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.

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.

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.

Tidal volume single breath washout of two tracer gases--a practical and promising lung function test

Background Small airway disease frequently occurs in chronic lung diseases and may cause ventilation inhomogeneity (VI), which can be assessed by washout tests of inert tracer gas. Using two tracer gases with unequal molar mass (MM) and diffusivity increases specificity for VI in different lung zones. Currently washout tests are underutilised due to the time and effort required for measurements. The aim of this study was to develop and validate a simple technique for a new tidal single breath washout test (SBW) of sulfur hexafluoride (SF6) and helium (He) using an ultrasonic flowmeter (USFM). Methods The tracer gas mixture contained 5% SF6 and 26.3% He, had similar total MM as air, and was applied for a single tidal breath in 13 healthy adults. The USFM measured MM, which was then plotted against expired volume. USFM and mass spectrometer signals were compared in six subjects performing three SBW. Repeatability and reproducibility of SBW, i.e., area under the MM curve (AUC), were determined in seven subjects performing three SBW 24 hours apart. Results USFM reliably measured MM during all SBW tests (n = 60). MM from USFM reflected SF6 and He washout patterns measured by mass spectrometer. USFM signals were highly associated with mass spectrometer signals, e.g., for MM, linear regression r-squared was 0.98. Intra-subject coefficient of variation of AUC was 6.8%, and coefficient of repeatability was 11.8%. Conclusion The USFM accurately measured relative changes in SF6 and He washout. SBW tests were repeatable and reproducible in healthy adults. We have developed a fast, reliable, and straightforward USFM based SBW method, which provides valid information on SF6 and He washout patterns during tidal breathing.

Visualization of alveolar recruitment in a porcine model of unilateral lung lavage using 3He-MRI

BACKGROUND: In the acute respiratory distress syndrome potentially recruitable lung volume is currently discussed. (3)He-magnetic resonance imaging ((3)He-MRI) offers the possibility to visualize alveolar recruitment directly. METHODS: With the approval of the state animal care committee, unilateral lung damage was induced in seven anesthetized pigs by saline lavage of the right lungs. The left lung served as an intraindividual control (healthy lung). Unilateral lung damage was confirmed by conventional proton MRI and spiral-CT scanning. The total aerated lung volume was determined both at a positive end-expiratory pressure (PEEP) of 0 and 10 mbar from three-dimensionally reconstructed (3)He images, both for healthy and damaged lungs. The fractional increase of aerated volume in damaged and healthy lungs, followed by a PEEP increase from 0 to 10 mbar, was compared. RESULTS: Aerated gas space was visualized with a high spatial resolution in the three-dimensionally reconstructed (3)He-MR images, and aeration defects in the lavaged lung matched the regional distribution of atelectasis in proton MRI. After recruitment and PEEP increase, the aerated volume increased significantly both in healthy lungs from 415 ml [270-445] (median [min-max]) to 481 ml [347-523] and in lavaged lungs from 264 ml [71-424] to 424 ml [129-520]. The fractional increase in lavaged lungs was significantly larger than that in healthy lungs (healthy: 17% [11-38] vs. lavage: 42% [14-90] (P=0.031). CONCLUSION: The (3)He-MRI signal might offer an experimental approach to discriminate atelectatic vs. poor aerated lung areas in a lung damage animal model. Our results confirm the presence of potential recruitable lung volume by either alveolar collapse or alveolar flooding, in accordance with previous reports by computed tomography.

Catch-up alveolarization in ex-preterm children: evidence from (3)He magnetic resonance

RATIONALE Histologic data from fatal cases suggest that extreme prematurity results in persisting alveolar damage. However, there is new evidence that human alveolarization might continue throughout childhood and could contribute to alveolar repair. OBJECTIVES To examine whether alveolar damage in extreme-preterm survivors persists into late childhood, we compared alveolar dimensions between schoolchildren born term and preterm, using hyperpolarized helium-3 magnetic resonance. METHODS We recruited schoolchildren aged 10-14 years stratified by gestational age at birth (weeks) to four groups: (1) term-born (37-42 wk; n = 61); (2) mild preterm (32-36 wk; n = 21); (3) extreme preterm (<32 wk, not oxygen dependent at 4 wk; n = 19); and (4) extreme preterm with chronic lung disease (<32 wk and oxygen dependent beyond 4 wk; n = 18). We measured lung function using spirometry and plethysmography. Apparent diffusion coefficient, a surrogate for average alveolar dimensions, was measured by helium-3 magnetic resonance. MEASUREMENTS AND MAIN RESULTS The two extreme preterm groups had a lower FEV1 (P = 0.017) compared with term-born and mild preterm children. Apparent diffusion coefficient was 0.092 cm(2)/second (95% confidence interval, 0.089-0.095) in the term group. Corresponding values were 0.096 (0.091-0.101), 0.090 (0085-0.095), and 0.089 (0.083-0.094) in the mild preterm and two extreme preterm groups, respectively, implying comparable alveolar dimensions across all groups. Results did not change after controlling for anthropometric variables and potential confounders. CONCLUSIONS Alveolar size at school age was similar in survivors of extreme prematurity and term-born children. Because extreme preterm birth is associated with deranged alveolar structure in infancy, the most likely explanation for our finding is catch-up alveolarization.

Caracterización de la exposición ocupacional a los gases, dióxido de azufre (so2), sulfuro de hidrógeno (h2s), y monóxido de carbono (co), y la percepción de salud de los trabajadores, en una empresa del sector hidrocarburo en Colombia

En el proceso de extracción de petróleo (crudo) deben realizarse tratamientos físicos y químicos en estaciones de recolección del hidrocarburo con el fin de garantizar su calidad antes de su entrega para el transporte y comercialización. Para la realización de esta actividad el personal operativo requerido (operadores) debe realizar diferentes actividades, tales como ronda operacional, verificación de sistemas de almacenamiento del crudo, agua residual del proceso e insumos químicos utilizados en su tratamiento y manipulación de facilidades en las estaciones de recolección, entre otras. Como resultados de las actividades rutinarias los operadores están expuestos a factores de riesgo químico asociados a gases y vapores orgánicos generados en los procesos de tratamiento del crudo. En el presente trabajo se realizaron mediciones de calidad de aire e higiene industrial en diferentes estaciones tratamiento de crudo, con el propósito de evaluar los niveles de exposición de los operadores a gases y vapores de hidrocarburos durante el proceso de tratamiento de crudo y dar respuesta a la siguiente pregunta: ¿existe relación entre la exposición ocupacional, las emisiones atmosféricas de gases (SO2, CO, H2S) y la percepción de afectación de la salud de los trabajadores que se encuentran expuestos durante la actividad laboral, en una empresa del sector de hidrocarburos? Se realizó un estudio de corte transversal, mediante la aplicación de cuestionarios sobre las condiciones de trabajo y de salud a 30 trabajadores que laboran en una estación de tratamiento de crudo de una compañía del sector de hidrocarburos. Los operadores objeto de estudio laboran en turnos rotativos, han estado vinculados con la compañía por más de dos años y tienen contrato directo, adicionalmente, se identificaron los factores de riesgos ambientales y ocupacionales para el grupo de trabajadores y se realizó una revisión de los informes de medición de higiene industrial y de calidad de aire de las estaciones donde labora el personal seleccionado con el fin de establecer si los resultados se relacionan. Los resultados obtenidos indican que el 100% de los trabajadores son de género masculino y se desempeñan en cargos de operadores, recorredores de pozos de crudo y supervisores. El 97% de los operadores tiene más de cuarenta años de edad y el 80% de los mismos ha laborado por más de 6 años en la compañía. Acerca de la percepción de los trabajadores sobre su estado de salud el 90% afirma que su salud es buena, el 97% respondió que no presenta problemas respiratorios, el 23% manifiesta que presenta trastornos dermatológicos y el 27% indican que presenta dolor de cabeza constante. De la revisión de los informes de calidad de aire disponibles se encontró que las mediciones de Dióxido de Azufre SO2, Monóxido de Carbono CO se encuentran dentro del rango definido como el de menor impacto para la salud humana. De los datos del informe se puede concluir que la calidad del aire es buena en el 100% de las áreas de influencia de las estaciones de tratamiento de crudo. Según los informes de higiene industrial el 34% de las instalaciones presenta concentraciones de Sulfuro de Hidrógeno (H2S) en el límite permisible para exposiciones crónicas en un promedio ponderado de tiempo (TLV-TWA) y el límite permisible para exposiciones agudas en un límite de exposición a corto plazo (TLV-STEL). Solo el 37% de los trabajadores objeto de este estudio percibe el riesgo por la exposición a factores de riesgo químicos y son claramente consientes que se encuentran expuestos a estos riesgos por la manipulación de productos químicos y exposición a sustancias químicas producto de sus actividades rutinarias, el 73% no percibe el riesgo de exposición por su actividad laboral. Se recomienda que la compañía fortalezca su esquema de vigilancia para generar alternativas que eleven los niveles de consciencia del riesgo del trabajador. Los factores de riesgo ambiental y ocupacional, de los gases y vapores generados se deben al proceso de tratamiento de crudo, están mutuamente relacionados dado que al generarse una emisión y/o escape no controlado como consecuencia se tiene una afectación directa al medio ambiente y a los trabajadores.

Distribution of [H-3]trans-resveratrol in rat tissues following oral administration

Resveratrol has been widely investigated for its potential health properties, although little is known about its metabolism in vivo. Here we investigated the distribution of metabolic products of [H-3]trans-resveratrol, following gastric administration. At 2 h, plasma concentrations reached 1 center dot 7 % of the administered dose, whilst liver and kidney concentrations achieved 1 center dot 0 and 0 center dot 6 %, respectively. Concentrations detected at 18 h were lower, being only 0 center dot 5 % in plasma and a total of 0 center dot 35 % in tissues. Furthermore, whilst kidney and liver concentrations fell to 10 and 25 %, respectively, of concentrations at 2 h, the brain retained 43 % of that measured at 2 h. Resveratrol-glucuronide was identified as the major metabolite, reaching 7 mu m in plasma at 2 h. However, at 18 h the main form identified in liver, heart, lung and brain was native resveratrol aglycone, indicating that it is the main form retained in the tissues. No phenolic degradation products were detected in urine or tissues, indicating that, unlike flavonoids, resveratrol does not appear to serve as a substrate for colonic microflora. The present study provides additional information about the nature of resveratrol metabolites and which forms might be responsible for its in vivo biological effects.

Acute and sustained effects of early administration of inhaled nitric oxide to children with acute respiratory distress syndrome

OBJECTIVE: To determine the acute and sustained effects of early inhaled nitric oxide on some oxygenation indexes and ventilator settings and to compare inhaled nitric oxide administration and conventional therapy on mortality rate, length of stay in intensive care, and duration of mechanical ventilation in children with acute respiratory distress syndrome. DESIGN: Observational study. SETTING: Pediatric intensive care unit at a university-affiliated hospital. PATIENTS: Children with acute respiratory distress syndrome, aged between 1 month and 12 yrs. INTERVENTIONS: Two groups were studied: an inhaled nitric oxide group (iNOG, n = 18) composed of patients prospectively enrolled from November 2000 to November 2002, and a conventional therapy group (CTG, n = 21) consisting of historical control patients admitted from August 1998 to August 2000. MEASUREMENTS AND MAIN RESULTS: Therapy with inhaled nitric oxide was introduced as early as 1.5 hrs after acute respiratory distress syndrome diagnosis with acute improvements in Pao(2)/Fio(2) ratio (83.7%) and oxygenation index (46.7%). Study groups were of similar ages, gender, primary diagnoses, pediatric risk of mortality score, and mean airway pressure. Pao(2)/Fio(2) ratio was lower (CTG, 116.9 +/- 34.5; iNOG, 62.5 +/- 12.8, p <.0001) and oxygenation index higher (CTG, 15.2 [range, 7.2-32.2]; iNOG, 24.3 [range, 16.3-70.4], p <.0001) in the iNOG. Prolonged treatment was associated with improved oxygenation, so that Fio(2) and peak inspiratory pressure could be quickly and significantly reduced. Mortality rate for inhaled nitric oxide-patients was lower (CTG, ten of 21, 47.6%; iNOG, three of 18, 16.6%, p <.001). There was no difference in intensive care stay (CTG, 10 days [range, 2-49]; iNOG, 12 [range, 6-26], p >.05) or duration of mechanical ventilation (TCG, 9 days [range, 2-47]; iNOG, 10 [range, 4-25], p >.05). CONCLUSIONS: Early treatment with inhaled nitric oxide causes acute and sustained improvement in oxygenation, with earlier reduction of ventilator settings, which might contribute to reduce the mortality rate in children with acute respiratory distress syndrome. Length of stay in intensive care and duration of mechanical ventilation are not changed. Prospective trials of inhaled nitric oxide early in the setting of acute lung injury in children are needed.

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.

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.

Aufbau und Inbetriebnahme eines hochsensitiven 3-He-Magnetometers für ein zukünftiges Experiment zur Bestimmung eines elektrischen Dipolmoments des freien Neutrons

Die Messung eines möglichen elektrischen Dipolmoments des freien Neutrons erfordert genaustmögliche Kenntnis und Überwachung des magnetischen Feldes im Inneren der n2EDM-Spektrometerkammer. Die freie Spinpräzession von hyperpolarisiertem ³He kann verbunden mit einer Signalauslese mittels optisch gepumpter Cs-Magnetometer dazu genutzt werden, Messempfindlichkeit auf Magnetfeldschwankungen im Bereich weniger Femto-Tesla zu erhalten. Am Institut für Physik der Universität Mainz wurde eine ³He/Cs-Testanlage aufgebaut, um die Möglichkeiten der Signalauslese der ³He-Spinpräzession mittels eines lampengepumpten Cs-Magnetometers zu untersuchen. Darüber hinaus wurde eine ultrakompakte und transportable Polarisationseinheit entwickelt und installiert, welche ermöglicht, eine ³He-Hyperpolarisation von bis zu 55 Prozent zu erreichen. Im Anschluss wird das polarisierte 3He-Gas automatisiert komprimiert und in zwei Magnetometerzellen in Sandwichanordnung innerhalb der n2EDM-Spektrometerkammer gefüllt. In dieser Arbeit werden die Ergebnisse der ersten im Januar 2012 erfolgreich durchgeführten Messungen vorgestellt. Bei diesen Messungen wurde ³He-Gas in der ultrakompakten Polarisationseinheit hyperpolarisiert und über Führungsfelder eines Transfersystems in eine vierlagige Mumetall-Abschirmung transferiert. Im Anschluss konnte im Inneren der magnetischen Abschirmung die freie ³He-Spinpräzession mittels eines lampengepumpten Cs-Magnetometer eindeutig nachgewiesen werden.

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.

Improvements in production and storage of HP-129 Xe

Seit seiner Entdeckung im Jahre 1978 wurden für hyperpolarisiertes (HP) 129Xe zahlreiche Anwendungen gefunden. Aufgrund seiner hohen Verstärkung von NMR-Signalen wird es dabei typischerweise für Tracer- und Oberflächenstudien verwendet. Im gasförmigen Zustand ist es ein interessantes, klinisches Kontrastmittel, welches für dynamische Lungen MRT genutzt oder auch in Blut oder lipophilen Flüssigkeiten gelöst werden kann. Weiterhin findet HP-Xe auch in der Grundlagenphysik in He-Xe Co-Magnetometern Verwendung, mit welchen z. B. das elektrische Dipolmoment von Xe bestimmt werden soll, oder es dient zur Überprüfung auf Lorentz-Invarianzen. Alle diese Anwendungen profitieren von einem hohen Polarisationsgrad (PXe), um hohe Signalstärken und lange Lagerzeiten zu erreichen. rnIn dieser Arbeit wurden zwei mobile Xe-Polarisatoren konstruiert: einer für Experimente in der Grundlagenphysik mit einer Produktionsrate von 400 mbar·l/h mit PXe ≈ 5%. Der zweite Xe-Polarisator wurde für medizinische Anwendungen entwickelt und soll 1 bar l/h mit PXe > 20% erzeugen. Der letztere wurde noch nicht getestet. Die Arbeitsbedingungen des Xe-Polarisators für Grundlagenphysik (Strömung des Gasgemischs, Temperatur, Druck und Konzentration von Xe) wurden variiert, um einen höchstmöglichen Polarisationsgrad zu erzielen. Die maximale Polarisation von 5,6 % wurde bei Verwendung eine Gasmischung von 1% Xe bei einem Durchfluss von 200 ml/min, einer Temperatur von 150°C und einem Gesamtdruck von 4 bar erreicht. rnWeiterhin muss HP-Xe auch effizient gelagert werden, um Polarisationsverluste zu minimieren. Das ist besonders für solche Anwendungen notwendig, welche an einem entfernten Standort durchgeführt werden sollen oder auch wenn lange Spinkohärenzeiten gefordert sind, z.B. bei He-Xe Co-Magnetometern. rnHierbei bestand bisher die größte Schwierigkeit darin, die Reproduzierbarkeit der gemessenen Lagerzeiten sicherzustellen. In dieser Arbeit konnte die Spin-Gitter-Relaxationszeit (T1) von HP-129Xe in unbeschichteten, Rb-freien, sphärischen Zellen aus Aluminiumsilikatglas (GE-180) signifikant verbessert werden. Die T1–Zeit wurde in einem selbstgebauten Niederfeld-NMR-System (2 mT) sowohl für reines HP-Xe als auch für HP-Xe in Mischungen mit N2, SF6 und CO2 bestimmt. Bei diesen Experimenten wurde die maximale Relaxationszeit für reines Xe (85% 129 Xe) bei (4,6 ± 0,1) h festgestellt. Dabei lagen die typischen Wand-Relaxationszeiten bei ca. 18 h für Glaszellen mit einem Durchmesser von 10 cm. Des Weiteren wurde herausgefunden, dass CO2 eine unerwartet hohe Effizienz bei der Verkürzung der Lebensdauer der Xe-Xe Moleküle zeigte und somit zu einer deutlichen Verlängerung der gesamten T1-Zeit genutzt werden kann. rnIm Verlauf vieler Experimente wurde durch wiederholte Messungen mit der gleichen Zelle, ein "Alterungsprozess“ bei der Wandrelaxation identifiziert und untersucht. Dieser Effekt könnte leicht rückgängig gemacht werden, indem die anfängliche Reinigungsprozedur wiederholt wurde. Auf diese Weise kann eine konstante Wandrelaxation sichergestellt werden, durch die sehr reproduzierbare T1-Messungen möglich werden. rnSchließlich wurde die maximale Relaxationszeit für HP-Xe mit natürlicher Häufigkeit in Mischungen mit SF6 bestimmt. Überraschenderweise war dieser Wert um ca. 75% niedriger als der Wert für Xenon, das zu 85% mit 129Xe angereichert war. Dieser Effekt wurde durch drei unabhängige Experimente bestätigt, da er nicht von der bestehenden Theorie der Xe-Relaxation ableitbar ist. rnDie Polarisation von HP-Xe, PXe, wird normalerweise durch den Vergleich der NMR-Signale des HP-Xe mit einer thermischen polarisierten Probe (z. B. 1H2O oder Xe) bestimmt. Dabei beinhaltet der Vergleich unterschiedlicher Messungen an verschiedenen Proben (unterschiedlicher Druck, Signalintensität und Messverfahren) viele experimentelle Unsicherheiten, welche sich oft nicht leicht bestimmen lassen. Eine einfache, genaue und kostengünstige Methode zur Bestimmung von PXe durch eine direkte Messung der makroskopischen Magnetisierung in einem statischen Magnetfeld vermeidet alle diese Unsicherheiten. Dieses Verfahren kann Polarisationen von > 2 % mit einer Genauigkeit von maximal 10% fast ohne Polarisationsverlust bestimmen. Zusätzlich kann diese Methode ohne weitere Änderungen auch für Bestimmungen des Polarisationsgrades anderer HP-Gase verwendet werden.rn