Metastability exchange optical pumping in 3 He gas up to 30 mT: Efficiency measurements and evidence of laser-induced nuclear relaxation

Advances in metastability exchange optical pumping (MEOP) of 3He at high laser powers, with its various applications, but also at high gas pressures p3 and high magnetic field strengths B, have provided strong motivation for revisiting the understanding and for investigating the limitations of this powerful technique. For this purpose, we present systematic experimental and theoretical studies of efficiency and of relaxation mechanisms in B≤30 mT and p3=0.63−2.45 mbar. 3He nuclear polarisation is measured by light absorption in longitudinal configuration where weak light beams at 1083 nm parallel to magnetic field and cell axis with opposite circular polarisations are used to probe the distribution of populations in the metastable state. This method is systematically tested to evaluate potential systematic biases and is shown to be reliable for the study of OP dynamics despite the redistribution of populations by OP light. Nuclear polarisation loss associated to the emission of polarised light by the plasma discharge used for MEOP is found to decrease above 10 mT, as expected, due to hyperfine decoupling in highly excited states. However, this does not lead to improved MEOP efficiency at high laser power. We find clear evidence of additional laser-induced relaxation instead. The strong OP-enhanced polarisation losses, currently limiting MEOP performances, are quantitatively investigated using an angular momentum budget approach and a recently developed comprehensive model that describes the combined effects of OP, ME and relaxation, validated by comparison to experimental results.

Entwicklung eines leistungsstarken Polarisators und Kompressors für 3 He für medizinische MR Tomographie

Zusammenfassung: Michael EbertEntwicklung eines leistungsstarken Polarisators und Kompressorsfür 3-He für medizinische MR Tomographie Durch Optisches Pumpen von metastabilem3-He*--Gas bei einem Druck von 1 mb und Spinübertrag mittels Metastabileraustauschstöße aufden Grundzustand, wird 3-He auf 53 % bei einemmittleren Fluß von f = 58 bar*liter/Tag aufpolarisiert. Bei einem Fluß von f = 122bar*l/Tag wird immer noch eine Polarisation von 30 % erzielt. DurchSteigerung der Laserleistung von derzeit 12 Watt aufwünschenswerte 30 Watt, könnten beigleichem Fluß Kernspinpolarisationen des Heliums von 70 % erreicht werden. Mittels einer eigens entwickelten Ganzmetall--Titan--Kolbenpumpeerfolgt die Kompression in zwei Stufen. Zuerst wird einZwischenvolumen auf Drücke 200 bis 800 mb,je nach Anwendung gefüllt. Mit dem selben Kompressor könnenanschließend abnehmbare, verschließbare Experimentierzellen ausdiesem Zwischenvolumen auf Drücke 1 bis 6 bar gefüllt werden. Auf Grund des großen Hubvolumens von 15,4 Liter können große Gasmengen proKompressionszyklus verdichtet werden. Wegen des großen Verhältnisaus Kompressionshub h = 100 cm undKompressordurchmesser 14 cm kommt es imKompressionsraum zu keinen meßbaren Polarisationsverlusten.Zusammen mit dem großen Kompressionsfaktor von K = 10000sind diese konstruktiven Maßnahmen für den vollständigen Erhaltder Polarisation bei der Kompression des polarizierten 3-He--Gasesverantwortlich. Diese großen Gasmengen an hyperpolarisiertem 3-He haben ersteklinische Studien funktioneller Lungen--MRT ermöglicht. DurchMessung des Sauerstoffpartialdrucks und dessen Abnahmerate, derBestimmung der Ventillation und Messung der DiffusionskonstantenADC in der Lunge, können die Funktionen dieses Organs lokalquantitativ beurteilt werden.

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.\

UHP metamorphic rocks of the Eastern Rhodope Massif, NE Greece: new constraints from petrology, geochemistry and zircon ages

In this PhD thesis, a multidisciplinary study has been carried out on metagranitoids and paragneisses from the Eastern Rhodope Massif, northern Greece, to decipher the pre-Alpine magmatic and geodynamic evolution of the Rhodope Massif and to correlate the eastern part with the western/central parts of the orogen. The Rhodope Massif, which occupies the major part of NE Greece and S Bulgaria, represents the easternmost part of the Internal Hellenides. It is regarded as a nappe stack of high-grade units, which is classically subdivided into an upper unit and a lower unit, separated by a SSE-NNW trending thrust plane, the Nestos thrust. Recent research in the central Greek Rhodope Massif revealed that the two units correspond to two distinct terranes of different age, the Permo-Carboniferous Thracia Terrane, which was overthrusted by the Late Jurassic/Early Cretaceous Rhodope Terrane. These terranes are separated by the Nestos suture, a composite zone comprising metapelites, metabasites, metagranitoids and marbles, which record high-pressure and even ultrahigh-pressure metamorphism in places. Similar characteristic rock associations were investigated during this study along several well-constrained cross sections in vincity to the Ada, Sidiro and Kimi villages in the Greek Eastern Rhodope Massif. Field evidence revealed that the contact zone of the two terranes in the Eastern Rhodope Massif is characterized by a mélange of metapelites, migmatitic amphibolites/eclogites, strongly sheared orthogneisses and marbles. The systematical occurrence of this characteristic rock association between the terranes implies that the Nestos suture is a continuous belt throughout the Greek Rhodope Massif. In this study, a new UHP locality could be established and for the first time in the Greek Rhodope, metamorphic microdiamonds were identified in situ in their host zircons using Laser-Raman spectroscopy. The presence of the diamonds as well as element distribution patterns of the zircons, obtained by TOF-SIMS, indicate metamorphic conditions of T > 1000 °C and P > 4 GPa. The high-pressure and ultrahigh-pressure rocks of the mélange zone are considered to have formed during the subduction of the Nestos Ocean in Jurassic times at ~150 Ma. Melting of metapelitic rocks at UHP conditions facilitated the exhumation to lower crustal levels. To identify major crust forming events, basement granitoids were dated by LA-SF-ICPMS and SHRIMP-II U-Pb analyses of zircons. The geochronological results revealed that the Eastern Rhodope Massif consists of two crustal units, a structurally lower Permo-Carboniferous unit corresponding to the Thracia Terrane and a structurally upper Late Jurassic/Early Cretaceous unit corresponding to the Rhodope Terrane, like it was documented for the Central Rhodope Massif. Inherited zircons in the orthogneisses from the Thracia Terrane of the Eastern Rhodope Massif indicate the presence of a pre-existing Neoproterozoic and Ordovician-Silurian basement in this region. Triassic magmatism is witnessed by the zircons of few orthogneisses from the easternmost Rhodope Massif and is interpreted to be related to rifting processes. Whole-rock major and trace element analyses indicate that the metagranitoids from both terranes originated in a subduction-related magmatic-arc environment. The Sr-Nd isotope data for both terranes of the Eastern and Central Rhodope Massif suggest a mixed crust-mantle source with variable contributions of older crustal material as already indicated by the presence of inherited zircons. Geochemical and isotopic similarity of the basement of the Thracia Terrane and the Pelagonian Zone implies that the Thracia Terrane is a fragment of a formerly unique Permo-Carboniferous basement, separated by rifting and opening of the Meliata-Maliac ocean system in Triassic times. A branch of the Meliata-Maliac ocean system, the Nestos Ocean, subducted northwards in Late Jurassic times leading to the formation of the Late Jurassic/Early Cretaceous Rhodope magmatic arc on remnants of the Thracia Terrane as suggested by inherited Permo-Carboniferous zircons. The ~150 Ma zircon ages of the orthogneisses from the Rhodope Terrane indicate that subduction-related magmatism and HP/UHP metamorphism occurred during the same subduction phase. Subduction ceased due to the closure of the Nestos Ocean in the Late Jurassic/Early Cretaceous. The post-Jurassic evolution of the Rhodope Massif is characterized by the exhumation of the Rhodope core complex in the course of extensional tectonics associated with late granite intrusions in Eocene to Miocene times.