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磁纳米瞬态温度测量方法研究

【摘要】:瞬态温度由于能够对物质性质的变化过程进行表征而备受关注。在生物医学、微电子等领域中,瞬态温度变化往往发生于非透明介质的内部,受测量速度和深度的双重限制,目前观测方式较为匮乏。磁纳米温度传感技术是一种有效的半侵入式(无创)测温手段,可以解决物体内部的温度测量问题。因此,本文基于磁纳米粒子的磁温度敏感性,研究了适用于非透明物体内部的瞬态温度测量方法,分别为肿瘤磁热疗中活体内部动态温度的监控和纳秒尺度超快热过程的观测提供了可行方案。论文从提高磁纳米温度计的瞬态响应能力着手,首先对磁纳米粒子的动态磁化过程进行了理论研究。采用高频磁场激励磁纳米粒子可以拓展磁纳米温度计适用磁场的频率范围并提高其瞬态响应性能,本文基于Shliomis弛豫模型对磁纳米粒子在高频磁场中受布朗弛豫影响的磁化响应进行了推导,分析并建立了激励磁场、温度与磁化响应谐波之间的关系。此外,考虑到反映温度的弛豫过程不一定为单纯的布朗弛豫,本文建立了磁纳米粒子的磁热动力学随机运动模型,并对不同应用磁场作用下Neel弛豫和Brownian弛豫的耦合性进行了研究,仿真结果表明两种弛豫过程相互耦合且在强交流磁场中具有反常现象,为弛豫模型的修正提供了理论基础。为了模拟肿瘤磁纳米热疗环境,并实现相应的温度测量,本文构建了一套软硬件系统,主要包括高频交变磁场发生装置、磁测量装置和软件模块。在此基础上,针对大功率交变磁场较高的谐波失真会导致已有磁纳米测温方法失效的问题,本文提出了一种基于神经网络和谐波检测的瞬态温度测量方法,利用神经网络拟合磁场谐波、磁纳米响应谐波与温度三者之间的非线性模型,通过谐波测量进行温度估计。试管实验结果表明,该方法进行温度测量的平均误差为0.41K,标准差2.08K。基于该磁纳米瞬态温度测量方法,本文利用降噪后的测量结果,对磁流体在交变磁场中的加热升温过程进行温度控制。试管实验结果表明,达到稳定后十分钟内的温度波动范围为0.40K,初步验证了在磁热疗中采用磁纳米温度计进行温度反馈控制的可行性,为进行下一步离体实验奠定了基础。考虑进一步提高磁纳米温度计瞬态响应能力以满足超快热过程观测的需求,本文对磁纳米粒子的磁热响应速度进行了分析,提出了一种基于磁纳米磁化强度-温度特性的纳秒时间分辨温度测量方法。根据温度测量模型,搭建了相应的温度测量装置,并通过脉冲激光制造瞬态热过程,与薄膜热电偶进行对比实验,验证了该测温方法的可行性,其时间分辨能力可达14.4ns。

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