Способ и устройство для плавления поляризованных ямр-образцов
Использование: для плавления твердых поляризованных ЯМР-образцов. Сущность: заключается в том, что для плавления твердого гиперполяризованного образца используют устройство, содержащее криостат, в котором имеются средства гиперполяризации твердого образца при низкой температуре в магнитном поле, создаваемом в указанном устройстве, которое также содержит средства (4, 8) плавления указанного гиперполяризованного твердого образца, при этом оно дополнительно содержит катушки (31-31") для ЯМР-анализа указанного расплавленного образца, расположенные в указанном криостате, а средства плавления указанного гиперполяризованного твердого образца расположены внутри указанного криостата в указанном магнитном поле. Технический результат: усовершенствование известных способов и устройств получения поляризованного образца с высокой степенью поляризации. 4 н. и 7 з.п. ф-лы, 3 ил.
Область техники
Настоящее изобретение относится к устройствам и способам, предназначенным для плавления твердых поляризованных образцов с сохранением высокого уровня поляризации.
Уровень техники
Настоящее изобретение касается анализа методом ядерного магнитного резонанса (ЯМР-анализа), в частности ЯМР-визуализации и аналитической ЯМР-спектроскопии высокого разрешения. ЯМР-визуализация представляет собой диагностическую методику, которая стала особенно популярной у медиков, поскольку является неразрушающей и не подвергает пациента воздействию потенциально вредного, например рентгеновского, излучения. Аналитическая ЯМР-спектроскопия высокого разрешения обычно используется для определения молекулярной структуры.
ЯМР-визуализация и ЯМР-спектроскопия характеризуются невысокой чувствительностью вследствие очень низкой поляризации ядерных спинов в обычных образцах. Существует несколько способов увеличения поляризации ядерных спинов в твердой фазе. Эти способы, известные как способы гиперполяризации, обеспечивают повышение чувствительности. Однако при применении ЯМР-сигнала для визуализации in vivo с медицинскими целями, перед введением в исследуемый объект поляризованный образец должен быть превращен в раствор. Кроме того, для аналитической ЯМР-спектроскопии in vitro также часто предпочтительнее использовать поляризованный твердый образец в виде раствора. Проблема состоит в том, что поляризованный твердый образец необходимо преобразовать в раствор и перенести в ЯМР-магнит с минимальными потерями поляризации. В международной заявке WO 99/35508 описывается способ растворения твердого поляризованного образца. В этом способе поляризованный образец вручную вынимают из криостата и приблизительно в течение 1 секунды растворяют в тяжелой воде при 40°С в магнитном поле 0,4 Тл. Этот способ увеличивает поляризацию до 21 раза по сравнению с другими способами получения растворов, содержащих поляризованный образец. Однако, поскольку в этом способе образец перемещают вручную, трудно получить воспроизводимые результаты. Это связано с тем, что на поляризацию влияет скорость и плавность подъема поляризованного образца из криостата, но очень трудно обеспечить, чтобы разные операторы поднимали поляризованный образец с одинаковой скоростью и одинаково плавно. Целью изобретения является разработка способов и устройств, позволяющих усовершенствовать известный способ получения поляризованного образца с высокой степенью поляризации.
Сущность изобретения
Согласно настоящему изобретению, по меньшей мере некоторые из проблем, присущих известному способу, решаются с помощью устройства, признаки которого приведены в отличительной части п.1 формулы изобретения, и способа, признаки которого приведены в отличительной части п.6 формулы изобретения. В частности, изобретение предлагает способ и средства плавления поляризованного твердого образца из поляризующего блока с минимальной потерей поляризации. Описаны устройства и способы получения расплавленных (гипер)поляризованных образцов, например контрастных агентов или аналитических образцов.
Дополнительно усовершенствованные устройства и способы имеют признаки, приведенные в зависимых пунктах формулы изобретения.
В одном из вариантов осуществления изобретения поляризующее устройство содержит средства плавления образца, поляризованного с помощью поляризующего устройства, т.е. твердый поляризованный образец плавится внутри того устройства, в котором он был поляризован. В предпочтительном варианте осуществления изобретения поляризующая камера поляризующего блока и плавильная камера объединены в одну камеру. В особенно предпочтительном варианте осуществления изобретения поляризующая и плавильная камеры объединены с ЯМР-спектрометром и/или устройством для ЯМР-визуализации, так что расплавленный поляризованный образец можно исследовать в том же устройстве, в котором он был расплавлен. Согласно настоящему изобретению, поляризация может быть достигнута, помимо прочего, при помощи поляризующего агента, например состава, включающего парамагнитные органические свободные радикалы. ЯМР-данные, полученные при помощи устройств и способов согласно настоящему изобретению, могут быть данными ЯМР-визуализации и/или данными ЯМР-спектроскопии.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 схематично показан вид сбоку для первого варианта выполнения устройства согласно настоящему изобретению;
на фиг.2 показан вариант выполнения контейнера для образца согласно настоящему изобретению; и
на фиг.3 схематично показан вариант выполнения схемы для измерения магнитного резонанса.
Подробное описание примеров осуществления изобретения
В способах и устройствах согласно настоящему изобретению твердый образец из поляризуемого материала может быть поляризован, когда он находится в твердой фазе, любым известным способом, например прямой поляризацией, динамической поляризацией ядер или методом "замораживания" спинов, когда образец находится при низкой температуре (например, ниже 100 К) в сильном магнитном поле (например, 1-25 Тл). После того, как твердый образец поляризован, его расплавляют с минимальной потерей поляризации. В нижеследующем описании выражение "средства плавления" означает следующее: устройство, способное передать твердому поляризованному образцу достаточно энергии для его плавления.
В одном из вариантов осуществления изобретения плавление происходит в комбинированном устройстве, предназначенном для поляризации, плавления и ЯМР-анализа.
Преимущество изобретения состоит в том, что предложен воспроизводимый способ перевода поляризованного твердого материала в жидкое состояние с минимальной потерей поляризации. Это чрезвычайно важно при использовании методов гиперполяризации твердых материалов для визуализации медицинских объектов и для проведения лабораторных аналитических исследований путем ЯМР-спектроскопии высокого разрешения. При использовании растворов линии ЯМР являются узкими. Это значительно улучшает отношение сигнал/шум и спектральное разрешение, а также дает технические преимущества, поскольку образец не нужно вращать, как в случае использования твердых образцов.
Для большинства твердых образцов скорость релаксации (потеря поляризации в случае гиперполяризации) быстро растет с уменьшением величины поля. Поэтому для таких поляризованных образцов предпочтительно, чтобы при обработке они находились в сильном магнитном поле (например, свыше 0,1 Тл). Известны и другие причины потери поляризации, например внезапные изменения ориентации магнитного поля, сильные градиенты магнитного поля или наличие радиочастотных электромагнитных полей, поэтому необходимо устранить эти факторы, насколько это возможно. Плавление поляризованного материала может быть стимулировано несколькими способами, например ультразвуком, СВЧ-нагревом, лазерным облучением, с помощью излучения или передачи тепла или с помощью любого другого средства, которое позволяет передать твердому телу энергию, необходимую для его плавления. Зависимость скорости релаксации от температуры и поля уникальна для каждого твердого образца и системы растворитель/растворенное вещество. Поэтому предпочтительно, чтобы температура обработки была оптимизирована с целью достижения минимальной релаксации для фактического растворяемого образца. Обычно, хотя и не всегда, магнитное поле должно быть как можно более сильным. Минимальная величина T1 во время обработки в общем случае растет с ростом магнитного поля.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения устройство для плавления твердого поляризованного материала входит в систему динамической поляризации ядер. Эта система включает магнит с индукцией магнитного поля 0,1-25 Тл или более, который помещен в криостат с малыми потерями для достижения оптимального времени криогенного удержания. Для магнитных полей свыше приблизительно 2 Тл магнит может быть сверхпроводящим. Для более слабых полей предпочтительно использовать более простые магниты. Особенно предпочтительные системы динамической поляризации ядер содержат сверхпроводящий магнит, рассчитанный на создание поля с индукцией 2-25 Тл. Для достижения оптимального времени криогенного удержания магнит помещают в криостат с очень малыми потерями. Требуемая однородность магнитного поля зависит от образца, но обычно она должна составлять ±0,2 мТл по всему объему образца. Этого можно достичь, даже для больших образцов, с помощью магнитных шиммов. Соответственно, стабильность поля в процессе поляризации должна быть лучше, чем критерий его однородности, то есть дрейф поля не должен превышать неоднородности поля. В магните имеется низкотемпературное пространство для охлаждения образца. Криостат сверхпроводящего магнита предпочтительно имеет прокачиваемую гелиевую ванну или, по меньшей мере, низкотемпературное пространство в канале магнита. Гелиевая ванна может находиться в трубе, которая термически изолирована (например, с помощью вакуума) от резервуара для гелия, предназначенного для охлаждения магнита, но связана с этим резервуаром капиллярной трубкой, что позволяет заполнять ванну из резервуара для магнита. Низкотемпературное пространство может быть простым цилиндром (выполненным из тонкостенной нержавеющей стали или меди, или другого немагнитного материала, или из комбинаций этих материалов) с закрытым нижним торцом. Для получения минимальных возможных температур при минимальных расходах на охлаждение, низкотемпературное пространство предпочтительно располагают в вакууме внутри емкости с гелием сверхпроводящего магнита, а низкотемпературный цилиндр предпочтительно устанавливают в углублении в соответствующих местах, обеспечивая его тепловую привязку, например к экрану, охлаждаемому испаряющимся гелием, жидким азотом и т.п. Низкотемпературный цилиндр может снабжаться гелием посредством капиллярной трубки, проходящей через его основание. Поток гелия можно регулировать с помощью игольчатого клапана, управляемого внешним устройством, вручную или автоматически посредством компьютерного устройства и т.п. Потоком гелия в гелиевую ванну можно управлять с помощью игольчатого клапана с электроприводом. Уровень жидкости можно контролировать, например, с помощью измерителя Аллена Бредли с угольным сопротивлением, и с помощью игольчатого клапана, управляемого вручную или автоматически, можно поддерживать постоянный уровень жидкости. Для достижения более низких температур, порядка 1 К (4He), ванну можно прокачивать, а ее температуру можно контролировать путем измерения упругости паров гелия, например с помощью измерительного преобразователя абсолютной емкости или элемента Пирани. При охлаждении газом результаты измерения температуры можно использовать для управления работой игольчатого клапана. Криогенное вещество, например гелий или азот, можно также подавать из внешнего резервуара. Для охлаждения как магнита, так и низкотемпературного пространства, можно предусмотреть и холодильники замкнутого цикла (без криогенного вещества). Поляризацию образца производят, облучая его СВЧ-излучением подходящей частоты. Для облучения образца используется СВЧ-оборудование. Это СВЧ-оборудование может быть сконструировано множеством способов. На более низких частотах (приблизительно менее 200 ГГц) для подвода излучения к пространству, где расположен образец, можно использовать волновод. На более высоких частотах можно использовать квазиоптические методы. Пространство для размещения образца предпочтительно формируют как резонансную СВЧ-структуру. СВЧ-структуру предпочтительно выполняют так, чтобы обеспечить легкую установку и замену образцов и их эффективное охлаждение. После того как образец поляризован, его расплавляют с помощью устройства и способа, предложенных согласно настоящему изобретению, как описано ниже.
Один из возможных вариантов осуществления изобретения иллюстрируется на фиг.1. На этом чертеже показано криостатное устройство 1 для поляризации твердого образца, которое содержит средства плавления твердого поляризованного образца, выполненные согласно настоящему изобретению. Устройство 1 (показанное штриховой линией) включает криостат 2, содержащий средства 3 поляризации, например СВЧ-камеру 3а, соединенную с источником 3с СВЧ-излучения посредством волновода 3b, в центральном канале 6, окруженном средствами создания магнитного поля, например сверхпроводящим магнитом 5. Криостаты и средства поляризации, предназначенные для поляризации твердого образца, хорошо известны, и поэтому их конструкция не будет описываться подробно. Канал 6 идет вертикально вниз по меньшей мере до уровня области Р около сверхпроводящего магнита 5, где индукция магнитного поля достаточна для поляризации образца, например составляет от 1 до 25 Тл или более, например 3,5 Тл. Центральный канал 6 является герметичным и может быть откачан до низкого давления, например порядка 1 мбар и менее. Средство для ввода образца, например съемная трубка 7 для транспортировки образца, может вводиться в канал 6, эту трубку 7 можно вставить в верхнюю часть канала и опустить вниз до СВЧ-камеры 3а в области Р. Область Р охлаждается жидким гелием до достаточно низкой температуры, позволяющей осуществить поляризацию материала, например до температуры порядка 0,1-10 К. Чтобы в канале 6 сохранялся частичный вакуум, трубку 7 можно герметизировать на верхнем конце любым подходящим способом. Контейнер для образца, например чашка 9, может быть надет, предпочтительно с возможностью последующего снятия, на нижний конец трубки 7 для транспортировки образца. Эта чашка 9 закрывает трубку 8 снизу и предназначена для удержания в ней любого материала, введенного в трубку 7. Чашка 9 предпочтительно выполнена из легкого материала с низкой удельной теплоемкостью, такого как пенопласт, например из полистирола, чтобы теплоемкость чашки 9 была как можно меньше. Герметичная входная трубка 10 для подачи гелия (для упрощения чертежа показана штриховой линией) проходит от верха канала 6 до дна чашки 9.
В способе согласно настоящему изобретению образец, находящийся в чашке 9 для образца, поляризуют известным путем, а затем переводят в жидкую фазу путем плавления. Это плавление поляризованного образца в чашке 9 для образца осуществляют, когда поляризованный образец все еще находится внутри криостатного устройства 1. Для этого предусмотрены средства подачи энергии в поляризованный твердый образец, например посредством ультразвука, электромагнитной энергии или путем приведения твердого поляризованного образца в контакт с теплой поверхностью или материалом. В устройстве, показанном на фиг.1, твердый поляризованный образец плавят в чашке 9 для образца с помощью средств подачи энергии в поляризованный твердый образец, выполненных в виде лазера 8, установленного вне криостата и посылающего электромагнитное излучение через оптическое волокно 4 на образец, находящийся в чашке 9 для образца.
Пример осуществления способа согласно настоящему изобретению для плавления твердого образца, поляризованного в твердом состоянии, включает следующие операции:
образец, предпочтительно в виде порошка, зерен или шариков, что способствует быстрому и однородному плавлению, но возможно и в виде жидкости при комнатной температуре, вводят в чашку 9 для образца, расположенную у нижней части трубки 7 для транспортировки образца;
трубку 7 для транспортировки образца вводят в канал 6 так, чтобы чашка 9 для образца была расположена в магнитном поле необходимой величины, канал 6 герметизируют и откачивают до его рабочего давления;
материал, находящийся в твердом состоянии, поляризуют, предпочтительно гиперполяризуют;
давление в канале 6 доводят до атмосферного;
если чашка 9 для образца находится под поверхностью жидкого гелия в криостате, то трубку 7 для транспортировки образца поднимают до тех пор, пока она не окажется выше поверхности гелия;
приводят в действие средства подачи энергии в поляризованный твердый образец, энергию подают в твердый образец, например с помощью лазера 9 и оптического волокна 4, и твердый образец расплавляют.
Как возможный вариант, выполняют также шаг анализа поляризованного жидкого образца методом ЯМР.
Предпочтительно, способ автоматизирован, например, осуществляется под управлением компьютера (не показан).
Когда поляризованный твердый образец плавят в поляризующем блоке, он, предпочтительно, остается в сильном магнитном поле поляризующего блока или вблизи области сильного магнитного поля магнита, чтобы минимизировать потери поляризации образца. Если образец поляризуют в гелиевой (или азотной) ванне, то для удаления жидкого хладагента перед плавлением образец можно поднять из этой ванны на небольшое расстояние, например 5 или 10 см. При этом образец все еще подвергается воздействию значительной части магнитного поля поляризующего блока. Затем твердый образец можно расплавить и можно провести ЯМР-анализ.
В варианте осуществления изобретения, показанном на фиг.1, аналитическое ЯМР-оборудование размещено в том же инструментальном средстве, что и поляризующий блок с блоком плавления. Это показано на фиг.1 в виде множества катушек 31-31" для ЯМР-анализа, то есть катушек для ЯМР-визуализации и/или для ЯМР-спектроскопии. Катушки, которые могут использоваться для шиммирования магнитного поля и обнаружения ЯМР-сигнала, можно поместить в позиции, известные в технике ЯМР-анализа высокого разрешения. В этом случае плавление поляризованного образца происходит в том же месте, где осуществляется визуализация расплавленного поляризованного образца, и время транспортировки из области плавления в область визуализации равно нулю. Это предпочтительно, поскольку в этом случае при выполнении анализа, то есть при визуализации или спектроскопии, нет необходимости выносить образец из магнитного поля сверхпроводящего магнита, и исключаются потери поляризации образца, обусловленные транспортировкой. Потери поляризации, т.е. разница между величиной поляризации в твердом состоянии и величиной поляризации в расплавленном состоянии, могут быть минимизированы путем быстрого плавления образца. Кроме того, низкая рабочая температура катушек, погруженных в жидкий гелий, значительно (более чем в три раза) улучшает отношение сигнал/шум.
Однако в некоторых случаях требования к величине магнитного поля и температуре для осуществления поляризации и для обнаружения ЯМР могут не совпадать, поэтому можно предусмотреть средства перемещения образца из одной части магнита в другую. Может оказаться предпочтительным осуществлять обнаружение ЯМР при большей или меньшей величине поля, чем оптимальная величина поля для динамической поляризации ядер. Поэтому в одном из вариантов осуществления изобретения динамическая поляризация ядер проводится в холодном газообразном гелии в нижней части магнита (то есть в менее сильном поле, например 3,35 Тл). В этом случае следует шиммировать поле в этой области для обеспечения требуемой однородности этого поля. После поляризации образца для его плавления и для обнаружения ЯМР-образец можно поднять к центру магнита (где поле сильнее, например 9,4 Тл, и является однородным). Кроме того, для плавления образец можно поднять в промежуточное положение, а затем для обнаружения ЯМР переместить к центру магнита.
Возможной модификацией изобретения является включение в устройство держателя для множества образцов, чтобы можно было одновременно или последовательно поляризовать несколько образцов и плавить их один за другим. Кроме того, можно использовать систему, в которой несколько образцов плавят и анализируют одновременно. Как понятно специалистам, система с держателем на несколько образцов может быть выполнена многими различными способами, например с использованием карусельного или решеточного держателя.
Согласно одному из вариантов осуществления изобретения, для создания устройства, которое позволяет получать высокополяризованные материалы путем динамической поляризации ядер, обычное ЯМР-оборудование можно снабдить устройством, выполненным согласно настоящему изобретению. Для этого ЯМР-оборудование должно иметь низкотемпературное пространство, которое находится в магнитном поле. С этой целью любой обыкновенный ЯМР-магнит, имеющий достаточно широкий внутренний канал, можно снабдить проточным криостатом и оборудованием, описанным ниже, для получения растворов молекул, поляризация которых увеличена путем динамической поляризации ядер. Проточный криостат представляет собой вакуумно-изолированную камеру, которая может быть вставлена в канал магнита, рассчитанного на работу при комнатной температуре сердечника, что позволяет понизить температуру в канале посредством потока холодного криогенного вещества. Проточный криостат обычно соединяется с внешним источником криогенного вещества посредством передаточной линии. Поток криогенного вещества в проточном криостате охлаждает канал магнита и формирует низкотемпературное пространство. Проточный криостат может быть оборудован средствами, которые описаны ниже, для поляризации твердых материалов путем динамической поляризации ядер и может иметь оборудование, описанное ниже, для обнаружения сигналов от ядер в твердом теле и в растворе. Следует отметить, что в системах динамической поляризации ядер, специально предназначенных для ЯМР-анализа или для получения гиперполяризованных агентов для ЯМР-визуализации, низкотемпературное пространство предпочтительно интегрировано в криостат магнита.
В качестве примера реализации предложенного способа может быть выбрано плавление с помощью лазера. Диодный лазер или любой другой известный лазер или источник света с выходной мощностью 100 Вт является распространенным коммерческим изделием. Такой лазер нагреет образец на основе воды объемом 1 мл (приблизительно 1 мг) от 1 К до 300 К за 6,4 мс.
Ср(лед)=1,67 Дж/К/г (зависит от температуры, намеренно завышена)
Ср(вода)=4,18 Дж/К/г
Теплота плавления=79,8 Дж/г
Масса (вода) m=1 мг
Энергия (нагрев 1-273 К)=1,67 Дж/К/г*272К* 1 мг=450 мДж
Энергия (плавление)=79,8 Дж/г*1 мг=80 мДж
Энергия (нагрев 273-300 К)=4,18 дЖ/К/г*27 К*1 мг=113 мДж
Итого, 643 мДж
Время подачи энергии 643 мДж лазером мощностью 100 Вт составляет 643 мДж/100 Вт=6,4 мс
Использование менее мощного лазера пропорционально увеличивает время плавления. Имеются диодные лазеры с такими уровнями мощности для множества длин волн, при этом предпочтительно, чтобы твердый образец сам был способен поглощать оптическую энергию, или же в него можно добавить поглощающие молекулы, или поверхность твердого образца можно покрыть поглощающим материалом. Таким образом, длину волны лазерного излучения можно выбрать так, чтобы она соответствовала параметрам поглощения твердого образца или тарелки, на которой он расположен. Для высокой эффективности плавления образца предпочтительно использовать тарелку для образца с хорошим поглощением энергии лазерного излучения и низкой удельной теплопроводностью. Лучом лазера можно управлять с помощью управляемого зеркала или, альтернативно, можно перемещать образец, оставляя лазер неподвижным.
В другом варианте осуществления изобретения поляризованный твердый образец плавят, вводя его в тепловой контакт с теплой жидкостью. Это может быть достигнуто введением образца в виде жидкости (которую затем можно заморозить, например, в криостате) или сыпучего твердого тела, например порошка, шариков и т.п., в пространство для приема образца в капиллярной трубке. Как вариант, пространство для приема образца может быть окружено соленоидной катушкой. Капиллярную трубку можно ввести в криостат, и заморозить и поляризовать образец, как описано выше. После поляризации образца в пространство для приема образца через капиллярную трубку можно ввести некоторый объем горячей жидкости, и твердый образец быстро расплавится. Альтернативно, пространство для приема образца может быть окружено и приведено в тепловой контакт со средствами подачи энергии в поляризованный твердый образец, выполненными в виде камеры или спирали из трубки, которую можно заполнить горячей жидкостью. Таким образом, поляризованный образец можно расплавить за счет тепловой энергии, передаваемой от горячей жидкости в пространство для приема образца через стенки камеры или спирали. При этом удастся избежать разбавления образца. Предпочтительно, вводимая жидкость служит также средством согласования восприимчивости для соленоидной катушки. Расплавленный поляризованный образец можно анализировать на месте или же, альтернативно, можно вылить из капиллярной трубки в отдельную область проведения ЯМР-спектроскопии или визуализации.
Хотя было описано нагревание с помощью лазера и горячей жидкости, можно использовать любой способ подачи энергии, причем возможна подача тепловой энергии в образец от нескольких источников. Например, плавлению образца с помощью лазера можно помочь посредством электронагревательного элемента. Важно, чтобы плавление происходило за время порядка величины T1 (или, предпочтительно, за меньшее время) для ядерного спина. Потери поляризации за время плавления должны быть менее 99%, предпочтительно - менее 90%, а более предпочтительно - менее 10%, и эти различные уровни потерь поляризации можно воспроизводимо получить, подбирая скорость плавления поляризованного твердого образца. Кроме того, предпочтительно регулировать подачу энергии в образец так, чтобы после плавления он сохранялся в жидком состоянии, и можно было осуществлять визуализацию с использованием жидкого образца.
Для СВЧ-облучения образца держатель образца и соответствующую СВЧ-структуру можно разместить в низкотемпературном пространстве. СВЧ-структура может быть рупорной антенной, камерой, присоединенной к концу волновода (как показано на фиг.2), набором зеркал Фабри-Перо или любым другим устройством для СВЧ-облучения. Предпочтительно, эта структура работает как СВЧ-резонатор, что увеличивает уровень СВЧ-поля внутри нее. В случае более низких частот (меньше, чем приблизительно 200 ГГц) для подвода электромагнитного излучения к облучающей структуре удобно использовать волноводы. Геометрию и габариты волноводов выбирают так, чтобы снизить потери СВЧ-мощности. Предпочтительно, чтобы волновод оказывал как можно меньшую тепловую нагрузку на низкотемпературное пространство; он может быть выполнен, например, из посеребренной тонкостенной нержавеющей стали. Можно также использовать гофрированные волноводы. На более высоких частотах можно использовать квазиоптические методы, и СВЧ-излучение можно направлять с помощью линз и зеркал. Предпочтительно, чтобы СВЧ-структура имела отверстия, обеспечивающие легкую замену и эффективное охлаждение образца. СВЧ-излучение генерируют с помощью подходящего СВЧ-генератора, например генератора на лавинно-пролетном диоде, генератора на диоде Ганна с усилителем на лавинно-пролетном диоде, генератора на лампе обратной волны и т.п. СВЧ-генератор может быть интегрирован в резонансную структуру, предназначенную для облучения образца. Таким образом, активное устройство, создающее СВЧ-колебания, может быть физически расположено в магните рядом с образцом, в результате чего потери при передаче СВЧ-мощности снижаются.
На фиг.2 показана в перспективе часть одного из вариантов выполнения средств 3 поляризации, предназначенных для размещения в криостате системы динамической поляризации ядер. Эти средства содержат СВЧ-камеру 3а, связанную с помощью волновода 3b с источником СВЧ-мощности (не показан). Камера 3 имеет по существу цилиндрическую внешнюю стенку 3d, верхнее основание 3е и нижнее основание 3f. Камера 3а выполнена из материала, отражающего СВЧ-излучение, например из латуни. Верхнее основание 3е имеет центральное круговое отверстие 3g с диаметром, позволяющим ввести чашку 9 для образца (не показана) в камеру 3а. Верхнее и нижнее основания 3е, 3f имеют множество вырезов 3h, которые закрыты сеткой 3i, отражающей СВЧ-излучение, которая позволяет жидкому гелию проникать в камеру 3а через вырезы 3h, но препятствует выходу СВЧ-излучения из камеры За. Камера За установлена на нижнем конце 3j волновода 3b, при этом щель 3k в стенке 3d камеры 3а совпадает с аналогичной щелью 3l в нижнем конце 3j волновода 3b, что позволяет СВЧ-излучению выходить из волновода 3b в камеру 3а. Размеры щелей 3k, 3l выбраны так, чтобы оптимизировать передачу СВЧ-мощности в камеру 3а.
Например, если внутренний диаметр камеры равен 28 мм, внутренняя высота - 28 мм, а внутренняя ширина волновода 7 мм, то щели могут иметь высоту 5-10 мм и ширину 2-7 мм. Нижний конец 3j волновода 3b сужается по направлению к днищу, действуя как СВЧ-отражатель, что увеличивает СВЧ-мощность, передаваемую в камеру 3а. Подходящие углы сужения зависят от размеров волновода, частоты используемых СВЧ-колебаний и размеров щелей 3k, 3l и могут быть приблизительно от 5 до 60°, предпочтительно - от 15° до 30°. Размеры камеры 3а, волновода 3b и щелей 3k, 3l выбирают так, чтобы камера За работала как СВЧ-резонатор. Для измерения поляризации образца, содержащегося в чашке для образца, камера может включать центральную измерительную ЯМР-катушку 51. Она может быть выполнена в виде фторопластового цилиндра 53, на который, в зависимости от ориентации статического поля, помещены спиральные или седлообразные медные обмотки (не показаны), и соединена с соответствующими средствами измерения.
В этом варианте осуществления изобретения образец помещают в чашку 9 для образца, опускаемую в центр камеры 3а (внутрь измерительной катушки, если таковая имеется). Источник СВЧ-излучения включает и облучает образец, пока он не будет поляризован. Затем его можно расплавить с помощью средств подачи энергии, например оптического волокна 4 (показано штриховыми линиями), соединенного с лазером 8, описанным выше и показанным на фиг.1, и с входным отверстием 33 для лазерного света в стенке 3d, так что лазерный свет через оптическое волокно 4 попадает на поляризованный твердый образец.
Во втором варианте выполнения камеры согласно настоящему изобретению, нижнее основание 3f имеет центральное отверстие 3m такого же диаметра, что и чашка 9 для образца. Это позволяет опускать чашку 9 для образца сквозь камеру 3а ниже ее дна. Контейнер для образцов может содержать множество разнесенных в вертикальном направлении чашек для образцов. Высота каждой из этих чашек может быть равна высоте камеры 3а или ее части. Если она равна высоте камеры 3а, то можно подвергнуть СВЧ-облучению в камере 3а первый образец в первой чашке, в то время как второй образец во второй чашке находится вне камеры, но все же очень близко к сильному магнитному полю. Когда первый образец достаточно поляризован, контейнер для образцов можно переместить вертикально, чтобы второй образец во второй чашке оказался в камере 3а, а поляризованный первый образец в первой чашке сохранялся поляризованным в магнитном поле вне камеры 3а. Эти шаги можно повторять до тех пор, пока все образцы не окажутся поляризованными, затем все образцы можно одновременно расплавить, используя одно или множество средств подачи энергии в поляризованный твердый образец. Альтернативно, поляризованные образцы можно плавить поочередно в сильном магнитном поле в блоке для динамической поляризации ядер или в магнитном поле, создаваемом спектрометрическим или визуализирующим устройством.
Обнаружение ЯМР особенно желательно в аналитических приложениях. В других приложениях обнаружение ЯМР дает возможность получить меру поляризации ядер. Катушка для обнаружения ЯМР может иметь любую известную конструкцию, например, она может быть соленоидной или седлообразной. Обычно катушку (индуктивность) настраивают на частоту ЯМР с помощью конденсатора и согласовывают с волновым сопротивлением кабеля. Для обнаружения ядер более чем одного вида, катушку для обнаружения ЯМР можно настроить на множество частот. Конденсаторы можно установить близко к катушке в низкотемпературном пространстве. Это позволяет получить максимальную добротность. Если непрактично располагать конденсаторы близко к катушке, их можно поместить вне низкотемпературного пространства и соединить с катушками в низкотемпературном пространстве посредством линии передачи. Линия передачи может быть коаксиальной линией, витой парой, полосковой линией или любой кабельной линией. Выбор определяется компромиссом между тепловой нагрузкой на низкотемпературное пространство и затуханием сигнала. Можно предусмотреть также использование нескольких катушек. Их можно настроить на две частоты ЯМР, что позволяет наблюдать двойной ЯМР (расщепление, поперечную поляризацию и т.д.) как в твердой, так и в жидкой фазе. Кроме того, это позволяет одновременно обнаруживать больше ядер. В этом случае спектрометр должен иметь несколько приемников. Как вариант, сигналы ЯМР от различных ядер можно измерять последовательно. Для анализа нескольких образцов за малое время, можно предусмотреть для образцов перемещаемый держатель карусельного типа. Кроме того, плавление твердого материала можно контролировать с помощью оптических средств, чтобы обеспечить воспроизводимость ЯМР-анализа. Плавление можно контролировать с использованием фотодетекторов внутри или снаружи камеры для ЯМР-анализа. Поскольку некоторые ядра, представляющие интерес, могут иметь очень короткие времена T1 релаксации, может оказаться важным выполнение анализа сразу же после окончания процесса плавления. Поэтому предпочтительно иметь средства одновременного возбуждения/обнаружения всех ядер, представляющих интерес. Лучшее отношение сигнал/шум достигается, когда схема обнаружения ЯМР охлаждена. Кроме того, часто полезно охлаждать усилитель сигналов. Следовательно, усилитель сигналов можно установить близко к схеме обнаружения ЯМР, предпочтительно в низкотемпературном пространстве. Другими устройствами, позволяющими улучшить отношение сигнал/шум, являются сверхпроводящие катушки и сверхпроводящие квантовые интерференционные датчики (СКВИД).
Простая и дешевая схема, которую можно использовать для простых измерений поляризации, показана на фиг.3. Устройство представляет собой простой высокочастотный магниторезонансный спектрометр. Такое устройство может использоваться для измерения поляризации твердого образца до его расплавления, и в нем используется любая из ранее описанных измерительных катушек. Высокочастотная схема содержит генератор 81, управляемый напряжением, направленный ответвитель 83, 180° гибридное устройство 85, смеситель 87, малошумящий усилитель 89, низкочастотный фильтр 91, компьютерную плату 93 сбора данных и настроенные и согласованные магниторезонансные катушки 95, или катушки возбуждения (создающие магнитное поле В1), которые обеспечивают создание практически однородного поля в направлении, поперечном направлению статического поля В0, создаваемого статическими катушками 97 возбуждения. Катушки настроены на частоту магнитного резонанса и согласованы с волновым сопротивлением линии передачи (например, 50 Ом). Генератор 81, управляемый напряжением (или функциональный генератор), вырабатывает непрерывный гармонический сигнал, разделяемый направленным ответвителем 83 (делителем) на два сигнала, один из которых возбуждает гетеродин смесителя 87, а другой подается в гибридное устройство 85, питающее магниторезонансную катушку 95. Для установки уровня сигналов можно использовать нерегулируемые аттенюаторы (не показаны). Генератор 81, управляемый напряжением, должен обеспечивать частотную модуляцию в диапазоне частот, достаточном для перекрытия спектрального диапазона, представляющего интерес. Типичная полоса частот модуляции составляет 5-50 Гц, и сигнал модуляции подается синхронно с сигналом обнаружения (усреднением сигнала). Предпочтительно, сигнал модуляции и сигнал обнаружения вырабатываются в компьютерной плате 93 сбора данных, и сигнал легко доступен для дальнейшего анализа информации. При сканировании частоты в момент прохождения магнитного резонанса наблюдается изменение коэффициента отражения. Отраженный сигнал усиливается малошумящим усилителем 89 и подается в смеситель 87. Путем регулировки длины кабелей можно выбрать сигнал поглощения или сигнал дисперсии. Полоса частот магниторезонансных катушек 95 сама по себе задает параболическую базисную линию, которую нужно вычесть из сигнала. Базисную линию можно определить до ввода образца, или же ее можно аппроксимировать полиномиальной функцией (или сплайнами) вне областей сигналов. Ширину полосы частот катушек можно оптимизировать множеством способов, например демпфированием с помощью резистора, использованием сильной связи, что дает лучшие результаты, или, предпочтительно, активной нагрузкой катушек 95 малошумящим усилителем 89. Естественная ширина полосы настроенной катушки в этом частотном режиме составляет несколько сотен герц, что является недостаточным для большинства приложений. Демпфирование с помощью резистивного сопротивления увеличивает полезную ширину полосы до приемлемой величины. Однако это приводит к ухудшению отношения сигнал/шум пропорционально квадратному корню от увеличения ширины полосы. До некоторой степени это допустимо, поскольку отношение сигнал/шум часто определяется амплитудным и фазовым шумом генератора, управляемого напряжением. Величина магнитного поля может быть от нескольких мТл до многих Тл, в зависимости от гиромагнитного соотношения для спина и частоты генератора 81, управляемого напряжением.
Вышеописанные варианты осуществления изобретения предназначены для иллюстрации изобретения и не ограничивают его объем, который определяется формулой изобретения.
1. Устройство для плавления твердого гиперполяризованного образца, содержащее криостат, в котором имеются средства гиперполяризации твердого образца при низкой температуре в магнитном поле, создаваемом в указанном устройстве, которое также содержит средства (4, 8) плавления указанного гиперполяризованного твердого образца, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит катушки (31-31") для ЯМР-анализа указанного расплавленного образца, расположенные в указанном криостате, а средства плавления указанного гиперполяризованного твердого образца расположены внутри указанного криостата в указанном магнитном поле.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что указанные средства плавления гиперполяризованного твердого образца выполнены с возможностью плавления указанного образца настолько быстро, что потери поляризации этого образца во время плавления составляют менее 99%.
3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что указанные средства плавления гиперполяризованного твердого образца выполнены с возможностью плавления указанного образца настолько быстро, что потери поляризации этого образца во время плавления составляют менее 90%.
4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что указанные средства плавления гиперполяризованного твердого образца выполнены с возможностью плавления указанного образца настолько быстро, что потери поляризации этого образца во время плавления составляют менее 10%.
5. Устройство по любому из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что указанные средства плавления гиперполяризованного твердого образца и катушки (31-31") выполнены так, что плавление гиперполяризованного твердого образца может происходить в той же области, где осуществляется ЯМР-анализ расплавленного гиперполяризованного образца.
6. Способ получения расплавленного гиперполяризованного образца, отличающийся тем, что он включает следующие шаги:
введение образца в устройство, содержащее криостат (2), в котором имеются средства гиперполяризации образца при низкой температуре в магнитном поле, создаваемом в указанном устройстве;
замораживание указанного образца;
гиперполяризацию этого образца внутри указанного криостата;
плавление гиперполяризованного образца, в то время когда он по-прежнему находится внутри криостата (2) в указанном магнитном поле; и
проведение ЯМР-анализа указанного расплавленного гиперполяризованного образца в указанном криостате.
7. Способ по п.6, отличающийся тем, что плавление гиперполяризованного образца выполняют настолько быстро, что потери поляризации этого образца составляют менее 99%.
8. Способ по п.6, отличающийся тем, что плавление гиперполяризованного образца выполняют настолько быстро, что потери поляризации этого образца составляют менее 90%.
9. Способ по п.6, отличающийся тем, что плавление гиперполяризованного образца выполняют настолько быстро, что потери поляризации этого образца составляют менее 10%.
10. Использование устройства по любому из пп.1-5 для гиперполяризации твердого образца, плавления этого гиперполяризованного твердого образца и последующего проведения ЯМР-анализа расплавленного гиперполяризованного образца.
11. Использование способа по любому из пп.6-9 для гиперполяризации твердого образца, плавления этого гиперполяризованного твердого образца и последующего проведения ЯМР-анализа расплавленного гиперполяризованного образца.
