N2 4He Fil en nylon Cryostat aimant Oxford Cellule 3He
Figure 9.1 – Montage du système de prépolarisation. Le cryostat à hélium–4 a été inséré dans l’aimant Oxford 4.7 T du laboratoire (verti- cal, diamètre 10 cm). Le cryostat est constitué d’un vase (inox) rem- pli d’hélium–4 placé dans un vase (laiton) rempli d’azote liquide. Le vase d’hélium–4 est fermé par un disque. Pendant la polarisation, la cellule a été suspendue au bout d’un fil de nylon traversant le disque de fermeture du cryostat. En agissant sur le fil, la cellule a pu être entrée ou sortie du cryostat.
9.3.2
Protocole expérimental
Après l’insertion du cryostat dans l’aimant, sa partie extérieure a été remplie d’azote liquide. Après deux heures de refroidissement, la partie intérieure a été remplie d’hélium– 4. Ensuite, les opérations suivantes ont été effectuées
1. Insertion de la cellule dans le cryostat. 2. Attente pendant le temps de polarisation tp.
3. Remontée et sortie rapides de la cellule du cryostat.
4. Transport vers l’aimant d’imagerie RMN qui se trouve deux étages plus bas au laboratoire.
5. Positionnement de la cellule dans l’aimant. Le temps séparant le début de l’extrac- tion et le placement dans la sonde rf du système RMN est de l’ordre de 40 s. 6. Acquisition d’un signal de précession libre afin de déterminer la polarisation.
9.4
Expériences RMN préliminaires
Le but de ces expériences préliminaires était d’évaluer et d’optimiser un certain nombre de paramètres importants pour l’efficacité de la prépolarisation. Elles ont éte effectuées afin de répondre aux questions suivantes :
1. Quel est le temps de relaxation T1 de l’hélium–3 à basse température dans les
cellules en verre ? Il est en effet indispensable de connaître cette valeur de T1 afin
de déterminer le temps de polarisation nécessaire pour atteindre l’équilibre.
2. Le temps de relaxation à basse température dépend-il de l’état de la surface des parois de la cellule ? Ce point est en effet particulièrement important car plusieurs travaux concernant la relaxation de l’hélium–3 à basse température et à basse pres- sion ont montré une forte diminution du temps de relaxation due à l’adsorption des atomes d’hélium–3 sur les parois des cellules ([Lef85], [Lef88]). Des temps de relaxa- tion bien inférieurs à la seconde ont été mesurés dans des cellules d’hélium–3 non
traitées, la pression de l’hélium–3 étant environ 1 mbar à température ambiante. Un temps T1 aussi court n’est évidemment pas souhaitable car la polarisation serait en-
tièrement détruite pendant le temps nécessaire au réchauffement de la cellule, temps relativement long compte tenu des manipulations liées à l’extraction de la cellule du cryostat et du champ de polarisation. Les auteurs de ces travaux ont néanmoins montré qu’il était possible d’accroître le temps de relaxation en couvrant la surface interne des cellules avec des métaux alcalins (Cs, Rb). Les mesures effectuées dans ces conditions expérimentales ont donné des temps de relaxation élevés plus parti- culièrement à basse température.
Pour les applications de l’hélium–3 polarisé en RMN, il est cependant souhaitable de disposer des pressions d’hélium–3 supérieures à un bar. Or, la contribution des sur- faces à la relaxation diminuant lorsque la pression augmente, on peut alors espérer obtenir des temps de relaxation suffisamment longs, même à basse température. 3. Quelle est l’influence du transport de la cellule vers l’aimant RMN sur la polarisa-
tion ? En effet, pendant le transport, l’hélium–3 se trouve dans un champ magnétique faible (champ terrestre). Les gradients de champ extérieur, résultant de la présence de masses ferromagnétiques, ont alors une grande influence sur la relaxation. Afin de répondre à ces questions et d’évaluer un certain nombre de paramètres importants pour l’efficacité de la prépolarisation, nous avons effectué un certain nombre d’expériences préliminaires.
9.4.1
Préparation des cellules
Pour vérifier l’influence du revêtement des parois de la cellule avec du rubidium sur le temps de relaxation, deux cellules ont été préparées de la manière suivante :
1. Les deux cellules cylindriques (Pyrex, diamètre = 25 mm, longueur = 135 mm) ont été maintenues sous vide pendant une nuit afin de permettre le dégazage des parois. 2. Les parois internes de l’une des cellules ont été recouvertes de rubidium (cf. cha-
pitre 5). Un film à éclat métallique a été visible aux parois.
3. Les deux cellules ont été remplies d’hélium–3 sous une pression d’environ 600 mbar. 4. Les deux cellules ont été scellées.
Afin de permettre l’insertion de la cellule dans le cryostat, celle–ci a été placée dans le support représenté figure 9.2
(a) (b)
Figure 9.2 – Le support de la cellule (a) est composé de deux disques de PVC connectés par trois vis souples en nylon. La cellule (b) peut ainsi être facilement insérée dans le support en écartant deux des trois vis.
Ce support permet à la fois de maintenir la cellule dans le cryostat et de la protéger pendant les différentes manipulations : entrée et sortie du cryostat.
9.4 Expériences RMN préliminaires 107
9.4.2
Réglages et mesures RMN préparatoires
Les mesures RMN ont été effectuées dans l’aimant 2,35 T à axe horizontal du labora- toire avec le système d’acquisition décrit dans l’annexe A. Pour l’émission et la réception des signaux rf, la sonde Alderman–Grant construite pour les applications de l’hélium–3 (cf. annexe B) a été utilisée.
Préparations
Avant les expériences de prépolarisation, nous avons effectué les réglages et mesures pré- liminaires suivants :
• L’homogénéité du champ principal ainsi que la fréquence du spectromètre ont été ajustées sur une cellule sphérique remplie avec un mélange d’hélium–3 en polarisa- tion normale (pHe = 0.8 bar) et d’oxygène (pO2 = 0.2 bar). On admet de ce fait
que l’homogénéité du champ n’est pas perturbée significativement par le parama- gnétisme de l’oxygène. Ce réglage, nécessitant la répétition rapide de l’acquisition d’un signal de précession libre, serait de toute façon impossible à réaliser sur des cellules contenant de l’hélium–3 pur à cause des valeurs de T1 trop élevées.
• Le temps de relaxation à température ambiante a été déterminé pour chaque cellule par saturation–récupération. L’ordre de grandeur trouvé pour T1 pour chacune des
deux cellules a été d’une heure.
• Après une nuit de polarisation dans l’aimant RMN à 2,35 T, un signal de précession libre a été acquis sur chaque cellule pour servir de référence à température ambiante. L’angle de basculement de l’impulsion utilisé était de 20◦.
Estimation du temps de relaxation à champ terrestre
Afin d’estimer les pertes en polarisation dues à la relaxation pendant le transport, nous avons effectué une estimation du temps de relaxation à champ terrestre. Pour cela, les deux cellules ont été polarisées pendant une nuit dans l’aimant RMN à 2,35 T et à température ambiante (mais non pas dans la sonde rf). L’une d’entre elles a été éloignée de l’aimant. Elle a été laissée dans le champ terrestre pendant une durée de 15 min. Elle a été placée dans la sonde rf et un signal de précession libre a été acquis. Cette même procédure a été répétée avec l’autre cellule. Les amplitudes des signaux ont été comparées avec les amplitudes des références (paragraphe précédent). Les pertes de signal ainsi obtenues correspondent à un temps de relaxation d’eviron 20 min. Par conséquent, on peut supposer que les pertes en polarisation pendant le transport (temps de transport ≈45 s) soient plus petites que 5%.
Expériences de prépolarisation
La procédure de prépolarisation décrite précédemment a été effectuée sur chacune des deux cellules pour des temps de polarisation de tp = 5, 10, 15 et 35 min afin de
déterminer le temps caractéristique d’établissement de la polarisation, c’est–à–dire le temps de relaxation T1 de l’hélium–3 à 4 K. Pour chaque expérience de prépolarisa-
9.4.3
Traitement des données
Après transformation de Fourier et correction de phase du spectre, la raie de résonance de l’hélium–3 a été intégrée sur une largeur de 500 Hz. Les intégrales obtenues à par- tir des expériences de prépolarisation I(tp) ont été divisées par celles obtenues sur les
spectres de références Iref acquis à température ambiante. Ce quotient représente le gain
de polarisation obtenu :
g(tp) =
I(tp)
Iref
(9.3) Afin de déterminer le temps de relaxation à 4 K, un ajustement par moindres carrés de la fonction
g′(tp) = g′0(1 − e
−tp
T1 ) (9.4)
a été effectué sur les points expérimentaux g(tp). Dans cette expression, g0′ représente le
gain de polarisation qui serait obtenu après relaxation complète.
9.4.4
Résultats
La figure 9.3 montre le spectre de référence à l’équilibre thermodynamique à température ambiante et à 2,35 T ainsi que le spectre obtenu après prépolarisation à 4 K et à 4,7 T pour la cellule non traitée.
(a) (b)
Figure 9.3 – (a) Spectre de référence à l’équilibre thermodynamique à température ambiante et à 2,35 T. (b) Spectre obtenu après prépolarisation à 4 K dans un champ de 4,7 T. Ces résultats ont été obtenus avec la cellule non traitée. Les échelles ont été normalisées par le maximum de la raie de référence.
La figure 9.4 représente les gains mesurés en fonction du temps de polarisation pour les deux cellules ainsi que les courbes résultant de l’ajustement par moindres carrés.
9.4 Expériences RMN préliminaires 109 t [min] S [a.u.] (a) t [min] S [a.u.] (b)
Figure 9.4 – Mesure de T1 à 4 K pour la cellule non traitée (a) et pour la cellule dont les parois
sont recouvertes d’une couche de rubidium (b). Les points expérimentaux (triangles) représentent les gains de polarisation mesurés en fonction du temps de polarisation tp. Les courbes en trait
plein résultent de l’ajustement exponentiel par moindres carrés sur les valeurs expérimentales. On détermine ainsi T1 = 10, 5 min pour la cellule traitée et T1 = 9, 5 min pour la cellule non
traitée.
Le gain obtenu après un temps de polarisation de 35 min est de 138 pour la cellule traitée et de 114 pour la cellule non traitée. L’ajustement donne par ailleurs les valeurs qui seraient obtenues après relaxation complète dans le cryostat : g′
0 = 143 pour la cellule
traitée et g′
0 = 117 pour celle non traitée. Ces valeurs correspondent à des polarisations
de P0 = 0, 089% et de P0 = 0, 073%, respectivement. Le résultat de l’ajustement par
moindres carrés est T1 = 10, 5 min pour la cellule traitée et T1 = 9, 5 min pour pour celle
non traitée. Le tableau suivant regroupe ces résultats pour les deux cellules : Cellule T1 à 4 K gain après tp=35 min g0′ P0
traitée 10,5 min 138 143 0,089% non traitée 9,5 min 114 117 0,073%
Ces résultats montrent par conséquent que les valeurs de T1 des deux cellules à 4 K sont
tout à fait comparables. Dans nos conditions expérimentales, aucun effet du revêtement de rubidium n’a pu donc être constaté.
9.4.5
Discussion
Les polarisations mesurées sont proches des valeurs théoriques données par l’équation (9.2) (Pthq = 0,091%). Un premier résultat important de ces expériences préliminaires est la
faisabilité d’expériences de prépolarisation sur les lieux d’éventuelles applications.
Les valeurs de T1 déterminées à 4 K sont sensiblement égales pour les deux cellules.
Bien que ces valeurs soient significativement réduites par rapport aux valeurs mesurées à température ambiante (Tamb
1 = 1 h), elles sont bien supérieures aux valeurs mesurées à
basse pression ([Lef85], [Lef88] : quelques secondes) et basse température. Par conséquent, aucun traitement des surfaces internes des cellules n’est nécessaire pour la prépolarisation de l’hélium–3 à 4 K si la pression est de l’ordre d’un bar. Cela présente l’avantage de simplifier la mise en oeuvre de telles expériences.
les deux cellules. Les valeurs des intégrales de référence semblent être une source d’erreur importante, car le rapport signal sur bruit des spectres de référence est relativement faible. La précision d’évaluation des gains de polarisation est par conséquent fortement affectée par ces erreurs.
9.4.6
Bilan
Cette étude a apporté les réponses aux questions posées en début de chapitre. Par ailleurs, elle a démontré la faisabilité de la prépolarisation de l’hélium–3 par cryogénie. Les résultats encourageants de ces expériences préliminaires permettent d’envisager certaines applica- tions RMN de cette méthode de polarisation. Cependant, l’étendue de ces applications est limitée par les gains maximums de polarisation qui peuvent être obtenus sans accrois- sement considérable des difficultés techniques.
Le gain obtenu peut être augmenté en réduisant la température du bain d’hélium–4 dans le cryostat. En réduisant la pression sur le bain d’hélium–4 à l’aide d’une pompe à vide, la température peut être réduit jusqu’à 1,2 K.
Par ailleurs, le champ de polarisation pourrait être augmenté en utilisant une bobine supraconductrice dédiée à ce type d’expériences, qui peut être placée dans un cryostat indépendant du système RMN. En principe, toute bobine présentant une homogénéité de champ ∆B
B ≤ 0, 1 sur le volume de la cellule est suffisante. Ces bobines sont disponibles
chez divers constructeurs et restent relativement économiques tant que le champ n’excède pas 8 T (bobines niobium–titane). Avec un champ de polarisation de 8 T, le gain pourrait être augmenté d’un facteur 1,7 par rapport à nos résultats.
En tenant compte des deux types d’amélioration possibles (basse température et haut champ de prépolarisation) et en réalisant les expériences RMN à 2,35 T, le gain de po- larisation théorique attendu à une température de 2 K et avec une prépolarisation à 8 T serait d’environ 500.
Afin d’évaluer les utilisations potentielles en RMN de l’hélium–3 prépolarisé pour des applications en imagerie, il est intéressant de comparer l’aimantation volumique m entre l’hélium–3 gazeux à pression atmosphérique et les protons dans l’eau pure à l’équilibre thermodynamique : mH(eau) mHe(gaz 1 bar) = ρHγH2 ρHeγHe2 = 4, 47 · 103 , (9.5)
où γ représente le rapport gyromagnétique de chacun des noyaux et ρ la densité de spins correspondante. Si nous pouvions augmenter la polarisation de l’hélium–3 d’un facteur 500 par cryogénie, la densité d’aimantation initiale de l’hélium–3 gazeux serait seulement neuf fois plus petite que celle de l’eau pure. Ne perdons cependant pas de vue que, contrai- rement à l’aimantation des protons de l’eau, l’aimantation d’un gaz prépolarisé n’est pas récupérable par relaxation et ne peut par conséquent être utilisée qu’une fois. Il résulte de cela la nécessité d’adapter les séquences d’imagerie aux noyaux prépolarisés (cf. cha- pitre 7). Néanmoins, la combinaison de telles séquences avec une forte prépolarisation préalable permet d’envisager la réalisation d’une expérience d’imagerie des poumons chez le rat.