CN101569847B - 可填充式微型贵重气体偏极化产生器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种微型贵重气体偏极化产生器，具体是一种可填充式微型贵重气体偏极化产生器。一种可填充式微型贵重气体偏极化产生器，包括腔体，保温单元，开放式基瓶，气体系统，加热源和激化单元，腔体配置有上盖与下盖，以及磁场方向相同的第一及第二磁铁单元，第一及第二磁铁单元分别连接至上盖与下盖的两侧，上盖及下盖相对腔体的中心部分为等距；保温单元位于腔体内，且具有一炉体空间；开放式基瓶位于炉体空间中，且内装填有碱金属元素，基瓶设有一开口，开口连接气体管线，气体管线处设有阀门开关；加热源提供热至炉体空间中，激化单元产生偏极化激光。本发明能降低贵重气体偏极化产生器的体积与重量，能实时提供偏极化的贵重气体。
Description
技术领域
本发明涉及一种微型贵重气体偏极化产生器，具体地说，是一种可填充式微型贵重气体偏极化产生器。
背景技术
偏极化贵重气体(polarized noble gases)已广泛应用于物理实验、中子束研究、材料科学以及疾病医疗领域，例如在核磁显影的相关应用上，贵重气体偏极化的信号强度是传统氢1(1H)偏极化信号的10,000倍以上，并可让病人吸入，以对肺部空间进行成像，解决传统氢1核磁显影(1H MRI)信号噪声比(signal-to-noise ratio；SNR)偏低，且很难运用于肺部的诊断上的问题，使得医疗及材料科学等的应用上出现了一个原来无法达到的崭新领域。而在中子束相关研究方面，以往中子的偏极化大多仰赖超级明镜(supermirror)的反射以达到其目的，但是这种方式不仅限制了中子束的能量与动量，更限制了中子束的强度(intensity)，偏极化的氦3(3He)气体可以非常有效地过滤中子，达到使中子偏极化的目的，且不会限制中子束的能量与动量。
偏极化贵重气体大多使用光学激化核自旋交换法(spin-exchangeoptical pumping；SEOP)制备，其在一均匀磁场下，加热碱金属属元素使其蒸发为气态，再通过激光极化碱金属属元素的蒸气，最后以碰撞方式进行自旋交换以达到贵重气体原子核偏极化的目的。以最多研究的氦3(3He)的光学激化核自旋交换法为例，包括在均匀的磁场下，以795nm激光圆偏极化光照射装填有铷(Rb)、3He和氮气的混合气体的基瓶，795nm激光圆偏极化光激发Rb电子从基态(ground state)跳跃到第一激发态再自发回到基态，由于圆偏极化激光仅能激发Rb电子的自旋状态从到
的跃迁，因此最后Rb电子都被激化到
的基态产生偏极化的Rb，后经由碰撞动量转移的机制，使3He的原子核与偏极化Rb的电子自旋交互作用，以转移偏极化Rb的自旋状态到3He上，而偏极化3He原子核，在基瓶中产生偏极化的3He。
由于贵重气体偏极化的过程需要在均匀磁场下进行，因此一个均匀磁场空间产生装置对贵重气体偏极化产生器而言是不可或缺的。已知由亥姆霍兹(Helmholtz)线圈产生均匀磁场空间，图1是亥姆霍兹线圈产生均匀磁场空间的示意图，如图1所示，亥姆霍兹线圈100包括具有相同直径D的线圈110及112平行对放，线圈110及112之间的距离d等于线圈110及112的半径R(R＝D/2)，当通以相同方向的电流时，便可在线圈110及112的中间空间114产生均匀的磁场B0，例如当直径D为100cm时，亥姆霍兹线圈100能在中间空间114中轻易产生均匀度约10-4的磁场空间。磁场空间的均匀度系所述磁场空间中磁场的最大值与最小值的差值除以平均值。然而，亥姆霍兹线圈100通过由通电流产生均匀磁场，因此需要稳定的电源供应器与周围温度的控制，以避免因电流或温度的改变而影响磁场的稳定性，所需的设备成本及偏极化贵重气体的制造成本均较高。此外，由于亥姆霍兹线圈100体积庞大且其产生的磁场会受到周围电气产品、电磁场及铁磁性物质的影响，因此在开放的系统中很难产生均匀的磁场，这使得亥姆霍兹线圈100无法轻易移动，导致贵重气体偏极化产生器的应用受限于磁场空间产生装置(例如亥姆霍兹线圈100)，往往必须将偏极化的贵重气体从磁场空间产生装置中取出后，再放入小型均匀磁场中(例如螺线管或永久磁铁箱)进行运送，造成偏极化贵重气体的存放时间或弛缓时间(relaxation time)T1减少，例如在偏极化贵重气体从亥姆霍兹线圈100取出移至小型均匀磁场的过程中，偏极化的贵重气体会受到周围环境磁场的干扰，例如经过不均匀磁场A或B，以及手接触的影响，使得贵重气体的偏极化衰减。其次，如图2所示，图2是螺线管的示意图，其中螺线管200在铝管210外部以漆包线220作螺旋环绕，相邻漆包线220之间的距离相同，通过电流供应器(图中未示出)提供电流给漆包线220，以产生均匀磁场，然而，铝管210与漆包线220的重量约为20-30公斤，且需搭配电流供应器才能产生磁场。而如图3所示，图3是永久磁铁箱的示意图，其中永久磁铁箱250包括一非铁磁性金属外壳260以及数个永久磁铁270位于非铁磁性金属外壳260上，为了在所述基瓶存放的空间内形成分布均匀的磁场，永久磁铁270的长度和外壳260的深度都必须足够大，这也意味着永久磁铁箱250的重量不轻。换言之，即使螺线管200与永久磁铁箱250的重量与亥姆霍兹线圈200-300公斤的重量相比算是轻巧的，但是要作经常性的运送是极不方便的。
因此已知的贵重气体偏极化产生器存在着上述种种不便和问题。
发明内容
本发明的目的，在于提出一种空间需求小而方便应用的可填充式微型贵重气体偏极化产生器。
本发明的另一目的，在于提出一种容易运送的可填充式微型贵重气体偏极化产生器。
本发明的又一目的，在于提出一种结合气体填充系统且能实时(InSitu)提供偏极化贵重气体的可填充式微型贵重气体偏极化产生器。
为实现上述目的，本发明的技术解决方案是：
一种可填充式微型贵重气体偏极化产生器，包括一腔体，一保温单元，一开放式基瓶，一气体系统，一加热源和一激化单元，其中，
所述腔体配置有高导磁率物质所制成的上盖与下盖，以及磁场方向相同的第一及第二磁铁单元用以产生一磁场，所述第一及第二磁铁单元分别连接至所述上盖与所述下盖的两侧，所述上盖及所述下盖相对所述腔体的中心部份为等距以引导所述磁场在所述腔体内部产生一均匀的磁场空间，并形成屏蔽效应；
所述保温单元位于所述腔体内，且具有一炉体空间以将温度保持在一预定的范围内；
所述开放式基瓶位于所述炉体空间中，且内装填有碱金属元素，所述基瓶设有一开口，所述开口连接一第一气体管线，所述第一气体管线处设有一阀门开关，以供填充一贵重气体或释放已偏极化的所述贵重气体；
所述气体系统经所述阀门开关、所述第一气体管线和所述开口供应所述贵重气体至所述开放式基瓶中；
所述加热源提供热至所述炉体空间中以维持所述开放式基瓶的温度在所述预定的范围内，使所述碱金属元素蒸发为碱金属元素蒸气；
所述激化单元用以产生一特定波长且与所述磁场空间的磁场方向相同的偏极化激光通过所述开放式基瓶，以偏极化所述开放式基瓶内的所述贵重气体。
本发明的可填充式微型贵重气体偏极化产生器还可以采用以下的技术措施来进一步实现。
前述的可填充式微型贵重气体偏极化产生器，其中所述上盖具有第一及第二延伸边盖，所述下盖具有第三及第四延伸边盖，所述第一磁铁单元位于所述第一及第三延伸边盖之间，以及所述第二磁铁单元位于所述第二及第四延伸边盖之间。
前述的可填充式微型贵重气体偏极化产生器，其中所述第一及第二磁铁单元各包括：
一第一永久磁铁；
一第二永久磁铁；
一侧壁，所述侧壁由所述高导磁率物质制成，且位于所述第一及第二永久磁铁之间，以串接所述第一及第二永久磁铁。
前述的可填充式微型贵重气体偏极化产生器，其中所述侧壁具有第一及第二延伸边盖分别接合所述第一及第二永久磁铁。
前述的可填充式微型贵重气体偏极化产生器，其中所述高导磁率物质包括镍铁合金。
前述的可填充式微型贵重气体偏极化产生器，其中还包括：
一第二气体管线连接在所述气体系统与所述第一气体管线之间；
一第二阀门开关位于所述第二气体管线，以控制所述气体系统与所述第一气体管线之间的连通。
前述的可填充式微型贵重气体偏极化产生器，其中更包括：
一第二气体管线连接所述第一气体管线，用以运送已偏极化的所述贵重气体；
一第二阀门开关位于所述第二气体管在线，以控制所述第一与第二气体管线之间的连通；
一冷却装置，位于所述第二气体管线，以凝结所述碱金属元素蒸气。
前述的可填充式微型贵重气体偏极化产生器，其中更包括一抽取装置连接所述第二气体管线，以取出所述开放式基瓶中已偏极化的所述贵重气体。
前述的可填充式微型贵重气体偏极化产生器，其中所述气体系统包括：
一贵重气体供应源，用以供应所述贵重气体；
一缓冲气体供应源，用以提供缓冲气体；
一气体净化器，连接在所述贵重气体供应源及所述缓冲气体供应源与所述开放式基瓶之间，用以净化所述贵重气体与所述缓冲气体。
前述的可填充式微型贵重气体偏极化产生器，其中所述激化单元包括：
一激光，位于所述腔体外，用以产生一激光光束；
一反射单元，位于所述腔体内，用以反射所述激光光束，使所述激光光束通过所述开放式基瓶；
一偏极单元，位于所述激光与所述开放式基瓶之间，以偏极所述激光光束。
前述的可填充式微型贵重气体偏极化产生器，其中所述反射单元包括反射镜或棱镜。
前述的可填充式微型贵重气体偏极化产生器，其中所述激化单元包括：
一激光，位于所述腔体外，用以产生一激光光束；
一反射单元，位于所述腔体内，用以反射与偏极所述激光光束，使所述激光光束通过所述开放式基瓶。
前述的可填充式微型贵重气体偏极化产生器，其中更包括一绝热层位于所述腔体与所述保温单元之间。
前述的可填充式微型贵重气体偏极化产生器，其中更包括一核磁共振线圈，位于所述开放式基瓶附近，用以发射与接收射频信号，以检测所述贵重气体的偏极化。
一种可填充式微型贵重气体偏极化产生器，包括一腔体，一保温单元，一即流式基瓶，一气体系统，一加热源和一激化单元，其特征在于：
所述腔体设有由高导磁率物质所制成的上盖与下盖，以及磁场方向相同的第一及第二磁铁单元用以产生一磁场，所述第一及第二磁铁单元分别连接至所述上盖与所述下盖的两侧，所述上盖及所述下盖相对所述腔体的中心部分为等距以引导所述磁场在所述腔体内部产生一均匀的磁场空间，并形成屏蔽效应；
所述保温单元，位于所述腔体内，设有一炉体空间以将温度保持在一预定的范围内；
所述即流式基瓶，包含一光学激化区位于所述炉体空间中，其内装填有碱金属元素且具有一第一开口，一过滤区位于所述炉体空间之外且与所述光学激化区相连通，其具有一第二开口，所述过滤区具有一冷却机制可将碱金属元素蒸气在此凝结过滤，一第一气体管线连接所述第一开口，其上面设有一第一阀门开关以供填充一贵重气体，以及一第二气体管线连接所述第二开口，其上面设具有一第二阀门开关以供释放已偏极化的所述贵重气体；
所述气体系统，经由所述第一阀门开关、所述第一气体管线及所述第一开口供应所述贵重气体至所述即流式基瓶中；
所述加热源，用以提供热至所述炉体空间中以维持所述光学激化区的温度在所述预定的范围内，使所述碱金属元素蒸发为所述碱金属元素蒸气；
所述激化单元，用以产生一特定波长且与所述磁场空间的磁场方向相同的偏极化激光通过所述光学激化区，以偏极化所述即流式基瓶内的所述贵重气体。
本发明的可填充式微型贵重气体偏极化产生器还可以采用以下的技术措施来进一步实现。
前述的可填充式微型贵重气体偏极化产生器，其中所述上盖具有第一及第二延伸边盖，所述下盖具有第三及第四延伸边盖，所述第一磁铁单元位于所述第一及第三延伸边盖之间，以及所述第二磁铁单元位于所述第二及第四延伸边盖之间。
前述的可填充式微型贵重气体偏极化产生器，其中所述第一及第二磁铁单元各包括：
一第一永久磁铁；
一第二永久磁铁；
一侧壁，所述侧壁由所述高导磁率物质构成，且位于所述第一及第二永久磁铁之间，以串接所述第一及第二永久磁铁。
前述的可填充式微型贵重气体偏极化产生器，其中所述侧壁具有第一及第二延伸边盖分别接合所述第一及第二永久磁铁。
前述的可填充式微型贵重气体偏极化产生器，其中所述高导磁率物质包括镍铁合金。
前述的可填充式微型贵重气体偏极化产生器，其中所述过滤区位于所述光学激化区的上方。
前述的可填充式微型贵重气体偏极化产生器，其中所述过滤区包括一冷却采集区，其具有一外接环包式的冷却套管，以凝结所述碱金属元素蒸气。
前述的可填充式微型贵重气体偏极化产生器，其中更包括一缓冲区位于所述冷却采集区与所述第二开口之间，以进一步采集所述碱金属元素蒸气，且其壁面具有较少的所述碱金属元素的颗粒，可以作为良好的已偏极化的所述贵重气体的缓冲暂存空间。
前述的可填充式微型贵重气体偏极化产生器，其中所述第一开口位于所述光学激化区的底部。
前述的可填充式微型贵重气体偏极化产生器，其中所述第一气体管线具有一加热缓冲部份通过所述炉体空间连接至所述第一开口。
前述的可填充式微型贵重气体偏极化产生器，其中所述加热缓冲部份包括螺旋状气体管线。
前述的可填充式微型贵重气体偏极化产生器，其中更包括：
一第三气体管线，连接在所述第一及第二气体管线之间；
一第三阀门开关，位于所述第三气体管线，以控制所述第二及第三气管线之间的连通；
一泵，在所述第三气体管线且位于所述第三阀门开关与所述第一气体管线之间，以使所述贵重气体在所述过滤区与所述光学激化区之间循环。
前述的可填充式微型贵重气体偏极化产生器，其中更包括一第四阀门开关在所述第三管线且位于所述泵与所述第一管线之间。
前述的可填充式微型贵重气体偏极化产生器，其中所述气体系统包括：
一贵重气体供应源，用以供应所述贵重气体；
一缓冲气体供应源，用以提供缓冲气体；
一气体净化器，连接在所述贵重气体供应源及所述缓冲气体供应源与所述即流式基瓶之间，用以净化所述贵重气体与所述缓冲气体。
前述的可填充式微型贵重气体偏极化产生器，其中所述激化单元包括：
一激光，位于所述腔体外，用以产生一激光光束；
一反射单元，位于所述腔体内，用以反射所述激光光束，使所述激光光束通过所述光学激化区；
一偏极单元，位于所述激光与所述即流式基瓶之间，以偏极所述激光光束。
前述的可填充式微型贵重气体偏极化产生器，其中所述反射单元包括反射镜或棱镜。
前述的可填充式微型贵重气体偏极化产生器，其中所述激化单元包括：
一激光，位于所述腔体外，用以产生一激光光束；
一反射单元，位于所述腔体内，用以反射与偏极所述激光光束，使所述激光光束通过所述光学激化区。
前述的可填充式微型贵重气体偏极化产生器，其中更包括一绝热层位于所述腔体与所述保温单元之间。
前述的可填充式微型贵重气体偏极化产生器，其中更包括一核磁共振线圈，位于所述过滤区附近，用以发射与接收射频信号，以检测所述贵重气体的偏极化。
采用上述技术方案后，本发明的可填充式微型贵重气体偏极化产生器具有以下优点：
1.大幅降低贵重气体偏极化产生器的体积与重量，方便携带或搬运。
2.能实时提供偏极化的贵重气体，增加使用上的便利性及降低成本。
附图说明
图1是亥姆霍兹线圈产生均匀磁场空间的示意图；
图2是螺线管的示意图；
图3是永久磁铁箱的示意图；
图4是本发明的可填充式微型贵重气体偏极化产生器的示意图；
图5是本发明的可填充式微型贵重气体偏极化产生器的侧视图；
图6是本发明的可填充式微型贵重气体偏极化产生器中腔体的示意图；
图7是是本发明的可填充式微型贵重气体偏极化产生器中腔体的正视图；
图8是气体系统的示意图；
图9是具有开放式基瓶的示意图的可填充式微型贵重气体偏极化产生器的第一实施例；
图10是以腔体作为运送箱的示意图；
图11是具有开放式基瓶的可填充式微型贵重气体偏极化产生器的第二实施例；
图12是具有开放式基瓶的可填充式微型贵重气体偏极化产生器的第三实施例；
图13是具有即流式基瓶的可填充式微型贵重气体偏极化产生器的示意图。
具体实施方式
以下结合实施例及其附图对本发明作更进一步说明。
现请参阅图4和图5，图4是本发明的可填充式微型贵重气体偏极化产生器的示意图，图5是本发明的可填充式微型贵重气体偏极化产生器的侧视图，如图所示，所述可填充式微型贵重气体偏极化产生器300包括一腔体310，其内具有一均匀的磁场空间，所述腔体310对所述磁场空间形成屏蔽，一保温单元(例如保温炉)324位于腔体310内，其具有一炉体空间325以将温度保持在预定的范围之内，一绝热层320位于腔体310与保温单元324之间，一基瓶328位于炉体空间325中，基瓶328中装填贵重气体(例如氦3或氙129)、碱金属元素(例如铷)以及缓冲气体(例如氮气)，一气体系统(图中未示出)用以供应贵重气体至基瓶328中，一加热源332连接炉体空间325以维持基瓶328的温度在所述预定的范围之内，使基瓶328中的碱金属元素蒸发为气态，一隔热垫330位于绝热层320与保温单元324之间以进一步阻绝热的传递，一激光336提供一激光光束334，一反射单元(例如反射镜或棱镜)322位于腔体310内，例如保温单元324的上方，用以反射激光光束334以形成与所述磁场空间的磁场方向相同的激光路径通过基瓶328，一偏极装置338位于激光336与基瓶328之间的激光路径上，例如在激光336的前方或在反射单元322与基瓶328之间，以偏极化激光光束334，使进入基瓶328的激光为偏极化激光，以偏极基瓶328中的碱金属元素，例如将碱金属元素的共价电子激化到单一基态的自旋状态，偏极化的碱金属元素共价电子与贵重气体原子的原子核碰撞产生自旋偏极的转移，形成偏极化的贵重气体，以及一核磁共振线圈326位于基瓶328附近，用以发射与接收RF信号，以检测基瓶328中贵重气体的偏极化。在本实施例中，激光336、反射单元322以及偏极装置338构成一激化单元，用以产生一特定波长且与所述磁场空间的磁场方向相同的偏极化激光通过基瓶328，以偏极化基瓶328内的贵重气体，保温单元324由玻璃、硅酸钙板或任何具保温效果的材料构成，以保持炉体空间325的温度在所述预定范围内，加热源332包括可以提供恒定热风或热物质来加热基瓶328之管路或装置，例如一连接至加热气枪的石英管，以及绝热层320由绝热物质或可将热带走的热传递装置所构成，例如在腔体310内壁上围绕玻璃管并在所述玻璃管中通过控温的气体，以有效带走外散的热，形成均匀的温度分布，避免因不均匀的温度分布导致腔体310内部磁场空间的均匀度劣化，影响偏极化的效率。在不同的实施例中，激化单元中的偏极装置338包括偏极板(例如
波板)或由分光镜与
波板组成的圆偏极装置，以产生圆偏极激光进入基瓶328偏极其中的碱金属元素。在另一实施例中，激化单元包括激光336以及具有偏极激光光束334功能的反射单元322，因而省略偏极装置338。
再请参阅图6和图7，图6是本发明的可填充式微型贵重气体偏极化产生器中腔体的示意图，图7是是本发明的可填充式微型贵重气体偏极化产生器中腔体的正视图，如图所示，在一实施例中，所述腔体310包括由高导磁率物质(μ-metal)，例如镍铁合金，制成的上盖342与下盖344，二者相对腔体310的中心部份为等距，例如具有相同的尺寸，以及磁铁单元370及372分别连接在上盖342与下盖344的两侧作为磁力源。磁铁单元370包括永久磁铁316及318，以及一位于永久磁铁316及318之间的侧壁348，用以串接永久磁铁316及318。磁铁单元372包括永久磁铁312及314，以及一位于永久磁铁312及314之间的侧壁346，用以串接永久磁铁312及314。磁铁单元370及372的磁场方向相同，例如永久磁铁312-318的N极方向374均向上，以及侧壁346及348由高导磁率物质制成。优选侧壁348具有延伸边盖358与360分别接合永久磁铁316及318，以将其串接在一起，侧壁346具有延伸边盖354及356分别接合永久磁铁312及314，以将其串接在一起，上盖342具有延伸边盖350及352，下盖344具有延伸边盖362及364，磁铁单元370位于延伸边盖352与364之间，以及磁铁单元372位于延伸边盖350与362之间。永久磁铁312-318的磁力线经侧壁346与348、上盖342以及下盖344的引导，在腔体310中心部份形成磁场方向为上下方向(本实施例为向下)的均匀磁场空间，例如当腔体310的水平距离为36cm时，在水平距离8cm至28cm之间具有均匀的磁场B0’，其磁力线376的方向向下，且磁场B0’在水平距离13cm至23cm之间的磁场均匀度小于10-4。在一实施例中，调整所述均匀磁场B0’的强度为10高斯，以和维持中子偏极化的标准导向磁场(guide field)的数量级一致。在另一实施例中，永久磁铁312-318与接合区域350-364经由粘合剂粘合在一起，或者经由如螺丝或夹钳等机械结构接合在一起。在不同的实施例中，可通过调整磁铁单元370与372中侧壁及永久磁铁的数量，产生所需的磁场空间，例如磁铁单元370与372可以各为单独一个永久磁铁直接连至上盖342与下盖344，或二个以上的永久磁铁经由多个侧壁串接在一起，再与至上盖342与下盖344连接。
另请参阅图8，图8是气体系统的示意图，如图所示，在一实施例中，所述供应贵重气体至基瓶328中的气体系统400包括一贵重气体供应源410用以提供贵重气体，例如氦3或氙129，一缓冲气体供应源420用以提供缓冲气体，例如氮气，以及一气体净化器430连接在基瓶328与贵重气体供应源410以及缓冲气体供应源420之间，使贵重气体与缓冲气体净化后，例如去除贵重气体与缓冲气体中的水气和氧气，再装填至基瓶328中，以减少贵重气体偏极化过程中的不利因素。其中气体系统400的各组件之间以气体管线440连接，并通过阀门开关450-458使贵重气体供应源410、缓冲气体供应源420及气体净化器430形成独立的单元。
再请参阅图9，图9是具有开放式基瓶的示意图的可填充式微型贵重气体偏极化产生器的第一实施例，如图所示，在一实施例中，所述基瓶328为开放式基瓶(open cell)，其具有一开口520，一气体管线550连接开口520，以及一阀门开关510位于气体管线550上，基瓶328中装填碱金属元素530，例如铷。首先，将基瓶328从腔体310中取出，并经由气体管线550连接至如图8所示的气体系统400，接着开启阀门开关510，使气体经由气体管线550及开口520进入基瓶328进行气体的装填，当气体装填完成后，关闭阀门开关510并将基瓶328放回腔体310中，随后经由加热源332供应热风至炉体空间325以维持基瓶328的温度，使基瓶328中的碱金属元素730蒸发为碱金属元素蒸气，并以激光光束334进行贵重气体的偏极化。
当贵重气体的偏极化完成后，拆除反射镜322、加热源332及保温单元324下的绝热层330，如图10所示，图10是以腔体作为运送箱的示意图，接着使用富有弹性的物质(例如泡棉)作为填充物540填充于基瓶328、保温单元324与腔体310之间，以固定基瓶328避免碰撞，并使用腔体310作为运送箱，将具有偏极化贵重气体的基瓶328运送到需要的地点，使用时开启阀门开关510，使基瓶328中的偏极化贵重气体从开口520经气体管线550释出。在偏极化贵重气体释出后，拆除填充物540，取出基瓶328，经由气体管线550将基瓶328连接至如图8所示的气体系统重新装填气体，待气体装填完成后，将基瓶328、反射镜322、加热源332与绝热层330放回腔体310中，如图9所示，以进行贵重气体的偏极化，再次产生偏极化贵重气体。在本实施例中，基瓶328为一独立的组件，腔体310除了作为均匀磁场空间产生装置外，亦可作为偏极化贵重气体的运送箱，由于腔体310具有均匀磁场以及屏蔽效果，因此偏极化的贵重气体在运送的过程中，不会受到不均匀磁场或外界电磁干扰的影响，而造成偏极化贵重气体的衰减。
如图11所示，图11是具有开放式基瓶的可填充式微型贵重气体偏在另一实施例中，所述基瓶328为固定于炉体空间325中的开放式基瓶，其具有一开口520，一气体管线551连接开口520，以及一阀门开关510位于气体管线551上，气体管线551延伸出腔体310，使阀门开关510位于腔体310外，气体管线610连接在气体系统650(例如图8所示的气体系统400)与气体管线551之间，其上具有一阀门开关632控制气体系统650与气体管线551之间的连通，使气体从气体系统650经气体管线610、阀门开关632和510、气体管线550以及开口520装填至基瓶328中。在不同的实施例中，气体管线620连接气体管线551以将基瓶328中的偏极化贵重气体输送到使用地点640，例如核磁显影(MRI)检查室，阀门开关634位于气体管线620上以控制气体管线551与620之间的连通，阀门开关636位于气体管线620上以控制气体管线620与使用地点640之间的连通，冷却装置622位于气体管线620上，其可由一装有冷却剂(例如液态氮)的容器，以及一沉浸在冷却剂中的管路(例如U型管)所构成，用以将碱金属元素530的蒸气凝结成固态，以避免在偏极化贵重气体从基瓶328输送至使用地点640时，碱金属元素530的蒸气随着偏极化贵重气体一起被输送至使用地点640造成不良的影响，例如被接受核磁显影检查的病人吸入体内。由于基瓶328中的压力大于1大气压，因此可通过压差将偏极化贵重气体输送至使用地点640。气体管线551及620使用不会影响气体偏极化的材质，例如Pyrex玻璃或铁氟龙。较佳者，气体管线551同时连接气体管线610及620构成可填充式微型贵重气体偏极化产生器600，并将其架设在使用地点640的旁边，贵重气体经由开启阀门开关510及632持续从气体系统650装填至基瓶328中并被偏极化，经由开启阀门510、634及636即时提供偏极化贵重气体至使用地点610，避免偏极化贵重气体因分装或运送而衰减。
如图12所示，图12是具有开放式基瓶的可填充式微型贵重气体偏极化产生器的第三实施例，抽取装置660经阀门638连接至气体管线620以吸取基瓶328中的偏极化贵重气体，使基瓶328中的偏极化贵重气体完全取出，再输送至使用地点640。抽取装置660系一种以气动装置664驱动活塞662向左或向右移动，将气体从基瓶328中抽出或将气体送至所需地点之装置。相比图11的可填充式微型贵重气体偏极化产生器600利用压差输送偏极化贵重气体的方式造成基瓶328中残留1大气压的偏极化贵重气体而言，利用抽取装置660先抽取基瓶328中的偏极化贵重气体再输送，能有效增加可使用的偏极化贵重气体。
图13是具有即流式基瓶的可填充式微型贵重气体偏极化产生器的示意图。如图13所示，在不同的实施例中，可填充式微型贵重气体偏极化产生器700的基瓶328为即流式基瓶(flow cell)，其包含一具有开口752的光学激化区750位于炉体空间325中，其内装填有碱金属元素530，一具有开口762的过滤区770位于炉体空间325之外且与光学激化区750相连通，一气体管线710连接开口752与气体系统650，其具有一阀门开关720控制气体系统650与开口752之间的连通，使气体从气体系统650经气体管线710、阀门开关720以及开口752装填至基瓶328中，以及一具有阀门开关726的气体管线712连接开口762，以将基瓶328中的偏极化贵重气体从开口762经气体管线712及阀门开关726输送到使用地点640，例如核磁显影(MRI)检查室。其中，过滤区770用以采集碱金属元素530的蒸气，避免在偏极化贵重气体从基瓶328输送至使用地点640时，碱金属元素530的蒸气随着偏极化贵重气体一起被输送至使用地点640。在一实施例中，过滤区770包括一与光学激化区750邻接的区域730，以及一冷却装置732，例如外接环包式之冷却套管，包覆在区域730外，所形成的冷却采集区，使碱金属元素530的蒸气在此区域中凝结，而不会随着偏极化贵重气体一起被输送至使用地点640。在另一实施例中，过滤区770更包括一缓冲区760介于区域730与开口762之间，使偏极化贵重气体离开基瓶328前先经过缓冲区760，以进一步采集碱金属元素530的蒸气，由于缓冲区760的壁面具有较少的碱金属元素530的颗粒，所以所述壁面平滑，较不易导致偏极化贵重气体的弛缓时间T1减少，因此可以作为良好的偏极化贵重气体的缓冲暂存空间。在本实施例中，过滤区770位于光学激化区750的上方，碱金属元素530的蒸气经由过滤区770冷凝成碱金属元素530的颗粒后，受到重力的影响回到光学激化区750，使贵重气体的偏极化能持续进行，不会因光学激化区750中的碱金属元素530的蒸气减少，导致贵重气体偏极化的效率变差或中断。开口752位于光学激化区750的底部，气体管线710具有一加热缓冲部份711，例如螺旋状气体管线，通过炉体空间325连接至开口752，使进入基瓶328的气体的温度与基瓶328的温度相近，以避免温度较低的气体进入基瓶328内导致碱金属元素730蒸气凝结。此外，由于碱金属元素530的蒸气大部份位于光学激化区750中，因此贵重气体的偏极化主要在光学激化区750中进行，为避免过滤区770中存在未被偏极化的贵重气体，导致一开始经由气体管线712输送至使用地点640的气体为非偏极化贵重气体，可填充式微型贵重气体偏极化产生器800更包括一气体管线714连接在气体管线710与712之间，其具有阀门开关724以控制气管线712与714之间的连通，以及一泵740位于阀门开关724与气体管线710之间且在气体管线740上，使贵重气体在过滤区770与光学激化区750之间循环，进而使过滤区770中充满偏极化贵重气体。优选将核磁共振线圈326置于过滤区770附近，用以发射与接收射频信号，以检测贵重气体的偏极化，确保输送至使用地点640的偏极化贵重气体具有所需的偏极化程度。在一实施例中，在气体管线710与泵740之间加装一阀门开关722，以避免气体装填至基瓶328中时，因压力过大对泵740造成损害。
以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变化。因此，所有等同的技术方案也应该属于本发明的范畴，应由各权利要求限定。
组件符号说明
100 亥姆霍兹线圈
110 线圈
112 线圈
200 螺线管
210 铝管
220 漆包线
250 永久磁铁箱
260 非铁磁性金属外壳
270 永久磁铁
300 可填充式微型贵重气体偏极化产生器
310 腔体
312-318 永久磁铁
320 绝热层
322 反射单元
324 保温单元
325 炉体空间
326 核磁共振线圈
328 基瓶
330 隔热垫
332 加热源
334 激光光束
336 激光
338 偏极化装置
342 上盖
344 下盖
346-348 侧壁
350-364 接合区域
374 N极方向
376 磁力线
400 气体系统
410 贵重气体供应源
420 缓冲气体供应源
430 气体净化器
440 气体管线
450-458 阀门开关
510 阀门开关
520 开口
530 碱金属元素
540 填充物
550 气体管线
551 气体管线
600 可填充式微型贵重气体偏极化产生器
610-620 气体管线
622 冷却装置
632-638 阀门
640 使用地点
650 气体系统
660 抽取装置
662 活塞
664 气动装置
700 可填充式微型贵重气体偏极化产生器
710 气体管线
711 加热缓冲部份
712-714 气体管线
720-726 阀门开关
730 区域
732 冷却装置
740 帮浦
750 光学激化区
752 开口
760 缓冲区
762 开口
770 过滤区
Claims (33)
1.一种可填充式微型贵重气体偏极化产生器，包括一腔体，一保温单元，一开放式基瓶，一气体系统，一加热源和一激化单元，其特征在于：
所述腔体配置有高导磁率物质所制成的上盖与下盖，以及磁场方向相同的第一及第二磁铁单元用以产生一磁场，所述第一及第二磁铁单元分别连接至所述上盖与所述下盖的两侧，所述上盖及所述下盖相对所述腔体的中心部分为等距以引导所述磁场在所述腔体内部产生一均匀的磁场空间，并形成屏蔽效应；
所述保温单元位于所述腔体内，且具有一炉体空间以将温度保持在一预定的范围内；
所述开放式基瓶位于所述炉体空间中，且内装填有碱金属元素，所述基瓶设有一开口，所述开口连接一第一气体管线，所述第一气体管线处设有一阀门开关，以供填充一贵重气体或释放已偏极化的所述贵重气体；
所述气体系统经所述阀门开关、所述第一气体管线和所述开口供应所述贵重气体至所述开放式基瓶中；
所述加热源提供热至所述炉体空间中以维持所述开放式基瓶的温度在所述预定的范围内，使所述碱金属元素蒸发为碱金属元素蒸气；
所述激化单元用以产生一特定波长且与所述磁场空间的磁场方向相同的偏极化激光通过所述开放式基瓶，以偏极化所述开放式基瓶内的所述贵重气体。
2.如权利要求1所述的可填充式微型贵重气体偏极化产生器，其特征在于，所述上盖具有第一及第二延伸边盖，所述下盖具有第三及第四延伸边盖，所述第一磁铁单元位于所述第一及第三延伸边盖之间，以及所述第二磁铁单元位于所述第二及第四延伸边盖之间。
3.如权利要求1所述的可填充式微型贵重气体偏极化产生器，其特征在于，所述第一及第二磁铁单元各包括：
一第一永久磁铁；
一第二永久磁铁；
一侧壁，所述侧壁由所述高导磁率物质制成，且位于所述第一及第二永久磁铁之间，以串接所述第一及第二永久磁铁。
4.如权利要求3所述的可填充式微型贵重气体偏极化产生器，其特征在于，所述侧壁具有第一及第二延伸边盖分别接合所述第一及第二永久磁铁。
5.如权利要求1所述的可填充式微型贵重气体偏极化产生器，其特征在于，所述高导磁率物质包括镍铁合金。
6.如权利要求1所述的可填充式微型贵重气体偏极化产生器，其特征在于，还包括：
一第二气体管线连接在所述气体系统与所述第一气体管线之间；
一第二阀门开关位于所述第二气体管线，以控制所述气体系统与所述第一气体管线之间的连通。
7.如权利要求1所述的可填充式微型贵重气体偏极化产生器，其特征在于，更包括：
一第二气体管线连接所述第一气体管线，用以运送已偏极化的所述贵重气体；
一第二阀门开关位于所述第二气体管线，以控制所述第一与第二气体管线之间的连通；
一冷却装置，位于所述第二气体管线，以凝结所述碱金属元素蒸气。
8.如权利要求7所述的可填充式微型贵重气体偏极化产生器，其特征在于，更包括一抽取装置连接所述第二气体管线，以取出所述开放式基瓶中已偏极化的所述贵重气体。
9.如权利要求1所述的可填充式微型贵重气体偏极化产生器，其特征在于，所述气体系统包括：
一贵重气体供应源，用以供应所述贵重气体；
一缓冲气体供应源，用以提供缓冲气体；
一气体净化器，连接在所述贵重气体供应源及所述缓冲气体供应源与所述开放式基瓶之间，用以净化所述贵重气体与所述缓冲气体。
10.如权利要求1所述的可填充式微型贵重气体偏极化产生器，其特征在于，所述激化单元包括：
一激光，位于所述腔体外，用以产生一激光光束；
一反射单元，位于所述腔体内，用以反射所述激光光束，使所述激光光束通过所述开放式基瓶；
一偏极单元，位于所述激光与所述开放式基瓶之间，以偏极所述激光光束。
11.如权利要求10所述的可填充式微型贵重气体偏极化产生器，其特征在于，所述反射单元包括反射镜或棱镜。
12.如权利要求1所述的可填充式微型贵重气体偏极化产生器，其特征在于，所述激化单元包括：
一激光，位于所述腔体外，用以产生一激光光束；
一反射单元，位于所述腔体内，用以反射与偏极所述激光光束，使所述激光光束通过所述开放式基瓶。
13.如权利要求1所述的可填充式微型贵重气体偏极化产生器，其特征在于，更包括一绝热层位于所述腔体与所述保温单元之间。
14.如权利要求1所述的可填充式微型贵重气体偏极化产生器，其特征在于，更包括一核磁共振线圈，位于所述开放式基瓶附近，用以发射与接收射频信号，以检测所述贵重气体的偏极化。
15.一种可填充式微型贵重气体偏极化产生器，包括一腔体，一保温单元，一即流式基瓶，一气体系统，一加热源和一激化单元，其特征在于：
所述腔体设有由高导磁率物质所制成的上盖与下盖，以及磁场方向相同的第一及第二磁铁单元用以产生一磁场，所述第一及第二磁铁单元分别连接至所述上盖与所述下盖的两侧，所述上盖及所述下盖相对所述腔体的中心部分为等距以引导所述磁场在所述腔体内部产生一均匀的磁场空间，并形成屏蔽效应；
所述保温单元，位于所述腔体内，设有一炉体空间以将温度保持在一预定的范围内；
所述即流式基瓶，包含一光学激化区位于所述炉体空间中，其内装填有碱金属元素且具有一第一开口，一过滤区位于所述炉体空间之外且与所述光学激化区相连通，其具有一第二开口，所述过滤区具有一冷却机制可将碱金属元素蒸气在此凝结过滤，一第一气体管线连接所述第一开口，其上面设有一第一阀门开关以供填充一贵重气体，以及一第二气体管线连接所述第二开口，其上面设具有一第二阀门开关以供释放已偏极化的所述贵重气体；
所述气体系统，经由所述第一阀门开关、所述第一气体管线及所述第一开口供应所述贵重气体至所述即流式基瓶中；
所述加热源，用以提供热至所述炉体空间中以维持所述光学激化区的温度在所述预定的范围内，使所述碱金属元素蒸发为所述碱金属元素蒸气；
所述激化单元，用以产生一特定波长且与所述磁场空间的磁场方向相同的偏极化激光通过所述光学激化区，以偏极化所述即流式基瓶内的所述贵重气体。
16.如权利要求15所述的可填充式微型贵重气体偏极化产生器，其特征在于，所述上盖具有第一及第二延伸边盖，所述下盖具有第三及第四延伸边盖，所述第一磁铁单元位于所述第一及第三延伸边盖之间，以及所述第二磁铁单元位于所述第二及第四延伸边盖之间。
17.如权利要求15所述的可填充式微型贵重气体偏极化产生器，其特征在于，所述第一及第二磁铁单元各包括：
一第一永久磁铁；
一第二永久磁铁；
一侧壁，所述侧壁由所述高导磁率物质构成，且位于所述第一及第二永久磁铁之间，以串接所述第一及第二永久磁铁。
18.如权利要求17所述的可填充式微型贵重气体偏极化产生器，其特征在于，所述侧壁具有第一及第二延伸边盖分别接合所述第一及第二永久磁铁。
19.如权利要求15所述的可填充式微型贵重气体偏极化产生器，其特征在于，所述高导磁率物质包括镍铁合金。
20.如权利要求15所述的可填充式微型贵重气体偏极化产生器，其特征在于，所述过滤区位于所述光学激化区的上方。
21.如权利要求15所述的可填充式微型贵重气体偏极化产生器，其特征在于，所述过滤区包括一冷却采集区，其具有一外接环包式的冷却套管，以凝结所述碱金属元素蒸气。
22.如权利要求21所述的可填充式微型贵重气体偏极化产生器，其特征在于，更包括一缓冲区位于所述冷却采集区与所述第二开口之间，以进一步采集所述碱金属元素蒸气，且其壁面具有较少的所述碱金属元素的颗粒，可以作为良好的已偏极化的所述贵重气体的缓冲暂存空间。
23.如权利要求15所述的可填充式微型贵重气体偏极化产生器，其特征在于，所述第一开口位于所述光学激化区的底部。
24.如权利要求15所述的可填充式微型贵重气体偏极化产生器，其特征在于，所述第一气体管线具有一加热缓冲部份通过所述炉体空间连接至所述第一开口。
25.如权利要求24所述的可填充式微型贵重气体偏极化产生器，其特征在于，所述加热缓冲部分包括螺旋状气体管线。
26.如权利要求15所述的可填充式微型贵重气体偏极化产生器，其特征在于，更包括：
一第三气体管线，连接在所述第一及第二气体管线之间；
一第三阀门开关，位于所述第三气体管线，以控制所述第二及第三气管线之间的连通；
一泵，在所述第三气体管线且位于所述第三阀门开关与所述第一气体管线之间，以使所述贵重气体在所述过滤区与所述光学激化区之间循环。
27.如权利要求26所述的可填充式微型贵重气体偏极化产生器，其特征在于，更包括一第四阀门开关在所述第三管线且位于所述泵与所述第一管线之间。
28.如权利要求15所述的可填充式微型贵重气体偏极化产生器，其特征在于，所述气体系统包括：
一贵重气体供应源，用以供应所述贵重气体；
一缓冲气体供应源，用以提供缓冲气体；
一气体净化器，连接在所述贵重气体供应源及所述缓冲气体供应源与所述即流式基瓶之间，用以净化所述贵重气体与所述缓冲气体。
29.如权利要求15所述的可填充式微型贵重气体偏极化产生器，其特征在于，所述激化单元包括：
一激光，位于所述腔体外，用以产生一激光光束；
一反射单元，位于所述腔体内，用以反射所述激光光束，使所述激光光束通过所述光学激化区；
一偏极单元，位于所述激光与所述即流式基瓶之间，以偏极所述激光光束。
30.如请求项29的可填充式微型贵重气体偏极化产生器，其中所述反射单元包括反射镜或棱镜。
31.如请求项15的可填充式微型贵重气体偏极化产生器，其中所述激化单元包括：
一激光，位于所述腔体外，用以产生一激光光束；
一反射单元，位于所述腔体内，用以反射与偏极所述激光光束，使所述激光光束通过所述光学激化区。
32.如请求项15的可填充式微型贵重气体偏极化产生器，更包括一绝热层位于所述腔体与所述保温单元之间。
33.如权利要求15所述的可填充式微型贵重气体偏极化产生器，其特征在于，更包括一核磁共振线圈，位于所述过滤区附近，用以发射与接收射频信号，以检测所述贵重气体的偏极化。
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