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.
"Разработана мобильная малогабаритная установка для поляризации ксенона методом спин-обменной оптической накачки. Была разработана оригинальная конструкция оптической ячейки на основе серийно производимой пробирки высокого давления. Необходимость создания экспериментальной установки в мобильном, а значит компактном варианте была обусловлена потребностью проведения измерения степени поляризации ксенона на ЯМР-спектрометре вне лаборатории, в которой реализуется проект. Результаты проведенных экспериментов позволяют оценить степень поляризации ксенона внутри ячейки поляризатора на уровне до 40%. При переносе газа из поляризатора в пробирку ЯМР-спектрометра максимальный был достигнут уровень поляризации ксенона 1.1%, что соответствует усилению сигнала ЯМР-резонанса по сравнения с равновесным (для поля 7 Тл) состоянием ксенона в 1600 раз, что достаточно для проведения некоторых ЯМР-измерений по характеризации различных пористых материалов, в том числе металлорганических каркасов.
В рамках работы были экспериментально определены оптимальные условия позволяющие получить максимальную степень поляризации. В частности, было показано, что оптимальная температура ячейки для данной установки лежит в диапазоне от 100 до 110ºС. Была разработана численная модель, которая подтвердила возможность оценки степени поляризации ксенона метод на основе измерения коэффициента поглощения оптического излучения накачки. Также в рамках модели удалось обосновать наличие оптимальной концентрации паров щелочного металла.
Были выявлены факторы, ограничивающие предельную величину парциального давления ксенона в ячейке поляризатора значением 80 кПа. Было впервые продемонстрировано, что при превышение этого давления наблюдается эффект периодической модуляции прошедшей мощности, негативно влияющий на поляризацию ксенона. Максимальная амплитуда осцилляций мощности прошедшего излучения превышала 20%, период осцилляций зависел от температуры и лежал в диапазоне от 4.8 до 7 секунд. В ходе исследований был сделан ряд наблюдений, свидетельствует о светоиндуцированности эффекта. Результаты измерения параметров прошедшего излучения позволил заключить, что эффект связан с осцилляцией концентрации паров атомарного рубидия, которая, возможно, является следствием циклической димеризацией рубидия или протекающей свето-индуцированной осциллирующей химической реакцией рубидия с содержимым ячейки."
