유도 열 작은 자기 영역을 둘러싼 물 근처-적외선 온도 측정 기술

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Summary

유도 열 작은 자기 영역을 둘러싼 물의 온도 측정 하 고 1412 1150 nm의 파장을 이용 하는 기술이 제공 됩니다.

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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

물 및 유도 열 작은 자기 영역을 둘러싼 비 탁 수성 매체의 온도 측정 하는 기술을 제공 됩니다. 이 기술은는 물의 흡수 계수는 온도에 따라 1150 및 1412 nm의 파장을 이용 한다. 물 또는 2.0 m m-또는 0.5--직경 자기 영역을 포함 하는 비 탁 수성 젤 1150 nm 또는 1412 nm 입사광, 좁은 대역 통과 필터;를 사용 하 여 선택 된 반구 또한, 2 차원 흡 광도 이미지, 흡수 계수의 가로 계획, 근처-적외선 카메라를 통해 획득 됩니다. 때 온도 3 차원 배포판 둥글게 대칭 되도록 추측 될 수 있다, 그들은 반전 아벨 변환 흡수도 프로 파일에 적용 하 여 견적 된다. 온도 일관 되 게 시간 및 유도 열 전원 변경 관찰 되었다.

Introduction

매체 내에서 작은 열원 근처의 온도를 측정 하는 기술 많은 과학 연구 분야와 응용 프로그램에 필요 합니다. 예를 들어 자기 고 열에 대 한 연구는 암 치료 방법 이다 자석 입자, 또는 작은 자석의 전자기 유도 사용 하 여, 그것은 정확 하 게는 자석에 의해 생성 된 온도 분포를 예측 하는 중요 한 입자1,2. 그러나, 비록3,4, 초음파5,6,7,8, optoacoustic9, 라만10및 자기 공명11 전자 레인지 12-기반된 온도 측정 기술을 연구 하 고 개발 되어, 같은 내부 온도 분포 현재 정확 하 게 측정 될 수 없습니다. 지금까지 단일 위치 온도 또는 온도 몇 위치에는, 유도 난방의 경우 비-마그네틱 광섬유 온도 센서13,14온도 센서를 통해 측정 되었다. 또한, 미디어의 표면 온도 적외선 방사 온도계 내부 온도14추정을 통해 원격으로 측정 되었다. 그러나, 작은 열 소스를 포함 하는 매체 물 레이어 또는 비 탁 수성 매체 때 우리가 보여준 근 적외선 (NIR) 흡수 기술은 온도15,16, 측정에 유용 17,,1819. 이 종이이 기술과 대표 결과의 상세한 프로토콜을 선물 한다.

NIR 흡수 기술은 물 NIR 영역에서의 흡수 밴드의 온도 의존의 원리를 기반으로 합니다. 물 온도 1100-1250 nm 파장 (λ) 범위 및 짧은 파장에 교대에서 관찰 그림 1a, ν1 + ν2 + ν3 흡수 밴드에서와 같이 19를증가합니다. 여기, ν1 + ν2 +이 밴드는 3 개의 근본적인 O-H 진동 모드의 조합에 해당 하는 ν3 의미: 대칭 스트레칭 (ν1), (ν 절곡 2), 반대칭 (ν3)20,21을 스트레칭 하 고. 스펙트럼에 있는이 변화는 밴드에서 가장 온도 민감한 파장 λ ≈ 1150 nm 임을 나타냅니다. 물의 다른 흡수 밴드 또한 온도15,,1617,18,20,21에 관하여 유사한 행동을 전시 한다. Ν1 + ν3 밴드 물 λ 범위 내에서 관찰 = 1350−1500 및 그것의 온도 의존성 그림 1b에서 표시 됩니다. Ν1 + ν3 밴드 물, 1412 nm에서는 가장 온도 민감한 파장입니다. 따라서, λ 에 흡 광도 2D 이미지를 캡처하는 적외선 카메라를 사용 하 여 2 차원 (2D) 온도 이미지를 얻을 수는 1150 또는 1412 nm =. 으로 물 흡수 계수 λ = 1150 nm 보다 작으면 그 λ = 1412 nm, 반면 후자는 약 1 m m 두께 것 들에 대 한 적합 한 전 파장은 약 10 m m 두께 수성 미디어에 적합. 최근, λ 를 사용 하 여 1150 = nm, 우리 1--직경 강철 구 유도 열19포함 된 레이어를 10 m m 두께 물 온도 분포를 얻은. 또한, 0.5 m m 두꺼운 물 층의 온도 분포는 λ 를 사용 하 여 측정 되었다 = 1412 nm15,17.

이미징 기술 NIR 기반 온도 이점은 간단 설치 및 전송 흡수 측정 기법 이며 아무 fluorophore, 형광체, 또는 다른 열 프로브 필요로 하기 때문에 구현 하는 것 이다. 또한, 그것의 온도 분해능 0.2 K15,,1719보다 작습니다. 열 및 대량 전송 연구22,,2324에서 자주 사용 되는 다른 전송 기술로 간섭계에 따라 같은 좋은 온도 분해능을 얻을 수 없다. 우리 단, 이미징 기술을 NIR 기반 온도 경우 상당한 로컬 온도 변화에 적합 하지 않습니다, 빛의 굴절에 의해 발생 하기 때문에 큰 온도 기울기 된다 지배적인19. 이 문제는 실제 사용 측면에서이 종이에 부릅니다.

이 문서는 실험적인 체제 및 절차; 유도 통해가 열 하는 작은 자기 영역에 대 한 적외선 기반 온도 이미징 기술에 대 한 설명 또한, 그것은 두 개의 대표적인 2D 흡 광도 이미지의 결과 제공합니다. 하나의 이미지는 λ 에서 캡처 10.0 m m 두꺼운 물 층에는 2.0 m m 직경 강철 구의 = 1150 nm. 두 번째 이미지는 λ 에서 캡처 2.0 m m 두께 맥 아당 시럽 층에 0.5 m m 직경 강철 구체 = 1412 nm. 이 문서는 또한 2D 흡 광도 이미지 반전 아벨 변환 (IAT)를 적용 하 여 계산 방법 및 온도의 3 차원 (3D) 방사형 배포의 결과 선물 한다. IAT는 3 차원 온도 분포는19온수 영역 (그림 2) 경우 처럼 둥글게 대칭 것으로 간주 됩니다 때 유효 합니다. IAT 계산에 대 한 메서드를 피팅 하는 다중-가우시안 함수는 고용 여기, 가우스 기능의 IATs 얻어질 수 있다 분석25,26,,2728,29 때문에 단조 감소 하는 데이터에 잘 맞는 단일 열원에서 열 전도 고용 하는 실험 포함 됩니다.

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Protocol

1. 실험 설치 및 절차

샘플 및 NIR 다음과 같은 이미징에 대 한 광학 탑재 광학 레일을 준비 합니다.

  1. 샘플 준비입니다.
    참고: 물 또는 수성 액체를 사용할 경우 1.1.1 단계 할. 수성 젤 높은 점도 사용 하는 경우 1.1.2 단계 할.
    1. 강 물에서 영역 설정.
      1. 접착제의 작은 금액을 사용 하 여 얇은 플라스틱 문자열의 끝에 2.0 m m 직경 강철 구체를 수정 합니다.
      2. 10.0 m m, 폭 10 m m 및 45 m m (그림 3)의 높이의 광 경로 길이 직사각형 유리 셀의 가운데에 강철 구 만요.
      3. 신중 하 게 셀에 필터링 된 물을 부 어 기포를 생성할 수 없습니다.
        참고: 강철 구 또한 해결할 수 있습니다 얇은 플라스틱 막대의 끝에 작은 양의 접착제19.
    2. 강 수성 젤에서 영역 설정.
      1. 열을 원활 하 게 부 어 충분히 낮은 되도록 그것의 점성을 줄이기 위해 수성 젤.
      2. 주사기를 사용 하 여 광학 경로 길이 2.0 m m, 폭 10 m m, 그리고 반 전체에 45 m m의 높이의 직사각형 유리 셀에 수성 젤을 부 어와 그것을 두고.
      3. 0.5 m m 직경 강철 구 젤 표면 중앙에 놓습니다.
      4. 수성 젤으로 셀을 채울.
        참고: 큰 분야 (> ~ 1 m m 직경) 사용 하면 안 젤 때문에 그들은 유도 열 하는 동안 중력 및 자석 힘에 의해 이동 합니다.
    3. 플라스틱 홀더에서 셀을 설정 하 고 (그림 3) 광 레일에 마운트.
  2. 적외선 이미징 시스템의 준비입니다.
    1. 할로겐 램프 섬유 빛 가이드와 함께 준비 하 고 광학 레일에 홀더를 가진 섬유 라이트 가이드의 끝을 수정.
    2. Λ 에서 투과율 피크와 좁은 대역 통과 필터 (NBPF) 장소 = 1150 nm 또는 λ = 1412 nm 섬유 라이트 가이드와 셀 (그림 3).
    3. 다른 대역 통과 필터 (BPF), 누구의 전송 파장 범위는 할로겐 램프와는 NBPF 사이 NBPF의 보다 넓은 첨가
      참고:는 BPF는 NBPF 그것은 직접 빛을 받기 때문에 열 손상을 방지 하려면 필요 합니다.
    4. (그림 3) 길 잃은 빛을 줄이기 위해 NBPF 및 셀 홀더 사이 빛 경로에 iris diaphragm(s) 첨가
    5. 셀 (그림 3)을 통해 전송 하는 빛을 감지 하는 적외선 카메라를 설정 합니다. 이미지 수집 소프트웨어와 개인용 컴퓨터 (PC)에 설치 된 그래픽 보드에 데이터 전송 케이블을 통해 카메라를 연결 합니다.
    6. 셀과 카메라 (그림 3) 사이 telecentric 렌즈를 설정.
      참고: 일반적인 카메라 렌즈를 사용할 수도 있습니다. 그러나, telecentric 렌즈 IAT에 대 한 주요한 광선 빛 병렬의 선택적 검출 및 회절의 영향의 감소 측면에서 낫다.
      참고: NBPF와 BPF 하지 두어야 한다 셀과 카메라 사이 있기 때문에, 이렇게, 물 온도 고 강도 할로겐 램프에서 빛의 직접적인 흡수를 통해 증가 시킬 것입니다.
    7. 적외선 카메라를 켜고 실행 이미지 수집 소프트웨어.
    8. 할로겐 램프 빛 하 고 관찰 하는 모니터 (그림 4)에 표시 된 이미지의 출력을 조정 합니다.
    9. 축, 위치, 및 철강 분야의 좋은 이미지를 얻기 위해 telecentric 렌즈의 초점을 조정 합니다.
      참고: 조정 완료 하지 않으면 불규칙 한 강도 패턴 표시 됩니다, 잘못 된 absorbances을 선도.
  3. 유도 열 시스템의 준비입니다.
    1. 난방 시스템-고주파 발생기의 구성 된 유도 준비 (최대 출력 전력: 5.6 kW; 주파수: 780 kHz), 냉각된 코일 및 물 냉각 장치.
      참고: 유도 브레이징에 대 한 난방, 용접, 및 작은 금속 부품을 납땜은이 목적;에 대 한 적절 한 테이블의 자료를 참조 하십시오.
    2. 만약에 가능 하다 면, 그것의 위치를 변경 하려면 XYZ 이동식 무대에 코일을 탑재 합니다.
    3. 셀 근처 장소 코일 코일 센터와 강철 구체 사이의 거리는 약 15 m m (그림 3). 코일 근처 다른 금속 부품 인지 확인 합니다.
      참고: 거리 유도 난방 전력 및 영역 크기에 따라 조정 되어야 한다.
    4. 냉각을 위해 물 순환.
  4. 이미지 수집 및 유도 열
    1. 순차적으로 이미지를 저장 하는 이미지 수집 소프트웨어에 "시작"을 클릭 합니다.
    2. 유도 열을 시작 제어 소프트웨어 난방 유도에 "시작"을 클릭 합니다.
    3. (조건에 따라 목적) 몇 초 후 이미지 수집 소프트웨어에 "stop"을 클릭 합니다.
    4. 유도 열 제어 소프트웨어에 "중지"를 클릭 합니다.
    5. 이미지 수집 소프트웨어에 TIFF 시퀀스 (또는 다른 압축 되지 않은 형식)으로 일시적으로 저장 된 이미지를 저장.
      참고: 온도가 충분히 높은 경우에, 가벼운 편향의 효과7이미지 표시 됩니다. 난방 힘 유도 해야 감소 적절 하지만 실험 영역 근처 온도 있는 증가 보다 약 10 K, 온도 추정 하는 다음 프로토콜 단계에서 확인할 수 있습니다.

2. 이미지 처리 및 온도 추정

참고: 저장 된 이미지를 순차적으로 표시 되는 (x, z), 가 순차 프레임 번호. 좌표, x, y, z, rr' 그림 2에 표시 된 대로 정의 z 중력 반대 방향으로 긍정적 이다. 다음 프로토콜 단계 개요는 또한 보충 1에 나와 있습니다.

  1. 흡 광도 이미지 건설입니다.
    1. 오픈 (x, z) 이미지 프로세싱 소프트웨어와 함께.
    2. 소음에 (x, z) 3 × 3 픽셀 평균을 구현 하 여.
    3. 평균 이미지 만들기 (x, z) 내가 = 1 ~ 5 (또는 이상) 난방, 전에 하 고 참조 이미지로 정의 r(x, z).
      참고:이 평균 프레임 이미지를 보다 더 신뢰할 수 있는 이미지를 소음을 줄일 수 있습니다.
    4. 흡 광도 차이 Δ의 순차적인 이미지를 생성(x, z), 다음 방정식을 통해:
      Equation 1(1)
      참고: ΔA(x, z)(x, z), 참조 흡 광도, r(x, z), 앞에서 흡 광도 있는 변이 가 열, 그리고 다음과 같이15,,1617,,1819파생:
      Equation 2(2)
      여기서 내가0 셀을 입사광의 강도입니다.
    5. Δ는내가 이미지 블루 레드 등 적절 한 색 지도 사용 하 여 색상화
      참고: ImageJ를 위한 단계 2.1.2 2.1.5 통해 실행 하기 위한 명령 스크립트 파일 보충 2에 표시 됩니다.
  2. 온도 추정입니다.
    1. 동안 어느 ΔA(x, z)은 원형으로 구 중심에 대해 대칭 이미지를 시각적으로 관찰 하 여 기간을 선택 합니다.
      참고: 원형 대칭 주로 자유 대류에 의해 고장입니다. 이전 작품19;에서 소개 되는 자유로운 대류 발생의 이미지 기반 분석 판단 그러나, 실제적으로, 시각적 판단 효과적 이다.
    2. 데이터를 추출 하는 ΔAr, θ) 360 방사형 선 따라 (Δθ = 1˚) Δi(x, z) 이미지.
    3. Δ내가r, θ) 데이터 영역 내에서 주변에 제외 (Δrʹ≈ 0.2 m m). 참고: 데이터는 anomalously 매우 작거나 큰 근처에 구의 약간의 움직임으로 인해 주로.
    4. 평균 Δ내가r, θ) θ 에 선 프로 파일, Δ를 결정 하(rʹ).
      참고: ImageJ를 위한 2.2.4 통해 2.2.2 단계를 실행 하기 위한 명령 스크립트 파일 보충 3에서 제공 됩니다.
    5. 다음 다중-가우시안 함수 ΔA(rʹ) 데이터를 대략:
      Equation 3(3)
      어디 j 중 요인 σj 는 분산 매개 변수 이며, Rrʹ 최대 어디 ΔA(R) = 0 추측 될 수 있다.
    6. Δμi(r), eq (3)의 다음 IAT에 얻은 N, j, 그리고 σj 를 대체 하 여 흡수 계수 차이 계산:
      Equation 4(4)
      여기서 erf 오류 함수입니다.
    7. 다음 식을 통해 온도 변환 Δμi(r):
      Equation 5(5)
      4.0 × 10-3 K-1 m m-1 λ 에 물, αf, 온도 계수와 = 1150 nm19 및 4.1 × 10-3 K-1 m m-1 λ 에 대 한 = 1412 nm17.
      참고: 2.2.7 통해 단계 2.2.5을 실행 하기 위한 명령 스크립트 파일 보충 4, Levenberg-Marquardt 비선형 최소 제곱법 알고리즘17,19 단계 2.2.5에 대 한 고용은에 제공 됩니다.

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Representative Results

Δ의 이미지A(x, z)에 λ = 2.0 m m 직경 강철 구체 물에 대 한 1150 nm와 λ = 1412 nm 맥 아당 시럽에 0.5 m m 직경 강철 구체에 그림 5 표시 됩니다에 대 한 그림 6, 각각. 두 경우 모두 영역 중앙 축 따라 코일의 하단 아래 위치한 12 m m 이었다. 그림 5 b그림 6b ΔA(rʹ) 데이터와 그들의 장착된 다중-가우시안 함수 r (3) 식에서 보여 = 3.0 m m 및 R = 1.5 m m, 각각. 2 개 또는 3 개의 가우시안 함수 보다는 더 이상 (N = 2 또는 3) 좋은 맞는17,19를 달성 하는 데 필요한. 장착된 기능 다음 Eqs 통해 ΔT(r) 프로필 변모 했다. (4) 및 (5),c 그림 5 그림 6c에 제시 됩니다.

두 경우에 ΔA 이미지 명확 하 게 물의 온도 있는 증가 표시 하 고 열 전도 인 구체를 둘러싼 젤. 구체에 관하여 ΔA 의 원형 대칭 모든 이미지에서 관찰 됩니다. 플롯과 그림 5c 곡선 표시 ΔA(rʹ) 영역; 가장 가까운 거리에서 시간 증가 rʹ≥ 2.5 m m, 더 중요 한에서 변화 관찰. 또한, IAT를 통해 얻은 ΔT(r) 프로 파일 레이디얼 방향에 열 유도의 발생을 확인 합니다. 그, ΔT(r) 프로필 표시 ΔA(rʹ)의 그들과 유사 하, dΔT(r) /dr 그라데이션에서 변화 차이가 ΔA(rʹ) 프로필의 note . 그림 6, ΔA 의 크기가 발견 되는 난방 전원에 해당 하 구 즉, 열 속도 수준.

0.5 m m 직경 구체에 대 한 결과 보여주는 자유로운 대류, ΔA에 원형 패턴을 왜곡 하지 t 후 관찰 되었다 = 1.2 s. 반대로, 2.0 m m 직경 구체 물에 대 한 무료 대류 발견 후 발생 하 t = 1.2 s (표시 되지 않음). 즉, 자유로운 대류 정권에 순수한 열 유도 정권에서 전환 약 t 에 물에서 발생 했을 수는 = 1.2 s. 자유 대류에이 차이 열 생성 속도와 점도 차이 의해 발생 했다. 0.5 m m 직경 구체의 열 생성 율은 2.0 m m 직경 구체;의 그것 보다 훨씬 작은 또한, 맥 아당 시럽 (약 100 Pa·s)의 점도 물 (약 0.001 Pa·s) 보다 상당히 높았다. 무료 대류 열과 질량 전달에 중요 한 주제 이므로 연구, 제안 된 이미징 기술, 어떤 자유로운 대류 발병 시간과 열 깃털의 패턴을 제공 하 고 무료로 유도 물리적 조건에 대 한 정보를 생성 대류,이 분야 연구에 크게 기여할 것입니다.

Figure 1
그림 1 : 물의 NIR 흡수 스펙트럼의 온도 의존. (a, b) 16.0 ° C에서 온도에서 물의 흡수 밴드 스펙트럼 (블루) 1100-1250 및 1500 1350 nm의 파장 범위에서 4.0 ° C 단위로 44.0 ° c (빨강) 각각. 화살표는 온도 있는 증가의 방향을 나타냅니다. 음각 표시는 흡 광도 차이 스펙트럼; 16.0 ℃에서 흡 광도 스펙트럼은 참조. 광학 경로 길이 10 m m와 1.0 m m에 (a) 및 (b), 각각입니다. 수직 점선된 라인은 1150 및 적외선 이미지를 가져오는 데 사용 하는 1412 nm의 온도 민감한 파장을 나타냅니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

Figure 2
그림 2 : 좌표계와 흡 광도 이미징 형상. AIP 출판의 허가 Kakuta 외. 201719 에서 재현. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

Figure 3
그림 3 : 실험 설치. (a) 광학 시스템 및 유도 열 설치의 회로도 자세한 내용은 텍스트를 참조 하십시오. 이 그림 Kakuta 에서 201719 AIP 출판의 허가 함께 수정 되었습니다. (b) 실험 설정의 사진입니다. (c) 문자열, 셀, 및 규모와 코일에 의해 걸려 2.0 m m 직경 강철 구체를 보여주는 사진. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

Figure 4
그림 4 : Raw 이미지 획득. (a, b) (x, z) 강도 이미지 전송, λ = 2.0 m m 직경 강철 구체 물과 λ 에 대 한 1150 nm 맥 아당 시럽에 0.5 m m 직경 강철 구체에 대 한 1412 nm를 각각 =. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오. 

Figure 5
그림 5 : 흡 광도 이미지와 2.0 m m 직경 강철 구체 물에 대 한 온도 프로 파일. ( λ 에 Δ a)A(x, z) 이미지 = 1150 nm 및 t = 0.4, 0.8, 및 1.2 유도 난방의 발병 후 s. (b) ΔA(rʹ)와 그들의 멀티-가우스의 플롯 (단단한 곡선) 맞춥니다. (c) ΔT(r) 프로필 IATs ΔA에 (rʹ)를 수행 하 여 얻은. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

Figure 6
그림 6 : 흡 광도 이미지와 맥 아당 시럽에 0.5 m m 직경 강철 구체에 대 한 온도 프로필. ( λ 에 Δ a)A(x, z) 이미지 = 1412 nm 및 t = 0.4, 0.8, 및 1.2 유도 열에 대 한가 열 개시 후 s 수준 10%, 30%와 50%의 전력. (b) 플롯 ΔA(rʹ)와 그들의 멀티-가우스의 50% (단단한 곡선)을 맞는. (c) ΔT(r) 프로 파일 50 %IATs ΔA에 (rʹ)를 수행 하 여 얻은. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오. 

Supplemental Figure 1
보충 1: 영상 처리의 개요입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

Supplemental Figure 2
보충 2: 흡 광도 이미지 건설 (ImageJ 매크로)에 대 한 명령 스크립트 파일. 이 파일을 다운로드 하려면 여기를 클릭 하십시오.

Supplemental Figure 3
보충 3: 선 프로 파일 추출 (ImageJ 매크로)에 대 한 명령 스크립트 파일. 이 파일을 다운로드 하려면 여기를 클릭 하십시오.

Supplemental Figure 4
보충 4: 다중-가우시안 피팅 및 역 아벨 변환에 대 한 Matlab 코드입니다. 이 파일을 다운로드 하려면 여기를 클릭 하십시오.

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Discussion

이 문서에 소개 된 기술 물의 NIR 흡수의 온도 의존을 사용 하 여 하나는 소설 이며, 필요한 장비 및 구현에 상당한 어려움이 선물. 사건 빛은 할로겐 램프와는 NBPF를 사용 하 여 쉽게 생산 수 있습니다. 그러나, 레이저 코히어런트 간섭 패턴 이미지에 나타납니다 때문에, 사용할 수 없습니다. 일반적인 광학 렌즈 및 유리 셀 가시광선 사용에 대 한 사용할 수 있습니다, 그들은 전송에 λ 빛의 적절 한 금액 = 1150 nm와 1412 nm. 또한, InGaAs 카메라는 상대적으로 저렴 한 가격에 지금 구입할 수 있습니다.

Λ 에서 NBPFs = 1150 1412 nm 및 세미 사용자 정의 순서에 의해 사용할 수 있습니다 하지만 그들은 지나치게 비싸다. (그림 1) 온도 따른 파장 범위 내에 있어야, 다른 파장에 기성 품 NBPF 라면 그것은 사용할 수 있습니다 대신, 비록 온도 감도, 또는 αf저하 될 수 있습니다. 예를 들어 λ αf 값 = 1175 nm는 그 λ 의 절반 = 1150 nm. 또한, 대역폭 나는 NBPF의 선명도 영향을 미치는 αf; 대역폭 증가, αf 15감소. 따라서, (r) ΔT의 정확한 추정이 필요한 경우는 NBPF의 투과율 스펙트럼을 분 광 광도 계에 의해 측정 되어야 한다.

물의 굴절률 변화 온도, ΔA(x, z) 이미지에 변화를 일으키는 구체 주위 온도 필드를 통과 하는 광선 반사 되는 빛 때문에 프로토콜의 단계 1.4에서 언급 했 듯이. 이 문제는 우리의 이전 작품19에서 조사 되었다. 영역 근처 최대 온도 적당히 작은으로이 연구를 통해 얻은 결과 (< 10k, 약), ΔA(x, z)에 있는 변화에 빛 편향의 기여는 무시할 수 또는 빛이 일관 된 특정 편향 각도; telecentric 렌즈의 조리개 정지에 의해 허용 된다 때문에 빛을 흡수, 보다 충분히 작은 즉 반사 광선 통과 조리개와 수석 레이30이미지 평면에서 같은 지점에 초점. 그러나, 고려, 조리개 정지 조정 되어야 한다 신중 하 게 되도록 telecentric 렌즈의 수용 각도 예측된 편향 각도 보다 약간 큽니다. 재판 및 오류 조정 초기 실험에 대 한 필요할 수 있습니다.

이미지는 프로토콜의 단계 2.1에서 처리 및 계산 단계 2.2에서 IAT 고급 수학 지식이 필요 합니다. 2.1 단계는 일반적인 이미지 프로세싱 소프트웨어 TIFF 시퀀스 파일을 치료할 수 있는 쉽게 수행할 수 있습니다. 2.2.2 단계에서 명령 스크립트를 사용 하 여 여러 각도에서 선 프로필을 자동으로 가져올 수 없는 경우 이미지 프로세싱 소프트웨어에 수동으로 추출 한 줄 프로필 대신 사용할 수 있습니다, 비록 유사 때문에 소음을 줄일 수 없습니다.

수성 매체를 사용할 때의 물 콘텐츠, 또는 두더지, 해야 될 알려진 또는 측정, 특히 ΔT의 정확한 예측에 대 한 αf 물 내용에 따라 달라 집니다 있기 때문에. 즉, 수성 용액 및 젤 기판의 흡수 계수에 따라 약간에 온도, 온도 감도 거의 물 내용에 비례 이다. 경우 물 콘텐츠는 매우 높은, 수성 액체와 것으로 알려져 있다, 물이 종이 αf 값은 실질적으로 사용할 수 있습니다. 그렇지 않으면, αf, 감소, 예측 또는 측정 물 물 αf 값 즉, 멀티 충분히 정확 하 게 예측에 대 한 효과적일 수 있습니다.

온도 검출 한계 (~0.2 K)를 고려 하 고 공간적 해상도 (~ 30 µ m;이 픽셀 크기 및 확대에 따라), 그것은 발생에 의해 단일 마이크로 및 나노-자기 분 온도 증가 감지 하 여 기술에 대 한 불가능 입자는 유도 열. 그러나, 입자의 많은 집계 수는 캡슐에 포함 된 또는 얇은 튜브에 흘러, 온도 감지 수준 증가할 것입니다. 마그네틱 고 열에 대 한 연구에서 실제로, 이러한 집계 또는 암 세포에 자성 나노 입자의 선택적 흡착 및 결과 온도 중요 하 고 조사. 따라서, 제시 기법 자기 고 열 연구에서 생체 외에서 실험 및 자성 입자를 사용 하 여 다른 응용 프로그램에 사용 될 예정 이다. 온도 분포에서 구형 대칭 하지 이러한 응용 프로그램에서 얻을 수 있습니다 하지만 2D 이미지는 온도, 수 입자의 난방 성능에 대 한 연구자 알려 충분 합니다.

제시 기법 다양 한 자석 응용 프로그램31,32에서 사용 되는 자기장을 평가 하기 위해 사용할 수 있습니다. 일반적으로, 자기장 코일에 의해 생산은 매우, 그리고 수 없습니다 정확 하 게 측정 또는 이론적으로 예측. 그러나,에서 같이 우리의 이전 작품19, 온도 및 다른 코일 전류에서 다른 위치에서 자기 구의 열 속도 우리의 기술에 의해 얻을 수 있습니다. 열 생성 속도의 공간적 분포는 자기장 일치 해야 합니다. 마지막으로, 제시 기술은 전자기 유도 뿐만 아니라 초음파 초점, 방울, 화학 반응 및 다른 지역 난방 방법에, 구현할 수 있습니다.

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Disclosures

저자는 공개 없다.

Acknowledgments

저자는 야마다 켄 타 씨, 씨 료 후지오카와 씨 미즈키 쿄 실험 및 데이터 분석에 그들의 지원에 대 한 감사. 이 작품은 JSP KAKENHI 보조금 번호 25630069, 스즈키 기초 및 정밀 측정 기술 진흥 재단, 일본에 의해 지원 되었다.

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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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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