Técnica de medição de temperatura infravermelha para a água ao redor de uma esfera magnética pequena aquecida a indução

Uma técnica para medir a temperatura perto de uma fonte de calor pequeno dentro de um meio é necessário em muitos campos de investigação científica e aplicações. Por exemplo, na pesquisa sobre Hipertermia magnética, que é um método de terapia de câncer usando indução eletromagnética de partículas magnéticas, ou pequenas peças magnéticas, é fundamental para prever com precisão as distribuições de temperatura geradas pelo magnético partículas de^1,2. No entanto, apesar de microondas^3,4, ultra-som^5,6,7,8, optoacoustic⁹, Raman¹⁰e ressonância magnética^{11 ,12}-técnicas de medição de temperatura com base foi pesquisadas e desenvolvidas, tal uma distribuição de temperatura interna não pode ser medida com precisão no momento. Até agora, único-posição temperaturas ou temperaturas em algumas posições foram medidas através de sensores de temperatura, que, no caso de aquecimento por indução, são não-magnéticos fibra óptica temperatura sensores^13,14. Alternativamente, as temperaturas de superfície dos meios de comunicação foram medidas remotamente através de termômetros de radiação infravermelha para estimar a temperatura interna¹⁴. No entanto, quando um meio que contenha uma fonte de calor pequeno é uma camada de água ou meio aquoso não-turvo, temos demonstrado que uma técnica de absorção do infravermelho próximo (NIR) é útil para medir as temperaturas de^{15,16, 17,18,19}. Este trabalho apresenta o protocolo detalhado desta técnica e resultados representativos.

A técnica de absorção de NIR baseia-se no princípio da dependência da temperatura de bandas de absorção de água na região NIR. Como é mostrado na Figura 1a, ν₁ + ν₂ + ν₃ banda de absorção de água é observada no 1100 nm a gama de 1250 nm comprimento de onda (λ) e turnos para comprimentos de onda mais curtos, como a temperatura aumenta a¹⁹. Aqui, ν₁ + ν₂ + ν₃ significa que esta banda corresponde à combinação dos três modos de vibração fundamentais O-H: simétrica alongamento (ν₁), dobra (ν ₂) e antisimétrico alongamento de^20,(ν₃)²¹. Esta mudança no espectro indica que o comprimento de onda mais sensível à temperatura na faixa de λ ≈ 1150 nm. Outras bandas de absorção de água também apresentam um comportamento semelhante em relação a temperatura^{15,16,17,18,20,21}. O ν₁ + ν₃ banda de água observadas dentro do intervalo λ = 1350−1500 nm e sua dependência de temperatura são mostrados na Figura 1b. No ν₁ + ν₃ banda de água, 1412 nm é o comprimento de onda mais sensível à temperatura. Assim, é possível obter imagens bidimensionais (2D) temperatura usando uma câmera NIR para capturar imagens 2D absorvância em λ = 1150 ou 1412 nm. Como o coeficiente de absorção de água em λ = 1150 nm é menor que em λ = 1412 nm, comprimento de onda anterior é apropriado para aproximadamente 10 mm de espessura meios aquosos, enquanto o último é apropriado para aproximadamente 1 mm de espessura os. Recentemente, usando λ = 1150 nm, obtivemos as distribuições de temperatura em uma camada de 10 mm de espessura água contendo uma esfera de aço de 1 mm de diâmetro aquecida a indução de¹⁹. Além disso, as distribuições de temperatura em uma camada de água de 0,5 mm de espessura foram medidas usando λ = 1412 nm^15,17.

Uma vantagem para a temperatura de NIR-baseado de imagem técnica é que é simples de configurar e implementar porque é uma técnica de medição de transmissão-absorção e precisa sem fluoróforo, fósforo ou outra sonda térmica. Além disso, a sua resolução de temperatura é inferior a 0,2 K^15,17,19. Essa resolução boa temperatura não pode ser alcançada por outras técnicas de transmissão baseadas em interferometria, que muitas vezes foram utilizadas no calor e transferência de massa estudos^22,23,24. Notamos, no entanto, que a temperatura de NIR-baseado de imagem técnica não é adequada em casos com alteração considerável da temperatura local, porque a deflexão da luz causada pelo grande gradiente de temperatura se torna dominante¹⁹. Este assunto é submetido neste trabalho em termos de uso prático.

Este documento descreve a instalação experimental e o procedimento para o NIR-baseado temperatura técnica de imagem para uma pequena esfera magnética aquecida através da indução; Além disso, apresenta os resultados de duas imagens representativas de absorvância 2D. Uma imagem é de uma esfera de aço de 2,0 mm de diâmetro em uma camada de água 10.0-mm de espessura que é capturada em λ = 1150 nm. A segunda imagem é de uma esfera de aço de 0,5 mm de diâmetro em uma camada de xarope de maltose 2.0-mm de espessura que é capturada em λ = 1412 nm. Este artigo apresenta o método de cálculo e resultados da tridimensional (3D) distribuição radial de temperatura aplicando o inverso transformar Abel (IAT) para as imagens 2D absorvância. O IAT é válido quando uma distribuição de temperatura 3D será assumida que é esfericamente simétrica, como no caso de uma esfera aquecida (Figura 2)¹⁹. Para o cálculo do IAT, uma função de multi-Gaussian montagem método é empregada aqui, porque os IATs Gaussian funções podem ser obtidas analiticamente^25,26,,^27,28,29 e ajuste bem a diminuir monotonicamente dados; Isso inclui experimentos empregando condução térmica de uma fonte de calor única.