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磁纳米温度计关键技术研究

【摘要】:相比传统的温度计,磁纳米温度计利用磁纳米粒子的磁化响应信息构建磁-温模型,能在活体和不透明物体内部的实时精确的进行温度测量,优势明显,在生物医学(肿瘤热疗、靶向给药)和工业应用(IGBT、大功率LED)等方面中具有重要意义,而目前在实际应用中还存在许多问题。因此,本文从磁纳米温度计的基础模型、弛豫影响下的磁-温模型、谐波测量算法和在IGBT热网络参数估计的应用等方面进行研究。首先研究磁纳米温度计在低频激励磁场下的基于Langevin函数构建的磁-温基础模型,并进行了模型误差的分析。另外该模型仅适于低频交变激励磁场,忽略了弛豫影响,而磁纳米粒子(MNPs)的磁化响应始终存在弛豫影响(包括布朗弛豫和尼尔弛豫),因此,针对外加交变激励磁场中存在的弛豫现象。(1)提出在外加激励磁场下布朗弛豫主导的磁纳米谐波测量模型,基于Langevin函数和可精确描述交流磁化动力学的Fokker-Planck方程,分析交流磁化响应的差异,构建一种基于布朗弛豫的简单经验谐波测量模型,仿真和实验结果表明,当布朗弛豫占主导地位时,该谐波模型可以准确地描述交流磁化响应;(2)提出了尼尔弛豫主导的谐波测量模型,构建了一种在高频外加激励磁场下基于尼尔弛豫的谐波补偿的磁-温模型,实验结果表明,经验谐波补偿模型可以准确地描述交流磁化响应,并在310-320 K的温度范围内,测得最大温度误差小于0.008 K,增大了磁纳米温度计的适用频率范围,也有望改善MPI和MNPT的应用范围。其次介绍了一种磁纳米温度计的谐波检测算法-数字相敏检波算法,并从工频噪声、高频噪声和高斯噪声角度分析了数字相敏检波算法的抗噪声性能,接着将数字相敏检波算法与快速傅立叶变换算法进行对比分析,发现在信噪比低时数字相敏检波算法求解精度高于快速傅立叶变换算法,且算法简单,易于调整参数。最后,将磁纳米温度计应用到工业中元器件集成领域,探索了基于磁纳米温度计的IGBT热网络参数评估法方法,并介绍了实验系统的装置和实验流程,通过实验验证了基于磁纳米温度计的IGBT热网络参数评估法方法的可行性,为磁纳米温度计的应用开拓了新的方向。

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