Parahydrogen induced polarization on a clinical MRI system : polarization transfer of two spin order

Hyperpolarization techniques enhance the nuclear spin polarization and thus allow for new nuclear magnetic resonance applications like in vivo metabolic imaging. One of these techniques is Parahydrogen Induced Polarization (PHIP). It leads to a hyperpolarized 1H spin state which can be transferred to a heteronucleus like 13C by a radiofrequency (RF) pulse sequence. In this work, timing of such a sequence was analyzed and optimized for the molecule hydroxyethyl propionate. The pulse sequence was adapted for the work on a clinical magnetic resonance imaging (MRI) system which is usually equipped only with a single RF transmit channel. Optimal control theory optimizations were performed to achieve an optimized polarization transfer. A drawback of hyperpolarization is its limited lifetime due to relaxation processes. The lifetime can be increased by storing the hyperpolarization in a spin singlet state. The second part of this work therefore addresses the spin singlet state of the Cs-symmetric molecule dimethyl maleate which needs to be converted to the spin triplet state to be detectable. This conversion was realized on a clinical MRI system, both by field cycling and by two RF pulse sequences which were adapted and optimized for this purpose. Using multiple conversions enables the determination of the lifetime of the singlet state as well as the conversion efficiency of the RF pulse sequence. Both, the hyperpolarized 13C spin state and the converted singlet state were utilized for MR imaging. Careful choice of the echo time was shown to be crucial for both molecules.

Search for a spin-dependent short-range force between nucleons with a 3 He, 129 Xe clock-comparison experiment

Light pseudoscalar bosons, such as the axion that was originally proposed as a solution of the strong CP problem, would cause a new spin-dependent short-range interaction. In this thesis, an experiment is presented to search for axion mediated short-range interaction between a nucleon and the spin of a polarized bound neutron. This interaction cause a shift in the precession frequency of nuclear spin-polarized gases in the presence of an unpolarized mass. To get rid of magnetic field drifts co-located, nuclear spin polarized 3He and 129Xe atoms were used. The free nuclear spin precession frequencies were measured in a homogeneous magnetic guiding field of about 350nT using LTc SQUID detectors. The whole setup was housed in a magnetically shielded room at the Physikalisch Technische Bundesanstalt (PTB) in Berlin. With this setup long nuclear spin-coherence times, respectively, transverse relaxation times of 5h for 129Xe and 53h for 3He could be achieved. The results of the last run in September 2010 are presented which give new upper limits on the scalar-pseudoscalar coupling of axion-like particles in the axion-mass window from 10^(-2) eV to 10^(-6) eV. The laboratory upper bounds were improved by up to 4 orders of magnitude.

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.\

Ground state properties of neutron-rich Mg isotopes

Studies in regions of the nuclear chart in which the model predictions of properties of nuclei fail can bring a better understanding of the strong interaction in the nuclear medium. To such regions belongs the so called "island of inversion" centered around Ne, Na and Mg isotopes with 20 neutrons in which unexpected ground-state spins, large deformations and dense low-energy spectra appear. This is a strong argument that the magic N = 20 is not a closed shell in this area. In this thesis investigations of isotope shifts of stable 24,25,26Mg, as well as spins and magnetic moments of short-lived 29,31Mg are presented. The successful studies were performed at the ISOLDE facility at CERN using collinear laser and beta-NMR spectroscopy techniques. The isotopes were investigated as single-charged ions in the 280-nm transition from the atomic ground state 2S1/2 to one of the two lowest excited states 2P1/2,3/2 using continuous wave laser beams. The isotope-shift measurements with fluorescence detection for the three stable isotopes show that it is feasible to perform the same studies on radioactive Mg isotopes up to the "island of inversion". This will allow to determine differences in the mean charge square radii and interpret them in terms of deformation. The high detection efficiency for beta particles and optical pumping close to saturation allowed to obtain very good beta-asymmetry signals for 29Mg and 31Mg with half-lives around 1 s and production yields about 10^5 ions/s. For this purpose the ions were implanted into a host crystal lattice. Such detection of the atomic resonances revealed their hyperfine structure, which gives the sign and a first estimate of the value of the magnetic moment. The nuclear magnetic resonance gave also their g-factors with the relative uncertainty smaller than 0.2 %. By combining the two techniques also the nuclear spin of both isotopes could be unambiguously determined. The measured spins and g-factors show that 29Mg with 17 neutrons lies outside the "island of inversion". On the other hand, 31Mg with 19 neutrons has an unexpected ground-state spin which can be explained only by promoting at least two neutrons across the N = 20 shell gap. This places the above nucleus inside the "island". However, modern shell-model approaches cannot predict this level as the ground state but only as one of the low-lying states, even though they reproduce very well the experimental g-factor. This indicates that modifications to the available interactions are required. Future measurements include isotope shift measurements on radioactive Mg isotopes and beta-NMR studies on 33Mg.

Construction and commissioning of a collinear laser spectroscopy setup at TRIGA Mainz and laser spectroscopy of magnesium isotopes at ISOLDE (CERN)

Collinear laser spectroscopy has been used as a tool for nuclear physics for more than 30 years. The unique possibility to extract nuclear properties like spins, radii and nuclear moments in a model-independent manner leads to important physics results to test the predictive power of existing nuclear models. rnThis work presents the construction and the commissioning of a new collinear laser spectroscopy experiment TRIGA-LASER as a part of the TRIGA-SPEC facility at the TRIGA research reactor at the University of Mainz. The goal of the experiment is to study the nuclear structure of radioactive isotopes which will be produced by neutron-induced fission near the reactor core and transported to an ion source by a gas jet system. rnThe versatility of the collinear laser spectroscopy technique will be exploited in the second part of this thesis. The nuclear spin and the magnetic moment of the neutron-deficient isotope Mg-21 will be presented, which were measured by the detection of the beta-decay asymmetry induced by nuclear polarization after optical pumping. A combination of this detection method with the classical fluorescence detection is then used to determine the isotope shifts of the neutron-rich magnesium isotopes from Mg-24 through Mg-32 to study the transition to the ''island of inversion''.

Test of Lorentz symmetry with a 3 He,129 Xe clock-comparison experiment

In case of violation of CPT- and Lorentz Symmetry, the minimal Standard Model Extension (SME) of Kostelecky and coworkers predicts sidereal modulations of atomic transition frequencies as the Earth rotates relative to a Lorentz-violating background field. One method to search for these modulations is the so-called clock-comparison experiment, where the frequencies of co-located clocks are compared as they rotate with respect to the fixed stars. In this work an experiment is presented where polarized 3He and 129Xe gas samples in a glass cell serve as clocks, whose nuclear spin precession frequencies are detected with the help of highly sensitive SQUID sensors inside a magnetically shielded room. The unique feature of this experiment is the fact that the spins are precessing freely, with transverse relaxation times of up to 4.4 h for 129Xe and 14.1 h for 3He. To be sensitive to Lorentz-violating effects, the influence of external magnetic fields is canceled via the weighted difference of the 3He and 129Xe frequencies or phases. The Lorentz-violating SME parameters for the neutron are determined out of a fit on the phase difference data of 7 spin precession measurements of 12 to 16 hours length. The result of the fit gives an upper limit for the equatorial component of the neutron parameter b_n of 3.7×10^(−32) GeV at the 95% confidence level. This value is not limited by the signal-to-noise ratio, but by the strong correlations between the fit parameters. To reduce the correlations and therewith improve the sensitivity of future experiments, it will be necessary to change the time structure of the weighted phase difference, which can be realized by increasing the 129Xe relaxation time.

Kollineare Laserspektroskopie an radioaktiven Praseodymionen und Cadmiumatomen

Die Analyse optischer Spektren liefert einen kernmodellunabhängigen Zugang zur Bestimmung der Kernspins, Ladungsradien und elektromagnetischen Momente von Atomkernen im Grundzustand und von langlebigen Isomeren. Eine der vielseitigsten Methoden zur optischen Spektroskopie an kurzlebigen Isotopen ist die kollineare Laserspektroskopie. Im Rahmen dieser Arbeit wurde zum einen die TRIGA-LASER Strahlstrecke am Institut für Kernchemie der Universität Mainz durch die Implementierung einer neuen offline Oberflächenionenquelle für hohe Verdampfungstemperaturen und eines Strahlanalysesystems weiterentwickelt. Zum anderen wurde kollineare Laserspektroskopie an kurzlebigen Praseodym- und Cadmiumisotopen an ISOLDE/CERN durchgeführt. Die neue Ionenquelle ermöglichte dabei den Test der kollinearen Laserspektroskopie an Praseodymionen am TRIGA-LASER Experiment. Die Spektroskopie der Prasdeodymionen motivierte sich aus der Beobachtung einer zeitlichen Modulation der EC-Zerfallsrate von wasserstoffähnlichem 140Pr58+. Für die Erklärung dieser sogenannten GSI Oszillationen wird unter anderem das magnetische Moment des Kerns benötigt, welches bislang noch nicht experimentell bestimmt wurde. Zudem wurde für wasserstoffähnliches 140Pr58+ überraschenderweise eine kleinere EC-Zerfallskonstante gemessen als für heliumähnliches 140Pr57+. Die Erklärung dieses Phänomens setzt ein positives magnetisches Moment voraus. Bei der Spektroskopie am COLLAPS Experiment wurden erstmals die magnetischen Momente von 135Pr, 136Pr und 137Pr vermessen. Aufgrund zu geringer Produktionsraten war die Spektroskopie des gewünschten Isotops 140Pr jedoch nicht erfolgreich. Die Untersuchung der Cadmiumisotope ist kernphysikalisch motiviert. In der Zinnregion erstrecken sich die Isotope über die beiden magischen Zahlen N=50 und N=82 bei gleichzeitiger Nähe des Z=50 Schalenabschlusses. Hier können verschiedene Kernmodelle getestet werden, die sich beispielsweise hinsichtlich der Stärke des N=82 Schalenabschlusses widersprechen. Diese Arbeit berichtet über erste Ergebnisse der Spektroskopie an Cadmiumatomen, die sich über die Isotope 106−124,126Cd sowie die zugehörigen langlebigen I=11/2− Isomere erstreckt. Die zuvor experimentell bekannten oder aus dem erweiterten Schalenmodell abgeleiteten Kernspins konnten für alle Isotope bis auf 119Cd bestätigt werden. Der Kernspin von 119Cd wurde eindeutig zu I=1/2 bestimmt. Die elektrischen Quadrupolmomente der Isomere zeigen ein bemerkenswert lineares Verhalten in Abhängigkeit von der Neutronenzahl und dies über die eigentliche Kapazität der 1h11/2 Unterschale hinaus. Die Änderungen der mittleren quadratischen Ladungsradien zeigen den auch an Indium- und Zinnisotopen beobachteten stetigen Verlauf. Der lineare Anteil passt sehr gut zu den Berechnung des Tröpfchenmodells in der Parametrisierung nach Berchidevsky und Tondeur. Die Differenzen der mittleren quadratischen Ladungsradien zwischen Grund- und isomeren Zustand der ungeraden Cadmiumisotope zeigen einen interessanten parabolischen Verlauf mit einem Minimum zwischen A=117 und A=119.

Search for K isomers in 252,254 No and 260 Sg and investigation of their nuclear structure

Study of K isomerism in the transfermium region around the deformed shells at N=152, Z=102, and N=162, Z=108 provides important information on the structure of heavy nuclei. Recent calculations suggest that the K-isomerism can enhance the stability of such nuclei against alpha emission and spontaneous fission. Nuclei showing K isomerism have neutron and proton orbitals with large spin projections on the symmetry axis which is due to multi quasiparticle states with aligned spins K. Quasi-particle states are formed by breaking pairs of nucleons and raising one or two nucleons in orbitals near the Fermi surface above the gap, forming high K (multi)quasi-particle states mainly at low excitation energies. Experimental examples are the recently studied two quasi-particle K isomers in 250,256-Fm, 254-No, and 270-Ds. Nuclei in this region, are produced with cross sections ranging from several nb up to µb, which are high enough for a detailed decay study. In this work, K isomerism in Sg and No isotopes was studied at the velocity filter SHIP of GSI, Darmstadt. The data were obtained by using a new data acquisition system which was developed and installed during this work. 252,254-No and 260-Sg were produced in fusion evaporation reactions of 48-Ca and 54-Cr projectiles with 206,208-Pb targets at beam energies close to the Coulomb barrier. A new K isomer was discovered in 252-No at excitation energy of 1.25 MeV, which decays to the ground state rotational band via gamma emission. It has a half-life of about 100 ms. The population of the isomeric state was about 20% of the ground state population. Detailed investigations were performed on 254-No in which two isomeric states (275 ms and 198 µs) were already discovered by R.-D. Herzberg, but due to the higher number of observed gamma decays more detailed information about the decay path of the isomers was obtained in the present work. In 260-Sg, we observed no statistically significant component with a half life different from that of the ground state. A comparison between experimental results and theoretical calculations of the single particle energies shows a fair agreement. The structure of the here studied nuclei is in particular important as single particle levels are involved which are relevant for the next shell closure expected to form the region of the shell stabilized superheavy elements at proton numbers 114, 120, or 126 and neutron number 184. K isomers, in particular, could be an ideal tool for the synthesis and study of these isotopes due to enhanced spontaneous fission life times which could result in higher alpha to spontaneous fission branching ratios and longer half lifes.

Advances in hardware and molecular design of polarizing agents for dynamic nuclear polarization

Die Kernmagnetresonanz (NMR) ist eine vielseitige Technik, die auf spin-tragende Kerne angewiesen ist. Seit ihrer Entdeckung ist die Kernmagnetresonanz zu einem unverzichtbaren Werkzeug in unzähligen Anwendungen der Physik, Chemie, Biologie und Medizin geworden. Das größte Problem der NMR ist ihre geringe Sensitivtät auf Grund der sehr kleinen Energieaufspaltung bei Raumtemperatur. Für Protonenspins, die das größte magnetogyrische Verhältnis besitzen, ist der Polarisationsgrad selbst in den größten verfügbaren Magnetfeldern (24 T) nur ~7*10^(-5).rnDurch die geringe inhärente Polarisation ist folglich eine theoretische Sensitivitätssteigerung von mehr als 10^4 möglich. rnIn dieser Arbeit wurden verschiedene technische Aspekte und unterschiedliche Polarisationsagenzien für Dynamic Nuclear Polarization (DNP) untersucht.rnDie technische Entwicklung des mobilen Aufbaus umfasst die Verwendung eines neuen Halbach Magneten, die Konstruktion neuer Probenköpfe und den automatisierten Ablauf der Experimente mittels eines LabVIEW basierten Programms. Desweiteren wurden zwei neue Polarisationsagenzien mit besonderen Merkmalen für den Overhauser und den Tieftemperatur DNP getestet. Zusätzlich konnte die Durchführbarkeit von NMR Experimenten an Heterokernen (19F und 13C) im mobilen Aufbau bei 0,35 T gezeigt werden. Diese Ergebnisse zeigen die Möglichkeiten der Polarisationstechnik DNP auf, wenn Heterokerne mit einem kleinen magnetogyrischen Verhältnis polarisiert werden müssen.rnDie Sensitivitätssteigerung sollte viele neue Anwendungen, speziell in der Medizin, ermöglichen.

Modellkomplexe oligonuklearer Metalloproteine auf Basis von Salen-Liganden und Spin-Crossover-Verbindungen als Chemosensoren

Der erste Teil der hier vorgestellten Arbeit verfolgt die Synthese potentieller Modellverbindungen oligonuklearer Metalloproteine auf Basis von Salen-Liganden. Dazu wurden zwei Ligandensysteme mit unterschiedlich raumerfüllenden Alkyl-Substituenten modifiziert und auf ihre koordinativen Eigenschaften hin untersucht. Für das Ligandensystem auf Basis des Bis-(salicylidenamino)-propan-2-ols konnten fünf Derivate (H3L1, H3L2A,H3L2B, H3L3, H3L4), für das zweite verwendete Ligandensystem auf Basis des 1H-3,5-Bis-(salicylidenaminomethyl)-pyrazols konnten zwei weitere Derivate (H3L5A, H3L5B) dargestellt und zu Koordinationsverbindungen umgesetzt werden.rnFür den hier verwendeten Bis-(salicylidenamino)-propan-2-ol Liganden H3L1, welcher die geringsten sterischen Anforderungen stellt, konnten mono-, tri- und tetranukleare Koordinationsverbindungen synthetisiert werden. Dabei gelingt es dem Liganden, sich sowohl in planarer als auch in unterschiedlich stark gewinkelter Konformation um ein oder mehrere Metallzentren anzuordnen, wobei der Ligand ein N2O2- seines N2O3-Donorsets zur Koordination nutzt. Die Verbindung {[Ni7(HL1)2(L1)2(OBz)4(OMe)(H2O)]}n zeigt, dass eine Verkettung der so gestalteten dreikernigen Einheiten über das freie Propanol-Sauerstoffatomdes Ligandenrückgrats möglich ist. Mit zunehmendem sterischen Anspruch der angefügten Alkylsubstituenten nimmt die geometrische Flexibilität und somit das Potential des Liganden zur Ausbildung höhernuklearer Strukturen ab. So ist für Liganden mit mittlerem sterischen Anspruch neben mononuklearen Komplexen noch die Gestaltung dinuklearer Systeme möglich. Erhöht man den sterischen Anspruch des Liganden weiter, findet nur noch eine Reaktion zu mononuklearen Verbindungen statt.rnMit den Pyrazol-basierten Ligandensystemen H3L5A und H3L5B konnten dinukleare Kupfer- und Nickelverbindungen synthetisiert werden.rnDer zweite Teil dieser Arbeit befasst sich mit der Gestaltung von Spin-Crossover Systemen (SCO). Dazu soll ein Spinübergang innerhalb des gestalteten schaltbaren Systems an die Anwesenheit eines Signalstoffs gekoppelt werden, so dass diese SCO-Verbindung als Sensor für den Signalstoff eingesetzt werden kann. Dazu wurden zwei unterschiedliche Ansätze entwickelt und untersucht.rnDie erste Methode beruht auf der Kombination eines zum Spin-Crossover befähigten Metallzentrums, eines Capping-Liganden, eines zur Signalstofferkennung funktionalisierten Co-Liganden sowie eines entsprechenden Signalstoffs. Als Capping-Liganden wurden tetra- und pentadentateLigandensysteme eingesetzt und mit unterschiedlich Picolyl-substituierten Monoaza-[12]-krone-4-Derivaten umgesetzt, wobei die Monoazakrone zur Komplexierung des Signalstoffs,hier in Form eines Alkalimetallions, zur Verfügung steht. Nach dieser ersten Methode konnten im Zeitraum dieser Arbeit noch keine zufriedenstellenden Ergebnisse erzielt werden.rnEine vielversprechende zweite Möglichkeit beruht auf der Verwendung eines mehrzähnigen, etablierten Spin-Crossover Liganden,welcher in seiner Peripherie mit einer Bindungstasche zur Aufnahme des Signalstoffmodifiziert wird.Mit Hilfe des so gestalteten Liganden 4'-(4'''-Benzo-[15]-krone-5)-methyloxy-2,2':6',2''-terpyridin ([b15c5]-tpy) gelang die Umsetzung zu entsprechenden Eisen(II)- und Kobalt(II)komplexen der Zusammensetzung [M([b15c5]-tpy)2]2+. Alle synthetisierten Eisen(II)-Komplexe liegen aufgrund der hohen Ligandenfeldstärke des Terpyridins über einen Temperaturbereich von 300 – 400 K in ihrer diamagnetischen Low Spin Form vor. Die entsprechenden Kobalt(II)-Komplexe zeigen über einen Temperaturbereich von 2 – 350 K ein kontinuierliches, aber unvollständiges Spin-Crossover Verhalten.rnDer Einfluss von Signalstoffen auf das Spin-Crossover Verhalten der Kobalt(II)-Systeme wurde in einem ersten Versuch unter der Verwendung von Natriumionen als Signalstoff untersucht. Dabei stellte sich heraus, dass Natriumionen für dieses System zwar nicht als Auslöser eines SCO verwendet werden können, sie aber dennoch eine starke Auswirkung auf den Verlauf des Spin-Crossovers haben.