磁納米溫度測量理論與方法研究.pdf

1、在活體這一特殊環(huán)境內精細刻畫分子原子或細胞傳熱過程的溫度測量方法是近年來生命科學領域出現(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磁技術，研究多種溫度測量系統(tǒng)實現(xiàn)方法，通過數(shù)值仿真指導磁學測量系統(tǒng)設計和反演算法，為解決精密非侵入式的磁納米溫度測量中的理論與技術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下磁納米粒子磁化率—溫

2、度模型，提出基于納米磁學模型數(shù)值求解的磁納米溫度測量方法。在納米磁學模型 Taylor展開式的基礎上，構造一個關于溫度與磁化率的離散化矩陣方程，利用反演求解方法實現(xiàn)溫度信息的獲取。仿真分析以及從超導磁強計獲取的實驗數(shù)據(jù)均驗證了磁納米溫度測量方法的原理可行性和技術可行性，且溫度測量精度達到0.57℃。在此基礎上，論文進一步研究朗之萬函數(shù)Taylor展開式、反演求解方法和激勵磁場對磁納米粒子溫度測量精度的影響及其作用機制，從而實現(xiàn)磁納米溫度

3、測量方法的優(yōu)化，達到0.02℃的溫度測量精度。
　　為了提高溫度測量的實時性，并擺脫復雜的超導勵磁系統(tǒng)，本文研究了一種基于三角波激勵磁場的磁納米溫度測量方法及其系統(tǒng)實現(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現(xiàn)的低頻三角波勵磁系統(tǒng)以及基于探測線圈的弱磁測量系統(tǒng)，設計實現(xiàn)實時的磁納米粒子磁化曲線的測量系統(tǒng)。在此基礎上，構建了三角波磁場下磁納米溫度測量傳感模型，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、。該方法實現(xiàn)的原型樣機的溫度測量精度優(yōu)于0.1℃，響應時間小于1秒。
　　考慮到未來溫度成像的需求，本文研究并實現(xiàn)了一種基于正弦波激勵磁場的磁納米溫度測量系統(tǒng)。論文在研究磁納米粒子磁化強度諧波幅值探測的基礎上，構建了基于磁納米粒子磁化強度一次諧波和三次諧波的溫度測量模型，并采用反演計算與最優(yōu)化理論等方法實現(xiàn)了溫度測量模型的求解，最終設計實現(xiàn)了一套基于磁納米粒子諧波檢測的溫度測量樣機。該方法可實現(xiàn)試管內實時精密的溫度測量，精度達到0

5、.2℃。在此基礎上，論文還研究磁納米粒子磁化強度諧波對溫度測量精度的影響，提出在正弦波和直流混合磁場激勵下利用磁納米粒子一次諧波和二次諧波實現(xiàn)實時精密的溫度測量，溫度測量精度約為0.09℃。
　　最后，為了進一步研究探索更高精度的磁納米溫度測量方法，本文對磁納米粒子的磁動力學行為的溫度效應進行了深入的研究。仿真實驗研究認為，磁納米粒子構成的磁流體溶液中的存在聚集體行為會影響磁納米粒子飽和磁化強度等固有參數(shù)，從而有可能影響高精度磁納