DE69719962T2

DE69719962T2 - Tieftemperaturspeicher für spin-polarisiertes xenon-129

Info

Publication number: DE69719962T2
Application number: DE69719962T
Authority: DE
Inventors: D. Cates; Bastiaan Driehuys; William Happer; Dr. Miron; Brian Saam; Daniel Walter
Original assignee: Princeton University
Current assignee: Princeton University
Priority date: 1996-03-29
Filing date: 1997-03-27
Publication date: 2003-12-18
Anticipated expiration: 2017-03-28
Also published as: EP0890066B1; US5809801A; JP4231533B2; JP2008036443A; AU712530B2; WO1997037177A1; JP2000507688A; ATE235032T1; DE69719962D1; EP0890066A1; EP0890066A4; ES2195131T3; AU2592097A; US5860295A; CA2250167C; DK0890066T3; CA2250167A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die Erfindung betrifft Vorrichtungen und Verfahren zur Hyperpolarisierung eines Edelgases. Insbesondere betrifft die Erfindung Verfahren und Vorrichtungen zur kontinuierlichen Erzeugung und Anreicherung erheblicher Mengen von hyperpolarisiertem Edelgas.
Kernmagnetische Resonanz (NMR) ist ein Phänomen, das durch die Anwendung von Energie auf einen Atomkern induziert werden kann, der in einem Magnetfeld gehalten wird. Der Kern, wenn er ein magnetisches Moment besitzt, kann innerhalb eines extern angelegten Magnetfeldes ausgerichtet werden. Diese Ausrichtung kann dann durch die Anwendung eines kurzen Impulsbündels von Radiofrequenz-Energie auf das System vorübergehend gestört werden. Die resultierende Störung des Kerns manifestiert sich als messbare Resonanz oder wobbeln des Kerns bezüglich des externen Feldes.
Jedoch muss jeder Kern, um mit einem externen Feld in Wechselwirkung zu treten, ein magnetisches Moment besitzen, d. h. einen von Null verschiedenen Spin. Experimentelle kernmagnetische Resonanzverfahren sind deshalb auf die Untersuchung solcher Target-Proben begrenzt, die einen signifikanten Anteil von Kernen enthalten, welche einen Spin von ungleich Null zeigen. Ein von diesen Kernen besonders bevorzugter ist das Proton (¹H), das gewöhnlich untersucht wird, wenn das Verhalten von Wasser-Protonen (¹H&sub2;O) in magnetischen Feldern untersucht und manipuliert wird. Andere Kerne, einschließlich bestimmter Edelgas-Kerne wie ³He und ¹²&sup9;Xe sind grundsätzlich zur Untersuchung mittels NMR geeignet. Jedoch haben die geringe natürliche Häufigkeit dieser Isotope, ihr geringes magnetisches Moment und andere physikalische Faktoren die NMR-Untersuchung dieser Kerne sehr erschwert, wenn nicht sogar unmöglich gemacht.
Ein wichtiger Gesichtspunkt bei der Untersuchung von Edelgas-Kernen mittels NMR ist, dass sie gewöhnlich nur eine geringe NMR-Signalintensität zeigen. Es ist jedoch bekannt, dass die Spinpolarisierung solcher Edelgase wie ³He und ¹²&sup9;Xe über das natürliche Niveau erhöht werden kann, d. h. Populationen dieser Isotope können künstlich "hyperpolarisiert" werden, um ein viel stärkeres NMR-Signal bereitzustellen. Eine bevorzugte Hyperpolarisierungstechnik ist als Spin-Austausch- Hyperpolarisierung bekannt. Ohne diese Technik erschöpfend im Detail zu beschreiben kann man sagen, dass bei diesem Szenario ein Edelgas durch Wechselwirkung mit dem Dampf eines Alkalimetalls, wie Rubidium, welches selbst durch Absorption von Laserenergie geeigneter Wellenlänge polarisiert wurde, hyperpolarisiert wird.
Das polarisierte Rubidium überträgt seine Polarisierung auf das Edelgas durch ein Phänomen, das als Spin-Austauschtransfer bekannt ist. Das Endergebnis ist, dass das Edelgas "hyperpolarisiert" wird, d. h. stärker polarisiert ist als es sonst wäre. Details der Theorie, welche das Verfahren der Spin-Austausch-Polarisierung stützt, stehen in der Literatur zur Verfügung.
Während sie als theoretisches Phänomen bekannt ist, hat die gegenwärtige Praxis der Spin-Austausch-Hyperpolarisierung gezeigt, dass diese so etwas wie eine Kunst ist. Die Herstellung und Handhabung von hyperpolarisierten Edelgasen ist nicht nur logistisch schwierig sondern sie ist auch teuer. Weiterhin wurde die Herstellung von hyperpolarisierten Edlegasen aufgrund der experimentellen Natur der Spin-Austausch-Studien gewöhnlich nur kleintechnisch vorgenommen. Es ist gewöhnlich exquisites handwerkliches Können, einschließlich Fachwissen auf einer Vielzahl von Gebieten, einschließlich Lasern, Elektronik, Glasblasen, die Bedienung von Ultrahochvakuum-Pumpen, der Handhabung von hochreinem Gas wie auch der kernmagnetische Resonanzspektroskopie, erforderlich.
Zum Beispiel ist mit der Herstellung einer einzigen Probe hyperpolarisierten Edelgases gewöhnlich die Fertigung einer gasdicht verschlossenen Einmal-Glaszelle mit einer Volumenkapazität von nur ein paar Dutzend bis wenigen hundert Kubikzentimetern verbunden. Solche Zellen haben eine Genauigkeit bei der Herstellung erfordert und dennoch war ihre Qualität, bestimmt durch die Tendenz das Edelgas zu depolarisieren, nicht immer vorhersehbar. Weiterhin erfordert die Verwendung solcher Zellen für den Spin-Austausch, dass sie mit darin vorliegendem Alkalimetall gasdicht verschlossen werden müssen. Das bedeutete, dass darauf geachtet werden musste, dass Verunreinigungen, welche die Oxidation des Metalls bewirken und folglich die Zelle unbrauchbar machen könnten, entfernt wurden. Andere Probleme entstehen durch das Glas selbst, welches das Edelgas schneller depolarisieren kann, als es polarisiert wird. Zur Untersuchung polarisierter Edelgase durch NMR- Techniken muss die gasdicht verschlossene Zelle aufgebrochen oder zerstört werden, um das hyperpolarisierte Gas in das NMR-Spektrometer zu entlassen. Das Vorgehen zur nächsten Probe erforderte die Wiederholung aller dieser Schritte, einschließlich der Fertigung und Befüllung einer neuen Glas-Zelle, welche nicht unbedingt die gleiche Qualität hatte, was zu einem mühsamen und häufig unvorhersehbarem Verfahren führte.
Middleton hat zum ersten mal die Möglichkeit eröffnet, versiegelte Pump- Zellen herzustellen, welche in der Lage sind, größere Mengen eines Edelgases zur Hyperpolarisierung durch Spin-Austauschtechniken aufnehmen zu können.
H. Middleton, The Spin Structure of the Neutron Determined Using Polarized ³He Target, Ph. D. Dissertation. Princeton University (1994). Trotz dem hat sich die Zuverlässigkeit der in dieser Publikation beschriebenen Verfahren, dadurch dass die Variabilität von Probe zu Probe als Problem bestehen geblieben ist, als für die Routineverwendung nicht geeignet erwiesen. Weiterhin findet sich in diesem Dokument keine Offenbarung irgendeines Verfahrens, um wiederbefüllbare Zellen oder Zellen herzustellen, welche kontinuierlich oder fließend verwendet werden könnten, ohne dass sie einer erheblichen Sanierung unterzogen werden müssen. Obwohl es einen Fortschritt bei der Zellen-Herstellung gegeben hat, hat der Stand der Technik folglich kein Mittel zur Herstellung für wiederbefüllbare Pump-Zellen oder für Pump-Zellen für kontinuierlichen Durchfluss bereitgestellt.
Es war auch bekannt, dass hyperpolarisiertes ¹²&sup9;Xe eingefroren werden kann und dennoch einen signifikanten Anteil seiner Polarisierung beibehält. Es ist natürlich bekannt, dass das Einfrieren von Xe sogar die Polarisierungs- Lebensdauer über diejenige verlängern kann, die normalerweise dadurch erreicht wird, dass das ¹²&sup9;Xe im gasförmigen Zustand gehalten wird. Dementsprechend wurden gasdicht verschlossene Glas-Zellen, die kleine Mengen hyperpolarisiertes ¹²&sup9;Xe enthielten, eingefroren, gelagert und später zur Verwendung aufgetaut (sublimiert). Siehe z. B. Cates et al., Phys. Rev. Lett. 65(20), 2591-2594 (1990). Das Dokument von Cates sagt vorher, dass kleine Mengen (bis zu ungefähr 1 g/h) ¹²&sup9;Xe angereichert werden könnten, stellt jedoch keinen praktischen Hinweis zur Verfügung, wie ein solches Ergebnis erzielt werden könnte. Dieses Dokument unterlässt es auch, irgendeinen Hinweis zu geben, ob die Anreicherung größerer Mengen gefrorenen ¹²&sup9;Xe möglich wäre.
Alternativ beschreibt eine Publikation von Becker et al., Nucl. Inst. & Meth. in Phys. Res. A, 346: 45-51 (1994), ein Verfahren zur Herstellung von hyperpolarisiertem ³He durch ein deutlich anderes Polarisierungsverfahren, bekannt als "Metastability Exchange". Dieser Ansatz erfordert die Verwendung extrem niedriger ³He-Drucke, d. h. ungefähr 0,001 atm bis ungefähr 0,01 atm, und schließt nicht die Verwendung eines Alkalimetalls ein; das ³He wird direkt durch den Laser polarisiert. Eine wesentliche Anreicherung von hyperpolarisiertem ³He durch dieses Verfahren ist durch die Notwendigkeit begrenzt, sehr große Pump-Zellen zu verwenden (d. h. ungefähr 1 Meter lang) und dann das Gas auf ein geeignetes Maß zu komprimieren. Die Publikation von Becker et al. offenbart einen ausgeklügelten aber technisch schwierigen Ansatz, bei welchem Kompressoren für große Volumina, hergestellt aus Titan, zur Komprimierung des Gases auf ungefähr Atmosphärendmek benutzt werden. Unglücklicherweise erfordert die Herstellung und Bedienung eines solchen Systems große technische Fachkenntnis, was die routinemäßige Reproduzierbarkeit und Bedienbarkeit des Systems begrenzt. Die von Becker et al. beschriebene Vorrichtung erfordert auch erheblichen Stellplatz und kann nicht bewegt werden. Die Veröffentlichung von Becker et al. vermeidet auch die Verwendung von Alkalimetallen in den Pump-Zellen und offenbart kein Verfahren zur Herstellung von hyperpolarisiertem Edelgas durch Spin-Austausch. Daher löst die Veröffentlichung von Becker et al. nicht die Komplexität der Herstellung von Pump-Zellen, in welchen Alkalimetall verwendet wird. Demzufolge beschreibt oder schlägt diese Publikation kein Verfahren oder keine Vorrichtung vor, die mit der Herstellung und dem Transport beliebig großer oder kleiner Mengen hyperpolarisierten Edlegases durch Spin-Austausch in Zusammenhang steht.
Es wurde kürzlich gezeigt, dass hyperpolarisiertes Edelgas durch Kernspinresonanztomographie-Verfahren (MRI) abgebildet werden kann. Siehe die US- Patentanmeldung der Seriennummer 08/225243. Zusätzlich, weil die Edelgase als Gruppe inert und nicht-toxisch sind, hat man festgestellt, dass hyperpolarisierte Edelgase für MRI an menschlichen und tierischen Subjekten verwendet werden können. Demzufolge besteht ein wachsender Bedarf an der Erzeugung größerer Mengen hyperpolarisierter Edelgase. Weiterhin sind, aufgrund medizinischer und veterinärmedizinischer Belange, die kontrollierte Einheitlichkeit und Zuverlässigkeit bezüglich der Reinheit der Gase und des Grades der Hyperpolarisierung notwendig geworden. Auch ist der Bedarf an der zweckmäßigen und zuverlässigen Erzeugung hyperpolarisierter Gase für die Verwendung im klinischen Rahmen wichtig geworden, in welchem Medizintechniker, welche nur geringe oder keine Übung in oben beschriebenen Laborverfahren haben, dennoch in der Lage sind, Subjekten, die sich MRI unterziehen, diskret oder kontinuierlich, hyperpolarisierte Edelgas-Proben bereitzustellen.
Im Hinblick auf die obigen Betrachtungen ist klar, dass die im existierenden Stand der Technik in Gebrauch befindlichen Vorrichtungen und Verfahren in vielerlei Hinsicht begrenzt sind. Beispielsweise stellt der bestehende Stand der Technik keine praktische Vorrichtung zur Wiederbefüllung einer Kammer (Zelle) zur Spin-Austausch-Polarisierung bereit, nachdem sie einmal verwendet worden ist. Die meisten der jetzigen Kammern sind entweder nach der ersten Befüllung permanent gasdicht verschlossen, oder sind mit höchstens unbefriedigendem Ergebnis wiederbefüllt worden. Daher wäre es von Nutzen, eine Vorrichtung für die effektive Wiederbefüllung einer Pump-Kammer oder sogar für das optische Pumpen in einem Verfahren mit kontinuierlichem Durchfluss in der gleichen Kammer zu entwickeln, um damit die Material- und Personalkosten zu verringern.
Darüber hinaus sind sogar die früher durchgeführten, erfolgreichen Befüllungen permanent gasdicht verschlossener Zellen über ein deutlich anderes System bewerkstelligt worden. In der Vergangenheit war ein teures Ultrahochvakuum-System, mit entweder ölfreien Pumpen oder mit ölenthaltenden Pumpen unter Kryotrapping erforderlich, um eine ausreichend reine Vorrichtung zur Befüllung von Polarisierungskammern hoher Qualität herzustellen. Ein solches System ist teuer (ungefähr $ 30.000), nicht sehr kompakt (3 ft mal 6 ft Basisfläche) und hat einen großen Wartungsbedarf durch einen ausgebildeten Vakuumtechniker. Ein neues System, das nur minimaler Wartung bedarf und geeignet ist, ohne besondere Fachkenntnisse der Vakuumtechnologie betrieben zu werden, wäre wünschenswert. Auch wäre ein System mit einer geeigneteren Größe für den klinischen Rahmen nützlich.
Zusätzlich gab es keinen zweckmäßigen Weg, hyperpolarisiertes Gas in kontinuierlicher Art zu erzeugen. Für jedes Spin-Austausch-Hyperpolarisierungsverfahren musste eine neue, gasdicht verschlossene Probe hergestellt und in die Hyperpolarisierungsvorrichtung eingeführt werden. Es wäre deshalb wünschenswert, ein System zu entwickeln, welches diese Begrenzungen überwände, um Vorrichtungen zur kontinuierlichen Hyperpolarisierung eines strömenden Edelgases bereitzustellen.
Systeme zur Erzeugung hyperpolarisierter Gase sind auch sehr sperrig gewesen und erforderten für ihre Installation gewöhnlich separate Räume. Solche Systeme sind nicht transportabel oder als Einzelteil einer Vorrichtung in einem Raum installierbar, der für verschiedene andere Zwecke benutzt wurde. Folglich wären kleine, zweckmäßige Hyperpolarisierer von Vorteil. Auch wären transportable Systeme in Situationen von Vorteil, wo Platz ein entscheidender Gesichtspunkt ist.
Obwohl die Lagerung hyperpolarisierten Edelgases aus WO 95/27438 bekannt ist, gab es früher keinen geeigneten Weg, erhebliche Mengen hyperpolarisierter Edelgase, insbesondere ¹²&sup9;Xe, für die spätere Aufteilung in diskrete Quantitäten beliebiger Menge (bis zu Dutzenden Litern Gas bei Atmosphärendruck) zu lagern. Es wäre wichtig, auch diese Begrenzung zu überwinden, um Vorrichtungen für die kontinuierliche Anreicherung eines hyperpolarisierten Edelgases, wie auch die Lagerung und kontrollierte Freisetzung des hyperpolarisierten Gases auf Bedarfsebene bereitzustellen, während noch wesentliche Mengen an Hyperpolarisierung erhalten bleiben.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Demgemäss wird als Ergebnis eine verbesserte Vorrichtung und ein verbessertes Verfahren zur Anreicherung eines hyperpolarisierten Edelgases bereitgestellt. Insbesondere wird eine Vorrichtung zur Anreicherung großer Mengen hochreinen hyperpolarisierten Edelgases, zur Verwendung bei der Kernspinresonanztomographie bereitgestellt. Wie auch ein Verfahren und eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Erzeugung und Anreicherung hyperpolarisierten Edelgases, wie auch die Lagerung großer Mengen hyperpolarisierten Edelgases.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung schließt ein Anreicherungssystem ein, welches die Anreicherung von hyperpolarisiertem ¹²&sup9;Xe in kontinuierlichem oder semikontinuierlichen Modus erlaubt. Das Anreicherungssystem ermöglicht es, dass hyperpolarisiertes Xenon durch ein Cryotrapping-Reservoir strömen kann und effizient und selektiv als Xenon-Eis aufgefangen wird, bevor es entweichen könnte. Der Anreicherer ermöglicht auch, dass andere Gase durch das System hindurch gelassen werden, wodurch er bewirkt, dass hyperpolarisiertes Xenon selektiv konzentriert wird. Beim Anreicherer wird bevorzugt ein Kühlfallenreservoir eingesetzt, in welchem die Falle auf eine Temperatur unter den Gefrierpunkt von Xenon gekühlt wird. Das in den Anreicherer strömende Xenon scheidet sich dann effizient, in gefrorener Form, an den Wänden des Anreicherungsreservoirs ab. Darüber hinaus erlaubt der Anreicherer, dass das Xenon innerhalb des Reservoirs Strömen kann, um sich auf dem vorher abgeschiedenen Xenon abzuscheiden, wodurch die kontinuierliche oder semi-kontinuierliche Anreicherung des gefrorenen Gases ermöglicht wird. Weil die feste Form des hyperpolarisierten ¹²&sup9;Xe eine viel längere Polarisierungslebensdauer als die gasförmige Form besitzt, kann der Anreicherer als Lagervorrichtung dienen, wodurch die Anreicherung signifikanter Mengen hyperpolarisierten Gases, für die Verwendung zu einem späteren Zeitpunkt, ermöglicht wird. Die Erfindung stellt weiterhin ein Verfahren zur Verwendung der verschiedenen beschriebenen Vorrichtungen bereit.
Optional kann das Anreicherungsreservoir aus der Kühlvorrichtung entfernbar und von den Einström- und Ausströmleitungen abtrennbar sein. Demnach kann eine entfernbare Speicherreservoir-Kassette entfernt werden und in einer anderen Kühl- oder Kälteerzeugungsvorrichtung gelagert werden. Auf diesem Weg kann die Bedienung des Anreicherers durch Installation einer weitern der entfernbaren Reservoir-Kassetten fortgesetzt werden.
Zum Zweck der erfindungsgemäßen Anreicherung von hyperpolarisiertem ¹²&sup9;Xe wird die Hyperpolarisierung des Xenons bevorzugt unter Verwendung von Xenon, das in einer Gasmischung eingespeist wird, durchgeführt. Die Gasmischung schließt Xenon mit ¹²&sup9;Xe in wenigstens seiner natürlichen Häufigkeit ein. Zusätzlich, zum Zweck der Steigerung der Effizienz der Spin-Austausch-Polarisierung, ist auch ein Löschgas, wie Stickstoff oder Wasserstoff in der Gasmischung enthalten, um die Fluoreszenz des Alkalimetalls während des optischen Pump-Verfahrens zu unterdrücken. Es ist nun beobachtet worden, dass die Hyperpolarisierung von hohen Partialdrucken von Xenon nicht so effizient wie gewünscht ist, d. h. hohe Xenon- Drucke können dessen eigene Hyperpolarisierung, durch eine zu wirkungsvolle Depolarisierung des Alkalimetalls, hemmen. Deshalb war die Niedrigdruck- Hyperpolarisierung der erforderlicher Standard. Ein neues erfindungsgemäßes Verfahren zur Verbesserung der Effizienz der Xenon-Hyperpolarisierung schließt jedoch die Verwendung eines Schutzgases ein, um das durch den Alkalimetalldampf absorbierbare Wellenlängenband zu verbreitern, wodurch die Effizienz des Hyperpolarisierungsprozesses gesteigert wird. Ein bevorzugtes Schutzgas ist Helium. Die Erfindung schließt die Verwendung eines Schutzgases ein, das vom Löschgas verschieden ist, um das Problem zu lösen, dass bestimmte Löschgase die Depolarisierung des Alkalimetalldampfes bei hohen Löschgas-Drucken, verursachen. Demgemäss schließt eine erfindungsgemäße Gasmischung einen geringfügige Menge ¹²&sup9;Xe, eine geringfügige Menge eines Löschgases und als Rest Helium ein.
Somit wird die erfindungsgemäße Vorrichtung vorteilhafterweise in Verbindung mit einem Hochkapazitäts-Hyperpolarisierer eingesetzt, in welchem ein Edelgas in wesentlich größeren Mengen hyperpolarisiert werden kann, als es in der Vergangenheit möglich war. Dieser Hyperpolarisierer schließt Vorrichtungen zur Hyperpolarisierung eines Edelgases in kontinuierlicher oder wenigstens semi-kontinuierlicher Art ein. Beispielsweise kann man das Edelgas die Polarisierungskammer des Hyperpolarisierers in kontinuierlichem Modus durchströmen lassen, so dass die Flussgeschwindigkeit es erlaubt, dass ein wesentlicher Teil der Kerne während ihrer Passage durch die Polarisierungskammer hyperpolarisiert wird. Alternativ kann das Edelgas in einem semikontinuierlichen (episodichen oder periodischen) Ansatz in diskreten Volumina in die Polarisierungskammer strömen, hyperpolarisiert werden und danach entlassen werden, um es zu ermöglichen, dass nachfolgende Volumina des Gases behandelt werden können. Bei dieser Vorrichtung müssen keine einzelnen Zellen vorbereitet werden, weil dieselbe Kammer in kontinuierlichem Durchfluss oder durch wiederholte Befüllungen und Evakuierungen verwendet werden kann.
Deshalb wird die Erzeugung relativ großer Mengen des hyperpolarisierten Edelgases nicht durch den Bedarf, neue Hyperpolarisierungszellen herzustellen behindert oder anderweitig begrenzt.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Hyperpolarisierung von ¹²&sup9;Xe und zur Anreicherung wesentlicher Mengen des hyperpolarisierten Gases. Insbesondere schließt das Verfahren die Hyperpolarisierung einer Target-Gasmischung, die ein Edelgas in geringem Anteil enthält, das Strömen der hyperpolarisierten Target- Gasmischung in einen Anreicherer und die Anreicherung des hyperpolarisierten Edelgases unter wesentlichem Ausschluss anderer Gase in der Gasmischung, ein. Bevorzugt schließt das Verfahren die Hyperpolarisierung eines geringen Anteils ¹²&sup9;Xe in Beimischung mit einem Schutzgas wie Helium, und eines Löschgases wie Stickstoff, ein. Während nur geringe Mengen des ¹²&sup9;Xe zu einem bestimmten Zeitpunkt erzeugt werden, lässt man das Target-Gas in einen Anreicherer strömen, wodurch bewirkt wird, dass das Xenon gefriert, während die Phasenumänderung der anderen Gase in der Mischung vermieden wird. Deshalb scheidet sich das Xenon im Anreicherungsreservoir in im Wesentlichen gereinigter Form ab, während die anderen Gase selektiv entfernt werden. Weiterhin kann sich das Xenon derart anreichern, dass sich weit größere Mengen hyperpolarisiertes Gas ergeben, als es sonst möglich wäre.
Wir wenden uns nun den jeweiligen Ausführungsbeispielen der Erfindung zu, wobei die Erfindung in einem Ausführungsbeispiel ein Verfahren zur Anreicherung von hyperpolarisiertem ¹²&sup9;Xe einschließt. Das Verfahren schließt das Strömen eines Ausgangsgases, das hyperpolarisiertes ¹²&sup9;Xe einschließt, durch eine Anreicherungsvorrichtung und die Anreicherung des hyperpolarisierten ¹²&sup9;Xe in der Anreicherungsvorrichtung ein. Bevorzugt schließt das Anreicherungsverfahren die Anreicherung von ¹²&sup9;Xe in der Anreicherungsvorrichtung ein, welche einschließt:
a) ein Anreicherungsreservoir, durch das ein Gasfluss möglich ist und
b) eine Kälteerzeugungsvorrichtung zum Kühlen des Anreicherungsreservoirs auf eine Temperatur, die ausreichend ist, die Anreicherung von ¹²&sup9;Xe in dem Anreicherungsreservoir in gefrorener Form zu bewirken.
Es ist bevorzugt, dass das Verfahren die Anreicherung des hyperpolarisierten ¹²&sup9;Xe in einem angelegten Magnetfeld einschließt. Die bevorzugte Stärke des angelegten Magnetfeldes ist ausreichend, um die Spin-Gitter-Relaxationszeit des hyperpolarisierten ¹²&sup9;Xe bei der Anreicherungstemperatur zu maximieren. Beispielsweise sollte das Feld bei der Temperatur von flüssigem Stickstoff wenigstens ungefähr 500 G haben. Tiefere Temperaturen erfordern gewöhnlich entsprechend höhere Felder.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Durchführung der Anreicherung über jeden festgelegten Zeitraum, jedoch wird angenommen, dass aufgrund der Relaxation des hyperpolarisierten ¹²&sup9;Xe der hyperpolarisierte Anteil des reinen angereicherten Xenon-Eises sinken wird, wenn der Anreicherungszeitraum die maximal mögliche Spin-Gitter-Relaxationszeit von ¹²&sup9;Xe bei Eistemperatur übersteigt. Deshalb ist es bevorzugt, dass das Xenon für einen Zeitraum von bis zur maximal möglichen Spin-Gitter-Relaxationszeit des ¹²&sup9;Xe für die Temperatur, bei welcher das ¹²&sup9;Xe angereichert wird, gesammelt wird. Die Verwendung einer niedrigeren Kühltemperatur ist mit dem Anstieg der Relaxationszeiten verbunden, wodurch längere Anreicherungszeiträume ermöglicht werden.
Das Ausgangsgas schließt Xenon ein, das ¹²&sup9;Xe in wenigstens natürlicher Häufigkeit besitzt. Stärker bevorzugt ist das Xenon im Ausgangsgas mit ¹²&sup9;Xe über den Grad der natürlichen Häufigkeit angereichert ist. Aufgrund spezifischer Begrenzungen, welche bei der hyperbarischen Spin-Austausch-Hyperpolarisierung von Xenon festgestellt wurden, wird das Xenon bevorzugt in einem Ausgangsgas bereitgestellt, welches auch ein anderes Gas oder mehrere andere Gase umfasst. Speziell kann das Verfahren unter Verwendung eines Ausgangsgases durchgeführt werden, welches weiterhin ein Gas zur Löschung der Alkalimetall-Fluoreszenz, wie Stickstoff oder Wasserstoff, einschließt. Das Verfahren kann auch unter Verwendung eines Ausgangsgases durchgeführt werden, welches ein Schutzgas einschließt, das zur Druckverbreiterung des optischen Absorptionsspektrums der bei dem Spin- Austauschverfahren verwendeten Alkalimetallatome geeignet ist. Ein bevorzugtes Schutzgas ist Helium. Wasserstoff kann sowohl als Löschgas, als auch als Schutzgas verwendet werden, um die optische Absorptionslinie zu verbreitern. Stickstoff ist kein so gutes Gas wie Wasserstoff oder Helium, um die optische Absorptionslinie zu verbreitern, weil es eine wesentliche Depolarisierung der Alkalimetallatome verursacht.
Bevorzugt schließt das Ausgangsgas, das man durch den erfindungsgemäßen Anreicherer strömen lässt, zusätzlich zu dem hyperpolarisierten ¹²&sup9;Xe Stickstoff und Helium ein. Das beruht hauptsächlich auf der Präferenz für eine Xe : He : N&sub2; Gasmischung für die Herstellung des hyperpolarisierten ¹²&sup9;Xe. Stärker bevorzugt schließt das Ausgangsgas von ungefähr 0,1% bis ungefähr 5% hyperpolarisiertes Xe, von ungefähr 0,1% bis ungefähr 3% N&sub2; und als Rest Helium ein. Alternativ kann das Ausgangsgas von ungefähr 0,1% bis ungefähr 5% ¹²&sup9;Xe, von ungefähr 1% bis ungefähr 30% H&sub2; und als Rest Helium einschließen. Eine gegenwärtig bevorzugte Ausgangsgas-Mischung schließt ungefähr 1% hyperpolarisiertes ¹²&sup9;Xe, ungefähr 1% N&sub2; und ungefähr 98% Helium ein.
Das Verfahren gestattet bevorzugte die Anreicherung des hyperpolarisierten ¹²&sup9;Xe, während wenigstens im wesentlichen die Anreicherung anderer Gase ausgeschlossen wird. Auf diesem Weg ist das hyperpolarisierte ¹²&sup9;Xe im Wesentlichen gereinigt, wobei die geringen Anfangskonzentrationen von Xenon in einem Ausgangsgas, welches wesentliche Anteile anderer Gase enthält, überwunden werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren schließt bevorzugt die Anreicherung hyperpolarisierten ¹²&sup9;Xe mittels einer Kälteerzeugungsvorrichtung ein. Ein Typ einer Kälteerzeugungsvorrichtung schließt Vorrichtungen zur Kühlung des Anreicherungsreservoirs mittels verflüssigten Gases, wie flüssigem Stickstoff oder flüssigem Helium, ein. Das Reservoir bei diesem Typ von System kann in das verflüssigte Gas eingetaucht werden oder kann in Kontakt mit dem durch die Flüssigkeit erzeugten kalten Dampf gehalten werden. Bei einem weiteren Ansatz kann bei dem Verfahren eine Kälteerzeugungsvorrichtung benutzt werden, welche ein geschlossenes Kühlsystem einschließt. Es wird angenommen, dass niedrigere Temperaturen wünschenswert sind, um die Lebensdauer des hyperpolarisierten ¹²&sup9;Xe zu verlängern.
Dieses erfindungsgemäße Verfahren schließt weiterhin bevorzugt die Hyperpolarisierung des ¹²&sup9;Xe vor der Anreicherung des hyperpolarisierten ¹²&sup9;Xe aus dem Ausgangsgas ein. Die Hyperpolarisierung schließt bevorzugt die Hyperpolarisierung des ¹²&sup9;Xe durch Spin-Austausch mit einem Alkalimetall, wie Rubidium oder Cäsium, ein. Auch wird das Hyperpolarisierungsverfahren bevorzugt unter Verwendung eines kontinuierlichen Flusses von Ausgangsgas, einschließlich des hyperpolarisierten ¹²&sup9;Xe, ein, um die Anreicherung des hyperpolarisierten ¹²&sup9;Xe über einen Zeitraum von ungefähr bis zur maximal möglichen Spin-Gitter-Relaxationszeit für ¹²&sup9;Xe bei der Temperatur der Anreicherungsvorrichtung zu ermöglichen.
Es ist weiterhin erwünscht, das erfindungsgemäße Verfahren durch Lagerung des angereicherten hyperpolarisierten ¹²&sup9;Xe bei einer Temperatur von ungefähr dem Gefrierpunkt des ¹²&sup9;Xe zu ergänzen. Tatsächlich ist es ein Vorteil des Verfahrens, dass die Lagerung des angereicherten hyperpolarisierten ¹²&sup9;Xe an einem Ort durchgeführt werden kann, welcher von dem Ort der Anreicherung entfernt (fern) ist. Demnach kann das Anreicherungsreservoir oder das Reservoir zusammen mit der Kälteerzeugungsvorrichtung zur Lagerung an eine andere Stelle transportiert werden. Das erlaubt, dass die Anreicherung fortgesetzt werden kann, um eine weitere Menge hyperpolarisiertes ¹²&sup9;Xe bereitzustellen. Die Lagerung des angereicherten Xenons wird bevorzugt unter Anwendung einer Temperatur durchgeführt, die niedriger ist als diejenige, die für die Anreicherung eingesetzt wurde. Es ist auch bevorzugt, dass die Lagerung mit einem angelegten Magnetfeld durchgeführt wird, dass ausreichend ist, um die Spin-Gitter-Relaxationszeit des hyperpolarisierten ¹²&sup9;Xe bei der Lagerungstemperatur zu maximieren.
In einer anderen Ausführungsform stellt die Erfindung auch eine Anreicherungsvorrichtung für die kontinuierliche Anreicherung von hyperpolarisiertem ¹²&sup9;Xe bereit. In dieser Ausführungsform schließt die Vorrichtung ein:
a) ein Anreicherungsreservoir zur Anreicherung von hyperpolarisiertem ¹²&sup9;Xe, welches von diesem durchströmt wird und
b) eine Kälteerzeugungsvorrichtung zur Kühlung des Anreicherungsreservoirs auf eine Temperatur, die ausreichend ist, die Anreicherung von hyperpolarisiertem ¹²&sup9;Xe in gefrorener Form zu bewirken.
Bevorzugt schließt die Anreicherungsvorrichtung weiterhin Vorrichtungen zum Anlegen eines Magnetfeldes an das Anreicherungsreservoir ein, stärker bevorzugt eines Feldes, das ausreichend ist, die Spin-Gitter-Relaxationszeit des hyperpolarisierten ¹²&sup9;Xe bei der Anreicherungstemperatur zu maximieren.
Die Vorrichtung schließt bevorzugterweise auch Kälteerzeugungsvorrichtungen zum Kühlen des Anreicherungsreservoirs mit flüssigem Stickstoff, flüssigem Helium oder anderen verflüssigten Gasen, ein. Alternativ schließt die Kälteerzeugungsvorrichtung ein geschlossenes Kühlsystem ein.
Stärker bevorzugt schließt die Vorrichtung weiterhin Vorrichtungen zur Bereitstellung des hyperpolarisierten ¹²&sup9;Xe ein. Es ist bevorzugt, dass die Vorrichtung Vorrichtungen zur Hyperpolarisierung von ¹²&sup9;Xe, bevorzugt mittels Spin-Austausch mit Alkalimetall, ein. Bevorzugte Hyperpolarisierungsvorrichtungen schließen Vorrichtungen ein, die geeignet sind, hyperpolarisiertes ¹²&sup9;Xe in kontinuierlichem oder gepulstem Fluss einzuspeisen.
Die Vorrichtung ist bevorzugt modularer Gestalt, so dass das Anreicherungsreservoir entfernbar ist, um die Lagerung des gefrorenen Xenons an einem entfernten Ort zu ermöglichen. Demnach ist das Anreicherungsreservoir wünschenswerterweise aus der Kälteerzeugungsvorrichtung entfernbar. Alternativ, wenn Hyperpolarisierungsvorrichtungen eingeschlossen sind, kann das Anreicherungsreservoir aus der Hyperpolarisierungsvorrichtung und der Kälteerzeugungsvorrichtung entfernbar sein. Bei einer anderen alternativen Konfiguration sind das Anreicherungsreservoir und die Kälteerzeugungsvorrichtung aus der Hyperpolarisierungsvorrichtung entfernbar. In der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist das Anreicherungsreservoir bevorzugt gasdicht verschließbar, um Gasundichtigkeit entweder in das Reservoir hinein oder aus dem Reservoir heraus zu vermeiden. Das ist insbesondere im Zusammenhang mit der auf die Anreicherung des Xenons folgenden Lagerung des Reservoirs wichtig. Demgemäss ist das Anreicherungsreservoir durch verschiedene Vorrichtungen, wie einen ventilversehenen Gasanschluss oder mehrere ventilversehene Gasanschlüsse, gasdicht verschließbar, um die Kontrolle des Gasflusses in das Reservoir oder aus dem Reservoir zu ermöglichen.
Die Vorrichtung kann weiterhin Vorrichtungen zur Sublimierung von gefrorenem Xenon einschließen, um gasförmiges Xenon einschließlich hyperpolarisiertem ¹²&sup9;Xe bereitzustellen.
In einer anderen Ausführungsform stellt die Erfindung Vorrichtungen zur kontinuierlichen Herstellung von hyperpolarisiertem ¹²&sup9;Xe bereit. Hierbei schließt die Vorrichtung ein:
a) eine Ausgangsgaseinspeisungssvorrichtung, die darauf angepasst ist, strömendes ¹²&sup9;Xe bereitzustellen,
b) eine Hyperpolarisierungsvorrichtung zur Hyperpolarisierung des strömenden ¹²&sup9;Xe, um strömendes hyperpolarisiertes ¹²&sup9;Xe bereitzustellen und
c) eine Anreicherungsvorrichtung zur Anreicherung des hyperpolarisierten ¹²&sup9;Xe.
Bevorzugt schließt die Anreicherungsvorrichtung ein:
a) ein Anreicherungsreservoir zur Anreicherung des hyperpolarisierten ¹²&sup9;Xe und
b) eine Kälteerzeugungsvorrichtung zum Kühlen des Anreicherungsreservoirs auf eine Temperatur, die ausreichend ist, um die Anreicherung von ¹²&sup9;Xe in dem Anreicherungsreservoir in gefrorener Form zu bewirken.
Auch wünschenswert ist eine Vorrichtung, in welcher die Anreicherungsvorrichtung weiterhin eine Vorrichtung zum Anlegen eines Magnetfeldes an das Anreicherungsreservoir einschließt, das bevorzugt ausreichend ist, um die Spin-Gitter- Relaxationszeit des hyperpolarisierten ¹²&sup9;Xe bei der Anreicherungstemperatur zu maximieren.
Die Vorrichtung schließt bevorzugt eine Hyperpolarisierungsvorrichtung ein, welche einschließt:
a) eine Polarisierungskammer zur Polarisierung des strömenden ¹²&sup9;Xe und
b) eine Lichtquelle, die in der Lage ist, hyperpolarisierende Strahlung in die Polarisierungskammer abzugeben.
Die Polarisierungskammer kann mit einer Menge an Alkalimetall, bevorzugt Rubidium oder Cäsium, bereitgestellt werden, die ausreichend ist, um während einer Spin-Austausch-Hyperpolarisierungsprozedur ausreichend Alkalimetalldampf bereitzustellen. Eine Alkalimetall-Verdampfungsvorrichtung und Alkalimetall- Rückflussvorrichtung können eingegliedert sein, um den Verlust an Alkalimetall in der Fluss-Konfiguration zu begrenzen.
Die Lichtquelle ist bevorzugt ein Laser, wie ein Laserdioden-Array, und ist imstande, hyperpolarisierende Strahlung zuzuführen, die ausreichend ist, um die Hyperpolarisierung des ¹²&sup9;Xe durch Spin-Austausch mit Alkalimetallatomen zu induzieren.
In einer weiteren Ausführungsform stellt die Erfindung ein Verfahren zur kontinuierlichen Anreicherung von hyperpolarisiertem ¹²&sup9;Xe bereit. In dieser Ausführungsform schließt die Erfindung ein:
das Strömen eines Target-Gases, einschließlich hyperpolarisiertem ¹²&sup9;Xe, durch eine Anreicherungsvorrichtung, um das hyperpolarisierte ¹²&sup9;Xe anzureichern, worin die Anreicherungsvorrichtung einschließt:
a) ein Anreicherungsreservoir zur Anreicherung von ¹²&sup9;Xe und
b) eine Kälteerzeugungsvorrichtung zum Kühlen des Anreicherungsreservoirs auf eine Temperatur, die ausreichend ist, um die Anreicherung von ¹²&sup9;Xe in dem Anreicherungsreservoir zu bewirken und
c) eine Vorrichtung zum Anlegen eines Magnetfeldes an das Anreicherungsreservoir.
In einer anderen Ausführungsform stellt die Erfindung ein Verfahren zur kontinuierlichen Anreicherung von hyperpolarisiertem ¹²&sup9;Xe ein, das einschließt:
a) das Strömen eines Target-Gases, einschließlich ¹²&sup9;Xe durch eine Hyperpolarisierungsvorrichtung,
b) die Hyperpolarisierung des ¹²&sup9;Xe mittels Spin-Austausch mit einem Alkalimetall in der Hyperpolarisierungsvorrichtung, um hyperpolarisiertes ¹²&sup9;Xe in dem Target-Gas bereitzustellen und
c) das Strömen des Target-Gases durch eine Anreicherungsvorrichtung, um hyperpolarisiertes ¹²&sup9;Xe in gefrorener Form anzureichern;
worin die Anreicherungsvorrichtung einschließt:
1) ein Anreicherungsreservoir zur Anreicherung des gefrorenen hyperpolarisierten ¹²&sup9;Xe und
2) eine Kälteerzeugungsvorrichtung zum Kühlen des Anreicherungsreservoirs auf eine Temperatur, die ausreichend ist für die Anreicherung von ¹²&sup9;Xe in dem Anreicherungsreservoir in gefrorener Form.
Weiterhin stellt die Erfindung auch eine Ausführungsform bereit, welche eine Anreicherungsvorrichtung zur Anreicherung von hyperpolarisiertem ¹²&sup9;Xe bereitstellt, die einschließt:
ein austauschbares Anreicherungsreservoir, das derart ausgebildet ist, dass es Durchfluss eines Gases, einschließlich hyperpolarisiertem ¹²&sup9;Xe, ermöglicht, worin das austauschbare Anreicherungsreservoir ausgebildet ist, um austauschbar mit der Kälteerzeugungsvorrichtung verbunden zu sein und mit dieser zur Kühlung des Anreicherungsreservoirs auf eine Temperatur zusammenzuwirken, die ausreichend ist, das gefrorene hyperpolarisierte ¹²&sup9;Xe anzureichern.
Diese und andere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden in der detaillierten Beschreibung und den hierin dargelegten Beispielen gewürdigt. Die detaillierte Beschreibung und die Beispiele erweitern das Verständnis für die Erfindung, damit wird jedoch nicht beabsichtigt, den Umfang der Erfindung zu begrenzen.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindungen sind zum Zweck der Erläuterung und Beschreibung ausgewählt worden und sollen in keinem Fall den Umfang der Erfindung beschränken. Die bevorzugten Ausführungsformen bestimmter Aspekte der Erfindung werden in den begleitenden Zeichnungen gezeigt, worin:
Fig. 1 ein schematisches Diagramm eines erfindungsgemäßen Cryotrapping- Anreicherers, in Verbindung mit einem Hyperpolarisierers, zur Bereitstellung von hyperpolarisiertem ¹²&sup9;Xe, ist.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Fig. 1 veranschaulicht ein integriertes Hyperpolarisierungs- und Anreicherungs-System, das zur erfindungsgemäßen Erzeugung und Anreicherung großer Mengen hyperpolarisiertem ¹²&sup9;Xe geeignet ist. In dieser Figur wird eine Hyperpolarisierungseinheit gezeigt, welche verschiedene Haupt-Untersysteme einschließt, einschließlich eines MRI-Gaseinspeisungssystems, durch welches das polarisierte Gas nach Bedarf für Bildgebungsuntersuchungen zugeführt werden kann.
In Fig. 1 besitzt ein Laserdioden-Array eine Ausgangsleistung von ungefähr 100 W bis ungefähr 500 W und emittiert Strahlung von einer Wellenlänge?, die für die Absorption durch ein Alkalimetall geeignet ist. Die Wellenlängen-Streuung?? ist ungefähr 2 nm FWHM, mit einer Linearpolarisierung von ungefähr 95% oder größer. Aufgrund der großen Wellenlängen-Streuung, wird dieser Lasertyp hierin als "Breitband"-Laser bezeichnet. In einer alternativen Ausführungsform können zwei Laser, die von gegenüberliegenden Seiten der Pumpzelle 4 pumpen, verwendet werden, unter geeigneter Neugestaltung der Zelle 4 und des optischen Diagnosesystems 10.
Eine asphärische Fresnel-Linse 2 (typischerweise Kunststoff) richtet das Meiste des Lichts aus dem Diodenlaser-Array in die optische Pumpzelle 4. Eine Abbildung der Diodenfläche entsteht direkt hinter dem Ende der optischen Pumpzelle 4. Obwohl die Fresnel-Linse preiswert und sehr gut auf gegenwärtig erhältliche Diodenlaser- Arrays angepasst ist, kann eine andere Optik für zukünftige Laser, die eine höhere Eigenhelligkeit besitzen können als jene, die heute erhältlich sind besser geeignet sein.
Das Viertelwellenlängenplättchen 3 wandelt linear polarisiertes Licht aus dem Diodenlaser-Array in zirkular polarisiertes Licht um. Wie gezeigt, wird ein Viertelwellenlängenplättchen aus Kunststoff direkt hinter die Fresnel-Linse 2 positioniert, wo der Laserstrahl sich so weit ausgedehnt hat, dass die Erhitzung der Linse und des Wellenlängenplättchens kein Problem darstellt. Das Licht aus dem Laser 1, welches bereits zu einem hohen Grad linear polarisiert ist, kann, bevor es das Viertelwellenlängenplättchen 3 erreicht, durch einen Linearpolarisierer (rächt gezeigt) geführt werden, falls die natürliche Linearpolarisierung nicht ausreichend ist.
Es wird die optische Pumpzelle 4 gezeigt, welche mit gesättigtem Alkalimetalldampf, z. B. Rb oder Cs, und mit einer optimalen Gasmischung aus ¹²&sup9;Xe, N&sub2; und He, wie unten in Verbindung mit dem vorgemischten Gastank 11 beschrieben wird, bereitgestellt wird. Die Zelle 4 hat die Gestalt eines Kegelstumpfs um das konvergierende Licht aus Linse 2 aufzunehmen. Zurückfließendes Alkalimetall aus der Austrittsleitung 6 tropft durch die Zelle zurück und sammelt sich im Verdampfer 5. Die Zelle und verbundene Leitungen müssen dem hohen Druck des vorgemischten Gases, typischerweise von ungefähr über 1 Atmosphäre bis ungefähr 30 Atmosphären, standhalten. Hoher Gasdruck innerhalb der Zelle ist wichtig, um eine effiziente Absorption des Beitband-Lichts aus dem Diodenlaser zu ermöglichen.
Ein Verdampfer 5 wird flussaufwärts der Pumpzelle 4 bereitgestellt, um die strömende Gasmischung, vor dem Eintritt des Gases in die Zelle, mit Alkalimetalldampf zu beladen. Der Verdampfer 5 kann aus zerknitterten Drähten aus Kupfer oder anderem nicht-magnetischen Metall oder aus gesintertem Metall hergestellt werden, das bereits mit flüssigen Alkalimetallen befeuchtet wurde (z. B. ein Metallschwamm). Der Verdampfer 5 wird mit flüssigem Alkalimetall durchtränkt und in eine Aufnahme aus geeigneten Materialien und von geeigneter Größe gesteckt, um sicherzustellen, dass das Gas vollständig mit Dampf beladen wird. Die Flussgeschwindigkeit des Gases, die Entfernung, über welche es strömt, und der Porendurchmesser des "Schwammes" werden angepasst, um sicherzustellen, dass das Gas vollständig mit Alkalimetalldampf gesättigt ist, bevor es die in die optische Pumpzelle eintritt.
Der Verdampfer 5 wird durch den Fallfluss des kondensierten Alkalimetalls aus einer Rückström-Auslassleitung 6 regeneriert, welche die Zelle im einer im Wesentlichen vertikalen Orientierung verlässt. Die Rückström-Auslassleitung 6 ist eingefügt, um Alkalimetall aus dem austretenden Gas zu kondensieren. Die Dimensionen und die Flussgeschwindigkeit werden abgestimmt damit sichergestellt wird, dass das Meiste des Alkalimetalls kondensiert und durch Fallfluss in die optische Pumpzelle zurück tropft und schließlich in den Verdampfer zurück kehrt.
Ein Fluoreszenzüberwachungsdetektor 7, z. B. einschließlich einer Ladungskopplungsspeicher-(CCD)-Kamera und geeigneter Filter, wird bereitgestellt, um die schwache, nicht gelöschte D&sub2;-Fluoreszenz des optisch gepumpten Alkalimetalldampfes zu beobachten. Die Fluoreszenzüberwachungsanlage kann für die Verwendung mit zwei Lasern eingerichtet werden, die jeweils von einer Seite der Zelle pumpen.
Das Trennfenster 8 wird bereitgestellt, um zu ermöglichen, dass pumpendes Licht in den Ofen und die optische Pumpzelle eintritt. Das Fenster und andere lichtdurchlässige Oberflächen können mit einer Entspiegelungsbeschichtung ausgestattet sein. Gleiche Fenster werden für den Fluoreszenzmonitor 7 und den optischen Mehrkanalanalysator (OMA) 10 bereitgestellt.
Ofen 9 wird bereitgestellt, um die optische Pumpzelle auf einer Temperatur zu halten, die dafür angemessen ist, dass das Meiste des geeigneten Lichts aus dem Diodenlaser absorbiert wird. Typische Betriebstemperaturen für Rubidium sind von ungefähr 100ºC bis ungefähr 200ºC. Etwas niedrigere Temperaturen sind für Cäsium angemessen, das leichter verdampfdar ist. Der Ofen kann durch Hindurchströmen von heißer Luft oder durch interne, nicht-magnetische elektrische Heizer beheizt werden.
Der optische Mehrkanalanalysator (OMA) 10 ist zur Messung der Effizienz der Absorption des Licht aus dem Breitband-Laserdioden-Array vorgesehen. Eine anderer Aufbau des OMA ist erforderlich, wenn die Zelle von beiden Seiten gepumpt wird.
Ein Dochdrucktank 11 ist vorgesehen, um ein vorgemischtes Target-Gas auf einem Druck von mehreren hundert Atmosphären zu halten. Bevorzugte Target-Gas- Bestandteile, nach Partialdruck, sind:
a. von ungefähr 0,1% bis ungefähr 5% ¹²&sup9;Xe (oder Xenon mit wenigstens ungefähr natürlicher Isotopenzusammensetzung) für die Hyperpolarisierung in der optischen Pumpzelle 4 und die Anreicherung in dem Xenon-Anreicherer 17;
b. von ungefähr 1% bis ungefähr 3% N&sub2; für die Löschung der Fluoreszenz in der optischen Pumpzelle 4. H&sub2; kann anstelle von N&sub2; in etwas höheren Partialdrucken verwendet werden (d. h. von ungefähr 1% bis ungefähr 30%), um die schmaleren Spindepolarisierungs- Kreuzungsbereiche der Alkalimetallatome in H&sub2;-Gas im Vergleich zu N&sub2;-Gas auszunutzen;
c. der Rest des Gases ist ein Schutzgas, bevorzugt He, für die Druckverbreiterung der optischen Absorptionslinien der Alkalimetallatome in der optischen Pumpzelle 4. Der He-Gasdruck wird angepasst, um sicherzustellen, dass es, im Vergleich zu Xenon, eine vernachlässigbare Spindepolarisierung bewirkt. Es können andere Gasmischungen verwendet werden, um die Löschungs- und Druckverbreiterungsqualität des Target-Gases zu gewähren.
Ein Druckregler 12 wird eingesetzt, um den sehr hohen Druck des vorgemischten Gases im Lagertank 11 auf einen Druck zu reduzieren, der für die optische Pumpzelle 4 angemessen ist. Der ist typischerweise von ungefähr 10 bis ungefähr 30 Atmosphären, abhängig davon, wieviel Druckverbreiterung für die optimale Verwendung des Breitbandlaserlichts benötigt wird.
Der Gasreiniger (Getter) 13 wird verwendet, um spurenförmige Verunreinigungen, hauptsächlich Wasserdampf, aus dem vorgemischten Target-Gasfluss zu entfernen.
Wie gezeigt, schließt das Anreicherungsreservoir 17 einen Gegenstromkühlfalle ein - gekühlt durch flüssigen Stickstoff oder irgendeine andere kryogene Mischung in einem Dewar-Gefäss. Geschlossene Kühlkreisläufe können auch für die Kühlung verwendet werden.
Der Abtrennungspunkt 15, zusammen mit dem Abtrennungspunkt 20, erlaubt das Entfernen des Anreicherungsreservoirs 17. Ventil 14 isoliert die optische Pumpzelle 4 vom Ablösungspunkt 15 und steuert dadurch den dazwischen auftretenden Fluss. Ventil 16 wird verwendet, um das Anreicherungsreservoir 17 vom Abtrennungspunkt 15 zu isolieren.
Ein Permanentmagnet 18 wird bereitgestellt, um ein statisches Feld, das größer als ungefähr 500 Gauß (0,05 T) ist, am Ort des gefrorenen Xenons in dem Anreicherungsreservoir zu erzeugen. Ein so großes Feld ist angemessen, um die längsten möglichen Spin-Gitter-Relaxationszeiten (d. h. ungefähr 3 Stunden bei der Temperatur von flüssigem Stickstoff) zu erreichen. Für niedrigere Kondensationstemperaturen, wo viel längere Spin-Gitter-Relaxationszeiten zu erreichen sind, werden größere Magnetfelder benötigt. Der Magnet kann sich auch innerhalb der Tieftemperatur- Anordnung befinden und zusammen mit dem Xenon-Anreicherungsreservoir kalt gehalten werden.
Ventil 19 wird eingesetzt, um den Xenon-Kondensator 17 vom Abtrennungspunkt 20 zu isolieren, welcher zusammen mit Abtrennungspunkt 15 das Entfernen des Xenon-Kondensators 17 gestattet.
Ventil 21 wird verwendet, um sublimiertes hyperpolarisiertes ¹²&sup9;Xe-Gas in den Transferbeutel 22 oder in jeden anderen Behälter für den Transport von hyperpolarisiertem ¹²&sup9;Xe-Gas bei Atmosphärendruck, für verschiedene Zwecke, z. B. MRI von Patienten, zerstörungsfreie Evaluierungen, etc. zu entlassen. Hartwandige Behälter können verwendet werden, um hyperpolarisiertes ¹²&sup9;Xe bei anderen Drucken zu transportieren.
Ventil 23 isoliert den Xenon-Anreicherer 17 während der Sublimation des kondensierten Xenons und dem Transport zum Beutel oder einer anderen Aufnahme 22.
Eine Glas-zu-Metalldichtung 24, wird bereitgestellt, wobei die Leitung auf der Pumpseite der Dichtung bevorzugt aus Edelstahl oder einem anderen Metall ist. Auf der Seite des Xenon-Kondensators der Dichtung ist die Leitung aus Glas. Ähnliche Glas-zu-Metalldichtungen auf der Einlass-Seite des Gasflusses und entsprechende Entspannungs-Federbalge werden nicht gezeigt, sind aber normalerweise zu bevorzugen.
Das Druckmessgerät 25 wird verwendet, um den Druck während der Anreicherungsphase zu überwachen und zu steuern.
Die Pumpe 27, isoliert durch Ventil 26 wird zur Evakuierung jeglichen verbliebenen He und N&sub2; aus dem Xenon-Kondensator 17, am Ende der Anreicherungsperiode verwendet.
Ein Nadelventil 28 oder eine andere Vorrichtung zur Flusskontrolle ist vorgesehen, um zu ermöglichen, dass überschüssiges He- und N&sub2;-Gas in den Raum oder in einen Rückgewinnungsbehälter zur Wiederverwendung entlüftet werden kann. Dieses Ventil 28 kontrolliert die Flussgeschwindigkeit durch die optische Pumpzelle 4. Die Entlüftungsgeschwindigkeit ist so eingestellt, dass die Herstellung von hyperpolarisiertem ¹²&sup9;Xe, entsprechend der oben entwickelten Prinzipien, optimiert wird. Der Fluss des Gases wird durch einen Fliesstricher 29 überwacht.
Ein Ventil 30 wird bereitgestellt, das in die Atmosphäre oder zu einer Sammelaufnahme für verbrauchtes He und Löschgas (z. B. N&sub2; oder H&sub2;) führt.
Anschluss 31 ist für das Spülen der Gasleitungen mit sauberem Gas (z. B. Argon, Helium oder Stickstoff) vorgesehen. Ventil 33 ermöglicht das Auslassen des eingeführten Spülgases an Anschluss 31.
Der Befestigungspunkt 32 wird für die Verbindung des Anschlusses für vorgemischtes Gas mit der optischen Pumpzelle bereitgestellt. Ventil 34 isoliert die optische Pumpzelle während des Spülens der Gaseinspeisungsleitung.
Eine Suchspule für kernmagnetische Resonanz 35 ist auch vorgesehen, um die ¹²&sup9;Xe-Polarisierung in der Pumpkammer zu überwachen, was zur Optimierung der Gasfluss-Geschwindigkeit nützlich ist.
Der Temperatursensor 36, z. B. eine Widerstands-Temperatur-Vorrichtung (RTD) wird eingesetzt, um die Temperatur des Ofens zu überwachen.
Ein statisches Magnetfeld 37 wird auch dargestellt. Die Quelle wird nicht gezeigt, aber es wurden erfolgreich sowohl Helmholtz-Spulen als auch magnetische Streufelder eines Kernspintomograph-Magneten oder eine Kombination beider verwendet.
Ein Kontroll-Untersystem (nicht gezeigt) ist allgemein wünschenswert als kombiniertes Computer-Software- und festverdrahtetes Untersystem, welches zur Steuerung und Überwachung unterschiedlicher, in verschiedenen Untersystemen auftretenden, Prozesse verwendet wird.
Obwohl sie im unten Folgenden genau beschrieben werden, werden die Herstellung und Bedienung von Hochkapazitäts-Hyperpolarisierungssystemen, wie solche, die in Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Anreicherungsvorrichtung einsetzbar sind, detaillierter im US-Patent 5642625, am gleichen Tag hierzu eingereicht, unter den Titel "High-Volume Hyperpolarizer for Spin-Polarized Noble Gas" dargestellt. Die vollständige Offenbarung dieser Anmeldung wird hiermit als Referenz einbezogen.
Eine Ausführungform einer Polarisierungskammer ist in Fig. 1 gezeigt. Als Kammer, in welcher das optische Pumpen und der Spin-Austausch stattfinden, muss diese eine Anzahl von Anforderungen erfüllen. Beispielsweise muss die Pumpkammer eine geeignete Menge polarisierbaren Gases in einer im Wesentlichen leckfreien Umgebung bewahren. Der Gasdruck in der Kammer wird gemäß der Anforderungen der Vorrichtung, bevorzugt auf einem Druck oberhalb Atmosphärendruck (hierin auch als "hyperbarisch" bezeichnet) bis zu ungefähr 30 Atmosphären (atm) und stärker bevorzugt von ungefähr 8 atm bis ungefähr 12 atm bei einer Glaszelle aufrechterhalten. Der Gasdruck kann nach Bedarf außerhalb dieses Bereichs (darüber oder darunter) liegen. Ein gegenwärtig bevorzugter Druck beträgt ungefähr 10 atm, was die konstruktionsbedingte Einschränkung von Glas, dem Material das typischerweise am Häufigsten bei der Herstellung von Polarisierungskammern verwendet wird, widerspiegelt. Höhere Drucke oder Gasdichte könnten in anderen Konstruktionen von Polarisierungskammern eingesetzt werden.
Die Pumpkammer sollte Hyperpolarisierungsstrahlung aus der Laserquelle bzw. den Laserquellen zulassen. Bevorzugte Kammer-Strukturen schließen kegelförmige oder stumpfe kegelförmige (kegelstumpfförmige) Strukturen ein, obwohl bei bestimmten Konfigurationen eine zylindrische Zelle geeignet ist. Bevorzugt wird die Zelle in Verbindung mit dem Lasersystem gestaltet, um den Lichttransport in die Kammer und durch ihr Inneres hindurch zu maximieren, um die Effizienz des Hyperpolarisierungsverfahrens zu maximieren.
Ein bevorzugter Pumpkammer-Typ (nicht in Fig. 1 gezeigt) besitzt zwei Lichtöffnungen (Fenster), um die Hyperpolarisierungsstrahlung zweier Laser, die so angeordnet sind, dass sie entlang der gleichen Achse emittieren, eintreten zu lassen. Gleichgültig ob eine Lichtöffnung oder mehrerer Lichtöffnungen eingesetzt werden, sind die Öffnungen bevorzugt zumindest im Wesentlichen transparent für Licht bei und/oder nahe der Wellenlänge der optischen Pumpübergangslinie des für das optische Pumpen verwendeten Alkalimetalls (d. h. "Hyperpolarisierungsstrahlung"). Beispielsweise beträgt die Wellenlänge des D&sub1;-Übergangs in Rubidium 794,7 nm und die für die Verwendung mit Rubidium geeigneten Lichtöffnungen sollten zumindest im Wesentlichen transparent für Licht dieser Wellenlänge sein. Die Optimierung der Pump-Effizienz würde erfordern, dass die Lichtöffnungen für Licht der erforderlichen Wellenlänge so transparent wie möglich sind, d. h. dass die Absorption der Hyperpolarisierungsstrahlung minimiert werden sollte. Sie können entspiegelungsbeschichtet sein, um die Lichtdurchlässigkeit zu maximieren. Wenn zwei Öffnungen in Verbindung mit gegenüberliegenden Lasern verwendet werden, können die inneren Oberflächen der Öffnungen reflektierend sein, um das Licht im Inneren der Kammer zu halten.
Die volumengemittelte Relaxationszeit der Kernpolarisierung eines Gases in der Pumpkammer muss im Vergleich zur Spin-Austauschgeschwindigkeit zwischen dem Alkalimetallatom und dem Kern des Edelgases ausreichend langsam sein, damit der gewünschte Polarisierungsgrad in der Zelle erreicht wird. Die Materialien und die Gestaltung der Kammer müssen deshalb sorgfältig ausgewählt werden. Zum Beispiel sollte die Pumpkammer chemisch kompatibel mit Alkalimetallen bei hohen Temperaturen sein, die für das Pumpen geeignet sind (z. B. bis zu ungefähr 200 C oder mehr). Zusätzlich, wenn ein NMR-Polarimetrie-System verwendet wird, um das Hyperpolarisierungsverfahren zu überwachen, ist es bevorzugt, dass die Wände der Pumpkammer nicht wesentlich das für die Polarimetrie erforderliche rf-Feld beeinträchtigen.
Die spezielle Ausführung der Pumpzelle wird von dem polarisierten Gastyp abhängen. Wie oben erwähnt, bestehen Polarisierungskammern, die für die Verwendung in Übereinstimmung mit der Erfindung geeignet sind, typischerweise aus Glas. Das Glas sollte beständig gegen Alkalimetall(e) sein das bzw. die beim Spin- Austauschverfahren verwendet wird bzw. verwendet werden. Als Beispiel für solche Gläser dienen Alumosilikatgläser (Corning 1720) oder metallgedichtete Borosilikatgläser (wie Corning 7052 oder Schott 8502). Für Anwendungen bei niedrigerer Temperatur können Borosilikat-Standardlaborglasgeräte, z. B. Pyrex(R), Duran(R) verwendet werden. Andere Gestaltungen der Pumpkammer, die für den Betrieb bei Hochdruck geeignet sind, schließen Metallstrukturen mit eingepassten Glas- Lichtöffnungen ein. Weiterhin kann bei einem anderen Ansatz eine Zelle von heißem Hochdruckgas oder einer transparenten Flüssigkeit (z. B. Pumpenöl) umgeben sein, um das Druckgefälle über die Glaszellenwände und -Fenster zu minimieren.
Wie in Fig. 1 gezeigt, besitzt die Pumpkammer wünschenswerterweise auch getrennt lösbare (z. B. mit Ventilen versehene) Einlass- und Auslassanschlüsse, welche das Entfernen und den Austausch des polarisierten Gases in kontinuierlichem oder episodischem Fluss erlauben. Jeder geeignete Gasanschluss, welcher die Fluss- Steuerung gestattet, kann verwendet werden. Alternativ kann die Kammer einen einzigen Gasanschluss besitzen, durch welchen man das Gas periodisch in die Zelle hinein und aus der Zelle heraus strömen lässt. In Fig. 1 schließt das Gashandhabungssystem die Ventile 14 und 34 ein, um die optische Pumpzelle nach Bedarf vom Anreicherer und der Gaseinspeisung zu isolieren.
Die ablösbaren Gasanschlüsse schließen Ventil-Vorrichtungen, wie O-Ring- Ventile, zur Steuerung des Gasflusses ein. Typischerweise besitzen diese Ventile Pyrex(R)-Gehäuse und -Schafte, wodurch die Herstellung der Polarisierungskammer mit darin integrierten Einlass- und Auslass-Anschlüssen möglich wird. Solche Ventile werden mit flexiblen und elastischen Dichtungen ausgestattet, welche auch gegen Alkalimetalle beständig sind. Solche Dichtungen sind typischerweise O-Ringe und können aus verschiedenen polymeren Materialien, wie Ethylen-Propylen- Copolymeren, bestehen. Die Beständigkeit der O-Ringe gegen den Angriff von Alkali ist eine wichtige Eigenschaft, weil eine Oxidation der Pumpkammer erfolgen kann, sollte Sauerstoff in die Kammer durch versagende O-Ringe eintreten.
Die Ventile in der lösbaren Gaseinlass- und Auslass-Vorrichtung sind vom Hauptteil der Pumpkammer durch Rohre abgetrennt, bevorzugt Rohre, die aus Glas hergestellt sind, das dem für die Polarisierungskammer verwendeten gleich ist. Diese Rohre ermöglichen, dass das wärmeempfindliche O-Ring-Material thermisch vom Hauptteil der Zelle und dem die Zelle umgebenden Ofen abgetrennt wird, welcher während des Polarisierungsprozesses häufig über die Grenze für die O-Ringe erhitzt wird. Die Rohre reduzieren auch die Netto-Polarisierungs-Relaxation aufgrund des Ventil-Gehäuses, weil bei hohen Betriebsgasdrucken die Diffusion entlang der Länge des Rohres, verglichen mit der Depolarisierungszeitkonstante des Raum-Volumens (welche vom Verhältnis des Rohrvolumens zum Gesamtvolumen abhängig ist), gering ist. Mit dieser Anordnung könnten auch Ventile, die aus Nichteisenmetallen hergestellt sind, verwendet werden.
Es wurde festgestellt, dass die Gasdepolarisierung durch die Pumpzelle vorteilhafterweise reduziert werden kann. Beispielsweise können Metallfilm- Beschichtungen (Gold, Alkalimetalle, etc.) auf den Zellwänden die Polarisierungslebensdauer verbessern und den für die Reinigung und Herstellung der Zellen erforderlichen Aufwand reduzieren. Polymere Beschichtungen, wie solche die in der US- Patentanmeldung Seriennummer 08/478276, eingereicht am 7. Juni 1995, offenbart werden, können auch vorteilhaft eingesetzt werden. Es sind auch andere Verfahren verfügbar und werden in dem oben erwähnten US-Patent 5642625 detailliert beschrieben.
Die Aufnahmereservoire für die erfindungsgemäße Anreicherungsvorrichtung können auf dem selben hohen Standard hergestellt werden, der für die Pumpzellen erforderlich ist, außer dass die Anforderungen an die chemische Beständigkeit gegen Alkalimetall und die Transparenz für optisch-pumpendes Laserlicht gelockert werden können. Wir haben gefunden, dass, dadurch dass die Relaxation des ¹²&sup9;Xe in gefrorenem Zustand so wirksam unterdrückt werden kann, die Herstellungsqualität der Wände des Anreicherungsreservoirs von geringerer Bedeutung ist. Dieses Merkmal gestattet deshalb, dass niedrigere Qualitätsstandards beachtet werden - müssen, mit damit einhergehender Kostenersparnis.
Wir beobachten, dass Alkalimetalldampf dazu tendiert, sogar bei maßvollstem Gasfluss (10-20 cm³/min), aus einer Fluss-Gaspolarisierungskammer verlorenzugehen, wenn keine entscheidenden Vorsichtsmaßnahmen getroffen werden. Das war früher ein wesentliches Hindernis bei der Entwicklung wiederbefüllbarer Zellen oder bei Zellen für kontinuierlichen Fluss. Es wurde beispielsweise beobachtet, dass die Rubidium-Absorptionsresonanz und D&sub2;-Resonanz unter ungünstigen Bedingungen vollständig verschwinden können. Unsere Untersuchungen zeigen, dass die Hauptquelle des Rubidiumverlusts in einem Fluss-Gassystem auf Gettern von Verunreinigungen (vermutlich H&sub2;O und O&sub2;) durch den Rubidium-Dampf beruht. Kleine Mengen dieser Verunreinigungen im Einspeisungsgas würden gewöhnlich nur einen verschwindend kleinen Effekt auf das Rubidium in der gasdicht verschlossenen Zelle haben. Der Gasfluss jedoch scheint einen kontinuierlichen frischen Vorrat an solchen Alkalimetall-reaktiven Verunreinigungen in der Polarisierungskammer zu liefern, was zu der anhaltenden und wesentlichen Verringerung des verfügbaren Alkalimetalldampfes führt. Unser gegenwärtiges Verständnis basiert auf unserem Ergebnis, dass dieser Verlust an Rubidium-Dampf wesentlich durch die Installation eines zwischengeschalteten Gasreinigers, wie einem der von "Ultra-Pure-Systems Inc." erhältlichen Stickstoff-Reiniger (Getter), verhindert werden kann. Es hat sich gezeigt, dass solche Reiniger das Einspeisungsgas ausreichend reinigen, so dass der Verlust an Rubidium-Dampf in weiten Bereichen der Flussgeschwindigkeit so gut wie eliminiert wird. Solche Reiniger werden typischerweise für die Reinigung von Stickstoff gestaltet, aber sie lassen auch die Edelgase problemlos hindurchtreten und es hat sich gezeigt, dass sie ideal für die Reinigung von beispielsweise einer He : Xe : N&sub2;-Mischung geeignet sind, die bevorzugt in dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendet wird.
Eine anderer, wenn auch weniger bedeutender Verlust an Rubidium tritt dadurch ein, dass Rubidium die Zelle verlässt, wenn Gas durch die Zelle strömt. Wir haben dieses Problem auf zwei Wegen bewältigt. Erstens durch Sicherstellung, dass die Temperatur der Leitung, die von der Pumpzelle wegführt, niedrig genug ist, damit sich das Rubidium an den Leitungswänden niederschlagen kann. Raumtemperatur ist gewöhnlich angemessen. Es wird kein zusätzlicher Filter oder keine zusätzliche Falle benötigt, obwohl eine Kühlfalle verwendet werden kann, um sicherzustellen, dass bei medizinischen Anwendungen das gesamte Rubidium entfernt wird. Stärker bevorzugt kann jedoch das Alkalimetall durch ein Rückfluss-System in der Dampfphase gehalten werden.
Wie oben kurz erwähnt, zeigt Fig. 1 auch den Ofen 9, welcher die Polarisierungskammer 4 beherbergt. Der optische Pumpofen arbeitet in Temperaturbereich, der durch den Verlust an Alkalimetalldampfpolarisierung bei übermäßig hohen Temperaturen begrenzt wird. Die Maximierung der Temperatur, ohne Verlust an Alkalimetall-Polarisierung zu erleiden, dient der Maximierung der Spin- Austauschgeschwindigkeit, wodurch eine schnelle Anreicherung polarisierten Edelgases ermöglicht wird. Typerweise liegt der Temperaturbereich des Ofens von ungefähr 80ºC bis ungefähr 200ºC. Eine bevorzugte Temperatur liegt im Bereich von ungefähr 105ºC bis ungefähr 150ºC. Beispielsweise stellt eine Temperatur von 150ºC eine Rb-¹²&sup9;Xe-Spin-Austauschzeit von ungefähr 22 s und eine durchschnittliche Rubidiumpolarisierung von ungefähr 50% bereit. Es werden bei dieser Temperatur ungefähr 20-30% des Laserlichts durch das Rubidium absorbiert. Eine Temperatur von 130ºC kann bevorzugt werden, weil das ¹²&sup9;Xe-NMR-Signal bei höheren Temperaturen jäh abfällt. Bei 130 C beträgt die Rb-¹²&sup9;Xe-Spin-Austauschzeit ungefähr 65 s; sie ist annähernd um den Faktor 3 geringer als die Zeit bei 150ºC. Dementsprechend müssten die Flussgeschwindigkeiten bei niedrigeren Temperaturen geringer sein, was zu niedrigeren Ausbeuten an polarisiertem ¹²&sup9;Xe führt. Es wurde auch gefunden, dass das laserinduzierte Erhitzen eine höhere (~20 C höhere) effektive Zelltemperatur (und damit eine höhere Rubidium-Anzahldichte [Rb]) verursacht), als sie durch das Ofenthermometer widergespiegelt wird. Gleiche Betrachtungen werden angestellt, wenn Cäsium oder andere Alkalimetalle in der Pumpkammer verwendet werden.
Durch Steuerung von Gasfluss und Temperatur in der Polarisierungskammer, können der Polarisierungsgrad und das Gesamtvolumen an erzeugtem ¹²&sup9;Xe angepasst werden. Für eine gegebene verfügbare Laserenergie und -bandbreite, wird die Temperatur der Pumpkammer so hoch wie möglich eingestellt, ohne dass ein wesentlicher Verlust an volumengemittelter Polarisierung des Alkalimetalldampfes erlitten wird. Diese Optimierung bestimmt die Spin-Austauschgeschwindigkeit?SE, bei welcher die Polarisierung auf das ¹²&sup9;Xe übertragen wird. Die Flussgeschwindigkeit wird dann bevorzugt derart angepasst, dass ein ¹²&sup9;Xe-Atom im Durchschnitt ungefähr 1-3 Spin-Austauschzeitkonstanten (1/?SE) in der Polarisierungskammer verbringt. Eine heißere Kammer wird zu einem schnelleren Spin-Austausch führen, wodurch für ¹²&sup9;Xe höhere Flussgeschwindigkeiten möglich werden. Die Fluss- Einstellungen können durch Gegenüberstellung des ¹²&sup9;Xe-NMR-Signals mit der Flussgeschwindigkeit überprüft werden. Wenn der Fluss zu schnell ist, wird das ¹²&sup9;Xe-Signal abfallen, weil die Probe nicht die Möglichkeit hat, vollständig zu polarisieren.
Der Ofen sollte so konstruiert werden, dass er die Ausbildung von Magnetfeldgradienten minimiert, die geeignet sind, nukleare Relaxation in dem Edelgas zu induzieren. Bevorzugt wird der Ofen aus Materialien konstruiert, die keine solche Gradienten erzeugen, welche ausreichend sind, eine erhebliche nukleare Relaxation in dem Edelgas zu induzieren. Die Ofenmaterialien sollten auch bei Temperaturen bis wenigstens ungefähr 250ºC ihre wesentliche strukturelle Unversehrtheit bewahren. Hochtemperatur-Kunststoffe oder Aluminium sind die geeignete Wahl. Ferromagnetische Materialien wie Stahl erzeugen Magnetfeldgradienten, welche das Edelgas schnell depolarisieren können und sind deshalb weniger wünschenswerte Materialien.
Wie oben in Bezug auf Fig. 1 erwähnt, wird der dargestellte Ofen 4 mit positionierten Laserfenstern ausgestattet, welche es dem Laserlicht gestatten entlang der optischen Achse des Systems in den Ofen einzutreten und aus dem Ofen herauszutreten. (Die optische Achse ist definiert als der die Laser, die Optik und die Zelle enthaltende Weg, entlang welchem sich das Laserlicht bewegt.) Der Ofen ist bevorzugt so orientiert, dass die optische Achse auf die Richtung des angelegten Magnetfeldes ausgerichtet ist, das für das optische Pumpen notwendig ist. Das Ofen- Fenster erlaubt es, dass die Polarisierungskammer von beiden Seiten entlang der optischen Achse durch Laserlicht erleuchtet wird. Bevorzugterweise beeinträchtigen diese Fenster nicht wesentlich durch Reflektion und/oder Absorption den Durchlass des Laserlichts. Sie können entspiegelungsbeschichtet sein, um den Lichtdurchlass zu maximieren.
Wiederum bezugnehmend auf Fig. 1, kann der Ofen 9 auch mit einem Fluoreszenzüberwachungsfenster ausgerüstet sein. Bevorzugt ist das Überwachungsfenster ausgerichtet, um die Visualisierung der Polarisierungskammer von einer im Wesentlichen zur optischen Achse senkrechten Position zu erlauben. Das Fenster ermöglicht die Überwachung der D&sub2;-resonanten Fluoreszenz, die aus dem optischen Pumpen von Alkalimetalldampf resultiert. Die Fluoreszenz-Visualisierung schließt typischerweise eine Videokamera und einen Monitor, ausgestattet mit einem D&sub2;- Filter, zur Überwachung der Fluoreszenz, ein. Das Bild kann verwendet werden, um die Laserwellenlänge abzustimmen, um die optische Pumptemperatur zu optimieren wie auch um den Laser auszurichten.
Der Ofen sollte mittels Materialien in einer Art geheizt werden, welche die gleichen Bedingungen zur Minimierung von Magnetfeldgradienten erfüllen, wie oben beschrieben wurde. Obwohl nicht in Fig. 1 gezeigt, wird in einer bevorzugten Ausführungsform komprimierte Luft über einen Heizfaden-Heizgerät geführt, das sich in einem Abstand zu dem Ofen befindet (um Feldgradienten zu minimieren). Die heiße Luft lässt man dann durch den Ofen strömen, um die gewünschte Temperatur zu erreichen. Ein Temperaturregler betätigt den Heizer, basierend auf der Ablesung eines Temperatursensors im Inneren des Ofens. Alternativ kann ein elektrischer rf- Heizer eingesetzt werden.
Das Gashandhabungs- und -reinigungssystem kann verschiedene Formen haben. Idealerweise führt das System die korrekte Mischung von Gasen in die Polarisierungskammer ein, während gleichzeitig die ausreichende Reinheit in dem Gastrom sichergestellt wird, um eine wesentliche Verminderung der Qualität der Polarisierungskammer zu verhindern. Die Qualität der Polarisierungskammer wird durch T&sub1; (Polarisierungslebensdauer) des darin befindlichen hyperpolarisierten Gases bestimmt. Es ist bekannt, dass die Qualität der Polarisierungskammer sowohl durch gasförmige Verunreinigungen als auch durch kontaminierende Stoffe an den Wänden beeinflusst wird.
Der Polarisierungsprozess erfordert sowohl das polarisierbare Edelgas (typischerweise irgendwo zwischen 0,1 atm bis zu Dutzenden von atm) als auch eine kleine Menge (gewöhnlich 10 bis 100 Torr) eines Löschgases (gewöhnlich Stickstoff, aber vielleicht auch Wasserstoff oder andere). Das Löschgas verbessert die Effizienz des optischen Pump-Prozesses. Für die Hyperpolarisierung von ¹²&sup9;Xe ist es auch bevorzugt, eine große Menge eines Schutzgases (gewöhnlich von ungefähr 1 atm bis zu einigen Dutzend atm) einzuschließen, welches eine Verbreiterung der Alkalimetall-Absorptionslinie und eine Verbesserung der Polarisierungseffizienz bewirkt.
Dementsprechend sollte das Gashandhabungssystem die Einspeisung einer Mischung von Gasen, in leicht steuerbarer Art, ermöglichen. Beispielsweise kann das System verschiedene Gasbehälter für jedes Gas, je nach Bedarf mit Leitungen, Fliesstrichtern, Reglern, Druckprüfern, etc., einschließen. Separate Leitungen, zur Einführung von Niedrigdruck-(N&sub2;) und Hochdruckgasen können eingeschlossen sein, um das Risiko des druckinduzierten Bersten zu minimieren. Wie oben erwähnt, wurde gefunden, dass chemische oder Tieftemperatur-Getter bei Bedarf in den Gasflussleitungen platziert werden sollten, um die Gasreinheit zu erhöhen. Weil Gase mit variierender Reinheit erhältlich sind, wird das Maß der zusätzlichen Reinigung basierend auf der Messung der Verschlechterung der Polarisierungskammer gegen entweder die Anzahl der Wiederbefüllungen (wenn diskrete Chargen verwendet wurden) oder die Gesamtbetriebszeit (wenn ein System für kontinuierlichen Fluss verwendet wird) ermittelt. Es hat sich jedoch gezeigt, dass sogar hochreine Gase genug Verunreinigungen enthalten, wie O&sub2; und H&sub2;O, dass eine wesentliche Verschlechterung der Zellen innerhalb einer relativ kurzen Flussperiode oder nach wenigen Wiederbefüllungen, verursacht wird.
In einer höchst bevorzugten Ausführungsform wird ein System für die Einspeisung eines vorgemischten Target-Gases eingesetzt. In diesem Fall wird die Gasmischung direkt in die Polarisierungskammer eingespeist, ohne dass Bedarf nach Anpassung der jeweiligen Flussgeschwindigkeiten besteht. Das vereinfacht den Betrieb des Systems und macht den Polarisierungsprozess reprodeduzierbarer und gleichbleibender. Geeignete Gasmischungen werden hierin an anderer Stelle diskutiert und können aus kommerziellen Quellen auf besondere Nachfrage erhalten werden.
Das Hyperpolarisierungsverfahren sollte, wenn die Hyperpolarisierung voranschreitet, durch Bestimmung des Zustandes des Gasgehalts überwacht werden. NMR-Polarimetrie ist ein bevorzugtes Verfahren zur Überwachung der Gaspolarisierung in der Polarisierungskammer (Zelle). Das Polarimetrie-Untersystem arbeitet entsprechend der typischen NMR-Prinzipien. Alternativ kann ein separater Auslassballon an die Polarisierungskammer montiert werden, um die Anreicherung einer Testprobe des polarisierten Gases zu erlauben. Die Blase kann in einer "Adiabatic- Fast-Passage"-(AFP)-Vorrichtung vermessen werden, welche viel bessere NMR- Signale liefert als gepulste NMR an der Pumpkammer, obwohl sie typischerweise größere Probenvolumina erfordert. Diese Vorrichtung kann kalibriert werden, um eine experimentelle Messung der ¹²&sup9;Xe-Polarisation bereitzustellen, welche verwendet werden kann um weiterhin die Einstellung der Anreicherungsparameter zu verfeinern.
Das vollständige Hyperpolarisierungssystem kann von einem Desktop- Computer aus betrieben werden, der mit ein paar speziellen Platinen ausgestattet ist. Eine solche Platine erzeugt die notwendigen Radiofrequenz-Pulse durch "Direct Digital Synthesis" (DDS). Eine andere wünschenswerte Platine ist ein Analog- Digital-Umsetzer (ADC-Board), welcher das Signal digitalisiert.
Das Laser-Untersystem der Hyperpolarisierungsvorrichtung stellt die Photonen (Hyperpolarisierungsstrahlung) bereit, die für den optischen Pump-Prozess erforderlich sind. Bevorzugt werden die Photonen durch einen Laserdioden-Array oder mehrere Laserdioden-Arrays bereitgestellt, welcher bzw. welche Dauerstrichleistung (cw) erzeugen. Jedoch kann jedes Laser-System akzeptabel sein, das bei den Alkalimetall-D&sub1;- oder -D&sub2;-Linien ausreichend Energie bereitstellt. Für Hochdruck- Betrieb, wie der hierin beschriebene, wurde festgestellt, dass Laser erforderlich sind, die in der Lage sind, mehr als 10 W Leistung und bevorzugt mehr als 50 W Leistung bereitzustellen. Konventionelle Laser, die imstande sind, eine solche Leistung bereitzustellen sind unerschwinglich teuer in der Anschaffung und im Betrieb. Weiterhin sind solche Laser sperrig und erfordern teure und mehr oder weniger dauerhafte Installation. Für transportable oder integrierte Hyperpolarisierungseinheiten sind solche Laser zu unhandlich. In solchen Ausführungsformen werden Laserdioden-Arrays wegen ihrer Kompaktheit und Effizienz wie auch ihrer relativen Billigkeit bei der Anschaffung und im Betrieb höchst bevorzugt.
Anders als konventionelle Laser, die kohärent Licht einer einzigen Wellenlänge emittieren (extrem enges Profil), sind Diodenarray-Laser Breitbandvorrichtungen, deren Emissionen Spektralbreite haben, d. h. sie emittieren typischerweise Licht bei einem kontinuierlichen Wellenlängenband. Gewöhnlich ist dieses Spektralbreite relativ schmal, wobei sie als Verbreiterung um irgendeine Hauptwellenlänge auftritt und nur ungefähr 1-5 nm breit ist. GaAlAs-Dioden-Array geringerer Leistung sind für Spin-Austausch-Polarisierung von ³He verwendet worden. Chupp et al., Phys. Rev. A 40(8): 4447-4454 (1989) beschreiben die Verwendung eines annähernd 1-W- Dioden-Arrays und Cummings et al., Phys. Rev. A 51(6): 4842-4851 (1995) beschreiben ein 20-W-Dioden-Array. Für das Verfahren und die Vorrichtungen der vorliegenden Erfindung ist die Leistung des Dioden-Arrays bevorzugt maßgeblich höher, wobei sie ungefähr 50 W und stärker bevorzugt über ungefähr 100 W beträgt.
Die Auswahl der Laseremissions-Wellenlänge? wird durch die Auswahl des für den Spin-Austausch verwendeten Alkalimetalls bestimmt. Für Rubidium sollte? ungefähr 795 nm sein, während? für Cäsium ungefähr 894 nm sein sollte. Daher kann für Rubidium der Laser ein GaAlAs-Laser sein, während es für Cäsium ein Aluminiumfreier Laser, z. B. ein InGaAsP-Laser sein kann. Ein gegenwärtig bevorzugter Laserdioden-Array (erhältlich von Opto Power aus Tucson, Arizona), der ungefähr 125 W Dauerstrichleistung (cw) entwickelt, kann auf eine Peakwellenlänge von 794,44 nm eingestellt werden und zeigt eine spektrale Halbwertsbreite (FWHM) von ungefähr 2 nm.
Sollten in der Zukunft Laser mit schmaleren Bandbreiten konkurrenzfähig (Effizienz, Kosten, etc.) zu konventionellen Arrays werden, müsste weniger linienverbreiterndes Schutzgas verwendet werden als für die gegenwärtig verwendeten, oben beschriebenen Laser. Das würde die Verwendung höherer Anteile von Xenon in der Targetgas-Mischung gestatten, was wiederum die Ausbeute der Anreicherungsvorrichtung erhöhen würde. Der Betrieb bei niedrigerem Druck würde auch einige technische Probleme in Bezug auf den Hyperpolarisierer vereinfachen.
Vorher war erkannt worden, dass hyperpolarisiertes ³He bei hoher Polarisierung mittels Spin-Austausch bei hohen Drucken (-10 atm) hergestellt werden kann. Wir haben gefunden, dass das jedoch nicht möglich ist, wenn hohe Drucke von ¹²&sup9;Xe verwendet werden. Speziell ist die Effizienz mit welcher Xenon Rubidium-Dampf depolarisiert überraschend hoch. Wir schätzen, dass, molekulare Beiträge vernachlässigend, 0,1 atm Xenon ungefähr den gleichen spinvernichtenden Effekt haben wie 270 atm Helium. Demzufolge wird nun angenommen, dass Xenon-Drucke von mehr als 1 atm zu einer sehr geringen Rubidium-Polarisierung bei den meisten starken Pump-Lasern (d. h. Tausende Watt) führen wird.
Zum Beispiel würde bei einem Diodenlaser eine Laserintensität von ungefähr 20 W/cm² (oder 100 W/5 cm²) zu einer elektronischen Rubidium-Polarisierung von nur ungefähr 25% im vorderen Teil einer Kammer resultieren, die 10 atm Xenon enthält. Der Polarisierungsgrad verringert sich nur noch in Richtung auf den hinteren Teil der Zelle, so dass nur kleine Polarisierungsvolumina, mit entsprechend kleinen Ausbeuten an polarisiertem ¹²&sup9;Xe, zugelassen werden können.
Die Verwendung niedrigerer Xenon-Drucke kann zu einer höheren Rb- Polarisierung führen, jedoch mit einem wesentlichen Nachteil. Kleine Gasdrucke ergeben schmale Rb-D&sub1;-Resonanzlinien und erlauben deshalb nur, einen kleinen Anteil des breiten Spektralausstoßes des Dioden-Arrays (2 nm FWHM) zu verwenden. Weiterhin bedeutet die spektrale Schmallinie, die aus einer schmalen D&sub1;- Resonanz resultiert, wieder, dass nur sehr kleine Volumina von Rb polarisiert werden können, was zu kleinen Mengen polarisiertem ¹²&sup9;Xe führt. Beispielsweise wird eine 20 cm³-Zelle, die 0,5 atm Xenon enthält und eine Wandrelaxationszeit von 1000 s besitzt, im Optimum eine ¹²&sup9;Xe-Polarisierung von 56% ergeben, während nur 2,3 W der in die Zelle einfallenden 100 W genutzt werden. Die resultierenden 10 cm³ polarisiertes Gas (bei 1 atm) sind für die meisten interessierenden Anwendungen nicht ausreichend.
Bei typischen Hyperpolarisierungsprozessen wird unpolarisiertes ¹²&sup9;Xe in eine gasdicht verschlossene Pump-Zelle, zusammen mit wenigen Dutzend Torr eines Löschgases (häufig Stickstoff), welches die Fluoreszenz der laserangeregten Rubidium-Atome löscht, platziert, wodurch der optische Pump-Prozess unterstützt wird. Wir haben überraschenderweise jedoch gefunden, dass ein Schutzgas zu der Probe zugesetzt werden kann, um die Alkalimetall-Resonanzlinie zu verbreitern, wodurch eine stärker effiziente Absorption des breiten spektralen Ausstoßes der gegenwärtigen Hochleistungs-Laserdioden-Arrays ermöglicht wird. Ohne dieses Hochdruck- Schutzgas, kann, wegen der breiten spektralen Bandbreite des Diodenlaser-Arrays (2 nm oder mehr) und der sehr schmalen Absorptionsbandbreite der Alkalimetall- Atome bei niedrigem Druck, nur sehr wenig (ungefähr 1%) des Lichts aus dem Diodenlaser absorbiert werden. Um den gewünschten Effekt zu erreichen sollte das Schutzgas jedoch keine signifikante Spinzerstörung des Alkalimetalldampfes oder des ¹²&sup9;Xe während des optischen Pumpens induzieren. Ein bevorzugtes Schutzgas ist Helium (hauptsächlich &sup4;He), aber andere Gase, zum Beispiel Wasserstoff, welche gleiche Eigenschaften haben, können auch verwendet werden. Wir haben beobachtet, dass ansteigende Drucke von Schutzgas bewirken, dass sich das Absorptionsband von Rubidium verbreitert und Gasdrucke von über 10 atm oder mehr bevorzugt sind, um die gewünschte Verbreiterung zu erreichen. Weil das Xenon die Kapazität besitzt, die Alkalimetall-Polarisierung zu zerstören, wird jedoch angenommen, dass Proben, die um 10 atm oder mehr reines Xenon enthalten, nicht verwendbar wären. Im Gegensatz dazu wurde gefunden, dass Helium auf polarisierte Alkalimetall-Spins ziemlich undestruktiv wirkt und ohne Nachteil als Mittel zur Linienverbreiterung verwendet werden kann.
Dementsprechend würden bevorzugte Gasmischungen zur Hyperpolarisierung gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren, einen wesentlichen Anteil an Schutzgas, z. B. Helium, mit einer kleineren aber signifikanten Menge ¹²&sup9;Xe einschließen. Beispielsweise kann die Mischung von ungefähr 0,1% bis ungefähr 5% Xenon einschließen, das wenigstens eine natürliche Isotopenverteilung von ¹²&sup9;Xe enthält, von ungefähr 0,1% bis ungefähr 3% N&sub2; und als Rest Helium einschließen. Stärker bevorzugt schließt die Mischung ungefähr 1% ¹²&sup9;Xe, ungefähr 1% N&sub2; und ungefähr 98% Helium ein. Alternativ, wenn das Löschgas Wasserstoff ist, sollten von ungefähr 1% bis ungefähr 30% der Gasmischung Wasserstoff sein, mit einer entsprechenden Reduktion des Nettoanteils des Heliums.
Die in dem bevorzugten Verfahren verwendeten niedrigen Partialdrucke von Xenon führen zu verschiedenen Problemen. Zuerst muss das polarisierte ¹²&sup9;Xe vom &sup4;He abgetrennt werden, um geeignete ¹²&sup9;Xe-Konzentrationen zu erreichen. Zweitens muss das polarisierte ¹²&sup9;Xe unter Druck gesetzt werden, so dass es aus der Polarisierungsvorrichtung extrahiert werden kann. Drittens ist die Ausbeute an polarisiertem Gas aus der Pump-Kammer sehr gering, obwohl hohe ¹²&sup9;Xe-Polarisierungen auf einer sehr kurzen Zeitskala erreicht werden. Wir haben herausgefunden, dass das Einfrieren von ¹²&sup9;Xe zu einem Feststoff (T = 160 K) alle diese drei Probleme löst.
Um laserpolarisiertes ¹²&sup9;Xe in signifikanten Mengen herzustellen, haben wir die extrem langen Spin-Gitter-Relaxationszeiten T&sub1; von festem ¹²&sup9;Xe ausgenutzt. Es ist gezeigt worden, dass ¹²&sup9;Xe, wenn es erst einmal polarisiert ist, mit geringem Verlust an Polarisierung zu einem Feststoff eingefroren werden kann. Wie ausführlich in Gatzke et al., Phys. Rev. Lett., 70(5): 690-693 (1993) beschrieben, sind die Relaxationszeiten von Festphasen-¹²&sup9;Xe viel länger als jene, welche bis dahin in der Gasphase erreicht wurden.
Es ist nun, mittels der erfindungsgemäßen Anreicherungsvorrichtung, möglich, die Eigenschaften von Xenon-Eis auszunutzen. Speziell ist nun erkannt worden, dass die dreistündige Relaxationszeit von ¹²&sup9;Xe-Eis bei der Temperatur von flüssigem Stickstoff das Pumpen und die kontinuierliche Anreicherung von polarisiertem ¹²&sup9;Xe bei diesen Temperaturen für jeweils drei Stunden erlaubt. Die Verwendung von noch tieferen Temperaturen dehnt die potentielle Anreicherungsperiode weiter aus.
Ein Tieftemperatur-Anreicherer für die Anreicherung lagerungsfähiger Mengen ¹²&sup9;Xe gemäß der Erfindung wird schematisch in Fig. 1 veranschaulicht und dessen Merkmale werden hierin unten kurz beschrieben. Durch die Steuerung der Gasfluss- Geschwindigkeit und -Temperatur in der Polarisationskammer kann der Grad der Polarisierung und das Gesamtvolumen an erzeugtem ¹²&sup9;Xe eingestellt werden. Bei einer vorgegebenen verfügbaren Laserleistung und -bandbreite, wird die Temperatur der Pumpkammer so hoch wie möglich eingestellt, ohne dass ein signifikanter Verlust an volumengemittelter Polarisierung des Alkalimetalldampfes erlitten wird. Diese Optimierung bestimmt die Spin-Austauschgeschwindigkeit?SE, bei welcher die Polarisierung auf das ¹²&sup9;Xe übertragen wird. Die Flussgeschwindigkeit wird dann bevorzugt so angepasst, dass ein ¹²&sup9;Xe-Atom im Durchschnitt 1-3 Spin-Austausch- Zeitkonstanten (1/?SE) in der Polarisierungskammer verbringt. Eine heißere Kammer wird zu einem schnelleren Spin-Austausch führen, wodurch höhere Flussgeschwindigkeiten für ¹²&sup9;Xe ermöglicht werden. Die Einstellungen für den Fluss können durch den Vergleich des ¹²&sup9;Xe-NMR-Signals mit der Flussgeschwindigkeit überprüft werden. Wenn der Fluss zu schnell ist, wird das ¹²&sup9;Xe-Signal abfallen, weil die Probe nicht die Möglichkeit hat, vollständig zu polarisieren.
Ein signifikantes Merkmal dieser Entdeckung ist, dass wesentlich größere Mengen hyperpolarisierten ¹²&sup9;Xe nun gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden können als es durch Verwendung im Wesentlichen reinen Xenons als Target-Gas möglich war. Das heißt, dass die Ausbeute an hyperpolarisiertem Xenon als Funktion der Zeit wesentlich erhöht wurde, ungeachtet der Tatsache, dass das Xenon nur als kleiner Anteil des Target-Gases vorliegt.
Wenn erst einmal das strömende Target-Gas hyperpolarisiert ist, kann man den gesamten Gasfluss (¹²&sup9;Xe, &sup4;He und N&sub2;) durch den erfindungsgemäßen Anreicherer strömen lassen. Der Anreicherer schließt einen Kryostat ein, der bevorzugt in einem Temperaturbereich von ungefähr 4,2 K bis ungefähr 157 K arbeitet. Eine Temperatur von ungefähr 77 K, d. h. ungefähr die Temperatur von flüssigem Stickstoff (Sdp. = 77 K), welcher ein leicht verfügbares Kühlmittel ist, ist der Einfachheit halber bevorzugt. Jedoch sind tiefere Temperaturen allgemein bevorzugt, weil längere Polarisierungslebensdauern erreicht werden können, wenn die Temperatur der Anreicherung und Lagerung vermindert wird. Dementsprechend wäre flüssiges Helium (Sdp. = 4,2 K) ein exzellentes Kühlmittel für die Lagerung von hyperpolarisiertem ¹²&sup9;Xe, weil eine solche außergewöhnlich niedrige Temperatur theoretisch geeignet ist, die Spin-Gitter-Relaxationszeit von ¹²&sup9;Xe auf ungefähr 2900 Std. auszudehnen. Kühlkreislaufeinheiten können auch verwendet werden.
Auf jeden Fall gefriert polarisiertes ¹²&sup9;Xe, wenn es durch den Kryostat strömt, weil sein Schmelzpunkt 157 K beträgt. Wenn eine Kühlung mit flüssigem Stickstoff verwendet wird, wird nur das hyperpolarisierte ¹²&sup9;Xe aus dem Gasfluss kondensieren, da jegliches löschende Stickstoffgas einen Partialdruck von viel weniger als einer Atmosphäre haben wird, dem Kondensationsdruck für flüssigen Stickstoff. Die Kondensation von Stickstoff bei kälteren Anreicherungstemperaturen wird wahrscheinlich nicht schaden, aber sie kann bei Bedarf vollständig vermieden werden, wenn das Stickstoff-Löschgas (N&sub2;) durch Wasserstoff (H&sub2;) ersetzt wird. Der Großteil des Gases, d. h. das Helium, strömt einfach durch den Kryostat und durch die Auslassöffnung aus. Daher ist ein wertvolles Merkmal dieses Verfahrens, dass es verwendet werden kann, um effektiv das hyperpolarisierte Xenon von den anderen unerwünschten Komponenten der Target-Gasmischung abzutrennen (zu reinigen). Demgemäss ist es eine bevorzugte Eigenschaft des Schutzgases, dass es im Wesentlichen auf diese Art vom Xenon abtrennbar ist.
Weil die Relaxationszeit T&sub1; von gefrorenem ¹²&sup9;Xe wesentlich länger ist, wenn es in einem angelegten Magnetfeld gehalten wird, wird der Tieftemperatur- Anreicherer bevorzugt mit einem für solche Magnetfeldstärken tauglichen kleinen Permanent-Magneten ausgestattet, um die Lagerzeit zu verbessern. Der Hauptgesichtspunkt bei der Auswahl der Stärke des angelegten Feldes ist, dass das Feld die Anreicherung und/oder Lagerung für einen Zeitraum von ungefähr der maximal möglichen Spin-Gitter-Relaxationszeit bei der Anreicherungs-/Lagerungstemperatur ermöglichen sollte. Dementsprechend sollte das angelegte Feld mindestens ungefähr 500 G (0,05 T) bei der Temperatur von flüssigem Stickstoff haben. Wir stellen jedoch fest, dass die Auswahl der Feldstärke von der Temperatur abhängt, bei welcher das ¹²&sup9;Xe angereichert oder gelagert wird. Genauer gesagt wirkt sich die Verwendung höherer Feldstärken positiv auf die Untertemperatur-Anreicherung und -Lagerung aus.
Die Anreicherer-Rohrverzweigung ist bevorzugt mit einem Pumpanschluss ausgestattet, so dass sie vor der Verwendung evakuiert werden kann, um jegliche kontaminierenden Stoffe, wie Sauerstoff, zu entfernen. Zusätzlich sind die inneren Oberflächen der Rohrverzweigung bevorzugt zweckdienlich beschichtet oder anderweitig behandelt (d. h. wie hierin an anderer Stelle für die Polarisierungskammer etc. beschrieben), so dass sie zumindest im Wesentlichen nicht depolarisierend für das ¹²&sup9;Xe sind.
Die Einlassöffnung des Anreicherers ist bevorzugt darauf abgestimmt, in Durchfluss ermöglichender Verbindung mit der Polarisierungskammer zu stehen, in welcher das optische Laser-Pumpen und der Spin-Austausch stattfinden. Somit kann man hochpolarisiertes ¹²&sup9;Xe von der Pumpkammer durch die Einlassöffnung in den Anreicherer strömen lassen. Ein Ventil erlaubt, dass der Fluss nach Wunsch kontrolliert werden kann. Die Polarisierungskammer und das Anreicherungsreservoir können als Einzeleinheit hergestellt werden. Alternativ kann eine trennbare Verbindung zwischen dem Anreicherer und der Polarisierungskammer eingearbeitet sein, um das Entfernen und den Austausch des Anreicherungsreservoirs zu gestatten.
Wenn der Polarisierungsprozess fortschreitet, wird sich eine signifikante Menge polarisiertes ¹²&sup9;Xe im Lagerungsreservoir ausbilden. Sobald die gewünschte Menge Xenon-Eis angereichert worden ist, kann das Reservoir evakuiert und optional für verschiedene Zwecke vom Anreicherer abgenommen werden. Beispielsweise kann ein transportables Reservoir zu einer Langzeitspeicherungsvorrichtung ausgelagert werden, wodurch der Anreicherer frei wird, um ein anderes Reservoir für die fortgesetzte Anreicherung von hyperpolarisiertem ¹²&sup9;Xe zu erhalten. Auf das Entfernen vom Anreicherer oder von der Langzeitspeicherungsvorrichtung folgend, kann das gefüllte Reservoir in-situ verwendet werden oder für die Verwendung an einen alternativen Ort transportiert werden.
Zu jedem gewünschten Zeitpunkt kann das Reservoir, welches das gelagerte hyperpolarisierte Xenon enthält, auf Raumtemperatur erwärmt werden (passiv oder aktiv), um zu bewirken, dass der polarisierte Feststoff auftaut (sublimiert), um ein Hochdruckgas zu bilden. Deshalb kann die Anreicherungsvorrichtung selbst Heizvorrichtungen einschließen. Alternativ kann eine Fernlagerungs- oder Zufuhrvorrichtung solche Heizvorrichtungen einschließen. Wenn aktiv Wärme zugeführt wird, sollte darauf geachtet werden zu vermeiden, dass der hyperpolarisierten Probe ein Magnetfeldgradient auferlegt wird, welcher die vorzeitige Relaxation bewirken könnte. Das polarisierte Hochdruckgas kann dann durch Öffnen eines Ventil an der Auslassöffnung der Lagerkammer abgenommen werden. Ein Druckausgleichsventil (z. B. 50 psi) an der Auslassrohrverzweigung kann dazu dienen, eine Sprengfreigabe zu verhindern und dadurch mögliche Verletzungen von Personen oder die Beschädigung von Eigentum zu verhindern.
Die hierin beschriebene Vorrichtung ist zur Vernetzung mit MRI- Bildgebungssystemen geeignet, die vereinbar mit den Systemen sind, die zur Bildgebung mittels hyperpolarisierter Edelgase, beschrieben in der US- Patentanmeldung Seriennummer 08/225243, deren Offenbarung hierin als Referenz einbezogen wird, geeignet sind. Typisch für solche Systeme ist eine kommerziell erhältliche MR-Bildgebungseinheit, die einen horizontalen 2-Tesla 30-cm Omega CSI Magneten (G. E. NMR Instruments, Fremont, CA) und assoziierte Vorrichtungen einschließt, welche detaillierter in Middleton et al., Magn. Reson. in Med. 33: 271-275 (1995), beschrieben werden. Die Befähigung große Mengen hyperpolarisierten Edelgases herzustellen kann nun vorteilhaft angewendet werden, um die Anreicherung und Lagerung von ausreichend viel Gas, vor der Bildgebung, zu gestatten, so dass während der Bildgebung selbst keine zusätzliche Hyperpolarisierung vorgenommen werden muss. Daher kann nun eine Bildgebung an einem oder mehreren Subjekten bei der Erstellung eines klinischen Gesamtbildes unter Verwendung einer einzigen Quelle von vorher angereichertem Xenon durchgeführt werden. Alternativ kann nun Bildgebung vorgenommen werden, bei welcher ein kontinuierliches Hyperpolarisierungsverfahren eine kontinuierliche Quelle an hyperpolarisiertem Gas erzeugt, das einem Subjekt zur Untersuchung der Atmung oder anderer physiologischer Prozesse zugeführt wird, welche durch die außergewöhnlichen Eigenschaften der Edelgase möglich werden. Früher war eine Bildgebung dieser Art wegen der zur Verfügung stehenden geringen Mengen hyperpolarisierter Gase entweder unmöglich oder extrem unpraktisch.
Die folgenden Beispiele werden bereitgestellt um das weitere Verständnis der Erfindung zu unterstützen. Die jeweiligen eingesetzten Materialien und Bedingungen sollen die Erfindung weiter veranschaulichen und sollen deren begründeten Umfang nicht begrenzen.

Beispiel 1

Eine Polarisierungsvorrichtung für kontinuierlichen Fluss ist allgemein in Übereinstimmung mit der in Fig. 1 veranschaulichten Struktur errichtet worden. Die Pumpkammer ist ein 6 cm langer Glaszylinder, der ein Volumen von ungefähr 30 cm³ besitzt. Die optische Achse ist kollinear zur Longitudinalachse der Kammer.
Wir haben gefunden, dass der optimale Fluss durch die Pumpkammer von der Temperatur abhängig ist. Für die Hyperpolarisierung von ¹²&sup9;Xe (3% in 96%He; 10 atm) in dieser 30 cm³-Kammer, kann die Flussgeschwindigkeit im Bereich von ungefähr 300 cm³/min bis ungefähr 600 cm³/min bei 150 ºC liegen. Versuche zeigten, dass von ungefähr 20% bis ungefähr 30% des Laserlichts bei 150ºC absorbiert werden, korrespondierend zu einer Spin-Austauschzeit (tSE) von 22 s und einer mittleren Rubidium-Polarisierung von ungefähr 50%.

Beispiel 2

Die Relaxationszeit von festem polarisierten ¹²&sup9;Xe bestimmt die Zeitskala für die Anreicherung. Anreicherungszeiten, die signifikant länger sind als die Relaxationszeiten des festen ¹²&sup9;Xe werden zu verringerter ¹²&sup9;Xe-Polarisierung führen. Bei 77 K und einem Feld von 500 G oder mehr ist T&sub1; = 3 Std. Wie oben erwähnt, beträgt bei einer Pumpkammer-Temperatur von 150ºC die Spin-Austauschzeit tSE = 22 s. Die Sättigungspolarisierung von [Xe] = 2 Amagat in [He] = 10 Amagat ist 88%. Wenn die Flussgeschwindigkeit so eingestellt wird, dass ein gegebenes ¹²&sup9;Xe eine Zeit von 2 tSE in der Pumpkammer verbringt, ist seine resultierende Polarisierung 86% von dieser oder P = 76%. Die korrespondierende Xenon-Flussgeschwindigkeit ist F = (0,2 Amagat · 20 cm³/44 s) = 0,09 Amagat cm³s&supmin;¹. Eine Anreicherung für 3 Std. ergibt ungefähr 1 l polarisiertes Gas bei Standardtemperatur und -druck (STP). Wenn die Relaxation des Feststoffs berücksichtigt wird, behält der resultierende eine Liter 63% der ursprünglichen Polarisierung durch Einfrieren bei, P = 48%.

Beispiel 3

Eine Gasmischung aus 3% Xe, das eine natürliche Isotopenzusammensetzung von ungefähr 26% ¹²&sup9;Xe besitzt, 1% N&sub2; und 96% &sup4;He, wurde unter Verwendung der in Beispiel 1 beschriebenen Vorrichtung polarisiert. Zusätzlich wurde ein erfindungsgemäßer Anreicherer verwendet, um das die Polarisierungskammer verlassende Gas anzureichern. Der Anreicherer verwendete flüssigen Stickstoff als Kühlmittel für das Anreicherungsreservoir. Das Reservoir, durch welches man das Gas, welches das hyperpolarisierte ¹²&sup9;Xe enthält, strömen lässt, war eine Glaskühlfalle. Ein kleiner Permanentmagnet, der ein Feld von ungefähr 1800 G erzeugte, wurde installiert, um ein für das Reservoir geeignete Feld bereitzustellen. Glasleitungen wurden verwendet, um das Gas aus der Pumpkammer zum Anreicherungsreservoir zu befördern.
Durch die Verwendung dieses Systems wurden 120 cm³ (bei STP) hyperpolarisiertes ¹²&sup9;Xe in 0,5 angereichert. Die nominale Flussgeschwindigkeit des Target- Gases während der Anreicherung betrug 80-100 cm³/min bei STP. Weil die Gasmischung nur zu 3% aus Xenon bestand ermöglichte das eine Xenon- Anreicherungsgeschwindigkeit von bis zu ungefähr 3 cm³/min bei STP. Auf die Sublimierung folgend wurde es dem ¹²&sup9;Xe gestattet, zurück in die Pumpkammer zu expandieren, welche mit einer gepulsten NMR-Spule ausgestattet war. Es wurde bestimmt, dass die NMR-Signalstärke ungefähr 1/4 der größten Sättigung ist, die selbst bei einer He : Xe : N&sub2;-Gasmischung in einer gasdicht verschlossenen Pumpkammer beobachtet wird. Durch Computermodeling wird angenommen, dass die Sättigungspolarisierung von ¹²&sup9;Xe während eines optischen Pump-Prozesses ungefähr 75% ist. Der Druck des sublimierten Xenons wurde mit einem Kapazitätsmanometer als 1,21 atm bestimmt, im Vergleich zu 0,27 atm Xenon in der Gasmischung während des Pumpens. In Anbetracht der Drucke und NMR-Signale, gelangten wir zu einer ungefähren Polarisierung des angereicherten ¹²&sup9;Xe von 5%.
Die bei diesem Versuch erlangte Netto-Polarisierung lag in der Größenordnung der theoretisch maximalen Polarisierung. Daher, wenn man bedenkt, dass dieses Verfahren nicht optimiert war, ist gezeigt worden, dass die kontinuierliche Herstellung von hyperpolarisiertem ¹²&sup9;Xe unter Verwendung des Verfahrens und der Vorrichtung gemäß der Erfindung möglich ist. Weiterhin bewahrt der Herstellungs- und Anreicherungsprozess eine signifikante Menge der Polarisierung des Xenons. Basierend auf dieser Untersuchung erwarten wir Verbesserungen in der Ausbeute für das sublimierte Gas.
Es ist eindeutig, dass die unter Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung erhaltenen Volumina an hyperpolarisiertem ¹²&sup9;Xe die Erzeugung von Volumina von hyperpolarisierten Edelgasen in einer Größenordnung von wenigstens Litern pro Tag ermöglichen. Dementsprechend ermöglicht die Erfindung nun, zum ersten mal, die Herstellung von ausreichend polarisierten Edelgasen, um klinische Ventilationsuntersuchungen an menschlicher Lunge durch MRI zu ermöglichen.

Beispiel 4

Die Volumina der Auslassrohrverzweigungs-Komponenten in einer errichteten Vorrichtung sind grob kalibriert worden (~± 5%). Die Flussgeschwindigkeit am Fließtrichter ist in gleicher Weise kalibriert worden und scheint korrekt zu sein. Die Menge an im Anreicherungsreservoir angereicherten Xenon korrespondiert innerhalb der Sollwert-Abweichungen mit der am Durchflussmessgerät abgelesen Flussgeschwindigkeit, multipliziert mit der Anreicherungszeit. Das weist darauf hin, dass im Wesentlichen das gesamte Xenon in der Gasmischung effektiv im Anreicherer aufgefangen wurde.

Claims

1. Verfahren zur Anreicherung von hyperpolarisiertem ¹²&sup9;Xe, wobei das Verfahren umfasst:

das Strömen eines Ausgangsgases, das hyperpolarisiertes ¹²&sup9;Xe umfasst, durch ein Anreicherungservoir, das derart ausgebildet ist, dass ein Gasfluss hindurch ermöglicht ist,

das Kühlen dieses Anreicherungsreservoirs auf eine Temperatur, die bewirkt, dass Xenon zur gefrorenen Form kondensiert;

das Anlegen eines magnetischen Feldes an dieses Akkumulationsreservoir und die Anreicherung des genannten hyperpolarisierten ¹²&sup9;Xe aus diesem strömenden Ausgangsgas in gefrorener Form in diesem Akkumulationsreservoir.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, worin diese Anreicherung für einen Zeitraum bis ungefähr zur maximal möglichen Spin-Gitter-Relaxationszeit des ¹²&sup9;Xe bei der Temperatur, bei welcher das ¹²&sup9;Xe angereichert wird, durchgeführt wird.

3. Verfahren gemäß irgendeinem vorangehenden Anspruch, worin dieses Ausgangsgas weiterhin ein Löschgas umfasst und optional worin dieses Löschgas Stickstoff oder Wasserstoff ist.

4. Verfahren gemäß irgendeinem vorangehendem Anspruch, worin dieses Ausgangsgas weiterhin ein Schutzgas umfasst und optional worin dieses Schutzgas Helium ist.

5. Verfahren gemäß irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, worin dieses Ausgangsgas von ungefähr 0,1% bis ungefähr 5% hyperpolarisiertes ¹²&sup9;Xe, von ungefähr 0,1% bis ungefähr 30% eines Löschgases und der Rest Helium umfasst.

6. Verfahren gemäß Anspruch 5, worin dieses Ausgangsgas ungefähr 1% hyperpolarisiertes ¹²&sup9;Xe, ungefähr 1% Stickstoff und ungefähr 98% Helium umfasst.

7. Verfahren gemäß irgendeinem vorangehenden Anspruch, worin diese Anreicherung die Anreicherung des genannten hyperpolarisierten ¹²&sup9;Xe ist, während die Anreicherung anderer, in diesem strömenden Ausgangsgas enthaltenen Gase, im Wesentlichen ausgeschlossen wird.

8. Verfahren gemäß irgendeinem vorangehenden Anspruch, worin der genannte Abkühlungsschritt durch eine Kälteerzeugungsvorrichtung durchgeführt wird, die ein geschlossenes Kühlsystem umfasst und/oder eine Vorrichtung zum Kühlen dieses Anreicherungsreservoirs mittels flüssigen Stickstoffs, flüssigen Heliums oder anderer verflüssigter Gase, umfasst.

9. Verfahren gemäß irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, wobei dieses Verfahren weiterhin die Hyperpolarisierung von ¹²&sup9;Xe in diesem Ausgangsgas umfasst, um dieses hyperpolarisierte ¹²&sup9;Xe vor dem Schritt des Einströmens dieses Ausgangsgases zum Anreicherungsreservoir bereitzustellen.

10. Verfahren gemäß Anspruch 9, worin dieser Hyperpolarisierungsschritt zu diesem hyperpolarisierten ¹²&sup9;Xe durch Spin-Austausch mit einem Alkalimetall durchgeführt wird.

11. Verfahren gemäß Anspruch 9, worin dieser Hyperpolarisierungsschritt einen kontinuierlichen Fluss dieses Ausgangsgases bereitstellt, das hyperpolarisiertes ¹²&sup9;Xe umfasst und worin dieser Anreicherungsschritt dieses hyperpolarisierten ¹²&sup9;Xe für einen Zeitraum von bis zur maximal möglichen Spin-Gitter-Relaxationszeit für das ¹²&sup9;Xe bei der Temperatur des Abkühlungsschritts fortgesetzt wird.

12. Verfahren gemäß irgendeinem vorangehenden Anspruch, das weiterhin die Lagerung dieses angereicherten, hyperpolarisierten ¹²&sup9;Xe umfasst, optional an einem Ort, der von dort entfernt ist, wo diese Anreicherung durchgeführt wird, und bei einer Temperatur von ungefähr dem Gefrierpunkt von Xenon oder darunter.

13. Verfahren gemäß Anspruch 12, worin diese Lagerung die Lagerung des angereicherten, hyperpolarisierten ¹²&sup9;Xe in einem angelegten Magnetfeld umfasst, das ausreichend ist, um die Spin-Gitter-Relaxationszeit dieses hyperpolarisierten ¹²&sup9;Xe bei der Lagerungstemperatur zu maximieren.

14. Verfahren gemäß der Ansprüche 8-13, worin das Ausgangsgas ¹²&sup9;Xe und wenigstens ein zusätzliches Gas umfasst und worin der Anreicherungsschritt derart ausgeführt wird, dass die wesentliche Kondensation von diesem wenigstens einem zusätzlichen Gas in diesem strömenden Gas in diesem Anreicherungsreservoir verhindert wird.

15. Verfahren gemäß Anspruch 14, weiterhin umfassend:

das Auftauen dieses angereicherten, gefrorenen, hyperpolarisierten ¹²&sup9;Xe, um ein Gas bereitzustellen, das im Wesentlichen aus Xenon besteht und hyperpolarisiertes ¹²&sup9;Xe umfasst und

den Transport dieses Gases von diesem Anreicherungsreservoir um eine Speisung dieses hyperpolarisierten ¹²&sup9;Xe bereitzustellen.

16. Anreicherungsvorrichtung zur Anreicherung von hyperpolarisiertem ¹²&sup9;Xe, dadurch gekennzeichnet, dass sie umfasst:

(a) ein Anreicherungsreservoir (17), das so gestaltet ist, dass es eine Ausgangsgasmischung, die hyperpolarisiertes Gas umfasst, derart führt, dass diese durch das Anreicherungsreservoir hindurchströmt und das hyperpolarisierte ¹²&sup9;Xe in der strömenden Ausgangsgasmischung angereichert wird und

(b) eine Kälteerzeugungsvorrichtung zum Kühlen dieses Anreicherungsreservoirs auf eine Temperatur, die ausreichend niedrig ist, um die Anreicherung von hyperpolarisiertem ¹²&sup9;Xe in gefrorener Form zu bewirken.

17. Vorrichtung gemäß Anspruch 16, worin diese Anreicherungsvorrichtung weiterhin Vorrichtungen (18) zum Anlegen eines Magnetfeldes an dieses Anreicherungsreservoir umfasst, worin dieses Magnetfeld optional ausreichend ist, um die Spin-Gitter-Relaxationszeit dieses hyperpolarisierten ¹²&sup9;Xe bei der Anreicherungstemperatur zu maximieren.

18. Vorrichtung gemäß der Ansprüche 16 oder 17, worin diese Kälteerzeugungsvorrichtung ein geschlossenes Kühlsystem umfasst und/oder eine Vorrichtung zum Kühlen dieses Anreicherungsreservoirs mittels flüssigen Stickstoff, flüssigen Heliums oder anderer verflüssigter Gase, umfasst.

19. Vorrichtung gemäß irgendeinem der Ansprüche 16-18, die weiterhin Vorrichtungen zur Bereitstellung von hyperpolarisiertem ¹²&sup9;Xe für dieses Anreicherungsreservoir umfasst, wobei die Bereitstellungsvorrichtungen optional Hyperpolarisierungsvorrichtungen zur Hyperpolarisierung strömenden ¹²&sup9;Xe umfassen.

20. Vorrichtung gemäß irgendeinem der Ansprüche 16-18, weiterhin eine Hyperpolarisierungsvorrichtungen umfassend, die umfasst:

(a) eine Polarisierungskammer (4) zur Polarisierung von strömendem ¹²&sup9;Xe und

(b) eine Lichtquelle (1), die geeignet ist, hyperpolarisierende Strahlung in die Polarisierungskammer abzugeben,

worin diese Polarisierungskammer ein Alkalimetall umfasst, das geeignet ist bei Betrieb die Hyperpolarisierung dieses ¹²&sup9;Xe durch Spin-Austausch mit dem Alkalimetall zu induzieren, wenn es einer Lichtquelle ausgesetzt wird.

21. Vorrichtung gemäß irgendeinem der Ansprüche 19-20, worin dieses Anreicherungsreservoir entspannbar verschließbar und/oder aus diesen Kälteerzeugungsvorrichtungen und/oder dieser Hyperpolarisierungsvorrichtungen entfernbar ist.

22. Vorrichtung gemäß Anspruch 21, worin dieses verschließbare Anreicherungsreservoir einen oder mehrere mit Ventilen bestückte Gasanschlüsse (16, 19) umfasst, um die Flutung mit Gas zu ermöglichen.

23. Vorrichtung gemäß irgendeinem der Ansprüche 16-22, worin dieses Gerät weiterhin Vorrichtungen zur Sublimierung dieses angereicherten, hypepolarisierten ¹²&sup9;Xe umfasst, um Xenon-Gas bereitzustellen, das hyperpolarisiertes ¹²&sup9;Xe umfasst.

24. Anreicherungsvorrichtung gemäß Anspruch 16, in Kombination mit einer Vorrichtung zur kontinuierlichen Produktion von hyperpolarisiertem ¹²&sup9;Xe, umfassend:

(a) eine Ausgangsgas-Transportvorrichtung (11), ausgebildet zur Bereitstellung von strömendem ¹²&sup9;Xe und

(b) eine Hyperpolarisierungsvorrichtung (1, 4) zur Hyperpolarisierung dieses strömenden ¹²&sup9;Xe um strömendes hyperpolarisiertes ¹²&sup9;Xe bereitzustellen, wobei diese Hyperpolarisierungsvorrichtung in fluider Verbindung mit diesem Anreicherungsreservoir steht.

25. Verfahren gemäß Anspruch 1, das weiterhin umfasst:

das Strömen einer Ausgangsgasmischung, die hyperpolarisiertes ¹²&sup9;Xe umfasst, durch Hyperpolarisierungsvorrichtungen und

die Hyperpolarisierung dieses ¹²&sup9;Xe mittels Spin-Austausch mit einem Alkalimetall in diesen Hyperpolarisierungsvorrichtungen um hyperpolarisiertes ¹²&sup9;Xe in dieser Gasmischung bereitzustellen, vor dem Schritt des Strömens des Ausgangsgases zum Anreicherungsreservoir.

26. Anreicherungsvorrichtung gemäß Anspruch 16, worin das Anreicherungsreservoir ein austauschbares Reservoir ist, das derart ausgebildet ist, dass es einem Gas, das hyperpolarisiertes ¹²&sup9;Xe umfasst, ermöglicht wird, hindurchströmen, worin dieses austauschbare Anreicherungsreservoir derart ausgebildet ist, um mit der Kälteerzeugungsvorrichtung austauschbar verbunden zu sein und mit dieser zur Kühlung dieses Anreicherungsreservoirs auf eine Temperatur zusammenzuwirken, die ausreichend gering ist, um gefrorenes hyperpolarisiertes ¹²&sup9;Xe anzureichern und um derart optional lösbar mit einem Hyperpolarisiersystem verbunden zu sein, das eine optische Pumpzelle besitzt, so dass sich das austauschbare Anreicherungsreservoir flussabwärts davon angeordnet ist.

27. Vorrichtung gemäß Anspruch 16, worin diese Kälteerzeugungsvorrichtung Vorrichtungen zur Kühlung dieses Anreicherungsreservoirs, auf eine Temperatur von ungefähr 4,2 K bis ungefähr 157 K, umfasst.

28. Vorrichtung gemäß Anspruch 16, worin ein innere Oberfläche dieses Anreicherungsreservoirs behandelt ist, um die Depolarisierung dieses hyperpolarisierten ¹²&sup9;Xe zu reduzieren.

29. Vorrichtung gemäß Anspruch 16, worin dieses Anreicherungsreservoir ausgebildet ist, um austauschbar mit einer Hyperpolarisierungsvorrichtung verbunden zu sein, so dass sich das austauschbare Anreicherungsreservoir flussabwärts davon befindet und mit dieser und/oder der genannten Kälteerzeugungsvorrichtung zusammenzuwirken.

30. Vorrichtung gemäß irgendeinem der Ansprüche 16-20, worin das Anreicherungsreservoir einen separaten Einlass und Auslass und verschließbare Ventile (16, 19) umfasst, um den Gasstrom durch dieses Reservoir zu steuern.

31. Vorrichtung gemäß Anspruch 16, worin dieses Anreicherungsreservoir als austauschbares Anreicherungsreservoir gestaltet ist, das einen Einlass und einen Auslass aufweist, um einen kontinuierlichen Gastrom hindurch zu ermöglichen, worin dieses austauschbare Anreicherungsreservoir Vorrichtungen (15, 20) aufweist, um lösbar mit der Hyperpolarisierungsvorrichtung zur Erzeugung von strömendem hyperpolarisiertem ¹²&sup9;Xe und zum Transport dieses strömenden hyperpolarisierten ¹²&sup9;Xe in dieses Anreicherungsreservoir verbunden zu sein und zusammenzuwirken, und worin diese Vorrichtung weiterhin integrierte Magnetisierungsvorrichtungen zum Anlegen eines Magnetfelds an dieses Anreicherungsreservoir umfasst.

32. Verfahren zum Transport von hyperpolarisiertem ¹²&sup9;Xe, erzeugt durch das Verfahren gemäß irgendeinem der Ansprüche 1-15 oder 25, umfassend den Transport des Anreicherungsreservoirs, optional zusammen mit der Kühl- oder Kälteerzeugungsvorrichtung, zu einem Ort, der vom Anreicherungsort entfernt ist.