Deux polariseurs diff´erents coexistent au laboratoire, utilisant la mˆeme pompe optique, `a savoir un laser Spectra-Physics titane :saphir (mod`ele 3900S) pomp´e par un laser `a argon ionis´e Spectra-Physics (mod`ele continu 2040, accordable entre 450 et 520 nm et muni d’un asservissement de faisceau). L’un de ces polariseurs permet la production de x´enon hyperpolaris´e sous forme gazeuse directement injectable dans un tube RMN ; l’autre polariseur permet une production d’une quantit´e fix´ee au pr´ealable de x´enon solide, d’un emploi donc moins direct mais atteignant g´en´eralement des taux de polarisation finale sup´erieurs. C’est ce dernier polariseur qui a ´et´e utilis´e pour toutes les exp´eriences d´ecrites dans ce m´emoire.
L’architecture initiale de ce polariseur, sch´ematis´ee figure III.3, a d´ej`a ´et´e d´ecrite, notamment R´ef. [44]. Naturellement, le montage a ´evolu´e au cours de ces huit derni`eres ann´ees, permettant une polarisation utilisable du x´enon une fois dissous et plac´e dans l’aimant du spectrom`etre de l’ordre de 15% `a 50% selon les solvants, et `a puissance ´equivalente.
Au cours d’un cycle d’exp´eriences, le laser `a argon irradie le saphir du mod`ele 3900S `a une puissance de 25 W en continu, permettant une irradiation dans l’infrarouge de la transition D1 (794,7 nm) du rubidium de la cellule `a une puissance de 5 `a 6 W. En sortant du titane :saphir, le faisceau infrarouge est ´elargi pour atteindre un diam`etre de 20 mm, afin d’´eclairer la cellule de pompage de mani`ere uniforme. Apr`es l’expanseur, le faisceau traverse un cube de s´eparation de polarisation, qui assure `a la sortie de ce dernier une polarisation parfaitement rectiligne du faisceau. Ensuite, le rayon traverse une lame quart- d’onde d’axes optiques orient´es `a ±45°de l’axe de polarisation du faisceau `a la sortie du cube ; la polarisation `a la sortie de cette lame est donc parfaitement circulaire `a la sortie de cette lame. Le faisceau traverse ensuite la cellule de pompage cylindrique (25 mm
PUMP N2 gas Nat. Xe 129Xe PUMP 3-way valve stopcock PF PC MR CF CT E1 E2 E3 G S PF BS BS BE Ar+ laser Ti:Sa laser P1 λ/4 PC Rb + N2 + Xe Hot N2 M1 B
Fig. III.3 – Montage exp´erimental utilis´e pour le pompage optique du x´enon par ´echange de spins. Le miroir M1 permet de doubler le nombre de photons dans la cellule de pompage optique. Le watt-m`etre P1 indique la puissance du faisceau apr`es le double trajet dans la cellule.
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de diam`etre ext´erieur, 130 mm de long, 74 mL de volume total) et pourvue de surfaces optiques `a chaque bord. La cellule est pourvue d’une enceinte de chauffage ext´erieure, dans laquelle circule un courant d’air chaud r´egul´e en temp´erature. Ce chauffage externe permet de vaporiser une partie du rubidium dont la pression de vapeur saturante augmente. Les surfaces optiques de l’enceinte ext´erieure sont trait´ees afin de minimiser les r´eflexions `a 794.7 nm, et sont jointes au reste de l’enceinte par des joints en T´eflon. Les faces optiques de la cellule `a proprement parler ne sont pas trait´ees, car le nombre important de cycles de chauffage/refroidissement et la pr´esence de rubidium `a l’int´erieur d´etruisent tout traitement. A l’arri`ere de la cellule, un miroir M1, collimat´e avec la cellule r´efl´echit le rayon qui est donc de nouveau inject´e dans celle-ci. Son sens de polarisation comme son vecteur de propagation sont invers´es, les photons contribuent donc au retour ´egalement au pompage optique. Passant de nouveau dans la lame quart-d’onde puis dans le cube s´eparateur, le faisceau ´emergent est d´evi´e vers la direction orthogonale `a celle qu’il avait en sortant du laser. On analyse la puissance de ce faisceau au moyen d’un watt-m`etre P1. La lecture de ce dernier permet l’ajustement manuel tr`es fin de la longueur d’onde : lorsqu’on atteint la raie D1, on observe une augmentation brusque de l’absorption du faisceau en l’absence de champ magn´etique. Le choix de r´einjecter le faisceau une deuxi`eme fois dans la cellule permet d’augmenter la densit´e de photons, au prix de r´eglages des alignements optiques plus complexes.
Ce montage laser, contrairement `a une grille de diodes, est sujet `a des variations importantes en forme et en puissance du faisceau. Le profil du faisceau et sa puissance sont surveill´es tout au long du processus de pompage, `a l’aide respectivement d’un watt- m`etre et d’un analyseur de faisceau (Newport LBP-1). Ce dernier est d’une importance capitale pour obtenir un faisceau gaussien et de g´eom´etrie cylindrique, afin d’´eviter les zones d’ombre dans la cellule. Pour une mˆeme puissance, un faisceau inhomog`ene peut
entraˆıner une chute d’un facteur 2 dans la polarisation finale du x´enon.
La cellule de pompage est plac´ee dans un champ magn´etique de 55 G, align´e avec l’axe du faisceau, et cr´e´e par cinq bobines. assurant une homog´en´eit´e sup´erieure `a 100 ppm dans le volume de pompage. Ces bobines de 72 cm de diam`etre permettent l’existence d’un volume au champ homog`ene important, afin d’´eviter que le x´enon ne traverse des lignes de champ `a la sortie de la cellule.
Avant un pompage, la cellule est remplie d’un m´elange gazeux correspondant `a des pressions partielles `a temp´erature ambiante de 10 `a 25 torr de x´enon et 200 torr de N2, et chauff´ee ensuite `a environ 368 K. Si tous les photons sont absorb´es `a 794.7 nm en
l’absence de champ magn´etique, dans les conditions de pompage (champ allum´e), le milieu devient quasi-transparent avec une absorbance comprise entre 0,05 et 0,2. La variation de la polarisation du x´enon au cours du pompage a pu ˆetre mesur´ee grˆace `a l’emploi d’un spectrom`etre `a balayage de fr´equence, dans les condition de passage adiabatique rapide en r´esonance. Dans le cas o`u l’on d´ecide d’accumuler le contenu polaris´e de plusieurs cellules, on choisit conform´ement `a cette mesure dynamique un temps de pompage de l’ordre de 8 minutes. Le x´enon est ensuite transf´er´e dans un tube en forme de U ou de Y. Ce tube est situ´e dans un sol´eno¨ıde aliment´e en courant par une batterie de voiture, et plong´e dans de l’azote liquide. Le x´enon se solidifie dans un champ magn´etique de l’ordre de 5 kG. Le tube en U peut ˆetre r´echauff´e tr`es rapidement par immersion dans un bain d’eau3 `a la temp´erature d´esir´ee (temp´erature de l’´echantillon `a laquelle on veut effectuer
les exp´eriences RMN). 10 0 ppm A 10 0 ppm *15 375 B
Fig. III.4 – Exemples de signaux RMN du x´enon et en phase gazeuse. (A) – Spectre obtenu imm´ediatement apr`es hyperpolarisation. (B) – Spectre contenant la mˆeme quantit´e de x´enon, mais de polarisation `a l’´equilibre thermique (`a 11,7 T et 293 K ; accumulation de 16 spectres, une nuit d’acquisition). On d´eduit du rapport entre les deux int´egrales de signaux une polarisation de (A) de l’ordre de 50%.
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A l’int´erieur de la cellule, les polarisations nucl´eaires atteignent 70% sur des montages comparables [45]. En phase gazeuse d’un tube RMN, on atteint au laboratoire un niveau de 50% [44, 46], comme le montre la figure III.4. Enfin, pour ´eviter des mouvements de convections chaotiques en phase liquide, on agite vigoureusement l’´echantillon afin de
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Pour minimiser la relaxation du x´enon lors de cette ´etape, la sublimation se fait dans le champ de fuite de l’aimant du spectrom`etre
saturer imm´ediatement la phase dissoute de x´enon. Cette derni`ere ´etape abaisse encore la polarisation de 20%, et on mesure donc en phase liquide une polarisation finale de x´enon pouvant atteindre 30%.
Toute la tubulure du montage est en verre. Toute la verrerie en contact avec le x´enon polaris´e (cellule de pompage, tubes de transfert, dewars et tubes RMN utilis´es) est recou- verte d’un traitement de surface. La premi`ere ´etape de celui-ci consiste `a passer l’ensemble `a la solution piranha (60% d’acide sulfurique, 40% d’eau oxyg´en´ee) pour ´eliminer toute trace organique sur la surface interne. Apr`es rin¸cage `a l’eau distill´ee, la verrerie est lav´ee `a l’aide d’une solution de HF (10%) pour ´eliminer les ions m´etalliques `a la surface. Apr`es un nouveau rin¸cage et s´echage durant une nuit, la verrerie est tapiss´ee par un traitement de surface en utilisant une solution compos´ee de 10% de surfasil dissous dans du tolu`ene d´eshydrat´e, puis elle est rinc´ee et plac´ee en ´etuve [47, 48]. Afin d’´eviter la d´egradation du traitement de surface, la temp´erature est r´egul´ee `a un niveau inf´erieur `a 110°C. Un traitement ad´equat de cette sorte permet de maintenir la polarisation du x´enon en phase gazeuse durant des heures, `a haut champ magn´etique (T1 pouvant alors d´epasser 5 heures)
[44]. Ces valeurs varient d’un tube `a l’autre, du fait de la grande influence des impuret´es paramagn´etiques sur RXe
1 . Ces derni`eres, en pr´esence d’un m´ecanisme de transport efficace
Deuxi`eme partie
Chapitre IV
Modifications des spectres dues aux
fortes aimantations
Les r´esultats et interpr´etations utilis´es dans cette partie sont chronologiquement ult´e- rieurs `a ceux pr´esent´es dans la partie V. Cela dit, comme les exp´eriences d´ecrites ici ont amen´e certains d´eveloppements d´ecrits plus loin et que ces r´esultats ´eclairent nombre de points importants dans les parties suivantes, ils sont pr´esent´es ici en tant que r´esultats pr´eliminaires.