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Engineering

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

Published: April 30, 2018 doi: 10.3791/57407
Automatic Translation
1, 1, 1, 1, 2, 3
1Department of Mechanical Engineering, Tokyo Metropolitan University, 2Department of Electrical and Electronic Engineering, Tottori University, 3Brain Science Inspired Life Support Research Center, The University of Electro-Communications

ERRATUM NOTICE

Summary

Una tecnica che utilizza lunghezze d'onda di 1150 e 1412 nm per misurare la temperatura dell'acqua che circonda una sfera magnetica piccola riscaldata a induzione è presentata.

Abstract

Una tecnica per misurare la temperatura dell'acqua e mezzi acquosi non torbido che circonda una sfera magnetica piccola riscaldata a induzione è presentata. Questa tecnica utilizza lunghezze d'onda di 1150 e 1412 nm, in cui il coefficiente di assorbimento di acqua dipende dalla temperatura. Acqua o un gel acquoso non torbida contenente una sfera magnetica del diametro di 2,0 mm o 0,5 mm viene irradiato con 1150 nm o 1412 luce incidente nm, come selezionato utilizzando un filtro passa-banda stretto; Inoltre, immagini di assorbanza bidimensionale, che sono le proiezioni trasversale del coefficiente di assorbimento, vengono acquisiti tramite una telecamera infrarosso vicino. Quando le distribuzioni tridimensionale della temperatura possono essere presupposto per essere sfericamente simmetrico, sono stimati applicando l'inverso che trasforma Abel per i profili di assorbanza. Le temperature sono state osservate costantemente cambiare secondo il tempo e la potenza di riscaldamento ad induzione.

Introduction

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 particelle1,2. Tuttavia, anche se a microonde3,4, ultrasuono5,6,7,8, optoacoustic9, Raman10e a risonanza magnetica11 ,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 sensori13,14. 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 temperature15,16, 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 temperatura15,16,17,18,20,21. 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 nm15,17.

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 K15,17,19. 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 studi22,23,24. 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 analiticamente25,26,27,28,29 e si adattano bene alla monotonicamente decrescente dati; Questo include esperimenti impiegando conduzione termica da una fonte di calore unico.

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Protocol

1. organizzazione sperimentale e procedure

Preparare una guida ottica montare un campione e ottica per NIR imaging come segue.

  1. Preparazione del campione.
    Nota: Quando si utilizza acqua o liquidi acquosi, punto 1.1.1. Quando si utilizza un gel acquoso con elevata viscosità, punto 1.1.2.
    1. Sfera in acciaio impostazione in acqua.
      1. Difficoltà una sfera d'acciaio di 2.0 mm di diametro all'estremità di una stringa di plastica sottile utilizzando una piccola quantità di colla.
      2. Appendere la sfera d'acciaio al centro della cella rettangolare in vetro con un cammino ottico di 10,0 mm, una larghezza di 10 mm e un'altezza di 45 mm (Figura 3).
      3. Versare acqua filtrata nella cella con attenzione per non produrre bolle d'aria.
        Nota: Una sfera d'acciaio può essere fissata all'estremità di una bacchetta di plastica sottile con una piccola quantità di colla19.
    2. Sfera in acciaio impostazione in gel acquoso.
      1. Riscaldare un gel acquoso per ridurre la sua viscosità tale che è abbastanza basso per essere versato senza intoppi.
      2. Usando una siringa, versare il gel acquoso in una cella rettangolare in vetro con un cammino ottico di 2.0 mm, una larghezza di 10 mm e un'altezza di 45 mm a mezzo pieno e lasciarlo raffreddare.
      3. Posizionare una sfera di acciaio di diametro 0,5 mm al centro della superficie del gel.
      4. Riempire la cella con il gel acquoso.
        Nota: Sfere più grandi (> ~ 1 mm ø) non deve essere utilizzato con un gel perché si muoveranno dalle forze gravitazionali e/o magnetiche durante il riscaldamento ad induzione.
    3. Impostare la cella in un supporto di plastica e montarlo sulla guida ottica (Figura 3).
  2. Preparazione di NIR sistema di imaging.
    1. Preparare una lampada alogena con una guida luce a fibra ottica e fissare l'estremità della Guida di luce di fibra con un supporto sulla guida ottica.
    2. Posizionare un filtro passa-banda stretta (NBPF) con un picco di trasmittanza a λ = 1150 nm o λ = 1412 nm tra la guida luce a fibra ottica e la cella (Figura 3).
    3. Interporre un altro filtro passa banda (BPF), cui intervallo di lunghezza d'onda di trasmissione è più ampia di quella di NBPF, tra la lampada alogena e il NBPF.
      Nota: La BPF è necessaria per evitare danni termici alla NBPF perché riceve direttamente la luce.
    4. Interporre un iris diaphragm(s) nel percorso della luce tra il titolare NBPF e cella per ridurre la luce parassita (Figura 3).
    5. Impostare una telecamera NIR per rilevare la luce trasmessa attraverso la cella (Figura 3). Collegare la fotocamera tramite un cavo di trasferimento dati per una scheda grafica installata in un personal computer (PC) con il software di acquisizione immagini.
    6. Impostare un obiettivo telecentrico tra la cella e la telecamera (Figura 3).
      Nota: Un comune obiettivo della fotocamera può anche essere utilizzato. Tuttavia, un obiettivo telecentrico è meglio in termini della rivelazione selettiva di luce parallelo al capo ray per IAT e riduzione dell'influenza della diffrazione.
      Nota: La NBPF e la BPF non devono essere messi tra la fotocamera e il cellulare perché, in tal modo, la temperatura dell'acqua aumenterebbe tramite assorbimento diretto di luce ad alta intensità della lampada alogena.
    7. Accendere la fotocamera NIR e lanciare il software di acquisizione immagine.
    8. Accendere la lampada alogena e regolare la potenza in uscita osservando l'immagine visualizzata sul monitor (Figura 4).
    9. Regolare l'asse, la posizione e la messa a fuoco dell'obiettivo telecentrico per ottenere una bella immagine della sfera d'acciaio.
      Nota: Se la regolazione non è completa, modelli di intensità irregolare apparirà, leader di assorbanza non corretto.
  3. Preparazione del sistema di riscaldamento ad induzione.
    1. Preparare una sistema costituito da un generatore ad alta frequenza di induzione (massima potenza di uscita: 5.6 kW; frequenza: 780 kHz), bobina raffreddata ad acqua e refrigeratore d'acqua.
      Nota: Una sistema per la brasatura di induzione, saldatura e saldatura minuterie metalliche è appropriato per questo scopo; Vedi Tabella materiali.
    2. Se possibile, montare la bobina su un palcoscenico mobile XYZ per modificarne la posizione.
    3. Posizionare la bobina accanto alla cella, tale che la distanza tra il centro della bobina e la sfera d'acciaio è di circa 15 mm (Figura 3). Assicurarsi che non esistono altre parti metalliche vicino alla bobina.
      Nota: La distanza dovrebbe essere regolata secondo la potenza e la dimensione della sfera di riscaldamento ad induzione.
    4. Far circolare l'acqua per il raffreddamento.
  4. Acquisizione di immagini e riscaldamento ad induzione.
    1. Cliccare su "start" sul software di acquisizione immagine per memorizzare le immagini in sequenza.
    2. Cliccare su "start" il software di controllo per iniziare il riscaldamento ad induzione di riscaldamento ad induzione.
    3. Dopo alcuni secondi (a seconda delle condizioni e finalità), fare clic su "stop" il software di acquisizione immagini.
    4. Fare clic su "stop" sull'induzione Riscaldamento software di controllo.
    5. Salvare le immagini temporaneamente memorizzato come una sequenza TIFF (o altro formato non compresso) del software di acquisizione immagine.
      Nota: Se la temperatura è abbastanza alta, l'effetto di luce deflessione apparirà sull' immagine7. La potenza di riscaldamento di induzione deve essere diminuito in modo appropriato anche se esperimenti tale che l'aumento della temperatura vicino alla sfera è inferiore a circa 10 K, che può essere confermato nei seguenti passaggi protocollo per la stima della temperatura.

2. elaborazione di immagini e stima di temperatura

Nota: Le immagini salvate e sequenziale sono rappresentate come ioho(x, z), dove i è il numero di telaio sequenziale. Le coordinate x, y, z, re r' sono definiti come sono indicati in Figura 2; z è positivo nella direzione opposta a gravità. Il contorno dei passaggi del protocollo seguente è illustrato anche in Supplement 1.

  1. Costruzione di immagini di assorbanza.
    1. Aperto ioho(x, z) con il software di elaborazione di immagini.
    2. Ridurre il rumore in ioho(x, z) implementando una media di 3 × 3 pixel.
    3. Creare un'immagine media di ioho(x, z) oltre i = 1 a 5 (o più) prima del riscaldamento e definirlo come l'immagine di riferimento, r(x, z).
      Nota: Questa media riduce il rumore per ottenere un'immagine più affidabile rispetto a un'immagine di singolo fotogramma.
    4. Costruire le immagini sequenziale della differenza di assorbanza, Δaimi(x, z), tramite la seguente equazione:
      Equation 1(1)
      Nota: Δaimi(x, z) è la variazione di assorbanza, unio(x, z), dall'assorbanza di riferimento, r(x, z), prima di riscaldamento ed è derivato come segue15,16,17,18,19:
      Equation 2(2)
      dove ho0 è l'intensità della luce incidente alla cella.
    5. Colorare le Δaimi immagini utilizzando una mappa di colore appropriato ad esempio blu-rosso.
      Nota: Il file di script di comando per l'esecuzione di passaggi 2.1.2 attraverso 2.1.5 per ImageJ è presentato in Supplement 2.
  2. Stima di temperatura.
    1. Scegli il periodo di tempo durante il quale Δaimi(x, z) è circolarmente simmetrica rispetto al centro della sfera osservando visivamente le immagini.
      Nota: La simmetria circolare è rotto principalmente dalla convezione libera. Un giudizio analitico basato su immagine di convezione libera che si verificano è stato introdotto nel precedente lavoro19; Tuttavia, in pratica, il giudizio visivo è efficace.
    2. Estrarre i Δaimi(ʹr, θ) dati lungo 360 linee radiali (Δθ = 1 ˚) sulle immagini Δunmi(x, z).
    3. Escludere i Δaimi(ʹr, θ) dati all'interno della sfera e nelle sue vicinanze (Δrʹ≈ 0,2 mm). Nota: I dati sono anomalamente molto piccole o grandi nelle vicinanze principalmente a causa del lieve movimento della sfera.
    4. Media Δunmi(ʹr, θ) sopra θ per determinare il profilo di linea, Δunmi(rʹ).
      Nota: Il file di script di comando per l'esecuzione di passaggi 2.2.2 attraverso 2.2.4 per ImageJ è presentato in Supplement 3.
    5. Ravvicinare i dati Δaimi(rʹ) attraverso la seguente funzione di multi-Gaussiana:
      Equation 3(3)
      dove j è il fattore di ponderazione, σj è il parametro di dispersione e R è il numero massimo di rʹ dove Δaimi(R) = 0 può essere presupposto.
    6. Calcolare la differenza di coefficiente di assorbimento, Δµho(r), sostituendo l'ottenuta unj, σj e Nin EQ. seguente IAT (3):
      Equation 4(4)
      dove erf è la funzione di errore.
    7. Δµho(r) convertire temperatura tramite la seguente equazione:
      Equation 5(5)
      con i coefficienti di temperatura dell'acqua, αf, che sono 4.0 × 10-3 K-1 mm-1 per λ = 1150 nm19 e 4,1 × 10-3 K-1 mm-1 per λ = 1412 nm17.
      Nota: Il file di script di comando per l'esecuzione di passaggi 2.2.5 attraverso 2.2.7 è presentato in Supplement 4, dove il di17,algoritmo di Levenberg-Marquardt minimi quadrati non lineari19 è impiegato per passaggio 2.2.5.

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Representative Results

Immagini di Δaimi(x, z) a λ = 1150 nm per una sfera di acciaio di 2.0 mm di diametro in acqua e a λ = 1412 nm per una sfera di acciaio di diametro 0,5 mm in sciroppo di maltosio sono presentati in Figura 5un e Figura 6una, rispettivamente. In entrambi i casi, la sfera era situato 12 mm sotto il bordo inferiore della bobina lungo il suo asse centrale. Figura 5 Figura 6b e b mostrano la ΔA(rʹ) data e loro funzioni multi-Gaussiana componibile in EQ. (3) con R = 3,0 mm e R = 1,5 mm, rispettivamente. Non più di due o tre funzioni gaussiane (N = 2 o 3) sono necessari per ottenere un buon fit17,19. Le funzioni di misura sono stati poi trasformate in profili aT(r) Δ via SQA. (4) e (5) e sono presentati in Figura 5c e Figura 6c.

L'un immagini Δ in entrambi i casi chiaramente mostrano un aumento della temperatura dell'acqua e gel che circonda la sfera a causa di conduzione termica. La simmetria circolare di ΔA per quanto riguarda la sfera è osservata in tutte le immagini. Le trame e le curve in Figura 5c indicano che ΔA(rʹ) aumenta con il tempo a distanze più vicine a sfera; a rʹ≥ 2,5 mm, non significativo cambiamento è osservato. Inoltre, i profili diT(r) Δ ottenuti tramite IAT verificare l'occorrenza di conduzione termica in direzione radiale. Si noti che, sebbene i profili aT(r) Δ appaiono simili a quelli di ΔA(rʹ), le modifiche del gradiente dir dΔ /dT(r) differiscono da quelle dei profili (rʹ)AΔ . In Figura 6, si trovano le magnitudini di ΔA corrispondere alla potenza di riscaldamento livelli, vale a dire, tassi di generazione del calore della sfera.

Risultati per la sfera di diametro 0,5 mm dimostrano che la convezione libera, che distorce il modello circolare in ΔA, non è stata osservata dopo t = 1.2 s. al contrario, per la sfera di 2.0 mm di diametro in acqua, convezione libera è stata trovata per accadere dopo t = 1.2 s (non mostrato). Questo significa che potrebbe essersi verificato una transizione da un regime di conduzione termica pura a un regime di convezione libera in acqua a circa t = 1.2 s. Questa differenza di convezione libera è stata causata tramite le differenze nel tasso di generazione di calore e viscosità. Il tasso di generazione di calore della sfera diametro 0,5 mm era sensibilmente inferiore a quella della sfera diametro 2.0 mm; Inoltre, la viscosità dello sciroppo di maltosio (circa 100 PA · s) era notevolmente superiore a quella dell'acqua (circa 0,001 PA · s). Perché convezione libera è un argomento importante nel trasferimento di calore e massa ricerca, la proposta tecnica di imaging, che fornisce il tempo di insorgenza di convezione libera e modello del pennacchio termico e fornisce informazioni sulle condizioni fisiche inducendo gratis convezione, contribuirà in modo significativo alla ricerca in questo campo.

Figure 1
Figura 1 : Dipendenza di temperatura di NIR spettro di assorbimento di acqua. (a, b) Spettri di banda di assorbimento di acqua a temperature da 16,0 ° C di (blu) a 44,0 ° C (rosso) in incrementi di 4,0 ° C in intervalli di lunghezza d'onda di nanometro 1100-1250 e 1350-1500 nm, rispettivamente. Le frecce indicano la direzione dell'aumento della temperatura. Gli inserti mostrano l'assorbanza spettri di differenza; gli spettri di assorbanza a 16,0 ° C sono i riferimenti. Le lunghezze di percorso ottico sono 10 mm e 1,0 mm in (a) e (b), rispettivamente. Le linee tratteggiate verticali indicano le lunghezze d'onda sensibili alla temperatura di 1150 nm e 1412 nm utilizzato per ottenere le immagini NIR. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 2
Figura 2 : Sistema di Coordinate e geometria per l'imaging di assorbanza. Tratto da Kakuta et al 201719 con il permesso di pubblicazione AIP. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 3
Figura 3 : Messa a punto sperimentale. (a) schema del sistema ottico e l'installazione di riscaldamento ad induzione. Vedere testo per i dettagli. Questa figura è stata modificata da Kakuta et al 201719 con il permesso di pubblicazione AIP. (b) fotografia del setup sperimentale. (c) una fotografia che mostra una sfera di acciaio di diametro 2.0 mm appesa da una stringa, la cella e la bobina con una scala. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 4
Figura 4 : Acquisito immagini raw. (a, b) Trasmettono immagini di intensità, ho(x, z), a λ = 1150 nm per una sfera di acciaio di 2.0 mm di diametro in acqua e λ = 1412 nm per una sfera di acciaio di diametro 0,5 mm in sciroppo di maltosio, rispettivamente. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura. 

Figure 5
Figura 5 : Assorbanza immagini e profili di temperatura per una sfera di acciaio di 2.0 mm di diametro in acqua. (a) immagini diA(x, z) Δ a λ = 1150 nm e t = 0.4, 0.8 e 1.2 s dopo l'inizio del riscaldamento ad induzione. (b) trame di ΔA(rʹ) e loro multi-Gaussiana si adatta (curve di solide). (c) ΔT(r) profili ottenuti eseguendo IAT su ΔA(rʹ). Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 6
Figura 6 : Immagini di assorbanza e profili di temperatura per una sfera di acciaio di diametro 0,5 mm in sciroppo di maltosio. (a) immagini diA(x, z) Δ a λ = 1412 nm e t = 0.4, 0.8 e 1.2 s dopo l'inizio del riscaldamento per il riscaldamento ad induzione livelli del 10%, 30% e 50% di potenza. (b) trame di ΔA(rʹ) e loro multi-Gaussiana si adatta (tinta curve) per il 50%. (c) ΔT(r) profili ottenuti eseguendo IAT su ΔA(rʹ) per il 50%. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura. 

Supplemental Figure 1
Supplemento 1: Profilo di elaborazione delle immagini. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Supplemental Figure 2
Supplemento 2: File di script di comandi per la costruzione di immagini di assorbanza (macro per ImageJ). Per favore clicca qui per scaricare questo file.

Supplemental Figure 3
Supplemento 3: File di script di comandi per l'estrazione del profilo linea (macro per ImageJ). Per favore clicca qui per scaricare questo file.

Supplemental Figure 4
Supplemento 4: Codice Matlab per il montaggio multi-Gaussiana e inverse transform Abel. Per favore clicca qui per scaricare questo file.

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Discussion

La tecnica presentata in questa carta è un romanzo uno utilizzando la dipendenza di temperatura di assorbimento NIR di acqua e non presenta alcuna difficoltà significative nella creazione l'attrezzatura necessaria e l'attuazione. La luce incidente è facilmente realizzabile utilizzando una lampada alogena e un NBPF. Tuttavia, il laser non possono essere utilizzati, perché i modelli di interferenza coerente apparirebbe sulle immagini. Comuni lenti ottiche e celle di vetro per uso di luce visibile possono essere utilizzate, come trasmettono un'adeguata quantità di luce a λ = 1150 nm e 1412 nm. Inoltre, InGaAs telecamere possono essere acquistati ora ad un prezzo relativamente economico.

Il NBPFs a λ = 1150 nm e 1412 nm sono disponibili da ordine semi-custom, ma non sono eccessivamente costosi. Se c'è un ready-made NBPF a una lunghezza d'onda diversa, che deve essere all'interno della gamma di temperatura-dipendente dalla lunghezza d'onda (Figura 1), può essere utilizzato invece, anche se la sensibilità alla temperatura, o αf, potrebbe diminuire. Ad esempio, il valore αf a λ = 1175 nm è metà di quella a λ = 1150 nm. Inoltre, la larghezza di banda o la nitidezza della NBPF colpisce αf; aumenta la larghezza di banda, αf diminuisce15. Così, quando la stima accurata del ΔT(r) è necessaria, lo spettro di trasmittanza del NBPF dovrebbe essere misurato da uno spettrofotometro.

Come accennato in 1.4 passo del protocollo, perché l'indice di rifrazione dell'acqua varia con la temperatura, luce, raggi che passano attraverso il campo di temperatura intorno a una sfera sono deflessi, provocando cambiamenti nelle immagini ΔA(x, z). Questo problema è stato studiato nel nostro precedente lavoro19. Secondo i risultati ottenuti tramite questo studio, fintanto che la temperatura massima vicino la sfera è moderatamente piccola (< 10 K, circa), il contributo di luce deflessione al cambiamento di ΔA(x, z) può essere trascurabile o sufficientemente inferiore a quello di assorbimento della luce, perché la luce è incoerente e un certo angolo di deflessione viene accettato da stop il diaframma dell'obiettivo telecentrico; Ciò significa che i raggi deflessi passano anche se l'apertura e concentrano sullo stesso punto nel piano dell'immagine come il capo ray30. Tuttavia, considerando questo, stop il diaframma deve essere attentamente regolato tale che l'angolo di accettazione della lente telecentrica è leggermente più grande l'angolo di deflessione prevista. Trial-and-error regolazioni possono essere richieste per l'esperimento iniziale.

Immagine nel punto 2.1 del protocollo di elaborazione e calcolo IAT in Step 2.2 non richiede alcuna conoscenza matematica avanzata. Passaggio 2.1 può essere eseguito facilmente con software che permette di trattare i file TIFF sequenza di elaborazione di immagine comuni. Al punto 2.2.2, se i profili di linea ad angoli diversi non possono essere ottenuti automaticamente tramite script di comando, un profilo di singola linea Estratto manualmente il software di elaborazione immagine invece utilizzabile, anche se variazioni a causa di rumori non siano ridotti.

Quando si utilizza un mezzo acquoso, suo contenuto d'acqua, o la frazione molare, dovrebbe essere noto o misurata, soprattutto per un'accurata stima di ΔT, perché αf dipende dal contenuto di acqua. In altre parole, come i coefficienti di assorbimento di soluti acquosi e substrati gel dipendono poco in temperatura, la sensibilità di temperatura è quasi proporzionale al contenuto di acqua. Se il contenuto di acqua è noto per essere molto alto, come con liquidi acquosi, il valore αf di acqua data in questo documento può essere utilizzato praticamente. In caso contrario, moltiplicando il valore αf di acqua dall'acqua misurato o stimato contenuto, vale a dire, ridurre αf, può essere efficace per una stima sufficientemente accurata.

Considerando il limite di rilevazione di temperatura (~0.2 K) e la risoluzione spaziale (~ 30 µm; questo dipende dalla dimensione dei pixel e ingrandimento), è impossibile per la tecnica presentata per rilevare un aumento di temperatura minuto causato da singola micro - e nano-magnetico particelle riscaldato induttivo. Tuttavia, se un gran numero di particelle possa essere aggregato, contenuto in una capsula o scorreva in un tubo sottile, la temperatura potrebbe aumentare sopra il livello di rilevamento. Nella ricerca su ipertermia magnetica, in realtà, tale aggregazione o adsorbimento selettivo di nanoparticelle magnetiche alle cellule tumorali e le temperature risultanti sono importanti e studiate. Quindi, la tecnica presentata dovrebbe essere usato per gli esperimenti in vitro negli studi ipertermia magnetica e altre applicazioni usando particelle magnetiche. Simmetria sferica della distribuzione di temperatura non può essere ottenuta in queste applicazioni, ma le immagini 2D saranno sufficiente per informare i ricercatori circa la temperatura, il numero e distribuzione delle particelle e le prestazioni di riscaldamento.

La tecnica presentata può essere utilizzata per valutare i campi magnetici utilizzati in varie applicazioni magnetiche31,32. In genere, campi magnetici generati dalle bobine sono molto complicati e non può essere precisamente misurate o teoricamente predisse. Tuttavia, come dimostrato nel nostro precedente lavoro19, le temperature e la velocità di generazione di calore di una sfera magnetica alle diverse posizioni sotto le correnti differenti della bobina può essere ottenuto dalla nostra tecnica. La distribuzione spaziale del tasso di generazione di calore deve corrispondere al campo magnetico. Infine, la tecnica presentata può essere implementata, non solo per induzione elettromagnetica, ma anche per la messa a fuoco di ultrasuono, reazioni chimiche nelle goccioline e altri metodi di riscaldamento locale.

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Disclosures

Gli autori non hanno nulla a rivelare.

Acknowledgments

Gli autori ringraziano il signor Kenta Yamada, signor Ryota Fujioka e Mr. Mizuki Kyoda per il loro supporto gli esperimenti e analisi dei dati. Questo lavoro è stato supportato da JSP KAKENHI Grant numero 25630069, la Suzuki Foundation e la precisa misurazione tecnologia Fondazione per la promozione, Giappone.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
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

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References

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Ingegneria problema 134 Near-infrared imaging temperatura il riscaldamento ad induzione acqua assorbanza sfera magnetica.

Erratum

Formal Correction: Erratum: Near-Infrared Temperature Measurement Technique for Water Surrounding an Induction-heated Small Magnetic Sphere
Posted by JoVE Editors on 12/06/2018. Citeable Link.

An erratum was issued for: Near-Infrared Temperature Measurement Technique for Water Surrounding an Induction-heated Small Magnetic Sphere. The Protocol section was updated.

In 2.2.7, the temperature coefficient of water, αf, for λ = 1150 nm has been corrected from:

4.0 x 10-3 K-1 mm-1

to:

2.8 x 10-4 K-1 mm-1

Tecnica di misurazione della temperatura vicino infrarosso per l'acqua che circonda una sfera magnetica piccola riscaldata a induzione
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Kakuta, N., Nishijima, K., Han, V.… More

Kakuta, N., Nishijima, K., Han, V. C., Arakawa, Y., Kondo, K., Yamada, Y. Near-Infrared Temperature Measurement Technique for Water Surrounding an Induction-heated Small Magnetic Sphere. J. Vis. Exp. (134), e57407, doi:10.3791/57407 (2018).

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