超高時(shí)空分辨率磁納米測(cè)溫前沿與進(jìn)展

易文通，朱旖雯，劉文中

華中科技大學(xué) 人工智能與自動(dòng)化學(xué)院，武漢 430074

0 引 言

自伽利略研制出第一支科學(xué)意義上的熱膨脹溫度計(jì)以來，歷史上陸續(xù)出現(xiàn)了機(jī)械、電學(xué)與光學(xué)原理的溫度計(jì)，如指針式溫度計(jì)、壓力式溫度計(jì)、電阻溫度計(jì)、熱電偶溫度計(jì)、熱電堆紅外測(cè)溫儀以及比色溫度計(jì)等。20世紀(jì)后期，用于研究宏觀物體動(dòng)力學(xué)過程的經(jīng)典溫度測(cè)量理論與方法已趨于完善。

近年來，微米、納米尺度的科學(xué)與技術(shù)問題逐漸成為研究熱點(diǎn)，與之相關(guān)的溫度測(cè)量技術(shù)日益凸顯為微觀領(lǐng)域研究的瓶頸。在所有微尺度科學(xué)研究中，傳熱是最為突出、最為重要的問題。無論是物理輸運(yùn)過程中的不可逆性所帶來的能量耗散，還是化學(xué)反應(yīng)分子重組過程中的能量交換，都涉及熱量的傳遞與變化。由于尺寸效應(yīng)、瞬態(tài)效應(yīng)與宏觀物體傳熱理論存在差異，在微納尺度傳熱研究中產(chǎn)生了許多新的假說；但截至目前，依然缺乏具有更高維度、更高精度、更高準(zhǔn)確度的測(cè)量方法來證明或證偽微納尺度傳熱的相關(guān)假說。

由于缺乏微納尺度溫度測(cè)量特別是溫度成像手段，許多高能密度或超快傳熱過程難以得到更深入的研究。例如，在齒輪或軸承嚙合過程中，由于安裝位置的約束，往往無法直接檢測(cè)齒輪、滾珠摩擦瞬間產(chǎn)生的高溫；又如高速轉(zhuǎn)動(dòng)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片溫度，采用接觸方式測(cè)溫十分困難，而基于輻射的溫度測(cè)量方法又存在響應(yīng)速度與測(cè)量誤差等問題。此外，隨著科學(xué)技術(shù)的迅速進(jìn)步，涌現(xiàn)出許多特殊測(cè)溫需求。例如，在高超聲速風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中，轉(zhuǎn)捩點(diǎn)下游異常高溫的脈動(dòng)頻率大于100 kHz，而高超聲速風(fēng)洞流場(chǎng)中的最小長(zhǎng)度尺度接近分子平均自由程，現(xiàn)有測(cè)溫技術(shù)難以直接成像。因此，微納尺度傳熱過程的精確測(cè)量已成為現(xiàn)代溫度測(cè)量領(lǐng)域的前沿與挑戰(zhàn)。

為探索微納尺度的溫度測(cè)量問題，本文主要對(duì)微尺度與超快熱交換這兩個(gè)特殊約束條件下的磁納米溫度測(cè)量理論前沿與技術(shù)進(jìn)展進(jìn)行介紹。

1 納米溫度計(jì)簡(jiǎn)介

納米材料的出現(xiàn)，為微電子學(xué)、生物工程及醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域拓展了在極微小尺度下的發(fā)展前景。當(dāng)物質(zhì)微粒的大小可以用納米尺寸衡量時(shí)，物質(zhì)會(huì)表現(xiàn)出量子尺寸效應(yīng)、超順磁性等特殊的物理和化學(xué)屬性，而不再具備宏觀特性。這些特殊效應(yīng)往往與溫度相關(guān)，可以對(duì)其進(jìn)行測(cè)量以獲得納米材料的溫度信息，從而得到極微小物質(zhì)環(huán)境中的溫度。

在溫度靶向細(xì)胞運(yùn)輸、熱療溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)、燃料電池溫度檢測(cè)、微電路熱耗散、電子器件結(jié)溫（junction temperature，即電子設(shè)備中半導(dǎo)體的實(shí)際工作溫度，通常較封裝外殼溫度高）等生物醫(yī)療、電子電路及材料加工等測(cè)溫領(lǐng)域，微納米溫度計(jì)具有廣闊的發(fā)展前景。納米溫度計(jì)的工作原理是基于各種納米材料自身參數(shù)對(duì)溫度的響應(yīng)而實(shí)現(xiàn)溫度信息的獲取，主要包括基于超導(dǎo)量子干涉儀（SQUID）的納米溫度計(jì)、碳納米管溫度計(jì)、掃描熱顯微鏡、熒光納米溫度計(jì)等。基于SQUID的納米溫度計(jì)將SQUID設(shè)備對(duì)弱磁信號(hào)的探測(cè)轉(zhuǎn)換為測(cè)量磁場(chǎng)中發(fā)生微小變化的溫度。碳納米管溫度計(jì)是日本科學(xué)家研制的一種微型溫度計(jì)，在碳納米管中充入液態(tài)金屬，金屬液柱的變化可以反映溫度變化，從而測(cè)得溫度值（測(cè)溫范圍323～773 K）。掃描熱顯微鏡采用熱敏電阻型或熱電偶型探針，當(dāng)被測(cè)物溫度發(fā)生變化時(shí)，可獲得其表面的熱信息，通過熱信號(hào)成像放大器可得到熱成像圖。熒光納米溫度計(jì)則是利用熒光特性材料的熒光強(qiáng)度、熒光壽命、無輻射躍遷速率等參數(shù)的溫度敏感性，實(shí)現(xiàn)生物醫(yī)學(xué)、疾病治療等應(yīng)用中的溫度測(cè)量。與這些溫度測(cè)量方法相比，磁納米溫度計(jì)的潛在優(yōu)勢(shì)在于具有磁透明性，可實(shí)現(xiàn)高精度、非侵入式的超快測(cè)溫。

近年來，納米溫度計(jì)發(fā)展迅速。2019年，卡羅林斯卡醫(yī)學(xué)院Chen教授團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種以AIE分子作為探針分子的新型納米溫度計(jì)，可以在熒光壽命成像顯微鏡下實(shí)現(xiàn)活細(xì)胞溫度的傳感分析。2020年，香港中文大學(xué)的研究者采用磁納米顆粒和氮空位色心相結(jié)合的結(jié)構(gòu)，構(gòu)建了磁納米標(biāo)記順磁共振原理的磁學(xué)溫度計(jì)，受益于單個(gè)氮空位色心在這種結(jié)構(gòu)中的光學(xué)及自旋特性優(yōu)勢(shì)，該新型混合納米溫度計(jì)的靈敏度可達(dá)76 μK·Hz，在5 ms的時(shí)間分辨率內(nèi)可測(cè)得2 mK的溫度變化。

2009年，美國(guó)達(dá)特茅斯學(xué)院Weaver等公開報(bào)道了磁納米粒子溫度測(cè)量技術(shù)，首次將MNP（磁納米粒子）應(yīng)用于溫度測(cè)量。他們的方案是利用交流磁場(chǎng)激勵(lì)下MNP響應(yīng)的諧波比值獲取溫度信息，得到了約0.3 K的測(cè)溫精度；其后又發(fā)表了在交流磁場(chǎng)上疊加直流磁場(chǎng)獲得相應(yīng)的響應(yīng)信號(hào)比值進(jìn)行溫度測(cè)量的方案。2012年以來，劉文中教授團(tuán)隊(duì)對(duì)磁納米測(cè)溫技術(shù)展開了深入研究，發(fā)現(xiàn)MNP具備顯著的溫度敏感性，可分辨0.1 K的溫度變化。高精度、高靈敏度的遠(yuǎn)程MNP測(cè)溫技術(shù)的提出，為實(shí)現(xiàn)活體內(nèi)實(shí)時(shí)細(xì)胞溫度成像、大功率半導(dǎo)體結(jié)溫檢測(cè)以及高超聲速湍流等微納尺度熱交換研究提供了一個(gè)嶄新的工具。

2 磁納米溫度測(cè)量理論與方法

2.1 磁納米溫度測(cè)量物理模型

MNP的尺寸達(dá)到了納米級(jí)別，呈現(xiàn)出與傳統(tǒng)磁性材料不同的特性，如小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、超順磁性等。其與磁相關(guān)的物理尺度同樣與MNP的尺寸相當(dāng)，因此利用MNP的磁性參數(shù)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，具有新奇的性質(zhì)。例如，磁性測(cè)量具有遠(yuǎn)程測(cè)量的特性，活體組織在低頻磁場(chǎng)激勵(lì)下具有“磁透明”特性，這些特性有望解決活體內(nèi)從細(xì)胞、組織到器官的跨尺度遠(yuǎn)程精密溫度測(cè)量問題。

2.2 直流磁納米溫度測(cè)量方法

根據(jù)Langevin磁學(xué)模型，具有超順磁性的物質(zhì)微粒磁化強(qiáng)度受到溫度的調(diào)制，因而可用于表征被測(cè)物體的溫度。Langevin方程適用于MNP粒徑單一、各粒子之間不存在相互作用的情況，直流磁場(chǎng)激勵(lì)下的MNP磁化強(qiáng)度為：

式中，N為MNP個(gè)數(shù)，M為MNP的飽和磁化強(qiáng)度，V為MNP體積，H為激勵(lì)磁場(chǎng)強(qiáng)度，k為熱力學(xué)中的玻爾茲曼常量，T為熱力學(xué)溫度。MNP的磁化率倒數(shù)為：

式（2）表明MNP磁化率倒數(shù)同樣溫度敏感，由此可實(shí)現(xiàn)一種溫度測(cè)量方法。對(duì)MNP施加直流磁場(chǎng)，通過式（1）得到磁化強(qiáng)度，改變式（1）中的熱力學(xué)溫度并進(jìn)行仿真，得到4條MNP磁化響應(yīng)曲線，如圖1所示（橫軸為激勵(lì)磁場(chǎng)強(qiáng)度，1 Oe≈80 A/m；縱軸為磁矩，1 emu=0.001 A·m）。

圖1 MNP的磁化響應(yīng)曲線[16]Fig.1 Magnetization curves of magnetic nanoparticles at different temperatures[16]

從圖1可以看出，MNP磁化響應(yīng)曲線與溫度呈現(xiàn)一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。鐘景總結(jié)出基于MNP磁化響應(yīng)曲線，采用Langevin方程進(jìn)行反演計(jì)算，即可獲得相應(yīng)的溫度信息，并由此提出了直流磁場(chǎng)激勵(lì)下的MNP溫度測(cè)量理論模型，在310～350 K溫度范圍內(nèi)獲得了總誤差小于0.57 K的測(cè)量精度；在之后的研究中，歸納了影響溫度測(cè)量準(zhǔn)確性的主要因素，考慮了MNP飽和磁化強(qiáng)度隨溫度變化的影響以及施加的最大激勵(lì)磁場(chǎng)等參數(shù)，采用基于最小二乘法的反演求解算法獲得了0.017 K的溫度測(cè)量精度[18]。

2.3 交流磁納米溫度測(cè)量方法

在實(shí)際系統(tǒng)中直流磁場(chǎng)容易受到各種噪聲的干擾，因此，鐘景以交流磁場(chǎng)激勵(lì)代替直流磁場(chǎng)激勵(lì)對(duì)MNP溫度測(cè)量方法進(jìn)行研究。在交流激勵(lì)磁場(chǎng)作用下，MNP磁化響應(yīng)曲線如圖2所示。從圖2（a）可以看出，MNP磁化響應(yīng)曲線的幅值大小隨溫度變化而變化。對(duì)圖2（a）中的磁化強(qiáng)度時(shí)域信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換，得到MNP在不同溫度下的交流磁化強(qiáng)度的頻域分布，如圖2（b）所示。從圖2（b）可以看出，雖然激勵(lì)磁場(chǎng)的頻率成分單一，但由于Langevin方程中磁化強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度的非線性關(guān)系，最終得到的磁化強(qiáng)度響應(yīng)中的頻率成分增加，存在明顯的諧波分布。

圖2 MNP交流磁化強(qiáng)度的溫度變化曲線與磁化強(qiáng)度頻譜[16]Fig.2 The AC magnetization of magnetic nanoparticles at different temperatures and the frequency spectrum of magnetization[16]

基于此現(xiàn)象，鐘景提出了MNP低頻交流場(chǎng)激勵(lì)下的溫度測(cè)量方法，搭建了MNP交流磁化強(qiáng)度譜分析裝置，采集了不同頻率下磁化強(qiáng)度的幅值信息，利用基于Langevin方程提出的交流測(cè)溫模型反演獲得溫度信息，從而實(shí)現(xiàn)了一種基于磁化強(qiáng)度的磁納米測(cè)溫方法，測(cè)量精度優(yōu)于0.1 K，時(shí)間小于1 s。

王丹丹提出了高頻激勵(lì)磁場(chǎng)下主要考慮尼爾弛豫的MNP測(cè)溫模型，基于Fokker-Planck方程和Langevin方程進(jìn)行了分析，構(gòu)建了諧波補(bǔ)償?shù)拇?溫模型，進(jìn)一步擴(kuò)大了納米溫度計(jì)的使用范圍。

2.4 三角波磁納米溫度測(cè)量方法

當(dāng)激勵(lì)磁場(chǎng)為直流時(shí)，為單點(diǎn)激勵(lì)模式，無法同時(shí)測(cè)量多點(diǎn)磁化強(qiáng)度，而多點(diǎn)測(cè)量所需時(shí)間是單點(diǎn)測(cè)量時(shí)間的累加。若采用三角波磁場(chǎng)對(duì)MNP進(jìn)行激勵(lì)，1個(gè)周期內(nèi)即可測(cè)量4次磁化響應(yīng)，能有效提高溫度測(cè)量速度。為實(shí)現(xiàn)快速測(cè)溫，鐘景等選取三角波磁場(chǎng)激勵(lì)下MNP磁化響應(yīng)曲線中的若干離散點(diǎn)，基于Langevin方程構(gòu)建方程組：

式中，x =NM，y =MV/kT。三角波激勵(lì)下的磁化響應(yīng)曲線（M-H曲線）及1個(gè)周期內(nèi)離散采樣點(diǎn)的獲取過程如圖3所示。實(shí)驗(yàn)中，三角波激勵(lì)磁場(chǎng)由一定的波形信號(hào)通過線性功率放大器驅(qū)動(dòng)激勵(lì)線圈產(chǎn)生，MNP樣品的磁化響應(yīng)曲線如圖3（d）所示。選取曲線上的離散點(diǎn)，得到相應(yīng)的激勵(lì)磁場(chǎng)大小和磁化強(qiáng)度大小，構(gòu)建方程組（3），再結(jié)合布洛赫定理求解方程組（3）即可得到溫度值。

圖3 三角波激勵(lì)原理框圖[21]Fig.3 Block diagram of triangle wave excitation[21]

此外，依據(jù)上述溫度測(cè)量原理構(gòu)建了低頻三角波激勵(lì)的MNP溫度測(cè)量系統(tǒng)，在響應(yīng)時(shí)間為1 s時(shí)，獲得了約為0.32 K的溫度測(cè)量精度。

2.5 磁納米弛豫時(shí)間溫度測(cè)量方法

磁流體動(dòng)力學(xué)研究表明，磁納米膠體溶液具有布朗弛豫、尼爾弛豫兩種不同的弛豫機(jī)制。兩種弛豫機(jī)制在不同的頻率段占主導(dǎo)地位，在MNP濃度以及溫度成像所需頻率段內(nèi)，主要考慮布朗弛豫機(jī)制。從圖4可以看出（圖中30 Oe≈2 387 A/m，H表示直流激勵(lì)磁場(chǎng)強(qiáng)度），布朗弛豫時(shí)間具有溫度敏感性，且隨著溫度升高，布朗弛豫時(shí)間不斷縮短。

圖4 MNP布朗弛豫時(shí)間的溫度變化曲線[21]Fig.4 Temperature variation curve of MNP Brownian relaxation time[21]

在理想的磁流體中，MNP粒徑單一，且粒子間的相互作用可忽略不計(jì)，其有效弛豫時(shí)間可用交流磁化率的虛部和實(shí)部之比表示：

式中，χ和 χ分別為MNP交流磁化率的實(shí)部和虛部，τ為MNP有效弛豫時(shí)間。選擇合適的MNP，使有效弛豫時(shí)間可以用布朗弛豫時(shí)間表示，此時(shí)溫度測(cè)量模型可表示為：

式中，A、A和A為與溫度無關(guān)的系數(shù)。將有效弛豫時(shí)間τ作為被測(cè)量，結(jié)合式（4）可轉(zhuǎn)化為測(cè)量交流磁化率的實(shí)部與虛部，從而有望建立中高頻交流激勵(lì)磁場(chǎng)下的MNP溫度測(cè)量模型，如下式所示：

式中：B=ωA，i=1，2，3；ω為激勵(lì)頻率。

以上述溫度測(cè)量模型為基礎(chǔ)，何樂構(gòu)造了交流激勵(lì)下的磁納米膠體溶液磁化率測(cè)量裝置，證明該測(cè)溫模型具有可實(shí)現(xiàn)性；在實(shí)驗(yàn)中，通過改變交流激勵(lì)頻率值，測(cè)得了1～10 kHz范圍內(nèi)的溫度信息，最大誤差0.3 K，標(biāo)準(zhǔn)差0.1 K。磁納米弛豫時(shí)間溫度測(cè)量模型的建立及其可實(shí)現(xiàn)性的證明，使得在中高頻下實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量以及溫度成像有了新的發(fā)展思路。

由于高頻激勵(lì)下MNP的弛豫機(jī)制，交流激勵(lì)頻率的提高會(huì)造成能量損失、諧波幅值衰減，導(dǎo)致溫度測(cè)量誤差，而交流激勵(lì)幅值的增大又會(huì)在增大信噪比的同時(shí)縮短有效弛豫時(shí)間。在單頻激勵(lì)中，難以同時(shí)設(shè)置較好的交流激勵(lì)頻率和幅值。針對(duì)此問題，郭斯琳等采用多頻率混合激勵(lì)下的磁納米弛豫溫度測(cè)量模型，擴(kuò)大了MNP測(cè)溫的使用范圍。施加兩種頻率的激勵(lì)磁場(chǎng)能夠提高磁化強(qiáng)度的信噪比，同時(shí)使兩個(gè)探測(cè)線圈因溫度改變而產(chǎn)生的相位偏移得到改善。在構(gòu)建雙頻激勵(lì)下的測(cè)溫模型時(shí)，孫毅以最佳信噪比和溫度靈敏度為約束條件優(yōu)化選取諧波分量，獲得了比單頻激勵(lì)時(shí)更高的測(cè)溫精度和更寬的測(cè)溫范圍，同時(shí)還引入了互相關(guān)諧波算法以避免初始相移問題。

3 磁納米測(cè)溫的應(yīng)用

3.1 基于磁納米粒子增強(qiáng)的R2弛豫率測(cè)溫

在核磁共振成像系統(tǒng)中利用MNP造影劑獲得溫度信息是醫(yī)學(xué)影像領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)問題之一。核磁共振成像通過使用脈沖序列測(cè)量被測(cè)對(duì)象的弛豫時(shí)間 τ和 τ，可以準(zhǔn)確獲得被測(cè)對(duì)象的物理化學(xué)信息。核磁共振成像常需借助造影劑，一方面可以加快成像速率，另一方面也可以提高目標(biāo)成像區(qū)域與背景區(qū)域的對(duì)比度以產(chǎn)生更好的成像效果。衡量核磁共振成像弛豫過程增強(qiáng)效果的一個(gè)重要參數(shù)是“弛豫率”。MNP磁化響應(yīng)的溫度敏感性可以增強(qiáng)核磁共振弛豫過程中弛豫率的溫度特性，因此，MNP可替代常規(guī)的熒光標(biāo)記物，作為造影劑提高核磁共振成像的靈敏度。張亞鵬等將MNP引入核磁共振測(cè)溫中，建立了基于核磁共振橫向弛豫率（R）的測(cè)溫模型。通過總結(jié)MNP增強(qiáng)效應(yīng)下核磁共振R弛豫率與溫度的關(guān)系進(jìn)行溫度測(cè)量，獲得了0.05 K的測(cè)溫精度；其后，測(cè)量了 τ加權(quán)溫度成像圖像，驗(yàn)證了一種磁納米造影的磁共振溫度成像方法。圖5為參照初始磁化矢量溫度特性對(duì) τ加權(quán)溫度圖像修正之后獲得的溫度成像結(jié)果。可以直觀看出，隨著溫度升高，成像結(jié)果變得更加明亮，表明成像結(jié)果的信號(hào)強(qiáng)度隨著溫度升高而增強(qiáng)。對(duì)目標(biāo)圖像的灰度值取平均值，再以70 K時(shí)成像結(jié)果的平均灰度值為基本量進(jìn)行歸一化處理，所得到的成像結(jié)果可以更加清晰地反映出目標(biāo)圖像的信號(hào)強(qiáng)度，即處理后的圖像信號(hào)強(qiáng)度隨著溫度的上升而不斷增強(qiáng)，變化率約為0.35% K。

圖5 MNP水模樣品的核磁共振τ 2加權(quán)溫度成像[25]Fig.5 Nuclear magnetic resonance τ2-weighted temperature imaging of water model samples of magnetic nanoparticles[25]

3.2 大功率LED結(jié)溫測(cè)量

LED的使用時(shí)間、發(fā)光效率會(huì)受到LED結(jié)溫的影響，LED結(jié)溫過高又會(huì)使LED器件的工作特性受到影響。LED結(jié)溫升高，會(huì)使正向電流增大，而正向電流增大又會(huì)促使LED結(jié)溫升高，形成正反饋，導(dǎo)致LED的壽命降低以及發(fā)光特性、電學(xué)參數(shù)發(fā)生改變。因此，LED結(jié)溫是影響LED使用壽命的重要參數(shù)，有效控制LED溫度是目前擴(kuò)展大功率LED應(yīng)用領(lǐng)域亟待解決的問題。大功率LED結(jié)溫測(cè)量的難點(diǎn)在于其特殊的測(cè)量條件，即需要在封閉環(huán)境中實(shí)現(xiàn)非侵入式溫度測(cè)量。

MNP交流測(cè)溫是一種非侵入式溫度測(cè)量技術(shù)。通過分析MNP在正弦激勵(lì)磁場(chǎng)下的磁化響應(yīng)曲線，提取其中的奇次諧波分量，依據(jù)Langevin方程構(gòu)造與溫度相關(guān)的方程組，并利用矩陣方程方法求解高次非線性超定方程進(jìn)行溫度反演，實(shí)現(xiàn)非侵入式溫度測(cè)量。杜中州利用MNP交流測(cè)溫技術(shù)實(shí)現(xiàn)了LED結(jié)溫測(cè)量。制作了如圖6所示的兩種LED封裝模型，與樣品1不同的是，樣品2除了在藍(lán)光LED上涂抹一層MNP以外，還涂抹了一層黃色熒光粉混合物。樣品1模擬LED結(jié)溫層，樣品2模擬熒光層。圖7為測(cè)得的結(jié)溫層和熒光層的溫度變化?？梢钥吹剑瑢?duì)LED施加同樣大小的電壓并使其發(fā)光時(shí)，熒光層溫度比結(jié)溫層更高，表明結(jié)溫層并不是大功率LED溫度最高的涂層。實(shí)驗(yàn)中采用的溫度測(cè)量方法可以應(yīng)用于大功率LED的性能檢測(cè)，同時(shí)也為磁納米溫度傳感器在微納米尺度的應(yīng)用研究拓展了新的領(lǐng)域。

圖6 LED封裝圖[28]Fig.6 LED package drawing[28]

圖7 不同激勵(lì)下LED結(jié)溫層和熒光層溫度變化[28]Fig.7 Changes in LED junction temperature and phosphor layer temperature under different excitations[28]

3.3 磁納米粒子瞬態(tài)溫度測(cè)量

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，磁納米溫度計(jì)在越來越多的領(lǐng)域中體現(xiàn)了存在的必要性和需求的迫切性。在很多化學(xué)反應(yīng)和生物反應(yīng)中，物體溫度可能在極短時(shí)間內(nèi)發(fā)生巨大變化，物體某些參數(shù)也會(huì)因溫度的快速變化而產(chǎn)生不可忽略的改變，因此，對(duì)瞬態(tài)溫度進(jìn)行更加精確的測(cè)量，就能夠提供更為準(zhǔn)確的物體信息，尤其是在生物醫(yī)療、精密儀器、機(jī)械加工以及軍工等對(duì)瞬態(tài)溫度準(zhǔn)確測(cè)量要求較高的應(yīng)用領(lǐng)域。

利用MNP溫度敏感特性實(shí)現(xiàn)瞬態(tài)溫度測(cè)量的方法具有非接觸、高精度、高靈敏度的優(yōu)點(diǎn)。MNP尺寸小、熱容低，溫度在很短時(shí)間內(nèi)就能夠達(dá)到環(huán)境溫度，且溫度變化產(chǎn)生的磁響應(yīng)速度可達(dá)到皮秒時(shí)間單位，因此，可以考慮利用MNP實(shí)現(xiàn)快速溫度測(cè)量。徐文彪等基于傳熱學(xué)和超快磁動(dòng)力學(xué)相關(guān)理論分析了MNP溫度-磁響應(yīng)速度，提出了一種利用MNP的頻域響應(yīng)和時(shí)域響應(yīng)進(jìn)行溫度測(cè)量的創(chuàng)新方法，頻域響應(yīng)用于參數(shù)標(biāo)定，時(shí)域響應(yīng)用于求解溫度變化，可實(shí)現(xiàn)半侵入式瞬態(tài)溫度測(cè)量。圖8（a）為其所采用的光路結(jié)構(gòu)，圖8（b）為瞬態(tài)測(cè)溫實(shí)驗(yàn)示意圖，磁納米樣品和熱電偶傳感器被放置于與加熱目標(biāo)點(diǎn)相等距離處。實(shí)驗(yàn)中熱電偶傳感器的測(cè)量值用來進(jìn)行標(biāo)定，表明MNP可達(dá)到與熱電偶同等量級(jí)的測(cè)溫速度，以此驗(yàn)證利用MNP實(shí)現(xiàn)快速測(cè)溫的可行性；采用不同脈寬的單脈沖激光直接加熱MNP，獲得了14.4 ns的最佳時(shí)間分辨率。

圖8 磁納米瞬態(tài)溫度測(cè)量[29-30]Fig.8 Magnetic nanometer transient temperature measurement[29-30]

3.4 穿透金屬的遠(yuǎn)程磁納米測(cè)溫

現(xiàn)有的磁學(xué)測(cè)溫技術(shù)要求待測(cè)對(duì)象內(nèi)部不能存在金屬元器件，磁納米溫度測(cè)量同樣要求待測(cè)物體及其周圍不能存在順磁性材料，因此磁學(xué)測(cè)溫技術(shù)無法應(yīng)用于某些體內(nèi)裝有金屬器件（如心臟起搏器等）的患者或內(nèi)部包含金屬器件的裝置。郭斯琳等將交流電橋電感的測(cè)量手段引入MNP溫度測(cè)量模型，同時(shí)通過3個(gè)鐵芯線圈構(gòu)造的差分結(jié)構(gòu)來削弱磁性材料引起的環(huán)境噪聲，搭建了如圖9所示的溫度測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)鐵磁性器件內(nèi)部溫度的遠(yuǎn)距離探測(cè)，測(cè)量精度達(dá)到了2 K。這種測(cè)量方法不僅能夠消除鐵磁性材料帶來的背景干擾、實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬元件溫度的非接觸探測(cè)，而且能夠利用電感變化量測(cè)量溫度，與使用赫姆霍茲線圈激勵(lì)、差分線圈采集的結(jié)構(gòu)相比，可以有效縮小測(cè)量裝置的體積，更有利于將MNP應(yīng)用于實(shí)際溫度測(cè)量中。

圖9 基于電感的磁納米測(cè)溫方法[31]Fig.9 Magnetic nanometer temperature measurement method based on inductance[31]

3.5 高超聲速湍流溫度測(cè)量

磁納米涂層還有望應(yīng)用于高超聲速湍流的溫度測(cè)量及成像。在邊界層流向湍流轉(zhuǎn)捩過程中，存在復(fù)雜的熱力學(xué)與熱化學(xué)過程，難以進(jìn)行建模。湍流狀態(tài)下的飛行器表面溫度過高，甚至在轉(zhuǎn)捩點(diǎn)下游形成宏觀粗糙度導(dǎo)致湍流對(duì)流熱傳導(dǎo)加劇。因此，溫度是高超聲速飛行器設(shè)計(jì)中高度關(guān)注的重要參數(shù)。在磁納米測(cè)溫的基礎(chǔ)上，利用磁光轉(zhuǎn)化的物理效應(yīng)（磁光克爾效應(yīng)），使磁化強(qiáng)度測(cè)量轉(zhuǎn)化為光學(xué)測(cè)量。光學(xué)測(cè)量的速度可以達(dá)到納秒及皮秒量級(jí)。采用同樣具有納秒響應(yīng)速度的磁納米涂層，結(jié)合磁光克爾測(cè)量系統(tǒng)與納米磁學(xué)的溫度敏感性，在微秒、納秒甚至皮秒量級(jí)的溫度超快速測(cè)量中極具應(yīng)用前景。

4 總 結(jié)

將MNP應(yīng)用于溫度測(cè)量，被認(rèn)為是一種非接觸式、超快響應(yīng)、具備超高空間分辨率與超高溫度分辨率的溫度測(cè)量解決方案，具有廣闊的應(yīng)用前景。本文對(duì)幾種磁納米溫度測(cè)量方法進(jìn)行了綜述，除介紹激勵(lì)磁場(chǎng)分別為直流、交流情況下的磁納米溫度測(cè)量方法外，還介紹了將磁共振信號(hào)用于傳輸MNP溫度信息的方法。此外，基于快速測(cè)溫的迫切需求，介紹了一種磁流體交流弛豫測(cè)量模型，可實(shí)現(xiàn)基于混頻磁場(chǎng)激勵(lì)下的高頻諧波磁納米弛豫時(shí)間溫度測(cè)量方法。磁學(xué)溫度測(cè)量技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于核磁共振成像增強(qiáng)、LED結(jié)溫測(cè)量以及瞬態(tài)測(cè)溫。金屬等磁場(chǎng)干擾背景下的MNP溫度測(cè)量方法有望應(yīng)用飛行器蒙皮下金屬結(jié)構(gòu)件的瞬態(tài)溫度測(cè)量。磁光轉(zhuǎn)化以及光學(xué)測(cè)量的快速性使得磁納米涂層應(yīng)用于高超聲速湍流的溫度測(cè)量具有可實(shí)現(xiàn)性。