpen (spin-exchange optical pumping /SEOP) von Wasserstoff möglich, aber bereits bei Deuterium nicht. For polarization by "optical pumping", sufficiently narrow-band lasers must be used. These are only available for a few atoms. Polarization by "optical pumping" also often fails with more complex hyperfine structures and thus almost always with molecules. For example, indirect optical pumping (spin-exchange optical pumping /SEOP) of hydrogen is possible, but not even with deuterium.
Atome und Moleküle können durch ein „Brute-Force-Verfahren“ sowie durch „Dynamic Nuclear Polarisation (DNP)“ polarisiert werden. Wenn Teilchen in ein starkes Magnetfeld eingebracht werden, spalten sich die Bindungsenergielevel auf. Geschieht dies in einer sehr kalten Umgebung, dann kann durch die Boltzmann-Verteilung mit der Zeit eine Besetzungszahlinversion hervorgerufen werden, die durch zusätzliche Anregungen einzelner Unterzustände noch verstärkt werden kann. Dieses Verfahren kann bei Molekülen wie HD oder NH3 eingesetzt werden. Polarisationen makroskopischer Mengen zwischen 40% und 70% sind möglich. Atoms and molecules can be polarized using a brute force method and by dynamic nuclear polarization (DNP). When particles are placed in a strong magnetic field, the binding energy levels split. If this happens in a very cold environment, the Boltzmann distribution can cause an occupation number inversion over time, which can be further enhanced by additional excitations of individual substates. This method can be used for molecules such as HD or NH 3. Polarizations of macroscopic amounts between 40% and 70% are possible.
Das Brute-Force Verfahren ist extrem aufwendig und teuer. So braucht man für HD Moleküle Temperaturen im mK-Bereich, Magnetfelder von 15 T und es muss rund 3 Monate gewartet werden, um letztendlich eine theoretische Maximalpolarisation von 40% für Deuteronen zu erhalten. Polarisierte Ionen oder Atome können durch „polarisierte Atomstrahlquellen“ polarisiert werden. Mit einer modernen Variante einer Rabi-Apparatur unter Ausnutzung des Stern-Gerlach-Effekts können Wasserstoff- und Deuteriumstrahlen mit Polarisationen von ungefähr 90% erzeugt werden. Eine anschließende Ionisation in einem starken Magnetfeld erhält den Kernspin und deshalb können so auch Protonen und Deuteronen polarisiert werden. The brute force method is extremely complex and expensive. For HD molecules, temperatures in the mK range, magnetic fields of 15 T and a wait of around 3 months are required to ultimately obtain a theoretical maximum polarization of 40% for deuterons. Polarized ions or atoms can be polarized by "polarized atom beam sources". With a modern variant of a Rabi apparatus using the Stern-Gerlach effect, hydrogen and deuterium beams with polarizations of about 90% can be generated. Subsequent ionization in a strong magnetic field preserves the nuclear spin and therefore protons and deuterons can also be polarized.
Polarisierte Atomstrahlquellen sind technisch sehr aufwendig, daher sehr teuer und in der Intensität mit 1017 Atomen/s begrenzt. Außerdem funktioniert das Verfahren nur für Wasserstoff und Deuterium. Polarized atom beam sources are technically very complex, therefore very expensive and their intensity is limited to 10 17 atoms/s. In addition, the process only works for hydrogen and deuterium.
Es ist Aufgabe der Erfindung, Atome, Moleküle und deren Ionen auf technisch einfache Weise polarisieren zu können. The object of the invention is to be able to polarize atoms, molecules and their ions in a technically simple manner.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des ersten Anspruchs und eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Nebenanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen. The object is achieved by a method having the features of the first claim and a device having the features of the dependent claim. Advantageous embodiments emerge from the dependent claims.
Zur Lösung der Aufgabe umfasst ein Verfahren für ein Polarisieren einer aus Atomen, Molekülen oder Ionen gebildeten Probe die folgenden Schritte: To solve the problem, a method for polarizing a sample consisting of atoms, molecules or ions comprises the following steps:
• Bereitstellen von zwei Spulen; • Providing two coils;
• Ermitteln eines oszillierenden magnetischen Felds, das durch die Spulen erzeugt wird und das die Probe polarisieren kann; • Detecting an oscillating magnetic field generated by the coils that can polarize the sample;
• Erzeugen des ermittelten magnetischen Felds und Anwenden auf die Probe. • Generate the determined magnetic field and apply it to the sample.
Mit Spule ist ein elektrischer Leiter gemeint, der mindestens einmal gewickelt ist. Grundsätzlich umfasst die Spule eine Mehrzahl an Wicklungen. Der Leiter ist beispielsweise kreisförmig gewickelt. Die eine Spule kann einen Abstand von der anderen Spule aufweisen. Die beiden Spulen berühren sich dann nicht. Die Mitte der einen Spule kann beispielsweise einen Abstand von wenigstens 4 cm oder wenigstens 8 cm oder wenigstens 10 cm von der Mitte der anderen Spule aufweisen. Die Mitte der einen Spule kann beispielsweise einen Abstand von maximal 30 cm oder maximal 25 cm oder maximal 20 cm von der Mitte der anderen Spule aufweisen. Die beiden Spulen können so angeordnet sein, dass ein Teilchenstrahl zunächst durch die Wicklungen der ersten Spule und danach durch die Wicklungen der zweiten Spule fliegen kann. A coil is an electrical conductor that is wound at least once. Basically, the coil comprises a plurality of windings. The conductor is wound in a circle, for example. One coil can be at a distance from the other coil. The two coils then do not touch each other. The center of one coil can, for example, be at a distance of at least 4 cm or at least 8 cm or at least 10 cm from the center of the other coil. The center of one coil can, for example, be at a distance of a maximum of 30 cm or a maximum of 25 cm or a maximum of 20 cm from the center of the other coil. The two Coils can be arranged so that a particle beam can first fly through the windings of the first coil and then through the windings of the second coil.
Fließt ein elektrischer Strom durch die Spulen, so erzeugt jede Spule ein eigenes Magnetfeld. Durch Summation resultiert ein gemeinsam gebildetes Magnetfeld, dass räumlich oder zeitlich oszilliert. If an electric current flows through the coils, each coil generates its own magnetic field. The summation results in a jointly formed magnetic field that oscillates spatially or temporally.
Der elektrische Strom kann ein konstanter Gleichstrom sein. Beide Spulen erzeugen dann eigene Magnetfelder, die sich zu einem nur räumlich oszillierenden Magnetfeld addieren. The electric current can be a constant direct current. Both coils then generate their own magnetic fields, which add up to a magnetic field that only oscillates spatially.
Der elektrische Strom kann oszillieren. Es wird dann durch die Spule, durch die der oszillierende Strom fließt, ein sich zeitlich änderndes Magnetfeld erzeugt. Der Strom kann ein Strompuls sein. Es fließt dann zeitlich begrenzt ein Strom durch eine Spule. The electric current can oscillate. A magnetic field that changes over time is then generated by the coil through which the oscillating current flows. The current can be a current pulse. A current then flows through a coil for a limited period of time.
Es wird erst ermittelt, welche magnetischen Felder zu erzeugen sind, um eine Probe polarisieren zu können. Am einfachsten geschieht dies, indem ein jedes magnetische Feld, das durch eine jede der beiden Spulen erzeugt wird, solange geändert wird, bis durch ein Ausprobieren herausgefunden wurde, welche Einstellungen vorzunehmen sind. Im Anschluss daran kann eine gleiche Probe mit diesen Einstellungen polarisiert werden. Es ist in der Regel nur erforderlich, die Flussdichte zu ändern, um so herauszufinden, wie Einstellungen vorzunehmen sind, um die Probe polarisieren zu können. Es kann aber sein, dass darüber hinaus noch Abstände zwischen den Spulen und/oder die Geschwindigkeit von Teilchen variiert werden können oder sogar müssen, um eine Einstellung zu finden, mit der Teilchen, also Atome, Moleküle und deren Ionen, der Probe polarisiert werden können. First, it is determined which magnetic fields need to be generated in order to polarize a sample. The easiest way to do this is to change each magnetic field generated by each of the two coils until it has been found out through trial and error which settings need to be made. The same sample can then be polarized using these settings. It is usually only necessary to change the flux density in order to find out which settings need to be made in order to polarize the sample. However, it may also be possible or even necessary to vary the distances between the coils and/or the speed of particles in order to find a setting with which particles, i.e. atoms, molecules and their ions, in the sample can be polarized.
Es steht damit ein technisch einfaches Verfahren zur Verfügung, um eine Probe polarisieren zu können. This provides a technically simple method for polarizing a sample.
Die Probe wird einem wellenförmigen Verlauf eines Magnetfeldes ausgesetzt, um diese polarisieren zu können. Zwar werden grundsätzlich zwei Spulen eingesetzt, um einen wellenförmigen Verlauf eines Magnetfeldes zu erzeugen. Dies ist aber nicht zwingend notwendig. Es kommt nur darauf an, dass eine Einrichtung vorhanden ist, die einen wellenförmigen Verlauf eines Magnetfeldes geeignet erzeugt. So ist es auch möglich, dass mithilfe von Permanentmagneten oszillierende Magnetfelder geeignet erzeugt werden. Beispielsweise können gleiche Pole von zwei Permanentmagneten gegenüberliegend angeordnet sein. Es entsteht so ein räumlich oszillierendes Feld, das grundsätzlich für ein Polarisieren genutzt werden kann. The sample is exposed to a wave-like magnetic field in order to polarize it. Two coils are generally used to generate a wave-like magnetic field. However, this is not absolutely necessary. It is only important that a device is available that can generate a wave-like magnetic field. This is also the case It is possible to generate oscillating magnetic fields using permanent magnets. For example, the same poles of two permanent magnets can be arranged opposite each other. This creates a spatially oscillating field that can in principle be used for polarization.
Spulen haben allerdings den Vorteil, dass ein geeignetes Magnetfeld auf technisch einfache Weise eingestellt werden kann. However, coils have the advantage that a suitable magnetic field can be set in a technically simple way.
Wird ein räumlich oszillierendes Magnetfeld erzeugt, so fliegt die Probe durch das räumlich oszillierende Magnetfeld und wird so einem wellenförmigen Verlauf eines Magnetfeldes ausgesetzt. Das räumlich oszillierende Magnetfeld liegt zum Beispiel vor, wenn entgegengesetzte, d.h. entgegengesetzt gerichtete, Magnetfelder durch die beiden Spulen statisch erzeugt werden. Die Probe kann dann ein Teilchenstrahl sein, der durch die beiden Spulen für ein Polarisieren hindurchgelenkt wird. Durch die beiden Spulen kann dann während des Betriebs dauerhaft ein konstanter Gleichstrom fließen. Der eine Gleichstrom, der durch die eine Spule fließt, kann dann entgegensetzt zu der Richtung fließen, die der andere Gleichstrom durch die andere Spule fließt. Es kann sein, dass die Ströme unterschiedlich groß sind, dass sich also die Stromstärken unterscheiden. Es ist jedoch zu bevorzugen, dass die Stromstärken gleich sind, um Magnetfelder mit gleicher Flussdichte zu erzeugen. Vorzugsweise sind die Spulen gleich, um auf technisch einfache Weise beispielsweise Magnetfelder mit gleicher Flussdichte zu erzeugen. Der Betrag der Flussdichte des ersten Magnetfelds ist dann gleich groß ist wie der Betrag der Flussdichte des zweiten Magnetfeldes. Vorzugsweise sind die zwei Spulen gleich ausgerichtet. Damit ist gemeint, dass diese parallel zueinander ausgerichtet sind. Vorzugsweise liegen die zwei Spulen genau gegenüber. Es gibt dann also keine versetzte Anordnung. Die Probe bzw. der Teilchenstrahl kann mittig durch die beiden Spulen hindurchgelenkt werden. Es kann aber von Vorteil sein, dass der Teilchenstrahl nicht in der Spulenmitte liegt, da die Amplitude der radialen Komponente des Magnetfelds mit dem Achsenabstand stark ansteigt. If a spatially oscillating magnetic field is generated, the sample flies through the spatially oscillating magnetic field and is thus exposed to a wave-like course of a magnetic field. The spatially oscillating magnetic field occurs, for example, when opposing, i.e. oppositely directed, magnetic fields are statically generated by the two coils. The sample can then be a particle beam that is guided through the two coils for polarization. A constant direct current can then flow permanently through the two coils during operation. The one direct current that flows through one coil can then flow in the opposite direction to the other direct current flowing through the other coil. The currents may be of different sizes, i.e. the current strengths may differ. However, it is preferable for the current strengths to be the same in order to generate magnetic fields with the same flux density. The coils are preferably the same in order to generate, for example, magnetic fields with the same flux density in a technically simple manner. The magnitude of the flux density of the first magnetic field is then equal to the magnitude of the flux density of the second magnetic field. Preferably, the two coils are aligned in the same way. This means that they are aligned parallel to each other. Preferably, the two coils are exactly opposite each other. There is therefore no offset arrangement. The sample or particle beam can be guided through the middle of the two coils. However, it can be advantageous for the particle beam not to be in the middle of the coil, as the amplitude of the radial component of the magnetic field increases sharply with the axial distance.
Für die Ermittlung der durch die beiden Spulen zu erzeugenden magnetischen Felder können in einer Ausgestaltung entgegengesetzte Magnetfelder durch die beiden Spulen erzeugt werden und folglich ein räumlich oszillierendes Magnetfeld. Ein Teilchenstrahl wird durch die beiden Spulen hindurchgelenkt und so einem oszillierenden Magnetfeld ausgesetzt. Die Polarisation des hindurchgelenkten Teilchenstrahls wird gemessen. Die Magnetfeldstärken der beiden erzeugten Magnetfelder werden geändert, bis gemessen wird, dass der hindurchgelenkte Teilchenstrahl polarisiert worden ist. Es sind dann die Einstellungen gefunden worden, die erforderlich sind, um Teilchen eines gleichen Teilchenstrahls zu polarisieren. To determine the magnetic fields to be generated by the two coils, in one embodiment opposing magnetic fields can be generated by the two coils and consequently a spatially oscillating magnetic field. A particle beam is guided through the two coils and thus exposed to an oscillating magnetic field. The polarization of the guided particle beam is measured. The magnetic field strengths of the two generated Magnetic fields are changed until it is measured that the particle beam passed through them has been polarized. The settings required to polarize particles of the same particle beam are then found.
Die Versuche haben gezeigt, dass die magnetischen Felder, die für ein Polarisieren zu erzeugen sind, von Hyperfeinstrukturen der Teilchen einer Probe abhängen. Alternativ können daher die magnetischen Felder, die für ein Polarisieren zu erzeugen sind, beispielsweise durch Computersimulation unter Berücksichtigung von Hyperfeinstrukturen der Teilchen einer Probe ermittelt werden. The experiments have shown that the magnetic fields that need to be generated for polarization depend on the hyperfine structures of the particles in a sample. Alternatively, the magnetic fields that need to be generated for polarization can be determined, for example, by computer simulation, taking into account the hyperfine structures of the particles in a sample.
Mit Hyperfeinstruktur ist eine Energieaufspaltung in den Spektrallinien der Atomspektren gemeint. Sie ist etwa 2000-fach kleiner als die der Feinstruktur- Aufspaltung. Die Hyperfeinstruktur beruht zum einen auf der Wechselwirkung der Elektronen mit magnetischen (Dipol-) und elektrischen (Quadrupol-) Momenten des Kerns sowie zum anderen auf der Isotopie der Elemente. Mit Hyperfeinstruktur ist insbesondere eine Aufspaltung der Energieniveaus eines Atoms gegenüber den Niveaus der Feinstruktur gemeint. Es können dann die Teilchen polarisiert werden. Durch das Verfahren können auch Teilchen mit komplexen Hyperfeinstrukturen polarisiert werden. Die Teilchen werden in einen einzelnen Hyperfeinstrukturzustand gebracht und die Teilchen können so Kernspin- und/oder Elektronenspin-polarisiert werden. Des Weiteren ist eine Ionisation möglich, um Kerne und Elektronen zu trennen, ohne dabei die Polarisation zu verlieren. Hyperfine structure refers to an energy splitting in the spectral lines of the atomic spectra. It is about 2000 times smaller than the fine structure splitting. The hyperfine structure is based on the interaction of the electrons with magnetic (dipole) and electrical (quadrupole) moments of the nucleus and on the isotopy of the elements. Hyperfine structure refers in particular to a splitting of the energy levels of an atom compared to the levels of the fine structure. The particles can then be polarized. The process can also polarize particles with complex hyperfine structures. The particles are brought into a single hyperfine structure state and the particles can thus be nuclear spin and/or electron spin polarized. Ionization is also possible in order to separate nuclei and electrons without losing polarization.
Für ein Polarisieren kann eine Probe zwischen die beiden Spulen gebracht und ein zeitlich oszillierendes Magnetfeld erzeugt werden, durch das die Probe polarisiert wird. Es können durch diese Ausgestaltung eine ruhende Probe bzw. die Atome, Moleküle oder deren Ionen, also die Teilchen der Probe, polarisiert werden. For polarization, a sample can be placed between the two coils and a temporally oscillating magnetic field can be generated, which polarizes the sample. This design can polarize a stationary sample or the atoms, molecules or their ions, i.e. the particles of the sample.
Ein zeitlich oszillierendes Magnetfeld, das aus einer ungeraden Anzahl an halben Wellen besteht, ist ein zeitlich oszillierendes Magnetfeld, welches geeignet ist, um die Teilchen einer Probe polarisieren zu können. Ein solches Magnetfeld weist eine gerade Anzahl an Minima auf und eine ungerade Anzahl an Maxima oder umgekehrt. Ein solches Magnetfeld wird zeitlich begrenz erzeugt. Es umfasst dann beispielsweise nur ein Maximum und nur zwei Minima oder umgekehrt nur zwei Maxima und ein Minimum. Eine halbe oder eine viertel Welle können genügen. Diese umfassen dann nur ein Maximum oder nur ein Minimum. Es kann sogar ein noch kleinerer Bruchteil einer Welle genügen. A temporally oscillating magnetic field consisting of an odd number of half waves is a temporally oscillating magnetic field that is suitable for polarizing the particles of a sample. Such a magnetic field has an even number of minima and an odd number of maxima or vice versa. Such a magnetic field is generated for a limited time. It then comprises, for example, only one maximum and only two minima or vice versa only two maxima and one minimum. A half or a quarter wave can be sufficient. These then comprise only one Maximum or just a minimum. Even an even smaller fraction of a wave can suffice.
Um eine ruhende Probe polarisieren zu können, können zwei weitere Spulen vorhanden sein, die ein konstantes oder oszillierendes Magnetfeld, auch Haltefeld genannt, für ein Polarisieren der Probe erzeugen. Die Probe befindet sich dann auch zwischen den beiden weiteren Spulen. Das zeitlich oszillierende Magnetfeld und das Haltefeld werden grundsätzlich zeitgleich erzeugt und damit zeitgleich auf die ruhende Probe angewendet. Auch das Haltfeld kann also zeitlich begrenzt sein, um die Probe polarisieren zu können. In order to polarize a stationary sample, two additional coils can be present that generate a constant or oscillating magnetic field, also known as a holding field, to polarize the sample. The sample is then located between the two additional coils. The temporally oscillating magnetic field and the holding field are generally generated at the same time and thus applied to the stationary sample at the same time. The holding field can also be limited in time in order to polarize the sample.
Das oszillierende Magnetfeld, das Haltefeld genannt wird, kann aus einer geraden Anzahl an halben Wellen bestehen, um eine Probe polarisieren zu können. Die Anzahl der Minima und Maxima der Probe sind dann gleich. The oscillating magnetic field, called the holding field, can consist of an even number of half waves to polarize a sample. The number of minima and maxima of the sample are then equal.
Die beiden Spulen, die das Haltefeld erzeugen, können anders dimensioniert sein als die beiden anderen Spulen. The two coils that generate the holding field can be dimensioned differently than the other two coils.
Es können also insgesamt vier Spulen um eine ruhende Probe herum angeordnet sein. Zwei Spulen, die sich gegenüberliegen, können das Haltefeld erzeugen. Die beiden anderen Spulen können das zeitlich oszillierende Magnetfeld erzeugen, das aus einer ungeraden Anzahl an halben Wellen gebildet sein kann. Insgesamt können sich die magnetischen Felder zu einem zeitlich oszillierenden Magnetfeld aufaddieren, dass eine ruhende Probe polarisiert werden kann. A total of four coils can be arranged around a stationary sample. Two coils that are opposite each other can generate the holding field. The other two coils can generate the temporally oscillating magnetic field, which can be formed from an odd number of half waves. Overall, the magnetic fields can add up to a temporally oscillating magnetic field that can polarize a stationary sample.
Die polarisierten Atome oder Ionen können beispielsweise als Tracer verwendet werden, also als Markierungsstoff, um beispielsweise biochemische Vorgänge in einem Organismus verfolgen zu können. Die polarisierten Atome, Moleküle oder deren Ionen können für Magnetresonanztomographie verwendet werden. Mithilfe der polarisierten Atome, Moleküle oder deren Ionen können Struktur und Funktion von Geweben und Organen im Körper dargestellt werden. The polarized atoms or ions can be used as tracers, i.e. as markers to track biochemical processes in an organism. The polarized atoms, molecules or their ions can be used for magnetic resonance imaging. The structure and function of tissues and organs in the body can be depicted using the polarized atoms, molecules or their ions.
Andere mögliche Anwendungen sind: Other possible applications are:
1.) Polarisierter T reibstoff für die Kernfusion zur Erhöhung der Energieausbeute. 2.) Neue Arten von polarisierten lonenquellen für Beschleuniger, z.B. 3He+. 1.) Polarized fuel for nuclear fusion to increase energy yield. 2.) New types of polarized ion sources for accelerators, e.g. 3He+.
3.) Verbesserungen von Kernspintomographen: Eine vorangehende3.) Improvements in magnetic resonance imaging: A previous
Hyperpolarisation erhöht die Signalstärke und verbessert die Auflösung. Dadurch sind Kernspintomographen bei geringerer Magnetfeldstärke möglich, d.h., es wären keine supraleitenden Magnete mehr notwendig, was Herstellung und Betrieb erheblich preiswerter machen würden. Die Erfindung betrifft daher auch einen Kernspintomographen mit einer erfindungsgemäßen Polarisierungsvorrichtung. Hyperpolarization increases the signal strength and improves the resolution. This makes it possible to use magnetic resonance imaging with a lower magnetic field strength, i.e. superconducting magnets would no longer be necessary, which would make production and operation considerably cheaper. The invention therefore also relates to a magnetic resonance imaging device with a polarization device according to the invention.
Die Erfindung betrifft außerdem eine Polarisierungsvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Die Vorrichtung kann eine Einrichtung für ein Erzeugen eines Magnetfeldes umfassen, durch das eine aus Atomen oder Ionen gebildete Probe mithilfe eines oszillierenden Magnetfeldes polarisiert werden kann. The invention also relates to a polarization device for carrying out the method. The device can comprise a device for generating a magnetic field by means of which a sample formed from atoms or ions can be polarized by means of an oscillating magnetic field.
Die Einrichtung kann zwei Spulen umfassen. Die Vorrichtung kann eine Einrichtung umfassen, durch die ein Teilchenstrahl durch die beiden Spulen gelenkt werden kann. The device may comprise two coils. The apparatus may comprise means by which a particle beam can be directed through the two coils.
Die Einrichtung für das Lenken des Teilchenstrahls kann ein Wien - Filter umfassen. The device for directing the particle beam may comprise a Wien filter.
Es kann ein Detektor vorhanden sein, mit dem die Polarisation von Teilchen detektiert werden kann, nachdem die Teilchen polarisiert worden sind. There may be a detector that can detect the polarization of particles after the particles have been polarized.
Die Polarisierungsvorrichtung kann eine Teilchenquelle umfassen. Die Teilchenquelle kann beispielsweise eine mit Wasserstoff gefüllte Gasflasche oder ein mit Wasserstoff gefüllter Tank sein. Die Gasflasche bzw. der Tank können über ein Ventil mit einer rohrförmigen Leitung der Einrichtung für ein Lenken verbunden sein. Herrscht ein Überdruck in der Gasflasche bzw. im Tank, so hat ein Öffnen des Ventils zur Folge, dass Gas in die rohrförmige Leitung strömt. Über die Leitung können der Wasserstoff und damit Teilchen zu den Spulen gelenkt werden. Zwischendurch können Stationen vorgesehen sein, die den Wasserstoff modifizieren, die Fremdteilchen herausfiltern und/oder die die Geschwindigkeit der Teilchen regeln. The polarization device can comprise a particle source. The particle source can be, for example, a gas bottle filled with hydrogen or a tank filled with hydrogen. The gas bottle or tank can be connected to a tubular line of the steering device via a valve. If there is excess pressure in the gas bottle or tank, opening the valve causes gas to flow into the tubular line. The hydrogen and thus particles can be guided to the coils via the line. Stations can be provided in between that modify the hydrogen, filter out foreign particles and/or regulate the speed of the particles.
Es können vier Spulen vorhanden sein. Es kann eine Einrichtung für das Erzeugen eines oszillierenden Magnetfeldes mit einer ungeraden Anzahl an Wellen durch zwei gegenüberliegende Spulen vorhanden sein. Die Einrichtung ist also so, dass ein Wechselstrom definiert so erzeugt werden kann, dass planmäßig und wiederholbar, also nicht lediglich zufällig, eine ungerade Anzahl an Maxima und eine gerade Anzahl an Minima auftreten oder umgekehrt eine gerade Anzahl an Maxima und eine ungerade Anzahl an Minima. There can be four coils. There may be a device for generating an oscillating magnetic field with an odd number of waves by two opposing coils. The device is thus such that an alternating current can be generated in a defined manner such that an odd number of maxima and an even number of minima occur in a planned and repeatable manner, i.e. not merely randomly, or conversely an even number of maxima and an odd number of minima.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert. The invention is explained in more detail below with reference to figures.
Es zeigen Show it
Figur 1 : Spulenanordnung; Figure 1 : Coil arrangement;
Figur 2: Teilchenstrahl mit Spulen; Figure 2: Particle beam with coils;
Figur 3: Magnetfelder in Abhängigkeit vom Weg; Figure 3: Magnetic fields depending on the path;
Figur 4: Polarisierungsvorrichtung; Figure 4: Polarization device;
Figur 5: Spulenanordnung mit ruhender Probe; Figure 5: Coil arrangement with resting sample;
Figur 6: pulsierendes Magnetfeld; Figure 6: pulsating magnetic field;
Figur 7: Spulenanordnung für ruhende Probe; Figure 7: Coil arrangement for resting sample;
Figur 8: pulsierendes Magnetfeld Figure 8: pulsating magnetic field
Figur 9 Spulenanordnung; Figure 9 Coil arrangement;
Figur 10 Spulenanordnung mit aufgeteiltem Teilchenstrahl. Figure 10 Coil arrangement with split particle beam.
Die Figur 1 zeigt zwei gegenüberliegende Spulen 1 und 2. Die beiden Spulen 1 , 2 liegen sich genau gegenüber. Die Mitte der einen ersten Spule 1 kann beispielsweise einen Abstand von 10 cm bis 15 cm von der Mitte der anderen Spule 2 aufweisen. Die beiden Spulen 1 , 2 sind so angeordnet, dass ein Teilchenstrahl zunächst durch die Wicklungen der ersten Spule 1 und danach durch die Wicklungen der zweiten Spule 2 fliegen kann. Die beiden Spulen 1 , 2 sind parallel zueinander ausgerichtet. Figure 1 shows two opposing coils 1 and 2. The two coils 1, 2 are located exactly opposite each other. The center of the first coil 1 can, for example, be 10 cm to 15 cm away from the center of the other coil 2. The two coils 1, 2 are arranged in such a way that a particle beam can first fly through the windings of the first coil 1 and then through the windings of the second coil 2. The two coils 1, 2 are aligned parallel to each other.
Die beiden Spulen 1 , 2 können gleich sein. Die beiden Spulen 1 , 2 sind dann gleich groß, weisen den gleichen gewickelten elektrischen Leiter mit dem gleichen elektrischen Widerstand und weisen die gleiche Zahl an Wicklungen auf. The two coils 1, 2 can be the same. The two coils 1, 2 are then the same size, have the same wound electrical conductor with the same electrical resistance and have the same number of windings.
Während des Betriebs fließt durch die erste Spule 1 ein erster elektrischer Gleichstrom und durch die zweite Spule 2 ein zweiter elektrischer Gleichstrom. Der erste Gleichstrom fließt für ein Polarisieren in entgegengesetzter Richtung im Vergleich zur Richtung des zweiten Gleichstroms. Eine jede Spule 1 , 2 erzeugt dann ein eigenes Magnetfeld. Das eigene Magnetfeld, das durch die erste Spule 1 erzeugt wird, ist dann wie in der Figur 1 durch Pfeile angedeutet, entgegengesetzt gerichtet zum eigenen Magnetfeld, das durch die zweite Spule 2 erzeugt wird. Die beiden erzeugten eigenen Magnetfelder addieren sich. Es entsteht so ein räumlich oszillierendes Magnetfeld. During operation, a first direct electric current flows through the first coil 1 and a second direct electric current flows through the second coil 2. The first direct current flows in the opposite direction to the direction of the second direct current for polarization. Each coil 1, 2 then generates its own Magnetic field. The magnetic field generated by the first coil 1 is then directed in the opposite direction to the magnetic field generated by the second coil 2, as indicated by arrows in Figure 1. The two magnetic fields generated are added together. This creates a spatially oscillating magnetic field.
Die Beträge der elektrischen Ströme, die während des Betriebs durch die Spulen 1 , 2 fließen, können gleich sein. Die Flussdichte des ersten Magnetfelds ist dann bei gleichen Spulen 1 , 2 gleich wie die Flussdichte des zweiten Magnetfeldes. The amounts of the electric currents that flow through the coils 1, 2 during operation can be equal. The flux density of the first magnetic field is then the same as the flux density of the second magnetic field for the same coils 1, 2.
Die Figur 2 zeigt einen Teilchenstrahl 3, der durch die erste Spule 1 mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit hindurchfliegt und anschließend durch die zweite Spule 2. Durch Messungen wurde beispielsweise festgestellt, dass ein Strom mit einer Stromstärke l0, der durch eine jede Spule 1 , 2 fließt, die Teilchen des Teilchenstrahls 3 polarisiert. Für ein Polarisieren kann daher eine Stromstärke von l0 für den Strom eingestellt werden, der durch eine jede Spule 1 , 2 fließt. Die Teilchen des Teilchenstrahls 3, die die beiden Spulen 1 , 2 und damit ein räumlich oszillierendes Magnetfeld passieren, können so polarisiert werden. Figure 2 shows a particle beam 3 that flies through the first coil 1 at a predetermined speed and then through the second coil 2. Measurements have shown, for example, that a current with a current intensity l 0 that flows through each coil 1, 2 polarizes the particles of the particle beam 3. For polarization, a current intensity of l 0 can therefore be set for the current that flows through each coil 1, 2. The particles of the particle beam 3 that pass through the two coils 1, 2 and thus a spatially oscillating magnetic field can thus be polarized.
Die Figur 3 zeigt wegabhängige Magnetfelder 4 bis 9 für ein Ermitteln eines geeigneten Magnetfeldes, durch das der Teilchenstrahl 3 aus Figur 2 polarisiert werden kann. Aufgetragen ist die aus den Magnetfeldern resultierende magnetische Flussdichte B [mT] entlang des Wegs s [cm], der von dem Teilchenstrahl zurückgelegt wird. Es wird eine erste Stromstärke eingestellt, wodurch ein erstes Magnetfeld 4 erzeugt wird. Im Anschluss daran wird gemessen, ob der Teilchenstrahl 3 aus Figur 2 durch das Magnetfeld 4 polarisiert worden ist. Es wird eine zweite Stromstärke eingestellt, wodurch ein zweites Magnetfeld 5 erzeugt wird. Im Anschluss daran wird gemessen, ob der Teilchenstrahl 3 aus Figur 2 durch das Magnetfeld 5 polarisiert worden ist. Es können so weitere Magnetfelder 6 bis 9 geprüft werden, bis ein Magnetfeld gefunden worden ist, das den Teilchenstrahl 3 polarisiert. Die zugehörige Stromstärke ist dann die Stromstärke l0, die eingestellt wird, wenn der Teilchenstrahl 3 mit seiner vorgegebenen Geschwindigkeit durch die Spulen 1 und 2 polarisiert werden soll. Figure 3 shows path-dependent magnetic fields 4 to 9 for determining a suitable magnetic field by which the particle beam 3 from Figure 2 can be polarized. The magnetic flux density B [mT] resulting from the magnetic fields is plotted along the path s [cm] traveled by the particle beam. A first current strength is set, thereby generating a first magnetic field 4. It is then measured whether the particle beam 3 from Figure 2 has been polarized by the magnetic field 4. A second current strength is set, thereby generating a second magnetic field 5. It is then measured whether the particle beam 3 from Figure 2 has been polarized by the magnetic field 5. Further magnetic fields 6 to 9 can be tested in this way until a magnetic field is found that polarizes the particle beam 3. The corresponding current intensity is then the current intensity l 0 , which is set when the particle beam 3 is to be polarized with its predetermined speed through the coils 1 and 2.
Versuche wurden mit einem anfänglich nicht polarisierten Atomstrahl aus metastabilen Wasserstoffatomen mit einer Strahlenergie von 1 keV durchgeführt. Mithilfe eines Lambshift-Polarimeters konnte festgestellt werden, dass mit einer Stromstärke l0 der Atomstrahl aus metastabilen Wasserstoffatomen mithilfe der gegenüberliegenden Spulen 1 und 2 polarisiert werden kann, die bis zu 1 ,5 A betragen hat. Experiments were carried out with an initially non-polarized atom beam of metastable hydrogen atoms with a beam energy of 1 keV. Using a Lambshift polarimeter, it was found that with a current strength l 0 the Atomic beam of metastable hydrogen atoms can be polarized using the opposite coils 1 and 2, which was up to 1.5 A.
Weitere Versuche wurden mit unterschiedlichen Teilchenstrahlen durchgeführt, die aus H2 +' metastabile Deuteriumatome, 3He+ sowie Wasserstoff- und Deuteriumatome gebildet wurden. Further experiments were carried out with different particle beams formed from H 2 + ' metastable deuterium atoms, 3 He + as well as hydrogen and deuterium atoms.
Weitere Beispiele für Teilchen, die durch die Spulen 1 und 2 polarisiert werden können, sind H3 +, D2 + und H2O+. Dabei ist zu beachten, dass auch das magnetische Moment der Rotation der Moleküle zur Hyperfeinstruktur beiträgt. Other examples of particles that can be polarized by coils 1 and 2 are H 3 + , D 2 + and H 2 O + . It should be noted that the magnetic moment of the rotation of the molecules also contributes to the hyperfine structure.
Mithilfe von gegenüberliegenden Spulen kann jedes Teilchen mit einem Kernspin in großen Mengen mit Hilfe der Spulen 1 und 2 und einem dadurch erzeugten statischen, räumlich oszillierenden Magnetfeld polarisiert werden, indem aus den Teilchen ein Strahl mit einer festen Geschwindigkeit hergestellt wird, der durch die beiden Spulen 1 und 2 und damit durch das statische, räumlich oszillierende Magnetfeld hindurchfliegt. By means of opposing coils, any particle with a nuclear spin can be polarized in large quantities using coils 1 and 2 and a static, spatially oscillating magnetic field generated thereby, by creating a beam of particles with a fixed speed that flies through the two coils 1 and 2 and thus through the static, spatially oscillating magnetic field.
In der Figur 4 wird eine Polarisierungsvorrichtung gezeigt, mit der polarisierte, metastabile Wasserstoffatome erzeugt werden können. An die Vorrichtung ist eine mit H2, also mit Wasserstoff, gefüllte Flasche 10 angeschlossen. Über eine mit einem Ventil versehene Leitung kann Wasserstoff aus der Flasche 10 in einen lonisierer 11 eingeleitet werden. Durch den lonisierer 11 werden H2 +-Ionen und Protonen erzeugt. Der aus den Wasserstoffmolekülen gebildete Teilchenstrahl wird in einen Wien - Filter 12 eingeleitet. Den Wien Filter 12 können nur Teilchen passieren, die eine geeignete Geschwindigkeit haben. Aus dem Teilchenstrom wird dadurch ein Teilchenstrahl mit einer festen Geschwindigkeit herausgefiltert. Außerdem können so eventuelle Fremdteilchen herausgefiltert werden. Im Anschluss daran wird der Anteil aus Protonen in eine Cäsium-Zelle 13 eingeleitet, um metastabile Wasserstoffatome zu erzeugen. In der Cäsium-Zelle 13 findet eine Austauschreaktion zwischen Cäsium und den Protonen statt. Durch die Austauschreaktion nimmt ein Proton, ein Elektron auf und es entstehen so metastabile Wasserstoffatome. Sämtliche möglichen Hyperfeinstrukturen der metastabilen Wasserstoffatome sind vorhanden. Der Teilchenstrahl ist daher nicht polarisiert. Der Teilchenstrahl wird dann in eine Zelle 14 eingeleitet, in der die beiden Spulen 1 und 2 für ein Polarisieren angeordnet sind. Gibt es beispielsweise drei verschiedene Hyperfeinstruktur-Zustände a, b und c, die miteinander wechselwirken können, so werden zwei der drei Hyperfeinstruktur- Zustände in den verbliebenen Hyperfeinstruktur-Zustand gebracht. Beispielsweise werden die Zustände b und c in die Hyperfeinstruktur-Zustand a gebracht. Es können fast alle Zustände b und c in einen einzigen Hyperfeinstruktur-Zustand a überführt werden. Die metastabilen Wasserstoffatome werden so polarisiert. Der Teilchenstrahl, der aus der Zelle 14 austritt, besteht dann aus polarisierten Teilchen. Figure 4 shows a polarization device with which polarized, metastable hydrogen atoms can be generated. A bottle 10 filled with H 2 , i.e. hydrogen, is connected to the device. Hydrogen can be fed from the bottle 10 into an ionizer 11 via a line provided with a valve. The ionizer 11 generates H 2 + ions and protons. The particle beam formed from the hydrogen molecules is fed into a Wien filter 12. Only particles with a suitable speed can pass through the Wien filter 12. A particle beam with a fixed speed is thereby filtered out of the particle stream. In addition, any foreign particles can be filtered out in this way. The proportion of protons is then fed into a cesium cell 13 in order to generate metastable hydrogen atoms. An exchange reaction between cesium and the protons takes place in the cesium cell 13. Through the exchange reaction, a proton absorbs an electron and metastable hydrogen atoms are created. All possible hyperfine structures of the metastable hydrogen atoms are present. The particle beam is therefore not polarized. The particle beam is then introduced into a cell 14 in which the two coils 1 and 2 are arranged for polarization. If, for example, there are three different hyperfine structure states a, b and c that can interact with each other, two of the three hyperfine structure states States are brought into the remaining hyperfine structure state. For example, the states b and c are brought into the hyperfine structure state a. Almost all states b and c can be converted into a single hyperfine structure state a. The metastable hydrogen atoms are thus polarized. The particle beam that emerges from the cell 14 then consists of polarized particles.
Um zu ermitteln, ob die Teilchen tatsächlich polarisiert worden sind, kann der Teilchenstrahl zunächst in einen Spinfilter 15 eingeleitet werden. Den Spinfilter 15 können nur geeignet polarisierte metastabile Wasserstoffatome passieren. Beispielsweise ist der Spinfilter 15 zunächst so eingerichtet, dass zunächst nur Teilchen im Hyperfeinstruktur-Zustand a passieren können. Hinter dem Spinfilter 15 kann ein Photomultiplier 16 angeordnet sein, mit dem detektiert werden kann, ob die Teilchen des Teilchenstroms 3 den Spinfilter 15 passieren konnten. Konnten Teilchen den Spinfilter 15 passieren, so erzeugen die Teilchen im Photomultiplier Lichtblitze. Es wurde so festgestellt, dass im Photomultiplier nur dann Lichtblitze erzeugt wurden, wenn der Spinfilter 15 so eingestellt war, dass Teilchen im Hyperfeinstruktur-Zustand a passieren konnten. Damit wurde der Nachweis erbracht, dass die metastabilen Wasserstoffatome polarisiert werden konnten. In order to determine whether the particles have actually been polarized, the particle beam can first be introduced into a spin filter 15. Only suitably polarized metastable hydrogen atoms can pass through the spin filter 15. For example, the spin filter 15 is initially set up so that only particles in the hyperfine structure state a can pass through. A photomultiplier 16 can be arranged behind the spin filter 15, which can detect whether the particles of the particle stream 3 were able to pass through the spin filter 15. If particles were able to pass through the spin filter 15, the particles generate flashes of light in the photomultiplier. It was thus determined that flashes of light were only generated in the photomultiplier if the spin filter 15 was set so that particles in the hyperfine structure state a could pass through. This provided evidence that the metastable hydrogen atoms could be polarized.
Der in der Figur 4 gezeigte Aufbau wurde auch dazu benutzt, um die Stromstärke l0 aufzufinden, mit der die metastabilen Wasserstoffatome polarisiert werden. The setup shown in Figure 4 was also used to find the current l 0 with which the metastable hydrogen atoms are polarized.
In einer damit vergleichbaren Weise können andere Polarisierungsvorrichtungen gebaut sein, mit denen Stoffe bzw. Teilchen mit Hyperfeinstrukturen polarisiert und detektiert werden können. Diese können einen lonisierer 11 umfassen, wenn Teilchen ionisiert werden sollen. Bei Bedarf kann ein Wien - Filter 12 vorhanden sein, um zu erreichen, dass die Teilchen mit gleicher Geschwindigkeit fliegen und/oder um Fremdteilchen herauszufiltern. Es kann eine Zelle 13 vorhanden sein, um Teilchen in einen metastabilen Zustand zu bringen, bevor diese polarisiert werden. In a comparable manner, other polarization devices can be constructed with which substances or particles with hyperfine structures can be polarized and detected. These can comprise an ionizer 11 if particles are to be ionized. If necessary, a Wien filter 12 can be present to ensure that the particles fly at the same speed and/or to filter out foreign particles. A cell 13 can be present to bring particles into a metastable state before they are polarized.
Das zeitlich oszillierende Magnetfeld, das auf die ruhende Probe 3 angewendet werden kann, wird durch die Figur 6 verdeutlicht. Gezeigt wird Flussdichte Br, der die Probe 3 ausgesetzt wird. Solche Magnetfelder werden durch Strompulse erzeugt. Das pulsförmig erzeugte Magnetfeld aus Figur 6 weist zwei Maxima und ein Minimum auf und damit drei Halbwellen. Allgemein ist zu bevorzugen, dass die Zahl der Maxima gerade ist und die Zahl der Minima ungerade oder umgekehrt, dass die Zahl der Minima gerade ist und die Zahl der Maxima ungerade. The temporally oscillating magnetic field that can be applied to the resting sample 3 is illustrated in Figure 6. The flux density B r to which the sample 3 is exposed is shown. Such magnetic fields are generated by current pulses. The pulse-shaped magnetic field from Figure 6 has two maxima and one minimum and thus three half-waves. In general, it is preferable that the number of maxima is even and the number of minima is odd or conversely, that the number of minima is even and the number of maxima is odd.
Die Figur 5 zeigt zwei Spulen 1 und 2, die gleich sind, gleich ausgerichtet sind und die sich genau gegenüberliegen. In der Mitte zwischen den beiden Spulen 1 und 2 befindet sich eine ruhende Probe 3. Um diese Probe 3 einem oszillierenden Magnetfeld auszusetzen, kann mit den beiden Spulen 1 , 2 ein gemeinsames, zeitlich oszillierendes Magnetfeld erzeugt werden. Figure 5 shows two coils 1 and 2 that are identical, aligned in the same way and exactly opposite each other. In the middle between the two coils 1 and 2 there is a stationary sample 3. In order to expose this sample 3 to an oscillating magnetic field, a common, temporally oscillating magnetic field can be generated with the two coils 1, 2.
Das zeitlich oszillierende Magnetfeld, das auf die ruhende Probe 3 angewendet werden kann, wird durch die Figur 6 verdeutlicht. Gezeigt wird Flussdichte Br, der die Probe 3 ausgesetzt wird. Solche Magnetfelder werden durch Strompulse erzeugt. Das pulsförmig erzeugte Magnetfeld aus Figur 3 weist zwei Maxima und ein Minimum auf, um eine Probe 3 polarisieren zu können. Allgemein ist zu bevorzugen, dass die Zahl der Maxima gerade ist und die Zahl der Minima ungerade oder umgekehrt, dass die Zahl der Minima gerade ist und die Zahl der Maxima ungerade. Die Anzahl der Maxima und Minima unterscheiden sich also. Ausnahmen sind jedoch wie oben beschrieben möglich. The temporally oscillating magnetic field that can be applied to the stationary sample 3 is illustrated in Figure 6. It shows the flux density B r to which the sample 3 is exposed. Such magnetic fields are generated by current pulses. The pulse-shaped magnetic field from Figure 3 has two maxima and one minimum in order to be able to polarize a sample 3. In general, it is preferable that the number of maxima is even and the number of minima is odd, or vice versa, that the number of minima is even and the number of maxima is odd. The number of maxima and minima therefore differ. Exceptions are possible, however, as described above.
In der Figur 7 wird eine Spulenanordnung mit den sich gegenüberliegenden Spulen 1 und 2 gezeigt. Zusätzlich zu den Spulen 1 und 2 sind zwei weitere Spulen 17 und 18 vorhanden, die gegenüberliegend angeordnet sind. Die Spulen 17 und 18 können, wie gezeigt, relativ zu den Spulen 1 und 2 orthogonal angeordnet sein. In der Mitte zwischen den beiden Spulen 1 und 2 sowie zwischen den Spulen 17 und 18 ist eine ruhende Probe 3 angeordnet. Um die Probe 3 zu polarisieren, können die Spulen 1 und 2 ein Magnetfeld pulsförmig, wie in der Figur 6 gezeigt, erzeugen. Die Spulen 17 und 18 können zeitgleich ein magnetisches Haltefeld pulsförmig, wie in der Figur 8 gezeigt, erzeugen, um die Probe 3 zu polarisieren. Es können aber auch umgekehrt die Spulen 1 und 2 das in der Figur 8 gezeigte Magnetfeld bzw. magnetisches Haltefeld erzeugen und die Spulen 17 und 18 das in der Figur 6 gezeigte Magnetfeld, um so die Probe 3 zu polarisieren. Figure 7 shows a coil arrangement with coils 1 and 2 facing each other. In addition to coils 1 and 2, there are two further coils 17 and 18 which are arranged opposite each other. As shown, coils 17 and 18 can be arranged orthogonally relative to coils 1 and 2. A stationary sample 3 is arranged in the middle between the two coils 1 and 2 and between coils 17 and 18. In order to polarize sample 3, coils 1 and 2 can generate a magnetic field in pulse form, as shown in Figure 6. Coils 17 and 18 can simultaneously generate a magnetic holding field in pulse form, as shown in Figure 8, in order to polarize sample 3. Conversely, coils 1 and 2 can also generate the magnetic field or magnetic holding field shown in Figure 8 and coils 17 and 18 can generate the magnetic field shown in Figure 6 in order to polarize sample 3.
Das in der Figur 8 gezeigte Magnetfeld bzw. Haltefeld weist im Unterschied zum Magnetfeld aus Figur 6 eine gleiche Anzahl an Maxima und Minima auf. Um festzustellen, ob die ruhende Probe 3 polarisiert worden ist, kann ein Magnetfeldsensor 19 in der Nähe der Probe platziert werden. Sind die Magnetfelder der Spulen 1 , 2, 17 und 18 abgeschaltet, dann zeigt der Magnetfeldsensor 19 das Vorhandensein eines Magnetfeldes an, wenn die ruhende Probe 3 erfolgreich polarisiert worden ist. In contrast to the magnetic field in Figure 6, the magnetic field or holding field shown in Figure 8 has an equal number of maxima and minima. To determine whether the stationary sample 3 has been polarized, a magnetic field sensor 19 can be placed near the sample. If the magnetic fields of the coils 1, 2, 17 and 18 are switched off, the magnetic field sensor 19 indicates the presence of a magnetic field when the stationary sample 3 has been successfully polarized.
Ob die Probe 3 polarisiert worden ist, kann alternativ beispielsweise mit Kernspinresonanzmessungen geprüft werden. Mithilfe von Neutronenabsorption kann ebenfalls geprüft werden, ob die Probe 3 erfolgreich polarisiert worden ist. Alternatively, it is possible to check whether sample 3 has been polarized using nuclear magnetic resonance measurements, for example. Neutron absorption can also be used to check whether sample 3 has been successfully polarized.
Um festzustellen, welche Einstellungen vorzunehmen sind, um die ruhende Probe 3 zu polarisieren, können Stromstärke sowie Frequenz der in den Figuren 6 und 8 gezeigten Magnetfelder variiert werden, bis geeignete Einstellungen gefunden worden sind, mit denen die Probe 3 polarisiert werden konnte. Soll eine gleiche Probe noch einmal polarisiert werden, dann werden die gefundenen Einstellungen vorgenommen. Möglich ist alternativ oder ergänzend auch, dass Abstände zwischen Spulen 1 , 2, 17, 18 geändert werden, um geeignete Einstellungen finden zu können. In order to determine which settings need to be made to polarize the stationary sample 3, the current strength and frequency of the magnetic fields shown in Figures 6 and 8 can be varied until suitable settings are found with which the sample 3 can be polarized. If the same sample is to be polarized again, the settings found are made. Alternatively or additionally, it is also possible to change the distances between coils 1, 2, 17, 18 in order to find suitable settings.
Es können die magnetischen Felder aus den Figuren 6 und 8 auch variiert werden, um so eine ruhende Probe polarisieren zu können. So kann anstelle des in der Figur 8 gezeigten Magnetfeldes auch ein statisches Magnetfeld mit konstanter Flussdichte Bz erzeugt werden. Das andere magnetische Feld aus Figur 6 kann dann so angepasst werden, dass die Relativbewegung zwischen ruhender Probe 3 und dem erzeugten magnetischen Feld die gleiche Relativbewegung ist wie im Fall des Teilchenstrahls 3. Dies gelingt beispielsweise durch ein pulsförmiges, oszillierendes magnetisches Feld, das nur ein Maximum oder nur ein Minimum umfasst, also aus einer halben Welle besteht und nicht wie im Fall der Figur 6 aus 1 ,5 Wellen. The magnetic fields from Figures 6 and 8 can also be varied in order to polarize a stationary sample. For example, instead of the magnetic field shown in Figure 8, a static magnetic field with a constant flux density B z can be generated. The other magnetic field from Figure 6 can then be adjusted so that the relative movement between the stationary sample 3 and the generated magnetic field is the same relative movement as in the case of the particle beam 3. This can be achieved, for example, by using a pulse-shaped, oscillating magnetic field that only has one maximum or one minimum, i.e. consists of half a wave and not, as in the case of Figure 6, of 1.5 waves.
In dem einen Fall mit dem Teilchenstrahl wird die Probe 3 bewegt und in dem anderen Fall mit der ruhenden Probe 3 das Magnetfeld. Der Unterschied besteht daher nur in der Art, wie die Relativbewegung zwischen Probe und magnetischem Feld erzeugt wird. In one case with the particle beam, the sample 3 is moved and in the other case with the stationary sample 3, the magnetic field. The difference therefore only lies in the way in which the relative movement between the sample and the magnetic field is generated.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Länge 22 einer Spule 1 , 2 gleich groß oder größer als der Durchmesser 21 der Spule 1 , 2, wie dies in der Figur 9 gezeigt wird. Es hat sich gezeigt, dass durch diese Geometrie das Polarisieren weiter verbessert werden kann. Zur Verbesserung der Polarisation ist es weiter von Vorteil, wenn ein Teilchenstrahl 3 außermittig durch die Spulen 1 , 2 fliegt, wie dies in der Figur 9 gezeigt wird. Eine Einrichtung 22 für ein Erzeugen und/oder Lenken des Teilchenstroms kann relativ zu den Spulen 1 , 2 entsprechend außermittig angeordnet sein, wie dies in der Figur 9 gezeigt wird. Die Einrichtung 22 für ein Erzeugen und Einspeisen des Teilchenstroms 3 kann, wie in der Figur 4 gezeigt, aufgebaut sein. In an advantageous embodiment, the length 22 of a coil 1, 2 is equal to or greater than the diameter 21 of the coil 1, 2, as shown in Figure 9. It has been shown that this geometry further improves polarization. To improve the polarization, it is also advantageous if a particle beam 3 flies off-center through the coils 1, 2, as shown in Figure 9. A device 22 for generating and/or directing the particle stream can be arranged off-center relative to the coils 1, 2, as shown in Figure 9. The device 22 for generating and feeding the particle stream 3 can be constructed as shown in Figure 4.
Weiter verbessert können Teilchen polarisiert werden, wenn die Teilchen mithilfe von mehr als einem Teilchenstrahl 3 außermittig durch die beiden Spulen, mit denen ein oszillierendes Magnetfeld erzeugt wird, hindurchfliegen. Die Figur 10 zeigt als Beispiel zwei Teilchenstrahlen 3, die außermittig durch die Spulen 1 , 2 hindurchfliegen. Möglich sind auch mehr als zwei Teilchenstrahlen oder ein ringförmiger Teilchenstrahl 3, der um die Mitte der Spulen 1 , 2 ringförmig herum verläuft. Particles can be polarized even more effectively if the particles fly off-center through the two coils that generate an oscillating magnetic field using more than one particle beam 3. As an example, Figure 10 shows two particle beams 3 that fly off-center through the coils 1, 2. More than two particle beams or an annular particle beam 3 that runs in a ring around the center of the coils 1, 2 are also possible.

Claims

Ansprüche Expectations
1. Verfahren für ein Polarisieren einer aus Atomen, Molekülen oder Ionen gebildeten Probe mit den Schritten: 1. A method for polarizing a sample consisting of atoms, molecules or ions, comprising the steps of:
Bereitstellen von Spulen (1 , 2); Providing coils (1, 2);
Ermitteln eines oszillierenden magnetischen Felds, das durch die Spulen (1 , 2) erzeugt wird und das die Probe (3) polarisieren kann; Determining an oscillating magnetic field generated by the coils (1, 2) that can polarize the sample (3);
Erzeugen des ermittelten oszillierenden magnetischen Felds und Anwenden auf die Probe (3) für das Polarisieren. Generating the determined oscillating magnetic field and applying it to the sample (3) for polarization.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass für ein Polarisieren der Probe (3) durch die beiden Spulen (1 , 2) ein statisches, räumlich oszillierendes Magnetfeld erzeugt wird und die Probe (3) ein Teilchenstrahl ist, der durch die beiden Spulen (1 , 2) für ein Polarisieren hindurchgelenkt wird. 2. Method according to claim 1, characterized in that for polarizing the sample (3) by the two coils (1, 2) a static, spatially oscillating magnetic field is generated and the sample (3) is a particle beam which is guided through the two coils (1, 2) for polarization.
3. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Flussdichte des ersten Magnetfelds gleich groß ist wie die Flussdichte des zweiten Magnetfeldes. 3. Method according to the preceding claim, characterized in that the flux density of the first magnetic field is equal to the flux density of the second magnetic field.
4. Verfahren nach einem der zwei vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass entgegengesetzte Magnetfelder durch die beiden Spulen (1 , 2) erzeugt werden, der Teilchenstrahl (3) durch die beiden Spulen (1 , 2) hindurchgelenkt wird und die Polarisation des hindurchgelenkten Teilchenstrahls (3) gemessen wird, wobei die Magnetfeldstärken der beiden erzeugten Magnetfelder geändert werden, bis gemessen wird, dass der hindurchgelenkte Teilchenstrahl (3) polarisiert worden ist und so die durch die beiden Spulen (1 , 2) zu erzeugenden magnetischen Felder ermittelt werden, die für ein Polarisieren zu erzeugen sind. 4. Method according to one of the two preceding claims, characterized in that opposing magnetic fields are generated by the two coils (1, 2), the particle beam (3) is guided through the two coils (1, 2) and the polarization of the guided particle beam (3) is measured, wherein the magnetic field strengths of the two generated magnetic fields are changed until it is measured that the guided particle beam (3) has been polarized and thus the magnetic fields to be generated by the two coils (1, 2) which are to be generated for polarization are determined.
5. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass eine Probe (3) zwischen die beiden Spulen (1 , 2) gebracht wird und ein zeitlich oszillierendes Magnetfeld für das Polarisieren erzeugt wird. 5. Method according to claim 1, characterized in that a sample (3) is placed between the two coils (1, 2) and a temporally oscillating magnetic field is generated for polarization.
6. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das zeitlich oszillierende Magnetfeld aus einer ungeraden Anzahl an halben Wellen besteht. 6. Method according to the preceding claim, characterized in that the temporally oscillating magnetic field consists of an odd number of half waves.
7. Verfahren nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei weitere Spulen (17, 18) ein konstantes oder oszillierendes Magnetfeld für ein Polarisieren der Probe (3) erzeugen und sich die Probe (3) zwischen den beiden weiteren Spulen (17, 18) befindet. 7. Method according to one of the two preceding claims, characterized in that two further coils (17, 18) generate a constant or oscillating magnetic field for polarizing the sample (3) and the sample (3) is located between the two further coils (17, 18).
8. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das konstante oder oszillierende Magnetfeld, auch Haltefeld genannt, zeitlich begrenzt ist. 8. Method according to the preceding claim, characterized in that the constant or oscillating magnetic field, also called holding field, is limited in time.
9. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Haltefeld aus einer geraden Anzahl an halben Wellen besteht. 9. Method according to the preceding claim, characterized in that the holding field consists of an even number of half waves.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Spulen (1 ,2; 17, 18) gleich sind und/oder gleich ausgerichtet sind und/oder sich genau gegenüberliegen. 10. Method according to one of the preceding claims, characterized in that coils (1, 2; 17, 18) are identical and/or are aligned identically and/or are exactly opposite one another.
11 . Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die polarisierten Atome, Moleküle oder Ionen als Tracer verwendet werden. 11. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the polarized atoms, molecules or ions are used as tracers.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Teilchenstrahl (3) der Probe außermittig durch die Spulen (1 , 2), mit denen das oszillierende Magnetfeld erzeugt wird, hindurchgelenkt wird. 12. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the particle beam (3) of the sample is guided off-center through the coils (1, 2) with which the oscillating magnetic field is generated.
13. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Teilchenstrahlen (3) außermittig durch die Spulen (1 , 2) hindurchgelenkt werden. 13. Method according to the preceding claim, characterized in that a plurality of particle beams (3) are guided off-center through the coils (1, 2).
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Teilchenstrahl (3) der Probe ringförmig durch die Spulen (1 , 2), mit denen das oszillierende Magnetfeld erzeugt wird, hindurchgelenkt wird. 14. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the particle beam (3) of the sample is guided in a ring shape through the coils (1, 2) with which the oscillating magnetic field is generated.
15. Polarisierungsvorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer Einrichtung für ein Erzeugen eines Magnetfeldes umfassend zwei gegenüberliegende Spulen (1 , 2), durch das eine Probe (3) polarisiert werden kann. 15. Polarization device for carrying out a method according to one of the preceding claims with a device for generating a Magnetic field comprising two opposing coils (1, 2), by which a sample (3) can be polarized.
16. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Einrichtung für das Lenken eines Teilchenstrahls (3) umfasst, durch den ein Teilchenstrahl (3) durch die beiden Spulen gelenkt werden kann, wobei die Einrichtung für das Lenken des Teilchenstrahls einen Wien - Filter (12) umfasst. 16. Device according to the preceding claim, characterized in that the device comprises a device for directing a particle beam (3), by means of which a particle beam (3) can be directed through the two coils, the device for directing the particle beam comprising a Wien filter (12).
17. Vorrichtung nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Detektor (15, 16) vorhanden ist, mit dem die Polarisation von Teilchen (3) detektiert werden kann, nachdem durch die Spulen (1 , 2) die Teilchen (3) polarisiert worden sind. 17. Device according to one of the two preceding claims, characterized in that a detector (15, 16) is present with which the polarization of particles (3) can be detected after the particles (3) have been polarized by the coils (1, 2).
18. Vorrichtung nach einem der drei vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vier Spulen (1 , 2, 17, 18) vorhanden sind und eine Einrichtung für das Erzeugen eines oszillierenden Magnetfeldes mit einer ungeraden Anzahl an Wellen durch zwei gegenüberliegende Spulen (1 , 2). 18. Device according to one of the three preceding claims, characterized in that four coils (1, 2, 17, 18) are present and a device for generating an oscillating magnetic field with an odd number of waves by two opposite coils (1, 2).
19. Vorrichtung nach einem der vier vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge (20) einer Spule (1 , 2), durch die ein oszillierendes magnetisches Feld erzeugt wird, gleich groß oder größer als der Durchmesser (21) der Spule (1 , 2) ist. 19. Device according to one of the four preceding claims, characterized in that the length (20) of a coil (1, 2) by which an oscillating magnetic field is generated is equal to or greater than the diameter (21) of the coil (1, 2).
20. Vorrichtung nach einem der fünf vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung (22) für ein Erzeugen und/oder Lenken eines Teilchenstroms (3) relativ zu den für ein Erzeugen eines oszillierenden Magnetfelds vorgesehenen Spulen (1 , 2) außermittig angeordnet ist. 20. Device according to one of the five preceding claims, characterized in that a device (22) for generating and/or directing a particle stream (3) is arranged off-center relative to the coils (1, 2) provided for generating an oscillating magnetic field.
PCT/EP2023/081589 2022-12-19 2023-11-13 Method and device for generating polarized atoms, molecules, and ions thereof WO2024132296A1 (en)

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