Nabij-infrarood temperatuur meting techniek voor het Water rondom een inductie-verwarmd kleine magnetische bol
Summary
Een techniek met behulp van golflengten van 1150 en 1412 nm voor het meten van de temperatuur van het water rond een inductie-verwarmd kleine magnetische bol wordt gepresenteerd.
Abstract
Een techniek voor het meten van de temperatuur van het water en niet-troebel waterige media rondom een inductie-verwarmd kleine magnetische bol wordt gepresenteerd. Deze techniek maakt gebruik van golflengten van 1150 en 1412 nm, waartegen de absorptiecoëfficiënt van water is afhankelijk van de temperatuur. Water of een niet-troebel waterige gel met een 2.0- of 0,5-mm-diameter mm magnetische bol wordt bestraald met 1150 nm of 1412 nm invallende licht, als het geselecteerde met behulp van een smalle bandfilter filter; Bovendien zijn twee-dimensionale extinctie beelden, die de dwarse prognoses van de d’absorption acoustique zijn, verworven via een nabij-infrarood camera. Wanneer de driedimensionale verdelingen van de temperatuur worden aangenomen bolsymmetrisch dat kunnen, worden ze geschat door inverse die Abel transformeert naar de absorptie profielen toe te passen. De temperaturen waren waargenomen consequent veranderen al naar gelang de tijd en de macht van inductieverhitting.
Introduction
Een techniek voor het meten van de temperatuur in de buurt van een kleine warmtebron binnen een medium is vereist in veel gebieden van het wetenschappelijk onderzoek en toepassingen. Bijvoorbeeld, in het onderzoek naar de magnetische hyperthermie, oftewel een kanker therapie methode met behulp van elektromagnetische inductie van magnetische deeltjes of magnetische reepjes, is het essentieel om nauwkeurig te voorspellen de temperatuur distributies gegenereerd door de magnetische deeltjes1,2. Echter, hoewel magnetron3,4, echografie5,,6,,7,8, optoacoustic9, Raman10en magnetische resonantie11 ,12-gebaseerde temperatuur meettechnieken zijn onderzocht en ontwikkeld, die een innerlijke temperatuur verdeling kan niet nauwkeurig worden gemeten op dit moment. Tot nu toe zijn één-positie temperaturen of temperaturen op een paar posities gemeten via temperatuursensoren, die, in het geval van inductie verhitten, niet-magnetisch optische vezel temperatuur sensoren13,14. Anderzijds hebben de oppervlakte temperaturen van media op afstand gemeten via infrarood straling thermometers te schatten van de innerlijke temperaturen14. Echter wanneer een medium met een kleine warmtebron een laag water of een niet-troebel waterig medium is, hebben wij aangetoond dat een nabij-infrarood (NIR) absorptie techniek nuttig is voor het meten van de temperatuur15,16, 17,18,19. Dit document stelt de gedetailleerde protocol van deze techniek en representatieve resultaten.
De NIR Absorptie techniek is gebaseerd op het beginsel van de temperatuursafhankelijkheid van de bands van de absorptie van water in het NIR gebied. Zoals blijkt uit Figuur 1a, de ν1 + ν2 ν3 absorptie band van wordt water als de temperatuur in de 1100-nm tot 1250-nm (λ) golflengtebereik en verschuivingen voor kortere golflengtes waargenomen verhoogt19. Hier, ν1 + ν2 + ν3 betekent dat deze band komt met de combinatie van de drie fundamentele O-H trillingen modi overeen: symmetrische uitrekken (ν1), (ν buigen 2), en antisymmetrische (ν3)20,21uitrekken. Deze wijziging in het spectrum geeft aan dat de meest temperatuurgevoelig golflengte in de band λ ≈ 1150 nm is. Andere bands van de absorptie van water ook vertonen vergelijkbaar gedrag met betrekking tot de temperatuur15,16,17,18,20,21. De ν1 + ν3 band water waargenomen binnen het bereik λ = 1350−1500 nm en de temperatuursafhankelijkheid worden weergegeven in Figuur 1b. In de ν1 + ν3 band van water is 1412 nm de meest temperatuurgevoelig golflengte. Dus, is het mogelijk te verkrijgen van tweedimensionale (2D) temperatuur beelden met behulp van een NIR-camera opnamen van 2D extinctie op λ = 1150 of 1412 nm. Als de absorptiecoëfficiënt van water op λ = 1150 nm is kleiner dan dat bij λ = 1412 nm, de voormalige golflengte is geschikt voor ongeveer 10 mm dik-waterige media, terwijl de laatste is geschikt voor ongeveer 1 mm dik-ones. Onlangs, met behulp van λ = 1150 nm, kregen we de distributies van de temperatuur in een laag van 10 mm dik-water met een inductie-verwarmd 1-mm-diameter stalen bol19. Bovendien, de verdelingen van de temperatuur in een laag water van 0,5 mm dik zijn gemeten met behulp van λ = 1412 nm15,17.
Een voordeel van de NIR-gebaseerde temperatuur imaging techniek is dat het is eenvoudig te installeren en uit te voeren omdat het is een meettechniek transmissie-absorptie en geen fluorophore, fosfor of andere thermische sonde vergt. Daarnaast is zijnresolutie van de temperatuur lager dan 0,2 K15,17,19. Zo’n goede temperatuur resolutie kan niet worden bereikt door andere transmissie technieken op basis van interferometrie, die vaak werden gebruikt in de warmte- en massaoverdracht studies22,23,24. Wij merk echter op dat de NIR-gebaseerde temperatuur imaging techniek is niet geschikt in gevallen met aanzienlijke lokale temperatuurverandering, omdat de afbuiging van licht veroorzaakt door de grote temperatuur gradiënt wordt dominante19. Deze kwestie wordt aangeduid in deze paper in termen van praktische gebruik.
Dit witboek beschrijft de experimentele opzet en de procedure voor de NIR-gebaseerde temperatuur beeldvormende techniek voor een kleine magnetische bol verwarmd via inductie; Bovendien, presenteert het de resultaten van twee representatieve 2D extinctie beelden. Een beeld is van een 2.0-mm-diameter stalen bol in een 10,0-mm dik water laag die is gevangen bij λ = 1150 nm. Het tweede beeld is van een stalen bol van 0,5-mm-diameter in een 2.0-mm dik maltose siroop laag die is gevangen bij λ = 1412 nm. Dit document stelt ook de berekeningsmethode en de resultaten van de driedimensionale (3D) radiale verdeling van temperatuur door de inverse transformatie Abel (IAT) toe te passen op de absorptie van 2D-afbeeldingen. De IAT is geldig bij een 3D temperatuur verdeling wordt ervan uitgegaan dat bolsymmetrisch zoals in het geval van een verwarmde bol (Figuur 2)19. Voor de berekening van de IAT, is een functie van de multi-Gaussiaans montage methode werkzaam hier, omdat de IATs van Gauss functies kunnen worden verkregen analytisch25,26,27,28,29 en passen goed bij monotoon minderen gegevens; het gaat hierbij om experimenten met thermische geleiding van een interne warmtebron.
Protocol
Representative Results
Discussion
De techniek in deze paper gepresenteerd is een roman een met behulp van de temperatuursafhankelijkheid van NIR Absorptie van water en presenteert geen aanzienlijke problemen bij het opzetten van de nodige apparatuur en uitvoering. Het invallende licht kan gemakkelijk worden geproduceerd met behulp van een halogeenlamp en een NBPF. Nochtans, lasers niet worden gebruikt, omdat samenhangende interferentie patronen op de beelden verschijnen zou. Gemeenschappelijke optische lenzen en glas cellen voor zichtbaar licht gebruik k…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De auteurs bedanken Mr. Kenta Yamada, Mr. Ryota Fujioka en Mr. Mizuki Kyoda voor hun steun op de experimenten en data-analyses. Dit werk werd gesteund door JSPS KAKENHI Grant nummer 25630069, de Suzuki Foundation, en de nauwkeurige meting technologie promotie Foundation, Japan.
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 |
Riferimenti
- 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).
