Waiting
Login processing...

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

Engineering

Nær infrarød temperatur måling teknikk for rundt en induksjon-oppvarmet liten magnetisk sfære

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

En teknikk som bruker bølgelengder av 1150 og 1412 nm å måle temperaturen rundt en induksjon-oppvarmet liten magnetisk sfære presenteres.

Abstract

En teknikk for å måle temperaturen i vannet og ikke-grumset vandige media rundt en induksjon-oppvarmet liten magnetisk sfære presenteres. Denne teknikken bruker bølgelengder av 1150 og 1412 nm, som absorpsjon koeffisient av vann er avhengig av temperaturen. Vann eller en ikke-grumset vandig gel inneholder en 2.0-mm - eller 0,5-mm-diameter magnetiske kule er bestrålt 1150 nm eller 1412 nm innfallende lyset, som valgte bruker en smal båndpassfilter; i tillegg er todimensjonal absorbansen bilder, som er de tverrgående anslagene av absorpsjon koeffisient, ervervet via en nær-infrarøde kamera. Når tredimensjonale distribusjonen av temperatur kan antas for å være sfærisk symmetrisk, er de beregnet ved å bruke inverse Abel forvandler absorbansen profilene. Temperaturene ble observert å konsekvent endres i henhold til tid og induksjon oppvarming strøm.

Introduction

En teknikk for å måle temperaturen nær en liten varmekilde innenfor et medium er nødvendig mange vitenskapelige felt og programmer. For eksempel i forskning på magnetiske hypertermi, som er en kreft terapi metode bruke elektromagnetisk induksjon av magnetiske partikler eller små magnetiske biter, er det avgjørende å nøyaktig forutsi temperaturen distribusjonene generert av magnet partikler1,2. Men selv om mikrobølgeovn3,4, ultralyd5,6,7,8, optoacoustic9, Raman10og magnetisk resonans11 ,12-basert temperatur måling teknikker har blitt forsket på og utviklet, slik en indre temperatur distribusjon kan ikke være nøyaktig målt i dag. Så langt, har enkelt-posisjon temperaturer eller temperatur på noen posisjoner blitt målt via temperatursensorer, som ved induksjonsoppvarming, ikke-magnetisk optisk fiber temperatur sensorer13,14. Alternativt har overflatetemperaturer medier blitt eksternt målt via infrarød stråling termometre å anslå den indre temperatur14. Men når et medium som inneholder en liten varmekilde er et vann lag eller et ikke-grumset vandig medium, har vi vist at en nær infrarød (NIR) absorpsjon teknikk er nyttig å måle temperaturer15,16, 17,18,19. Dette dokumentet presenterer detaljert protokollen til denne teknikken og representant resultater.

NIR absorpsjon teknikken er basert på prinsippet om temperatur avhengighet av absorpsjon bandene vann i regionen NIR. Som vist i figur 1a, ν1 + ν2 + ν3 absorpsjon band av er vann observert i 1100-nm for 1250-nm bølgelengde (λ) og Skift til kortere bølgelengder som temperaturen øker19. Her, ν1 + ν2 + ν3 betyr at dette bandet tilsvarer kombinasjonen av de tre grunnleggende O-H vibrasjonsmodi: symmetrisk strekker (ν1), bøying (ν 2), og antisymmetriske strekker (ν3)20,21. Denne endringen i spekteret indikerer at den mest temperaturfølsomme bølgelengden i bandet λ ≈ 1150 nm. Andre absorpsjon band vann også viser lignende virkemåter når det gjelder temperatur15,16,17,18,20,21. Ν1 + ν3 band vann observert i området λ = 1350−1500 nm og temperatur forholdet er vist i figur 1b. I ν1 + ν3 band av vann er 1412 nm mest temperatur-sensitive bølgelengde. Dermed er det mulig å få todimensjonal (2D) temperatur bilder ved hjelp av en NIR kamera for å fange 2D absorbansen bilder på λ = 1150 eller 1412 nm. Som vann absorpsjon koeffisient på λ = 1150 nm er mindre enn at på λ = 1412 nm, tidligere bølgelengden er egnet for ca 10 mm tykke vandige media, mens sistnevnte er egnet for ca 1 mm tykke. Nylig, bruker λ = 1150 nm, vi fikk temperatur distribusjonene på et 10 mm tykke vann lag som inneholder en induksjon-oppvarmet 1-mm-diameter stål sfære19. Videre temperatur distribusjoner i en 0,5 mm tykt vann lag har blitt målt ved hjelp av λ = 1412 nm15,17.

En fordel til NIR-basert temperatur tenkelig teknikk er at det er enkelt å konfigurere og implementere fordi det er en overføring absorpsjon måling teknikk og trenger ingen fluorophore, fosfor, eller andre termisk sonde. I tillegg er temperatur oppløsningen mindre enn 0,2 K15,17,19. Så god temperatur oppløsning kan ikke oppnås ved andre overføring teknikker basert på interferometry, som ofte har blitt brukt i varme og masse overføring studier22,23,24. Vi oppmerksom imidlertid at NIR-baserte temperaturen tenkelig teknikk passer ikke i tilfeller med betydelig lokale temperatur endring, fordi nedbøyning av lys forårsaket av den store temperaturgradient blir dominerende19. Denne saken er referert i denne utredningen praktisk bruk.

Dette dokumentet beskriver eksperimentelle oppsett og prosedyre for NIR-basert temperatur tenkelig teknikken for en liten magnetisk sfære oppvarmet via induksjon; i tillegg presenterer den resultatene av to representant 2D absorbansen bilder. Ett bilde er av en 2.0-mm-diameter stål kule i et 10.0-mm tykt vann lag som er fanget på λ = 1150 nm. Det andre bildet er en 0,5-mm-diameter stål kule i en 2.0-mm tykt maltose sirup lag som registreres på λ = 1412 nm. Dette dokumentet presenterer også den beregningsmetoden og resultatene av tredimensjonale (3D) radial fordelingen av temperatur ved å bruke inverse Abel transformering (IAT) 2D absorbansen bildene. IAT er gyldig når en 3D temperatur distribusjon antas for å være sfærisk symmetrisk som i tilfelle av en oppvarmet sfæren (figur 2)19. For beregning av IAT, er en multi-Gaussian funksjonen passer metoden ansatt her, fordi IATs Gaussian funksjoner kan fås analytisk25,26,27,28,29 og passer godt til monotonically synkende data. Dette inkluderer eksperimenter ansette varmeledning fra en enkelt varmekilde.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. eksperimentelle oppsett og prosedyrer

Forberede en optisk rail å montere en prøve og optikk for NIR imaging som følger.

  1. Eksempel forberedelse.
    Merk: Når du bruker vann eller vandig væske, gjøre trinn 1.1.1. Når du bruker en vandig gel med høy viskositet, gjøre trinn 1.1.2.
    1. Stål sfære i vann.
      1. Fikse en 2.0-mm-diameter stål kule på slutten av en tynn plast streng med en liten mengde limet.
      2. Henge stål kulen i sentrum av rektangulære glass cellen med en optisk banelengde 10,0 mm, en bredde på 10 mm og en høyde på 45 mm (Figur 3).
      3. Hell filtrert vann i cellen forsiktig for ikke å produsere luftbobler.
        Merk: En stål sfære kan også være fast til spissen av en tynn plast stang med en liten mengde lim19.
    2. Stål sfære i vandig gel.
      1. Varm en vandig gel for å redusere sin viskositet slik at det er lav nok skal helles jevnt.
      2. Bruker en sprøyte, hell vandig gel i en rektangulær glass celle med en optisk banelengde 2.0 mm, en bredde på 10 mm og en høyde på 45 mm til halvfull og la den avkjøles.
      3. Plass en 0,5-mm-diameter stål kule i midten av gel overflaten.
      4. Fylle cellen med vandig gel.
        Merk: Større kuler (> ~ 1 mm dia.) bør ikke brukes med en gel fordi de vil gå av gravitasjonsfeltet og/eller magnetiske styrker under induksjonsoppvarming.
    3. Setter du cellen i en plast holderen og montere den på optisk jernbane (Figur 3).
  2. Utarbeidelse av NIR tenkelig system.
    1. Forberede en halogenlampe med fiber lys guide, og fix slutten av fiber lys guide med en holder på optisk skinnen.
    2. Plasser en smal båndpassfilter (NBPF) med en transmisjon topp λ = 1150 nm eller λ = 1412 nm mellom fiber lyslederen og cellen (Figur 3).
    3. Gripe en annen båndpassfilter (BPF), som overføring bølgelengdeområde er større enn NBPF, mellom halogenlampen og NBPF.
      Merk: BPF er behøvde å forhindre termisk skade å NBPF fordi den mottar lys direkte.
    4. Gripe en iris diaphragm(s) i lys banen mellom NBPF og celle innehaveren å redusere uønsket lys (Figur 3).
    5. Definere en NIR kameraet å oppdage lyset overført gjennom cellen (Figur 3). Koble kameraet gjennom en dataoverføring kabel til et grafisk styre installert i en personlig datamaskin (PC) med oppkjøpet programvare.
    6. Angi en telesentrisk linse mellom cellen og kameraet (Figur 3).
      Merk: En felles kameralinse kan også brukes. En telesentrisk linse er imidlertid bedre selektiv påvisning av lys parallell til sjef ray for IAT og reduksjon av påvirkning av Diffraksjon.
      Merk: NBPF og BPF bør ikke plasseres mellom cellen og kameraet fordi, dermed temperaturen vil øke via direkte absorpsjon av lys fra halogenlampen.
    7. Slå på NIR kameraet og starte image oppkjøpet programvare.
    8. Lys halogenlampen og justere sin utgangseffekt observere bildet som vises på skjermen (Figur 4).
    9. Justere aksen, plasseringen og fokus for telesentrisk-objektiv for å få et fint bilde av stål sfæren.
      Merk: Hvis justeringen ikke er komplett, uregelmessig intensitet mønstre vises, fører til feil absorbances.
  3. Utarbeidelse av induksjon varmesystem.
    1. Forberede en induksjon varmesystem bestående av en høyfrekvent generator (maksimal utgangseffekt: 5,6 kW; frekvens: 780 kHz), vannkjølt coil og vann chiller.
      Merk: En induksjon varmesystem for lodding, sveising og lodding små metalldeler er egnet for dette formålet; se Tabellen for materiale.
    2. Hvis mulig, montere spolen på en XYZ bevegelige scenen for å endre plasseringen.
    3. Plass spolen nær cellen slik at avstanden mellom coil sentrum og stål sfæren er ca 15 mm (Figur 3). Kontroller at det er ingen andre metalldeler nær spolen.
      Merk: Avstanden skal justeres avhengig av induksjon makt og sfære størrelsen.
    4. Sirkulere vann for kjøling.
  4. Image Vinningen og induksjonsoppvarming.
    1. Klikk "start" på bilde oppkjøpet programvare lagre bildene sekvensielt.
    2. Klikk "start" på induksjon oppvarming programvare for å starte induksjonsoppvarming.
    3. Etter noen sekunder (avhengig av betingelsene og formål), klikker du "stoppe" på bilde oppkjøpet programvare.
    4. Klikk "stopp" på induksjon oppvarming programvare.
    5. Lagre bildene timelig lagret som en TIFF-sekvens (eller andre ikke-komprimert format) på bilde oppkjøpet programvare.
      Merk: Hvis temperaturen er høy nok, vises effekten av lys utslag på bilde7. Induksjon oppvarming makt må være redusert riktig skjønt eksperimenter slik at økningen i temperaturen nær sfæren er mindre enn ca 10 K, som kan bekreftes i følgende protokollen for temperatur estimering.

2. image bearbeiding og temperatur estimering

Merk: De lagrede sekvensielle bildene vises som jegjeg(x, z), der i er den sekvensielle bildenummer. Koordinater, x, y, z, rog r' defineres som er vist i figur 2; z er positivt i retning motsatt tyngdekraften. Omrisset av følgende protokollen er også illustrert i tillegg 1.

  1. Absorbansen bildet konstruksjon.
    1. Åpne jegjeg(x, z) med bildebehandlingen.
    2. Redusere støy i jegjeg(x, z) ved å implementere 3 × 3 pixel snitt.
    3. Lage et gjennomsnittlig bilde av jegjeg(x, z) over jeg = 1 til 5 (eller flere) før oppvarming og definere det som referansebilde, jegr(x, z).
      Merk: Denne snitt reduserer støy for å få et mer pålitelig bilde enn et enkeltbilde bilde.
    4. Konstruere den sekvensielle bilder av absorbansen forskjellen Δenjeg(x, z) via følgende ligning:
      Equation 1(1)
      Merk: ΔAjeg(x, z) er variasjonen i absorbansen, enjeg(x, z) fra referanse absorbansen, enr(x, z), før oppvarming, og er avledet slik15,16,17,18,19:
      Equation 2(2)
      der jeg0 er intensiteten av det innfallende lyset til cellen.
    5. Fargelegge Δenjeg bildene ved hjelp av en passende farger som blå-til-rød.
      Merk: Kommandoskriptfilen for å kjøre trinn 2.1.2 gjennom 2.1.5 for ImageJ er presentert i tillegg 2.
  2. Temperatur estimering.
    1. Velg tidsperioden under hvilke ΔAjeg(x, z) er sirkulært symmetriske forhold til midten av området ved å visuelt se bildene.
      Merk: Den sirkulære symmetrien er brutt av fri konveksjon. En avbildningsbasert analytisk dom av fri konveksjon er innført i den tidligere arbeid19; men praktisk, er visuell dommen effektivt.
    2. Trekke ut ΔAjeg(rʹ, θ) data langs 360 radiale linjer (Δθ = 1˚) på Δenjeg(x, z) bilder.
    3. Utelate Δenjeg(rʹ, θ) data innenfor og i nærheten (Δrʹ≈ 0.2 mm). Merk: Dataene er anomalously svært liten eller stor i nærheten hovedsakelig på grunn av det liten armbevegelse sfære.
    4. Gjennomsnittlig Δenjeg(rʹ, θ) over θ å bestemme linjen profilen Δenjeg(rʹ).
      Merk: Kommandoskriptfilen for å kjøre trinn 2.2.2 gjennom 2.2.4 for ImageJ er presentert i tillegg 3.
    5. Omtrentlig ΔAjeg(rʹ) data av følgende multi-Gaussian funksjonen:
      Equation 3(3)
      hvor enj er vekting faktor σj er parameteren spredning og R er maksimal rʹ der ΔAjeg(R) = 0 kan antas.
    6. Beregne absorpsjon koeffisienten forskjellen, Δµjeg(r), ved å erstatte den fått N, enjog σj i følgende IAT av Eq. (3):
      Equation 4(4)
      hvor er FEILF error-funksjonen.
    7. Konverter Δµjeg(r) til temperatur via følgende ligning:
      Equation 5(5)
      med temperatur koeffisientene vann, αf, som 4.0 × 10-3 K-1 mm-1 for λ = 1150 nm19 og 4.1 × 10-3 K-1 mm-1 for λ = 1412 nm17.
      Merk: Kommandoskriptfilen for å kjøre trinn 2.2.5 gjennom 2.2.7 presenteres i tillegg 4, hvor Levenberg-Marquardt lineære minste kvadrater algoritmen17,19 er ansatt for trinn 2.2.5.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Bilder av ΔAjeg(x, z) på λ = 1150 nm for en 2.0-mm-diameter stål sfære i vann og på λ = 1412 nm for en 0,5-mm-diameter stål kule maltose sirup presenteres i figur 5en og Figur 6et, henholdsvis. I begge tilfeller var sfæren ligger 12 mm under bunnen av spolen langs sin sentrale akse. Figur 5 b og figur 6b vise ΔA(rʹ) data og deres montert multi-Gaussian funksjoner i Eq. (3) med R = 3.0 mm og R = 1,5 mm, henholdsvis. Ikke mer enn to eller tre Gaussian funksjoner (N = 2 eller 3) er nødvendig for å oppnå en god passform17,19. Funksjonene montert ble deretter forvandlet til ΔT(r) profiler via EQ. (4) og (5), og vises i figur 5c og figur 6c.

Δet bilder i begge tilfeller klart viser en økning i temperaturen på vannet og gel rundt sfæren på grunn av varmeledning. Sirkulær symmetri ΔA forhold til sfæren er observert i alle bilder. Tomter og kurver i figur 5c indikerer at ΔA(rʹ) øker med tiden på avstander nærmest sfære. på rʹ≥ 2,5, nei betydelig endre er observert. Videre kontrollere ΔT(r) profilene Hentet via IAT forekomsten av varmeledning i radial retning. Merk at selv om ΔT(r) profilene vises lik de ΔA(rʹ), endringer i dΔT(r) /dr graderingen skiller seg fra ΔA(rʹ) profiler . I figur 6, finnes magnitudes av ΔA samsvare med oppvarming makt nivåer, dvs. varme generasjon priser sfære.

Resultatene for 0,5-mm-diameter sfæren viser at fri konveksjon, som forvrenger det sirkulært mønsteret i ΔA, ikke ble observert etter t = 1.2 s. derimot 2.0-mm-diameter sfæren i vann, fri konveksjon ble funnet oppstår etter t = 1.2 s (vises ikke). Dette betyr at en overgang fra en ren varmeledning regimet til en fri konveksjon regimet har oppstått i vannet ved ca t = 1.2 s. Denne forskjellen i fri konveksjon skyldtes forskjellene i varme generasjon rate og viskositet. Den varme generasjon rate av 0,5 mm diameter sfæren var betydelig mindre enn 2.0-mm-diameter sfæren; Videre, viskositeten av maltose sirup (ca 100 Pa·s) var betydelig høyere enn vann (ca 0,001 Pa·s). Fordi fri konveksjon er et viktig tema i varme og masse overføring forskning, det foreslåtte tenkelig teknikken, som gir utbruddet tidspunktet for fri konveksjon og mønster av termisk skyen og gir informasjon om de fysiske forholdene inducing gratis konveksjon bidrar betydelig til forskning i dette feltet.

Figure 1
Figur 1 : Temperatur avhengighet av NIR absorpsjon spektrum vann. (a, b) Absorpsjon bandet spektra av vann ved temperaturer fra 16,0 ° C (blå) 44.0 ° c (rød) 4.0 ° C om gangen i bølgelengde områder av 1100-1250 nm og 1350-1500 nm, henholdsvis. Pilene viser retningen økningen i temperaturen. Senkninger Vis absorbansen forskjellen spectra; absorbansen spectra 16,0 ° c er referansene. Den optiske bane lengden er 10 mm og 1.0 mm i (a) og (b), henholdsvis. De vertikale stiplede linjene viser temperatur-sensitive bølgelengdene 1150 nm og 1412 nm brukes til å innhente NIR bildene. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 2
Figur 2 : Koordinatsystemet og geometri for absorbansen bildebehandling. Gjengitt fra Kakuta et al. 201719 med tillatelse fra AIP publisering. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 3
Figur 3 : Eksperimentelle oppsett. (a) skjematisk av optisk system og induksjon oppvarming oppsett. Se for mer informasjon. Dette tallet er endret fra Kakuta et al. 201719 med tillatelse fra AIP publisering. (b) bilde av eksperimentelle. (c) bilde viser en 2.0-mm-diameter stål kule hengende i en streng, celle, og coil med skala. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 4
Figur 4 : Kjøpt råbilder. (a, b) Overført intensitet bildene, jeg(x, z), på λ = 1150 nm for en 2.0-mm-diameter stål sfære i vann og λ = 1412 nm for en 0,5-mm-diameter stål sfære maltose sirup, henholdsvis. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet. 

Figure 5
Figur 5 : Absorbance bilder og temperatur profiler for en 2.0-mm-diameter stål kule i vann. (a) ΔA(x, z) bilder på λ = 1150 nm og t = 0,4, 0,8 og 1.2 s etter utbruddet av induksjonsoppvarming. (b) plott med ΔA(rʹ) og deres multi-Gaussian passer (solid kurver). (c) ΔT(r)-profiler oppnås ved å utføre IATs på ΔA(rʹ). Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 6
Figur 6 : Absorbans bilder og temperatur profiler for en 0,5-mm-diameter stål sfære maltose sirup. (a) ΔA(x, z) bilder på λ = 1412 nm og t = 0,4, 0,8 og 1.2 s etter utbruddet av induksjon oppvarming for oppvarming power nivåer av 10%, 30% og 50%. (b) plott med ΔA(rʹ) og deres multi-Gaussian passer (solid kurver) 50%. (c) ΔT(r)-profiler oppnås ved å utføre IATs på ΔA(rʹ) 50%. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet. 

Supplemental Figure 1
Supplement 1: Oversikt over bildebehandling. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Supplemental Figure 2
Tillegg 2: Kommandoen skriptfil absorbans image bygging (makroen for ImageJ). Klikk her for å laste ned denne filen.

Supplemental Figure 3
Tillegg 3: Kommandoskriptfilen for linje profil utvinning (makroen for ImageJ). Klikk her for å laste ned denne filen.

Supplemental Figure 4
Tillegg 4: MATLAB kode for multi-Gaussian montering og inverse Abel transformering. Klikk her for å laste ned denne filen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Teknikken er presentert i denne artikkelen er en roman bruker temperatur avhengigheten NIR absorpsjon av vann og presenterer ingen betydelige vanskeligheter med nødvendig utstyr og gjennomføring. Det innfallende lyset kan lett produseres ved hjelp av en halogenlampe og en NBPF. Imidlertid kan ikke lasere brukes, fordi sammenhengende forstyrrelser mønstre vises på bildene. Vanlige optiske linser og glass celler for synlig lys bruk kan brukes som de overføre en tilstrekkelig mengde lys i λ = 1150 nm og 1412 nm. I tillegg kan InGaAs kameraer kjøpes nå til en relativt billig pris.

NBPFs på λ = 1150 nm og 1412 nm er tilgjengelig ved semi Egendefinert rekkefølge, men de er ikke altfor dyrt. Hvis det er en ferdige NBPF på en annen bølgelengde, som må være i temperaturen-avhengige bølgelengdeområde (figur 1), kan den brukes i stedet, selv om temperaturen følsomheten, eller αf, reduseres. For eksempel αf verdien λ = 1175 nm er halvparten av at λ = 1150 nm. Videre påvirker båndbredde eller skarphet i NBPF αf; som båndbredden øker, reduserer αf 15. Når nøyaktig estimering ΔT(r) er nødvendig, bør dermed transmisjon spekteret av NBPF måles ved et spektrofotometer.

Som nevnt i trinn 1.4 av protokollen, fordi brytningsindeks vann varierer med temperatur, lys stråler gjennom feltet temperaturen rundt en kule er avledet, forårsaker endringer i ΔA(x, z) bilder. Dette problemet ble undersøkt i våre tidligere arbeid19. Ifølge resultatene innhentet via denne studien så lenge den maksimale temperaturen nær sfæren er moderat liten (< 10 K, ca), bidrag av lys nedbøyning til endringen i ΔA(x, z) kan negligibel eller tilstrekkelig mindre enn lys absorpsjon, fordi lyset er usammenhengende og en bestemt nedbøyning vinkel er akseptert av blenderåpning stopp av telesentrisk linsen; Dette betyr at forandret retning stråler passerer om blenderåpning og fokusere på det samme punktet i bildet flyet som sjef ray30. Men vurderer dette, blenderåpning stopp skal være nøye tilpasset slik at aksept av telesentrisk linsen er litt større enn forventet nedbøyning vinkelen. Prøving og feiling justeringer kan være nødvendig for første eksperimentet.

Bildebehandling i trinn 2.1 av protokollen og beregne IAT i trinn 2.2 krever ingen avanserte matematiske kunnskap. Trinn 2.1 kan utføres enkelt med vanlige bildebehandling som kan behandle TIFF bildesekvensfiler. I trinnet 2.2.2 hvis linjen profilene på flere vinkler ikke automatisk hente kommandoen skript, kan en enkeltlinje profil utdraget manuelt på bildebehandling i stedet brukes, selv om varianter på grunn av støy ikke er redusert.

Når du bruker en vandig medium, bør sin vanninnhold, eller mole brøk, være kjent eller målt, spesielt for en nøyaktig vurdering av ΔT, fordi αf avhenger vanninnholdet. Med andre ord, som absorpsjon koeffisientene vandig solutes og gel underlag avhenger litt på temperatur, er temperatur følsomheten nesten proporsjonal med vanninnholdet. Hvis vanninnholdet er kjent for å være svært høy, som med vandig væsker, kan αf verdien av vann i dette papiret brukes praktisk talt. Ellers kan multiplisere αf verdien av vann ved spådd eller måles vannet innhold, dvs. redusere αf, være effektive for en tilstrekkelig nøyaktig estimering.

Vurderer oppdagelsen temperaturgrense (~0.2 K) og romlig oppløsning (~ 30 µm; dette avhenger pikselstørrelsen og forstørrelse), er det umulig for presentert teknikken å oppdage en minutt temperaturøkning forårsaket av enkelt mikro - og nano-magnetisk partikler oppvarmet Induktivt. Men hvis et stort antall partikler kan er akkumuleres, finnes i en kapsel eller fløt i en tynn slange, vil temperaturen øke over oppdagelsen nivå. I forskningen på magnetiske hypertermi, egentlig er slik aggregering eller Selektiv adsorpsjon av magnetiske nanopartikler til kreftceller og resulterende temperaturene viktig og undersøkt. Derfor forventes presentert teknikken brukes til in vitro eksperimenter i magnetiske hypertermi studier og annet søknadene benytter magnetiske partikler. Sfærisk symmetri i temperatur distribusjonen kan ikke hentes i disse programmene, men det 2D profilen nok til å informere forskere temperaturen, nummeret og distribusjon av partikler og oppvarming ytelsen.

Presentert teknikken kan brukes til å evaluere magnetiske felt i forskjellige magnetiske programmer31,32. Være vanligvis magnetfelt produsert av CoILer er svært komplisert, og kan ikke nøyaktig målt eller teoretisk spådd. Men som vist i våre tidligere arbeid19, kan det temperatur og varme generasjon priser på en magnetisk kule forskjellige posisjoner under forskjellige coil strømmer fås ved våre teknikk. Den romlige fordelingen av varme generasjon rate samsvare magnetfeltet. Til slutt kan presentert teknikken gjennomføres, ikke bare for elektromagnetisk induksjon, men også for ultralyd fokus, kjemiske reaksjoner i dråper og andre lokale oppvarming metoder.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne ikke avsløre.

Acknowledgments

Forfatterne takker Mr. Kenta Yamada, Mr. Ryota Fujioka og Mr. Mizuki Kyoda for deres støtte eksperimenter og data analyser. Dette arbeidet ble støttet av JSP KAKENHI Grant tall 25630069, Suzuki stiftelsen, og nøyaktig måling teknologi forfremmelse Foundation, Japan.

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

Engineering imaging problemet 134 nær infrarød temperatur induksjonsoppvarming vann absorbansen magnetiske sfære.

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

Nær infrarød temperatur måling teknikk for rundt en induksjon-oppvarmet liten magnetisk sfære
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