著者は、山田健太、藤岡亮太氏、氏瑞希許田を実験・ データ解析に応援ありがちましょう。この作品は、日本学術振興会科研費助成番号 25630069、スズキ財団と精密測定技術振興財団、日本によって支えられました。

1 実験装置およびプロシージャ
サンプルと NIR イメージングとおり光学マウントする光学レールを準備します。
<ol><li>
サンプルの準備。 注: 水または水性の液体を使用する場合 1.1.1 のステップを行います。粘度の高い水性ゲルを使用している場合は、1.1.2 をステップを行います。<ol>
<li>鋼球が水に設定します。<ol>
<li>接着剤の少量を使用して薄いプラスチック製のひもの端に直径 2.0 mm の鋼球を修正します。</li>
			<li>10.0 mm、幅 10 mm、高さ 45 mm (図 3) の光路長と長方形のガラスのセルの中央に鋼球をハングします。</li>
			<li>慎重にセルに浄水を注ぐ気泡を生成しないようにします。 注: 鋼球が固定する細いプラスチックの棒の先端に接着剤19の量が少ない。</li>
		</ol>
</li>
		<li>鋼球水系ゲルで設定します。<ol>
<li>それがスムーズに注がれるには十分に低く、その粘度を下げるため水系ゲルを熱します。</li>
			<li>注射器を使用して、半分完全に 45 mm の高さ、幅 10 mm、2.0 mm の光路長の長方形ガラス セルに水系ゲルを注ぎ、冷却しておきます。</li>
			<li>ゲルの表面の中心に直径 0.5 mm の鋼球を置き。</li>
			<li>水系のゲルのセルを入力します。 注: 大きな球体 (> ~ 1 mm φ) 誘導加熱中に重力および磁気の力で移動するので、ゲルで使用しないでください。</li>
		</ol>
</li>
		<li>プラスチック製のホルダーのセルを設定し、(図 3) の光のレールにマウントします。</li>
	</ol>
</li>
	<li>
近赤外イメージング システムの準備。
	<ol>
<li>光ファイバーライトガイドにハロゲン ランプを準備し、光のレールにホルダーと導べ光ファイバーの終わりを修正します。</li>
		<li>Λに透過ピークを持つ狭帯域通過フィルター (NBPF) を置き 1150 nm またはλを = = 1412 nm の間光ファイバーライトガイドと細胞 (図 3)。</li>
		<li>伝送波長範囲はハロゲン ランプと、NBPF と、NBPF のそれよりも広い別のバンドパス フィルター (BPF) を割り込みます。 注: BPF は、直接光を受け取るため、NBPF への熱損傷を防ぐために必要です。</li>
		<li>迷光 (図 3) を減らすために NBPF と携帯ホルダー間の光パスに iris diaphragm(s) を置きます。</li>
		<li>(図 3) セルの透過光を検出する近赤外カメラを設定します。画像集録ソフトウェアがパーソナル コンピューター (PC) にインストールされているグラフィック ボードにデータ転送ケーブルを介してカメラに接続します。</li>
		<li>携帯カメラ (図 3) とテレセン トリック レンズを設定します。 注: 一般的なカメラレンズを使用もできます。テレセン トリック レンズは、IAT の主線に光の平行の選択的検出と回折の影響の軽減の面で優れています。 注: NBPF と BPF には置かないで電池とカメラの間、そう、水の温度はハロゲン ランプから高強度の光の直接吸収率向上します。</li>
		<li>近赤外カメラをオンにし、画像集録ソフトウェアを起動します。</li>
		<li>ハロゲン ランプし、観察 (図 4) モニターに表示される画像の出力電力を調整します。</li>
		<li>軸、位置、および鋼球の微細な画像を取得するテレセン トリック レンズのフォーカスを調整します。 注: 場合調整が完全ではない、不規則な強度パターン表示されます、不適切な結果につながる。</li>
	</ol>
</li>
	<li>
誘導加熱装置の準備。
	<ol>
<li>誘導加熱、高周波信号のジェネレーターから成るシステムを準備 (最大出力電力: 5.6 kW; 周波数: 780 kHz)、水冷コイルと水チラー。 注: 誘導加熱ろう付けのためのシステム、溶接、小さな金属部品をはんだ付けは、この目的のために適切です材料表を参照してください。</li>
		<li>可能であれば、その位置を変更する XYZ 可動ステージ上コイルをマウントします。</li>
		<li>コイル センターと鋼球間の距離が約 15 mm (図 3) になるように、セル近くコイルを配置します。コイルの近くの他の金属部分がないことを確認します。 注意: 距離は誘導加熱電力および球のサイズに応じて調整する必要があります。</li>
		<li>冷却水を循環します。</li>
	</ol>
</li>
	<li>
画像の収集及び誘導加熱。
	<ol>
<li>順番に画像を保存できる画像集録ソフトを「スタート」をクリックします。</li>
		<li>誘導加熱誘導加熱を開始するコントロール ソフトウェアを「スタート」をクリックします。</li>
		<li>(条件・目的に応じて数秒後画像集録ソフトウェアの「停止」をクリックします。</li>
		<li>誘導加熱制御ソフトウェアの「停止」をクリックします。</li>
		<li>画像集録ソフトウェアの TIFF シーケンス (またはその他の非圧縮形式) として一時的に保存されている画像を保存します。 注: 温度が十分に高い場合、光偏向の影響は画像7に表示されます。誘導加熱電源必要があります減少適切にも実験など球付近の温度の増加はより小さい約 10 K で、温度推定の次のプロトコルの手順で確認できます。</li>
	</ol>
</li>
</ol>2. 画像処理・温度の推定
注: 保存されている連続画像として表されます私私(x, z)、連続したフレーム数が。座標、 x、 y、 z r、およびr' として図 2に示されている定義されています重力と反対方向に正のzです。サプリメント 1に次のプロトコル手順の概要も示します。
<ol><li>
吸光度イメージの構築。
	<ol>
<li>オープン私私(x, z) 画像処理ソフトウェア。</li>
		<li>ノイズを低減私私(x, z) 3 × 3 ピクセルの平均を実装することにより。</li>
		<li>平均像を作成私私(x, z)以上には、1、5 (またはそれ以上) を =、加熱する前に、参照イメージとして定義私r(x, z)。 注: は、1 つのフレームのイメージよりもより信頼性の高い画像を得るためノイズを低減この平均化します。</li>
		<li>Δ 吸光度差の連続画像を構築私(x, z) 次の同等化によって。 <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/57407/57407eq1.jpg">(1) 注: ΔAは私(x, z) が、私(x, z) から参照吸光度、 r(x, z)、前に吸光度の変化暖房, とは次のように派生した15,16,17,18,19。 <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/57407/57407eq2.jpg">(2) ここ私0はセルに入射光の強さです。</li>
		<li>Δ私、画像は赤青など適切なカラーマップを使用して色付けします。 注: ImageJ の 2.1.5 から 2.1.2 の手順を実行するためのコマンド スクリプト ファイルは補足 2に提示されます。</li>
	</ol>
</li>
	<li>
温度の推定。
	<ol>
<li>どの Δ の中にAは私(x, z) は環状球の中心に対して対称画像を視覚的に観察することで期間を選択します。 注: 主に対流によって円形対称性は壊れています。以前の作業19; の対流が発生する画像ベースの分析判断を導入します。しかし、実際には、視覚的判断は効果的です。</li>
		<li>データを抽出、ΔAは私( θ,rʹ) 360 ラジアル線に沿って (Δθ = 1˚)、私(x, z) Δ の画像を。</li>
		<li>データを除外 Δ私( θ,rʹ) 球内およびその周辺で (Δrʹ≈ 0.2 mm)。注: データが異常非常に小規模または大規模な近所の主な理由は球のわずかな動きです。</li>
		<li>平均 Δ私( θ,rʹ) θの上線プロファイル、Δ を決定します、私(rʹ)。 注: ImageJ の 2.2.4 から 2.2.2 の手順を実行するためのコマンド スクリプト ファイルは、補足 3で提示されます。</li>
		<li>ΔAは私(rʹ) データを次のマルチ ガウス関数による近似します。 <img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/57407/57407eq3.jpg">(3) 場所jは重み係数σjは分散パラメーター、 Rはrʹ 最大どこ ΔAは私(R) = 0 を仮定することができます。</li>
		<li>Δμは私(r)、 N j、およびσjの得られた次式 IAT (3) に代入することによって吸収係数の相違を計算します。 <img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/57407/57407eq4.jpg">(4) ここ erf は誤差関数であります。</li>
		<li>Δμは私(r) を次式で温度に変換します。 <img alt="Equation 5" src="/files/ftp_upload/57407/57407eq5.jpg">(5) 4.0 × 10-3 K-1 mm-1 λであるαf水の温度係数を持つ = 1150 nm19と 4.1 × 10-3 K-1 mm-1λ = 1412 nm17。 注: 2.2.7 から 2.2.5 の手順を実行するためのコマンド スクリプト ファイルは、補足 4、ステップ 2.2.5 レーベンバーグ ・ マルカート非線形最小二乗アルゴリズム17,19を採用する場所で提示されます。</li>
	</ol>
</li>
</ol>

<ol>
	<li>Moros, E. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Physics of Thermal Therapy. , (2012).</li><li>P&#233;rigo, E. G., Hemery, G., Sandre, O., Ortega, D., Garaio, E., Plazaola, F., Teran, F. 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著者が明らかに何もありません。

本稿で紹介しているテクニックの水の近赤外吸収の温度依存性を使用して 1 つ新規であり、必要な機器と実装の設定で重大な困難を渡さない。入射光はハロゲン ランプと、NBPF を使用して簡単に製作することができます。ただし、レーザーを使用することはできません、コヒーレント干渉パターン画像に表示されますので。一般的な光学レンズおよび可視光用ガラス細胞使用できますが、 λの光の十分な量を transmit = 1150 nm と 1412 nm。さらに、カメラは、比較的安価な価格で今すぐ購入できます。
Λで NBPFs = 1150 nm と 1412 nm はセミカスタムの順に利用が過度に安価であります。(図 1) の温度依存性の波長範囲内である必要があります、別の波長に既製の NBPF がある場合は、温度感受性またはαfが小さくなるものの代わりに、それ使用できます。Λでαf値たとえば、= 1175 nm、 λでの半分 = 1150 nm。さらに、帯域幅や、NBPF のシャープネスに影響αf;帯域幅が増加すると、 αf 15は減少します。したがって、(r) ΔTの正確な推定が必要なとき、NBPF の透過スペクトルを分光光度計で測定ください。
プロトコルの手順 1.4 で述べたように温度、光球周囲温度フィールドを通過する光線を偏向すると、ΔA(x, z) 画像の変化を引き起こし、水の屈折によって異なるので。この問題は、私たち以前の作業19で調査されました。球付近の最大温度は適度に小さい限り、本研究で得られた結果によると (< 10 K、約)、ΔA(x, z) の変化に光偏向の寄与は無視できるか光がコヒーレントと特定の偏向角度がテレセン トリック レンズの絞りによって受け入れられるため、光の吸収に比べて十分小さいつまり、偏向の光線は絞り値を渡すもチーフ レイ30と画像平面内の同じポイントに焦点を当てます。しかし、これを考慮し絞り慎重に調整してください、テレセン トリック レンズの受諾角度が予測された偏向角度よりわずかに大きい。トライアル アンド エラー調整初期の実験の必要があります。
画像ステップ 2.1 プロトコルの処理と手順 2.2 で IAT を計算するには、高度な数学的知識は不要です。ステップ 2.1 は、一般的な画像処理シーケンスの TIFF ファイルを扱うことができるソフトウェアで簡単に実行できます。2.2.2 の手順で複数の角度でライン プロファイルをコマンド スクリプトを使用して自動的に取得できない場合手動で画像処理ソフトで抽出した単一行プロフィール代わりとして使用できる、ノイズによる変動は減少していないが。
水溶液を使用している場合その水量、モル分率、必要があります知られているまたはαfは含水率に依存するための ΔTの正確な推定の特に測定します。つまり、水溶液の溶質とゲル基板上の吸収係数は、少しの温度依存、感度の温度はほぼ含水率に比例。水性液体として、非常に高い含水率が既知の場合、本稿で与えられる水のαf値は実質的に使用できます。それ以外の場合、減らすαf、すなわち、コンテンツ、予測または測定された水による水のαf値を乗算十分に正確な推定に有効である可能性があります。
温度検出限界 (~0.2 K) と空間分解能を考慮した (〜 30 μ m ピクセル サイズと倍率に依存この)、紹介したテクニックによって単一マイクロとナノ-磁気発生分の温度上昇を検出するは不可能粒子は高周波誘導加熱。ただし、粒子の数が多いを集約、カプセルに含まれているまたは細い管に流れ、温度が検出レベルを増加しました。磁気ハイパーサーミアの研究では、実際には、このような集約または磁性ナノ粒子がん細胞への選択的吸着と結果の温度、重要な調査。したがって、紹介したテクニックは、磁性粒子を用いた磁気ハイパーサーミア学生体外実験などに使用する予定です。これらのアプリケーションで温度分布の球形の対称性が得られないことが、2 D 画像、温度、数と粒子の分布と暖房性能について研究者に通知する十分です。
紹介したテクニックは、様々 な磁気応用31,32で使用される磁気フィールドを評価するために使えます。一般に、コイルによって生成された磁場が非常に複雑で、正確に測定またはできません理論的に予言。しかし、私たちの以前の仕事19で示されるように温度と発熱量の異なるコイル電流の下で位置が異なる磁性球することによって私たちの技術。熱発生率の空間分布は、磁場に対応しなければなりません。最後に、紹介したテクニックを実装することができます、電磁誘導だけでなく収束超音波、水滴、化学反応および他の局部加熱の方法も。

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In 2.2.7, the temperature coefficient of water, &#945;f, for &#955; = 1150 nm has been corrected from:
4.0 x 10-3 K-1 mm-1
to:
2.8&#160;x 10-4&#160;K-1&#160;mm-1

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Erratum: Near-Infrared Temperature Measurement Technique for Water Surrounding an Induction-heated Small Magnetic Sphere

媒体内の小さな熱源付近の温度を計測する技術は、多くの科学的な研究分野とアプリケーションに必要です。たとえば、磁気ハイパーサーミアの研究でがん治療法である磁性粒子の磁気小さな電磁誘導を使用して、それは磁気によって生成される温度分布を正確に予測する重要な粒子1,2。ただし、ただし、マイクロ波磁気共鳴11 、ラマン10、光音響9超音波5,6,7,83,4、12-ベース温度測定技術を研究、開発している、現時点では、このような内部の温度分布を正確に測定できません。これまで単一位置温度またはいくつかのポジションでの温度は誘導加熱の場合、非磁性光ファイバー温度センサー13,14である温度センサーで測定しました。また、メディアの表面温度は内部温度14を推定する赤外放射温度計によるリモートで観測されています。ただし、小さな熱源を含む培地が水層または非散乱体の水溶液中、私たちを示している温度15,16を測定する近赤外線 (NIR) 吸収法が役 17,18,19。本稿ではこの手法および代表的な結果の詳しいプロトコル。
近赤外吸収法は、近赤外領域での水の吸収帯の温度依存性の原理に基づいています。水は温度として 1250 nm 波長 (λ) 範囲に 1100 nm の短波長にシフト観測図 1 a、 ν1 + ν2 + のν3吸収帯にあるとおり19をが増加します。ここで、 ν1 + ν2 + このバンドは 3 つの基本的な O H 振動モードの組み合わせに対応するν3手段: 対称ストレッチ (ν1) 曲げ (ν 2)、および逆対称伸縮 (ν3)20,21。このスペクトルの変化は、バンドで最も温度敏感な波長がλ ≈ 1150 nm であることを示します。水の他の吸収バンドは、温度15,16,17,18,20,21に関して同様の動作も展示します。Ν1 + ν3バンド水の観察範囲λ以内 = 1350−1500 nm とその温度依存性を図 1 bに示します。Ν1 + 水のν3バンドで、1412 nm が最も温度に敏感な波長です。したがって、それはλで吸光度の 2 D 画像をキャプチャする近赤外カメラを用いた二次元 (2 D) 温度画像を取得する = 1150 または 1412 nm。水の吸収係数としてλ = 1150 nm は、 λ = 1412 nm よりも小さく、元の波長は約 10 mm 厚の水性メディアに適した、後者は約 1 mm 厚のものに適しています。最近では、 λを使用して = 1150 nm、直径 1 mm の鋼球を誘導加熱19を含む 10 mm 厚水層内の温度分布を得た。また、 λを使用して 0.5 mm 厚い水の層内の温度分布を測定した 1412 nm15,17を =。
イメージング法 NIR ベース温度の利点は簡単にセットアップおよび透過吸収測定法で、ない蛍光、蛍光体、または他のサーマル プローブを必要があるために、実装します。さらに、その温度分解能は 0.2 K15,17,19未満です。このような良い温度分解能は、干渉法による、熱と物質移動研究22,23,24でよく使用されている伝送方式は他では達成できません。我々 は、しかし、イメージング法 NIR ベースの温度は適していませんかなりローカル温度変化の場合、支配的な19光の偏向によって引き起こされるので大きな温度勾配になります注意してください。この問題は、この稿では実用面で呼ばれます。
この稿では実験装置と誘導; を介して加熱小さな磁性球の NIR ベース温度イメージング技術の手順また、それは 2 つの代表的な 2 D の吸光度の画像の結果を示します。Λでキャプチャ 10.0 mm 厚さの水層に直径 2.0 mm の鋼球の 1 つのイメージは 1150 nm を =。2 番目の画像はλでキャプチャ 2.0 mm 厚マルトース シロップ層に直径 0.5 mm の鋼球 = 1412 nm。また述べる計算法と温度の三次元 (3 D) の半径方向分布の結果逆アベル変換 (IAT) を吸光度 2 D 画像に適用することによって。IAT は、3次元温度分布が球対称加熱球 (図 2)19の場合のようにすると見なされますときに有効です。IAT 計算のためマルチ ガウス関数をフィッティング法を採用、ここで解析的25,26,27,28,29 ガウス関数の Iat を取得することができますのでとデータを単調減少にもフィットこれは、単一の熱源からの熱伝導を用いた実験が含まれています。

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" style="width:727px;" width="727">
	<colgroup>
		<col />
		<col />
		<col />
		<col />
	</colgroup>
	<tbody>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:233px;">Induction heating system</td>
			<td style="width:208px;">CEIA, Italy</td>
			<td style="width:119px;">SPW900/56</td>
			<td style="width:167px;">780 kHz, 5.6 kW (max).</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:233px;">Coil</td>
			<td style="width:208px;">SA-Japan</td>
			<td style="width:119px;">custom</td>
			<td>Water-cooled copper tube; two-turn; outer dia. 28 mm.</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:233px;">Water chiller</td>
			<td style="width:208px;">Matsumoto Kikai, Japan</td>
			<td style="width:119px;">MP-401CT</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="41">
			<td height="41" style="height:41px;width:233px;">Halogen lamp</td>
			<td style="width:208px;">Hayashi Watch-Works, Japan</td>
			<td style="width:119px;">LA-150UE-A</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="41">
			<td height="41" style="height:41px;width:233px;">Narrow bandpass filter for &#955; = 1150 nm</td>
			<td style="width:208px;">Andover</td>
			<td style="width:119px;">115FS10-25</td>
			<td>Full width at half-maximum (FWHM): 10 nm.</td>
		</tr>
		<tr height="41">
			<td height="41" style="height:41px;width:233px;">Narrow bandpass filter for &#955; = 1412 nm</td>
			<td style="width:208px;">Andover</td>
			<td style="width:119px;">semi-custom</td>
			<td>Full width at half-maximum (FWHM): 10 nm.</td>
		</tr>
		<tr height="41">
			<td height="41" style="height:41px;width:233px;">Bandpass filter for &#955; = 850&#8722;1300 nm</td>
			<td style="width:208px;">Spectrogon</td>
			<td style="width:119px;">SP-1300</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="41">
			<td height="41" style="height:41px;width:233px;">Bandpass filter for &#955; = 1100&#8722;2000 nm</td>
			<td style="width:208px;">Spectrogon</td>
			<td style="width:119px;">SP-2000</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:233px;">NIR camera</td>
			<td style="width:208px;">FLIR Systems</td>
			<td style="width:119px;">Alpha NIR</td>
			<td>InGaAs</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:233px;">Image acquisition software</td>
			<td style="width:208px;">FLIR Systems</td>
			<td style="width:119px;">IRvista</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:233px;">Image processing software</td>
			<td style="width:208px;">NIH</td>
			<td style="width:119px;">ImageJ</td>
			<td>ver. 1.51r</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:233px;">Image processing software</td>
			<td style="width:208px;">MathWorks</td>
			<td style="width:119px;">Matlab</td>
			<td>ver. 2016a</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:233px;">Telecentric lens</td>
			<td style="width:208px;">Edmond Optics</td>
			<td style="width:119px;">55350-L</td>
			<td>X1</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:233px;">Steel sphere (0.5 mm dia.)</td>
			<td style="width:208px;">Kobe Steel, Japan</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td>Fe-1.5Cr-1.0C-0.4Mn (wt %)</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:233px;">Steel sphere (2.0 mm dia.)</td>
			<td style="width:208px;">Kobe Steel, Japan</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td>Fe-1.5Cr-1.0C-0.4Mn (wt %)</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:233px;">Maltose syrup as aqueous gel</td>
			<td style="width:208px;">Sonton, Japan</td>
			<td style="width:119px;">Mizuame</td>
			<td>Food product</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

near-infrared temperature measurement technique for water surrounding an induction-heated small magnetic sphere

水と周囲の電磁誘導加熱の小さな磁性球非濁った水溶液の温度を測定する手法である. します。この手法は、1150 と 1412 nm、水の吸収係数は温度に依存する波長を利用しています。水または 2.0 mm または 0.5 mm 径の磁気球を含む非混濁水系ゲル 1150 nm または選択した狭いバンドパス フィルターを使用した場合と、1412 の nm の入射光を照射します。さらに、吸収係数の横突起である吸光度の二次元画像は、近赤外カメラを介して取得されます。三次元温度分布は、球対称であると仮定することができるときに、吸光度プロファイルに逆アベルに変換を適用することによって推定します。温度は時間と誘導加熱電源によると一貫して変更する観察されました。

Δ の画像Aは私(x, z) でλ = 水で直径 2.0 mm の鋼球の 1150 nm、 λ = 1412 nm マルトース シロップで直径 0.5 mm の鋼球と図 5を示して、図 6をそれぞれ。両方のケースで、球はその中心軸に沿ってコイルの最下部より下に位置する 12 mm だった図 5r式 (3) での表示の ΔA(rʹ) データとその装備のマルチ ガウス機能bと図 6b = 3.0 mm、 R 1.5 mm をそれぞれ =。以上の 2 つまたは 3 つのガウス関数 (N = 2 または 3) が良いフィット17,19を達成するために必要です。当てはめ関数 Eq を介して ΔT(r) プロファイルに変換されました。(4) と (5) と図 5cと図 6cに表示されます。
両方のケースで Δの画像は明らかに水の温度の増加を示すし、ゲルの熱伝導による変化球を囲みます。球に関して、ΔAの円形対称性は、すべての画像で観察されます。プロットと図 5cで曲線を示す ΔA(rʹ) が、球に最も近い距離で時間とともに増加rʹ≥ 2.5 mm、有意に変化が観察されます。また、IAT を介して得られる ΔT(r) プロファイルは、半径方向の熱伝導の発生を確認します。ΔT(r) プロファイル表示 ΔA(rʹ) のものに似ていますが、dΔT(r)/dr勾配の変化は、ΔA(rʹ) プロファイルのそれらと異なる注意してください。.図 6、加熱電力に対応する ΔAの大きさがあるレベル、すなわち発熱球の量。
直径 0.5 mm 球の結果を示す ΔAの円形のパターンを歪め、対流がt後られなかった = 1.2 s. 逆に、水で直径 2.0 mm 球、対流が確認された後に発生するにはt = 1.2 s (表示されていません)。これは約tで水に純粋な熱伝導体制から自由対流政権への移行が発生したことを意味 = 1.2 s。この対流の違いは、熱発生率と粘度の違いによって引き起こされました。直径 0.5 mm 球の熱生成率は, 有意に小さかった直径 2.0 mm の球のそれよりもさらに、マルトース シロップ (約 100 Pa·s) の粘度は水 (およそ 0.001 Pa·s) よりもかなり高かった。自由対流は熱よぶ物質伝達の重要なトピックの研究、提案のイメージング手法自由対流の発症時間と熱プリュームのパターンを提供し、無料を誘導する物理的な条件に関する情報が生成対流は、この分野の研究に大きく貢献します。
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57407/57407fig1.jpg"> 図 1: 水の近赤外吸収スペクトルの温度依存性です。(a、b)温度 16.0 ° C からの水の吸収スペクトル (青) 44.0 ° c (赤) 1100-1250 nm と 1350-1500 nm の波長範囲で 4.0 ° C 単位でそれぞれ。矢印は、温度の上昇の方向を示します。インセットを示す吸光度差スペクトル;16.0 ° C で吸光度スペクトル、参照です。光パスの長さは、10 mm と 1.0 mm (a) と (b)、それぞれ。縦点線は、温度に敏感な波長 1150 nm と 1412 nm 近赤外画像を取得するために使用が。<a href="/files/ftp_upload/57407/57407fig1large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください</a>。
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57407/57407fig2.jpg"> 図 2: 座標系と吸光度用ジオメトリです。角田ら201719 AIP 公開の許可を得て転載。<a href="/files/ftp_upload/57407/57407fig2large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください</a>。
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57407/57407fig3v2.jpg"> 図 3: 実験のセットアップ。(a) 光学系および誘導加熱セットアップの概略図。詳細は本文を参照してください。この図は AIP 公開の許可を得て 2017年19角田らから変更されています。(b) 実験のセットアップの写真。(c) 写真文字列、セル、およびスケールのコイルによって掛け直径 2.0 mm の鋼球を示します。<a href="/files/ftp_upload/57407/57407fig3v2large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください</a>。
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57407/57407fig4.jpg"> 図 4:の raw 画像を取得します。(a、b)私(x, z) 強度画像を送信、 λ = 水とλで直径 2.0 mm の鋼球の 1150 nm マルトース シロップで直径 0.5 mm の鋼球の 1412 nm をそれぞれ =。<a href="/files/ftp_upload/57407/57407fig4large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください</a>。 
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57407/57407fig5.jpg"> 図 5: 吸光度画像と水で直径 2.0 mm の鋼球の温度プロファイル。( λ a) ΔA(x, z) 画像 = 1150 nm とt = 0.4、0.8、1.2 誘導加熱の発症後 s。((曲線) を b) ΔA(rʹ) とそのマルチ ガウスのプロットに適合します。(c) ΔT(r) プロファイル (rʹ) ΔAの Iat を実行することによって得られます。<a href="/files/ftp_upload/57407/57407fig5large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください</a>。
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57407/57407fig6v2.jpg"> 図 6:吸光度画像とマルトース シロップで直径 0.5 mm の鋼球の温度プロファイル。( λ a) ΔA(x, z) 画像 = 1412 の nm とt = 0.4、0.8、1.2 加熱用誘導加熱の発症後 s 電源を 10%、30%、50% のレベル。(b) ΔA(rʹ) とそのマルチ ガウスのプロットの 50% (曲線) に適合します。(c) ΔT(r) プロファイルの 50% (rʹ) ΔAの Iat を実行することによって得られます。<a href="/files/ftp_upload/57407/57407fig6v2large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください</a>。 
<img alt="Supplemental Figure 1" src="/files/ftp_upload/57407/57407supfig1v2.jpg"> 追補 1:画像処理の概要。<a href="/files/ftp_upload/57407/Supplement1(Image-processing)-kakuta-v3.pdf" target="_blank">この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください</a>。
<img alt="Supplemental Figure 2" src="/files/ftp_upload/57407/57407supfig2.jpg"> 補足 2:吸光度のイメージの構築 (ImageJ のマクロ) のコマンド スクリプト ファイルです。<a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/57407/Supplement2(Macro-image).txt" target="_blank">このファイルをダウンロードするここをクリックしてください</a>。
<img alt="Supplemental Figure 3" src="/files/ftp_upload/57407/57407supfig3.jpg"> 補足 3:コマンド ライン プロファイル抽出 (ImageJ のマクロ) 用のスクリプト ファイル。<a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/57407/Supplement3(Macro-radialprofile).txt" target="_blank">このファイルをダウンロードするここをクリックしてください</a>。
<img alt="Supplemental Figure 4" src="/files/ftp_upload/57407/57407supfig4v2.jpg"> 補足 4:Matlab マルチ ガウス継ぎ手と逆アベル変換コード。<a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/57407/Supplement4(temp_estimate)rev2.pdf" target="_blank">このファイルをダウンロードするここをクリックしてください</a>。

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Near-Infrared Temperature Measurement Technique for Water Surrounding an Induction-heated Small Magnetic Sphere

誘導加熱の小さな磁気圏を取り巻く水の温度を測定する 1150 と 1412 nm の波長を利用した手法である. します。

誘導加熱の小さな磁気圏を取り巻く水の近赤外温度計測

A technique to measure the temperature of water and non-turbid aqueous media surrounding an induction-heated small magnetic sphere is presented. This ...

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The Preparation of Electrohydrodynamic Bridges from Polar Dielectric Liquids

Horizontal and vertical liquid bridges are simple and powerful tools for exploring the interaction of high intensity electric fields (8-20 kV/cm) and polar dielectric liquids. These bridges are unique from capillary bridges in that they exhibit extensibility beyond a few millimeters, have complex bi-directional mass transfer patterns, and emit non-Planck infrared radiation. A number of common solvents can form such bridges as well as low conductivity solutions and colloidal suspensions. The macroscopic behavior is governed by electrohydrodynamics and provides a means of studying fluid flow phenomena without the presence of rigid walls. Prior to the onset of a liquid bridge several important phenomena can be observed including advancing meniscus height (electrowetting), bulk fluid circulation (the Sumoto effect), and the ejection of charged droplets (electrospray). The interaction between surface, polarization, and displacement forces can be directly examined by varying applied voltage and bridge length. The electric field, assisted by gravity, stabilizes the liquid bridge against Rayleigh-Plateau instabilities. Construction of basic apparatus for both vertical and horizontal orientation along with operational examples, including thermographic images, for three liquids (e.g., water, DMSO, and glycerol) is presented.

Horizontal and vertical electrohydrodynamic liquid bridges are simple and powerful tools for exploring the interaction of high intensity electric fields and polar dielectric liquids. The construction of basic apparatus and operational examples, including thermographic images, for three liquids (e.g., water, DMSO, and glycerol) is presented.

ポーラー液体誘電体から電気流体橋の調製

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工学

Advanced Experimental Methods for Low-temperature Magnetotransport Measurement of Novel Materials

Novel electronic materials are often produced for the first time by synthesis processes that yield bulk crystals (in contrast to single crystal thin film synthesis) for the purpose of exploratory materials research. Certain materials pose a challenge wherein the traditional bulk Hall bar device fabrication method is insufficient to produce a measureable device for sample transport measurement, principally because the single crystal size is too small to attach wire leads to the sample in a Hall bar configuration. This can be, for example, because the first batch of a new material synthesized yields very small single crystals or because flakes of samples of one to very few monolayers are desired. In order to enable rapid characterization of materials that may be carried out in parallel with improvements to their growth methodology, a method of device fabrication for very small samples has been devised to permit the characterization of novel materials as soon as a preliminary batch has been produced. A slight variation of this methodology is applicable to producing devices using exfoliated samples of two-dimensional materials such as graphene, hexagonal boron nitride (hBN), and transition metal dichalcogenides (TMDs), as well as multilayer heterostructures of such materials. Here we present detailed protocols for the experimental device fabrication of fragments and flakes of novel materials with micron-sized dimensions onto substrate and subsequent measurement in a commercial superconducting magnet, dry helium close-cycle cryostat magnetotransport system at temperatures down to 0.300 K and magnetic fields up to 12 T.

We describe the methodology of mechanical exfoliation and deposition of flakes of novel materials with micron-sized dimensions onto substrate, fabrication of experimental device structures for transport experimentation, and the magnetotransport measurement in a dry helium close-cycle cryostat at temperatures down to 0.300 K and magnetic fields up to 12 T.

新規材料の低温磁気伝導測定のための高度な実験方法

Novel electronic materials are often produced for the first time by synthesis processes that yield bulk crystals (in contrast to single crystal thin film ...

Optical Trap Loading of Dielectric Microparticles In Air

We demonstrate a method to trap a selected dielectric microparticle in air using radiation pressure from a single-beam gradient optical trap. Randomly scattered dielectric microparticles adhered to a glass substrate are momentarily detached using ultrasonic vibrations generated by a piezoelectric transducer (PZT). Then, the optical beam focused on a selected particle lifts it up to the optical trap while the vibrationally excited microparticles fall back to the substrate. A particle may be trapped at the nominal focus of the trapping beam or at a position above the focus (referred to here as the levitation position) where gravity provides the restoring force. After the measurement, the trapped particle can be placed at a desired position on the substrate in a controlled manner. 
In this protocol, an experimental procedure for selective optical trap loading in air is outlined. First, the experimental setup is briefly introduced. Second, the design and fabrication of a PZT holder and a sample enclosure are illustrated in detail. The optical trap loading of a selected microparticle is then demonstrated with step-by-step instructions including sample preparation, launching into the trap, and use of electrostatic force to excite particle motion in the trap and measure charge. Finally, we present recorded particle trajectories of Brownian and ballistic motions of a trapped microparticle in air. These trajectories can be used to measure stiffness or to verify optical alignment through time domain and frequency domain analysis. Selective trap loading enables optical tweezers to track a particle and its changes over repeated trap loadings in a reversible manner, thereby enabling studies of particle-surface interaction.

A protocol for launching and stably trapping selected dielectric microparticles in air is presented.

空気中の誘電体微粒子の光学トラップのロード

We demonstrate a method to trap a selected dielectric microparticle in air using radiation pressure from a single-beam gradient optical trap. Randomly ...

Standardized Method for Measuring Collection Efficiency from Wipe-sampling of Trace Explosives

One of the limiting steps to detecting traces of explosives at screening venues is effective collection of the sample. Wipe-sampling is the most common procedure for collecting traces of explosives, and standardized measurements of collection efficiency are needed to evaluate and optimize sampling protocols. The approach described here is designed to provide this measurement infrastructure, and controls most of the factors known to be relevant to wipe-sampling. Three critical factors (the applied force, travel distance, and travel speed) are controlled using an automated device. Test surfaces are chosen based on similarity to the screening environment, and the wipes can be made from any material considered for use in wipe-sampling. Particle samples of the explosive 1,3,5-trinitroperhydro-1,3,5-triazine (RDX) are applied in a fixed location on the surface using a dry-transfer technique. The particle samples, recently developed to simulate residues made after handling explosives, are produced by inkjet printing of RDX solutions onto polytetrafluoroethylene (PTFE) substrates. Collection efficiency is measured by extracting collected explosive from the wipe, and then related to critical sampling factors and the selection of wipe material and test surface. These measurements are meant to guide the development of sampling protocols at screening venues, where speed and throughput are primary considerations.

Optimized sampling protocols and the development of new wipe materials can be facilitated by standardized measurements of collection efficiency from wipe-sampling. Our approach for sampling trace explosives uses an automated device to control speed, force, and distance during wipe-sampling followed by extraction of collected explosives.

トレース爆発物のワイプサンプリングから収集効率を測定するための標準化された方法

One of the limiting steps to detecting traces of explosives at screening venues is effective collection of the sample. Wipe-sampling is the most common ...

Micro/Nano-scale Strain Distribution Measurement from Sampling Moir&#233; Fringes

This work describes the measurement procedure and principles of a sampling moir&#233; technique for full-field micro/nano-scale deformation measurements. The developed technique can be performed in two ways: using the reconstructed multiplication moir&#233; method or the spatial phase-shifting sampling moir&#233; method. When the specimen grid pitch is around 2 pixels, 2-pixel sampling moir&#233; fringes are generated to reconstruct a multiplication moir&#233; pattern for a deformation measurement. Both the displacement and strain sensitivities are twice as high as in the traditional scanning moir&#233; method in the same wide field of view. When the specimen grid pitch is around or greater than 3 pixels, multi-pixel sampling moir&#233; fringes are generated, and a spatial phase-shifting technique is combined for a full-field deformation measurement. The strain measurement accuracy is significantly improved, and automatic batch measurement is easily achievable. Both methods can measure the two-dimensional (2D) strain distributions from a single-shot grid image without rotating the specimen or scanning lines, as in traditional moir&#233; techniques. As examples, the 2D displacement and strain distributions, including the shear strains of two carbon fiber-reinforced plastic specimens, were measured in three-point bending tests. The proposed technique is expected to play an important role in the non-destructive quantitative evaluations of mechanical properties, crack occurrences, and residual stresses of a variety of materials.

A sampling moir&#233; technique featuring 2-pixel and multi-pixel sampling methods for high-accuracy strain distribution measurements at the micro/nano-scale is presented here.

サンプリングモアレ縞からのマイクロ/ナノスケールひずみ分布測定

This work describes the measurement procedure and principles of a sampling moir&#233; technique for full-field micro/nano-scale deformation measurements. ...

An Available Technique for Preparation of New Cast MnCuNiFeZnAl Alloy with Superior Damping Capacity and High Service Temperature

Manganese (Mn)-copper (Cu)-based alloys have been found to have&#160;damping capacity and can be used to reduce harmful vibrations and noise effectively. M2052 (Mn-20Cu-5Ni-2Fe, at%) is an important branch of Mn-Cu-based alloys, which possesses both excellent damping capacity and processability. In recent decades, lots of studies have been carried out on the performance optimization of M2052, improving the damping capacity, mechanical properties, corrosion resistance, and service temperature, etc. The major methods of performance optimization are alloying, heat treatment, pretreatment, and different ways of molding etc., among which alloying, as well as adopting a reasonable heat treatment, is the simplest and most effective method to obtain perfect and comprehensive performance. To obtain the M2052 alloy with excellent performance for casting molding, we propose to add Zn and Al to the MnCuNiFe alloy matrix and use a variety of heat treatment methods for a comparison in the microstructure, damping capacity, and service temperature. Thus, a new type of cast-aged Mn-22.68Cu-1.89Ni-1.99Fe-1.70Zn-6.16Al (at.%) alloy with&#160;superior damping capacity and high service temperature is obtained by an optimized heat treatment method. Compared with the forging technique, cast molding is simpler and more efficient, and the damping capacity of this as-cast alloy is excellent. Therefore, there is a suitable reason to think that it is a good choice for engineering applications.

Here we present a protocol to obtain a novel Mn-Cu-based alloy with excellent comprehensive performances by a high-quality smelting technology and reasonable heat treatment methods.

新しいキャスト MnCuNiFeZnAl 合金の優れた能力と高いサービス温度の減衰の準備のための利用可能な手法

Manganese (Mn)-copper (Cu)-based alloys have been found to have&#160;damping capacity and can be used to reduce harmful vibrations and noise effectively. ...

Design and Fabrication of an Optical Fiber Made of Water

In this report, an optical fiber of which the core is made solely of water, while the cladding is air, is designed and manufactured. In contrast with solid-cladding devices, capillary oscillations are not restricted, allowing the fiber walls to move and vibrate. The fiber is constructed by a high direct current (DC) voltage of several thousand volts (kV) between two water reservoirs that creates a floating water thread, known as a water bridge. Through the choice of micropipettes, it is possible to control the maximal diameter and length of the fiber. Optical fiber couplers, at both sides of the bridge, activate it as an optical waveguide, allowing researchers to monitor the water fiber capillary body waves through transmission modulation and, therefore, deducing changes in surface tension.
Co-confining two important wave types, capillary and electromagnetic, opens a new path of research in the interactions between light and liquid-wall devices. Water-walled microdevices are a million times softer than their solid counterparts, accordingly improving the response to minute forces.

This protocol describes the design and manufacture of a water bridge and its activation as a water fiber. The experiment demonstrates that capillary resonances of the water fiber modulate its optical transmission.

水の光ファイバーの設計と製作

In this report, an optical fiber of which the core is made solely of water, while the cladding is air, is designed and manufactured. In contrast with ...

A Random-displacement Measurement by Combining a Magnetic Scale and Two Fiber Bragg Gratings

Long-distance displacement measurements using optical fibers have always been a challenge in both basic research and industrial production. We developed and characterized a temperature-independent fiber Bragg grating (FBG)-based random-displacement sensor that adopts a magnetic scale as a novel transferring mechanism. By detecting shifts of two FBG center wavelengths, a full-range measurement can be obtained with a magnetic scale. For identification of the clockwise and counterclockwise rotation direction of the motor (in fact, the direction of movement of the object to be tested), there is a sinusoidal relationship between the displacement and the center wavelength shift of the FBG; as the anticlockwise rotation alternates, the center wavelength shift of the second FBG detector shows a leading phase difference of around 90&#176; (+90&#176;). As the clockwise rotation alternates, the center wavelength shift of the second FBG displays a lagging phase difference of around 90&#176; (-90&#176;). At the same time, the two FBG-based sensors are temperature independent. If there is some need for a remote monitor without any electromagnetic interference, this striking approach makes them a useful tool for determining the random displacement. This methodology is appropriate for industrial production. As the structure of the whole system is relatively simple, this displacement sensor can be used in commercial production. In addition to it being a displacement sensor, it can be used to measure other parameters, such as velocity and acceleration.

A protocol to create a full-range linear displacement sensor, combining two packaged fiber Bragg grating detectors with a magnetic scale, is presented.

磁気スケールと2つのファイバーブラッググレーティングを組み合わせたランダム変位測定

Long-distance displacement measurements using optical fibers have always been a challenge in both basic research and industrial production. We developed ...

Measurement of Dynamic Force Acted on Water Strider Leg Jumping Upward by the PVDF Film Sensor

This study aimed to make an explanation for the phenomenon in nature that water strider usually jumps or glides on the water surface easily but quickly, with its peak locomotion speed reaching 150 cm/s. First of all, we observed the microstructure and hierarchy of water strider legs using the scanning electron microscope. On the basis of the observed morphology of the legs, a theoretical model of the detachment from water surface was established, which explained water striders' capability to slide on water surface effortlessly in terms of energy reduction. Secondly, a dynamic force measurement system was devised using the PVDF film sensor with excellent sensitivity, which could detect the whole interaction process. Subsequently, a single leg in contact with water was pulled upward at different speeds, and the adhesion force was measured at the same time. The results of the departing experiment suggested a deep understanding of the fast jumping of water striders.

The protocol here is dedicated to investigating the free and quick maneuvering of water strider on water surface. The protocol includes observing the microstructure of legs and measuring the adhesion force when departing from water surface at different speeds.

PVDF 膜センサーによる上方ジャンプ アメンボの脚に行動力の測定

This study aimed to make an explanation for the phenomenon in nature that water strider usually jumps or glides on the water surface easily but quickly, ...

O-cresol Concentration Online Measurement Based On Near Infrared Spectroscopy Via Partial Least Square Regression

Unlike macroscopic process variables, near-infrared spectroscopy provides process information at the molecular level and can significantly improve the prediction of the components in industrial processes. The ability to record spectra for solid and liquid samples without any pretreatment is advantageous and the method is widely used. However, the disadvantages of analyzing high-dimensional near-infrared spectral data include information redundancy and multicollinearity of the spectral data. Thus, we propose to use partial least squares regression method, which has traditionally been used to reduce the data dimensionality and eliminate the collinearity between the original features. We implement the method for predicting the o-cresol concentration during the production of polyphenylene ether. The proposed approach offers the following advantages over component regression prediction methods: 1) partial least squares regression solves the multicollinearity problem of the independent variables and effectively avoids overfitting, which occurs in a regression analysis due to the high correlation between the independent variables; 2) the use of the near-infrared spectra results in high accuracy because it is a non-destructive and non-polluting method to obtain information at microscopic and molecular scales.

The protocol describes a method of predicting o-cresol concentration during the production of polyphenylene ether using near-infrared spectroscopy and partial least squares regression. To describe the process more clearly and completely, an example of predicting the o-cresol concentration during the production of polyphenylene is used to clarify the steps.

部分最小二乗回帰による近赤外分光法に基づくO-クレゾール濃度オンライン測定

Unlike macroscopic process variables, near-infrared spectroscopy provides process information at the molecular level and can significantly improve the ...