磁纳米温度计中磁场发生装置的研究

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区别于传统温度计,磁纳米温度计是一种新型的非侵入式温度测量技术,其是通过测量磁纳米粒子在磁场中的磁化响应信息,反演得到温度信息,在肿瘤治疗方面(磁热疗和靶向药物运输等)有良好的应用前景。目前测温精度是影响磁纳米温度计推广应用面临的亟待攻克的技术瓶颈之一。基于此,本论文从磁纳米粒子交流磁化率模型、高精度磁场发生装置系统设计、低温漂交变磁场发生装置热分析理论模型等方面开展研究,主要创新点如下:(1)研究磁纳米粒子交流磁化率唯像模型。Fokker-Planck模型能准确地描述交流磁化动力学,分析了Fokker-Planck模型和德拜模型之间的交流磁化率差异。针对德拜模型在激励磁场较大时会存在模型误差这一问题,结合Fokker-Planck模型进行分析提出具有补偿因子交流磁化率的唯像模型。通过仿真表明,所提出的模型能准确地描述交流磁化率,与实测结果拟合良好。交流磁化率测温模型能估计在中高频磁场下MNPs的温度,测量精度达到0.012 K。进而研究在高精度激励磁场下测温误差与交流磁场均匀度的关系,即磁纳米温度计达到0.1 K的温度误差时,交流磁场均匀度需达到0.01%。(2)针对激励磁场发生装置均匀度不同导致样品放置位置误差引起的温度误差这一问题,提出改进型Helmholtz线圈模型。分别从Helmholtz线圈的位置、大小的关系对外加激励磁场均匀区和均匀度进行仿真研究,改进型Helmholtz线圈模型相比普通型Helmholtz线圈模型可提高磁场的均匀度,使得磁场的均匀区扩大至普通型Helmholtz线圈的两倍。这有望为磁纳米温度计中高精度磁场发生装置提供一种设计思路或解决方法。(3)针对线圈发热影响交变磁场温漂问题,提出低温漂线圈设计方法,从热模型和仿真实验等方面分析线圈发热机制。线圈发热会引起线圈特征参数的变化,进而导致交变磁场波动,严重影响交变磁场的稳定性。针对这一问题,提出带有散热系统的线圈以及降低线圈阻抗温度系数三种不同的设计方法,分别是利用多股绞辩线绕制Helmholtz线圈可降低线圈阻抗温度系数;通过筛选合金及其配比成分,得到电阻温度系数较小的材料从而降低线圈阻抗温度系数;通过串联负温度系数(NTC)电阻与电压修正表补偿线圈电阻温度漂移。低温漂交变磁场发生装置有望为磁纳米温度计突破0.1 K准确度这一技术瓶颈提供解决思路和奠定基础。
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