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【発明の名称】 スピン偏光したキセノン−１２９用の低温アキュムレーター
【発明者】 【氏名】ケイツ，ゴードン・ディー，ジュニア

【氏名】ドリーハイス，バスティアン

【氏名】ハッパー，ウィリアム

【氏名】ミロン，エリ

【氏名】サーム，ブライアン

【氏名】ウォルター，ダニエル
【要約】 【課題】過偏光129Ｘｅを蓄積するための方法および装置を開示する。

【構成】本発明の方法および装置を使用すると、流動する過偏光129Ｘｅを凍結状で連続的にあるいは一時的に蓄積することが可能である。この方法を使用すると、過偏光129Ｘｅを蓄積することも可能である。本発明は、連続流動配置またはパルス流動配置で129Ｘｅ過偏光手段と統合された129Ｘｅ蓄積手段（１７）をさらに含む。この方法および装置を使用すると、磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）技術によるヒト被験者および動物被験者のイメージングを含め、多数の目的のための、過偏光129Ｘｅの大規模製造、保存および使用が可能になる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
129Ｘｅを少なくとも一つの他の選択されたガスと組み合わせて偏光セル中で過偏光するステップと、
上記過偏光された129Ｘｅと上記少なくとも一つの他の選択されたガスを上記偏光セルからガス導入ポートを通って蓄積貯蔵器に流動させるステップであって、該蓄積貯蔵器での貫流を許容する流動ステップと、
上記蓄積貯蔵器を129Ｘｅが凍結する温度まで冷却するステップと、
上記蓄積貯蔵器に上記過偏光された129Ｘｅを凍結状で蓄積するステップであって、上記凍結された129Ｘｅを上記蓄積貯蔵器に保持しながら、上記少なくとも一つの他のガスを上記蓄積貯蔵器から流動的に導出させる蓄積ステップと、
上記蓄積貯蔵器に磁界を印加するステップと、
を含んでなる過偏光された129Ｘｅを蓄積する方法。
【請求項２】
上記蓄積ステップが、上記偏光セルから上記ガス中に存在する他のガスの蓄積を実質的に排除しながら、上記過偏光された129Ｘｅを凍結状で蓄積することを含んでなる請求項１に記載の蓄積方法。
【請求項３】
上記冷却ステップの温度における上記過偏光された129Ｘｅのほぼ最大可能スピン格子緩和時間までの時間、該過偏光された129Ｘｅを蓄積するステップをさらに含む請求項１又は請求項２に記載の方法。
【請求項４】
上記蓄積された過偏光129Ｘｅを任意選択的に上記蓄積がされた場所から離れた位置で、かつ上記キセノンの凍結温度の範囲又は凍結温度未満で貯蔵するステップを更に含み、上記貯蔵ステップが、上記蓄積された過偏光129Ｘｅを貯蔵温度において上記過偏光129Ｘｅのスピン格子緩和時間の長さを促進させるのに充分な印加磁場内に貯蔵することを含む請求項１〜３のいずれかに記載の方法。
【請求項５】
上記少なくとも一つの他の選択ガスが、少なくとも一つの消光用ガスと緩衝ガスを含み、上記蓄積ステップが、上記消光用ガスと緩衝ガスの実質的な凝縮を上記蓄積貯蔵器中で起こさないように実施される請求項１〜４のいずれかに記載の方法。
【請求項６】
上記流動ステップの前に、マニホールドと上記蓄積貯蔵器から酸素を除去するステップをさらに含む請求項１〜５のいずれかに記載の方法。
【請求項７】
上記蓄積貯蔵器を密封するステップと、その後の上記過偏光ガスを加熱するステップと、上記加熱ステップの間、過偏光ガスの過剰加圧を抑制するために過剰の圧力を抜くステップとをさらに含んでなる請求項１〜６のいずれかに記載の方法。
【請求項８】
上記蓄積貯蔵器と上記偏光セルに連結するマニホールドの弁を閉めるステップと、使用中の上記蓄積貯蔵器を交換するために、凍結129Ｘｅを有する蓄積貯蔵器を上記マニホールドから取り外すステップと、空の蓄積貯蔵器を取り付けるステップとをさらに含んでなる請求項１〜７のいずれかに記載の方法。
【請求項９】
実質的にキセノンからなり過偏光129Ｘｅを含むガスを得るために上記蓄積された凍結過偏光129Ｘｅを解凍するステップと、
上記過偏光129Ｘｅを供給するために、上記蓄積貯蔵器から実質的にキセノンからなり過偏光129Ｘｅを含む上記ガスを放出するステップと
をさらに含む請求項１〜８のいずれかに記載の方法。
【請求項１０】
（ａ）偏光されたガスを含む起源ガス混合物を貫流でき、起源ガス混合物流中の過偏光129Ｘｅを蓄積するための蓄積貯蔵器と、
（ｂ）過偏光129Ｘｅを凍結状で蓄積させるのに充分な低温に上記蓄積貯蔵器を冷蔵するために、該貯蔵器に連結した冷蔵手段と、
（ｃ）上記蓄積温度における上記過偏光129Ｘｅのスピン格子緩和時間を最大化するのに充分な磁界を上記蓄積貯蔵器に印加する手段と、
を含んでなる過偏光129Ｘｅを蓄積するための蓄積装置。
【請求項１１】
上記蓄積貯蔵器の流動ガス導入ポートと連結する弁と、上記導入ポートの下流で上記蓄積貯蔵器の流動ガス放出ポートと連結する別個の放出弁とをさらに備えてなり、これらの弁が、それぞれの導入ガス路と放出ガス路を開閉でき、上記蓄積貯蔵器及び／又はガス抜きを通るガス流を調節する請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
上記蓄積貯蔵器に連結する偏光セルをさらに備え、該蓄積貯蔵器が該偏光セルの下流に設けられる請求項１０又は請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
上記蓄積貯蔵器が、上記偏光セルと上記蓄積貯蔵器に連結する流路を有するマニホールドに解除できるように密封可能である請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
過偏光129Ｘｅを含むキセノンガスを加圧するために、蓄積された過偏光129Ｘｅを昇華させる手段をさらに含む請求項１０〜１３のいずれかに記載の装置。
【請求項１５】
上記冷蔵手段が、上記蓄積貯蔵器を４．２Ｋ〜１５７Ｋの温度に冷蔵するために形成され、該蓄積貯蔵器が、別個の入口と出口、及び該貯蔵器を貫流するガス流を制御するために密封可能な弁を備える請求項１０に記載の装置。
【請求項１６】
上記蓄積貯蔵器が、連続するガス流を貫流するために、入口と出口を有する取り替え可能なものとして形成され、該取り替え可能な蓄積貯蔵器が、過偏光129Ｘｅ流を生成し該蓄積貯蔵器に送るための過偏光装置と取り外し可能に連動するための手段を備える請求項１０に記載の装置。
【請求項１７】
（ａ）上記偏光セルと上記蓄積貯蔵器に連結するマニホールドであって、該マニホールドによって画定される流路を選択的に開閉可能とする弁を有するマニホールドと、
（ｂ）上記マニホールドから酸素を除去するために真空源と連結されたポンピングポートと
をさらに備える請求項１２に記載の装置。
【請求項１８】
上記マニホールドが、上記蓄積貯蔵器の下流でトランスファーバッグまで延び、解放弁が該蓄積貯蔵器と該トランスファーバッグの間に存在する請求項１７に記載の装置。
【請求項１９】
上記蓄積貯蔵器を密閉するための弁と、
上記弁が閉められている間、上記凍結129Ｘｅを加熱するために上記蓄積貯蔵器と連結する熱源と、
加熱時に過偏光129Ｘｅの過剰の加圧を抑制するために上記蓄積貯蔵器と連結する圧力ベントと
をさらに備える請求項１７又は請求項１８に記載の装置。
【発明の詳細な説明】【技術分野】
【０００１】
本発明は、認可番号第DAAH04-94-G-0204号、第DAMD1794J4469号、および第F49620-94-0466号の下に政府援助を受けて行われた。本発明における権益は、政府が有することができる。
本発明は希ガスを過偏光(hyperpolarize)させる装置および方法に関する。詳細には、本発明は連続方式でかなりの量の過偏光希ガスを製造して蓄積する方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
核磁気共鳴（ＮＭＲ）は、磁界内に維持されている原子核にエネルギーを印加することによって誘導できる現象である。核は、磁気モーメントを有する場合、外部から印加された磁界内に配向させることができる。この配向は、無線周波エネルギーの短いバーストを系に加えることによって一時的に乱される。結果として生じた核の乱れは、外的磁界に関連して、測定可能な核の共鳴または動揺として現れる。
【０００３】
しかし、外的磁界と相互に作用する核の場合、核は磁気モーメントを有していなければならない、すなわちゼロ以外のスピンを有していなければならない。したがって、核磁気共鳴実験技術は、ゼロ以外のスピンを示す核をかなりの比率で含む試料を標的とする試験に限定される。非常に好ましいこのような核は、磁界内で水プロトン（1Ｈ2Ｏ）の挙動を観察して操作することにより試験を行うプロトン（1Ｈ）である。3Ｈｅや129Ｘｅなどの希ガスを含め、他の核は原則的にＮＭＲで試験するのに適している。しかし、これらの同位元素は相対的天然存在度が低いこと、磁気モーメントが小さいこと、および他の物理的要因のため、これらの核のＮＭＲ試験は、達成不可能でないとしても困難である。
【０００４】
ＮＭＲで希ガスの核を試験するにあたって、考慮すべき重要な事柄は、希ガスの核は、通常、非常に弱いＮＭＲ信号を生じるにすぎないことである。しかし、3Ｈｅや129Ｘｅなどの希ガスのスピン偏光を自然のレベルよりも高めることができる、すなわち、これらの同位元素を人工的に「過偏光」させて、はるかに大きいＮＭＲ信号を提供することができることは周知の通りである。一つの好ましい過偏光技術は、スピン交換過偏光として知られている。この技術を徹底的に詳しく説明するまではしないが、大筋で、適当な波長のレーザーエネルギーを吸収することによって偏光していたルビジウムなどのアルカリ金属蒸気との相互作用によって、希ガスが過偏光される。偏光したルビジウムは、スピン交換移動として知られる現象によって、その偏光を希ガスに移動させる。その最終結果として、希ガスは「過偏光(hyperpolarized)」される、すなわち、それ以外の場合よりもさらに偏光される。スピン交換過偏光技術の基礎をなす理論の詳細は、文献に報告されている。
【０００５】
スピン交換過偏光は、理論的現象として確立されているものの、その実行は熟練を要することがわかっている。過偏光した希ガスの製造および取扱は論理学的に困難なばかりではなく、高価でもある。さらに、スピン交換試験の実験の性質上、過偏光した希ガスの製造は、一般に小規模で行われるにすぎない。レーザー、電子工学、ガラス吹き、超高真空ポンプ操作、高純度ガス取扱、ならびに核磁気共鳴分光学など、様々な分野における専門技術を含め、繊細な技能を一般に必要とする。
【０００６】
たとえば、過偏光希ガスの一つの試料の製造は、一般に、容積が僅か数十から数百立方センチメートルの、使い捨ての密封されたガラスセルの製作を含む。このようなセルは、製造する際に慎重さを必要としてきたが、希ガスを偏光解消する傾向によってセルを測定したとき、その品質を常に予測できるとは限らない。さらに、このようなセルをスピン交換に使用するためには、中に存在するアルカリ金属でセルを密封することが必要である。これは、金属の酸化およびその結果としてのセルの破滅を引起こす可能性がある不純物を除去するように気を付けなければならないことを意味する。希ガスを偏光できるより速く偏光解消できるガラス自体の問題もある。偏光した希ガスをＮＭＲ技術で試験する場合、密封したセルを砕いて開くか破壊して過偏光ガスをＮＭＲ分光計内に放出しなければならない。次の試料に進むためには、同様の品質を有するかもしれないしそうではないかもしれない、新しいガラスセルを製作して充填することを含め、これらの工程を全て繰り返すことが必要であり、その結果、面倒で且つ多くの場合予断を許さない手順となる。
【０００７】
Middletonは、スピン交換技術による過偏光用に、より多量の希ガスを入れることができる、密封されたポンピングセルを製作する可能性をはじめて立証した。MiddLeton H.，"The Spin Structure of the Neutron Determined Using a Polarized 3He Target"，Ph.D．Dissertation，Princeton Univerisity（偏光した3Ｈｅ標的を使用して決定した中性子のスピン構造、博士論文、プリンストン大学）。そうではあっても、試料ごとの変動性が問題のまま残っていたため、この論文物に記載されている手順の信頼性は日常的な使用に適していなかった。さらに、この資料には詰め替えることができるセルまたはさほど修復せずに連続的または流動（フロー）ベースで使用することが可能なセルの製作方法が全く開示されていない。したがって、セルの製造技術は進歩したものの、詰め換え可能なスピン交換ポンピングセルまたは連続的流動スピン交換ポンピングセルを製作する方法は提供されていない。
【０００８】
過偏光129Ｘｅは凍結することができ、しかもその偏光のかなりの部分が維持されることも知られている。実際、129Ｘｅを凍結すると、129Ｘｅを気体状で保つことによって通常達成されるよりも、偏光寿命を実質的に延長することができる。したがって、少量の過偏光129Ｘｅが入った密封されたガラスセルは凍結され、保存され、使用するためにその後解凍され（昇華され）てきた。たとえば、Cates et al.，Phys．Rev．Lett．65(20)，2591-2594(1990)を参照されたい。Catesは、少量（最大限約１ｇ／時間まで）の129Ｘｅを蓄積することが可能な設計を提供したが、このような成果を達成できる方法に関する実際的開示は全くない。この論文はより多量の129Ｘｅを蓄積することが可能かどうかも示していない。
【０００９】
あるいは、Becker et al.，Nucl．Inst．& Meth．in Phys．Res．A，346：45-51(1994)による刊行物には、準安定性交換として知られる明確に異なる偏光法によって過偏光3Ｈｅを製造する方法が記載されている。この方法は極端に低圧、すなわち、約０．００１〜約０．０１気圧の3Ｈｅを使用することが必要であるが、アルカリ金属を使用せず、3Ｈｅはレーザーで直接偏光される。この方法は巨大なポンピングセル（すなわち、長さ約１ｍ）を使用し、その後、ガスを有用なレベルまで圧縮することが必要なため、過偏光した3Ｈｅをこの方法で相当量蓄積するには制限がある。Beckerらの出版物には、ガスをほぼ大気圧まで圧縮するためのチタン製大量コンプレッサーを使用する、独創的ではあるが技術的に難しい方法が開示されている。不運なことに、このようなシステムの製造および操作には工学技術熟練を要するため、日常ベースでのシステムの再現性および実施可能性は限定される。Beckerらが記載した装置は、相当量の据付面積も必要とし、移動させることはできない。Beckerらの論文では、ポンピングセルにアルカリ金属の使用を避けており、スピン交換によって過偏光希ガスを製造する方法は開示されていない。それ故、Beckerらの論文では、アルカリ金属を使用するポンピングセルを製造する方法の複雑さは解決されない。結果として、スピン交換による任意に多量または少量の過偏光希ガスの製造および供給に関する方法または装置は、この刊行物に記載されたり示唆されたりしていない。
【００１０】
過偏光希ガスは、核磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）技術によって画像化されることが最近実証された。米国特許出願番号第０８／２２５，２４３号を参照されたい。さらに、希ガスは族として不活性であり非毒性であるため、過偏光希ガスをヒト被験者および動物被験者のＭＲＩに使用できることが判明した。結果として、多量の過偏光希ガスを発生させる必要性が増大している。さらに、医学および獣医学に関するものであるため、ガスの純度および過偏光の量に関してコントロールされた均一性および信頼性が必要になった。また、上述の検査室技術の特訓をほとんどまたは全く受けていない医療技術者でも、ＭＲＩを受ける被験者に不連続なまたは連続した過偏光希ガスを提供することができる臨床環境で使用するためには、これらの過偏光ガスの便利で且つ信頼できる発生が重要となる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上述の考慮すべき事柄を斟酌すると、既存の技術で用いられている装置および方法は数々の点で制限されていることは明白である。たとえば、既存の技術では、一度使用した後、スピン交換偏光チャンバ（セル）を詰め換える実用的な手段は得られない。現行のチャンバは、そのほとんどが初回充填後、永久的に密封されるか、せいぜい詰め替えられても不満足な結果に終わる。それ故、材料費および人件費を低減させるために、同一チャンバ内で連続的流動モードで光ポンプピングする場合でも、ポンピングチャンバを効果的に詰め替える手段を開発することが有益であろう。
【００１２】
さらに、以前に使用された永久的に密封されたセルにとって申し分ない充填でも、著しく異なるシステムで行われた。従来、高品質偏光チャンバを充填することができるほど十分に清潔な装置を製造するためには、油非含有ポンプか低温捕捉油含有ポンプのいずれかを備えた高価な超高真空システムが必要であった。このようなシステムは高価であり（約３０，０００ドル）、あまり小型ではなく（占有面積３（９１ｃｍ）フィート×６フィート（１８３ｃｍ））、且つ訓練を受けた真空技術者による高度のメンテナンスを必要とする。最小限のメンテナンスのみを必要とし、真空テクノロジーに関する専門知識がなくても操作することができる新規システムが望ましい。また、臨床環境では、より便利なサイズのシステムが有用であろう。
【００１３】
さらに、連続様式で過偏光ガスを製造する実用的な方法は皆無であった。各スピン交換過偏光手順で、新しい密封された試料を調製して過偏光器に導入しなければならなかった。したがって、この制限を克服するシステムを開発し、流動する希ガスを連続的に過偏光させる手段を提供することが望ましい。
【００１４】
過偏光ガスを製造するシステムもかなり嵩張り、一般にシステムを設置するための別の部屋が必要である。このようなシステムは移動させたり、様々な他の目的に使用される部屋に装置の一部として設置することができない。それ故、小さくて便利な過偏光器が有利である。また、スペースが重大な考慮すべき事柄である状況では、移動させることができるシステムも有益である。
【００１５】
また、以前には、後で任意の量（大気圧で最大限数十リットルまでのガス）を不連続の量で後に供給するための、かなりの量の過偏光希ガス、特に129Ｘｅを保存する便利な方法はなかった。この制限を克服し、その上、過偏光希ガスを連続的に蓄積するための装置を提供することも、必要に応じて過偏光ガスを保存したりコントロールされた放出をすると同時に、かなりの量の過偏光を維持することも重要であろう。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
したがって、本発明の結果として、過偏光希ガスを蓄積するための改良された装置および方法が提供される。特に、磁気共鳴イメージング用の多量の高純度過偏光希ガスを蓄積する装置が提供される。また、過偏光希ガスを連続的に発生して蓄積し、多量の過偏光希ガスを保存するための方法および装置が提供される。
【００１７】
本発明の装置は、連続モードまたは半連続モードで過偏光129Ｘｅを蓄積することが可能なアキュムレーターシステムを含む。このアキュムレーターシステムは、過偏光キセノンが低温トラップ貯蔵器を通過できるようにし、且つ漏出する前に効率よく且つ選択的にキセノン氷として捕捉されるようにすることができる。このアキュムレーターは、他のガスにシステムを通過させ、その結果過偏光キセノンを選択的に凝縮することも可能である。アキュムレーターは、トラップがキセノンの凍結温度又はそれより低い温度まで冷却される低温トラップ貯蔵器を使用することが好ましい。アキュムレーターに入ったキセノンは、次に凍結状でアキュムレーター貯蔵器の壁に効率よく付着する。さらに、アキュムレーターは貯蔵器内で流動しているキセノンを、先に付着したキセノンの上に付着させることが可能であり、その結果、凍結ガスを連続的または半連続的に蓄積することが可能である。固体の過偏光129Ｘｅは気体状よりも偏光寿命が長いため、アキュムレーターは保存装置の役割を果たし、後で使用するために、かなりの量の過偏光ガスを蓄積することができる。さらに、本発明は様々に記載された装置の使用方法を提供する。
【００１８】
場合に応じて、アキュムレーター貯蔵器は冷却装置から外して、流入管および流出管から離すことができる。それ故、着脱可能な貯蔵器カートリッジを取外して、別の冷却装置または冷蔵装置内に別々に保存することができる。このようにして、別の着脱可能な貯蔵器カートリッジを取付けることによってアキュムレーターの操作を続けることができる。
【００１９】
本発明に従って過偏光129Ｘｅを蓄積するために、キセノンの過偏光は、ガス混合物の状態で供給されたキセノンを使用して実施することが好ましい。ガス混合物は、少なくとも天然同位元素存在度の129Ｘｅを含むキセノンを含む。さらに、スピン交換偏光の効率を高めるために、窒素や水素などの消光用（クエンチング）ガスをガス混合物に含めて、光ポンピング手順中のアルカリ金属の蛍光発光を抑制する。高分圧キセノンの過偏光は、望むほど効率が良くない、すなわち、高圧キセノンはアルカリ金属をあまりにも効率よく偏光解消することによって、キセノン自身の過偏光を阻害し得ることが確認されている。したがって、低圧過偏光は必要不可欠な基準である。しかし、本発明によるキセノン過偏光の効率を高める新しい方法は、緩衝ガスを使用して、アルカリ金属蒸気によって吸収される波長の帯域を広げ、その結果過偏光過程効率を高めることを含む。１つの好ましい緩衝ガスはヘリウムである。本発明は、ある消光用ガスが高い消光用ガス圧でアルカリ金属蒸気の偏光解消を引起こすという問題を解決するために、消光用ガスと異なる緩衝ガスの使用を含む。したがって、本発明による好ましいガス混合物は少量の129Ｘｅ、少量の消光用ガス、および残りを占める（バランス）ヘリウムを含む。
【００２０】
それ故、本発明の装置は、従来可能であったよりもかなり大量に希ガスを過偏光させることが可能な高容量過偏光器と共に有効に使用される。この過偏光器は、連続方式または少なくとも半連続方式で、希ガスを過偏光させる手段を含む。たとえば、希ガスを連続モードで過偏光器の偏光チャンバ内を貫流させ、核が偏光チャンバを通過する間に、核のかなりの部分が過偏光することができるような流れの速さとする。あるいは、半連続（時たまのまたは周期的な）アプローチで、希ガスを不連続の量で偏光チャンバに入れ、過偏光させ、その後放出させ、結果として生じた量のガスを処理することが可能である。この装置では、連続的通過または繰り返し充填および排出によって同一チャンバを使用することができるため、個々のセルを製作する必要はない。それ故、新しい過偏光セルを製作する必要性によって、比較的多量の過偏光希ガスの発生が妨げられたりさもなければ制限されたりしない。
【００２１】
本発明は129Ｘｅを過偏光させ、且つかなりの量の過偏光ガスを蓄積する方法にも関する。詳細には、この方法は、低比率で希ガスを含む標的ガス混合物を過偏光させること、過偏光した標的ガス混合物をアキュムレーターに流し入れること、およびガス混合物中の他のガスが実質的に排除されるまで、過偏光した希ガスを蓄積することを含む。好ましくは、この方法は、ヘリウムなどの緩衝ガスおよび窒素などの消光用ガスとの混合物中の、低比率の129Ｘｅを過偏光させることを含む。いつも少量の129Ｘｅが製造されるに過ぎないが、混合物中の他のガスの相変化を避けながら、キセノンを凍結させるアキュムレーターに標的ガスを流し入れる。このようにして、キセノンは実質的に精製された形でアキュムレーター貯蔵器内に付着し、他のガスは選択的に除去される。さらに、キセノンが蓄積して、別な方法で可能であるよりもはるかに多量の過偏光ガスを生じる。
【００２２】
次に、本発明の個々の実施態様について考えると、一つの実施態様で、本発明は過偏光した129Ｘｅを蓄積する方法を含む。この方法は、過偏光129Ｘｅをはじめとする起源（ソース）ガスを、蓄積手段の中を貫流させることと、蓄積手段内の過偏光129Ｘｅを蓄積することを含む。好ましくは、この蓄積方法は、
ａ）ガスが貫流することが可能な蓄積貯蔵器と、
ｂ）129Ｘｅを凍結状で蓄積貯蔵器内に蓄積させるのに十分な温度まで蓄積貯蔵器を冷蔵するための冷蔵手段と
を含む蓄積手段内に129Ｘｅを蓄積することを含む。
【００２３】
この方法に、印加された磁界内に過偏光129Ｘｅを蓄積することが含まれることが好ましい。印加される磁界の好ましい強度は、蓄積温度で過偏光129Ｘｅのスピン格子緩和時間を最大化するのに十分である。たとえば、磁界は、液体窒素温度で少なくとも約５００Ｇでなければならない。一般に、より低温では、適当に高い磁界を必要とする。
【００２４】
本発明の方法を使用すると、任意の所定の期間に蓄積を行うことが可能になるものの、蓄積期間が、キセノン氷の温度における129Ｘｅの最大可能スピン格子緩和時間を超えるとき、過偏光129Ｘｅの緩和のために、蓄積された正味のキセノン氷の過偏光部分が減少すると考えられる。したがって、129Ｘｅが蓄積される温度における129Ｘｅのほぼ最大可能スピン格子緩和時間までの期間、キセノンを収集することが好ましい。より低い冷蔵温度を使用すると緩和時間が増大し、その結果、より長い蓄積期間が可能になる。
【００２５】
起源ガスは少なくとも天然存在度の129Ｘｅを有するキセノンを含む。さらに好ましくは、起源ガス中のキセノンは、天然存在度より高いレベルまで129Ｘｅが濃厚化されている。キセノンの高圧スピン交換過偏光で認定されている特定の制限があるため、キセノンは一種以上の他のガスも含む起源ガス中で提供されることが好ましい。詳細には、本方法は、窒素や水素など、アルカリ金属蛍光消光用ガスをさらに含む起源ガスを使用して実施することができる。また、本方法は、スピン交換手順で使用されるアルカリ金属原子の光吸収スペクトルのプレッシャーブロードニングが可能な緩衝ガスを含む起源ガスを使用して実施することができる。一つの好ましい緩衝ガスはヘリウムである。水素は、消光用ガスと緩衝ガスの両者の役目をして、光吸収線を広げることができる。窒素はアルカリ金属原子を実質上偏光解消させるため、光吸収線を広げるには、窒素は水素やヘリウムほど優れたガスではない。
【００２６】
好ましくは、本発明によるアキュムレーターを貫流する起源ガスは、過偏光129Ｘｅに加えて窒素およびヘリウムを含む。これは、主として過偏光129Ｘｅの製造にＸｅ：Ｈｅ：Ｎ2ガス混合物が好ましいためである。さらに好ましくは、起源ガスは、過偏光129Ｘｅを約０．１％〜約５％、Ｎ2を約０．１％〜約３％含み、残り（バランス）はヘリウムである。あるいは、起源ガスは過偏光129Ｘｅを約０．１％〜約５％、Ｈ2を約１％〜約３０％含んでもよく、残りはヘリウムである。現在好まれる起源ガス混合物は、過偏光129Ｘｅを約１％、Ｎ2を約１％、ヘリウムを約９８％含む。
【００２７】
この方法は、好ましくは、過偏光129Ｘｅを蓄積させると同時に、少なくとも実質的に他のガスの蓄積を許さない。このようにして、過偏光129Ｘｅが実質上精製され、他のガスをかなりの比率で含有する起源ガス中のキセノンの初期濃度が低いことを克服する。
【００２８】
本発明の方法は、好ましくは、冷蔵システムによる過偏光129Ｘｅの蓄積を含む。冷蔵システムの一タイプは、液体窒素や液体へリウムなど、液化ガスを用いて蓄積貯蔵器を冷蔵する手段を含む。この種のシステムの貯蔵器は、液化ガス中に浸漬してもよく、液体によって生じる冷たい蒸気と接触させておいてもよい。また別のアプローチで、本方法はクローズドサイクル冷蔵システムを含む冷蔵手段を使用することができる。過偏光129Ｘｅの寿命を延長するためには、低温が望ましいと考えられる。
【００２９】
本発明の方法は、好ましくは、起源ガスから過偏光129Ｘｅを蓄積する前に、129Ｘｅを過偏光させることをさらに含む。この過偏光は、好ましくは、ルビジウムやセシウムなど、アルカリ金属とのスピン交換による129Ｘｅの過偏光を含む。また、過偏光手順は、好ましくは、過偏光129Ｘｅを含有する起源ガスの連続した流れを使用して実施し、蓄積手段の温度における129Ｘｅのほぼ最大可能スピン格子緩和時間までの期間、過偏光129Ｘｅを蓄積させることができる。
【００３０】
蓄積した過偏光129Ｘｅを、129Ｘｅの凝固点付近またはそれ未満で保存することによって、本発明の方法を補足することはさらに望ましい。実際、蓄積した過偏光129Ｘｅを、蓄積場所から隔たった（遠い）位置で保存できることは本方法の長所である。それ故、蓄積貯蔵器、あるいは冷蔵手段と一緒の貯蔵器を、保存するために別の場所に移動させることができる。これによって、蓄積を再開し、新たな過偏光129Ｘｅを提供することが可能である。蓄積したキセノンの保存は、蓄積に使用された温度より低い温度を使用して実施することが好ましい。また、保存は、保存温度における過偏光129Ｘｅのスピン格子緩和時間を最大化するのに十分な磁界を印加して実施することが好ましい。
【００３１】
別の実施態様で、本発明は、過偏光129Ｘｅの連続蓄積用アキュムレーター装置も提供する。この実施態様で、装置は、
ａ）貫通する過偏光129Ｘｅを蓄積するための蓄積貯蔵器と、
ｂ）過偏光129Ｘｅを凍結状で蓄積させるのに十分な温度まで蓄積貯蔵器を冷蔵するための冷蔵手段と
を含む。
【００３２】
蓄積装置は、好ましくは、磁界を、さらに好ましくは、蓄積温度における過偏光129Ｘｅのスピン格子緩和時間を最大化するのに十分な磁界を、蓄積貯蔵器に印加する手段もさらに含む。
【００３３】
この装置は、好ましくは、液体窒素、液体ヘリウム、または他の液化ガスで蓄積貯蔵器を冷蔵するための冷蔵手段も含む。あるいは、この冷蔵手段はクローズドサイクル冷蔵システムを含む。
【００３４】
さらに好ましくは、装置は、さらに過偏光129Ｘｅを提供する手段も含む。好ましくはアルカリ金属とのスピン交換によって129Ｘｅを過偏光させる手段を、装置が含むことが好ましい。好ましい過偏光器は、過偏光129Ｘｅを連続モードまたはパルスフローモードで供給することができる装置を含む。
【００３５】
好ましくは、この装置は、凍結キセノンを遠い位置で保存できるために蓄積貯蔵器が着脱可能であるように、モジュラーデザインのものである。それ故、蓄積貯蔵器は、冷蔵手段から取外せることが望ましい。あるいは、過偏光手段が含まれるとき、蓄積貯蔵器は過偏光手段および冷蔵手段から取外すことができる。別の代替構成で、蓄積貯蔵器および冷蔵手段は過偏光手段から取外すことができる。
【００３６】
本発明の装置で、蓄積貯蔵器は、貯蔵器の内外へのガス漏れを防止するために、密封できることが好ましい。このことは、キセノンの蓄積後、貯蔵器を保存する状況で特に重要である。したがって、蓄積貯蔵器は、貯蔵器内外へのガス流れを調節することが可能な一個以上の弁（バルブ）付ガスポートなど、様々な手段で密封される。
【００３７】
装置は、凍結キセノンを昇華させて、過偏光129Ｘｅを含有する気体状のキセノンを提供する手段をさらに含んでもよい。
【００３８】
別の実施態様で、本発明は過偏光129Ｘｅの連続製造装置を提供する。この場合、装置は
ａ）流動する129Ｘｅを提供するのに適した起源ガス供給システムと、
ｂ）流動する129Ｘｅを過偏光して流動する過偏光129Ｘｅを提供するための過偏光手段と、
ｃ）過偏光129Ｘｅを蓄積するための蓄積手段と
を含む。
好ましくは、蓄積手段は、
ａ）過偏光129Ｘｅを蓄積するための蓄積貯蔵器と、
ｂ）129Ｘｅを凍結状で蓄積貯蔵器内に蓄積させるのに十分な温度まで貯蔵器を冷蔵するための冷蔵手段と
を含む。
磁界を、好ましくは、蓄積温度における過偏光129Ｘｅのスピン格子緩和時間を最大化するのに十分な磁界を、蓄積貯蔵器に印加する手段を、蓄積手段がさらに含む装置も望ましい。
【００３９】
好ましくは、装置は、
ａ）流動する129Ｘｅを偏光するための偏光チャンバと、
ｂ）偏光チャンバ内に過偏光放射線を送ることができる光源と
を含む過偏光手段を含む。
スピン交換過偏光手順中に、アルカリ金属蒸気を提供するのに十分な量のアルカリ金属、好ましくはルビジウムまたはセシウムを、偏光チャンバに提供することができる。アルカリ金属気化装置およびアルカリ金属還流装置を組込んで、流動構成におけるアルカリ金属の損失を制限することが可能である。
【００４０】
光源は、レーザーダイオードアレーなどのレーザーであり、且つアルカリ金属原子とのスピン交換によって129Ｘｅの過偏光を誘導するのに十分な過偏光放射線を送ることができることが好ましい。
【００４１】
さらなる実施態様で、本発明は過偏光129Ｘｅの連続蓄積法を提供する。この実施態様で、本発明は
ａ）129Ｘｅを蓄積するための蓄積貯蔵器と、
ｂ）蓄積貯蔵器内に129Ｘｅを蓄積させるのに十分な温度まで蓄積貯蔵器を冷蔵するための冷蔵手段と、
ｃ）蓄積貯蔵器に磁界を印加するための手段と
を含むアキュムレーター手段の中を、過偏光129Ｘｅを含有す標的ガスを貫流させて過偏光129Ｘｅを蓄積することを含む。
【００４２】
別の実施態様で、本発明は
ａ）過偏光129Ｘｅを含有す標的ガスを、過偏光手段の中を貫流させることと、
ｂ）過偏光手段内でアルカリ金属原子とのスピン交換によって129Ｘｅを過偏光させ、標的ガス中に過偏光129Ｘｅを提供することと、
ｃ）標的ガスを、蓄積手段の中を貫流させ、凍結状で過偏光129Ｘｅを蓄積させることと
を含み、
アキュムレーター手段が、
１）凍結した過偏光129Ｘｅを蓄積するための蓄積貯蔵器と、
２）129Ｘｅを凍結状で蓄積貯蔵器内に蓄積させるのに十分な温度まで蓄積貯蔵器を冷蔵するための冷蔵手段と
を含む過偏光129Ｘｅの連続蓄積法を提供する。
【００４３】
さらに、本発明は、過偏光129Ｘｅを含有するガスを貫流できるように適合された取り替え可能な蓄積貯蔵器を含み、取り替え可能な蓄積貯蔵器が、凍結した過偏光129Ｘｅを蓄積するのに十分な温度まで蓄積貯蔵器を冷蔵するための冷蔵手段と取り替え可能に連動するように適合されている過偏光129Ｘｅを蓄積するためのアキュムレーター装置を含む実施態様を提供する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４４】
本発明のこれらの長所およびこれら以外の長所は、本願明細書に記載されている詳細な説明および実施例から認識されるであろう。詳細な説明および実施例は、本発明の理解を高めるものであり、本発明の範囲を限定するためのものではない。
本発明の好ましい実施態様は、例示および説明のために選択されたものであり、いずれにしても、本発明の範囲を制限するためのものではない。本発明のある局面の好ましい実施態様を添付の図面に示す。
【００４５】
図１は、本発明による統合された過偏光器および多量の過偏光129Ｘｅの発生および蓄積に有用なアキュムレーターシステムを示す。この図では、イメージング(imaging)試験に必要なときに偏光したガスを供給することができるＭＲＩガス供給システムをはじめとする幾つかの重要なサブシステムを含む過偏光器ユニットを示す。
【００４６】
図１で、レーザーダイオードアレイ１は約１００Ｗ〜約５００Ｗの出力を有し、アルカリ金属による吸収に適した波長λの放射線を放出する。波長の幅Δλは約２ｎｍＦＷＨＭであり、直線偏光は約９５％以上である。波長の幅が広いため、本願明細書ではこの種のレーザーを「広帯域」レーザーと呼ぶ。代替実施態様では、ポンピングセル４の向かい合った両面からポンピングする二つのレーザーを使用することができ、適当な新しいデザインのセル４および光診断システム１０を備えている。
【００４７】
非球面フレネルレンズFresnel lens ２（一般にプラスチック）は、ダイオードレーザーアレイ１からの光の大部分を光ポンピングセル４に注ぐ。光ポンピングセル４の端のすぐ向こうにダイオード表面の画像が形成される。フレネルレンズは安く且つ現在使用できるダイオードレーザーアレイに十分適応するが、現在使用できるものより高い固有輝度を有すると考えられる将来のレーザーには、異なる光学器械の方が適当かもしれない。
【００４８】
四分の一波長板３は、ダイオードレーザーアレイからの直線偏光を円偏光に変換する。表示の通り、レンズおよび四分の一波長板の加熱が問題ではないほどレーザービームが広がるフレネルレンズ２のすぐ後ろにプラスチック製の四分の一波長板を置く。既に高度に直線偏光しているレーザー１からの光は、自然の直線偏光が十分でなければ、直線偏光器（表示せず）を通過してから四分の一波長板３に到達することができる。
【００４９】
飽和アルカリ金属蒸気、たとえば、ＲｂやＣｓ、および予め混合されているガスタンク１１と関連して下に記載されている、129Ｘｅ、Ｎ2およびＨｅの至適ガス混合物が提供される光ポンピングセル４が表示されている。セル４は、レンズ２からの収束光を受け入れることができるように、先端を切った円錐形をしている。出口管６からの還流アルカリ金属は、セルを通って後退し、気化装置５に収集される。セルおよび付随の管は、予め混合されたガスの高圧、一般に約１気圧〜約３０気圧をこえる圧力に耐えなければならない。セル内部の高いガス圧は、ダイオードレーザーからの広帯域光を効率よく吸収させるために重要である。
【００５０】
気化装置５は、ポンピングセル４より上流に設けられ、ガスがセルに入る前に、流動ガス混合物にアルカリ金属蒸気を加える。気化装置５は、銅、または液体アルカリ金属で容易に濡れる他の非磁気金属または焼結金属のくしゃくしゃのワイヤー（たとえば、金属スポンジ）で製作することが可能である。気化装置５を液体アルカリ金属で濡らし、適当な材料および寸法の容器に詰め込んで、確実にガスに蒸気を十分加える。ガスが光ポンピングセルに入る前に、ガスが確実にアルカリ金属蒸気で完全に飽和されるように、ガスの流速、ガスが貫流する距離、「スポンジ」の細孔直径を調節する。
【００５１】
気化装置５は、還流出口パイプ６から凝縮したアルカリ金属の重量流によって補充され、そのため、セルは実質的に垂直方向のままである。還流出口パイプ６は、流出ガスからアルカリ金属を凝縮させるために含まれる。確実に、アルカリ金属の大部分が凝縮し、且つ重力流によって光ポンピングセル内に滴下し、最終的に気化装置に戻るように、寸法および流速を調節する。
【００５２】
光ポンプで輸送されたアルカリ金属蒸気からの弱い、まだ消えていないＤ2蛍光を観測するために、たとえば電荷結合素子（ＣＣＤ）カメラおよび適当なフィルターを含む、蛍光モニタリング用検出器７が取付けられている。セルの両側の二つのレーザーポンピングと共に使用するために、蛍光モニタリング配列を調節する。
【００５３】
ポンピング光がオーブンおよび光ポンピングセルに入れるように、絶縁窓８が設けられている。この窓および他の光透過表面に、反射防止膜を使用してもよい。蛍光モニター７および光学マルチチャネルアナライザー（ＯＭＡ）１０のために、同様の窓が設けられている。
【００５４】
光ポンピングセルを、ダイオードレーザーからの有用な光の大部分を吸収するのに適した温度に維持するために、オーブン９が備え付けられている。一般的なルビジウムの操作温度は約１００℃から約２００℃である。より気化しやすいセシウムには、幾らか低い温度が適当である。熱風または内部の非磁気電気ヒーターでオーブンを加熱することができる。
【００５５】
広帯域ダイオードレーザーアレイからの光の吸収効率を測定するための光学マルチチャネルアナライザー（ＯＭＡ）１０。セルを両側からポンピングするのであれば、異なるＯＭＡ配置が必要である。
【００５６】
高圧タンク１１は、予め混合された標的ガスを数百気圧の圧力に維持するために含まれている。好ましい標的ガス成分は、分圧で、次の通りである。
ａ．光ポンピングセル４の中での過偏光およびキセノンアキュムレーター１７での蓄積用には、約０．１％から約５％の129Ｘｅ（すなわち少なくともほぼ天然の同位元素組成のキセノン）。
ｂ．光ポンピングセル４内で蛍光を消すためには、約１％から約３％のＮ2。Ｎ2の代わりに幾らか高い分圧（たとえば、約１％から約３０％）でＨ2を使用し、Ｎ2ガスと比較して小さいＨ2中のアルカリ金属原子のスピン偏光解消横断面を利用することが可能である。
ｃ．光ポンピングセル４内のアルカリ金属原子の光吸収線を広げる圧力の場合、ガスの残りは緩衝ガス、好ましくはＨｅである。Ｈｅガスが、キセノンと比較して無視できるスピン偏光を確実に惹起するように、Ｈｅガス圧を調節する。他のガス混合物を使用して、消光特性およびプレッシャーブロードニング特性を標的ガスに与えることが可能である。
【００５７】
圧調節器１２は、貯蔵タンク１１内の予め混合されているガスの非常に高い圧力を、光ポンピングセル４に適した圧力まで下げるために使用される。これは、一般に約１０〜約３０気圧であり、広帯域レーザー光線の最適使用に、いかに多くのプレッシャブロードニングを必要とするかによって異なる。
【００５８】
ガス清浄器（ゲッター）１３は、微量の不純物、主として水蒸気を、予め混合されている標的ガス流から除去するために使用される。
【００５９】
表示の通り、蓄積貯蔵器１７は、デュアー瓶内の液体窒素または他の寒剤によって冷却された逆流コールドトラップを含む。閉回路冷蔵庫を冷却に使用してもよい。
【００６０】
分離位置１５は、分離位置２０と一緒に使用すると、蓄積貯蔵器１７を取外すことができる。弁１４は光ポンピングセル４を分離位置１５から隔離したり、その間の流れを調節したりする。弁１６は、蓄積貯蔵器１７を分離位置１５から隔離する。
【００６１】
永久磁石１８は、蓄積貯蔵器内の凍結キセノンの位置で約５００ガウス（０．０５Ｔ）を超える静磁界を生じるために使用される。このように大きい磁界は、最長可能スピン格子緩和時間（たとえば、液体窒素温度で約３時間）を得るのに十分である。はるかに長いスピン格子緩和時間を達成できる低凝縮温度では、より大きい磁界を必要とする。磁石は、低温アセンブリ内部に入れて、キセノン蓄積貯蔵器と一緒に低温に保つことが可能である。
【００６２】
弁１９は、キセノンコンデンサー１７を分離位置２０から隔離するために使用され、この分離位置２０を分離位置１５と一緒に使用すると、キセノンコンデンサー１７を取外すことが可能である。
【００６３】
弁２１は、昇華した過偏光129Ｘｅガスをトランスファーバッグ２２または様々な用途、たとえば、患者のＭＲＩ、非破壊的評価などのために過偏光129Ｘｅを大気圧で輸送するための任意の他の容器に放出するために使用される。壁の堅い容器を使用して、過偏光129Ｘｅガスを他の気圧で輸送することができる。
【００６４】
弁２３は、凝縮したキセノンの昇華中およびバッグまたは他の容器２２へのガス移動中、キセノンアキュムレーター１７を隔離する。
【００６５】
ガラスと金属のシール２４が施されるが、シールのポンプ側の管はステンレススチールまたは他の金属であることが好ましい。シールのキセノンコンデンサー側では、管はガラスである。ガス流れの投入側の同様のガラスと金属のシールおよび適切なステンレス補助ベローは表示していないが、通常は存在する方が好ましい。
【００６６】
圧力計２５は、蓄積相の間、圧力をモニタリングして調節するために使用される。
【００６７】
弁２６によって隔離されるポンプ２７は、蓄積期間の終わりに、キセノンコンデンサー１７からの残りのＨｅおよびＮ2を評価するために使用される。
【００６８】
ニードル弁２８または他の流れ調節装置は、残りのＨｅガスおよびＮ2ガスを部屋または再使用するための回収容器に排出させるために含まれる。この弁２８は、光ポンピングセル４を貫流する速度を調節する。排出速度は、我々が開発した方式による過偏光129Ｘｅの調製を最適化するように調節する。ガスの流れを流量計２９でモニタリングする。
【００６９】
大気、または使用済みのＨｅガスおよび消光用ガス（たとえば、Ｎ2やＨ2）の回収容器につながっているベント３０が取付けられている。
【００７０】
ポート３１は、予め混合されているガスのタンクを取付けた後、ベント２４を通過する清浄ガス（たとえば、アルゴン、ヘリウム、窒素）でガス配管網をパージするために含まれる。ベント３３は、ポート３１で導入されたパージ用ガスを放出することができる。
【００７１】
取付け位置３２は、予め混合されているガス供給物を光ポンピングセルに接続するために供給される。弁３４は、ガス供給管のパージ中、光ポンピングセルを隔離する。
【００７２】
ポンピングチャンバ内の129Ｘｅ偏光をモニタリングするために核磁気共鳴ピックアップコイル３５も含まれ、これは、ガス流速の最適化に有用である。
【００７３】
オーブンの温度をモニタリングするために、温度センサー３６、たとえば、抵抗温度装置（ＲＴＤ）が使用されている。
【００７４】
静磁界３７も図示されている。その起源は表示されていないが、我々は、ヘルムホルツコイルまたは磁気共鳴イメージング磁石のフリンジ電界のいずれかまたは二者の組合せを使用して成功をおさめた。
【００７５】
制御サブシステム（表示せず）は一般に統一コンピューターソフトウエアおよび様々なサブシステムで発生する異なる処理の制御やモニタリングに使用されるハードウエアに組み込まれているサブシステムとして望ましい。
【００７６】
以下に詳述するが、本発明のアキュムレーター装置と共に使用するのに適しているような、高容量過偏光システムの製造および操作は、本願と同日に提出された、「スピン偏光希ガス用高容量過偏光器High-Volume Hyperpolarizer for Spin-Polarized Noble Gas」と題する同時係属米国特許出願番号第０８／ＸＸＸ，ＸＸＸにもっと詳しく記載されている。同出願の全開示内容を本願明細書に取り込んで本明細書の一部とする。
【００７７】
偏光チャンバの１つの実現を図１に示す。偏光チャンバは、光ポンピングおよびスピン交換が行われるチャンバとして、多数の必要条件を満たさなければならない。たとえば、ポンピングチャンバは、実質的に耐漏出環境で適量の偏光ガスを保持しなければならない。ガラスセルの場合、チャンバのガス圧は装置の必要条件に従って維持され、好ましくは約３０気圧（ａｔｍ）までの大気圧より高い圧力（本願明細書では「高圧」と表す）、さらに好ましくは約８ａｔｍから約１２ａｔｍに維持される。要求に応じて、ガス圧はこの範囲外（上または下）であってもよい。目下、好ましい圧力は約１０気圧であり、これは、偏光チャンバの製造で最も一般的に使用される材料であるガラスの構造上の制限を表わす。他の偏光チャンバ構造では、より高い圧力またはガス密度を使用することが可能であろう。
【００７８】
ポンピングチャンバはレーザー起源からの偏光放射線を導入しなければならない。好ましいチャンバの構造としては、円錐構造または先端を切った円錐（円錐台）構造などがあるが、ある構成では、円柱型セルが適している。チャンバ内およびその内部全体への光供給を最大にして、過偏光手順の効率を最大にするために、チャンバはレーザーシステムと関連して設計される。
【００７９】
好ましいタイプのポンピングチャンバ（図１に示さず）は、同一軸に沿って放射するように配列された二つのレーザーからセルに過偏光放射線を導入するための二つの光ポート（窓）を有する。一または二以上の光ポートを使用するかどうかと関係なく、ポートは少なくとも実質的に光を通し、且つ／または光ポンピングに使用されるアルカリ金属の光ポンピング遷移線の波長に近いことが好ましい（すなわち、「過偏光放射線」）。たとえば、ルビジウムのＤ1遷移の波長は７９４．７ｎｍであり、ルビジウムと一緒に使用するのに適した光ポートは少なくとも実質的にこの波長の光を通さなければならない。ポンピング効率を最適化するには、光ポートは必要な波長の光をできる限り通すことが必要である、すなわち、過偏光放射線の吸収を最小限に抑えなければならない。光透過を最大限にするために、反射防止剤が塗布されていてもよい。向き合ったレーザーと関連して二つのポートを使用するとき、ポートの内面を反射するようにしてチャンバ内部の光を保持することが可能である。
【００８０】
セル内で所望のレベルの偏光を達成できるように、ポンピングチャンバ内のガスの核偏光の体積平均緩和時間は、アルカリ金属原子と希ガス核との間のスピン交換速度と比較して、十分に遅くなければならない。したがって、偏光チャンバの材料およびデザインは、注意して選択しなければならない。たとえば、ポンピングチャンバは、化学的にアルカリ金属と共存(compatible)できなければならず、好ましくは光ポンピングに適した高温で（たとえば、約２００℃以上まで）、アルカリ金属と共存できる。さらに、ＮＭＲ偏光分析を使用して過偏光手順をモニタリングできる場合、ポンピングチャンバの壁は実質的に偏光分析に必要な無線周波電界と干渉しないことが好ましい。
【００８１】
ポンピングチャンバの具体的な実現は、偏光させるガスのタイプによって異なる。上述の通り、本発明に従って使用するのに適した偏光チャンバは一般にガラス製である。このガラスは、スピン交換法で使用されるアルカリ金属（類）に抵抗性でなければならない。このようなガラスの例は、アルミノケイ酸ガラス（Corning 1720など）、金属封止ホウケイ酸ガラス(Corning 7052やSchott 8502など)である。より低温の用途では、標準的なホウケイ酸実験器具、たとえば、Pyrex（商標）、Duran（商標）を使用することができる。高圧操作が可能な他のポンピングチャンバのデザインは、ガラス製の光ポートが取付けられた金属構造を含む。さらに、別のアプローチでは、セルを熱高圧ガスまたは透明な液体（たとえば、ポンプ油）で包囲してガラスセル壁および窓全体の圧差を最小限に抑えることができる。
【００８２】
図１に示す通り、ポンピングチャンバは、偏光させるガスの連続的な流れまたは一時的な流れを除去したり補充することができる、別の再密封可能な（たとえば、弁がついた）流入口および流出口を有することも望ましい。流れを調節できる適当なガスポートを使用することが可能である。あるいは、チャンバは、ガスがそれを通って周期的にセルに流入したりセルから流出する１つのガスポートを有してもよい。図１で、ガス取扱システムは、光ポンピングセルをアキュムレーターおよびガス供給から隔離するための弁１４および弁３４を必要に応じて含む。
【００８３】
再密封可能なガスポートはガスの流れを調節するための、Ｏリング弁などの弁手段を含む。一般に、これらの弁はPyrex（商標）ガラス本体と心棒を有し、その結果、それらと一体化した流入口および流出口を具有する偏光チャンバを製作することができる。このような弁に、アルカリ金属に抵抗性でもある可撓性で且つ弾力性のシールを取付ける。このようなシールは一般にＯリングであり、エチレン−プロピレン共重合体など、様々な高分子材料材料で製作される。作動しなくなったＯリングを通って酸素がチャンバに入るとポンピングチャンバの酸化が起こり得るため、Ｏリングのアルカリ攻撃に対する抵抗性は、重要な特徴である。
【００８４】
再密封可能なガス流入装置およびガス装置のバルブは、導管、好ましくは偏光チャンバに使用されているものと同様のガラスで製作された管によってポンピングチャンバの本体から離れている。これらの管は、偏光工程中に、Ｏリングの限界より高温まで加熱されることが多いセル本体およびセルの周囲のオーブンから熱感受性Ｏリング材料を熱的に離すことができる。操作ガス圧が高い場合、管の長さの下方への拡散は、バルク体積（管の体積と総体積の比率によって異なる）の偏光解消時間定数と比べて遅いため、管によって、弁本体による正味の偏光緩和が減少する。この配列で、非鉄金属で構成された弁を使用することも可能である。
【００８５】
我々は、ポンピングセルによるガス偏光解消を有利に減少できることを発見した。たとえば、セル壁上に金属フィルム被膜（金、アルカリ金属など）を使用すると、偏光寿命が改善され、セルの洗浄および製作に要する努力が減少する。１９９５年６月７日に提出された米国特許出願番号第０８／４７８，２７６号に記載されている高分子被膜を有益に使用することもできる。他の方法も利用することができ、前述の米国特許出願第０８／ＸＸＸ，ＸＸＸ号に詳述されている。
【００８６】
本発明のアキュムレーター装置用受入れ貯蔵器は、アルカリ金属化学的抵抗性および光ポンピングレーザー光線の透過性という必要条件を緩和できること以外は、ポンピングチャンバに必要なものと同じ厳しい基準で製作することが可能である。過偏光129Ｘｅの緩和は凍結状態で非常に効率よく抑制されるため、蓄積貯蔵器の壁の製品品質はさほど重要ではないことを、我々は発見した。したがって、この特徴のため、より低い品質基準の維持が可能であり、同時に費用が節約される。
【００８７】
アルカリ金属蒸気は、かなり用心しなければ、控えめなガス流れ（１０〜２０ｃｍ3／分）の間でも流動ガス偏光チャンバから失われる傾向があることを、我々は確認した。これは、以前には、詰め替え可能なセルまたは連続流れ用セルの開発に相当の障害であった。たとえば、不利な環境では、ルビジウム吸収共鳴およびＤ2共鳴が完全に消失することを、我々は確認した。我々の研究から、流動ガス系におけるルビジウム喪失の主たる原因は、ルビジウム蒸気による不純物（たぶんＨ2ＯおよびＯ2）のゲターリングであることがわかる。通常であれば、供給ガス中に存在するこれらの不純物は少量であり、密封されたセル内のルビジウムに対してほとんど全く影響を与えない。しかし、ガスの流れによって、このようなアルカリ金属反応性不純物の新たな供給が偏光チャンバに継続的に供給され、その結果、利用できるアルカリ蒸気が断続的且つ実質的に減少する。我々の見解は、このルビジウム蒸気の損失は、Ultra-Pure Systems，Inc．から入手可能な窒素精製装置（ゲッター）の１つなどのような、直列形精製装置を装備することによって実質的に防止できるという我々の発見に基づいている。このような精製装置は、広範囲の流速でルビジウム蒸気損失が実質的に排除されるほど、供給ガスを十分清浄化することが確認されている。このような精製装置は一般に窒素を精製するためのものであるが、希ガスも問題なく通過させるため、たとえば、本発明の方法に従って好ましく使用されるＨｅ：Ｘｅ：Ｎ2混合物の精製に申し分なく適していることが確認されている。
【００８８】
さほど重要ではないが、ガスとしてセルを出るルビジウムがセルを貫流するため、別のルビジウム損失が起こる。我々は、この問題を二通りの方法で克服した。先ず、ポンピングセルから遠くに通じる導管の温度を確実に十分低くすることによって、ルビジウムを導管の壁に付着させる。通常、室温が適当である。新たなフィルターやトラップを必要としないが、医療用途では、低温トラップを使用して完全なルビジウム除去を確実にすることが可能である。しかし、還流システムによって蒸気相にアルカリ金属を維持できることはさらに好ましい。
【００８９】
上に簡単に記載したとおり、図１は偏光チャンバ４を収容するオーブン９も表している。光ポンピングオーブンはある温度範囲で作動するが、過度に高い温度ではアルカリ金属蒸気偏光の損失が起こるため、この温度範囲は限定される。アルカリ金属偏光を犠牲にせずに温度を最高にすることはスピン交換速度の最大化に役立ち、偏光した希ガスをより速く蓄積することができる。一般に、オーブンの温度範囲は約８０〜約２００℃である。好ましい温度は約１０５℃〜約１５０℃の範囲である。たとえば、約１５０℃の温度では、Ｒｂ−129Ｘｅスピン交換時間は約２２秒となり、平均ルビジウム偏光は約５０％である。この温度で、レーザ-光線の約２０〜３０％がルビジウムに吸収される。約１３０℃の温度が好ましく、それより高い温度では、129ＸｅＮＭＲ信号は急激に下がる。１３０℃で、Ｒｂ−129Ｘｅスピン交換時間は約６５秒であり、１５０℃におけるスピン交換時間よりおおよそ３倍低い。したがって、より低温であれば流速はより低くなければならず、偏光129Ｘｅの収率は低くなる。レーザー誘導性加熱は、オーブン温度計が示す温度より高い（〜２０℃高い）実効セル温度（およびしたがって、より高いルビジウム数密度［Ｒｂ］）の原因となる。セシウムまたは他のアルカリ金属をポンピングチャンバに使用したとき、同様の考えが当てはまる。
【００９０】
偏光チャンバ内のガス流速および温度を調節することによって、偏光の程度および生じる129Ｘｅ総量を調節することができる。所与の利用できるレーザーおよび帯域幅では、ポンピングチャンバの温度は、アルカリ金属蒸気の体積平均偏光を犠牲にしない、できる限り高い温度に設定される。この最適化によって、偏光が129Ｘｅに移動するスピン交換速度γSEが決定される。その後、偏光チャンバ内で、129Ｘｅ原子が平均して約１〜３スピン交換時間定数（１／γSE）を費やすように流速を調節することが好ましい。チャンバがそれより熱いと、スピン交換が速くなり、それ故、129Ｘｅの流速を速くすることが可能である。流速に対する129ＸｅＮＭＲ信号を比較することによって、流れの状況を確認することができる。流れが速すぎる場合、試料は完全に偏光する機会を持たないため、129Ｘｅ信号は下がる。
【００９１】
オーブンは、希ガス中で核緩和を誘導することができる磁界勾配の惹起を最低限に抑えるように構築しなければならない。オーブンは、希ガス中で顕著な核緩和を誘導するのに十分な勾配を生じない材料で構築されることが好ましい。オーブンの材料は、少なくとも約２５０℃までの温度で実質的な構造完全性を保持しなければならない。高温プラスチックまたはアルミニウムが適当な選択である。スチールなどの強磁性材料は、希ガスを速やかに偏光解消することができる磁界勾配を惹起するため、さほど望ましい材料ではない。
【００９２】
図１を参照しながら上述したように、システムの光軸に沿ってレーザー光線をオーブンの内外に通過させることが可能な図示したオーブン４にレーザー窓を設ける。（光軸は、パスとして定義され、レーザー、光学器械、およびセルを含み、それに沿ってレーザー光線が進む）。オーブンは、光軸が光ポンピングに必要な印加された磁界の方向に並ぶような方向に置いてあることが好ましい。オーブンの窓によって、両側からの光軸に沿ったレーザー光線で偏光チャンバを照明することが可能である。この窓は、反射および／または吸収によってレーザー光線の透過を著しく損なわないことが好ましい。この窓は、光透過性を最大にするために、反射防止コーティングを施されていてもよい。
【００９３】
再び図１を参照すると、オーブン９に蛍光観察窓を取付けることが可能である。観察窓は、実質的に光軸と垂直な位置から偏光チャンバを見ることが可能な方向を向いていることが好ましい。この窓から、アルカリ金属蒸気の光ポンピングによって生じるＤ2共鳴蛍光を観察することができる。一般に、蛍光可視化手段は、蛍光観察用のＤ2フィルターを備えたビデオカメラおよびモニターを含む。画像を使用してレーザー波長を整調したり、光ポンピング温度を最適化したり、レーザーを調整することができる。
【００９４】
オーブンは、上述の磁界勾配を最小限に抑えるために、同一条件を満たす材料および方式で加熱しなければならない。図１に表示されていないが、好ましい実施態様では、圧縮空気を、（磁界勾配を最小限に抑えるために）適当なフィラメントヒーター上を、オーブンから少し離して通過させる。熱風を、オーブンの中を貫流させて、所望の温度を得る。温度コントローラーは、オーブン内部の温度センサーの読みに基づいてヒーターを作動させる。あるいは、高無線周波電気ヒーターを使用してもよい。
【００９５】
ガス取扱システムおよび精製システムは様々な形をとることができる。理想的には、システムは正確なガス混合物を偏光チャンバに導入すると同時に、偏光チャンバの顕著な品質低下を防止するのに十分なガス流れの純度を保証する。偏光チャンバの品質は、その中の偏光ガスのＴ1（偏光寿命）によって決定される。
【００９６】
偏光チャンバの品質は、ガス状の不純物と壁上の汚染物質の両者による影響を受ける。
偏光工程は、偏光可能な希ガス（一般に、だいたい０．１〜数十気圧）と少量（一般に１０〜１００Torr）の消光用ガス（通常は窒素であるが、水素または他のガスでも可）の両者を必要とする。消光用ガスは光ポンピングエ程の効率を高める。過偏光129Ｘｅの場合、アルカリ金属吸収線を広げて偏光効率を高める作用をする、多量の緩衝ガス（一般に約１〜数十気圧）も含むことが好ましい。
【００９７】
したがって、ガス取扱システムによって、容易に調節できる方式でガス混合物を給送することが可能能でなければならない。たとえば、システムは各ガス用の別々のガス容器と共に、必要に応じて導管、流量計、調節器、圧力計などを含むことができる。圧誘導性破壊を最小限に抑えるために、低圧（Ｎ2）ガスおよび高圧ガスを導入するための別々の経路を含んでもよい。上述の通り、ガスの純度を高めるためには、必要に応じて化学的ゲッターまたは低温ゲッターをガスフローライン内に設置すべきであることが確認されている。様々な純度のガスを利用できるため、さらなる精製の量は、偏光チャンバの劣化と詰め替えた回数（不連続の充填を使用する場合）か全操作時間（連続フローシステムを使用する場合）のいずれかの測定値に基づいて確定される。しかし、高純度ガスであっても、Ｏ2やＨ2Ｏなど、比較的短期間の流れのうちに、または２〜３回の詰め換え後にセルを著しく劣化させるのに十分な不純物を含むことが確認されている。
【００９８】
極めて好ましい実施態様では、予め混合されている標的ガス用のシステムが使用される。この場合、ガス混合物は偏光チャンバに直接供給され、相対的流速を調節する必要はない。このため、システムの操作は簡便になり、偏光工程はさらに再現性が高まり一貫する。適当なガス混合物については本願明細書のほかの場所で検討されており、特別に要請すれば、商業的起源から入手することが可能である。
【００９９】
過偏光が進行するにつれて、ガス含有率の状態を測定することによって過偏光手順をモニタリングしなければならない。ＮＭＲ偏光分析は、偏光チャンバ（セル）内のガス偏光をモニタリングする好ましい方法である。偏光分析サブシステムは、典型的なＮＭＲ原理に従って作動する。あるいは、別個の出口バルブを偏光チャンバに取付けて、偏光ガスの試験試料を蓄積させる。一般的により多量の試料を必要とするが、ポンプチャンバを使用するパルスＮＭＲよりもはるかに優れたＮＭＲ信号を生じることが可能なAdiabatic Fast Passage（ＡＦＰ）装置でバルブを測定することができる。この装置を較正して129Ｘｅ偏光を実験的に測定することができ、これを使用して蓄積パラメータの調節をさらに精密にすることができる。
【０１００】
少数の特別な回路板を備えたデスクトップコンピューターから過偏光システム全部を実行することができる。一つのこのような回路板は、Direct Digital Synthesis（ＤＤＳ）によって必要な無線周波パルスを発生することができる。別の望ましい回路板は、信号をディジタル化するアナログからデジタルへのコンバーター（ＡＤＣ回路板）である。
【０１０１】
過偏光装置のレーザーサブシステムは、光ポンピング工程に必要な光子（過偏光放射線）を供給する。光子は、連続波（ｃｗ）出力を生ずる１つ以上のレーザーダイオードアレイによって供給されることが好ましい。しかし、アルカリ金属Ｄ1線またはＤ2線で十分な出力を提供するレーザーシステムであればどれでも基準に合う。しかし、明細書に記載されているような高圧操作は、１０Ｗを超える力、好ましくは５０Ｗを超える力を送出することができるレーザーを必要とすることが確認されている。このような力を送出することができる従来のレーザーは、購入したり操作したりするには余りにも高価である。さらに、このようなレーザーは嵩高く、且つ高価で多かれ少なかれ永久的な装置を必要とする。移動可能な過偏光ユニットまたは一体型過偏光ユニットにとっては、このようなレーザーは余りにも扱いにくい。このような実施態様で、レーザーダイオードアレイは小型で効率がよく、且つ比較的安価に獲得したり操作したりできるため、極めて好ましいものとなった。
【０１０２】
単一波長（極端に狭いプロフィール）のコヒーレント光線を放出する従来のレーザーと違って、ダイオードアレイレーザーはその放出電磁波がスペクトル幅を有する、すなわち、一般に連続した波長帯域の光線を放出する、広帯域装置である。通常、このスペクトル幅は比較的狭く、主波長付近のブロードニングとして現れ、その幅は約１〜５ｎｍにすぎない。3Ｈｅのスピン交換偏光には低出力GaAlAsダイオードアレイが使用されてきた。Chupp et al.，Phys．Rev．A 40(8):4447-4454(1989)には、約１Ｗのダイオードアレイの使用について記載されており、Cummings et al.，Phys．Rev．A 51(6)4842-4851(1995)には、２０Ｗのダイオードアレイについて記載されている。本発明の方法および装置の場合、ダイオードアレイの出力は好ましくは著しく大きくて、約５０Ｗ以上であり、さらに好ましくは約１００Ｗ以上である。
【０１０３】
レーザー放出波長λの選択は、スピン交換に使用されるアルカリ金属の選択によって決定される。ルビジウムの場合、λは約７９５ｎｍでなければならず、セシウムの場合、λは約８９４ｎｍでなければならない。それ故、ルビジウムの場合、レーザーはGaAlAsでり、セシウムの場合、レーザーはアルミニウムを含まないレーザー、たとえば、InGaAsPであろう。現在好ましいレーザーダイオードアレイ（Opto Power of Tucson，Arizonaから入手可能）は、約１２５Ｗの連続波（ｃｗ）力を発生し、７９４．４４ｎｍのピーク波長にすることができ、約２ｎｍの半値全スペクトル幅（ＦＷＨＭ）を示す。
【０１０４】
レーザーの帯域幅が狭ければ、将来は従来のアレイと競合するようになり（効率、価格など）、現在利用できるレーザーほど線ブロードニング緩衝ガスを必要としないであろう。これよって、標的ガス混合物中の比率が高いキセノンを使用できるようになり、次にはアキュムレーター装置の収率が向上する。過偏光に関するエンジニアリングの問題も、低圧操作によって簡潔になる。
【０１０５】
以前に、高圧（〜１０ａｔｍ）におけるスピン交換によって、過偏光3Ｈｅが高偏光で製造されることが確認されている。しかし、我々は、高圧の129Ｘｅを使用したとき、これは不可能であることを確認した。特に、キセノンがルビジウムの偏光を解消する効率は驚くほど高い。我々は、分子の貢献を無視して、０．１ａｔｍのキセノンが２７０ａｔｍのヘリウムとほぼ同じスピン破壊作用を有すると推定した。結果として、現在では、最も強い（すなわち、数千ワット）ポンプレーザー以外は全て、約１ａｔｍを超えたキセノンによって非常に低いルビジウム偏光が生じると考えられている。
【０１０６】
たとえば、ダイオードレーザーの場合、約２０Ｗ／ｃｍ2（すなわち１００Ｗ／５ｃｍ2）のレーザー強度は、１０ａｔｍのキセノンが入っているチャンバの正面で約２５％のＲｂ電子偏光をもたらすに過ぎない。この偏光レベルはチャンバの後方に向かってひたすら低減するため、少量の偏光が耐えられるにすぎず、相応して偏光した129Ｘｅの収率は低い。
【０１０７】
低圧のキセノンを使用するとＲｂ偏光は高くなるが、かなり不利である。ガス圧が低いとＲｂ Ｄ1共鳴線は狭く、それ故、ダイオードアレイの広いスペクトル出力（２ｎｍ ＦＷＨＭ）のほんの一部しか使用できない。さらに、狭いＤ1共鳴に起因するスペクトルホール燃焼も、やはり非常に少量のＲｂが偏光するにすぎず、少量の偏光129Ｘｅを生じることを意味する。たとえば、０．５ａｔｍのキセノンが入っており、且つ壁緩和時間が１０００秒の２０ｃｍ3のセルは、最大限で５６％の129Ｘｅを与えるが、セルに入射する１００Wのうち２．３Ｗのみを使用するにすぎない。結果として生じる１０ｃｍ3の偏光ガス（１ａｔｍ）は、関心事のほとんどの用途で十分ではない。
【０１０８】
一般的な過偏光手順では、レーザー励起ルビジウム原子の蛍光を消し、その結果、光ポンピング工程を促進する数十Torrの消光用ガス（多くの場合窒素）と一緒に未偏光Ｘｅを密封されたポンピングセルに入れる。しかし、我々は、緩衝ガスを試料に加えてアルカリ金属共鳴線を広げることができ、現在の高出力レーザーダイオードアレイの広いスペクトル出力をもっと効率よく吸収できることを予期せず発見した。ダイオードアレイのスペクトル帯域幅は広く（２ｎｍ以上）、低圧ではアルカリ金属原子の吸収帯域幅が非常に狭い（０．０１ｎｍ）ため、この高圧緩衝ガスがなければ、ダイオードレーザーからの光は非常に僅か（約１％）しか吸収されない。しかし、所期の作用を達成するためには、緩衝ガスは、光ポンピング中に、アルカリ金属蒸気または129Ｘｅのいずれにも顕著なスピン破壊を惹起してはならない。好ましい緩衝ガスはヘリウム（主として4Ｈｅ）であるが、類似した特性を有する他のガス、たとえば、水素を使用してもよい。緩衝ガス圧を高くするとルビジウムの吸収帯域が広がり、所期のブロードニングを達成するには約１０ａｔｍ以上のガス圧が好ましい。しかし、キセノン固有のアルカリ金属偏光破壊力があるため、約１０ａｔｍ以上の純キセノンを含有する試料は適当ではないと考えられる。対照してみると、ヘリウムはアルカリ金属スピンに対して事実上非破壊的であり、不利になることなく、線ブロードニング剤として使用することができる。
【０１０９】
したがって、本発明の方法による過偏光に好ましいガス混合物は、少量ではあるが有意量の129Ｘｅと、かなりの比率の緩衝ガス、たとえば、ヘリウムとを含有する。たとえば、混合物は、少なくとも天然同位元素存在度の129Ｘｅを含有するキセノンを約０．１％〜約５％、Ｎ2を約０．１〜約３％を含み、バランスはヘリウムである。最も好ましくは、混合物は129Ｘｅ約１％、Ｎ2約１％、およびヘリウム約９８％を含む。あるいは、消光用ガスが水素の場合、ガス混合物の約１〜３０％は水素であり、ヘリウムの正味の比率は相応して低減する。
【０１１０】
好ましい方法で使用される低いキセノン分圧によって、幾つかの問題が起こる。第１に、有用な濃度の129Ｘｅを達成するために、偏光した129Ｘｅを4Ｈｅから分離しなければならない。第２に、偏光した129Ｘｅを偏光装置から抽出できるように、偏光した129Ｘｅを加圧しなければならない。第３に、非常に短期間に高い129Ｘｅ偏光が達成されるが、ポンプチャンバからの偏光ガスの収量は非常に少ない。偏光した129Ｘｅを凍結して固体（Ｔ≦１６０Ｋ）にすると、上記の３つの問題は全て解決することが判明した。
【０１１１】
かなりの量のレーザー偏光129Ｘｅを製造するために、我々は固体129Ｘｅの極端に長いスピン光子緩和時間Ｔ1を利用した。一度偏光すると、偏光をほとんど喪失せずに、129Ｘｅを凍結させて固体にすることができることが証明されている。Gatzke et al.，Phys．Rev．Lett．70(5):690-693(1993)に記載されている通り、固相129Ｘｅの緩和時間は、今まで気相で達成された緩和時間よりもはるかに長い。
【０１１２】
今では、本発明のアキュムレーター装置を使用して、キセノン氷の特性を利用することが可能である。詳細には、液体窒素温度の氷では、129Ｘｅの緩和時間は３時間であり、偏光129Ｘｅのポンピングおよび連続蓄積は、この温度で一度に３時間まで可能になる。さらに低い温度を使用すると、可能な蓄積期間をさらに延長することができる。
【０１１３】
本発明に従って保存可能な量の129Ｘｅを蓄積するための低温アキュムレーターの概略を図１に図示し、その特徴を以下に簡単に説明する。偏光チャンバ内のガス流速および温度を調節することによって、偏光の程度および製造される129Ｘｅの量を調節することができる。所定の利用可能なレーザー出力および帯域幅で、ポンピングチャンバの温度を、アルカリ金属蒸気の体積平均偏光を犠牲にしない、できる限り高い温度に設定する。この最適化によって、偏光が129Ｘｅに移動するスピン交換速度γSEが決定される。その後、偏光チャンバ内で、129Ｘｅ原子が平均して約１〜３スピン交換時間定数（１／γSE）を費やすように流速を調節することが好ましい。チャンバがそれより熱いと、スピン交換が速くなり、それ故、129Ｘｅの流速を速くすることが可能である。流速に対する129ＸｅＮＭＲ信号を比較することによって、流れの状況を確認することができる。流れが速すぎる場合、試料は完全に偏光する機会を持たないため、129Ｘｅ信号は下がる。
【０１１４】
この発見の重大な特徴は、今では本方法に従えば、標的ガスとして実質的に純粋なキセノンを使用して可能であった量よりも、かなり大量の過偏光キセノンを製造できることである。すなわち、キセノンは標的ガスのほんの一部として存在しているにも拘わらず、過偏光キセノンの時間の関数としての収量はかなり増加している。
【０１１５】
流れている標的ガスが一度過偏光されると、ガス流れ全部（129Ｘｅ、4Ｈｅ、およびＮ2）が本発明によるアキュムレーターを貫流することができる。アキュムレーターは、好ましくは約４．２Ｋ〜約１５７Ｋの温度範囲で作動する、低温保存装置を含む。約７７Ｋの温度は便利なため、すなわち、容易に入手できる冷凍剤である液体窒素（沸点＝７７Ｋ）の温度であるため、好ましい。しかし、蓄積温度および保存温度が低下するにつれて、より長い偏光寿命を得ることができるため、一般にそれより低温が好ましい。したがって、過偏光129Ｘｅの保存には液体リチウム（沸点＝４．２Ｋ）が卓越した冷凍剤であると考えられるが、その理由は、このような並外れて低い温度では理論的に129Ｘｅのスピン格子緩和時間を約２９００時間まで延長することができるためである。クローズドサイクル冷蔵ユニットも使用することが可能である。
【０１１６】
いずれの場合にも、低温保存装置を通過する偏光129Ｘｅは、その融点が１５７Ｋであるため、直ちに凍結される。液体窒素冷却を使用する場合、消光用窒素ガスはどれも、その分圧が液体窒素の凝縮圧力である１気圧よりはるかに低いため、過偏光された129Ｘｅのみがガス流れから凝縮される。より低い蓄積温度での窒素の凝縮はたぶん害にならないが、必要に応じて、窒素消光用ガス（Ｎ2）を水素（Ｈ2）と取り替えることによって完全に回避することができる。ガスの大部分、すなわち、ヘリウムは、低温保存装置を通過して出口ポートから出て行くだけである。それ故、この方法の有用な特徴は、この方法を使用して過偏光キセノンを標的ガス混合物の他の望ましくない成分から効果的に分離（精製）できることである。したがって、緩衝ガスの好ましい特性は、この様式で緩衝ガスがキセノンから実質的に分離されなければならないことである。
【０１１７】
印加された磁界内に維持されるとき、凍結129Ｘｅの緩和時間Ｔ1は有意に長いため、保持時間を改善するために、このような磁界強さが可能な小さい永久磁石を低温保存用アキュムレーターに取付けることが好ましい。印加する磁界の強さを選択する際に最初に考えるべき事柄は、その磁界が、蓄積および／または保存温度におけるほぼ最大可能スピン格子緩和時間の間、蓄積および／または保存を可能にしなければならないことである。したがって、印加される磁界は液体窒素温度で少なくとも約５００Ｇ（０．０５Ｔ）でなければならない。しかし、磁界の強さの選択は、129Ｘｅが蓄積または保存される温度によって異なることを、我々は確認した。特に、より低温の蓄積および／または保存は、より高い磁界強さを使用することから利益を得る。
【０１１８】
使用前に空にして、酸素など、あらゆる常磁性汚染物質を排除できるように、アキュムレーターマニホールドにポンピングポートを取付けることが好ましい。さらに、129Ｘｅに対して少なくとも実質的に非偏光解消性であるように、マニホールドの内面を適切にコーティングするか処理する（たとえば、本願明細書の他の場所の、偏光チャンバに関する記載のように）。
【０１１９】
アキュムレーターの入口ポートは、レーザー光ポンピングおよびスピン交換が起こる偏光チャンバと流体連絡して配置されるように改造することが好ましい。このように、高度に偏光した129Ｘｅをポンピングチャンバからアキュムレーターの入口ポートまで流すことができる。バルブを使用すると、流れを望み通りに調節することができる。偏光チャンバおよびアキュムレーター貯蔵器は、単一ユニットとして製造することができる。あるいは、アキュムレーター貯蔵器の取外しおよび交換を可能にするために、アキュムレーターと偏光チャンバとの間に幾つかの接続を含んでもよい。
【０１２０】
偏光工程が進行するにつれて、かなりの質量の偏光129Ｘｅが保存貯蔵器内に形成される。いったん所望の量のキセノン氷が形成されると、貯蔵器を空にし、場合に応じて、様々な目的のためにアキュムレーターから取外すことができる。たとえば、移動可能な貯蔵器を長期保存装置に移し、その結果、アキュムレーターを解放し、過偏光129Ｘｅの延長蓄積用の新たな貯蔵器を受け入れることができる。アキュムレーターまたは長期保存装置から取外す際に、一杯になった貯蔵器をその場で使用したり、代わりの使用場所に移したりすることができる。
【０１２１】
所望する時はいつでも、保存過偏光キセノンが入っている貯蔵器を室温まで（受動的または能動的に）加熱し、偏光した固体を解凍（昇華）して高圧ガスを形成させることができる。それ故、アキュムレーター装置そのものが加熱手段を含んでもよい。あるいは、遠隔保存装置または送出装置がこのような加熱手段を含んでもよい。能動的に加熱する場合、早期緩和を引起こす可能性がある過偏光試料に磁界勾配を賦課しないように気を付けなければならない。保存チャンバの出口ポートの弁を開放することによって、偏光した高圧ガスを回収することができる。出口マニホールドの圧力放出弁（たとえば、５０ｐｓｉ）は、爆発的放出の防止に役立ち、その結果、人または特性に対して起こし得る障害を防止することができる。
【０１２２】
本願明細書に記載の装置は、米国特許出願番号第０８／２２５，２４３号に記載されている過偏光希ガスを使用してイメージングするのに有用なシステムと一致するＭＲＩイメージングシステムと統合することができ、その開示内容を本願明細書に援用する。このようなシステムの代表は、Middleton et al.，Magn．Reson．in Med．33:271-275(1995)に非常に詳しく記載されている2-Tesla 30cm水平Omega CSI磁石（G.E．NMR Instruments，Fremont，CA）および付随装置を含む市販のＭＲイメージングユニットである。今では、多量の過偏光希ガスを製造する能力を有効に利用して、それ自身のイメージング中に追加の過偏光を全く必要としなことが約束されるほど十分なガスをイメージング前に蓄積し、保存することが可能である。それ故、予め蓄積したキセノンの起源をただ一つ使用する医療環境で、一人以上の被験者をイメージングすることができる。あるいは、呼吸または他の生理学的プロセスに関する試験の被験者に供給される断続的な過偏光ガス起源を、希ガスのすばらしい特性によって可能になった連続過偏光手順で発生させるイメージングを引き受けることができる。以前は、使用できる過偏光ガスの量が少なかったため、この種のイメージングは不可能であるかあるいは極めて非実用的であった。
【０１２３】
以下の実施例は、本発明のさらなる理解を助けるために提供するものである。
使用した個々の材料および条件は、本発明をさらに例証するためであり、発明の妥当な範囲を制限するものではない。
【０１２４】
実施例１
連続流れ偏光装置は一般に上記図１に図示した構造に準拠して構築されてきた。ポンピングチャンバは長さ６ｃｍ、容積約３０ｃｍ3のガラス製円筒である。光軸は、チャンバの縦軸と同一線上にある。
ポンピングチャンバを通る最適流れは温度によって異なることを我々は発見した。この３０ｃｍ3のチャンバ内で129Ｘｅ（９６％の4Ｈｅ中に３％、１０ａｔｍ）を過偏光させる場合、流速は１５０℃で約３００ｃｍ3〜約６００ｃｍ3/分の範囲内であろう。１５０℃でレーザー光線の約２０％〜約３０％が吸収され、これはスピン交換時間（τSE）２２秒に相応し、平均ルビジウム偏光は約５０％であることがモデリングでわかる。
【０１２５】
実施例２
偏光した固体129Ｘｅの緩和時間によって、蓄積の時間尺度が決定される。蓄積時間が固体129Ｘｅの緩和時間より著しく長いと、129Ｘｅ偏光は低減する。７７Ｋで且つ磁界が５００Ｇ以上のとき、Ｔ1＝３時間である。上記の通り、ポンプチャンバ温度が１５０℃の場合、スピン交換時間はτSE＝２２秒である。［Ｈｅ］＝１０amagat中［Ｘｅ］＝２amagatの飽和偏光は８８％である。所定の129Ｘｅがポンプチャンバ内で時間２τSEを費やす流速を設定すると、結果として生じる129Ｘｅ偏光はその８６％であり、すなわち、Ｐ＝７６％である。相応するキセノン流速はＦ＝（０．２amagat×２０ｃｍ3／４４秒）＝０．０９amagat ｃｍ3s-1である。３時間の蓄積で、標準温度および標準圧力（ＳＴＰ）で約１Ｌの偏光ガスが生じる。固体の緩和時間を考慮すると、このようにして得られた１Ｌは、凍結時に初期偏光の６３％を保持し、Ｐ＝４８％である。
【０１２６】
実施例３
実施例１に記載の装置を使用して、天然同位元素存在度が129Ｘｅ約２６％であるＸｅ３％、Ｎ2１％、4Ｈｅ９６％のガス混合物を偏光させた。さらに、本発明によるアキュムレーターを使用して、ポンプチャンバを出るガスを蓄積した。このアキュムレーターは液体窒素をアキュムレーター貯蔵器の冷凍剤として使用した。貯蔵器は、過偏光129Ｘｅ含有ガスがその中を貫流するガラス製の冷たい指状のものであった。約１８００Ｇの磁界を生じる小さい永久磁石を設置して、貯蔵器に適当な磁場を提供した。ガラス製導管を使用して、ポンピングチャンバからアキュムレーター貯蔵器にガスを運んだ。
このシステムを使用すると、０．５時間で１２０ｃｍ3（ＳＴＰで）の過偏光129Ｘｅが蓄積した。蓄積中の標的ガスの名目上の流速はＳＴＰで８０〜１００ｃｍ3／分であった。ガス混合物は、Ｘｅが僅か３％であっため、ＳＴＰで約３ｃｍ3／分までのキセノン蓄積速度が可能であった。129Ｘｅは、昇華すると同時に、パルスＮＭＲコイルを備えたポンピングチャンバ内で膨張した。ＮＭＲ信号の強さは、密封されたポンプチャンバ内のＨｅ：Ｘｅ：Ｎ2ガス混合物でも見られる最大飽和の約１／４であると決定された。コンピュータのモデリングから、光ポンピング手順中の129Ｘｅの飽和偏光は約７５％であると考えられる。静電容量型圧力計で、昇華したキセノンの圧力は１．２１ａｔｍであると決定されたのに対して、ポンピング中のガス混合物のキセノンは０．２７ａｔｍであった。圧力とＮＭＲ信号の比率を与えると、蓄積された129Ｘｅのおおよその偏光は５％であった。
【０１２７】
この実験で得られた正味の偏光は、最大偏光理論値のオーダーであった。それ故、この手順は最適化されていなかったが、本発明の方法および装置を使用すれば、過偏光129Ｘｅの連続製造が可能であることが証明されたことを認めなければならない。さらに、この製造工程および蓄積工程で、かなりの量のキセノン偏光が保存される。この研究に基づいて、我々は昇華したガスの収量向上を期待した。
【０１２８】
明らかに、本発明の装置を使用して得られる過偏光129Ｘｅの量であれば、少なくとも１日当たり何リットルかのオーダーで過偏光希ガスを発生することが可能である。したがって、本発明を使用すれば、ＭＲＩでヒト肺の臨床換気試験をすることができる十分な偏光希ガスを製造することが可能になる。
【０１２９】
実施例４
構築された装置の出口マニホールド部品の体積をおおまかに較正し（〜±５％）、流量計上の流速も同様に較正してきたが、これは正確と考えられる。アキュムレーター貯蔵器内に蓄積されたキセノンの量は、誤差の範囲内から蓄積中の流量計の流速示度に蓄積時間を掛けた積に相当する。これは、ガス混合物中のキセノンの実質的に全部がアキュムレーター内に効果的に捕捉されることを示す。
【０１３０】
このように、現在、本発明の好ましい実施態様であると考えられるものを記載してきたが、当業者は、本発明の精神から逸脱せずに、他の実施態様およびさらなる実施態様を行えることを理解するであろう。また、本願明細書に記載の特許請求の範囲の本当の範囲内にある、このようなさらなる修正および変更をすべて含むものとする。
【図面の簡単な説明】
【０１３１】
【図１】過偏光129Ｘｅを提供するための過偏光器と連結した、本発明による低温捕捉用アキュムレーターの概略図である。
【出願人】 【識別番号】５０７２４７１３９
【氏名又は名称】ザ・トラスティーズ・オヴ・プリンストン・ユニヴァーシティ
【出願日】 平成１９年８月２２日（２００７．８．２２）
【代理人】 【識別番号】１０００９９６２３
【弁理士】
【氏名又は名称】奥山 尚一

【識別番号】１０００９６７６９
【弁理士】
【氏名又は名称】有原 幸一
【公開番号】 特開２００８−３６４４３（Ｐ２００８−３６４４３Ａ）
【公開日】 平成２０年２月２１日（２００８．２．２１）
【出願番号】 特願２００７−２１６１３８（Ｐ２００７−２１６１３８）