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Accueil du site > Equipes de recherche > Hélium polarisé et fluides quantiques > Recherche > Polarisation de l’hélium-3
Polarisation de l’hélium-3
On sait depuis des décennies que le pompage optique par échange de métastabilité (POEM) de l’hélium-3 est d’une grande efficacité (typiquement un noyau est polarisé par photon absorbé) dans les conditions habituelles : décharge douce, basse pression (millibar) et faible champ magnétique (millistesla).
Le POEM est actuellement utilisé avec succès pour la production massive de gaz hyperpolarisé, grâce au développement de sources laser appropriées et de techniques de compression sans perte de polarisation.
Les polarisations nucléaires atteintes sont élevées (80-90%) mais demeurent inférieures aux attentes, en dépit des puissances laser désormais disponibles pour le pompage optique. Nous avons entrepris une étude systématique de la dynamique du POEM à forte puissance lumineuse et développé de meilleurs modèles numériques, qui ont permis de mettre en évidence une forte augmentation de relaxation nucléaire due à la lumière de pompage.
Nous avons aussi mené une étude du POEM à fort champ magnétique. Nous avons montré que cette technique reste non seulement très efficace en dépit d’un découplage hyperfin important, mais aussi qu’elle fonctionne encore à des pressions 100 fois plus élevées. L’intérêt de cette étude est à la fois fondamental (impact du découplage hyperfin sur la structure des niveaux pour le PO et sur le transfert d’orientation par EM) et pratique (le PO peut s’effectuer au cœur même de l’imageur RMN et la compression est facilitée, voire superflue).
Les efforts actuels se concentrent sur l’étude du POEM en conditions non standard dans le but de comprendre et, on l’espère, dépasser les limites rencontrées à forte puissance ou forte pression.
Pompage et détection optiques
Nous décrivons ici le principe et les performances habituelles du pompage optique par échange de métastabilité de l’hélium-3. Nous présentons ensuite brièvement les méthodes de mesure optique de la polarisation nucléaire.
POEM à bas champ magnétique
Pour comprendre les limites actuelles du POEM de l’³He, nous avons effectué une étude détaillée du pompage optique sur la transition 2³S-2³P₀ en dessous de 30 mT. Des mesures purement optiques ont permis de suivre avec précision la dynamique du PO. L’analyse quantitative du transfert de moment angulaire de la lumière aux atomes révèle l’existence de pertes accrues par la lumière de pompage, qui empêchent d’obtenir des polarisations nucléaires élevées en dépit des fortes puissances lumineuses employées.
POEM à fort champ magnétique
En fort champ magnétique, la structure des états atomiques et l’effet du couplage hyperfin dans l’atome d’hélium sont profondément modifiés. Nous avons montré que dans ces conditions, de façon assez inattendue, le pompage optique de l’hélium peut être très efficace, en particulier dans un gaz à forte pression où le pompage en champ faible ne conduit qu’à de faibles polarisations. Des études détaillées sont en cours.
Modélisation
Les progrès réalisés pour le pompage optique par échange de métastabilité (POEM) à forte puissance laser, mais aussi à forte pression et à fort champ magnétique, nous ont incités à revoir notre compréhension de ses mécanismes et de ses limites. Nous avons élaboré une nouvelle description des effets combinés du PO, de l’EM et de la relaxation, ainsi que des caractéristiques fines du POEM relevées dans une large gamme de conditions expérimentales. Ce meilleur outil permet d’expliquer l’excellente efficacité du POEM à tout champ magnétique appliqué. Il sert de base à l’analyse quantitative de l’augmentation de relaxation due au laser pompe, qui limite sévèrement les taux de polarisations obtenus.
Un polariseur de gaz compact
De grandes quantités d’hélium-3 polarisé à pression atmosphérique sont nécessaires pour les applications en IRM du poumon. Notre équipe a développé un polariseur compact pour la préparation de gaz polarisé sur le site même où est faite l’IRM.
Sources lasers pour le POEM
Des lasers à fibre ont été tout spécialement mis au point pour le pompage optique de l’hélium. Des sources accordables à 1083 nm, puissantes et aux caractéristiques spectrales optimisées, sont actuellement disponibles dans le commerce pour la production de gaz ³He polarisé et toutes ses applications.
