誘導加熱の小さな磁気圏を取り巻く水の近赤外温度計測

要約

誘導加熱の小さな磁気圏を取り巻く水の温度を測定する 1150 と 1412 nm の波長を利用した手法である. します。

要約

水と周囲の電磁誘導加熱の小さな磁性球非濁った水溶液の温度を測定する手法である. します。この手法は、1150 と 1412 nm、水の吸収係数は温度に依存する波長を利用しています。水または 2.0 mm または 0.5 mm 径の磁気球を含む非混濁水系ゲル 1150 nm または選択した狭いバンドパス フィルターを使用した場合と、1412 の nm の入射光を照射します。さらに、吸収係数の横突起である吸光度の二次元画像は、近赤外カメラを介して取得されます。三次元温度分布は、球対称であると仮定することができるときに、吸光度プロファイルに逆アベルに変換を適用することによって推定します。温度は時間と誘導加熱電源によると一貫して変更する観察されました。

概要

媒体内の小さな熱源付近の温度を計測する技術は、多くの科学的な研究分野とアプリケーションに必要です。たとえば、磁気ハイパーサーミアの研究でがん治療法である磁性粒子の磁気小さな電磁誘導を使用して、それは磁気によって生成される温度分布を正確に予測する重要な粒子^1,2。ただし、ただし、マイクロ波磁気共鳴^{11 、ラマン10、光音響9超音波5,6,7,83,4、12}-ベース温度測定技術を研究、開発している、現時点では、このような内部の温度分布を正確に測定できません。これまで単一位置温度またはいくつかのポジションでの温度は誘導加熱の場合、非磁性光ファイバー温度センサー^13,14である温度センサーで測定しました。また、メディアの表面温度は内部温度¹⁴を推定する赤外放射温度計によるリモートで観測されています。ただし、小さな熱源を含む培地が水層または非散乱体の水溶液中、私たちを示している温度^{15,16を測定する近赤外線 (NIR) 吸収法が役 17,18,19}。本稿ではこの手法および代表的な結果の詳しいプロトコル。

近赤外吸収法は、近赤外領域での水の吸収帯の温度依存性の原理に基づいています。水は温度として 1250 nm 波長 (λ) 範囲に 1100 nm の短波長にシフト観測図 1 a、 ν₁ + ν₂ + のν₃吸収帯にあるとおり¹⁹をが増加します。ここで、 ν₁ + ν₂ + このバンドは 3 つの基本的な O H 振動モードの組み合わせに対応するν₃手段: 対称ストレッチ (ν₁) 曲げ (ν ₂)、および逆対称伸縮 (ν₃)^20,21。このスペクトルの変化は、バンドで最も温度敏感な波長がλ ≈ 1150 nm であることを示します。水の他の吸収バンドは、温度^{15,16,17,18,20,21}に関して同様の動作も展示します。Ν₁ + ν₃バンド水の観察範囲λ以内 = 1350−1500 nm とその温度依存性を図 1 bに示します。Ν₁ + 水のν₃バンドで、1412 nm が最も温度に敏感な波長です。したがって、それはλで吸光度の 2 D 画像をキャプチャする近赤外カメラを用いた二次元 (2 D) 温度画像を取得する = 1150 または 1412 nm。水の吸収係数としてλ = 1150 nm は、 λ = 1412 nm よりも小さく、元の波長は約 10 mm 厚の水性メディアに適した、後者は約 1 mm 厚のものに適しています。最近では、 λを使用して = 1150 nm、直径 1 mm の鋼球を誘導加熱¹⁹を含む 10 mm 厚水層内の温度分布を得た。また、 λを使用して 0.5 mm 厚い水の層内の温度分布を測定した 1412 nm^15,17を =。

イメージング法 NIR ベース温度の利点は簡単にセットアップおよび透過吸収測定法で、ない蛍光、蛍光体、または他のサーマル プローブを必要があるために、実装します。さらに、その温度分解能は 0.2 K^15,17,19未満です。このような良い温度分解能は、干渉法による、熱と物質移動研究^22,23,24でよく使用されている伝送方式は他では達成できません。我々 は、しかし、イメージング法 NIR ベースの温度は適していませんかなりローカル温度変化の場合、支配的な¹⁹光の偏向によって引き起こされるので大きな温度勾配になります注意してください。この問題は、この稿では実用面で呼ばれます。

この稿では実験装置と誘導; を介して加熱小さな磁性球の NIR ベース温度イメージング技術の手順また、それは 2 つの代表的な 2 D の吸光度の画像の結果を示します。Λでキャプチャ 10.0 mm 厚さの水層に直径 2.0 mm の鋼球の 1 つのイメージは 1150 nm を =。2 番目の画像はλでキャプチャ 2.0 mm 厚マルトース シロップ層に直径 0.5 mm の鋼球 = 1412 nm。また述べる計算法と温度の三次元 (3 D) の半径方向分布の結果逆アベル変換 (IAT) を吸光度 2 D 画像に適用することによって。IAT は、3次元温度分布が球対称加熱球 (図 2)¹⁹の場合のようにすると見なされますときに有効です。IAT 計算のためマルチ ガウス関数をフィッティング法を採用、ここで解析的^{25,26,27,28,29 ガウス関数の Iat を取得することができますので}とデータを単調減少にもフィットこれは、単一の熱源からの熱伝導を用いた実験が含まれています。

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プロトコル

1 実験装置およびプロシージャ

サンプルと NIR イメージングとおり光学マウントする光学レールを準備します。

1. サンプルの準備。
   注: 水または水性の液体を使用する場合 1.1.1 のステップを行います。粘度の高い水性ゲルを使用している場合は、1.1.2 をステップを行います。
   1. 鋼球が水に設定します。
      1. 接着剤の少量を使用して薄いプラスチック製のひもの端に直径 2.0 mm の鋼球を修正します。
      2. 10.0 mm、幅 10 mm、高さ 45 mm (図 3) の光路長と長方形のガラスのセルの中央に鋼球をハングします。
      3. 慎重にセルに浄水を注ぐ気泡を生成しないようにします。
         注: 鋼球が固定する細いプラスチックの棒の先端に接着剤¹⁹の量が少ない。
   2. 鋼球水系ゲルで設定します。
      1. それがスムーズに注がれるには十分に低く、その粘度を下げるため水系ゲルを熱します。
      2. 注射器を使用して、半分完全に 45 mm の高さ、幅 10 mm、2.0 mm の光路長の長方形ガラス セルに水系ゲルを注ぎ、冷却しておきます。
      3. ゲルの表面の中心に直径 0.5 mm の鋼球を置き。
      4. 水系のゲルのセルを入力します。
         注: 大きな球体 (> ~ 1 mm φ) 誘導加熱中に重力および磁気の力で移動するので、ゲルで使用しないでください。
   3. プラスチック製のホルダーのセルを設定し、(図 3) の光のレールにマウントします。
2. 近赤外イメージング システムの準備。
   1. 光ファイバーライトガイドにハロゲン ランプを準備し、光のレールにホルダーと導べ光ファイバーの終わりを修正します。
   2. Λに透過ピークを持つ狭帯域通過フィルター (NBPF) を置き 1150 nm またはλを = = 1412 nm の間光ファイバーライトガイドと細胞 (図 3)。
   3. 伝送波長範囲はハロゲン ランプと、NBPF と、NBPF のそれよりも広い別のバンドパス フィルター (BPF) を割り込みます。
      注: BPF は、直接光を受け取るため、NBPF への熱損傷を防ぐために必要です。
   4. 迷光 (図 3) を減らすために NBPF と携帯ホルダー間の光パスに iris diaphragm(s) を置きます。
   5. (図 3) セルの透過光を検出する近赤外カメラを設定します。画像集録ソフトウェアがパーソナル コンピューター (PC) にインストールされているグラフィック ボードにデータ転送ケーブルを介してカメラに接続します。
   6. 携帯カメラ (図 3) とテレセン トリック レンズを設定します。
      注: 一般的なカメラレンズを使用もできます。テレセン トリック レンズは、IAT の主線に光の平行の選択的検出と回折の影響の軽減の面で優れています。
      注: NBPF と BPF には置かないで電池とカメラの間、そう、水の温度はハロゲン ランプから高強度の光の直接吸収率向上します。
   7. 近赤外カメラをオンにし、画像集録ソフトウェアを起動します。
   8. ハロゲン ランプし、観察 (図 4) モニターに表示される画像の出力電力を調整します。
   9. 軸、位置、および鋼球の微細な画像を取得するテレセン トリック レンズのフォーカスを調整します。
      注: 場合調整が完全ではない、不規則な強度パターン表示されます、不適切な結果につながる。
3. 誘導加熱装置の準備。
   1. 誘導加熱、高周波信号のジェネレーターから成るシステムを準備 (最大出力電力: 5.6 kW; 周波数: 780 kHz)、水冷コイルと水チラー。
      注: 誘導加熱ろう付けのためのシステム、溶接、小さな金属部品をはんだ付けは、この目的のために適切です材料表を参照してください。
   2. 可能であれば、その位置を変更する XYZ 可動ステージ上コイルをマウントします。
   3. コイル センターと鋼球間の距離が約 15 mm (図 3) になるように、セル近くコイルを配置します。コイルの近くの他の金属部分がないことを確認します。
      注意: 距離は誘導加熱電力および球のサイズに応じて調整する必要があります。
   4. 冷却水を循環します。
4. 画像の収集及び誘導加熱。
   1. 順番に画像を保存できる画像集録ソフトを「スタート」をクリックします。
   2. 誘導加熱誘導加熱を開始するコントロール ソフトウェアを「スタート」をクリックします。
   3. (条件・目的に応じて数秒後画像集録ソフトウェアの「停止」をクリックします。
   4. 誘導加熱制御ソフトウェアの「停止」をクリックします。
   5. 画像集録ソフトウェアの TIFF シーケンス (またはその他の非圧縮形式) として一時的に保存されている画像を保存します。
      注: 温度が十分に高い場合、光偏向の影響は画像⁷に表示されます。誘導加熱電源必要があります減少適切にも実験など球付近の温度の増加はより小さい約 10 K で、温度推定の次のプロトコルの手順で確認できます。

2. 画像処理・温度の推定

注: 保存されている連続画像として表されます私_私(x, z)、連続したフレーム数が。座標、 x、 y、 z r、およびr' として図 2に示されている定義されています重力と反対方向に正のzです。サプリメント 1に次のプロトコル手順の概要も示します。

1. 吸光度イメージの構築。
   1. オープン私_私(x, z) 画像処理ソフトウェア。
   2. ノイズを低減私_私(x, z) 3 × 3 ピクセルの平均を実装することにより。
   3. 平均像を作成私_私(x, z)以上には、1、5 (またはそれ以上) を =、加熱する前に、参照イメージとして定義私_r(x, z)。
      注: は、1 つのフレームのイメージよりもより信頼性の高い画像を得るためノイズを低減この平均化します。
   4. Δ 吸光度差の連続画像を構築_私(x, z) 次の同等化によって。
      (1)
      注: ΔA_は私(x, z) が、_私(x, z) から参照吸光度、 _r(x, z)、前に吸光度の変化暖房, とは次のように派生した^{15,16,17,18,19}。
      (2)
      ここ私₀はセルに入射光の強さです。
   5. Δ_私、画像は赤青など適切なカラーマップを使用して色付けします。
      注: ImageJ の 2.1.5 から 2.1.2 の手順を実行するためのコマンド スクリプト ファイルは補足 2に提示されます。
2. 温度の推定。
   1. どの Δ の中にA_は私(x, z) は環状球の中心に対して対称画像を視覚的に観察することで期間を選択します。
      注: 主に対流によって円形対称性は壊れています。以前の作業¹⁹; の対流が発生する画像ベースの分析判断を導入します。しかし、実際には、視覚的判断は効果的です。
   2. データを抽出、ΔA_は私( θ,rʹ) 360 ラジアル線に沿って (Δθ = 1˚)、_私(x, z) Δ の画像を。
   3. データを除外 Δ_私( θ,rʹ) 球内およびその周辺で (Δrʹ≈ 0.2 mm)。注: データが異常非常に小規模または大規模な近所の主な理由は球のわずかな動きです。
   4. 平均 Δ_私( θ,rʹ) θの上線プロファイル、Δ を決定します、_私(rʹ)。
      注: ImageJ の 2.2.4 から 2.2.2 の手順を実行するためのコマンド スクリプト ファイルは、補足 3で提示されます。
   5. ΔA_は私(rʹ) データを次のマルチ ガウス関数による近似します。
      (3)
      場所_jは重み係数σ_jは分散パラメーター、 Rはrʹ 最大どこ ΔA_は私(R) = 0 を仮定することができます。
   6. Δμ_は私(r)、 N _j、およびσ_jの得られた次式 IAT (3) に代入することによって吸収係数の相違を計算します。
      (4)
      ここ erf は誤差関数であります。
   7. Δμ_は私(r) を次式で温度に変換します。
      (5)
      4.0 × 10^-3 K^-1 mm^-1 λであるα_f水の温度係数を持つ = 1150 nm¹⁹と 4.1 × 10^-3 K^-1 mm^-1λ = 1412 nm¹⁷。
      注: 2.2.7 から 2.2.5 の手順を実行するためのコマンド スクリプト ファイルは、補足 4、ステップ 2.2.5 レーベンバーグ ・ マルカート非線形最小二乗アルゴリズム^17,19を採用する場所で提示されます。

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結果

Δ の画像A_は私(x, z) でλ = 水で直径 2.0 mm の鋼球の 1150 nm、 λ = 1412 nm マルトース シロップで直径 0.5 mm の鋼球と図 5を示して、図 6をそれぞれ。両方のケースで、球はその中心軸に沿ってコイルの最下部より下に位置する 12 mm だった図 5

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ディスカッション

本稿で紹介しているテクニックの水の近赤外吸収の温度依存性を使用して 1 つ新規であり、必要な機器と実装の設定で重大な困難を渡さない。入射光はハロゲン ランプと、NBPF を使用して簡単に製作することができます。ただし、レーザーを使用することはできません、コヒーレント干渉パターン画像に表示されますので。一般的な光学レンズおよび可視光用ガラス細胞使用できますが、

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資料

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