3He气体极化前预处理系统的研发和性能验证

摘要

目前，3He已经广泛应用于中高能核物理领域及生物医学领域，特别是在肺部诊断中，基于超极化3He气体的磁共振成像可以提供清晰的肺部病灶图像，为实现肺部疾病的早期诊断提供了可能。本论文主要基于碱金属自旋交换光泵浦的原理，设计并制作出基于超极化3He气体的极化腔，并在自主设计的3He极化装置中实现纯Rb和Rb-K两类交换介质下3He的极化，并对极化后的超极化3He气体进行提取和保存，使其应用于低场磁共振的肺部成像。
　　主要工作内容和成果如下:
　　首先，比较不同碱金属与3He间的自旋交换率和自旋弛豫率，并探索当使用混合碱金属作为交换介质时，不同碱金属蒸汽在极化腔中的最佳蒸汽密度比D值;讨论极化腔表面积与体积的比例对于3He极化度的影响。
　　其次，根据具体的实验要求，设计并搭建用于超极化3He气体的极化腔及其附属支管，讨论不同的材料在极化过程中对3He气体的影响，并对管路的制作流程进行详细阐述。
　　再次，针对极化腔的制作进行抽真空充气系统的设计和搭建，对搭建的抽真空充气管路进行测试使其满足设计需求，并在此基础上总结相应实验气体的充气测量的方法。
　　此外，设计并搭建基于超极化3He气体的提取装置，比较不同材料对超极化3He气体退极化率的影响，并制作出储存极化气体的采样袋。
　　最后，利用搭建完成的极化腔和抽真空充气系统以及配置好的碱金属混合物制作出基于超极化3He气体的极化腔，并使用电子顺磁共振方法(EPR)对极化腔中的超极化3He气体的极化度进行测量，得到输运曲线和自旋弛豫曲线。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 国内外相关研究和发展现状

1．3 基于3He极化气体的核磁共振成像

1．4 论文的主要内容和工作意义

第二章 自旋交换光泵浦原理

2．1 引言

2．1．1 基本原理

2．2 碱金属的极化和弛豫过程

2．2．1 铷的极化过程

2．2．2 铷的弛豫过程

2．2．3 铷的极化度

2．2．4 Rb的极化度与N2的关系

2．3 3He的自旋交换和弛豫过程

2．3．1 引言

2．3．2 Rb-3He的自旋交换过程

2．3．3 3He的自旋弛豫

2．3．4 3He的极化度

2．4 小结

第三章 极化腔与抽真空充气系统的设计

3．1 极化腔的设计

3．1．1 引言

3．1．2 极化腔的材料选择

3．1．3 加热炉的设计

3．1．4 极化腔的结构设计

3．1．5 毛细臂对3He自旋弛豫的影响

3．1．6 极化腔主支管的设计

3．2 抽翼空充气系统的设计与制作

3．2．1 抽真空充气系统的结构设计

3．2．2 系统的管路和元件选择

3．2．3 主要选用的设备和组件

3．2．4 抽真空系统的真空性能

3．3 小结

第四章 气体提取和储存装置的设计和搭建

4．1 气体提取装置的设计和搭建

4．1．1 引言

4．1．2 材料的选择

4．1．3 O2对3He的弛豫过程

4．1．4 采样袋的层数

4．1．5 提取装置的结构设计

4．2 储存装置的设计与制作

4．2．1 结构设计

4．3 小结

第五章 碱金属与气体的填充和实验结果分析

5．1 碱金属的配制

5．1．1 碱金属的配比

5．1．2 混合碱金属的步骤

5．2 碱金属和气体的填充

5．2．1 碱金属的填充

5．2．2 N2与3He填充

5．2．3 气体物质的量的计算

5．2．4 极化腔的成品与性能测试

5．3 小结

第六章 总结和展望

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况