Nabij-infrarood temperatuur meting techniek voor het Water rondom een inductie-verwarmd kleine magnetische bol

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 deeltjes^1,2. Echter, hoewel magnetron^3,4, echografie^5,,^6,,^7,8, optoacoustic⁹, Raman¹⁰en magnetische resonantie^{11 ,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 sensoren^13,14. 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 temperatuur^{15,16, 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 temperatuur^{15,16,17,18,20,21}. 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 nm^15,17.

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 K^15,17,19. 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 studies^22,23,24. 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 analytisch^{25,26,27,28,29} en passen goed bij monotoon minderen gegevens; het gaat hierbij om experimenten met thermische geleiding van een interne warmtebron.