En teknik til at måle temperatur nær en lille varmekilde i et medium er påkrævet i mange videnskabelige forskningsområder og ansøgninger. Eksempelvis i forskning på magnetisk hypertermi, hvilket er en kræft behandling metode via elektromagnetisk induktion af magnetiske partikler eller små magnetiske spillebrikker, er det kritisk at præcist at forudsige de temperatur distributioner genereret af den magnetiske partikler^1,2. Men selv om mikroovn^3,4, ultralyd^5,6,7,8, optoacoustic⁹, Raman¹⁰og magnetisk resonans^{11 ,12}-baseret temperatur måling teknikker har været forsket og udviklet, sådan en indre temperaturfordelingen ikke kan måles præcist i øjeblikket. Hidtil, er single-position temperaturer eller temperaturer på et par positioner blevet målt via temperaturfølere, som for induktion varme, er ikke-magnetisk optisk fiber temperatur sensorer^13,14. Alternativt, overfladetemperaturer medier er fjernt målt via infrarød stråling termometre til at anslå den indre temperaturer¹⁴. Men når et medium, der indeholder en lille varmekilde er et vand-lag eller en ikke-grumset vandigt medium, vi har vist, at en nær-infrarødt (NIR) absorption teknik er nyttig til at måle temperaturer^{15,16, 17,18,19}. Dette paper præsenterer detaljerede protokollen af denne teknik og repræsentative resultater.

NIR absorption teknik er baseret på princippet om temperatur afhængighed af bands, absorption af vand i regionen NIR. Som er vist i figur 1a, ν₁ + ν₂ + ν₃ absorption band af er vand observeret i 1100-nm til 1250-nm bølgelængde (λ) rækkevidde og Skift til kortere bølgelængder som temperaturen øger¹⁹. Her, ν₁ + ν₂ + ν₃ betyder, at dette bånd svarer til kombinationen af de tre grundlæggende O-H vibrationer tilstande: symmetrisk stretching (ν₁), bøjning (ν ₂), og antisymmetriske stretching (ν₃)^20,21. Denne ændring i spektret angiver, at den mest temperatur-følsomme bølgelængde i bandet λ ≈ 1150 nm. Andre absorption bands af vand også udviser samme adfærd med hensyn til temperatur^{15,16,17,18,20,21}. Ν₁ + ν₃ bånds vand observeret inden for rækkevidde λ = 1350−1500 nm og dens temperatur afhængighed er vist i figur 1b. Ν₁ + ν₃ bånds vand er 1412 nm mest temperatur-følsomme bølgelængde. Det er således muligt at opnå todimensionale (2D) temperatur billeder ved hjælp af en NIR kamera hen til fange 2D absorbans billeder ved λ = 1150 eller 1412 nm. Som absorptionskoefficienten vand ved λ = 1150 nm er mindre end at ved λ = 1412 nm, den tidligere bølgelængde er velegnet til ca 10 mm tyk vandige medier, mens sidstnævnte er velegnet for ca 1 mm tyk. For nylig, ved hjælp af λ = 1150 nm, vi opnåede temperatur-distributioner i en 10 mm tyk vandet lag indeholdende en induktion-opvarmet diameter på 1 mm stål kugle¹⁹. Derudover temperatur-distributioner i en 0,5 mm tyk vandet lag er blevet målt ved hjælp af λ = 1412 nm^15,17.

En fordel at NIR-baserede temperaturen imaging teknik er, at det er nemt at opsætte og implementere da det er en metode til måling af transmission-absorption og brug ikke fluorophore, fosfor eller anden termisk sonde. Derudover er beslutningen temperatur mindre end 0,2 K^15,17,19. Sådan en god temperatur beslutning kan ikke opfyldes af andre transmission teknikker baseret på interferometri, som ofte har været brugt i varme og masse overførsel undersøgelser^22,23,24. Vi bemærker imidlertid, at NIR-baserede temperaturen imaging teknik er ikke egnet i tilfælde med betydelige lokale temperaturforandringer, fordi afbøjning af lys forårsaget af den store temperaturgradient bliver dominerende¹⁹. Denne sag er nævnt i dette papir med hensyn til praktisk brug.

Dette papir beskriver eksperimentel opsætning og procedure for NIR-baseret temperatur imaging teknik til en lille magnetisk kugle opvarmet via induktion; Derudover præsenterer resultaterne af to repræsentative 2D absorbans billeder. Et billede er af en diameter på 2,0 mm stål kugle i en 10,0 mm tyk vandet lag, der er fanget ved λ = 1150 nm. Det andet billede er af en diameter på 0,5 mm stål kugle i en 2,0 mm tyk maltose sirup lag, der er fanget ved λ = 1412 nm. Dette paper præsenterer også beregningsmetode og resultaterne af den tre-dimensionelle (3D) radial distribution af temperatur ved at anvende inverse Abel transformering (IAT) 2D absorbans billeder. IAT er gyldig, når et 3D temperaturfordelingen antages for at være sfærisk symmetriske som i tilfælde af en opvarmet sfære (figur 2)¹⁹. For beregningen IAT er en multi-Gaussisk funktion montering metode ansat her, fordi IATs af Gaussisk funktion kan opnås analytisk^{25,26,27,28,29} og passer godt til monoton faldende data; Dette omfatter eksperimenter beskæftiger termisk overledning fra en enkelt varmekilde.