一种集成储存激光极化氙的装置及方法与流程

本发明涉及激光极化惰性气体原子核自旋、激光极化气体磁共振成像和波谱领域，具体涉及一种集成储存激光极化氙的装置，还涉及一种集成储存激光极化氙的方法，通过集成的固态储存方法，可以实现多冷阱单元更大容量的激光极化氙累积，满足于人体肺部激光极化气体氙磁共振成像应用和对肺部疾病的诊断要求。

背景技术：

与相同磁场和温度环境中由玻尔兹曼分布决定的惰性气体热平衡极化度相比，激光光泵和自旋交换方法[walkertg,happerw.rev.modernphys.,1997,69(2):629]可以使得激光极化氙-129、氙-131、氦-3、氪-83等惰性气体的原子核自旋高度极化、磁共振信号获得大于10,000倍的增强[zengxzetal.,journalofatomicandmolecularphysics,1990,7(4):1636]。让肺部吸入作为造影剂的激光极化惰性气体，可以实现肺部激光极化惰性气体的磁共振成像[muglerjpiii,driehuysb,brookemanjretal.,magn.reson.med.,1997,37:809]，解决了肺部在传统磁共振成像中一直是“盲区”问题。特别地，对于高度激光极化的惰性气体氙，因为其能够溶入血液和脂肪[clevelandzi,cofergp,metzgetal.,plosone,2010,5:e12192]，因此，作为新的方法也能够进一步地实现溶解态的磁共振成像，获得有价值的肺部结构或者功能方面的信息。

在通常情况下，流动工作方式的激光极化系统[zhoux,sunxp,luojetal.,chinesephys.lett.,2004,21(8):1501]还不能够直接产生用于人体肺部磁共振成像所要求的大容量激光极化氙气体,需要附加地使用一个激光极化氙收集／储存系统。基于激光光泵和自旋交换方法的激光极化系统实时生产高度核自旋极化氙气体，工作时，激光照射碱金属原子蒸气，当按照一定比例配比的混合气体（氙气+氮气+氦气）连续不断地流动通过自旋交换光泵系统时，与极化的碱金属原子碰撞自旋交换，激光极化碱金属原子的极化转移到氙原子的核自旋上后，流入到收集／储存系统里,通过低温和磁场将激光极化氙以固态形式保存，连续工作一段时间后,能够储存足够容量的激光极化氙。这里使用的收集／储存系统已经有多种的技术方案和类型[孙献平,周欣,罗军等,中国发明专利号:zl03125419.5,授权公告日:2006.01.02;gatzkem,catesgd,driehuysbetal.,phys.rev.lett.,1993,70:690]，通常地，其由磁场、杜瓦瓶和储存玻璃冷阱组成。由两块平板磁铁或者两组环状磁铁产生磁场，位于杜瓦瓶里的液氮或者液氦将储存玻璃冷阱中激光极化氙气体冷冻为固态，工作一段时间后累积到所需的容量并保持激光极化氙的核自旋极化度，需要使用时，将固态激光极化氙升华到气态[周欣，孙献平，赵修超等，中国发明专利号：zl201410096987.1,授权公告日：2016.01.20]，能够满足单次人体肺部气体磁共振成像对激光极化氙产率和极化度要求。

但是，收集／储存激光极化氙需要一定的时间。典型地，在自旋交换光泵系统中，激光功率65w，使用2%氙气混合气体和0.5slpm（stardliterperminute）流量，激光极化氙气的产率为600ml/h和核自旋极化度可达15%。对于临床人体肺部疾病的磁共振成像，要求能够连续为多个病人进行病理检测和诊断，或许使用多个收集／储存系统能够实现预先储存激光极化氙的问题，但是，凸显出的问题是：多个传统独立的收集／储存系统占位面积大，并且需要有人一直值守，观测液氮或者液氦的损耗并随时进行补充添加。因此，对于连续进行人体肺部磁共振成像的检测和诊断来说，迫切地需要发展一种新型、使用更加方便、集成储存激光极化氙的装置。

技术实现要素：

为了克服使用多个收集／储存系统要求数量多、体积大、并且工作中不能离人等问题，本发明专利提出一种集成储存激光极化氙的装置，由多组储存激光极化氙的冷阱单元和用于保持核自旋极化度的永磁铁磁场单元集成组成，还提出一种集成储存激光极化氙的方法。这样，在传统工作方式下，预先储存能够多次用于肺部磁共振成像的激光极化氙。为了避免在储存过程中需要不断地添加液氮或者液氦的问题，本发明不使用液氮和液氦，设计固态储存激光极化氙使用深低温保温箱。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术措施：

一种集成储存激光极化氙的装置，包括保温室，还包括用于对保温室的内部进行制冷的制冷单元以及用于控制制冷单元的制冷温度的控制单元，

保温室内设置有若干个冷阱单元，冷阱单元包括螺旋管，螺旋管一端通过内真空套管管道与进气连接头连接，螺旋管另一端通过外管道与出气连接头连接，螺旋管的两侧设置有用于提供磁场的永磁铁，内真空套管管道上设置有进气真空阀门，外管道上设置有出气真空阀门。

如上所述的螺旋管竖直放置，螺旋管底端与内真空套管管道连接，螺旋管顶端与外管道连接。

如上所述的制冷单元设置在保温室的底部，保温室的上部通过交叉设置的纯铁纵板和纯铁横板分隔成若干个阵列分布的方格单元，螺旋管设置在方格单元内，方格单元上盖设有保温盖板，内真空套管管道和外管道均贯穿保温盖板。

每个方格单元内均设置有两个位于螺旋管两侧的永磁铁，每个方格单元中的两个永磁铁在方格单元的中心产生一个均匀磁场区域。

如上所述的进气连接头与进气管连通，进气管上设置有外部进气真空阀门，出气连接头还分别与出气管和清洗管连通，出气管上设置有外部出气真空阀门，清洗管上设置有清洗真空阀门。

一种集成储存激光极化氙的方法，包括以下步骤：

步骤1、使用795nm波长的圆偏振激光照射碱金属原子蒸气，使得碱金属原子自旋极化，

步骤2、将氙气、氮气、氦气的混合气体与自旋极化后的碱金属原子碰撞自旋交换，使得氙-129原子核自旋高度极化，得到进气g1；

步骤3、打开外部进气真空阀门、进气真空阀门，进气g1依次通过进气管、进气连接头和内真空套管管道输送到螺旋管中，进气g1中的激光极化氙-129气体成为固态激光极化氙-129储存在螺旋管中，打开外部出气真空阀门和出气真空阀门，剩余气体作为出气g2依次通过外管道、出气连接头和出气管排出螺旋管。

本发明与现有技术相比，优点在于：

1）本发明装置里不包含收集／储存系统中常用的杜瓦瓶，在这样的情况下，一是使得结构更易优化、小型化，永磁铁可直接靠近冷阱单元的螺旋管；二是能够使得设计每个永磁铁磁场单元里两片永磁铁靠的更近、中心区域产生的磁场更强、更均匀，由此更易于长时间保持固态激光极化氙的核自旋极化度；

2）将本发明装置取代传统相同冷阱单元数目的独立收集／储存系统，集成化的设计使得相邻两个永磁体磁场单元中间可以使用共同的纯铁纵板和纯铁横板，由此减少了使用纯铁纵板和纯铁横板的数量，也极大地减小了占位面积；

3）冷阱单元内壁使用了特富龙材料涂层，与不使用特富龙材料的冷阱单元相比，激光极化氙的固态收集／存储中核自旋极化度损失可减少约15%；

4）本发明装置里不使用液氮或者液氦，使用的是深低温保温箱，其能够提供满足激光极化氙固态储存所需的深低温条件，固态储存激光极化氙的温度更稳定，也避免了工作时需要有人值守、不断手动添加液氮或者液氦的问题。

因此，本发明装置使用深低温保温箱+永磁铁磁场单元和特富龙材料涂层冷阱单元的集成方法，对于固态储存激光极化氙是非常实用、有效，由此产生的大容量激光极化气体造影剂对于基于磁共振成像的人体肺部疾病的结构和功能检测、以及早期诊断具有重要的应用价值。

附图说明

图1为一种集成储存激光极化氙的装置原理图（正面视图）；

图中：1-制冷单元；2-保温室；3-控制单元；4-第一冷阱单元；5-第二冷阱单元；6-第三冷阱单元；7-第四冷阱单元；8-第五冷阱单元；9-第一纯铁纵板；10-第二纯铁纵板；11-第三纯铁纵板；12-第四纯铁纵板；13-第五纯铁纵板；14-第六纯铁纵板；15-第一永磁铁；16-第二永磁铁；17-第三永磁铁；18-第四永磁铁；19-第五永磁铁；20-第六永磁铁；21-第七永磁铁；22-第八永磁铁；23-第九永磁铁；24-第十永磁铁。

图2为一种集成储存激光极化氙的装置的冷阱单元原理图；

图中：31-螺旋管；32-保温盖板；33-进气真空阀门；34-进气连接头；35-出气连接头；36-出气真空阀门；37-外管道；38-内真空套管管道。

图3为一种集成储存激光极化氙的装置的冷阱单元实施示意图；

图中：41-外部进气真空阀门；42-外部出气真空阀门；43-清洗真空阀门；44-进气管；45-出气管；46-清洗管；g1-进气；g2-出气；v-真空。

图4为一种集成储存激光极化氙的装置实施示意俯视图；

图中：51-放入冷阱单元；52-未放入冷阱单元；53-加有保温盖板；2-保温室；3-控制单元；61-第一纯铁横板；62-第二纯铁横板；63-第三纯铁横板；64-第四纯铁横板；65-第五纯铁横板；66-第六纯铁横板；67-第七纯铁横板。

具体实施方式

下面结合附图1、图2、图3和图4对本发明作进一步详细描述，但是本发明不限于本实施例：

实施例1：

一种集成储存激光极化氙的装置，包括保温室2，还包括用于对保温室2的内部进行制冷的制冷单元1以及用于控制制冷单元1的制冷温度的控制单元3，

保温室2内设置有若干个冷阱单元，冷阱单元包括螺旋管31，螺旋管31一端通过内真空套管管道38与进气连接头34连接，螺旋管31另一端通过外管道37与出气连接头35连接，螺旋管31的两侧设置有用于提供磁场的永磁铁，内真空套管管道38上设置有进气真空阀门33，外管道37上设置有出气真空阀门36。

优选的，螺旋管31竖直放置，螺旋管31底端与内真空套管管道38连接，螺旋管31顶端与外管道37连接。

优选的，所述的制冷单元1设置在保温室2的底部，保温室2的上部通过交叉设置的纯铁纵板和纯铁横板分隔成若干个阵列分布的方格单元，螺旋管31设置在方格单元内，方格单元上盖设有保温盖板32，内真空套管管道38和外管道37均贯穿保温盖板32。

优选的，每个方格单元内均设置有两个位于螺旋管31两侧的永磁铁，每个方格单元中的两个永磁铁在方格单元的中心产生一个均匀磁场区域。

优选的，所述的进气连接头34与进气管44连通，进气管44上设置有外部进气真空阀门41，出气连接头35还分别与出气管45和清洗管46连通，出气管45上设置有外部出气真空阀门42，清洗管46上设置有清洗真空阀门43。

一种集成储存激光极化氙的方法，包括以下步骤：

步骤1、使用795nm波长的圆偏振激光照射碱金属原子蒸气，使得碱金属原子自旋极化，

步骤2、氙气、氮气、氦气的混合气体与自旋极化后的碱金属原子碰撞自旋交换，使得氙-129原子核自旋高度极化，得到进气g1；

步骤3、打开外部进气真空阀门41、进气真空阀门33，进气g1依次通过进气管44、进气连接头34和内真空套管管道38输送到螺旋管31中，进气g1中的激光极化氙-129气体成为固态激光极化氙-129储存在螺旋管31中，打开外部出气真空阀门36和出气真空阀门36，剩余气体作为出气g2依次通过外管道37、出气连接头35和出气管45排出螺旋管31。

实施例2：

碱金属以使用铷为例，工作气体使用混合气体氙气+氮气+氦气，人体肺部磁共振成像使用激光极化氙-129气体作为造影剂。

如图1装置原理图（正面视图）所示，一种集成储存激光极化氙的装置：

纯铁纵板包括第一纯铁纵板9、第二纯铁纵板10、第三纯铁纵板11、第四纯铁纵板12、第五纯铁纵板13、第六纯铁纵板14。

纯铁横板包括第一纯铁横板和第二纯铁横板。

冷阱单元包括由上述纯铁纵板和纯铁横板分隔成的第一冷阱单元4、第二冷阱单元5、第三冷阱单元6、第四冷阱单元7、第五冷阱单元8。

永磁体包括第一永磁铁15、第二永磁铁16、第三永磁铁17、第四永磁铁18、第五永磁铁19、第六永磁铁20、第七永磁铁21、第八永磁铁22、第九永磁铁23、第十永磁铁24。

其他与实施例1一致。

如图3所示，进气g1（包含了激光极化氙-129的混合气体）通过开启的外部进气真空阀门41进入冷阱单元，外部进气真空阀门41连接冷阱单元的进气连接头34。出气g2（储存工作时为氮气+氦气，或者，升华时为激光极化氙气体）通过开启的外部出气真空阀门42流出，清洗真空阀门43的开启为冷阱单元提供真空清洁处理。为了更好地保持激光极化氙的核自旋极化度，冷阱单元内壁使用了特富龙材料涂层。

当需要连续进行人体肺部激光极化氙-129气体磁共振成像研究时，预先开启本发明装置中的控制单元3，让制冷单元1工作，保温室2内温度保持在能够产生固态氙的深冷低温-132摄氏度。同时，开启一个流动工作模式的自旋交换光泵系统（这里没有给出），让自旋交换光泵系统工作。一台65w半导体阵列激光器+光学系统发射一束795nm波长的圆偏振激光，照射自旋交换光泵系统中的铷原子蒸气，使铷原子蒸气自旋极化，同时，氙气+氮气+氦气的混合气体连续流动与铷原子蒸气混合，其中自旋极化的铷原子与混合气体中的氙-129原子碰撞自旋交换，使得氙-129原子核自旋高度极化，获得进气g1。然后，来自于自旋交换光泵系统的进气g1（包含了激光极化氙-129的混合气体）经过开启的外部进气真空阀门41、进入第一冷阱单元4。集成储存激光极化氙-129的过程中，进气g1（包含了激光极化氙-129的混合气体）继续流动、通过放置于保温室2里永磁铁磁场中第一冷阱单元5的进气连接头34、开启的进气真空阀门33、内真空套管管道38，进入螺旋管31。进气g1（包含了激光极化氙-129混合气体）到达螺旋管31后，激光极化氙-129成为固态被储存，而氮气+氦气不能形成固态，因此作为出气g2，继续流动通过外管道37、开启的出气真空阀门36、出气连接头35流出第一冷阱单元5。这时，第二冷阱单元6、第三冷阱单元7、第四冷阱单元8、第五冷阱单元9的进/出气真空阀门都是被关闭的。当流动工作模式的自旋交换光泵系统工作一段时间，第一冷阱单元5储存激光极化氙-129达到一次人体肺部磁共振成像要求的容量之后，关闭第一冷阱单元5的进/出气真空阀门，依次开启第二个冷阱单元6、第三冷阱单元7、第四冷阱单元8、第五冷阱单元9的进/出气真空阀门，重复第一冷阱单元5储存激光极化氙-129的过程，最终实现多冷阱集成储存激光极化氙-129的结果。用于人体肺部激光极化氙-129气体磁共振成像时，依次从保温室2中将第一冷阱单元5、第二冷阱单元6、第三冷阱单元7、第四冷阱单元8、第五冷阱单元9取出，升华固态激光极化氙-129为气体，作为出气g2，就可以直接作为磁共振成像造影剂使用了。

其中：

a）制冷单元1，是保温箱运行的核心部分，使用压缩机制冷，混合工质制冷剂。与保温室2和控制单元3一起共同组成保温箱，为储存激光极化氙-129提供要求的工作温度；

b）保温室2，是保温箱的保温部分，永磁铁和冷阱单元都集成安装在内。作为一个例子，选择型号为dw-135w42的深低温保温箱，其工作温度能够到达-135摄氏度，箱内尺寸为650x700x1100mm，为集成储存激光极化氙-129提供了储存空间和保温工作环境；

c）控制单元3，是保温箱的控制部分。温度探头为pt100铂电阻，微电脑专用控制器，为储存激光极化氙-129提供稳定的温度控制；

d）第一冷阱单元4，用于固态储存激光极化氙-129，同时分离混合气体中的氮气+氦气。如图2所示，包括螺旋管31、进气真空阀门33、出气真空阀门36、进气连接头34、出气连接头35、外管道37、内真空套管道38、以及保温盖板32，为了减少激光极化氙在固态收集／存储中的核自旋极化度损失，螺旋管31、外管道37和内真空套管道38的内壁设置有特富龙材料涂层；

e）第二冷阱单元5、第三冷阱单元6、第四冷阱单元7、第五冷阱单元8与第一冷阱单元4的材质、结构、尺寸、涂层、功能完全相同；

f）第一纯铁纵板9，材质为dt4c电工纯铁，与第二纯铁纵板10、第一纯铁横板61、第二纯铁横板62、第一永磁铁15、第二永磁铁16一起构成永磁铁磁场单元，在第一永磁铁15和第二永磁铁16之间产生一个磁场区域，典型地磁场强度为0.35t；

g）第二纯铁纵板10、第三纯铁纵板11、第四纯铁纵板12、第五纯铁纵板13、第六纯铁纵板14与第一纯铁纵板9的材质、结构、尺寸、功能完全相同；其中，对于第二纯铁纵板10、第三纯铁纵板11、第四纯铁纵板12和第五纯铁纵板13，集成化的设计使得相邻两个永磁体磁场单元中间可以将它们作为共同的纯铁纵板使用，与数量相同的分立收集／储存装置相比，减少了使用纯铁纵板的数量；

h）第一永磁铁15，材质为钕铁硼nd2fe14b，型号为n52。与第二永磁铁16配对使用，并且与第一纯铁纵板9、第二纯铁纵板10、第一纯铁横板61、第二纯铁横板62联合产生一个磁场区域；

i）第二永磁铁16、第三永磁铁17、第四永磁铁18、第五永磁铁19、第六永磁铁20、第七永磁铁21、第八永磁铁22、第九永磁铁23、第十永磁铁24与第一永磁铁15的材质、型号、结构、尺寸、功能完全相同；

j）螺旋管31，材质为玻璃，内壁使用特富龙材料涂层，是冷阱单元的核心部分——固态激光极化氙-129的储存区域。工作时，第一冷阱单元中的螺旋管31位于第一永磁铁15和第二永磁铁16之间的磁场区域里；

k）保温盖板32，材质为聚四氟乙烯+保温泡沫，与安装在冷阱单元上，其作用是当冷阱单元放置在保温室2里永磁铁磁场单元中时，作为一个保温盖，保持冷阱单元处深低温的温度稳定；

l）进气真空阀门33，玻璃材质，控制冷阱内真空套管管道38的对外开启与关闭；出气真空阀门36与进气真空阀门33材质相同，其作用是控制冷阱外管道37的对外开启与关闭；

m）进气连接头34，材质为特富龙，用于快速连接进气管道及外部进气真空阀门41；出气连接头35材质与进气连接头34相同，用于快速连接出气管道及外部出气真空阀门41、清洗真空阀门43；

n）外管道37，玻璃材质，内壁设置有特富龙材料涂层，作为气体流出的管道。在两种情况下工作：a)含有激光极化氙-129的混合气体流入螺旋管31后，由于深低温的作用，激光极化氙-129被冷冻成为固态被留存在螺旋管31里，而氮气+氦气体仍然是气态，则通过外管道37流出本发明装置；b)在螺旋管31里的固态激光极化氙-129升华为气体后，流动通过外管道37流出本发明装置；

o）内真空套管管道38，玻璃材质，真空套管设计是防止包含有激光极化氙-129的混合气体流动、经过时不被冷冻存留在管内，即保证包含有激光极化氙-129的混合气体无阻碍地流入螺旋管31内。内真空套管管道38内壁设置特富龙材料涂层是为了减少流经的激光极化氙-129气体核自旋极化度的损失；

外部进气真空阀门41，材质为特富龙，用于控制进气g1；

p）外部出气真空阀门42和清洗真空阀门43，材质与外部进气真空阀门41相同。外部出气真空阀门42用于控制出气g2，清洗真空阀门43开启是用于控制真空工作，关闭则真空不工作；

q）进气管44，出气管45分别为外部气体进气和出气的管道；

r）清洗管46是用于真空清洗冷阱的管道；

s）进气g1，是来自于自旋交换光泵系统的包含有激光极化氙-129的混合气体；

t）出气g2，在冷阱单元进行固态储存激光极化氙-129，出气g2为氮+氦气体；在升华固态激光极化氙-129成为气体后，出气g2是激光极化氙-129气体；

u）真空v，在冷阱单元工作之前或者之后，用于清洁冷阱单元内部杂质气体。

实施例3：

如图4所示，是本发明专利的一个实施例俯视图。一种集成储存激光极化氙的装置：

纯铁纵板包括第一纯铁纵板9、第二纯铁纵板10、第三纯铁纵板11、第四纯铁纵板12、第五纯铁纵板13、第六纯铁纵板14。

纯铁横板包括第一纯铁横板61、第二纯铁横板62、第三纯铁横板63、第四纯铁横板64、第五纯铁横板65、第六纯铁横板66、第七纯铁横板67。

冷阱单元包括由上述纯铁纵板和纯铁横板分隔成的30个冷阱单元。

永磁体包括60个永磁铁，每个冷阱单元内一对永磁铁。

其他与实施例1一致。

设计集成的冷阱单元个数依赖于选择使用的深低温保温箱尺寸，当选择了工作温度能够到达-135摄氏度的dw-135w42深低温保温箱后，根据保温室2内尺寸以及实际应用的需要，可以集成放入冷阱单元，最多集成放入三十个永磁体对和相同数目的冷阱单元，为集成储存激光极化氙-129提供集成储存空间和保温工作环境，对于产生大容量激光极化氙-129提供了技术上的保证。

a）放入冷阱单元51，表示在其中一个方格单元中的一对永磁铁之间放入了一个冷阱单元，俯视能够看到冷阱单元上的保温盖板32；

b）未放入冷阱单元52，表示在一个方格单元中的一对永磁铁之间未放入冷阱单元，俯视是空的；

c）加有保温盖板53，表示在当需要使用激光极化氙-129时，从本发明装置的一个方格单元中的一对永磁铁之间取出一个包含有激光极化氙-129的冷阱单元后，仍然需要使用保温盖板对那个方格单元进行保温；

d）第一纯铁横板61，材质与第一纯铁纵板相同，与第二纯铁横板62、第一纯铁纵板9、第二纯铁纵板10、第一永磁铁15、第二永磁铁16联合使用，在第一永磁铁15和第二永磁铁16之间的空间产生一个保持激光极化氙-129核自旋极化度的磁场；

e）第二纯铁横板62、第三纯铁横板63、第四纯铁横板64、第五纯铁横板65、第六纯铁横板66和第七纯铁横板67，材质、作用等均与第一纯铁横板61相同。其中，对于第二纯铁横板62、第三纯铁横板63、第四纯铁横板64、第五纯铁横板65和第六纯铁横板66，集成化的设计使得相邻两个永磁体磁场单元中间可以分别将它们作为共同的纯铁横板使用，与数量相同的分立收集／储存装置相比，减少了使用纯铁横板的数量。

当本发明装置只使用部分冷阱单元时，即：只有部分冷阱单元放置于永磁体磁场单元里，其余空置的永磁体磁场单元都需要使用保温盖板，以保持保温室里的工作温度。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。