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High-Precision Temperature Estimation Based on Magnetic Nanoparticles Dominated by Brownian Relaxation Under Combined AC and DC Magnetic Fields

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作者
Zhongzhou Du,Wenze Zhang,Yi Sun,Na Ye,Yong Gan,Pengchao Wang,Xinwei Zhang,Yuanhao Zhang,Shijie Han,Haochen Zhang,Haozhe Wang,Wenzhong Liu,T. Yoshida
出处
期刊:IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:75: 1-14
标识
DOI:10.1109/tim.2026.3657562
摘要

Brownian relaxation is one of the primary mechanisms that allows magnetic nanoparticles (MNPs) to convert magnetic energy into thermal energy under an excitation magnetic field. Accurately characterizing the MNP’s magnetization dynamics dominated by Brownian relaxation is crucial for achieving high-precision temperature estimation. However, the lack of a readily applicable analytical expression remains a major obstacle to the advancement of magnetic nanoparticle hyperthermia (MNPH). In this paper, the perturbation method was applied to derive analytical expressions from the Fokker-Planck equation, which characterized MNP’s magnetization behaviors under the AC and DC magnetic fields. Numerical simulations were conducted to validate the accuracy of the analytical expressions and to explore the correlation between temperature and the magnetization. Then, a temperature analysis model based on magnetization harmonics was constructed. The first to second harmonic ratios and first harmonic phases were used to calculate MNP’s temperature, respectively. The experimental results demonstrate that within 310 K to 320 K, the estimation error of the temperature using the amplitude ratio of the first to second harmonics is below 0.02 K, while the error using the first harmonic phase is below 0.03 K. The derived analytical expressions are expected to enhance the accuracy of MNP temperature measurements and facilitate their broader applications in MNPH and MNP imaging.
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