(57)【要約】      （修正有）【課題】超偏極希ガス生成供給装置の実用的普及の諸問題を解決し、簡便に使用でき混入不純物に耐久性ある超偏極希ガス成供給装置を開発すると共に、そのバッチ式運用において、回収キセノンガスの簡便な精製装置を提供する。【解決手段】円偏光した励起光をアルカリ金属蒸気に照射することにより超偏極状態とし、超偏極磁化を希ガス原子核に伝達し超偏極希ガスを得るための偏極セルを備えた超偏極希ガス生成供給装置であって、偏極セル１０内に希ガスと任意にクエンチガス等とを含む原料ガスが送り込まれる前段階において、融解したアルカリ金属を撹拌し、その蒸気を発生させ、原料ガスと共に当該偏極セル内に送り込むための予備室を備えている、超偏極希ガスを生成供給するための装置。アルカリ金属の性能低下を抑えることができ、希ガス使用量を抑えた超偏極希ガス実験を容易とする。【選択図】図１
2019100889.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
円偏光した励起光をアルカリ金属蒸気に照射することにより超偏極状態とし、当該超偏極磁化を希ガス原子核に伝達し超編極ガスを得るための偏極セルを備えた超偏極希ガス生成供給装置であって、
希ガスと任意にクエンチガス及び／又はバッファーガスとを含む原料ガスが当該アルカリ金属蒸気と共に当該偏極セル内で当該励起光を受ける前段階において、融解した液状の当該アルカリ金属を撹拌するための構造を備えていることを特徴とする、超偏極希ガスを生成供給するための装置。
【請求項２】
前記アルカリ金属を撹拌するための構造が、
当該偏極セルに当該原料ガスが流入する前段階において、融解した液状の当該アルカリ金属を撹拌し、その蒸気を発生させ、当該原料ガスと共に当該偏極セル内に流入させるための予備室を備えている構造であるか、又は
当該偏極セル内に包含される当該アルカリ金属の撹拌を可能とする構造である、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
さらに、前記偏極セルで生成され、排出された超偏極希ガスを試料に適用するための試料容器、又は生体に適用するためのガス吸入器具、若しくは当該偏極希ガスを気体状態若しくは低温で凍結した固体状態で捕集するための容器を備えている、請求項１又は２に記載の装置。
【請求項４】
試料適用後のガスを再び原料ガスとして、前記予備室を設ける場合はこれを経由し、前記偏極セルに配管を通して導入し、希ガスを再偏極した後、再び試料容器に送り込むように構成されている循環式である、請求項１〜３いずれか一項に記載の装置。
【請求項５】
さらに、原料ガス中の不純物を除くための液体アルカリ金属を留置するガス精製ユニットを、前記予備室を設ける場合はその前段階に、それを設けない場合は偏極セルの前段階に備えている、請求項４に記載の装置。
【請求項６】
さらに、試料又は生体に適用後のガスを回収するためのガス収納バッグ、回収ガス中に含まれる水分等の希ガス以外の不純物を除くための吸着剤を包含する精製管、当該ガス中の希ガスを減圧下で液体窒素冷却により固化分離させ、減圧吸引することにより酸素や窒素といった希ガス以外のガスを除くためのガス精製系、及び精製された希ガスを収納するためのガス収納バッグを含む希ガス精製装置を備えている、請求項１〜３いずれか一項に記載の装置。
【請求項７】
さらに、希ガス精製装置が、液体窒素冷却下で固化分離された希ガスを更に精製するための液体アルカリ金属を留置するガス精製系を有する、請求項６に記載の装置。
【請求項８】
さらに、超偏極希ガスの長時間連続生成による試料からのＮＭＲ信号の長時間積算において、偏極性能の低下を把握し積算効果の発揮できる限界の積算時間あるいは積算回数（以下、「限界積算時間（回数）」ともいう。）を実験データから算出する手段、及びその限界積算時間（回数）を出力する手段を有する電子情報処理システムを備えている、請求項１〜４いずれか一項に記載の装置。
【請求項９】
前記限界積算時間（回数）を算出する手段が、実験データから次の式（１）の指数減衰関数に基づき、
【数１】
2019100889.tif 000014
ＳＮ（ｎ）：ｎ番目の１回測定における信号対雑音比
ＳＮ０：測定開始時の信号対雑音比
減衰速度定数ａを導き、１．２５６５×ｍ（ｍは限界条件（ｍ＝１）からの許容定数、０．５≦ｍ≦２）を当該ａで除して当該限界積算回数を算出する手段、又は実験データから次の式（２）の指数減衰関数に基づき、
【数２】
2019100889.tif 000015
ＳＮ（ｔ）：ｔ秒後の１回測定における信号対雑音比
ＳＮ０：測定開始時の信号対雑音比
減衰速度定数βを導き、１．２５６５×ｍ（ｍは限界条件（ｍ＝１）からの許容定数、０．５≦ｍ≦２）を当該βで除して当該限界積算時間を算出する手段である、請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
円偏光した励起光で超偏極状態とするアルカリ金属がルビジウム（Ｒｂ）である、請求項１〜９いずれか一項に記載の装置。
【請求項１１】
希ガスが、キセノン（１２９Ｘｅ、若しくは１３１Ｘｅ）を含むキセノンガス又はクリプトン（８３Ｋｒ）を含むクリプトンガスである、請求項１〜１０いずれか一項に記載の装置。
【請求項１２】
円偏光した励起光をアルカリ金属蒸気に照射することにより超偏極状態とし、当該超偏極磁化を希ガス原子核に伝達し超偏極希ガスを得るための偏極セル、及び前記偏極セルで生成され、排出された超偏極希ガスを試料に適用するための試料容器、又は生体に適用するためのガス吸入器具、若しくは試料若しくは生体に適用するための一時貯蔵容器を備えた超偏極希ガス生成供給装置によって生成され、試料又は生体に適用された希ガスの精製装置であって、
試料又は生体に適用後のガスを回収するためのガス収納バッグ、当該ガス中の希ガスを減圧下で液体窒素冷却により固化分離させ、減圧吸引することにより酸素や窒素等の希ガス以外のガスを除くためのガス精製系、及び精製された希ガスを収納するためのガス収納バッグを含むことを特徴とする、希ガス精製装置。
【請求項１３】
さらに、液体窒素冷却下で固化分離された希ガスを更に精製するための液体アルカリ金属を留置するガス精製系を有する、請求項１２に記載の希ガス精製装置。
【請求項１４】
希ガスが、キセノン（１２９Ｘｅ、若しくは１３１Ｘｅ）を含むキセノンガス又はクリプトン（８３Ｋｒ）を含むクリプトンガスである、請求項１２又は１３に記載の装置。
【請求項１５】
円偏光した励起光をアルカリ金属蒸気に照射することにより超偏極状態とし、当該超偏極磁化を希ガス原子核に伝達し超偏極希ガスを得るための偏極セルを備えた超偏極希ガス生成供給装置によって超偏極希ガスを生成する方法であって、
当該偏極セル内の融解した当該液状アルカリ金属を撹拌する工程、又は当該偏極セル内に希ガスと任意にクエンチガス及び／又はバッファーガスとを含む原料ガスが流入する前段階の予備室において、融解した液状の当該アルカリ金属を撹拌し、その蒸気を発生させ、当該原料ガスと共に当該偏極セル内に流入させる工程を含むことを特徴とする、超偏極希ガスの生成方法。
【請求項１６】
超偏極希ガス生成供給装置が、前記偏極セルで生成され、排出された超偏極希ガスを試料に適用するための試料容器、又は生体に適用するためのガス吸入器具、若しくは当該偏極希ガスを気体状態若しくは低温で凍結した固体状態で捕集するための容器を備えている、請求項１５に記載の超偏極希ガスの生成方法。
【請求項１７】
超偏極希ガス生成供給装置が、試料適用後のガスを再び原料ガスとして前記予備室及び／又は前記偏極セルに配管を通して導入し、希ガスを再偏極した後、再び試料容器に送り込むように構成されている循環式である、請求項１６に記載の超偏極希ガスの生成方法。
【請求項１８】
さらに、超偏極希ガスの長時間連続生成による試料のＮＭＲ信号の長時間積算において、偏極性能の低下を把握し積算効果の発揮できる限界積算時間（回数）を算出する工程、及びその限界積算時間（回数）を出力する工程を含む、請求項１５〜１７いずれか一項に記載の超偏極希ガスの生成方法。
【請求項１９】
前記限界積算時間（回数）を算出する工程が、実験データから次の式（１）の指数減衰関数に基づき、
【数３】
2019100889.tif 000016
ＳＮ（ｎ）：ｎ番目の１回測定における信号対雑音比
ＳＮ０：測定開始時の信号対雑音比
減衰速度定数ａを導き、１．２５６５×ｍ（ｍは限界条件（ｍ＝１）からの許容定数、０．５≦ｍ≦２）を当該ａで除して当該積算回数を算出する工程、又は実験データから次の式（２）の指数減衰関数に基づき、
【数４】
2019100889.tif 000017
ＳＮ（ｔ）：ｔ秒後の１回測定における信号対雑音比
ＳＮ０：測定開始時の信号対雑音比
減衰速度定数βを導き、１．２５６５×ｍ（ｍは限界条件（ｍ＝１）からの許容定数、０．５≦ｍ≦２）を当該βで除して当該積算時間を算出する工程である、請求項１８に記載の超偏極希ガスの生成方法。
【請求項２０】
円偏光した励起光で超偏極状態とするアルカリ金属がルビジウム（Ｒｂ）である、請求項１５〜１９いずれか一項に記載の超偏極希ガスの生成方法。
【請求項２１】
希ガスがキセノン（１２９Ｘｅ、若しくは１３１Ｘｅ）を含むキセノンガス又はクリプトン（８３Ｋｒ）を含むクリプトンガスである、請求項１５〜２０いずれか一項に記載の超偏極希ガスの生成方法。
【請求項２２】
円偏光した励起光をアルカリ金属蒸気に照射することにより超偏極状態とし、当該超偏極磁化を希ガス原子核に伝達し超偏極希ガスを得るための偏極セル、及び前記偏極セルで生成され、排出された超偏極希ガスを試料に適用するための試料容器、又は生体に適用するためのガス吸入器具、若しくは試料若しくは生体に適用するための一時貯蔵容器を備えた超偏極希ガス生成供給装置によって生成され、試料又は生体に適用された希ガスの精製方法であって、
試料又は生体に適用後のガスを回収する工程、当該ガス中の希ガスを減圧下で液体窒素冷却により固化分離させ、減圧吸引により酸素や窒素等の希ガス以外のガスを除く工程、及び精製された希ガスを収納する工程を含むことを特徴とする、希ガスの精製方法。
【請求項２３】
さらに、液体窒素冷却下で固化分離された希ガスを液体アルカリ金属で更に乾燥精製する工程を含む、請求項２２に記載の希ガスの精製方法。
【請求項２４】
希ガスが、キセノン（１２９Ｘｅ、若しくは１３１Ｘｅ）を含むキセノンガス又はクリプトン（８３Ｋｒ）を含むクリプトンガスである、請求項２２又は２３に記載の希ガスの精製方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超偏極希ガスを生成することができる装置に関するものである。詳しくは、本発明は、光ポンピング法のスピン交換法に基づいて超偏極希ガスを生成することができる装置であって、希ガス原子核とスピン交換する電子スピンを担うアルカリ金属の性能低下を抑制することができ、希ガス使用量を抑えた超偏極実験を容易とする装置に関するものである。
また、本発明は、当該アルカリ金属の性能低下を事前に簡便迅速に判定することができるガス精製ユニットを備えた当該装置、又は希ガスのＮＭＲ信号の積算効果が認められなくなる大凡の限界積算時間（回数）を与える電子情報処理システムを含む当該装置に関するものである。更には、本発明は、水分や酸素等の不純物が混入した希ガスを精製することができるガス精製装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
超偏極希ガスは、スピンがαかβかの一方に著しく偏ったキセノン１２９Ｘｅやヘリウム３Ｈｅなどに代表される核スピン状態の特徴を有する希ガスである。かかる超偏極希ガスを生成する方法はいくつか知られている（非特許文献１）。例えば、１２９Ｘｅの超偏極状態を達成するための光ポンピング法を利用する方法として、スピン交換法（Ｓｐｉｎ  Ｅｘｃｈａｎｇｅ  Ｍｅｔｈｏｄ）と準安定交換法（Ｍｅｔａｓｔａｂｉｌｉｔｙ  Ｅｘｃｈａｎｇｅ  Ｍｅｔｈｏｄ）の主に２つの方法が知られている。
【０００３】
超偏極希ガスを利用した超偏極技術は、核磁気共鳴（ＮＭＲ）や磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）などにおける核種の感度を１０万倍程度まで増大可能な方法として注目されており、今後、医療や化学工業の分野で大きな進歩をもたらすことが期待されている（非特許文献１〜３）。例えば、光ポンピング法で高感度化されたキセノンやヘリウム等の希ガスの適用分野としては、医療用のＭＲＩにおける肺画像診断が挙げられ、今後発展が期待されている（非特許文献３の第８章，１１５−１２９頁）。別の適用分野としては、工業応用を中心とする微粒子細孔の表面分析（特に吸着特性分析）が挙げられる（非特許文献２の第１７章，３０１−３１６頁）。これらの分野も、超偏極希ガスを利用することにより大きな進歩が期待され、今後広く応用が進むと予想される。
【０００４】
超偏極希ガス生成装置で、特にキセノンガスについて、超偏極させて試料に照射した後のガスを循環させ、再度偏極させて試料に照射する循環型の装置は、超偏極技術が応用されるようになった比較的初期から報告例がある（非特許文献４と５）。循環式装置ではＮＭＲ信号を多数回積算することによりＳＮ比（信号対雑音比）の向上が果たせるので、弱い信号の検出に好都合である。また、長時間の測定でもキセノンガスの消費が１回測定と同程度に抑えられるので経済効果は大きい。但し、このようなメリットにもかかわらず、循環式装置は応用が広く進んでいないのが実情である（非特許文献２と３）。
また、特許文献３には、希ガス及びクエンチガスを含む原料ガスを偏極セルに連続的に供給しながらアルカリ金属蒸気と混合させ、磁場内で前記偏極セル内に励起光を照射することなどにより、高い偏極率の希ガスを容易に生成することができる偏極希ガスの生成方法が開示されている。
【０００５】
循環式装置は、バッチ式装置としても利用可能である。即ち、一度試料に適用したガスは回収することなく大気に放出する。この場合は、試料から来る空気や水分その他の不純物の混入は回避できるメリットはあるが、希ガスの消費量が時間に比例して増大するので、長時間測定には希ガスの消費量の増大とそれに伴う経費の増大の問題が生じる。この問題は、回収ガスの精製をバッチ式で行い再利用することにより克服できるはずであるが、回収ガスの精製はガスメーカー等の企業に依頼すると高価であり、かつ、まとまった量回収のガスが揃わないと引き受け手がないことから、実際には実現不可能な状況にある。バッチ式超偏極装置については、このことが汎用化・普及の一つの大きな障壁となっており、企業規模ほどではないが、特定の超偏極希ガス生成装置に付随して使用できる小規模での簡便な回収ガス精製装置が待たれる状況にある。  
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】欧州特許出願公開第１４９９３７８号明細書
【特許文献２】特許第３８９１７７３号公報
【特許文献３】特許第５１９１５４３号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】藤原英明、ＭＲＩ法の新しい展開、「非侵襲・可視化技術ハンドブック―ナノ・バイオ・医療から情報システムまで―」第１章  第１０節  １２３−１３８頁、小川誠二／上野照剛監修、（株）エヌ・ティー・エス、東京、２００７年６月
【非特許文献２】T. Meersmann and E. Brunner, 編集, Hyperpolarized Xenon-129 Magnetic Resonance, Royal Society of Chemistry, Cambridge, 英国 (2015)
【非特許文献３】M. S. Albert and F. T. Hane, 編集, Hyperpolarized and Inert Gas MRI in Research and Medicine, Elsevier, San Diego, カリフォルニア (2017)
【非特許文献４】M. Haake, A. Pines, L. A. Reimer, and R. Seydoux, J. Am. Chem. Soc., 1997; 119: 11711-11712
【非特許文献５】A. L. Zook, B. B. Adhyaru, and C. R. Bowers, J. Magn. Reson., 2001; 159: 175-182
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
超偏極希ガスの出現により、希ガスのＮＭＲ／ＭＲＩ感度を大幅に向上させることができ、これによって、それまで測定不可能であった希ガスのＮＭＲスペクトルあるいはＭＲＩ画像を取得することができるようになった。この際の感度向上は、数Ｔ（Ｔはテスラ＝１０，０００ガウス）の外部磁場のもとの熱平衡状態と比べて、理論上の最大値として、１０万倍程度まで可能であり非常に大きい。最近の超偏極希ガス生成供給装置は、技術の進歩により、実際の感度向上がこの理論上の最大値（偏極率で１００％）を視野に入れる数十％の偏極率の達成が現実的となっている。
【０００９】
次のステップの感度向上として、複数回の測定を繰り返し、その信号を積算することによるＳＮ比の向上がある。この方法は単一の測定の感度を上げるものではないが、時間をかけて多数回測定を繰り返すことにより、１回の測定ではノイズの中に埋もれていた信号を明瞭化することができる。ここでは、ノイズに対する信号の強度比としてのＳＮ比が目安となり、ｎ２回の積算によりｎ倍のＳＮ比向上が得られる。この積算の方法はＮＭＲ／ＭＲＩの分野で古くから活用されてきたが、超偏極希ガスについても、その発展の初期から必要に応じ活用されていた。但し、長時間の積算は、超偏極希ガスを流しながら（常に新鮮な超偏極希ガスを試料に照射しながら）遂行する必要があるため、キセノンガスの消費量の増大を伴う。このため、実用的な測定では、キセノンガスを回収し再利用することにより当該ガスの消費量を抑える工夫なくしては、幅広い普及は困難である。これには、希ガスを循環式として使用し、新たな希ガスを補充することなく試料照射後の超偏極希ガスを再循環させ、偏極セルで再活性化し試料に再適用する循環式が考えられる。実際、循環式の超偏極希ガス生成供給装置の試みは既にいくつか報告例がある（非特許文献２、３）。ところが、これらの従来の循環式装置では、下記１〜４の問題点があり、実際に種々の試料分析に幅広く適用しょうとすると失敗に帰することが多く、このような装置の根本的な改良が実用的普及には必須な要件であった。
【００１０】
１．試料に水分や酸素などの不純物が含まれると、偏極セル内で励起光により超偏極状態となり、その磁化を希ガスの原子核に伝達するアルカリ金属（ルビジウムＲｂ、セシウムＣｓ、カリウムＫなど）の劣化を引き起こし、偏極セル性能が低下する。このため、試料の高度な精製等の対策が不可欠となる。試料由来でなくても、循環用の器具や配管系からこのような不純物が混入し得るので、これら器具や配管系において不純物混入を回避する特段の注意が必要である。なお、非特許文献４の発明では、ガス精製器を設けていない。
【００１１】
２．循環ガスに含まれる不純物ガスを除くには、循環して戻ってくるガスの経路にガス精製器（例えば、リキッドガス社製超高純度ガス精製装置ミニファインピュアラー、あるいは、Ｏｘｉｃｌｅａｒ，Ｄｉａｍｏｎｄ  Ｔｏｏｌ  ＆  Ｄｉｅ,Ｉｎｃ．，ＵＳＡ）を設置することになるが、実際には、試料上を通り循環するガスに混入する不純物ガスの濃度を予測することが困難であり、ガス精製器の性能劣化が予測不能の状況で進行し得るので、偏極セル内のＲｂの劣化を事前に確実に防止するにはこの方法は不十分である。
【００１２】
３．上記２のような循環ガスの精製器の著しい性能劣化が起こらない場合でも、配管系や測定試料を含めた超偏極全システムにおける不純物混入により循環ガスの汚染が進み、積算の過程でガス精製器の性能が徐々に低下し、偏極セル中のＲｂ等のアルカリ金属の劣化が進むこととなる。偏極セルの性能がある程度まで低下すると、積算してもＳＮ比（信号対雑音比）の改善につながらず、逆に積算回数を増やすごとにＳＮ比低下を引き起こすこととなる。このため、ある信号が、積算過程の途中で（適当な積算回数の時点で）観察されたとしても、それ以上に積算するとＳＮ比が低下し、再び、信号が雑音に埋もれて消失することがしばしば起こり得る。
【００１３】
４．水溶液やアルコール溶液などのようにＲｂ等のアルカリ金属に鋭敏に反応する成分を主成分とする試料には適用不可である。循環ガス中の水分など不純物濃度が（飽和濃度まで）高くなり、ガス精製器への負荷が非常に大きくなり、循環型での遂行が困難となる。循環型装置をバッチ型で運用し、超偏極ガスを別個に回収して精製し再利用することも考えられるが、回収ガスの実験室的な簡便で有効な精製法は知られていない。
【００１４】
海外では麻酔に用いたキセノンガスを回収し精製の上、再利用するための装置が知られ（特許文献１）、国内では半導体製造装置等から排出される混合ガスからの分離精製のためにＰＳＡ（圧力スイング吸着法）を利用した方法・装置が報告されている（特許文献２）。しかし、これらの方法・装置による精製ガスはアルカリ金属に対する腐食性ガス（水分、酸素など）の除去が不十分であり、さらなる高度な精製なくしては、超偏極希ガス生成装置に適用することはできない。
【００１５】
本発明は、超偏極希ガス生成供給装置の実用的普及の妨げとなっている上記諸問題を解決し、簡便に使用でき混入不純物に耐久性ある超偏極希ガス生成供給装置を開発すると共に、そのバッチ式運用においては、回収キセノンガスの簡便な精製方法とそのための装置を提供することを課題とする。ひいては、当該超偏極技術の工業分析及び医学適用における幅広い普及と発展に資することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明者らは、鋭意研究を重ねた結果、下記の通り上記諸問題を解決する手段を見出し、本発明を完成するに到った。
【００１７】
上記問題点１、２に対しては、耐高真空性の器具や配管系を利用することにより、ガス循環中に外気から侵入する不純物ガスを抑え、原料ガス及び循環ガスの乾燥・精製に関しては、精製剤に液体のアルカリ金属（Ｋ−Ｎａ合金）を用いる。これにより、水分や酸素、炭酸ガス等の不純物ガスを鋭敏に除去すると共に、当該合金の金属光沢の曇りから循環ガスの不純物汚染を鋭敏迅速に検知可能とし、測定中に不純物汚染が進んだ場合でも、不純物汚染による偏極セル内のＲｂ等のアルカリ金属（以下、単に「Ｒｂ等」ともいう。）の致命的な劣化の前に実験を中断し偏極セルを保護すると共に、それまでに取得した実験データの保護も可能とする。
【００１８】
そして、偏極セル内の循環ガス中のＲｂ等の蒸気分圧が、循環ガス中の不純物との反応による当該Ｒｂ等の劣化によって低下することを防ぎ、偏極セル内に留置された当該Ｒｂ等が、新鮮な金属光沢の表面を確保できるよう、液状の当該Ｒｂ等を撹拌する機能を付与する。好ましくは、液状Ｒｂ等の常時の強力撹拌を可能とした予備室を備える。即ち、当該強力撹拌を磁気撹拌により達成する場合は、撹拌磁場の偏極セルへの影響を避けるため偏極セルに加える磁場の外側に予備室を設ける。これにより、循環ガスに含まれる極微量の水分等との反応によるＲｂ等の蒸気分圧の低下、あるいは、当該Ｒｂ等の表面が固形膜に覆われ新鮮な金属光沢を失うことによる当該Ｒｂ等の蒸気分圧の著しい低下を避けることができる。
【００１９】
上記問題点３に対しては、以下の解決手段を講じる。
徐々に進行する緩やかな性能低下は、ＮＭＲ信号をモニターすることにより対応する。ＮＭＲ信号の長時間積算は、積算効率の低下ばかりでなく、積算が多数回に及ぶと、せっかく改善したＳＮ比を改悪する方向に働くこととなる。そこで、ＳＮ比改善効果の見られる限界の積算回数（最適積算回数）あるいは積算時間（最適積算時間）を評価することにより、長時間積算の限界を見出し、これをＳＮ比改悪の回避基準とする。このためには、例えば、超偏極希ガス生成供給システムの全体的な緩やかな性能低下を表すＮＭＲ信号の緩やかな低下の様相を関数で表現し、定量的取扱いを行う。かかる定量的取扱いを行う関数は、指数減衰関数に制限されない。漸次減衰する関数、例えば、単調減少関数であってもよい。
【００２０】
上記問題点４に対しては、以下の解決手段を講じる。
試料の種類によっては、例えば、水溶液の場合、回収ガスには飽和水蒸気圧の水分が含有されることとなる。このようなガスをオンラインで迅速に徹底して乾燥することは、精製器への著しい負荷を考えると現実的ではない。
【００２１】
また、動物の吸入実験においては、偏極ガスに酸素を２０％程度まで混合することが必須である。しかも生体特有の問題として、限られた時間内に実験を終了する必要のある場合は、別個にバッチ式で徹底的に脱酸素と乾燥を行ったガスを再利用する方が現実的で好ましい。但し、回収ガスの精製は企業規模で実施するには、まとまった量の回収ガスが必要であり小規模の精製には非効率的で向かない。そこで、比較的少量（５０Ｌ〜２００Ｌ程度）の使用済ガスを、超偏極希ガス生成装置に付随して、簡便な方法で回収し精製する方法があれば、多数の試料を効率的に測定するのに便利である。
【００２２】
キセノンガスの精製方法としては、精留、吸着、膜分離等を利用する方法が一般的に知られる（「高純度化技術体系」、第３巻、フジ・テクノシステム（１９９７））。しかし、本発明のようにＲｂ等への耐腐食性を担保するような精製は、水分や酸素、炭酸ガス等の不純物の混入を極度に回避する必要があり、次のように２段階に分けて行うことが安全で確実である。
【００２３】
１）回収ガスを大まかに精製する第１段階
２）第１段階で粗精製したガスを、Ｒｂ等のアルカリ金属に顕著な腐食を生じさせないよう高度な精製を行う第２段階
第１段階の精製には、ゼオライト等の吸着剤を利用した圧力変動あるいは温度変動型の吸着分離装置を使用することもできる（特許文献２参照）。但し、吸着剤を利用する分離法は、回収ガスに含まれる不純物の種類や濃度を考慮した吸着条件の適切な設定が必須である。例えば、吸着剤の種類と量的関係あるいは圧力・温度・吸着時間等の条件を実際のケースに対応して詳細に調べ設定する必要がある。これに対し、キセノンを固化分離することを精製の第１段階とする方法では、過大の空気や水分あるいは炭酸ガスの混入も問題とせず、第２段階の精製に適したキセノンガスを取り出すことができる。
【００２４】
以上を踏まえ、本発明として、例えば、下記を挙げることができる。
［１］円偏光した励起光をアルカリ金属蒸気に照射することにより超偏極状態とし、当該超偏極磁化を希ガス原子核に伝達し超編極ガスを得るための偏極セルを備えた超偏極希ガス生成供給装置であって、
希ガスと任意にクエンチガス及び／又はバッファーガスとを含む原料ガスが当該アルカリ金属蒸気と共に当該偏極セル内で当該励起光を受ける前段階において、融解した液状の当該アルカリ金属を撹拌するための構造を備えていることを特徴とする、超偏極希ガスを生成供給するための装置。
［２］前記アルカリ金属を撹拌するための構造が、
当該偏極セルに当該原料ガスが流入する前段階において、融解した液状の当該アルカリ金属を撹拌し、その蒸気を発生させ、当該原料ガスと共に当該偏極セル内に流入させるための予備室を備えている構造であるか、又は
当該偏極セル内に包含される当該アルカリ金属の撹拌を可能とする構造である、上記［１］に記載の装置。
［３］さらに、前記偏極セルで生成され、排出された超偏極希ガスを試料に適用するための試料容器、又は生体に適用するためのガス吸入器具、若しくは当該偏極希ガスを気体状態若しくは低温で凍結した固体状態で捕集するための容器を備えている、上記［１］又は［２］に記載の装置。
［４］試料適用後のガスを再び原料ガスとして、前記予備室を設ける場合はこれを経由し、前記偏極セルに配管を通して導入し、希ガスを再偏極した後、再び試料容器に送り込むように構成されている循環式である、上記［１］〜［３］いずれか一項に記載の装置。
［５］さらに、原料ガス中の不純物を除くための液体アルカリ金属を留置するガス精製ユニットを、前記予備室を設ける場合はその前段階に、それを設けない場合は偏極セルの前段階に備えている、上記［４］に記載の装置。
［６］さらに、試料又は生体に適用後のガスを回収するためのガス収納バッグ、回収ガス中に含まれる水分等の希ガス以外の不純物を除くための吸着剤を包含する精製管、当該ガス中の希ガスを減圧下で液体窒素冷却により固化分離させ、減圧吸引することにより酸素や窒素といった希ガス以外のガスを除くためのガス精製系、及び精製された希ガスを収納するためのガス収納バッグを含む希ガス精製装置を備えている、上記［１］〜［３］いずれか一項に記載の装置。
［７］さらに、希ガス精製装置が、液体窒素冷却下で固化分離された希ガスを更に精製するための液体アルカリ金属を留置するガス精製系を有する、上記［６］に記載の装置。
［８］さらに、超偏極希ガスの長時間連続生成による試料からのＮＭＲ信号の長時間積算において、偏極性能の低下を把握し積算効果の発揮できる限界の積算時間あるいは積算回数（以下、「限界積算時間（回数）」ともいう。）を実験データから算出する手段、及びその限界積算時間（回数）を出力する手段を有する電子情報処理システムを備えている、上記［１］〜［４］いずれか一項に記載の装置。
［９］前記限界積算時間（回数）を算出する手段が、実験データから次の式（１）の指数減衰関数に基づき、
【００２５】
【数１】
2019100889.tif 000003
【００２６】
ＳＮ（ｎ）：ｎ番目の１回測定における信号対雑音比
ＳＮ０：測定開始時の信号対雑音比
減衰速度定数ａを導き、１．２５６５×ｍ（ｍは限界条件（ｍ＝１）からの許容定数、０．５≦ｍ≦２）を当該ａで除して当該限界積算回数を算出する手段、又は実験データから次の式（２）の指数減衰関数に基づき、
【００２７】
【数２】
2019100889.tif 000004
【００２８】
ＳＮ（ｔ）：ｔ秒後の１回測定における信号対雑音比
ＳＮ０：測定開始時の信号対雑音比
減衰速度定数βを導き、１．２５６５×ｍ（ｍは限界条件（ｍ＝１）からの許容定数、０．５≦ｍ≦２）を当該βで除して当該限界積算時間を算出する手段である、上記［８］に記載の装置。
［１０］円偏光した励起光で超偏極状態とするアルカリ金属がルビジウム（Ｒｂ）である、上記［１］〜［９］いずれか一項に記載の装置。
［１１］希ガスが、キセノン（１２９Ｘｅ、若しくは１３１Ｘｅ）を含むキセノンガス又はクリプトン（８３Ｋｒ）を含むクリプトンガスである、上記［１］〜［１０］いずれか一項に記載の装置。
【００２９】
［１２］円偏光した励起光をアルカリ金属蒸気に照射することにより超偏極状態とし、当該超偏極磁化を希ガス原子核に伝達し超偏極希ガスを得るための偏極セル、及び前記偏極セルで生成され、排出された超偏極希ガスを試料に適用するための試料容器、又は生体に適用するためのガス吸入器具、若しくは試料若しくは生体に適用するための一時貯蔵容器を備えた超偏極希ガス生成供給装置によって生成され、試料又は生体に適用された希ガスの精製装置であって、
試料又は生体に適用後のガスを回収するためのガス収納バッグ、当該ガス中の希ガスを減圧下で液体窒素冷却により固化分離させ、減圧吸引することにより酸素や窒素等の希ガス以外のガスを除くためのガス精製系、及び精製された希ガスを収納するためのガス収納バッグを含むことを特徴とする、希ガス精製装置。
［１３］さらに、液体窒素冷却下で固化分離された希ガスを更に精製するための液体アルカリ金属を留置するガス精製系を有する、上記［１２］に記載の希ガス精製装置。
［１４］希ガスが、キセノン（１２９Ｘｅ、若しくは１３１Ｘｅ）を含むキセノンガス又はクリプトン（８３Ｋｒ）を含むクリプトンガスである、上記［１２］又は［１３］に記載の装置。
【００３０】
［１５］円偏光した励起光をアルカリ金属蒸気に照射することにより超偏極状態とし、当該超偏極磁化を希ガス原子核に伝達し超偏極希ガスを得るための偏極セルを備えた超偏極希ガス生成供給装置によって超偏極希ガスを生成する方法であって、
当該偏極セル内の融解した当該液状アルカリ金属を撹拌する工程、又は当該偏極セル内に希ガスと任意にクエンチガス及び／又はバッファーガスとを含む原料ガスが流入する前段階の予備室において、融解した液状の当該アルカリ金属を撹拌し、その蒸気を発生させ、当該原料ガスと共に当該偏極セル内に流入させる工程を含むことを特徴とする、超偏極希ガスの生成方法。
［１６］超偏極希ガス生成供給装置が、前記偏極セルで生成され、排出された超偏極希ガスを試料に適用するための試料容器、又は生体に適用するためのガス吸入器具、若しくは当該偏極希ガスを気体状態若しくは低温で凍結した固体状態で捕集するための容器を備えている、上記［１５］に記載の超偏極希ガスの生成方法。
［１７］超偏極希ガス生成供給装置が、試料適用後のガスを再び原料ガスとして前記予備室及び／又は前記偏極セルに配管を通して導入し、希ガスを再偏極した後、再び試料容器に送り込むように構成されている循環式である、上記［１６］に記載の超偏極希ガスの生成方法。
［１８］さらに、超偏極希ガスの長時間連続生成による試料からのＮＭＲ信号の長時間積算において、偏極性能の低下を把握し積算効果の発揮できる限界積算時間（回数）を算出する工程、及びその限界積算時間（回数）を出力する工程を含む、上記［１５］〜［１７］いずれか一項に記載の超偏極希ガスの生成方法。
［１９］前記限界積算時間（回数）を算出する工程が、実験データから次の式（１）の指数減衰関数に基づき、
【００３１】
【数３】
2019100889.tif 000005
【００３２】
ＳＮ（ｎ）：ｎ番目の１回測定における信号対雑音比
ＳＮ０：測定開始時の信号対雑音比
減衰速度定数ａを導き、１．２５６５×ｍ（ｍは限界条件（ｍ＝１）からの許容定数、０．５≦ｍ≦２）を当該ａで除して当該積算回数を算出する工程、又は実験データから次の式（２）の指数減衰関数に基づき、
【００３３】
【数４】
2019100889.tif 000006
【００３４】
ＳＮ（ｔ）：ｔ秒後の１回測定における信号対雑音比
ＳＮ０：測定開始時の信号対雑音比
減衰速度定数βを導き、１．２５６５×ｍ（ｍは限界条件（ｍ＝１）からの許容定数、０．５≦ｍ≦２）を当該βで除して当該積算時間を算出する工程である、上記［１８］に記載の超偏極希ガスの生成方法。
［２０］円偏光した励起光で超偏極状態とするアルカリ金属がルビジウム（Ｒｂ）である、上記［１５］〜［１９］いずれか一項に記載の超偏極希ガスの生成方法。
［２１］希ガスがキセノン（１２９Ｘｅ、若しくは１３１Ｘｅ）を含むキセノンガス又はクリプトン（８３Ｋｒ）を含むクリプトンガスである、上記［１５］〜［２０］いずれか一項に記載の超偏極希ガスの生成方法。
【００３５】
［２２］円偏光した励起光をアルカリ金属蒸気に照射することにより超偏極状態とし、当該超偏極磁化を希ガス原子核に伝達し超偏極希ガスを得るための偏極セル、及び前記偏極セルで生成され、排出された超偏極希ガスを試料に適用するための試料容器、又は生体に適用するためのガス吸入器具、若しくは試料若しくは生体に適用するための一時貯蔵容器を備えた超偏極希ガス生成供給装置によって生成され、試料又は生体に適用された希ガスの精製方法であって、
試料又は生体に適用後のガスを回収する工程、当該ガス中の希ガスを減圧下で液体窒素冷却により固化分離させ、減圧吸引により酸素や窒素等の希ガス以外のガスを除く工程、及び精製された希ガスを収納する工程を含むことを特徴とする、希ガスの精製方法。
［２３］さらに、液体窒素冷却下で固化分離された希ガスを液体アルカリ金属で更に乾燥精製する工程を含む、上記［２２］に記載の希ガスの精製方法。
［２４］希ガスが、キセノン（１２９Ｘｅ、若しくは１３１Ｘｅ）を含むキセノンガス又はクリプトン（８３Ｋｒ）を含むクリプトンガスである、上記［２２］又は［２３］に記載の希ガスの精製方法。
【発明の効果】
【００３６】
本発明によれば、例えば、円偏光した励起光をアルカリ金属蒸気に照射し、それ自身が超偏極状態となり、その超偏極磁化を希ガス原子核に伝達するための偏極セルを備えた超偏極希ガス生成供給装置において、当該アルカリ金属の性能低下を抑えることができる。また、当該アルカリ金属が性能低下を引き起こしていることを容易に把握することができる。さらに、超偏極希ガスのＮＭＲ信号の長時間積算において、ＳＮ比改悪を回避しうる。
加えて、本発明によれば、生成し使用した希ガスを十分に精製することができ、再利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明に係る超偏極希ガス生成供給装置の一実施形態（循環式）に係る概略構成図である。
【図２】回収希ガス精製装置の概略構成図である。
【図３】本発明に係る希ガスの精製装置ないし精製方法（第１段階）：液体窒素冷却固化を利用したガス精製系の概略構成図である。
【図４】本発明に係る希ガスの精製装置ないし精製方法（第２段階）：液体アルカリ金属を利用したガス精製系の概略構成図である。
【図５】減衰速度定数の測定結果を示したグラフである。ａ図は、撹拌しなかった場合の結果、ｂ図は撹拌した場合の結果を、それぞれ表す。各図において、縦軸は信号強度を、横軸は時間（時間）を、それぞれ示す。
【図６】減衰速度定数の測定結果を示したグラフである。ａ図は、撹拌しなかった場合の結果、ｂ図は撹拌した場合の結果を、それぞれ表す。各図において、縦軸は信号強度を、横軸は時間（時間）を、それぞれ示す。
【図７】ポリエチレンチューブに吸着したキセノンのＮＭＲ信号を表す。ａ図は積算回数が１回の結果を、ｂ図は積算回数が９６２回の結果を、ｃ図は積算回数が７２６４回でフィルターバンド幅を正規の３３ｋＨｚから１０ｋＨｚに下げた結果を、それぞれ表す。
【図８】セルロースホワイトカプセルに吸着したキセノンのＮＭＲ信号を表す。
【図９】２次元ＮＭＲチャートを表す。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
以下、本発明について詳述する。
１  本発明に係る超偏極希ガス生成供給装置
１．１  基本装置構成
本発明に係る超偏極希ガス生成供給装置（以下、「本発明生成供給装置」という。）は、円偏光した励起光をアルカリ金属蒸気に照射することにより超偏極状態とし、当該超偏極磁化を希ガス原子核に伝達し超偏極希ガスを得るための偏極セルを備えたものであって、希ガスと任意にクエンチガス及び／又はバッファーガスとを含む原料ガスが当該アルカリ金属蒸気と共に当該偏極セル内で当該励起光を受ける前段階において、融解した液状の当該アルカリ金属を撹拌する構造を備えていることを特徴とする。
【００３９】
偏極セル内で励起するアルカリ金属としては、円偏光した励起光によって、それ自身が超偏極状態となるものであって、例えば、ルビジウム（Ｒｂ）、セシウム（Ｃｓ）、カリウム（Ｋ）を挙げることができるが、特に１２９Ｘｅについては、経済性を考慮すると、ルビジウム（Ｒｂ）が好ましい。ここでは、主としてルビジウム（Ｒｂ）を掲げて本発明を説明している。
【００４０】
当該アルカリ金属は、融解温度以上に加熱することにより蒸気を発生するから、本発明生成供給装置によって超偏極希ガスを生成するに際しては、当該偏極セルは、用いるアルカリ金属の融解温度以上に保たれる。例えば、アルカリ金属としてルビジウムを用いる場合、好ましくは８５℃以上、より好ましくは１１０℃以上に保つことができる。
【００４１】
本発明に係る希ガスとしては、スピン偏極状態を生成するために通常用いられる、キセノン同位体（例、１２９Ｘｅ、１３１Ｘｅ）やヘリウム同位体（３Ｈｅ）、クリプトン同位体（例、８３Ｋｒ）を挙げることができるが、キセノン同位体（その中でも特に１２９Ｘｅ）が好ましい。キセノン同位体（１２９Ｘｅ）は、天然のものが使用可能であるが（天然存在比２６．４％）、存在比を例えば９０％近くまで濃縮したものも使用可能である。キセノン同位体（１２９Ｘｅ）ガスを、以下、単にキセノンガスともいう。
【００４２】
励起光として、例えば、レーザー光源を挙げることができる。励起光の波長は、電子スピンを超偏極するアルカリ金属の種類によって異なるが、ルビジウムの場合、７５４．７ｎｍである。励起光は、例えば、偏光器を通すことにより直接偏光から円偏光に変換することができる。
原料ガスに含まれるクエンチガスは、光励起された電子スピンが電磁波を放射しつつ基底状態に戻るプロセスを抑制するためのガスであって、放射した電磁波の再吸収による再励起を防ぐ効果を有する。そのようなクエンチガスとして、例えば、窒素ガス、水素ガス、エチレンガス、アセチレンガス、イソブテンを挙げることができる。この中、窒素ガスが好ましい。
【００４３】
また、原料ガスには、その他の有機ガスや無機ガス、例えば、メタン、エタン、ヘリウムといった、いわゆるバッファーガスを含むことができる。
原料ガス中の希ガスの濃度は、特に制限されず、使用目的に応じて適宜設定されるが、通常、０．１％ないし１％以上であり、３０％以上が好ましく、５０％以上がより好ましく、７０％以上がさらに好ましい。
【００４４】
本発明生成供給装置においては、偏極セル内で超偏極希ガスが生成されるが、希ガスと任意にクエンチガス及び／又はバッファーガスとを含む原料ガスがアルカリ金属蒸気と共に当該偏極セル内で励起光を受ける前段階において、融解した液状の当該アルカリ金属を撹拌するための構造を備えている。融解した液状の当該アルカリ金属を撹拌し、その蒸気の発生と安定化を図って偏極セル内で励起光を受けることを特徴とする。この構造の一例として、偏極セルに当該原料ガスが流入する前段階に当該アルカリ金属（Ｒｂ等）の予備室を備えている構造を挙げることができ、そこで磁気回転子等による当該アルカリ金属の常時撹拌を行う。また、当該偏極セル内に包含される当該アルカリ金属の撹拌ないし間欠撹拌を可能とする構造も挙げることができる。これらにより、偏極セル内のアルカリ金属の性能低下を抑えることができる。
【００４５】
当該アルカリ金属の撹拌方法としては、予備室内での撹拌であれば磁気撹拌、偏極セル内での撹拌であれば小粒のガラス製撹拌粒を用いた撹拌など適宜選択されるが、確実に撹拌することが好ましい。当該撹拌は、予備室内での撹拌であれば実施中に常時行うことができる。偏極セル内での撹拌であっても、可能であれば常時行うことが好ましい。なお、当該アルカリ金属を撹拌することの効果は、例えば、後述する、超偏極希ガスのＮＭＲ信号の長時間積算時の積算効果が認められなくなる限界積算時間（回数）に反映される。この限界積算時間（回数）の算出は、測定試料を長時間積算する間に、一時的に積算を中断し１回積算データを別に収集する操作を数回繰り返し、非常に強いガス信号の時間依存性を解析することにより達成することができる。あるいは、長時間積算の事前に、１回積算データを数個ないしそれ以上を収集し、ガス信号の時間依存性を解析しても良い。
【００４６】
１．２  他の装置構成
本発明生成供給装置は、さらに、前記偏極セルで生成され、排出された超偏極希ガスを試料に適用するための試料容器、生体に適用するためのガス吸入器具、当該偏極希ガスを気体状態又は低温で凍結した固体状態で捕集するための容器などを備えることができ、当該試料容器を備えることが好ましい。
当該試料容器で試験される対象としては、希ガスを用いてＮＭＲやＭＲＩ等で試験・診断等されるものであれば特に制限されないが、ヒトやマウスやラット等の動物、微粒子、フィルム等の工業材料、粉末・顆粒等の製剤（医薬用や食品用等）など広く挙げることができる。これにより、例えば、ＭＲＩよる肺画像診断が可能となり、また、微粒子細孔の表面分析（特に吸着特性分析）も可能となる。
【００４７】
本発明生成供給装置は、試料適用後のガスを再び原料ガスとして、前記予備室を設ける場合はこれを経由し、前記偏極セルに配管を通して導入され、希ガスを再偏極された後、再び試料容器に送り込むように構成されている循環式であることが好ましい。循環式にすることにより、希ガスを再利用することができ、経済性に優れる。しかし、そうした場合、循環過程等において、器具や配管等から水分や酸素、炭酸ガスといった不純物が混入し循環ガスが汚染されることが懸念される。水分や酸素等の混入は、励起するアルカリ金属の劣化を引き起こし当該アルカリ金属の蒸気圧を低下させる。この影響は、不純物ガスとの反応により当該アルカリ金属表面が固形膜で覆われ新鮮な金属光沢が損なわれることにより顕著となる。即ち、当該アルカリ金属の性能の低下を避けることに留意する必要がある。
【００４８】
当該アルカリ金属の上記性能低下に対して、一つは、当該アルカリ金属を撹拌する前記予備室を設けること、また偏極セル内で当該アルカリ金属を撹拌することが効果的である。また、本発明生成供給装置において、原料ガスを精製するための液体アルカリ金属（精製剤）を留置するガス精製ユニットを、前記予備室を設ける場合はその前段階に、予備室を設けない場合は偏極セルの前段階に備えることが好ましい。当該液体アルカリ金属、例えば、カリウム・ナトリウム（Ｋ−Ｎａ）合金を用いることにより、水分や酸素、炭酸ガス等の不純物ガスを鋭敏に除去することができると共に、当該液体アルカリ金属の金属光沢の曇り程度から、循環ガスの不純物汚染を鋭敏迅速に検知可能となる。また、測定中に不純物汚染が進んだ場合でも、不純物汚染による偏極セル内の励起するアルカリ金属の致命的な劣化の前に実験を中断し、偏極セルを保護することができ、それまでに取得した実験データの保護も可能となる。
【００４９】
上記のような、偏極セル内の励起するアルカリ金属の性能低下が進行することにより発生する長時間積算の効果の悪化を避けるため、本発明生成供給装置は、超偏極希ガスの長時間連続生成による試料のＮＭＲ信号の長時間積算において、偏極性能の低下を把握するための積算効果の発揮できる限界積算時間（回数）を実験データから算出する手段、及びその限界積算時間（回数）を出力する手段を有する電子情報処理システムを備えていることが好ましい。そのシステムにより、ＮＭＲ信号の長時間積算において、ＳＮ比（信号対雑音比）改善の見られる限界の積算回数（最適積算回数）、あるいは限界の積算時間（最適積算時間）を得ることができる。そして、長時間積算の限界を評価し、ＳＮ比改悪を回避する基準とすることができる。
【００５０】
上記限界積算時間（回数）を算出するために、例えば、指数減衰関数、漸次減衰する関数（例、単調減少関数）を用いることができる。この中、指数減衰関数を用いるのが適当である。具体的には、実験データから上記式（１）の指数減衰関数に基づき、減衰速度定数ａを導き、１．２５６５又はその近傍を当該ａで除して当該限界積算回数を算出することができる。あるいは実験データから上記式（２）の指数減衰関数に基づき、減衰速度定数βを導き、１．２５６５又はその近傍を当該βで除して当該限界積算時間を算出することができる。
【００５１】
１．３  希ガス精製装置ないし希ガス精製方法
本発明生成供給装置は、さらに、試料又は生体に適用後のガスを回収するためのガス収納バッグ、当該ガス中の希ガスを減圧下で液体窒素冷却により固化分離させ、減圧吸引することにより酸素や窒素といった希ガス以外のガスを除くためのガス精製系、及び精製された希ガスを収納するためのガス収納バッグを含む希ガス精製装置を備えることができる。
【００５２】
また、本発明には、円偏光した励起光をアルカリ金属蒸気に照射することにより超偏極状態とし、当該超偏極磁化を希ガス原子核に伝達し超偏極希ガスを得るための偏極セル、及び前記偏極セルで生成され、排出された超偏極希ガスを試料に適用するための試料容器、又は生体に適用するためのガス吸入器具、若しくは試料若しくは生体に適用するための一時貯蔵容器を備えた超偏極希ガス生成供給装置によって生成され、試料又は生体に適用された希ガスの精製装置であって、試料又は生体に適用後のガスを回収するためのガス収納バッグ、当該ガス中の希ガスを減圧下で液体窒素冷却により固化分離させ、減圧吸引することにより酸素や窒素等の希ガス以外のガスを除くためのガス精製系、及び精製された希ガスを収納するためのガス収納バッグを含むことを特徴とする希ガス精製装置も含まれる。
【００５３】
更に、本発明には、円偏光した励起光をアルカリ金属蒸気に照射することにより超偏極状態とし、当該超偏極磁化を希ガス原子核に伝達し超偏極希ガスを得るための偏極セル、及び前記偏極セルで生成され、排出された超偏極希ガスを試料に適用するための試料容器、又は生体に適用するためのガス吸入器具、若しくは試料若しくは生体に適用するための一時貯蔵容器を備えた超偏極希ガス生成供給装置によって生成され、試料又は生体に適用された希ガスの精製方法であって、試料又は生体に適用後のガスを回収する工程、当該ガス中の希ガスを減圧下で液体窒素冷却により固化分離させ、減圧吸引により酸素や窒素等の希ガス以外のガスを除く工程、及び精製された希ガスを収納する工程を含むことを特徴とする希ガスの精製方法も含まれる。
【００５４】
例えば、試料が水溶液の場合、回収ガスには飽和水蒸気圧の水分が含有されている。また、動物の吸入実験のように偏極ガスに酸素を２０％程度まで混合することが必須であり、しかも生体特有の問題として、限られた時間内に実験を終了する必要がある。そのような場合、本発明生成供給装置をバッチ式とし、回収ガスを徹底的に脱酸素と乾燥を行って、当該ガスを再利用することが考えられる。当該希ガス精製装置は、そのために本発明生成供給装置に備えることができる。
【００５５】
希ガス精製装置及び希ガスの精製方法の本発明における上記一時貯蔵容器は、偏極セルで生成され排出された超偏極希ガスをそのまま又は液体窒素で固化して、試料又は生体に適用するまで一時的に保管しておくためのものである。当該超偏極希ガスを固化させた場合は、使用に際して気化させ、適当なバッグに収納し直して、例えばマウス等の生体に供給することができる。当該超偏極希ガスをガスのまま一時貯蔵容器に捕集した場合は、そのまま一時貯蔵容器から、例えばマウス等の生体に供給することができる。
【００５６】
１．３．１  精製第１段階：液体窒素冷却固化を利用したガス精製系
当該希ガス精製装置は、試料又は生体に適用後の回収ガス中の希ガスを減圧下で液体窒素冷却により固化分離させ、減圧吸引することにより酸素や窒素といった希ガス以外のガスを除くためのガス精製系を含む。かかるガス精製系において、まず、回収ガスを液体窒素で固化させ、希ガス（キセノンガス）より沸点の低い窒素や酸素をポンプ等で減圧下吸引して除去することができる。減圧としては、例えば、０．５気圧以下を挙げることができる。
【００５７】
上記の前処理として水分や炭酸ガスを除くことが好ましい。そのために、例えばドライアイス温度付近に冷却したガス精製用Ｕ字管に回収ガスを通過させたり、モレキュラーシーブ（ゼオライト、ゼオラムＡ−４など）、シリカゲル、活性アルミナ、活性炭等の吸着剤に回収ガスを通過させることが好ましい。従って、当該希ガス精製装置は、当該ガス精製系の前段階としてモレキュラーシーブ等の吸着剤を包含する精製器を有することが好ましい。
【００５８】
続いて、必要に応じて、当該吸着剤の微粉末など配管中で混入する可能性のある微粒子、ほこり、ちりなどを４μｍ程度のフィルターでろ過することができる。また、バクテリア・ウイルスを０．２μｍの滅菌フィルターで除去することができる。従って、当該希ガス精製装置は、当該ガス精製系の後段階にそれらフィルターを有することが好ましい。
【００５９】
１．３．２  精製第２段階：液体アルカリ金属を利用したガス精製系
当該希ガス精製装置は、さらに、液体窒素冷却下で固化分離された希ガスを更に精製するための液体アルカリ金属を留置するガス精製系を有することができる。かかる液体アルカリ金属は、偏極セルに充填されるＲｂ等を侵す不純物ガスを除去するものであり、常時強力に撹拌できる液状であることを特徴とする。当該液体アルカリ金属としては、例えば、融点以上に加温されたカリウムＫやナトリウムＮａ等が挙げられるが、室温で常時強力に撹拌可能な液状のアルカリ金属合金が好ましい。
【００６０】
当該アルカリ金属合金としては、例えば、カリウム・ナトリウム（Ｋ−Ｎａ）合金を挙げることができる（Ｇ．Ｌ．Ｃ．Ｍ．ｖａｎ  Ｒｏｓｓｅｎ，Ｈ．ｖａｎ  Ｂｌｅｉｓｗｉｊｋ，Ｚ．Ａｎｏｒｇ．Ｃｈｅｍ．，１９１２；７４：１５２−１５６）。当該アルカリ金属合金は、希ガス精製中、容易に常時撹拌される。
さらに、当該希ガス精製装置は、当該液体アルカリ金属を留置するための容器の前にモレキュラーシーブ（ゼオライト、ゼオラムＡ−４など）、シリカゲル、活性アルミナ、活性炭等の吸着剤を包含する精製管を有することが好ましい。
【００６１】
１．３．３  その他
当該希ガス精製装置は、本発明生成供給装置に備えることができるが、単独で用いることもできる。
また、上記第１段階と第２段階の精製は、連結して連続的に行うことができるが、別個にバッチ式で行うこともできる。
【００６２】
１．４  その他
本発明生成供給装置を用いて超偏極希ガスを生成供給するに際して、偏極セル内の圧力は０．５気圧以下で０．０５気圧以上であることが好ましい。より好ましくは、上限について０．２気圧以下で、特に好ましくは０．１気圧程度である。
本発明生成供給装置は、希ガス濃度が５０％以上ないし７０％以上、あるいは実質１００％である高濃度の超偏極希ガスを実施態様により連続的に生成供給することができる。
【００６３】
２  本発明に係る超偏極希ガス生成方法
本発明に係る超偏極希ガス生成方法（以下、「本発明生成方法」という。）は、円偏光した励起光をアルカリ金属蒸気に照射することにより超偏極状態とし、当該超偏極磁化を希ガス原子核に伝達し超偏極希ガスを得るための偏極セルを備えた超偏極希ガス生成供給装置によって超偏極希ガスを生成する方法であって、当該偏極セル内の融解した当該液状アルカリ金属を撹拌する工程、又は当該偏極セル内に希ガスと任意にクエンチガス及び／又はバッファーガスとを含む原料ガスが流入する前段階の予備室において、融解した液状の当該アルカリ金属を撹拌し、その蒸気を発生させ、当該原料ガスと共に当該偏極セル内に流入させる工程を含むことを特徴とする。
本発明生成方法により、偏極セル内のアルカリ金属の性能低下を抑えることができる。
【００６４】
２．１  偏極セル内で撹拌する場合
当該撹拌は、例えば、偏極セル内に、アルカリ金属と一緒に小粒のガラス製撹拌粒を数個から十数個を加え、偏極セル全体を機械的に振とうし、撹拌粒を振動させ加温溶融したアルカリ金属液面を撹拌することによって行うことができる。当該ガラス製撹拌粒の径は、例えば、２〜５ｍｍであり、アルカリ金属の液面より高めのものが好ましい。
【００６５】
当該撹拌により、表面で形成されたアルカリ金属反応物（アルカリ金属の水酸化物や酸化物）の薄膜を壊し、アルカリ金属の新鮮な液面が希ガス（キセノン）蒸気と直接接触することを促進することができる。当該撹拌は測定中に常時行うことが好ましいが、アルカリ金属液面の劣化が進行していなければ、例えば、試料交換の際や一日の測定の始めに行う程度でよい。
【００６６】
２．２  偏極セル外で撹拌する場合
当該撹拌は、偏極セル内に希ガスとクエンチガス及び／又はバッファーガスとを含む原料ガスが流入する前段階の予備室において行うことができる。具体的には、当該予備室に融解した液状のアルカリ金属を留置し、そのアルカリ金属を、例えば、磁気撹拌器を用いて行うことができる。この場合、測定実施中も常時撹拌することができる。これにより、前記偏極セル内での撹拌と異なり、磁気撹拌器の磁場の偏極セルへの影響を避けつつ容易に撹拌することができる。
【００６７】
当該予備室の温度は、偏極セルの温度と同じに設定することが基本であるが、５〜１０℃ほど高めに設定するのが好ましい。これは、室温で流入した原料ガスが予備室を通過する間に偏極セル内の温度程度まで昇温し、それによってアルカリ金属の蒸気濃度が偏極セル温度での飽和蒸気圧と同等程度まで上昇することを容易にするからである。
なお、各用語の意義などについては、前記と同義である。
【００６８】
３  本発明の具体的実施形態
以下、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。
３．１  図１に係る本発明生成供給装置
図１は、本発明生成供給装置の一実施形態に係る概略構成図である。
偏極セル１０は循環恒温槽６が供給する油浴１５に浸され、定電流電源１８を励起電源とするヘルムホルツコイル９の磁場内に置かれる。偏極セル１０はレーザー光源２から円偏光器５を通った光が入射する位置に設置される。偏極セル１０は入口と出口を備え、入口側は予備室であるＲｂ蒸気供給ユニット２１を介してガス精製ユニット７、マスフローコントローラー１３につながり、偏極ガスの原料ガスタンク３につながる。
【００６９】
Ｒｂ蒸気供給ユニット２１は、所定の温度に加温するヒーターで包まれ、液化したＲｂを撹拌する撹拌器２２を備え、偏極セル１０にＲｂ蒸気を安定的に供給する。Ｒｂ蒸気供給ユニット２１は、磁気的撹拌器を使用する場合は撹拌器の磁場が、ヘルムホルツコイル９に影響を及ぼさないようヘルムホルツコイル９の外側に設置される。偏極セル１０の出口は、ガス吸引用のローラーポンプ１７を通して試料容器１につながる。試料容器１の出口には、ガスを回収し循環させるための配管１９が備えてあり、偏極ガスの原料ガスタンク３と並列してマスフローコントローラー１３につながる。図中、４は予備タンク（バラストタンク）、１６は圧力計、２５は真空ポンプである。ガス流路の開閉のため、必要に応じ各所に、耐高真空性の開閉コック２３が設けられる。
【００７０】
原料ガス及び回収ガスの乾燥・精製方式に関して、乾燥剤としてＲｂと同族のカリウム・ナトリウム（Ｋ−Ｎａ）合金のように室温で液状のアルカリ金属合金を留置し強力な乾燥能力を発揮すると共に、当該アルカリ金属合金を磁気的撹拌器等で常時撹拌でき、容器のガラス壁面越しに乾燥能力の変化（劣化）を瞬時に目視判定でき、かつ、重量につき同量程度の水分を処理できる特徴を有する乾燥・精製器（ガス精製ユニット７）を備える。
【００７１】
半導体工業などで使われるガス精製器として市販品が入手できるが、例えば、超高純度ガス精製装置ミニファインピュアラーＭＦＰ型、リキッドガス社製では、０．１ｐｐｍＯ２あるいは０．５ｐｐｍＨ２Ｏの原料ガス中に不純物がある場合、４００ｍ３が不活性ガス処理の限界である（マニュアル参照）。アルカリ金属によれば、例えば、２Ｎａ＋Ｏ２→Ｎａ２Ｏ２及び２Ｎａ＋２Ｈ２Ｏ＝２ＮａＯＨ＋Ｈ２の反応式から分かるように、１ｇのＮａは０．６９６ｇのＯ２及び０．３９１ｇのＨ２Ｏを吸収できる。これらは、０．１ｐｐｍＯ２あるいは０．５ｐｐｍＨ２Ｏの原料ガス中不純物濃度とした場合、それぞれ、４８８０ｍ３及び１０６０ｍ３（Ｏ２密度＝１．４３ｇ／Ｌ（０℃１気圧）、Ｈ２Ｏの飽和蒸気密度＝２３ｍｇ／Ｌ（２５℃，２３．７６ｍｍＨｇ））の不活性ガスを精製できることになる。即ち、１ｇのＮａは、上記ミニファインピュアラー１個の１２．２倍（Ｏ２について）及び２．７倍（Ｈ２Ｏについて）の精製能力を有することになる。
【００７２】
また、Ｏｘｉｃｌｅａｒ（Ｄｉａｍｏｎｄ  Ｔｏｏｌ  ＆  Ｄｉｅ，Ｉｎｃ．，ＵＳＡ）は、クロマトグラフィーで使用される高純度不活性ガスの分析化学用のガス精製器であり、酸素処理能力はＯｘｉｃｌｅａｒ１個当たり４０ｍＬである。一方、１ｇのＮａの酸素処理能０．６９６ｇは４８７ｍＬのガス量に相当するので（ガス密度１．４２９ｇ／Ｌ）、Ｏｘｉｃｌｅａｒ１個の１０倍以上の精製能力を有する。それ故、不活性ガスの精製において、Ｎａのようなアルカリ金属の優位性は明らかである。
【００７３】
原料ガス及び回収ガスを送風するためのポンプは、偏極セル内を吸引し０．５気圧以下、より好ましくは０．２気圧以下、特に好ましくは０．１気圧程度の減圧に保つことができると同時に、試料への供給ガスの圧力は１．５気圧程度、より好ましくは２気圧程度まで上げることができる特徴を有し、外気との機密性の高いダイアフラムポンプ、より好ましくは、外気のリークを極度に防御できる機密性プラスチックチューブを装着したローラーポンプを使用することができる。
【００７４】
偏極セル１０内には、Ｒｂと一緒に小粒のガラス製撹拌粒（径は２〜５ｍｍ、Ｒｂの液面より高めとする）を数個から十数個を加え、セル内で加温融解したＲｂの撹拌に利用することができる。偏極セル全体を機械的に振とうすることにより、撹拌粒を振動させＲｂ液面を撹拌することができる。これにより、表面で形成されたＲｂ反応物（Ｒｂの水酸化物や酸化物）の薄膜を壊し、Ｒｂの新鮮な液面がキセノン蒸気と直接接触することを促進することができる。偏極セル中のＲｂの撹拌は、Ｒｂ液面の劣化の程度にもよるが、通常は測定中に常時行う必要はなく、試料交換の際や一日の測定の始めに行う程度でよい。
【００７５】
実施中のＲｂの常時撹拌は、Ｒｂ蒸気供給ユニット２１において行うことができる。これにより、磁気撹拌器の磁場の偏極セルへの影響を避けつつ容易に撹拌の目的が達せられる。コンパクトな設計等の理由で偏極セルの近くで磁気撹拌器を使用する場合は、磁気シールドで磁気撹拌器を囲むことにより偏極セルへの影響を回避することができる。Ｒｂ蒸気供給ユニット２１を設けないで、偏極セル中のＲｂを、磁気を用いずに機械的方法などにより常時撹拌することも可能であるが、偏極セルの構造が複雑となってしまうことが懸念される。
【００７６】
Ｒｂ蒸気供給ユニット２１内の温度は、偏極セル内の温度と同じに設定することが基本であるが、５〜１０℃ほど高めに設定することが好ましい。これは、室温で流入した原料ガスがＲｂ蒸気供給ユニット２１を通過する間に偏極セル内の温度程度まで昇温し、それによってＲｂ蒸気濃度が偏極セル温度での飽和蒸気圧と同等程度まで上昇することを容易にするからである。
【００７７】
ヘルムホルツコイル９には、ＬａｋｅＳｈｏｒｅ社製のＭｏｄｅｌ  ＭＨ−１２を用い、同電源１８には、高砂製作所社製のＧＰ０１１０−１０Ｒ形定電流電源を用いることができ、これにより２Ａの電流を流すことができる。
【００７８】
偏極セル１０は、直径６０ｍｍで長さ２００〜４００ｍｍのシリンダー状縦型ガラスセルであり、Ｒｂは底部に封入され、超偏極されるガスはＲｂ液面に吹き付ける形で送風される。マスフローコントローラー１３は、コフロック社製Ｍｏｄｅｌ  ５１００  Ｓｅｒｉｅｓを用い、ローラーポンプ１７には、古江サイエンス社製のＲＰ−ＮＢ型を用いることができる。チューブには、Ｐｈａｒｍｅｄ  ＢＰＴ（内径４／外径８）を使用することができる。超偏極ガスの配管系にはガラス（パイレックス（登録商標））あるいはＰｈａｒｍｅｄ  ＢＰＴ（内径２／外径３、透明）、あるいはポリエチレンチューブを用いることができる。
【００７９】
ガス精製器であるガス精製ユニット７にアルカリ金属Ｋ−Ｎａ合金を用いる場合の合金の撹拌や、Ｒｂを撹拌する撹拌器２２の撹拌では、高速回転は必要としないが、実験途中での停止を避けるため回転トルクは高い方が好ましい。従って、化学実験に使われるマグネティックスターラーＳＮ−５のようなタイプよりもシンクロナスモーターを利用した方がより好ましく、ネオジム系の強い回転磁石を備えたものが特に好ましい。
【００８０】
３．２  本発明生成供給装置における超偏極希ガス生成供給システムの全体的な緩やかな性能低下に関する対応策を以下に記載する。
一般に、情報処理の理論によれば、ｎ回の信号積算によるＳＮ比の改善効果は次式（Ａ）で表される。
【００８１】
【数５】
2019100889.tif 000007
【００８２】
式中、ＳＮ（ｎ）はｎ回積算の場合のＳＮ比であり、ＳＮ（１）は１回測定における基本的ＳＮ比を表す。
【００８３】
この関係式に従えば、積算回数を増やせば増やしただけＳＮ比の改善が得られ、当初はノイズに埋もれていた信号も観察可能となる。ただし、超偏極信号の積算の場合は、超偏極信号特有の問題を考慮する必要がある。それは偏極セルの長時間使用に伴う性能劣化であり、この問題は従来より看過されてきた。即ち、長時間の偏極実験ではＲｂの劣化が問題となり、積算回数が増加してもＳＮ比の増大がみられず、逆に低下さえ起こり得る。これはＲｂの劣化による１回あたりのＳＮ比の低下が原因である。
超偏極セルを使った長時間積算における１回あたりのＳＮ比の時間変化が指数減衰型とすると、
【００８４】
【数６】
2019100889.tif 000008
【００８５】
と表される。ここで、ＳＮ（ｎ）はｎ番目の１回測定におけるＳＮ比であり、測定開始時のＳＮ比をＳＮ０として、この値から測定回数依存的に減衰速度定数はａで指数減衰的に低下する。また別様式として、この減衰を時間依存的に表現すると、減衰速度定数をβとして、
【００８６】
【数７】
2019100889.tif 000009
【００８７】
と表される。ここで、ＳＮ（ｔ）はｔ秒後の１回測定におけるＳＮ比である。１回測定の繰り返し時間をＲとすると、ｔ＝ｎＲであるので、ａ＝βＲの関係が成立する。
ＳＮ（ｎ）はｎ番目の１回測定におけるＳＮ比であるので、ｎ回の測定を全て加算した後のＳＮ比をＳＮ（ｎ）として計算すると、
【００８８】
【数８】
2019100889.tif 000010
【００８９】
となる。ここで、ＳＮ比の計算で、１回あたりの雑音が１に対して信号がＳＮ０×ｅ−ａｎであることを考慮した。そこで、（３）式右辺の関数（１−ｅ−ｎａ）／（１−ｅ−ａ）の最大値を与えるｎを求めてみる。この関数をｎについて微分して０となる条件として、
【００９０】
【数９】
2019100889.tif 000011
【００９１】
を得る。この式の左辺の値を種々のｎａについて計算すると、表１のようになる。
【００９２】
【表１】
2019100889.tif 000012
【００９３】
即ち、小数点第４位まで０の精度のｎａ解は１．２５６５であることが分かる。即ち、最高のＳＮ比を与える積算回数をｎＳＮｍａｘとすると、ｎＳＮｍａｘａ＝１．２５６５となり、ａ＝０．１６５×１０−４の場合は、ｎＳＮｍａｘ＝７６，０００となる。従って、７６，０００回以上に積算を増やしても積算の効果は期待できず、かえってＳＮ比の低下を来たすことが分かる。逆に、この回数以上の積算でＳＮ比の減少が見られても、アーチファクトではなく正規のピークである可能性があることが分かる。別の例として、ａ＝０．２１３×１０−４の場合は、５９，０００回がＳＮ比最高の積算回数となる。一般に、通常のＮＭＲの積算実験では、ＳＮ比が充分高い場合を除いて、積算回数を増やすことによりＳＮ比が低下するとき、そのピークはアーチファクトの可能性が高いと判断される。しかし、超偏極実験の場合は、そうとは限らず、ＳＮ比の最大値を与える積算回数ｎＳＮｍａｘを予め予測し、それを目安に弱い信号の検出を確認する点に留意しなければならない。
【００９４】
同様の考察を積算時間ｔについて行う。ｔ＝ｎＲとａ＝βＲの関係から、ｎａ＝１．２５６５の最適条件はβｔ＝１．２５６５となり、最適積算時間をｔＳＮｍａｘと表すと、ｔＳＮｍａｘ＝１．２５６５／βを得る。上記のａ＝０．１６５×１０−４  の場合、Ｒは０．２５秒であるので、β＝０．６６×１０−４／秒となり、ｔＳＮｍａｘ＝１．９０×１０４秒＝５．３時間となり、約５時間までの積算がＳＮ比改善に有効であることが分かる。
【００９５】
以上のように、システム全体の減衰速度定数βを測定することにより、ｔＳＮｍａｘ＝１．２５６５／βより最高のＳＮ比改善効果が得られる積算時間を評価し、ｎＳＮｍａｘ＝β／Ｒから最高のＳＮ比改善効果が得られる積算回数を評価できる。弱い信号の積算では、これらの制限時間（制限回数）程度の積算が有効であり、それ以上の積算は有効でないとの基準が得られる。また、これらの制限を超えての積算で新しい信号が観察された場合は、ＮＭＲ装置からのノイズ、あるいはＮＭＲ装置外からのノイズの混入などアーチファクトの可能性が高いと判断できる。
【００９６】
以上の減衰速度定数ａ又はβの決定は、長時間積算の途中で積算を一時的に中断して１回積算データを収集することを、適当な時間間隔をおいて、複数回繰り返すことにより求めることができる。また、個々の偏極セルの特性値として、長時間積算と別個に求めることもできる。
【００９７】
なお、ｎａ＝１．２５６５は限界条件であるが、必要に応じて、上記ａ又はβで除する１．２５６５の値に代えて、例えば、１．２５６５×ｍ（ｍは限界条件（ｍ＝１）からの許容定数、０．５≦ｍ≦２）の値で限界積算回数ないし限界積算時間を評価することができる。好ましいｍの範囲は、１を中心に、０．８≦ｍ≦１．５であり、より好ましくは、０．９≦ｍ≦１．２である。
【００９８】
３．３  図２は、本発明のバッチ式運用での回収キセノンガス精製方法の一実施形態に係わる回収希ガス精製装置の概略構成図である。
本発明で用いる原料ガスにはアルカリ金属の劣化を最大限に回避できる高度な精製が求められる。従って、回収ガスの精製は、まず、不純物としては量の多い窒素と酸素（空気）および水分の除去を行う第１段階と、その上で、残留する微量の酸素や水分および炭酸ガスの高度な除去を行う第２段階から構成されることが好ましい。
【００９９】
具体的には、第１段階では、キセノンガスを液体窒素浴に通して固化させ、キセノンガスより沸点の低い窒素や酸素をポンプで吸引して除去することを主工程とする。その前処理として水分や炭酸ガスを除去する工程を含むことが好ましい。第２段階では、偏極セルに充填したＲｂを侵す不純物ガスを、アルカリ金属合金を用いて除去することを主工程とする。
以下に、使用回収した、本発明に係る希ガスの精製方法を、図３と４に示す一実施形態に基づき説明する。
【０１００】
３．３．１  精製第１段階
図３は、精製第１段階の一実施形態を示しており、下記３つの工程を含んでいる。
（１）特に水分が多い場合において、ドライアイス温度付近に冷却したガス精製用Ｕ字管（ドライアイス・メタノール浴８）により、水分の大半を除去する工程。
（２）モレキュラーシーブ（５Å）精製器１４により、残留水分を除去する工程。
（３）液体窒素冷却のガス精製瓶１１で、キセノンガスを固化分離し、０．１気圧以下の減圧下で酸素や窒素を除去する工程。
この他、必要に応じ、下記の第４工程を第３工程の後に挿入することもできる。
（４）モレキュラーシーブの微粉末など配管中で混入する可能性のある微粒子、ほこり、ちりなどをろ過する４μｍ程度のフィルターで除去する工程。場合によっては、滅菌フィルター（０．２μｍ）を併用し、バクテリア・ウイルスを除去する工程。
【０１０１】
第１工程は、混入空気と水分の除去が主な目的である。次の第２工程では第１工程で取り除けず残留する空気中の酸素および炭酸ガスや水分を除くのが主目的である。
【０１０２】
図３に係る器具・パーツは、前記と同様の器具・パーツを併用することができる。図３のバッチ式運用においては、ガス収納バッグ２４左は、ドライアイス／メタノール浴８中で冷やされたＵ字管につながり、さらにモレキュラーシーブ（ゼオライト、ゼオラムＡ−４など）を詰めたＵ字管のモレキュラーシーブ精製器１４を通り、液体窒素で冷やされたＵ字管ガス精製瓶１１へとつながる。Ｕ字管ガス精製瓶１１は、出口側で精製後のガス収納バッグ２４右と真空ポンプ２５及びガス吸引用のローラーポンプ１７につながる。Ｕ字管ガス精製瓶１１を冷却する液体窒素魔法瓶は、図面では（ラボ）ジャッキを備え上下移動を可能とすることができる。最後のローラーポンプ１７の出口は大気開放であり、キセノン以外の余分なガスを排出する。真空ポンプ２５は、精製操作の最初に配管中に含まれる空気の排気に用い、最後に、液体窒素で固化されたキセノンを吸引しキセノン以外の余分なガスの完全な排気に用いることができる。Ｕ字管ガス精製瓶１１は、また、圧力計１６と圧力開放弁２０につながり、ガス内圧を表示すると共に、内圧が（数気圧以上の）異常な圧まで上昇した場合の安全弁となる。
【０１０３】
精製操作中の配管内圧の調整は、まずガス収納バッグ２４左につながるマスフローコントローラー１３の流量設定（５０〜２００ｍＬ／分程度）に対応して、ローラーポンプ１７の吸引速度の調整により行うことができる。配管内圧力は後述のように、液体窒素で固化するガスを除いたガス中の酸素分圧が２０ｋＰａ以下となることが好ましく、キセノン：窒素：酸素＝３５：１５：１０の比で含まれる混合ガスについては、０．５気圧以下が好ましく、０．７気圧程度までが許容範囲と見なすことができる。
ガス流路の開閉のため、必要に応じ各所に、耐高真空性の開閉コック２３が設けられる。
【０１０４】
３．３．２  精製第２段階
図４は、精製第２段階の一実施形態を示しており、下記２つの工程を含んでいる。
（５）モレキュラーシーブ（ゼオライト、ゼオラムＡ−４など）精製器１４により、微量水分を除去する工程。
（６）液体アルカリ金属合金（カリウム・ナトリウム合金）内蔵のガス精製器１２により、更に精製する工程。
【０１０５】
図４に係る器具・パーツは、前記と同様の器具・パーツを併用することができる。図３の第１段階で精製済のガス収納バッグ２４右は、ガス送風用のローラーポンプ１７を介してモレキュラーシーブ（ゼオライト、ゼオラムＡ−４など）精製器１４につながり（第５工程）、さらに金属合金内蔵のガス精製器１２を通り（第６工程）、ガス収納バッグ２４左につながる。ガス精製器１２は、磁気撹拌器を用いるなどして内部の金属合金（液体）を常時撹拌することができる。ガス精製器１２の出口側には真空ポンプ２５がつながり、精製操作の最初に配管中に含まれる空気の排気に用いることができる。モレキュラーシーブ精製器１４とガス精製器１２にはバイパスが設けられ、一度精製したガスを再度精製したい場合に、バイパスを経由してガス収納バッグ２４右に移送して戻すことができる。ガス流路の開閉のため、必要に応じ各所に、耐高真空開閉コック２３が設けられる。
【０１０６】
３．３．３  酸素の液化に関する注意点
回収ガスから酸素や窒素の混入ガスを除去する第３工程においては、回収ガスを液体窒素浴に通してキセノンを固化させ真空ポンプで吸引すれば、この温度で固化しない窒素や酸素は速やかに除去されるはずである。ところが、実際にこの操作を行ってみると、真空ポンプで十分吸引したにも拘わらず、固化分離し再気化させたキセノンに酸素が残留し、次の工程でのアルカリ金属合金による乾燥で乾燥剤の顕著な発熱と変色が見られた。これを詳細に観察すると、液体窒素温度でキセノンを固化させた際、固体キセノンの周りに液体酸素の残留が認められた。低温における酸素の蒸気圧は次式で表される（（社）低温工学協会編、超伝導・低温工学ハンドブック、ＩＶ．  資料編２章液体の物性、ｐ．１０３８、オーム社（１９９３）参照）。
【０１０７】
【数１０】
2019100889.tif 000013
【０１０８】
ここで、Ｐ０＝１０１３２５Ｐａ、Ｔ０＝９０．１８８Ｋであり、式の適用温度範囲はＴ＝５４．３６１〜９４Ｋである。この式から、酸素の蒸気圧は、液体窒素温度の７７Ｋで２０ｋＰａであることが分かる。
【０１０９】
従って、酸素分圧がこの圧よりも高いガスを、液体窒素中を通過させると、酸素の液化が起こることとなる。一例として、ガス組成がキセノン：窒素：酸素＝３５：１５：１０であるガスを大気圧下で扱った場合には、この混合ガス組成における酸素分圧は１７ｋＰａとなり、酸素の液化は起こらないはずである。しかるに、実際にキセノンが固化分離する界面を考えると、キセノン固化後の残留ガス組成は、窒素：酸素＝１５：１０となり酸素分圧は４０．５ｋＰａに上昇し液化が起こってしかるべき状況となる。即ち、約半分の酸素が液化することとなる。また、ここでの酸素除去の第２の問題点は、酸素の液化がキセノンの固化と同時進行的に進むため、酸素が固体格子の間に閉じ込められる形で液化し、このため、真空ポンプ吸引によっても液体酸素を完全に除去するのが著しく妨げられることである。この２点を回避し、上記組成の混合ガスについても、液体酸素の残留をなくする方法として  次の２点を挙げることができる。
【０１１０】
・液体窒素での混合ガスの冷却は減圧下で行う。即ち、上記キセノン：窒素：酸素＝３５：１５：１０の混合ガスについては、配管内圧力を０．５気圧以下に下げる。
・アルカリ金属合金による精製の直前にモレキュラーシーブ上を通す（少量の酸素が残留していても除去可能）。
【０１１１】
減圧の条件としては、液体窒素で固化するガスを除いたガス中の酸素分圧が２０ｋＰａ以下となることが好ましく、キセノン：窒素：酸素＝３５：１５：１０の比で含まれる混合ガスについては、０．５気圧以下が好ましい。ただし、液体窒素温度で固化するＸｅの表面では、固化に伴いガス中のＸｅ濃度は急激にゼロに近くなるが、拡散によりＸｅガスが周辺から補充されるので、この減圧の条件は多少緩和される。本願における実験では、当該ガスについて０．７気圧程度までが許容範囲と認められた。
【実施例】
【０１１２】
以下、実施例を示して本発明をより具体的に説明する。但し、本発明は以下の実施例に何ら限定されるものではない。
なお、下記実施例では、原料ガスとしてキセノン９０％・窒素１０％の混合ガスを用い、アルカリ金属としてルビジウム（Ｒｂ）を用いているが、この組成に限られることはなく、また、キセノンガスに限定されることもない。
レーザー励起光源として、ＣＯＨＥＲＥＮＴ社のＦＡＰ  ＳＹＳＴＥＭ（出力６０Ｗ）を用いた。中心波長は７９５ｎｍで半値幅は２．４ｎｍの広幅タイプである。偏極率は３〜５％であった。
ＮＭＲの測定は、Ａｇｉｌｅｎｔ  ＩＮＯＶＡ  ４００ＷＡにより行い、１２９Ｘｅの共鳴周波数は１１０．６ＭＨｚである。
【０１１３】
［実施例１］セル減衰速度定数の測定によるＲｂ撹拌効果の実証
Ｒｂ撹拌効果が偏極セルの特性としての減衰速度定数βにどの程度の影響を及ぼすかを検討した。その結果に示す。
【０１１４】
（１）Ｒｂ撹拌は、ヘルムホルツコイル９の外に置いたＲｂ蒸気供給ユニット２１内で行った（実験結果は図５ｂ）。対照実験としては、このユニットは室温のままとし（Ｒｂは固化）、Ｒｂ蒸気の供給は偏極セル１０の底部にあるＲｂからのみとした（実験結果は図５ａ）。偏極セル底部のＲｂは、常時撹拌せず、図５ａとｂとの切り替えの間に一度手動で撹拌したのみである。
【０１１５】
図５の実験結果から、Ｒｂ蒸気供給ユニット２１内でＲｂの撹拌を行わなかった場合の減衰速度定数βは、０．１８５±０．０１８／ｈｒｓであった（図５ａ）。Ｒｂ蒸気供給ユニット２１内でＲｂの撹拌を行った場合の減衰速度定数βは、０．０２８±０．００４／ｈｒｓであった（図５ｂ）。従って、Ｒｂ撹拌により減衰速度定数βは１／６．６に低下し、顕著な撹拌効果が得られた。減衰の時定数として５．４時間（＝１／０．１８５）から３５．７時間（＝１／０．０２８）まで、顕著に増大することが確認できた。    
【０１１６】
（２）図５の実験は、ＮＭＲ試料管１が空で、サンプルからの不純物混入のない条件下で行ったが、サンプルを充填した状態で同様の実験を行った。サンプルには局方ゼラチン空カプセル（（ＨＦカプセル）＃２、松屋社製）を短冊状に切ったもの０．１８ｇを、１０φのＮＭＲ試料管１に詰め、試料管１の底部から細いガラスキャピラリーを通してキセノンガスを３５ｍＬ／分の流速で流した。その実験結果を図６に示す。
【０１１７】
図６の実験結果から、Ｒｂ蒸気供給ユニット２１内でＲｂの撹拌を行わなかった場合の減衰速度定数βは、０．１９２±０．０１８／ｈｒｓであった（図６ａ）。Ｒｂ蒸気供給ユニット２１内でＲｂの撹拌を行った場合の減衰速度定数βは、０．０５７±０．００６／ｈｒｓであった（図６ｂ）。従って、Ｒｂ撹拌により減衰速度定数βは１／３．４に低下し、減衰の時定数としては５．２時間（＝１／０．１９２）から１７．５時間（＝１／０．０５７）まで、顕著に増大した。また、最適積算時間ｔＳＮｍａｘは６．５時間（＝１．２５６５／０．１９２）から２２．０時間（＝１．２５６５／０．０５７）まで延長した。
【０１１８】
［実施例２］長時間積算による弱い信号の観察（吸着したキセノンのＮＭＲ信号）
フィルムやチューブのような高分子材料では、表面特性が素材としての特徴を表す重要な因子となることが多い。キセノンガスは疎水的性質を反映して高分子表面に吸着され易く、この吸着したキセノン信号の観察は、高分子素材の物性・機能の評価に貴重な情報を提供できるはずであるが、ゼオライトのような細孔性試料に比べ、適用例は著しく少ない。これは対象表面積の大きな相違に原因がある。しかし、吸着キセノンの信号観察の感度が向上すれば、高分子材料もゼオライト等と同様の大きな応用が期待できる状況にある。
【０１１９】
図７にポリエチレンチューブに本発明生成供給装置を適用した例を示す。
外径１．９ｍｍ内径１．４ｍｍのポリエチレンチューブ（ナツメ製作所社製）１本を１０φのＮＭＲ試料管１に差し込み、試料管底部から超偏極ガスを３５ｍＬ／分の流速で噴出させつつ１２９ＸｅのＮＭＲを測定した。その結果を図７に示す。積算回数（ｃｔ）１回（信号取り込み時間０．２秒）ではガス信号しか認められなかったが（図７ａ）、積算回数９６２、積算時間１１．３分、信号取り込み時間０．２秒、待ち時間ｄ１＝０．５秒で積算することにより２０１．８ｐｐｍの信号が確認できた（図７ｂ）。非常に強いガス信号を弱めるため、受信回路のフィルターバンド幅を正規の３３ｋＨｚから１０ｋＨｚに下げて０ｐｐｍのガス信号の抑制を図り、積算回数７２６４、積算時間１．４１時間で積算することにより、バースラインのうねりが生じるが、２０１．８ｐｐｍのポリエチレン吸着信号を更に強く観察できた（図７ｃ）。
【０１２０】
溶媒消去（抑制）のパルス系列（ｂｉｎｏｍその他のパルス系列）を利用すれば、さらにガス信号の抑制ができる。その例として、セルロースホワイトカプセル２号（松屋社製）に本発明生成供給装置を適用した図８を示す。ここでは、強い０ｐｐｍのガス信号を抑制するために、パルス系列ｂｉｎｏｍを利用している。
【０１２１】
実験は、カプセルの胴体部分０．１４５ｇを短冊状に切り、１０φＮＭＲ試料管内に入れた。超偏極キセノンガスは外径２ｍｍ／内径１ｍｍ程度のガラスキャピラリーを通して、ＮＭＲ試料管１の底部から吹き出させた。流速は３５ｍＬ／分であり、積算回数４７，３９２、積算時間３．３時間である。ｂｉｎｏｍ系列では、非常に強い０ｐｐｍのガス信号をスペクトルの中心に置くことにより強度を大幅に削減できる。その結果、２００ｐｐｍ付近に線幅１９ｐｐｍの幅広いピークが観察された（図８）。
従って、カプセル表面に吸着したキセノン信号の観察から、カプセルの経年劣化（硬度や溶解性など）のような品質管理に利用できる可能性がある。
【０１２２】
［実施例３］２次元ＮＭＲでの長時間積算
固体表面でのガス吸着の特性として、吸着された１２９ＸｅのＮＭＲ化学シフトの他、吸着の動力学（吸着速度や活性化パラメーター等）がある。そこで、医薬品バファリン錠剤（０．４ｇ）に本発明生成供給装置を適用した例を図９示す。
【０１２３】
結果として、２．５時間の積算で交差ピーク（右下）が確認できた。この交差ピークの出現は、対角線上にあるキセノンガス相（０ｐｐｍ）と錠剤表面への吸着状態（４２ｐｐｍ）との２つのピークの間に、混合時間（ｍｉｘｉｎｇ  ｔｉｍｅ）内にキセノンの交換が起こること、その交換速度は、混合時間の１０ミリ秒当たり１回程度であることが分かった。このような測定から、吸着の動力学パラメータが求められ、経年劣化等の品質管理に有効な手段となることが期待できる。
【０１２４】
［実施例４］動物実験に用いた超偏極キセノンガスの回収ガスの精製
マウス動物実験に用いた超偏極キセノンガス５０Ｌをガス収納バッグ２４に回収し、図３及び図４の装置を用いて２段階での精製を行った。図３において、ガス収納バッグ２４左は５０Ｌの回収ガスを含む。
【０１２５】
まず、予め、別の真空装置にて２３０℃で６時間ほど加熱処理したゼオラムＡ−４の１００ｇをモレキュラーシーブ精製器１４に入れ、真空ポンプ２５で配管全体を予備的に吸引して脱気乾燥し、ガス収納バッグ２４右も内部に残留空気がないよう脱気した後、全ての開閉コック２３を閉じた。その上で、ガス精製用Ｕ字管（外径２０ｍｍ）は、ドライアイス・メタノール浴８で冷やし、Ｕ字管ガス精製瓶１１（外径２０ｍｍ）は液体窒素で冷やした。次いで、開閉コック２３をガス収納バッグ２４左の方から順次開けて回収ガスを流した。配管内が大気圧付近になったのを確かめ、ローラーポンプ１７を動かし液体窒素浴で固化しなかった残留ガスを大気中に排気した。排気速度は、ローラーポンプ１７の回転数とマスフローコントローラー１３による流量設定（１００ｍＬ／分程度）により調節し、圧力計１６で見た内圧が０．７気圧以下であった（好ましくは０．６気圧、より好ましくは０．５気圧程度）。液体窒素浴の高さは、時間と共に徐々に上げて行き、固化キセノンがＵ字管内でガス通路を塞がないように気を付けた。なお、配管内の圧力は、ガス収納バッグ２４左のガスの大半が処理された時点で、０．５気圧程度にまで下がっているのが望ましい。これは、液体酸素が固化キセノンの中に残存することを避けるためである。
【０１２６】
ガス収納バッグ２４左の中のガスがなくなった時点で、このバッグの開閉コック２３を閉じ、モレキュラーシーブ精製器１４とＵ字管ガス精製瓶１１の間の開閉コック２３を閉じた上で、ローラーポンプ１７で圧力計１６の圧力が下がりきるまで５〜１０分吸引した。さらにローラーポンプ１７から真空ポンプ２５に切り替え、より強く真空吸引した。この時、液体窒素浴は十分上まで上げて、Ｕ字管内の固化キセノンが全て完全に液体窒素レベルの下になるよう保持した。次に、真空ポンプ２５の開閉コック２３を閉じ、ガス収納バッグ２４右の開閉コック２３を開けて、液体窒素浴を徐々に下げて固化キセノンを気化させた。この操作は緩やかに行い、キセノンの急激な気化を避けた。なお、固化キセノンが気化する過程で一時的に液体キセノンを経過し液体が見えることがあるが、固化キセノンの周りに発泡性の液体が見え、固体が徐々に融解する現象が見られない場合は、液化酸素が気化している可能性があるので、圧力計１６を見て内圧の急な上昇に注意する必要がある。
以上の操作で約２８Ｌのガスを収納した。
【０１２７】
精製第２段階では（図４）、モレキュラーシーブ精製器１４に、前もって別の真空装置にて２３０℃で６時間ほど加熱処理した１００ｇのゼオラムＡ−４を充填し、ガス精製器１２にはＫ―Ｎａ合金（Ａｌｄｒｉｃｈ社製）を約２ｇ充填し、常時磁気撹拌器により合金の新鮮な表面光沢が見えるようにした。図４のセットで、右のテドラバッグとして精製第１段階で得たガス収納バッグ２４右をつなぎ、ローラーポンプ１７につないだ。真空ポンプ２５で配管全体を予備的に吸引して脱気乾燥し、ガス収納バッグ２４左も内部に残留空気がないよう十分に脱気した。ガス収納バッグ２４右からローラーポンプ１７を介して送風した。流速は５０〜１００ｍＬ／分程度とした。開閉コック２３は、バイパスの２個と真空ポンプの１個は閉じておいた。モレキュラーシーブ精製器１４とガス精製器１２を一度通した後、バイパスを通してガスを元のガス収納バッグ２４右へ戻し、精製操作を繰り返した。ガス精製器１２の表面光沢が失われない状態で全ガスを通過させ精製操作を完了した。
【０１２８】
最終精製ガスとして２５Ｌのキセノンガスが得られた。動物実験での回収ガスの組成は、５８％  Ｘｅ＋２５％Ｎ２＋１７％Ｏ２であったので（Ｘｅ３５ｍＬ／分：窒素１５ｍＬ／分：酸素１０ｍＬ／分でマウスに供給。即ち、窒素３０％含むＸｅガスを偏極後に酸素１０ｍＬ／分を追加してマウスに供給）、全精製後のキセノンの回収率はおよそ８６％であった。
【産業上の利用可能性】
【０１２９】
本発明は、材料や新素材の工業分析分野、及び医薬品開発や薬効薬理解明のための生体計測（動物実験）分野において、高感度化した希ガス、特にキセノンガスのＮＭＲ（核磁気共鳴）やＭＲＩ（磁気共鳴イメージング）の適用拡大を実現し、操作性と経済性の向上と併せて幅広い普及を促進することができる。特に、新素材開発における表面分析や空洞解析に有用なツールを提供することができる。生体内空洞としての肺の機能評価においては、新しい画像診断ツールの開発と普及を通して前臨床研究で利用が進み、医薬品開発に有効利用することができる。医療用ＭＲＩについては、超偏極ＭＲＩの臨床応用に際して、操作性向上と経済性改善に効果を発揮しうる。
【符号の説明】
【０１３０】
１  試料管
２  レーザー光源
３  原料ガスタンク
４  予備タンク
５  円偏光器
６  循環恒温槽
７  ガス精製ユニット（液体アルカリ金属利用）
８  ドライアイス・メタノール浴
９  ヘルムホルツコイル
１０  偏極セル
１１  Ｕ字管ガス精製瓶
１２  ガス精製器
１３  マスフローコントローラー
１４  モレキュラーシーブ精製器
１５  オイルバス
１６  圧力計
１７  ローラーポンプ
１８  電源
１９  配管
２０  圧力開放弁
２１  蒸気供給ユニット（予備室）
２２  撹拌器
２３  開閉コック
２４  ガス収納バッグ
２５  真空ポンプ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【手続補正書】
【提出日】平成30年3月5日(2018.3.5)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４２】
励起光として、例えば、レーザー光源を挙げることができる。励起光の波長は、電子スピンを超偏極するアルカリ金属の種類によって異なるが、ルビジウムの場合、７９４．７ｎｍである。励起光は、例えば、偏光器を通すことにより直接偏光から円偏光に変換することができる。
原料ガスに含まれるクエンチガスは、光励起された電子スピンが電磁波を放射しつつ基底状態に戻るプロセスを抑制するためのガスであって、放射した電磁波の再吸収による再励起を防ぐ効果を有する。そのようなクエンチガスとして、例えば、窒素ガス、水素ガス、エチレンガス、アセチレンガス、イソブテンを挙げることができる。この中、窒素ガスが好ましい。
【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図３】
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