流动模式超极化氙-129自旋交换光泵系统研究

The hyperpolarized xenon-129 gas can be used as the contrast medium of hyperpolarized gas pulmonary magnetic resonance imaging. This application makes a high request for the degree of polarization and production. Therefore, the improvement of the degree of polarization and production of the hyperpolarized xenon-129 gas, which is produced by the spin-exchange optical pumping system of hyperpolarized xenon-129 in continuous flowing pattern, is an important research topic. To address this problem, we will closely integrate the theoretical and experiment study, and focus on the spin-exchange optical pumping system of hyperpolarized xenon-129 in continuous flowing pattern in this project. First, we will establish a numerical calculation method of this device in theory. Then we will research the physical processes in this system, such as the aerodynamics, density distribution of rubidium atoms, laser-induced heating effect, spin polarization and relaxation and so on, and give the quantitative contribution from each factor. Based on the above research basis, we will optimize the design of equipment and working parameters in the next step, and develop an improved device, finally achieve the goal of an increase in the degree of polarization and production of the hyperpolarized xenon-129. Furthermore, we will research the feasibility of some new equipment design, such as the dual laser beam pumping.

超极化氙-129气体可作为造影剂用于肺部超极化气体磁共振成像，这种应用对超极化氙-129的极化度和产率有较高的要求。因此提高流动模式超极化氙-129自旋交换光泵系统的极化度和产率这两个指标是一个重要的研究课题。本项目针对这个科学问题，以级联双泡结构流动模式超极化氙-129自旋交换光泵为对象，结合理论分析和装置研制进行研究。首先在理论上建立一套数值计算方法，研究系统中的气体流动、铷原子密度分布、激光加热、自旋极化与弛豫等物理过程，定量地给出氙-129核自旋极化度受各因素的影响。基于以上的理论基础，本项目进一步通过优化装置设计和工作参数的方式，在实验上研制出经过改进的级联双泡结构流动模式超极化氙-129自旋交换光泵装置，实现提高氙-129核自旋极化度和产率的研究目标。此外，对一些有可能提高氙-129极化度和产率的新型方案设计，如双激光束泵浦方式，本项目也对其可行性进行研究。

肺部超极化气体磁共振成像是一种新型的影像学方法，其造影剂为超极化氙-129气体。超极化氙-129气体通过自旋交换光泵系统产生，其极化度决定了肺部磁共振影像的信噪比。因此，如何进一步提高超极化氙-129气体的极化度和产率，是一个有着重要应用需求的科学问题。.　　本研究项目针对上述科学问题，将理论研究与装置研制相结合，以新型级联双泡结构的流动模式超极化自旋交换光泵为研究对象，建立了一套级联双泡结构流动模式自旋交换光泵系统的数值计算方法，对实验上难以观测的光泵泡中气体流动、铷原子密度分布、激光加热、自旋极化与弛豫等物理过程进行了分析，定量地给出氙-129核自旋极化度受各因素的影响。进一步，本项目对级联双泡结构流动模式超极化氙-129自旋交换光泵系统进行了优化设计，通过优化泡体结构、工作参数、温控方式等实验因素，研制了改进型的装置，实现了提高氙-129气体的核自旋极化度和产率的研究目标。.　　通过上述研究，评估了加热和Rb逃逸效应的影响，发现在不同温度配置下氙-129的核自旋极化随沿轴的位置而变化。在优化条件下，冷却区域中Rb原子的密度显着降低。Rb原子在激光入射附近的较低密度使激光束可以穿透整个级联的双晶胞，而不是在短距离内完全吸收。因此，有效地抑制了Rb的逃逸效应。进一步，我们发现了双涡旋效应并研究了其对氙-129极化度增强，当进行特殊的温度分区控制后，光泵泡内可以形成轴向的双涡旋对流模式。双涡流对流模式使得光泵区域增加、有效壁碰撞弛豫率减小，氙-129核自旋极化显著增强。.　　通过本项目的研究，改进了超极化氙-129产生装置，提升了超极化氙-129气体的极化度，能够获得更高信噪比的肺部气体磁共振影像，有助于肺部气体磁共振技术的临床应用与产业推广。