Исследование физических процессов гиперполяризации ксенона методом спин-обменной оптической накачки атомов рубидия в среднем (1 - 3 Вт) диапазоне мощностей накачки

Проект: НИОКТРРНФ

Сведения о проекте

Описание

Проект направлен на исследование и развитие оптических методов гиперполяризации ядер атомов благородных газов(ксенона, гелия и др.). В гиперполяризованном состоянии ядерные спины атомов газа ориентированы в одномнаправлении, что увеличивает сигнал магнитного резонанса на 4-8 порядков по сравнению с равновеснымраспределением. Одним из способов гиперполяризации благородных газов является спин-обменная оптическаянакачка, который заключается в поляризации ядерных спинов газа за счет взаимодействия с атомами щелочныхметаллов (рубидий, цезий и др.), поляризованных оптическим излучением. Эффективность данного процессаполяризации критическим образом зависит от мощности и спектральной ширины линии излучения накачки.Появление мощных (>100 Вт) полупроводниковых лазеров с узкой линией генерации (~0.1 нм) позволило за последнеедесятилетие создать коммерчески доступные системы поляризации ксенона. Однако такие поляризаторы ксенона неотвечают в полной мере всем потребностям науки и техники. В первую очередь это связано с высокой стоимостьютаких систем (>100 000$), которая в первую определяется стоимостью специализированного диодного лазера, чтоограничивает распространенность таких систем, во-вторых, большими габаритами и весом таких установок, и в третьих,подобные системы рассчитаны на поляризацию больших объемов газа (~ 1 литра) для использования в медицине примагниторезонансной томографии легких, мозга и других живых тканей. В то же время существует большая потребностьв гиперполяризованном ксеноне для ЯМР-спектроскопии при исследованиях в области химии, биологии иматериаловедении при изучении внутренней структуры и свойств пористых материалов с размером структурнанометрового размера, микро и наноструктурированных материалов, нанотрубок, полимерных аэрогелей, электродовсовременных батарей, пористых молекулярных, дипептидных и пр. кристаллов. Для такого типа исследований нетребуется единоразово большого объема поляризованного газа и достаточно несколько десятков миллилитров длянаполнения кювет с образцами для ЯМР-спектроскопии с характерный объемом не более 5 мл. В данном случае напервое место выходит степень поляризации газа и его концентрация, а также возможность использования газа сразу после поляризации без необходимости транспортировки. Таким образом актуальной темой исследований являетсяразработка и оптимизация методов высокоэффективной поляризации благородных газов в относительно небольшихобъемах, которые бы позволяли производить поляризацию газа в непосредственной близи с ЯМР-спектрометром.Прогресс в области полупроводниковых лазеров привел к появлению коммерчески доступных полупроводниковыхусилителей, которые позволяют получить узкополосное излучение с длиной волны соответствующей линиямпоглощения щелочных металлов (Rb D2 - 780 нм, D1 - 795 нм, Cs - D2 852 нм, D1 894 нм) мощностью до 3 Вт.Использование такого излучения позволяет высокоэффективно поляризовывать несколько десятков миллилитровблагородного газа. Однако при этом возникает ряд принципиальных вопросов связанных с необходимостьюоптимизации условий поляризации, в первую очередь это связано с тем, что при уменьшении характерного размерагазовой ячейки, в которой происходит оптическая накачка и спин-обменные процессы, объем ячейки уменьшается каккуб данного размера, а площадь поверхности ячейки как квадрат. Это приводит к тому, что увеличивается роль спин-релаксационных процессов и эффективность поляризации резко уменьшается. Что не позволяет создать эффективныйполяризатор малых объемов газа простым масштабированием установки со 100 до 3 Вт. При этом опубликованныхисследований факторов влияющих на эффективность спин-обменной поляризации благородных газов для среднегодиапазона мощностей (1 - 10 Вт) крайне мало.Данный проект направлен на исследование процессов спин-обменного взаимодействия атомов благородных газов ипаров рубидия, возбуждаемых узкополосным лазерным излучением мощностью в диапазоне 1 - 3 Вт, с цельюувеличения эффективности процесса гиперполяризации ксенона. Особое внимание будет уделено вопросамсвязанным с практической возможностью создания компактного высокоэффективного генераторагиперполяризованного ксенона для практических целей ЯМР-спектроскопии.
СтатусАктивный
Действительная дата начала/окончания13.01.202231.12.2023

Ключевые слова

  • ЯМР-СПЕКТРОСКОПИЯ
  • ГИПЕРПОЛЯРИЗАЦИЯ КСЕНОНА
  • СПИН-ОБМЕННАЯ ОПТИЧЕСКАЯ НАКАЧКА

OECD FOS+WOS

  • 1.03.SY ОПТИКА

Fingerprint

Просмотреть темы исследований, затронутые в этом проекте. Эти метки созданы на базе основных наград/грантов. Вместе они формируют уникальную картину активности.