Hyperpolarisation nucléaire des gaz rares à haut champ magnétique – HELPING

Des travaux expérimentaux, numériques et théoriques seront menés pour approfondir la connaissance actuelle de l’hyperpolarisation à haut champ dans les vapeurs alcalines (SEOP) ou les décharges gazeuses (MEOP, PAMP). Cela requiert le développement d’outils de mesure adéquats, de dispositifs test, de modèles prédictifs et de simulations sur ordinateur.
Les expériences seront faites dans l’aimant à très large cœur d’un spectromètre/imageur RMN à 7 T récemment acquis par les partenaires. L’instrument dispose d’une architecture avancée et d’un équipement rf à large bande adapté à la spectroscopie et l’imagerie 3 D multicanales. La taille du cœur permet la conception de divers prototypes et l’ajout d’éléments destinés à des diagnostics physiques complémentaires.
Pour un travail quantitatif, plusieurs paramètres expérimentaux doivent être déterminés. La détection par RMN sera combinée à des diagnostics et des mesures de polarisation optiques. La RMN permet de suivre la dynamique de construction et de destruction de la polarisation nucléaire. Avec des sondes laser on peut, par exemple, mesurer les densités pertinentes d’atomes ou leur orientation électronique.
PAMP ne nécessite qu’une forte excitation radiofréquence de l’3He gazeux. Pour le MEOP, une décharge généralement faible est employée pour promouvoir une minorité d’atomes He dans un état de longue durée de vie (métastable), où ils peuvent absorber la lumière résonnante du faisceau laser de pompage à 1083 nm. Avec une sonde lumineuse à 1083 nm, par polarimétrie optique on peut accéder à la polarisation du gaz d’3He obtenue grâce à un fort couplage entre moments angulaires des atomes dans l’état métastable et l’état fondamental, imposé par de fréquentes collisions d’échange de métastabilité. Des cellules en verre scellées contenant différents échantillons de gaz rare seront utilisées, avec des pressions allant de 1 à 400 millibars.
Pour le SEOP il est plus commode d’utiliser des cellules à robinets et un système de gestion de gaz. La vapeur alcaline est obtenue par chauffage et sa densité est fixée par la température choisie. Les conditions opératoires peuvent varier selon divers paramètres tels que la pression de gaz rare, le type et la densité d’atomes alcalins dans la vapeur, la présence ou pas de gaz tampon. La polarisation nucléaire du gaz rare est mesurée par RMN, la polarisation et la densité de l’alcalin sont déterminées optiquement.
Le développement de modèles prédictifs fiables et l’optimisation des protocoles expérimentaux s’appuieront sur les connaissances et données obtenues.

Les principaux résultats sont annoncés sur le site du projet (lien raccourci : www.lkb.science/helping/).
Ils font l’objet de publications, dont le contenu est partagé par dépôt sur l’archive ouverte HAL, et de communications scientifiques.

Les techniques d’hyperpolarisation sont utiles dans tous les domaines où une forte augmentation de la polarisation nucléaire est souhaitable. Cela inclut principalement la physique fondamentale et appliquée, mais aussi tous les champs de recherche (et au-delà) qui font appel aux techniques RMN d’imagerie ou d’analyse. L’hyperpolarisation est véritablement un outil majeur qui permet de compléter, et parfois d’éviter, l’emploi de champs magnétiques intenses et de systèmes de détection sophistiqués.
Le système RMN à 7 T installé au NIMBE possède un ensemble rare de caractéristiques appréciables, sur lesquelles s’appuie le projet HELPING : un aimant à très large cœur, un équipement rf multicanal, et une double capacité d’imageur et de spectromètre dont la qualité rivalise avec celle des instruments de chaque type. Il est dédié à l’exploration de nouveaux concepts et d’applications innovantes.
Les résultats obtenus serviront à orienter de manière éclairée la future amélioration des dispositifs d’hyperpolarisation à haut champ. Les prototypes développés au cours du projet devraient déjà faciliter le travail à haut champ. Ils pourraient aussi ouvrir de nouvelles perspectives de recherche innovante en RMN, évoquées sur le site du projet.

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La résonance magnétique nucléaire (RMN) est une puissante méthode d'analyse utilisée en recherche, en médecine et dans l'industrie. Son usage est restreint par une faible sensibilité de détection par induction, même à haut champ (plusieurs teslas). Une limite intrinsèque réside dans la faible différence d'énergie induite entre les états de spin nucléaire. Une autre provient de l'infime polarisation nucléaire établie à l'équilibre thermodynamique (écart relatif de population entre états d'orientations de spin opposées). Lest techniques d'hyperpolarisation permettent d'augmenter (transitoirement) la polarisation nucléaire disponible par plusieurs ordres de grandeur et, donc, de s'affranchir de la seconde limite. Elles ont ouvert la voie à de remarquables applications en RMN et au-delà.
L'hyperpolarisation par pompage optique est très efficace pour les gaz rares utilisés en imagerie pulmonaire fonctionnelle, en biomédecine et en recherche fondamentale. Elle a été surtout étudiée et réalisée à faible champ magnétique (1 - 10 mT) alors que les mesures RMN, elles, sont majoritairement effectuées à haut champ où le signal capté est plus élevé (plus haute fréquence de détection) et la résolution spectrale meilleure (plus grands déplacements chimiques).
L’hyperpolarisation des gaz rares à haut champ, peu explorée jusqu'ici, est au cœur du projet HELPING. Elle présente un intérêt fondamental (opération dans des conditions physiques nettement différentes, compréhension affinée des mécanismes sous-jacents) et pratique (possibilité de réduire, voire de supprimer, le temps de transport du gaz vers la zone de détection). L'enjeu est d'aboutir à une efficacité optimale, en composant avec l'influence du champ magnétique (sur les atomes, leurs interactions et les taux de relaxation nucléaire) et les contraintes matérielles (de magnétisme, de taille) au sein du système RMN.
Le projet concerne avant tout l'hyperpolarisation des atomes de spin nucléaire 1/2, 129Xe et 3He. Il inclue aussi des tests avec des isotopes quadrupolaires, 21Ne (spin 3/2) et 83Kr (spin 9/2). Le xénon interagit fortement avec son environnement; la grande variabilité du déplacement chimique du 129Xe le rend très utile en spectroscopie RMN. L'hélium est un petit atome qui interagit peu avec ce qui l'entoure; l'3He a de faibles taux de relaxation nucléaire et peut pénétrer des cavités de taille réduite. 21Ne et 83Kr peuvent apporter des compléments d'information sur divers matériaux ou milieux, plus simples à obtenir (21Ne) ou plus riches (83Kr), notamment sur leur état de surface.
Le projet HELPING s'appuiera sur des mesures combinant diagnostics optiques et RMN qui peuvent s'effectuer dans un spectromètre/imageur 7 T à large cavité récemment acquis par les partenaires du projet. Il exploitera les caractéristiques exceptionnelles de cet instrument, qui offre une haute qualité d'analyse et d'imagerie 3-axes. Le travail commencera par les développements instrumentaux requis pour opérer dans (ou très près de) la zone de détection. Il se poursuivra par l'étude de trois méthodes d'hyperpolarisation à haut champ, avec:
1- l'analyse détaillée du pompage optique par échange de spin (SEOP) du 129Xe et des tests avec 83Kr;
2- l'analyse des limites du pompage optique par échange de métastabilité (MEOP) dans l'3He, son extension aux mélanges gazeux 3He-4He et l'opération à des températures cryogéniques,
3- l'exploration d'une nouvelle méthode non-optique découverte pour l'3He -- la polarisation d'atomes dans un plasma aimanté (PAMP) -- et ses extensions possibles (mélanges 3He-4He; 21Ne; basse température).
Modèles théoriques et simulations seront développés pour expliquer les résultats obtenus et proposer des conditions opératoires susceptibles de maximiser la polarisation ou l'aimantation nucléaire (produit de polarisation par la densité atomique) des divers gaz rares. Le travail sera appliqué aux domaines de la caractérisation des matériaux poreux et de la magnétométrie.