Helios

Hyperpolarisiertes Helium bietet sowohl für kernphysikalische Experimente als auch in der Lungendiagnostik neue Möglichkeiten.

Durch die Zusammenarbeit mit Physikern der Johannes-Gutenberg-Universität Mainz konnte ic-automation Helios entwickeln und ist zusammen mit dem Institut für Physik für den Vorschlag eines 3He-Applikators zur Lungendiagnostik Preisträger des vom BMBF ausgeschriebenen “Innovationswettbewerbs zur Förderung der Medizintechnik 2005.

Helios ist die leistungsfähigste, kommerziell verfügbare Anlage zur Erzeugung hyperpolarisierten Heliums. Sie ermöglicht Polarisationen von über 75% und einen Durchsatz von über 30 Bar*Liter Helium pro Tag mit einem Enddruck von mehreren Bar.

Der Prototyp dieser Anlage wurde von Physikern der Johannes-Gutenberg-Universität Mainz entwickelt, ursprünglich zur Polarisation von Neutronen in der Kernphysik.

Funktionsweise

Helium ist nach Wasserstoff das am zweiteinfachsten gebaute chemische Element. Es besteht aus einem zweifach positiv geladenen Atomkern, der von zwei negativ geladenen Elektronen umkreist wird. Der Kern des normalen Heliums wiederum ist aus vier Bausteinen zusammengesetzt: aus zwei Protonen - sie tragen je eine positive Ladung - sowie aus zwei Neutronen, die elektrisch neutral sind. Beim Helium-3 (3He) fehlt ein Neutron - der Kern besitzt also nur drei Teilchen. Das Isotop 3He kommt allerdings in der Natur sehr selten vor. Sein Anteil im natürlichen Helium ist nur etwa ein Millionstel (abgekürzt 1 ppm, engl. part per million). Das Edelgas 3He wie auch sein zur gleichen Atomsorte gehörender "Bruder" Helium-4 sind chemisch inert. Eine schädliche Wirkung auf den menschlichen Körper ist nicht bekannt.

Eine Reihe von Atomkernen, darunter auch 3He, weisen einen Eigendrehimpuls auf - die Physiker sprechen vom "Spin". Man kann sich diese Kerne als winzige kleine Kugeln vorstellen, die sich wie Kreisel um ihre Achse drehen. Unter normalen Umständen zeigen die Rotationsachsen dieser "Kreisel" in alle Richtungen. Wenn es jedoch gelingt, die einzelnen "Kreisel" kollektiv in eine Richtung auszurichten, dann spricht man von Polarisation und diese Polarisation eröffnet den Weg für neue Phänomene und viele praktische Anwendungen.

Die Prinzipien des optischen Pumpens wurden von den Physikern Kastler und Brossel in den fünfziger Jahren an der Ecole Normale in Paris erforscht und 1966 mit dem Nobelpreis an Kastler ausgezeichnet. Hierbei werden Gasatome mit zirkular polarisiertem Laserlicht bestrahlt, d.h. mit Licht, das neben einer festen Wellenlänge auch einen genau definierten Drehsinn besitzt. Bei der Absorption dieses Lichtes übernehmen die Atome dessen Drehsinn, der sich schließlich auf die Kernspins überträgt, sodass diese sich entlang einer Vorzugsrichtung ausrichten.

Ein direktes optisches Pumpen vom tiefsten Energiezustand (Grundzustand) aus ist jedoch bei Edelgasen nicht möglich. Man muss daher über "Umwege" zur gewünschten Kernspinpolarisation im atomaren Grundzustand gelangen. Für das optische Pumpen im metastabilen Helium (langlebiger angeregter Zustand des 3He Atoms : 2 3S1-Zustand; siehe Colegrove 1963) wurden Ende der 80er Jahre von Leduc an der Ecole Normale Paris leistungsstarke Laser entwickelt, mit denen 3He schnell und mit großem Durchsatz aufpolarisiert werden konnte. Allerdings gelingt dies nur in einer Gasentladung (einer Art Leuchtstoffröhre) bei sehr geringem Druck von ca. 1/1000 Atmosphäre. In dieser Gasentladung werden Atome in den gewünschten metastabilen Zustand angeregt, sodass das polarisierte Laserlicht absorbiert werden kann. Die Orientierung der Elektronenhülle der metastabilen 3He Atome baut sich innerhalb von Mikrosekunden auf und wird praktisch sofort durch Stoßprozesse auf den Kernspin der Grundzustandsatome übertragen.

Wegen der geringen optischen Dichte des Gases müssen entsprechend lange Pumpzellen konstruiert werden, um das angebotene Licht effizient zu absorbieren. Bei Helios ist die Länge jeder Pumpzelle 2,40 m. Das Lasersystem besteht aus zwei Yb- dotierten Faserlasern, die im Infraroten (1083 nm) emittieren. Diese Wellenlänge entspricht der Energie, die ein 3He Atom aufnehmen muss, um am optischen Pumpprozess teilzunehmen.

Für die Anwendung von polarisiertem 3He, z.B. in der medizinischen Lungenbildgebung, ist ein Druck von einer oder mehreren Atmosphären von Nöten. Das optisch gepumpte Gas muss also um mehr als das Tausendfache komprimiert werden, ohne dass die Polarisation verloren geht - noch vor zehn Jahren ein völlig ungelöstes Problem. Die geringste Gasverunreinigung, der kleinste Eisenfeilspan im System würde die Kernspinpolarisation in Sekundenschnelle zerstören, da die Kernspins höchst empfindlich auf Fremdatome und magnetische Materialien reagieren.

Die gesamte Apparatur befindet sich in einem schwachen homogenen Magnetfeld (wenige Gauß). Zum optischen Pumpen von 3He werden die optischen Pumpzellen (Volumen etwa 36 Liter) periodisch mit gereinigtem Gas aus einem Reservoir gefüllt. Ein unmagnetischer Titan-Kolbenkompressor komprimiert das polarisierte Gas zunächst in einen Zwischenspeicher auf etwa 300 Millibar. Von dort aus durchläuft das Gas nochmals die Kompressionsstufe und wird in einer Speicherzelle aus speziellem eisenfreien Glas auf mehrere Atmosphären verdichtet. Die Zelle mit dem polarisierten3He Gas kann nach Schließen des Glashahns abgenommen werden.