Diffusionsgewichtete Helium-3 Magnetresonanztomographie zur Untersuchung der Lunge

Die diffusionsgewichtete Magnetresonanztomographie (MRT) mit dem hyperpolarisierten Edelgas-Isotop 3He ist ein neues Verfahren zur Untersuchung von Erkrankungen der Atem-wege und der Lunge. Die Diffusionsbewegung der 3He-Atome in den Luftwegen der Lunge wird durch deren Wände begrenzt, wobei diese Einschränkung sowohl von den Dimensionen der Atemwege als auch von den Messparametern abhängt. Man misst daher einen scheinbaren Diffusionskoeffizienten (Apparent Diffusion Coefficient, ADC) der kleiner ist als der Diffusionskoeffizient bei freier Diffusion. Der ADC gestattet somit eine qualitative Abschät-zung der Größe der Luftwege und deren krankhafte Veränderung, ohne eine direkte Abbil-dung der Luftwege selbst. Eine dreidimensionale Abbildung der räumlichen Verteilung von Lungenschädigungen wird dadurch möglich. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, ein tieferes physikalisch fundiertes Verständnis der 3He-Diffusionsmessung zu ermöglichen und die Methode der diffusionsgewichteten 3He-MRT hin zur Erfassung des kompletten 3He-Diffusionstensors weiterzuentwickeln. Dazu wurde systematisch im Rahmen von Phantom- und tierexperimentellen Studien sowie Patientenmes-sungen untersucht, inwieweit unterschiedliche Einflussfaktoren das Ergebnis der ADC-Messung beeinflussen. So konnte beispielsweise nachgewiesen werden, dass residuale Luftströmungen am Ende der Einatmung keinen Einfluss auf den ADC-Wert haben. Durch Simulationsrechnungen konnte gezeigt werden, in welchem Maße sich die durch den Anregungspuls hervorgerufene Abnah-me der Polarisation des 3He-Gases auf den gemessenen ADC-Wert auswirkt. In einer Studie an lungengesunden Probanden und Patienten konnte die Wiederholbarkeit der ADC-Messung untersucht werden, aber auch der Einfluss von Gravitationseffekten. Diese Ergebnisse ermöglichen genauere Angaben über systematische und statistische Messfehler, sowie über Grenzwerte zwischen normalem und krankhaft verändertem Lungengewebe. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die bestehende diffusionsgewichtete Bildgebung methodisch zur Erfassung des kompletten Diffusionstensors von 3He in der Lunge weiterentwickelt. Dies war wichtig, da entlang der Luftwege weitestgehend freie Diffusion vorherrscht, während senkrecht zu den Luftwegen die Diffusion eingeschränkt ist. Mit Hilfe von Simulationsrech-nungen wurde der kritische Einfluss von Rauschen in den MRT-Bildern auf die Qualität der Messergebnisse untersucht. Diese neue Methodik wurde zunächst an einem Phantom beste-hend aus einem Bündel aus Glaskapillaren, deren innerer Durchmesser mit dem des mensch-lichen Azinus übereinstimmt, validiert. Es ergab sich eine gute Übereinstimmung zwischen theoretischen Berechnungen und experimentellen Ergebnissen. In ersten Messungen am Menschen konnten so unterschiedliche Anisotropiewerte zwischen lungengesunden Proban-den und Patienten gefunden werden. Es zeigte sich eine Tendenz zu isotroper Diffusion bei Patienten mit einem Lungenemphysem. Zusammenfassend tragen die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zu einem besseren Ver-ständnis der ADC-Messmethode bei und helfen zukünftige Studien aufgrund des tieferen Verständnisses der die 3He Messung beeinflussenden Faktoren besser zu planen.

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.

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.\

Konstruktion und Inbetriebnahme eines kompakten 3-He-Polarisators

Im Jahr 1996 wurde die erste Aufnahme der menschlichen Lunge in einem Kernspintomographen unter Benutzung des hyperpolarisierten Edelgases ³He als Kontrastgas veröffentlicht. Es folgten zahlreiche medizinische Studien mit diesem neuen Lungenbildgebungsverfahren. Als Konsequenz aus dem steigenden Bedarf an hyperpolarisiertem ³He wurde am Institut für Physik der Universität Mainz ein ³He-Polarisator entwickelt, der die Versorgung dieser Studien mit polarisiertem Gas gewährleistet. Für den Fall jedoch, dass die Lungenbildgebung mit hyperpolarisiertem ³He in die medizinische Praxis übernommen wird, wären die Produktionskapazitäten der bestehenden Anlage nicht mehr ausreichend. Daher wurde im Rahmen dieser Arbeit ein kompaktes System zum Polarisieren von ³He direkt am Einsatzort entwickelt, welches als eine Art Industrieprodukt in beliebiger Stückzahl nachgebaut werden kann. So steht nun ein kompakter, mobiler ³He Polarisator zur Verfügung, dessen Produktionsrate in der Größenordnung eines Standardliters (1 l, 1 bar, Raumtemperatur) pro Stunde bei einer Polarisation von > 60% liegt.

Realisierung des 3 He-Kreislaufs zur 3 He-Magnet-Resonanz-Tomographie

Realisierung des 3He-Kreislaufs zur 3He-Magnet-Resonanz-Tomographie In der vorliegenden Dissertation wurde ein 3He-Kreislauf für die 3He-Magnet-Resonanz-Tomographie realisiert. Dazu wurde eine einfache Methode entwickelt, mit deren Hilfe es möglich ist,die Kernspinpolarisation von hyperpolarisiertem 3He bei hohen Drucken zu bestimmen.Bei einem Druck von ca. 3 bar konnte die Polarisation bis auf einen relativen Fehlervon etwa 5 % genau bestimmt werden. Zum Transport des polarisierten 3He wurden Magnetfelder konstruiert, die in einem Volumenbis zu V = 13,8 l ein homogenes Führungsfeld bereitstellen. Diese besitzen eineabschirmende Wirkung auf äußere Felder, und die benötigten magnetischen Flußdichten vonetwa 8 Gauá werden durch Permanentmagneten erzeugt. Bei geschwindigkeitsgewichteten Untersuchungen an zylindrischen Phantomen und Probandenkonnte laminare Strömung von 3He-Luftgemischen mit der Methode der 3He-vMRT bestimmtwerden. Bei zweidimensionalen Untersuchungen ließen sich laminare Strömungsprofile mitihren absoluten, ortsabhängigen Geschwindigkeiten ermitteln, während eindimensionalenMessungen ebenfalls laminare Strömungsprofile zeigten. Mit einer eigens entwickelten He-Aufbereitung wurden bis zu 95,8 % des eingeatmetenHeliums aus dem ausgeatmeten Gas zurückgewonnen. Der Anfangsgehalt an Helium betrugetwa 2 % und konnte um mehr als 6 Größenordnungen angereichert werden. Die Gasreinheitreichte aus, um eine erneute Polarisation des 3He zu ermöglichen. Die erreichteMaximalpolarisation lag dabei nur geringfügig unter der mit originalem 3He.

Untersuchung der Kernstruktur von 3 He mittels Polarisationsobservablen

Durch die Möglichkeit, gleichzeitig mehrere Polarisationsfreiheitsgradernin der quasi-elastischen Elektronstreuung an $^3mathrm{He}$ zurnmessen, bietet sich ein neuer experimenteller Zugang zu kleinen, aber rnwichtigen Partialwellenbeiträgen ($S'$, $D$-Welle) desrn$^3mathrm{He}$-Grundzustands. Dies ermöglicht nicht nur ein tieferesrnVerständnis des Drei-Körper-Systems, sondern bietet auch diernMöglichkeit, Erkenntnisse über die $^3mathrm{He}$-Struktur undrnDynamik zu erlangen. Mit Hilfe dieser Informationen lassen sich abrninitio Rechnungen testen, sowie Korrekturen berechnen, die für anderernExperimente (z.B. Messung von $G_{en}$) benötigt werden. rnrnModerne Faddeev-Rechnungen liefern nicht nur eine quantitativernBeschreibung des $^3mathrm{He}$-Grundzustands, sondern geben auchrneinen Einblick in die sogenannten spinabhängigenrnImpulsverteilungen. Eine gründliche experimentelle Untersuchung ist in rndiesem Zusammenhang nötig, um eine solide Basis für die Üperprüfungrnder theoretische Modelle zu liefern. EinrnDreifach-Polarisationsexperiment liefert hier zum einen wichtigernDaten, zum anderen kann damit untersucht werden, ob mit der Methoderndes glqq Deuteron-Tagginggrqq polarisiertes $^3mathrm{He}$ alsrneffektives polarisiertes Protonentarget verwendet werden kann. rnrnDas hier vorgestellte Experiment kombiniert erstmals Strahl- undrnTargetpolarisation sowie die Messung der Polarisation des auslaufendenrnProtons. Das Experiment wurde im Sommer 2007 an derrnDrei-Spektrometer-Anlage der A1-Kollaboration an MAMI rndurchgeführt. Dabei wurde mit einer Strahlenergie vonrn$E=855,mathrm{MeV}$ bei $q^2=-0,14,(mathrm{GeV/c})^2$rn$(omega=0,13,mathrm{GeV}$, $q=0,4,mathrm{GeV/c})$ gemessen.rnrnDie bestimmten Wirkungsquerschnitte, sowie die Strahl-Target- und diernDreifach-Asymmetrie werden mit theoretischen Modellrechnungen vonrnJ. Golak (Plane Wave Impuls Approximation PWIA, sowie ein Modell mitrnEndzustandswechselwirkung) verglichen. Zudem wurde das Modell von dernForest verwendet, welches den Wirkungsquerschnitt über eine gemessenernSpektralfunktion berechnet. Der Vergleich mit den Modellrechnungenrnzeigt, dass sowohl der Wirkungsquerschnitt, als auch die Doppel- undrnDreifach-Asymmetrie gut mit den theoretischen Rechnungenrnübereinstimmen. rnrnDie Ergebnisse dieser Arbeit bestätigen, dass polarisiertesrn$^3mathrm{He}$ nicht nur als polarisiertes Neutronentarget, sondernrndurch Nachweis des Deuterons ebenfalls als polarisiertesrnProtonentarget verwendet werden kann.

An accurate combined 3 He,Cs magnetometer with fT sensitivity for the nEDM experiment at PSI

Diese Arbeit beschreibt die Entwicklung, Konstruktion und Untersuchung eines Magnetometers zur exakten und präzisen Messung schwacher Magnetfelder. Diese Art von Magnetometer eignet sich zur Anwendung in physikalischen hochpräzisions Experimenten wie zum Beispiel der Suche nach dem elektrischen Dipolmomentrndes Neutrons. Die Messmethode beruht auf der gleichzeitigen Detektion der freien Spin Präzession Kern-Spin polarisierten 3He Gases durch mehrere optisch gepumpte Cäsium Magnetometer. Es wird gezeigt, dass Cäsium Magnetometer eine zuverlässige und vielseitige Methode zur Messung der 3He Larmor Frequenz und eine komfortable Alternative zur Benutzung von SQUIDs für diesen Zweck darstellen. Ein Prototyp dieses Magnetometers wurde gebaut und seine Funktion in der magnetisch abgeschirmten Messkabine der Physikalisch Technischen Bundesanstalt untersucht. Die Sensitivität des Magnetometers in Abhängigkeitrnvon der Messdauer wurde experimentell untersucht. Es wird gezeigt, dass für kurze Messperioden (< 500s) Cramér-Rao limitierte Messungen möglich sind während die Sensitivität bei längeren Messungen durch die Stabilität des angelegten Magnetfeldes limitiert ist. Messungen eines 1 muT Magnetfeldes mit einer relative Genauigkeit von besser als 5x10^(-8) in 100s werden präsentiert. Es wird gezeigt, dass die Messgenauigkeit des Magnetometers durch die Zahl der zur Detektion der 3He Spin Präzession eingesetzten Cäsium Magnetometer skaliert werden kann. Prinzipiell ist dadurch eine Anpassung der Messgenauigkeit an jegliche experimentellen Bedürfnisse möglich. Es wird eine gradiometrische Messmethode vorgestellt, die es erlaubt den Einfluss periodischerrnmagnetischer Störungen auf dieMessung zu unterdrücken. Der Zusammenhang zwischen der Sensitivität des kombinierten Magnetometers und den Betriebsparametern der Cäsium Magnetometer die zur Spin Detektion verwendet werden wird theoretisch untersucht und anwendungsspezifische Vor- und Nachteile verschiedener Betriebsartenwerden diskutiert. Diese Zusammenhänge werden in einer Formel zusammengefasst die es erlaubt, die erwartete Sensitivität des Magnetometers zu berechnen. Diese Vorhersagen befinden sich in perfekter Übereinstimmung mit den experimentellen Daten. Die intrinsische Sensitivität des Magnetometer Prototyps wird auf Basis dieser Formel theoretisch bestimmt. Ausserdem wird die erwartete Sensitivität für die Anwendung im Rahmen des Experiments der nächsten Generation zur Bestimmung des elektrischenrnDipolmoments des Neutrons am Paul Scherrer Institut abgeschätzt. Des weiteren wird eine bequeme experimentelle Methode zur Messung des Polarisationsgrades und des Rabi Flip-Winkels der 3He Kernspin Polarisation vorgestellt. Letztere Messung ist sehr wichtig für die Anwendung in hochpräzisions Experimenten.