CN113932939B - 基于扫场法的铁磁共振测温方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于扫场法的铁磁共振测温方法，包括：对包含铁磁纳米粒子的被测对象施加静磁场使铁磁纳米粒子饱和磁化；沿所述静磁场的垂直方向施加交变脉冲激励磁场；通过扫场法确定所述铁磁纳米粒子发生铁磁共振时的所述静磁场的磁场强度；根据所确定的所述静磁场的磁场强度计算出被测对象的温度，计算公式如下：本发明提供的上述方法，通过所构建的外加静磁场的磁场强度与温度的关系模型进行测温，该模型形式简单，测量方法简便，能够实现对被测对象内部温度的快速简便测量，并且具有很高的测量精确度。

Description

基于扫场法的铁磁共振测温方法

技术领域

本发明涉及温度测量技术领域，具体涉及一种利用铁磁纳米粒子进行温度测量的方法。

背景技术

温度是反映被测对象内部状态的重要指标，对其进行准确快速的测量在很多情况下非常重要。测温方法一般可分为接触式测温和非接触式测温，相比接触式测温，非接触式测温由于不会破坏被测对象的温度场，因而可以获得更为准确的测温结果。

铁磁纳米粒子因其独特的磁学性质已开始应用于多领域和多场合的温度测量，而且由于铁磁纳米粒子属于纳米级的，因而适于应用在非接触式的温度测量中，其基本原理是将铁磁纳米粒子加入被测对象，例如注入人体内或材料内部或涂敷于材料表面，然后通过测量铁磁纳米粒子的一定物理量并基于所建立的数学模型计算出被测对象的温度信息。现有的铁磁纳米粒子的非接触式测温方法主要包括以下几种：

1、基于铁磁纳米粒子在静态磁场下磁化后的磁化率倒数的温度依赖性进行温度测量，但该方法的测量时间较长，难以满足需要快速测温的应用需求。

2、基于单频交流磁场激励下铁磁纳米粒子的磁化强度的温度依赖性进行温度测量，但该方法需要测铁磁纳米粒子磁化响应的高次谐波，增加了测量的难度。

3、基于铁磁纳米粒子磁化响应的齐次谐波或偶次谐波幅值与温度的关系进行温度测量，但相应的测温模型复杂，增加了测量和处理的复杂程度。

发明内容

为实现基于铁磁纳米粒子的简便快速的非接触式温度测量，本发明提供了一种基于扫场法的铁磁共振测温方法。

本发明提供的基于扫场法的铁磁共振测温方法，包括：

对包含铁磁纳米粒子的被测对象施加静磁场使铁磁纳米粒子饱和磁化；

沿所述静磁场的垂直方向施加交变脉冲激励磁场；

通过扫场法确定所述铁磁纳米粒子发生铁磁共振时的所述静磁场的磁场强度；

根据所确定的所述静磁场的磁场强度计算出被测对象的温度，计算公式如下：

其中，T是被测对象的温度，单位为K，μ₀是真空磁导率，单位为Tm/A，H₀是所确定的所述静磁场的磁场强度，单位为A/m，f₀是扫场时所述交变脉冲激励磁场的频率，单位为GHz，γ_e是电子的磁旋比，单位为GHz/T，k_B是波尔兹曼常数，单位为J/K，θ是宏观磁化强度的章动角，单位为rad。

可选地，所述章动角由以下公式计算出：

θ＝γ_eμ₀H₁T_p，

其中，H₁是所述交变脉冲激励磁场的磁场强度的幅值，单位为A/m，T_p是所述交变脉冲激励磁场的脉冲宽度，单位为ps。

可选地，所述施加静磁场采用永磁体、亥姆霍兹线圈或电磁铁进行。

可选地，所述交变脉冲激励磁场为脉冲微波场或脉冲射频场。

本发明提供的上述基于扫场法的铁磁共振测温方法，通过所构建的外加静磁场的磁场强度与温度的关系模型进行测温，该模型形式简单，测量方法简便，能够实现对被测对象内部温度的快速简便测量，并且具有很高的测量精确度。

根据下文结合附图对本发明的具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：

图1为本发明一个实施例中，基于扫场法的铁磁共振测温方法的流程示意图；

图2为本发明一个实施例中，测温设备的结构示意图；

图3为本发明一个仿真实例中，实测外加静磁场的磁场强度随温度的变化曲线；

图4为上述仿真实例中，由扫场法实测静磁场的磁场强度经模型反演出的温度T随H₀的变化曲线与由标定曲线估计出的真实温度T₂随H₀变化曲线；

图5为上述仿真实例中，测量误差随温度变化图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明，下面将结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

现有研究证明铁磁纳米粒子的铁磁共振频率具有温度依赖性，并且铁磁共振频率也与外加磁场有关。本发明据此出发，以外加静磁场为条件，从原子自旋***的自由能出发，经过分析、推导与测试构建出了基于扫场法的外加静磁场与温度的关系模型，该模型形式简单，测量方法简便，能够实现对被测对象内部温度的快速简便测量，并且具有很高的测量精确度。

下文结合图1-5详细描述本发明基于扫场法的铁磁共振测温方法的具体实施例。图1所示为该方法的一个实例的步骤，图2所示为该方法的上述实例所用到的测温设备。该测温设备包括电磁铁1、微波源2、谐振腔3、微波环形器4、检波器5、锁相放大器6和计算机处理***7。

如图1所示，该方法包括：

S01：对包含铁磁纳米粒子的被测对象施加静磁场使铁磁纳米粒子饱和磁化。

如图2所示，本实施例中，选用电磁铁1作为静磁场施加装置，在其他实施例中，静磁场施加装置也可选用永磁体或亥姆霍兹线圈等。可选择粒径为5-10nm的铁磁材料纳米粒子，铁磁材料例如为Fe₃O₄等铁氧体材料。铁磁纳米粒子加入被测对象的方式依实际情况而定，例如针对人体测温时，可以将铁磁纳米粒子用有机物分子包裹制作成造影剂，皮下注入人体；再如对某种材料测温时，可以将铁磁纳米粒子涂覆到待测材料表面。

S02：沿静磁场的垂直方向施加交变脉冲激励磁场。

交变脉冲激励磁场由电磁波源产生，本实施例中，交变脉冲激励磁场为脉冲微波场，由微波源2产生。谐振腔3放置在电磁铁1的两个极头之间，被测对象则置于谐振腔3中。微波源2产生的脉冲微波，经微波环形器4，以垂直于静磁场的方向施加于被测对象，即该交变脉冲激励磁场的方向垂直于该静磁场的方向。在其他实施例中，可以用脉冲射频场替代脉冲微波场作为交变脉冲激励磁场。

S03：通过扫场法确定铁磁纳米粒子发生铁磁共振时的静磁场的磁场强度。即，保持交变脉冲激励磁场的功率和频率不变，改变所施加的静磁场的磁场强度，获取产生铁磁共振时的静磁场的磁场强度。

具体来说，此步骤中，在所施加的交变脉冲激励磁场保持恒定的情况下，即功率和频率不变的情况下，改变静磁场的磁场强度，谐振腔3内的反射功率经微波环形器4进入检波器5，因为铁磁纳米粒子会吸收一部分微波功率，从而导致反射功率降低，检波器5检测出静磁场扫描过程中每个磁场强度对应的反射功率的幅值信号，并将其转换为直流电压信号。该直流电压信号经过锁相放大器6放大后，记录在计算机处理***7内。由于当发生铁磁共振时，对微波的吸收达到最大，因此当直流电压的幅值降到最低时，所对应的静磁场的磁场强度即为所要确定的铁磁纳米粒子发生铁磁共振时的静磁场的磁场强度。因铁磁共振频率的扫场法检测属于现有技术，故此处仅作示例性简要说明。

S04：根据所确定的静磁场的磁场强度计算出被测对象的温度，计算公式如下：

其中，μ₀是真空磁导率，单位为Tm/A，H₀是所确定的静磁场的磁场强度，单位为A/m，f₀是扫场时交变脉冲激励磁场的频率，为定值，单位为GHz，γ_e是电子的磁旋比，单位为GHz/T，k_B是波尔兹曼常数，单位为J/K，θ是宏观磁化强度的章动角，可由交变脉冲激励磁场的磁场强度或磁感应强度的幅值和脉冲宽度计算得出，单位为rad(弧度)。所述宏观磁化强度即铁磁纳米粒子被磁化后的未耦合的自由电子自旋的宏观磁化强度。由此可见，上述参数均已知，通过上述公式即可计算出被测对象内部的单位为K的绝对温度T。

在本实施例中，章动角由以下公式计算出：

θ＝γ_eμ₀H₁T_p

其中，H₁是交变脉冲激励磁场的磁场强度的幅值，单位为A/m，T_p是交变脉冲激励磁场的脉冲宽度，单位为ps(皮秒)。

仿真实例

为了验证上述基于扫场法的铁磁共振测温方法的可行性，发明人根据发明内容设计了仿真实验对该方法进行了反复验证，下面通过一个具体实例进行说明：

在被测对象中加入铁磁纳米粒子溶液，将被测对象放入静磁场中，对铁磁纳米粒子进行饱和磁化；

通过微波源产生一定磁感应强度幅值μ₀H₁＝10^-4T的微波脉冲激励，控制其频率f₀＝197GHz，脉冲宽度T_p控制在1.5ps，通过微波环形器，在与静磁场垂直的方向，施加微波脉冲激励，在f₀不变的条件下，改变静磁场的磁场强度H₀的大小，通过检波器检测共振吸收信号，检测到铁磁共振发生时静磁场的磁场强度H₀。电子的旋磁比γ_e可由下式计算：

其中，g为朗德因子，这里取g＝2，m_e为电子的质量，e为电子电荷，这里取γ_e＝1.76×10⁷rad/(s·Oe)＝176GHz/T。

取μ₀＝1.26×10^-6Tm/A，k_B＝1.38×10^-23J/K，θ由微波磁感应强度的幅值μ₀H₁和脉冲宽度T_p计算出，将被测对象升温至333K，然后自然冷却，由温敏传感器实时记录被测对象温度，每降1K，通过扫场使其达到铁磁共振，记录静磁场的磁场强度H₀，直至温度下降到273K。

根据确定温度T下测出的静磁场的磁场强度H₀，可绘制温度标定曲线T-H₀曲线，如图3所示。将扫场法测得的H₀分别代入模型，经模型计算可反演出对应于各个H₀的温度T。然后通过H₀与标定曲线的H₀对比，估算出此时的真实温度T₂，根据所得的这些点绘制H₀-T曲线及H₀-T₂曲线，如图4所示。将由模型计算反演出的温度T与真实温度T₂做对比，即可得绝对误差ε＝|T-T₂|，如图5所示，可以看出该模型绝对误差小于0.05K。

从本发明提供的上述实施例及仿真实例可以看出，本发明提供了一种利用铁磁纳米粒子进行非接触式测温的新思路、新方法，与以往的测温模型比，本发明从铁磁共振频率角度出发建立的基于扫场法的温度模型形式简单，仅需要测量外加静磁场的磁场强度即可计算出被测对象的温度，测量方法简单，容易实现。经验证，本发明所采用的测温模型具有很高的测温精度，在信噪比为90分贝以上时，具有良好的抗噪性能。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种基于扫场法的铁磁共振测温方法，其特征在于，包括：

对包含铁磁纳米粒子的被测对象施加静磁场使铁磁纳米粒子饱和磁化；

沿所述静磁场的垂直方向施加交变脉冲激励磁场；

通过扫场法确定所述铁磁纳米粒子发生铁磁共振时的所述静磁场的磁场强度；

根据所确定的所述静磁场的磁场强度计算出被测对象的温度，计算公式如下：

其中，T是被测对象的温度，单位为K，μ₀是真空磁导率，单位为Tm/A，H₀是所确定的所述静磁场的磁场强度，单位为A/m，f₀是扫场时所述交变脉冲激励磁场的频率，单位为GHz，γ_e是电子的磁旋比，单位为GHz/T，k_B是波尔兹曼常数，单位为J/K，θ是宏观磁化强度的章动角，单位为rad。

2.根据权利要求1所述的基于扫场法的铁磁共振测温方法，其特征在于：

所述章动角由以下公式计算出：

θ＝γ_eμ₀H₁T_p，

其中，H₁是所述交变脉冲激励磁场的磁场强度的幅值，单位为A/m，T_p是所述交变脉冲激励磁场的脉冲宽度，单位为ps。

3.根据权利要求1所述的基于扫场法的铁磁共振测温方法，其特征在于：

所述施加静磁场采用永磁体、亥姆霍兹线圈或电磁铁进行。

4.根据权利要求1所述的基于扫场法的铁磁共振测温方法，其特征在于：

所述交变脉冲激励磁场为脉冲微波场或脉冲射频场。