Pompage optique de l'hélium dans des conditions non-standard
Résumé
Metastability exchange optical pumping of helium-3 usually operates at low pressures. This is not well suited for the production of a highly polarised and dense gas of helium-3 required in particular for lung MRI applications. We show that an improvement results from performing the optical pumping at higher pressures in the presence of a sufficiently high magnetic field.
We first point out the importance of correlations between atomic velocity and nuclear orientation for excited atoms in the plasma which are coupled to the 1083 nm optical pumping light. We have studied the effect of these correlations on optical pumping efficiency through systematic experimental measurements in conjunction with a detailed model.
We then focus on non standard conditions for optical pumping in high magnetic field and high pressure. Here we performed a detailed spectroscopic study of Zeeman effects on the 1083 nm transition of helium. It gave a precise
identification of positions and intensities of all transitions, and in turn allowed us to we develop a new optical measurement method of nuclear polarisation in arbitrary field. We have demonstrated that the presence of
intense 1083 nm light significantly increases the population of helium metastable molecules in the plasma, in particular at high pressure.
We first point out the importance of correlations between atomic velocity and nuclear orientation for excited atoms in the plasma which are coupled to the 1083 nm optical pumping light. We have studied the effect of these correlations on optical pumping efficiency through systematic experimental measurements in conjunction with a detailed model.
We then focus on non standard conditions for optical pumping in high magnetic field and high pressure. Here we performed a detailed spectroscopic study of Zeeman effects on the 1083 nm transition of helium. It gave a precise
identification of positions and intensities of all transitions, and in turn allowed us to we develop a new optical measurement method of nuclear polarisation in arbitrary field. We have demonstrated that the presence of
intense 1083 nm light significantly increases the population of helium metastable molecules in the plasma, in particular at high pressure.
Un inconvénient important du pompage optique indirect de l'hélium-3 traditionnel est qu'il opère à des pressions faibles qui ne sont en particulier pas favorables aux applications médicales d'IRM nécessitant la production d'hélium-3 gazeux très polarisé et dense : une voie prometteuse est d'utiliser un fort champ magnétique qui
permet d'opérer plus efficacement à plus forte pression.
Dans une première partie nous faisons apparaître l'importance des corrélations entre vitesse et orientation nucléaire pour les atomes excités présents dans le plasma et soumis à la lumière de pompage optique à 1083 nm. Nous avons étudié leur effet sur l'efficacité du pompage optique tant au moyen d'un modèle détaillé que par des mesures expérimentales systématiques. Nous montrons la grande importance des caractéristiques spectrales fines des lasers à 1083 nm.
Dans la deuxième partie, nous nous intéressons plus spécifiquement à des conditions non standard de pompage optique, en présence d'un fort champ magnétique et à forte pression. Nous avons réalisé une étude spectroscopique détaillée de l'effet Zeeman de la transition à 1083 nm de l'hélium qui permet d'identifier précisément les positions de ces transitions et leurs intensités, ce qui nous a permis de mettre au point une technique originale de mesure
optique de la polarisation nucléaire en champ quelconque. Nous avons démontré que la présence de lumière à 1083 nm augmente significativement la population de molécules métastables au sein d'un plasma d'hélium, en particulier à forte pression.
permet d'opérer plus efficacement à plus forte pression.
Dans une première partie nous faisons apparaître l'importance des corrélations entre vitesse et orientation nucléaire pour les atomes excités présents dans le plasma et soumis à la lumière de pompage optique à 1083 nm. Nous avons étudié leur effet sur l'efficacité du pompage optique tant au moyen d'un modèle détaillé que par des mesures expérimentales systématiques. Nous montrons la grande importance des caractéristiques spectrales fines des lasers à 1083 nm.
Dans la deuxième partie, nous nous intéressons plus spécifiquement à des conditions non standard de pompage optique, en présence d'un fort champ magnétique et à forte pression. Nous avons réalisé une étude spectroscopique détaillée de l'effet Zeeman de la transition à 1083 nm de l'hélium qui permet d'identifier précisément les positions de ces transitions et leurs intensités, ce qui nous a permis de mettre au point une technique originale de mesure
optique de la polarisation nucléaire en champ quelconque. Nous avons démontré que la présence de lumière à 1083 nm augmente significativement la population de molécules métastables au sein d'un plasma d'hélium, en particulier à forte pression.