Erzeugung höchster 3 He-Kernspinpolarisation durch metastabiles optisches Pumpen

In dieser Arbeit wird zum Erreichen hoher Kernspinpolarisationen die Methode des metastabilen optischen Pumpens benutzt. Das Verfahren beruht auf dem "Ubertrag des Drehimpulses absorbierter Photonen auf das hierbei angeregte Valenzelektron, welches durch Hyperfeinkopplung den Drehimpuls weiter auf den $^3$He-Kern transferiert. Da der Polarisationsprozess nur bei Dr"ucken von ca. 1~mbar effizient funktioniert, f"ur die meisten Anwendungen aber polarisiertes $^3$He bei einem Druck von $geq 1$~bar ben"otigt wird, muss das Gas nach der Aufpolarisation komprimiert werden. In unserer Arbeitsgruppe steht eine Maschine ("`Polarisator"') zur Verf"ugung, die das Gas polarisiert und anschlie"send komprimiert. Ziel dieser Dissertation ist, einerseits die Leistungsf"ahigkeit des Polarisators bez"uglich Maximalpolarisation und Gasfluss zu verbessern und andererseits den metastabilen Pumpprozess selbst genauer zu untersuchen.\ noindent Durch die Verwendung neuer Laser auf Basis der Fasertechnologie sowie einer systematischen Optimierung der optischen Komponenten konnten in abgeschlossenen Pumpzellen Rekord-Polarisationsgrade von $91pm 2$% erzielt werden.\ noindent Mit der Implementierung neuartiger Optiken und Laser am Mainzer Polarisator konnte die Leistungscharakteristik entscheidend verbessert werden. So wurde die erreichbare Polarisation bei identischer Produktionsrate um 20 Prozentpunkte gesteigert. Zurzeit sind maximale Polarisationsgrade von mehr als 75% im optischen Pumpvolumen erreichbar. Eine am Mainzer Triga-Reaktor durchgef"uhrte Polarisationsbestimmung ergab einen Wert von $72.7pm 0.7$%. Dies veranschaulicht die geringen Polarisationsverluste infolge der Gaskompression, des Transports und einer Lagerung "uber mehrere Stunden.\ noindent Zur Dynamik der geschwindigkeitsver"andernden St"o"se sowie zur Bestimmung der mittleren Photonen-Absorptionsrate wurde ein Modell entwickelt, welches auch experimentell best"atigt wurde. Damit konnte erstmalig das gemessene Absorptionsverhalten einer spektral schmalbandigen Laserdiode korrekt beschrieben werden.\ noindent Zudem stimmen die an so genannten abgeschlossenen Pumpzellen gemessenen extrem hohen Polarisationswerte mit theoretischen Vorhersagen "uberein, sofern der Druck im optischen Pumpvolumen geringer als 1~mbar ist und das $^3$He nicht durch Fremdgase verunreinigt ist. Bei derartigen Pumpzellen ist die gemessene Abh"angigkeit der Polarisation von Laserleistung, Metastabilendichte und falscher Zirkularkomponente mit der Theorie kompatibel.\

In the present work the method of metastable optical pumping is used for the achievement of highest nuclear spin polarization. This method is based on the transfer of angular momentum of absorbed photons onto the excited valence electron which is further transfered to the $^3$He nucleus via hyperfine coupling. Since the polarization process is efficient only at pressures about 1 mbar, gas compression is substantial for many applications. In our laboratory a polarizer device is used for polarizing and compression the gas. In this thesis, an enhancement of the polarizer efficiency concerning gas flux and maximum polarization was foreseen as well as a more detailed analysis of the metastable pumping process.\ noindent Using novel fibre lasers as well as a systematic optimization of optical components, a maximum nuclear polarization degree of $(91pm 2)$% has been achieved in a sealed off pumping cell.\ noindent Due to the implementation of the novel lasers and new optics, the performance of the Mainz polarizer has been drasticly enhanced. Thus the polarization degree has increased on twenty basis points at given production rate. Currently, in the optical pumping volume a maximum polarization of more than 75% is gainable. A storage cell filled with 1.5 bar has been transported to the TRIGA reactor in Mainz, where a polarization of $(72.7pm 0.7)$% has been measured via neutron absorption. This demonstrates the marginal polarization loss in consequence of gas compression, transport and storage about several hours.\ noindent Besides, a model for the description of the dynamical process of velocity changing collisions and the photon absorption rate at given laser frequency spectrum has been developed. Thereby an agreement of theoretical and experimental results by absorption measurement of single frequency laser light has been achieved for the first time. The metastable exchange pumping model also predicts the polarization degree correctly.\