磁納米溫度測(cè)量理論與方法研究.pdf

1、在活體這一特殊環(huán)境內(nèi)精細(xì)刻畫分子原子或細(xì)胞傳熱過(guò)程的溫度測(cè)量方法是近年來(lái)生命科學(xué)領(lǐng)域出現(xiàn)的具有挑戰(zhàn)性的前沿研究課題。本文提出一種全新的磁納米溫度測(cè)量理論與方法。論文基于磁納米粒子溫度感知模型以及與此相匹配的高精度勵(lì)磁技術(shù)，研究多種溫度測(cè)量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法，通過(guò)數(shù)值仿真指導(dǎo)磁學(xué)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)和反演算法，為解決精密非侵入式的磁納米溫度測(cè)量中的理論與技術(shù)難題提供一種可行性的研究方案。具體如下：
　　論文首先研究了直流磁場(chǎng)下磁納米粒子磁化率—溫

2、度模型，提出基于納米磁學(xué)模型數(shù)值求解的磁納米溫度測(cè)量方法。在納米磁學(xué)模型 Taylor展開式的基礎(chǔ)上，構(gòu)造一個(gè)關(guān)于溫度與磁化率的離散化矩陣方程，利用反演求解方法實(shí)現(xiàn)溫度信息的獲取。仿真分析以及從超導(dǎo)磁強(qiáng)計(jì)獲取的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均驗(yàn)證了磁納米溫度測(cè)量方法的原理可行性和技術(shù)可行性，且溫度測(cè)量精度達(dá)到0.57℃。在此基礎(chǔ)上，論文進(jìn)一步研究朗之萬(wàn)函數(shù)Taylor展開式、反演求解方法和激勵(lì)磁場(chǎng)對(duì)磁納米粒子溫度測(cè)量精度的影響及其作用機(jī)制，從而實(shí)現(xiàn)磁納米溫度

3、測(cè)量方法的優(yōu)化，達(dá)到0.02℃的溫度測(cè)量精度。
　　為了提高溫度測(cè)量的實(shí)時(shí)性，并擺脫復(fù)雜的超導(dǎo)勵(lì)磁系統(tǒng)，本文研究了一種基于三角波激勵(lì)磁場(chǎng)的磁納米溫度測(cè)量方法及其系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。論文利用數(shù)據(jù)采集卡、線性功率放大器和亥姆霍茲線圈實(shí)現(xiàn)的低頻三角波勵(lì)磁系統(tǒng)以及基于探測(cè)線圈的弱磁測(cè)量系統(tǒng)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的磁納米粒子磁化曲線的測(cè)量系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建了三角波磁場(chǎng)下磁納米溫度測(cè)量傳感模型，從而利用磁納米粒子磁化曲線與溫度的物理模型反演求解獲取溫度信息

4、。該方法實(shí)現(xiàn)的原型樣機(jī)的溫度測(cè)量精度優(yōu)于0.1℃，響應(yīng)時(shí)間小于1秒。
　　考慮到未來(lái)溫度成像的需求，本文研究并實(shí)現(xiàn)了一種基于正弦波激勵(lì)磁場(chǎng)的磁納米溫度測(cè)量系統(tǒng)。論文在研究磁納米粒子磁化強(qiáng)度諧波幅值探測(cè)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了基于磁納米粒子磁化強(qiáng)度一次諧波和三次諧波的溫度測(cè)量模型，并采用反演計(jì)算與最優(yōu)化理論等方法實(shí)現(xiàn)了溫度測(cè)量模型的求解，最終設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一套基于磁納米粒子諧波檢測(cè)的溫度測(cè)量樣機(jī)。該方法可實(shí)現(xiàn)試管內(nèi)實(shí)時(shí)精密的溫度測(cè)量，精度達(dá)到0

5、.2℃。在此基礎(chǔ)上，論文還研究磁納米粒子磁化強(qiáng)度諧波對(duì)溫度測(cè)量精度的影響，提出在正弦波和直流混合磁場(chǎng)激勵(lì)下利用磁納米粒子一次諧波和二次諧波實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)精密的溫度測(cè)量，溫度測(cè)量精度約為0.09℃。
　　最后，為了進(jìn)一步研究探索更高精度的磁納米溫度測(cè)量方法，本文對(duì)磁納米粒子的磁動(dòng)力學(xué)行為的溫度效應(yīng)進(jìn)行了深入的研究。仿真實(shí)驗(yàn)研究認(rèn)為，磁納米粒子構(gòu)成的磁流體溶液中的存在聚集體行為會(huì)影響磁納米粒子飽和磁化強(qiáng)度等固有參數(shù)，從而有可能影響高精度磁納