Bau und Entwicklung eines Applikators zur Verabreichung hyperpolarisierter Gase in der MRT der Lunge

Im Rahmen meiner Dissertation habe ich gemäß dem Medizinproduktegesetz ein MR-kompatibles Verabreichungsgerät entwickelt, um Patienten hyperpolarisierte Gas Boli (He-3, Xe-129) als Kontrasgas zur MRT der Lunge zu applizieren. Das Gerät wurde dazu optimiert, die Gase oder Gasmischungen (z. B. HP Gas + N2) in definierten Mengen und zu definierten Zeitpunkten während der Inspiration mit hoher Reproduzierbarkeit und Zuverlässigkeit zu verabreichen, ohne dabei die MR-Qualität zu beeinträchtigen. Aus Sicherheitsgründen und zur späteren Datenanalyse werden die Atemflusskurven der Patienten kontinuierlich angezeigt und aufgezeichnet. Ein Kolbenkompressor ist integriert, um die gesamte gespeicherte He-3-Menge nutzen zu können. Weiterhin ist es möglich, die Polarisation vor Ort zu bestimmen und das abgeatmete He-3 zur späteren Rückgewinnung aufzufangen. Diese Auffangeffizienz konnte durch Untersuchungen mit He-4 (als He-3-Ersatz) gesteigert werden.rnDie ersten MR-Aufnahmen von 10 gesunden Probanden wurden mit diesem Aufbau imrnRahmen einer klinischen Studie durchgeführt. Die Analyse der bestimmten MR-Parameter Signal-Rausch-Verhältnis (SNR), Sauerstoffpartialdruck (pO2), Scheinbarer Diffusionskoeffizient (ADC=apparent diffusion coefficient) sowie die Signalanstiegszeit (rise-time) zeigt eine deutlich bessere Reproduzierbarkeit bei der Verabreichung des He-3 mit dem Applikators anstelle eines Tedlarbags (= kleine heliumdichte Plastiktüte).

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.

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.

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.

Messung der paritätsverletzenden Neutronenspin-Rotation in 139 La unter Einsatz von 3 He-Neutronenspin-Filtern

Die Machbarkeit der Detektion einer P,T-Verletzung in der Neutron-Kern-p-Wellenresonanz von La-139 wird untersucht. Als experimentelleVerbesserung wurde der He-3- Neutronenspin- Filter (He-3-NSF) getestet. Mit einem He-3-NSF als Polarisationsanalysator wurde die rein P-verletzende Neutronenspin-Rotation in 139La erstmals mit guter Genauigkeit unmittelbar in der Resonanz bestimmt. Das schwache Matrixelement betrug v=1.51(5)stat(7)syst meV. Es wurde ein adiabatischer He-3-Spin-Rotator entwickelt und erfolgreich getestet, welcher es erlaubt, die Richtung der He-3-Polarisation einzustellen. Dies kann die bei Polarisationsmessungen üblichen Spinpräzessionsspulen ersetzen. Das Problem der Unterdrückung apparativer Falscheffekte während einer P,T-Detektion wird diskutiert und konnte jedoch noch nicht gelöst 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.\

近阈值下He原子的双电子电离实验中出射电子研究

利用适用于低能电子入射的反应显微成像谱仪,对电子入射He原子近阈值下的双电离过程进行了研究,实验测量了反应后3个粒子的全部动量,获得了出射电子间的关联信息.主要介绍近阈值下的双电离实验装置及实验技术,集中分析反应后出射电子的动量能量关系,对描述近阈值双电离的Wannier理论进行了检验,发现在入射电子能量为106eV时,实验结果具有Wannier理论预言的性质.