КАРТОЧКА
ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер 22-22-00264
НазваниеИсследование физических процессов гиперполяризации ксенона методом спин-обменной оптической накачки атомов рубидия в среднем (1 - 3 Вт) диапазоне мощностей накачки
РуководительРаднатаров Даба Александрович, Кандидат физико-математических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Новосибирский национальный исследовательский государственный университет", Новосибирская обл
| Период выполнения при поддержке РНФ | 2022 г. - 2023 г. |
Конкурс№64 - Конкурс 2021 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами».
Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-304 - Спектроскопия
Ключевые словаСпин-обменная оптическая накачка, гиперполяризация ксенона, ЯМР-спектроскопия
Код ГРНТИ29.33.47
СтатусУспешно завершен
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Проект направлен на исследование и развитие оптических методов гиперполяризации ядер атомов благородных газов (ксенона, гелия и др.). В гиперполяризованном состоянии ядерные спины атомов газа ориентированы в одном направлении, что увеличивает сигнал магнитного резонанса на 4-8 порядков по сравнению с равновесным распределением. Одним из способов гиперполяризации благородных газов является спин-обменная оптическая накачка, который заключается в поляризации ядерных спинов газа за счет взаимодействия с атомами щелочных металлов (рубидий, цезий и др.), поляризованных оптическим излучением. Эффективность данного процесса поляризации критическим образом зависит от мощности и спектральной ширины линии излучения накачки.
Появление мощных (>100 Вт) полупроводниковых лазеров с узкой линией генерации (~0.1 нм) позволило за последнее десятилетие создать коммерчески доступные системы поляризации ксенона. Однако такие поляризаторы ксенона не отвечают в полной мере всем потребностям науки и техники. В первую очередь это связано с высокой стоимостью таких систем (>100 000$), которая в первую определяется стоимостью специализированного диодного лазера, что ограничивает распространенность таких систем, во-вторых, большими габаритами и весом таких установок, и в третьих, подобные системы рассчитаны на поляризацию больших объемов газа (~ 1 литра) для использования в медицине при магниторезонансной томографии легких, мозга и других живых тканей. В то же время существует большая потребность в гиперполяризованном ксеноне для ЯМР-спектроскопии при исследованиях в области химии, биологии и материаловедении при изучении внутренней структуры и свойств пористых материалов с размером структур нанометрового размера, микро и наноструктурированных материалов, нанотрубок, полимерных аэрогелей, электродов современных батарей, пористых молекулярных, дипептидных и пр. кристаллов. Для такого типа исследований не требуется единоразово большого объема поляризованного газа и достаточно несколько десятков миллилитров для наполнения кювет с образцами для ЯМР-спектроскопии с характерный объемом не более 5 мл. В данном случае на первое место выходит степень поляризации газа и его концентрация, а также возможность использования газа сразу после поляризации без необходимости транспортировки. Таким образом актуальной темой исследований является разработка и оптимизация методов высокоэффективной поляризации благородных газов в относительно небольших объемах, которые бы позволяли производить поляризацию газа в непосредственной близи с ЯМР-спектрометром.
Прогресс в области полупроводниковых лазеров привел к появлению коммерчески доступных полупроводниковых усилителей, которые позволяют получить узкополосное излучение с длиной волны соответствующей линиям поглощения щелочных металлов (Rb D2 - 780 нм, D1 - 795 нм, Cs - D2 852 нм, D1 894 нм) мощностью до 3 Вт. Использование такого излучения позволяет высокоэффективно поляризовывать несколько десятков миллилитров благородного газа. Однако при этом возникает ряд принципиальных вопросов связанных с необходимостью оптимизации условий поляризации, в первую очередь это связано с тем, что при уменьшении характерного размера газовой ячейки, в которой происходит оптическая накачка и спин-обменные процессы, объем ячейки уменьшается как куб данного размера, а площадь поверхности ячейки как квадрат. Это приводит к тому, что увеличивается роль спин-релаксационных процессов и эффективность поляризации резко уменьшается. Что не позволяет создать эффективный поляризатор малых объемов газа простым масштабированием установки со 100 до 3 Вт. При этом опубликованных исследований факторов влияющих на эффективность спин-обменной поляризации благородных газов для среднего диапазона мощностей (1 - 10 Вт) крайне мало.
Данный проект направлен на исследование процессов спин-обменного взаимодействия атомов благородных газов и паров рубидия, возбуждаемых узкополосным лазерным излучением мощностью в диапазоне 1 - 3 Вт, с целью увеличения эффективности процесса гиперполяризации ксенона. Особое внимание будет уделено вопросам связанным с практической возможностью создания компактного высокоэффективного генератора гиперполяризованного ксенона для практических целей ЯМР-спектроскопии.
Ожидаемые результаты
Основные ожидаемые результаты:
- Выявлены основные факторы, ограничивающие эффективность поляризации атомов ксенона методом спин-обменной оптической накачки узкополосным лазерным излучением мощностью 1-3 Вт. Определены оптимальные параметры системы (давление и состав буферной смеси, рабочая температура, геометрия оптической ячейки) при которых достигается наибольшая степень гиперполяризации ксенона.
- Разработана уточненная модель позволяющая производить оценки степени поляризации ксенона от различных параметров.
- Разработана компактная мобильная установка для гиперполяризации ксенона в оптической ячейке объемом от 10 мл методом спин-обменной оптической накачки.
- Достигнута степень поляризации ксенона на уровне не менее 30%, для газовой смеси объемом 10-50 мл, с объемной долей ксенона не менее 20%.
- Продемонстрирована возможность использования разработанной установки в целях прикладной ЯМР-спектроскопии.
Ожидаемые результаты соответствуют мировому уровню и будут опубликованы в серии статей в высокорейтинговых научных журналах, а также представлены на международных конференциях. Решение научной проблемы в ходе выполнения данного проекта даст практическую возможность использования технологий ЯМР-спектроскопии на основе гиперполяризованного газа для научно-исследовательских институтов и организаций различного профиля. Разработанный поляризатор востребован для проведения исследований в таких институтах, как Международный томографический центр СО РАН, Институт катализа СО РАН, Институт неорганической химии СО РАН и других институтах химического профиля. Результаты данного проекта высокозначимы как в научном плане (восполнят пробел в понимании основных физических факторов влияющих на эффективность процессов спин-обменного взаимодействия благородных газов и щелочных металлов в среднем (1-10 Вт) диапазоне мощностей оптической накачки), так и в практическом, так как источники гиперполяризованного ксенона востребованы в прикладной ЯМР-спектроскопии, используемой в таких областях как материаловедение, органический и неорганический синтез, разработка наноматериалов и пр. Успешное выполнение проекта позволит российским исследователям занять лидирующие позиции в данной области исследований и разработок, позволит создать новую российскую высокотехнологичную продукцию.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Разработана мобильная малогабаритная установка для поляризации ксенона методом спин-обменной оптической накачки. Была разработана оригинальная конструкция оптической ячейки на основе серийно производимой пробирки высокого давления. Необходимость создания экспериментальной установки в мобильном, а значит компактном варианте была обусловлена потребностью проведения измерения степени поляризации ксенона на ЯМР-спектрометре вне лаборатории, в которой реализуется проект. Результаты проведенных экспериментов позволяют оценить степень поляризации ксенона внутри ячейки поляризатора на уровне до 40%. При переносе газа из поляризатора в пробирку ЯМР-спектрометра максимальный был достигнут уровень поляризации ксенона 1.1%, что соответствует усилению сигнала ЯМР-резонанса по сравнения с равновесным (для поля 7 Тл) состоянием ксенона в 1600 раз, что достаточно для проведения некоторых ЯМР-измерений по характеризации различных пористых материалов, в том числе металлорганических каркасов.
В рамках работы были экспериментально определены оптимальные условия позволяющие получить максимальную степень поляризации. В частности, было показано, что оптимальная температура ячейки для данной установки лежит в диапазоне от 100 до 110ºС. Была разработана численная модель, которая подтвердила возможность оценки степени поляризации ксенона метод на основе измерения коэффициента поглощения оптического излучения накачки. Также в рамках модели удалось обосновать наличие оптимальной концентрации паров щелочного металла.
Были выявлены факторы, ограничивающие предельную величину парциального давления ксенона в ячейке поляризатора значением 80 кПа. Было впервые продемонстрировано, что при превышение этого давления наблюдается эффект периодической модуляции прошедшей мощности, негативно влияющий на поляризацию ксенона. Максимальная амплитуда осцилляций мощности прошедшего излучения превышала 20%, период осцилляций зависел от температуры и лежал в диапазоне от 4.8 до 7 секунд. В ходе исследований был сделан ряд наблюдений, свидетельствует о светоиндуцированности эффекта. Результаты измерения параметров прошедшего излучения позволил заключить, что эффект связан с осцилляцией концентрации паров атомарного рубидия, которая, возможно, является следствием циклической димеризацией рубидия или протекающей свето-индуцированной осциллирующей химической реакцией рубидия с содержимым ячейки.
Публикации
1. Раднатаров Д.А., Кобцев С.М. The effect of absorption oscillation of resonant radiation observed in a compact installation for hyper-polarisation of 129Xe Journal of the Optical Society of America B, 40(1) (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1364/JOSAB.475164
2. Раднатаров Д.А., Кобцев С.М., Андрюшков В.А. Benchtop 129Xe optical polarizer for NMR applications Proceedings SPIE, 12231, 122310J (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1117/12.2632572
Аннотация результатов, полученных в 2023 году
В ходе реализации проекта в отчетном периоде были проведены исследования и оптимизация процессов гиперполяризации ксенона методом спин-обменной оптической накачки в разработанном настольном поляризаторе. Осуществлена доработка численной вероятностной модели процессов спин-обменного взаимодействия при оптической накачке широкополосным излучением. Полученные результаты моделирования хорошо согласуются с экспериментальным данным, а также позволяют провести оценки для состояния поляризованной среды.
Было выявлено, что существующий метод оценки степени спиновой поляризации среды, основанный на измерении изменения степени поглощения излучения накачки при воздействии магнитного поля, может успешно применяться в случае оптически плотных сред.
Произведены улучшения конструкции поляризатора и оптической ячейки, что привело к достижению уровня поляризации ксенона после его поступления в ЯМР-спектрометр на уровне 5%, при парциальном давлении ксенона 10% от общего давления газовой смеси, равного 6 атмосферам. Проведена оценка степени поляризации ксенона внутри ячейки поляризатора на уровне 30-50% на основе измеренной степени поляризации рубидия.
В рамках проекта создан прототип лабораторного ЯМР-детектора, использующего систему постоянных магнитов с полем 140 мТл. Продемонстрирована возможность детектирования ЯМР-резонансов водорода и ксенона в стандартной пробирке диаметром 5 мм для ЯМР-спектрометров. С использованием детектора проведена оптимизация процедуры отбора поляризованного газа из ячейки поляризатора, установлены условия для достижения максимального контраста сигнала ЯМР и его воспроизводимости. Также было показано, что с точки зрения практического использования поляризаторов одной из основных проблем является отбор поляризованного газа из ячейки и его доставка к исследуемому образцу. Именно на этом этапе деполяризация ксенона может происходить быстрее всего.
В ходе реализации проекта, для демонстрации практической применимость выбранной конструкции были проведены долговременные испытания оптических ячеек для поляризации ксенона с содержанием щелочного металла. Показано, что благодаря высокому рабочему давлению газа (6 атмосфер) внутри ячейки, загрязнение стенок ячейки продуктами окисления рубидия не влияет на степень поляризации отбираемого из ячейки газа, и количество циклов использования ячеек может достигать 50, без заметного падения степени поляризации. Показано, что основной проблемой при многократном использовании ячеек является оседание и последующее окисление рубидия на элементам газового вентиля, которые в следствие малых размеров проходных отверстий тесно взаимодействуют с газом и качество их поверхностей может сильно влиять на скорость деполяризации. Также было продемонстрировано, что подготовленные ячейки могут храниться в обычных условиях до полугода без деградации степени поляризации.
В ходе экспериментов была успешно продемонстрирована возможность использования поляризатора в целях прикладной ЯМР-спектроскопии, на примере анализа сорбции различных веществ.
Таким образом, все поставленные задачи были успешно выполнены, а проект реализован в полном объеме.
Публикации
1. Раднатаров Д.А., Кобцев С.М. Hyper-polarisation of xenon nuclei by spin-exchange optical pumping with broadband diode laser in an optically opaque medium Proc. SPIE, 12761, 1276112 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1117/12.2687439
Возможность практического использования результатов
Результаты реализации проекта могут быть использованы в различных областях науки и техники для анализа свойств пористых и микропористых веществ методами ЯМР-спектроскопии, что актуально в таких областях как, разработка и производство катализаторов и сорбентов. Появление настольных поляризаторов ксенона может привести к прогрессу в области развития методов ЯМР-спектроскопии и магниторезонансной томографии, в том числе для ранней диагностики рака легких и обструктивной болезни легких.