Study of the properties of hyperpolarized xenon-129 for magnetic resonance imaging

Produkce hyperpolarizovaných plynů, především helia (3He) nebo xenonu (129Xe), nachází stále rostoucí rozsah aplikací v zobrazování magnetickou rezonancí (MRI). Helium ani xenon nejsou obyčejně obsaženy v těle a experimenty tedy nejsou ovlivněny nechtěným signálem z okolních tkání. Ukázalo se, že několika hyperpolarizačními technikami může být magnetická polarizace (magnetizace) jader vzácných plynů zvýšena na hladinu, se kterou jsou praktické aplikace proveditelné. Hyperpolarizované plyny mohou tedy být užitečným nástrojem pro neinvazivní zkoumání lidského dýchání, dovolující statické zobrazování během zadržení dechu nebo zkoumání dynamiky výdechu nebo nádechu, nebo funkčního zobrazování. V neživé přírodě, mohou být hyperpolarizovaný plyny využity jako kontrastní látka při studiu mikroporézních materiálů, jako jsou zeolity, stavební látky a hmoty, atd. V této doktorské práci je popsán vývoj a konstrukce aparatury pro hyperpolarizaci xenonu (izotopu 129Xe). Nákup hyperpolarizovaného xenonu od jiných výzkumných center v zahraničí a jeho dovážení by ovšem nebylo efektivní a to zejména z důvodu náročnosti zajištění potřebných fyzikálních podmínek pro přepravu hyperpolarizovaného plynu. Toto bylo hlavní motivací k vývoji vlastní technologie pro přípravu hyperpolarizovaného xenonu. Se zvládnutou technologií by bylo možné navázat spolupráci s medicínskými zařízeními, nebo s týmy zabývající se živou nebo neživou přírodou (např. při studiu mikroporézních materiálů, gelů, v zemědělských aplikacích nebo při výzkumu využívajících zvířat, atd.). Cílem této práce je studium teorie hyperpolarizovaných vzácných plynů se zaměřením na 129Xe a experimentální ověření a změření relaxačních časů pomocí jaderné magnetické rezonance. Vzhledem k tomu, že je možné hyperpolarizované vzácné plyny skladovat pro pozdější využití, se tato práce také zabývá možnostmi zásobníku hyperpolarizovaného vzácného plynu a jeho teoretickým a experimentálním řešením. V této práci jsou popsány především dva základní typy experimentů přípravy hyperpolarizovaného xenonu. V obou jsou využity zatavené válcové skleněné vzorky naplněné xenonem a doplňujícím plynem – dusíkem, heliem. První z experimentů se zabývá měřením vlastností termálně polarizovaného xenonu a druhý měřením vlastností hyperpolarizovaného xenonu. Pro hyperpolarizaci 129Xe bylo použito výkonového laseru a experimentálně byla zkoumána jednak míra polarizace na základě změny spektrální hustoty čerpacího laserového svazku a dále pak optimální doba optického čerpání 129Xe a relaxační časy xenonu.The production of hyperpolarized gases (HpG), predominantly helium (3He) or xenon (129Xe), have found a steadily increasing range of applications in magnetic resonance imaging (MRI). Neither helium nor xenon are normally present in the body, thus the magnetic resonance experiments do not suffer from unwanted background signals. It has been demonstrated by several techniques of hyperpolarization that the magnetic polarization (magnetization) of the noble gas nuclei can be increased to levels that make practical application feasible. Hence, hyperpolarized gases may become a useful tool for non-invasive investigation of human lung ventilation, permitting static imaging during breathhold or probing the dynamics of inhalation/exhalation, or functional imaging. In inanimate nature, hyperpolarized gas can be used as a contrast medium for microporous materials, such zeolites, constructive materials in civil engineering, etc. This thesis describes the development and construction of a xenon (129Xe) hyperpolarization (Hp) device. Buying hyperpolarized xenon from other research centres abroad is inefficient mainly because of a need of a fast transport of HpXe under specific conditions. That was the main motivation for developing of our own technology for production of HpXe. Well-handled technology could allow a medical cooperation or cooperation with teams dealing with in/animate nature (microporous material, gels, agriculture, animals, etc.). The aim of this work is to study the hyperpolarized noble gases theory with concern to 129Xe and to experimentally prove and measure xenon relaxation times by the NMR. Since it is possible to store hyperpolarized noble gases for later use, this doctoral thesis also explores the potentials of hyperpolarized noble gas storage system and its theoretical and experimental solution. Mainly two types of experiments are described in the thesis. In both experiments, sealed cylindrical Simax sample filled with xenon and supplement gas – nitrogen, helium were used. The first type of experiment is based on thermally polarized xenon and the second on hyperpolarized xenon. For hyperpolarization of 129Xe a high-power laser was used. In this experiment, the relation between power spectral density of optical pumping beam and efficiency of HpXe production process was investigated. The optimal duration of optical pumping and relaxation times of HpXe were investigated too.

Polarized Helium to Image the Lung

The main findings of the european PHIL project (Polarised Helium to Image the Lung) are reported. State of the art optical pumping techniques for polarising ^3He gas are described. MRI methodological improvements allow dynamical ventilation images with a good resolution, ultimately limited by gas diffusion. Diffusion imaging appears as a robust method of lung diagnosis. A discussion of the potential advantage of low field MRI is presented. Selected PHIL results for emphysema are given, with the perspectives that this joint work opens up for the future of respiratory medicine.Comment: To be published in Proc. ICAP 2004 (19th Int. Conf. on Atomic Physics, Rio, July 26-30 2004

Low field vortex matter in YBCO: an atomic beam magnetic resonance study

We report measurements of the low field structure of the magnetic vortex lattice in an untwinned YBCO single-crystal platelet. Measurements were carried out using a novel atomic beam magnetic resonance (ABMR) technique. For a 10.7 G field applied parallel to the c-axis of the sample, we find a triangular lattice with orientational order extending across the entire sample. We find the triangular lattice to be weakly distorted by the a-b anisotropy of the material and measure a distortion factor, f = 1.16. Model-experiment comparisons determine a penetration depth, lambda_ab = 140 (+-20) nm. The paper includes the first detailed description of the ABMR technique. We discuss both technical details of the experiment and the modeling used to interpret the measurements.Comment: 44 pages, 13 figures, submitted to Phys. Rev. B Revision includes Postscript wrapped figures + minor typo

Standard Model tests with trapped radioactive atoms

We review the use of laser cooling and trapping for Standard Model tests, focusing on trapping of radioactive isotopes. Experiments with neutral atoms trapped with modern laser cooling techniques are testing several basic predictions of electroweak unification. For nuclear $\beta$ decay, demonstrated trap techniques include neutrino momentum measurements from beta-recoil coincidences, along with methods to produce highly polarized samples. These techniques have set the best general constraints on non-Standard Model scalar interactions in the first generation of particles. They also have the promise to test whether parity symmetry is maximally violated, to search for tensor interactions, and to search for new sources of time reversal violation. There are also possibilites for exotic particle searches. Measurements of the strength of the weak neutral current can be assisted by precision atomic experiments using traps of small numbers of radioactive atoms, and sensitivity to possible time-reversal violating electric dipole moments can be improved.Comment: 45 pages, 17 figures, v3 includes clarifying referee comments, especially in beta decay section, and updated figure

Phonon routing in integrated optomechanical cavity-waveguide systems

The mechanical properties of light have found widespread use in the manipulation of gas-phase atoms and ions, helping create new states of matter and realize complex quantum interactions. The field of cavity-optomechanics strives to scale this interaction to much larger, even human-sized mechanical objects. Going beyond the canonical Fabry-Perot cavity with a movable mirror, here we explore a new paradigm in which multiple cavity-optomechanical elements are wired together to form optomechanical circuits. Using a pair of optomechanical cavities coupled together via a phonon waveguide we demonstrate a tunable delay and filter for microwave-over-optical signal processing. In addition, we realize a tight-binding form of mechanical coupling between distant optomechanical cavities, leading to direct phonon exchange without dissipation in the waveguide. These measurements indicate the feasibility of phonon-routing based information processing in optomechanical crystal circuitry, and further, to the possibility of realizing topological phases of photons and phonons in optomechanical cavity lattices.Comment: 16 pages, 7 figure