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磁流体磁化率—温度测量中的二阶相变现象

作　者: 向青
导　师: 孔力
学　校: 华中科技大学
专　业: 控制科学与工程
关键词: 磁流体磁化率磁温曲线聚集体分离二阶相变相转变温度
分类号: R318.0
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

本论文针对肿瘤磁感应热疗中的温度测量和射频加热效率等关键问题,借助蒙特卡罗仿真和实验测试等手段研究磁流体在生物医学温度窗口内的统计热力学行为,最终发现磁纳米粒子受温度调制的聚集体分离二阶相变现象,为活体内磁纳米粒子温度测量模型的修正及肿瘤热疗法加热系统的设计提供理论依据。论文的主要研究工作如下：(1)提出基于磁化曲线离散化的粒径分析方法获取了磁流体中聚集体类型的信息。该方法不同于现有的光学、声学等实验方法,而是从磁学测量和信息理论的角度获取粒径分布中隐含的聚集体信息,发现磁流体中二聚体含量占优势,仅有少量三聚体和多聚体存在。(2)采用蒙特卡罗模拟方法研究温度对磁流体中聚集分离行为的影响。基于Cluster-moving算法的Metropolis蒙特卡罗模拟方法,通过仿真磁纳米粒子间存在相互作用的情况下二维磁流体系统的行为,得到了不同温度下的磁纳米粒子聚集体型貌。研究发现,组成聚集体的粒子个数以及聚集体的体积分数均随温度的升高而减小,说明聚集体中的粒子发生了分离,且较多粒子组成的聚集体是逐步分裂成单体的；同时,相同类型的不同聚集体可能具有不同的磁矩。(3)建立基于聚集体分离二阶相变过程的温度模型,得到磁化率倒数与温度的具体函数关系,以及聚集体分离的相变温度。在朗道二阶相变理论的基础上,通过选择聚集体的体积分数作为序参量,推导聚集体分离的二阶相变模型,并由此对描述无相互作用的单体磁纳米粒子磁化曲线的经典朗之万方程进行修正,从而建立了基于聚集体分离二阶相变的磁化率倒数与温度的数学模型。由于磁流体中的聚集体发生分离,300～340 K温度范围内磁流体样品的磁化率倒数与温度的关系不符合居里定律描述的线性关系,而是呈现向上弯曲的非线性。实验数据的非线性与理论推导相互印证,据此可得到聚集体完全分离成单体的相变温度。(4)建立交变磁场频率与聚集体分离相变温度的数学模型,分析提高热疗法中磁纳米粒子加热效率的方法。低频交变磁场激励下的磁流体磁化率倒数与温度的实验曲线发现,表征聚集体分离过程的临界温度随随频率的升高而减小,即频率越高提供给聚集体分离的能量越大,使得只需要较低的加热温度就能使聚集体完全分离成单体。非线性拟合结果表明,聚集体分离的相转变临界温度与交变磁场频率之间的数学模型较好地解释了二者之间的定量关系。因此可通过设计具有较低聚集体分离相变温度的磁流体来提高热疗效率,并选择合适的频率,使聚集体在较低温度时就能完全分离成单体,从而工作在单体状态下继续加热。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-10
1 绪论  10-21
  1.1 研究背景及意义  10-12
  1.2 国内外研究现状  12-16
  1.3 问题陈述  16-17
  1.4 论文的课题来源  17
  1.5 论文的研究路线及内容安排  17-21
2 纳米磁性和磁流体  21-34
  2.1 引言  21
  2.2 纳米结构的磁性  21-26
  2.3 磁流体  26-33
  2.4 本章小结  33-34
3 磁流体中聚集体类型信息的获取  34-48
  3.1 引言  34
  3.2 磁流体中聚集体的形成  34-38
  3.3 磁流体磁化曲线的朗之万函数描述  38-44
  3.4 磁纳米粒子聚集体类型信息的获取  44-46
  3.5 本章小结  46-48
4 磁流体中聚集体分离的2D蒙特卡罗模拟  48-64
  4.1 引言  48
  4.2 蒙特卡罗方法  48-51
  4.3 Metropolis算法  51-54
  4.4 聚集体分离的2D蒙特卡罗模拟  54-63
  4.5 本章小结  63-64
5 基于聚集体分离二阶相变的磁温曲线模型  64-87
  5.1 引言  64-65
  5.2 直流磁场下磁化率倒数与温度关系的实验  65-69
  5.3 相变理论  69-81
  5.4 基于聚集体分离二阶相变模型的磁温曲线模型  81-84
  5.5 实验结果分析  84-86
  5.6 本章小结  86-87
6 交变磁场频率对聚集体分离二阶相变的影响  87-100
  6.1 引言  87
  6.2 不同交变磁场频率下的磁温曲线实验  87-90
  6.3 交变磁场频率与相转变温度的关系模型  90-96
  6.4 实验结果分析  96-99
  6.5 本章小结  99-100
7 总结与展望  100-103
  7.1 主要研究成果  100-101
  7.2 未来工作展望  101-103
致谢  103-104
参考文献  104-116
A 攻读博士期间发表和完成的学术论文以及申请的专利  116-117
B 公开发表的学术论文与博士论文的关系  117

磁流体磁化率—温度测量中的二阶相变现象

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