Болометр — это прибор для измерения лучистого тепла с помощью материала, имеющего электрическое сопротивление , зависящее от температуры . [1] [2] Он был изобретен в 1878 году американским астрономом Сэмюэлем Пирпонтом Лэнгли .
Болометр состоит из поглощающего элемента, например, тонкого слоя металла, соединенного с тепловым резервуаром (телом с постоянной температурой) через тепловую связь. Результатом является то, что любое излучение, падающее на поглощающий элемент, повышает его температуру выше температуры резервуара — чем больше поглощенная мощность, тем выше температура. Собственная тепловая постоянная времени, которая устанавливает скорость детектора, равна отношению теплоемкости поглощающего элемента к теплопроводности между поглощающим элементом и резервуаром. [3] Изменение температуры можно измерить непосредственно с помощью присоединенного резистивного термометра , или сопротивление самого поглощающего элемента можно использовать в качестве термометра. Металлические болометры обычно работают без охлаждения. Они изготавливаются из тонкой фольги или металлических пленок. Сегодня большинство болометров используют полупроводниковые или сверхпроводниковые поглощающие элементы, а не металлы. Эти устройства могут работать при криогенных температурах, что обеспечивает значительно большую чувствительность.
Болометры напрямую чувствительны к энергии, оставшейся внутри поглотителя. По этой причине их можно использовать не только для ионизирующих частиц и фотонов , но и для неионизирующих частиц, любого вида излучения и даже для поиска неизвестных форм массы или энергии (например, темной материи ); это отсутствие дискриминации также может быть недостатком. Наиболее чувствительные болометры очень медленно сбрасываются (т. е. возвращаются к тепловому равновесию с окружающей средой). С другой стороны, по сравнению с более традиционными детекторами частиц, они чрезвычайно эффективны в энергетическом разрешении и чувствительности. Их также называют тепловыми детекторами.
Первые болометры, изготовленные Лэнгли, состояли из двух полосок стальной , платиновой или палладиевой фольги, покрытых сажей . [4] [5] Одна полоска была защищена от излучения, а другая подвергалась его воздействию. Полоски образовывали две ветви моста Уитстона , который был снабжен чувствительным гальванометром и подключен к батарее. Электромагнитное излучение, падающее на открытую полоску, нагревало ее и изменяло ее сопротивление. К 1880 году болометр Лэнгли был достаточно усовершенствован, чтобы обнаруживать тепловое излучение от коровы на расстоянии четверти мили (400 м). [6] Этот детектор лучистого тепла чувствителен к разнице температур в одну стотысячную градуса Цельсия (0,00001 °C). [7] Этот прибор позволил ему проводить тепловое обнаружение в широком спектре, отмечая все главные линии Фраунгофера . Он также открыл новые атомные и молекулярные линии поглощения в невидимой инфракрасной части электромагнитного спектра. Никола Тесла лично спросил доктора Лэнгли, может ли он использовать его болометр для своих экспериментов по передаче энергии в 1892 году. Благодаря этому первому использованию ему удалось провести первую демонстрацию между Вест-Пойнтом и своей лабораторией на Хьюстон-стрит. [8]
Хотя болометры могут использоваться для измерения излучения любой частоты, для большинства диапазонов длин волн существуют другие методы обнаружения, которые более чувствительны. Для длин волн от субмиллиметровых до миллиметровых (от примерно 200 мкм до нескольких мм, также известных как дальний инфракрасный диапазон , терагерц ) болометры являются одними из самых чувствительных доступных детекторов и поэтому используются в астрономии на этих длинах волн. Для достижения наилучшей чувствительности их необходимо охлаждать до доли градуса выше абсолютного нуля (обычно от 50 мК до 300 мК [9] ). Известные примеры болометров, используемых в субмиллиметровой астрономии, включают Космическую обсерваторию Гершеля , Телескоп Джеймса Клерка Максвелла и Стратосферную обсерваторию инфракрасной астрономии (SOFIA). Недавними примерами болометров, используемых в астрономии миллиметрового диапазона, являются AdvACT , массив BICEP , SPT-3G и камера HFI на спутнике Planck , а также планируемая обсерватория Саймонса , эксперимент CMB-S4 [10] и спутник LiteBIRD .
Термин болометр также используется в физике элементарных частиц для обозначения нетрадиционного детектора частиц . Они используют тот же принцип, что описан выше. Болометры чувствительны не только к свету, но и к любой форме энергии. Принцип работы аналогичен принципу работы калориметра в термодинамике . Однако приближения, сверхнизкая температура и различное назначение устройства делают эксплуатационное использование довольно различным. На жаргоне физики высоких энергий эти устройства не называются «калориметрами», поскольку этот термин уже используется для другого типа детектора (см. Калориметр ). Их использование в качестве детекторов частиц было предложено с начала 20-го века, но первое регулярное, хотя и пионерское, использование было только в 1980-х годах из-за трудностей, связанных с охлаждением и работой системы при криогенной температуре . Их все еще можно считать находящимися на стадии разработки.
Болометры играют ключевую роль в мониторинге излучения в термоядерной плазме. Стелларатор Wendelstein 7-X (W7-X) использует двухкамерную болометрическую систему для захвата плазменного излучения. Эта установка оптимизирована для определения двумерных распределений излучения в симметричном треугольном поперечном сечении плазмы. Недавний прогресс включает в себя усовершенствование алгоритма томографической реконструкции, который опирается на принцип относительного сглаживания градиента (RGS) профилей излучения. Это было эффективно применено к водородным разрядам W7-X, питаемым от электронно-циклотронного резонансного нагрева (ECRH). С точки зрения оборудования, болометры W7-X оснащены металлорезистивными детекторами. Они отличаются золотым поглотителем толщиной 5 мкм, размером 1,3 мм в полоидальном направлении и 3,8 мм в тороидальном направлении, установленным на керамической (нитрид кремния Si3N4) подложке. Включение 50 нм углеродного слоя является стратегическим, повышая эффективность обнаружения низкоэнергетических фотонов. Эти детекторы особенно настроены на излучение примесных линий, охватывая спектр от самого ультрафиолета (VUV) до мягкого рентгеновского излучения (SXR). Учитывая их устойчивость и инновационный дизайн, они рассматриваются в качестве прототипов для будущих болометрических детекторов ITER . [11] [12]
Микроболометр — это особый тип болометра , используемый в качестве детектора в тепловизионной камере . Это сетка из оксида ванадия или аморфного кремния тепловых датчиков поверх соответствующей сетки из кремния . Инфракрасное излучение определенного диапазона длин волн попадает на оксид ванадия или аморфный кремний и изменяет его электрическое сопротивление . Это изменение сопротивления измеряется и преобразуется в температуры, которые можно представить графически. Сетка микроболометра обычно встречается в трех размерах: матрица 640×480, матрица 320×240 (аморфный кремний 384×288) или менее дорогая матрица 160×120. Матрицы VOx 640×512 обычно используются в статических камерах безопасности с низкими требованиями к ударопрочности. Различные матрицы обеспечивают одинаковое разрешение, а большая матрица обеспечивает более широкое поле зрения . [ необходима цитата ] Более крупные матрицы, 1024×768, были анонсированы в 2008 году.
Болометр на горячих электронах (HEB) работает при криогенных температурах, обычно в пределах нескольких градусов от абсолютного нуля . При этих очень низких температурах электронная система в металле слабо связана с фононной системой. Мощность, связанная с электронной системой, выводит ее из теплового равновесия с фононной системой, создавая горячие электроны. [13] Фононы в металле обычно хорошо связаны с фононами подложки и действуют как тепловой резервуар. При описании производительности HEB соответствующая теплоемкость — это электронная теплоемкость, а соответствующая теплопроводность — это электронно-фононная теплопроводность.
Если сопротивление поглощающего элемента зависит от температуры электронов, то сопротивление можно использовать в качестве термометра электронной системы. Это касается как полупроводниковых , так и сверхпроводящих материалов при низкой температуре. Если поглощающий элемент не имеет зависящего от температуры сопротивления, как это типично для обычных (несверхпроводящих) металлов при очень низкой температуре, то присоединенный резистивный термометр можно использовать для измерения температуры электронов. [3]
Болометр может использоваться для измерения мощности на микроволновых частотах. В этом приложении резистивный элемент подвергается воздействию микроволновой мощности. Постоянный ток смещения подается на резистор для повышения его температуры посредством джоулева нагрева , так что сопротивление согласуется с характеристическим сопротивлением волновода. После подачи микроволновой мощности ток смещения уменьшается, чтобы вернуть болометр к его сопротивлению при отсутствии микроволновой мощности. Изменение постоянной мощности тогда равно поглощенной микроволновой мощности. Чтобы отклонить влияние изменений температуры окружающей среды, активный (измерительный) элемент находится в мостовой схеме с идентичным элементом, не подвергающимся воздействию микроволн; изменения температуры, общие для обоих элементов, не влияют на точность показаний. Среднее время отклика болометра позволяет удобно измерять мощность импульсного источника. [14]
В 2020 году две группы сообщили о микроволновых болометрах на основе материалов на основе графена, способных обнаруживать микроволны на уровне отдельных фотонов. [15] [16] [17]
Я полагаю, что у меня были сотни устройств, но первое устройство, которое я использовал, и оно было очень успешным, было усовершенствованием болометра. Я встретил профессора Лэнгли в 1892 году в Королевском институте. Он сказал мне, после того как я прочитал лекцию, что они все гордятся мной. Я рассказал ему о болометре и заметил, что это прекрасный прибор. Затем я сказал: «Профессор Лэнгли, у меня есть предложение по усовершенствованию болометра, если вы воплотите его в принципе». Я объяснил ему, как можно улучшить болометр. Профессор Лэнгли был очень заинтересован и записал в своей тетради то, что я предложил. Я использовал то, что я назвал сопротивлением малой массы, но гораздо меньшей массы, чем в болометре Лэнгли, и гораздо меньшей массы, чем у любого из устройств, которые были зарегистрированы в патентах, выданных с тех пор. Это неуклюжие вещи. Я использовал массы, которые не были миллионной долей наименьшей массы, описанной в любом из патентов или в публикациях. С таким инструментом я работал, например, в Вест-Пойнте — я получал сигналы из своей лаборатории на Хьюстон-стрит в Вест-Пойнте.
