DE102022213860A1

DE102022213860A1 - Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung von polarisierten Atomen, Molekülen und deren Ionen

Info

Publication number: DE102022213860A1
Application number: DE102022213860.0A
Authority: DE
Inventors: Ralf W. Engels; Kannis Chrysovalantis; Markus Büscher; Christoph Hanhart; Dr. Sefzick Thomas; Helmut Soltner; Lukas Kunkel; Nicolas Faatz
Original assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 2022-12-19
Filing date: 2022-12-19
Publication date: 2024-06-20
Also published as: WO2024132296A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren für ein Polarisieren einer aus Atomen, Molekülen oder Ionen gebildeten Probe (3) mit den Schritten:Bereitstellen von Spulen (1, 2);Ermitteln eines oszillierenden magnetischen Felds, das durch die Spulen (1, 2) erzeugt wird und das die Probe (3) polarisieren kann;Erzeugen des ermittelten oszillierenden magnetischen Felds und Anwenden auf die Probe (3) für das Polarisieren.Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung von polarisierten Atomen, Molekülen und deren Ionen.
Polarisierte Ionen oder Atome können durch „optisches Pumpen“ mit Lasern erzeugt werden. Durch Anregung mit polarisierten Photonen eines Laserstrahls können Atome angeregt und dabei deren äußerste Elektronen polarisiert werden. Deren Polarisation kann entweder bei der Abregung teilweise auf den Kernspin oder durch Stöße auf andere Atome übertragen werden. Dieses Verfahren ermöglicht Polarisationen von bis zu 80% und ist auf makroskopische Mengen skalierbar. ³He, verschiedene Xe-Isotope sowie Wasserstoff können beispielsweise durch optisches Pumpen polarisiert werden.
Für ein Polarisieren durch „optisches Pumpen“ sind hinreichend schmalbandige Laser zu verwenden. Diese stehen nur für wenige Atome zur Verfügung. Auch versagt das Polarisieren durch „optisches Pumpen“ häufig bei komplexeren Hyperfeinstrukturen und damit nahezu immer bei Molekülen. So ist z.B. das indirekte optische Pumpen (spin-exchange optical pumping /SEOP) von Wasserstoff möglich, aber bereits bei Deuterium nicht.
Atome und Moleküle können durch ein „Brute-Force-Verfahren“ sowie durch „Dynamic Nuclear Polarisation (DNP)“ polarisiert werden. Wenn Teilchen in ein starkes Magnetfeld eingebracht werden, spalten sich die Bindungsenergielevel auf. Geschieht dies in einer sehr kalten Umgebung, dann kann durch die Boltzmann-Verteilung mit der Zeit eine Besetzungszahlinversion hervorgerufen werden, die durch zusätzliche Anregungen einzelner Unterzustände noch verstärkt werden kann. Dieses Verfahren kann bei Molekülen wie HD oder NH₃ eingesetzt werden. Polarisationen makroskopischer Mengen zwischen 40% und 70% sind möglich.
Das Brute-Force Verfahren ist extrem aufwendig und teuer. So braucht man für HD Moleküle Temperaturen im mK-Bereich, Magnetfelder von 15 T und es muss rund 3 Monate gewartet werden, um letztendlich eine theoretische Maximalpolarisation von 40% für Deuteronen zu erhalten.
Polarisierte Ionen oder Atome können durch „polarisierte Atomstrahlquellen“ polarisiert werden. Mit einer modernen Variante einer Rabi-Apparatur unter Ausnutzung des Stern-Gerlach-Effekts können Wasserstoff- und Deuteriumstrahlen mit Polarisationen von ungefähr 90% erzeugt werden. Eine anschließende lonisation in einem starken Magnetfeld erhält den Kernspin und deshalb können so auch Protonen und Deuteronen polarisiert werden.
Polarisierte Atomstrahlquellen sind technisch sehr aufwendig, daher sehr teuer und in der Intensität mit 10¹⁷ Atomen/s begrenzt. Außerdem funktioniert das Verfahren nur für Wasserstoff und Deuterium.
Es ist Aufgabe der Erfindung, Atome, Moleküle und deren Ionen auf technisch einfache Weise polarisieren zu können.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des ersten Anspruchs und eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Nebenanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Zur Lösung der Aufgabe umfasst ein Verfahren für ein Polarisieren einer aus Atomen, Molekülen oder Ionen gebildeten Probe die folgenden Schritte:

• Bereitstellen von zwei Spulen;
• Ermitteln eines oszillierenden magnetischen Felds, das durch die Spulen erzeugt wird und das die Probe polarisieren kann;
• Erzeugen des ermittelten magnetischen Felds und Anwenden auf die Probe.

Mit Spule ist ein elektrischer Leiter gemeint, der mindestens einmal gewickelt ist. Grundsätzlich umfasst die Spule eine Mehrzahl an Wicklungen. Der Leiter ist beispielsweise kreisförmig gewickelt. Die eine Spule kann einen Abstand von der anderen Spule aufweisen. Die beiden Spulen berühren sich dann nicht. Die Mitte der einen Spule kann beispielsweise einen Abstand von wenigstens 4 cm oder wenigstens 8 cm oder wenigstens 10 cm von der Mitte der anderen Spule aufweisen. Die Mitte der einen Spule kann beispielsweise einen Abstand von maximal 30 cm oder maximal 25 cm oder maximal 20 cm von der Mitte der anderen Spule aufweisen. Die beiden Spulen können so angeordnet sein, dass ein Teilchenstrahl zunächst durch die Wicklungen der ersten Spule und danach durch die Wicklungen der zweiten Spule fliegen kann.
Fließt ein elektrischer Strom durch die Spulen, so erzeugt jede Spule ein eigenes Magnetfeld. Durch Summation resultiert ein gemeinsam gebildetes Magnetfeld, dass räumlich oder zeitlich oszilliert.
Der elektrische Strom kann ein konstanter Gleichstrom sein. Beide Spulen erzeugen dann eigene Magnetfelder, die sich zu einem nur räumlich oszillierenden Magnetfeld addieren.
Der elektrische Strom kann oszillieren. Es wird dann durch die Spule, durch die der oszillierende Strom fließt, ein sich zeitlich änderndes Magnetfeld erzeugt. Der Strom kann ein Strompuls sein. Es fließt dann zeitlich begrenzt ein Strom durch eine Spule.
Es wird erst ermittelt, welche magnetischen Felder zu erzeugen sind, um eine Probe polarisieren zu können. Am einfachsten geschieht dies, indem ein jedes magnetische Feld, das durch eine jede der beiden Spulen erzeugt wird, solange geändert wird, bis durch ein Ausprobieren herausgefunden wurde, welche Einstellungen vorzunehmen sind. Im Anschluss daran kann eine gleiche Probe mit diesen Einstellungen polarisiert werden. Es ist in der Regel nur erforderlich, die Flussdichte zu ändern, um so herauszufinden, wie Einstellungen vorzunehmen sind, um die Probe polarisieren zu können. Es kann aber sein, dass darüber hinaus noch Abstände zwischen den Spulen und/oder die Geschwindigkeit von Teilchen variiert werden können oder sogar müssen, um eine Einstellung zu finden, mit der Teilchen, also Atome, Moleküle und deren Ionen, der Probe polarisiert werden können.
Es steht damit ein technisch einfaches Verfahren zur Verfügung, um eine Probe polarisieren zu können.
Die Probe wird einem wellenförmigen Verlauf eines Magnetfeldes ausgesetzt, um diese polarisieren zu können. Zwar werden grundsätzlich zwei Spulen eingesetzt, um einen wellenförmigen Verlauf eines Magnetfeldes zu erzeugen. Dies ist aber nicht zwingend notwendig. Es kommt nur darauf an, dass eine Einrichtung vorhanden ist, die einen wellenförmigen Verlauf eines Magnetfeldes geeignet erzeugt. So ist es auch möglich, dass mithilfe von Permanentmagneten oszillierende Magnetfelder geeignet erzeugt werden. Beispielsweise können gleiche Pole von zwei Permanentmagneten gegenüberliegend angeordnet sein. Es entsteht so ein räumlich oszillierendes Feld, das grundsätzlich für ein Polarisieren genutzt werden kann.
Spulen haben allerdings den Vorteil, dass ein geeignetes Magnetfeld auf technisch einfache Weise eingestellt werden kann.
Wird ein räumlich oszillierendes Magnetfeld erzeugt, so fliegt die Probe durch das räumlich oszillierende Magnetfeld und wird so einem wellenförmigen Verlauf eines Magnetfeldes ausgesetzt. Das räumlich oszillierende Magnetfeld liegt zum Beispiel vor, wenn entgegengesetzte, d.h. entgegengesetzt gerichtete, Magnetfelder durch die beiden Spulen statisch erzeugt werden. Die Probe kann dann ein Teilchenstrahl sein, der durch die beiden Spulen für ein Polarisieren hindurchgelenkt wird. Durch die beiden Spulen kann dann während des Betriebs dauerhaft ein konstanter Gleichstrom fließen. Der eine Gleichstrom, der durch die eine Spule fließt, kann dann entgegensetzt zu der Richtung fließen, die der andere Gleichstrom durch die andere Spule fließt. Es kann sein, dass die Ströme unterschiedlich groß sind, dass sich also die Stromstärken unterscheiden. Es ist jedoch zu bevorzugen, dass die Stromstärken gleich sind, um Magnetfelder mit gleicher Flussdichte zu erzeugen. Vorzugsweise sind die Spulen gleich, um auf technisch einfache Weise beispielsweise Magnetfelder mit gleicher Flussdichte zu erzeugen. Der Betrag der Flussdichte des ersten Magnetfelds ist dann gleich groß ist wie der Betrag der Flussdichte des zweiten Magnetfeldes. Vorzugsweise sind die zwei Spulen gleich ausgerichtet. Damit ist gemeint, dass diese parallel zueinander ausgerichtet sind. Vorzugsweise liegen die zwei Spulen genau gegenüber. Es gibt dann also keine versetzte Anordnung. Die Probe bzw. der Teilchenstrahl kann mittig durch die beiden Spulen hindurchgelenkt werden. Es kann aber von Vorteil sein, dass der Teilchenstrahl nicht in der Spulenmitte liegt, da die Amplitude der radialen Komponente des Magnetfelds mit dem Achsenabstand stark ansteigt.
Für die Ermittlung der durch die beiden Spulen zu erzeugenden magnetischen Felder können in einer Ausgestaltung entgegengesetzte Magnetfelder durch die beiden Spulen erzeugt werden und folglich ein räumlich oszillierendes Magnetfeld. Ein Teilchenstrahl wird durch die beiden Spulen hindurchgelenkt und so einem oszillierenden Magnetfeld ausgesetzt. Die Polarisation des hindurchgelenkten Teilchenstrahls wird gemessen. Die Magnetfeldstärken der beiden erzeugten Magnetfelder werden geändert, bis gemessen wird, dass der hindurchgelenkte Teilchenstrahl polarisiert worden ist. Es sind dann die Einstellungen gefunden worden, die erforderlich sind, um Teilchen eines gleichen Teilchenstrahls zu polarisieren.
Die Versuche haben gezeigt, dass die magnetischen Felder, die für ein Polarisieren zu erzeugen sind, von Hyperfeinstrukturen der Teilchen einer Probe abhängen. Alternativ können daher die magnetischen Felder, die für ein Polarisieren zu erzeugen sind, beispielsweise durch Computersimulation unter Berücksichtigung von Hyperfeinstrukturen der Teilchen einer Probe ermittelt werden.
Mit Hyperfeinstruktur ist eine Energieaufspaltung in den Spektrallinien der Atomspektren gemeint. Sie ist etwa 2000-fach kleiner als die der Feinstruktur-Aufspaltung. Die Hyperfeinstruktur beruht zum einen auf der Wechselwirkung der Elektronen mit magnetischen (Dipol-) und elektrischen (Quadrupol-) Momenten des Kerns sowie zum anderen auf der Isotopie der Elemente. Mit Hyperfeinstruktur ist insbesondere eine Aufspaltung der Energieniveaus eines Atoms gegenüber den Niveaus der Feinstruktur gemeint. Es können dann die Teilchen polarisiert werden. Durch das Verfahren können auch Teilchen mit komplexen Hyperfeinstrukturen polarisiert werden. Die Teilchen werden in einen einzelnen Hyperfeinstrukturzustand gebracht und die Teilchen können so Kernspin- und/oder Elektronenspin-polarisiert werden. Des Weiteren ist eine lonisation möglich, um Kerne und Elektronen zu trennen, ohne dabei die Polarisation zu verlieren.
Für ein Polarisieren kann eine Probe zwischen die beiden Spulen gebracht und ein zeitlich oszillierendes Magnetfeld erzeugt werden, durch das die Probe polarisiert wird. Es können durch diese Ausgestaltung eine ruhende Probe bzw. die Atome, Moleküle oder deren Ionen, also die Teilchen der Probe, polarisiert werden.
Ein zeitlich oszillierendes Magnetfeld, das aus einer ungeraden Anzahl an halben Wellen besteht, ist ein zeitlich oszillierendes Magnetfeld, welches geeignet ist, um die Teilchen einer Probe polarisieren zu können. Ein solches Magnetfeld weist eine gerade Anzahl an Minima auf und eine ungerade Anzahl an Maxima oder umgekehrt. Ein solches Magnetfeld wird zeitlich begrenz erzeugt. Es umfasst dann beispielsweise nur ein Maximum und nur zwei Minima oder umgekehrt nur zwei Maxima und ein Minimum. Eine halbe oder eine viertel Welle können genügen. Diese umfassen dann nur ein Maximum oder nur ein Minimum. Es kann sogar ein noch kleinerer Bruchteil einer Welle genügen.
Um eine ruhende Probe polarisieren zu können, können zwei weitere Spulen vorhanden sein, die ein konstantes oder oszillierendes Magnetfeld, auch Haltefeld genannt, für ein Polarisieren der Probe erzeugen. Die Probe befindet sich dann auch zwischen den beiden weiteren Spulen. Das zeitlich oszillierende Magnetfeld und das Haltefeld werden grundsätzlich zeitgleich erzeugt und damit zeitgleich auf die ruhende Probe angewendet. Auch das Haltfeld kann also zeitlich begrenzt sein, um die Probe polarisieren zu können.
Das oszillierende Magnetfeld, das Haltefeld genannt wird, kann aus einer geraden Anzahl an halben Wellen bestehen, um eine Probe polarisieren zu können. Die Anzahl der Minima und Maxima der Probe sind dann gleich.
Die beiden Spulen, die das Haltefeld erzeugen, können anders dimensioniert sein als die beiden anderen Spulen.
Es können also insgesamt vier Spulen um eine ruhende Probe herum angeordnet sein. Zwei Spulen, die sich gegenüberliegen, können das Haltefeld erzeugen. Die beiden anderen Spulen können das zeitlich oszillierende Magnetfeld erzeugen, das aus einer ungeraden Anzahl an halben Wellen gebildet sein kann. Insgesamt können sich die magnetischen Felder zu einem zeitlich oszillierenden Magnetfeld aufaddieren, dass eine ruhende Probe polarisiert werden kann.
Die polarisierten Atome oder Ionen können beispielsweise als Tracer verwendet werden, also als Markierungsstoff, um beispielsweise biochemische Vorgänge in einem Organismus verfolgen zu können. Die polarisierten Atome, Moleküle oder deren Ionen können für Magnetresonanztomographie verwendet werden. Mithilfe der polarisierten Atome, Moleküle oder deren Ionen können Struktur und Funktion von Geweben und Organen im Körper dargestellt werden.
Andere mögliche Anwendungen sind:

1.) Polarisierter Treibstoff für die Kernfusion zur Erhöhung der Energieausbeute.
2.) Neue Arten von polarisierten lonenquellen für Beschleuniger, z.B. 3He+.
3.) Verbesserungen von Kernspintomographen: Eine vorangehende Hyperpolarisation erhöht die Signalstärke und verbessert die Auflösung. Dadurch sind Kernspintomographen bei geringerer Magnetfeldstärke möglich, d.h., es wären keine supraleitenden Magnete mehr notwendig, was Herstellung und Betrieb erheblich preiswerter machen würden. Die Erfindung betrifft daher auch einen Kernspintomographen mit einer erfindungsgemäßen Polarisierungsvorrichtung.

Die Erfindung betrifft außerdem eine Polarisierungsvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Die Vorrichtung kann eine Einrichtung für ein Erzeugen eines Magnetfeldes umfassen, durch das eine aus Atomen oder Ionen gebildete Probe mithilfe eines oszillierenden Magnetfeldes polarisiert werden kann.
Die Einrichtung kann zwei Spulen umfassen. Die Vorrichtung kann eine Einrichtung umfassen, durch die ein Teilchenstrahl durch die beiden Spulen gelenkt werden kann.
Die Einrichtung für das Lenken des Teilchenstrahls kann ein Wien - Filter umfassen.
Es kann ein Detektor vorhanden sein, mit dem die Polarisation von Teilchen detektiert werden kann, nachdem die Teilchen polarisiert worden sind.
Die Polarisierungsvorrichtung kann eine Teilchenquelle umfassen. Die Teilchenquelle kann beispielsweise eine mit Wasserstoff gefüllte Gasflasche oder ein mit Wasserstoff gefüllter Tank sein. Die Gasflasche bzw. der Tank können über ein Ventil mit einer rohrförmigen Leitung der Einrichtung für ein Lenken verbunden sein. Herrscht ein Überdruck in der Gasflasche bzw. im Tank, so hat ein Öffnen des Ventils zur Folge, dass Gas in die rohrförmige Leitung strömt. Über die Leitung können der Wasserstoff und damit Teilchen zu den Spulen gelenkt werden. Zwischendurch können Stationen vorgesehen sein, die den Wasserstoff modifizieren, die Fremdteilchen herausfiltern und/oder die die Geschwindigkeit der Teilchen regeln.
Es können vier Spulen vorhanden sein.
Es kann eine Einrichtung für das Erzeugen eines oszillierenden Magnetfeldes mit einer ungeraden Anzahl an Wellen durch zwei gegenüberliegende Spulen vorhanden sein. Die Einrichtung ist also so, dass ein Wechselstrom definiert so erzeugt werden kann, dass planmäßig und wiederholbar, also nicht lediglich zufällig, eine ungerade Anzahl an Maxima und eine gerade Anzahl an Minima auftreten oder umgekehrt eine gerade Anzahl an Maxima und eine ungerade Anzahl an Minima.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert.
Es zeigen

1: Spulenanordnung;
2: Teilchenstrahl mit Spulen;
3: Magnetfelder in Abhängigkeit vom Weg;
4: Polarisierungsvorrichtung;
5: Spulenanordnung mit ruhender Probe;
6: pulsierendes Magnetfeld;
7: Spulenanordnung für ruhende Probe;
8: pulsierendes Magnetfeld.

Die 1 zeigt zwei gegenüberliegende Spulen 1 und 2. Die beiden Spulen 1, 2 liegen sich genau gegenüber. Die Mitte der einen ersten Spule 1 kann beispielsweise einen Abstand von 10 cm bis 15 cm von der Mitte der anderen Spule 2 aufweisen. Die beiden Spulen 1, 2 sind so angeordnet, dass ein Teilchenstrahl zunächst durch die Wicklungen der ersten Spule 1 und danach durch die Wicklungen der zweiten Spule 2 fliegen kann. Die beiden Spulen 1, 2 sind parallel zueinander ausgerichtet.
Die beiden Spulen 1, 2 können gleich sein. Die beiden Spulen 1, 2 sind dann gleich groß, weisen den gleichen gewickelten elektrischen Leiter mit dem gleichen elektrischen Widerstand und weisen die gleiche Zahl an Wicklungen auf.
Während des Betriebs fließt durch die erste Spule 1 ein erster elektrischer Gleichstrom und durch die zweite Spule 2 ein zweiter elektrischer Gleichstrom. Der erste Gleichstrom fließt für ein Polarisieren in entgegengesetzter Richtung im Vergleich zur Richtung des zweiten Gleichstroms. Eine jede Spule 1, 2 erzeugt dann ein eigenes Magnetfeld. Das eigene Magnetfeld, das durch die erste Spule 1 erzeugt wird, ist dann wie in der 1 durch Pfeile angedeutet, entgegengesetzt gerichtet zum eigenen Magnetfeld, das durch die zweite Spule 2 erzeugt wird. Die beiden erzeugten eigenen Magnetfelder addieren sich. Es entsteht so ein räumlich oszillierendes Magnetfeld.
Die Beträge der elektrischen Ströme, die während des Betriebs durch die Spulen 1, 2 fließen, können gleich sein. Die Flussdichte des ersten Magnetfelds ist dann bei gleichen Spulen 1, 2 gleich wie die Flussdichte des zweiten Magnetfeldes.
Die 2 zeigt einen Teilchenstrahl 3, der durch die erste Spule 1 mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit hindurchfliegt und anschließend durch die zweite Spule 2. Durch Messungen wurde beispielsweise festgestellt, dass ein Strom mit einer Stromstärke l₀, der durch eine jede Spule 1, 2 fließt, die Teilchen des Teilchenstrahls 3 polarisiert. Für ein Polarisieren kann daher eine Stromstärke von I₀ für den Strom eingestellt werden, der durch eine jede Spule 1, 2 fließt. Die Teilchen des Teilchenstrahls 3, die die beiden Spulen 1, 2 und damit ein räumlich oszillierendes Magnetfeld passieren, können so polarisiert werden.
Die 3 zeigt wegabhängige Magnetfelder 4 bis 9 für ein Ermitteln eines geeigneten Magnetfeldes, durch das der Teilchenstrahl 3 aus 2 polarisiert werden kann. Aufgetragen ist die aus den Magnetfeldern resultierende magnetische Flussdichte B [mT] entlang des Wegs s [cm], der von dem Teilchenstrahl zurückgelegt wird. Es wird eine erste Stromstärke eingestellt, wodurch ein erstes Magnetfeld 4 erzeugt wird. Im Anschluss daran wird gemessen, ob der Teilchenstrahl 3 aus 2 durch das Magnetfeld 4 polarisiert worden ist. Es wird eine zweite Stromstärke eingestellt, wodurch ein zweites Magnetfeld 5 erzeugt wird. Im Anschluss daran wird gemessen, ob der Teilchenstrahl 3 aus 2 durch das Magnetfeld 5 polarisiert worden ist. Es können so weitere Magnetfelder 6 bis 9 geprüft werden, bis ein Magnetfeld gefunden worden ist, das den Teilchenstrahl 3 polarisiert. Die zugehörige Stromstärke ist dann die Stromstärke l₀, die eingestellt wird, wenn der Teilchenstrahl 3 mit seiner vorgegebenen Geschwindigkeit durch die Spulen 1 und 2 polarisiert werden soll.
Versuche wurden mit einem anfänglich nicht polarisierten Atomstrahl aus metastabilen Wasserstoffatomen mit einer Strahlenergie von 1 keV durchgeführt. Mithilfe eines Lambshift-Polarimeters konnte festgestellt werden, dass mit einer Stromstärke I₀ der Atomstrahl aus metastabilen Wasserstoffatomen mithilfe der gegenüberliegenden Spulen 1 und 2 polarisiert werden kann, die bis zu 1,5 A betragen hat.
Weitere Versuche wurden mit unterschiedlichen Teilchenstrahlen durchgeführt, die aus H₂ ⁺ metastabile Deuteriumatome, ³He⁺ sowie Wasserstoff- und Deuteriumatome gebildet wurden.
Weitere Beispiele für Teilchen, die durch die Spulen 1 und 2 polarisiert werden können, sind H₃ ⁺, D₂ ⁺ und H₂O⁺. Dabei ist zu beachten, dass auch das magnetische Moment der Rotation der Moleküle zur Hyperfeinstruktur beiträgt.
Mithilfe von gegenüberliegenden Spulen kann jedes Teilchen mit einem Kernspin in großen Mengen mit Hilfe der Spulen 1 und 2 und einem dadurch erzeugten statischen, räumlich oszillierenden Magnetfeld polarisiert werden, indem aus den Teilchen ein Strahl mit einer festen Geschwindigkeit hergestellt wird, der durch die beiden Spulen 1 und 2 und damit durch das statische, räumlich oszillierende Magnetfeld hindurchfliegt.
In der 4 wird eine Polarisierungsvorrichtung gezeigt, mit der polarisierte, metastabile Wasserstoffatome erzeugt werden können. An die Vorrichtung ist eine mit H₂, also mit Wasserstoff, gefüllte Flasche 10 angeschlossen. Über eine mit einem Ventil versehene Leitung kann Wasserstoff aus der Flasche 10 in einen lonisierer 11 eingeleitet werden. Durch den lonisierer 11 werden H₂ ⁺-Ionen und Protonen erzeugt. Der aus den Wasserstoffmolekülen gebildete Teilchenstrahl wird in einen Wien - Filter 12 eingeleitet. Den Wien Filter 12 können nur Teilchen passieren, die eine geeignete Geschwindigkeit haben. Aus dem Teilchenstrom wird dadurch ein Teilchenstrahl mit einer festen Geschwindigkeit herausgefiltert. Außerdem können so eventuelle Fremdteilchen herausgefiltert werden. Im Anschluss daran wird der Anteil aus Protonen in eine Cäsium-Zelle 13 eingeleitet, um metastabile Wasserstoffatome zu erzeugen. In der Cäsium-Zelle 13 findet eine Austauschreaktion zwischen Cäsium und den Protonen statt. Durch die Austauschreaktion nimmt ein Proton, ein Elektron auf und es entstehen so metastabile Wasserstoffatome. Sämtliche möglichen Hyperfeinstrukturen der metastabilen Wasserstoffatome sind vorhanden. Der Teilchenstrahl ist daher nicht polarisiert. Der Teilchenstrahl wird dann in eine Zelle 14 eingeleitet, in der die beiden Spulen 1 und 2 für ein Polarisieren angeordnet sind. Gibt es beispielsweise drei verschiedene Hyperfeinstruktur-Zustände a, b und c, die miteinander wechselwirken können, so werden zwei der drei Hyperfeinstruktur-Zustände in den verbliebenen Hyperfeinstruktur-Zustand gebracht. Beispielsweise werden die Zustände b und c in die Hyperfeinstruktur-Zustand a gebracht. Es können fast alle Zustände b und c in einen einzigen Hyperfeinstruktur-Zustand a überführt werden. Die metastabilen Wasserstoffatome werden so polarisiert. Der Teilchenstrahl, der aus der Zelle 14 austritt, besteht dann aus polarisierten Teilchen.
Um zu ermitteln, ob die Teilchen tatsächlich polarisiert worden sind, kann der Teilchenstrahl zunächst in einen Spinfilter 15 eingeleitet werden. Den Spinfilter 15 können nur geeignet polarisierte metastabile Wasserstoffatome passieren. Beispielsweise ist der Spinfilter 15 zunächst so eingerichtet, dass zunächst nur Teilchen im Hyperfeinstruktur-Zustand a passieren können. Hinter dem Spinfilter 15 kann ein Photomultiplier 16 angeordnet sein, mit dem detektiert werden kann, ob die Teilchen des Teilchenstroms 3 den Spinfilter 15 passieren konnten. Konnten Teilchen den Spinfilter 15 passieren, so erzeugen die Teilchen im Photomultiplier Lichtblitze. Es wurde so festgestellt, dass im Photomultiplier nur dann Lichtblitze erzeugt wurden, wenn der Spinfilter 15 so eingestellt war, dass Teilchen im Hyperfeinstruktur-Zustand a passieren konnten. Damit wurde der Nachweis erbracht, dass die metastabilen Wasserstoffatome polarisiert werden konnten.
Der in der 4 gezeigte Aufbau wurde auch dazu benutzt, um die Stromstärke I₀ aufzufinden, mit der die metastabilen Wasserstoffatome polarisiert werden.
In einer damit vergleichbaren Weise können andere Polarisierungsvorrichtungen gebaut sein, mit denen Stoffe bzw. Teilchen mit Hyperfeinstrukturen polarisiert und detektiert werden können. Diese können einen lonisierer 11 umfassen, wenn Teilchen ionisiert werden sollen. Bei Bedarf kann ein Wien - Filter 12 vorhanden sein, um zu erreichen, dass die Teilchen mit gleicher Geschwindigkeit fliegen und/oder um Fremdteilchen herauszufiltern. Es kann eine Zelle 13 vorhanden sein, um Teilchen in einen metastabilen Zustand zu bringen, bevor diese polarisiert werden.
Das zeitlich oszillierende Magnetfeld, das auf die ruhende Probe 3 angewendet werden kann, wird durch die 6 verdeutlicht. Gezeigt wird Flussdichte B_r, der die Probe 3 ausgesetzt wird. Solche Magnetfelder werden durch Strompulse erzeugt. Das pulsförmig erzeugte Magnetfeld aus 6 weist zwei Maxima und ein Minimum auf und damit drei Halbwellen. Allgemein ist zu bevorzugen, dass die Zahl der Maxima gerade ist und die Zahl der Minima ungerade oder umgekehrt, dass die Zahl der Minima gerade ist und die Zahl der Maxima ungerade.
Die 5 zeigt zwei Spulen 1 und 2, die gleich sind, gleich ausgerichtet sind und die sich genau gegenüberliegen. In der Mitte zwischen den beiden Spulen 1 und 2 befindet sich eine ruhende Probe 3. Um diese Probe 3 einem oszillierenden Magnetfeld auszusetzen, kann mit den beiden Spulen 1, 2 ein gemeinsames, zeitlich oszillierendes Magnetfeld erzeugt werden.
Das zeitlich oszillierende Magnetfeld, das auf die ruhende Probe 3 angewendet werden kann, wird durch die 6 verdeutlicht. Gezeigt wird Flussdichte B_r, der die Probe 3 ausgesetzt wird. Solche Magnetfelder werden durch Strompulse erzeugt. Das pulsförmig erzeugte Magnetfeld aus 3 weist zwei Maxima und ein Minimum auf, um eine Probe 3 polarisieren zu können. Allgemein ist zu bevorzugen, dass die Zahl der Maxima gerade ist und die Zahl der Minima ungerade oder umgekehrt, dass die Zahl der Minima gerade ist und die Zahl der Maxima ungerade. Die Anzahl der Maxima und Minima unterscheiden sich also. Ausnahmen sind jedoch wie oben beschrieben möglich.
In der 7 wird eine Spulenanordnung mit den sich gegenüberliegenden Spulen 1 und 2 gezeigt. Zusätzlich zu den Spulen 1 und 2 sind zwei weitere Spulen 17 und 18 vorhanden, die gegenüberliegend angeordnet sind. Die Spulen 17 und 18 können, wie gezeigt, relativ zu den Spulen 1 und 2 orthogonal angeordnet sein. In der Mitte zwischen den beiden Spulen 1 und 2 sowie zwischen den Spulen 17 und 18 ist eine ruhende Probe 3 angeordnet. Um die Probe 3 zu polarisieren, können die Spulen 1 und 2 ein Magnetfeld pulsförmig, wie in der 6 gezeigt, erzeugen. Die Spulen 17 und 18 können zeitgleich ein magnetisches Haltefeld pulsförmig, wie in der 8 gezeigt, erzeugen, um die Probe 3 zu polarisieren. Es können aber auch umgekehrt die Spulen 1 und 2 das in der 8 gezeigte Magnetfeld bzw. magnetisches Haltefeld erzeugen und die Spulen 17 und 18 das in der 6 gezeigte Magnetfeld, um so die Probe 3 zu polarisieren.
Das in der 8 gezeigte Magnetfeld bzw. Haltefeld weist im Unterschied zum Magnetfeld aus 6 eine gleiche Anzahl an Maxima und Minima auf.
Um festzustellen, ob die ruhende Probe 3 polarisiert worden ist, kann ein Magnetfeldsensor 19 in der Nähe der Probe platziert werden. Sind die Magnetfelder der Spulen 1, 2, 17 und 18 abgeschaltet, dann zeigt der Magnetfeldsensor 19 das Vorhandensein eines Magnetfeldes an, wenn die ruhende Probe 3 erfolgreich polarisiert worden ist.
Ob die Probe 3 polarisiert worden ist, kann alternativ beispielsweise mit Kernspinresonanzmessungen geprüft werden. Mithilfe von Neutronenabsorption kann ebenfalls geprüft werden, ob die Probe 3 erfolgreich polarisiert worden ist.
Um festzustellen, welche Einstellungen vorzunehmen sind, um die ruhende Probe 3 zu polarisieren, können Stromstärke sowie Frequenz der in den 6 und 8 gezeigten Magnetfelder variiert werden, bis geeignete Einstellungen gefunden worden sind, mit denen die Probe 3 polarisiert werden konnte. Soll eine gleiche Probe noch einmal polarisiert werden, dann werden die gefundenen Einstellungen vorgenommen. Möglich ist alternativ oder ergänzend auch, dass Abstände zwischen Spulen 1, 2, 17, 18 geändert werden, um geeignete Einstellungen finden zu können.
Es können die magnetischen Felder aus den 6 und 8 auch variiert werden, um so eine ruhende Probe polarisieren zu können. So kann anstelle des in der 8 gezeigten Magnetfeldes auch ein statisches Magnetfeld mit konstanter Flussdichte B_z erzeugt werden. Das andere magnetische Feld aus 6 kann dann so angepasst werden, dass die Relativbewegung zwischen ruhender Probe 3 und dem erzeugten magnetischen Feld die gleiche Relativbewegung ist wie im Fall des Teilchenstrahls 3. Dies gelingt beispielsweise durch ein pulsförmiges, oszillierendes magnetisches Feld, das nur ein Maximum oder nur ein Minimum umfasst, also aus einer halben Welle besteht und nicht wie im Fall der 6 aus 1,5 Wellen.
In dem einen Fall mit dem Teilchenstrahl wird die Probe 3 bewegt und in dem anderen Fall mit der ruhenden Probe 3 das Magnetfeld. Der Unterschied besteht daher nur in der Art, wie die Relativbewegung zwischen Probe und magnetischem Feld erzeugt wird.

Claims

Verfahren für ein Polarisieren einer aus Atomen, Molekülen oder Ionen gebildeten Probe mit den Schritten: Bereitstellen von Spulen (1, 2); Ermitteln eines oszillierenden magnetischen Felds, das durch die Spulen (1, 2) erzeugt wird und das die Probe (3) polarisieren kann; Erzeugen des ermittelten oszillierenden magnetischen Felds und Anwenden auf die Probe (3) für das Polarisieren.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für ein Polarisieren der Probe (3) durch die beiden Spulen (1, 2) ein statisches, räumlich oszillierendes Magnetfeld erzeugt wird und die Probe (3) ein Teilchenstrahl ist, der durch die beiden Spulen (1, 2) für ein Polarisieren hindurchgelenkt wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Flussdichte des ersten Magnetfelds gleich groß ist wie die Flussdichte des zweiten Magnetfeldes.
Verfahren nach einem der zwei vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass entgegengesetzte Magnetfelder durch die beiden Spulen (1, 2) erzeugt werden, der Teilchenstrahl (3) durch die beiden Spulen (1, 2) hindurchgelenkt wird und die Polarisation des hindurchgelenkten Teilchenstrahls (3) gemessen wird, wobei die Magnetfeldstärken der beiden erzeugten Magnetfelder geändert werden, bis gemessen wird, dass der hindurchgelenkte Teilchenstrahl (3) polarisiert worden ist und so die durch die beiden Spulen (1, 2) zu erzeugenden magnetischen Felder ermittelt werden, die für ein Polarisieren zu erzeugen sind.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Probe (3) zwischen die beiden Spulen (1, 2) gebracht wird und ein zeitlich oszillierendes Magnetfeld für das Polarisieren erzeugt wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das zeitlich oszillierende Magnetfeld aus einer ungeraden Anzahl an halben Wellen besteht.
Verfahren nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei weitere Spulen (17, 18) ein konstantes oder oszillierendes Magnetfeld für ein Polarisieren der Probe (3) erzeugen und sich die Probe (3) zwischen den beiden weiteren Spulen (17, 18) befindet.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das konstante oder oszillierende Magnetfeld, auch Haltefeld genannt, zeitlich begrenzt ist.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Haltefeld aus einer geraden Anzahl an halben Wellen besteht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Spulen (1,2; 17, 18) gleich sind und/oder gleich ausgerichtet sind und/oder sich genau gegenüberliegen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die polarisierten Atome, Moleküle oder Ionen als Tracer verwendet werden.
Polarisierungsvorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer Einrichtung für ein Erzeugen eines Magnetfeldes umfassend zwei gegenüberliegende Spulen (1, 2), durch das eine Probe (3) polarisiert werden kann.
Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Einrichtung für das Lenken eines Teilchenstrahls (3) umfasst, durch den ein Teilchenstrahl (3) durch die beiden Spulen gelenkt werden kann, wobei die Einrichtung für das Lenken des Teilchenstrahls einen Wien - Filter (12) umfasst.
Vorrichtung nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Detektor (15, 16) vorhanden ist, mit dem die Polarisation von Teilchen (3) detektiert werden kann, nachdem durch die Spulen (1, 2) die Teilchen (3) polarisiert worden sind.
Vorrichtung nach einem der drei vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vier Spulen (1, 2, 17, 18) vorhanden sind und eine Einrichtung für das Erzeugen eines oszillierenden Magnetfeldes mit einer ungeraden Anzahl an Wellen durch zwei gegenüberliegende Spulen (1, 2).