(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
気体試料を過分極する方法であって、
ａ．3Ｈｅで囲まれた固化気体構造体を試料気体から極低温で形成する段階と、
ｂ．前記固化気体構造体を分極するために、前記固化気体構造体及び前記3Ｈｅに磁場を印加する段階と、
ｃ．過分極した試料気体の固化気体構造体を残すために、前記3Ｈｅを除去する段階と、
を含み、
段階（ｃ）が、
ｉ．前記固化気体構造体の温度を上昇させる段階と、
ｉｉ．前記3Ｈｅを置換するために、前記固化気体構造体を囲む領域の中に4Ｈｅを導入する段階と、
ｉｉｉ．前記固化気体構造体から前記3Ｈｅ及び前記4Ｈｅをポンプで抜き去る段階と、
を含む、
ことを特徴とする方法。
【請求項２】
段階（ａ）は、
ｉ．固化気体構造体を形成する段階と、
ｉｉ．前記固化気体構造体を囲む領域の中に前記3Ｈｅを導入する段階と、
を含む、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
段階（ａｉ）は、
（１）チャンバ内の基板を冷却する段階と、
（２）前記試料気体を前記基板上に凝縮させるために、前記試料気体を前記チャンバ内に導入する段階と、
を含む、ことを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記試料気体の前記チャンバ内への前記導入は、前記試料気体が凝縮して前記基板上に厚さが約１０単分子層の固化気体層を形成するように制御されることを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記基板は、ヒュームド・シリカであることを特徴とする請求項３又は請求項４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
前記固化気体構造体は、多孔性であり、大きな表面積を有することを特徴とする請求項２から請求項５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
段階（ａｉｉ）は、
（１）前記固化気体構造体を予冷する段階と、
（２）前記予冷した固化気体構造体を液体3Ｈｅに浸漬する段階と、
を含む、ことを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項８】
固化気体構造体は、４．２Ｋよりも低い温度まで予冷されることを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記液体3Ｈｅは、１００ｍＫよりも低い温度まで予冷されることを特徴とする請求項７又は請求項８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１０】
段階（ａ）は、前記固化気体構造体上に3Ｈｅの固体層を形成する段階を含むことを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１１】
段階（ａ）は、前記固化気体構造体及び前記3Ｈｅを１００ｍＫ未満の温度まで冷却する段階を更に含むことを特徴とする請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１２】
段階（ｂ）で印加される前記磁場は、１０Ｔと２０Ｔとの間の強度を有することを特徴とする請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１３】
前記気体試料は、希ガスであることを特徴とする請求項１から請求項１２のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１４】
前記気体試料は、129Ｘｅを含むことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
過分極した希ガスを得るために、前記固化気体構造体を１６１Ｋよりも高い温度まで加熱する段階を更に含むことを特徴とする請求項１３又は請求項１４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１６】
５０ｍＴと１Ｔとの間の強度を有する磁場に１０Ｋよりも低い温度で前記固化気体構造体を維持することにより、前記過分極した気体を前記固化気体構造体の形態で保管する段階を更に含むことを特徴とする請求項１から請求項１５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１７】
請求項１から請求項１６のいずれか１項に従って生成された過分極した気体を分析される窩洞に供給する段階と、
ＮＭＲ試験を実行する段階と、
を含むことを特徴とする、ＮＭＲ試験を実行する方法。
【請求項１８】
気体試料を過分極する装置であって、
ａ．3Ｈｅで囲まれた固化気体構造体を試料気体から形成する極低温装置と、
ｂ．前記3Ｈｅ及び前記固化気体構造体を分極するために、前記固化気体構造体及び前記3Ｈｅに磁場を印加する磁場発生アセンブリと、
ｃ．過分極した希ガスの固化気体構造体を残すために、前記3Ｈｅを除去する除去システムと、
を含み、
前記除去システムが、
ｉ．前記固化気体構造体の温度を上昇させる段階と、
ｉｉ．前記3Ｈｅを置換するために、前記固化気体構造体を囲む領域の中に4Ｈｅを導入する段階と、
ｉｉｉ．前記固化気体構造体から前記3Ｈｅ及び前記4Ｈｅをポンプで抜き去る段階と、
を実行するようになっている、
ことを特徴とする装置。
【請求項１９】
前記極低温装置は、
多孔性基板を包含し、前記試料気体を受け入れる投入口を有するセルと、
冷却システムと、
前記冷却システムに前記セルを冷却させることにより、前記試料気体を前記基板上に凝縮させて多孔性固化気体構造体を形成するようになっている、前記冷却システムを制御する制御装置と、
を含む、ことを特徴とする請求項１８に記載の装置。
【請求項２０】
前記基板は、ヒュームド・シリカで形成されることを特徴とする請求項１９に記載の装置。
【請求項２１】
前記除去システムは、前記セルに連結されたポンプを含み、
前記制御装置は、前記冷却システムが前記セルの温度を上昇させて前記3Ｈｅを蒸発させるべく前記冷却システムを制御するように作動し、
前記ポンプは、前記セルから前記3Ｈｅの蒸気を除去するようになっている、ことを特徴とする請求項１９又は請求項２０のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２２】
前記除去システムは、前記3Ｈｅを前記固化気体構造体から置換させる4Ｈｅを前記セル内に供給するために前記投入口に連結された4Ｈｅの供給装置を更に含むことを特徴とする請求項２１に記載の装置。
【請求項２３】
前記制御装置は、前記セルに印加された前記磁場を制御する前記磁場発生装置に連結されることを特徴とする請求項１９から請求項２２のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２４】
前記磁場発生装置は、少なくとも１つの超伝導コイルを含むことを特徴とする請求項１８から請求項２３のいずれか１項に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（技術分野）
本発明は、気体試料を過分極する方法及び装置に関する。詳細には、本発明は、ＭＲＩ及びＮＭＲ試験に用いるために希ガスを過分極する方法に関する。
【０００２】
（背景技術）
従来のＭＲＩ技術は、原子核の固有磁気モーメント又はスピンの印加磁場との相互作用を利用する。スピンが印加磁場と整列した原子核は、スピンが印加磁場と逆に整列した原子核と異なるエネルギ状態を有する。従って、磁場内の原子核に高周波を加えることにより、より低いエネルギ状態からより高いエネルギ状態に原子核を跳ばすことができる。次に、原子核が低エネルギ状態に戻る時に生じる信号を測定し、これにより、測定されている対象の物理的特性の性質に関する情報をもたらすことができる。
【０００３】
多くの場合、ＭＲＩ及びＮＭＲ画像化は、水及び脂肪に存在する水素原子核を用いて行われる。しかし、適切な原子核が測定を行うことができるように常に自然に存在するとは限らない。すなわち、例えば肺には陽子が少なすぎ、鮮明な画像を生み出すことができない。これに加え、肺の微視的な空気／組織インタフェースは、すでに弱い信号を更に急速に減衰させる磁場の変動を生じる。この問題は、通常の呼吸及び心臓の運動により更に悪化する。
これに対して提案されている解決策は、患者が、窒素又はヘリウムのような緩衝気体と、希ガスのような強く分極した試料気体との混合物を吸入することである。過分極した希ガスは、公知のように、誘導分極を含み、従って原子核に誘導磁気モーメントを含む気体である。これにより、通常用いられる水素原子核が存在しない場合でさえも、ＭＲＩ及びＮＭＲ試験を通常の方法で行うことができる。
【０００４】
現在、過分極気体を発生させる主な技術は２つある。第１の技術は、例えば、ＵＳ−Ａ−５８０９８０１、ＵＳ−Ａ−５６１７８６０、及び、ＵＳ−Ａ−５６４２６２５に説明されている。
これらの文献に説明されている技術は、キセノン又はヘリウム３（3Ｈｅ）の間接的過分極である。これは、気体にルビジウムのような少量のアルカリ金属蒸気を混合することにより達成される。この蒸気混合物に弱い磁場を印加し、アルカリ金属の電子エネルギ準位を分裂させる。
次に、レーザを用いて蒸気混合物に光学的ポンピングを行い、金属蒸気のより高いエネルギ副準位に電子分極の蓄積を生じさせる。希ガス原子の原子核は、次に、アルカリ金属との衝突により分極し、分極アルカリ電子から希ガスの原子核スピンへの角運動量の移動を生じる。
【０００５】
3Ｈｅを過分極する代替方法は、ヘリウムの準安定状態の直接光学的ポンピングにより達成される。この方法では、放電及び低圧セルを用いて、準安定状態の3Ｈｅ原子を生成する。次に、これらの準安定原子は、高出力ＬＮＡレーザからの円偏光レーザ光に露出され、不対中性子との結合を通じて電子からヘリウム原子核への分極の移動を生じさせる。
上述の方法は、いずれも光学的ポンピング技術に依存しているため、極めて非効率的である。
【０００６】
固化キセノンの使用を伴う他の方法も考えられている。しかし、キセノンは、スピン格子緩和時間が長いため、何らかの有用なレベルの分極をもたらすためには、低温で長時間強力な磁場に保持する必要がある。従って、この直接的な手法は実際的でない。
これを克服するために、Ｈｏｎｉｇ他による「固体の129キセノンにおける高い平衡スピン分極」という名称の文献は、キセノンを大量の酸素と混合して分極の向上を補助することを提案している。一方、Ｕｓｅｎｋｏ他による「低温での強力な129Ｘｅ及びＤ2の分極」は、固化キセノンに電子電流を誘導することにより分極を達成する方法を説明している。しかし、この場合も、このような技術が極めて非効率的であることが示された。
【０００７】
オランダ国アムステルダム所在のノースホランド・パブリッシング・カンパニーから出版の「物理研究における原子核装置及び方法、セクションＡ：加速器、分光計、検出器、及び、関連機器」第４０２巻、第２−３号、１９９８年１月１１日、４７９〜４８３ページに掲載のＧ．ＦＲＯＳＳＡＴＩによる論文「極低温技術を用いるＨｅ、Ｄ２（及び、おそらくＸｅ）の分極」は、気体試料を過分極する方法を開示しており、この方法は、３Ｈｅに囲まれた固化気体構造体を試料気体から極低温で形成する段階、固化気体構造体を分極するために固化気体構造体及び３Ｈｅに磁場を印加する段階、及び、過分極した試料気体の固化気体構造体を残すために３Ｈｅを除去する段階を含む。
【０００８】
（発明の開示）
本発明の第１の態様によれば、気体試料を過分極する方法が提供され、本方法は、
ａ．3Ｈｅで囲まれた固化気体構造体を試料気体から極低温で形成する段階と、
ｂ．固化気体構造体を分極するために、固化気体構造体及び3Ｈｅに磁場を印加する段階と、
ｃ．過分極した試料気体の固化気体構造体を残すために、3Ｈｅを除去する段階と、
を含み、段階（ｃ）が、
ｉ．固化気体構造体の温度を上昇させる段階と、
ｉｉ．3Ｈｅを置換するために、固化気体構造体を囲む領域の中に4Ｈｅを導入する段階と、
ｉｉｉ．固化気体構造体から3Ｈｅ及び4Ｈｅをポンプで抜き去る段階と、
を含むことを特徴とする。
【０００９】
本発明の第２の態様によれば、気体試料を過分極する装置が提供され、本装置は、
ａ．3Ｈｅで囲まれた固化気体構造体を試料気体から形成する極低温装置と、
ｂ．3Ｈｅ及び固化気体構造体を分極するために、固化気体構造体及び3Ｈｅに磁場を印加する磁場発生アセンブリと、
ｃ．過分極した希ガスの固化気体構造体を残すために、3Ｈｅを除去する除去システムと、
を含み、該除去システムが、
ｉ．固化気体構造体の温度を上昇させる段階と、
ｉｉ．3Ｈｅを置換するために、固化気体構造体を囲む領域の中に4Ｈｅを導入する段階と、
ｉｉｉ．固化気体構造体から3Ｈｅ及び4Ｈｅをポンプで抜き去る段階と、
を実行するようになっていることを特徴とする。
【００１０】
従って、本発明は、過分極した試料気体を生成する方法及び装置を提供する。この技術では、3Ｈｅで囲まれた固化気体構造体が形成される。次に、気体構造体及び3Ｈｅに磁場を印加することにより、固化気体構造体を分極する。低温条件下では、固化気体は、通常、緩和速度が極めて小さい。しかし、本発明では、気体構造体／3Ｈｅインタフェースでの磁気双極子間結合が固化気体の緩和速度の増大をもたらし、これによって固化気体が分極される速度が増大する。次に、3Ｈｅを除去すると、過分極した希ガスの固化気体構造体が後に残る。これは、次に、必要に応じてＮＭＲ及びＭＲＩ試験に用いることができる。
【００１１】
3Ｈｅで囲まれた固化気体構造体を極低温で形成する段階は、通常、固化気体構造体を形成する段階と、固化気体構造体を囲む領域の中に3Ｈｅを導入する段階とを含む。しかし、代替的には、固化気体構造体は、3Ｈｅを含む環境で形成される。
一般的に、固化気体構造体を形成する段階は、チャンバ内の基板を冷却する段階と、試料気体を基板上に凝縮させるためにチャンバ内に試料気体を導入する段階とを含む。しかし、代替的には、気体構造体は、基板を含む環境の中に試料気体を導入し、その後、試料気体を基板上に凝縮させるために環境全体を冷却することによって形成されてもよい。
【００１２】
一般的に、試料気体のチャンバ内への導入は、試料気体が凝縮して基板上に厚さが約１０単分子層の固化気体層を形成するように制御される。これは、3Ｈｅにより生ずる増大した緩和速度が固化試料気体構造体の最上部層に対してのみ有効であることから特に有利である。3Ｈｅからの更なる固化気体の層は、試料を通って伝搬するのに時間のかかるスピン拡散効果により分極されることになる。この技術で分極した層については、緩和速度に対する3Ｈｅの効果が低減され、従って、可能な限り大量の固化気体構造体を3Ｈｅに確実に接触させることにより、可能な限り大きな緩和速度を確実にもたらすことが好ましい。しかし、3Ｈｅがより長い時間希ガスとの接触を保つ場合、希ガスのより厚い層を用いてもよい。
【００１３】
基板は、表面積が大きい気体構造体が確実に形成されるように多孔性媒体であることが好ましい。更に、常磁性汚染物質の濃度を確実に小さくすることが好ましい。従って、基板は、通常はヒュームド・シリカである。しかし、活性炭、剥離グラファイト、粘土、多孔質ガラス、ゼオライト、及び、シリカ・エーロゲルのような表面積が大きい任意の適切な物質を用いることができるであろうし、シリカもまた用いられるであろう。
固化気体構造体は、多孔性であって表面積が大きいことが好ましい。これにより、可能な限り大量の希ガスが確実に凝縮してその後分極することができ、その一方で3Ｈｅと相互作用し、それにより確実に分極時間が最小に維持される。しかし、基板の温度や印加磁場のような他のパラメータがそれ相応に調節される場合、低減された表面積を用いることができるであろう。
【００１４】
一般的に、固化気体構造体を囲む領域の中に3Ｈｅを導入する段階は、固化気体構造体を予冷する段階と、予冷した固化気体構造体を液体3Ｈｅに浸漬する段階とを含む。この場合、気体構造体は熱容量が小さいために、それは４．２Ｋよりも低い温度まで冷却され、その後、3Ｈｅの温度を過度に上昇させることなく、液体3Ｈｅに浸漬することができ、3Ｈｅ自体は、通常、１００ｍＫ未満の温度まで、好ましくは１０ｍＫの温度まで冷却される。また、この技術により、適切な結合が確実に起こるように、固化気体構造体の表面全体が3Ｈｅと確実に接触することになる。更に、これにより3Ｈｅを低温（１００ｍＫ未満）に維持することが可能になり、それによって3Ｈｅを繰り返し冷却する必要性を克服する。
しかし、気体構造体を囲む区域内への3Ｈｅの導入は、代替的に、固化気体構造体の孔を満たすために固化気体構造体を包含するチャンバ内に3Ｈｅを導入する段階と、固化気体構造体の表面上に3Ｈｅを固化させるために固化気体構造体を冷却する段階とを伴ってもよい。更なる代替方法においては、3Ｈｅがチャンバに入るとすぐに凝縮して固化するように固化気体構造体が予冷されてもよい。
【００１５】
本方法は、固化気体構造体及び3Ｈｅを温度１００ｍＫ未満まで冷却する段階を更に含むことが好ましい。この場合、固化気体構造体及び3Ｈｅに印加する磁場の強度は、１０及び２０Ｔ（テスラ）の間である。しかし、誘導された分極のいかなる減少も補うように他のパラメータを調節することにより、温度及び磁場の代替値を用いることができる。すなわち、例えば低減された磁場を用いる場合、磁場をより長時間印加することができるであろう。しかし、結局のところ、分極のレベルは、印加磁場と温度の逆数とに依存することになる。従って、できるだけ大きな場を低温で用いることが好ましい。
【００１６】
一般的に、固化気体構造体から3Ｈｅを除去する方法は、固化気体構造体の温度を上昇させる段階と、固化気体構造体を囲む領域から3Ｈｅを抽出する段階とを含む。3Ｈｅは、固化気体構造体を囲む領域内に4Ｈｅを導入して3Ｈｅを置換し、その後3Ｈｅ及び4Ｈｅをポンピングで抜き去ることにより抽出することが好ましい。しかし、代替的には、固化気体構造体及び3Ｈｅを気化させて、得られた２つの気体を分離することにより3Ｈｅを除去することも可能であろう。
【００１７】
通常、試料気体は129Ｘｅを含む希ガス試料である。しかし、131Ｘｅ、83Ｋｒ、39Ａｒ、21Ｎｅ、15Ｎ、又は、2Ｄなどのような任意の適切な試料気体を用いることができるであろう。従って、これは、本発明の技術を用いて分極することができる試料を網羅するリストを表すものではない。
しかし、代替的に、試料気体は3Ｈｅを含むことができるであろう。その場合、3Ｈｅは、基板上に固体の層として形成され、固化気体構造体が液体3Ｈｅに囲まれることが好ましい。従って、これにより、過分極したヘリウムを本発明の技術で生成することができる。
【００１８】
本方法は、温度が１０Ｋよりも低く強度が５０ｍＴ及び１Ｔの間にある磁場に固化気体構造体を保持することにより、固化気体構造体の形態で過分極した気体を保管する段階を更に含むことが好ましい。しかし、代替的に、気体は、気化させて直ちに用いてもよい。過分極した気体は、固化気体構造体を１６１Ｋよりも高い温度まで上昇させることにより、固化気体構造体から得ることができる。
上述のように、過分極した気体は、この時点でＮＭＲ及びＭＲＩ型の解析技術に用いるのに適する。ＭＲＩの場合には、過分極した気体を緩衝気体と混合させた後、吸入させることができ、肺の細部まで測定することができる。
【００１９】
極低温装置は、通常、多孔性基板を包含すると共に希ガスを受け入れる投入口を有するセル、冷却システム、及び、冷却システムにセルを冷却させ、それによって希ガスを基板上に凝縮させて多孔性の固化気体構造体を形成するようになっている、冷却システムを制御する制御装置を含む。
一般的に、除去システムは、セルに連結されたポンプを含み、制御装置が冷却装置を制御してセルの温度を上昇させ、3Ｈｅの蒸発を生じさせるように作動し、ポンプは、3Ｈｅ蒸気をセルから除去するようになっている。しかし、制御装置は、セルの温度を上昇させて希ガス及び3Ｈｅの両方を気化させるようにすることもできるであろう。この場合、装置は、得られた気体混合物を分離する手段を更に含むであろう。
好ましくは、除去システムは、投入口に連結されて4Ｈｅをセル内に供給する4Ｈｅの供給装置を更に含み、この4Ｈｅは、3Ｈｅの固化気体構造体からの置換を引き起こす。しかし、3Ｈｅの除去は、4Ｈｅを付加することなく実施することもできる。
【００２０】
一般的に、制御装置はまた、セルに印加する磁場を制御するために磁場発生装置に連結される。これは、印加磁場と固化気体構造体の温度とを単一構成要素で正確に制御することを可能にし、従って、固化気体構造体が分極に理想的な条件を受けることを確実にする。
磁場発生装置は、通常、少なくとも１つの超伝導コイルを含むことになる。しかし、いくつかの別々のセットのコイルを用いて、目標とする強度及び均一性の場を固化気体構造体全体に確実に発生させることができるようにしてもよい。その結果、磁場発生装置はまた、永久磁石を含むであろう。
ここで、本発明の実施例を添付の図面を参照して以下に説明する。
【００２１】
（発明を実施するための最良の形態）
図１は、本発明により過分極した気体を発生させる適切なシステムを示す。
本システムは、取付部材３を通じて頂上装荷冷凍プローブ２の冷たい端部に連結されたセル１を含む。明確にするために、冷凍プローブシステムの全体は本図面に示されていないが、プローブ２を冷凍システムの残りの部分に連結するのに用いられる圧縮銀焼結シール６が示されている。
セル１は、第１のシール４によって取付部材３に連結され、取付部材３は、それ自体、一般的にインジウムなどで形成される第２のシール５によってプローブ２に連結される。
セルは、一般的に、プローブ２との良好な熱接触を確実にするために何らかの圧縮銀焼結を含むであろう。
【００２２】
気体及び液体をセル１の中に供給することができる供給ライン７は、セル１の開放端に配置される。セル１の内部から気体を除去するために、真空ポンプ（図示せず）もまた設けられる。
最後に、いくつかのＮＭＲコイル９及び強磁場発生アセンブリ１０が、セル１の周りに配置される。これらは、以下に更に詳細に説明する通り、別々の駆動回路（図示せず）により制御される。
【００２３】
この実施例では、セル１が細長い円筒であることに注目されるであろう。細長い円筒形を用いると、仮に形状が矩形であった場合のようにセルが鋭い隅部を含む時に生じるであろう反磁場勾配を最小限にする傾向を有することになるために特に有利である。
一般的に、セルの容積は約１ｃｍ3であるが、装置をより大きな容積のセルに拡大できることが理解されるであろう。本実施例のこの大きさのセルでは、多孔性媒体８は、約４０ｍ2の表面積を有する約０．１グラムのヒュームド・シリカで形成される。
【００２４】
本実施例では129Ｘｅである希ガスを分極するための基本的な手順は、次の段階を伴う。
１．多孔性媒体を129Ｘｅでコーティングする。
２．129Ｘｅを3Ｈｅでコーティングする。
３．129Ｘｅを分極する。
４．3Ｈｅを除去する。
５．過分極した129Ｘｅを保管する。
ここで、これらの手順の各々は、以下でより詳細に説明される。
【００２５】
多孔性媒体のコーティング
多孔性媒体８がセル１に置かれた状態で、セル１は、真空ポンプを用いて真空状態になるまでポンプダウンされ、冷却される。これが完了した状態で、供給ライン７を通して129Ｘｅガスが導入される。
129Ｘｅがセル１内に導入されると、多孔性媒体６の温度が低減されていることにより、129Ｘｅが凝縮する。これは、種々の条件下で達成されるであろう。
第１の例は、多孔性媒体８が１００ケルビンよりも十分に低い温度で維持されるようにセル１を冷却することである。次に、129Ｘｅが多孔性媒体の表面上に直接凝縮するように、129Ｘｅガスがゆっくりと制御された方法で入れられる。このような温度では、129Ｘｅの蒸気圧は非常に小さく、ほとんどの原子は、それらが最初に凝縮したところに留まるであろう。
【００２６】
別の可能な方法は、129Ｘｅガスが収容される時に、多孔性媒体を１００ケルビンと三重点１６１ケルビンとの間の温度に維持することである。このような温度では、129Ｘｅは凝縮して固体になり、三重点での感知される蒸気圧は最大０．８２バールである。セル１内の129Ｘｅ蒸気の圧力は、多孔性媒体のある部分から別の部分への129Ｘｅの移動を許し、理想的には、均質なフィルムをもたらす。
第３に、多孔性媒体を三重点１６１ケルビンよりも高い温度に維持してもよく、それによって、129Ｘｅは、最初に凝縮して液体になるであろう。この液体は多孔性媒体の表面上を流れ、それによって、129Ｘｅによる表面の均一なコーティングを確実にするであろう。
代替的には、セル１内に129Ｘｅガスを導入し、次に、セル１を冷却して多孔性媒体の表面上に129Ｘｅガスを凝縮させてもよい。
いずれの条件を用いる場合でも、129Ｘｅの供給は、多孔性媒体８が129Ｘｅの約１０単分子層の厚さ、すなわち、約４０Åの厚さの層でコーティングされるように制御される。
【００２７】
129Ｘｅのコーティング
129Ｘｅのコーティングの形成が達成された状態で、129Ｘｅコーティングそのものは、3Ｈｅでコーティングされる必要がある。この例では、これは、供給ライン７を通して3Ｈｅをセル１内に挿入することにより達成される。これは、種々の条件下で行われるであろう。
第１に、これは、129Ｘｅコーティングが多孔性媒体上に凝縮された時の温度で行うことができ、その場合、3Ｈｅは気体として投入される。これが起こった場合、セル１は、次に冷却されて129Ｘｅコーティング上で3Ｈｅを液化させる。
【００２８】
しかし、3Ｈｅを液化するためにそれを冷却する段階は、長い時間を要し、大量のエネルギを必要とする。従って、3Ｈｅは、液体として導入することが好ましい。これを達成するためには、２．２Ｋ未満、好ましくは３００ｍＫ未満の温度までセルを予冷し、3Ｈｅが確実に液体状態に留まるようにする。この場合、液体3Ｈｅの温度が一般に１０ｍＫであるために、3Ｈｅを導入することによりセル１が更に有利に冷却され、それによって液体3Ｈｅが蒸発しないことを確実にする。
【００２９】
液体ヘリウムは、129Ｘｅの表面区域全体に亘って流れ、3Ｈｅと129Ｘｅの固体分子との間のファンデルワールス相互作用を用いて129Ｘｅに結合する。この結合は、3Ｈｅの第１のいくつかの層を、3Ｈｅに対して３４バールである凝固圧力を超えて効果的に圧縮する。これにより、129Ｘｅの表面に3Ｈｅの固体層が形成される。
3Ｈｅの並外れて小さい原子分極性のために、ファンデルワールス力は、3Ｈｅ及び129Ｘｅ原子間の方が２つの3Ｈｅ原子間よりも強い。これにより、3Ｈｅの固化が可能になるだけでなく、以下に更に詳細に説明するように、最終的に3Ｈｅが除去されるという結果になる。
【００３０】
代替方法として、129Ｘｅコーティングを多孔性媒体８上に形成することができ、その多孔性媒体は、129Ｘｅの全体的なコーティングを確実にするために、次に液化3Ｈｅの「プール」の中に浸漬されることが分かるであろう。この場合、129Ｘｅは、４Ｋ未満の温度まで予冷され、セル１は、プローブ２から取り外すことができるであろう。このセルは、次に、それをプローブ２上に戻す前に129Ｘｅをコーティングするために液体3Ｈｅに浸漬することができる。この場合、これは、温度３００ｍＫ未満に維持されている液体3Ｈｅを用いて、129Ｘｅをその液体3Ｈｅに浸漬することにより更に冷却するという利点を有するであろう。
【００３１】
129Ｘｅの分極
ほとんどの物質において、原子核磁気緩和の主な機構は、原子間力又は運動力による分子間の双極子−双極子相互作用の変調である。一般に、この運動は、希釈冷凍装置温度においてほぼ完全に凍結しているため、非常に長い緩和時間をもたらす。しかし、固体3Ｈｅにおいては、ＭＨｚ振動数における原子の量子トンネル運動は、短い緩和時間をもたらす。
従って、磁場を印加は、固化3Ｈｅ層で3Ｈｅ原子の緩和を引き起こし、これが、次に固化129Ｘｅにおける129Ｘｅ原子の緩和を引き起こす。しかし、双極子−双極子相互作用は、距離の３乗に逆比例して減少するため、3Ｈｅ原子との双極子−双極子相互作用により効果的に緩和されるのは、固化129Ｘｅの表面層のみである。
【００３２】
当業者によって理解されることになるように、129Ｘｅの緩和量は、129Ｘｅの表面積と、3Ｈｅ及び129Ｘｅ表面間の相対距離とに依存し、同様に、温度と、印加磁場と、試料が分極条件下に維持された持続時間とに依存する。
従って、固化129Ｘｅに大きな表面積を形成する段階と3Ｈｅを覆う段階とは、分極を最大にするのに役立つ。
更なる改善はまた、セル１を確実に約１０ｍＫまで冷却することによって得られる。これが完了した状態で、3Ｈｅ及び129Ｘｅは、高強度磁力装置１０を用いて発生された強度約１６Ｔを有する磁場に露出された。
【００３３】
これらの条件の下で、適切な分極は、約３０００秒という時間スケールで達成される。しかし、これらの値は、かなり変動する可能性があることが分かるであろう。例えば、用いた時間が長いほど、より多く129Ｘｅが分極される。すなわち、これらの条件をより長い時間維持することにより、低減された場を用いることができるであろう。
試料の分極のレベルは、ＮＭＲコイル９により測定され、試料が十分に分極されると処理を停止することを可能にする。
【００３４】
3Ｈｅの除去
上述の方法を用いて129Ｘｅを分極した状態で、3Ｈｅを除去することが次に必要となる。これは、低温及び高磁場の条件が取り除かれると、3Ｈｅが急速に緩和し、従って分極を失うことになるためである。これは、次に、129Ｘｅの分極を減少させるであろう。
3Ｈｅを除去する最も簡単な技術は、セル１を３００ｍＫよりも高く加熱し、3Ｈｅを蒸発させることである。これにより、次に、真空ポンプを用いて、セルＩから3Ｈｅを除去することができる。
【００３５】
しかし、この技術には、129Ｘｅの表面上に形成する固化3Ｈｅ層が、129Ｘｅ原子とのファンデルワールス相互作用のために、このような低温では蒸発しないことになるという欠点がある。従って、固化3Ｈｅを除去するためには、約４．２Ｋまで更に温度を上げ、3Ｈｅを全て蒸発させる必要がある。このような温度に達して3Ｈｅが蒸発し終えた時までには、129Ｘｅ及び3Ｈｅは相当に緩和していることになり、それによって、129Ｘｅの分極の相当な減少を引き起こす。
その結果、過分極した129Ｘｅを用いることができるほど十分に長い時間分極が留まることを確実にするために、得られた分極した129Ｘｅを１Ｔの磁場の下に温度４．２Ｋで保管することが必要になる。
【００３６】
しかし、この問題は、4Ｈｅをセル１の中に導入することにより克服することができる。これには、２つの主要な効果がある。
第１に、4Ｈｅには、原子核スピンや双極子モーメントがなく、従って、3Ｈｅの持つ緩和促進特性を有していない。
第２に、4Ｈｅ原子は、その３３％大きい原子量と、従って量子零点運動の低減とのために、129Ｘｅに隣接する固化層から3Ｈｅ原子を置換することになる。
従って、十分な4Ｈｅを付加すると、4Ｈｅが分極した129Ｘｅの表面上にいくつかの単分子層を形成するように、3Ｈｅの置換が引き起こされる。これは、4Ｈｅが3Ｈｅ上を自由に流れる超流動体フィルムを形成するように、4Ｈｅを温度２．２Ｋ未満、一般的には約３００ｍＫで導入することにより達成される。更に4Ｈｅを加えると、3Ｈｅが置換されるように4Ｈｅ毛管が凝縮して129Ｘｅを覆う。
【００３７】
次に、真空ポンプを用いて、セル１から3Ｈｅをポンピングして抜くことができる。固化3Ｈｅが置換されているために、これは、液体3Ｈｅが蒸発してそれをポンピングで抜き出すことができるようにセル１の温度を約３００ｍＫまで上げることによって3Ｈｅを除去することを可能にする。
これが完了した状態で、129Ｘｅを4Ｈｅから分離することができる。これは、２つの方法のいずれかで達成することができる。
第１に、セル１の温度を、4Ｈｅが蒸発するように２．２Ｋよりも高く上げることができ、次に、真空ポンプを用いて、この4Ｈｅを除去することができる。4Ｈｅが129Ｘｅの緩和を促進せず、3Ｈｅほど強力に129Ｘｅと結合しないために、これが可能である。代替的には、固体129Ｘｅをセル１から除去し、それによって液体4Ｈｅをセルに残すことができる。
【００３８】
分極した129Ｘｅの保管方法
129Ｘｅが3Ｈｅ及び／又は4Ｈｅから分離した状態で、129Ｘｅを保管することができる。分極が存在する時間を長くするために、129Ｘｅは、磁場の存在の下に低温で保管することが必要である。温度がより低いほど、また、場がより高いほど、分極をより長期間維持することができる。
上述のように、3Ｈｅを蒸発のみで除去する場合、１Ｔの磁場に温度４．２Ｋで129Ｘｅを保管することが必要である。
しかし、4Ｈｅを用いて3Ｈｅが置換されている場合、129Ｘｅは、付加的なコイル装置（図示せず）又は高磁場磁力装置１０により発生させることができる約１００ｍＴの強度の磁場に温度４．２Ｋで保管することができる。
いずれの場合も、これは、129ＸｅがＭＲＩ又はＮＭＲ試験を実行するのに十分な分極を１日以上維持することを確実にする。
【００３９】
4Ｈｅが除去されている場合、129Ｘｅは、セル１に保管することができることが分かるであろう。代替的には、129Ｘｅをセル１から抽出し、代替保管施設に移すことができる。
129ＸｅをＭＲＩ試験で分極気体として用いることが必要な場合、固化129Ｘｅは、それが蒸発して蒸気相になるように、磁場の存在の中で単に加熱することができる。これが起こると、129Ｘｅの緩和時間が増加することになるが、試験は、相当な分極が確実に残るように、129Ｘｅを直ちに用いるように準備することができる。
すなわち、例えば患者の肺のＭＲＩ画像化に対しては、固化129Ｘｅは蒸発させられ、室温まで暖めることができる。この固化129Ｘｅは、次に、適切な量の緩衝気体と混合され、患者がこの混合物を吸い込むことを可能にする。次に、患者を磁場に配置し、通常の方法でＭＲＩ手順を実行することにより、ＭＲＩ画像化を実施することができる。
【００４０】
本発明の付加的な特徴
上述の実施例は、129Ｘｅを分極した試料気体として用いることに関して説明された。しかし、本発明は、あらゆる希ガス、及び、2Ｄなどのような他の気体試料に対しても応用することができる。
本発明はまた、分極した3Ｈｅを２つの主な方法で得るために利用することができる。
第１に、上述の実施例において、4Ｈｅを緩和スイッチとして用い、129Ｘｅ表面から3Ｈｅを除去する場合、除去した3Ｈｅは、一般的には129Ｘｅよりも高い分極レベルを有することになる。従って、4Ｈｅ及び3Ｈｅをセル１から除去することができ、4Ｈｅと共に過分極3Ｈｅを含む気体混合物をもたらす。この状況では、4Ｈｅはバッファとして作用し、3Ｈｅの脱分極を防止するのに役立つ。従って、3Ｈｅ及び4Ｈｅをセル１から除去することができ、その後、分離して純粋な過分極3Ｈｅをもたらすことができる。
第２に、3Ｈｅでコーティングされた129Ｘｅを多孔性媒体８のような冷たい表面上に形成された固化3Ｈｅの層で置換することにより、上述の実施例で概説した技術を用いて3Ｈｅを過分極することが可能である。
【００４１】
129Ｘｅに関して上述した実施例におけるように、固体3Ｈｅの層は、冷却した多孔性媒体８をコーティングすることにより形成される。固体3Ｈｅ層が形成される時、全ての3Ｈｅが多孔性媒体と強力なファンデルワールス結合を形成するほど十分に接近することにはならないので、通常は、周囲の領域に付加的な液体3Ｈｅが存在する。
固化3Ｈｅ層が形成されると、固体3Ｈｅが好ましい緩和速度を有するために、適切な温度条件（一般的には、２．２Ｋ未満）の下で試料に磁場を印加することにより、固化3Ｈｅを分極することができる。
固化3Ｈｅ層が分極された状態で、容易には分極していない周りの液体3Ｈｅを除去することが次に必要になる。固体3Ｈｅは、磁化に関するキュリーの法則に従うが、一方、液体3Ｈｅはパウリの法則に従い、従って、所定の磁場／温度の比に対して、固体3Ｈｅは、遥かに容易に分極することに留意する必要がある。
【００４２】
液体3Ｈｅを除去するために、セル１の中に液体4Ｈｅが導入される。液体4Ｈｅは、固体3Ｈｅから液体3Ｈｅを置換し、次に、129Ｘｅの実施例に関して上述した方法で、得られた3Ｈｅ及び4Ｈｅ混合物を加熱して除去することができる。
分極した固化3Ｈｅは、次に、129Ｘｅに関して上述したように、印加磁場において3Ｈｅを液化又は蒸発させるためにセルを加熱することにより、セルから除去することができる。
従って、129Ｘｅを分極するのに用いる技術はまた、3Ｈｅを分極するためにも用いることができることを当業者は理解するであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明により過分極した希ガスを発生させる装置の概略図である。
【図１】
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