Tecnica di misurazione della temperatura vicino infrarosso per l'acqua che circonda una sfera magnetica piccola riscaldata a induzione

Una tecnica per misurare la temperatura vicino ad una fonte di calore piccolo all’interno di un mezzo è necessaria in molti campi della ricerca scientifica e applicazioni. Ad esempio, nella ricerca sulla ipertermia magnetica, che è un metodo di terapia del cancro tramite induzione elettromagnetica di particelle magnetiche o piccoli pezzi magnetici, è fondamentale prevedere con precisione le distribuzioni di temperatura generate da magnetico particelle^1,2. Tuttavia, anche se a microonde^3,4, ultrasuono^5,6,7,8, optoacoustic⁹, Raman¹⁰e a risonanza magnetica^{11 ,12}-tecniche di misurazione di temperatura base sono stati studiati e sviluppati, così una distribuzione di temperatura interna non può essere misurata con precisione al momento. Finora, singolo-posizione o temperature alle poche posizioni sono state misurate tramite sensori di temperatura, che, nel caso di riscaldamento di induzione, sono non-magnetico fibra ottica temperatura sensori^13,14. In alternativa, le temperature superficiali dei media sono state misurate in remoto tramite termometri a raggi infrarossi per stimare la temperature interna¹⁴. Tuttavia, quando un mezzo contenente una fonte di calore piccolo è uno strato di acqua o un mezzo acquoso non torbida, abbiamo dimostrato che una tecnica di assorbimento infrarosso vicino (NIR) è utile per misurare le temperature^{15,16, 17,18,19}. Questa carta presenta il protocollo dettagliato di questa tecnica e risultati rappresentativi.

La tecnica di assorbimento NIR si basa sul principio della dipendenza di temperatura delle bande di assorbimento d’acqua della regione NIR. Come è mostrato nella Figura 1a, ν₁ + ν₂ + ν₃ banda di assorbimento di acqua è osservato in 1100-nm a 1250 nm lunghezza d’onda (λ) e si sposta verso lunghezze d’onda più breve come la temperatura aumenta¹⁹. , Ν₁ + ν₂ + ν₃ significa che questa band corrisponde alla combinazione delle tre fondamentali modalità di vibrazione O-H: simmetrica stretching (ν₁), piegatura (ν ₂) e antisimmetrici stretching (ν₃)^20,21. Questo cambiamento nello spettro indica che la lunghezza d’onda più sensibili alla temperatura nella banda è λ ≈ 1150 nm. Altre bande di assorbimento di acqua inoltre esibiscono un comportamento simile per quanto riguarda le temperatura^{15,16,17,18,20,21}. Il ν₁ + ν₃ band di acqua osservato all’interno della gamma λ = 1350−1500 nm e la sua dipendenza di temperatura sono mostrati in Figura 1b. Nel ν₁ + ν₃ band di acqua, 1412 nm è la lunghezza d’onda più sensibili alla temperatura. Così, è possibile ottenere immagini bidimensionali (2D) temperatura mediante una telecamera NIR per catturare le immagini 2D assorbanza a λ = 1150 o 1412 nm. Come il coefficiente di assorbimento d’acqua a λ = 1150 nm è minore che a λ = 1412 nm, la lunghezza d’onda ex è adatta a mezzi acquosi di circa 10 mm di spessore, mentre il secondo è adatto per circa 1 mm di spessore ones. Recentemente, usando λ = 1150 nm, abbiamo ottenuto le distribuzioni di temperatura in un livello di 10 mm di spessore acqua contenente un induzione-riscaldata della sfera d’acciaio di 1 mm di diametro¹⁹. Inoltre, le distribuzioni di temperatura in uno strato di acqua di 0,5 mm di spessore sono state misurate utilizzando λ = 1412 nm^15,17.

Un vantaggio per la temperatura di NIR-base tecnica di imaging è che è semplice da configurare e implementare perché è una tecnica di misurazione di trasmissione-assorbimento e ha bisogno di nessun fluoroforo, fosforo o altra sonda termica. Inoltre, la sua risoluzione di temperatura è inferiore a 0,2 K^15,17,19. Tale risoluzione temperatura buona non può essere realizzato mediante altre tecniche di trasmissione basati su interferometria, che spesso sono stati utilizzati in calore e trasferimento di massa studi^22,23,24. Si nota, tuttavia, che la temperatura di NIR-base tecnica di imaging non è adatta nei casi con variazione di temperatura locale considerevole, perché la deflessione della luce causata dal grande gradiente di temperatura diventa dominante¹⁹. Questa questione in questa carta in termini di uso pratico.

Questo articolo descrive la messa a punto sperimentale e la procedura per la tecnica di imaging temperatura basati su NIR per una piccola sfera magnetica riscaldata tramite induzione; Inoltre, presenta i risultati delle due immagini rappresentative 2D assorbanza. Un’immagine è di una sfera d’acciaio di 2.0 mm di diametro in uno strato di acqua 10.0 mm di spessore che viene catturato a λ = 1150 nm. La seconda immagine è di una sfera di acciaio di diametro 0,5 mm in uno strato di sciroppo di maltosio 2.0 mm di spessore che viene catturato a λ = 1412 nm. Questa carta presenta anche il metodo di calcolo e i risultati della distribuzione radiale tridimensionale (3D) della temperatura applicando l’inverso trasforma Abel (IAT) per le immagini 2D assorbanza. IAT è valido quando si presuppone che una distribuzione di temperatura 3D sia sfericamente simmetrica come nel caso di una sfera riscaldata (Figura 2)¹⁹. Per il calcolo di IAT, una funzione di multi-Gaussiana montaggio metodo è impiegata qui, perché la IAT di funzioni gaussiane possono essere ottenute analiticamente^{25,26,27,28,29} e si adattano bene alla monotonicamente decrescente dati; Questo include esperimenti impiegando conduzione termica da una fonte di calore unico.