[实用新型]一种超极化稀有惰性气体发生装置

说明书

本实用新型涉及一种超极化稀有惰性气体发生装置，包括依次连通的进气管路、极化池、冷凝器和针型阀；优化了超极化稀有惰性气体发生体系的性能，尽可能提高稀有惰性气体的极化度，并以超极化的稀有惰性气体为探针，通过稀有惰性气体探针与化学反应体系的相互作用来研究化学反应过程；该装置可以实现高通量的产生超极化气体，流量可以高达300毫升每分钟，可以实现约50毫秒的时间分辨，对于特定的反应体系，可以用该功能实现化学反应的动力学特性的研究，适用于化学、材料领域的核磁共振研究、也可用于医学领域的超极化原子磁共振成像和磁共振谱学测试等领域。

技术领域

本实用新型涉及一种超极化稀有惰性气体用发生装置，用于形成超极化状态下的稀有惰性气体并使用该稀有惰性气体作为探针应用核磁共振技术探测物质结构信息以及化学反应过程，适用于化学、材料领域的核磁共振研究、也可用于医学领域的超极化原子磁共振成像和磁共振谱学测试等领域。

背景技术

化学反应过程以及化学反应条件下物质结构的原位研究是多数化学家孜孜以求的分析手段。科学家们在多种化学分析仪器上尝试原位研究化学反应过程，以期揭开化学反应过程的秘密，但是由于化学反应过程多数均是非常复杂的，而化学分析仪器本身的局限性，只能得到化学反应过程很少信息细节。核磁共振技术能够通过对被测物质的体相测试而给出其结构信息，由于非常适合研究例如催化反应过程中催化剂结构变化以及反应中间物种的检测而引起了人们极大的兴趣。但是核磁共振技术固有的低灵敏度特征限制了人们原位研究物质结构和化学反应过程的实践。

核磁共振技术的低灵敏度是基于其物理原理，即核磁共振信号强度取决于外磁场中原子核产生的能级分裂后不同能级间布居数之差。其不同能级布局数符合玻尔兹曼分布，在热平衡条件下，原子核的不同能级间的布居数之差很小。在Zeeman裂分的二能级系统中，极化度定义为二能级布居数之差除以布居数之和。室温下通常¹H核的极化度只能达到10^-5量级。若要提高核磁共振检测灵敏度，通常有两种方法。一种方法是提高在热平衡条件下的核自旋极化度，所以目前各大仪器生产厂商不断地提高外磁场强度，以提高极化度，从而提高检测灵敏度。但是外磁场强度的提高意味着仪器制作成本的快速上升，且理论上也不支持更高共振频率的磁共振技术。而另一种思路是通过极化转移把核自旋极化度提高到超过热平衡条件，而极大地提高检测灵敏度。目前已有多种有效的方法可将极化度提高几个数量级，如自旋交换光泵浦、动态核极化(DNP)等。通过自旋交换光泵浦获得超极化¹²⁹Xe的方法已经在生物医学领域，材料结构研究领域有了部分应用。

超极化稀有惰性气体的获得途径通常是利用光泵浦自旋交换方法。举例说明如下，将碱金属与稀有惰性气体混合放置在一定强度的磁场下，应用特定波长的圆偏振光照射位于磁场中的混合体，即可获得超极化的稀有惰性气体。其原理为碱金属原子在磁场作用下能级裂分，其在圆偏振光作用下自旋高度极化，因碱金属原子与稀有惰性气体充分混合，通过碰撞等途径碱金属将其自旋角动量传递给稀有惰性气体，故得到超极化的稀有惰性气体。Bouchiat等对自旋交换转移机制进行了研究[1，Bouchiat C C,Bouch iat M A,Porrier L C.Phys.Rev.,1969,181:144]，认为碱金属原子-稀有惰性气体形成的范德瓦尔斯分子对碱金属原子的电子极化弛豫起着重要作用，在低磁场中情况下自旋交换过程主要发生在碱金属原子-稀有惰性气体的范德瓦尔斯分子之间，当使用特斯拉量级的强磁场时,不会形成范德瓦尔斯分子，碱金属原子与稀有惰性气体分子之间的自旋交换机制可由两体碰撞理论来解释。Grover研究发现[2，Grover B C.Ph ys.Rev.Let t.,1978,40:391]，在低磁场中，碱金属原子与Xe原子之间的自旋交换具有非常高的效率。应用自旋交换技术可以使稀有惰性气体的极化度提高约10³～10⁵量级。