DE69838030T2

DE69838030T2 - Spin-polarisation eines edelgases über spinaustausch mit optisch gepumpten alkalimetallen

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Publication number: DE69838030T2
Application number: DE69838030T
Authority: DE
Inventors: Mikhail V. Princeton ROMALIS; Christopher J. Princeton ERICKSON; Gordon D. Skillman CATES; William Princeton HAPPER
Original assignee: Princeton University
Current assignee: Princeton University
Priority date: 1997-08-18
Filing date: 1998-08-17
Publication date: 2008-03-13
Anticipated expiration: 2018-08-18
Also published as: DE69838030D1; CA2301197A1; JP4295914B2; JP2001515213A; EP1015086B1; US6318092B1; ES2289792T3; CN1270537A; CN1142809C; AU8910698A; WO1999008766A2; CA2301197C; DK1015086T3; WO1999008766A3; EP1015086A2; ATE366134T1; EP1015086A4

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren zum Hyperpolarisieren von Edelgasen. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf Verfahren mit optischem Pumpen bei hoher Effizienz zum Hyperpolarisieren von Edelgasen.
Es ist bekannt, dass Edelgase wie ³He und ¹²⁹Xe unter Verwendung von Lasermethoden „hyperpolarisiert" werden können. Solche Polarisationsverfahren beinhalten optisches Pumpen mit Spin-Austausch, bei dem Dampf eines Alkalimetalls optisch polarisiert wird, gefolgt von einem "Austausch" dieser Polarisation mit dem Edelgas (Bouchiat et al. 1960; Bhaskar et al. 1982; Happer et al. 1984; Zeng et al 1985; Cates et al. 1992). Andere Polarisationsverfahren verwenden Metastabilitäts-Austausch, bei dem Edelgaskerne (typischerweise Helium-3(³He)) ohne ein dazwischen geschaltetes Alkalimetall direkt optisch gepumpt werden (Schearer 1969; Laloë et al. 1984). Systeme zum Herstellen polarisierter Edelgase werden in den US-Patenten Nr. 5,642,625 und 5,617,860 beschrieben.
Hyperpolarisierte Edelgase können für zahlreiche Zwecke verwendet werden. In der Vergangenheit ist polarisiertes ¹²⁹Xe für fundamentale Symmetrieuntersuchungen (Chupp et al. 1994), für Untersuchungen von Kernspinrelaxationen von Festkörpern (Gatzke et al. 1993), für hochauflösende Kernspinresonanzspektroskopie (NMR) (Raftery et al. 1991) und Gegenpolarisation zu anderen Kernen (Gatzke et al. 1993; Long et al. 1993) verwendet worden. Polarisiertes ³He ist auch ein wichtiges Kerntarget (Anthony et al. 1993; Middleton (1994)).
Erst kürzlich haben verbesserte NMR-Signale von mit einem Laser polarisiertem ¹²⁹Xe, welche um ungefähr 5 Größenordnungen größer als die von thermisch polarisierten ¹²⁹Xe sind, die erste biologische Hochgeschwindigkeits-Magnetresonanzbildgebung (MRI) eines Gases ermöglicht (Albert et al. 1994). Helium-3 hat sich auch als ein hervorragender Kern für die Gasphasen-MRI erwiesen (Middleton et al. 1995). Das US-Patent Nr. 5,545,396 beschreibt die Verwendung von ¹²⁹Xe, ³He und anderen Edelgaskernen für biologische MRI. Diese auffallenden Fortschritte eröffnen nun zahlreiche neue Wege der Forschung.
Die hauptsächliche Begrenzung bei diesen Verwendungen der polarisierten Edelgase war die Verfügbarkeit von ausreichenden Mengen an Gasen, um die Nachfrage zu befriedigen. Demnach ist das Augenmerk darauf gerichtet gewesen, die Menge bei der Herstellung von polarisiertem Edelgas zu verbessern. Vorrichtungen wurden erfunden, durch die größere Mengen von polarisiertem Gas auf einer kontinuierlichen oder schubweisen Basis erzeugt werden können, vergleiche US-Patent Nr. 5,642,645 . Es wurde sich mit Verfahren zur Begrenzung der Depolarisation von Edelgasen durch Wechselwirkungen mit Behälteroberflächen durch Bereitstellung von Polymeren als Beschichtungen beschäftigt, vergleiche US-Patent Nr. 5,612,103 . Es wurde auch eine Vorrichtung entwickelt, um die Speicherung von gefrorenem polarisierten ¹²⁹Xe zu ermöglichen.
Sogar mit diesen Fortschritten sind die Verfahren, durch welche Edelgase polarisiert werden können, verbesserungswürdig, da zahlreiche Parameter nicht optimiert sind. Beispielsweise ist die Effizienz der Polarisation durch die physikalischen Eigenschaften der Materialien, die verwendet werden, um die Polarisationsvorrichtung zu bauen, begrenzt. Darüber hinaus unterstellt ein unvollständiges Verständnis der theoretischen Betrachtungen, welche der Physik des Spin-Austausches unterliegen, dass Gelegenheiten existieren, um Systeme mit größeren Effizienzen zu identifizieren.
Aus einer praktischen Sicht hängt die Hyperpolarisationseffizienz mit der Laserleistung zusammen, während die Kosten der Laserinstallation und der Wartung direkt mit der gelieferten Leistung ansteigt. Demnach können Polarisationssysteme zum Erzeugen höherer Mengen von polarisiertem Edelgas erheblich teurere Laser erfordern. Daher ist es wünschenswert, dem Anwender zu ermöglichen, die Polarisationsausbeute eines gegebenen Lasers zu erhöhen und hierdurch die Kosten in heraufgesetzten Systemen zu mindern.
Demnach ist es eines der Ziele dieser Erfindung, die oben genannten Begrenzungen auf dem Gebiet der Verfahren durch optisches Pumpen mit Spin-Austausch durch Bereitstellen von Verfahren zu überwinden, durch welche die Polarisationseffizienz unter Verwendung einer zur Zeit erhältlichen Vorrichtung deutlich verbessert wird. Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, den Anwender mit Materialien und Verfahren zu versorgen, die eine größere Vielfalt von Vorrichtungen bereitstellt, die zur Polarisation von Edelgasen verwendet werden können.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es wurde nun entdeckt, dass diese und andere Ziele durch die vorliegende Erfindung erreicht werden können, wobei ein Ausführungsbeispiel ein Verfahren zum Hyperpolarisieren eines Edelgases durch optisches Pumpen mit Spin-Austausch ist, wobei das Verfahren umfasst:

Bereitstellen einer Polarisationszelle, welches ein Edelgas und ein Alkalimetallhybrid enthält, wobei das Alkalimetallhybrid ein erstes Alkalimetall und ein anderes zweites Alkalimetall aufweist; und
Bestrahlen der Polarisationszelle mit einer Strahlung mit einer Wellenlänge, die geeignet ist, das erste Alkalimetall optisch zu polarisieren, wobei das zweite Alkalimetall sich bei dieser Wellenlänge optisch nicht polarisieren lässt; wobei Spin-Austausch-Wechselwirkungen zwischen dem ersten Alkalimetall, dem Hilfsalkalimetall und dem Edelgas ermöglicht werden;

Bei der Erfindung kann das Verhältnis des ersten Alkalimetalls zu dem Hilfsalkalimetall (zweites Alkalimetall) in der Kondensationsphase von etwa 1:100 bis etwa 100:1 betragen, und beträgt vorzugsweise von etwa 1:25 bis etwa 25:1. Das Verhältnis des ersten Alkalimetalls zu dem Hilfsalkalimetall in der Gasphase beträgt von etwa 1:100 bis etwa 10:1, vorzugsweise von etwa 1:30 bis etwa 1:1. Es ist bevorzugt, dass das Hilfsalkalimetall eine größere Effizienz als das erste Alkalimetall beim Polarisieren des Edelgases aufweist.
Bei einem bevorzugten Alkalimetallhybrid ist das erste Alkalimetall Rubidium und das Hilfsalkalimetall ist Kalium. In diesem Fall ist ein bevorzugtes Verhältnis von Rubidium zu Kalium etwa 5:95. Bei einem alternativen Alkalimetallhybrid ist das erste Alkalimetall Kalium und das Hilfsalkalimetall ist Natrium. Bei einem anderen alternativen Alkalimetallhybrid ist das erste Alkalimetall Natrium und das Hilfsalkalimetall ist Kalium. Die Verwendung von Kalium und Natrium verbessert ein Entfernen des Alkalimetalls von dem hyperpolarisierten Gas, da Natrium und Kalium niedrigere Dampfdrücke aufweisen.
Ein bevorzugtes Edelgas, das nach der Erfindung nützlich ist, ist ³He. Die Polarisationszelle kann des weiteren ein Puffergas und/oder ein Löschgas enthalten.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Hyperpolarisieren eines Edelgases durch optisches Pumpen mit Spin-Austausch, wie in Anspruch 11 dargestellt.
In der Vorrichtung ist das Alkalimetallhybrid vorzugsweise ein Gemisch aus Rubidium und Kalium, bevorzugter ein Gemisch mit ungefähr 5% Rubidium und ungefähr 95% Kalium. Alternativ ist das Alkalimetallhybrid ein Gemisch aus Natrium und Kalium.
Demnach ermöglicht die Erfindung dem Anwender nun, die Effizienz eines gegebenen Polarisationssystems unter Spin-Austausch zu erhöhen, ohne die physische Struktur des Systems zu modifizieren. Die Erfindung ermöglicht dem Anwender, ein Edelgas effizienter durch Bereitstellen eines Alkalimetallhybrids zu polarisieren, bei dem ein Alkalimetall optisch polarisiert wird und ein anderes Alkalimetall die Funktion aufweist, die Spin-Übertragung auf das Edelgas zu vermitteln. Demnach können preiswertere Lasersysteme unter erheblichen Kosten- und Wartungseinsparungen verwendet werden, während die Ausbeute der polarisierten Edelgase wesentlich erhöht wird.
Diese und andere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden von der detaillierten Beschreibung und Beispielen verstanden, die nachfolgend genannt sind. Die detaillierte Beschreibung und Beispiele dienen dem Verständnis der Erfindung, sie sind aber nicht dazu gedacht, den Bereich der Erfindung zu begrenzen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Die vorliegende Erfindung ist auf verbesserte Verfahren zum Hyperpolarisieren von Edelgasen durch optisches Pumpen mit Spin-Austausch gerichtet. Das Verfahren des Polarisierens von Edelgaskernen durch optisches Pumpen mit Spin-Austausch beinhaltet zwei Stufen. In der ersten Stufe wird zirkular polarisiertes Resonanzlaserlicht verwendet, um einen Alkalimetalldampf zu bestrahlen, um den Elektronensein der Alkalimetallatome optisch auszurichten (zu polarisieren). Diese erste Stufe wird als "optisches Pumpen" bezeichnet. In der zweiten Stufe wird etwas von der Ausrichtung (Polarisation) auf die Kerne eines Edelgases während Spin-Austausch-Kollisionen zwischen den polarisierten Alkalimetallatomen und den Edelgasatomen übertragen. Diese zweite Stufe wird als "Spin-Austausch" bezeichnet. Das Endresultat dieses Zweistufenprozesses ist die Übertragung eines Drehimpulses von dem Laserstrahl auf die Kerne der Edelgasatome.
Etwas detaillierter ausgedrückt beginnt der Spin-Austausch unter Verwendung eines Alkalimetalls mit der Bereitstellung eines Dampfes (vorzugsweise gesättigten Dampfes) des Alkalimetalls in einer Polarisationskammer. Typischerweise wird dies durch Heizen der Kammer in einem Ofen erzielt, wobei die Temperatur nach dem entsprechenden verwendeten Alkalimetall ausgewählt wird. Der Alkalimetalldampf wird dann mit zirkular polarisiertem Licht bei einer Wellenlänge einer wesentlichen Resonanz des Alkalimetalls bestrahlt. Typischerweise weist das Licht eine Wellenlänge bei der ersten Hauptresonanz auf, das heißt, dem Elektronenübergang D. Für Rubidium ist die Wellenlänge 795 nm. Die Atome im Grundzustand werden auf einen angeregten Zustand durch Absorption von einfallender Energie angehoben und fallen Nachfolgend in den Grundzustand zurück. In einem mäßigen magnetischen Feld, beispielsweise ungefähr 0,001 T (10 G), führt das periodische Durchlaufen der Atome zwischen dem Grundzustand und den angeregten Zuständen zu großen (nahezu 100%) Polarisationen in den ersten paar Millisekunden nach der Bestrahlung.
Die elektronische Polarisation wird hauptsächlich durch das einzelne Valenzelektron des Alkalimetalls getragen. Daher haben im wesentlichen alle diese Elektronen ihre Seins entweder zu dem magnetischen Feld ausgerichtet oder entgegen dem magnetischen Feld ausgerichtet, abhängig von der Helizität (linksgerichteter Zirkularpolarisationszustand oder rechtsgerichteter Zirkularpolarisationszustand) des pumpenden Lichts. Wenn ein Edelgas mit einem Kernsein von ungleich null ebenfalls vorhanden ist, können die Alkalimetallatome Kollisionen mit den Edelgasatomen unterliegen, durch welche die Polarisation der Valenzelektronen zu den Edelgaskernen mittels eines gemeinsamen Spinflips übertragen wird. Dieser "Sein-Austausch" resultiert von der Fermi-Kontakt-Hyperfein-Wechselwirkung zwischen dem Elektron und dem Edelgaskern.
Die Effizienz des Verfahrens der Übertragung des Drehimpulses von dem Laser zu den Kernen der Edelgasatome wird definiert durch die Anzahl der polarisierten Edelgaskerne, dividiert durch die Anzahl der Laserphotonen, die in dem Verfahren verwendet wurden. Die physikalische Basis für die Effizienz des optischen Pumpens mit Spin-Austausch ist die Konkurrenz zwischen den Spinübertragungsverfahren und anderen Verfahren, die den Spin zerstören. Die Anzahl der Photonen, die durch ein Lasersystem erzeugt werden, ist direkt proportional zu der Ausgangsleistung des Lasers. Daher kann ein Verfahren zur Herstellung von polarisiertem Edelgas, das eine höhere Effizienz hinsichtlich des optischen Pumpens mit Spin-Austausch aufweist, ein Lasersystem mit geringerer Leistung und geringeren Kosten verwenden, um eine gegebene Menge von Gas auf einen bestimmten Grad zu polarisieren.
Wenn das Verfahren des Spin-Austausches von einem Alkalimetall auf ein Edelgas betrachtet wird, wird die Effizienz als der Teil des Drehimpulses, der auf das Edelgas übertragen wird, dividiert durch die Summe des auf das Edelgas übertragenen Drehimpulses und des Drehimpuls, der durch andere Mechanismen verloren gegangen ist, definiert. Es wurde nun überraschenderweise gefunden, dass die Effizienz, die den Spinaustausch zwischen Alkalimetallen und einem Edelgas charakterisiert, erheblich durch Auswahl einer Kombination von Alkalimetallen abgestimmt werden kann, hierin nachher als ein "Alkalimetallhybrid" bezeichnet. Insbesondere ist es nun möglich, die Effizienz des optischen Pumpens mit Spin-Austausch durch Auswahl geeigneter Kombinationen von Alkalimetallen wesentlich zu erhöhen. Beispielsweise wurde nun beobachtet, dass die Effizienz, die den Spin-Austausch zwischen Kalium (K) und Helium-3 (³He) charakterisiert, ungefähr 10 mal größer ist als die Effizienz des Spin-Austausches zwischen Rubidium (Rb) und ³He. Ein Rb-K-Hybrid nach der Erfindung verbessert erheblich die Effizienz über derjenigen, die unter Verwendung von Rubidium alleine möglich ist.
Die hierin beschriebene Erfindung verwendet eine Hybridmischung aus zwei unterschiedlichen Alkalimetallen in dem Behälter zum optischen Pumpen. Die Verwendung des Alkalimetallhybrids kann die Effizienz des Verfahrens hinsichtlich des optischen Pumpens mit Spin-Austausch über derjenigen von konventionellen Verfahren wesentlich erhöhen, die nur eine einzelne Alkalimetallart in dem Behälter zum optischen Pumpen verwenden. Unter den Vorteilen des Verfahrens der Erfindung ist derjenige, dass das Alkalimetallhybrid im Rahmen von bekannten und vorhandenen Verfahren zum optischen Pumpen des Alkalimetalldampfes verwendet werden kann.
Ohne den Wunsch, durch die Theorie gebunden zu sein, wird hypothetisch angenommen, dass durch optisches Pumpen mit Spin-Austausch mit zwei unterschiedlichen Alkalimetallen nach der Erfindung der primäre Pfad für den Drehimpuls ohne Rücksicht darauf beständig ist, welche zwei Alkalimetalle verwendet werden. Dies kann beispielhaft im Kontext eines Alkalimetallhybrids mit Rubidium und Kalium erläutert werden.
Drehimpuls tritt in die Kammer zum optischen Pumpen in der Form von zirkular polarisierten Laserphotonen ein, die auf den Elektronenübergang D von Rb eingestellt sind, wodurch der Valenzelektronenspin des Rb-Atoms ausgerichtet wird. Das polarisierte Rb-Atom kollidiert dann mit einem K-Atom, und die Rb-Polarisation wird dann auf das K durch den Drehimpuls erhaltenen Elektron-Elektron-Spin-Austauschprozeß übertragen. Das polarisierte K-Atom kollidiert dann mit einem Edelgasatom, wodurch die Polarisation von dem Valenzelektron des K-Atoms auf den Kern des Edelgasatoms übertragen wird. Die Verwendung von K als ein Zwischen-Spin-Austauschpartner zwischen dem optisch gepumpten Rb und den Edelgaskernen ermöglicht dem Anwender, einen Teil der Erhöhung in der Effizienz, die mit dem K-³He-System verbunden ist, zu erhalten. Als Konsequenz ist der Anwender befähigt, die Tatsache zu bewältigen, dass zur Zeit Laser, die zum direkten optischen Pumpen des K befähigt sind, unerschwinglich teuer sind.
Es wird angemerkt, dass der primäre Pfad zum Übertragen des Drehimpulses von dem ersten Alkalimetall zu dem Hilfsalkalimetall und dann zu dem Edelgas verläuft, wobei ein Teil des Impulses wahrscheinlich direkt von dem ersten Alkalimetall zu dem Edelgas übertragen wird. Tatsächlich wird der Anwender es begrüßen, dass zahlreiche Kollisionsprozesse gleichzeitig in einem Gassystem mit einer Vielzahl von Bestandteilen erscheinen werden. Jedoch ist es typisch, dass der Beitrag des direkten Übertragungsmechanismus zu der Nettopolarisation des Edelgases wesentlich geringer ist als der Beitrag des Hybridübertragungsmechanismus.
Während die spezifische Kombination des Rb und K eine besonders bevorzugte Alkalimetallmischung ist, kann die Erfindung mit jeden zwei Alkalimetallen ausgeführt werden. Beispielsweise ist die Effizienz von optischen Pumpen mit Spin-Austausch von Na-³He um einen Faktor 3 größer als die von K-³He vorhergesagt. Daher kann die Erfindung alternativ unter Verwendung von K-Na als die Alkalimetallmischung implementiert werden. Bei diesem Szenario wird das Kalium optisch polarisiert, während die Spinübertragung zu dem ³He durch das Natrium vermittelt wird.
Alternativ hierzu kann mittels einer gegebenen Strahlungsquelle, die bei einer geeigneten Wellenlänge emittiert, Natrium mit einer Polarisationseffizienz, die 100% erreicht, optisch gepumpt werden. Eine Spinübertragung zum ³He kann durch ein Hybrid mit Natrium (erstes Alkalimetall) und Kalium (Hilfsalkalimetall) vermittelt werden. Die Beschaffenheit des Alkalimetallhybrids kann eingestellt werden, so dass nur eine kleine Menge von Natrium vorhanden ist, wodurch schädliche Wirkungen vermieden werden, die mit der intrinsischen Tendenz des Natriums verbunden sind, den Behälteraufbau anzugreifen. Somit ermöglichen die besonderen Merkmale des Alkalimetallhybrids dem Anwender, ein erhebliches Materialproblem, das bei der Verwendung von Natrium vorhanden ist, zu überwinden, während die Effizienz des Spin-Austauschprozesses, der ein solches Alkalimetallhybrid verwendet, geringer ist als diejenige, die theoretisch für Natrium alleine möglich ist.
Es wird betont, dass Laser, die Strahlung bei Wellenlängen emittieren, die für eine optische Polarisation von Natrium und Kalium geeignet sind, vorhanden sind, aber zur Zeit wirtschaftlich unpraktisch im Vergleich zu vorhandenen Systemen zum Polarisieren von Rubidium sind. Demnach wird das erste Alkalimetall in zahlreichen Anwendungen Rubidium sein. Falls wirtschaftliche Vorrichtungen zum optischen Polarisieren anderer Alkalimetalle vorhanden sein werden, wird der Anwender andere Kombinationen von Alkalimetall finden, die gleichwertig in diesen Situationen zum Polarisieren von Edelgasen sind.
Demnach wird der Anwender es vorziehen, ein praktikables System zu entwerfen, basierend auf den verhältnismäßigen Vorteilen der Bestandteile. Beispielsweise wird der Anwender Parameter betrachten wie die Effizienz des optischen Pumpens bestimmter Alkalimetalle unter Verwendung von bestimmten Lasern, die Effizienz des Spin-Austausches zwischen den verschiedenen Alkalimetallen sowie die Effizienz der Spinübertragung von bestimmten Alkalimetallen zu bestimmten Edelgasen. Andere Parameter werden ebenfalls beachtet, wie die Temperatur, bei der eine Polarisation ausgeführt werden kann, die erzielbare Durchflußmenge bei fließenden Polarisationssystemen, die Bedingungen, die erforderlich sind, um das Alkalimetall von dem polarisierten Edelgas zu trennen und so weiter. Tatsächlich kann das Verfahren der Erfindung zur Verwendung bei einem fließenden Polarisationssystem aufgenommen werden wie das, welches im US-Patent Nr. 5,642,625 beschrieben ist.
Das Verfahren der Erfindung kann verwendet werden, um jedes Edelgas zu hyperpolarisieren. Bevorzugte Edelgase zur Hyperpolarisation enthalten ¹²⁹Xe und ³He, wobei ³He bevorzugter ist. Jedoch können andere Edelgasisotope mit einem Kernsein nach der Erfindung hyperpolarisiert werden, einschließlich beispielsweise Neon-21 (²¹Ne), Krypton-83 (⁸³Kr) und Xenon-131 (¹³¹Xe). Die polarisierbaren Isotope des Edelgases können in dem Edelgas in natürlicher Häufigkeit vorhanden sein oder das Edelgas kann für die gewünschten Isotope angereichert sein.
Das Edelgas kann unter Beimischung eines Puffergases und/oder eines Löschgases bereitgestellt werden, um die Polarisationseffizienz weiter zu fördern. Puffergase weisen die Funktion auf, das Absorptionsband des ersten Alkalimetalls aufzuweiten und sind wünschenswert bei einer Hochdruckpolarisation, besonders wenn die Polarisationsstrahlung als ein Band von Wellenlängen bereitgestellt wird. Ein bevorzugtes Löschgas ist ⁴He oder Wasserstoff. Löschgase weisen die Funktion auf, Fluoreszenz durch die Alkalimetallatomen während des Hyperpolarisationsprozesses zu unterdrücken. Bevorzugte Löschgase enthalten Stickstoffund Wasserstoff.
Die Alkalimetalle, die befähigt sind, als Spin-Austausch-Vermittler in optisch gepumpten Systemen zu agieren, enthalten ein Beliebiges der Alkalimetalle. Bevorzugte Alkalimetalle enthalten Natrium, Kalium, Rubidium und Cäsium. Typischerweise weisen diese Alkalimetalle natürliche Isotopenhäufigkeiten auf, ohne Anreicherung mit bestimmten Isotopen. Jedoch können Alkalimetalle, die mit Isotopen angereichert sind, verwendet werden. Bevorzugte Isotope enthalten Lithium-7 (⁷Li), Natrium-23 (²³Na), Kalium-39 (³⁹K), Rubidium-85 (⁸⁵Rb), Rubidium-87 (⁸⁷Rb) und Cäsium-133 (¹³³Cs).
Das nach der Erfindung geeignete Alkalimetallhybrid umfasst ein erstes Alkalimetall und ein Hilfsalkalimetall. Diese Bezeichnungen werden relativ zu einem spezifischen System zum Hyperpolarisieren eines bestimmten Edelgases definiert. Ein erstes Alkalimetall ist definiert als ein Alkalimetall, das geeignet ist, umfangreiche optische Polarisation in dem hyperpolarisierenden System vorzunehmen. Ein Hilfsalkalimetall ist als ein Alkalimetall definiert, das (a) zum Spin-Austausch mit dem ersten Alkalimetall und dem Edelgas fähig ist und (b) nicht zur signifikanten optischen Polarisation bei der Wellenlänge geeignet ist, die verwendet wird, um das erste Alkalimetall zu polarisieren. Das Alkalimetallhybrid wird typischerweise als Gemisch vom ersten Alkalimetall und Hilfsalkalimetall in der Kondensationsphase bereitgestellt. Jedoch sind während des Polarisationsverfahrens die Bestandteile des Alkalimetallhybrids jeweils mindestens zum Teil in der gasförmigen Phase vorhanden.
Typischerweise enthält in der Kondensationsphase das Alkalimetallhybrid das erste Alkalimetall und das Hilfsalkalimetall in einem Verhältnis von ungefähr 1:100 (~ 1% erstes Alkalimetall) bis zu ungefähr 100:1 (~ 99% erstes Alkalimetall). Vorzugsweise beträgt das Verhältnis in der Kondensationsphase von dem ersten Alkalimetall zu dem Hilfsalkalimetall von ungefähr 1:25 (~ 4% erstes Alkalimetall) bis zu ungefähr 25:1 (~ 96% erstes Alkalimetall). In dem Fall eines Alkalimetallhybrids, bei dem Rubidium das erstes Alkalimetall und Kalium das Hilfsalkalimetall ist, kann das Verhältnis von Rubidium zu Kalium in dem Gemisch ungefähr 5:95 (~ 5% erstes Alkalimetall) betragen.
Augrund einer Kombination von Faktoren kann das Verhältnis in der gasförmigen Phase des ersten Alkalimetalls zu dem Hilfsalkalimetall sich signifikant von demjenigen in der Kondensationsphase unterscheiden. Faktoren, die das Verhältnis des Alkalimetalldampfes beeinträchtigen, enthalten beispielsweise die Temperatur der Polarisationskammer (mit direktem Bezug zur Verdampfung), eine verhältnismäßige Reaktivität des Alkalimetalls mit den Wänden der Polarisationskammer und dergleichen. Demnach kann in der gasförmigen Phase das Verhältnis von ersten Alkalimetall zu Hilfsalkalimetall von ungefähr 1:100 (~ 1% erstes Alkalimetall) bis zu ungefähr 10:1 (~ 91 % erstes Alkalimetall) betragen, und beträgt bevorzugter von ungefähr 1:30 (~ 3% erstes Alkalimetall) bis zu ungefähr 1:1 (~ 50% erstes Alkalimetall), basierend auf der Teilchenzahldichte jedes Alkalimetalls. Um dies zu verdeutlichen, wurde ein Verhältnis in der gasförmigen Phase für oben gegebene das Rb-K-Hybrid von ungefähr 1:3 (~ 33%) bei ungefähr 220°C beobachtet, wohingegen, wie angemerkt, das Verhältnis in der Kondensatuinsphase ungefähr 5:95 (~ 5%) beträgt. In jedem Fall ist es bevorzugt, dass das erste Alkalimetall in einer ausreichenden Quantität in der gasförmigen Phase vorliegt, so dass ein signifikanter Teil, bevorzugt im wesentlichen die gesamte, einfallende polarisierende Strahlung absorbiert wird.
Die relative Effizienz der zahlreichen Alkalimetalle zum Polarisieren von ³He wird relativ gut verstanden, wobei diese im wesentlichen zur Atommasse invers in Beziehung steht. Im allgemeinen folgt die Polarisationseffizienz der folgenden Reihenfolge: Li, Na > K > Rb > Cs. Der Effekt kann in dem Fall von schweren Edelgasen weniger signifikant sein.
Das Alkalimetallhybrid wird typischerweise in einer geringen Menge von Metall bereitgestellt, das in der Polarisationskammer angeordnet wird. Das Alkalimetall wird bereitgestellt, um den notwendigen Alkalimetalldampf innerhalb der Polarisationskammer unter den Bedingungen für eine Polarisation aufzubauen. Typischerweise wird die Polarisationskammer auf eine Temperatur geheizt, die ausreichend ist, um eine nennenswerte Teilchenzahldichte an Alkalimetallatomen in der Kammer zu erzeugen. Vorzugsweise wird die Polarisationskammer auf eine Temperatur geheizt, die ausreichend ist, um gesättigtes Gas in der Kammer mit Dampf von mindestens einem, und vorzugsweise beiden Alkalimetallen, nämlich das erstes Alkalimetall und das Hilfsalkalimetall, bereitzustellen. Bei fließenden Hyperpolarisationssystemen kann ein Verdampfer oberhalb der Polarisationskammer bereitgestellt werden, um den notwendigen Dampf zu erzeugen. Auch kann ein Kondensator unterhalb der Polarisationskammer bereitgestellt werden, um den Alkalimetalldampf, der die Kammer verlässt, in eine flüssige oder feste Form zu kondensieren. Derartige Vorrichtungen und Kreislaufvorrichtungen sind in dem US-Patent Nr. 5,642,625 beschrieben. Zusätzlich fördert die Verwendung von Na und K das Entfernen der Alkalimetalle von dem hyperpolarisierten Edelgas, da diese Metalle einen geringeren Dampfdruck aufweisen und daher aus dem hyperpolarisierten Gas leichter als die Alkalimetalle mit einem höheren Dampfdruck kondensieren. Dies führt zu einem wesentlich reinen hyperpolarisierten Edelgas, welches im wesentlichen von Alkalimetallen frei ist.
Die Kernpolarisation des Edelgases im maximal erreichbaren stabilen Zustand hängt von der Zeitkonstante, die den Spin-Austausch mit dem Alkalimetall charakterisiert, und der Zeitkonstante ab, die die Relaxation charakterisiert (T₁), beispielsweise aufgrund des Kontaktes mit den Oberflächen der Pumpzelle. Verfahren zum Verhindern einer Depolarisationswechselwirkung zwischen den polarisierten Edelgaskernen und den Oberflächen sind im Stand der Technik bekannt. Beispielsweise können die Polarisationskammern und andere Vorrichtungen unter Verwendung von Materialien hergestellt werden, die in paramagnetischen Unreinheiten wesentlich verarmt sind. Auch können polymerische Beschichtungen an den inneren Oberflächen der Vorrichtungen aufgebracht werden, so wie in dem US-Patent Nr. 5,612,103 beschrieben. Jedoch ist eine wichtige Überlegung bei der Kon struktion der Polarisationskammer diejenige, dass sie einem chemischen Abbau durch die Alkalimetalle widersteht. Beispielsweise ist Natrium sehr reaktiv, besonders bei hohen Temperaturen.
Jede geeignete Strahlungsquelle kann verwendet werden, vorausgesetzt, dass die Strahlungsemission geeignet auf einen brauchbaren Elektronenübergang (beispielweise D₁ oder D₂) in dem ersten Alkalimetall abgestimmt ist. Typischerweise ist die Strahlungsquelle ein Laser. Vorzugsweise werden hyperpolarisierende Photonen durch ein Diodenlaserfeld oder mehrere Diodenlaserfelder bereitgestellt, die eine kontinuierliche Wellen-(cw)-Leistung erzeugen. Jedoch kann jedes Lasersystem, das ausreichend Leistung bei der Alkalimetalllinie D₁ oder D₂ bereitstellt, akzeptiert werden. Für Hochdruckbetrieb, bei dem das Edelgas in der Polarisationskammer bei supraatmosphärischen Drücken bereitgestellt wird, wurde gefunden, dass dieser Laser erfordert, die mehr als 10 W und vorzugsweise mehr als 50 W an Leistung liefern. Konventionelle Laser, die im Stande sind, solche Leistung zu liefern, sind unerschwinglich teuer zu kaufen und zu unterhalten. Darüber hinaus sind solche Laser sperrig und erfordern komplexe Installationen. Diodenlaserfelder vermeiden viele dieser Nachteile, da sie klein, relativ preiswert und preiswert im Betrieb sind.
Diodenlaserfelder sind zur Verwendung beim optischen Pumpen von Rubidiumdampf zum Spin-Austausch mit Edelgasen wie ³He und ¹²⁹Xe sehr bekannt (Chupp et al. 1989; Cummings et al. 1995). Konventionelle Laser emittieren kohärentes Licht einer einzelnen Wellenlänge und besitzen demnach ein extrem enges Spektralprofil. Im Gegensatz hierzu sind Diodenlaser Breitbandvorrichtungen, die typischerweise Licht in einem kontinuierlichen Band von Wellenlängen emittieren, das heißt, die Emissionen weisen eine Spektralbandbreite auf. Normalerweise ist diese Spektralbandbreite relativ eng, wobei sie um eine Hauptwellenlänge aufgeweitet und ungefähr nur 1-5 nm breit ist. Es wurde beobachtet, dass das Absorptionsband der Alkalimetall dämpfe unter Verwendung von Hochgasdrücken in der Polarisationskammer verbreitert werden kann. Dies kann durch Bereitstellen des Edelgases in einer Beimischung mit einem Puffergas bei Drücken von ungefähr 10 atm bewältigt werden. Diodenfelder werden daher wünschenswerterweise in Verbindung mit Hochgasdrücken in der Polarisationszelle verwendet, um den Vorteil von druckinduzierten Aufweitungen des Absorptionsbandes des Alkalimetalls auszunutzen, vergleiche beispielsweise US-Patent Nr. 5,642,625 .
Die folgenden Beispiele werden bereitgestellt, um ein weiteres Verständnis der Erfindung zu fördern. Die einzelnen verwendeten Materialien und Bedingungen werden herangezogen, um die Erfindung weiter zu beschrieben.
BEISPIEL 1
Eine Zelle zum optischen Pumpen ist mit einem Rb-K-Gemisch gefüllt, umfassend 5% Rb und 95% K, und wird auf 218°C geheizt. Die Chemie der Gase über ideale Lösungen sagt aus, dass der Dampfdruck für jede Art Alkalimetall durch deren Lösungsanteil unterdrückt wird. Die Gleichgewichtsdampfdrücke der Alkalimetalle wie Rb und K sind in dem CRC Handbuch der Chemie und Physik, 73. Auflage, CRC Press, Boca Raton (1992) veröffentlicht. Bei diesem Beispiel ist das Verhältnis von K zu Rb in der gasförmigen Phase des Behälters zum optischen Pumpen ungefähr 3 zu 1, wobei die Teilchenanzahldichte des K ungefähr 3 × 10¹⁴ cm^–3 und die Teilchenanzahldichte von Rb ungefähr 1 × 10¹⁴ cm^–3 ist. Die Wahl der Rb-Teilchenanzahldichte ist groß genug, um einen wesentlichen Teil des einfallenden Laserlichts zu absorbieren. Die gesamte Alkalimetall-Teilchenanzahldichte ist vergleichbar mit typischen Rb-Teilchenanzahldichten, die in Behältern zum optischen Pumpen von Monoalkalimetall verwendet werden, so dass die Menge an Zeit, die erforderlich ist, um eine gegebene Menge von Edelgase zu polarisieren, dieselbe mit den zwei Verfahren sein würde. Wegen der Alkalimetallmischung ist jedoch dieser Behälter zum optischen Pumpen mit Spin-Austausch effizienter. Unter Festsetzen von annehmbaren Werten zu anderen relevanten Mengen ist die maximal erzielbare Polarisation von ³He, die diese Mischung verwendet, 65%. Die Effizienz eines Systems zum optischen Pumpen mit Spin-Austausch, die mit diesem Alkalimetallhybrid arbeitet, ist bis zu 5 mal höher als die einer reinen Rb-Zelle. Somit kann 5 mal so viel Edelgas mit demselben Laser polarisiert werden. Da der Preis des Lasers die bedeutenden Kosten bei der Konstruktion eines Systems zum optischen Pumpen mit Spin-Austausch ist, repräsentiert dieses eine wesentliche Verbesserung zu dem Weg, wie bestehende Technologien Laserquellen verwenden.
Es ist ersichtlich, dass diese Erfindung die Effektivität von bestehenden Lasersystemen, die zur Polarisation von Edelgasen verwendet werden, signifikant verbessert und den Anwender befähigt, kleinere und preiswertere Laser zu verwenden, die derzeit unzureichend leistungsfähig sind, um das gewünschte Ergebnis durch andere Mittel zu erreichen.
Obwohl das beschrieben wurde, was zur Zeit geglaubt wird, das sie die bevorzugten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind, werden die Fachleute realisieren, dass andere und weitere Ausführungsbeispiele ausgebildet werden können, ohne den Bereich der Ansprüche, die nachfolgend genannt sind, zu verlassen.
BIBLIOGRAPHIE
Die folgenden Veröffentlichungen sind in der vorliegenden Beschreibung genannt.

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Claims

Verfahren zum Hyperpolarisieren eines Edelgases mit einem Kernsein von ungleich Null durch optisches Pumpen mit Spin-Austausch, umfassend: Bereitstellen einer Polarisationszelle, welche das Edelgas, ein erstes Alkalimetall und eines anderes zweites Alkalimetall enthält; sowie Bestrahlen der Polarisationszelle mit einer Strahlung mit einer Wellenlänge, die geeignet ist, das erste Alkalimetall optisch zu polarisieren, wobei sich das zweite Alkalimetall bei dieser Wellenlänge optisch nicht polarisieren läßt; wodurch Spin-Austauschwechselwirkungen zwischen dem ersten Alkalimetall, dem zweiten Alkalimetall und dem Edelgas ermöglicht werden; wobei eine Spinübertragung auf das Edelgas mittels des zweiten Alkalimetalls hyperpolarisiertes Edelgas hervorbringt, so daß der Grad der Hyperpolarisation erhöht ist verglichen mit einer Situation, bei der das zweite Alkalimetall nicht vorhanden war.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verhältnis des ersten Alkalimetalls zu dem zweiten Alkalimetall in der gasförmigen Phase von etwa 1:100 bis etwa 10:1 beträgt.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Verhältnis des ersten Alkalimetalls zu dem zweiten Alkalimetall in der gasförmigen Phase von etwa 1:30 bis etwa 1:1 beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das erste Alkalimetall Rubidium und das zweite Alkalimetall Kalium ist.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Verhältnis von Rubidium zu Kalium in der gasförmigen Phase etwa 1:3 beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das erste Alkalimetall Kalium und das zweite Alkalimetall Natrium ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das erste Alkalimetall Natrium und das zweite Alkalimetall Kalium ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das zweite Alkalimetall eine höhere Effizienz hinsichtlich der Polarisierung des Edelgases aufweist als das erste Alkalimetall.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Edelgas ³He ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Polarisationszelle ferner ein Puffergas und/oder ein Löschgas enthält.
Vorrichtung zum Hyperpolarisieren eines Edelgases durch optisches Pumpen mit Spin-Austausch, umfassend: Eine Polarisationszelle, welche ein Edelgas und ein erstes Alkalimetall enthält; sowie eine Quelle zum optischen Pumpen, die so konfiguriert ist, daß sie das erste Alkalimetall in der Polarisationszelle optisch polarisiert, wobei im Betrieb eine Spinübertragung auf das Edelgas hyperpolarisiertes Edelgas hervorbringt; dadurch gekennzeichnet, daß die Polarisationszelle ein anderes zweites Alkalimetall enthält, welches sich bei der Wellenlänge, die zur Polarisati on des ersten Alkalimetalls verwendet wird, optisch nicht polarisieren läßt, wobei das Gemisch aus den Alkalimetallen und dem Edelgas eine Spin-Austauschwechselwirkung zwischen dem ersten Alkalimetall, dem zweiten Alkalimetall und dem Edelgas ermöglicht; wobei eine Spinübertragung auf das Edelgas mittels des zweiten Alkalimetalls hyperpolarisiertes Edelgas hervorbringt, so daß der Grad der Hyperpolarisation erhöht ist verglichen mit einer Situation, in der das zweite Alkalimetall nicht vorhanden war.
Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Quelle zum optischen Pumpen ein Licht mit einer Wellenlänge der ersten Hauptresonanz, d.h. des D₁-Elektronenübergangs des ersten Alkalimetalls, erzeugt.
Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, wobei das Verhältnis des ersten Alkalimetalls zum zweiten Alkalimetall in der gasförmigen Phase von etwa 1:100 bis etwa 10:1 beträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei das Verhältnis des ersten Alkalimetalls zum zweiten Alkalimetall in der gasförmigen Phase von etwa 1:30 bis etwa 1:1 beträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei das Verhältnis von dem ersten Alkalimetall zu dem zweiten Alkalimetall in der Kondensationsphase von etwa 1:100 bis etwa 100:1 beträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei das Alkalimetallhybrid, bestehend aus dem ersten und dem zweiten Alkalimetall, ein Gemisch aus Rubidium und Kalium ist.
Vorrichtung nach Anspruch 16, wobei das erste Alkalimetall Rubidium und das zweite Alkalimetall Kalium ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 oder 17, wobei das Verhältnis von Rubidium zu Kalium in der gasförmigen Phase etwa 1:3 beträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei das Alkallmetlallhybrid, bestehend aus dem erstem und dem zweiten Alkalimetall, ein Gemisch ist, das in der Kondensationsphase etwa 5 % Rubidium und etwa 95 % Kalium aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei das erste Alkalimetall Kalium und das zweite Alkalimetall Natrium ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei das erste Alkalimetall Natrium und das zweite Alkalimetall Kalium ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei das zweite Alkalimetall eine erhöhte Effizienz gegenüber dem ersten Alkalimetall bei der Polarisation des Edelgases durch Spin-Austausch aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 22, wobei das Edelgas ³He ist.
Vorrichtung nach einem der Anprüche 11 bis 23, wobei die Polarisationszelle ferner ein Puffergas und/oder ein Löschgas aufweist.