के पास एक प्रेरण-गर्म छोटे चुंबकीय क्षेत्र आसपास के पानी के लिए अवरक्त तापमान माप तकनीक

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ERRATUM NOTICE

Summary

एक प्रेरण-गर्म छोटे चुंबकीय क्षेत्र के आसपास के पानी के तापमान को मापने के लिए ११५० और १४१२ एनएम के तरंग दैर्ध्य का उपयोग एक तकनीक प्रस्तुत की है ।

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

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Abstract

एक प्रेरण-गर्म छोटे चुंबकीय क्षेत्र के आसपास के पानी और गैर पंकिल जलीय मीडिया के तापमान को मापने के लिए एक तकनीक प्रस्तुत की है । इस तकनीक का इस्तेमाल तरंग दैर्ध्य ११५० और १४१२ एनएम, जिस पर पानी का अवशोषण गुणांक तापमान पर निर्भर है । पानी या एक गैर पंकिल जलीय जेल एक २.०-mm-या ०.५-mm-व्यास चुंबकीय क्षेत्र युक्त ११५० एनएम या १४१२ एनएम घटना प्रकाश के साथ विकिरणित है, के रूप में चुना एक संकीर्ण bandpass फिल्टर का उपयोग कर; इसके अतिरिक्त, दो आयामी अवशोषक छवियों, जो अवशोषण गुणांक के अनुप्रस्थ अनुमानों रहे हैं, एक निकट-अवरक्त कैमरे के माध्यम से अधिग्रहीत कर रहे हैं । जब तापमान के तीन आयामी वितरण को गोलाकार सममित माना जा सकता है, वे व्युत्क्रम लागू करने के द्वारा अनुमानित है हाबिल अवशोषक प्रोफाइल को बदल । तापमान को लगातार समय के अनुसार बदलने के लिए और प्रेरण हीटिंग बिजली मनाया गया ।

Introduction

एक तकनीक एक माध्यम के भीतर एक छोटे से गर्मी स्रोत के पास तापमान को मापने के लिए कई वैज्ञानिक अनुसंधान क्षेत्रों और अनुप्रयोगों में आवश्यक है । उदाहरण के लिए, चुंबकीय अतिताप पर अनुसंधान में, जो एक कैंसर चिकित्सा विधि चुंबकीय कणों, या छोटे चुंबकीय टुकड़े की विद्युत प्रेरण का उपयोग कर रहा है, यह सही तापमान चुंबकीय द्वारा उत्पंन वितरण की भविष्यवाणी करने के लिए महत्वपूर्ण है कण1,2. हालांकि, हालांकि माइक्रोवेव3,4, अल्ट्रासाउंड5,6,7,8, optoacoustic9, रमन10, और चुंबकीय अनुनाद11 ,12-आधारित तापमान माप तकनीक अनुसंधान और विकसित किया गया है, इस तरह के एक आंतरिक तापमान वितरण सही वर्तमान में मापा नहीं जा सकता । इस प्रकार अब तक, एकल स्थिति तापमान या कुछ स्थानों पर तापमान तापमान सेंसर, जो प्रेरण हीटिंग के मामले में, के माध्यम से मापा गया है गैर चुंबकीय ऑप्टिकल फाइबर तापमान सेंसर13,14हैं । वैकल्पिक रूप से, मीडिया की सतह तापमान दूर अवरक्त विकिरण थर्मामीटर के माध्यम से मापा गया है भीतरी तापमान14का अनुमान है । हालांकि, जब एक मध्यम एक छोटे से गर्मी स्रोत युक्त एक पानी की परत या एक गैर पंकिल जलीय मध्यम है, हमने दिखा दिया है कि एक के पास अवरक्त (NIR) अवशोषण तकनीक के तापमान को मापने के लिए उपयोगी है15,16, १७,१८,१९. यह पत्र इस तकनीक और प्रतिनिधि परिणामों के विस्तृत प्रोटोकॉल प्रस्तुत करता है ।

NIR अवशोषण तकनीक NIR क्षेत्र में पानी की अवशोषण बैंड के तापमान निर्भरता के सिद्धांत पर आधारित है । जैसा कि चित्र 1aमें दिखाया गया है, ν1 + ν2 + ν3 अवशोषण बैंड पानी की ११००-एनएम में १२५०-एनएम तरंग दैर्ध्य (λ) रेंज और तापमान के रूप में कम तरंग दैर्ध्य के लिए पाली में मनाया जाता है 19बढ़ जाती है । यहां, ν1 + ν2 + ν3 का अर्थ है कि इस बैंड तीन मौलिक ओ एच कंपन मोड के संयोजन से मेल खाती है: सममित टूटती (ν1), झुकने (ν 2), और antisymmetric टूटती (ν3)20,21. स्पेक्ट्रम में यह परिवर्तन इंगित करता है कि बैंड में सबसे अधिक तापमान के प्रति संवेदनशील तरंग दैर्ध्य λ ≈ ११५० एनएम है । पानी के अंय अवशोषण बैंड भी तापमान15,16,17,18,20,21के संबंध में इसी तरह के व्यवहार का प्रदर्शन । ν1 + ν3 बैंड पानी की सीमा के भीतर मनाया λ = 1350 − 1500 एनएम और इसके तापमान पर निर्भरता आंकड़ा 1bमें दिखाया गया है । पानी के ν1 + ν3 बैंड में, १४१२ एनएम सबसे तापमान संवेदनशील तरंग दैर्ध्य है । इस प्रकार, यह एक NIR कैमरा का उपयोग करने के लिए λ = ११५० या १४१२ एनएम पर 2d अवशोषक छवियों को पकड़ने के लिए दो आयामी (2d) तापमान छवियों को प्राप्त करने के लिए संभव है । के रूप में λ पर पानी के अवशोषण गुणांक = ११५० एनएम है कि λ = १४१२ एनएम से कम है, पूर्व तरंग दैर्ध्य लगभग 10 मिमी मोटी जलीय मीडिया के लिए उपयुक्त है, जबकि बाद लगभग 1 मिमी मोटी लोगों के लिए उपयुक्त है । हाल ही में, λ = ११५० एनएम का उपयोग कर, हम एक 10 मिमी-मोटी पानी की परत में तापमान वितरण प्राप्त एक प्रेरण युक्त 1 मिमी-व्यास इस्पात क्षेत्रः19। इसके अलावा, एक ०.५ मिमी मोटी पानी की परत में तापमान वितरण λ = १४१२ एनएम15,17का उपयोग करके मापा गया है ।

NIR-आधारित तापमान इमेजिंग तकनीक के लिए एक लाभ यह है कि यह स्थापना करने के लिए सरल है और लागू है क्योंकि यह एक संचरण अवशोषण माप तकनीक है और कोई fluorophore, फास्फोरस, या अन्य थर्मल जांच की जरूरत है । इसके अलावा, इसका तापमान रिज़ॉल्यूशन ०.२ K15,17,19से कम है । इस तरह के एक अच्छे तापमान संकल्प interferometry, जो अक्सर गर्मी और बड़े पैमाने पर स्थानांतरण अध्ययन में इस्तेमाल किया गया है के आधार पर अन्य संचरण तकनीक से प्राप्त नहीं किया जा सकता22,23,24. हम ध्यान दें, तथापि, कि NIR आधारित तापमान इमेजिंग तकनीक काफी स्थानीय तापमान परिवर्तन के साथ मामलों में उपयुक्त नहीं है, क्योंकि बड़े तापमान ढाल के कारण प्रकाश के झुकाव को प्रमुख19हो जाता है । इस मामले को व्यावहारिक उपयोग की दृष्टि से इस पत्र में उल्लेखित किया गया है.

इस कागज NIR के लिए प्रयोगात्मक सेटअप और प्रक्रिया का वर्णन-आधारित तापमान इमेजिंग तकनीक एक छोटे से चुंबकीय क्षेत्र के लिए प्रेरण के माध्यम से गरम; इसके अतिरिक्त, यह दो प्रतिनिधि 2d अवशोषक छवियों के परिणाम प्रस्तुत करता है । एक छवि एक २.० मिमी-व्यास इस्पात क्षेत्र में एक १०.० मिमी-मोटी पानी की परत है कि λ = ११५० एनएम पर कब्जा कर लिया है । दूसरी छवि एक ०.५ मिमी-व्यास इस्पात क्षेत्र की एक २.० मिमी मोटी माल्टोज़ सिरप परत है कि λ = १४१२ एनएम पर कब्जा कर लिया है । इस पत्र को भी गणना विधि और तीन आयामी (3 डी) के तापमान के रेडियल वितरण व्युत्क्रम हाबिल रूपांतर (IAT) को लागू करने से 2d अवशोषक छवियों के परिणाम प्रस्तुत करता है । IAT वैध है जब एक 3 डी तापमान वितरण के रूप में एक गर्म क्षेत्र (चित्रा 2)19के मामले में गोलाकार सममित माना जाता है । IAT गणना के लिए, एक बहु-गाऊसी समारोह फिटिंग विधि यहां कार्यरत है, क्योंकि गाऊसी कार्यों के IATs विश्लेषणात्मक प्राप्त किया जा सकता है25,26,27,28,29 और मोनोटोनिक घटते डेटा के लिए अच्छी तरह से फिट; यह एक एकल गर्मी स्रोत से थर्मल संचालन को रोजगार के प्रयोगों में शामिल है ।

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Protocol

1. प्रयोगात्मक सेटअप और प्रक्रियाओं

एक ऑप्टिकल रेल तैयार करने के लिए एक नमूना और NIR इमेजिंग के लिए प्रकाशिकी के रूप में इस प्रकार माउंट ।

  1. नमुना तयारी.
    नोट: जब पानी या जलीय तरल का उपयोग कर, 1.1.1 कदम है । जब उच्च चिपचिपापन के साथ एक जलीय जेल का उपयोग कर, 1.1.2 कदम है ।
    1. स्टील क्षेत्र में पानी की स्थापना ।
      1. गोंद की एक छोटी राशि का उपयोग कर एक पतली प्लास्टिक स्ट्रिंग के अंत करने के लिए एक २.० मिमी व्यास इस्पात क्षेत्र फिक्स ।
      2. १०.० मिमी, 10 मिमी की एक चौड़ाई की एक ऑप्टिकल पथ की लंबाई के साथ आयताकार ग्लास सेल के केंद्र में इस्पात क्षेत्र रुको, और ४५ mm की ऊंचाई (चित्रा 3) ।
      3. सेल में फ़िल्टर्ड पानी को ध्यान से डालो ताकि हवा के बुलबुले का उत्पादन न हो ।
        नोट: एक इस्पात क्षेत्र भी गोंद की एक छोटी राशि के साथ एक पतली प्लास्टिक की छड़ की नोक के लिए तय किया जा सकता है19
    2. जलीय जेल में इस्पात क्षेत्र की स्थापना ।
      1. एक जलीय जेल गर्मी अपनी चिपचिपाहट को कम करने के लिए इस तरह है कि यह काफी कम है आसानी से डाला जा सकता है ।
      2. एक सिरिंज का प्रयोग, एक आयताकार ग्लास सेल में २.० मिमी की एक ऑप्टिकल पथ की लंबाई, 10 मिमी की एक चौड़ाई के साथ जलीय जेल डालो, और आधा-पूरा करने के लिए ४५ मिमी की ऊंचाई और यह शांत करने के लिए छोड़ दें ।
      3. जेल की सतह के केंद्र में एक ०.५ मिमी व्यास इस्पात क्षेत्र प्लेस ।
      4. जलीय जेल के साथ सेल भरें ।
        नोट: बड़े क्षेत्रों (> ~ 1 मिमी व्यास.) एक जेल के साथ इस्तेमाल नहीं किया जाना चाहिए क्योंकि वे प्रेरण हीटिंग के दौरान गुरुत्वाकर्षण और/या चुंबकीय बलों द्वारा कदम होगा ।
    3. एक प्लास्टिक धारक में सेल सेट और ऑप्टिकल रेल (चित्रा 3) पर माउंट ।
  2. NIR इमेजिंग प्रणाली की तैयारी ।
    1. एक फाइबर प्रकाश गाइड के साथ एक हैलोजन लैंप तैयार है, और ऑप्टिकल रेल पर एक धारक के साथ फाइबर प्रकाश गाइड के अंत को ठीक ।
    2. एक संकीर्ण bandpass फिल्टर (NBPF) पर एक ट्रांसमीटर चोटी के साथ रखें λ = ११५० एनएम या λ = फाइबर लाइट गाइड और सेल (चित्रा 3) के बीच १४१२ एनएम ।
    3. एक और bandpass फिल्टर (BPF), जिसका संचरण तरंग दैर्ध्य रेंज NBPF की तुलना में व्यापक है, हैलोजन दीपक और NBPF के बीच ।
      नोट: BPF NBPF को थर्मल क्षति को रोकने की जरूरत है क्योंकि यह सीधे प्रकाश प्राप्त करता है ।
    4. आवारा प्रकाश (चित्र 3) को कम करने के लिए NBPF और सेल धारक के बीच के प्रकाश पथ में एक आईरिस डायाफ्राम (एस) लगाना ।
    5. सेल के माध्यम से संचारित प्रकाश का पता लगाने के लिए एक NIR कैमरा सेट करें (चित्र 3) । छवि अधिग्रहण सॉफ्टवेयर के साथ एक पर्सनल कंप्यूटर (पीसी) में स्थापित एक ग्राफिक बोर्ड के लिए एक डेटा स्थानांतरण केबल के माध्यम से कैमरे से कनेक्ट करें ।
    6. सेल और कैमरा (चित्रा 3) के बीच एक telecentric लेंस सेट करें ।
      नोट: एक आम कैमरा लेंस भी इस्तेमाल किया जा सकता है । हालांकि, एक telecentric लेंस IAT और विवर्तन के प्रभाव की कमी के लिए मुख्य किरण को प्रकाश समानांतर के चयनात्मक पता लगाने के मामले में बेहतर है ।
      नोट: NBPF और BPF सेल और कैमरे के बीच नहीं रखा जाना चाहिए, क्योंकि ऐसा करने में, पानी का तापमान हैलोजन लैंप से उच्च तीव्रता प्रकाश के प्रत्यक्ष अवशोषण के माध्यम से वृद्धि होगी ।
    7. NIR कैमरे को चालू करें और छवि अधिग्रहण सॉफ़्टवेयर लॉंच ।
    8. प्रकाश हैलोजन लैंप और इसके उत्पादन की निगरानी (चित्रा 4) पर प्रदर्शित छवि देख शक्ति समायोजित करें ।
    9. इस्पात क्षेत्र की एक अच्छी छवि प्राप्त करने के लिए अक्ष, स्थिति, और telecentric लेंस के ध्यान को समायोजित करें ।
      नोट: समायोजन पूर्ण नहीं है, तो अनियमित तीव्रता पैटर्न, गलत absorbances करने के लिए अग्रणी दिखाई देगा ।
  3. प्रेरण हीटिंग प्रणाली की तैयारी ।
    1. एक प्रेरण हीटिंग एक उच्च आवृत्ति जनरेटर से मिलकर प्रणाली तैयार (अधिकतम उत्पादन शक्ति: ५.६ किलोवाट; आवृत्ति: ७८० kHz), पानी ठंडा कुंडल, और पानी मिर्च ।
      नोट: टांकना, वेल्डिंग के लिए एक प्रेरण हीटिंग सिस्टम, और टांका लगाने छोटे धातु भागों इस प्रयोजन के लिए उपयुक्त है; सामग्री की तालिकादेखें ।
    2. यदि संभव हो तो, अपनी स्थिति बदलने के लिए एक XYZ चल मंच पर कुंडल माउंट ।
    3. कक्ष के पास कुंडल रखें ऐसी है कि कुंडल केंद्र और इस्पात क्षेत्र के बीच की दूरी लगभग 15 मिमी (चित्रा 3) है । सुनिश्चित करें कि वहां कुंडल के पास कोई अंय धातु भागों रहे हैं ।
      नोट: दूरी प्रेरण हीटिंग शक्ति और क्षेत्र आकार के आधार पर समायोजित किया जाना चाहिए ।
    4. ठंडा करने के लिए पानी प्रसारित ।
  4. छवि अधिग्रहण और प्रेरण हीटिंग ।
    1. छवि अधिग्रहण सॉफ्टवेयर पर क्लिक करें "प्रारंभ" क्रमिक रूप से छवियों को स्टोर करने के लिए ।
    2. प्रेरण हीटिंग शुरू करने के लिए प्रेरण ताप नियंत्रण सॉफ्टवेयर पर "प्रारंभ" पर क्लिक करें ।
    3. कई सेकंड (शर्तों और उद्देश्य पर निर्भर करता है) के बाद, छवि प्राप्ति सॉफ़्टवेयर पर "रोकें" क्लिक करें ।
    4. प्रेरण हीटिंग नियंत्रण सॉफ्टवेयर पर "बंद करो" पर क्लिक करें ।
    5. छवि अधिग्रहण सॉफ्टवेयर पर एक झगड़ा अनुक्रम (या अन्य गैर संकुचित प्रारूप) के रूप में अस्थायी संग्रहीत छवियों को बचाओ.
      नोट: तापमान पर्याप्त उच्च है, तो प्रकाश विक्षेपन का प्रभाव छवि7पर दिखाई देगा । प्रेरण हीटिंग शक्ति उचित रूप से कम किया जाना चाहिए, हालांकि प्रयोगों है कि इस तरह के तापमान में वृद्धि लगभग 10 K, जो तापमान अनुमान के लिए निम्न प्रोटोकॉल चरणों में पुष्टि की जा सकती से कम है.

2. छवि प्रसंस्करण और तापमान अनुमान

नोट: सहेजी गई अनुक्रमिक छवियाँ मैंमैं(x, z), जहां मैं अनुक्रमिक फ़्रेम संख्या है के रूप में प्रस्तुत कर रहे हैं । निर्देशांक, x, y, z, r, और r' परिभाषित किए जाते है जैसा कि आकृति 2में दर्शाया गया है; z गुरुत्वाकर्षण के विपरीत दिशा में सकारात्मक है । निंन प्रोटोकॉल चरणों की बाह्यरेखा Supplement 1में भी सचित्र है ।

  1. अवशोषक छवि निर्माण ।
    1. मैं(x, z) छवि प्रसंस्करण सॉफ्टवेयर के साथ खुला ।
    2. मैं(x, z) 3 × 3 पिक्सेल औसत को लागू करने से में शोर को कम करें ।
    3. मैंएक औसत छवि बनाएं (x, z) पर मैं = 1 से 5 (या अधिक) हीटिंग से पहले, और यह संदर्भ छवि के रूप में परिभाषित, मैंआर(एक्स, जेड) ।
      नोट: यह औसत शोर एक एकल फ्रेम छवि से अधिक विश्वसनीय छवि प्राप्त करने के लिए कम कर देता है ।
    4. अवशोषित अंतर के अनुक्रमिक छवियों का निर्माण, Δएकमैं(x, z), निंनलिखित समीकरण के द्वारा:
      Equation 11)
      नोट: ΔAi(x, z) के अवशोषण में भिन्नता है, एकमैं(x, z), संदर्भ अवशोषक से, एकr(x, z), से पहले हीटिंग, और इस प्रकार के रूप में व्युत्पंन है15,16,17,18,19:
      Equation 22)
      जहां मैं0 सेल के लिए घटना प्रकाश की तीव्रता है ।
    5. Colorize इस तरह नीले-से-लाल के रूप में एक उपयुक्त रंग मानचित्र का उपयोग कर Δi छवियां ।
      नोट: ImageJ के लिए 2.1.5 के माध्यम से 2.1.2 चरण चलाने के लिए आदेश स्क्रिप्ट फ़ाइल Supplement 2में प्रस्तुत की गई है ।
  2. तापमान अनुमान ।
    1. समय अवधि के दौरान जो Δएकमैं(x, z) नेत्रहीन छवियों को देख द्वारा क्षेत्र के केंद्र के संबंध में परिपत्र सममित है चुनें.
      नोट: परिपत्र समरूपता मुख्य रूप से मुक्त संवहन द्वारा टूट गया है । एक छवि आधारित मुक्त संवहन के विश्लेषणात्मक निर्णय के पिछले काम में पेश किया जाता है19; हालांकि, व्यावहारिक रूप से, दृश्य निर्णय प्रभावी है ।
    2. निकालें Δai(rपिरणामस्वरूप, θ) डेटा के साथ ३६० रेडियल लाइनों (Δθ = 1 ˚) पर ΔAi(x, z) छवियां ।
    3. ΔAi(rपिरणामस्वरूप, θ) डेटा को क्षेत्र के भीतर और उसके आसपास के (Δrपिरणामस्वरूप ≈ ०.२ mm) में शामिल न करें । नोट: डेटा मुख्य रूप से क्षेत्र के मामूली आंदोलन की वजह से आसपास में बहुत छोटे या बड़े anomalously हैं.
    4. औसत Δai(rपिरणामस्वरूप, θ) से अधिक θ लाइन प्रोफ़ाइल का निर्धारण, ΔAi(rपिरणामस्वरूप) ।
      नोट: आदेश स्क्रिप्ट फ़ाइल ImageJ के लिए 2.2.4 के माध्यम से चरण -8 चलाने के लिए Supplement 3में प्रस्तुत किया गया है ।
    5. अनुमानित ΔAi(rपिरणामस्वरूप) डेटा निंन multi-गाऊसी फ़ंक्शन द्वारा:
      Equation 33)
      जहां एकj भार कारक है, σj फैलाव पैरामीटर है, और r अधिकतम rपिरणामस्वरूप है जहां Δai(r) = 0 मान लिया जा सकता है ।
    6. अवशोषण गुणांक अंतर की गणना, Δµi(r), प्राप्त एनप्रतिस्थापन द्वारा, एकj, और Eq के निम्नलिखित IAT में σj . (3):
      Equation 44)
      जहां erf त्रुटि फ़ंक्शन है ।
    7. कंवर्ट Δµमैं(आर) तापमान के लिए निंनलिखित समीकरण के द्वारा:
      Equation 55)
      पानी के तापमान गुणांक के साथ, α, जो ४.० × 10-3 k-1 मिमी-1 के लिए λ = ११५० एनएम19 और ४.१ × 10-3 k-1 मिमी-1 λ के लिए = १४१२ एनएम17
      नोट: 2.2.7 के माध्यम से 2.2.5 चरण चलाने के लिए आदेश स्क्रिप्ट फ़ाइल Supplement 4में प्रस्तुत किया गया है, जहां Levenberg-Marquardt गैर-रेखीय कम-वर्ग एल्गोरिथ्म17,19 चरण 2.2.5 के लिए कार्यरत है ।

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Representative Results

Δ की छवियांएकमैं(x, z) पर λ = ११५० एनएम के लिए एक २.० मिमी व्यास में पानी में इस्पात क्षेत्र और λ = १४१२ एनएम के लिए एक ०.५ मिमी व्यास स्टील क्षेत्र में माल्टोज़ सिरप में प्रस्तुत कर रहे है चित्रा 5और चित्रा 6, क्रमशः । दोनों ही मामलों में, अपने केंद्रीय अक्ष के साथ कुंडल के नीचे क्षेत्र 12 मिमी स्थित था । चित्र 5 b और चित्रा 6b Δएक(rपिरणामस्वरूप) डेटा और उनके फिट मल्टी गाऊसी कार्यों Eq. (3) के साथ आर = ३.० मिमी और आर = १.५ मिमी, क्रमशः दिखा । नहीं दो या तीन से अधिक गाऊसी कार्यों (N = 2 या 3) के लिए एक अच्छा फिट17,19प्राप्त करने की जरूरत है । इसके बाद फिट किए गए फंक्शन्स Eqs के जरिए Δटी(आर) प्रोफाइल में तब्दील हो गए । (4) और (5), और चित्रा 5सी और चित्रा 6सीमें प्रस्तुत कर रहे हैं ।

Δ दोनों मामलों मेंएक चित्र स्पष्ट रूप से पानी और थर्मल संचालन के कारण क्षेत्र आसपास के जेल के तापमान में वृद्धि दिखा । Δ के परिपत्र समरूपता क्षेत्र के संबंध मेंएक सभी छवियों में मनाया जाता है । चित्रा 5सी में भूखंडों और curves संकेत मिलता है कि Δएक(rपिरणामस्वरूप) क्षेत्र के पास दूरी पर समय के साथ बढ़ जाती है; rपिरणामस्वरूप ≥ २.५ mm पर, कोई महत्वपूर्ण परिवर्तन नहीं मनाया जाता है । इसके अलावा, Δटी(आर) IAT के माध्यम से प्राप्त की प्रोफाइल रेडियल दिशा में थर्मल आचरण की घटना का सत्यापन । ध्यान दें कि, हालांकि Δटी(आर) प्रोफाइल Δ(आरपिरणामस्वरूप) के उन लोगों के समान दिखाई देते हैं, dΔT(r)/dr ग्रेडिएंट में परिवर्तन ΔA(rपिरणामस्वरूप) प्रोफ़ाइल के उन से भिन्न होते हैं . चित्रा 6में, Δ के परिमाण के ताप शक्ति स्तर के अनुरूप पाया जाता है, यानी, क्षेत्र की गर्मी पीढ़ी दर ।

०.५-mm-व्यास क्षेत्रः के लिए परिणाम प्रदर्शित करता है कि मुक्त संवहन, जो ΔAमें परिपत्र पैटर्न विकृत, के बाद नहीं मनाया गया था टी = १.२ एस । इसके विपरीत, २.० मिमी व्यास पानी में क्षेत्र के लिए, नि: शुल्क संवहन के बाद घटित करने के लिए पाया गया था t = १.२ s (नहीं दिखाया गया है) । इसका मतलब यह है कि एक शुद्ध थर्मल आचरण शासन से एक मुक्त संवहन शासन के लिए एक संक्रमण लगभग t = १.२ एस में पानी में हुई हो सकती है । मुक्त संवहन में यह अंतर गर्मी की पीढ़ी की दर और चिपचिपाहट में अंतर के कारण हुआ. ०.५ मिमी व्यास क्षेत्र की गर्मी पीढ़ी दर २.०-mm-व्यास क्षेत्र की तुलना में काफी छोटा था; इसके अलावा, माल्टोज़ सिरप की चिपचिपापन (लगभग १०० pa · s) काफी पानी की तुलना में अधिक था (लगभग ०.००१ pa · s) । क्योंकि मुक्त संवहन गर्मी और बड़े पैमाने पर हस्तांतरण अनुसंधान, प्रस्तावित इमेजिंग तकनीक है, जो मुक्त संवहन और थर्मल बेर और पैदावार मुक्त उत्प्रेरण शारीरिक स्थितियों पर जानकारी के पैटर्न की शुरुआत समय प्रदान करता है में एक महत्वपूर्ण विषय है संवहन, इस क्षेत्र में अनुसंधान करने के लिए महत्वपूर्ण योगदान देगा ।

Figure 1
चित्र 1 : पानी की NIR अवशोषण स्पेक्ट्रम के तापमान पर निर्भरता । (a, b) १६.० डिग्री सेल्सियस (नीला) से ४४.० डिग्री सेल्सियस (लाल) ४.० ° c में वृद्धि के तापमान पर पानी की अवशोषण बैंड स्पेक्ट्रा 1100-1250 एनएम और 1350-1500 एनएम, क्रमशः की तरंग दैर्ध्य पर्वतमाला में । तीर तापमान में वृद्धि की दिशा का संकेत है । presets के अवशोषक अंतर स्पेक्ट्रा दिखा; १६.० डिग्री सेल्सियस पर अवशोषक स्पेक्ट्रा के संदर्भ हैं । ऑप्टिकल पथ लंबाई 10 मिमी और १.० मिमी (ए) और (बी), क्रमशः कर रहे हैं । ऊर्ध्वाधर धराशायी लाइनों ११५० एनएम और १४१२ NIR छवियों को प्राप्त करने के लिए इस्तेमाल समुद्री मील के तापमान के प्रति संवेदनशील तरंग दैर्ध्य संकेत मिलता है । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 2
चित्र 2 : समन्वय प्रणाली और अवशोषक इमेजिंग के लिए ज्यामिति. AIP प्रकाशन की अनुमति के साथ ककग्ता एट अल २०१७19 से reproduced । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 3
चित्र 3 : प्रायोगिक सेटअप. (क) ऑप्टिकल प्रणाली और प्रेरण हीटिंग सेटअप की योजनाबद्ध । विवरण के लिए पाठ देखें । यह आंकड़ा ककग्ता एट अल २०१७19 से AIP प्रकाशन की अनुमति के साथ संशोधित किया गया है । (ख) प्रायोगिक स्थापक का फोटोग्राफ. (ग) एक २.० मिमी व्यास इस्पात क्षेत्र एक स्ट्रिंग, सेल, और एक पैमाने के साथ कुंडल द्वारा लटका दिखा तस्वीर । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 4
चित्र 4 : रॉ छवियों का अधिग्रहण किया. (a, b) संचारित तीव्रता छवियां, मैं(x, z), λ = ११५० एनएम के लिए एक २.० मिमी व्यास के पानी में इस्पात क्षेत्र और λ = १४१२ एनएम के लिए ०.५ मिमी व्यास इस्पात क्षेत्र में माल्टोज़ सिरप, क्रमशः । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए । 

Figure 5
चित्र 5 : अवशोषण छवियों और पानी में एक २.० मिमी व्यास इस्पात क्षेत्र के लिए तापमान प्रोफाइल । (a) Δa(x, z) छवियां पर λ = ११५० एनएम और t = ०.४, ०.८, और १.२ s प्रेरण हीटिंग की शुरुआत के बाद । (ख) Δ(आरपिरणामस्वरूप) के भूखंड और उनके बहु-गाऊसी फिट (ठोस घटता). (ग) Δटी(आर) Δ(आरपिरणामस्वरूप) पर IATs प्रदर्शन करके प्राप्त प्रोफाइल. कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 6
चित्र 6 : माल्टोज़ सिरप में एक ०.५ मिमी व्यास इस्पात क्षेत्र के लिए अवशोषक छवियों और तापमान प्रोफाइल । (क) Δ(x, z) पर छवियां λ = १४१२ एनएम और टी = ०.४, ०.८, और १.२ एस 10%, 30% की हीटिंग पावर स्तर के लिए प्रेरण हीटिंग की शुरुआत के बाद, और ५०% । (ख) Δ के भूखंडों (आरपिरणामस्वरूप) और उनके बहु गाऊसी फिट बैठता है (ठोस curves) ५०% के लिए । (ग) Δटी(आर) ५०% के लिए Δ(आरपिरणामस्वरूप) पर IATs प्रदर्शन द्वारा प्राप्त प्रोफाइल । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए । 

Supplemental Figure 1
अनुपूरक 1: छवि प्रसंस्करण की रूपरेखा । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Supplemental Figure 2
अनुपूरक 2: आदेश स्क्रिप्ट फ़ाइल के लिए अवशोषक छवि निर्माण (मैक्रो for ImageJ) । इस फ़ाइल को डाउनलोड करने के लिए कृपया यहां क्लिक करें.

Supplemental Figure 3
अनुपूरक 3: पंक्ति प्रोफ़ाइल निष्कर्षण के लिए आदेश स्क्रिप्ट फ़ाइल (मैक्रो for ImageJ) । इस फ़ाइल को डाउनलोड करने के लिए कृपया यहां क्लिक करें.

Supplemental Figure 4
अनुपूरक 4: बहु के लिए Matlab कोड-गाऊसी फिटिंग और व्युत्क्रम हाबिल बदलना । इस फ़ाइल को डाउनलोड करने के लिए कृपया यहां क्लिक करें.

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Discussion

इस पत्र में प्रस्तुत तकनीक एक उपंयास पानी की NIR अवशोषण के तापमान पर निर्भरता का उपयोग कर एक है और आवश्यक उपकरणों और कार्यांवयन स्थापित करने में कोई महत्वपूर्ण कठिनाई प्रस्तुत करता है । घटना प्रकाश आसानी से एक हैलोजन लैंप और एक NBPF का उपयोग करके उत्पादित किया जा सकता है । हालांकि, पराबैंगनीकिरण नहीं किया जा सकता है, क्योंकि सुसंगत हस्तक्षेप पैटर्न छवियों पर दिखाई देगा । आम ऑप्टिकल लेंस और दृश्य प्रकाश उपयोग के लिए कांच की कोशिकाओं को इस्तेमाल किया जा सकता है, के रूप में वे λ = ११५० एनएम और १४१२ एनएम पर प्रकाश की एक पर्याप्त मात्रा में संचारित । इसके अतिरिक्त, InGaAs कैमरों अब एक अपेक्षाकृत सस्ती कीमत पर खरीदा जा सकता है ।

NBPFs पर λ = ११५० एनएम और १४१२ एनएम अर्द्ध कस्टम आदेश द्वारा उपलब्ध हैं, लेकिन वे जरूरत से ज्यादा महंगे नहीं हैं । अगर वहां एक अलग तरंग दैर्ध्य, जो तापमान पर निर्भर तरंग दैर्ध्य रेंज (चित्रा 1) के भीतर होना चाहिए पर एक तैयार किया NBPF है, इसके बजाय इस्तेमाल किया जा सकता है, हालांकि तापमान संवेदनशीलता, या αएफ, कम हो सकती है । उदाहरण के लिए, λ पर αf मान = ११७५ एनएम है जो कि λ = ११५० एनएम में से एक-आधा है । इसके अलावा, बैंडविड्थ या NBPF की तीव्र αको प्रभावित करता है; के रूप में बैंडविड्थ बढ़ जाती है, αf 15घटाता है । इस प्रकार, जब Δटी(आर) के सटीक आकलन की आवश्यकता है, NBPF के संप्रेषण स्पेक्ट्रम एक spectrophotometer द्वारा मापा जाना चाहिए ।

के रूप में प्रोटोकॉल के चरण १.४ में उल्लेख किया है, क्योंकि पानी की अपवर्तन सूचकांक तापमान के साथ बदलता रहता है, एक क्षेत्र के आसपास के तापमान क्षेत्र के माध्यम से गुजर प्रकाश किरणों को मोड़ा गया है, Δएक(एक्स, जेड) छवियों में परिवर्तन के कारण. इस समस्या की जांच हमारे पिछले काम19में हुई थी । इस अध्ययन के माध्यम से प्राप्त परिणामों के अनुसार, जब तक क्षेत्र के पास अधिकतम तापमान मामूली छोटा है (< 10 K, लगभग), Δ में परिवर्तन करने के लिए प्रकाश विक्षेपन का योगदान (x, z) नगण्य हो सकता है या पर्याप्त प्रकाश अवशोषण की तुलना में छोटे, क्योंकि प्रकाश बेतुका है और एक निश्चित विक्षेपन कोण telecentric लेंस के एपर्चर बंद द्वारा स्वीकार कर लिया है; इसका मतलब यह है कि विक्षेपित किरणों हालांकि एपर्चर और प्रमुख किरण के रूप में छवि विमान में एक ही बिंदु पर ध्यान केंद्रित30पारित । हालांकि, इस पर विचार, एपर्चर बंद ध्यान से ऐसी है कि telecentric लेंस की स्वीकृति कोण थोड़ा भविष्यवाणी की झुकाव कोण से बड़ा है समायोजित किया जाना चाहिए । प्रारंभिक प्रयोग के लिए परीक्षण और त्रुटि समायोजन की आवश्यकता हो सकती है ।

प्रोटोकॉल और चरण २.२ में IAT की गणना के चरण २.१ में छवि संसाधन कोई उन्नत गणितीय ज्ञान की आवश्यकता होती है । चरण २.१ आम छवि प्रसंस्करण सॉफ्टवेयर है कि झगड़ा अनुक्रम फ़ाइलों का इलाज कर सकते है के साथ आसानी से किया जा सकता है । चरण -8 में, यदि कई कोणों पर लाइन प्रोफाइल स्वचालित रूप से कमांड स्क्रिप्ट का उपयोग कर प्राप्त नहीं किया जा सकता, एक एकल रेखा प्रोफ़ाइल छवि प्रसंस्करण सॉफ्टवेयर पर मैंयुअल रूप से निकाले बजाय इस्तेमाल किया जा सकता है, हालांकि शोर के कारण बदलाव कम नहीं कर रहे हैं ।

जब एक जलीय मध्यम का उपयोग कर, अपने पानी की सामग्री, या तिल अंश, जाना जाता है या मापा जाना चाहिए, विशेष रूप से Δटीका एक सटीक आकलन के लिए, क्योंकि αएफ पानी की सामग्री पर निर्भर करता है । दूसरे शब्दों में, जलीय solutes और जेल सब्सट्रेट के अवशोषण गुणांक तापमान पर कम निर्भर करता है, तापमान संवेदनशीलता पानी की सामग्री के लिए लगभग आनुपातिक है । यदि पानी की सामग्री को बहुत अधिक है, जलीय तरल पदार्थ के साथ के रूप में जाना जाता है, इस पत्र में दी गई पानी की α मूल्य व्यावहारिक रूप से इस्तेमाल किया जा सकता है । अंयथा, भविष्यवाणी की है या मापा पानी की सामग्री, यानी, αएफ, एक पर्याप्त सटीक अनुमान के लिए प्रभावी हो सकता है द्वारा पानी की αf मूल्य गुणा ।

तापमान का पता लगाने की सीमा (~ ०.२ K) और स्थानिक संकल्प पर विचार (~ 30 µm; यह पिक्सेल आकार और आवर्धन पर निर्भर करता है), यह प्रस्तुत तकनीक के लिए असंभव है एक मिनट के तापमान में वृद्धि का पता लगाने के लिए एक सूक्ष्म और नैनो-चुंबकीय के कारण कण गरम inductively । हालांकि, अगर कणों की एक बड़ी संख्या में एकत्रित किया जा सकता है, एक कैप्सूल में निहित है, या एक पतली ट्यूब में प्रवाहित, तापमान का पता लगाने के स्तर पर वृद्धि होगी । चुंबकीय अतिताप पर अनुसंधान में, वास्तव में, कैंसर कोशिकाओं को चुंबकीय नैनोकणों के इस तरह के एकत्रीकरण या चयनात्मक सोखना और परिणामस्वरूप तापमान महत्वपूर्ण और जांच कर रहे हैं । इसलिए, प्रस्तुत तकनीक में इन विट्रो प्रयोगों के लिए चुंबकीय अतिताप अध्ययन और अन्य अनुप्रयोगों के चुंबकीय कणों का उपयोग करने के लिए इस्तेमाल किया जा करने के लिए उम्मीद है. तापमान वितरण में गोलाकार समरूपता इन अनुप्रयोगों में प्राप्त नहीं किया जा सकता है, लेकिन 2d छवियों के तापमान के बारे में शोधकर्ताओं को सूचित करने के लिए पर्याप्त होगा, संख्या और कणों का वितरण, और हीटिंग के प्रदर्शन ।

प्रस्तुत तकनीक चुंबकीय क्षेत्रों का मूल्यांकन करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है विभिंन चुंबकीय अनुप्रयोगों में31,३२। आम तौर पर, चुंबकीय कुंडलियों द्वारा उत्पादित क्षेत्रों बहुत जटिल हैं, और ठीक से मापा नहीं जा सकता है या सैद्धांतिक रूप से भविष्यवाणी की । हालांकि, के रूप में हमारे पिछले काम19में प्रदर्शित, तापमान और विभिंन कुंडल धाराओं के तहत विभिंन पदों पर एक चुंबकीय क्षेत्र की गर्मी पीढ़ी दर हमारी तकनीक द्वारा प्राप्त किया जा सकता है । ताप उत्पादन दर के स्थानिक वितरण चुंबकीय क्षेत्र के अनुरूप होना चाहिए । अंत में, प्रस्तुत तकनीक न केवल विद्युत चुम्बकीय प्रेरण के लिए लागू किया जा सकता है, लेकिन यह भी ध्यान केंद्रित अल्ट्रासाउंड के लिए, बूंदों में रासायनिक प्रतिक्रियाओं, और अन्य स्थानीय हीटिंग तरीकों.

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Disclosures

लेखकों का खुलासा करने के लिए कुछ नहीं है ।

Acknowledgments

लेखकों श्री कीनता यामादा, श्री Ryota Fujioka, और श्री Mizuki Kyoda प्रयोगों और डेटा विश्लेषण पर उनके समर्थन के लिए धन्यवाद. यह काम JSPS KAKENHI अनुदान संख्या २५६३००६९, सुजुकी फाउंडेशन, और सटीक माप प्रौद्योगिकी संवर्धन फाउंडेशन, जापान द्वारा समर्थित किया गया था ।

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Induction heating system CEIA, Italy SPW900/56 780 kHz, 5.6 kW (max).
Coil SA-Japan custom Water-cooled copper tube; two-turn; outer dia. 28 mm.
Water chiller Matsumoto Kikai, Japan MP-401CT
Halogen lamp Hayashi Watch-Works, Japan LA-150UE-A
Narrow bandpass filter for λ = 1150 nm Andover 115FS10-25 Full width at half-maximum (FWHM): 10 nm.
Narrow bandpass filter for λ = 1412 nm Andover semi-custom Full width at half-maximum (FWHM): 10 nm.
Bandpass filter for λ = 850−1300 nm Spectrogon SP-1300
Bandpass filter for λ = 1100−2000 nm Spectrogon SP-2000
NIR camera FLIR Systems Alpha NIR InGaAs
Image acquisition software FLIR Systems IRvista
Image processing software NIH ImageJ ver. 1.51r
Image processing software MathWorks Matlab ver. 2016a
Telecentric lens Edmond Optics 55350-L X1
Steel sphere (0.5 mm dia.) Kobe Steel, Japan Fe-1.5Cr-1.0C-0.4Mn (wt %)
Steel sphere (2.0 mm dia.) Kobe Steel, Japan Fe-1.5Cr-1.0C-0.4Mn (wt %)
Maltose syrup as aqueous gel Sonton, Japan Mizuame Food product

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References

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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

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