تقنية قياس درجات الحرارة القريبة من الأشعة تحت الحمراء للمياه المحيطة مجال مغناطيسي صغيرة ساخنة التعريفي

JoVE Journal
Engineering

Your institution must subscribe to JoVE's Engineering section to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

 

ERRATUM NOTICE

Summary

وتقدم تقنية استخدام أطوال موجية 1150 و 1412 نيوتن متر لقياس درجة حرارة المياه المحيطة مجال مغناطيسي صغيرة ساخنة التعريفي.

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations | Reprints and Permissions

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).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

وتقدم تقنية لقياس درجة حرارة المياه ووسائل الإعلام مائي غير عكر المحيطة مجال مغناطيسي صغيرة ساخنة التعريفي. ويستخدم هذا الأسلوب أطوال موجية نيوتن متر 1150 و 1412، الذي معامل امتصاص المياه اعتماداً على درجة الحرارة. المياه أو هلام مائي غير عكر التي تحتوي على مجال مغناطيسي قطرها 2.0 ملم أو 0.5 مم هو المشع مع 1150 nm أو ضوء الحادث 1412 شمال البحر الأبيض المتوسط، كمختارة باستخدام عامل تصفية ممر الموجه ضيقة؛ بالإضافة إلى ذلك، يتم الحصول على صور امتصاص ثنائي الأبعاد، وهي إسقاطات عرضية معامل الاستيعاب، عبر كاميرا القريبة من الأشعة تحت الحمراء. عند توزيع ثلاثي الأبعاد لدرجة الحرارة يمكن أن يفترض أن يكون متماثل كرويا، يقدر بتطبيق معكوس تحويلات أبيل لامتصاص التشكيلات الجانبية. ولوحظت درجات الحرارة باستمرار تغيير وفقا للوقت والتعريفي التدفئة السلطة.

Introduction

تقنية لقياس درجة الحرارة قرب مصدر حرارة صغيرة داخل متوسطة مطلوب في العديد من مجالات البحوث العلمية والتطبيقات. على سبيل المثال، في البحوث المتعلقة هايبرثيرميا المغناطيسي، وهو أسلوب علاج سرطان باستخدام الحث الكهرومغناطيسي للجسيمات المغناطيسية، أو قطع مغناطيسية صغيرة، من المهم للتنبؤ بدقة بتوزيعات درجات الحرارة التي تم إنشاؤها بواسطة المغناطيسي جسيمات1،2. ومع ذلك، على الرغم من أن الموجات الدقيقة3،4، والموجات فوق الصوتية5،6،،من78، أوبتواكوستيك9، رامان10، والرنين المغناطيسي11 ،12-تم بحث وتطوير تقنيات قياس درجة الحرارة على أساس، وهذا توزيع درجة حرارة داخلية لا يمكن قياسها بدقة في الوقت الحاضر. وحتى الآن، تم قياس درجات الحرارة موقف واحد أو درجات الحرارة في بضعة مواقع عبر أجهزة الاستشعار درجة الحرارة، وهي، في حالة الحث التدفئة، الألياف الضوئية غير مغناطيسية درجة الحرارة أجهزة الاستشعار13،14. وبدلاً من ذلك، قد تم قياس درجات الحرارة السطحية لوسائل الإعلام عن بعد عبر الأشعة تحت الحمراء الحرارة لتقدير درجات الحرارة الداخلية14. ومع ذلك، عندما يكون وسيلة تحتوي على مصدر حرارة صغيرة طبقة مياه أو وسيط مائي غير عكر، لقد أظهرنا أن أسلوب استيعاب (الجرد) القريبة من الأشعة تحت حمراء مفيد لقياس درجات الحرارة15،16، 17،،من1819. وتعرض هذه الورقة البروتوكول مفصلة من هذا الأسلوب والنتائج التمثيلية.

تقنية امتصاص نير يستند إلى مبدأ الاعتماد على درجة الحرارة من عصابات امتصاص المياه في منطقة الجرد. كما هو موضح في الشكل 1a، ν1 + ν2 +3 νامتصاص الفرقة من المياه لوحظ في 1100 نانومتر إلى 1250 nm الطول الموجي (λ) والتحولات إلى أطوال موجية أقصر كدرجة الحرارة يزيد من19. هنا، ν1 + ν2 + ν3 يعني أن يتوافق مع هذه الفرقة إلى مزيج الأوضاع الثلاثة الأساسية الاهتزاز ح س: تمتد متماثل (ν1)، الانحناء (ν 2)، واللامتماثل تمتد20،(ν3)21. هذا التغيير في الطيف، يشير إلى أن الطول الموجي الأكثر حرارة حساسة في الفرقة λ ≈ 1150 شمال البحر الأبيض المتوسط. كما يحمل أخرى عصابات امتصاص المياه سلوك مشابهة فيما يتعلق بدرجة الحرارة15،16،،من1718،،من2021. لاحظ ν1 + ν3 الفرقة من المياه داخل نطاق λ = 1350−1500 شمال البحر الأبيض المتوسط واعتمادها درجة الحرارة مبينة في الشكل 1 باء. في ν1 + ν3 الفرقة للمياه، هو 1412 nm الطول الموجي الأكثر حرارة حساسة. وبالتالي، فمن الممكن الحصول على صور ثنائية الأبعاد (2D) الحرارة باستخدام كاميرا الجرد لالتقاط صور امتصاص 2D في λ = 1150 أو 1412 شمال البحر الأبيض المتوسط. كما أن معامل امتصاص المياه في λ = 1150 شمال البحر الأبيض المتوسط أصغر من أن في λ = 1412 شمال البحر الأبيض المتوسط، والطول الموجي السابق مناسبة لحوالي 10 ملم-سميكة مائي وسائل الإعلام، في حين أن هذا الأخير مناسبة لحوالي 1 مم-سميكة منها. في الآونة الأخيرة، باستخدام λ = 1150 شمال البحر الأبيض المتوسط، ونحن الحصول على توزيعات درجات الحرارة في طبقة مياه 10-مم-سميكة تحتوي على يسخن التعريفي مجال 1-مم الصلب19. وعلاوة على ذلك، تم قياس توزيعات درجات الحرارة في طبقة سمكها 0.5 ملم الماء باستخدام λ = 1412 شمال البحر الأبيض المتوسط15،17.

ميزة لدرجة الحرارة على أساس الجرد تقنية التصوير أنها بسيطة لإعداد وتنفيذ لأنه أسلوب قياس انتقال-استيعاب ويحتاج لا فلوروفوري أو الفوسفور أو غيرها المسبار الحراري. وبالإضافة إلى ذلك، قرارها في درجة حرارة أقل من 0.2 ك15،،من1719. لا يمكن تحقيق مثل هذا قرار درجة حرارة جيدة بتقنيات نقل أخرى استناداً إلى قياس التداخل، التي غالباً ما تستخدم في الحرارة والنقل الجماعي للدراسات22،،من2324. ومع ذلك، نلاحظ أن درجة الحرارة على أساس الجرد تقنية التصوير غير مناسب في الحالات مع تغير درجات الحرارة المحلية كبيرة، لأن سبب انحراف الضوء التدرج درجة حرارة كبيرة يصبح المهيمن19. هذه المسألة هو المشار إليه في هذه الورقة من حيث الاستخدام العملي.

وتصف هذه الورقة بالإعداد التجريبية وإجراءات تقنية الحرارة التصوير على أساس قوائم الجرد الوطنية لمجال مغناطيسي صغيرة ساخنة عن طريق الاستقراء؛ بالإضافة إلى ذلك، فإنه يعرض نتائج الصورتين امتصاص 2D الممثل. صورة واحدة للمجال الصلب 2.0-مم في طبقة مياه 10.0 ملم-سميكة التي يتم التقاطها في λ = 1150 شمال البحر الأبيض المتوسط. الصورة الثانية لكرة قطرها 0.5 ملم الصلب في طبقة شراب مالتوس 2.0 مم-سميكة التي يتم التقاطها في λ = 1412 شمال البحر الأبيض المتوسط. وتعرض هذه الورقة أيضا بطريقة الحساب ونتائج التوزيع شعاعي (3D) ثلاثي الأبعاد لدرجة الحرارة عن طريق تطبيق معكوس التحويل أبيل (IAT) لامتصاص 2D الصور. معهد التكنولوجيا التطبيقية صالحاً عند توزيع درجة حرارة 3D يفترض أن يكون متماثل كرويا كما هو الحال في قضية ساخنة المجال (الشكل 2)19. لحساب معهد التكنولوجيا التطبيقية، دالة جاوس متعدد الأسلوب المناسب يعملون هنا، لأن IATs لمهام الضبابي يمكن الحصول عليها من الناحية التحليلية25،،من2627،28،29 وتناسب أيضا إلى إخفاق تقليل البيانات؛ وهذا يشمل تجارب استخدام التوصيل الحراري من مصدر حرارة واحدة.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1-التجريبية الإعداد والإجراءات

إعداد السكك الحديدية ضوئية جبل عينة والبصريات للتصوير الجرد كما يلي.

  1. إعداد عينة.
    ملاحظة: عند استخدام الماء أو سائل مائي، خطوة 1.1.1. عند استخدام جل مائي مع اللزوجة عالية، الخطوة 1.1.2.
    1. مجال الصلب في الماء.
      1. إصلاح مجال الصلب 2.0-مم إلى نهاية السلسلة البلاستيك رقيقة باستخدام كمية صغيرة من الغراء.
      2. شنق في المجال الصلب في وسط الخلية زجاج مستطيلة بطول مسار ضوئي 10.0 ملم، وعرض 10 مم وارتفاع 45 مم (الشكل 3).
      3. صب الماء المصفى في الخلية بعناية حتى لا يؤدي إلى إنتاج فقاعات الهواء.
        ملاحظة: مجال الصلب يمكن أيضا أن تكون ثابتة غيض من قضيب البلاستيك رقيقة مع كمية صغيرة من الغراء19.
    2. مجال الصلب في جل مائي.
      1. الحرارة هلام مائي لتقليل اللزوجة حيث أنها منخفضة بما يكفي تكون تدفقت بسلاسة.
      2. استخدام المحاقن، صب جل مائي في خلية زجاجية مستطيلة بطول مسار ضوئي 2.0 مم وعرض 10 مم وارتفاع 45 مم إلى نصف كاملة وتترك لتبرد.
      3. وضع مجال فولاذية قطرها 0.5 ملم في وسط سطح هلام.
      4. تعبئة الخلية مع هلام مائي.
        ملاحظة: أكبر المجالات (> ضياء ~ 1 مم) ينبغي عدم استخدام مع هلام لأنها سوف تتحرك بقوى الجاذبية و/أو المغناطيسي أثناء الحث التدفئة.
    3. قم بتعيين الخلية في حامل بلاستيك وجبل على السكك الحديدية البصرية (الشكل 3).
  2. إعداد قوائم الجرد الوطنية نظام التصوير.
    1. إعداد مصباح هالوجين مع دليل ألياف خفيفة، وإصلاح نهاية الدليل الألياف الخفيفة مع حامل على السكك الحديدية الضوئية.
    2. وضع عامل تصفية ممر الموجه ضيقة (نببف) مع ذروة منافذه عند λ = نانومتر 1150 أو λ = 1412 شمال البحر الأبيض المتوسط بين الدليل الألياف الخفيفة والخلية (الشكل 3).
    3. تتسلم آخر ممر الموجه مرشح (BPF)، نطاق الطول الموجي الإرسال الذي أوسع من نببف، بين مصباح هالوجين ونببف.
      ملاحظة: BPF ضروري لمنع الضرر الحراري إلى نببف سبب أنها تلقي الضوء مباشرة.
    4. توسط iris diaphragm(s) في مسار الضوء بين صاحب نببف وخلية لتقليل الضوء شارد (الشكل 3).
    5. إعداد كاميرا قوائم الجرد الوطنية للكشف عن الضوء ينتقل عن طريق الخلية (الشكل 3). قم بتوصيل الكاميرا عن طريق كبل نقل بيانات إلى لوحة رسومات المثبتة في جهاز كمبيوتر شخصي (PC) مع برامج الحصول على الصورة.
    6. تعيين telecentric عدسة بين الخلية والكاميرا (الشكل 3).
      ملاحظة: عدسة كاميرا مشتركة يمكن أيضا استخدامها. ومع ذلك، telecentric عدسة أفضل من حيث اكتشاف الموازية الخفيفة لرأي رئيس لمعهد التكنولوجيا التطبيقية انتقائية والحد من تأثير الحيود.
      ملاحظة: نببف و BPF ينبغي إلا توضع بين الخلية والكاميرا لأنه، في القيام بذلك، أن زيادة درجة حرارة الماء عن طريق الاستيعاب المباشر لارتفاع كثافة الضوء من مصباح هالوجين.
    7. قم بتشغيل الكاميرا قوائم الجرد الوطنية وإطلاق البرنامج الحصول على الصورة.
    8. على ضوء مصباح هالوجين وضبط قوتها الإخراج مراقبة الصورة المعروضة على الشاشة (الشكل 4).
    9. ضبط المحور والموقف، وتركيز العدسة telecentric للحصول على صورة دقيقة لمجال الصلب.
      ملاحظة: إذا كان التعديل غير كاملة، أنماط كثافة غير النظامية سوف تظهر، مما يؤدي إلى أبسوربانسيس غير صحيحة.
  3. إعداد التعريفي نظام التدفئة.
    1. إعداد التعريفي التدفئة نظام يتكون من مولد كهربائي عالي التردد (الطاقة الإنتاجية القصوى: 5.6 كيلو واط؛ وتردد: 780 كيلو هرتز)، لفائف المياه المبردة، ووحدة تبريد المياه.
      ملاحظة: التعريفي التدفئة نظام مختلط، اللحام ولحام أجزاء معدنية صغيرة المناسبة لهذا الغرض؛ انظر الجدول للمواد.
    2. إذا كان ذلك ممكناً، جبل اللولب على مرحلة منقولة XYZ لتغيير موقفها.
    3. وضع اللولب قرب الخلية حيث تكون المسافة بين المركز لفائف ومجال الصلب حوالي 15 ملم (الشكل 3). تأكد من أن هناك لا أجزاء معدنية أخرى قرب اللولب.
      ملاحظة: ينبغي أن تعدل المسافة حسب التعريفي التدفئة السلطة وحجم المجال.
    4. تعميم مياه للتبريد.
  4. الحصول على الصور والحث التدفئة.
    1. انقر فوق "ابدأ" في صورة اقتناء البرمجيات لتخزين الصور شكل متتالي.
    2. انقر فوق "ابدأ" على التعريفي التدفئة برنامج حاسوبي لمراقبة بدء الحث التدفئة.
    3. بعد عدة ثوان (اعتماداً على ظروف والغرض)، انقر فوق "إيقاف" في صورة اقتناء البرمجيات.
    4. انقر فوق "إيقاف" في استحثاث تدفئة برنامج حاسوبي لمراقبة.
    5. حفظ الصور المخزنة مؤقتاً كتسلسل TIFF (أو غيرها من تنسيق غير مضغوط) في صورة اقتناء البرمجيات.
      ملاحظة: إذا كانت درجة الحرارة مرتفعة بما يكفي، سوف تظهر أثر انحراف الضوء على صورة7. التعريفي التدفئة السلطة يجب أن يكون انخفض على نحو مناسب على الرغم من التجارب أن الزيادة في درجة الحرارة القرب من المجال هو أقل من حوالي 10 كيلو، التي يمكن تأكيدها في الخطوات التالية البروتوكول لتقدير درجة الحرارة.

2-صورة تجهيز وتقدير درجة الحرارة

ملاحظة: يتم تمثيل صور متسلسلة المحفوظة ك أناأنا(x, z)، حيث الأول هو عدد الإطار متسلسلة. الإحداثيات، x، y، z, rو r' تم تعريفها كما مبينة في الشكل 2؛ z إيجابية في الاتجاه المعاكس للجاذبية. ويتضح أيضا الخطوط العريضة للخطوات التالية البروتوكول في الملحق 1.

  1. امتصاص صورة البناء.
    1. فتح أناأنا(x, z) مع برامج معالجة الصور.
    2. الحد من الضوضاء في أناوأنا(x, z) بتنفيذ 3 × 3 بكسل المتوسط.
    3. إنشاء صورة متوسط من أناأنا(x, z) أكثر من أنا = 1 إلى 5 (أو أكثر) قبل التدفئة، وتعريفه كصورة مرجعية، أناص(x, z).
      ملاحظة: هذا المتوسط يقلل من الضوضاء للحصول على صورة أكثر موثوقية من صورة إطار واحد.
    4. بناء صور متسلسلة لامتصاص الفرق، Δأنا(x, z)، عن طريق المعادلة التالية:
      Equation 1(1)
      ملاحظة: Δأنا(x, z) هو الاختلاف في امتصاص، أنا(x, z)، من امتصاص الإشارة، البحث والتطوير(x, z)، قبل التدفئة، وهو مستمد15،،من1617،،من1819كما يلي:
      Equation 2(2)
      أنا0 فيها كثافة الضوء الحادث إلى الخلية.
    5. تلوين Δأنا الصور باستخدام مخطط لون مناسب مثل الأزرق إلى الأحمر.
      ملاحظة: ملف البرنامج النصي الأمر لتشغيل الخطوات 2.1.2 من خلال 2.1.5 ل ImageJ يرد في الملحق 2.
  2. تقدير درجة الحرارة.
    1. اختر الفترة الزمنية خلال التي Δأنا(x, z) دائري متماثل فيما يتعلق بمركز المجال بمراقبة الصور بصريا.
      ملاحظة: هو كسر التناظر الدائري أساسا عن طريق الحمل الحراري الحر. هو عرض حكم تحليلي يستند إلى صورة من حدوث الحمل الحراري الحر في العمل السابق19؛ ومع ذلك، عمليا، الحكم البصرية فعالة.
    2. استخراج Δأنا(rʹ, θ) البيانات على غرار شعاعي 360 (Δθ = 1˚) في Δأنا(x, z) الصور.
    3. استبعاد Δأنا(rʹ, θ) البيانات داخل المجال وفي جوارها (Δrʹ≈ 0.2 مم). ملاحظة: البيانات طولية كبيرة جداً أو صغيرة في المنطقة المجاورة أساسا بسبب حركة طفيفة المجال.
    4. Δ متوسطأنا(rʹ, θ) عبر θ لتحديد التشكيل الجانبي للخط، Δأنا(صʹ).
      ملاحظة: ملف البرنامج النصي الأمر لتشغيل الخطوات 2.2.2 عن طريق 2.2.4 ل ImageJ ترد في الملحق 3.
    5. التقريبي Δأنا(rʹ) البيانات بواسطة الدالة غاوسي المتعددة التالية:
      Equation 3(3)
      ي هو عامل الترجيح، σي هو المعلمة التشتت، حيث R هو الحد أقصى rʹ حيث Δأنا(R) = 0 ويمكن أن يفترض.
    6. حساب الفرق معامل الاستيعاب، Δμأنا(r)، بالاستعاضة الحصول على ن يو σي في معهد التكنولوجيا التطبيقية التالية "من مكافئ." (3):
      Equation 4(4)
      حيث erf هي دالة الخطأ.
    7. تحويل Δμأنا(r) إلى درجة الحرارة عن طريق المعادلة التالية:
      Equation 5(5)
      مع معاملات درجة حرارة المياه، αو، التي هي 4.0 × 10-3 ك-1 مم-1 ل λ = 1150 نانومتر19 و 4.1 × 10-3 ك-1 مم-1 ل λ = 1412 نانومتر17.
      ملاحظة: ملف البرنامج النصي الأمر لتشغيل الخطوات 2.2.5 من خلال 2.2.7 يرد في الملحق 4، حيث يعمل17،خوارزمية المربعات الصغرى غير الخطية ليفينبيرج-ماركوارت19 للخطوة 2.2.5.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

صور Δأنا(x, z) في λ = 1150 شمال البحر الأبيض المتوسط لمجال الصلب 2.0-مم في الماء وفي λ = 1412 شمال البحر الأبيض المتوسط لكرة قطرها 0.5 ملم الصلب في شراب مالتوس ترد في الشكل 5 و الشكل 6، على التوالي. وفي كلتا الحالتين، كان المجال 12 ملم يقع أسفل الجزء السفلي من اللولب على طول محورها المركزي. الشكل 5 ب و الشكل 6ب إظهار البيانات (rʹ)AΔ ووظائفها المتعددة-غاوسي المجهزة في مكافئ. (3) مع R = 3.0 ملم و R = 1.5 مم، على التوالي. لا يزيد عن اثنين أو ثلاثة من وظائف الضبابي (N = 2 أو 3) هناك حاجة لتحقيق تناسب جيدة17،19. وظائف المجهزة ثم تحولت إلى Δتي(r) لمحات عن طريق يكس. (4) و (5)، وترد في الشكل 5ج و الشكل 6ج.

وضوح الصورA Δ في كلتا الحالتين تظهر زيادة في درجة حرارة الماء وجل المحيطة في المجال بسبب التوصيل الحراري. ويلاحظ التماثل دائرية من Δأ فيما يتعلق بالمجال في كل الصور. أن المؤامرات والمنحنيات في الشكل 5ج تشير إلى أن Δأ(rʹ) يزيد مع الوقت على مسافات الأقرب إلى مجال العمل؛ في صʹ≥ 2.5 مم، كبيرة لا يتم ملاحظة التغيير. وعلاوة على ذلك، ملامحتي(r) Δ التي تم الحصول عليها عن طريق معهد التكنولوجيا التطبيقية التحقق من حدوث التوصيل الحراري في اتجاه شعاعي. لاحظ أنه على الرغم من أن تظهر ملامحتي(r) Δ مشابهة لتلك التي Δأ(rʹ)، التغييرات في التدرجr &/dT(r) dΔ تختلف عن تلك التشكيلات الجانبية (rʹ)AΔ . وتوجد في الشكل 6، المقادير من Δأ لتتوافق مع طاقة التدفئة المستويات، أي الحرارة توليد معدلات المجال.

النتائج للمجال 0.5 مم تدل على أن الحمل الحراري الحر، الذي يشوه نمط التعميم في Δأ، لم يلاحظ بعد t = 1.2 س. على العكس من ذلك، وجد الحمل الحراري الحر تحدث بعد لمجال 2.0-مم في المياه، t = 1.2 s (غير معروضة). وهذا يعني أن انتقال من نظام توصيل حراري الصرفة إلى نظام الحراري حرة قد حدثت في الماء عند حوالي t = 1.2 s. هذا الاختلاف في الحمل الحراري الحر بسبب الاختلافات في معدل توليد الحرارة واللزوجة. وكان معدل توليد الحرارة نطاق 0.5 مم-قطر أصغر بكثير من أن المجال 2.0-مم؛ وعلاوة على ذلك، كان لزوجة شراب مالتوس (حوالي 100 Pa·s) أعلى إلى حد كبير من المياه (حوالي 0.001 Pa·s). لأن الحمل الحراري الحر موضوع مهم في نقل الحرارة والكتلة والبحوث، وتقنية التصوير المقترح، مما يوفر وقت بداية الحمل الحراري الحر ونمط من لوم الحرارية وتعطي معلومات عن الظروف المادية حمل مجاناً الحراري، ستساهم إلى حد كبير للبحوث في هذا المجال.

Figure 1
الشكل 1 : الاعتماد على درجة الحرارة من نير طيف امتصاص المياه- (أ، ب) أطياف الفرقة امتصاص الماء عند درجات حرارة من 16.0 درجة مئوية (الأزرق) لمئوية 44.0 (أحمر) في زيادات 4.0 درجة مئوية في الطول الموجي يتراوح من 1100-1250 شمال البحر الأبيض المتوسط وشمال البحر الأبيض المتوسط 1350-1500، على التوالي. تشير الأسهم إلى اتجاه الزيادة في درجة الحرارة. Insets تظهر امتصاص الأطياف الفرق؛ أطياف امتصاص عند 16.0 درجة مئوية هي المراجع. هي أطوال المسار الضوئي 10 مم و 1.0 مم في (أ) و (ب)، على التوالي. تشير الخطوط العمودية المتقطعة موجات الحرارة الحساسة 1150 شمال البحر الأبيض المتوسط وشمال البحر الأبيض المتوسط 1412 المستخدمة للحصول على صور نير. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

Figure 2
الشكل 2 : نظام الإحداثيات والهندسة لتصوير امتصاص. مستنسخة من كاكوتا et al. عام 201719 بالإذن من "نشر تقرير الوكالة". الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

Figure 3
الشكل 3 : برنامج الإعداد التجريبية. (أ) التخطيطي للنظام البصري والتعريفي التدفئة الإعداد. راجع النص للحصول على التفاصيل. تم تعديل هذا الرقم من كاكوتا et al. عام 201719 بالإذن من "نشر تقرير الوكالة". (ب) صورة فوتوغرافية للإعداد التجريبية. (ج) عرض مجال الصلب 2.0-مم معلقة بسلسلة، والخلية، ولفائف بمقياس رسم الصورة. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

Figure 4
الشكل 4 : الحصول على صور raw. (أ، ب) تنتقل كثافة الصور و أنا(x, z)، وفي λ = 1150 شمال البحر الأبيض المتوسط لكرة الصلب 2.0-مم في المياه و λ = 1412 شمال البحر الأبيض المتوسط لكرة قطرها 0.5 ملم الصلب في شراب مالتوس، على التوالي. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم- 

Figure 5
الشكل 5 : صور امتصاص والتشكيلات الجانبية لدرجة الحرارة لمجال الصلب 2.0-مم في المياه- (أ) ΔA(x, z) الصور في λ = 1150 نانومتر و t = 0.4 و 0.8 و 1.2 s بعد بداية الحث التدفئة. (ب) قطع من Δأ(rʹ) وعلى multi-غاوسي يناسب (منحنيات الصلبة). (ج) أنتي(r) Δ هذه التشكيلات الجانبية التي تم الحصول عليها عن طريق إجراء إياتس على Δأ(rʹ). الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

Figure 6
الرقم 6 : امتصاص الصور وملفات تعريف درجة الحرارة لمجال 0.5 مم الصلب في شراب مالتوس. (أ) ΔA(x, z) الصور في λ = 1412 نانومتر و t = 0.4 و 0.8 و 1.2 s بعد بدء التعريفي التدفئة للتدفئة طاقة مستويات 10%، 30% و 50%. (ب) قطع من Δأ(rʹ) وعلى multi-غاوسي يناسب (منحنيات الصلبة) 50%. (ج) أنتي(r) Δ هذه التشكيلات الجانبية التي تم الحصول عليها عن طريق إجراء إياتس على Δأ(rʹ) 50%. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم- 

Supplemental Figure 1
الملحق 1: الخطوط العريضة لمعالجة الصور. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

Supplemental Figure 2
الملحق 2: ملف البرنامج النصي الأمر لامتصاص صورة البناء (ماكرو إيماجيج). اضغط هنا لتحميل هذا الملف.

Supplemental Figure 3
الملحق 3: ملف البرنامج النصي الأمر لاستخراج خط الشخصية (ماكرو إيماجيج). اضغط هنا لتحميل هذا الملف.

Supplemental Figure 4
الملحق 4: Matlab شفرة لتركيب الضبابي متعدد ومعكوس التحويل أبيل. اضغط هنا لتحميل هذا الملف.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

التقنية المقدمة في هذه الورقة هي رواية واحدة باستخدام الاعتماد على درجة الحرارة من نير امتصاص المياه ويعرض أي صعوبة كبيرة في إعداد المعدات اللازمة وتنفيذ. يمكن أن تنتج ضوء الحادث بسهولة باستخدام مصباح هالوجين، ونببف. ومع ذلك، لا يمكن استخدام الليزر، نظراً لأن ظهور أنماط التدخل متماسكة على الصور. العدسات البصرية الشائعة وخلايا زجاجية لاستخدام الضوء المرئي يمكن استخدامها، كما أنها إحالة كمية كافية من الضوء عند λ = 1150 شمال البحر الأبيض المتوسط وشمال البحر الأبيض المتوسط 1412 ه. بالإضافة إلى ذلك، يمكن شراء كاميرات InGaAs الآن بسعر رخيص نسبيا.

نببفس في λ = 1150 شمال البحر الأبيض المتوسط، وشمال البحر الأبيض المتوسط 1412 متوفرة بأمر شبه مخصصة، ولكنها ليست مكلفة للغاية. إذا كان هناك نببف جاهزة في طول موجي مختلف، التي يجب أن تكون ضمن نطاق درجة الحرارة-تعتمد على الطول الموجي (الشكل 1)، يمكن استخدامه بدلاً من ذلك، على الرغم من حساسية درجة الحرارة، أو αو، قد ينخفض. على سبيل المثال، القيمة αو λ = 1175 شمال البحر الأبيض المتوسط هو نصف ذلك في λ = 1150 شمال البحر الأبيض المتوسط. وعلاوة على ذلك، عرض النطاق الترددي أو الحدة نببف يؤثر αو؛ كما يزيد من عرض النطاق الترددي، يقلل αو 15. وهكذا، عند تقدير دقيق Δتي(r) المطلوب، ينبغي قياس الطيف منافذه نببف بجهاز المطياف الضوئي.

كما هو مذكور في "الخطوة 1-4" من البروتوكول، لأن الانكسار الماء يتغير مع درجة الحرارة، الضوء تحرف الأشعة التي تمر عبر مجال درجة الحرارة حول مجال، تسبب التغييرات في الصور ΔA(x, z). في العمل لدينا السابق في19كان التحقيق في هذه المشكلة. وفقا للنتائج التي تم الحصول عليها عن طريق هذه الدراسة، ما دامت درجة الحرارة القصوى قرب الميدان معتدلاً الصغيرة (< ك 10، تقريبا)، يمكن أن تكون مساهمة انحراف الضوء على التغيير في ΔA(x, z) لا تذكر أو بما فيه الكفاية أصغر من ذلك لامتصاص الضوء، لأن الضوء غير المتماسكة وزاوية انحراف بعض قبل إيقاف فتحه العدسة telecentric؛ وهذا يعني أن الأشعة درا تمرير على الرغم من الفتحة والتركيز على نفس النقطة في الطائرة الصورة حسب رأي رئيس30. ومع ذلك، النظر في هذا، توقف الفتحة بعناية يعدل مثل من زاوية العدسة telecentric القبول أكبر قليلاً من زاوية انحراف المتوقعة. وقد يلزم إدخال تعديلات التجربة والخطأ في التجربة الأولى.

وتتطلب معالجة الصور في "الخطوة 2-1" من البروتوكول وحساب معهد التكنولوجيا التطبيقية في "الخطوة 2، 2" لا معرفة رياضية متقدمة. الخطوة 2.1 يمكن تنفيذها بسهولة مع معالجة البرمجيات التي يمكن أن تتعامل مع ملفات TIFF بتسلسل الصور المشتركة. في خطوة 2.2.2، إذا ملامح خط في زوايا متعددة لا يمكن تلقائياً الحصول على استخدام البرامج النصية للأوامر، سطر واحد استخدام التشكيل جانبي استخراج يدوياً في برامج معالجة الصورة يمكن بدلاً من ذلك، على الرغم من أن لا يتم تقليل الاختلافات بسبب الضوضاء.

عند استخدام وسيط مائي، ينبغي أن يعرف محتوى الماء، أو كسر الخلد، أو قياس، خاصة بالنسبة لتقدير دقيق من ΔT، نظراً لأن αو يعتمد على محتوى الماء. وبعبارة أخرى، كمعاملات امتصاص الذوائب مائي وركائز جل تتوقف درجة الحرارة على القليل، حساسية درجة الحرارة تقريبا يتناسب مع محتوى الماء. إذا كان من المعروف عن محتوى الماء تكون مرتفعة جداً، كما مع السوائل المائية، يمكن استخدام قيمة αو المياه الواردة في هذه الورقة عمليا. وبخلاف ذلك، ضرب قيمة αو المياه بالمياه المتوقعة أو قياس المحتوى، أي تخفيض αو، قد تكون فعالة لإجراء تقدير دقيق بما فيه الكفاية.

النظر في درجة الحرارة حد الكشف (~0.2 ك) والقرار المكانية (~ 30 ميكرون؛ وهذا يعتمد على حجم بكسل والتكبير)، أنه من المستحيل لهذه التقنية المقدمة للكشف عن ارتفاع درجة حرارة دقيقة سبب بمفرده الجزئي ونانو-المغناطيسية تسخين جزيئات الحث. ومع ذلك، إذا يمكن تجميع عدد كبير من الجسيمات، الواردة في كبسولة، أو تصب في أنبوب رفيع، ستزيد درجة الحرارة على مستوى الكشف. في البحث عن هايبرثيرميا المغناطيسي، في الواقع، مثل هذا التجميع أو الامتزاز الانتقائي لجسيمات نانوية مغناطيسية للخلايا السرطانية ودرجات الحرارة الناتجة الهامة والتحقيق. ومن ثم يتوقع التقنية المقدمة لاستخدامها للتجارب في المختبر في الدراسات هايبرثيرميا المغناطيسي وغيرها من التطبيقات استخدام الجسيمات المغناطيسية. لا يمكن الحصول على التماثل كروية في توزيع درجة الحرارة في هذه التطبيقات، ولكن الصور 2D سوف يكفي لإبلاغ الباحثين بدرجة الحرارة، والعدد وتوزيع الجسيمات، وأداء التدفئة.

يمكن استخدام هذه التقنية المقدمة لتقييم المجالات المغناطيسية المستخدمة في مختلف التطبيقات المغناطيسية31،32. عموما، المجالات المغناطيسية التي تنتجها لفائف معقدة جداً، ولا يمكن قياس دقة أو توقع نظرياً. ومع ذلك، كما يتبين لنا العمل السابق19، درجات الحرارة ومعدلات توليد الحرارة من المجال المغناطيسي في مواقع مختلفة تحت لفائف مختلف التيارات يمكن الحصول على تقنية لدينا. التوزيع المكاني لمعدل توليد الحرارة يجب أن تتطابق مع المجال المغناطيسي. أخيرا، يمكن تنفيذ هذه التقنية المقدمة، ليس فقط للحث الكهرومغناطيسي، ولكن أيضا لتركز الموجات فوق الصوتية، والتفاعلات الكيميائية في قطرات، وأساليب التدفئة المحلية الأخرى.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

الكتاب ليس لها علاقة بالكشف عن.

Acknowledgments

يشكر المؤلفون السيد كينتا يامادا، والسيد Ryota فُجيوكا، والسيد ميزوكي كيداً لدعمهم على التجارب وتحليل البيانات. وأيد هذا العمل JSPS كاكينهي المنحة رقم 25630069، ومؤسسة سوزوكي، ودقة قياس تكنولوجيا تعزيز مؤسسة، اليابان.

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).

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

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please sign in or create an account.

    Usage Statistics