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.\

Kinetic energy of He atoms in liquid He-4-He-3 mixtures

Deep inelastic neutron scattering measurements on liquid 3He-4He mixtures in the normal phase have been performed on the VESUVIO spectrometer at the ISIS pulsed neutron source at exchanged wave vectors of about q≃120.0Å-1. The neutron Compton profiles J(y) of the mixtures were measured along the T=1.96K isotherm for 3He concentrations, x, ranging from 0.1 to 1.0 at saturated vapor pressures. Values of kinetic energies 〈T〉 of 3He and 4He atoms as a function of x, 〈T〉(x), were extracted from the second moment of J(y). The present determinations of 〈T〉(x) confirm previous experimental findings for both isotopes and, in the case of 3He, a substantial disagreement with theory is found. In particular 〈T〉(x) for the 3He atoms is found to be independent of concentration yielding a value 〈T〉3(x=0.1)≃12K, much lower than the value suggested by the most recent theoretical estimates of approximately 19 K.

An investigation of the three-body reaction He^3(He^3, 2p)He^4

Reactions produced by the He³ bombardment of the He³ have been investigated for bombarding energies from 1 to 20 MeV using a tandem Van de Graaff accelerator. Proton spectra from the three-body reaction He³(He³, 2p)He⁴ have been measured with a counter telescope at 13 angles for 9 bombarding energies between 3 and 18 MeV. The results are compared with a model for the reaction which includes a strong p-He⁴ final-state interaction. Alpha-particle spectra have been obtained at 12 and 18 MeV for forward angles with a magnetic spectrometer. These spectra indicate a strongly forward-peaked mechanism involving the ¹S₀ p-p interaction in addition to the p-He⁴ interaction. Measurements of p-He⁴ and p-p coincidence spectra at 10 MeV confirm these features of the reaction mechanism. Deuteron spectra from the reaction of He³(He³, d)pHe³ have been measured at 18 MeV. A triton spectrum from the reaction He³(He³, t)3p at 20 MeV and 4⁰ is interpreted in terms of a sequential decay through an excited state of the alpha particle at 20.0 MeV. No effects are observed which would indicate an interaction in the residual (3p) system. Below 3 MeV the He³(He³, 2p)He⁴ reaction mechanism is observed to be changing and further measurements are suggested in view of the importance of this reaction in stellar interiors.

A study of T=1, T=3/2, and T=2 states in some light nuclei using (He^3,n) reactions

The (He³, n) reactions on B¹¹, N¹⁵, O¹⁶, and O¹⁸ targets have been studied using a pulsed-beam time-of-flight spectrometer. Special emphasis was placed upon the determination of the excitation energies and properties of states with T = 1 (in Ne¹⁸), T = 3/2 (in N¹³ and F¹⁷) and T = 2 (in Ne²⁰). The identification of the T = 3/2 and T = 2 levels is based on the structure of these states as revealed by intensities and shapes of angular distributions. The reactions are interpreted in terms of double stripping theory. Angular distributions have been compared with plane and distorted wave stripping theories. Results for the four reactions are summarized below:

1) O¹⁶ (He³, n). The reaction has been studied at incident energies up to 13.5 MeV and two previously unreported levels in Ne¹⁸ were observed at E_x = 4.55 ± .015 MeV (Γ = 70 ± 30 keV) and E_x = 5.14 ± .018 MeV (Γ = 100 ± 40 keV).

2) B¹¹ (He³, n). The reaction has been studied at incident energies up to 13.5 MeV. Three T = 3/2 levels in N¹³ have been identified at E_x = 15.068 ± .008 MeV (Γ ˂ 15 keV), E_x = 18.44 ± .04, and E_x 18.98 ± .02 MeV (Γ = 40 ± 20 keV).

3) N¹⁵ (He³, n). The reaction has been studied at incident energies up to 11.88 MeV. T = 3/2 levels in F¹⁷ have been identified at E_x = 11.195 ± .007 MeV (Γ ˂ 20 keV), E_x = 12.540 ± .010 MeV (Γ ˂ 25 keV), and E_x = 13.095 ± .009 MeV (Γ ˂ 25 keV).

4) O¹⁸ (He³, n). The reaction has been studied at incident energies up to 9.0 MeV. The excitation energy of the lowest T = 2 level in Ne²⁰ has been found to be 16.730 ± .006 MeV (Γ ˂ 20 keV).

Angular distributions of the transitions leading to the above higher isospin states are well described by double stripping theory. Analog correspondences are established by comparing the present results with recent studies (t, p) and (He³, p) reactions on the same targets.

Triton-He-3 relative and differential flows as probes of the nuclear symmetry energy at supra-saturation densities

Using a transport model coupled with a phase-space coalescence afterburner, we study the triton-He-3 (t-He-3) ratio with both relative and differential transverse flows in semicentral Sn-132 + Sn-124 reactions at a beam energy of 400 MeV/nucleon. The neutron-proton ratios with relative and differential flows are also discussed as a reference. We find that similar to the neutron-proton pairs, the t-He-3 pairs also carry interesting information regarding the density dependence of the nuclear symmetry energy. Moreover, the nuclear symmetry energy affects more strongly the t-He-3 relative and differential flows than the pi(-)/pi(+) ratio in the same reaction. The t-He-3 relative flow can be used as a particularly powerful probe of the high-density behavior of the nuclear symmetry energy.

Ab initio calculations of differential cross sections for single charge transfer in He-3(2+)+He-4 collisions

The single charge transfer process in He-3(2+)+He-4 collisions is investigated using the quantum-mechanical molecular-orbital close-coupling method, in which the adiabatic potentials and radial couplings are calculated by using the ab initio multireference single- and double-excitation configuration interaction methods. The differential cross sections for the single charge transfer are presented at the laboratorial energies E = 6 keV and 10 keV for the projectile He-3(2+). Comparison with the existing data shows that the present results are better in agreement with the experimental measurements than other calculations in the dominant small angle scattering, which is attributed to the accurate calculations of the adiabatic potentials and the radial couplings.

Entwicklung und Anwendung eines Beatmungssystems zur Untersuchung der Lungenfeinstruktur mittels He-3-Magnetresonanztomographie

Im Rahmen meiner Dissertation wurde ein 3He-Applikationssystem für die in-vivo 3He-Magnetresonanztomographie der Lunge von Ratten entwickelt. Im Gegensatz zu anderen bisher entwickelten MR-kompatiblen Beatmungsgeräten wurde in diesem Applikationssystem erstmals der polarisationserhaltende ³He-Langzeitspeicher im Streufeld des Tomographen integriert. Bei der 3He-Applikation wird das 3He-Gas automatisch aus dem Langzeitspeicher außerhalb des Magneten zum Tier in den Tomographen geleitet. Die Kernspin-Polarisationsverluste, die beim 3He-Transfer zum Tier in den Tomographen auftreten, betragen etwa 1% (rel.) und sind vernachlässigbar gering. Das Beatmungssystem wurde zusammen mit der MRT-Bildgebungssequenz COMSPIRA an mehr als 200 Tieren erfolgreich getestet. Die MRT-Aufnahmen fanden hauptsächlich an einem 0,47 T Niederfeldtomographen bei der Firma Boehringer-Ingelheim Pharma in Biberach statt. Es wurden sowohl morphologische Aufnahmen der Rattenlunge gemacht als auch der „Apparent Diffusion Coefficient“ (ADC) gemessen. Die relative Streuung der ADC-Werte innerhalb einer Gruppe von Tieren ähnlichen Alters und Gewichts betrug dabei 5%. Bei Wiederholungsmessungen an ein und demselben Tier verringerte sich die relative Streuung auf 1%. Diese Werte unterstreichen die hohe Reproduzierbarkeit des Beatmungssystems sowie des gesamten Messverfahrens. Weiterhin wurde ein Verfahren vorgestellt, das den experimentell bestimmten ADC unabhängig von dem Mischungsverhältnis zwischen dem applizierten 3He und der Atemluft in der Lunge macht. Dies kann erreicht werden, indem das hp 3He mit dem chemisch inerten und ungiftigen Gas SF6 in einem definierten Verhältnis gemischt wird und anschließend dem Tier appliziert wird. Zuletzt wurde der ADC von emphysematischen Rattenlungen und von gesunden Rattenlungen gemessen. Die Ergebnisse zeigten einen signifikant kleineren ADC innerhalb der Gruppe der erkrankten Tiere. Diese Dissertation wurde durch die Boehringer-Ingelheim Pharma GmbH & Co. KG unterstützt.

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.

Inactivation of V79 cells by low-energy protons, deuterons and helium-3 ions

Previous work by ourselves and by others has demonstrated that protons with a linear energy transfer (LET) about 30 V mu m(-1) are more effective at killing cells than doubly charged particles of the same LET. In this work we show that by using deuterons, which have about twice the range of protons with the same LET, it is possible to extend measurements of the RBE of singly charged particles to higher LET (up to 50 keV mu m(-1)). We report the design and use of a new arrangement for irradiating V79 mammalian cells. Cell survival. measurements have been made using protons in the energy range 1.0-3.7 MeV, deuterons in the energy range 0.9-3.4 MeV and He-3(2+) ions in the energy range 3.4-6.9 MeV;. This corresponds to volume-averaged LET (within the cell nucleus) between 10 and 28 keV mu m(-1) for protons, 18-50 keV mu m(-1) for deuterons, and 59-106 keV mu m(-1) for helium ions. Our results show no difference in the effectiveness of protons and deuterons matched for LET. However, for LET above about 30 keV mu m(-1) singly charged particles are more effective at inactivating cells than doubly-charged particles of the same LET and that this difference can be understood in terms of the radial dose distribution around the primary ion track.

TRITON-(HE)-H-3 RELATIVE AND DIFFERENTIAL FLOWS AND THE HIGH DENSITY BEHAVIOR OF NUCLEAR SYMMETRY ENERGY

Using a transport model coupled with a phase-space coalescence after-burner we study the triton-He-3 relative and differential transverse flows in semi-central Sn-132 + Sn-124 reactions at a beam energy of 400 MeV/nucleon. We find that the triton-He-3 pairs carry interesting information about the density dependence of the nuclear symmetry energy. The t-He-3 relative flow can be used as a particularly powerful probe of the high-density behavior of the nuclear symmetry energy.