專利名稱：極化氣體儲(chǔ)蓄器和加熱夾套及相關(guān)的氣體收集和熔化方法以及極化氣體產(chǎn)品的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是在政府資助下(獲得AFSOR授予號(hào)F41624-97-C-9001)完成的。因此在本發(fā)明中美國(guó)政府享有一定的權(quán)益。
本發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明涉及極化稀有氣體的收集和儲(chǔ)蓄(accumulation)，更具體地說，涉及用于各種醫(yī)學(xué)診斷方法如磁共振成像(“MRI”)和光譜應(yīng)用中的超極化氣體的生產(chǎn)。
本發(fā)明背景通常人們采用MRI通過在人體內(nèi)激發(fā)氫分子中的原子核(存在于水的質(zhì)子中)來產(chǎn)生影像。然而最近人們發(fā)現(xiàn)極化的稀有氣體可以得到在人體某些區(qū)域和部位上以前無(wú)法產(chǎn)生令人滿意的這種形態(tài)的影像的改進(jìn)影像。人們已發(fā)現(xiàn)極化氦3(“3He”)和氙-129(“129Xe”)特別適用于此目的。但很遺憾的是，如將在以下所討論的那樣，氣體的極化狀態(tài)對(duì)處理?xiàng)l件和環(huán)境條件極為敏感，并且可以不合需要地較快從極化狀態(tài)中衰變出來。
超極化器可用來產(chǎn)生并儲(chǔ)蓄極化的稀有氣體。超極化器人為地增強(qiáng)了某些稀有氣體原子核(如129Xe或3He)超過自然或平衡水平的極化作用，即玻爾茲曼極化作用。這種增加是合乎需要的，因它增強(qiáng)并增加了磁共振成像(“MRI”)的信號(hào)強(qiáng)度，使醫(yī)生獲得體內(nèi)物質(zhì)良好的影像。參見Albert等人的美國(guó)專利第5,545,396號(hào)，其公開通過引用并入本文。
為了生產(chǎn)超極化氣體，人們通常將稀有氣體與光泵送(opticallypumped)的堿金屬蒸汽如銣(“Rb”)混合在一起。這些光泵送的金屬蒸汽與稀有氣體的核相碰撞，通過一種公知為“自旋交換”的現(xiàn)象使稀有氣體超極化。通過采用堿金屬第一主共振波長(zhǎng)(如對(duì)Rb而言為795納米)的圓偏振光照射堿金屬蒸汽實(shí)現(xiàn)堿金屬蒸汽的“光泵送”。一般來說，基態(tài)的原子被激發(fā)，隨后又衰變回基態(tài)。在一個(gè)適中的磁場(chǎng)(10高斯)下，原子在基態(tài)和激發(fā)態(tài)之間的循環(huán)在幾個(gè)微秒內(nèi)原子可獲得近100％的極化。這種極化一般通過堿金屬的孤價(jià)電子特性進(jìn)行。在無(wú)零核的自旋稀有氣體的存在下，堿金屬蒸汽原子可以價(jià)電子的極化在其中通過相互自旋翻轉(zhuǎn)“自旋交換”而傳遞給稀有氣體原子核的方式與稀有氣體原子碰撞。
人們通常使用激光來光泵送堿金屬。各種激光發(fā)出各種波長(zhǎng)帶的光信號(hào)。對(duì)于一些類型的激光為了改進(jìn)光泵送方法(特別是那些具有較寬帶寬的發(fā)射)，可將堿金屬的吸收或共振譜線寬度制造得更寬，以便更接近地對(duì)應(yīng)所選激光的特定激光發(fā)射帶寬。通過壓力加寬即通過在光泵送室中采用一種緩沖氣體可得到這種加寬。堿金屬蒸汽與緩沖氣體的碰撞將導(dǎo)致堿金屬吸收帶寬的加寬。
例如，我們知道，每單位時(shí)間所生產(chǎn)的極化129Xe的量與Rb蒸汽所吸收的光的功率成正比。因此極化大量的129Xe通常將需要大的激光功率。當(dāng)采用二極管激光數(shù)組(array)時(shí)，正常的Rb吸收線帶寬通常比激光發(fā)射帶寬的窄好幾倍。通過采用緩沖氣體可增加Rb的吸收范圍。當(dāng)然，緩沖氣體的選擇通過潛在地將堿金屬的角動(dòng)量損失引入到緩沖氣體而不是按需要引入到稀有氣體，也可以不合需要地影響Rb-稀有氣體的自旋交換。
不管怎樣，自旋交換結(jié)束后，在引入到病人體內(nèi)之前將超極化的氣體與堿金屬分開。但很遺感的是，在收集后及收集期間，超極化氣體可以變質(zhì)或衰變得較快(失去其超極化狀態(tài))，因而必須小心地加以處理、收集、轉(zhuǎn)運(yùn)和儲(chǔ)存。由于超極化狀態(tài)對(duì)環(huán)境和處理的各種因素的靈敏度以及氣體潛在的從其超極化狀態(tài)中不合需要地衰變，因此超極化氣體的處理是關(guān)鍵的。
一些儲(chǔ)蓄體系采用低溫儲(chǔ)蓄器(accumulator)將緩沖氣體從極化氣體中分離出來并冷凍所收集的極化氣體。但令人遺憾的是，由于在冷凍氣體的最終熔化(thawing)后氣體的極化水平可以潛在地不合需要地減少達(dá)數(shù)量級(jí)，使得氣體極化作用的減少成為一個(gè)問題。此外，也是不利之處，儲(chǔ)蓄器接近低溫源的極低操作溫度有時(shí)可阻塞儲(chǔ)蓄器的收集平面，以至降低收集速率、甚至阻止進(jìn)一步的收集工作。
本發(fā)明的目的及概要根據(jù)上述，因此本發(fā)明的目的之一是延長(zhǎng)所收集的極化稀有氣體的極化儲(chǔ)存期(polarization life)并降低在最終使用點(diǎn)之前所收集的極化氣體中發(fā)生去極化的數(shù)量。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種改進(jìn)的、可用于基本上連續(xù)生產(chǎn)環(huán)境中的低溫儲(chǔ)蓄器。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種改進(jìn)的、在加工期間能減少極化損失量的收集設(shè)備及方法。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種使在傳送至最終使用者之前由于冷凍極化氣體的熔化而導(dǎo)致的去極化效應(yīng)降低到最低程度的方法。
這些及其他目的由本發(fā)明具有一內(nèi)加熱夾套的低溫儲(chǔ)蓄器而得以實(shí)現(xiàn)。具體而言，本發(fā)明的第一方面涉及一個(gè)用于收集極化稀有氣體的低溫儲(chǔ)蓄器，它包括一個(gè)具有相對(duì)的第一和第二端(其結(jié)構(gòu)使極化氣體在其中通過)的主流體通道以及圍繞該主流動(dòng)通道的外部套管。該外部套管在流體通道第二端下部具有封端收集室。該儲(chǔ)蓄器也包括位于主流體通道與外部套管之間的次流體通道。該次流體通道在與主流體通道第二端靠得很近處有一個(gè)封端。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，外部套管及次流體通道的外壁限定了其間緩沖氣體的出口通道，而(周圍伸展的)次流體通道的內(nèi)壁則限定了主流體通道。也優(yōu)選將主流體通道第二端做成噴嘴的形式，將次流體通道做成加熱夾套以便使室溫的干燥氣體如氮?dú)馔ㄟ^其中循環(huán)。循環(huán)氮?dú)馀c流體通道分開，起著補(bǔ)償或保護(hù)噴嘴面積免遭沿主流體通道外面流過的冷卻緩沖氣體及與制冷浴相關(guān)的低溫的影響。這種次流體通道可以有利地減少主流體通道噴嘴由于稀有氣體的升華而造成冷凍及阻塞的可能性。
另外并優(yōu)選該儲(chǔ)蓄器包括與主流動(dòng)通道及緩沖氣體出口通道相連的第一和第二隔離閥。第一隔離閥位于主流動(dòng)通道的第一封端處，可以用來控制目標(biāo)氣體在其中的流動(dòng)。第二隔離閥與沿緩沖氣體出口通道的外部套管封端相分隔，以便可開關(guān)密閉和控制緩沖氣體通過其中的釋放。在該實(shí)施方案中，將該儲(chǔ)蓄器做成含有MRI-大小數(shù)量(如0.5-2升極化氣體)并可從超極化器單元中拆開以便于轉(zhuǎn)運(yùn)至遠(yuǎn)處。
本發(fā)明的另一方面涉及用于冷凍儲(chǔ)蓄器的加熱夾套。該夾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內(nèi)壁。內(nèi)壁與外壁相分隔。將內(nèi)壁做成靠近極化氣體收集路徑。夾套也包括連接和密封每一個(gè)外壁及內(nèi)壁的蓋板和底板。蓋板、底板、外壁和內(nèi)壁限定了至少一種在其間的封閉流體(如氣體或液體)循環(huán)通道。夾套也包括與循環(huán)通道相連的流體和流體出口。將流體入口和出口做成使流體、氣體或氣體混合物在循環(huán)通道內(nèi)流動(dòng)。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，加熱夾套流體入口在操作上與一個(gè)閥相連接，使得其能在循環(huán)通道中提供預(yù)定流速的氣體。也優(yōu)選內(nèi)壁沿中心開孔周邊延伸以便限定極化氣體通過其中的流動(dòng)通道。
還優(yōu)選內(nèi)壁包括限定流動(dòng)通道第一直徑的第一部分和限定流動(dòng)通道第二直徑的減少的部分。在該實(shí)施方案中，第二直徑小于第一直徑并限定流動(dòng)通道噴嘴。
本發(fā)明的還一個(gè)方面涉及用于收集極化氣體的儲(chǔ)蓄器。該儲(chǔ)蓄器包括具有相反入口端和出口端(出口端做成流動(dòng)噴嘴)的主流動(dòng)通道。入口端可拆卸地連接于極化氣體收集路徑。該儲(chǔ)蓄器也包括具有與流動(dòng)噴嘴相連的收集室的外套管。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，該儲(chǔ)蓄器包括一個(gè)如上所述的密封加熱夾套的熱源。在操作中，將該熱源安置在設(shè)備中加熱流動(dòng)噴嘴以防極化氣體在其中阻塞或冷凍。在主流動(dòng)路徑中具有噴嘴的儲(chǔ)蓄器可有助于除去并捕獲來自進(jìn)口流的所有超極化氣體，減少任何釋放極化氣體的浪費(fèi)。使用噴嘴改進(jìn)了極化氣體如129Xe的定位化。此外，這種噴嘴還可使所儲(chǔ)蓄的129Xe的熱負(fù)荷減少至最低程度(如此延長(zhǎng)了其弛豫(relaxation)或衰變時(shí)間)。使用加熱的夾套使在冷凍流動(dòng)區(qū)域中能使用噴嘴，并通過在流動(dòng)路徑的噴嘴區(qū)域中減少任何阻塞可改進(jìn)噴嘴的操作或功能。
本發(fā)明的另一方面涉及收集極化稀有氣體的方法。該方法包括將包含極化稀有氣體的氣體混合物引入到收集路徑中。將氣體混合物送入位于收集路徑中的儲(chǔ)蓄器內(nèi)。該儲(chǔ)蓄器具有一個(gè)入口通道、一個(gè)收集儲(chǔ)氣裝置和一個(gè)出口通道。收集儲(chǔ)氣裝置置于極化稀有氣體凝固點(diǎn)以下的溫度。極化稀有氣體以基本上冷凍的狀態(tài)被捕獲于收集儲(chǔ)存器內(nèi)。將氣體混合物的剩余部分送入出口通道。將一部分收集通道加熱或溫?zé)嵋员憷跉怏w混合物通過其中的流動(dòng)。優(yōu)選加熱步驟包括將一種從氣體混合物分離出來的氣體引入到入口路徑預(yù)定的區(qū)域(除了入口路徑外還包括該預(yù)定區(qū)域)中的步驟。從氣體混合物中分離出來的氣體在約一部分入口路徑中循環(huán)以將導(dǎo)熱提供給至少一部分入口路徑并籍此減少由于暴露步驟所造成的沿入口路徑堵塞的可能性。優(yōu)選通過室溫的N2氣體沿至少一部分入口路徑通道的外部進(jìn)行循環(huán)提供加熱。然后N2氣體被捕獲并離開冷凍的所儲(chǔ)蓄稀有氣體排放到大氣中。
本發(fā)明的再一方面涉及熔化冷凍極化氣體的方法。在該方法中提供一密閉的容器。該容器具有內(nèi)流動(dòng)路徑和收集室，收集室做成保留其中的冷凍極化氣體的形式。將冷凍的極化氣體暴露于磁場(chǎng)中。加熱一部分與收集室相連的內(nèi)流動(dòng)路徑，并加熱密閉容器的外面。優(yōu)選該熔化步驟在壓力下進(jìn)行，以使大部分冷凍的稀有氣體在冷凍極化氣體的熔化期間被液化。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，容器包括兩個(gè)閥，并且在冷凍的產(chǎn)品液化后，將至少一個(gè)閥打開以降低容器內(nèi)的壓力，使液化后的氣體迅速變成氣態(tài)。此時(shí)優(yōu)選將氣流導(dǎo)向病人。該步驟通常通過將氣體收集于袋或其他類型的貯器中再傳送給病人來完成。該方法快速地熔化冷凍的氣體，并最大限度地減少了過渡態(tài)的極化氣體所用的時(shí)間，如此通過熔化可改進(jìn)極化水平。此外，與常規(guī)方法相比本熔化法可將熔化時(shí)間減少至單一病人MRI劑量小于10秒。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，引入到極化器內(nèi)的129Xe氣體混合物包括最少量的131Xe以最大限度地減少與129Xe同位素的131Xe誘導(dǎo)弛豫有關(guān)的衰變。
本發(fā)明的另一方面涉及延長(zhǎng)極化氣體產(chǎn)品的可用極化儲(chǔ)存期。該方法包括提供磁場(chǎng)以及在磁場(chǎng)的存在下冷凍極化氣體的步驟。將極化氣體密封于防事故裝置或容器內(nèi)。然后在所需的時(shí)間內(nèi)熔化冷凍的極化氣體。在密封容器的壓力下大部分的冷凍氣體被液化。優(yōu)選熔化步驟包括如上所述的加熱步驟(同時(shí)加熱密閉容器的內(nèi)面和外面)。在一個(gè)實(shí)施方案中，在任何情況下將防事故裝置減壓使液體變成氣體。更優(yōu)選在運(yùn)送極化氣體到達(dá)最終使用者期間通過打開防事故裝置至收集容器內(nèi)并使液體膨脹至氣相來進(jìn)行該減壓步驟。
與常規(guī)處理方法相比這種方法可有利地提高熔化后極化氣體的極化水平。實(shí)際上，本發(fā)明比常規(guī)方法可使保留在氣體樣品內(nèi)的極化水平加倍。此外，本發(fā)明提供一種可改進(jìn)超極化狀態(tài)的稀有氣體的儲(chǔ)蓄和保存的儲(chǔ)蓄器。常規(guī)的熔化及儲(chǔ)蓄技術(shù)使極化顯著地減少至預(yù)期值以下(通常僅約為其900sccm的初始極化水平的12.2％-損失了其初始極化的87.8％)。本發(fā)明可極大地改進(jìn)極化程度的保存。例如，改進(jìn)的儲(chǔ)蓄和熔化方法可保存至少其初始預(yù)冷凍極化水平30％或以上(優(yōu)選約為40-50％)熔化后的極化度(“極化保留分?jǐn)?shù)”)。此外，在輸送至病人或最終使用者時(shí)本發(fā)明可提供不低于10％的極化水平。另外，通過改進(jìn)輸送路徑和減少收集期間指形冷凍器被冷凍氣體等所阻塞的可能性，本發(fā)明能收集到另外量的極化氣體。
以下將詳細(xì)解釋本發(fā)明的以上和其他目的及方面。
附圖簡(jiǎn)述

圖1是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的超極化器裝置的示意圖。
圖2是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的圖1裝置的儲(chǔ)蓄器或“指形冷凍器”部分浸漬于液體冷凍劑內(nèi)的側(cè)面透視圖。
圖3是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的圖2儲(chǔ)蓄器的剖視圖。
圖4是示于圖3中的儲(chǔ)蓄器的正面圖。
圖5是本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施方案的儲(chǔ)蓄器的剖視圖。
圖6是示于圖3中的儲(chǔ)蓄器的局部透視圖。
圖7是示于圖5中的儲(chǔ)蓄器的局部透視圖。
圖8示意了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案在熔化過程期間實(shí)施加熱的圖7的儲(chǔ)蓄器。
圖9是示意根據(jù)本發(fā)明用于儲(chǔ)蓄極化氣體的方法步驟的方框圖。
圖10是示意根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案用于熔化冷凍極化氣體的方法步驟的方框圖。
圖11是示意根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案用于延長(zhǎng)極化氣體可用儲(chǔ)存期的方法步驟的方框圖。
圖12A圖示熔化后的極化水平對(duì)采用常規(guī)熔化方法所熔化的極化氣體的儲(chǔ)蓄流速的關(guān)系。
圖12B圖示熔化后舉例的極化水平對(duì)根據(jù)本發(fā)明熔化的極化氣體的儲(chǔ)蓄流速的關(guān)系。
圖13圖示冷凍前和根據(jù)本發(fā)明進(jìn)行熔化后極化氣體的舉例的極化水平。
圖13A圖示對(duì)應(yīng)于當(dāng)氙根據(jù)本發(fā)明進(jìn)行處理時(shí)所取得的熔化后極化流速的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的極化氙的預(yù)期和實(shí)驗(yàn)舉例的極化水平。
優(yōu)選實(shí)施方案的詳述本發(fā)明現(xiàn)將參照附圖(在其中顯示本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施方案)在此后進(jìn)行詳細(xì)的描述。但本發(fā)明還可以許多不同的方式進(jìn)行體現(xiàn)，因此不應(yīng)認(rèn)為本發(fā)明局限于此處所提及的實(shí)施方案。相同的數(shù)字自始至終指相同的單元。為了清楚起見各層和區(qū)域被夸張放大。在本發(fā)明以下的描述中，使用一些術(shù)語(yǔ)來指一些結(jié)構(gòu)相對(duì)于其他結(jié)構(gòu)的位置關(guān)系。此處所用的術(shù)語(yǔ)“向前”及其各種派生詞指氣體混合物通過超極化器單元的一般方向；該詞與通常在生產(chǎn)環(huán)境中用來指正在處理的一些物質(zhì)在生產(chǎn)過程中比其他物質(zhì)距離更遠(yuǎn)的術(shù)語(yǔ)“下流”同義。相反，術(shù)語(yǔ)“向后”和“上流”及其各種派生詞指方向分別與向前和下流的方向相反。同時(shí)，如此處所述，極化氣體被收集、冷凍、熔化和用于MRI光譜或MRI應(yīng)用中。為了方便描述，術(shù)語(yǔ)“冷凍的極化氣體”指的是極化氣體已被冷凍至固體狀態(tài)。術(shù)語(yǔ)“液體極化氣體”指的是極化氣體已被或正被液化成液體狀態(tài)。因此，雖然每一個(gè)術(shù)語(yǔ)都包括詞“氣體”，但該詞用來命名和描述通過超極化器生產(chǎn)而獲得極化的“氣體”產(chǎn)品的氣體。因此，如此處所用的術(shù)語(yǔ)已用于某些地方以描述超極化稀有氣體產(chǎn)品，并可與修飾詞如固體、冷凍和液體一起使用以便描述該產(chǎn)品的狀態(tài)或相。
人們已使用各種技術(shù)來儲(chǔ)蓄和捕獲極化氣體。例如，Cates等人的美國(guó)專利第5,642,625號(hào)描述了一種用于自旋極化稀有氣體的大體積超極化器，而Cates等人的美國(guó)專利申請(qǐng)第08/622,865號(hào)描述了一種用于自旋-極化的129Xe的低溫儲(chǔ)蓄器。這些參考文獻(xiàn)通過引用全部并入本文。如此處所用的術(shù)語(yǔ)“超極化”、“極化”等指的是人為地將某些稀有氣體原子核的極化水平增強(qiáng)到高于正?；蚱胶獾乃?。這種增加是合乎需要的，因唯有這樣才能能得到對(duì)應(yīng)于身體物質(zhì)和目標(biāo)區(qū)域更好的MRI成像的更強(qiáng)的影像信號(hào)。正如本領(lǐng)域的技術(shù)人員所公知的那樣，通過采用光學(xué)泵送的堿金屬蒸汽進(jìn)行自旋交換或通過亞穩(wěn)態(tài)交換可以誘導(dǎo)超極化。參見Albert等人的美國(guó)專利第5,545,396號(hào)。
參照附圖，圖1示意一優(yōu)選的超極化器單元10。該單元是大體積的單元，做成連續(xù)生產(chǎn)和儲(chǔ)蓄自旋-極化稀有氣體，即氣體通過該單元的流動(dòng)基本上是連續(xù)的。如圖所示，單元10包括稀有氣體供應(yīng)源12和供應(yīng)源調(diào)節(jié)器14。凈化器16位于管線上以便將各種雜質(zhì)如水蒸汽從體系中除去(將在以下進(jìn)一步進(jìn)行討論)。超極化器單元10也包括流量計(jì)18和位于極化電池(cell)22上流的入口閥門20。將旋光的光源如激光26(優(yōu)選為二極管激光數(shù)組)通過各種聚焦和光分配裝置24如透鏡、反射鏡等導(dǎo)入到極化電池22中。光源被園偏振光泵送電池22內(nèi)的堿金屬。另一個(gè)閥門28位于極化電池22的下流。
如圖1中所示，與管線鄰接的是指形冷凍器或儲(chǔ)蓄器30。該儲(chǔ)蓄器30通過一對(duì)可拆卸機(jī)械如螺紋構(gòu)件或快速拆卸活節(jié)頭31、32連接于超極化器單元10上。這使得該儲(chǔ)蓄器容易地拆卸、轉(zhuǎn)移或增加并形成體系10。在操作上儲(chǔ)蓄器30與冷源或冷凍裝置42相連。如圖所示，優(yōu)選該冷源42為液體低溫浴43。在以下將更詳細(xì)討論該儲(chǔ)蓄器。
真空泵60與該體系相連。在不同點(diǎn)處示意控制流動(dòng)和引導(dǎo)出口氣體的其他閥門(如52、55所示的)。關(guān)閉閥47位于“機(jī)上(on-board)”出口氣體龍頭50旁。儲(chǔ)蓄器30下流的一些閥門用于“機(jī)上”熔化并輸送所收集的極化氣體(如將在下面描述)。該體系也包括沿關(guān)閉閥58的數(shù)字壓力轉(zhuǎn)換器54和流量控制裝置57。關(guān)閉閥58優(yōu)選控制通過整個(gè)體系或單元10的氣體流量；用來控制氣流的開和關(guān)(如將在下面描述的)。如本領(lǐng)域中的技術(shù)人員將理解的那樣，在本發(fā)明的范疇內(nèi)可以使用其他的流量控制機(jī)械、設(shè)備(類似的和電子的)。
在操作中將氣體混合物引入到體系中的氣源12處。如圖1中所示，氣源12是裝有預(yù)混合氣體混合物的壓力氣罐。該氣體混合物包括貧稀有氣體和緩沖氣體的混合物氣體(即將進(jìn)行超極化的氣體在預(yù)混合的氣體混合物中的量較少)。對(duì)于生產(chǎn)超極化的129Xe而言，預(yù)混合的氣體混合物優(yōu)選為約95-98％的He、不超過約5％的129Xe和約1％的N2。
也優(yōu)選預(yù)先混合的氣體混合物包括最小量的氙-131(或131氙)同位素(低于其原來的水平)。在天然的狀態(tài)下典型的氙同位素豐度如下表Ⅰ
“富集的”129Xe混合物用來為超極化氣體混合物提供足夠量的129Xe。此處所用形式“富集的”指的是增加129Xe的豐度使之超過其原來的豐度水平。但富集的129Xe通常也包括其他氙同位素。然而遺憾的是，至少有一種特定的同位素-131Xe以能夠引起129Xe去極化的方式與冷凍的129Xe(特別是在低溫如4.2°K)相互作用。在低溫下131Xe起著類似“自旋-水槽(sink)”的作用以吸收或衰變129Xe極化度，并在冷凍的“固態(tài)”129Xe極化氣體的晶粒邊界處成為一種主要的弛豫機(jī)理。
如上表Ⅰ中所示，131Xe是一種核自旋大于1/2的同位素。就這一點(diǎn)而論，它具有一個(gè)“四矩(quadruple moment)”，也就是說131Xe通過與電場(chǎng)梯度相互作用能夠衰減。參見Gatzke等人的Extraordinarilyslow nuclear spin relation in frozen laser-polarized129Xe,Phys.Rev.Lett.70，第690-693頁(yè)(1993年)。
人們已提出在4.2°K下主要的固相弛豫的機(jī)理是在晶粒邊界處的129Xe與131X同位素之間的“交叉弛豫”。此外，在“冷凍”或“固體”之處129Xe氣體呈現(xiàn)類似于薄片(如雪花)的形式，該形式具有較大的表面積。遺憾的是，該較大的表面積也可以與131Xe進(jìn)行較大的去極化的相互作用。我們相信最大的或“最有效的”互換在晶粒邊界處，因通常這里的電場(chǎng)最強(qiáng)。該電場(chǎng)強(qiáng)度可以使131Xe的核自旋翻轉(zhuǎn)能變得幾乎與129Xe的核自旋翻轉(zhuǎn)能一樣。
以下給出具有減少的131Xe同位素含量的富集129Xe混合物的實(shí)施例。
實(shí)施例1 82.3％富集的129Xe氣體混合物
實(shí)施例2 47.2％富集的129Xe氣體混合物
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，當(dāng)將所收集的極化129Xe暴露于冷的溫度并進(jìn)行冷凍時(shí)，富集的129Xe氣體混合物優(yōu)選包括低于約3.5％的131Xe、更優(yōu)選低于約0.1％的131Xe。
在任何情況下，將氣體“富集的”混合物通過凈化器16并引入到極化電池22中。閥20、28為可與極化電池22的操作相聯(lián)系的開/關(guān)閥。對(duì)于該體系而言氣體調(diào)節(jié)器14優(yōu)選將壓力從氣罐源12(通常在13,780.2kPa(2000psi或136atm)下操作)降低至約608-1013.25KPa(6-10atm)。因此，在儲(chǔ)蓄期間將整個(gè)歧管(導(dǎo)管、極化電池、儲(chǔ)蓄器等)加壓至電池壓力(608-1013.25kPa(6-10atm))。通過打開閥58開始單元10內(nèi)的流動(dòng)，通過調(diào)節(jié)流量控制裝置57來控制該流動(dòng)。
氣體在電池22中的通常停留時(shí)間約為10-30秒；即氣體混合物在流經(jīng)電池22的同時(shí)被超極化所需的時(shí)間為10-30秒。優(yōu)選氣體混合物以約608-1013.25kPa(6-10atm)的壓力引入到電池22中。當(dāng)然，采用能在加壓下操作的硬件，優(yōu)選高于1013.25kPa(10atm)的操作壓力，如約2026.5-3039.75kPa(20atm-30atm)以便使壓力加寬Rb并吸收高達(dá)100％旋光。相反，對(duì)于譜線寬度小于常規(guī)譜線寬度的激光而言可以采用較低的壓力。極化電池22是一個(gè)位于加熱室中的高壓光泵送電池，其孔徑做成能使激光發(fā)射光進(jìn)入。優(yōu)選超極化器單元10通過常規(guī)自旋-交換過程使所選的稀有氣體如129Xe(或3He)超極化。將已汽化的堿金屬如銣(“Rb”)引入到極化電池22內(nèi)。Rb蒸汽通過一個(gè)旋光源26、優(yōu)選為二極管激光進(jìn)行光泵送。
單元10采用氦緩沖氣體以便壓力加寬Rb的蒸汽吸收帶寬。緩沖氣體的選擇是很重要的，因緩沖氣體-在加寬吸收帶寬的同時(shí)-也可以通過將堿金屬的角動(dòng)量損失引入到緩沖氣體而不是按要求引入到稀有氣體，從而不合需要地影響到堿金屬-稀有氣體的自旋-交換。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，129Xe通過與光泵送的Rb蒸汽進(jìn)行自旋交換而得到超極化。也優(yōu)選單元10采用壓力比129Xe的壓力大許多倍的氦緩沖氣體以便采用最大限度地減少Rb的自旋損壞的方式進(jìn)行壓力加寬。
正如本領(lǐng)域的技術(shù)人員所了解的那樣，Rb與H2O是反應(yīng)的。因此任何引入到極化電池22中的水或水蒸汽可導(dǎo)致Rb損失激光吸收并減少極化電池22中自旋-交換的量或效率。因此，作為一種附加的預(yù)防措施，可將一個(gè)額外的具有額外表面積的過濾器或凈化器(圖中未示出)置于極化電池22的入口之前，以便除去其他量的不合需要的雜質(zhì)以進(jìn)一步增加極化器的效率。
超極化氣體連同緩沖氣體混合物一起離開極化電池22，進(jìn)入儲(chǔ)蓄器30中?，F(xiàn)參照?qǐng)D3-7，極化氣體及緩沖氣體被導(dǎo)入到主流動(dòng)通道80并進(jìn)入位于儲(chǔ)蓄器30底部的收集貯存池75內(nèi)。在操作中，在儲(chǔ)蓄器30a的下部，使超極化氣體暴露于低于其凝固點(diǎn)的溫度下并在貯存池75中收集冷凍后的產(chǎn)物100。氣體混合物的剩余部分仍保持氣態(tài)并通過在不同于主流動(dòng)通道75的出口通道90中進(jìn)行逆流使得其導(dǎo)出儲(chǔ)蓄器30而離開主流動(dòng)通道80和貯存池75。我們將在下面更詳細(xì)地討論儲(chǔ)蓄器30。在磁場(chǎng)(通常為至少500高斯的水平、典型約為2千高斯，雖然可使用更強(qiáng)的磁場(chǎng))的存在下收集(以及儲(chǔ)存、運(yùn)輸和優(yōu)選熔化)超極化氣體。較低的磁場(chǎng)可以潛在不合需要地增加極化氣體的弛豫速率或減少弛豫時(shí)間。如圖2所示，由位于磁圈41周圍的永久磁鐵40提供磁場(chǎng)。
超極化單元10也可以使用在加熱泵送電池22與冷凍的冷阱或儲(chǔ)蓄器30之間的出口管線中的溫度變化以便將堿金屬?gòu)膬?chǔ)蓄器30上方管線的極化氣流中沉淀出來。如本領(lǐng)域的技術(shù)人員所了解的那樣，堿金屬在約40℃的溫度下從氣流中沉淀出來。該單元也可以包括一堿金屬回流冷凝器(圖中未示出)。優(yōu)選該回流冷凝器采用保持在室溫下的垂直回流出口管。通過回流管的氣體流速和回流出口管的大小應(yīng)使得堿金屬蒸汽得到冷凝并通過重力滴回泵送電池中。在任何情況下都需要除去堿金屬使得在將極化氣體輸送至病人之前所得產(chǎn)物是無(wú)毒的并滿足規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)(如至少不超過10ppb的水平)。
任選也可將一中間冷阱放置于極化電池22的出口與指形冷凍器30之間。優(yōu)選將該中間冷阱(圖中未示出)的溫度設(shè)計(jì)成截留任何堿金屬(如Rb)而同時(shí)又能使稀有氣體和載氣自由到達(dá)指形冷凍器30處。這對(duì)于體內(nèi)應(yīng)用是很重要的(對(duì)于將Rb從超極化氣體中的去除尤為重要，即將Rb除去使其含量在輸送至病人之前在超極化氣體中保持痕量水平如不超過1ppb的水平)。
一旦在儲(chǔ)蓄器30中收集到所需量的超極化氣體后，可將該儲(chǔ)蓄器從體系中移出或分離出來。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，關(guān)閉閥28，使電池22受壓。這使得儲(chǔ)蓄器30和下流鉛錘由于流動(dòng)閥58開啟而開始減壓。優(yōu)選在流動(dòng)閥58關(guān)閉前將閥28下流單元10減壓至約1.5atm。在關(guān)閉流動(dòng)閥58后可開啟閥55以排出歧管中的殘余氣體。一旦排出出口鉛錘則關(guān)閉閥35和37。如果所收集的氣體進(jìn)行“機(jī)上”分配，即儲(chǔ)蓄器30不從單元10中移出，則可將一貯器如袋子或其他容器連接于出口50處?？砷_啟閥47以抽空所連接的袋子(圖中未示出)。一旦抽空袋子和氣體準(zhǔn)備進(jìn)行溶化，可以任選地關(guān)閉閥52。這使極化氣體與單元10的壓力轉(zhuǎn)換區(qū)的接觸時(shí)間降到最少。該區(qū)通常包括對(duì)極化氣體具有去極化效應(yīng)的物質(zhì)。因此，與該區(qū)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的接觸可促進(jìn)極化氣體的弛豫。
如果不關(guān)閉閥52，則優(yōu)選關(guān)閉閥55以防極化熔化氣體的抽空。也優(yōu)選在電池22的下流側(cè)面處形成由這些物質(zhì)組成的流動(dòng)通道，這些物質(zhì)可使對(duì)極化態(tài)的氣體的衰變效應(yīng)減少至最低程度。也可以使用如述于美國(guó)專利第5,612,103號(hào)(該公開通過引用并入本文)中的那些涂料。在“機(jī)上”熔化操作中，開啟閥37使氣體排出。然后通過閥47并從出口50中離開。
在“移出的”或“輸送儲(chǔ)蓄器”熔化的模式中，在儲(chǔ)蓄器30減壓和抽空后關(guān)閉儲(chǔ)蓄器的第一和第二隔離閥35、37。對(duì)儲(chǔ)蓄器30進(jìn)行抽空可除去儲(chǔ)蓄器內(nèi)的任何殘余氣體。除去儲(chǔ)蓄器30內(nèi)的殘留氣體及冷凍極化氣體有助于在冷凍氣體上的熱負(fù)荷，可以升高冷凍氣體的溫度并有效縮短弛豫時(shí)間。因此，在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，在進(jìn)行減壓和抽空并關(guān)閉隔離閥35和37后，通過脫離點(diǎn)(releasepoint)31、32使儲(chǔ)蓄器30從單元10脫離出來。
也優(yōu)選儲(chǔ)蓄器包括槽內(nèi)的O-型環(huán)(圖2，220)以便利于將快速連接器(或其他連接裝置)密封于體系中的管線上。這種類型的O-型/槽密封機(jī)理有助于確保單元即使在高的操作壓力下(即不低于608-1013.25kPa(6-10atm))也保持密封完整性。類似地，如果使用CHEM-THREADSTM(由ChemGlass,Inc.Vineland,NJ生產(chǎn))或類似的連接裝置，則優(yōu)選將其做成壓力能保持與體系的操作壓力一致。適宜的隔離閥35、37的實(shí)例包括坐落在Vineland,NJ的KIMBLEKONTES閥826450-004、826460-0004。
隔離閥35和37分別與主流動(dòng)通道80和緩沖氣體出口通道90相連，每一個(gè)都可以調(diào)節(jié)流經(jīng)其中的流量及關(guān)閉各自的通道以便使儲(chǔ)蓄器從體系10和環(huán)境中隔離出來。在移去填滿的儲(chǔ)蓄器30后，可以容易和較快地將另一個(gè)儲(chǔ)蓄器連接于脫離點(diǎn)31、32上。優(yōu)選當(dāng)連接新的儲(chǔ)蓄器30時(shí)，采用閥55抽空出口歧管(閥52、35、37開啟)。當(dāng)通常在約1分鐘左右達(dá)到適宜的真空(如約13.3Pa(100毫托))時(shí)關(guān)閉閥55。然后重新開啟閥28，使出口歧管重新加壓至操作電池的壓力。然后開啟閥58以恢復(fù)單元10內(nèi)的流動(dòng)。優(yōu)選一旦恢復(fù)流動(dòng)，即將液氮施用于儲(chǔ)蓄器30中以繼續(xù)收集超極化氣體。通常這種轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間少于約5分鐘。因此，優(yōu)選的超極化器單元10做成能為連續(xù)生產(chǎn)和儲(chǔ)蓄提供連續(xù)流動(dòng)的超極化129Xe氣體的形式。
現(xiàn)參照?qǐng)D2，它示意了儲(chǔ)蓄器和磁圈的組合件230。儲(chǔ)蓄器30由位于低溫浴43之上的支撐平臺(tái)210所支撐。一對(duì)極板215從支撐平臺(tái)210縱向伸展并連接于磁圈41上。將磁圈41放置于儲(chǔ)蓄器30的收集貯存池75的近旁以便為所收集的極化氣體提供所需的磁場(chǎng)。如圖所示，儲(chǔ)蓄器30包括支撐連接部分211(做成緊挨著支撐平臺(tái)210的形式)。儲(chǔ)蓄器圖3和4示意根據(jù)本發(fā)明的儲(chǔ)蓄器30的一個(gè)實(shí)施方案。如圖所示，儲(chǔ)蓄器30包括中央主流動(dòng)通道80、次流動(dòng)通道95和出口緩沖氣體通道90。次流動(dòng)通道95位于主流動(dòng)通道80和緩沖氣體出口通道90之間。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，儲(chǔ)蓄器30包括位于主流動(dòng)通道底端的噴嘴110。噴嘴110由于壓緊貯存池75的冷卻表面而有助于改進(jìn)超極化氣體的定位。噴嘴110也能使冷卻氣流產(chǎn)生焦?fàn)?湯姆孫膨脹而遠(yuǎn)低于超極化氣體的凝固點(diǎn)，有利地將靜止及所收集的超極化氣體上的熱負(fù)荷減少至最低限度，并籍此潛在地延長(zhǎng)了其弛豫時(shí)間。在任何情況下，優(yōu)選將儲(chǔ)蓄器30浸漬于低溫浴43中使得貯存池75及管子的約7.62-15.24厘米(3-6英寸)被浸漬。若浸于液氮中，則外套管103的外壁和貯存池75的外壁將約為77°K。氙的凝固點(diǎn)約為160°K。因此，超極化氣體離開主流動(dòng)通道80，到達(dá)冷卻表面并冷凍進(jìn)入貯存池75，而同時(shí)緩沖氣體經(jīng)出口通道90離開儲(chǔ)蓄器。貯存池可以包括一表面涂層以防由于與極化氣體的接觸而引起的弛豫。參見美國(guó)專利第5,612,103號(hào)，“Improved Coatings for theProduction of Hyperpolarized Noble Gases”?；蛘哌@種容器可形成自或包括其他物質(zhì)如高純度非磁金屬膜。參見同時(shí)待審和共同轉(zhuǎn)讓的專利申請(qǐng)系列號(hào)09/126,448，標(biāo)題為Containers for HyperpolarizedGases and Associated Methods，此處通過引用并入本文。
如圖4中所示，次流動(dòng)通道95具有分別位于儲(chǔ)蓄器30頂部相對(duì)約180°的進(jìn)口和出口125、126。當(dāng)然，如本領(lǐng)域的技術(shù)人員所理解的那樣，也可以采用次流動(dòng)通道進(jìn)口及出口125、126的其他布置。優(yōu)選將進(jìn)口及出口125、126安置于低溫浴43或其他冷凍裝置之上(當(dāng)將儲(chǔ)蓄器30置于其上時(shí))。除了其各自的入口和出口125、126之外，關(guān)閉次流動(dòng)通道95并從主流動(dòng)通道80中分離出來并離開氣體通道90。就這點(diǎn)而言，次流動(dòng)通道95包括密封端96。
如圖6所示，在操作中次流動(dòng)通道95將熱提供給儲(chǔ)蓄器30的一個(gè)區(qū)域。優(yōu)選次流動(dòng)通道界定了加熱夾套93。將加熱夾套93做成為主流動(dòng)通道80周圍提供封閉式熱流液體、優(yōu)選為氣體。更優(yōu)選加熱夾套93將熱的或環(huán)境溫度的氮向下沿次流動(dòng)通道引向主通道80底部旁的區(qū)域；也就是，次通道的該部分緊挨或鄰近貯存池75。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，經(jīng)次流動(dòng)通道95將加熱夾套93中的熱氣體送入到主流動(dòng)通道80的噴嘴110的區(qū)域。這樣一種熱的氣體可以有利地彌補(bǔ)主流動(dòng)通道的這個(gè)區(qū)域由于截留在流動(dòng)通道80內(nèi)的冷凍氣體而不合需要地發(fā)生冷凍及堵塞的趨勢(shì)。另外，這種構(gòu)型也能使導(dǎo)入到貯存池75內(nèi)并附于所收集的冷凍極化氣體上的任何相關(guān)的熱負(fù)荷降低至最小。在帶有噴嘴設(shè)計(jì)的儲(chǔ)蓄器中的堵塞問題可以是特別頭疼的問題，因即使在噴嘴110的出口區(qū)域中有少量的聚集都可以阻塞主流動(dòng)通道80并減少甚至阻止極化氣體的進(jìn)一步收集。此處所用的“熱的”可以是施用任何高于所選極化氣體的凝固點(diǎn)的溫度(即對(duì)于129Xe而言超過160°K)的熱。
一般而言，固體極化氣體(特別是129Xe)的弛豫時(shí)間強(qiáng)烈依賴?yán)鋬鰵怏w的溫度。換言之，冷凍氣體的溫度越低，則弛豫時(shí)間越長(zhǎng)。因此，將所儲(chǔ)蓄的冷凍氣體的熱負(fù)荷減少至最低程度是很重要的。由向下引入到主流動(dòng)通道80的氣流所代表的熱負(fù)荷主要?dú)w因于將緩沖氣體從室溫冷卻至低溫的需要(如此處所述的液氮(LN2)或77°K)。估計(jì)該熱負(fù)荷為2瓦的數(shù)量級(jí)。因此為了使所儲(chǔ)蓄的極化129Xe的熱負(fù)荷減少至最低程度，在噴嘴110的出口點(diǎn)之前需要將氣流冷卻到接近(但超過)極化氣體的凝固溫度。對(duì)于129Xe而言，優(yōu)選將緩沖氣體冷卻到剛好超過160°K，低于此溫度Xe可在噴嘴處凝固，有造成堵塞或阻塞的危險(xiǎn)。將出口氣體溫度冷卻至160°K能有利地使冷凍極化氣體上的熱負(fù)荷減少50％之多。本發(fā)明的構(gòu)型能使該出口通道通過與緩沖氣體進(jìn)行逆流而得到這種冷卻。這種冷卻逆流不過度地使噴嘴110暴露于低的溫度下較有利，因噴嘴110或流動(dòng)通道80的大部分敏感區(qū)域通過加熱夾套或次流動(dòng)通道95而從出口通道中分離出來。
再參照?qǐng)D4，如圖所示，加熱夾套93內(nèi)壁93a的形狀限定了主流動(dòng)通道80。優(yōu)選該內(nèi)壁93a沿一個(gè)開口環(huán)繞延伸以便限定主流動(dòng)通道80。類似地，加熱夾套93的外壁93b與儲(chǔ)蓄器30的外套管103一起限定緩沖氣體出口通道90。如圖6中所示，在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，內(nèi)壁93a、外壁93b和外套管103是徑向排列的。加熱夾套93的內(nèi)壁包括一個(gè)直徑小于內(nèi)壁前面部分的直徑的逐步向下的部分193。這個(gè)逐步向下的部分構(gòu)成了主流動(dòng)通道80中的噴嘴110。
圖5和圖7示意了根據(jù)本發(fā)明的儲(chǔ)蓄器30'的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案。如在該實(shí)施方案中所示，加熱夾套93包括至少一個(gè)伸長(zhǎng)的沿次流動(dòng)通道95的主要部分延伸的導(dǎo)管145。當(dāng)導(dǎo)管145暴露于低溫時(shí)，其制作材料基本上應(yīng)為非去極化和可接受低溫的材料如PTFE等。適宜的材料包括具有抵御低溫性能的各種材料。一種這樣材料的商標(biāo)的實(shí)例為TEFLONTM或金屬膜涂覆的表面。導(dǎo)管145將熱的氣體向下引入到主流動(dòng)通道80的下部，更優(yōu)選將熱的氣體引入到貯存池75之上的主流動(dòng)通道的噴嘴區(qū)域110。就這點(diǎn)而論，導(dǎo)管的下端145a優(yōu)選位于噴嘴110旁。熱的氣體一旦釋放出來，即環(huán)繞沿次流動(dòng)通道95擴(kuò)散并在出口126處排放。該熱的氣體可以與冷卻的緩沖氣體逆流在如上所述易于堵塞的區(qū)域中的主流動(dòng)通道的冷卻/堵塞效應(yīng)相抵消。當(dāng)然，在本發(fā)明的范疇內(nèi)也可以使用其他的加熱夾套進(jìn)口、導(dǎo)管和通氣口(圖中未示出)。
主流動(dòng)通道80、次流動(dòng)通道95和緩沖氣體出口通道90的合適的直徑的實(shí)例分別為6.35、12.7和19.05毫米(0.25、0.50和0.75英寸)。在一個(gè)實(shí)施方案中，噴嘴110沿主流動(dòng)通道延伸約25.4毫米(1.0英寸)。優(yōu)選儲(chǔ)蓄器30由玻璃制成，如PYREXTM并在結(jié)構(gòu)上能承受不低于約608-1013.25kPa(6-10atm)的壓力。
此外，在操作中，優(yōu)選在冷凍超極化氣體的儲(chǔ)蓄期間將熱的氣體以約7.8658-47.2ml/s(1-6ft3/hr)的速率、更優(yōu)選以約15.732-39.329ml/s(2-5ft3/hr)的速率、仍更優(yōu)選以約23.597ml/s(3ft3/hr)的速率導(dǎo)入到次流動(dòng)通道中。優(yōu)選儲(chǔ)蓄器30在收集期間在與光泵電池相同的壓力下進(jìn)行操作。
如上所述，優(yōu)選的加熱氣體為干的環(huán)境溫度的N2(N2的熱容約為氦的兩倍)，但本發(fā)明并不局限于此。加熱氣體優(yōu)選溫度的實(shí)例為約10-26.7℃(50-80°F)、更優(yōu)選為約20-25.6℃(68-78°F)。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，將相應(yīng)“加熱氣體”的流速設(shè)置于加熱氣體預(yù)定溫度所對(duì)應(yīng)的最低水平，即對(duì)于某一溫度設(shè)定該最小速率，低于該速率即發(fā)生堵塞現(xiàn)象，可將該最小速率稱為“臨界流速”。如果使用較高的溫度，則通常要求較低的流速。其他加熱氣體的實(shí)例包括(但不限于此)氦、干空氣等。優(yōu)選如果采用較高溫度的“加熱”氣體，則相應(yīng)使用較低的流速。反之，如采用較低溫度的“加熱”氣體，則相應(yīng)使用較高的流速。
本發(fā)明可有利地收集氣流中約80-100％的極化氣體。此外，本發(fā)明可獲得具有延長(zhǎng)儲(chǔ)存期的極化氣體產(chǎn)品。如將在以下進(jìn)一步進(jìn)行討論的那樣，這有助于改進(jìn)收集和/或熔化技術(shù)，與常規(guī)技術(shù)相比該技術(shù)能得到保留較大極化水平的極化氣體。熔化如上所述，本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案采用了一安置于超極化氣體周圍的緊密型(compact)永久磁鐵。然而由這種布置所提供的磁場(chǎng)多少有一點(diǎn)不均勻。當(dāng)對(duì)氣體進(jìn)行熔化時(shí)，這種不均勻性可以使超極化氣體較快地去極化。新鮮熔化的129Xe特別易受不均勻性誘導(dǎo)衰變的影響(“極化損失”)。例如，當(dāng)氣態(tài)129Xe通過不均勻的磁場(chǎng)進(jìn)行擴(kuò)散時(shí)其弛豫尤其是個(gè)問題。該弛豫通常與氣體的壓力成線性反比關(guān)系。也就是說，在熔化過程開始時(shí)的低氣體壓力下，不均勻性(場(chǎng)梯度)誘導(dǎo)弛豫效應(yīng)是最強(qiáng)的。(人們已測(cè)得129Xe在101.325kPa(1atm)下進(jìn)行弛豫僅需22秒)。本發(fā)明通過在初始熔化期間關(guān)閉隔離閥35、37而解決了這個(gè)問題。隨著極化氣體的熔化，壓力迅速增加，很快超過1atm并進(jìn)一步增加。隨著壓力的升高，剩余的固體129Xe轉(zhuǎn)化為液體形式而非氣態(tài)形式。液體129Xe對(duì)磁場(chǎng)梯度、不均勻性弛豫、溫度效應(yīng)和磁場(chǎng)強(qiáng)度較不敏感，因此得到一種更為穩(wěn)健形式的超極化129Xe。液體129Xe的典型弛豫時(shí)間約為20-30分鐘。參見K.L.Sauer等人，Laser Polarized Liquid Xenon,Appl.Phys.Lett.(1997年收到)。液態(tài)有助于進(jìn)一步將熱快速分配到剩余的固體129Xe，因而加快了熔化。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，加熱夾套93也可改進(jìn)冷凍極化氣體的熔化。本發(fā)明認(rèn)識(shí)到快速將冷凍極化氣體轉(zhuǎn)化為液態(tài)相當(dāng)?shù)刂匾?，因氙的固態(tài)和氣態(tài)在過渡期間對(duì)去極化極為敏感。例如，當(dāng)固體或冷凍的129Xe加熱至接近其熔點(diǎn)時(shí)，其弛豫時(shí)間從在77°K的3小時(shí)急劇減少到在接近相變點(diǎn)的僅幾秒鐘。此外，在剛好超過129Xe的升華溫度的氣態(tài)弛豫是快速的，與溫度成指數(shù)關(guān)系。例如，在一給定面積上氣態(tài)129Xe的弛豫時(shí)間在160°K下僅為相同面積在300°K下的弛豫時(shí)間的3％。另外，熔化的初期階段當(dāng)Xe氣壓低時(shí)，氣態(tài)129Xe更易受上述不均勻性問題的影響。
通常在熔化期間將熱供應(yīng)給儲(chǔ)蓄器的外部。當(dāng)冷凍的超極化氣體開始熔化時(shí)，它可能會(huì)重新冷凍，如在主流動(dòng)通道80的出口處。這可導(dǎo)致129Xe在熔化過程中不止一次地發(fā)生冷凍和熔化，并且引起極化氣體產(chǎn)品在敏感的過渡相周圍(其中弛豫更為迅速)花費(fèi)更多的時(shí)間。
上述儲(chǔ)蓄器30、30'的加熱夾套93還可改進(jìn)熔化過程。參見圖8，儲(chǔ)蓄器的加熱夾套或次流動(dòng)通道95在熔化過程期間可以為儲(chǔ)蓄器30的噴嘴區(qū)域110提供熱量。優(yōu)選在進(jìn)行熔化前對(duì)流動(dòng)通道的下部區(qū)域或噴嘴區(qū)域進(jìn)行預(yù)熱，使得在為貯存池75的外表面加熱時(shí)噴嘴110遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于極化氣體的凝固點(diǎn)。還優(yōu)選在熔化期間同時(shí)為指形冷凍器的外面及內(nèi)面供熱。內(nèi)熱優(yōu)選供給儲(chǔ)蓄器的下部區(qū)域即噴嘴區(qū)域。因而噴嘴110由加熱夾套93內(nèi)的循環(huán)流體(優(yōu)選為氣體)所加熱?？梢允褂酶鞣N加熱氣體如上述的那些。優(yōu)選熔化期間加熱氣體的流速高于儲(chǔ)蓄過程所用的流速，如約39.329-94.39ml/s(5-12ft3/hr)、更優(yōu)選為約78.658ml/s(10ft3/hr)。類似地，熔化期間所提供的“加熱”氣體的優(yōu)選溫度為在通常內(nèi)控環(huán)境條件下的溫度(例如室溫氣體，如20-25.6℃(68-78°F))。
對(duì)于“移動(dòng)的”儲(chǔ)蓄器30，一旦所有的129Xe為液體，則優(yōu)選開啟與抽空室或袋或其他輸送裝置或收集容器連接的隔離閥35。當(dāng)然根據(jù)所連接的輸送容器或貯器(圖中未示出)可開啟閥35、37。對(duì)于“機(jī)上”儲(chǔ)蓄器而言如上所述隔離閥37是操作閥。壓力的突然下降使液體129Xe變成氣態(tài)并快速離開儲(chǔ)蓄器30，籍此在不均勻的磁場(chǎng)中以氣態(tài)花費(fèi)最少的時(shí)間。類似地，如果使用“機(jī)上”的釋放，則開啟隔離閥37，氣體流經(jīng)閥47并離開出口50進(jìn)入輸送容器。熔化的常規(guī)方法包括向裝填的容器開啟指形冷凍器(儲(chǔ)蓄器)，然后再開始進(jìn)行熔化。對(duì)于單一病人劑量而言，完成這種熔化通常將需30秒或更多的時(shí)間。相比之下，本發(fā)明熔化法對(duì)于單一劑量的冷凍超極化氣體而言完成所需的時(shí)間少于約10秒、優(yōu)選少于約5-6秒。通常病人的劑量為約0.20-1.25升(L)，優(yōu)選約0.5-1.0L。Xe的換算重量為約5.4克/L。類似地，固體Xe的密度約為3.1克/厘米3，可算出對(duì)應(yīng)病人極化冷凍Xe的體積為約1.8厘米3/L。
與通過各種常規(guī)方法所進(jìn)行的熔化相比較，對(duì)本發(fā)明熔化法的觀察表明，在所熔化的129Xe的最終極化水平中有不低于約2的可靠因子的改進(jìn)。
現(xiàn)參照?qǐng)D12A和12B，圖12A示意了由常規(guī)熔化技術(shù)所得到的極化結(jié)果，而圖12B則圖解了由本發(fā)明上述改進(jìn)的熔化法所得到的結(jié)果。每一個(gè)圖描繪了129Xe熔化后的極化(％)與通過極化電池22(以及整個(gè)單元)的總氣體流速的關(guān)系。對(duì)應(yīng)的129Xe流速為總氣體混合物的％。在所示的實(shí)施例中，129Xe構(gòu)成了總氣體混合物的約1％，因此129Xe的流速為總流速除以100。例如，在1000標(biāo)準(zhǔn)厘米3(每分鐘的標(biāo)準(zhǔn)立方厘米(“sccm”))的流速下129Xe通常以10厘米3/分或600厘米3/小時(shí)的速率儲(chǔ)蓄。需要較高的流速以增加129Xe的物料通過率。然而較高的流速減少了極化。這歸因于較高流速下129Xe在停留時(shí)間中減少了與光泵的Rb進(jìn)行自旋交換接觸的時(shí)間。也就是Xe在電池22中的停留時(shí)間在數(shù)學(xué)上通?？梢悦枋龀傻扔跉怏w壓力乘以電池體積再除以流速(PV/m)圖12A顯示了常規(guī)的熔化技術(shù)得到散射的極化結(jié)果，這歸因于熔化期間主要發(fā)生的無(wú)規(guī)極化損失。圖12B示意了各種上述光泵特性，可得到對(duì)應(yīng)于儲(chǔ)蓄流速的可預(yù)言的熔化后極化水平。
如圖12B中所示，當(dāng)根據(jù)上述改進(jìn)的方法(在壓力下及進(jìn)行內(nèi)外加熱)進(jìn)行熔化時(shí)，對(duì)于低于1000 sccm的流速(或標(biāo)準(zhǔn)厘米3/分)，熔化后肯定能得到10％以上的極化水平。該圖中所示的結(jié)果代表129Xe的體積為190厘米3(和Rb的極化水平為約0.25-0.49)。當(dāng)然，如本領(lǐng)域中的技術(shù)人員所了解的那樣，不同體積(即較大或較小)的極化氣體將具有不同的與其相關(guān)的相對(duì)值。例如，較大體積的129Xe需要較長(zhǎng)的時(shí)間進(jìn)行極化，因此在相同的流速下，較大體積的極化將低于圖12B中所示的值。換言之，對(duì)于較大量的極化氣體而言，相關(guān)的極化曲線將位于圖12B中所示例舉的190厘米3體積極化氣體所對(duì)應(yīng)的值之下。同時(shí)，較大量的極化氣體通常由于固相弛豫而損失較大。然而如圖所示，本發(fā)明現(xiàn)提供一種冷凍氣體的熔化方法，它將得到按照預(yù)料的初始極化曲線的熔化后極化曲線。相反，如圖12A所示，熔化后的常規(guī)極化水平是高度不可預(yù)言的，平均約為4.4％。實(shí)際上，在約900sccm(標(biāo)準(zhǔn)厘米3/分)下極化點(diǎn)約為2.16％，而預(yù)言為18.7％，這使得保留分?jǐn)?shù)為較低的12.2％(初始極化損失約87.8％)。與常規(guī)方法不同，本發(fā)明在熔化后得到了可根據(jù)儲(chǔ)蓄期間所用的流速預(yù)言的極化水平。
圖13示意了熔化前后實(shí)驗(yàn)與理論的極化水平。實(shí)驗(yàn)的流動(dòng)曲線顯示了冷凍前所得的極化水平(當(dāng)129Xe離開泵池22時(shí)測(cè)量該水平)。在圖上的各實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)代表通過對(duì)根據(jù)本發(fā)明所收集、冷凍的極化氣體進(jìn)行熔化所得的熔化數(shù)據(jù)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證實(shí)了本發(fā)明的方法改進(jìn)了現(xiàn)可獲得的極化保留分?jǐn)?shù)的可預(yù)言性并增加了極化保留分?jǐn)?shù)的值(熔化后相對(duì)于冷凍前所得的極化量)。
圖13A示意了用于預(yù)測(cè)一熔化后極化氙產(chǎn)品極化水平的流動(dòng)曲線，該曲線代表在冷凍及熔化期間在沒有極化損失的情況下可獲得的熔化后極化水平。該曲線包括源自固體Xe正常弛豫(在77°K下通?？晒烙?jì)為約2小時(shí))的損失。如圖所示，低的流速通常具有相對(duì)較大的極化損失。這是因?yàn)樵诘土魉傧拢瑑?chǔ)蓄時(shí)間可以相當(dāng)漫長(zhǎng)，而冰“T1”起著較大或更主要的作用。如圖所示，對(duì)于所有流速而言，采用本發(fā)明的冷凍及熔化法所得的極化保留分?jǐn)?shù)大于40％，平均約為49.9％。因此，如圖13A所示，該極化保留分?jǐn)?shù)基本上對(duì)流速不敏感。以下列舉的數(shù)據(jù)顯示現(xiàn)可獲得的實(shí)例極化保留分?jǐn)?shù)。
流速 極化(P)理論P(yáng)實(shí)驗(yàn)保留分?jǐn)?shù)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，在流速為600sccm的數(shù)據(jù)點(diǎn)處具有22.1的理論極化水平，而熔化后對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)的極化水平為11.18。對(duì)于該流速而言，初始極化水平(儲(chǔ)蓄/冷凍前)為22.1％。因此，冷凍/熔化過程后的極化保留分?jǐn)?shù)為11.18/22.1或50.6％。因而本熔化技術(shù)保留了至少30％的初始極化水平，基于這個(gè)數(shù)據(jù)優(yōu)選保留40％以上、最優(yōu)選45％以上的初始極化水平。此外，改進(jìn)的保留速率以數(shù)量級(jí)的幅度提高了熔化后的極化水平(與約2％的常規(guī)熔化極化水平相比現(xiàn)可預(yù)期的可靠極化水平超過約10％)。
雖然本發(fā)明的熔化方法特別適用于129Xe，但它也能成功地應(yīng)用于其他的超極化稀有氣體。此外，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會(huì)了解的是，用來使極化氣體冷凍的制冷劑并不局限于液體N2。但如果使用其他的制冷源或制冷劑，則應(yīng)相應(yīng)調(diào)整流速、儲(chǔ)蓄速率、“加熱”氣體溫度等。此外，為了收集極化氣體需要使用溫度至少與液氮(77K)一樣低的制冷源。較低的溫度增加了固體極化氣體的T1時(shí)間，從而使弛豫時(shí)間增加。例如，在液氮溫度下冷凍的極化氣體的冰弛豫時(shí)間(T1)約為2.8小時(shí)，而在液氦溫度下冷凍的極化氣體的冰弛豫時(shí)間(T1)約為12天。因此，為了在熔化后能獲得較高的極化水平，優(yōu)選在對(duì)應(yīng)的T1時(shí)間內(nèi)進(jìn)行熔化。
圖9、10和11為與本發(fā)明相關(guān)的各種方法的示意方框流程圖。各種方法的順序并不意味著受限于所示框圖的數(shù)量及順序。還可以包括此前所述的其他各種步驟。
圖9示意了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案用于儲(chǔ)蓄或收集冷凍極化氣體的各種步驟。將包含極化氣體的氣體混合物送入收集通道(方框900)。極化氣體被收集通道中的儲(chǔ)蓄器所接受。該儲(chǔ)蓄器具有一個(gè)進(jìn)口通道、一個(gè)收集貯存池和一個(gè)出口通道(方框910)。使收集貯存池暴露于極化稀有氣體凝固點(diǎn)以下的溫度(方框920)。極化氣體基本上以冷凍的狀態(tài)被截留于收集貯存池內(nèi)(優(yōu)選全部為固體冷凍狀態(tài))(方框930)。剩余的氣體混合物進(jìn)入出口通道(方框940)。加熱一部分儲(chǔ)蓄器中的進(jìn)口通道以便利于氣體混合物從中流過(方框950)。優(yōu)選通過將從氣體混合物中分離出來的一種氣體對(duì)進(jìn)口通道的預(yù)定區(qū)域進(jìn)行導(dǎo)熱來進(jìn)行加熱步驟(方框950)，除了進(jìn)口通道和出口通道外都含有所分離的氣體。然后所含的分離氣體環(huán)繞一部分進(jìn)口通道循環(huán)以減少由于在暴露步驟而導(dǎo)致的沿進(jìn)口通道發(fā)生阻塞的可能性。
圖10示意了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案用于熔化冷凍極化氣體的方法。提供一個(gè)密閉的容器，它包括一個(gè)內(nèi)流動(dòng)通道和一個(gè)用于保留冷凍極化氣體的收集室(方框1000)。使冷凍氣體暴露于磁場(chǎng)中(方框1005)。加熱一部分與收集室相鄰的一部分內(nèi)流動(dòng)通道(方框1010)。同時(shí)也加熱密閉容器的外面(方框1020)。在加熱步驟期間使冷凍氣體液化以便使最少量的極化氣體過渡到氣態(tài)(相反大量的極化氣體直接過渡到液相)(方框1030)。優(yōu)選通過關(guān)閉隔離閥并將容器密封使壓力增加到預(yù)定的水平(該水平對(duì)應(yīng)于提供一種“瞬間”熔化所需的時(shí)間)來進(jìn)行該液化步驟。換言之，閥門保持關(guān)閉的時(shí)間應(yīng)盡可能地短(如上所述，對(duì)于單一病人劑量而言少于約10秒)，這個(gè)時(shí)間對(duì)應(yīng)于在打開儲(chǔ)蓄器隔離閥后得到全部氣壓所需的時(shí)間。根據(jù)液體Xe蒸汽壓曲線可以計(jì)算這個(gè)釋放壓。參見V.A.Rabinovich等人的Thermophysical Properties of Neon,Argon,Krypton andXenon(Hemisphere Publishing CorpWash,1988年)。對(duì)于在低于200K的溫度下30厘米3的儲(chǔ)蓄器中儲(chǔ)蓄0.5L而言，釋放壓的實(shí)例為低于約506.625-1013.25kPa(5-10atm)(并且至少低于約1722.525kPa(17atm))。該值隨指形冷凍器的體積、儲(chǔ)蓄體積以及液體Xe中氣體溫度的不同而異。參考文獻(xiàn)Sauer等人的supra指出，對(duì)于161.4K下的Xe而言，P=81.06kPa(.81atm)，對(duì)于三點(diǎn)289.7K而言，P=5775.525kPa(57atm)，在240K下P=4053kPa(40atm)。因此，如方框1040所示，一達(dá)到液態(tài)即將氣壓從密閉的容器中釋放出來。也優(yōu)選如上所述般對(duì)其內(nèi)面進(jìn)行加熱。
圖11示意了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案用于延長(zhǎng)極化氣體產(chǎn)品極化儲(chǔ)存期的方法。提供一個(gè)磁場(chǎng)(方框1100)。在磁場(chǎng)的存在下冷凍極化氣體產(chǎn)品(方框1110)。將一定量的冷凍極化氣體密封于防事故裝置中(方框1115)。在磁場(chǎng)的存在下熔化極化氣體(方框1120)。在熔化步驟期間大量的冷凍氣體在密閉的容器內(nèi)直接轉(zhuǎn)化為液相(方框1130)。雖然在該圖中未示出，但沿著上述的線可以采用各種其他的步驟。(例如，其他的步驟可包括(但不限于此)減少富含氣體混合物中131Xe的量、加熱流動(dòng)通道的內(nèi)面、采用噴嘴引導(dǎo)氣流、通過開啟各個(gè)閥使液體變成氣體使防事故裝置減壓并將極化氣體釋放到一界面如帶子或其他輸送設(shè)備上)。
上述只是說明本發(fā)明而非對(duì)其進(jìn)行限制。雖然我們已描述了本發(fā)明一些舉例的實(shí)施方案，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員很容易了解到，在不偏離本發(fā)明新穎的描述及優(yōu)點(diǎn)的前提下在舉例的實(shí)施方案中存在許多修改。因此，所有這些修改包括在如在權(quán)利要求所定義的本發(fā)明的范疇之內(nèi)。在權(quán)利要求中，裝置加功能的條款包括此處所述實(shí)現(xiàn)功能的結(jié)構(gòu)，不但是結(jié)構(gòu)的等價(jià)物，而且是等的結(jié)構(gòu)。因此，應(yīng)理解的是，上述是對(duì)本發(fā)明進(jìn)行說明，不能視為對(duì)所公開的具體實(shí)施方案的限制，并且對(duì)所公開的實(shí)施方案以及其他實(shí)施方案的各種修改也包括在所附權(quán)利要求的范疇內(nèi)。本發(fā)明由以下各權(quán)利要求所限定，包括權(quán)利要求內(nèi)的各種等價(jià)物。
權(quán)利要求
1．一種延長(zhǎng)極化稀有氣體產(chǎn)品有用的極化儲(chǔ)存期(polarization life)的方法，它包括以下各步驟提供磁場(chǎng)；冷凍極化的稀有氣體；將冷凍的極化稀有氣體密封于防事故設(shè)備中以便在其中收集一定量的冷凍極化氣體；在磁場(chǎng)的存在下熔化極化稀有氣體；和在所述熔化步驟期間，在密閉的容器中，將大量的冷凍稀有氣體直接轉(zhuǎn)化為液相。
2．根據(jù)權(quán)利要求1的方法，該方法還包括使防事故設(shè)備減壓導(dǎo)致液體變成氣態(tài)的步驟。
3．根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中所述減壓步驟通過使防事故設(shè)備與收集容器相通來進(jìn)行。
4．根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述熔化步驟通過加熱防事故設(shè)備的外部和防事故設(shè)備內(nèi)部的所選部分來進(jìn)行。
5．根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述防事故設(shè)備的構(gòu)型的能容納單一病人的劑量，并且其中所述熔化步驟所需時(shí)間少于約10秒。
6．根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其中所述熔化步驟所需時(shí)間少于約6秒。
7．根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述冷凍步驟在磁場(chǎng)的存在下進(jìn)行，并且其中在所述熔化步驟后極化稀有氣體保留超過約30％的所述極化稀有氣體在冷凍步驟前的極化量。
8．根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中防事故設(shè)備包括在填充操作過程中將極化氣體流引入到該容器底部的內(nèi)噴嘴，并且其中所述熔化步驟包括加熱該內(nèi)噴嘴的一部分以便利于大量冷凍希有極化氣體快速相變化為液體極化氣體。
9．根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述冷凍步驟在第一部位進(jìn)行，而所述轉(zhuǎn)化步驟在遠(yuǎn)離第一部位的第二部位進(jìn)行。
10．根據(jù)權(quán)利要求9的方法，該方法還包括在所述冷凍步驟之后和所述轉(zhuǎn)化步驟之前的輸送步驟，其中冷凍極化稀有氣體包括129Xe并具有相關(guān)的弛豫時(shí)間T1，并且其中在T1時(shí)間結(jié)束前所述輸送步驟將防事故設(shè)備輸送至第二部位。
11．一種用于收集冷凍的極化稀有氣體的低溫儲(chǔ)蓄器，它包括具有相反第一端和第二端的、其結(jié)構(gòu)被做成引導(dǎo)極化氣體從其中通過的主流動(dòng)通道；環(huán)繞所述主流動(dòng)通道的外套管，所述外套管具有位于所述主流動(dòng)通道第二端下面的限定收集室的封端；和位于所述主流動(dòng)通道和所述外套管之間的次流動(dòng)通道，所述次流動(dòng)通道具有緊挨著所述主流動(dòng)通道第二端的封端。
12．根據(jù)權(quán)利要求11的低溫儲(chǔ)蓄器(cryogenic accumulator)，所述次流動(dòng)通道具有圓柱狀的內(nèi)壁，其中所述內(nèi)壁限定了所述主流動(dòng)通道。
13．根據(jù)權(quán)利要求12的低溫儲(chǔ)蓄器，所述次流動(dòng)通道具有一個(gè)外壁，其中所述外壁及所述外套管限定了其間的緩沖氣體出口通道。
14．根據(jù)權(quán)利要求11的低溫儲(chǔ)蓄器，其中所述主流動(dòng)通道第二端是一個(gè)噴嘴。
15．根據(jù)權(quán)利要求12的低溫儲(chǔ)蓄器，它還包括與所述主流動(dòng)通道和所述緩沖氣體出口通道相連的第一和第二隔離閥。
16．根據(jù)權(quán)利要求14的低溫儲(chǔ)蓄器，其中所述第一隔離閥位于所述主流動(dòng)通道第一端處，以控制目標(biāo)氣體經(jīng)過其中的流動(dòng)。
17．根據(jù)權(quán)利要求15的低溫儲(chǔ)蓄器，其中所述第二隔離閥在沿所述緩沖氣體出口通道遠(yuǎn)離所述外套管封端的位置上，以得到可釋放的密封，并控制通過其間的氣體的釋放。
18．根據(jù)權(quán)利要求11的低溫儲(chǔ)蓄器，還包括次流動(dòng)通道進(jìn)口和出口和與所述進(jìn)口流體相連的導(dǎo)管，其中所述導(dǎo)管沿所述次流動(dòng)通道的主要部分延伸，籍此將熱氣體流引向所述主流動(dòng)通道的預(yù)定區(qū)域。
19．根據(jù)權(quán)利要求11的與超極化單元結(jié)合在一起的低溫儲(chǔ)蓄器，其中將所述儲(chǔ)蓄器被做成可從所述超極化單元中卸出的結(jié)構(gòu)。
20．根據(jù)權(quán)利要求11的低溫儲(chǔ)蓄器，其中所述次流動(dòng)通道與所述主流動(dòng)通道相分離。
21．根據(jù)權(quán)利要求11的低溫儲(chǔ)蓄器，其中所述次流動(dòng)通道被做成在操作上可與所述主流動(dòng)通道相連的熱源。
22．根據(jù)權(quán)利要求11的低溫儲(chǔ)蓄器，其中所述次流動(dòng)通道是一個(gè)在結(jié)構(gòu)上使氣體循環(huán)通過其中的加熱夾套。
23．根據(jù)權(quán)利要求22的低溫儲(chǔ)蓄器，其中所述次流動(dòng)通道包括縱向延伸的導(dǎo)管，其構(gòu)型使氣體導(dǎo)入到與所述主流動(dòng)通道的所述第二端相鄰的所述次流動(dòng)通道封端。
24．根據(jù)權(quán)利要求11的低溫儲(chǔ)蓄器，它還包括至少一個(gè)與所述收集室相鄰的永久磁鐵。
25．根據(jù)權(quán)利要求22的低溫儲(chǔ)蓄器，它還包括在操作上可與所述收集室相連的低溫制冷源。
26．根據(jù)權(quán)利要求22的低溫儲(chǔ)蓄器，其中所述次流動(dòng)通道的結(jié)構(gòu)可使環(huán)境溫度的氣態(tài)氮通過其中進(jìn)行循環(huán)。
27．根據(jù)權(quán)利要求22的低溫儲(chǔ)蓄器，所述儲(chǔ)蓄器還包括至少一個(gè)與所述次流動(dòng)通道相連的次流動(dòng)通道出口。
28．根據(jù)權(quán)利要求27的低溫儲(chǔ)蓄器，它還包括在操作上與所述出口相連的流動(dòng)調(diào)節(jié)閥，用以調(diào)節(jié)氣體在其中的流動(dòng)，籍此調(diào)節(jié)供應(yīng)給至少一部分所述主流動(dòng)通道的熱量。
29．根據(jù)權(quán)利要求11的低溫儲(chǔ)蓄器，其中所述外套管、所述次流動(dòng)通道和所述主流動(dòng)通道徑向排列于沿所述儲(chǔ)蓄器長(zhǎng)度的主要部分上。
30．一種用于冷凍所收集的極化稀有氣體的制冷儲(chǔ)蓄器的加熱夾套，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內(nèi)壁，所述內(nèi)壁與所述外壁相分離，其中所述內(nèi)壁在結(jié)構(gòu)上緊靠著極化氣體收集通道；所述外壁和內(nèi)壁第二端的每一個(gè)底部密封；所述外壁和內(nèi)壁第一端的每一個(gè)頂部密封，其中所述頂部、底部和內(nèi)外壁限定了其中的至少一個(gè)密閉流體循環(huán)通道；與所述循環(huán)通道相連的流體進(jìn)口；在結(jié)構(gòu)上與所述循環(huán)通道相連的流體出口；包括氣體的熱源，其中所述流體進(jìn)口和出口的結(jié)構(gòu)可使氣體能在所述循環(huán)通道中流動(dòng)。
31．根據(jù)權(quán)利要求30的加熱夾套，其中所述流體進(jìn)口在操作上與閥相連，并且其中所述閥在所述循環(huán)通道中提供氣體可調(diào)節(jié)的流速。
32．根據(jù)權(quán)利要求30的加熱夾套，其中所述內(nèi)外壁基本上是圓柱形且徑向排列的。
33．根據(jù)權(quán)利要求30的加熱夾套，所述內(nèi)壁環(huán)繞一中央開口延伸，以限定經(jīng)過其間的極化氣體的流動(dòng)通道。
34．根據(jù)權(quán)利要求31的加熱夾套，其中所述內(nèi)壁包括限定流動(dòng)通道第一直徑的第一部分，限定流動(dòng)通道第二直徑的逐漸減少的第二部分，所述第二直徑小于所述第一直徑。
35．根據(jù)權(quán)利要求34的加熱夾套，其中所述逐漸減少的部分限定流動(dòng)通道噴嘴。
36．根據(jù)權(quán)利要求30的加熱夾套，它還包括位于所述密閉循環(huán)通道中并在操作中與所述流體進(jìn)口相連的伸長(zhǎng)導(dǎo)管。
37．一種用于收集冷凍希有極化氣體的儲(chǔ)蓄器，它包括具有相反進(jìn)口和出口端的主流動(dòng)通道，所述出口端在結(jié)構(gòu)上類似于流動(dòng)噴嘴，其中所述進(jìn)口端可拆卸地連接于極化氣體收集通道；和包括收集貯存池并與所述流動(dòng)噴嘴相鄰的外套管。
38．根據(jù)權(quán)利要求37的儲(chǔ)蓄器，它還包括位于所述主流動(dòng)通道與所述收集室之前的所述外套管之間的熱源，設(shè)置所述熱源為所述流動(dòng)噴嘴提供熱量。
39．根據(jù)權(quán)利要求37的儲(chǔ)蓄器，其中所述熱源包括位于所述外套管內(nèi)并與所述外套管相分離的密閉加熱夾套。
40．根據(jù)權(quán)利要求39的儲(chǔ)蓄器，其中所述密閉加熱夾套包括限定所述主流動(dòng)通道的沿圓周延伸的內(nèi)壁。
41．根據(jù)權(quán)利要求40的儲(chǔ)蓄器，其中所述密閉加熱夾套包括與所述內(nèi)壁分隔的沿圓周延伸的外壁，它與所述外套管一起限定了與所述主流動(dòng)通道相連的出口通道。
42．根據(jù)權(quán)利要求38的儲(chǔ)蓄器，其中所述熱源包括用于將預(yù)定的氣流導(dǎo)入到所述流動(dòng)噴嘴的導(dǎo)管。
43．根據(jù)權(quán)利要求40的儲(chǔ)蓄器，其中所述密閉加熱夾套包括排氣口，并且其中所述加熱夾套的結(jié)構(gòu)使循環(huán)氣體加熱所述內(nèi)壁并捕獲氣體和將其返回到所述排氣口。
44．一種用于冷凍收集冷凍希有極化氣體的方法，它包括以下步驟將包含極化稀有氣體和第二種氣體的氣體混合物沿收集通道導(dǎo)入到儲(chǔ)蓄器內(nèi)；將氣體混合物收集到位于收集通道中的儲(chǔ)蓄器內(nèi)，該儲(chǔ)蓄器具有進(jìn)口通道、收集貯存池和出口通道；將收集貯存池冷卻至低于極化稀有氣體凝固點(diǎn)的溫度；在收集貯存池內(nèi)捕獲基本上處于冷凍狀態(tài)的極化稀有氣體；將包括第二種氣體的剩余氣體混合物送入出口通道；和加熱儲(chǔ)蓄器中一部分進(jìn)口通道以便利于氣體混合物通過其中的流動(dòng)。
45．根據(jù)權(quán)利要求44的方法，其中所述加熱步驟包括以下步驟將從氣體混合物中分離出來的一種氣體加熱進(jìn)口通道的預(yù)定區(qū)域，除了進(jìn)口通道和出口通道以及收集貯存池之外都包括該分離的氣體；使從氣體混合物中分離出來的氣體在一部分進(jìn)口通道中循環(huán)，以提供導(dǎo)熱給所選部分的進(jìn)口通道并減少由于所述暴露步驟而引起的沿進(jìn)口通道發(fā)生阻塞的可能性。
46．根據(jù)權(quán)利要求45的方法，其中所述導(dǎo)入步驟包括使氣體混合物通過定向噴嘴流入到收集貯存池中。
47．根據(jù)權(quán)利要求44的方法，其中所述冷卻步驟包括將底部的貯存池浸漬到液體制冷劑浴中。
48．根據(jù)權(quán)利要求44的方法，其中通過以下步驟提供所述加熱步驟使室溫的氮?dú)猸h(huán)繞至少一部分進(jìn)口通道的外側(cè)；和捕獲氮?dú)獠⑴c冷凍儲(chǔ)蓄的稀有氣體分離而排放至大氣中。
49．根據(jù)權(quán)利要求45的方法，其中所述加熱步驟是一個(gè)可調(diào)節(jié)的加熱步驟，通過調(diào)節(jié)循環(huán)氣體的流速來增加或減少所提供的熱量。
50．根據(jù)權(quán)利要求44的方法，該方法還包括以下步驟在收集貯存池中儲(chǔ)蓄極化稀有氣體；和在儲(chǔ)蓄期間將氣體暴露于磁場(chǎng)中。
51．根據(jù)權(quán)利要求50的方法，該方法還包括以下步驟將儲(chǔ)蓄器從一部分收集通道中卸下；和將具有在磁場(chǎng)的存在下冷凍的極化氣體的儲(chǔ)蓄器輸送至遠(yuǎn)處。
52．根據(jù)權(quán)利要求45的方法，其中所述極化氣體為129Xe。
53．根據(jù)權(quán)利要求44的方法，其中所述氣體混合物包括氙，它包括富含量的129Xe和低于約3.5％的同位素131Xe。
54．一種進(jìn)行權(quán)利要求1的熔化和/或轉(zhuǎn)化步驟的方法，該方法包括以下步驟提供具有內(nèi)流動(dòng)通道和收集室的密閉容器，收集室內(nèi)存有冷凍的極化氣體；將冷凍的極化氣體暴露于磁場(chǎng)中；加熱一部分與收集室相鄰的內(nèi)流動(dòng)通道；和加熱密閉容器的外側(cè)。
55．根據(jù)權(quán)利要求54的方法，該方法還包括在熔化期間將大部分冷凍極化稀有氣體液化的步驟。
56．根據(jù)權(quán)利要求55的方法，其中密閉容器在操作上與一對(duì)隔離閥相連，并且通過關(guān)閉閥門并使容器內(nèi)的壓力在所述加熱步驟期間升高至預(yù)定的水平來進(jìn)行液化步驟。
57．根據(jù)權(quán)利要求56的方法，該方法還包括以下步驟開啟至少一個(gè)閥門以降低容器內(nèi)的壓力，使液化氣體變成氣態(tài)；和將氣流導(dǎo)入到貯器內(nèi)。
58．根據(jù)權(quán)利要求54的方法，其中在所述外加熱步驟之前開始所述內(nèi)加熱步驟。
59．根據(jù)權(quán)利要求54的方法，其中所述極化氣體為129Xe。
60．根據(jù)權(quán)利要求54的方法，其中所述內(nèi)加熱步驟包括通過在與內(nèi)流動(dòng)通道相鄰的容器室中使氣體循環(huán)來加熱內(nèi)流動(dòng)通道。
61．根據(jù)權(quán)利要求60的方法，其中所述氣體通過導(dǎo)管導(dǎo)入到收集室上方的內(nèi)流動(dòng)通道的底部。
62．根據(jù)權(quán)利要求54的方法，其中單一病人劑量的極化氣體在少于10秒內(nèi)被熔化。
63．根據(jù)權(quán)利要求55的方法，其中通過熔化，極化氣體保留不低于約30％的其初始極化水平。
64．一種熔化所收集的冷凍極化氣體的方法，它包括以下步驟提供具有內(nèi)流動(dòng)通道和收集室的密閉容器，該收集室中保留有冷凍極化氣體；將冷凍極化氣體暴露于磁場(chǎng)中；加熱密閉容器的外側(cè)；和在熔化期間液化大部分的冷凍極化稀有氣體。
65．根據(jù)權(quán)利要求64的方法，其中密閉容器在操作上與一對(duì)隔離閥相連，并且在所述加熱步驟期間通過關(guān)閉閥門而使容器內(nèi)的壓力升高至預(yù)定水平來進(jìn)行液化步驟。
66．根據(jù)權(quán)利要求65的方法，該方法還包括以下步驟開啟至少一個(gè)閥門以降低容器內(nèi)的壓力，使液化氣變成氣態(tài)；和將氣流導(dǎo)入到貯器中。
67．根據(jù)權(quán)利要求64的方法，其中所述極化氣體包括129Xe。
68．根據(jù)權(quán)利要求64的方法，其中單一病人劑量的極化氣體在少于10秒內(nèi)被熔化。
69．根據(jù)權(quán)利要求64的方法，其中通過熔化，極化氣體保留其初始極化水平的至少30％。
70．根據(jù)權(quán)利要求1的方法生產(chǎn)的藥用極化129Xe氣體產(chǎn)品，該產(chǎn)品具有初始收集極化水平和后冷凍氣體極化水平，使得氣體極化水平至少為初始冷凍極化水平的30％。
71．根據(jù)權(quán)利要求1的方法加工的藥用極化129Xe稀有氣體產(chǎn)品，該129Xe產(chǎn)品在輸送至使用者時(shí)的極化水平超過10％，并且其中的堿金屬低于約10ppb，其中通過光泵送堿金屬及包含129Xe和減少量的同位素131Xe的氣體混合物，隨后在磁場(chǎng)的存在下冷凍預(yù)定量的所述光泵送的超極化129Xe稀有氣體，并將大部分的冷凍超極化129Xe從冷凍狀態(tài)直接轉(zhuǎn)化為液態(tài)，從而使所述129Xe超極化產(chǎn)品得以超極化。
72．根據(jù)權(quán)利要求71的極化稀有氣體產(chǎn)品，其中所述光泵送氣體混合物包含少于約0.1％的131Xe。
全文摘要
收集、熔化和延長(zhǎng)可用的極化貯存期的冰凍極化氣體的方法,它包括在熔化期間加熱一部分流動(dòng)通道和/或直接液化冰凍的氣體。也包括具有延長(zhǎng)極化貯存期產(chǎn)品的極化稀有氣體產(chǎn)品。用于收集、貯存和輸送極化稀有氣體的相關(guān)設(shè)備如儲(chǔ)蓄器和加熱夾套包括在收集和熔化期間為一部分收集通道提供熱量的次流體通道。
文檔編號(hào)B01J19/26GK1284158SQ98813517
公開日2001年2月14日 申請(qǐng)日期1998年12月11日 優(yōu)先權(quán)日1997年12月12日
發(fā)明者B·德雷休斯, D·佐林格, D·迪頓, K·C·哈森, A·蘭格霍恩 申請(qǐng)人:磁成象技術(shù)公司