极化气体储蓄器和加热夹套及相关的气体收集和熔化方法以及极化气体产品的制作方法

专利名称：极化气体储蓄器和加热夹套及相关的气体收集和熔化方法以及极化气体产品的制作方法
技术领域：
本发明是在政府资助下(获得AFSOR授予号F41624-97-C-9001)完成的。因此在本发明中美国政府享有一定的权益。
本发明领域本发明涉及极化稀有气体的收集和储蓄(accumulation)，更具体地说，涉及用于各种医学诊断方法如磁共振成像(“MRI”)和光谱应用中的超极化气体的生产。
本发明背景通常人们采用MRI通过在人体内激发氢分子中的原子核(存在于水的质子中)来产生影像。然而最近人们发现极化的稀有气体可以得到在人体某些区域和部位上以前无法产生令人满意的这种形态的影像的改进影像。人们已发现极化氦3(“3He”)和氙-129(“129Xe”)特别适用于此目的。但很遗憾的是，如将在以下所讨论的那样，气体的极化状态对处理条件和环境条件极为敏感，并且可以不合需要地较快从极化状态中衰变出来。
超极化器可用来产生并储蓄极化的稀有气体。超极化器人为地增强了某些稀有气体原子核(如129Xe或3He)超过自然或平衡水平的极化作用，即玻尔兹曼极化作用。这种增加是合乎需要的，因它增强并增加了磁共振成像(“MRI”)的信号强度，使医生获得体内物质良好的影像。参见Albert等人的美国专利第5,545,396号，其公开通过引用并入本文。
为了生产超极化气体，人们通常将稀有气体与光泵送(opticallypumped)的碱金属蒸汽如铷(“Rb”)混合在一起。这些光泵送的金属蒸汽与稀有气体的核相碰撞，通过一种公知为“自旋交换”的现象使稀有气体超极化。通过采用碱金属第一主共振波长(如对Rb而言为795纳米)的圆偏振光照射碱金属蒸汽实现碱金属蒸汽的“光泵送”。一般来说，基态的原子被激发，随后又衰变回基态。在一个适中的磁场(10高斯)下，原子在基态和激发态之间的循环在几个微秒内原子可获得近100％的极化。这种极化一般通过碱金属的孤价电子特性进行。在无零核的自旋稀有气体的存在下，碱金属蒸汽原子可以价电子的极化在其中通过相互自旋翻转“自旋交换”而传递给稀有气体原子核的方式与稀有气体原子碰撞。
人们通常使用激光来光泵送碱金属。各种激光发出各种波长带的光信号。对于一些类型的激光为了改进光泵送方法(特别是那些具有较宽带宽的发射)，可将碱金属的吸收或共振谱线宽度制造得更宽，以便更接近地对应所选激光的特定激光发射带宽。通过压力加宽即通过在光泵送室中采用一种缓冲气体可得到这种加宽。碱金属蒸汽与缓冲气体的碰撞将导致碱金属吸收带宽的加宽。
例如，我们知道，每单位时间所生产的极化129Xe的量与Rb蒸汽所吸收的光的功率成正比。因此极化大量的129Xe通常将需要大的激光功率。当采用二极管激光数组(array)时，正常的Rb吸收线带宽通常比激光发射带宽的窄好几倍。通过采用缓冲气体可增加Rb的吸收范围。当然，缓冲气体的选择通过潜在地将碱金属的角动量损失引入到缓冲气体而不是按需要引入到稀有气体，也可以不合需要地影响Rb-稀有气体的自旋交换。
不管怎样，自旋交换结束后，在引入到病人体内之前将超极化的气体与碱金属分开。但很遗感的是，在收集后及收集期间，超极化气体可以变质或衰变得较快(失去其超极化状态)，因而必须小心地加以处理、收集、转运和储存。由于超极化状态对环境和处理的各种因素的灵敏度以及气体潜在的从其超极化状态中不合需要地衰变，因此超极化气体的处理是关键的。
一些储蓄体系采用低温储蓄器(accumulator)将缓冲气体从极化气体中分离出来并冷冻所收集的极化气体。但令人遗憾的是，由于在冷冻气体的最终熔化(thawing)后气体的极化水平可以潜在地不合需要地减少达数量级，使得气体极化作用的减少成为一个问题。此外，也是不利之处，储蓄器接近低温源的极低操作温度有时可阻塞储蓄器的收集平面，以至降低收集速率、甚至阻止进一步的收集工作。
本发明的目的及概要根据上述，因此本发明的目的之一是延长所收集的极化稀有气体的极化储存期(polarization life)并降低在最终使用点之前所收集的极化气体中发生去极化的数量。
本发明的另一个目的是提供一种改进的、可用于基本上连续生产环境中的低温储蓄器。
本发明的另一个目的是提供一种改进的、在加工期间能减少极化损失量的收集设备及方法。
本发明的另一个目的是提供一种使在传送至最终使用者之前由于冷冻极化气体的熔化而导致的去极化效应降低到最低程度的方法。
这些及其他目的由本发明具有一内加热夹套的低温储蓄器而得以实现。具体而言，本发明的第一方面涉及一个用于收集极化稀有气体的低温储蓄器，它包括一个具有相对的第一和第二端(其结构使极化气体在其中通过)的主流体通道以及围绕该主流动通道的外部套管。该外部套管在流体通道第二端下部具有封端收集室。该储蓄器也包括位于主流体通道与外部套管之间的次流体通道。该次流体通道在与主流体通道第二端靠得很近处有一个封端。
在一个优选实施方案中，外部套管及次流体通道的外壁限定了其间缓冲气体的出口通道，而(周围伸展的)次流体通道的内壁则限定了主流体通道。也优选将主流体通道第二端做成喷嘴的形式，将次流体通道做成加热夹套以便使室温的干燥气体如氮气通过其中循环。循环氮气与流体通道分开，起着补偿或保护喷嘴面积免遭沿主流体通道外面流过的冷却缓冲气体及与制冷浴相关的低温的影响。这种次流体通道可以有利地减少主流体通道喷嘴由于稀有气体的升华而造成冷冻及阻塞的可能性。
另外并优选该储蓄器包括与主流动通道及缓冲气体出口通道相连的第一和第二隔离阀。第一隔离阀位于主流动通道的第一封端处，可以用来控制目标气体在其中的流动。第二隔离阀与沿缓冲气体出口通道的外部套管封端相分隔，以便可开关密闭和控制缓冲气体通过其中的释放。在该实施方案中，将该储蓄器做成含有MRI-大小数量(如0.5-2升极化气体)并可从超极化器单元中拆开以便于转运至远处。
本发明的另一方面涉及用于冷冻储蓄器的加热夹套。该夹套包括具有相反的第一和第二端的外壁和具有相反的第一和第二端的内壁。内壁与外壁相分隔。将内壁做成靠近极化气体收集路径。夹套也包括连接和密封每一个外壁及内壁的盖板和底板。盖板、底板、外壁和内壁限定了至少一种在其间的封闭流体(如气体或液体)循环通道。夹套也包括与循环通道相连的流体和流体出口。将流体入口和出口做成使流体、气体或气体混合物在循环通道内流动。
在一个优选实施方案中，加热夹套流体入口在操作上与一个阀相连接，使得其能在循环通道中提供预定流速的气体。也优选内壁沿中心开孔周边延伸以便限定极化气体通过其中的流动通道。
还优选内壁包括限定流动通道第一直径的第一部分和限定流动通道第二直径的减少的部分。在该实施方案中，第二直径小于第一直径并限定流动通道喷嘴。
本发明的还一个方面涉及用于收集极化气体的储蓄器。该储蓄器包括具有相反入口端和出口端(出口端做成流动喷嘴)的主流动通道。入口端可拆卸地连接于极化气体收集路径。该储蓄器也包括具有与流动喷嘴相连的收集室的外套管。在一个优选实施方案中，该储蓄器包括一个如上所述的密封加热夹套的热源。在操作中，将该热源安置在设备中加热流动喷嘴以防极化气体在其中阻塞或冷冻。在主流动路径中具有喷嘴的储蓄器可有助于除去并捕获来自进口流的所有超极化气体，减少任何释放极化气体的浪费。使用喷嘴改进了极化气体如129Xe的定位化。此外，这种喷嘴还可使所储蓄的129Xe的热负荷减少至最低程度(如此延长了其弛豫(relaxation)或衰变时间)。使用加热的夹套使在冷冻流动区域中能使用喷嘴，并通过在流动路径的喷嘴区域中减少任何阻塞可改进喷嘴的操作或功能。
本发明的另一方面涉及收集极化稀有气体的方法。该方法包括将包含极化稀有气体的气体混合物引入到收集路径中。将气体混合物送入位于收集路径中的储蓄器内。该储蓄器具有一个入口通道、一个收集储气装置和一个出口通道。收集储气装置置于极化稀有气体凝固点以下的温度。极化稀有气体以基本上冷冻的状态被捕获于收集储存器内。将气体混合物的剩余部分送入出口通道。将一部分收集通道加热或温热以便利于气体混合物通过其中的流动。优选加热步骤包括将一种从气体混合物分离出来的气体引入到入口路径预定的区域(除了入口路径外还包括该预定区域)中的步骤。从气体混合物中分离出来的气体在约一部分入口路径中循环以将导热提供给至少一部分入口路径并籍此减少由于暴露步骤所造成的沿入口路径堵塞的可能性。优选通过室温的N2气体沿至少一部分入口路径通道的外部进行循环提供加热。然后N2气体被捕获并离开冷冻的所储蓄稀有气体排放到大气中。
本发明的再一方面涉及熔化冷冻极化气体的方法。在该方法中提供一密闭的容器。该容器具有内流动路径和收集室，收集室做成保留其中的冷冻极化气体的形式。将冷冻的极化气体暴露于磁场中。加热一部分与收集室相连的内流动路径，并加热密闭容器的外面。优选该熔化步骤在压力下进行，以使大部分冷冻的稀有气体在冷冻极化气体的熔化期间被液化。在一个优选实施方案中，容器包括两个阀，并且在冷冻的产品液化后，将至少一个阀打开以降低容器内的压力，使液化后的气体迅速变成气态。此时优选将气流导向病人。该步骤通常通过将气体收集于袋或其他类型的贮器中再传送给病人来完成。该方法快速地熔化冷冻的气体，并最大限度地减少了过渡态的极化气体所用的时间，如此通过熔化可改进极化水平。此外，与常规方法相比本熔化法可将熔化时间减少至单一病人MRI剂量小于10秒。在一个优选实施方案中，引入到极化器内的129Xe气体混合物包括最少量的131Xe以最大限度地减少与129Xe同位素的131Xe诱导弛豫有关的衰变。
本发明的另一方面涉及延长极化气体产品的可用极化储存期。该方法包括提供磁场以及在磁场的存在下冷冻极化气体的步骤。将极化气体密封于防事故装置或容器内。然后在所需的时间内熔化冷冻的极化气体。在密封容器的压力下大部分的冷冻气体被液化。优选熔化步骤包括如上所述的加热步骤(同时加热密闭容器的内面和外面)。在一个实施方案中，在任何情况下将防事故装置减压使液体变成气体。更优选在运送极化气体到达最终使用者期间通过打开防事故装置至收集容器内并使液体膨胀至气相来进行该减压步骤。
与常规处理方法相比这种方法可有利地提高熔化后极化气体的极化水平。实际上，本发明比常规方法可使保留在气体样品内的极化水平加倍。此外，本发明提供一种可改进超极化状态的稀有气体的储蓄和保存的储蓄器。常规的熔化及储蓄技术使极化显著地减少至预期值以下(通常仅约为其900sccm的初始极化水平的12.2％-损失了其初始极化的87.8％)。本发明可极大地改进极化程度的保存。例如，改进的储蓄和熔化方法可保存至少其初始预冷冻极化水平30％或以上(优选约为40-50％)熔化后的极化度(“极化保留分数”)。此外，在输送至病人或最终使用者时本发明可提供不低于10％的极化水平。另外，通过改进输送路径和减少收集期间指形冷冻器被冷冻气体等所阻塞的可能性，本发明能收集到另外量的极化气体。
以下将详细解释本发明的以上和其他目的及方面。
附图简述

图1是根据本发明一个实施方案的超极化器装置的示意图。
图2是根据本发明一个实施方案的图1装置的储蓄器或“指形冷冻器”部分浸渍于液体冷冻剂内的侧面透视图。
图3是根据本发明一个实施方案的图2储蓄器的剖视图。
图4是示于图3中的储蓄器的正面图。
图5是本发明另一个实施方案的储蓄器的剖视图。
图6是示于图3中的储蓄器的局部透视图。
图7是示于图5中的储蓄器的局部透视图。
图8示意了根据本发明一个实施方案在熔化过程期间实施加热的图7的储蓄器。
图9是示意根据本发明用于储蓄极化气体的方法步骤的方框图。
图10是示意根据本发明一个实施方案用于熔化冷冻极化气体的方法步骤的方框图。
图11是示意根据本发明一个实施方案用于延长极化气体可用储存期的方法步骤的方框图。
图12A图示熔化后的极化水平对采用常规熔化方法所熔化的极化气体的储蓄流速的关系。
图12B图示熔化后举例的极化水平对根据本发明熔化的极化气体的储蓄流速的关系。
图13图示冷冻前和根据本发明进行熔化后极化气体的举例的极化水平。
图13A图示对应于当氙根据本发明进行处理时所取得的熔化后极化流速的实验数据的极化氙的预期和实验举例的极化水平。
优选实施方案的详述本发明现将参照附图(在其中显示本发明优选的实施方案)在此后进行详细的描述。但本发明还可以许多不同的方式进行体现，因此不应认为本发明局限于此处所提及的实施方案。相同的数字自始至终指相同的单元。为了清楚起见各层和区域被夸张放大。在本发明以下的描述中，使用一些术语来指一些结构相对于其他结构的位置关系。此处所用的术语“向前”及其各种派生词指气体混合物通过超极化器单元的一般方向；该词与通常在生产环境中用来指正在处理的一些物质在生产过程中比其他物质距离更远的术语“下流”同义。相反，术语“向后”和“上流”及其各种派生词指方向分别与向前和下流的方向相反。同时，如此处所述，极化气体被收集、冷冻、熔化和用于MRI光谱或MRI应用中。为了方便描述，术语“冷冻的极化气体”指的是极化气体已被冷冻至固体状态。术语“液体极化气体”指的是极化气体已被或正被液化成液体状态。因此，虽然每一个术语都包括词“气体”，但该词用来命名和描述通过超极化器生产而获得极化的“气体”产品的气体。因此，如此处所用的术语已用于某些地方以描述超极化稀有气体产品，并可与修饰词如固体、冷冻和液体一起使用以便描述该产品的状态或相。
人们已使用各种技术来储蓄和捕获极化气体。例如，Cates等人的美国专利第5,642,625号描述了一种用于自旋极化稀有气体的大体积超极化器，而Cates等人的美国专利申请第08/622,865号描述了一种用于自旋-极化的129Xe的低温储蓄器。这些参考文献通过引用全部并入本文。如此处所用的术语“超极化”、“极化”等指的是人为地将某些稀有气体原子核的极化水平增强到高于正常或平衡的水平。这种增加是合乎需要的，因唯有这样才能能得到对应于身体物质和目标区域更好的MRI成像的更强的影像信号。正如本领域的技术人员所公知的那样，通过采用光学泵送的碱金属蒸汽进行自旋交换或通过亚稳态交换可以诱导超极化。参见Albert等人的美国专利第5,545,396号。
参照附图，图1示意一优选的超极化器单元10。该单元是大体积的单元，做成连续生产和储蓄自旋-极化稀有气体，即气体通过该单元的流动基本上是连续的。如图所示，单元10包括稀有气体供应源12和供应源调节器14。净化器16位于管线上以便将各种杂质如水蒸汽从体系中除去(将在以下进一步进行讨论)。超极化器单元10也包括流量计18和位于极化电池(cell)22上流的入口阀门20。将旋光的光源如激光26(优选为二极管激光数组)通过各种聚焦和光分配装置24如透镜、反射镜等导入到极化电池22中。光源被园偏振光泵送电池22内的碱金属。另一个阀门28位于极化电池22的下流。
如图1中所示，与管线邻接的是指形冷冻器或储蓄器30。该储蓄器30通过一对可拆卸机械如螺纹构件或快速拆卸活节头31、32连接于超极化器单元10上。这使得该储蓄器容易地拆卸、转移或增加并形成体系10。在操作上储蓄器30与冷源或冷冻装置42相连。如图所示，优选该冷源42为液体低温浴43。在以下将更详细讨论该储蓄器。
真空泵60与该体系相连。在不同点处示意控制流动和引导出口气体的其他阀门(如52、55所示的)。关闭阀47位于“机上(on-board)”出口气体龙头50旁。储蓄器30下流的一些阀门用于“机上”熔化并输送所收集的极化气体(如将在下面描述)。该体系也包括沿关闭阀58的数字压力转换器54和流量控制装置57。关闭阀58优选控制通过整个体系或单元10的气体流量；用来控制气流的开和关(如将在下面描述的)。如本领域中的技术人员将理解的那样，在本发明的范畴内可以使用其他的流量控制机械、设备(类似的和电子的)。
在操作中将气体混合物引入到体系中的气源12处。如图1中所示，气源12是装有预混合气体混合物的压力气罐。该气体混合物包括贫稀有气体和缓冲气体的混合物气体(即将进行超极化的气体在预混合的气体混合物中的量较少)。对于生产超极化的129Xe而言，预混合的气体混合物优选为约95-98％的He、不超过约5％的129Xe和约1％的N2。
也优选预先混合的气体混合物包括最小量的氙-131(或131氙)同位素(低于其原来的水平)。在天然的状态下典型的氙同位素丰度如下表Ⅰ
“富集的”129Xe混合物用来为超极化气体混合物提供足够量的129Xe。此处所用形式“富集的”指的是增加129Xe的丰度使之超过其原来的丰度水平。但富集的129Xe通常也包括其他氙同位素。然而遗憾的是，至少有一种特定的同位素-131Xe以能够引起129Xe去极化的方式与冷冻的129Xe(特别是在低温如4.2°K)相互作用。在低温下131Xe起着类似“自旋-水槽(sink)”的作用以吸收或衰变129Xe极化度，并在冷冻的“固态”129Xe极化气体的晶粒边界处成为一种主要的弛豫机理。
如上表Ⅰ中所示，131Xe是一种核自旋大于1/2的同位素。就这一点而论，它具有一个“四矩(quadruple moment)”，也就是说131Xe通过与电场梯度相互作用能够衰减。参见Gatzke等人的Extraordinarilyslow nuclear spin relation in frozen laser-polarized129Xe,Phys.Rev.Lett.70，第690-693页(1993年)。
人们已提出在4.2°K下主要的固相弛豫的机理是在晶粒边界处的129Xe与131X同位素之间的“交叉弛豫”。此外，在“冷冻”或“固体”之处129Xe气体呈现类似于薄片(如雪花)的形式，该形式具有较大的表面积。遗憾的是，该较大的表面积也可以与131Xe进行较大的去极化的相互作用。我们相信最大的或“最有效的”互换在晶粒边界处，因通常这里的电场最强。该电场强度可以使131Xe的核自旋翻转能变得几乎与129Xe的核自旋翻转能一样。
以下给出具有减少的131Xe同位素含量的富集129Xe混合物的实施例。
实施例1 82.3％富集的129Xe气体混合物
实施例2 47.2％富集的129Xe气体混合物
在一个优选实施方案中，当将所收集的极化129Xe暴露于冷的温度并进行冷冻时，富集的129Xe气体混合物优选包括低于约3.5％的131Xe、更优选低于约0.1％的131Xe。
在任何情况下，将气体“富集的”混合物通过净化器16并引入到极化电池22中。阀20、28为可与极化电池22的操作相联系的开/关阀。对于该体系而言气体调节器14优选将压力从气罐源12(通常在13,780.2kPa(2000psi或136atm)下操作)降低至约608-1013.25KPa(6-10atm)。因此，在储蓄期间将整个歧管(导管、极化电池、储蓄器等)加压至电池压力(608-1013.25kPa(6-10atm))。通过打开阀58开始单元10内的流动，通过调节流量控制装置57来控制该流动。
气体在电池22中的通常停留时间约为10-30秒；即气体混合物在流经电池22的同时被超极化所需的时间为10-30秒。优选气体混合物以约608-1013.25kPa(6-10atm)的压力引入到电池22中。当然，采用能在加压下操作的硬件，优选高于1013.25kPa(10atm)的操作压力，如约2026.5-3039.75kPa(20atm-30atm)以便使压力加宽Rb并吸收高达100％旋光。相反，对于谱线宽度小于常规谱线宽度的激光而言可以采用较低的压力。极化电池22是一个位于加热室中的高压光泵送电池，其孔径做成能使激光发射光进入。优选超极化器单元10通过常规自旋-交换过程使所选的稀有气体如129Xe(或3He)超极化。将已汽化的碱金属如铷(“Rb”)引入到极化电池22内。Rb蒸汽通过一个旋光源26、优选为二极管激光进行光泵送。
单元10采用氦缓冲气体以便压力加宽Rb的蒸汽吸收带宽。缓冲气体的选择是很重要的，因缓冲气体-在加宽吸收带宽的同时-也可以通过将碱金属的角动量损失引入到缓冲气体而不是按要求引入到稀有气体，从而不合需要地影响到碱金属-稀有气体的自旋-交换。在一个优选实施方案中，129Xe通过与光泵送的Rb蒸汽进行自旋交换而得到超极化。也优选单元10采用压力比129Xe的压力大许多倍的氦缓冲气体以便采用最大限度地减少Rb的自旋损坏的方式进行压力加宽。
正如本领域的技术人员所了解的那样，Rb与H2O是反应的。因此任何引入到极化电池22中的水或水蒸汽可导致Rb损失激光吸收并减少极化电池22中自旋-交换的量或效率。因此，作为一种附加的预防措施，可将一个额外的具有额外表面积的过滤器或净化器(图中未示出)置于极化电池22的入口之前，以便除去其他量的不合需要的杂质以进一步增加极化器的效率。
超极化气体连同缓冲气体混合物一起离开极化电池22，进入储蓄器30中。现参照图3-7，极化气体及缓冲气体被导入到主流动通道80并进入位于储蓄器30底部的收集贮存池75内。在操作中，在储蓄器30a的下部，使超极化气体暴露于低于其凝固点的温度下并在贮存池75中收集冷冻后的产物100。气体混合物的剩余部分仍保持气态并通过在不同于主流动通道75的出口通道90中进行逆流使得其导出储蓄器30而离开主流动通道80和贮存池75。我们将在下面更详细地讨论储蓄器30。在磁场(通常为至少500高斯的水平、典型约为2千高斯，虽然可使用更强的磁场)的存在下收集(以及储存、运输和优选熔化)超极化气体。较低的磁场可以潜在不合需要地增加极化气体的弛豫速率或减少弛豫时间。如图2所示，由位于磁圈41周围的永久磁铁40提供磁场。
超极化单元10也可以使用在加热泵送电池22与冷冻的冷阱或储蓄器30之间的出口管线中的温度变化以便将碱金属从储蓄器30上方管线的极化气流中沉淀出来。如本领域的技术人员所了解的那样，碱金属在约40℃的温度下从气流中沉淀出来。该单元也可以包括一碱金属回流冷凝器(图中未示出)。优选该回流冷凝器采用保持在室温下的垂直回流出口管。通过回流管的气体流速和回流出口管的大小应使得碱金属蒸汽得到冷凝并通过重力滴回泵送电池中。在任何情况下都需要除去碱金属使得在将极化气体输送至病人之前所得产物是无毒的并满足规定标准(如至少不超过10ppb的水平)。
任选也可将一中间冷阱放置于极化电池22的出口与指形冷冻器30之间。优选将该中间冷阱(图中未示出)的温度设计成截留任何碱金属(如Rb)而同时又能使稀有气体和载气自由到达指形冷冻器30处。这对于体内应用是很重要的(对于将Rb从超极化气体中的去除尤为重要，即将Rb除去使其含量在输送至病人之前在超极化气体中保持痕量水平如不超过1ppb的水平)。
一旦在储蓄器30中收集到所需量的超极化气体后，可将该储蓄器从体系中移出或分离出来。在一个优选的实施方案中，关闭阀28，使电池22受压。这使得储蓄器30和下流铅锤由于流动阀58开启而开始减压。优选在流动阀58关闭前将阀28下流单元10减压至约1.5atm。在关闭流动阀58后可开启阀55以排出歧管中的残余气体。一旦排出出口铅锤则关闭阀35和37。如果所收集的气体进行“机上”分配，即储蓄器30不从单元10中移出，则可将一贮器如袋子或其他容器连接于出口50处。可开启阀47以抽空所连接的袋子(图中未示出)。一旦抽空袋子和气体准备进行溶化，可以任选地关闭阀52。这使极化气体与单元10的压力转换区的接触时间降到最少。该区通常包括对极化气体具有去极化效应的物质。因此，与该区进行长时间的接触可促进极化气体的弛豫。
如果不关闭阀52，则优选关闭阀55以防极化熔化气体的抽空。也优选在电池22的下流侧面处形成由这些物质组成的流动通道，这些物质可使对极化态的气体的衰变效应减少至最低程度。也可以使用如述于美国专利第5,612,103号(该公开通过引用并入本文)中的那些涂料。在“机上”熔化操作中，开启阀37使气体排出。然后通过阀47并从出口50中离开。
在“移出的”或“输送储蓄器”熔化的模式中，在储蓄器30减压和抽空后关闭储蓄器的第一和第二隔离阀35、37。对储蓄器30进行抽空可除去储蓄器内的任何残余气体。除去储蓄器30内的残留气体及冷冻极化气体有助于在冷冻气体上的热负荷，可以升高冷冻气体的温度并有效缩短弛豫时间。因此，在一个优选实施方案中，在进行减压和抽空并关闭隔离阀35和37后，通过脱离点(releasepoint)31、32使储蓄器30从单元10脱离出来。
也优选储蓄器包括槽内的O-型环(图2，220)以便利于将快速连接器(或其他连接装置)密封于体系中的管线上。这种类型的O-型/槽密封机理有助于确保单元即使在高的操作压力下(即不低于608-1013.25kPa(6-10atm))也保持密封完整性。类似地，如果使用CHEM-THREADSTM(由ChemGlass,Inc.Vineland,NJ生产)或类似的连接装置，则优选将其做成压力能保持与体系的操作压力一致。适宜的隔离阀35、37的实例包括坐落在Vineland,NJ的KIMBLEKONTES阀826450-004、826460-0004。
隔离阀35和37分别与主流动通道80和缓冲气体出口通道90相连，每一个都可以调节流经其中的流量及关闭各自的通道以便使储蓄器从体系10和环境中隔离出来。在移去填满的储蓄器30后，可以容易和较快地将另一个储蓄器连接于脱离点31、32上。优选当连接新的储蓄器30时，采用阀55抽空出口歧管(阀52、35、37开启)。当通常在约1分钟左右达到适宜的真空(如约13.3Pa(100毫托))时关闭阀55。然后重新开启阀28，使出口歧管重新加压至操作电池的压力。然后开启阀58以恢复单元10内的流动。优选一旦恢复流动，即将液氮施用于储蓄器30中以继续收集超极化气体。通常这种转换所需的时间少于约5分钟。因此，优选的超极化器单元10做成能为连续生产和储蓄提供连续流动的超极化129Xe气体的形式。
现参照图2，它示意了储蓄器和磁圈的组合件230。储蓄器30由位于低温浴43之上的支撑平台210所支撑。一对极板215从支撑平台210纵向伸展并连接于磁圈41上。将磁圈41放置于储蓄器30的收集贮存池75的近旁以便为所收集的极化气体提供所需的磁场。如图所示，储蓄器30包括支撑连接部分211(做成紧挨着支撑平台210的形式)。储蓄器图3和4示意根据本发明的储蓄器30的一个实施方案。如图所示，储蓄器30包括中央主流动通道80、次流动通道95和出口缓冲气体通道90。次流动通道95位于主流动通道80和缓冲气体出口通道90之间。在一个优选实施方案中，储蓄器30包括位于主流动通道底端的喷嘴110。喷嘴110由于压紧贮存池75的冷却表面而有助于改进超极化气体的定位。喷嘴110也能使冷却气流产生焦尔-汤姆孙膨胀而远低于超极化气体的凝固点，有利地将静止及所收集的超极化气体上的热负荷减少至最低限度，并籍此潜在地延长了其弛豫时间。在任何情况下，优选将储蓄器30浸渍于低温浴43中使得贮存池75及管子的约7.62-15.24厘米(3-6英寸)被浸渍。若浸于液氮中，则外套管103的外壁和贮存池75的外壁将约为77°K。氙的凝固点约为160°K。因此，超极化气体离开主流动通道80，到达冷却表面并冷冻进入贮存池75，而同时缓冲气体经出口通道90离开储蓄器。贮存池可以包括一表面涂层以防由于与极化气体的接触而引起的弛豫。参见美国专利第5,612,103号，“Improved Coatings for theProduction of Hyperpolarized Noble Gases”。或者这种容器可形成自或包括其他物质如高纯度非磁金属膜。参见同时待审和共同转让的专利申请系列号09/126,448，标题为Containers for HyperpolarizedGases and Associated Methods，此处通过引用并入本文。
如图4中所示，次流动通道95具有分别位于储蓄器30顶部相对约180°的进口和出口125、126。当然，如本领域的技术人员所理解的那样，也可以采用次流动通道进口及出口125、126的其他布置。优选将进口及出口125、126安置于低温浴43或其他冷冻装置之上(当将储蓄器30置于其上时)。除了其各自的入口和出口125、126之外，关闭次流动通道95并从主流动通道80中分离出来并离开气体通道90。就这点而言，次流动通道95包括密封端96。
如图6所示，在操作中次流动通道95将热提供给储蓄器30的一个区域。优选次流动通道界定了加热夹套93。将加热夹套93做成为主流动通道80周围提供封闭式热流液体、优选为气体。更优选加热夹套93将热的或环境温度的氮向下沿次流动通道引向主通道80底部旁的区域；也就是，次通道的该部分紧挨或邻近贮存池75。在一个优选实施方案中，经次流动通道95将加热夹套93中的热气体送入到主流动通道80的喷嘴110的区域。这样一种热的气体可以有利地弥补主流动通道的这个区域由于截留在流动通道80内的冷冻气体而不合需要地发生冷冻及堵塞的趋势。另外，这种构型也能使导入到贮存池75内并附于所收集的冷冻极化气体上的任何相关的热负荷降低至最小。在带有喷嘴设计的储蓄器中的堵塞问题可以是特别头疼的问题，因即使在喷嘴110的出口区域中有少量的聚集都可以阻塞主流动通道80并减少甚至阻止极化气体的进一步收集。此处所用的“热的”可以是施用任何高于所选极化气体的凝固点的温度(即对于129Xe而言超过160°K)的热。
一般而言，固体极化气体(特别是129Xe)的弛豫时间强烈依赖冷冻气体的温度。换言之，冷冻气体的温度越低，则弛豫时间越长。因此，将所储蓄的冷冻气体的热负荷减少至最低程度是很重要的。由向下引入到主流动通道80的气流所代表的热负荷主要归因于将缓冲气体从室温冷却至低温的需要(如此处所述的液氮(LN2)或77°K)。估计该热负荷为2瓦的数量级。因此为了使所储蓄的极化129Xe的热负荷减少至最低程度，在喷嘴110的出口点之前需要将气流冷却到接近(但超过)极化气体的凝固温度。对于129Xe而言，优选将缓冲气体冷却到刚好超过160°K，低于此温度Xe可在喷嘴处凝固，有造成堵塞或阻塞的危险。将出口气体温度冷却至160°K能有利地使冷冻极化气体上的热负荷减少50％之多。本发明的构型能使该出口通道通过与缓冲气体进行逆流而得到这种冷却。这种冷却逆流不过度地使喷嘴110暴露于低的温度下较有利，因喷嘴110或流动通道80的大部分敏感区域通过加热夹套或次流动通道95而从出口通道中分离出来。
再参照图4，如图所示，加热夹套93内壁93a的形状限定了主流动通道80。优选该内壁93a沿一个开口环绕延伸以便限定主流动通道80。类似地，加热夹套93的外壁93b与储蓄器30的外套管103一起限定缓冲气体出口通道90。如图6中所示，在一个优选实施方案中，内壁93a、外壁93b和外套管103是径向排列的。加热夹套93的内壁包括一个直径小于内壁前面部分的直径的逐步向下的部分193。这个逐步向下的部分构成了主流动通道80中的喷嘴110。
图5和图7示意了根据本发明的储蓄器30'的一个优选实施方案。如在该实施方案中所示，加热夹套93包括至少一个伸长的沿次流动通道95的主要部分延伸的导管145。当导管145暴露于低温时，其制作材料基本上应为非去极化和可接受低温的材料如PTFE等。适宜的材料包括具有抵御低温性能的各种材料。一种这样材料的商标的实例为TEFLONTM或金属膜涂覆的表面。导管145将热的气体向下引入到主流动通道80的下部，更优选将热的气体引入到贮存池75之上的主流动通道的喷嘴区域110。就这点而论，导管的下端145a优选位于喷嘴110旁。热的气体一旦释放出来，即环绕沿次流动通道95扩散并在出口126处排放。该热的气体可以与冷却的缓冲气体逆流在如上所述易于堵塞的区域中的主流动通道的冷却/堵塞效应相抵消。当然，在本发明的范畴内也可以使用其他的加热夹套进口、导管和通气口(图中未示出)。
主流动通道80、次流动通道95和缓冲气体出口通道90的合适的直径的实例分别为6.35、12.7和19.05毫米(0.25、0.50和0.75英寸)。在一个实施方案中，喷嘴110沿主流动通道延伸约25.4毫米(1.0英寸)。优选储蓄器30由玻璃制成，如PYREXTM并在结构上能承受不低于约608-1013.25kPa(6-10atm)的压力。
此外，在操作中，优选在冷冻超极化气体的储蓄期间将热的气体以约7.8658-47.2ml/s(1-6ft3/hr)的速率、更优选以约15.732-39.329ml/s(2-5ft3/hr)的速率、仍更优选以约23.597ml/s(3ft3/hr)的速率导入到次流动通道中。优选储蓄器30在收集期间在与光泵电池相同的压力下进行操作。
如上所述，优选的加热气体为干的环境温度的N2(N2的热容约为氦的两倍)，但本发明并不局限于此。加热气体优选温度的实例为约10-26.7℃(50-80°F)、更优选为约20-25.6℃(68-78°F)。在一个优选实施方案中，将相应“加热气体”的流速设置于加热气体预定温度所对应的最低水平，即对于某一温度设定该最小速率，低于该速率即发生堵塞现象，可将该最小速率称为“临界流速”。如果使用较高的温度，则通常要求较低的流速。其他加热气体的实例包括(但不限于此)氦、干空气等。优选如果采用较高温度的“加热”气体，则相应使用较低的流速。反之，如采用较低温度的“加热”气体，则相应使用较高的流速。
本发明可有利地收集气流中约80-100％的极化气体。此外，本发明可获得具有延长储存期的极化气体产品。如将在以下进一步进行讨论的那样，这有助于改进收集和/或熔化技术，与常规技术相比该技术能得到保留较大极化水平的极化气体。熔化如上所述，本发明的一个优选实施方案采用了一安置于超极化气体周围的紧密型(compact)永久磁铁。然而由这种布置所提供的磁场多少有一点不均匀。当对气体进行熔化时，这种不均匀性可以使超极化气体较快地去极化。新鲜熔化的129Xe特别易受不均匀性诱导衰变的影响(“极化损失”)。例如，当气态129Xe通过不均匀的磁场进行扩散时其弛豫尤其是个问题。该弛豫通常与气体的压力成线性反比关系。也就是说，在熔化过程开始时的低气体压力下，不均匀性(场梯度)诱导弛豫效应是最强的。(人们已测得129Xe在101.325kPa(1atm)下进行弛豫仅需22秒)。本发明通过在初始熔化期间关闭隔离阀35、37而解决了这个问题。随着极化气体的熔化，压力迅速增加，很快超过1atm并进一步增加。随着压力的升高，剩余的固体129Xe转化为液体形式而非气态形式。液体129Xe对磁场梯度、不均匀性弛豫、温度效应和磁场强度较不敏感，因此得到一种更为稳健形式的超极化129Xe。液体129Xe的典型弛豫时间约为20-30分钟。参见K.L.Sauer等人，Laser Polarized Liquid Xenon,Appl.Phys.Lett.(1997年收到)。液态有助于进一步将热快速分配到剩余的固体129Xe，因而加快了熔化。
在一个优选实施方案中，加热夹套93也可改进冷冻极化气体的熔化。本发明认识到快速将冷冻极化气体转化为液态相当地重要，因氙的固态和气态在过渡期间对去极化极为敏感。例如，当固体或冷冻的129Xe加热至接近其熔点时，其弛豫时间从在77°K的3小时急剧减少到在接近相变点的仅几秒钟。此外，在刚好超过129Xe的升华温度的气态弛豫是快速的，与温度成指数关系。例如，在一给定面积上气态129Xe的弛豫时间在160°K下仅为相同面积在300°K下的弛豫时间的3％。另外，熔化的初期阶段当Xe气压低时，气态129Xe更易受上述不均匀性问题的影响。
通常在熔化期间将热供应给储蓄器的外部。当冷冻的超极化气体开始熔化时，它可能会重新冷冻，如在主流动通道80的出口处。这可导致129Xe在熔化过程中不止一次地发生冷冻和熔化，并且引起极化气体产品在敏感的过渡相周围(其中弛豫更为迅速)花费更多的时间。
上述储蓄器30、30'的加热夹套93还可改进熔化过程。参见图8，储蓄器的加热夹套或次流动通道95在熔化过程期间可以为储蓄器30的喷嘴区域110提供热量。优选在进行熔化前对流动通道的下部区域或喷嘴区域进行预热，使得在为贮存池75的外表面加热时喷嘴110远远高于极化气体的凝固点。还优选在熔化期间同时为指形冷冻器的外面及内面供热。内热优选供给储蓄器的下部区域即喷嘴区域。因而喷嘴110由加热夹套93内的循环流体(优选为气体)所加热。可以使用各种加热气体如上述的那些。优选熔化期间加热气体的流速高于储蓄过程所用的流速，如约39.329-94.39ml/s(5-12ft3/hr)、更优选为约78.658ml/s(10ft3/hr)。类似地，熔化期间所提供的“加热”气体的优选温度为在通常内控环境条件下的温度(例如室温气体，如20-25.6℃(68-78°F))。
对于“移动的”储蓄器30，一旦所有的129Xe为液体，则优选开启与抽空室或袋或其他输送装置或收集容器连接的隔离阀35。当然根据所连接的输送容器或贮器(图中未示出)可开启阀35、37。对于“机上”储蓄器而言如上所述隔离阀37是操作阀。压力的突然下降使液体129Xe变成气态并快速离开储蓄器30，籍此在不均匀的磁场中以气态花费最少的时间。类似地，如果使用“机上”的释放，则开启隔离阀37，气体流经阀47并离开出口50进入输送容器。熔化的常规方法包括向装填的容器开启指形冷冻器(储蓄器)，然后再开始进行熔化。对于单一病人剂量而言，完成这种熔化通常将需30秒或更多的时间。相比之下，本发明熔化法对于单一剂量的冷冻超极化气体而言完成所需的时间少于约10秒、优选少于约5-6秒。通常病人的剂量为约0.20-1.25升(L)，优选约0.5-1.0L。Xe的换算重量为约5.4克/L。类似地，固体Xe的密度约为3.1克/厘米3，可算出对应病人极化冷冻Xe的体积为约1.8厘米3/L。
与通过各种常规方法所进行的熔化相比较，对本发明熔化法的观察表明，在所熔化的129Xe的最终极化水平中有不低于约2的可靠因子的改进。
现参照图12A和12B，图12A示意了由常规熔化技术所得到的极化结果，而图12B则图解了由本发明上述改进的熔化法所得到的结果。每一个图描绘了129Xe熔化后的极化(％)与通过极化电池22(以及整个单元)的总气体流速的关系。对应的129Xe流速为总气体混合物的％。在所示的实施例中，129Xe构成了总气体混合物的约1％，因此129Xe的流速为总流速除以100。例如，在1000标准厘米3(每分钟的标准立方厘米(“sccm”))的流速下129Xe通常以10厘米3/分或600厘米3/小时的速率储蓄。需要较高的流速以增加129Xe的物料通过率。然而较高的流速减少了极化。这归因于较高流速下129Xe在停留时间中减少了与光泵的Rb进行自旋交换接触的时间。也就是Xe在电池22中的停留时间在数学上通常可以描述成等于气体压力乘以电池体积再除以流速(PV/m)图12A显示了常规的熔化技术得到散射的极化结果，这归因于熔化期间主要发生的无规极化损失。图12B示意了各种上述光泵特性，可得到对应于储蓄流速的可预言的熔化后极化水平。
如图12B中所示，当根据上述改进的方法(在压力下及进行内外加热)进行熔化时，对于低于1000 sccm的流速(或标准厘米3/分)，熔化后肯定能得到10％以上的极化水平。该图中所示的结果代表129Xe的体积为190厘米3(和Rb的极化水平为约0.25-0.49)。当然，如本领域中的技术人员所了解的那样，不同体积(即较大或较小)的极化气体将具有不同的与其相关的相对值。例如，较大体积的129Xe需要较长的时间进行极化，因此在相同的流速下，较大体积的极化将低于图12B中所示的值。换言之，对于较大量的极化气体而言，相关的极化曲线将位于图12B中所示例举的190厘米3体积极化气体所对应的值之下。同时，较大量的极化气体通常由于固相弛豫而损失较大。然而如图所示，本发明现提供一种冷冻气体的熔化方法，它将得到按照预料的初始极化曲线的熔化后极化曲线。相反，如图12A所示，熔化后的常规极化水平是高度不可预言的，平均约为4.4％。实际上，在约900sccm(标准厘米3/分)下极化点约为2.16％，而预言为18.7％，这使得保留分数为较低的12.2％(初始极化损失约87.8％)。与常规方法不同，本发明在熔化后得到了可根据储蓄期间所用的流速预言的极化水平。
图13示意了熔化前后实验与理论的极化水平。实验的流动曲线显示了冷冻前所得的极化水平(当129Xe离开泵池22时测量该水平)。在图上的各实验数据点代表通过对根据本发明所收集、冷冻的极化气体进行熔化所得的熔化数据点。实验数据证实了本发明的方法改进了现可获得的极化保留分数的可预言性并增加了极化保留分数的值(熔化后相对于冷冻前所得的极化量)。
图13A示意了用于预测一熔化后极化氙产品极化水平的流动曲线，该曲线代表在冷冻及熔化期间在没有极化损失的情况下可获得的熔化后极化水平。该曲线包括源自固体Xe正常弛豫(在77°K下通常可估计为约2小时)的损失。如图所示，低的流速通常具有相对较大的极化损失。这是因为在低流速下，储蓄时间可以相当漫长，而冰“T1”起着较大或更主要的作用。如图所示，对于所有流速而言，采用本发明的冷冻及熔化法所得的极化保留分数大于40％，平均约为49.9％。因此，如图13A所示，该极化保留分数基本上对流速不敏感。以下列举的数据显示现可获得的实例极化保留分数。
流速 极化(P)理论P实验保留分数300 2412.66 52.8％600 22.1 11.18 50.6％900 18.7 9.30 49.7％1200 15.9 7.83 49.2％1500 13.75 6.73 48.9％1800 12.08 5.90 48.8％2000 11.1 5.43 48.9％例如，在流速为600sccm的数据点处具有22.1的理论极化水平，而熔化后对应的实验数据点的极化水平为11.18。对于该流速而言，初始极化水平(储蓄/冷冻前)为22.1％。因此，冷冻/熔化过程后的极化保留分数为11.18/22.1或50.6％。因而本熔化技术保留了至少30％的初始极化水平，基于这个数据优选保留40％以上、最优选45％以上的初始极化水平。此外，改进的保留速率以数量级的幅度提高了熔化后的极化水平(与约2％的常规熔化极化水平相比现可预期的可靠极化水平超过约10％)。
虽然本发明的熔化方法特别适用于129Xe，但它也能成功地应用于其他的超极化稀有气体。此外，本领域的技术人员将会了解的是，用来使极化气体冷冻的制冷剂并不局限于液体N2。但如果使用其他的制冷源或制冷剂，则应相应调整流速、储蓄速率、“加热”气体温度等。此外，为了收集极化气体需要使用温度至少与液氮(77K)一样低的制冷源。较低的温度增加了固体极化气体的T1时间，从而使弛豫时间增加。例如，在液氮温度下冷冻的极化气体的冰弛豫时间(T1)约为2.8小时，而在液氦温度下冷冻的极化气体的冰弛豫时间(T1)约为12天。因此，为了在熔化后能获得较高的极化水平，优选在对应的T1时间内进行熔化。
图9、10和11为与本发明相关的各种方法的示意方框流程图。各种方法的顺序并不意味着受限于所示框图的数量及顺序。还可以包括此前所述的其他各种步骤。
图9示意了根据本发明一个实施方案用于储蓄或收集冷冻极化气体的各种步骤。将包含极化气体的气体混合物送入收集通道(方框900)。极化气体被收集通道中的储蓄器所接受。该储蓄器具有一个进口通道、一个收集贮存池和一个出口通道(方框910)。使收集贮存池暴露于极化稀有气体凝固点以下的温度(方框920)。极化气体基本上以冷冻的状态被截留于收集贮存池内(优选全部为固体冷冻状态)(方框930)。剩余的气体混合物进入出口通道(方框940)。加热一部分储蓄器中的进口通道以便利于气体混合物从中流过(方框950)。优选通过将从气体混合物中分离出来的一种气体对进口通道的预定区域进行导热来进行加热步骤(方框950)，除了进口通道和出口通道外都含有所分离的气体。然后所含的分离气体环绕一部分进口通道循环以减少由于在暴露步骤而导致的沿进口通道发生阻塞的可能性。
图10示意了根据本发明一个优选实施方案用于熔化冷冻极化气体的方法。提供一个密闭的容器，它包括一个内流动通道和一个用于保留冷冻极化气体的收集室(方框1000)。使冷冻气体暴露于磁场中(方框1005)。加热一部分与收集室相邻的一部分内流动通道(方框1010)。同时也加热密闭容器的外面(方框1020)。在加热步骤期间使冷冻气体液化以便使最少量的极化气体过渡到气态(相反大量的极化气体直接过渡到液相)(方框1030)。优选通过关闭隔离阀并将容器密封使压力增加到预定的水平(该水平对应于提供一种“瞬间”熔化所需的时间)来进行该液化步骤。换言之，阀门保持关闭的时间应尽可能地短(如上所述，对于单一病人剂量而言少于约10秒)，这个时间对应于在打开储蓄器隔离阀后得到全部气压所需的时间。根据液体Xe蒸汽压曲线可以计算这个释放压。参见V.A.Rabinovich等人的Thermophysical Properties of Neon,Argon,Krypton andXenon(Hemisphere Publishing CorpWash,1988年)。对于在低于200K的温度下30厘米3的储蓄器中储蓄0.5L而言，释放压的实例为低于约506.625-1013.25kPa(5-10atm)(并且至少低于约1722.525kPa(17atm))。该值随指形冷冻器的体积、储蓄体积以及液体Xe中气体温度的不同而异。参考文献Sauer等人的supra指出，对于161.4K下的Xe而言，P=81.06kPa(.81atm)，对于三点289.7K而言，P=5775.525kPa(57atm)，在240K下P=4053kPa(40atm)。因此，如方框1040所示，一达到液态即将气压从密闭的容器中释放出来。也优选如上所述般对其内面进行加热。
图11示意了根据本发明的一个实施方案用于延长极化气体产品极化储存期的方法。提供一个磁场(方框1100)。在磁场的存在下冷冻极化气体产品(方框1110)。将一定量的冷冻极化气体密封于防事故装置中(方框1115)。在磁场的存在下熔化极化气体(方框1120)。在熔化步骤期间大量的冷冻气体在密闭的容器内直接转化为液相(方框1130)。虽然在该图中未示出，但沿着上述的线可以采用各种其他的步骤。(例如，其他的步骤可包括(但不限于此)减少富含气体混合物中131Xe的量、加热流动通道的内面、采用喷嘴引导气流、通过开启各个阀使液体变成气体使防事故装置减压并将极化气体释放到一界面如带子或其他输送设备上)。
上述只是说明本发明而非对其进行限制。虽然我们已描述了本发明一些举例的实施方案，但本领域的技术人员很容易了解到，在不偏离本发明新颖的描述及优点的前提下在举例的实施方案中存在许多修改。因此，所有这些修改包括在如在权利要求所定义的本发明的范畴之内。在权利要求中，装置加功能的条款包括此处所述实现功能的结构，不但是结构的等价物，而且是等的结构。因此，应理解的是，上述是对本发明进行说明，不能视为对所公开的具体实施方案的限制，并且对所公开的实施方案以及其他实施方案的各种修改也包括在所附权利要求的范畴内。本发明由以下各权利要求所限定，包括权利要求内的各种等价物。
权利要求
1．一种延长极化稀有气体产品有用的极化储存期(polarization life)的方法，它包括以下各步骤提供磁场；冷冻极化的稀有气体；将冷冻的极化稀有气体密封于防事故设备中以便在其中收集一定量的冷冻极化气体；在磁场的存在下熔化极化稀有气体；和在所述熔化步骤期间，在密闭的容器中，将大量的冷冻稀有气体直接转化为液相。
2．根据权利要求1的方法，该方法还包括使防事故设备减压导致液体变成气态的步骤。
3．根据权利要求2的方法，其中所述减压步骤通过使防事故设备与收集容器相通来进行。
4．根据权利要求1的方法，其中所述熔化步骤通过加热防事故设备的外部和防事故设备内部的所选部分来进行。
5．根据权利要求1的方法，其中所述防事故设备的构型的能容纳单一病人的剂量，并且其中所述熔化步骤所需时间少于约10秒。
6．根据权利要求5的方法，其中所述熔化步骤所需时间少于约6秒。
7．根据权利要求1的方法，其中所述冷冻步骤在磁场的存在下进行，并且其中在所述熔化步骤后极化稀有气体保留超过约30％的所述极化稀有气体在冷冻步骤前的极化量。
8．根据权利要求1的方法，其中防事故设备包括在填充操作过程中将极化气体流引入到该容器底部的内喷嘴，并且其中所述熔化步骤包括加热该内喷嘴的一部分以便利于大量冷冻希有极化气体快速相变化为液体极化气体。
9．根据权利要求1的方法，其中所述冷冻步骤在第一部位进行，而所述转化步骤在远离第一部位的第二部位进行。
10．根据权利要求9的方法，该方法还包括在所述冷冻步骤之后和所述转化步骤之前的输送步骤，其中冷冻极化稀有气体包括129Xe并具有相关的弛豫时间T1，并且其中在T1时间结束前所述输送步骤将防事故设备输送至第二部位。
11．一种用于收集冷冻的极化稀有气体的低温储蓄器，它包括具有相反第一端和第二端的、其结构被做成引导极化气体从其中通过的主流动通道；环绕所述主流动通道的外套管，所述外套管具有位于所述主流动通道第二端下面的限定收集室的封端；和位于所述主流动通道和所述外套管之间的次流动通道，所述次流动通道具有紧挨着所述主流动通道第二端的封端。
12．根据权利要求11的低温储蓄器(cryogenic accumulator)，所述次流动通道具有圆柱状的内壁，其中所述内壁限定了所述主流动通道。
13．根据权利要求12的低温储蓄器，所述次流动通道具有一个外壁，其中所述外壁及所述外套管限定了其间的缓冲气体出口通道。
14．根据权利要求11的低温储蓄器，其中所述主流动通道第二端是一个喷嘴。
15．根据权利要求12的低温储蓄器，它还包括与所述主流动通道和所述缓冲气体出口通道相连的第一和第二隔离阀。
16．根据权利要求14的低温储蓄器，其中所述第一隔离阀位于所述主流动通道第一端处，以控制目标气体经过其中的流动。
17．根据权利要求15的低温储蓄器，其中所述第二隔离阀在沿所述缓冲气体出口通道远离所述外套管封端的位置上，以得到可释放的密封，并控制通过其间的气体的释放。
18．根据权利要求11的低温储蓄器，还包括次流动通道进口和出口和与所述进口流体相连的导管，其中所述导管沿所述次流动通道的主要部分延伸，籍此将热气体流引向所述主流动通道的预定区域。
19．根据权利要求11的与超极化单元结合在一起的低温储蓄器，其中将所述储蓄器被做成可从所述超极化单元中卸出的结构。
20．根据权利要求11的低温储蓄器，其中所述次流动通道与所述主流动通道相分离。
21．根据权利要求11的低温储蓄器，其中所述次流动通道被做成在操作上可与所述主流动通道相连的热源。
22．根据权利要求11的低温储蓄器，其中所述次流动通道是一个在结构上使气体循环通过其中的加热夹套。
23．根据权利要求22的低温储蓄器，其中所述次流动通道包括纵向延伸的导管，其构型使气体导入到与所述主流动通道的所述第二端相邻的所述次流动通道封端。
24．根据权利要求11的低温储蓄器，它还包括至少一个与所述收集室相邻的永久磁铁。
25．根据权利要求22的低温储蓄器，它还包括在操作上可与所述收集室相连的低温制冷源。
26．根据权利要求22的低温储蓄器，其中所述次流动通道的结构可使环境温度的气态氮通过其中进行循环。
27．根据权利要求22的低温储蓄器，所述储蓄器还包括至少一个与所述次流动通道相连的次流动通道出口。
28．根据权利要求27的低温储蓄器，它还包括在操作上与所述出口相连的流动调节阀，用以调节气体在其中的流动，籍此调节供应给至少一部分所述主流动通道的热量。
29．根据权利要求11的低温储蓄器，其中所述外套管、所述次流动通道和所述主流动通道径向排列于沿所述储蓄器长度的主要部分上。
30．一种用于冷冻所收集的极化稀有气体的制冷储蓄器的加热夹套，它包括具有相反第一端和第二端的外壁；具有相反第一端和第二端的内壁，所述内壁与所述外壁相分离，其中所述内壁在结构上紧靠着极化气体收集通道；所述外壁和内壁第二端的每一个底部密封；所述外壁和内壁第一端的每一个顶部密封，其中所述顶部、底部和内外壁限定了其中的至少一个密闭流体循环通道；与所述循环通道相连的流体进口；在结构上与所述循环通道相连的流体出口；包括气体的热源，其中所述流体进口和出口的结构可使气体能在所述循环通道中流动。
31．根据权利要求30的加热夹套，其中所述流体进口在操作上与阀相连，并且其中所述阀在所述循环通道中提供气体可调节的流速。
32．根据权利要求30的加热夹套，其中所述内外壁基本上是圆柱形且径向排列的。
33．根据权利要求30的加热夹套，所述内壁环绕一中央开口延伸，以限定经过其间的极化气体的流动通道。
34．根据权利要求31的加热夹套，其中所述内壁包括限定流动通道第一直径的第一部分，限定流动通道第二直径的逐渐减少的第二部分，所述第二直径小于所述第一直径。
35．根据权利要求34的加热夹套，其中所述逐渐减少的部分限定流动通道喷嘴。
36．根据权利要求30的加热夹套，它还包括位于所述密闭循环通道中并在操作中与所述流体进口相连的伸长导管。
37．一种用于收集冷冻希有极化气体的储蓄器，它包括具有相反进口和出口端的主流动通道，所述出口端在结构上类似于流动喷嘴，其中所述进口端可拆卸地连接于极化气体收集通道；和包括收集贮存池并与所述流动喷嘴相邻的外套管。
38．根据权利要求37的储蓄器，它还包括位于所述主流动通道与所述收集室之前的所述外套管之间的热源，设置所述热源为所述流动喷嘴提供热量。
39．根据权利要求37的储蓄器，其中所述热源包括位于所述外套管内并与所述外套管相分离的密闭加热夹套。
40．根据权利要求39的储蓄器，其中所述密闭加热夹套包括限定所述主流动通道的沿圆周延伸的内壁。
41．根据权利要求40的储蓄器，其中所述密闭加热夹套包括与所述内壁分隔的沿圆周延伸的外壁，它与所述外套管一起限定了与所述主流动通道相连的出口通道。
42．根据权利要求38的储蓄器，其中所述热源包括用于将预定的气流导入到所述流动喷嘴的导管。
43．根据权利要求40的储蓄器，其中所述密闭加热夹套包括排气口，并且其中所述加热夹套的结构使循环气体加热所述内壁并捕获气体和将其返回到所述排气口。
44．一种用于冷冻收集冷冻希有极化气体的方法，它包括以下步骤将包含极化稀有气体和第二种气体的气体混合物沿收集通道导入到储蓄器内；将气体混合物收集到位于收集通道中的储蓄器内，该储蓄器具有进口通道、收集贮存池和出口通道；将收集贮存池冷却至低于极化稀有气体凝固点的温度；在收集贮存池内捕获基本上处于冷冻状态的极化稀有气体；将包括第二种气体的剩余气体混合物送入出口通道；和加热储蓄器中一部分进口通道以便利于气体混合物通过其中的流动。
45．根据权利要求44的方法，其中所述加热步骤包括以下步骤将从气体混合物中分离出来的一种气体加热进口通道的预定区域，除了进口通道和出口通道以及收集贮存池之外都包括该分离的气体；使从气体混合物中分离出来的气体在一部分进口通道中循环，以提供导热给所选部分的进口通道并减少由于所述暴露步骤而引起的沿进口通道发生阻塞的可能性。
46．根据权利要求45的方法，其中所述导入步骤包括使气体混合物通过定向喷嘴流入到收集贮存池中。
47．根据权利要求44的方法，其中所述冷却步骤包括将底部的贮存池浸渍到液体制冷剂浴中。
48．根据权利要求44的方法，其中通过以下步骤提供所述加热步骤使室温的氮气环绕至少一部分进口通道的外侧；和捕获氮气并与冷冻储蓄的稀有气体分离而排放至大气中。
49．根据权利要求45的方法，其中所述加热步骤是一个可调节的加热步骤，通过调节循环气体的流速来增加或减少所提供的热量。
50．根据权利要求44的方法，该方法还包括以下步骤在收集贮存池中储蓄极化稀有气体；和在储蓄期间将气体暴露于磁场中。
51．根据权利要求50的方法，该方法还包括以下步骤将储蓄器从一部分收集通道中卸下；和将具有在磁场的存在下冷冻的极化气体的储蓄器输送至远处。
52．根据权利要求45的方法，其中所述极化气体为129Xe。
53．根据权利要求44的方法，其中所述气体混合物包括氙，它包括富含量的129Xe和低于约3.5％的同位素131Xe。
54．一种进行权利要求1的熔化和/或转化步骤的方法，该方法包括以下步骤提供具有内流动通道和收集室的密闭容器，收集室内存有冷冻的极化气体；将冷冻的极化气体暴露于磁场中；加热一部分与收集室相邻的内流动通道；和加热密闭容器的外侧。
55．根据权利要求54的方法，该方法还包括在熔化期间将大部分冷冻极化稀有气体液化的步骤。
56．根据权利要求55的方法，其中密闭容器在操作上与一对隔离阀相连，并且通过关闭阀门并使容器内的压力在所述加热步骤期间升高至预定的水平来进行液化步骤。
57．根据权利要求56的方法，该方法还包括以下步骤开启至少一个阀门以降低容器内的压力，使液化气体变成气态；和将气流导入到贮器内。
58．根据权利要求54的方法，其中在所述外加热步骤之前开始所述内加热步骤。
59．根据权利要求54的方法，其中所述极化气体为129Xe。
60．根据权利要求54的方法，其中所述内加热步骤包括通过在与内流动通道相邻的容器室中使气体循环来加热内流动通道。
61．根据权利要求60的方法，其中所述气体通过导管导入到收集室上方的内流动通道的底部。
62．根据权利要求54的方法，其中单一病人剂量的极化气体在少于10秒内被熔化。
63．根据权利要求55的方法，其中通过熔化，极化气体保留不低于约30％的其初始极化水平。
64．一种熔化所收集的冷冻极化气体的方法，它包括以下步骤提供具有内流动通道和收集室的密闭容器，该收集室中保留有冷冻极化气体；将冷冻极化气体暴露于磁场中；加热密闭容器的外侧；和在熔化期间液化大部分的冷冻极化稀有气体。
65．根据权利要求64的方法，其中密闭容器在操作上与一对隔离阀相连，并且在所述加热步骤期间通过关闭阀门而使容器内的压力升高至预定水平来进行液化步骤。
66．根据权利要求65的方法，该方法还包括以下步骤开启至少一个阀门以降低容器内的压力，使液化气变成气态；和将气流导入到贮器中。
67．根据权利要求64的方法，其中所述极化气体包括129Xe。
68．根据权利要求64的方法，其中单一病人剂量的极化气体在少于10秒内被熔化。
69．根据权利要求64的方法，其中通过熔化，极化气体保留其初始极化水平的至少30％。
70．根据权利要求1的方法生产的药用极化129Xe气体产品，该产品具有初始收集极化水平和后冷冻气体极化水平，使得气体极化水平至少为初始冷冻极化水平的30％。
71．根据权利要求1的方法加工的药用极化129Xe稀有气体产品，该129Xe产品在输送至使用者时的极化水平超过10％，并且其中的碱金属低于约10ppb，其中通过光泵送碱金属及包含129Xe和减少量的同位素131Xe的气体混合物，随后在磁场的存在下冷冻预定量的所述光泵送的超极化129Xe稀有气体，并将大部分的冷冻超极化129Xe从冷冻状态直接转化为液态，从而使所述129Xe超极化产品得以超极化。
72．根据权利要求71的极化稀有气体产品，其中所述光泵送气体混合物包含少于约0.1％的131Xe。
全文摘要
收集、熔化和延长可用的极化贮存期的冰冻极化气体的方法,它包括在熔化期间加热一部分流动通道和/或直接液化冰冻的气体。也包括具有延长极化贮存期产品的极化稀有气体产品。用于收集、贮存和输送极化稀有气体的相关设备如储蓄器和加热夹套包括在收集和熔化期间为一部分收集通道提供热量的次流体通道。
文档编号B01J19/26GK1284158SQ98813517
公开日2001年2月14日 申请日期1998年12月11日 优先权日1997年12月12日
发明者B·德雷休斯, D·佐林格, D·迪顿, K·C·哈森, A·兰格霍恩 申请人:磁成象技术公司