Development of an ultra-low field magnetic resonance imaging scanner and DC SQUID based current sensors for the investigation of hyperpolarization techniques

Abstract

Kernspinresonanzspektroskopie und Kernspinresonanztomographie sind etablierte Verfahren in der Strukturanalyse und der medizinischen Bildgebung. Aufgrund der hohen Kosten bei der Anschaffung und dem Betrieb der Spektrometer und Tomographen, welche haupts{\"a}chlich aus den ben{\"o}tigten supraleitenden Elektromagneten resultieren, gibt es ein wachsendes Interesse an kosteng{\"u}nstigen Ger{\"a}ten. Spektrometer und Tomographen auf Basis von normalleitenden Elektromagneten erlauben kosteng{\"u}nstige Systeme, was jedoch aufgrund der niedrigeren Magnetfeldst{\"a}rke und einer damit einhergehenden niedrigeren Probenpolarisierung zu Lasten des Messsignals geht. Um Signalverlust teilweise zu kompensieren werden in Niederfeldsystemen Detektoren auf Basis von gleichstrombetriebenen (DC) supraleitenden Quanteninterferometern (SQUIDs) verwendet, welche eine deutlich h{\"o}here Empfindlichkeit als konventionelle Detektionsspulen aus Kupfer besitzen. Zus{\"a}tzlich bieten neuartige Hyperpolarisierungsmethoden auf Basis von Parawasserstoff, welche bei niedrigen Magnetfeldst{\"a}rken im Bereich weniger mT anwendbar sind, die M{\"o}glichkeit, die Probenpolarisierung durch die {\"U}bertragung der Spinordnung von Parawasserstoff-Kernen auf Wasserstoff-Kerne der Probe um mehrere Gr{\"o}ssenordnungen zu erh{\"o}hen. Zur erfolgreichen Hyperpolarisierung der zu untersuchenden Proben werden Polarisierungstransfer-Katalysatoren ben{\"o}tigt.

In dieser Arbeit wird zum Einen die Konzeption und der Aufbau eines Ultra-Niederfeld Kernspinresonanzspektrometers/-tomographen mit einem DC SQUID basierten Magnetfeldsensor zur kontrollierten Charakterisierung von neu entwickelten Polarisierungstransfer-Katalysatoren f{\"u}r Hyperpolarisierungsanwendungen vorgestellt. Der gesamte Aufbau wurde durch weitestgehende Vermeidung von metallischen Komponenten auf m{\"o}glichst niedrige Magnetfeldrauschwerte $S_B^{1/2}$ und homogene Magnetfelder hin optimiert, was sich in einem Magnetfeldrauschen $S_B^{1/2}=1.15\,\textrm{fT/Hz}^{1/2}$ im Bereich wei{\ss}en Rauschens und Linienbreiten der Kernspinresonanz $<1\,$Hz zeigt.

Zum Anderen wurden im Rahmen der Arbeit DC SQUID basierte Stromsensoren zur Erfassung der Kernspinresonanz-Signale entworfen, welche auf dem Niedertemperatur-Supraleiter Niob basieren. Dabei konnte sowohl ein Supraleiter/Normalleiter/Supraleiter (SNS) als auch auf einen Supraleiter/Isolator/Supraleiter (SIS) Herstellungsprozess zur{\"u}ckgegriffen werden. Der Stromsensorentwurf wurde an die kritische Stromdichte $j_c$ des jeweiligen Herstellungsprozesses angepasst, was in unterschiedlichen SQUID-Induktivit{\"a}ten und dadurch in verschiedenen Ankoppelschemata der Signalaufnehmer-Spulen an das SQUID resultiert. Transport- und Rauscheigenschaften wurden bei einer Temperatur von $T = 4.2\,$K bestimmt. F{\"u}r die SNS basierten Stromsensoren konnte eine Eingansempfindlichkeit $1/M_{in}=37.8\,\mu$A gefunden werden, was in Kombination mit einem Flussrauschen $S_{\Phi}^{1/2} = 590\,\textrm{n}\Phi_0\textrm{/Hz}^{1/2}$ im Bereich wei{\ss}en Rauschens zu einer Stromempfindlichkeit $S_{i}^{1/2} = 21.9\,\textrm{pA/Hz}^{1/2}$ f{\"u}hrt. Mit SIS basierten Stromsensoren konnte eine Eingansempfindlichkeit $1/M_{in}<1\,\mu$A erreicht werden. Die tats{\"a}chliche Stromempfindlichkeit konnte jedoch nicht bestimmt werden, da aufgrund von herstellungsbedingten Schichtisolationsproblemen sehr hohe Flussrauschwerte resultierten.

Anhand von hyperpolarisiertem Pyridin konnte ein Signalverstärkungsfaktor von $\leq200$ gemessen werden. Daran anschlie{\ss}end wurden drei weitere Probensubstanzen untersucht, welche sowohl $^1$H- $^{19}$F-Kerne enthalten und in Hochfeldmessungen vielversprechende Resultate zeigten. Dabei zeigten zwei Probensubstanzen ein Verhalten des Polarisationstransfers, wie er gem{\"a}{\ss} der etablierten Theorie auf Basis von J-Kopplung. Die dritte Probe hingegen zeigt ein Verhalten, was nicht mit J-Kopplung der Kerne erkl{\"a}rt werden kann und auf alternative Hyperpolarisierungsmechanismen schlie{\ss}en l{\"a}sst.