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.\

High structural and optical quality 1.3 mu m GaInNAs/GaAs quantum wells with higher indium content grown by molecular-beam expitaxy

High structural and optical quality 1.3 mu m GaInNAs/GaAs quantum well (QW) samples with higher (42.5%) indium content were successfully grown by molecular-beam epitaxy. The cross-sectional transmission electron microscopy measurements reveal that there are no structural defects in such high indium content QWs. The room-temperature photoluminescence peak intensity of the GaIn0.425NAs/GaAs (6 nm/20 nm) 3QW is higher than, and the full width at half maximum is comparable to, that of In0.425GaAs/GaAs 3QW, indicating improved optical quality caused by strain compensation effect of introducing N to the high indium content InGaAs epilayer. (C) 2005 American Institute of Physics.

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.

Linear and nonlinear optical studies on 3,6-bis (2 pyridyl) pyridazine

3,6-Bis (2 pyridyl) pyridazine has been synthesized and characterized by NMR, XRD and elemental analyses. The vibrational studies were carried out by using FTIR and Raman spectroscopy and the modes of vibrations were analysed and compared with the theoretically calculated values. The nonlinear optical property of the title compound was examined by Kurtz-Perry method and Hyper Raleigh scattering with the fundamental wavelength of 1064nm. This compound possesses less SHG efficiency but large first hyperpolarizability. (C) 2013 Elsevier GmbH. All rights reserved.

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.

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.

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.