《一種永磁極化器》是中國科學院武漢物理與數學研究所於2011年11月11日申請的專利，該專利的申請號為2011103573567，公布號為CN102364333A，授權公布日為2012年2月29日，發明人是周欣、孫獻平、劉買利、葉朝輝。
《一種永磁極化器》的第一遮光罩內裝有內蝕光柵雷射器、多芯光纖、圓偏振/擴束器；第二遮光罩內裝有光譜儀；多芯光纖的兩端分別連線內蝕光柵雷射器和圓偏振/擴束器；單開口真空閥門與蒸汽/氣體室連線；帶有工作氣體入口和真空配氣口的第一三開口真空閥門依次連線第三玻璃管、第一雙開口真空閥門、第二玻璃管、脫氧管、第一玻璃管之後連線到蒸汽/氣體室上，帶有第一極化氣體出口、第二極化氣體出口的第二三開口真空閥門依次連線第五玻璃管、第二雙開口真空閥門、第四玻璃管之後連線到蒸汽/氣體室，蒸汽/氣體室玻璃外壁上依次纏繞著電熱絲、保溫膜，磁禁止筒位於磁環組、保溫膜、電熱絲、蒸汽/氣體室之外。
2016年12月7日，《一種永磁極化器》獲得第十八屆中國專利優秀獎。
（概述圖為《一種永磁極化器》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：一種永磁極化器
- 公布號：CN102364333A
- 授權日：2012年2月29日
- 申請號：2011103573567
- 申請日：2011年11月11日
- 申請人：中國科學院武漢物理與數學研究所
- 地址：湖北省武漢市武昌小洪山西區30號
- 發明人：周欣、孫獻平、劉買利、葉朝輝
- Int.Cl.：G01N24/00(2006.01)I；G01N24/08(2006.01)I；G01R33/20(2006.01)I；G01J3/28(2006.01)I
- 代理機構：武漢宇晨專利事務所
- 代理人：王敏鋒
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,技術領域,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
將惰性同位素氣體原子核自旋極化增強到超過熱平衡水平的方法，能夠極大地提高核磁共振/磁共振成像檢測靈敏度。亞穩態光抽運[Walters G.K.et al.，Phys.Rev.Lett.，8（1962），439.]、自旋交換光抽運（SEOP）[Chupp T.E.et al.，，Phys.Rev.C.，36（1987），2244.]、動態核極化（DNP）[Ardenkjaer-Larsen J.H.et al.，PNAS.，10018（2003），10158.]、仲氫誘導核極化（PHIP）[NattererJ.etal.，Progress in nuclear magnetic resonance spectroscopy.，31（1997），293.]等多種方法能夠有效的增強原子核自旋極化，與其獲得的非平衡極化度相比，遠遠高於在相同磁場裡玻爾茲曼平衡值，可以使惰性同位素氣體核磁共振的探測靈敏度提高4～5個數量級[Zhou X.et al.Chin.Phys.Lett.，21（2004），1501.]。由於自旋交換光抽運方法比較簡單和極為有效等特點[XinZhou，“In vivo NM Rimaging：methods and protocols，Humana Press，（2011），USA]，近20年來（截至2011年11月），使用自旋交換光抽運方式產生雷射極化惰性同位素氣體的方法獲得極大發展。用於生物醫學中的雷射極化惰性同位素氣體生產裝置[XinZhouetal.，NM Rin Biomed，21（2008）217.]，通常使用連續流動方式+固態累積/儲存器組成。與雷射極化惰性同位素氣體在多孔材料（微孔沸石、中孔分子篩及納米材料）、薄膜材料表面等方面套用相比較[Xin Zhou et al.，J.Magn.Reson.196（2009），217.]，雷射極化惰性同位素氣體的核磁共振/磁共振成像套用於生物醫學中[Xin Zhou et al.，Proc.N atl，Acad.Sci.106（2009）16903.]，例如生物體的核磁共振/磁共振成像研究[Xin Zhou et al.，NMR in Biomed，24（2011）170.]，必須獲得更大容量、更高極化度的雷射極化惰性同位素氣體，因此，在方法和技術上都具有挑戰性。
針對《一種永磁極化器》套用背景的已有相關文章和專利的技術方案如下：
1）樣品管或者泡技術。在一個獨立的高真空度玻璃管或者球型玻璃泡里同時封裝鹼金屬原子和惰性氣體，能夠達到高效率的增強Xe原子核自旋極化，雷射極化的增強倍數為10～10[Xian ping Sun et al.，Appl.Magn.Reson.，16（1999），363.；Zhou Xin et al.，Appl.Magn.Reson.，26（2004），327.]。這種方法方便於低場極化的核磁共振探測[SunXianpingetal.，ChineseJ.Lasers.，B101（2001），47.]或者直接強場極化的核磁共振探測/磁共振成像[Sun Xian ping et al.，Chinese Phys.Lett.，166（1999），408.；Mary Mazzantietal.，Plo S One6（2011）e21607.]。但是，由於使用的局限性，其不易擴展研究到其它感興趣的材料或者生物體中。
2）流動系統。DriehuysB.等人[Appl.Phys.Lett.，69（1996），1668.]和HaakM.等人[J.Am.Chem.Soc.119（1997），11711.]在他們的實驗室里分別建造了大容量雷射極化惰性氣體生產裝置，DriehuysB.等人的系統包括Helmholtz線圈、光抽運泡，壓力表、玻璃真空系統和一個球形氣體液體混合室；HaakM.等人的裝置由光抽運室，鹼金屬凝縮池，壓力表和雷射極化Xe固態儲存室組成。因為出於不同方式的考慮和不同的使用目的，他們的裝置與《一種永磁極化器》——永磁極化器結構與方法上都有所不同。
3）磁場。方式A——通常使用Helmholtz線圈產生雷射抽運的環境磁場[孫獻平等人.，中國發明專利號：ZL01106694]。在要求磁場均勻度的條件下則需要大的直徑，使得體積大，重量比較重；方式B——螺旋管磁場線圈需要連續纏繞，因此不適宜使用在多進出口的極化器泡的裝置上，同時其也存在重量與需要電源供電等問題；方式C——利用核磁共振譜儀的翼磁場[Shing-Jong Huangetal.，Journal of Physical ChemistryB.，1092（2005），681.]——需要將極化裝置靠近核磁共振譜儀的磁體，工作起來不方便；特別地，最新的商品核磁共振譜儀使用了高磁禁止或者超高磁禁止技術，5高斯線很短，利用翼磁場的方法使用更加困難。
4）電加熱產生鹼金屬原子蒸氣。熱空氣加熱方式A——由電熱絲加熱空氣，然後經氣體擴散傳熱至原子極化室玻璃壁[Xin Zhou et al.，Phys.Rev.B，70（2004），052405.]；熱空氣加熱方式B——由熱管加熱流動通過的空氣，然後熱空氣加熱原子極化室玻璃壁；液體加熱方式——是電加熱含有芳烴或環烷烴型導熱油等液體，然後熱液體傳導熱到原子極化室玻璃外表壁。
5）原子極化室熱熔玻璃封口。此方式只能一次性注入鹼金屬使用，當鹼金屬消耗完或者意外氧化後需要整個更換，不經濟、不方便。
6）保溫筒。通常使用聚四氟乙烯塑膠、聚醚醚酮樹脂等保溫材料製作，能夠達到理想的保溫效果。但是，它們體積較大，需要一定剛性材料支撐和結構連線增加了極化裝置的複雜性。
7）雷射器。通常使用兩類雷射器，一種是大功率陣列半導體雷射器，具有太寬的線寬，FWHM：～3納米；另外一種是半導體雷射器，儘管線寬很窄，FWHM：～10兆赫，一般為低功率：≤150兆瓦。
8）測量與監測。通常使用的光電探測器+波長計或者功率計方式——交換測量不方便、不直觀；觀測線寬、吸收等狀態時需要雷射光源的波長掃描。
發明內容
專利目的
《一種永磁極化器》的目的在於提供了一種惰性同位素氣體的永磁極化器。易移動、易操作、結構簡單、全自動控制。能夠有效地生產高度核自旋極化的惰性同位素氣體，在多孔、表面等材料和生物體的核磁共振/磁共振成像研究，或者用於分子生物探針方面，能夠極大地提高了核磁共振信號的探測靈敏度。
技術方案
第一遮光罩內裝有內蝕光柵雷射器、多芯光纖、圓偏振/擴束器；第二遮光罩內裝有光譜儀；多芯光纖的兩端分別連線內蝕光柵雷射器和圓偏振/擴束器；單開口真空閥門與蒸氣/氣體室連線；帶有工作氣體入口和真空配氣口的第一（三開口）真空閥門依次連線第三玻璃管、第一（雙開口）真空閥門、第二玻璃管、脫氧管、第一玻璃管，第一（三開口）真空閥門連線到蒸氣/氣體室上，構成工作氣體流入和真空配氣控制通道。
帶有第一極化氣體出口、第二極化氣體出口的第二（三開口）真空閥門依次連線第五玻璃管、第二（雙開口）真空閥門、第四玻璃管之後連線到蒸氣/氣體室，構成極化惰性同位素氣體輸出控制通道；玻璃連線棒兩端連線第一玻璃管和第四玻璃管，起加固支撐、保護作用。
蒸氣/氣體室玻璃外壁上依次纏繞著電熱絲、保溫膜，保證蒸氣/氣體室里工作的鹼金屬蒸氣原子數密度；磁禁止筒位於磁環組、保溫膜、電熱絲、蒸氣/氣體室之外，保證蒸氣/氣體室里的鹼金屬原子蒸氣和工作氣體處於磁環組產生的磁場內；磁禁止筒、磁環組與蒸氣/氣體室三者同軸裝配，磁環組產生縱向磁場，其方向與工作氣體流動方向、雷射束傳輸方向一致。
內蝕光柵雷射器與多芯光纖、圓偏振/擴束器、蒸汽/氣體室、光譜儀共中心軸。
所述的第一遮光罩為鋁板材料製作的長方形盒，內表面全部塗黑處理；所述的內蝕光柵雷射器為QPC BrightlockUltra 100或者Ultra 500；所述的多芯光纖為QPC 600微米/0.22納安；所述的圓偏振/擴束器，由QPC Beam Collimator+λ/4波片（310-0142-001）組成；所述的蒸氣/氣體室，由派瑞克斯玻璃製作，內表面由有機矽塗壁，外直徑Φ30：Φ60毫米，長60～200毫米；所述的電熱絲為康銅加熱絲型或者薄膜型；所述的保溫膜採用聚四氟乙烯薄膜；所述的磁禁止筒由純鐵材料加工製成；所述的磁環組由雙數永磁鐵磁環組成，使用一對或兩對或三對，永磁鐵磁環為釹鐵硼材料製成；所述的光譜儀為Ocean OpticsInc.USB 2000+微型光纖光譜儀。
實現上述一種永磁極化器的步驟為：
（a）如圖1所示為《一種永磁極化器》——一種永磁極化器的結構示意圖，通過永磁極化器的蒸氣/氣體室外面同軸裝配的磁環組和磁禁止筒，提供高度極化惰性同位素氣體所要求的強度與均勻性的環境磁場；蒸氣/氣體室玻璃外壁上直接纏繞電熱絲和保溫膜，在蒸氣/氣體室里產生高度極化惰性同位素氣體所要求的鹼金屬蒸氣原子數密度；
（b）進入永磁極化器的工作氣體流動經過第一（三開口）真空閥門和第一（雙開口）真空閥門後，由脫氧管進一步作純化處理，通過脫氧管能夠有效地濾出剩餘的氣體雜質、除去殘留微量O2、H2O、CO等氧化性雜質氣體，然後，流入到蒸氣/氣體室里與鹼金屬原子蒸氣混合；
（c）內蝕光柵雷射器發射的雷射傳輸通過多芯光纖導引後，由圓偏振/擴束器轉換為圓偏振且被擴束到與蒸氣/氣體室入口端匹配直徑尺寸的雷射束，照射蒸氣/氣體室，由於第一遮光罩的作用，雷射束的散射光不會向外泄露；
（d）雷射束沿著多芯光纖、圓偏振/擴束器、蒸氣/氣體室中心軸傳輸，從蒸氣/氣體室出射後，由光譜儀測量雷射束的波長、線寬，監視鹼金屬蒸氣原子吸收的狀態；光譜儀放置在第二遮光罩里，因此，外部的光噪聲不會對其的測量與監控產生影響；
（e）雷射束傳輸與磁環組產生的磁場方向、工作氣體流動方向一致。雷射束與蒸氣/氣體室里的鹼金屬原子蒸氣和流動工作氣體相互作用後，連續產生高度核自旋極化的惰性同位素氣體；
所述的高度核自旋極化的惰性同位素氣體是指與其獲得的非平衡極化度相比遠遠高於在相同磁場裡玻爾茲曼平衡值。增強核自旋極化，可以使惰性同位素氣體核磁共振的探測靈敏度提高10——10倍。
（f）工作氣體中的惰性同位素氣體原子核獲得高度自旋極化後流動通過第二（雙開口）真空閥門到達第二（三開口）真空閥門，最後選擇第一極化氣體出口或第二極化氣體出口中的一個流出永磁極化器，或者到核磁共振/磁共振成像系統中使用，或者到固態累加/儲存器里。
《一種永磁極化器》的原理如下：
《一種永磁極化器》是利用內蝕光柵雷射器照射一個永磁鐵磁場環境的蒸氣/氣體室里的鹼金屬蒸氣原子和工作氣體，實現惰性同位素氣體原子核的高度自旋極化。永磁鐵磁環組加上磁禁止筒產生由鹼金屬蒸氣原子和工作氣體所要求的磁場強度和均勻度。蒸氣/氣體室玻璃外壁上直接纏繞電熱絲以及聚四氟乙烯薄膜，獲得工作要求的鹼金屬蒸氣原子數密度。使用脫氧管作進一步過濾和脫氧，加上可重複使用的蒸氣/氣體室，能夠極大地延長了該發明——永磁極化器的使用壽命。光譜儀的使用更加直接地測量雷射的波長、線寬和實時地監控鹼金屬蒸氣原子吸收譜，能夠非常直觀地通過調節相關工作參數來增強產生雷射極化惰性同位素氣體原子核的效率。
該裝置包括兩個遮光罩、內蝕光柵雷射器、多芯光纖、圓偏振/擴束器、雷射束、蒸氣/氣體室、電熱絲、（單開口）真空閥門、保溫膜、磁禁止筒、磁環組、光譜儀、五根玻璃管、脫氧管、兩個（雙開口）真空閥門、兩個（三開口）真空閥門、玻璃連線棒、工作氣體入口、真空配氣口、兩個極化氣體出口組成。其特徵在於：該發明裝置一體化設計，磁禁止筒的兩端分別與兩個遮光罩相連，一個遮光罩內裝有內蝕光柵雷射器、多芯光纖、圓偏振/擴束器，另一個遮光罩內裝有光譜儀，由外至內裝配磁禁止筒、磁環組、保溫膜、電熱絲、蒸氣/氣體室，保證蒸氣/氣體室里的鹼金屬原子蒸氣和工作氣體處於磁環組產生的磁場內，蒸氣/氣體室上依次纏繞著電熱絲、保溫膜，保證蒸氣/氣體室里工作的鹼金屬蒸氣原子數密度，內蝕光柵雷射器發射雷射束傳輸依次通過多芯光纖、圓偏振/擴束器，成為圓偏振且被擴束的，然後傳輸通過蒸氣/氣體室、與光譜儀相連，多芯光纖的兩端分別連線內蝕光柵雷射器和圓偏振/擴束器，（單開口）真空閥門與蒸氣/氣體室連線，帶有工作氣體入口和真空配氣口的（三開口）真空閥門通過玻璃管依次連線（雙開口）真空閥門、脫氧管、然後連線到蒸氣/氣體室上，構成工作氣體流入和真空配氣控制通道，（雙開口）真空閥門兩端通過玻璃管分別連線帶有兩個極化氣體出口的（三開口）真空閥門和蒸氣/氣體室、構成雷射極化惰性同位素氣體輸出的控制通道，玻璃棒兩端連線玻璃管，對整個器件起一個保護支撐作用。
所述的內蝕光柵雷射器發射的雷射束，沿著多芯光纖、圓偏振/擴束器、蒸氣/氣體室中心軸傳輸到達光譜儀。
所述的磁禁止筒、磁環組與蒸氣/氣體室三者同軸裝配，磁環組產生的磁場方向與雷射束傳輸方向一致。
所述的由工作氣體入口進入《一種永磁極化器》——永磁極化器的工作氣體流動依次通過（三開口）真空閥門、（雙開口）真空閥門和脫氧管進入蒸氣/氣體室，在蒸氣/氣體室里流動方向與磁場方向、雷射束傳輸方向相同。
所述的《一種永磁極化器》——永磁極化器生產的高度核自旋極化惰性同位素氣體從蒸氣/氣體室里流動經過（雙開口）真空閥門和（三開口）真空閥門後經過輸出口到達該發明裝置之外的核磁共振/磁共振成像儀或者到固態累加/儲存器里。
改善效果
《一種永磁極化器》的突出特點在於：
（1）使用永磁鐵方式產生磁場——雙數永久磁鐵環組成，通常使用一對、兩對、三對等。提供與雷射束傳輸方向一致的5～280高斯縱向磁場。
（2）使用玻璃閥門方式注入鹼金屬——在蒸氣/氣體室熔接有真空閥門，開啟閥門即可注入鹼金屬到蒸氣/氣體室內，使得極化器的蒸氣/氣體室能夠重複使用：多次清洗，並可多次注入鹼金屬。
（3）使用接觸加熱方式——電熱絲直接環繞在蒸氣/氣體室玻璃外壁上，接觸性加熱，無需媒介。
（4）使用保溫膜方式保溫——保溫膜緊緊包裹住纏繞在蒸氣/氣體室玻璃外壁上的電熱絲，防止熱損失；並且對於多個進出口結構的蒸氣/氣體室使用非常方便，多層直接纏繞、體積小、保溫效果好。
（5）增加了脫氧管——放置石英棉+鹼金屬到玻璃球（管）內，利用玻璃球（管）里石英棉的微孔濾出流動工作氣體中的雜質；利用內含的鹼金屬預先與雜質氣體相互作用。二者共同作用，極大地減少雜質氣體對蒸氣/氣體室里鹼金屬的影響。
（6）採用最新內蝕光柵雷射器——具有大功率（75～150瓦）、窄線寬特點，典型地FWHM：≤0.5納米。鹼金屬原子蒸氣通過He壓力增寬後的吸收線型能夠與之相吻合。
（7）採用光譜儀方式測量與監測——直接觀測內蝕光柵雷射器發射雷射的線寬、波長和強度；實時監測工作時鹼金屬蒸汽原子吸收譜線輪廓。
對於進一步提高惰性同位素氣體原子核自旋極化度、套用更加方便的目的，必要的是發展全新的極化器。而且，隨著生物體核磁共振/磁共振成像研究的發展，也需要建立一種體積緊湊、容易操作、性能穩定、效率更高的極化器。
與2011年11月前技術相比《一種永磁極化器》具有以下優點：
（1）採用永磁鐵方式取代Helmholtz線圈或者螺旋管產生的磁場，極大地減輕極化器的重量，使得極化器結構緊湊、體積小，易移動工作。
（2）接觸加熱方式減少了熱損失、更易精確控制加熱溫度和工作溫度。
（3）脫氧管減少了雜質氣體對蒸氣/氣體室里鹼金屬的影響。
（4）真空螺旋玻璃閥門方式注入鹼金屬到蒸氣/氣體室內，使得極化器工作狀態穩定、使用壽命更長。
（5）內蝕光柵雷射器的大功率、窄線寬特點，使得鹼金屬蒸氣原子吸收線寬能夠與之基本相吻合，雷射抽運、極化轉移的效率更高。
（6）採用光譜儀方式測量與監測內蝕光柵雷射器發射雷射的線寬、波長、強度、鹼金屬蒸汽原子吸收譜，更加方便、直觀。
與2011年11月前雷射極化氣體裝置相比，《一種永磁極化器》——永磁極化器具有體積小、易移動、易操作、實時測量與監測等特點。該發明提供的永磁極化器採用了內布拉格光柵（Internal Bragg Grating）技術的雷射器、永磁鐵產生磁場、接觸電加熱、預過濾和脫氧、可重複使用的蒸氣/氣體室等新技術，能夠有效地輸出高度核自旋極化的惰性同位素氣體，在多孔、表面等材料和生物體的核磁共振/磁共振成像研究，或者用於分子生物探針方面，能夠極大地提高了信號探測靈敏度，是非常實用的極化裝置。
由於《一種永磁極化器》集成了永磁鐵磁場、接觸電加熱、預過濾和脫氧、可重複使用的蒸氣/氣體室和He壓力增寬等技術，使用了最新的包含內布拉格光柵技術的大功率雷射器，可以直接連續輸出高極化度的雷射極化惰性同位素氣體，或者通過升華固態累積/儲存的雷射極化惰性同位素原子團為氣體後再以大容量方式輸出，能夠滿足多孔、表面等材料，或者生物體的核磁共振/磁共振成像研究的需求，更具有實用性。
附圖說明
圖1為《一種永磁極化器》的結構示意圖。
其中：1-第一遮光罩、2-內蝕光柵雷射器、3-多芯光纖、4-圓偏振/擴束器、5-雷射束、6-蒸氣/氣體室、7-電熱絲、8-單開口真空閥門、9-保溫膜、10-磁禁止筒、11-磁環組、12-光譜儀、13-第二遮光罩、14-第一玻璃管、15-脫氧管、16-第二玻璃管、17-第一（雙開口）真空閥門、18-第三玻璃管、19-第一（三開口）真空閥門、20-玻璃連線棒、21-第四玻璃管、22-第二（雙開口）真空閥門、23-第五玻璃管、24-第二（三開口）真空閥門、25-工作氣體入口、26-真空配氣口、27-第一極化氣體出口、28-第二極化氣體出口。
圖1
技術領域
《一種永磁極化器》涉及雷射技術增強核磁共振（NMR）和磁共振成像（MRI）信號的領域，更具體涉及一種永磁極化器，通過雷射方式產生大容量、高度核自旋極化的惰性同位素氣體，從而能夠極大地提高信號探測的靈敏度，適用於多孔、表面等材料和生物體的核磁共振/磁共振成像研究，或者用於分子生物探針。
權利要求
1.《一種永磁極化器》包括內蝕光柵雷射器（2）、多芯光纖（3）、圓偏振/擴束器（4）、蒸氣/氣體室（6）、電熱絲（7）、單開口真空閥門（8）、磁禁止筒（10）、磁環組（11）、光譜儀（12），其特徵在於：
第一遮光罩（1）內裝有內蝕光柵雷射器（2）、多芯光纖（3）、圓偏振/擴束器（4）；第二遮光罩（13）內裝有光譜儀（12）；多芯光纖（3）的兩端分別連線內蝕光柵雷射器（2）和圓偏振/擴束器（4）；單開口真空閥門（8）與蒸氣/氣體室（6）連線；帶有工作氣體入口（25）和真空配氣口（26）的第一三開口真空閥門（19）依次連線第三玻璃管（18）、第一雙開口真空閥門（17）、第二玻璃管（16）、脫氧管（15）、第一玻璃管（14）之後連線到蒸氣/氣體室（6）上，構成工作氣體流入和真空配氣控制通道；
帶有第一極化氣體出口（27）、第二極化氣體出口（28）的第二三開口真空閥門（24）依次連線第五玻璃管（23）、第二雙開口真空閥門（22）、第四玻璃管（21）之後連線到蒸氣/氣體室（6），構成雷射極化惰性同位素氣體輸出控制通道；玻璃連線棒（20）兩端連線第一玻璃管（14）和第四玻璃管（21），起加固支撐和保護作用；
蒸氣/氣體室（6）玻璃外壁上依次纏繞著電熱絲（7）、保溫膜（9），保證蒸氣/氣體室（6）里工作的鹼金屬蒸氣原子數密度；磁禁止筒（10）位於磁環組（11）、保溫膜（9）、電熱絲（7）、蒸氣/氣體室（6）之外，保證蒸氣/氣體室（6）里的鹼金屬原子蒸氣和工作氣體處於磁環組（11）產生的磁場內；磁禁止筒（10）、磁環組（11）與蒸氣/氣體室（6）三者同軸裝配，磁環組（11）產生縱向磁場，其方向與工作氣體流動方向、雷射束（5）傳輸方向一致；
內蝕光柵雷射器（2）與多芯光纖（3）、圓偏振/擴束器（4）、蒸汽/氣體室（6）、光譜儀（12）共中心軸。
2.實現如權利要求1所述的一種永磁極化器的方法，其步驟為：
a、通過永磁極化器的蒸氣/氣體室（6）外面同軸裝配的磁環組（11）和磁禁止筒（10），提供高度極化惰性同位素氣體所要求的強度與均勻性的環境磁場；蒸氣/氣體室（6）玻璃外壁上直接纏繞電熱絲（7）和保溫膜（9），在蒸氣/氣體室（6）里產生高度極化惰性同位素氣體所要求的鹼金屬蒸氣原子數密度；
b、進入永磁極化器的工作氣體流動經過第一三開口真空閥門（19）和第一雙開口真空閥門（17）後，由脫氧管（15）進一步作純化處理，通過脫氧管（15）能夠有效地濾出剩餘的氣體雜質、除去殘留微量O2、H2O、CO等氧化性雜質氣體，然後，流入到蒸氣/氣體室（6）里與鹼金屬原子蒸氣混合；
c、內蝕光柵雷射器（2）發射的雷射傳輸通過多芯光纖（3）導引後，通過圓偏振/擴束器（4）轉換為圓偏振且被擴束到與蒸氣/氣體室（6）入口端匹配直徑尺寸的雷射束（5），照射蒸氣/氣體室（6），由於第一遮光罩（1）的作用，雷射束（5）的散射光不會向外泄露；
d、雷射束（5）沿著多芯光纖（3）、圓偏振/擴束器（4）、蒸氣/氣體室（6）中心軸傳輸，從蒸氣/氣體室（6）出射後，由光譜儀（12）測量雷射束（5）的波長、線寬，監視鹼金屬蒸氣原子吸收的狀態；光譜儀（12）放置在第二遮光罩（13）里，因此，外部的光噪聲不會對其的測量與監控產生影響；
e、雷射束（5）傳輸方向與磁環組（11）產生的磁場方向、工作氣體流動方向一致；雷射束（5）與蒸氣/氣體室（6）里的鹼金屬原子蒸氣和流動工作氣體相互作用後，連續產生高度核自旋極化的惰性同位素氣體；
f、工作氣體中的惰性同位素氣體原子核獲得高度自旋極化後流動通過第二雙開口真空閥門（22）到達第二三開口真空閥門（24），最後選擇第一極化氣體出口（27）或第二極化氣體出口（28）中的一個流出，或者到核磁共振/磁共振成像系統中使用，或者到固態累加/儲存器里。
實施方式
實施例1：
《一種永磁極化器》包括第一遮光罩1、第二遮光罩13、內蝕光柵雷射器2、多芯光纖3、圓偏振/擴束器4、雷射束5、蒸氣/氣體室6、電熱絲7、（單開口）真空閥門8、保溫膜9、磁禁止筒10、磁環組11、光譜儀12、第一玻璃管14、第二玻璃管16、第三玻璃管18、第四玻璃管21、第五玻璃管23、脫氧管15、第一（雙開口）真空閥門17、第二（雙開口）真空閥門22、第一（三開口）真空閥門19、第二（三開口）真空閥門24、玻璃棒20、工作氣體入口25、真空配氣口26、第一極化氣體出口27、第二極化氣體出口28。
其特徵在於：第一遮光罩1內裝有內蝕光柵雷射器2、多芯光纖3、圓偏振/擴束器4，第二遮光罩13內裝有光譜儀12，內蝕光柵雷射器2發射雷射束5傳輸依次通過多芯光纖3、圓偏振/擴束器4、成為圓偏振且被擴束的，然後傳輸通過蒸氣/氣體室6、與光譜儀12相連，多芯光纖3的兩端分別連線內蝕光柵雷射器2和圓偏振/擴束器4，（單開口）真空閥門8與蒸氣/氣體室6連線，帶有工作氣體入口25和真空配氣口26的第一（三開口）真空閥門19依次連線第三玻璃管18、第一（雙開口）真空閥門17、第二玻璃管16、脫氧管15、第一玻璃管14，最後連線到蒸氣/氣體室6上，構成工作氣體流入和真空配氣控制通道，帶有兩個極化氣體出口的第二（三開口）真空閥門24依次連線第五玻璃管23、第二（雙開口）真空閥門22、第四玻璃管21之後連線到蒸氣/氣體室6，構成極化惰性同位素氣體輸出控制通道，玻璃棒20兩端連線第一玻璃管14和第四玻璃管21，起一個加固支撐、保護作用，磁禁止筒10位於磁環組11、保溫膜9、電熱絲7、蒸氣/氣體室6之外，保證蒸氣/氣體室6里的鹼金屬原子蒸氣和工作氣體處於磁環組11產生的磁場內，蒸氣/氣體室6玻璃外壁上依次纏繞著電熱絲7、保溫膜9，保證蒸氣/氣體室6里工作的鹼金屬蒸氣原子數密度。
所述的磁禁止筒10、磁環組11與蒸氣/氣體室6三者同軸裝配，磁環組11產生縱向磁場、方向與雷射束5傳輸方向一致。
所述的工作氣體由工作氣體入口25進入《一種永磁極化器》——永磁極化器，流動依次通過第一（三開口）真空閥門19、第一（雙開口）真空閥門17和脫氧管15進入蒸氣/氣體室6，在蒸氣/氣體室6里流動方向與磁場方向、雷射束5傳輸方向相同。
所述的內蝕光柵雷射器2發射的雷射束5，沿著多芯光纖3、圓偏振/擴束器4、蒸氣/氣體室6中心軸傳輸到達光譜儀12。
所述的內蝕光柵雷射器2發射的雷射束5照射蒸氣/氣體室6，連續生產高度核自旋極化的惰性同位素氣體從蒸氣/氣體室6里流動經過第二（雙開口）真空閥門22和第二（三開口）真空閥門24後，由極化氣體選通第一極化氣體出口27或者第二極化氣體出口28輸出到《一種永磁極化器》——永磁極化器之外的核磁共振/磁共振成像儀或者固態累加/儲存器里。
《一種永磁極化器》-永磁極化器的工作流程為：
磁禁止筒和磁環組產生縱向環境磁場，蒸氣/氣體室玻璃外壁上依次纏繞著電熱絲和保溫膜保證工作要求的鹼金屬蒸氣原子數密度。組合進入該發明裝置的工作氣體流動經過（三開口）和（雙開口）真空閥門後，由脫氧管進一步除去雜質，接著進入蒸氣/氣體室與鹼金屬原子蒸氣混合，參入自旋交換過程。內蝕光柵雷射器發射的雷射束傳輸通過多芯光纖後，由圓偏振/擴束器轉換為圓偏振光束，並且被擴束到與蒸氣/氣體室入口端匹配直徑尺寸進行照射蒸氣/氣體室，雷射束與鹼金屬原子蒸氣和流動工作氣體相互作用後，連續產生高度核自旋極化的惰性同位素氣體。從蒸氣/氣體室里出射的雷射束由光譜儀進行雷射波長和線寬測量，以及對鹼金屬蒸氣原子吸收譜的監測。當工作氣體中的惰性同位素氣體原子核獲得高度極化後流動通過（雙開口）真空閥門到達（三開口）真空閥門，最後選擇其中一個出口流出該發明裝置，或者到核磁共振/磁共振成像系統中使用，或者到固態累加/儲存器里。
下面結合附圖1對《一種永磁極化器》作進一步詳細描述：
（a）在蒸氣/氣體室6外面同軸裝配有磁環組11和磁禁止筒10，提供產生高度核自旋極化惰性同位素氣體所要求的強度與均勻性的環境磁場。蒸氣/氣體室6玻璃外壁上直接纏繞電熱絲7和保溫膜9，在蒸氣/氣體室6里產生工作要求的鹼金屬蒸氣原子數密度。
（b）進入該發明——永磁極化器的工作氣體流動經過（三開口）真空閥門19和（雙開口）真空閥門17後，由脫氧管15進一步純化處理，接著進入蒸氣/氣體室6與鹼金屬原子蒸氣混合。
（c）內蝕光柵雷射器2發射的雷射傳輸通過多芯光纖3導引後，由圓偏振/擴束器4轉換為圓偏振且被擴束到與蒸氣/氣體室6入口端匹配直徑尺寸的雷射束5，照射蒸氣/氣體室6。
（d）雷射束5沿著多芯光纖3、圓偏振/擴束器4、蒸氣/氣體室6中心軸傳輸，從蒸氣/氣體室6出射後，由光譜儀12測量雷射束5的波長、線寬，監視鹼金屬蒸氣原子吸收的狀態。
（e）雷射束5傳輸與磁環組11產生的磁場方向、工作氣體流動方向一致。雷射束5與蒸氣/氣體室6里的鹼金屬原子蒸氣和流動工作氣體相互作用後，連續產生高度核自旋極化的惰性同位素氣體。
（f）工作氣體中的惰性同位素氣體原子核獲得高度自旋極化後流動通過（雙開口）真空閥門22到達（三開口）真空閥門24，最後選擇極化氣體出口27和28中的一個流出該發明裝置，或者到核磁共振/磁共振成像系統中使用，或者到固態累加/儲存器里。
根據上述《一種永磁極化器》，並以使用鹼金屬Rb原子蒸汽和惰性同位素氣體Xe為例，對該發明所提供的永磁極化器作進一步的詳細描述：
一種永磁極化器，包括內蝕光柵雷射器2、多芯光纖3、圓偏振/擴束器4、蒸氣/氣體室6、電熱絲7、單開口真空閥門8、磁禁止筒10、磁環組11、光譜儀12，使用的蒸氣/氣體室6玻璃外壁上纏繞有電熱絲7和五層保溫膜9，使得蒸氣/氣體室6恆溫在160℃，產生工作要求的鹼金屬蒸氣原子數密度。
在保溫膜9外面同軸裝配有磁環組11和磁禁止筒10，提供120高斯的磁場強度與Φ60×120毫米蒸氣/氣體室6尺寸匹配的均勻磁場區。
開啟5atm工作氣體Xe+N2+He流動進入《一種永磁極化器》-永磁極化器，經過（三開口）真空閥門19和（雙開口）真空閥門17後，由脫氧管15進一步作純化處理、除去殘留微量含氧氣體（例如O2、H2O、CO等氧化性雜質），接著進入蒸氣/氣體室6與Rb原子蒸氣混合。
使用內蝕光柵雷射器2，雷射功率～150瓦、線寬（FWHM）為≤0.5納米、波長為鹼金屬Rb原子的D1共振譜線795納米；發射的雷射傳輸通過多芯光纖3導引後，進入圓偏振/擴束器4被轉換為圓偏振的且被擴束的雷射束5，其直徑與蒸氣/氣體室6入口端匹配尺寸，照射蒸氣/氣體室6。
雷射束5沿著多芯光纖3、圓偏振/擴束器4、蒸氣/氣體室6中心軸傳輸，從蒸氣/氣體室6出射後，由光譜儀12測量內蝕光柵雷射器2發射的雷射束5的波長和線寬，同時監視工作氣體Xe+N2+He中He壓力增寬導致Rb蒸氣原子吸收的狀態。
雷射束5傳輸與磁環組11產生的縱向磁場方向、工作氣體Xe+N2+He流動方向一致。雷射束5縱向照射蒸氣/氣體室6里的Rb原子蒸氣，將角動量轉移到Rb原子上，然後極化Rb原子和流動工作氣體Xe+N2+He相互作用後，連續產生高度核自旋極化的惰性同位素Xe氣體。
獲得高度核自旋極化的Xe原子流動通過（雙開口）真空閥門22到達（三開口）真空閥門24，最後根據使用的需求，選通到極化氣體出口27或者28流出《一種永磁極化器》-永磁極化器，或者提供到核磁共振/磁共振成像系統中使用，或者輸入到固態累加/儲存器里。
上述描述中雷射抽運鹼金屬均以Rb原子為例，在具體實施過程中，《一種永磁極化器》涉及其它鹼金屬原子——K、Na和Cs，需要分別選擇相應於鹼金屬原子譜線的雷射二極體陣列、工作波長鍍膜的圓偏振/擴束器、磁環組的永磁鐵材料、高壓工作的蒸氣/氣體室、原子數密度等參數；上述描述中的惰性同位素氣體均以Xe為例，該發明也涉及到Kr、He、Xe。
首先描述《一種永磁極化器》各部件的材料、形狀和結構：
a）第一遮光罩1由鋁板材料製作的長方形盒，內表面全部塗黑處理，第一遮光罩1將內蝕光柵雷射器2、多芯光纖3、圓偏振/擴束器4、雷射束5封閉在內，防止光輻射外泄；僅僅允許雷射束5定向與蒸氣/氣體室6相通；
b）內蝕光柵雷射器2，採用了內布拉格光柵技術，公司和型號為QPCBrightlockUltra 100或者Ultra 500，具有大功率（75～150瓦）、窄線寬特點，典型地FWHM：≤0.5納米；
c）多芯光纖3，QPC公司，600微米/0.22NA，用於傳輸內蝕光柵雷射器2發射的雷射束5；
d）圓偏振/擴束器4為QPC BrightlockUltra內蝕光柵雷射器2的配套定製產品，由QPC Beam Collimator+λ/4波片（310-0142-001）組成。將來自多芯光纖3的光束變化為圓偏振雷射，並且擴束其直徑至：Φ30毫米到：Φ60毫米；
e）雷射束5為由圓偏振/擴束器4擴束後的圓偏振雷射；
f）蒸氣/氣體室6，由派瑞克斯玻璃製作，內表面由有機矽塗壁，外直徑Φ30:Φ60毫米，長60～200毫米，是鹼金屬原子蒸氣與工作氣體混合之處，工作期間，雷射束5照射鹼金屬原子蒸氣與工作氣體而產生高度核自旋極化的惰性同位素氣體；
g）電熱絲7為康銅加熱絲型或者薄膜型，直接環繞在蒸氣/氣體室6玻璃外壁上，接觸加熱方式，為產生工作要求的鹼金屬原子蒸氣提供加熱；
h）單開口真空閥門8為超高真空螺旋玻璃閥門類，用於注入鹼金屬到蒸氣/氣體室6內，使得蒸氣/氣體室6能夠重複使用：多次清洗，並可多次注入鹼金屬。
i）保溫膜9採用聚四氟乙烯薄膜，緊緊包裹住電熱絲7，防止熱損失；這種方式對於多進出口的蒸氣/氣體室6使用非常方便、直接纏繞、體積小、保溫效果好。
j）磁禁止筒10由純鐵材料加工，保證磁環組11產生滿足雷射極化惰性同位素氣體的磁場強度，並保證磁場的均勻性。
k）磁環組11由雙數永磁鐵磁環組成，通常使用一對、兩對、三對等。提供5～280高斯的縱向磁場，與雷射束5傳輸的方向一致。永磁鐵磁環為材料釹鐵硼製作。
l）光譜儀12（Ocean OpticsInc.USB 2000+微型光纖光譜儀），用於觀測雷射束5的線寬、波長和強度；監測鹼金屬蒸氣原子對雷射的吸收狀態。
m）第二遮光罩13與第一遮光罩1材料、處理、加工方式相同，封閉光譜儀12在內，防止穿過蒸氣/氣體室6的雷射束5散射光外泄、也防止外面的光入射影響光譜儀12正常工作。
n）第一玻璃管14兩端分別連線蒸氣/氣體室6與脫氧管15，構成工作氣體流動通道或者真空配氣通道，與玻璃管16、18、21、23和玻璃棒20使用相同材質，均都為GG-17玻璃。
o）脫氧管15，自製GG-17玻璃管（球），內裝有石英棉和鹼金屬。利用石英棉的微孔濾出流動工作氣體中的雜質，同時利用鹼金屬預先與殘留微量含氧氣體相互作用。二者共同減少雜質對蒸氣/氣體室6里鹼金屬的影響。石英棉為德國CNW Technologies GmbH公司產品，型號為GOEQ-002403。
p）第二玻璃管16的兩端分別連線脫氧管15和第一（雙開口）真空閥門17。
q）第一（雙開口）真空閥門17為超高真空螺旋玻璃閥門類，用於注入鹼金屬到蒸氣/氣體室6里之後，關閉保證鹼金屬的安全和蒸氣/氣體室6的移動；也使得蒸氣/氣體室6方便地多次清洗和重裝鹼金屬。
r）第三玻璃管18，連線第一（雙開口）真空閥門17和第一（三開口）真空閥門19。
s）第一（三開口）真空閥門19為超高真空螺旋玻璃閥門類，開/關控制選通工作氣體入口25或者真空配氣口26。
t）玻璃棒20具有加固作用，使得蒸氣/氣體室6的兩個連線玻璃管位置相對固定、方便移動。
u）第四玻璃管21連線蒸氣/氣體室6和第二（雙開口）真空閥門22，是雷射極化惰性同位素氣體流動的通道。
v）第二（雙開口）真空閥門22與第一（雙開口）真空閥門17的類別、作用均相同。
w）第五玻璃管23，連線第二（雙開口）真空閥門22和第二（三開口）真空閥門24。
x）第二（三開口）真空閥門24，開/關控制選通第一極化氣體出口27或者第二極化氣體出口28。
y）工作氣體入口25連線《一種永磁極化器》裝置之外的氣體控制單元，該發明裝置工作時，工作氣體以恆定流量流入永磁極化器。
z）真空配氣口26連線《一種永磁極化器》裝置之外的真空配氣系統，該發明裝置工作之前，先預抽蒸氣/氣體室6至高真空；永磁極化器停止工作時，由此充入高純N2氣保護蒸氣/氣體室6內鹼金屬不被氧化。
aa）第一極化氣體出口27，永磁極化器產生的極化氣體由此輸出到該發明裝置之外的核磁共振/磁共振成像樣品管，可以用於研究多孔材料、表面等。
bb）第二極化氣體出口28，永磁極化器產生的雷射極化惰性同位素氣體由此輸出到《一種永磁極化器》裝置之外的固態累加/儲存器，升華後可用於生物體等需要大容量的核磁共振/磁共振成像研究體系。
以上各零部件均能由該領域的普通技術人員製備或直接從市場購置。
榮譽表彰
2016年12月7日，《一種永磁極化器》獲得第十八屆中國專利優秀獎。
