(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
超分極高圧ヘリウムガスの調製法であって、純ヘリウム同位体−３によってまたは前記ヘリウム−３同位体およびヘリウム−４同位体の混合物によって形成されたヘリウムガス中で１０８３ｎｍ近傍の共鳴波長において光ポンピング工程を使用する形式のものにおいて、光ポンピング工程中に１０００Ｐａ（パスカル）よりも高い圧力を保持して、前記ヘリウムガスに０．１−１テスラの磁場を印加する超分極高圧ヘリウムガスの調製法であって、
レーザ光束による励起のために透明な前面を有する概ね円筒形のセル内にヘリウムガスを封入し、プラズマ形成のためのＲＦ場がアンテナまたは電極により生成されることを特徴とする超分極高圧ヘリウムガスの調製法。
【請求項２】
前記磁場が永久磁石によって形成されることを特徴とする請求項１に記載の超分極高圧ヘリウムガスの調製法。
【請求項３】
前記磁場が電気コイルによって形成されることを特徴とする請求項１に記載の超分極高圧ヘリウムガスの調製法。
【請求項４】
前記磁場がＭＲＩ装置によって形成されることを特徴とする請求項１に記載の超分極高圧ヘリウムガスの調製法。
【請求項５】
光ポンピング段階中にヘリウムガスを１０００Ｐａ（パスカル）のオーダの圧力に保持することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の超分極高圧ヘリウムガスの調製法。
【請求項６】
超分極高圧ヘリウムガスの調製装置において、
純ヘリウム同位体−３、または前記ヘリウム−３同位体とヘリウム−４同位体との混合物から構成されるヘリウムガスを有し、かつ、プラズマ形成のためにＲＦ場を印加できる電極（２，３）を有したセルと、励起レーザと、円偏光子（５）とを備え、
１０００Ｐａ（パスカル）よりも高い圧力を保持した状態で、前記ヘリウムガスに０．１−１テスラの磁場が印加されることを特徴とする超分極高圧ヘリウムガスの調製装置。
【請求項７】
励起レーザと、
円偏光子（５）と、
磁場を形成するための電気コイルまたは永久磁石と、
プラズマ形成のためにＲＦ場を印加できる電極（２，３）を有し、かつ、レーザ光束による励起のために透明な前面を有する概ね円筒形のセルと、
を有する超分極高圧ヘリウムガスの調製装置であって、
前記セル内に純ヘリウム同位体−３、または前記ヘリウム−３同位体とヘリウム−４同位体との混合物から構成されるヘリウムガスを封入して、１０００Ｐａ（パスカル）よりも高い圧力を保持して、前記ヘリウムガスに０．１−１テスラの磁場が印加されることを特徴とする超分極高圧ヘリウムガスの調製装置。
【請求項８】
磁束密度が１００ミリテスラのオーダの均一磁場を生成する手段を含むことを特徴とする請求項６または７に記載の超分極高圧ヘリウムガスの調製装置。
【請求項９】
ＭＲＩ装置の付属装置として用いられる、または、ＭＲＩ装置に配置される、ことを特徴とする請求項６から８のいずれかに記載の超分極高圧ヘリウムガスの調製装置。
【請求項１０】
ＭＲＩ装置により形成された磁場が前記ヘリウムガスに印加されることを特徴とする請求項６から８のいずれかに記載の超分極高圧ヘリウムガスの調製装置。
【請求項１１】
前記磁場印加後の前記ヘリウムガスがＭＲＩ装置における撮影画像の取得のために使用されることを特徴とする請求項６から８のいずれかに記載の超分極高圧ヘリウムガスの調製装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【技術分野】
本発明は、超分極高圧ヘリウムガスの調製の分野に関する。
【０００２】
超分極ヘリウムは、実際、僅かな磁場の検知および測定のための磁力測定に使用される。超分極ヘリウムの新規の用途は、ヒトの気道における生体的使用である。この原理は、超分極ヘリウムを含むガス混合物を患者に吸引させ、肺の換気状態の視覚化のため断層撮影ＭＲＩ（磁気共鳴断層撮影）を行うことにある。断層撮影は、高磁場（＞１テスラ）の通常の断層撮影装置においてまたは場合によってはこの用途に向けられる低磁場の断層撮影装置において実施できる。本発明者は、ｃｏｍｐｔｅ−ｒｅｎｄｕ  ｄｅｓ  Ｓｃｉｅｎｃｅｓ  ｄｅ  ＰＡＲＩＳ  ｔ−２３０  Ｓｅｒｉｅ  ＩＩｂ，ｐ．６７１−７００，１９９７に、生体の肺における３ＨｅガスのＮＭＲの若干のアスペクトおよび生体でＮＭＲを実施するための装置を発表した。このタイプの用途の場合、吸引に十分な圧力（Ｐ≧１ｂａｒ）を有する超分極ガスを生成する必要がある。
【０００３】
更に、先行技術において、超分極ヘリウムの生成のための複数の方法および設備が知られている。一般的原理は、レーザの光ポンピングにもとづく。
【０００４】
例えば、フランス特許ＦＲ８９１４８９４には、先行技術の光ポンピングのための原子蒸気セルまたは分子蒸気セルが記載されている。上記セルのガスは、ヘリウム−３およびヘリウム−４の混合物から構成される。しかしながら、先行技術の装置は、低圧ヘリウムガスの分極を実現できるに過ぎず、従って、セル出口において圧縮を行う必要がある。さて、ヘリウムガスの分極のロスのない圧縮操作は、デリケートであり、複雑なまたは高額な装置を必要とする。
【０００５】
先行技術には、更に、超分極ヘリウムを圧縮するための２つの解決法が開示されている。即ち、１つは、ＭＡＩＮＺ大学のＯＴＴＥＮ教授グループが開発した機械的圧縮技術であり、１つは、フランス特許ＦＲ９６０１９７３に記載の低温圧縮技術である。
【０００６】
この後者の特許は、液相のヘリウム−３の貯蔵タンクを含む分極ヘリウム−３の製造設備に関する。この種の設備によるヘリウム−３の製造には、蓄積段階、光ポンピング段階および分極ヘリウム−３を供給できる気化段階が必要である。
【０００７】
【発明の開示】
本発明の課題は、精巧な機械式圧縮機の使用を回避し、簡単な設備で高圧において直接に超分極されたヘリウムを製造できる方法を提案することによって、重要な圧縮に関する問題点を排除することにある。
【０００８】
このため、本発明は、第１に、純ヘリウム同位体−３にとってまたはヘリウム同位体−３およびヘリウム同位体−４の混合物にとって形成されたヘリウムガス中で１０８３ｎｍ近傍の共鳴波長において光ポンピング工程を使用する形式の超分極高圧ヘリウムガスの調製法であって、光ポンピング工程中に１０ｍｂａｒ（１０００Ｐａ）よりも高い圧力を保持して、上記ヘリウムガスに０．０１−１テスラの磁場を印加することを特徴とする超分極高圧ヘリウムガスの調製法に関する。
【０００９】
本発明にもとづき、濃縮ガスの形で直接に強く分極されたヘリウムを迅速に得る問題を解決する。この結果は、ヘリウム中の１０８３ｎｍにおける光ポンピングに関して３５年以前に確立された考えとは反する。本発明は、先行技術に記載の光ポンピング法の問題点を有しておらず、性能に関する利点を統合するものである。本発明の収率および生産リズムは、アルカリ原子の蒸気を作用させる方法の場合よりも優れている。本発明の高い動作圧力にもとづき、低磁場において準安定なヘリウムに依拠する通常の光ポンピングの出口で一般に必要とされる分極ガスの圧縮操作は簡単化されるか不要となる。
【００１０】
変更例にもとづき、磁場は、少なくとも部分的に、断層撮影装置によって形成される。
【００１１】
レーザ光束による励起のために透明な前面を有する概ね円筒形のセル内にヘリウムガスを封入し、プラズマ形成のためにＲＦ場を生成する電気ボビン、アンテナまたは電極によって磁場を形成するのが有利である。
【００１２】
本発明は、更に、ヘリウムガスの封入セルと励起レーザとを含む超分極高圧ヘリウムガスの調製装置であって、更に、光ポンピング工程中に０．０１−１テスラの磁場を形成する手段を含むことを特徴とする超分極高圧ヘリウムガスの調製装置に関する。
【００１３】
特殊な実施例にもとづき、ヘリウムガスの容積内に磁場を発生するため、同軸のボビンでセルを囲む。
【００１４】
本発明に係る装置が、１０ｍｂａｒ（１０００Ｐｓ）よりも高い圧力のセル内にガスを封入できるガス入口弁と、分極後に超分極ガスを供給する出口弁とを有していれば有利である。
【００１５】
本発明は、更に、生体の気道で使用するための且つ本発明に係る装置によって調製した超分極ヘリウムをボデーに貫入させた後にＮＭＲによる上記ボデーの断層撮影のための本発明に係る超分極ヘリウム調製法の使用に関する。
【００１６】
本発明は、添付の図面を参照した超分極ヘリウム調製装置の実施例に関する以下の説明を読めばより良く理解されよう。
【００１７】
【発明を実施するための最良の形態】
図１に示した設備は、ヘリウムガスを含むセル１を含む。セルは、あらかじめ充填できるか、所望の圧力のヘリウムガスを導入するための入口弁および出口弁を有することができる。電極２，３によって、プラズマ形成のために無線周波数の磁場を印加できる。出力５０ｍＷのレーザダイオード４が、光源を構成する。円偏光子５が、セル１の透明な前面６とレーザダイオード４との間に挿入されている。セル１の透明な前面８の側に光軸上に設置されたミラー７は、未吸収の光をセル１内に反射する。かくして、３２ｍｂａｒのガスおよび０．１テスラにおいて、４ｍｂａｒのガスおよび低磁場において得られる分極に比して大きい分極が得られる。従って、対応する供給量、即ち、検知されたＮＭＲ信号の振幅は大きい。経験的に、１３０ｍｂａｒ（１３００Ｐｓ）よりも高い圧力まで、顕著な分極を達成できる。
【００１８】
本発明にもとづき、ヘリウムガス中に大きい超分極状態を形成でき（ほぼ全体的に平衡外の分極）、ガスは、高い圧力を有し、場合によっては、大気圧に達する。本発明にもとづき、強い電子分極を達成でき、更に、ガスが純ヘリウム−３同位体またはヘリウム−３同位体およびヘリウム４同位体の混合物であれば、強い核分極を達成できる。本発明にもとづき、適切な特性の静的磁場およびこのような静的磁場における光ポンピングに適したプラズマを発生できる振動電磁場を印加したヘリウムガス中で１０８３ｎｍ近傍の共鳴波長において光学的ポンピングを実施する。
【００１９】
ヘリウムガス中の１０８３ｎｍ近傍の波長の原子転位に依拠する光学的ポンピングの原理は公知である。通常、準安定の三重項状態２３Ｓ１を定在させるため、一般に、ガスを含む容器１（セルと呼ばれる）の外部の電極２，３によって誘導した無線周波数電流によって放電を維持する。光ポンピングによって形成された配位を固定するため、低磁場（一般にミリテスラの範囲）を印加する。上記条件において、プラズマが有効な光ポンピングを実現できるのは、ガス圧力がｍｂａｒの範囲（１ｍｂａｒ、即ち、１００Ｐａ）にある場合に限られる。
【００２０】
光ポンピングによって形成された分極の結果として、原子内部のパラメータへの入射光束の動力学的モーメントの転移プロセス（電子スピンおよび／または核スピンの分極）と、（分極がほぼゼロである）平衡状態への上記分極の緩和プロセスとが競合される。光束の有効な吸収には、特に、十分な密度の放電によってヘリウム原子の準安定状態を定在させる必要があるが、強い放電を利用すれば、急速な緩和が誘起されることになる。実際、２つのプロセスは、競合して、準安定原子の密度を制限するとともに、配位の緩和を誘起する：
【００２１】
−原子の原子拡散によって、準安定原子は、セル１の壁部と接触され、極めて急速に脱励起され、その配位を喪失する；定常状態では、この脱励起は、（プラズマ内の電子照射によって）基準状態の原子が概ね極めて励起された状態に移行されることによって補償される。放射カスケード（この場合、励起前の各スピンの場合による配位が、偏光された光の形でガスから消失する）によって、準安定状態が再び定在され、壁部との接触による脱励起効果も補償される。この原子拡散は、ガス圧が低ければ低い程、迅速である：ヘリウム−３の拡散係数Ｄは、圧力に比例し、１ｍｂａｒにおいて２０００ｃｍ２／ｓである（そのランダムな進行によって、原子は、その位置から、経過時間の平方根に比例する距離だけ離されるー例えば、１ｍｓで１．４ｃｍ）。よく知られているように、０．１ｍｂａｒ以下の範囲の圧力について、実際に、光ポンピングによって、ヘリウム−３において有意な核分極を達成できる。かくして、基本的に、壁部への急速な拡散によって大きい緩和が誘起される。
【００２２】
−準安定原子間の非弾性的衝突（例えば、イオン化を誘起するペニング・タイプの衝突）の確率は、準安定原子の絶対的密度が大きければ大きい程、大きい。上記衝突の効果として、圧力が上昇すると、光学的ポンピングに対して望ましくない２つの現象が生ずる。一方では、上記プロセスが、実際に、ソフトな放電において、準安定原子の密度を１０１０−１０１１ｃｍ−２に、即ち、ガス圧とは無関係に大きく制限する。従って、準安定状態にある原子の割合は、圧力に逆比例する（２．５ｍｂａｒのガス中に約１０１７原子／ｃｍ２であり、２５ｍｂａｒでは約１０倍となる）。さて、光束の分極から基準状態の原子への間接的転位は、準安定状態の原子による吸光を生じさせるが、上記原子の割合が小さければ小さい程、低速であり、即ち、圧力が高い程、上記転位の効果が低くなる。他方、このような非弾性衝突による脱励起の確率は、十分に高い圧力によって拡散が十分に減速されると直ちに、壁部近傍の脱励起確率よりも大きくなる；さて、非弾性衝突によって形成される分子イオンは、核分極の補足緩和を誘起する性質を有する。よく知られているように、圧力がｍｂａｒ（１００Ｐａ）よりも高い場合、通常の光ポンピングの効果は、圧力が高い程、小さくなる。１０ｍｂａｒ（１０００Ｐａ）以上の範囲の圧力では、ポンピングの減速および緩和の加速が、非弾性衝突を間接的に結果し、実際、光ポンピングによってヘリウム−３内の有意な核分極を阻止する。
【００２３】
本発明にもとづき、基本的に、適切に選択した強度の磁場をガスに印加し、上記の新しい状態にプラズマ発生法および（１０８３ｎｍの波長の）光ポンピング技術を適用する。（例えば、０．１テスラの範囲の強度の）適切な静的磁場を使用すれば、特に、光ポンピングについて２つの利点が得られる：
【００２４】
−側方へプラズマを限局でき、かくして、より低い磁場の場合とは異なる性質の放電を発生できる状況が得られる。適切な励起法の使用を維持して、上記プラズマの特性は、特に、（壁部への拡散が十分に低速である）１ｍｂａｒよりも高い圧力において、光ポンピングにより好適である。
【００２５】
−プラズマによって誘起された励起状態の大半において、電子スピンのパラメータおよび核スピンのパラメータを有効に切離すことができる（１５ＧＨｚ／Ｔの範囲のゼーマン磁気エネルギは、超微細結合に関連し上記励起状態において１ＧＨｚ以上の範囲にあるエネルギを越える）。この状況は、先験的に好ましい２つの結果をもたらす。一方では、上述の放射カスケードにおいて、核スピンは、分離された状態にとどまり、その分極状態を保持し、放射された光は、偏光されない：かくして、十分に強い磁場は、プラズマ内の緩和プロセスの１つを阻止する。他方では、１０８３ｎｍ近傍の波長の放射転移時に介入する原子レベルの構造が、十分に強い磁場の印加によって変化され、より有効な光ポンピングが実現されるよう、上記レベルの位置および転移確率を調節できる。
【００２６】
従って、十分に強い磁場を適切に使用すれば、ヘリウム中で有効な光ポンピングを実施でき、特に、ガス圧の大きい範囲において（１０ｍｂａｒよりも高い圧力でも）、ヘリウム−３の基準状態において強い核分極を構成できる。このような磁場は、更に、ドップラー効果に起因する拡大よりも多量なサブレベルの縮退を排除できる；かくして、ポンピング束の方向および分極の選択度が大きく、１つまたは複数の波長を適切に選択した１つまたは複数の光ポンピング束を使用して、上記サブレベルの若干を選択的に励起できる。
【００２７】
ヘリウムの光ポンピングを実現できる、図１に模式的に示した通常の要素、即ち、ヘリウムガスを含むセル、１０８３ｎｍのレーザ光源および光束偏光手段以外に、十分に強い磁場を発生できる装置が必要である。この場合、直流を通電する巻線またはコイル（抵抗性磁石）または残留磁化材料（例えば、フェライト）からなる要素群から構成された永久磁石が対象となる。
【００２８】
磁場の重要な特性は、強度Ｂおよびその相対的均一性である。強度は、所望の効果を得るのに十分でなければならない。実際、Ｂ＝１００ｍＴの範囲の磁場が必要である。均一性は、極めて急速な緩和を誘起しないよう十分に良好でなければならない。この緩和は、原子の拡散を結果し、かくして、印加磁場の空間的ゆらぎが、原子に作用す磁場の時間的ゆらぎを誘起することになる；良く知られているように、一般に、（δＢ／Ｂ）２／Ｐ（式中、Ｐは、ガス圧であり、δＢ／Ｂは、ガスの占有容積にわたる磁場の相対的均一性である）に比例する１／ＴδＢから緩和率を計算する。
【００２９】
ヘリウムの通常の光ポンピング法の場合、磁場は、付随的に必要であるに過ぎない。なぜならば、実際、すべての実験において不均一の磁場が存在するからである：均一磁場の印加の目的は、ガス容積にわたる相対的不均一性を減少し、かくして、環境起因の不均一性の緩和効果を減少することにある。上記磁場の数値は、重要ではなく、例えば、概ね地磁気を利用できる。他方、本発明の場合、強い磁場の使用が本質的であり、相対的不均一性δＢ／Ｂは、実際、磁場発生装置のジオメトリによって決定される。高圧ガスにおける光ポンピングの補足的利点は、緩和が低速であり（ＴδＢはＰに比例する）、コンパクトな装置が、十分に均一な磁場を発生するのに十分であるという点にある。
【００３０】
図２に、本発明を実施するための装置の実施例を示した。この装置は、外径２５ｃｍ，内径１０ｃｍ，長さ２５ｃｍのボビン９の中心に設置したセル１を含む。装置の中心のまわりの１００ｃｍ３の容積にわたる均一性は、圧力が過小でない場合に有効な光ポンピングを行うのに十分な長さＴδＢを得るのに十分である（ＴδＢは、Ｐ＝１ｍｂａｒについて１００ｓであり、１０ｍｂａｒについて１０００ｓである）。この磁場発生装置は、約１０ｍＴ／Ａを供給し、６Ｗ／Ａ２を消費する。
【００３１】
更に、断層撮影装置ＭＲＩによって、低磁場装置の中心にまたは高磁場装置の外部に適切な磁場を形成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係る設備の略図である。
【図２】  図１に示してない磁場発生装置の略図である。
【図１】
0004261048.tif 000002
【図２】
0004261048.tif 000003