[发明专利]一种用于自旋交换光泵的恒温装置

说明书

技术领域

本发明涉及原子、分子激光泵浦领域，更具体涉及一种用于自旋交换光泵的恒温装置，尤其适用于自旋交换光泵产生大容量激光预极化惰性气体，及其在肺部、脑部的磁共振成像研究。

背景技术

使用自旋交换光泵方法，可以产生激光预极化的氦－3、氙－129等惰性气体，使得它们原子核自旋高度极化、核磁共振探测灵敏度增强～10,000倍。因此，激光预极化的惰性气体可能成为肺部、脑部功能性可视或者临床早期疾病诊断的一种新工具。

自旋交换光泵的方法之一是利用激光光泵碱金属蒸气原子，激光极化的碱金属原子与惰性气体通过自旋交换碰撞，将碱金属原子电子自旋极化转移到惰性气体核自旋。因此，在自旋交换光泵过程中需要解决以下问题：

1）通常，碱金属在常温下是固态。例如，碱金属钠、钾、铷、铯的熔点分别为：97.81、63.65、38.89、28.84℃，因此，为了产生满足于自旋交换光泵的原子蒸气，必需使用一种方法对碱金属进行加热、产生要求的碱金属原子密度；

2）为了满足碱金属原子与惰性气体之间能够充分地自旋交换碰撞的要求，需要在整个光泵区产生较为均一密度的碱金属蒸气原子，在光学厚的条件下，特别要求尽可能地减小光泵区域的温度梯度；

3）在流动工作模式的自旋交换光泵下，工作气体的流动会带走部分碱金属蒸气原子，其结果导致了光泵区的碱金属原子密度的降低；

4）为了获得高极化度、大容量的激光预极化惰性气体，目前在自旋交换光泵实验中大多数采用大功率半导体二极管阵列激光器。此情况下，会产生强烈地“激光加热效应”——a、激光照射加热了光泵泡入射端口玻璃壁；b、激光与工作气体相互作用，导致了光泵泡里出现温度梯度；c、激光与碱金属原子相互作用，剧烈地导致了光泵泡里大的温度梯度，特别地，激光入射的光泵泡前端温度极大地高于出射端的。

因此，如何解决以上问题？达到提高自旋交换光泵的效率、增大激光预极化惰性气体的产生率目的，对于激光预极化惰性气体在肺部、脑部磁共振成像的应用是一个非常急迫的需要。

在使用大功率半导体二极管阵列激光器的自旋交换光泵研究中，现已有的光泵泡加热／恒温方法与技术如下：

（1）在使用大功率半导体二极管阵列激光器的间歇流动方式激光预极化惰性气体系统里，我们试采用了传统的电热丝加热、恒温的方法，在光泵泡外绕制了电热丝，外端加有保温层。当没有开启激光器时，电热丝逐渐加热光泵泡一直到设定温度点、然后恒温。但是，开启了激光器后，由于激光束照射光泵泡端口玻璃壁、以及激光与工作气体相互作用、特别是与碱金属原子蒸气之间的相互作用，“激光加热效应”极为显著，会导致在整个光泵泡里出现大的温度梯度。例如，使用一个长200mm光泵泡的实验测试表明：电加热温度控制点设置在110℃或者120℃，而激光的照射会加热使得光泵泡表面温度远远超出设置点，达到170±1℃的平衡温度点。并且，在光泵泡的光入射前端，激光的加热效应更加显著，则在整个光泵泡区域产生了大的温度梯度，其结果对于间歇流动方式产生的激光预极化惰性气体极化度影响极大；

（2）Elliot Woolley［“Production of Hyperpolarised¹²⁹Xefor NMR Spectroscopy and Imaging”，Thesis,August 2007.］的恒温装置采用了通用的加热方式之一——流动热空气，在其对角端分别设计有热空气的进口和出口。工作时，热空气流动使得进口端的温度高于出口端，因此加热整个光泵泡存在一个温度梯度，导致碱金属原子密度分布不太均匀；在其激光预极化惰性气体系统工作在连续流动方式期间，尽管连续流动的工作气体减小了“激光加热效应”，但是，也带走部分碱金属蒸气原子，使得原子密度减小；另外，增加了一个“气体通道”——要求装备一个能够产生和输送热空气的电热管，而气体源自于一个空气压缩机或者实验室的高压气体管道，即：增加“气体通道”的同时则附带地增加了激光预极化惰性气体系统的复杂性，移动使用时不那么方便；