(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
不活性ガス、中心的アルカリ金属と補助的アルカリ金属を含む分極セルを供し、
該中心的アルカリ金属を光学的に分極するのに適した波長を有する放射線で該分極セルを照射し、
それにより、該中心的アルカリ金属、該補助的アルカリ金属と不活性ガスの間の相互作用でスピン交換を行わせ、
不活性ガスへのスピン移動で超分極化不活性ガスを生じさせ、
前記補助的アルカリ金属は、（ａ）前記中心的アルカリ金属及び前記不活性ガスとスピン交換でき、（ｂ）前記中心的アルカリ金属を分極させるのに使用される波長において有意な光学的分極をできないアルカリ金属であることを特徴とするスピン交換光ポンピングによって不活性ガスを超分極化する方法。
【請求項２】
前記補助的アルカリ金属に対する前記中心的アルカリ金属の蒸気相比率が、約１：１００〜約１０：１であることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記補助的アルカリ金属に対する前記中心的アルカリ金属の蒸気相比率が、約１：３０〜約１：１であることを特徴とする請求項２記載の方法。
【請求項４】
前記中心的アルカリ金属がルビジウムであり、前記補助的アルカリ金属がカリウムであることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項５】
前記カリウムに対する前記ルビジウムの蒸気相比率が、約１：３であることを特徴とする請求項４記載の方法。
【請求項６】
前記中心的アルカリ金属がカリウムであり、前記補助的アルカリ金属がナトリウムであることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項７】
前記中心的アルカリ金属がナトリウムであり、前記補助的アルカリ金属がカリウムであることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項８】
不活性ガスを分極させるとき、前記補助的アルカリ金属が、前記中心的アルカリ金属よりも高い効率を有することを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項９】
前記不活性ガスが、３Ｈｅであることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項１０】
前記分極セルが、少なくとも１種の緩衝ガスと消光ガスをさらに含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項１１】
ａ）中心的アルカリ金属における電子遷移に共鳴する波長を有する放射線での照射によって該中心的アルカリ金属を光学的に分極させ、  ｂ）該中心的アルカリ金属の分極を補助的アルカリ金属に移動させ、  ｃ）不活性ガスに該補助的アルカリ金属の分極を伝達し、それにより、増強された分極を有する不活性ガスを供し、
前記補助的アルカリ金属は、前記中心的アルカリ金属及び前記不活性ガスとスピン交換でき、前記中心的アルカリ金属を分極させるのに使用される波長において有意な光学的分極をできないアルカリ金属であることを特徴とする不活性ガスを超分極化する方法。
【請求項１２】
前記中心的アルカリ金属がルビジウムであり、前記補助的アルカリ金属がカリウムであることを特徴とする請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
前記中心的アルカリ金属がカリウムであり、前記補助的アルカリ金属がナトリウムであることを特徴とする請求項１１記載の方法。
【請求項１４】
スピン交換光ポンピングによって不活性ガスを超分極化する装置であって、
不活性ガス及びアルカリ金属ハイブリッドを含む分極セルであって、該アルカリ金属ハイブリッドが、中心的アルカリ金属と補助的アルカリ金属を含み、前記補助的アルカリ金属は、前記中心的アルカリ金属及び前記不活性ガスとスピン交換でき、前記中心的アルカリ金属を分極させるのに使用される波長において有意な光学的分極をできないようにしてなる分極セルと、
前記分極セル内の前記中心的アルカリ金属を光学的に分極するための光ポンピング用放射線源であって、操作上、前記中心的アルカリ金属及び前記補助的アルカリ金属と、不活性ガスの間の相互作用によるスピン交換を促進し、前記不活性ガスへのスピン移動で超分極化不活性ガスを生じさせる光ポンピング用放射線源とを備えることを特徴とするスピン交換光ポンピングによって不活性ガスを超分極化する装置。
【請求項１５】
前記光ポンピング用放射線源が、前記中心的アルカリ金属を、該中心的アルカリ金属が共鳴する波長で円偏光により分極することを特徴とする請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】
前記光ポンピング用放射線源が、前記中心的アルカリ金属のＤ１電子遷移における波長を有する光を照射することを特徴とする請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
前記補助的アルカリ金属に対する前記中心的アルカリ金属の蒸気相比率が、約１：１００〜約１０：１であることを特徴とする請求項１４記載の装置。
【請求項１８】
前記補助的アルカリ金属に対する前記中心的アルカリ金属の蒸気相比率が、約１：３０〜約１：１であることを特徴とする請求項１７記載の装置。
【請求項１９】
前記補助的アルカリ金属に対する前記中心的アルカリ金属の凝縮相比率が、約１：１００〜約１００：１であることを特徴とする請求項１４記載の装置。
【請求項２０】
前記中心的アルカリ金属がルビジウムであり、前記補助的アルカリ金属がカリウムであることを特徴とする請求項１４記載の装置。
【請求項２１】
前記カリウムに対する前記ルビジウムの蒸気相比率が、約１：３であることを特徴とする請求項２０記載の装置。
【請求項２２】
前記中心的アルカリ金属がカリウムであり、前記補助的アルカリ金属がナトリウムであることを特徴とする請求項１４記載の装置。
【請求項２３】
前記中心的アルカリ金属がナトリウムであり、前記補助的アルカリ金属がカリウムであることを特徴とする請求項１４記載の装置。
【請求項２４】
不活性ガスを分極させるとき、前記補助的アルカリ金属が、前記中心的アルカリ金属よりも高い効率を有することを特徴とする請求項１４記載の装置。
【請求項２５】
前記不活性ガスが、３Ｈｅであることを特徴とする請求項１４記載の装置。
【請求項２６】
前記分極セルが、少なくとも１種の緩衝ガスと消光ガスをさらに含むことを特徴とする請求項１４記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
［技術分野］
本出願は、１９９７年８月１８日に出願された米国仮特許出願第60/055,290号の利益を主張する。本発明は米国政府のサポートを受けている。米国政府がこの発明にある種の権利を有する。
【０００２】
［背景技術］
本発明は、不活性ガスを超分極させる方法に関する。さらに詳しくは、本発明は、不活性ガスを超分極させるため、効率の高い光ポンピング方法（optical pumping method）に関する。
【０００３】
レーザー技術を用いて、3Heと129Xeのような不活性ガスを「超分極」させることができることは周知である。かかる分極方法には、スピン交換光ポンピング（spin-exchange optical pumping）を含み、この方法では、アルカリ金属蒸気が光学的に分極され、この分極が不活性ガスへと「交換」される（Bouchiatら、1960年；Bhaskarら、1982年；Happerら、1984年；Zengら、1985年；Catesら、1992年）。他の分極方法は準安定性交換（metastabulity exchange）を使用し、この方法では、中間にアルカリ金属を介さずに、不活性ガスの核（一般には、ヘリウム−３（3He））を直接的に光学的にポンプする（Schearer 1969年；Laloeら、1984年）。分極された不活性ガスを生産するシステムは、米国特許第5,642,625号と第5,617,860号に記載されており、ここではその全体を引用することにより本明細書の一部をなすものとする。
【０００４】
超分極された不活性ガスは多数の目的で使用されている。歴史的には、分極された129Xeは、基本的な対称実験（Chuppら、1994年）、固体の核スピン緩和実験（Gatzkeら、1993年）、高分解核磁気共鳴分光（NMR）（Rafteryら、1991年）と他の核に対する交差分極（Gatzkeら、1993年；Longら、1993年）で使用されてきた。分極された3Heもまた重要な核標的である（Anthonyら、1993年、Middleton（1994年））。
【０００５】
最近、熱的に分極された129Xeからのものよりも約５オーダー大きく分極された129Xeレーザーの増強されたNMRシグナルは、ガスの最初の高速生物学的核磁気共鳴（MRI）を可能とした（Albertら、1994年）。また、ヘリウム−３は、ガス相MRIのための優れた核であることが判明された（Middletonら、1995年）。米国特許第5,545,396号には、生物学的MRIのための129Xe、3Heと他の不活性ガス核の使用が記載されている。いまでは、これらの顕著な利点は、研究の新しい局面を開きつつある。
【０００６】
これらの分極された不活性ガス利用の主要な制限は、要求を満せる利用可能なガスの十分の量にあった。従って、分極不活性ガス生産の速度を改良することに注意が向けられてきた。それにより大量の分極不活性ガスが連続もしくはバッチモードのバイアスにて生産することができる装置が工夫されてきた。米国特許第5,642,645号を参照されたい。容器表面との相互作用によって不活性ガスの脱分極を制限する方法は、コーティング剤としてのポリマーを供することによって向けられてきた。米国特許第5,612,103号を参照されたい。また、凍結された分極129Xeガスの貯蔵を可能とする装置も開発されてきた。1996年3月29日に出願された米国特許出願第08/622,865号を参照されたく、ここではその全体を引用することにより本明細書の一部をなすものとする。
【０００７】
これらの進歩があっても、不活性ガスを分極されるプロセスはさらに改良することができる。それは、多くのパラメーターが最適化されていないからである。例えば、分極の効率は、分極装置の構築に使用される材料の物理的特性によって制限されている。さらに、種々のシステムにおけるスピン交換の物理学的基礎となる理論的な考えに対する不完全な理解は、より大きい効率を持つシステムを構築しうる可能性が存在していることを意味する。
【０００８】
現実的な観点より、超分極効率はレーザーのパワーに関し、レーザー装備とその維持のコストは、提供するパワーに比例して直接的に増加する。従って、より大量の分極された不活性ガスを生産するための分極システムは、より高価なレーザーを必要としかねない。従って、当業者にとって、与えられたレーザーにおける分極収率を増加させることが好ましく、それにより、システムスのケールアップにおける費用を節約できる。
【０００９】
従って、現在利用できる装備を用いて分極効率がかなり改良される方法を供することによって、スピン交換光ポンピング方法の分野における前記制限を克服することが本発明の目的の１つである。また、不活性ガスを分極させるのに有用な種々の装置を可能とする材料と方法を当業者に提供するのが本発明のもう１つの目的である。
【００１０】
［発明の概要］
他の目的も含んだこれらの目的は、本発明によって達成することができることが判明した。その１つの実施の形態は、
中心的アルカリ金属と補助的アルカリ金属とからなるアルカリ金属ハイブリッドと不活性ガスとを含む分極セルを提供し、
該中心的アルカリ金属を光学的に分極するのに適した波長を有する放射線で該分極セルを照射し、
それにより、該中心的アルカリ金属、補助的アルカリ金属と不活性ガスとの間でスピン交換相互作用を行わせ、
不活性ガスへのスピン移動で超分極化不活性ガスを生じさせること
を特徴とするスピン交換光ポンピングによって不活性ガスを超分極化する方法である。
【００１１】
本発明において、凝縮相において、該補助的アルカリ金属に対する該中心的アルカリ金属の比率は、約1:100〜約100:1、好ましくは、約1:25〜約25:1である。蒸気相において、補助的アルカリ金属に対する中心的アルカリ金属の比率は、約1:100〜約10:1、好ましくは約1:30〜約1:1とすることができる。不活性ガスを分極させるにおいて補助的アルカリ金属は、中心的アルカリ金属よりも大きい効率を有するのが好ましい。
【００１２】
１つの好ましいアルカリ金属ハイブリッドにおいて、中心的アルカリ金属はルビジウムであり、補助的アルカリ金属はカリウムである。この場合、カリウムに対するルビジウムの好ましい比率は約5:95である。別のアルカリ金属ハイブリッドにおいて、中心的アルカリ金属はカリウムであり、補助的アルカリ金属はナトリウムである。もう１つの別のアルカリ金属ハイブリッドにおいて、中心的アルカリ金属はナトリウムであり、補助的アルカリ金属はカリウムである。カリウムとナトリウムの使用は、超分極ガスからのアルカリ金属の除去を助けるためである。それは、ナトリウムとカリウムはより低い蒸気圧力を有するからである。
本発明において、有用な不活性ガス3Heを用いることが好ましい。さらに、分極セルは、緩衝ガスまたは消光ガスもしくはその両方を含む。
【００１３】
本発明のもう１つの実施の態様は、
ａ）前記中心的アルカリ金属における電子遷移と共鳴する波長を有する放射線での照射によって該中心的アルカリ金属を光学的に分極させ、
ｂ）該中心的アルカリ金属の分極を補助的アルカリ金属に移動させ、
ｃ）不活性ガスに該補助的アルカリ金属の分極を伝達し、それにより、増強された分極を有する不活性ガスを供することを特徴とする不活性ガスを超分極させる方法である。
また、該中心的アルカリ金属はルビジウムであり、該補助的アルカリ金属はカリウムであることが好ましい。特に、該中心的アルカリ金属はカリウムであり、該補助的アルカリ金属はナトリウムであることが好ましい。
【００１４】
本発明のもう１つの実施の態様は、ある光の分極波長において、実質的に光学的分極が可能な中心的アルカリ金属と、この分極波長において、十分な分極が不可能な補助的アルカリ金属とからなる、アルカリ金属ハイブリッドを含む分極セルを含んでなるスピン交換光ポンピングによって不活性ガスを超分極化するための装置である。
該装置において、該アルカリ金属ハイブリッドがルビジウムとカリウムとの合金であることが好ましく、特に、約5％のルビジウムと約95％のカリウムを含む合金であることが好ましい。また、該アルカリ金属ハイブリッドがナトリウムとカリウムの合金であることも好ましい。
【００１５】
本発明のもう１つの実施の態様は、アルカリ金属原子を十分に光学的分極させる条件と時間下、アルカリ金属の電子遷移に共鳴する波長の放射線でアルカリ金属と不活性ガスとを含む分極セルを照射し、その際、光学的に分極したアルカリ金属原子と不活性ガス原子との間のスピン交換が、分極された不活性ガス原子を生じさせることを特徴とするスピン交換光ポンピングによって不活性ガスを超分極化する方法において、
その改良として、アルカリ金属をアルカリ金属ハイブリッドとして供することであり、このアルカリ金属ハイブリッドは、光学的に分極できる中心的アルカリ金属と光学的に分極された中心的アルカリ金属原子から不活性ガス原子へのスピン移動を媒介することができる補助的アルカリ金属を含む。
【００１６】
本発明のもう１つの実施の態様は、
ａ）アルカリ金属における電子遷移に共鳴する波長を有する放射線での照射によってアルカリ金属を光学的に分極させ、
ｂ）該アルカリ金属の分極をスピン交換媒体に移動させ、
ｃ）スピン交換媒体の分極を不活性ガスに伝達し、それにより、増大した分極を有する不活性ガスを供することを特徴とする不活性ガスを超分極させる方法である。この実施の態様において、該スピン交換媒体が第２のアルカリ金属であることが好ましい。
【００１７】
従って、本発明は、システムの物理的なハードウェアに手を加えることなく、任意の与えられたスピン−交換分極システムの効率を当業者が高めることを可能にする。本発明は、アルカリ金属ハイブリッド（ここに、１つのアルカリ金属は光学的に分極されており、もう１つのアルカリ金属は不活性ガスへのスピン移動を媒介するように機能する）を供することによって、当業者が不活性ガスをより効率的に分極させることができるようにする。従って、安価なレーザーシステムを使用することができ、かなりのコストとメインテナンス手間を節約でき、他方、分極された不活性ガスの収率は実質的に増える。
本発明の他の利点を含めてこれらの利点は、本明細書に記載された詳細な記載と例から明らかであろう。詳細な記載と例は本発明の内容の理解を助けるが、本発明を限定意図のものではない。
【００１８】
［好ましい実施の態様の詳細な記載］
本発明は、スピン交換光ポンピングによって不活性ガスを超分極させる方法を改良することに目的とされる。スピン交換光ポンピングによって不活性ガス核を分極させる技術は２つの段階を含む。最初の段階において、円偏光共鳴レーザー光を使用してアルカリ金属蒸気を照射して、アルカリ金属原子の電子スピンを光学的に整列させる（分極させる）。この最初の段階は「光ポンピング」と命名されている。第２の段階において、分極されたアルカリ金属原子と不活性ガス原子の間のスピン交換衝突の間に、金属整列（分極）のいくらかを、不活性ガスの核に移動させる。この第２の段階は「スピン交換」と命名されている。この２段階プロセスの最後の結果は、レーザービームからの角量子（angular momentum）が不活性ガスの原子核への移動である。
【００１９】
いくらか詳細に述べると、アルカリ金属を用いるスピン交換は、分極チャンバー中にアルカリ金属の蒸気（好ましくは、飽和したもの）を供することで開始する。一般には、これは、オーブン中のチャンバーを加熱することによって達成され、温度が使用される個々のアルカリ金属に従って選択されうる。次いで、アルカリ金属蒸気に、該アルカリ金属が有意に共鳴する波長をもつ円偏光を照射する。一般的には、該光は、第１原理共鳴、すなわち、Ｄ1電子遷移における波長を有する。ルビジウムでは、該波長は795ｎｍである。基底状態原子は、入射エネルギーを吸収することによって励起状態に上げられ、引き続いて減衰して基底状態に戻る。中程度の磁場、例えば、約10Ｇでは、基底状態と励起状態の間の原子のサイクリングは、照射後の最初の数ミリ秒以内に大きな（ほとんど100％）分極に至る。
【００２０】
電子分極は、ほとんどは、アルカリ金属の孤立原子価電子によって行われる。従って、これらの電子の実質的に全ては、ポンピング光のラセン性（右または左方向円偏光状態）に依存して磁場に対して整列あるいは反整列のいずれかのスピンを有する。もし非ゼロ核スピンを持つ不活性ガスが存在すると、アルカリ金属原子は、相互スピンフリップ（spin flip）によって不活性ガス核に移される原子価電子の分極を介して、不活性ガス原子との衝突を受け得る。このスピン「交換」は、電子と不活性ガス核の間のフェルミ定数超微細相互作用に由来する。
【００２１】
レーザーから不活性ガス原子へ角量子を移すプロセスの効率は、分極した不活性ガス核の数を該プロセスで用いたレーザーフォトンの数で除したものと定義されている。スピン交換光ポンピングの効率についての物理的基礎は、スピン移動プロセスとスピンを崩壊させる他のプロセスの間の競合である。レーザーシステムによって生じたフォトンの数は、レーザーの出力パワーに直接的に比例する。従って、より高いスピン交換光ポンピング効率を有する分極した不活性ガスを製造する方法は、与えられた量のガスを所与の程度まで分極されるのによリパワーの低く、より安価なレーザーシステムを利用することができる。
【００２２】
アルカリ金属から不活性ガスへのスピン交換のプロセスを考慮すると、効率は、不活性ガスに移動した角量子の分率を、不活性ガスに移動した角量子と他のメカニズムを介して失われた角量子の総和で除したものと定義されている。今回、驚くべきことに、アルカリ金属と不活性ガスの間のスピン交換を特徴付ける効率は、「アルカリ金属ハイブリッド」と呼ばれるアルカリ金属の組合せを選択することによってかなり変調することができることが判明した。特に、アルカリ金属の適当な組合せを選択することによって、スピン交換光ポンピングの効率を実質的に増加させることが可能である。例えば、今回、カリウム（K）とヘリウム−３（3He）の間のスピン交換を特徴付ける効率は、ルビジウム（Rb）と3Heの間のスピン交換の効率よりも約10倍大きいことが観察された。本発明によるRb-Kのハイブリッドは、Rbを単独に用いるものよりもかなり効率を改良することができる。
【００２３】
本明細書に記載する発明は、光ポンピング容器中で２つの異なるアルカリ金属のハイブリッド混合物を使用する。アルカリ金属ハイブリッドの使用は、光ポンピング容器中で単一のアルカリ金属種を利用するに過ぎない通常の技術よりも、スピン交換光ポンピングプロセスの効率を増加させる。本発明の方法の利点の中には、アルカリ金属ハイブリッドが、アルカリ金属蒸気を光学的にポンピングする確立され利用可能な方法の意味で使用することができることがある。
【００２４】
理論に拘束されるつもりはないが、スピン交換光ポンピングにおいて、本発明の２つ異なるアルカリ金属の角量子の転移の主たる経路は、使用される２種類のアルカリ金属のいずれかと関係なく一致すると仮定する。これはルビジウムとカリウムからなるアルカリ金属ハイブリッドで例証される。
【００２５】
RbのＤ1電子遷移に転じた円偏光レーザーフォトンの形態で角量子は、光ポンピングチャンバーに侵入し、Rb原子の原子価電子スピンを整列させる。次いで、分極したRb原子はK原子と衝突し、Rb分極は、角量子保存電子−電子スピン交換プロセスを通じてKに移される。次いで、分極したK原子は、不活性ガス原子と衝突し、K原子の原子価分子から分極を不活性ガス原子の核に移動させる。光ポンピングされたRbと不活性ガス核の間の介在スピン交換パートナーとしてのKの使用は、当業者が、K-3Heシステムに関連した効率の増加の一部を獲得することを可能とする。その結果、当業者は、該Kを直接的に光学的にポンピングできるレーザーの使用が、手が出せないほど高価であるという事実を克服できる。
【００２６】
角量子の移動についての主要経路は、中心的アルカリ金属から補助的アルカリ金属に、そして、不活性ガスへと進行し、該量子のいくらかの分率は、中心的アルカリ金属から不活性ガスに直接的に移動するようであることが認識できるであろう。事実、当業者ならば、多数の衝突プロセスが複数の成分を含むガスシステムで一時的に起こるであろことを認識するであろう。しかしながら、一般的には、不活性ガスに対する直接的移動メカニズムで寄与した正味の分極が、ハイブリッド移動メカニズムで寄与したものよりも実質的に低いものである。
【００２７】
RbとKとの特別の組合せが特に好ましいアルカリ金属混合物であるが、本発明は、いずれかの２種類のアルカリ金属で実行することもできる。例えば、Na-3Heのスピン交換光ポンピング効率は、K-3Heのそれよりも３倍大きいと予測される。従って、本発明は、別法として、アルカリ金属混合物としてK-Naを用いて実行することができる。このシナリオでは、カリウムは光学的に分極され、他方、3Heへのスピン移動はナトリウムを介して媒介される。
【００２８】
別の方法として、適当な波長で発される放射線源を仮定すれば、ナトリウムは100％に達する分極効率にて光学的にポンピングすることができる。3Heへのスピン移動は、ナトリウム（中心的アルカリ金属）とカリウム（補助的アルカリ金属）とを含むハイブリッドを介して媒介することができる。アルカリ金属ハイブリッドの組成は、少量のナトリウムが存在し、それにより容器構造を攻撃するナトリウムの固有の傾向に関連した悪影響を最小化するように調整することができる。このようにして、かかるアルカリ金属ハイブリッドを用いるスピン交換プロセスの効率は、ナトリウム単独での理論的に可能なものよりも低いが、アルカリ金属ハイブリッドのユニークな特徴は、当業者がナトリウムの使用における固有の重要な材料問題を克服することを可能とする。
【００２９】
ナトリウムまたはカリウムを光学的に分極させるのに適した波長の放射線を発するレーザーが利用できるが、ルビジウムを分極させるのに利用できるシステムと比較して現在経済的に非現実的であることを強調しておく。従って、多くの応用において、中心的アルカリ金属はルビジウムを用いるのであろう。より経済的な装置が他のアルカリ金属を光学的に分極させるのに利用できるようになると、当業者は、それらの状況において、不活性ガスを分極させるのに効果的なアルカリ金属の他の組合せを見いだすであろう。
【００３０】
従って、当業者は、成分要素を比較した利点に基づいて実行可能なシステムを選択するであろう。例えば、当業者は、特定のレーザーを用いる特定のアルカリ金属の光ポンピングの効率、種々のアルカリ金属の間のスピン交換の効率、ならびに特定の不活性ガスへま特定のアルカリ金属からのスピン移動の効率のごときパラメーターを考慮するであろう。分極を行うことができる温度、流動分極システムで達成することができる流速、分極された不活性ガスからのアルカリ金属の分離に要する条件等のごとき他のパラメーターも考慮されるであろう。事実、本発明の方法は、米国特許第5,642,625号に記載されたもののごとき流動分極システムで使用に取り入れることができる。
【００３１】
本発明の方法は、いずれの不活性ガスを超分極させのにも使用することができる。超分極用の好ましい不活性ガスは129Xeと3Heであるが、3Heがより好ましい。しかしながら、例えば、ネオン−２１（21Ne）、クリプトン−８３（83Kr）とキセノン−１３１（131Xe）を含めた核スピンを有する他の不活性ガスの同位体も使用することができる。不活性ガスの分極性同位体は、天然の豊富な不活性ガス中に存在し、あるいは不活性ガスは所望の同位体に豊かにされることができる。
【００３２】
不活性ガスは、緩衝ガスまたは消光ガスもしくはその両方と混合して供され、分極効率をさらに増強することができる。緩衝ガスは、中心的アルカリ金属の吸収バンドを圧力拡大するように機能し、特に、分極放射線を波長のバンドとして供する場合に、高圧分極であることが好ましい。消光ガスは4Heまたは水素であることが好ましい。消光ガスは、超分極プロセスの間にアルカリ金属原子による蛍光を抑制するように機能する。消光ガスは窒素と水素を含むことが好ましい。
【００３３】
光学的にポンピングされたシステムにおいて、スピン交換メディエーターとして作用することができるアルカリ金属は、いずれのアルカリ金属も含む。ナトリウム、カリウム、ルビジウムとセシウムを含むアルカリ金属であることが好ましい。一般的には、これらのアルカリ金属は、特定の同位体が豊富であるのではなく、天然同位体も豊富である。しかしながら、その豊富なアルカリ金属の同位体も使用することができる。リチウム−７（7Li）、ナトリウム−２３（23Na）、カリウム−３９（39K）、ルビジウム−８５（85Rb）、ルビジウム−８７（87Rb）とセシウム−１３３（133Cs）を含む同位体が好ましい。
【００３４】
本発明で有用なアルカリ金属ハイブリッドは、一般的には、中心的アルカリ金属と補助的アルカリ金属を含む。これらの用語は、特定の不活性ガスを超分極させるための特定のシステムに対して定義される。中心的アルカリ金属は、超分極システムにおいて実質的に光学的分極できるアルカリ金属と定義される。補助的アルカリ金属は、（ａ）中心的アルカリ金属と不活性ガスとスピン交換でき、（ｂ）中心的アルカリ金属を分極させるのに使用される波長において有意な光学的分極できないアルカリ金属と定義される。アルカリ金属ハイブリッドは、一般的には、中心的アルカリ金属と補助的アルカリ金属の凝縮相合金として供される。しかしながら、分極手法の間に、アルカリ金属ハイブリッドの成分は各々少なくとも部分的には蒸気相中に存在する。
【００３５】
一般的には、凝縮相において、アルカリ金属ハイブリッドは、中心的アルカリ金属と補助的アルカリ金属を、約1:100（主に〜1％）〜約100:1（主に〜99％）の比率で含む。凝縮相においては、補助的アルカリ金属に対する中心的アルカリ金属の比率は、約1:25（主に〜4％）〜約25:1（主に〜96％）であることがより好ましい。ルビジウムが中心的アルカリ金属であって、カリウムが補助的アルカリ金属であるアルカリ金属ハイブリッドの場合には、合金におけるカリウムに対するルビジウムの比率は、約5:95であり得る（主に〜５％）。
【００３６】
要素の組合せのため、補助的アルカリ金属に対する中心的アルカリ金属の蒸気相比率は、凝縮相におけるそれとは有意に異なり得る。アルカリ金属蒸気に影響する要素は、例えば、分極チャンバーの温度（揮発性に直接的に関連）、アルカリ金属と分極チャンバーの壁との相対的反応性等を含む。従って、蒸気相においては、補助的アルカリ金属に対する中心的アルカリ金属の比率は、各アルカリ金属の数密度に依存して、約1:100（主に〜1％）〜約10:1（主に〜91％）でありうるし、約1:30（主に〜3％）〜約1:1（主に〜50％）であることがより好ましい。それを説明すると、前記で与えられたRb-Kハイブリッドについての蒸気相比率は、約220℃で約1:3（〜33％）であると観察され、他方、前記したごとく、凝縮相比率は約5:95（〜5％）である。とにかく、中心的アルカリ金属は、かなりの分率、実質的に全ての入射分極放射線が吸収されるように、蒸気相に十分な量で存在させるのが好ましい。
【００３７】
3Heを分極させるための種々のアルカリ金属の相対的効率は、比較的よく理解されており、一般的には原子質量と逆の関係する。一般的には、分極効率は、Li、Na＞K＞Rb＞Csの順序に従う。この効果は、より重い不活性ガスの場合には重要ではないであろう。
【００３８】
一般的には、アルカリ金属ハイブリッドは、分極チャンバー中に沈積した少量の金属として供される。アルカリ金属は、分極用の条件下で分極チャンバー内の必要なアルカリ金属蒸気を確立するために供される。一般的には、分極チャンバーを、該チャンバー中のアルカリ金属原子の認識できる数密度を生じるのに十分な温度まで加熱する。分極チャンバーは、中心的アルカリ金属と補助的アルカリ金属のうちの少なくとも１つ、好ましくは双方からの蒸気で飽和したチャンバー中のガスを供するのに十分な温度まで加熱することが好ましい。流動超分極システムにおいて、分極チャンバーの上流にベイパライザーを供して、必要な蒸気を供することができる。また、分極の下流にコンデンサーを供して、チャンバーを離れるアルカリ金属蒸気を液体または固体形態まで凝縮することができる。かかる装置と再循環装置は米国特許第5,642,625号に記載されている。加えて、NaとKの使用は、超分極した不活性ガスからのアルカリ金属の除去を助ける。それは、これらの金属はより低い蒸気圧を有し、従って、より高い蒸気圧を持つアルカリ金属よりも容易に超分極したガスから凝縮されるからである。この結果、実質上にアルカリ金属が存在しない実質的に純粋な超分極不活性ガスが得られる。
【００３９】
最大に達成可能な定常状態の不活性ガスの核分極は、アルカリ金属とのスピン交換を特徴付ける時定数（time constant）と、例えば、ポンピングセルの表面との接触による（Ｔ1）の緩和を特徴付ける時定数に依存する。分極した不活性ガスの核と表面の間の脱分極性相互作用を阻害する方法当該分野で知られている。例えば、分極チャンバーと他の装置は、常磁性不純物が実質的に有しない材料を用いて製造することができる。また、ここで全体を引用することにより本明細書の一部をなすものとする米国特許第5,612,103号に記載されているように、ポリマーコーティングを装置の内部表面に適用することができる。しかしながら、分極チャンバーを構築するにおいて重要な考慮は、それがアルカリ金属によって化学的分解に抵抗することである。例えば、ナトリウムは、特に高温においてかなり反応性を有する。
【００４０】
本発明においては、いずれの適当な放射線源も使用できる。但し、放射線照射は、中心的アルカリ金属における有用な電子遷移（例えば、Ｄ1またはＤ2）に適切に適合するものとする。一般的には、放射線源はレーザーである。好ましくは、連続波（cw）パワーを生じる１以上のダイオードレーザーアレイによって超分極フォトンを供給する。しかしながら、アルカリ金属Ｄ1またはＤ2線において十分なパワーを供給するいずれかのレーザーシステムも許容することができる。不活性ガスが超大気圧にて分極チャンバーに供される高圧操作は、10Ｗを超え、好ましくは約50Ｗのパワーを送達することができるレーザーを必要とすることが判明した。かかるパワーを送達することができる通常のレーザーは購入し操作するのが手が届かないほど高価である。さらに、かかるレーザーは嵩高く、高価な装備を要する。ダイオードレーザーアレイはこれらの不利を回避し、操作するのに小さく、比較的安価であって出費がかからない。
【００４１】
ダイオードレーザーは、3Heと129Xeのような不活性ガスとのスピン交換用のルビジウム蒸気を光学的にポンピングするのに使用されることがよく知られている（Chuppら、１９８９年とCummingsら、１９９５年）。通常のレーザーは単一波長のコヒーレント光を発し、従って、極端に狭いスペクトルプロフィールを呈する。対照的に、ダイオードレーザーは広バンドのデバイスであり、一般的には、連続バンドの波長にて光を発し、すなわち、発光はスペクトル幅を有する。通常、このスペクトル幅は比較的狭く、いくらかの主要波長の回りで広がるように見え、約1〜5ｎｍの広さに過ぎない。アルカリ金属蒸気の吸収バンドは、分極チャンバー中の高いガス圧の使用によって拡大することができることが観察された。これは、約10ａｔｍまでの圧力にて、緩衝ガスと混合した不活性ガスを供することによって達成することができる。ダイオードアレイは、従って、アルカリ金属の吸収バンドの圧力誘導拡大を利用するために分極セル中の高いガス圧と組み合わせて使用されることが好ましい。例えば、米国特許第5,642,625号の記載である。
【００４２】
以下の例は、本発明のさらなる理解を助けるために供される。使用される特定の材料と条件は、本発明のさらなる例示を意図するものであって、本発明の合理的範囲を制限するものではない。
【００４３】
［例１］
光ポンピングセルに、5％Rbと95％Kを含むRb-K合金を充填し、218℃まで加熱する。理想溶液上の蒸気の化学的理論では、各アルカリ金属種の蒸気圧が溶液分率によって抑制されると述べている。RbとKのようなアルカリ金属の平衡蒸気圧は、ここに全体を引用することにより本明細書の一部をなすものとする、CRC Handbook of Chemistry and Physics, 73rd編、 CRC Press, Boca Raton（１９９２年）に公表されている。この例では、光ポンピング容器の蒸気相中のRbに対するKの比率は約3:1であり、Kの数密度は約3×1014ｃｍ-3であって、Rbの数密度は約1×1014ｃｍ-3である。Rbの数密度の選択は、入射レーザー光の実質的部分を吸収するのに十分大きいものである。全アルカリ金属の数密度は、モノ−アルカリ金属光ポンピング容器で使用される一般的なRbの数密度に匹敵し、従って、与えられた量の不活性ガスを分極させるのに要する時間の長さは、この２つの方法と同一であろう。しかしながら、アルカリ金属混合物のため、このスピン交換光ポンピング容器は、より効果的である。他の関連量に合理的値を割り当てると、この混合物を利用する最大の達成できる3He分極は65％である。このアルカリ金属ハイブリッドで操作されるスピン交換光ポンピングシステムの効率は、純粋なRbセルときよりも５倍まで高い。このようにして、５倍多い不活性ガスを同一レーザーで分極させることができる。レーザーの価格は、スピン交換光ポンピングシステムを構成する主要コストを表すので、これは、レーザー源を利用する既存の技術に対し実質的改良を示した。
【００４４】
本発明は、不活性ガスを分極するのに使用される既存のレーザーシステムの効率をかなり改良し、また、当業者が、他の手段による所望結果を達成するのに現在十分パワフルなより小さく安価なレーザーを使用するのを可能とすることが明らかである。
このようにして、本発明の好ましい実施の態様であると信じるものを記載してきたが、当業者は、本発明の精神を逸脱することなく他のさらなる実施の態様をなすことができるのを理解するであろうし、特許請求の範囲に記載された真実の範囲内にある全てのさらなる修飾と変形も含むことを意図する。
【００４５】
［参考文献］
ここでは、上記の詳細な説明における以下の刊行物、記載を引用することにより本明細書の一部をなすものとする。
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