Waiting
Login processing...

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

Engineering

Nära-infraröd temperatur mätteknik för vatten som omger en induktion-uppvärmda små magnetiska sfär

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 teknik som utnyttjar våglängder av 1150 och 1412 nm att mäta temperaturen på vattnet som omger en induktion-uppvärmda små magnetiska sfär presenteras.

Abstract

En teknik för att mäta temperaturen på vatten och icke-grumlig vattenmedium kring en induktion-uppvärmda små magnetiska sfär presenteras. Denna teknik använder tredjeparts våglängder av 1150 och 1412 nm, vid vilken absorptionskoefficienten vatten är beroende av temperaturen. Vatten eller en icke-grumlig vattenbaserade gel innehållande en 2,0 mm eller 0,5-mm diameter magnetiska sfär bestrålas med 1150 nm eller 1412 nm infallande ljus, som markerade med hjälp av ett smalt bandpassfilter; Dessutom är tvådimensionell absorbansen bilder, som är de tvärgående projektionerna av absorptionskoefficienten, förvärvat via en nära-infraröd kamera. När den tredimensionella distribution av temperatur kan antas vara sfäriskt symmetriska, beräknas de genom att tillämpa inversen Abel omvandlar absorbans profilerna. Temperaturerna observerades att konsekvent ändra enligt tid och induktion värmeeffekt.

Introduction

En teknik för att mäta temperatur nära en liten värmekälla i ett medium krävs i många vetenskapliga forskningsområden och applikationer. Till exempel i forskningen på magnetiska hypertermi, vilket är en metod för behandling av cancer med elektromagnetisk induktion av magnetiska partiklar eller små magnetiska bitar är det kritiskt att exakt förutsäga temperatur fördelningarna genereras av den magnetiska partiklar1,2. Men även om mikrovågsugn3,4, ultraljud5,6,7,8, optoacoustic9, Raman10och magnetisk resonans11 ,12-baserade temperatur mätteknik har forskat och utvecklat, sådan en inre temperatur-distribution kan inte mätas exakt i dagsläget. Hittills har enda-position temperaturer eller temperaturer på några positioner mätts via temperatursensorer, som vid induktion, är icke-magnetiska optisk fiber temperatur sensorer13,14. Alternativt, yttemperaturen hos media har mätts distans via infraröd strålning termometrar att uppskatta den inre temperaturer14. Men när ett medium innehållande en liten värmekälla är en vatten-lager eller en icke-grumlig vattenhaltigt medium, har vi visat att en nära-infraröd teknik (NIR) absorption är användbart för att mäta temperaturer15,16, 17,18,19. Detta dokument presenterar detaljerade protokollet av denna teknik och representativa resultat.

NIR absorption tekniken bygger på principen om temperaturberoende av banden absorption av vatten i regionen NIR. Som visas i figur 1a, ν1 + ν2 + ν3 absorption band av observeras vatten i den 1100-nm till 1250-nm våglängdsområde (λ) och skiftar till kortare våglängder som temperaturen ökar19. Här, ν1 + ν2 + ν3 innebär att detta band motsvarar kombinationen av de tre grundläggande O-H vibrationslägen: symmetriska stretching (ν1), böjning (ν 2), och antisymmetriska sträckning (ν3)20,21. Denna förändring i spektrumet visar att den mest temperaturkänsliga våglängden i bandet är λ ≈ 1150 nm. Andra absorption band vatten uppvisar också liknande beteende med avseende på den temperatur15,16,17,18,20,21. Den ν1 + ν3 bands vatten observerats inom de intervall λ = 1350−1500 nm och dess temperaturberoende visas i figur 1b. I ν1 + ν3 band av vatten är 1412 nm den mest temperaturkänsliga våglängden. Därför är det möjligt att få tvådimensionell (2D) temperatur bilder genom att använda en NIR-kamera bildtagning 2D absorbansen vid λ = 1150 eller 1412 nm. Som absorptionskoefficienten vatten vid λ = 1150 nm är mindre än att vid λ = 1412 nm, våglängden som tidigare är lämplig för cirka 10 mm tjock vattenhaltigt medium, medan den senare är lämplig för cirka 1 mm tjock. Nyligen, med λ = 1150 nm, vi fått temperaturen fördelningarna i en 10 mm tjock vatten lager som innehåller en induktion-uppvärmda 1 mm diameter stål sfär19. Dessutom den temperatur distributioner i en 0,5 mm tjock vatten lager har mätts med hjälp av λ = 1412 nm15,17.

En fördel till NIR-baserade temperatur bildteknik är att det är enkla att installera och implementera eftersom det är en överföring-absorption mätteknik och behöver ingen fluorophore, fosfor eller andra termisk sond. Resolutionen temperatur är dessutom mindre än 0.2 K15,17,19. Sådan bra temperatur resolution inte kan uppnås genom andra överföring teknik som bygger på interferometri, som ofta har använts i värme- och massöverföring studier22,23,24. Vi noterar dock att NIR-baserade temperaturen bildteknik är inte lämplig i fall med betydande lokala temperaturförändring, eftersom avböjningen av ljus orsakade av den stora temperaturgradient blir dominerande19. Denna fråga hänvisas i detta papper när det gäller praktisk användning.

Detta dokument beskriver experiment och förfarandet för NIR-baserade temperatur imaging tekniken för en liten magnetiska sfär uppvärmd via induktion; Dessutom presenteras resultaten av två representativa 2D absorbansen bilder. En bild är av en 2.0 mm diameter stål sfär i ett 10,0 mm tjock vatten lager som fångas vid λ = 1150 nm. Den andra bilden är av en 0,5 mm diameter stål sfär i ett 2.0 mm tjock maltos sirap lager som fångas vid λ = 1412 nm. Detta dokument presenterar också beräkningsmetod och resultat av tredimensionella (3D) radiell fördelningen av temperaturen genom att tillämpa inversen Abel transformering (IAT) 2D absorbansen bilderna. IAT är giltig när en 3D temperaturfördelning antas vara sfäriskt symmetriska som i fallet med en uppvärmd sfär (figur 2)19. Beräkningen av IAT är en multi-Gaussisk funktion passande metod anställd här, eftersom IATs Gaussisk funktioner kan erhållas till analytiskt25,26,27,28,29 och passar väl till monotont avtagande data; Detta inkluderar experiment anställa termisk ledning från en enda värmekälla.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. experiment och förfaranden

Förbereda en optisk järnväg att montera en prov och optik för NIR imaging enligt följande.

  1. Provberedning.
    Obs: När du använder vatten eller Vattenhaltigt flytande, göra steg 1.1.1. När du använder en vattenbaserad gel med hög viskositet, göra steg 1.1.2.
    1. Stål sfär inställningen i vatten.
      1. Fixa en 2.0 mm diameter stål sfär till slutet av en tunn plast sträng med en liten mängd lim.
      2. Häng en stål sfär på mitten av cellen rektangulära glas med en optiska ljuspassagelängden 10,0 mm, en bredd på 10 mm och en höjd av 45 mm (figur 3).
      3. Häll filtrerat vatten i cellen noga så att inte producera luftbubblor.
        Obs: En stål sfär kan också fastställas till spetsen av en tunn plast stav med en liten mängd lim19.
    2. Stål sfär inställningen i vattenbaserade gel.
      1. Värm en vattenbaserad gel för att minska viskositeten så att det är tillräckligt låg för att hällas smidigt.
      2. Med en spruta, häll aqueous gelen i en rektangulär glas cell med en optiska ljuspassagelängden 2,0 mm, en bredd på 10 mm och en höjd av 45 mm till halvfull och låt den svalna.
      3. Placera en 0,5 mm diameter stål sfär i mitten av gel ytan.
      4. Fylla cellen med den vattenbaserade gel.
        Obs: Större sfärer (> ~ 1 mm dia.) bör inte användas med en gel eftersom de kommer att flytta av gravitationell eller magnetiska krafter under induktionsvärmning.
    3. Cellen i en plasthållare och montera den på optiska järnväg (figur 3).
  2. Beredning av NIR imaging system.
    1. Förbereda en halogenlampa med en fiber ljusledare och fixa i slutet av guiden fiber ljus med en hållare på optiska järnväg.
    2. Placera en smal bandpassfilter (NBPF) med en transmittans topp vid λ = 1150 nm eller λ = 1412 nm mellan guiden fiber ljus och cellen (figur 3).
    3. Inskjuta ett annat bandpassfilter (BPF), vars överföring våglängdsområdet är bredare än NBPF, mellan halogenlampa och NBPF.
      Obs: BPF behövs att förhindra termiska skador på NBPF eftersom den tar emot ljus direkt.
    4. Inskjuta ett iris diaphragm(s) i ljusbanan mellan NBPF och cell innehavaren att minska ströljus (figur 3).
    5. Ställa in en NIR-kamera att upptäcka ljuset överförs genom cellen (figur 3). Ansluta kameran via en dataöverföring kabel till en grafisk styrelse som installerats på en persondator (PC) med förvärvet bildbehandlingsprogram.
    6. Ange en Telecentrisk objektiv mellan cellen och kamera (figur 3).
      Obs: En gemensam kameralinsen kan också användas. En Telecentrisk objektiv är dock bättre när det gäller selektiv detektion av ljus parallellen till den chef ray för IAT och minskning av påverkan av diffraktion.
      Obs: De NBPF och BPF bör inte placeras mellan cellen och kamera eftersom, därvid vattentemperaturen skulle öka via direkt upptagning av hög intensitet ljus från halogenlampan.
    7. Slå på NIR kameran och starta förvärv bildbehandlingsprogram.
    8. Ljus halogenlampan och justera dess uteffekt som observerar den bild som visas på monitorn (figur 4).
    9. Justera axeln, position och fokus av telecentrisk linsen för att få en bra bild av området för stål.
      Obs: Om justeringen inte är komplett, oregelbundna intensitet mönster visas, vilket leder till felaktiga absorbanserna.
  3. Beredning av induktion värmesystem.
    1. Förbereda en induktionsvärmare system bestående av en hög frekvens generator (maximal uteffekt: 5,6 kW, frekvens: 780 kHz), vattenkyld spole och vatten kylmaskin.
      Obs: Induktion värmesystem för lödning, svetsning och lödning små metalldelar är lämpliga för detta ändamål. Se Tabell för material.
    2. Om möjligt, montera spolen på en lös scenen för XYZ att ändra sin ståndpunkt.
    3. Placera spolen nära cellen så att avståndet mellan spole centrum och området stål är ca 15 mm (figur 3). Se till att det finns inga andra metalldelar nära spolen.
      Obs: Avståndet bör justeras beroende på de Induktionsvärmningsutrustningar makt och sfär storlek.
    4. Cirkulera vatten för kylning.
  4. Bild förvärv och induktionsvärmning.
    1. Klicka på ”start” på förvärvet bildbehandlingsprogram att lagra bilderna sekventiellt.
    2. Klicka på ”start” på induktion värme styrprogram för att inleda induktionsvärmningen.
    3. Efter flera sekunder (beroende på förutsättningar och syfte), klickar du på ”stopp” på förvärvet bildbehandlingsprogram.
    4. Klicka på ”stop” på induktion värme styrprogram.
    5. Spara de temporally-lagrade bilderna som en TIFF-sekvens (eller andra icke-komprimerade format) på förvärvet bildbehandlingsprogram.
      Obs: Om temperaturen är tillräckligt hög, visas effekten av ljus nedböjning på bild7. Induktionen värmeeffekt måste vara minskade lämpligt dock experiment så att ökningen av temperaturen nära området är mindre än ca 10 K, som kan bekräftas i följande protokoll steg för temperatur uppskattning.

2. bild bearbetning och temperatur uppskattning

Obs: Sparade sekventiell bilder representeras som jagjag(x, z), där jag är sekventiella ramnummer. De koordinater x, y, z, roch r' är definierade som anges i figur 2. z är positiva i motsatt riktning till gravitation. Skissera av följande protokollstegen illustreras också i tillägg 1.

  1. Absorbansen bild konstruktion.
    1. Öppna jagjag(x, z) med bildbehandling programvara.
    2. Minska brus i jagjag(x, z) genom att implementera 3 × 3 pixel genomsnitt.
    3. Skapa en genomsnittlig bild av jagjag(x, z) över jag = 1 till 5 (eller mer) innan uppvärmning och definiera det som referensbild, Ir(x, z).
      Obs: Detta genomsnitt minskar buller för att få en mer tillförlitlig bild än en enskild bildruta bild.
    4. Konstruera de sekventiella bilderna av absorbansen skillnaden, Δenjag(x, z), via följande ekvation:
      Equation 1(1)
      Obs: ΔAjag(x, z) är variationen i absorbansen, enjag(x, z), från referens absorbansen, enr(x, z), innan värme, och är härrör följande15,16,17,18,19:
      Equation 2(2)
      där jag0 är intensiteten av infallande ljus till cellen.
    5. Färglägga Δenjag bilderna med en lämplig färgkarta såsom blå-till-röd.
      Obs: Skriptfilen för löpsteg 2.1.2 genom 2.1.5 för ImageJ presenteras i tillägg 2.
  2. Temperatur uppskattning.
    1. Välj den tidsperiod under vilken ΔAjag(x, z) är cirkulärt symmetrisk med avseende på mitten av sfären genom att visuellt Observera bilderna.
      Obs: Cirkulär symmetrin bryts huvudsakligen av gratis konvektion. En image-baserad analytisk bedömning av gratis konvektion förekommande introduceras i tidigare arbete19; dock i praktiken är den visuella bedömningen effektiv.
    2. Extrahera ΔAjag(rʹ, θ) data längs 360 radiella linjer (Δθ = 1˚) på bilderna Δenjag(x, z).
    3. Utesluta Δenjag(rʹ, θ) data inom området och i dess närhet (Δrʹ≈ 0,2 mm). Obs: Uppgifterna är onormalt mycket små eller stora i närheten främst på grund av den liten rörelsen av spheren.
    4. Genomsnittliga Δenjag(rʹ, θ) över θ att avgöra linje profilen, Δenjag(rʹ).
      Obs: Skriptfilen för löpsteg 2.2.2 genom 2.2.4 för ImageJ presenteras i tillägg 3.
    5. Ungefärlig ΔAjag(rʹ) data av följande multi-Gaussisk funktion:
      Equation 3(3)
      där enj är viktningsfaktor, σj är parametern dispersion och R är maximum av rʹ där ΔAjag(R) = 0 kan antas.
    6. Beräkna skillnaden absorption koefficient, Δµjag(r), genom att ersätta den erhållna N, enjoch σj in den följande IAT av ekv (3):
      Equation 4(4)
      där är erf felfunktionen.
    7. Konvertera Δµjag(r) till temperatur via följande ekvation:
      Equation 5(5)
      med de temperaturkoefficient vatten, αf, som är 4,0 × 10-3 K-1 mm-1 för λ = 1150 nm19 och 4,1 × 10-3 K-1 mm-1 för λ = 1412 nm17.
      Obs: Skriptfilen för löpsteg 2.2.5 genom 2.2.7 presenteras i tillägg 4, där Levenberg-Marquardt nonlinear minstakvadratmetoden algoritm17,19 är anställd för steg 2.2.5.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Bilder av ΔAjag(x, z) vid λ = 1150 nm för en 2,0 mm diameter stål sfär i vatten och vid λ = 1412 nm för en 0,5 mm diameter stål sfär i maltos sirap presenteras i figur 5en och Figur 6en, respektive. I båda fallen var området ligger 12 mm under botten av spolen längs sin centrala axel. Figur 5 figur 6b och b visar ΔA(rʹ) data och deras utrustade multi-Gaussisk funktioner i ekv (3) med R = 3,0 mm och R = 1,5 mm, respektive. Inte mer än två eller tre Gaussisk funktioner (N = 2 eller 3) behövs för att uppnå en bra passform17,19. De monterade funktionerna förvandlades sedan till ΔT(r) profiler via miljökvalitetsnormer. (4) och (5), och presenteras i figur 5c och figur 6c.

De Δett bilderna i båda fallen tydligt visar en ökning i temperaturen på vattnet och gel omgivande området på grund av termisk ledning. ΔA med avseende på området cirkulär symmetri observeras i alla bilder. De tomter och kurvorna i figur 5c indikerar att ΔA(rʹ) ökar med tiden på avstånd närmast området. på rʹ≥ 2,5 mm, ingen betydande förändring observeras. Dessutom verifierar ΔT(r) profilerna erhålls via IAT förekomsten av termisk ledning i radiell riktning. Observera att, även om de ΔT(r) profilerna visas liknar dem i ΔA(rʹ), förändringar i dΔT(r) / dr övertoningen skiljer sig från av ΔA(rʹ) profiler . I figur 6, omfattningen av ΔA befunnits motsvara värme makt nivåer, dvs värmen generation priser av spheren.

Resultat för området 0,5 mm diameter visar att gratis konvektion, vilket snedvrider det cirkulära mönstret i ΔA, inte observerades efter t = 1.2 s. däremot för 2.0 mm diameter sfären i vatten, gratis konvektion befanns uppträda efter t = 1.2 s (visas inte). Detta innebär att en övergång från en ren värmeledande regim till en gratis konvektion kan ha inträffat i vattnet vid ungefärligt t = 1.2 s. Denna skillnad i gratis konvektion orsakades av skillnaderna i värme generation hastighet och viskositet. Värme var generation området 0,5 mm diameter betydligt mindre än den 2.0 mm diameter sfären; viskositeten hos maltos sirap (ca 100 Pa·s) var dessutom betydligt högre än vatten (cirka 0,001 Pa·s). Eftersom gratis konvektion är ett viktigt ämne i värme- och massöverföring forskning, den föreslagna bildteknik, vilket ger insättande tidpunkten för gratis konvektion och mönster av termiska plume och ger information om de fysiska förhållandena inducerande gratis konvektion, kommer att bidra avsevärt till forskning på detta område.

Figure 1
Figur 1 : Temperaturberoende av NIR absorptionsspektrum för vatten. (a, b) Absorptionsspektra bandet vatten vid temperaturer från 16,0 ° C (blå) till 44,0 ° C (röd) i 4,0 ° C steg i våglängdsområden 1100-1250 nm och 1350-1500 nm, respektive. Pilarna anger riktningen av temperaturhöjningen. Inläggningar visar absorbansen skillnaden spectra; absorbansen spektra på 16,0 ° C är referenserna. De optiska banan längderna är 10 mm och 1,0 mm i (a) och (b), respektive. De vertikala streckade visar linjerna det temperaturkänsliga våglängder av 1150 nm och 1412 nm används för att erhålla NIR bilderna. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 2
Figur 2 : Koordinatsystem och geometri för absorbans imaging. Återgivits från Kakuta et al. 201719 med tillstånd av AIP Publishing. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 3
Figur 3 : Experimentell setup. (a) Schematisk bild av det optiska systemet och induktionsvärme setup. Se text för detaljer. Denna siffra har ändrats från Kakuta et al. 201719 med tillstånd av AIP Publishing. (b) fotografi av den experimentella setup. (c) fotografi visar en 2.0 mm diameter stål sfär hängde av en sträng, cell och spole med en skala. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 4
Figur 4 : Förvärvade råbilder. (a, b) Överförda intensitet bilder, jag(x, z), vid λ = 1150 nm för en 2,0 mm diameter stål sfär i vatten och λ = 1412 nm för en 0,5 mm diameter stål sfär i maltos sirap, respektive. Klicka här för att se en större version av denna siffra. 

Figure 5
Figur 5 : Absorbansen bilder och temperaturprofiler för en 2,0 mm diameter stål sfär i vatten. (a) ΔA(x, z) bilder vid λ = 1150 nm och t = 0,4, 0,8 och 1,2 s efter debuten av induktionsvärmning. (b) tomter ΔA(rʹ) och deras multi-Gaussisk passar (solid kurvor). (c) ΔT(r) profiler erhålls genom att utföra IATs på ΔA(rʹ). Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 6
Figur 6 : Absorbans bilder och temperaturprofiler för en 0,5 mm diameter stål sfär i maltos sirap. (a) ΔA(x, z) bilder vid λ = 1412 nm och t = 0,4, 0,8 och 1,2 s efter debuten av Induktionsvärmningsutrustningar för uppvärmning makt nivåer av 10%, 30% och 50%. (b) tomter ΔA(rʹ) och deras multi-Gaussisk passar (solid kurvor) för 50%. (c) ΔT(r) profiler erhålls genom att utföra IATs på ΔA(rʹ) för 50%. Klicka här för att se en större version av denna siffra. 

Supplemental Figure 1
Komplettera 1: Skissera av bildbehandling. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Supplemental Figure 2
Komplettera 2: Kommandoskriptfilen för absorbans bild konstruktion (makro för ImageJ). Vänligen klicka här för att hämta den här filen.

Supplemental Figure 3
Komplettera 3: Kommandoskriptfilen för line profil extraktion (makro för ImageJ). Vänligen klicka här för att hämta den här filen.

Supplemental Figure 4
Komplettera 4: MATLAB-kod för multi-Gaussisk montering och inversen Abel transformering. Vänligen klicka här för att hämta den här filen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Tekniken presenteras i denna uppsats är en roman en använder temperaturberoendet av NIR absorption av vatten och presenterar inga betydande svårigheter att ställa in den nödvändiga utrustningen och genomförandet. Det infallande ljuset kan enkelt skapas genom att använda en halogenlampa och en NBPF. Men kan inte lasrar användas, eftersom sammanhängande interferensmönster skulle visas på bilderna. Vanliga optiska linser och glas celler för synligt ljus användning kan användas, eftersom de överför en tillräcklig mängd ljus vid λ = 1150 nm och 1412 nm. InGaAs kameror kan dessutom köpas nu på en relativt billig pris.

NBPFs vid λ = 1150 nm och 1412 nm finns av semi anpassad ordning, men de är inte överdrivet dyrt. Om det finns en färdiga NBPF på en annan våglängd, som måste vara inom intervallet temperatur-anhörigen våglängd (figur 1), kan det användas i stället, även om den temperatur känslighet, eller αf, kan minska. Till exempel värdet αf vid λ = 1175 nm är hälften av som vid λ = 1150 nm. Vidare påverkar den bandbredd eller skärpan i NBPF αf; bandbredden ökar, minskar αf 15. Således, när det krävs exakt uppskattning av ΔT(r), transmittans spectrumen av NBPF bör mätas genom en spektrofotometer.

Som nämns i steg 1.4 i protokollet, eftersom brytningsindex för vatten varierar med temperatur, ljus strålar passerar genom fältet temperatur runt en sfär är avlänkas, orsakar förändringar i ΔA(x, z) bilder. Problemet undersöktes i vårt tidigare arbete19. Enligt de resultat som erhållits via denna studie, så länge den maximala temperaturen nära området är måttligt liten (< 10 K, ca), ljus omläggning till förändringen i ΔA(x, z) bidrag kan vara försumbar eller tillräckligt mindre än ljusabsorption, eftersom ljuset är osammanhängande och en viss nedböjning vinkel accepteras av hållplatsen bländare av Telecentrisk objektiv; Detta innebär att de utbuktande strålarna passera även om bländaren och fokusera på samma punkt i bildplanet som chef ray30. Dock med tanke på detta, hållplatsen bländare bör noggrant justeras så att acceptans vinkeln av Telecentrisk objektiv är något större än förväntad nedböjning vinkeln. Trial-and-error justeringar kan krävas för vid första försöket.

Beräkning av IAT i steg 2.2 och bildbehandling i steg 2.1 i protokollet kräver inga avancerade matematiska kunskaper. Steg 2.1 kan utföras enkelt med vanliga bildbehandlingsprogram som kan behandla TIFF sekvens-filer. I steget 2.2.2 om linje profilerna i flera vinklar inte kan fås automatiskt med kommandoskript, kan en enda rad profil extraherade manuellt på programvara bildbehandling istället användas, även om variationer på grund av ljud inte reduceras.

När du använder vattenlösningar, dess vattenhalt eller molbråket, bör vara känd eller mätas, särskilt för en korrekt uppskattning av ΔT, eftersom αf beror på vattenhalten. Med andra ord, eftersom absorptionen koefficienter av vattenhaltigt koncentrationsfördelningen och gel substrat beror lite på temperatur, är temperatur känsligheten nästan proportionell mot halten. Om vattenhalten är kända för att vara mycket hög, som med vattenhaltiga vätskor, kan värdet αf vatten ges i detta dokument användas praktiskt. Annars kan multiplicera värdet αf vatten av den förutsedda eller uppmätta vattenhalt, dvs minska αf, vara effektivt för en tillräckligt noggrann uppskattning.

Med tanke på temperaturen detektionsgränsen (~0.2 K) och rumslig upplösning (~ 30 µm, detta beror på pixelstorlek och förstoring), det är omöjligt för den presenterade tekniken för att upptäcka en minut temperaturhöjning som orsakas av enda mikro - och nano-magnetiska partiklar uppvärmd induktivt. Om ett stort antal partiklar kan aggregeras, som ingår i en kapsel eller flödade i en tunn slang, skulle temperaturen öka över detektionsgränsen. I forskningen på magnetiska hypertermi, faktiskt, är sammanläggning eller selektiv adsorption av magnetiska nanopartiklar att cancerceller och resulterande temperaturer viktiga och undersökta. Därför förväntas presenteras tekniken användas för in vitro-experiment i magnetiska hypertermi studier och andra program som använder magnetiska partiklar. Sfärisk symmetri i temperaturfördelningen kan inte erhållas i dessa program, men de 2D-bilderna kommer att räcka för att informera forskare om temperaturen, numret och partiklarnas och värme prestanda.

Presenterade tekniken kan användas för att utvärdera magnetfält som används i olika magnetiska program31,32. Allmänhet, magnetfält produceras av spolar är mycket komplicerade, och kan inte exakt mätas eller teoretiskt förutspådde. Dock visade i vårt tidigare arbete19, kan de temperaturer och värme generation priser av en magnetisk sfär på olika positioner under olika spole strömmar erhållas av vår teknik. Den geografiska fördelningen av andelen värme generation måste motsvara det magnetiska fältet. Slutligen kan presenteras tekniken genomföras, inte bara för elektromagnetisk induktion, men också för ultraljud fokusering, kemiska reaktioner i droppar och andra lokala uppvärmningsmetoder.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Författarna har något att avslöja.

Acknowledgments

Författarna tackar Mr Kenta Yamada, Mr Ryota Fujioka och Mr Mizuki Kyoda för deras stöd på experiment och dataanalyser. Detta arbete stöds av JSPS KAKENHI Grant nummer 25630069, Stiftelsen Suzuki, och exakt mätning teknik befordran 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

Ingenjörsvetenskap imaging fråga 134 nära-infraröd induktion absorbans vatten temperatur magnetiska sfär.

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

Nära-infraröd temperatur mätteknik för vatten som omger en induktion-uppvärmda små magnetiska sfär
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