Bolometer - Bolometer

Billede af spiderweb bolometer til målinger af den kosmiske mikrobølgebaggrundsstråling.
Spiderweb bolometer til målinger af den kosmiske mikrobølgebaggrundsstråling . Billedkredit: NASA / JPL-Caltech .

Et bolometer er et apparat til måling af effekten af ​​indfaldende elektromagnetisk stråling via opvarmning af et materiale med en temperaturafhængig elektrisk modstand . Det blev opfundet i 1878 af den amerikanske astronom Samuel Pierpont Langley .

Driftsprincip

Konceptuel skematisk af et bolometer.
Konceptuel skematisk af et bolometer . Power, P , fra en hændelse signal absorberes og opvarmer en termisk masse med varmekapacitet , C , og temperaturen, T . Den termiske masse er forbundet med et reservoir med konstant temperatur gennem et link med varmekonduktans , G . Temperaturstigningen er Δ T = P / G og måles med en resistiv termometer, tillader bestemmelsen af P . Den iboende termiske tidskonstant er τ = C / G .

Et bolometer består af et absorberende element, såsom et tyndt lag metal, forbundet til et termisk reservoir (et legeme med konstant temperatur) gennem et termisk link. Resultatet er, at enhver stråling, der påvirker det absorberende element, hæver temperaturen over reservoirets temperatur - jo større den absorberede effekt er, desto højere temperatur. Den iboende termiske tidskonstant, som indstiller detektorens hastighed, er lig med forholdet mellem det absorberende elements varmekapacitet og den termiske ledningsevne mellem det absorberende element og reservoiret. Temperaturændringen kan måles direkte med et tilsluttet resistivt termometer , eller modstanden fra det absorberende element i sig selv kan bruges som et termometer. Metalbolometre fungerer normalt uden afkøling. De er fremstillet af tynde folier eller metalfilm. I dag bruger de fleste bolometre halvleder- eller superlederabsorberende elementer snarere end metaller. Disse enheder kan betjenes ved kryogene temperaturer, hvilket muliggør signifikant større følsomhed.

Bolometre er direkte følsomme over for den energi, der er tilbage i absorberen. Af denne grund kan de ikke kun bruges til ioniserende partikler og fotoner , men også til ikke-ioniserende partikler, enhver form for stråling og endda til at søge efter ukendte former for masse eller energi (som mørkt stof ); denne mangel på forskelsbehandling kan også være en mangel. De mest følsomme bolometre er meget langsomme at nulstille (dvs. vende tilbage til termisk ligevægt med miljøet). På den anden side sammenlignet med mere konventionelle partikeldetektorer er de ekstremt effektive med hensyn til energiopløsning og følsomhed. De er også kendt som termiske detektorer.

Langleys bolometer

De første bolometre fremstillet af Langley bestod af to stål- , platin- eller palladiumfoliestrimler dækket med lampesort . En strimmel blev beskyttet mod stråling og en udsat for den. Strimlerne dannede to grene af en Wheatstone-bro, der var udstyret med et følsomt galvanometer og forbundet til et batteri. Elektromagnetisk stråling, der falder på den eksponerede strimmel, vil opvarme den og ændre dens modstand. I 1880 blev Langleys bolometer raffineret nok til at registrere termisk stråling fra en ko en kvart kilometer væk. Denne strålevarmedetektor er følsom over for temperaturforskelle på hundrede tusind grader Celsius (0,00001 C). Dette instrument gjorde det muligt for ham at opdage termisk på tværs af et bredt spektrum og bemærke alle de vigtigste Fraunhofer-linjer . Han opdagede også nye atomare og molekylære absorptionslinjer i den usynlige infrarøde del af det elektromagnetiske spektrum. Nikola Tesla spurgte personligt Dr. Langley, om han kunne bruge sit bolometer til sine kraftoverførselseksperimenter i 1892. Takket være den første anvendelse lykkedes det ham at foretage den første demonstration mellem West Point og hans laboratorium på Houston Street.

Anvendelser inden for astronomi

Mens bolometre kan bruges til at måle stråling af en hvilken som helst frekvens, er der for de fleste bølgelængdeområder andre detektionsmetoder, der er mere følsomme. For sub-millimeter bølgelængder (fra ca. 200 µm til 1 mm bølgelængde, også kendt som den langt infrarøde eller terahertz ), er bolometre blandt de mest følsomme tilgængelige detektorer og bruges derfor til astronomi ved disse bølgelængder. For at opnå den bedste følsomhed skal de afkøles til en brøkdel af en grad over absolut nul (typisk fra 50 mK til 300 mK). Bemærkelsesværdige eksempler på bolometre anvendt i submillimeter-astronomi inkluderer Herschel Space Observatory , James Clerk Maxwell Telescope og Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy (SOFIA).

Anvendelser inden for partikelfysik

Udtrykket bolometer bruges også i partikelfysik til at betegne en ukonventionel partikeldetektor . De bruger det samme princip som beskrevet ovenfor. Bolometrene er ikke kun følsomme over for lys, men for enhver form for energi. Driftsprincippet svarer til et kalorimeter i termodynamik . Imidlertid gør tilnærmelserne, ultra lav temperatur og enhedens forskellige formål den operationelle brug temmelig anderledes. I jargonen inden for højenergifysik kaldes disse enheder ikke "kalorimetre", da dette udtryk allerede bruges til en anden type detektor (se kalorimeter ). Deres anvendelse som partikeldetektorer blev foreslået fra begyndelsen af ​​det 20. århundrede, men den første regelmæssige, skønt banebrydende brug, var kun i 1980'erne på grund af vanskelighederne forbundet med køling og drift af et system ved kryogen temperatur . De kan stadig betragtes som i udviklingsstadiet.

Mikrobolometre

Hovedartikel: Microbolometer

Et mikrobolometer er en bestemt type bolometer, der bruges som detektor i et termisk kamera . Det er et gitter af vanadiumoxid eller amorfe siliciumvarmesensorer oven på et tilsvarende gitter af silicium . Infrarød stråling fra et bestemt område af bølgelængder rammer vanadiumoxidet eller det amorfe silicium og ændrer dets elektriske modstand . Denne modstandsændring måles og bearbejdes til temperaturer, som kan gengives grafisk. Mikrobolometergitteret findes almindeligvis i tre størrelser, et 640 × 480 array, et 320 × 240 array (384 × 288 amorft silicium) eller billigere 160 × 120 array. Forskellige arrays giver den samme opløsning med større array, der giver et bredere synsfelt . Større 1024 × 768 arrays blev annonceret i 2008.

Varmt elektronbolometer

Det varme elektronbolometer (HEB) fungerer ved kryogene temperaturer, typisk inden for et par grader af absolut nul . Ved disse meget lave temperaturer er elektronsystemet i et metal svagt koblet til fononsystemet . Kraft koblet til elektronsystemet driver det ud af termisk ligevægt med fononsystemet, hvilket skaber varme elektroner. Fononer i metallet er typisk godt koblet til substratfononer og fungerer som et termisk reservoir. I beskrivelsen af ​​HEB's ydeevne er den relevante varmekapacitet den elektroniske varmekapacitet, og den relevante termiske ledning er elektron-phonon-varmeledningsevnen.

Hvis modstanden af det absorberende element afhænger af elektrontemperaturen, kan modstanden bruges som et termometer for elektronsystemet. Dette er tilfældet for både halvledende og superledende materialer ved lav temperatur. Hvis det absorberende element ikke har en temperaturafhængig modstand, som det er typisk for normale (ikke-superledende) metaller ved meget lav temperatur, kan et vedhæftet resistivt termometer bruges til at måle elektrontemperaturen.

Mikrobølge måling

Et bolometer kan bruges til at måle effekt ved mikrobølgefrekvenser . I denne applikation udsættes et resistivt element for mikrobølgeeffekt. En jævnstrømsspændingsstrøm påføres modstanden for at hæve temperaturen via Joule-opvarmning , således at modstanden matches med bølgelederens karakteristiske impedans. Efter anvendelse af mikrobølgekraft reduceres forspændingsstrømmen for at bringe bolometeret tilbage til dets modstand i fravær af mikrobølgekraft. Ændringen i jævnstrømseffekten svarer derefter til den absorberede mikrobølgeeffekt. For at afvise effekten af ​​ændringer i omgivelsestemperaturen er det aktive (måle) element i et brokredsløb med et identisk element, der ikke udsættes for mikrobølger; variationer i temperatur, der er fælles for begge elementer, påvirker ikke aflæsningens nøjagtighed. Den gennemsnitlige responstid for bolometeret muliggør praktisk måling af effekten af ​​en pulserende kilde.

I 2020 rapporterede to grupper mikrobølgebolometre baseret på grafenbaserede materialer, der er i stand til at detektere mikrobølge på enkeltfotonniveau.

Se også

Referencer

eksterne links