(57)【要約】【課題】  本発明は、プローブセル内の光ポンピングによって原子核を超偏極する方法に関する。この場合、レーザー光によって生成された光学的にポンピング可能な混合物中の化学種の電子スピンの偏極が、超偏極すべき原子の核スピンに移行される。本発明によれば、混合物が、プローブセルの内壁に接触しないか又はほとんど接触しないように、混合物の構成要素及び／又は超偏極に対して不活性な化合物が、プローブセル内に送られる。さらにこの方法を実施する装置が、少なくとも１つの手段を有する。混合物が、プローブセルの内壁に接触しないか又はほとんど接触しないように、この装置は、光学的にポンピング可能な化学種から成る混合物の構成要素，超偏極すべき核及び／又は超偏極に対して不活性な化合物をプローブセル内に送る。
2007534932.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プローブセル内の光ポンピングによって原子核を超偏極する方法にあって、この場合、レーザー光によって生成された光学的にポンピング可能な混合物中の化学種の電子スピンの偏極が、超偏極すべき原子の核スピンに移行される方法において、
混合物が、プローブセルの内壁に接触しないか又はほとんど接触しないように、混合物の構成要素及び／又は超偏極に対して不活性な化合物が、プローブセル内に送られることを特徴とする方法。
【請求項２】
混合物は、流れ方向に傾いて、特に長手面に対して45°の角度でプローブセル内に送られることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
光学的にポンピング可能な化学種を有する化合物及び超偏極すべき核が、プローブセル内に送られることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
不活性な化合物から成るバイパスフローが、混合物を内壁から分離するためにプローブセル内に送られることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
レーザー光は、プローブセル内に流れる混合物の流れ方向に対して垂直にプローブセル内に入射されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
レーザーは、プローブセル内で流れる混合物の流れ方向に対して逆流してプローブセル内に入射されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
混合物は、レーザーの強度が最大である位置でアンカップリングされることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
プローブセルの側壁が、冷却されることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項９】
スピン交換は、非光学的にポンピング可能な化学種を介して超偏極すべき核の核スピンに移行されることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１０】
129Ｘｅ， 3Ｈｅ又は 13 ＣＯ2 が、超偏極されることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれか１項に記載の方法を実施する装置において、混合物が、プローブセルの内壁に接触しないか又はほとんど接触しないように、光学的にポンピング可能な化学種から成る混合物の構成要素，超偏極すべき核及び／又は超偏極に対して不活性な化合物をプローブセル内に送る少なくとも１つの手段を特徴とする装置。
【請求項１２】
プローブセルの長手軸線に対して所定の角度だけ、特に45°だけ傾いている入口管及び／又は出口管を特徴とする請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
手段としての少なくとも１つのノズルを特徴とする請求項１１又は１２に記載の装置。
【請求項１４】
手段は、混合物をプローブセル内に注入する自由ビームを形成することを特徴とする請求項１１〜１３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１５】
手段は、混合物用のバイパスフローを形成することを特徴とする請求項１１〜１４のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１６】
レーザー光が、混合物の流れ方向に対して垂直に及び／又は逆の流れ方向にプローブセル内に入射されることを特徴とする請求項１１〜１５のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１７】
レーザー光用のプローブセルの入射窓は、光学的にポンピング可能な化学種用のプローブセルの入口に対して可能な限り大きい距離を有することを特徴とする請求項１１〜１６のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１８】
化学種用の少なくとも１つの貯蔵容器を特徴とする請求項１１〜１７のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１９】
貯蔵容器は、装置の供給管内に配置されていることを特徴とする請求項１１〜１８のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２０】
プローブセルの側壁を冷却する手段を特徴とする請求項１１〜１９のいずれか１項に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原子核を超偏極する方法及びこの方法を実施する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
偏極された希ガスによる磁気共鳴断層撮影法（ＭＲＴ）及び磁気共鳴分光法（ＮＭＲ）における最近の発展は、医学，物理学及び物質科学の用途で期待できる。希ガスの原子核の超偏極は、出版物Happer等著のPhys. Rev. A, 29, 3092(1984)中に記されているようなアルカリ原子を用いた光ポンピングによって実現され得る。
【０００３】
光ポンピングの概念は、特定のエネルギー状態の占有数が物質に光を照射することによって平衡状態に対して大きく増大するというKastler によって発展された方法を含む。原子，イオン，分子及び結晶中のエネルギー準位の相対占有数が、光ポンピングによって変化し、超偏極状態が生じ得る。光ポンピングされた状態の占有密度は、この状態のボルツマン分布にしたがう熱的な占有率と明らかに異なる。例えば、原子及び原子核の磁気モーメントの平行な位置が、ゼーマン準位の光ポンピングによって得られる。
一般に実際には、アルカリ原子であるルビジウムが、希ガス及び窒素と共に使用される。この場合、例えば20％の 129Ｘｅの核スピン偏極を得ることが可能である。このような核スピン偏極は、１Ｔ， 330Ｋの場合の臨床治療の磁気共鳴断層撮影法における熱平衡状態の偏極よりも約 100,000倍大きい。これに関連するＳＮ比の強烈な上昇は、なぜ新たな用途が医学，科学及び技術で将来的に期待されるかを説明している。
【０００４】
偏極は、原子核又は電子のスピンの整列（偏極）の程度と解される。例えば 100％の偏極は、全ての原子核又は電子が同様に整列されていることを意味する。磁気モーメントが、原子核又は電子の偏極に関連している。
【０００５】
偏極したキセノンが、例えば人によって吸入されるか又は人の中に注入される。偏極したキセノンは、10〜15秒後に脳内に集まる。この結果は、さらなる分析に対して利用される。
【０００６】
希ガスの選択は、使用状況にその都度依存する。 129Ｘｅは、大きい化学シフトを呈する。キセノンが、例えば表面上で吸収される場合、キセノンの共振周波数が著しく変化する。しかもキセノンは、新油性の液体中で溶融する。このような特性が希望される場合、キセノンが使用される。
【０００７】
希ガスであるヘリウムは、液体中ではほとんど溶融しない。それ故に中空空間が関係する場合は、同位体である 3Ｈｅが一般に使用される。人の肺が、このような中空空間の例である。
【０００８】
若干の希ガスが、上述した希ガスと違う有用な特性を有する。すなわち例えば同位体である83Ｋｒ，21Ｎｅ及び 131Ｘｅが、四重極モーメントを有する。この四重極モーメントは、例えば基礎研究又は表面物理学における実験に対して注目されている。確かにこれらの希ガスは高価である。その結果、これらの希ガスは、より多い量が使用される用途に対しては適さない。
【０００９】
希ガスをポラライザー内で以下の方法で偏極することが、出版物Driehuys等著（Appl. Phys. Lett. (1996). 69, 1668）から公知である。
【００１０】
129Ｘｅ， 4Ｈｅ及びＮ2 から成るガス流が、ガスの供給から出発してＲｂ容器内でＲｂ蒸気を添加されてポンプセルを通過する。円偏極光、すなわち光が、レーザーによって提供される。すなわちこの光の場合、スピンモーメントつまり光子のスピンが全て、同じ方向を示す。ポンプセル内では、Ｒｂ原子が、ポンピング可能な化学種としてレーザービーム（λ〜795 nm，Rb D1 線）によって磁場に対して縦方向に光学的にポンピングされ、Ｒｂ原子の電子スピンを偏極する。この場合、光子のスピンモーメントが、アルカリ原子の自由電子に移る。したがってアルカリ原子の電子のスピンは、熱平衡状態と大きく異なる。したがって、アルカリ原子が偏極されている。希ガス流が、アルカリ原子に衝突することによって、アルカリ原子の電子スピンの偏極が、希ガス流に移る。すなわち、偏極された希ガスが生成される。したがって、最初にBouchiatのRb／3He システムによって示されたように、アルカリ原子の光学的なポンピング似よって生成されたアルカリ原子の電子スピンの偏極は、アルカリ電子のスピン交換によって希ガスの原子核スピンに移る。
【００１１】
一対のアルカリ金属原子間でスピン交換を引き起こすことが、２物体の衝突の理論に対してAppelt等（S.Appelt, A. Ben-Amar Baranga, C.J. Erickson, M. V. Romalis, A. R. Young及びW. Happer 著のPhys. Rev. A (1998), 58, 1412 ）から公知である。
【００１２】
光学的にポンピング可能な主アルカリ金属に加えて、補助アルカリ金属を非光学的にポンピング可能な化学種として使用することが、国際特許出願公開第99/08766号明細書から公知である。この場合、光学的にポンピング可能な化学種が、電子スピン偏極を非光学的にポンピング可能な化学種に移す。これによって、希ガスの偏極の程度が効果的に上昇する。
【００１３】
アルカリ原子は、大きい光学的な双極子モーメントを有するので、これらのアルカリ原子が使用される。この双極子モーメントは、光と相互作用する。さらにアルカリ原子はそれぞれ、自由電子を有する。その結果、原子ごとの２つ以上の電子間の不都合な相互作用は発生し得ない。
【００１４】
セシウムは、同様に非常に適したアルカリ原子である。このアルカリ原子は、上述した作用を得るルビジウムより優れている。しかしながら現在のところ、セシウムを用いてキセノンを偏極するために必要になるような、十分に高出力なレーザーは存在しない。
【００１５】
広帯域の高出力半導体レーザーを使用する場合に可能な限り多くの光子を利用できるようにするため、希ガスが、数気圧の圧力で光学的にポンピングされる。この場合、アルカリ金属原子の光学的なポンピングは、偏極すべき希ガスの種類に応じて異なる。
【００１６】
129Ｘｅを偏極するため、約７〜10 barの圧力のガス混合物が、シリンダ状のガラスセルに連続的に又は半連続的に通される。このガス混合物は、94％は 4Ｈｅから成り、５％は窒素から成り、１％はキセノンから成る。ガス混合物の一般的な流速度は１cm／秒である。
【００１７】
3Ｈｅを分極する場合、Ｒｂ− 3Ｈｅ衝突の緩和速度が小さいので、ポラライザー内で必要な圧力は、 3Ｈｅ自体によって生成される。Ｒｂ− 129Ｘｅのスピン交換ポンピングの場合、このことは、圧力が 4Ｈｅのような追加の緩衝ガスによって生成される場合と異なる。異なる緩和速度及びスピン交換速度から、異なる要求が偏極に対して発生する。
【００１８】
したがって 3Ｈｅの場合、核スピン偏極の生成時間は、数時間の範囲内にある。しかしルビジウム− 3Ｈｅ衝突に対するルビジウムスピン衝突速度が比較的小さいので、ここでは 3Ｈｅの高い圧力で作動され得る（＞５bar ）。
【００１９】
これに対して 129Ｘｅでは、核スピン偏極の生成時間は、より大きいスピン交換の有効断面積に起因して20〜40秒にある。ルビジウム−キセノン衝突に対する非常に大きいルビジウムの電子スピン緩和速度に基づいて、十分に高いルビジウム偏極が保持され得るように、光学的なスピン交換ポンピング時にキセノンの分圧を100 mbar未満にしてもよい。それ故にこのようなポラライザーでは、 4Ｈｅが線の広がりに対して緩衝ガスとして使用される。
【００２０】
ポラライザーは、例えば 129Ｘｅを偏極する溶融式ポラライザーとして構成され得るか又は例えば3 Ｈｅ用の閉鎖されているプローブセルを有するポラライザーとして構成され得る。
【００２１】
貫流式ポラライザーでは、ガス混合物が、最初に容器、以下で「供給容器」と呼ぶ、を貫流する。所定量のＲｂが、この供給容器内に存在する。ルビジウムを有するこの供給容器が、連結されているガラスセルと共に 100〜 150℃に加熱される。ルビジウムが、この温度の提供によって気化される。気相中の気化したルビジウム原子の濃度が、供給容器内の温度によって決定される。ガス流が、気化したルビジウム原子を供給容器から、例えばシリンダ状のプローブセル内に送る。連続運転中に出力増幅した円偏極光を提供する約100 ワットの出力のレーザーが、プローブセルを軸線方向に、すなわち流れ方向に透過し、ルビジウム原子を超偏極した状態に光学的にポンピングする。この場合、レーザーの波長は、ルビジウム原子の光学的な吸収線（Ｄ１線）に調整される必要がある。
【００２２】
換言すれば：光の偏極をアルカリ原子に最適に送るためには、光の周波数を光学遷移の共振周波数に一致させる必要がある。
【００２３】
プローブセルは、約10ガウスの静磁場Ｂ0 内に存在する。この静磁場Ｂ0 は、コイル、特に一対のいわゆるヘルムホルツコイルによって生成される。磁場の方向は、プローブセルのシリンダ軸線に対して平行に又はレーザーのビーム方向に対して平行に延在する。この磁場は、偏極された原子を誘導するために使用される。レーザーの光によって超偏極されたルビジウム原子が、ガラスセル内で特にキセノン原子に衝突し、ルビジウム原子の偏極をキセノン原子に渡す。
【００２４】
ルビジウムは、その他のガスの融点に比べて高い融点に起因してプローブセルの出口の側壁に析出する。偏極されたキセノン又は残留ガス混合物が、プローブセルから凍結装置内に転送される。この凍結装置は、フラスコから構成される。このフラスコの端部が、液体窒素中に沈められている。さらにこのフラスコは、1000ガウスより強い磁場の中にある。この超偏極されたキセノンガスは、凍結装置のガラスの内壁に氷として析出する。残留ガス（ 4Ｈｅ及びＮ2 ）が、一般にニードル弁を通じて送られて最終的に排気される。全設備内の流速が、ニードル弁によって制御され測定装置によって測定され得る。
【００２５】
流速が非常に急激に上昇する場合、偏極がルビジウム原子からキセノン原子に移行する時間がない。したがって、僅かな偏極しか達成できない。流速が非常に遅い場合、希望の量の超偏極したキセノンが凍るまで、多大な時間が経過する。キセノン原子の偏極が、Ｘｅの氷の中の緩和によってすなわち再び減少する。キセノン原子の緩和は、凍結によって及び強い磁場によって強く減速する。凍結装置が、この磁場に曝されている。それ故に、希ガスであるキセノンを偏極後に可能な限り迅速にかつ損失なしに凍らせることが必要である。つまり、緩和は、凍結によって完全には阻止され得ない。しかしながら、最初に超偏極されたガスのさらなる使用がもはや不可能である程度に、キセノンの偏極が大きく減少しないうちに、キセノンは、77Ｋでほぼ１〜２時間保持される。
【００２６】
上述した種類のポラライザーは、常に接合点(Verbindungsstellen)を有する。これらの接合点の場合、偏極されたガスが送られる少なくとも２つの管が互いに連結されている。これらの管は、一般にガラス製である。連結は、連結要素、例えばフランジによって実現される。
【００２７】
単一の自由アルカリ原子を偏極するためには、特定のエネルギーが必要です。この必要なエネルギーは、アルカリ原子の自由電子を基底状態から励起状態に上げる共振周波数に相当する。エネルギーをレーザーからアルカリ原子に最適に伝達するためには、レーザーの光の周波数をアルカリ原子の共振周波数に合わせる必要がある。幾つかのレーザーが、その光を特定の周波数スペクトルで出力する。この場合、単一の周波数ではなくて、周波数の分布である。レーザーの任意に処理可能なスペクトルは、いわゆる輝線幅(Linienbreite)によって特徴付けられる。経済的にアルカリ原子を偏極するため、広帯域の半導体レーザーが設けられる。その周波数及び輝線幅は、アルカリ原子の共振周波数又は光学的な輝線幅に合わせられている。
【００２８】
エネルギーをレーザーからアルカリ原子により良好に伝達できるようにするため、アルカリ原子に対する衝突相手が、偏極の間に設けられている。特に4 Ｈｅ原子が衝突相手として使用される。アルカリ原子の光学的な輝線幅が、ヘリウム原子との相互作用又は衝突によって拡大する。この原子スペクトルの幅が広い程、スペクトル的に広くて安価なレーザーが使用され得る。
【００２９】
アルカリ金属と 4Ｈｅのような衝突相手との間の衝突の回数が多い程、圧力がより高い。例えば 4Ｈｅに対しては、アルカリ原子の光学的な輝線幅の拡大がヘリウムガスの圧力に比例する。さらに 4Ｈｅは、アルカリ原子の偏極に対してほとんど悪い影響を及ぼさないという有用な特性を有する。それ故に 129Ｘｅの偏極の場合は、94％の 4Ｈｅから成り、約10 barの圧力を有するガス混合物によって規則的に処理される。
【００３０】
従来の技術にしたがって公知の100 ワットの強さのＲｂ電子の超偏極用のレーザーは、２〜４ナノメートルの一般的なスペクトル幅を有する光ファイバ結合されたダイオードレーザーである。10 barのガス圧力の場合、ルビジウム原子の光学遷移の輝線幅が、約0.3 ナノメートルに拡大している。それ故に、一般に２ナノメートルの輝線幅を有する高出力ダイオードレーザーが光ポンピングに対して使用される、存在するルビジウム−キセノン偏極では、レーザー光の一部だけが利用される。
【００３１】
4Ｈｅの分圧は、ガス混合物中で10 barに達する。この分圧は、その他の分圧（キセノン又は窒素）に比べて非常に高い。この場合、偏極されたアルカリ金属原子又は希ガス原子が、ガラスセルの内壁ほとんど到達せず、その偏極が、この内壁で、例えば常磁性の中心部分との相互作用によって消失する。したがって 4Ｈｅの分圧が増大すると、偏極された原子がセルの内壁に不都合に衝突する確率が減少する。
【００３２】
例えばルビジウムのような偏極されたアルカリ原子は、蛍光放射を生成することができる。このような放射が、その他の偏極されたアルカリ原子によって捕獲される場合、この捕獲は、このアルカリ原子の減極を招く。希ガスの偏極時に使用されるガス混合物中の窒素が、上述の望まない減極を減少させるため、この蛍光放射を放射捕獲するために使用される。ガス混合物中の元素である窒素は、キセノンと同様に僅かな分圧だけを有する。この分圧は、一般的に約 0.1 barである。
【００３３】
例えばキセノン原子のような重い希ガス原子は、アルカリ原子との衝突時にこれらのアルカリ原子の偏極の強い緩和を引き起こす。光ポンピング時のアルカリ原子の偏極を可能な限り大きく維持するためには、ガス混合物中のキセノンガスの分圧をこれに応じて小さい必要がある。全プローブ容積中で約70％のアルカリ原子の偏極を達成するためには、ガス混合物中のキセノンの分圧が 0.1 barの場合でも、100 ワットだけのレーザー出力を必要とする。
【００３４】
従来の技術の場合、吹いて加工される部材から成るガラス製のプローブセルが使用される。その結果、レーザーの光が入射し出射する窓が常に曲げられているか又は湾曲されている。レーザーの光が入射又は出射する場合、望まない不都合なレンズ効果が発生する。レーザーの光が、焦点合わせされるか又は広くされる。これによって、偏極度が著しく低下する。したがってプローブセルの横断面が、レーザーの光によって均質に照射されない。
【００３５】
適切な組成を有するガス容積が、従来の技術にしたがってシリンダ状のプローブセルによって加圧される。偏極を生成するレーザーの光が、プローブセル内で吸収される。この場合、ポンプビームが、混合物の流れ方向にプローブセルを透過する。この混合物は、光学的にポンピング可能な化学種及び磁場に対して平行に超偏極すべき原子核を有する。
【００３６】
レーザー光を流れている混合物に対して逆方向にプローブセル内に入射することが、米国特許第2002/0107439号明細書から公知である。
【００３７】
欠点としては、超偏極に対して従来の技術から公知の方法及び装置は、最大で約40％の核スピンの比較的僅かな偏極度しか達成しない。これに対する理由は、プローブセルの内壁に対するアルカリ金属又は希ガスの衝突の形態の相互作用である。
【非特許文献１】Phys. Rev. A, 29, 3092 (1984)
【非特許文献２】Appl. Phys. Lett. (1996). 69, 1668
【非特許文献３】Phys. Rev. A (1998), 58, 1412
【特許文献１】国際特許出願公開第99/08766号明細書
【特許文献２】米国特許第2002/0107439号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００３８】
本発明の課題は、偏極度を増大させる原子核、特に希ガスの原子核を超偏極方法を提供することにある。
【００３９】
さらに本発明の課題は、この方法を実施する装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００４０】
この課題は、請求項１の特徴の全体によって及び請求項１１に記載の装置によって解決される。好適な構成は、従属請求項に記載されている。
【００４１】
本発明の方法は、混合物中のレーザー光によって生成された光学的にポンピング可能な化学種の電子スピンの偏極を超偏極すべき原子の核スピンに移行させることを提唱する。混合物は、光学的にポンピング可能な化学種，超偏極すべき核，場合によっては緩衝ガスや急冷ガスのようなその他の構成要素，場合によっては補助アルカリ金属としてのその他のアルカリ金属の種類を含む。
【００４２】
光学的にポンピング可能な化学種及び／又は超偏極すべき核が、プローブセルの内壁に接触しないか又はほとんど接触しないように、混合物の構成要素又は超偏極に対して不活性なその他の構成要素が、これらの構成要素用のプローブセルの入口の適切な構成によってプローブセル内に送られる。これによって、プローブセルの内壁に対するアルカリ金属及び／又は希ガスの衝突の形態の不都合な相互作用が阻止される。そうでない場合は、プローブセルの横断面に沿った光学的にポンピング可能な化学種の電子及び超偏極すべき核の偏極が減少する。
【００４３】
光学的にポンピング可能な化学種と超偏極された原子核との内壁での衝突が阻止されるように、緩衝ガスのような超偏極に対して不活性な化合物をプローブセル内に送ることが好適に可能である。
【００４４】
しかし、光学的にポンピング可能な化学種と超偏極すべき核との混合物自体を自由ビームとしてプローブセル内に送ってもよい。自由ビームは混合物を含む。この混合物の構成要素は、自由ビームの形態の構成に起因してプローブセルの内壁に接触しない。この手段自体も、光学的にポンピング可能な化学種及び／又は超偏極すべき核をプローブセルの内壁に接触しないようにする。
【００４５】
ガス圧及び混合物の流速に応じて、プローブセル内の超偏極された光学的にポンピング可能な化学種の滞留時間及び超偏極された核の滞留時間が、プローブセルの内壁に対するこれらの化学種及び核の拡散時間より短いように、自由ビーム及び／又はバイパスフローが、形成されてプローブセル内に送られる。
【００４６】
したがって、バイパスフロー及び／又は自由ビームによって、超偏極された光学的にポンピング可能な化学種と超偏極された核とを含む混合物が、濃縮の目的でプローブセルから再び排出される位置で初めて、この混合物は、内壁に接触できる。
【００４７】
こうして、プローブセルの内壁に対する衝突による光学的にポンピング可能な化学種の緩和及び／又は超偏極された核の緩和が完全に阻止される。
【００４８】
自由ビームは、例えば１cmの厚さ及び／又は場合によっては１cm未満の直径を有する薄い層として形成され得る。
【００４９】
このときこの混合物は、自由ビームとしてプローブセル内に注入され、このプローブセルの内壁に接触しないか又は従来の技術にしたがって混合物を加圧して貫流させる場合よりも遥かに少ししか接触しない。内壁に沿った対流は発生しない。体積要素の流速は、例えば毎秒約0.5cm である。プローブセル内のガス圧は、例えば７−15bar である。
【００５０】
さらに本発明の装置は、混合物をプローブセル内に自由ビームとして注入する手段を有する。その結果、混合物が側壁に向かって衝突しない。すなわち側壁の緩和が阻止される。このようなフロー・ポラライザーは、以下でジェットポラライザーと呼ぶ。
【００５１】
ノズルが、自由ビームを形成する手段として設けられ得る。このノズルは、プローブセルの供給部に連結していて、混合物の自由ビームを生成できる寸法を有する。さらにガス混合物が、適切な圧力でノズルを通じてプローブセル内に注入される。
【００５２】
従来の技術に比べて低減された側壁の緩和を呈する特に簡単でかつ効果的なポンプセルは、入口管及び／又は出口管を（セルの長手面に対して）90°の代わりに所定の角度だけ、特に 45 °だけ傾けることを提唱する。
【００５３】
ガス供給部は、例えば光学的にポンピング可能な化学種のような特定の化学種及びその他の不活性な構成要素用の管及び貯蔵容器並びに超偏極すべき核用の管及び貯蔵容器を有する。多数のガス供給部が、異なるガスを提供する。これらのガスは、特定の種類の核又は希ガスの偏極に対して必要になる。異なる構成要素を混合する混合室が設けられ得る。      
【００５４】
ノズルを通じてプローブセル内に注入された自由ビームの構成要素が側壁に接触しない。その結果、光学的にポンピング可能な化学種及び超偏極された核の側壁の緩和が阻止される。その結果、本発明の装置による自由ビームの形成が、本発明の方法を実施する間に偏極度を上昇させる。
【００５５】
混合物がプローブセルから排出される自由ビームの端部とレーザー光用の入射窓との間の距離が十分大きく選択されるように、本発明の方法は実施される。その結果、混合物の構成要素、特に光学的にポンピング可能な化学種が、レーザー光用の入射窓の内壁に析出し得ない。この手段自体が、超偏極された原子核の偏極度を明らかに上昇させる。
【００５６】
さらにレーザー光用のプローブセルの入射窓が、光学的にポンピング可能な化学種用のプローブセルの入口に対して可能な限り大きい距離を有する。
【００５７】
そのため、光学的にポンピング可能な化学種が、レーザー光用の入射窓に析出する上述した不都合な効果なしに、光学的にポンピング可能な化学種の密度が、非常に高く選択できる、すなわち例えば少なくとも1014cm-3より大きい85Ｒ原子に選択できる。
【００５８】
本発明の範囲内では、シリンダ状のプローブセルの長手面に対して垂直な混合物用入口及び出口を有する従来の技術による偏極の場合、光学的にポンピング可能な化学種の薄い層が、混合物用入口に空間的に近い理由でレーザー光用の入射窓の内面上に次第に堆積することが確認された。この薄い層は、高出力密度のポンプビームの透過時に蒸発して高密度の境界層（厚さ＜0.3mm ）を形成する。この境界層中の原子は、ほとんど偏極されていないので、ポンプビームの出力の大部分（＞50％）が吸収される。境界層中に吸収された出力は、セル内の実際のポンピングプロセスに対してもはや使用されない。さらに、この境界層とその他のセル容積との間で従来の技術にしたがって発生する強い温度勾配が、セル内の対流を活発にする。そのため、セルの側壁へのガスの移動を加速し、側壁の緩和をさらに拡大する。さらに核スピンの側壁の緩和が、境界層との接触によって劇的に上昇する。すなわち、従来の技術による混合物はＵ字状に流れる。
【００５９】
本発明の方法は、不活性な化合物から成るバイパスフローがガス混合物を内壁から分離するためにプローブセル内に送られるように実施されてもよい。
【００６０】
レーザー用の入射窓は、バイパスフローによって洗浄される。バイパスフローが自由ビームを包囲しかつプローブセルの内壁を洗浄するように、このバイパスフローはプローブセル内に送られる。このバイパスフローは、超偏極に関して不利な効果を有しない。このバイパスフローは、好ましくは不活性な化合物を含む。この化合物は、特定の核の超偏極に対して必要である。例えば、 4Ｈｅから成るバイパスフローが、 129Ｘｅの超偏極に対して挙げられる。
【００６１】
バイパスフローは、例えば１つのノズル及びこのノズルに連結している独立した少なくとも１つのガス供給部を有する手段によって生成される。プローブセルの内壁を洗浄する薄いバイパスフローが、この手段によって生成されてこのプローブセル内に流入される。これによって、自由ビーム中の混合物が、側壁に向かって衝突しない。光学的にポンピング可能な化学種及び核の側壁の緩和がこれによって阻止される。
【００６２】
レーザー光が、逆方向の流れで、すなわちプローブセル内で流れる混合物及び磁場の流れ方向に対して逆並列にプローブセル内に入射するように、レーザーが、特にシリンダ状のプローブセルの場合に指向され得る。さらにレーザー及び偏極光学系が、光学的にポンピング可能な化学種を有する混合物の入口に対向するプローブセルの端部に配置されている。
【００６３】
このとき、ポンプ光の出力及びレーザーの強度は、好ましくは混合物の流れ方向に強まる。この場合、混合物のアンカップリングが、レーザーの強度が最大であるプローブセルの位置で起こる。
【００６４】
本発明の特に好適な構成では、レーザー光をプローブ内に流れる混合物の流れ方向に対して垂直にプローブセル内に入射させてもよい。これによって、自由ビームがその全拡張部分内でレーザー光によって透過されることが、特に好適にもたらされる。この利点は、ポンプレーザーが幾何学的に見て自由ビームの厚さに起因して僅かな移動長さを透過するだけで済み、したがって比較的に高いアルカリ金属の偏極が自由ビームに沿って得られる点にある。
【００６５】
このような措置に対しては、混合物の流れ方向に対して垂直に自由ビーム方向に指向されている少なくとも１つのレーザー、特に２つのレーザーを有する装置及び適した光学系が構成され得る。
【００６６】
レーザー及びその対度付随する偏極光学系を装置内に適切に配置することによって、電子の偏極がプローブセルの出口での核スピン偏極の増大と共に超偏極する核に有効に移行されることが好適にもたらされる。この手段自体によって、自由ビーム及び／又はバイパスフローの形成に関係なく、セルから流出する混合物の核スピンの偏極度が、混合物の流れ方向又は逆方向へのレーザー光の入射方向によるフロー・ポラライザーに比べてさらに上昇する。
【００６７】
本発明の別の特に好適な構成では、プローブセルの側壁が、方法の実施の間に冷却される。これに対して装置は、例えばサーモボックスを有する。側壁を冷却する手段を有するこの装置は、側壁が常に加熱されるフロー・ポラライザーのような従来の装置と異なる。このことは、プローブセルの入口及び生成された自由ビームの前方の混合物の構成要素に対する別々の加熱部によって可能になる。何故なら、光学的にポンピングされたガスの側壁の接触が、生成された自由ビームによって透過時間の間に阻止されるからである。
【００６８】
ガス混合物からの排熱が、この手段によって好適にもたらされる。特に好ましくは、アルカリ金属のような偏極しなかった原子が、もはや内壁から解放されない。
【００６９】
本発明の別の構成では、スピン交換が、方法の実施の間に超偏極すべき核の核スピンに直接移行される。この場合、スピン交換は、最初に光学的にポンピング可能な化学種の電子からレーザーによって光学的にポンピング不可能な少なくとも１つの化学種の電子に移行され、そこから超偏極すべき核の核に移行される。レーザー光は、非光学的にポンピング可能な化学種をポンピングしない。このとき好ましくは、非光学的にポンピング可能な化学種の密度が、光学的にポンピング可能な化学種より高く選択される。さらに好ましくは、電子スピン偏極を移行させる非光学的にポンピング可能な化学種が、高い効率、特に１に近い高い効率を有する核スピンに選択され得る。
【００７０】
そのため超偏極する装置は、光学的にポンピング可能な化学種及び非光学的にポンピング可能な化学種用の少なくとも２つの貯蔵容器を有する。これによって、これらの貯蔵容器は、間接スピン交換式光ポンピングに対しても利用され得る。これらの貯蔵容器はそれぞれ、装置の別々のガス供給部内に配置されていてかつ固有の加熱部を有する。
【００７１】
さらに、レーザー光用のプローブセルの入射窓が、光学的にポンピング可能な化学種用のプローブセルの入口に対して可能な限り大きい距離を有するように、装置は構成されている。
【００７２】
これによって、光学的にポンピング可能な化学種が入射窓に析出しないことが好適にもたらされる。
【００７３】
光学的にポンピング可能な化学種が、レーザー光用の入射窓の内壁に析出することが阻止される程度に、レーザー光用のプローブセルの入射窓が、混合物用のプローブセルの出口に対して大きい距離を特に好適に有する。混合物が、吸引管及び管を通じてプローブセルに対して放射状に吸引される。これに応じて、貫流式ポラライザーが使用される。
【００７４】
バイパスフロー及び自由ビームの構成，流速及び圧力に応じた内壁からの混合物の上述した最小距離並びに適したレーザー配置自体がそれぞれ、混合物とプローブセルの内壁との相互作用を阻止して方法の実施の間の偏極度の上昇を実現する。互いに組み合わせれば、超偏極すべき核の偏極度がさらに上昇できる。
【００７５】
磁場の方向が、レーザービームの逆方向又は順方向にあるように、磁場を生成するコイルが配置されている。
【００７６】
特にアルカリ金属が、光学的にポンピング可能な化学種及び場合によっては非光学的にポンピング可能な化学種として選択される。何故ならこれらのアルカリ金属は、大きい双極子モーメントを有するからである。
【００７７】
本発明の方法は、例えば85Ｒｂ単体による又は光学的にポンピング可能な化学種としての85Ｒｂ及び非光学的にポンピング可能な化学種としてのセシウム同位体による 129Ｘｅの超偏極に対して特に適している。偏極は、85Ｒｂ及び／又はセシウム同位体によって実施できるが、13ＣＯ2 によっても実施できる。
【００７８】
混合物は、還流式ポラライザーによって連続に又は半連続に送られる。 3Ｈｅの場合、密閉されているプローブセルを有するポラライザーが使用される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００７９】
図１中には、自由ビームを形成する本発明の装置が示されている。この装置は、簡単にかつコンパクトに構成されている。
【００８０】
図１中の注入（ジェット）ポラライザーは、単一のガス供給部１を有する。ガス供給部１は、超偏極に対して必要な全てのガスの供給を保証する。ガス混合物１２が、ガス供給部１から出発して太字で印刷された矢印によって示したように２つの異なるアルカリ種用の貯蔵容器２ａ，ｂを相前後して貫流する。第１の貯蔵容器２ａ内には、光学的にポンピング可能な化学種としてのアルカリ金属が含まれている。第２の貯蔵容器２ｂ内には、非光学的にポンピング可能な化学種が含まれている。又はこれらの化学種が互いに逆に含まれている。レーザー光１１が、自由ビーム３の流れに対して逆方向にプローブセル５内の入射窓６に入射するように、偏極光学系７を有するレーザー８が配置されている。
【００８１】
この装置は、例えば光学的にポンピング可能なアルカリ金属及び非光学的にポンピング可能なアルカリ金属による間接スピン交換式光ポンピングに対して適している。
【００８２】
アルカリ蒸気が、貯蔵容器２ａ，ｂ内でＮ2 ， 4Ｈｅ及び 129Ｘｅを含むガス混合物に添加される。そしてこの混合物は、（図示しなかった）直径１cmの円形のノズルを通じて自由ビーム３の形態でプローブセル５内に膨張する。ガス混合物の構成要素が、このガス混合物のプリセットされている例えば５〜10 barの圧力で自由ビームの通過時間の間にプローブセル５の内壁に接触しないように、自由ビームは寸法決めされている。これによって、光学的にポンピング可能な化学種及び偏極された原子核の側壁緩和が阻止される。
【００８３】
自由ビーム３中のガス混合物１２が、全部で６つの吸引管４を通じて放射状に吸引される。その結果、ガス混合物１２は、レーザー光１１用の入射窓６まで好ましくは到達せず、この入射窓６で光学的なポンピング可能な化学種も析出させない。さらに、超偏極された核が濃縮される。
【００８４】
光ポンピングビーム１１は、ここでは逆流して、すなわち自由ビーム３の流れ方向に対して逆並列にかつ磁場１０に対して縦方向にプローブセル５内に入射する。
【００８５】
オプション的には、アルカリ金属が、ポンピングビーム用の入射窓６に沈殿することを阻止するため、入射窓６を例えば 4Ｈｅのような不活性ガスから成るバイパスフローによって洗浄してもよい。そのため、バイパスフロー９用の追加の入口が、入射窓６の近くに配置されている。図１による構造は特にコンパクトである。
【００８６】
自由ビーム３のポンピングビームが、この自由ビーム３の流れ方向に対して垂直に進行するように、レーザー８及び偏極光学系７が配置され得る。確かにこの構造は、図１による構造ほどコンパクトではない。その代わりに、特に自由ビーム３が、数ミリメートルの高さ及び／又は厚さだけによって寸法決めされている場合、自由ビーム３が、その全容積にわたって均質なアルカリ金属偏極を有することを好適に保証する。
【００８７】
自由ビームは、ただ１つの光学的にポンピング可能な化学種及び超偏極すべき核だけによって同様に形成され得る。この場合、非光学的にポンピング可能な化学種用の貯蔵容器のない装置が要求される。図２中には、自由ビーム５を形成するこのような装置が示されている。この装置は、側壁の緩和を阻止することによって偏極度を向上させる。この場合、ただ１つの光学的にポンピング可能な化学種が、その他の構成要素に加えてプローブセル内に供給される。直径は、ミリメートル単位で選択されている。セル内のガス圧力は、例えば７〜15 barである。
【００８８】
図２はさらに：
１  ガス供給部
２  アルカリ蒸着めっきされた多孔質の金属体又は金属メッシュ（Ｃｕ，Ｐｔ等）
３  加熱部
４  ノズル
５  自由ビーム
６  自由ビーム用吸引ダクト
７  空冷部又は水冷部
８  偏極ガス用収集経路
を示す。
【００８９】
図３は、光学的にポンピング可能な化学種、例えば85Ｒｂ用及び非光学的にポンピング可能な化学種、例えばセシウム用の２つの貯蔵容器を有する装置を概略的に示す。この装置も、例えば光学的にポンピング可能なアルカリ金属及び非光学的にポンピング可能なアルカリ金属による間接スピン交換式光ポンピングに対して適している。
【００９０】
例えばＮ2 ， 4Ｈｅ及び 129Ｘｅを有するガス流が、互いに独立したガス供給部３１ａ, ３１ｂから出発してフローメータ３２ａ，３２ｂ及びニードル弁３３ａ，３３ｂによって互いに独立して制御されて貯蔵容器３４ａ，３４ｂに供給される。
【００９１】
貯蔵容器内では、アルカリ蒸気がガスに添加される。各貯蔵容器は、ただ１つの加熱部３５ａ, ３５ｂを有する。これによって、体積ガス流が、貯蔵容器３４ａ内の光学的にポンピング可能な化学種及び貯蔵容器４３ｂ内の非光学的にポンピング可能な化学種の選択に応じて制御されて混合室３６内に送られる。
【００９２】
互いに独立して設置された加熱システム３５ａ，３５ｂによって、光学的にポンピング可能な化学種Ａ１及び非光学的にポンピング可能な化学種Ａ２に対して異なる蒸気圧及び温度が調整され得る。このことは、この発明の方法をさらに最適にする。
【００９３】
混合室３６内では、ガスが、互いに混合されてポンプセル３９内に膨張される。したがって、光学的にポンピング可能な化学種Ａ１及び非光学的にポンピング可能な化学種Ａ２が、混合室３６内で初めて互いに接触する。ガス混合物３７が、混合室３６からポンプセル３９内に到達する。原子核が、ポンプセル３９内で間接スピン交換式光ポンピングによって超偏極される。この装置は、アルカリ種の混合比をより良好に制御するために使用される。
【００９４】
図３中には、 4Ｈｅバイパスフローの生成が示されている。光学的にポンピング可能な化学種及び／又は超偏極された原子核の側壁の接触のない超偏極を実施する本発明の効果は、この生成だけによって達成される。このバイパスフロー３８は、改良された排熱及びアルカリのない雰囲気をプローブセル３９の内壁に沿って保証する。確かにガス混合物３７は、さらに当然に自由ビームとしても構成され得る。バイパスフロー３８を生成するため、ただ１つのガス供給部３１ｃ，１つのフローメータ３２ｃ及び１つのニードル弁３３ｃが設けられている。プローブセル３９の上部及び下部の２つの入口が示されている。スペースの理由から、これらの入口のうちの下の入口だけが、上述したガス供給部に連結して示されている。当然に上の入口３８も、場合によっては独立したガス供給部に連結している。レーザーが逆流原理で配置されている場合、レーザー用の入射窓が、バイパスフローによって洗浄されるように、バイパスフローがプローブセル内に流れる。図３中には、確かに図３中では、レーザー設備及び混合ガス用のポラライザーの出口は示されていない。
【００９５】
図４中には、設備が概略的に示されている。２種類のアルカリ種Ａ１，Ａ２が、この設備によって制御されてプローブセル５５内に送られる。この場合、側壁の緩和が、形成された自由ビーム４５によって完全に阻止される。
【００９６】
この装置は、図１の装置のように間接スピン交換式光ポンピング又は簡単な間接スピン交換式光ポンピングに適している。簡単な間接スピン交換式光ポンピングの場合、非光学的にポンピング可能な化学種用の各容器４３及び加熱部４４が省略される。
【００９７】
例えば 129Ｘｅ， 4Ｈｅ及びＮ2 から成るガス混合物が、ガス供給部４１からフローメータ４２及びニードル弁５１ａを経由して両貯蔵容器４３内に送られ、アルカリ蒸気Ａ１，Ａ２がそこで添加される。両アルカリ種の濃度比が、独立した加熱部４４、例えば貯蔵容器４３の高周波加熱装置によって制御される。85Ｒｂが光学的にポンピング可能な化学種として、セシウム同位体が非光学的にポンピング可能な化学種として選択され得る。体積流が、プローブセル５５の入口及び出口の近くのニードル弁５１ａ，５１ｂによって制御される。この目的のため、フローメータ４２が、貯蔵容器４３，４４の前方に配置されている。ただ１つのガス供給部及び弁が、各貯蔵容器４３，４４に対して設けられ得る。      
【００９８】
アルカリ原始を添加したガス混合物が、プローブセル５５の入口の近くのノズルを通じてこのプローブセル５５内に流れ、図２中に示せるようなノズルの寸法に起因してそこに自由ビーム４５を形成する。
【００９９】
自由ビーム４５の流れ方向に対して垂直に指向された２つのレーザーが、層流の自由ビーム４５を完全に、したがって非常に高いポンピング出力で透過する。スペースの理由から、左のレーザー４７だけが、このレーザー４７の偏極光学系４８及びシリンダレンズ４９を有する光学器械と共に示されている。これに対して、符号を付けていないシリンダレンズを有する光学器械だけが、右のレーザーから示されている。円偏極レーザー光５２が、垂直な両入射窓を通じてプローブセル５５内に入射して自由ビーム４５を完全に透過する。
【０１００】
自由ビーム４５は、プローブセル５５内への入射時は約20mmの高さで約１mmの厚さを有し、プローブセル５５からの出口４６では約32mm高さで約13mmの厚さを有する薄い層として形成される。これによって、垂直に指向された両レーザーが、約１cmの直径の層だけを貫通すれば済むので、光学的にポンピングされたアルカリ種の密度が高くできることを好適にもたらす。別の利点は、蛍光放射の吸収が自由ビーム４５の僅かな層の厚さに起因して低減されている点である。さらに、混合物の円柱対称なビームに比べて、励起されたアルカリ原子の冷却に利用されたＮ2 分子の緩和が、自由ビーム４５と周囲のガスとの間の広い境界面を通じた大きい排熱によって増大する。
【０１０１】
自由ビーム４５とレーザー光用の垂直な入射窓との間の距離が十分に確保される場合、レーザービーム用の垂直な入射窓がアルカリ金属で被覆されるという危険は低い。自由ビーム４５の流れは、プローブセル５５からの流出に対してもはや偏向される必要がない。自由ビーム設備によるスピン交換式光ポンピングのもう１つの利点は、図２中に示されているようにプローブセル５５の全体を加熱することが必要でない点である。アルカリ金属を蒸発させ、ガス流を加熱するために必要である熱量だけが供給される。それ故に、この熱だけを周囲に渡せば済む。このことは、既知の設備に比べて著しくコンパクトな構造を可能にする。
【０１０２】
磁場５０が、１つ又は多数のコイルを配置することによって同様に自由ビーム４５に対して垂直に指向されている。
【０１０３】
ポラライザーの出口側への逆流を阻止するため、自由ビーム４５は、この自由ビーム４５に対して垂直に配置された出口４６の近くの図示しなかった２つのシールドを透過させてもよい。
【０１０４】
自由ビーム４５は、濃縮の目的でセルの出口側の弁５１ｂの下から冷媒中に送られ得る。この冷媒は、セル５５内で超偏極されたガスに対して大きい溶解度を有する。
【０１０５】
自由ビーム４５中の分子は、プローブセル５５内の全偏極プロセスの間に側壁に決して接触しない。
【０１０６】
図４中には、設備が示されている。この設備の場合、ポンプビーム５２及び磁場５０の光学軸線が、自由ビーム４５の流れ方向に対して垂直にある。このことは、説明した理由から完全なスピン交換光ポンピングに対する最適な解決手段を示す。しかしながら、その前の図中に示した構成も可能である。これらの構成は、接触のないポンピングの重要な利点を有し、この場合しかしより簡単にかつよりコンパクトに実現可能である。
【０１０７】
図１〜４の説明した装置及び自由ビーム方法は、本発明に限定されないで、すなわち間接スピン交換式ポンピングに使用されないで簡単な光ポンピングに対しても構成され得る。この場合、光学的にポンピング可能な１つの化学種用のただ１つの貯蔵装置を有する装置だけが必要である。全ての装置は、プローブセル用のサーモボックスを有してよい。上述した装置がバイパスフローを構成する手段を有することが、本発明を限定することなしに可能である。
【０１０８】
上述した間接スピン交換式光ポンピングは、任意のシステムに対して以下のように記すことができる：
【０１０９】
【数１】
2007534932.tif 000003
【０１１０】
【数２】
2007534932.tif 000004
【０１１１】
【数３】
2007534932.tif 000005
【０１１２】
ＰA1（ｚ）は、光学的にポンピング可能な（アルカリ）種Ａ１の電子の体積平均された偏極度である。
【０１１３】
γsdA1は、光学的にポンピング可能な化学種Ａ１の電子スピン緩和速度である。
【０１１４】
ＰA2（ｚ）は、非光学的にポンピング可能な（アルカリ）種Ａ２の電子の体積平均された偏極度である。
【０１１５】
ｓZ は、光子スピンである。
【０１１６】
Ｒ（ｚ）は、位置ｚに対するアルカリ金属原子当たりの光ポンピング速度でる。
【０１１７】
γexA2,A1 は、非光学的にポンピング可能な化学種Ａ２に対する光学的にポンピング可能な化学種Ａ１のスピン交換率である。
【０１１８】
γsdA2は、非光学的にポンピング可能な化学種Ａ２の電子スピン緩和速度である。
【０１１９】
特に[ Ａ２] ≫[ Ａ１] の場合、さらに：
【０１２０】
【数４】
2007534932.tif 000006
【０１２１】
【数５】
2007534932.tif 000007
【０１２２】
が成立する。
【０１２３】
ＰEGは、超偏極すべき核（希ガス）の体積平均された偏極度である。
【０１２４】
γseEG,A2 は、核スピンＥＧに対する非光学的にポンピング可能な化学種Ａ２のスピン交換率である。
【０１２５】
γW は、核スピンの側壁の緩和速度である。
【０１２６】
σEG,A2 は、非光学的にポンピング可能な化学種Ａ２及び超偏極すべき核ＥＧの有効横断面である。
σEG,A2 *Vは、相対速度ｖに対する有効横断面の平均値である。
交換に関する指数「ｅｘ」は、光学的にポンピング可能なＡ１化学種と非光学的にポンピング可能な化学種Ａ２との間のスピン交換に関する。スピン交換に関する指数「ｓｅ」は、非光学的にポンピング可能な化学種Ａ２と原子核Ｅｄとの間のスピン交換に関する。
光学的にポンピング可能な化学種の電子スピン緩和速度γsdA1がレーザーのポンピング速度Ｒより小さく保持されるという前提条件の下で、一般に間接スピン交換式光ポンピングに対して示されている方程式は、電子スピン緩和速度γsdA1及びγγsdA2が光学的にポンピング可能な化学種Ａ１と非光学的にポンピング可能な化学種Ａ２との間のスピン交換速度より小さい場合に原子核の超偏極の効果を招くことを示す。
光学的にポンピング可能な化学種Ａ１と非光学的にポンピング可能な化学種Ａ２と場合によってはその他の化学種との間のスピン交換が、スピン保持されていてかつ大きい有効横断面を有するので、光学的にポンピングされるアルカリ金属の化学種Ａ１のスピン偏極が、非光学的にポンピングされる化学種Ａ２の原子に効率的に移行され得る。このことは、アルカリ金属の化学種Ａ１の密度が化学種Ａ１の密度より大きい場合でも成立する。
この場合、用語である有効横断面は、異なる粒子と希ガスの核スピン偏極の発生との相互作用の可能性に関する目安である。この目安は、特定の時間の間に実施される処理の回数をこの時間の間に単位面積当たりに反応領域内に入る粒子の数によって除算した結果として定義されている。
これらの方程式は、任意のシステムに対して成立する。すなわちこれらの方程式は、適切に光学的にポンピング可能な化学種及び非光学的にポンピング可能な化学種を用いたアルカリ金属の２つの化学種を有する希ガスの核の超偏極並びに 6Ｌｉ，13Ｃ及びその他の核の超偏極を表す。
これによって、ガスの処理量及び超偏極すべき核の生産量も増大され得る。
例えばルビジウム−セシウム−キセノンのシステムに対しては、以下の計算がされる：
ポンプセル内の光学的にポンピング可能な化学種Ａ１としてのルビジウム原子の密度は、 1014 cm -3 である。レーザーの出力は、Ｒ＝ 10 s -1です。光学的にポンピング可能な化学種Ａ１としてのルビジウムの電子スピン緩和速度γsdRbは、0.1 bar の 129Ｘｅの分圧の場合に約 3*104 s -1 である。
【０１２７】
ルビジウムの密度が十分に低いので、レーザーがポンプセルを最適に照射する。すなわち、光学的な光ビームが、十分な深さでポンプ媒体中に侵入するように、光学的にポンピング可能なアルカリ種Ａ１の密度が選択される。
【０１２８】
ルビジウム原子の電子スピンが偏極される。方程式（１）参照。体積平均された偏極度＜ＰRb＞（ｚ）が、ルビジウム原子の比較的低い密度のために最大である。すなわち、光子スピン偏極ｓz が97％の値を有するので、この偏極度の値は90％である。
【０１２９】
したがって 129Ｘｅの偏極度を上昇させるためには、光学的にポンピング可能な化学種としてのルビジウムの可能な限り最大の偏極度が前提条件である。この場合、レーザーのポンピング速度は、光学的にポンピング可能な化学種の電子スピン緩和速度より大きく保持される（ここでは：Ｒ（ｚ）＞γsdRb）。説明した例で、ポンプセル内のルビジウム密度ｎRbが非常に高い場合、位置ｚのルビジウムの偏極度が劇的に減少する。
【０１３０】
ポンプ媒体中のルビジウム密度が1014cm-3より大きい場合、上述した偏極しなかったルビジウムに起因した側壁の増大する緩和の効果が発生する。
【０１３１】
これに対して非光学的にポンピング可能な化学種Ａ２としてのセシウム原子の密度は、1015cm-3である。すなわち、光学的にポンピング可能な化学種Ａ１（ルビジウム）の密度は、非光学的にポンピング可能な化学種Ａ２（セシウム）より係数10だけ小さく保持されている。非光学的にポンピング可能な化学種Ａ２としてのセシウムの電子スピン緩和速度（γsdCs）は、ルビジウムの電子スピン緩和速度と同じ大きさにある。セシウムに対して 129Ｘｅを超偏極する効率は、ルビジウムに対するよりも大きい。
【０１３２】
非光学的にポンピング可能な化学種Ａ２、ここではセシウム原子の電子の偏極度を算定するため、プローブセル内の温度が170 ℃であり、ルビジウムとセシウムとのそれぞれの相対速度が2*104cm*s -1の場合に、有効横断面が、約2*10 -14 cm -2に算定され、相対速度に対する平均値＜σRb-Cs *V＞として4*10-10 cm3s-1に算定される。ルビジウムとセシウムとの間のスピン交換率γexCs,Rb が、方程式（３）を解くことによって5*105 s -1に算定される。
【０１３３】
光学的なポンピング速度Ｒ及びＡ１とＡ２との間のスピン交換速度は、ルビジウム及びセシウムの電子スピン緩和速度より大きい必要がある。セシウムとキセノンとの間の交換速度は、キセノンの核スピン緩和速度（γW ）より大きい必要がある。
【０１３４】
したがって、非光学的にポンピング可能な化学種＜ＰCs＞（ｚ）の体積平均された偏極度は、方程式（２）内に代入した後に85％である。
【０１３５】
アルカリ原子であるルビジウムとセシウムとの間のスピン交換が、スピン保持されていてかつ大きい有効横断面を有するので、セシウムが、より高い密度にある場合でも、光学的にポンピング可能な化学種であるルビジウムのスピン偏極が、非光学的にポンピング可能な化学種であるセシウムの原子に効率的に移行され得る。
【０１３６】
方程式（２）及び（３）と同様に、スピン交換速度γexXe,Cs 及び129 Ｘｅの体積平均された偏極度が、方程式（５）及び（４）にしたがって算出され得る。
【０１３７】
この場合、希ガスの原子の核へのスピン移行に対する有効横断面σXe,Cs が、光学的にポンピング可能な化学種の有効横断面より大きいように、非光学的にポンピング可能な化学種が選択される。したがって、非光学的にポンピング可能な化学種であるセシウムと超偏極すべき 129Ｘｅの核との間のスピン交換速度γexCs,Xe が、方程式（５）にしたがって0.3 s -1である。この値は、側壁の緩和γW Xeによる損失より非常に大きい。したがって、簡単な光ポンピングによる従来の技術の50秒に比べて、キセノン原子の超偏極は約３秒で済む。したがって、プローブセル内の自由ビーム及び流速が調整され得る。
【０１３８】
別のガス混合物も、本発明を限定することなしにプローブセル内で超偏極され得る。例えば以下の混合物が挙げられる。第１のアルカリ金属は、それぞれ光学的にポンピング可能な化学種である。第２のアルカリ金属は、混合物中の非光学的にポンピング可能な化学種である：
− 3Ｈｅを超偏極する85Ｒｂ−Ｌｉ（Ｎａ，Ｋ）混合物。
− 3Ｈｅを超偏極するＫ−Ｌｉ混合物。
【０１３９】
これらの両混合物は、自由ビーム又はバイパスフローなしに密閉されているプローブセル内で間接スピン交換式光学ポンピングによって超偏極される。
【０１４０】
さらに本発明の方法によれば、85Ｒｂ−Ｃｓ混合物が、 129Ｘｅの超偏極のほかに13ＣＯ2 の超偏極に対しても使用され得る。Ｒｂ同位体又はＣｓ同位体が、13ＣＯ2 の簡単な超偏極に対して基本的に適している。
【０１４１】
従来の技術に比べて減少した側壁の緩和を呈する光ポンプセルの特に簡単な構成が、図５中に示されている。この構成は、例えば超偏極されたキセノン及びその他の希ガスの生産に適する。標準的なポンプセルに比べて、入口管及び出口管１０ａ，１０ｂが、90°の角度の代わりに所定の角度（６，７）だけ傾いている。この目的は、レーザー用の入射窓のＲｂの蒸着を低減すること、及び、セルの内壁との接触を従来の技術に比べて低減する。
【０１４２】
入口と出口を有するセルが実現される。この出入口は、シリンダ状のプローブセルの長手面に対して45°の角度を成す。絶対的なＸｅの偏極の測定は、約50％のセル内のＸｅ偏極がこのセル構造によって達成されることを実証した（約40％の偏極が、1.5 mmの内径を有する７ｍの長さのＰＦＡ管の後方で測定された）。
【０１４３】
Ｘｅの偏極のさらなる上昇は、入口管及び出口管の角度を最適にすることによって並びに流れ方向に対して逆にレーザーを入射させることによって可能である。
【０１４４】
図５は、さらに：
１  Ｒｂレーザー
２  偏極光学系
３  プローブセル
４  超偏極すべき原子を含む混合物又はプロセスガスの入口
５  超偏極されたＸｅの出口
６  セル内への流れの平均入射角度
７  セルからの流れの平均出射角度
８  円偏極光を生成するλ／４板
９  磁場
１０ａ，１０ｂ  ここではプローブセルの長手面に対して45°だけ傾いたプローブセル内の入口管及び出口管
を示す。
【図面の簡単な説明】
【０１４５】
【図１】自由ビームを形成する本発明の装置を示す。
【図２】自由ビームを形成する装置を示す。
【図３】光学的にポンピング可能な化学種、例えば85Ｒｂ用及び非光学的にポンピング可能な化学種、例えばセシウム用の２つの貯蔵容器を有する装置を概略的に示す。
【図４】設備を概略的に示す。
【図５】従来の技術に比べて減少した側壁の緩和を呈する光ポンプセルの特に簡単な構成を示す。
【符号の説明】
【０１４６】
１      ガス供給部
２ａ    貯蔵容器
２ｂ    貯蔵容器
３      自由ビーム
４      吸引管
５      プローブセル
６      入射窓
７      偏極光学系
８      レーザー
９      バイパスフロー
１１    レーザー光
１２    ガス混合物
１      ガス供給部
２      アルカリ蒸着めっきされた多孔質の金属体又は金属メッシュ（Ｃｕ，Ｐｔ等）
３      加熱部
４      ノズル
５      自由ビーム
６      自由ビーム用吸引ダクト
７      空冷部又は水冷部
８      偏極ガス用収集経路
３１ａ  ガス供給部
３１ｂ  ガス供給部
３２ａ  フローメータ
３２ｃ  フローメータ
３３ａ  ニードル弁
３３ｂ  ニードル弁
３３ｃ  ニードル弁
３４ａ  貯蔵容器
３４ｂ  貯蔵容器
３５ａ  加熱部
３５ｂ  加熱部
３６    混合室
３７    ガス混合物
３８    4 Ｈｅバイパスフロー
３９    ポンプセル
４１    ガス供給部
４２    フローメータ
４３    容器
４４    加熱部
４５    自由ビーム
４６    出口
４７    レーザー
４８    偏極光学系
４９    シリンダレンズ
５０    磁場
５２    円偏極レーザー光
５５    プローブセル
１      Ｒｂレーザー
２      偏極光学系
３      プローブセル
４      超偏極すべき原子を含む混合物又はプロセスガスの入口
５      超偏極されたＸｅの出口
６      セル内への流れの平均入射角度
７      セルからの流れの平均出射角度
８      円偏極光を生成するλ／４板
９      磁場
１０ａ  ここではプローブセルの長手面に対して45°だけ傾いたプローブセル内の入口管１０ｂ  ここではプローブセルの長手面に対して45°だけ傾いたプローブセル内の出口管
【図１】
2007534932.tif 000008
【図２】
2007534932.tif 000009
【図３】
2007534932.tif 000010
【図４】
2007534932.tif 000011
【図５】
2007534932.tif 000012
【手続補正書】
【提出日】平成17年11月17日(2005.11.17)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１】
プローブセル内の光ポンピングによって原子核を超偏極する方法にあって、この場合、レーザー光によって生成された光学的にポンピング可能な混合物中の化学種の電子スピンの偏極が、超偏極すべき原子の核スピンに移行される方法において、
混合物が、プローブセルの内壁に接触しないように、混合物の構成要素及び／又は超偏極に対して不活性な化合物が、プローブセル内に送られることを特徴とする方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれか１項に記載の方法を実施する装置において、混合物が、プローブセルの内壁に接触しないように、光学的にポンピング可能な化学種から成る混合物の構成要素，超偏極すべき核及び／又は超偏極に対して不活性な化合物をプローブセル内に送る少なくとも１つの手段を特徴とする装置。
【国際調査報告】
2007534932.tif 000013
2007534932.tif 000014
2007534932.tif 000015
2007534932.tif 000016
2007534932.tif 000017
2007534932.tif 000018