Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

בטכניקת מדידת טמפרטורה אינפרא אדום המקיפים של אינדוקציה המחוממת קטן מגנטי כדור מים

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

טכניקה ניצול אורכי גל של nm 1150, 1412 כדי למדוד את הטמפרטורה של המים המקיפים של אינדוקציה המחוממת קטן מגנטי כדור מוצג.

Abstract

טכניקה כדי למדוד את הטמפרטורה של המים ומדיה מימית שאינה עכורים המקיפים של אינדוקציה המחוממת קטן מגנטי כדור מוצג. שיטה זו משתמשת אורכי גל של nm 1150, 1412, שבו מקדם ספיגה של מים היא תלויה בטמפרטורה. מים או שאינם עכורים ג'ל מימית המכילה כדור מגנטי 2.0 מ מ או 0.5-מ מקוטר הוא מוקרן 1150 nm או 1412 אור התקרית ננומטר, ככל שנבחר באמצעות מסנן bandpass צרים; בנוסף, תמונות ספיגת דו מימדי, אשר ההשתקפויות רוחבי של מקדם הספיגה, נרכשים באמצעות מצלמה אינפרא אדום. כאשר ניתן להניח, חלוקות תלת מימדי של הטמפרטורה להיות סימטרי כדורית, הם מוערך על-ידי החלת ההופכי שהבל הופכת הפרופילים ספיגת. הטמפרטורות נצפו באופן עקבי לשנות בהתאם את אינדוקציה חימום חשמל וזמן.

Introduction

טכניקה כדי למדוד את הטמפרטורה ליד מקור חום קטן בתוך מדיום נדרש שדות מחקר מדעי ויישומים רבים. לדוגמה, במחקר על מכת חום מגנטי, אשר היא שיטה טיפול בסרטן באמצעות השראה אלקטרומגנטית של חלקיקים מגנטיים או חתיכות קטנות מגנטי, זה קריטי לחזות במדויק את ההפצות בטמפרטורה שנוצרו על-ידי המגנטי חלקיקים1,2. עם זאת, למרות במיקרוגל3,4, אולטרסאונד5,6,7,8, optoacoustic9, ראמאן10ותהודה מגנטית11 ,12-טכניקות מדידה המבוססת על טמפרטורה יש כבר חקר ופיתח, חלוקה הטמפרטורה הפנימית מעין לא ניתן למדוד באופן מדויק בזמן הנוכחי. עד כה, טמפרטורות יחיד-מיקום או טמפרטורות-כמה תפקידים נמדדו באמצעות חיישני טמפרטורה, אשר, במקרה של חימום השראתי, הם סיבים אופטיים מגנטיים טמפרטורה חיישנים13,14. לחלופין, הטמפרטורות המשטח של מדיה נמדדו מרחוק באמצעות מדחום קרינה אינפרא אדום כדי להעריך את הטמפרטורה הפנימית14. אולם, כאשר למדיום המכיל מקור חום קטן שכבת מים או מדיום מימית שאינה עכורים, הראו כי-סגול (ניר) הקליטה טכניקה שימושית למדוד את טמפרטורת15,16, 17,18,19. מאמר זה מציג פרוטוקול מפורט של זו טכניקה ותוצאות נציג.

ניר הקליטה הטכניקה מבוססת על עקרון התלות בטמפרטורה של הלהקות ספיגה של מים באזור ניר. כפי שמוצג באיור 1a, ν1 + ν2 + ν3 הקליטה הלהקה של מים הוא ציין את 1100 ננומטר טווח אורך הגל 1250-nm (λ), משמרות על מנת באורכי גל קצרים יותר כמו הטמפרטורה מגביר19. כאן, ν1 + ν2 + ν3 אמצעי שמתאים הלהקה הזאת השילוב של מצבי רטט O-H היסוד שלוש: סימטרי מתיחה (ν1), כיפוף (ν 2), ו אנטי-סימטרי מתיחה (ν3)20,21. שינוי זה בספקטרום מציין אורך הגל הרגיש ביותר בלהקה λ ≈ 1150 ננומטר. להקות אחרות ספיגה של מים גם שהפגינו התנהגות דומה ביחס טמפרטורה15,16,17,18,20,21. Ν1 + νהלהקה3 המים נשמרים ב- טווח λ = 1350−1500 ננומטר ותלות הטמפרטורה שלו מוצגות באיור איור 1b. Ν1 + νהלהקה3 של מים, 1412 ננומטר הוא אורך הגל הרגיש ביותר. לכן ניתן לקבל תמונות דו-ממדיות טמפרטורה (2D) באמצעות מצלמה ניר כדי ללכוד תמונות ספיגת 2D- λ = nm 1150 או 1412. כמו מקדם ספיגה של מים- λ = 1150 ננומטר הוא קטן יותר- λ = 1412 ננומטר, אורך הגל לשעבר הוא מתאים כ 10-מ מעבה מדיה מימית, בזמן האחרון הוא מתאים כ 1-מ מעבה אלה. לאחרונה, באמצעות λ = 1150 nm, השגנו את הפצות הטמפרטורה בשכבת מים 10-מ מעבה המכיל של אינדוקציה המחוממת כדור פלדה בקוטר 1 מ"מ19. יתר על כן, ההפצות הטמפרטורה בשכבת מים 0.5-מ מעבה נמדדו באמצעות λ = 1412 nm15,17.

יש יתרון הטמפרטורה מבוסס-ניר הדמיה הטכניקה היא שזה פשוט להגדיר וליישם מפני זה היא טכניקה מדידה הקליטה-שידור וזקוק. אין fluorophore, זרחן או אחרים בדיקה תרמית. בנוסף, את הרזולוציה הטמפרטורה שלה נמצא פחות מ 0.2 K15,17,19. החלטה כזו טמפרטורה טוב אינה יכולה להיות מושגת על ידי שידור טכניקות אחרות מבוסס על אינטרפרומטריה, אשר לעיתים קרובות השתמשו מיוחמות ועל העברת המוני מחקרים22,23,24. נציין, עם זאת, כי הטמפרטורה מבוסס-ניר הדמיה טכניקה אינה מתאימה במקרים עם שינוי הטמפרטורה המקומית ניכר, כי הסטה של אור הנגרמת על ידי מעבר הצבע טמפרטורה גדול הופך להיות דומיננטי19. העניין הזה נקרא בעיתון הזה מבחינת שימוש מעשי.

מאמר זה מתאר את הגדרת הניסוי של נוהל מבוסס-ניר טמפרטורה טכניקת דימות עבור כדור מגנטי קטן מחוממים באמצעות אינדוקציה; בנוסף, הוא מציג את התוצאות של שתי תמונות נציג ספיגת 2D. תמונה אחת היא של כדור פלדה בקוטר-מ מ- 2.0 בשכבת מים 10.0-מ מעבה שנלכד- λ = 1150 ננומטר. התמונה השנייה היא של כדור פלדה בקוטר 0.5 מ מבשכבת סירופ מלטוז 2.0 מ מבעובי שנלכד- λ = 1412 ננומטר. מאמר זה מציג גם את שיטת החישוב ואת התוצאות של תלת מימד (3D) מוקדי חלוקת טמפרטורה על-ידי החלת ההופכי הבל שינוי צורה (IAT) לתמונות ספיגת 2D. IAT בתוקף כאשר התפלגות טמפרטורה 3D ההנחה תהיה סימטרית כדורית כמו במקרה של כדור מחוממת (איור 2)19. לחישוב IAT, פונקציה מולטי-Gaussian התאמת שיטת מועסק כאן, כי IATs של פונקציות לפי עקומת גאוס ניתן להשיג בצורה אנליטית25,26,27,28,29 ובכושר טוב להפחתת מונוטוני נתונים; זה כולל ניסויים העסקת הולכה תרמית ממקור החום יחיד.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. הגדרת הניסוי והליכים

הכן של רכבת אופטי כדי לטעון לדוגמה, אופטיקה ניר הדמיה כדלקמן.

  1. הכנת הדוגמא.
    הערה: בעת שימוש מים או נוזל מימית, שלב 1.1.1. בעת שימוש ג'ל מימית עם צמיגות גבוהה, שלב 1.1.2.
    1. כדור פלדה הגדרת במים.
      1. לתקן את כדור פלדה בקוטר-מ מ- 2.0 בסוף מחרוזת פלסטיק דק באמצעות כמות קטנה של דבק.
      2. לתלות את גלגל פלדה במרכז התא זכוכית מלבני עם מרחק אופטי של 10.0 מ מ, רוחב של 10 מ מ, בגובה של 45 מ מ (איור 3).
      3. שופכים מים מסוננים לתוך התא בזהירות כדי לא לייצר בועות אוויר.
        הערה: כדור פלדה ניתן גם לתקן עד לקצה מוט פלסטיק דק עם כמות קטנה של דבק19.
    2. כדור פלדה הגדרת ג'ל מימית.
      1. חום ג'ל מימית להפחתת צמיגות שלה כך. זה מספיק נמוך כדי שפכו בצורה חלקה.
      2. באמצעות מזרק, שופכים את ג'ל מימית לתא זכוכית מלבני עם מרחק אופטי של 2.0 מ מ, רוחב של 10 מ מ, בגובה של 45 מ"מ עד חצי מלא ולהשאיר לה להתקרר.
      3. מניחים כדור פלדה בקוטר 0.5-מ מ במרכז השטח ג'ל.
      4. למלא את התא ג'ל מימית.
        הערה: ספירות גדול (> דייה ~ 1 מ מ) לא אמור לשמש עם ג'ל כי הם יעברו על-ידי כוחות הכבידה ו/או מגנטית במהלך חימום השראתי.
    3. להגדיר את התא בעל פלסטיק, לעלות אותו על המעקה אופטי (איור 3).
  2. הכנת ניר מערכת הדמיה.
    1. להכין מנורת הלוגן עם מדריך אור סיבים, ולתקן סוף המדריך אור סיבים עם בעל על המעקה אופטי.
    2. במקום מסנן bandpass צר (NBPF) עם להדמיה לשיא בגיל λ = 1150 nm או λ = 1412 nm בין המדריך אור סיבים לבין התא (איור 3).
    3. Interpose מסנן bandpass אחר (bpf) צר, אשר טווח אורך גל השידור הוא רחב יותר מזה של NBPF, בין המנורה הלוגן של NBPF.
      הערה: BPF נחוץ כדי למנוע נזק תרמי NBPF כי הוא מקבל את האור ישירות.
    4. Interpose של iris diaphragm(s) בנתיב האור בין המחזיק NBPF ותא כדי להפחית את האור תועה (איור 3).
    5. להגדיר מצלמה ניר כדי לזהות את האור דרך התא (איור 3). חבר את המצלמה דרך כבל העברת נתונים ללוח גרפי מותקן בתוך המחשב האישי (PC) עם תמונה רכישת תוכנה.
    6. הגדר עדשה telecentric בין התא לבין המצלמה (איור 3).
      הערה: עדשת המצלמה משותף יכול גם לשמש. אולם, עדשה telecentric הוא יותר טוב מבחינת גילוי סלקטיבי של המקבילה אור לריי הראשי עבור IAT וצמצום ההשפעה של עקיפה.
      הערה: NBPF ואת BPF לא יוצבו בין התא לבין המצלמה, כי בעשותו כן, טמפרטורת המים יגדל באמצעות קליטה ישירה של אור בעוצמה גבוהה מנורת הלוגן.
    7. תדליק את המצלמה ניר ולהפעיל את התוכנה רכישת התמונה.
    8. להדליק את מנורת הלוגן ולהתאים את כוחה פלט התבוננות בתמונה המוצגת על הצג (איור 4).
    9. התאם את ציר, את המיקום ואת המיקוד של העדשה telecentric כדי לקבל תמונה בסדר של הספרה פלדה.
      הערה: אם ההתאמה אינה שלמה, דפוסי העוצמה לא סדיר יופיע, המוביל absorbances שגוי.
  3. הכנת מערכת חימום אינדוקציה.
    1. הכן של אינדוקציה חימום מערכת המורכבת גנרטור בתדירות גבוהה (הספק מרבי: 5.6 kW; תדירות: 780 kHz), סליל water-cooled, chiller מים.
      הערה: אינדוקציה חימום מערכת ציפוי פליז, ריתוך, הלחמה חלקי מתכת קטן מתאים למטרה זו; ראה טבלה של חומרים.
    2. במידת האפשר, לטעון את הגליל על במה מטלטלין XYZ כדי לשנות את מיקומה.
    3. מקם את הגליל ליד התא כך המרחק בין המרכז סליל לספרה פלדה הוא כ- 15 מ מ (איור 3). ודא כי ישנם ללא חלקי מתכת אחרים ליד הגליל.
      הערה: המרחק צריך להיות מותאם בהתאם אינדוקציה חימום כוח ואת גודל כדור.
    4. הפיצו מים לקירור.
  4. ייבוא תמונות, חימום השראתי.
    1. לחץ על "התחל" על התוכנה רכישת התמונה כדי לאחסן התמונות ברצף.
    2. לחץ על "התחל"-אינדוקציה חימום תוכנת השליטה להתחיל את חימום השראתי.
    3. לאחר מספר שניות (בהתאם לתנאים מטרה), לחץ על "stop" על התוכנה רכישת התמונה.
    4. לחץ על "stop" על חימום תוכנת בקרת אינדוקציה.
    5. שמור את התמונות המאוחסנות חנותם רצף TIFF (או תבנית אחרת לא דחוסות) על התוכנה רכישת התמונה.
      הערה: אם הטמפרטורה גבוהה מספיק, ההשפעה של סטיה קלה יופיעו על תמונה7. אינדוקציה חימום חשמל בטח ירד כראוי למרות ניסויים כזה כי עליית הטמפרטורה ליד הספרה הוא פחות מ כ 10 K, אשר יכול להיות אישרו בשלבים פרוטוקול הבאים עבור הערכת טמפרטורה.

2. תמונה עיבוד והשערוך טמפרטורה

הערה: התמונות השמורות רציפים מיוצגים כמו אניאני(x, z), איפה המספר מסגרת רציפים . קואורדינטות, x, y, z, r, ו- r' מוגדרים כפי הם הצביעו על איור 2; z הוא חיובי בכיוון ההפוך הכבידה. קווי המתאר של פרוטוקול בשלבים הבאים מומחש גם תוספת1.

  1. ספיגת התמונה הבנייה.
    1. פתוח אניאני(x, z) עם התמונה בתוכנת עיבוד.
    2. להפחית רעשים אניאני(x, z) על ידי יישום 3 × 3 פיקסלים בממוצע.
    3. יצירת תמונה ממוצעת של אניאני(x, z) יסתיים. אני = 1 אל 5 (או יותר) לפני חימום, ולהגדיר אותו כתמונה להתייחסות, אניr(x, z).
      הערה: בממוצע זה מפחית את רעש כדי לקבל תמונה אמינה יותר מאשר פריים אחד של תמונה.
    4. לבנות את התמונות רציפים של ההבדל ספיגת, Δאני(x, z), באמצעות המשוואה הבאה:
      Equation 1(1)
      הערה: ΔAאני(x, z) הוא הוריאציה של ספיגת, אני(x, z), החל ספיגת הפניה, -r(x, z), לפני חימום, והוא נגזר15,16,17,18,19כדלקמן:
      Equation 2(2)
      ? איפה אני0 האינטנסיביות של התקרית אור אל התא.
    5. לצבוע את Δאני תמונות בעזרת מפה בצבע המתאים של כגון כחול-כדי-אדום.
      הערה: קובץ ה-script הפקודה להפעלת צעדים 2.1.2 דרך 2.1.5 עבור ImageJ מוצג נספח2.
  2. הערכת טמפרטורה.
    1. בחר את תקופת הזמן במהלך Δ אילוAאני(x, z) הוא באופן מעגלי סימטרי ביחס למרכז של הספרה על ידי התבוננות באופן חזותי את התמונות.
      הערה: סימטריה מעגלית שבור בעיקר על ידי הסעה חינם. הדין אנליטית המבוססת על תמונה של הסעה חינם המתרחשים הוא הציג את הקודם. עבודה19; עם זאת, למעשה, הדין חזותית יעילה.
    2. לחלץ את ΔAאני(rʹ, θ באמצעות) הנתונים לאורך קווים רדיאליים 360 (Δθ באמצעות = 1˚) על Δאני(x, z) התמונות.
    3. אל תכלול Δאני(rʹ, θ באמצעות) הנתונים בתוך מעגל בסביבתו (Δrʹ≈ 0.2 מ מ). הערה: הנתונים הם anomalously מאוד קטנות או גדולות בסביבה בעיקר בשל התנועה קלה של הספרה.
    4. Δ הממוצעאני(rʹ, θ באמצעות) מעל θ באמצעות כדי לקבוע את הפרופיל קו, Δאני(rʹ).
      הערה: קובץ ה-script הפקודה להפעלת צעדים 2.2.2 דרך 2.2.4 עבור ImageJ מוצג בנספח 3.
    5. משוער ΔAאני(rʹ) הנתונים על-ידי הפונקציה מולטי-Gaussian הבאים:
      Equation 3(3)
      היכן j היא הגורם שקלול σj הוא הפרמטר פיזור, R הוא המספר המירבי של rʹ איפה ΔAאני(R) = 0 ניתן להניח.
    6. חישוב ההפרש מקדם הספיגה, Δממוצעאני(r), על ידי החלפת את שהושג N j, σj לתוך IAT הבאים של הציוד (3):
      Equation 4(4)
      ? איפה erf פונקציית השגיאה.
    7. המרת Δממוצעאני(r) טמפרטורה באמצעות המשוואה הבאה:
      Equation 5(5)
      עם המקדמים הטמפרטורה של המים, αf, אשר 4.0 × 10-3 K-1 מ מ-1 עבור λ = nm 115019 ו- 4.1 × 10-3 K-1 מ מ-1 עבור λ = 1412 nm17.
      הערה: קובץ ה-script הפקודה להפעלת צעדים 2.2.5 דרך 2.2.7 מוצג תוספת 4, שבו הוא מועסק17,19 אלגוריתם הריבועים הפחותים לא לינארית לבנברג-Marquardt עבור שלב 2.2.5.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

תמונות של ΔAאני(x, z)- λ = nm 1150 עבור כדור פלדה בקוטר-מ מ- 2.0 במים ו- λ = 1412 nm עבור כדור פלדה בקוטר 0.5 מ מסירופ מלטוז מוצגים באיור 5 ו איור 6, בהתאמה. בשני המקרים, הייתה הספרה 12 מ מ מתחת לתחתית של הסליל לאורך הציר המרכזי שלו. איור 5 b ואיור 6b הצג את הנתונים (rʹ)AΔ ואת הפונקציות שלהם-multi-Gaussian מצויד בהציוד (3) עם R = 3.0 מ מ ו- R = 1.5 מ מ, בהתאמה. . לא יותר מאשר שניים או שלושה פונקציות לפי עקומת גאוס (N = 2 או 3) יש צורך להשיג בכושר טוב17,19. הפונקציות מצויד ואז הפכו Δ פרופיליםT(r) באמצעות Eqs. (4) ו- (5), ואת מוצגים באיור 5c ואיור 6c.

הדימוייםA Δ בשני המקרים ברור להראות עלייה בטמפרטורה של המים, ג'ל סביב הספרה בשל הולכה תרמית. הסימטריה מעגלית של ΔA ביחס לספרה נצפית בכל התמונות מגרשים של עקומות איור 5c מציינים כי ΔA(rʹ) עולה עם הזמן במרחקים הקרוב לספרה; בʹ≥ r2.5 מ מ, משמעותיים שינוי נצפית. יתר על כן, ודא הפרופיליםT(r) Δ להשיג באמצעות IAT המופע של הולכה תרמית בכיוון רדיאלי. שימו לב כי למרות הפרופיליםT(r) Δ מופיעים דומים לאלה של ΔA(rʹ), שינויים במעבר הצבעr dΔ /dT(r) שונות מאלה הפרופילים Δ (rʹ)A . איור 6, מגניטודות ΔA נמצאים כדי שיתאימו הכוח חימום רמות, קרי, חום דור המחירים של הכדור.

תוצאות הספירה 0.5 מ מקוטר להדגים כי הסעה חינם, אשר מעוות את תבנית מעגלית ΔA, לא נצפתה לאחר t = 1.2 ס לעומת זאת, עבור הספרה 2.0 מ מקוטר במים, הסעה חינם נמצאה יכולה להופיע לאחר t = 1.2 s (לא מוצג). משמעות הדבר היא כי ייתכן שאירעה תוך מעבר משטר טהור הולכה תרמית כדי משטר הסעה חינם בתוך המים על t = 1.2 s. ההפרש בין הסעה חינם נגרמה הבדלי החום הדור וקצב צמיגות. שיעור דור חום של 0.5 מ מקוטר הכדור היה קטן משמעותית מזה של הספרה 2.0 מ מקוטר; יתר על כן, צמיגות סירופ מלטוז (כ-100 Pa·s) היה גבוה באופן משמעותי מזה של מים (כ 0.001 Pa·s). בגלל הסעה חינם זה נושא חשוב בהעברת חום והמסה מחקר, את טכניקת דימות המוצע, אשר מספק בפעם התפרצות של הסעה חינם וכל דפוס של הפלומה תרמי ותשואות מידע על התנאים הפיסיים גרימת חינם הסעת חום, יתרום באופן משמעותי מחקר בתחום זה.

Figure 1
איור 1 : טמפרטורה התלות של ניר ספקטרום הבליעה של מים- (א,) הקליטה הלהקה ספקטרום של מים בטמפרטורה של 16.0 ° C (כחול) ל- C ° 44.0 (אדום) במרווחים 4.0 ° C בטווחים באורך גל של nm 1100-1250, 1350-1500 ננומטר, בהתאמה. החצים מצביעים על הכיוון של עליית הטמפרטורה. ההזחה להראות ספיגת ההבדל ספקטרה; ספקטרום ספיגת ב 16.0 ° C הן ההפניות. המרחק אופטי הם 10 מ"מ, 1.0 מ מ ב (א) ו (ב), בהתאמה. קווים מקווקווים אנכי מציינים טמפרטורה רגישים אורכי הגל של 1150 nm ו ננומטר 1412 והשיג את התמונות ניר. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 2
איור 2 : מערכת הקואורדינטות וגיאומטריה עבור ספיגת הדמיה- לשכפל. ואח 2017 Kakuta19 באישורו של פרסום AIP. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 3
איור 3 : הגדרת הניסוי. (א) תיאור סכמטי של מערכת אופטית של אינדוקציה חימום ההתקנה. עיין בטקסט לפרטים. איור זה השתנה מ. Kakuta et al. 201719 באישורו של פרסום AIP. (ב) תמונה של ההתקנה ניסיוני. (ג) התצלום מראה כדור פלדה בקוטר-מ מ- 2.0 נתלה על-ידי מחרוזת, תא, סליל עם קנה מידה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 4
איור 4 : רכשה בתמונות raw- (א,) ששודרו בעוצמה תמונות, אני(x, z), בλ = nm 1150 עבור כדור פלדה בקוטר 2.0 מ ממים, λ = 1412 nm עבור כדור פלדה בקוטר 0.5 מ מסירופ מלטוז, בהתאמה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת. 

Figure 5
איור 5 : תמונות ספיגת ופרופילי הטמפרטורה עבור כדור פלדה בקוטר-מ מ- 2.0 במים. (א) ΔA(x, z) תמונות בλ = 1150 nm ו- t = 0.4, 0.8 ו- 1.2 s לאחר תחילתה של חימום השראתי. (ב) חלקות ΔA(rʹ) ו- multi-Gaussian שלהם מתאים (עקומות מוצק). (ג) ΔT(r) פרופילים מושגת על ידי ביצוע IATs-ΔA(rʹ). אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 6
איור 6 : תמונות ספיגת ופרופילי הטמפרטורה עבור כדור פלדה בקוטר 0.5 מ מסירופ מלטוז. (א) ΔA(x, z) תמונות בλ = 1412 nm ו- t = 0.4, 0.8 ו- 1.2 s לאחר תחילתה של אינדוקציה חימום לחימום חשמל רמות של 10%, 30%, 50%. (ב) חלקות ΔA(rʹ) ו- multi-Gaussian שלהם מתאים (עקומות מוצק) עבור 50%. (ג) ΔT(r) פרופילים מושגת על ידי ביצוע IATs-ΔA(rʹ) עבור 50%. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת. 

Supplemental Figure 1
תוספת של 1: חלוקה לרמות של עיבוד תמונה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Supplemental Figure 2
תוספת של 2: הפקודה קובץ script עבור ספיגת התמונה בנייה (מאקרו עבור ImageJ). אנא לחץ כאן כדי להוריד את הקובץ.

Supplemental Figure 3
תוספת של 3: הפקודה קובץ script עבור קו פרופיל החילוץ (מאקרו עבור ImageJ). אנא לחץ כאן כדי להוריד את הקובץ.

Supplemental Figure 4
תוספת של 4: קוד Matlab עבור התאמה רב-Gaussian וההופכית הבל המרה. אנא לחץ כאן כדי להוריד את הקובץ.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

הטכניקה שהוצגו במאמר זה הוא ספר אחד באמצעות התלות בטמפרטורה של ניר הספיגה של המים ומציגה ללא קושי משמעותי בהגדרת את הציוד הנדרש ויישום. התקרית אור יכול להיות מיוצר בקלות באמצעות מנורת הלוגן של NBPF. עם זאת, לייזרים לא ניתן להשתמש, בגלל הפרעות מגובשת דפוסי יופיע על התמונות. נפוצה בעדשות אופטיות נוספות והתאים זכוכית לשימוש האור יכול לשמש, הן מעבירות כמות מספקת של אור- λ = 1150 nm ו- 1412 ננומטר. בנוסף, מצלמות InGaAs ניתן לרכוש עכשיו במחיר זול יחסית.

NBPFs- λ = 1150 nm ו ננומטר 1412 זמינים לפי הזמנה אישית למחצה, אך הם אינם יקרים בצורה מוגזמת. אם יש NBPF מוכנות מראש אורך גל שונה, אשר חייב להיות בתוך טווח אורך הגל תלוית טמפרטורה (איור 1), זה יכול לשמש במקום, למרות הטמפרטורה רגישות, או αf, עלול להקטין. לדוגמה, הערך αf λ = 1175 ננומטר הוא חצי אחד של זה- λ = 1150 ננומטר. יתר על כן, רוחב הפס או החדות של NBPF משפיעה על αf; רוחב הפס גודלת, αf יורדת15. לכן, כאשר אומדן מדויק של ΔT(r) נדרש, הספקטרום להדמיה של NBPF צריכה להימדד על-ידי ספקטרופוטומטרים.

כפי שצוין לעיל, 1.4 שלב של הפרוטוקול, כי מקדם שבירה של המים משתנה עם טמפרטורה, אור קרני עובר דרך שדה הטמפרטורה סביב כדור אתם ממסלולם, גרימת שינויים של תמונותA(x, z) Δ. בעיה זו נחקר שלנו בעבודה הקודמת19. על פי התוצאות המתקבלות באמצעות מחקר זה, כל עוד טמפרטורת המרבית ליד הספרה הוא קטן למדי (< 10k, כ), התרומה של סטיה קלה שינוי ΔA(x, z) יכול להיות זניח או מספיק קטן יותר מזה של קליטת האור, כי האור חסר-היגיון, זווית סטיה מסוימים מקובל על ידי התחנה הצמצם של העדשה telecentric; משמעות הדבר היא כי קרני deflected לעבור למרות הצמצם ולהתמקד באותה הנקודה במישור תמונה כמו ריי צ'יף30. עם זאת, בהתחשב בכך, תחנת צמצם צריך להיות בזהירות מותאם כך הזווית קבלה של העדשה telecentric היא קצת יותר הזווית החזוי סטיה גדולה. משפט--שגיאה התאמות עשוי להידרש לניסוי ראשוני.

התמונה עיבוד ב- 2.1 שלב של הפרוטוקול וחישוב IAT 2.2 שלב דורש אין ידע מתמטי מתקדם. שלב 2.1 יכול להתבצע בקלות עם עיבוד תוכנה אשר אפשר לטפל קובצי TIFF רצף תמונה משותפת. בשלב 2.2.2, אם הפרופילים קו בזוויות מרובים אין אפשרות אוטומטית להשיג באמצעות script של פקודות, פרופיל קו בודד מופק באופן ידני על תוכנת עיבוד תמונה במקום זאת ניתן להשתמש, למרות וריאציות בשל רעשים אינו מצטמצם.

בעת שימוש של בינוני מימית, מים בתוכן, או שבר השומה, צריך להיות ידוע או למדוד, במיוחד עבור הערכה מדויקת של ΔT, כי αf תלוי התוכן המים. במילים אחרות, כפי המקדמים הקליטה של מומסים בגבול מימית ותערובות ג'ל תלוי טמפרטורה על הקטן, רגישות טמפרטורה הוא כמעט ביחס לתוכן מים. אם התוכן המים ידוע להיות גבוהה מאוד, כמו עם נוזלים מימית, הערך αf של מים בהתחשב בעיתון הזה יכול לשמש באופן מעשי. אחרת, הכפלת הערך αf של מים ליד המים. החזוי או נמדד תוכן, קרי, צמצום αf, עשוי להיות יעיל עבור אומדן מדויק מספיק.

בהתחשב בכך את מגבלת זיהוי טמפרטורה (~0.2 K) והרזולוציה המרחבית (~ 30 מיקרומטר; זה תלוי גודל הפיקסל והגדלה), זה בלתי אפשרי עבור הטכניקה שהוצגו לזהות לעלייה בטמפרטורה דקה הנגרמת על ידי יחיד מיקרו ו ננו-מגנטי חלקיקים מחומם inductively. עם זאת, אם מספר רב של חלקיקים יכול להיות המצטברים, הכלול כמוסה או זרמו בצינור דק, הטמפרטורה להגדיל מעל רמת זיהוי. במחקר על מכת חום מגנטי, למעשה, צבירת כזה או ספיחה סלקטיבית של חלקיקים מגנטיים לתאי הסרטן, הטמפרטורות וכתוצאה מכך הם חשובים ובדוקים. לפיכך, הטכניקה הציג צפוי לשמש עבור ניסויים במבחנה במחקרים היפרתרמיה מגנטי ויישומים אחרים באמצעות חלקיקים מגנטיים. לא ניתן להשיג סימטריה כדורית בהפצה טמפרטורה ביישומים אלה, אך תמונות דו-ממד יספיק ליידע את החוקרים על הטמפרטורה, המספר הפצה של חלקיקים, ואת הופעת חימום.

הטכניקה שהוצגו יכול לשמש כדי להעריך את שדות מגנטיים בשימוש טרמיים שונים31,32. באופן כללי, שדות מגנטיים, המיוצר על ידי סלילי הם מורכבים מאוד, ואין אפשרות למדוד במדויק או תיאורטית חזה. עם זאת, כפי שמתואר שלנו בעבודה הקודמת19, טמפרטורות בין המחירים דור החום של כדור מגנטי לעבר עמדות שונות תחת זרמים שונים סליל ניתן להשיג על ידי הטכניקה שלנו. השדה המגנטי להתאים התפוצה המרחבית של קצב דור חום. לבסוף, ניתן ליישם את הטכניקה שהוצגו, השראה אלקטרומגנטית, אלא גם אולטרסאונד התמקדות, תגובות כימיות טיפות של שיטות אחרות חימום מקומי.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

המחברים אין לחשוף.

Acknowledgments

המחברים מודים מר יאמאדה קנטה, מר ריוטה אקדמיית אוראן, מר מיזוקי Kyoda על התמיכה שלהם על ניסויים, ניתוח נתונים. עבודה זו נתמכה על ידי JSPS KAKENHI גרנט מספר 25630069, קרן סוזוקי, ולא מדוייקת המדידה טכנולוגיה קידום קרן, יפן.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Physics of Thermal Therapy. Moros, E. G. , CRC Press. (2012).
  2. Périgo, E. G., Hemery, G., Sandre, O., Ortega, D., Garaio, E., Plazaola, F., Teran, F. J. Fundamentals and advances in magnetic hyperthermia. Appl Phys Rev. 2, 041302 (2015).
  3. Bardati, F., Marrocco, G., Tognolatti, P. Time-dependent microwave radiometry for the measurement of temperature in medical applications. IEEE Trans Microwave Theo Tech. 52, 1917-1924 (2004).
  4. Levick, A., Land, D., Hand, J. Validation of microwave radiometry for measuring the internal temperature profile of human tissue. Meas Sci Technol. 22, 065801 (2011).
  5. Daniels, M. J., Varghese, T., Madsen, E. L., Zagzebski, J. A. Non-invasive ultrasound-based temperature imaging for monitoring radiofrequency heating-phantom results. Phys Med Biol. 52, 4827 (2007).
  6. Daniels, M. J., Varghese, T. Dynamic frame selection for in vivo ultrasound temperature estimation during radiofrequency ablation. Phys Med Biol. 55, 4735 (2010).
  7. Seo, C. H., Shi, Y., Huang, S. -W., Kim, K., O'Donnell, M. Thermal strain imaging: A review. Interface Focus. 1, 649-664 (2011).
  8. Bayat, M., Ballard, J. R., Ebbini, E. S. Ultrasound thermography: A new temperature reconstruction model and in vivo results. AIP Conf Proc. 1821, 060004 (2017).
  9. Petrova, E., Liopo, A., Nadvoretskiy, V., Ermilov, S. Imaging technique for real-time temperature monitoring during cryotherapy of lesions. J Biomed Opt. 21, 116007 (2016).
  10. Gardner, B., Matousek, P., Stone, N. Temperature spatially offset Raman spectroscopy (T-SORS): Subsurface chemically specific measurement of temperature in turbid media using anti-Stokes spatially offset Raman spectroscopy. Anal Chem. 88, 832-837 (2016).
  11. Yoshioka, Y., Oikawa, H., Ehara, S., Inoue, T., Ogawa, A., Kanbara, Y., Kubokawa, M. Noninvasive measurement of temperature and fractional dissociation of imidazole in human lower leg muscles using 1H-nuclear magnetic resonance spectroscopy. J Appl Physiol. 98, 282-287 (2004).
  12. Galiana, G., Branca, R. T., Jenista, E. R., Warren, W. S. Accurate temperature imaging based on intermolecular coherences in magnetic resonance. Science. 322, 421-424 (2008).
  13. Rapoport, E., Pleshivtseva, Y. Optimal Control of Induction Heating Processes. , CRC Press. Boca Raton, FL. (2006).
  14. Lucía, O., Maussion, P., Dede, E. J., Burdío, J. M. Induction heating technology and its applications: Past developments, current technology, and future challenges. IEEE Trans Ind Electron. 61, 2509-2520 (2014).
  15. Kakuta, N., Kondo, K., Ozaki, A., Arimoto, H., Yamada, Y. Temperature imaging of sub-millimeter-thick water using a near-infrared camera. Int J Heat Mass Trans. 52, 4221-4228 (2009).
  16. Kakuta, N., Fukuhara, Y., Kondo, K., Arimoto, H., Yamada, Y. Temperature imaging of water in a microchannel using thermal sensitivity of near-infrared absorption. Lab Chip. 11, 3479-3486 (2011).
  17. Kakuta, N., Kondo, K., Arimoto, H., Yamada, Y. Reconstruction of cross-sectional temperature distributions of water around a thin heating wire by inverse Abel transform of near-infrared absorption images. Int J Heat Mass Trans. 77, 852-859 (2014).
  18. Kakuta, N., Yamashita, H., Kawashima, D., Kondo, K., Arimoto, H., Yamada, Y. Simultaneous imaging of temperature and concentration of ethanol-water mixtures in microchannel using near-infrared dual-wavelength absorption technique. Meas Sci Technol. 27, 115401 (2016).
  19. Kakuta, N., Nishijima, K., Kondo, K., Yamada, Y. Near-infrared measurement of water temperature near a 1-mm-diameter magnetic sphere and its heat generation rate under induction heating. J Appl Phys. 122, 044901 (2017).
  20. Libnau, F. O., Kvalheim, O. M., Christy, A. A., Toft, J. Spectra of water in the near- and mid-infrared region. Vib Spectrosc. 7, 243-254 (1994).
  21. Siesler, H. W., Ozaki, Y., Kawata, S., Heise, H. M. Near-Infared Spectroscopy. , Wiley-VCH. (2002).
  22. Shakher, C., Nirala, A. K. A review on refractive index and temperature profile measurements using laser-based interferometric techniques. Opt Laser Eng. 31, 455-491 (1999).
  23. Assebana, A., Lallemanda, M., Saulniera, J. -B., Fominb, N., Lavinskaja, E., Merzkirchc, W., Vitkinc, D. Digital speckle photography and speckle tomography in heat transfer studies. Opt Laser Technol. 32, 583-592 (2000).
  24. Ambrosini, D., Paoletti, D., Spagnolo, S. G. Study of free-convective onset on a horizontal wire using speckle pattern interferometry. Int J Heat Mass Trans. 46, 4145-4155 (2003).
  25. Bracewell, R. N. The Fourier Transform and Its Applications. , McGraw-Hill. (2000).
  26. Yoder, L. M., Barker, J. R., Lorenz, K. T., Chandler, D. W. Ion imaging the recoil energy distribution following vibrational predissociation of triplet state pyrazine-Ar van der Waals clusters. Chem Phys Lett. 302, 602-608 (1999).
  27. De Colle, F., de Burgo, C., Raga, A. C. Diagnostics of inhomogeneous stellar jets: convolution effects and data reconstruction. Astron Astrophys. 485, 765-772 (2008).
  28. Green, K. M., Borrás, M. C., Woskov, P. P., Flores, G. J., Hadidi, K., Thomas, P. Electronic excitation temperature profiles in an air microwave plasma torch. IEEE Trans Plasma Sci. 29, 399-406 (2001).
  29. Bendinelli, O. Abel integral equation inversion and deconvolution by multi-Gaussian approximation. Astrophys J. 366, 599-604 (1991).
  30. Dorband, B., Muller, H., Gross, H. Vol. 5 Metrology of Optical Components and Systems. Handbook of Optical System. Gross, H. , Wiley-VCH. (2012).
  31. Sheikholeslami, M., Rokni, H. B. Simulation of nanofluid heat transfer in presence of magnetic field: A review. Int J Heat Mass Trans. 115, 1203-1233 (2017).
  32. Häfeli, U., Schütt, W., Teller, J., Zborowski, M. Scientific and Clinical Applications of Magnetic Carriers. , Springer Science and Business Media. (2013).

Tags

הנדסה הדמיה בעיה 134 אינפרא אדום חום חימום השראתי מים ספיגת כדור מגנטי.

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

בטכניקת מדידת טמפרטורה אינפרא אדום המקיפים של אינדוקציה המחוממת קטן מגנטי כדור מים
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

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).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter