Методика измерения температуры ближней ИК-области спектра для воды вокруг индукции подогреваемый маленький магнитный шар
Summary
Представлена методика использования волн 1150 и 1412 Нм для измерения температуры воды вокруг индукции подогреваемый маленький магнитный шар.
Abstract
Представлен способ измерения температуры воды и не мутная водных сред, окружающих индукции подогреваемый маленький магнитный шар. Этот метод использует длин волн 1150 и 1412 Нм, при котором коэффициент поглощения воды зависит от температуры. Воду или не мутная водный гель, содержащий 2,0 мм или 0,5 мм магнитный шар облученного с 1150 Нм или 1412 Нм падающего света, как выбранные с помощью узкого полосовой фильтр; Кроме того двумерных поглощение изображений, которые являются поперечной проекции коэффициента поглощения, приобретаются через ближней инфракрасной камеры. Когда предполагается, что трехмерное распределение температуры может быть сферически симметричны, они оцениваются путем применения обратное, что превращает Абель поглощения профили. Температуры наблюдались с постоянно изменяются в зависимости от времени и индукции, мощность нагрева.
Introduction
Техника для измерения температуры вблизи источников тепла небольшой в среде требуется во многих областях научных исследований и приложений. Например, в исследовании по магнитной гипертермия, который является метод лечения рака с помощью электромагнитной индукции магнитных частиц, или магнитные небольшие, очень важно точно предсказать распределение температуры, порожденных магнитных частицы1,2. Однако хотя Микроволновая печь3,4, УЗИ5,6,7,8, Оптоакустическая9, Раман10и магнитного резонанса11 ,12-методы измерения температуры на основе были исследованы и разработаны, такое распределение температуры внутри невозможно точно измерить в настоящее время. До настоящего времени сингл позиция температуры или температуры на несколько позиций были измерены через датчики температуры, которые, в случае индукционного нагрева, магнитно-оптических волокон температуры датчики13,14. Кроме того температуры поверхности СМИ удаленно были измерены посредством инфракрасного излучения Термометры для оценки внутренней температуры14. Однако когда носитель, содержащий источник тепла небольшой слой воды или не мутная водной среде, мы продемонстрировали, что ближней ИК-области спектра (NIR) поглощения полезен для измерения температур15,16, 17,18,19. Этот документ представляет подробный протокол этой техники и представительных результатов.
NIR поглощения методика основана на принципе зависимость температуры полос поглощения воды в регионе НДК. Как показано на рисунке 1a, ν1 + ν2 + ν3 полосы поглощения воды наблюдается в 1100 Нм в диапазоне длин волн 1250 Нм (λ) и переход на более короткие длины волн температуры увеличивает19. Здесь, ν1 +2 νи ν3 означает, что эта группа соответствует сочетанию трех основных режимов вибрации O-H: симметричный растяжения (ν1), изгиб (ν 2) и антисимметричный растяжения (ν3)20,21. Это изменение в спектре указывает, что длина волны наиболее чувствительных к температуре в диапазоне λ ≈ 1150 Нм. Другие полосы поглощения воды также проявлять аналогичное поведение в отношении температуры15,16,17,18,,2021. Ν1 +3 полосами νводы наблюдается в пределах диапазона λ = 1350−1500 Нм и его зависимость от температуры показано на рисунке 1b. В ν1 +3 полосами νводы 1412 Нм-волны наиболее чувствительных к температуре. Таким образом, это позволяет получить изображения двухмерный (2D) температуры, с использованием NIR камеры для захвата изображения 2D поглощения при λ = 1150 или 1412 Нм. Как коэффициент поглощения воды при λ = 1150 Нм меньше, что при λ = 1412 Нм, бывший волны подходит для приблизительно 10-мм толщиной водных сред, в то время как последний подходит для приблизительно из них толщиной 1 мм. Недавно, используя λ = 1150 Нм, мы получили распределение температуры в слое воды толщиной 10 мм, содержащий индукционного подогрева диаметром 1 мм Стальная сфера19. Кроме того, распределение температуры в слое толщиной 0,5 мм воды были измерены с помощью λ = 1412 Нм15,17.
Преимуществом до температуры на основе NIR изображений техника является простой установки и осуществить, потому что это метод измерения передачи поглощения и потребности не Флюорофор, фосфора или других тепловой зонд. Кроме того его разрешение температуры меньше 0.2 K15,17,19. Такой хороший температуры резолюции нельзя достичь другими методами передачи на основе интерферометрии, часто используемые в тепло- и массообмена исследования22,23,24. Однако, мы отмечаем, что на основе NIR температура изображений техника не подходит в тех случаях, с изменением значительной местной температуры, потому что отклонение света вызвано большой градиент температуры становится доминирующим19. Этот вопрос упоминается в этом документе, с точки зрения практического использования.
Этот документ описывает экспериментальной установки и процедуры для изображений техники на основе NIR температуры для небольшой магнит-шар нагревается через индукции; Кроме того он представляет результаты два представителя поглощения 2D изображения. Одно изображение имеет стального шара диаметром 2,0 мм в слое воды толщиной 10.0 мм, возникающий при λ = 1150 Нм. Второе изображение — стальной сферы диаметром 0,5 мм в слое сироп мальтозный толщиной 2,0 мм, возникающий при λ = 1412 Нм. Этот документ также представляет метод расчета и результаты трехмерного (3D) радиального распределения температуры, применяя обратное преобразование Абеля (IAT) для изображений 2D поглощения. IAT является действительным, когда предполагается, что распределение 3D температуры является сферически симметричной, как и в случае с подогревом сфера (рис. 2)19. Для расчета IAT multi Гауссова функция фитинг метод работает здесь, потому что СМАП Гаусса функций могут быть получены аналитически25,26,27,28,29 и подходят также для монотонно уменьшается данных; Это включает в себя эксперименты, используя теплопроводности от источника одного тепла.
Protocol
Representative Results
Discussion
Техника, представленных в настоящем документе роман, используя зависимость температуры NIR поглощения воды и не значительные трудности в создании необходимого оборудования и осуществления. Падающего света могут быть легко изготовлены с помощью галогенной лампой и NBPF. Однако нельзя ис?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Авторы благодарят г-н Kenta Ямада, г-н Ryota Фудзиока и г-н Мидзуки Кьёда за их поддержку на эксперименты и анализа данных. Эта работа была поддержана JSP-страницы KAKENHI Грант номер 25630069, Suzuki Foundation и Фонд поощрения технологии точного измерения, Япония.
Materials
| Induction heating system | CEIA, Italy | SPW900/56 | 780 kHz, 5.6 kW (max). |
| Coil | SA-Japan | custom | Water-cooled copper tube; two-turn; outer dia. 28 mm. |
| Water chiller | Matsumoto Kikai, Japan | MP-401CT | |
| Halogen lamp | Hayashi Watch-Works, Japan | LA-150UE-A | |
| Narrow bandpass filter for λ = 1150 nm | Andover | 115FS10-25 | Full width at half-maximum (FWHM): 10 nm. |
| Narrow bandpass filter for λ = 1412 nm | Andover | semi-custom | Full width at half-maximum (FWHM): 10 nm. |
| Bandpass filter for λ = 850−1300 nm | Spectrogon | SP-1300 | |
| Bandpass filter for λ = 1100−2000 nm | Spectrogon | SP-2000 | |
| NIR camera | FLIR Systems | Alpha NIR | InGaAs |
| Image acquisition software | FLIR Systems | IRvista | |
| Image processing software | NIH | ImageJ | ver. 1.51r |
| Image processing software | MathWorks | Matlab | ver. 2016a |
| Telecentric lens | Edmond Optics | 55350-L | X1 |
| Steel sphere (0.5 mm dia.) | Kobe Steel, Japan | Fe-1.5Cr-1.0C-0.4Mn (wt %) | |
| Steel sphere (2.0 mm dia.) | Kobe Steel, Japan | Fe-1.5Cr-1.0C-0.4Mn (wt %) | |
| Maltose syrup as aqueous gel | Sonton, Japan | Mizuame | Food product |
References
- Moros, E. G. . Physics of Thermal Therapy. , (2012).
- Périgo, E. G., Hemery, G., Sandre, O., Ortega, D., Garaio, E., Plazaola, F., Teran, F. J. Fundamentals and advances in magnetic hyperthermia. Appl Phys Rev. 2, 041302 (2015).
- Bardati, F., Marrocco, G., Tognolatti, P. Time-dependent microwave radiometry for the measurement of temperature in medical applications. IEEE Trans Microwave Theo Tech. 52, 1917-1924 (2004).
- Levick, A., Land, D., Hand, J. Validation of microwave radiometry for measuring the internal temperature profile of human tissue. Meas Sci Technol. 22, 065801 (2011).
- Daniels, M. J., Varghese, T., Madsen, E. L., Zagzebski, J. A. Non-invasive ultrasound-based temperature imaging for monitoring radiofrequency heating-phantom results. Phys Med Biol. 52, 4827 (2007).
- Daniels, M. J., Varghese, T. Dynamic frame selection for in vivo ultrasound temperature estimation during radiofrequency ablation. Phys Med Biol. 55, 4735 (2010).
- Seo, C. H., Shi, Y., Huang, S. -. W., Kim, K., O’Donnell, M. Thermal strain imaging: A review. Interface Focus. 1, 649-664 (2011).
- Bayat, M., Ballard, J. R., Ebbini, E. S. Ultrasound thermography: A new temperature reconstruction model and in vivo results. AIP Conf Proc. 1821, 060004 (2017).
- Petrova, E., Liopo, A., Nadvoretskiy, V., Ermilov, S. Imaging technique for real-time temperature monitoring during cryotherapy of lesions. J Biomed Opt. 21, 116007 (2016).
- Gardner, B., Matousek, P., Stone, N. Temperature spatially offset Raman spectroscopy (T-SORS): Subsurface chemically specific measurement of temperature in turbid media using anti-Stokes spatially offset Raman spectroscopy. Anal Chem. 88, 832-837 (2016).
- Yoshioka, Y., Oikawa, H., Ehara, S., Inoue, T., Ogawa, A., Kanbara, Y., Kubokawa, M. Noninvasive measurement of temperature and fractional dissociation of imidazole in human lower leg muscles using 1H-nuclear magnetic resonance spectroscopy. J Appl Physiol. 98, 282-287 (2004).
- Galiana, G., Branca, R. T., Jenista, E. R., Warren, W. S. Accurate temperature imaging based on intermolecular coherences in magnetic resonance. Science. 322, 421-424 (2008).
- Rapoport, E., Pleshivtseva, Y. . Optimal Control of Induction Heating Processes. , (2006).
- Lucía, O., Maussion, P., Dede, E. J., Burdío, J. M. Induction heating technology and its applications: Past developments, current technology, and future challenges. IEEE Trans Ind Electron. 61, 2509-2520 (2014).
- Kakuta, N., Kondo, K., Ozaki, A., Arimoto, H., Yamada, Y. Temperature imaging of sub-millimeter-thick water using a near-infrared camera. Int J Heat Mass Trans. 52, 4221-4228 (2009).
- Kakuta, N., Fukuhara, Y., Kondo, K., Arimoto, H., Yamada, Y. Temperature imaging of water in a microchannel using thermal sensitivity of near-infrared absorption. Lab Chip. 11, 3479-3486 (2011).
- Kakuta, N., Kondo, K., Arimoto, H., Yamada, Y. Reconstruction of cross-sectional temperature distributions of water around a thin heating wire by inverse Abel transform of near-infrared absorption images. Int J Heat Mass Trans. 77, 852-859 (2014).
- Kakuta, N., Yamashita, H., Kawashima, D., Kondo, K., Arimoto, H., Yamada, Y. Simultaneous imaging of temperature and concentration of ethanol-water mixtures in microchannel using near-infrared dual-wavelength absorption technique. Meas Sci Technol. 27, 115401 (2016).
- Kakuta, N., Nishijima, K., Kondo, K., Yamada, Y. Near-infrared measurement of water temperature near a 1-mm-diameter magnetic sphere and its heat generation rate under induction heating. J Appl Phys. 122, 044901 (2017).
- Libnau, F. O., Kvalheim, O. M., Christy, A. A., Toft, J. Spectra of water in the near- and mid-infrared region. Vib Spectrosc. 7, 243-254 (1994).
- Siesler, H. W., Ozaki, Y., Kawata, S., Heise, H. M. . Near-Infared Spectroscopy. , (2002).
- Shakher, C., Nirala, A. K. A review on refractive index and temperature profile measurements using laser-based interferometric techniques. Opt Laser Eng. 31, 455-491 (1999).
- Assebana, A., Lallemanda, M., Saulniera, J. -. B., Fominb, N., Lavinskaja, E., Merzkirchc, W., Vitkinc, D. Digital speckle photography and speckle tomography in heat transfer studies. Opt Laser Technol. 32, 583-592 (2000).
- Ambrosini, D., Paoletti, D., Spagnolo, S. G. Study of free-convective onset on a horizontal wire using speckle pattern interferometry. Int J Heat Mass Trans. 46, 4145-4155 (2003).
- Bracewell, R. N. . The Fourier Transform and Its Applications. , (2000).
- Yoder, L. M., Barker, J. R., Lorenz, K. T., Chandler, D. W. Ion imaging the recoil energy distribution following vibrational predissociation of triplet state pyrazine-Ar van der Waals clusters. Chem Phys Lett. 302, 602-608 (1999).
- De Colle, F., de Burgo, C., Raga, A. C. Diagnostics of inhomogeneous stellar jets: convolution effects and data reconstruction. Astron Astrophys. 485, 765-772 (2008).
- Green, K. M., Borrás, M. C., Woskov, P. P., Flores, G. J., Hadidi, K., Thomas, P. Electronic excitation temperature profiles in an air microwave plasma torch. IEEE Trans Plasma Sci. 29, 399-406 (2001).
- Bendinelli, O. Abel integral equation inversion and deconvolution by multi-Gaussian approximation. Astrophys J. 366, 599-604 (1991).
- Dorband, B., Muller, H., Gross, H., Gross, H. Vol. 5 Metrology of Optical Components and Systems. Handbook of Optical System. , (2012).
- Sheikholeslami, M., Rokni, H. B. Simulation of nanofluid heat transfer in presence of magnetic field: A review. Int J Heat Mass Trans. 115, 1203-1233 (2017).
- Häfeli, U., Schütt, W., Teller, J., Zborowski, M. . Scientific and Clinical Applications of Magnetic Carriers. , (2013).
