Weiterentwicklung einer Produktionsanlage und der Speicherungs- bzw. Transportkonzepte für hochpolarisiertes 3He

Der Bedarf an hyperpolarisiertem 3He in Medizin und physikalischer Grundlagenforschung ist in den letzten ca. 10-15 Jahren sowohl in Bezug auf die zu Verfügung stehende Menge, als auch auf den benötigten Grad der Kernspinpolarisation stetig gestiegen. Gleichzeitig mußten Lösungen für die polarisationserhaltende Speicherung und den Transport gefunden werden, die je nach Anwendung anzupassen waren. Als Ergebnis kann mit dieser Arbeit ein in sich geschlossenes Gesamtkonzept vorgestellt werden, daß sowohl die entsprechenden Mengen für klinische Anwendungen, als auch höchste Polarisation für physikalische Grundlagenfor-schung zur Verfügung stellen kann. Verschiedene unabhängige Polarimetriemethoden zeigten in sich konsistente Ergebnisse und konnten, neben ihrer eigenen Weiterentwicklung, zu einer verläßlichen Charakterisierung des neuen Systems und auch der Transportzellen und –boxen eingesetzt werden. Die Polarisation wird mittels „Metastabilem Optischen Pumpen“ bei einem Druck von 1 mbar erzeugt. Dabei werden ohne Gasfluß Werte von P = 84% erreicht. Im Flußbetrieb sinkt die erreichbare Polarisation auf P ≈ 77%. Das 3He kann dann weitgehend ohne Polarisationsver-luste auf mehrere bar komprimiert und zu den jeweiligen Experimenten transportiert werden. Durch konsequente Weiterentwicklung der vorgestellten Polarisationseinheit an fast allen Komponenten kann somit jetzt bei einem Fluß von 0,8 barl/h eine Polarisation von Pmax = 77% am Auslaß der Apparatur erreicht werden. Diese skaliert linear mit dem Fluß, sodaß bei 3 barl/h die Polarisation immer noch bei ca. 60% liegt. Dabei waren die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Verbesserungen an den Lasern, der Optik, der Kompressionseinheit, dem Zwischenspeicher und der Gasreinigung wesentlich für das Erreichen dieser Polarisatio-nen. Neben dem Einsatz eines neuen Faserlasersystems ist die hohe Gasreinheit und die lang-lebige Kompressionseinheit ein Schlüssel für diese Leistungsfähigkeit. Seit Herbst 2001 er-zeugte das System bereits über 2000 barl hochpolarisiertes 3He und ermöglichte damit zahl-reiche interdisziplinäre Experimente und Untersuchungen. Durch Verbesserungen an als Prototypen bereits vorhandenen Transportboxen und durch weitgehende Unterdrückung der Wandrelaxation in den Transportgefäßen aufgrund neuer Erkenntnisse über deren Ursachen stellen auch polarisationserhaltende Transporte über große Strecken kein Problem mehr dar. In unbeschichteten 1 Liter Kolben aus Aluminosilikatglä-sern werden nun problemlos Speicherzeiten von T1 > 200h erreicht. Im Rahmen des europäi-schen Forschungsprojektes „Polarized Helium to Image the Lung“ wurden während 19 Liefe-rungen 70barl 3He nach Sheffield (UK) und bei 13 Transporten 100 barl nach Kopenhagen (DK) per Flugzeug transportiert. Zusammenfassend konnte gezeigt werden, daß die Problematik der Kernspinpolarisationser-zeugung von 3He, die Speicherung, der Transport und die Verwendung des polarisierten Ga-ses in klinischer Diagnostik und physikalischen Grundlagenexperimenten weitgehend gelöst ist und das Gesamtkonzept die Voraussetzungen für allgemeine Anwendungen auf diesen Gebieten geschaffen hat.

The use of hyperpolarized 3He in medical applications and physics raised during the last 10-15 years constantly. In MRI a bigger amount was needed and in fundamental physics one asked for highest polarization. Parallel to the development of a production unit one had to solve the problems of storage and transport the gas with negligible polarization losses. The conclusion of this Thesis is that one can introduce an over all concept, that is able to produce big amounts of 3He at moderate polarization degrees for medical applications as well as highest polarization to be used at fundamental physics experiments. Different independent methods of polarization measurements were further developed. They show consistent results and made it possible to characterise the system including storage and transport reliably. The polarization is produced by “Metastable Optical Pumping” at pressures of about 1 mbar. At a steady state a maximum polarization of P = 84% is reached. Due to the gasflux this maximum value is reduced to P ≈ 77%. After polarization the gas can be compressed up to several bars and transported to the experiment with negligible losses. Because of consequent further enhancements Pmax = 77% at 0,8 barl/h is possible. The polarization scales linear with the flux and 60% are still reached at 3 barl/h. Essential for the improvement of the system were the implementation of a new lasersystem and optics as well as the new long living compression-unit, the puffer cell and the enhanced purity of the gas. Since autumn 2001 more than 2000 barl of highly polarized 3He were produced to serve numerous interdisciplinary experiments and investigations. By improving the transportboxes, which were already existing as prototypes and by suspending wallrelaxation effects inside the transportcontainers because of new findings of their sources, polarization conserving transports over long distances are no problem any more. Noncoated containers made of aluminosilicateglases with a volume of about one litre now reach storage times better than 200h. In the context of the european project “Polarized Helium to Image the Lung” 19 deliveries with a total amount of 70barl were send to Sheffield (UK) and 13 deliveries with a total amount of 100 barl were send to Copenhagen (DK) via airplane. As a conclusion of this thesis one can show, that the problems in producing, storage and transport of hyperpolarized 3He and its use in medical applications and fundamental physics are solved. The conditions for further investigations in this areas are now given.