Authors:	Repetto, Maricel Teresa
Title:	Improvements in production and storage of HP-129 Xe
Online publication date:	24-Nov-2015
Year of first publication:	2015
Language:	english
Abstract:	Seit seiner Entdeckung im Jahre 1978 wurden für hyperpolarisiertes (HP) 129Xe zahlreiche Anwendungen gefunden. Aufgrund seiner hohen Verstärkung von NMR-Signalen wird es dabei typischerweise für Tracer- und Oberflächenstudien verwendet. Im gasförmigen Zustand ist es ein interessantes, klinisches Kontrastmittel, welches für dynamische Lungen MRT genutzt oder auch in Blut oder lipophilen Flüssigkeiten gelöst werden kann. Weiterhin findet HP-Xe auch in der Grundlagenphysik in He-Xe Co-Magnetometern Verwendung, mit welchen z. B. das elektrische Dipolmoment von Xe bestimmt werden soll, oder es dient zur Überprüfung auf Lorentz-Invarianzen. Alle diese Anwendungen profitieren von einem hohen Polarisationsgrad (PXe), um hohe Signalstärken und lange Lagerzeiten zu erreichen. rnIn dieser Arbeit wurden zwei mobile Xe-Polarisatoren konstruiert: einer für Experimente in der Grundlagenphysik mit einer Produktionsrate von 400 mbar·l/h mit PXe ≈ 5%. Der zweite Xe-Polarisator wurde für medizinische Anwendungen entwickelt und soll 1 bar l/h mit PXe > 20% erzeugen. Der letztere wurde noch nicht getestet. Die Arbeitsbedingungen des Xe-Polarisators für Grundlagenphysik (Strömung des Gasgemischs, Temperatur, Druck und Konzentration von Xe) wurden variiert, um einen höchstmöglichen Polarisationsgrad zu erzielen. Die maximale Polarisation von 5,6 % wurde bei Verwendung eine Gasmischung von 1% Xe bei einem Durchfluss von 200 ml/min, einer Temperatur von 150°C und einem Gesamtdruck von 4 bar erreicht. rnWeiterhin muss HP-Xe auch effizient gelagert werden, um Polarisationsverluste zu minimieren. Das ist besonders für solche Anwendungen notwendig, welche an einem entfernten Standort durchgeführt werden sollen oder auch wenn lange Spinkohärenzeiten gefordert sind, z.B. bei He-Xe Co-Magnetometern. rnHierbei bestand bisher die größte Schwierigkeit darin, die Reproduzierbarkeit der gemessenen Lagerzeiten sicherzustellen. In dieser Arbeit konnte die Spin-Gitter-Relaxationszeit (T1) von HP-129Xe in unbeschichteten, Rb-freien, sphärischen Zellen aus Aluminiumsilikatglas (GE-180) signifikant verbessert werden. Die T1–Zeit wurde in einem selbstgebauten Niederfeld-NMR-System (2 mT) sowohl für reines HP-Xe als auch für HP-Xe in Mischungen mit N2, SF6 und CO2 bestimmt. Bei diesen Experimenten wurde die maximale Relaxationszeit für reines Xe (85% 129 Xe) bei (4,6 ± 0,1) h festgestellt. Dabei lagen die typischen Wand-Relaxationszeiten bei ca. 18 h für Glaszellen mit einem Durchmesser von 10 cm. Des Weiteren wurde herausgefunden, dass CO2 eine unerwartet hohe Effizienz bei der Verkürzung der Lebensdauer der Xe-Xe Moleküle zeigte und somit zu einer deutlichen Verlängerung der gesamten T1-Zeit genutzt werden kann. rnIm Verlauf vieler Experimente wurde durch wiederholte Messungen mit der gleichen Zelle, ein "Alterungsprozess“ bei der Wandrelaxation identifiziert und untersucht. Dieser Effekt könnte leicht rückgängig gemacht werden, indem die anfängliche Reinigungsprozedur wiederholt wurde. Auf diese Weise kann eine konstante Wandrelaxation sichergestellt werden, durch die sehr reproduzierbare T1-Messungen möglich werden. rnSchließlich wurde die maximale Relaxationszeit für HP-Xe mit natürlicher Häufigkeit in Mischungen mit SF6 bestimmt. Überraschenderweise war dieser Wert um ca. 75% niedriger als der Wert für Xenon, das zu 85% mit 129Xe angereichert war. Dieser Effekt wurde durch drei unabhängige Experimente bestätigt, da er nicht von der bestehenden Theorie der Xe-Relaxation ableitbar ist. rnDie Polarisation von HP-Xe, PXe, wird normalerweise durch den Vergleich der NMR-Signale des HP-Xe mit einer thermischen polarisierten Probe (z. B. 1H2O oder Xe) bestimmt. Dabei beinhaltet der Vergleich unterschiedlicher Messungen an verschiedenen Proben (unterschiedlicher Druck, Signalintensität und Messverfahren) viele experimentelle Unsicherheiten, welche sich oft nicht leicht bestimmen lassen. Eine einfache, genaue und kostengünstige Methode zur Bestimmung von PXe durch eine direkte Messung der makroskopischen Magnetisierung in einem statischen Magnetfeld vermeidet alle diese Unsicherheiten. Dieses Verfahren kann Polarisationen von > 2 % mit einer Genauigkeit von maximal 10% fast ohne Polarisationsverlust bestimmen. Zusätzlich kann diese Methode ohne weitere Änderungen auch für Bestimmungen des Polarisationsgrades anderer HP-Gase verwendet werden.rn Since its discovery in 1978, hyperpolarized (HP) 129Xe has found numerous applications. Due to its high enhancement of NMR-signals it is typically used for tracer and surface studies; so as a clinical contrast agent in the gas phase for dynamic lung MRI or dissolved in blood or lipophilic liquids. In fundamental physics, HP-Xe is used in He-Xe co-magnetometers for measuring the electric dipole moment of Xe and testing Lorentz invariances. All these applications profit from a high polarization (PXe) in order to achieve extensively high signals and long storage times for preserving it. In this work, two mobile Xe-polarizers were constructed: one for fundamental physics experiments with a production rate of 400 mbar·l/h with PXe ≈ 5 %. Another Xe-polarizer for medical applications, so far not tested, was designed to produce 1 bar·l/h with PXe > 20 %.rnThe working conditions of the Xe-polarizer for fundamental physics (gas mixture flow, temperature, pressure and amount of Xe) were varied in order to find the values which lead to the highest polarization possible with this setup. The maximum polarization achieved was 5.6 % using a gas mixture with 1% of Xe, 200 ml/min flow, 150°C and a total gas mixture pressure of 4 bar. rnHP-Xe must be efficiently stored in order to minimize polarization losses for those applications where the HP-Xe must be transported to another facility and/or long spin coherence times are required e.g. He-Xe co-magnetometers. The greatest difficulty so far was to ensure the reproducibility of the measured storage times. In this work, the spin-lattice relaxation time (T1) of hyperpolarized HP-129Xe was significantly improved using uncoated, Rb-free, spherical cells made from aluminosilicate glass (GE-180). The T1 was determined in a self-made low field NMR system (2 mT) for both: pure HP-Xe and HP-Xe in mixtures with N2, SF6 and CO2. From these experiments, the limiting relaxation time for pure Xe (with 85% 129Xe) was found to be (4.6 ± 0.1) h and typical wall relaxation times of about 18 h could be achieved for glass cells of 10 cm in diameter. Furthermore, it was found that especially CO2 exhibited an unexpected high efficiency in shortening the lifetime of the Xe-Xe dimers and hence prolonging the total T1. In the course of many experiments, an “aging” process of the wall relaxation was identified and studied by repeating measurements on the same cell. This effect could be easily undone by performing the initial cleaning procedure. In this way, a constant wall relaxation was ensured allowing very reproducible T1-measurements. In addition, the limiting relaxation time for HP-Xe in natural abundance was determined in mixtures with SF6. Surprisingly, this value turned out to be about 75% shorter when compared to that found for Xe with 85% isotopic enrichment. This effect was confirmed by three independent experiments since it is not deducible from the existing theory of Xe relaxation.rnFinally, PXe is usually determined by comparing the NMR signals of HP-Xe with a thermally polarized sample (typically 1H2O or Xe). The difference in comparing two different samples (different pressure, signal intensity and measurement procedure) could lead to many experimental uncertainties, which are not easy to estimate. Developing a simple, accurate and inexpensive method to determine PXe was developed by the direct measurement of its macroscopic magnetization in a static magnetic field avoids all these uncertainties. This method can determine polarizations 2 % with a sensitivity better than 10% with nearly no polarization losses. In addition, this method can be used without further modifications for all HP gases.rn
DDC:	530 Physik 530 Physics
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 08 Physik, Mathematik u. Informatik
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-3612
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-42037
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
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