Болометр — это прибор для измерения лучистого тепла с помощью материала, электрическое сопротивление которого зависит от температуры . [1] [2] Он был изобретен в 1878 году американским астрономом Сэмюэлем Пирпонтом Лэнгли .
Болометр состоит из поглощающего элемента, такого как тонкий слой металла, соединенного с тепловым резервуаром (телом постоянной температуры) через тепловую связь. В результате любое излучение, падающее на поглощающий элемент, повышает его температуру выше температуры резервуара – чем больше поглощаемая мощность, тем выше температура. Собственная тепловая постоянная времени, задающая скорость детектора, равна отношению теплоемкости поглощающего элемента к теплопроводности между поглощающим элементом и резервуаром. [3] Изменение температуры можно измерить непосредственно с помощью прикрепленного резистивного термометра или в качестве термометра можно использовать сопротивление самого поглощающего элемента. Металлические болометры обычно работают без охлаждения. Их производят из тонкой фольги или металлических пленок. Сегодня в большинстве болометров используются 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 ); отсутствие дискриминации также может быть недостатком. Наиболее чувствительные болометры очень медленно перезагружаются (т. е. возвращаются к тепловому равновесию с окружающей средой). С другой стороны, по сравнению с более традиционными детекторами частиц они чрезвычайно эффективны по энергетическому разрешению и чувствительности. Они также известны как тепловые детекторы.
Первые болометры, изготовленные Лэнгли, состояли из двух полосок стальной , платиновой или палладиевой фольги, покрытых ламповой сажей . [4] [5] Одна полоска была защищена от радиации, а другая подверглась ее воздействию. Полоски образовывали две ветви моста Уитстона , оснащенного чувствительным гальванометром и подключенного к батарее. Электромагнитное излучение, падая на открытую полосу, нагревало бы ее и изменяло бы ее сопротивление. К 1880 году болометр Лэнгли был достаточно усовершенствован, чтобы обнаруживать тепловое излучение 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 осуществлять термическое обнаружение в широком спектре, отмечая все основные линии Фраунгофера . Он также обнаружил новые линии атомного и молекулярного поглощения в невидимой инфракрасной части электромагнитного спектра. Никола Тесла лично спросил доктора Лэнгли, может ли он использовать свой 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 можно использовать для измерения излучения любой частоты, для большинства диапазонов длин волн существуют другие, более чувствительные методы обнаружения. Для длин волн от субмиллиметрового до миллиметрового диапазона (от примерно 200 мкм до нескольких миллиметров длины волны, также известного как дальний инфракрасный диапазон , терагерцовый диапазон ) болометры являются одними из наиболее чувствительных доступных детекторов и поэтому используются в астрономии на этих длинах волн. Для достижения наилучшей чувствительности их необходимо охладить до долей 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, который описан выше. Болометры чувствительны не только к свету, но и ко всем формам энергии. Принцип действия подобен принципу калориметра в термодинамике . Однако приближения, сверхнизкая температура и различное назначение устройства делают его эксплуатационное использование весьма разным. 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 новаторское, использование произошло 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. В стеллараторе Wendelstein 7-X (W7-X) используется двухкамерная болометрическая система для захвата излучения плазмы. Эта установка оптимизирована для идентификации двумерного распределения излучения в симметричном треугольном поперечном сечении плазмы. Недавний прогресс включает усовершенствование алгоритма томографической реконструкции, основанного на принципе относительного градиентного сглаживания (RGS) профилей выбросов. Это было эффективно применено к водородным разрядам W7-X, питаемым электронным циклотронным резонансным нагревом (ECRH). Аппаратно болометры W7-X оснащены металлорезистивными детекторами. Они отличаются золотым поглотителем толщиной 5 мкм, размерами 1,3 мм в полоидальном направлении и 3,8 мм в тороидальном, установленном на керамической (нитрид кремния Si3N4) подложке. Включение углеродного слоя толщиной 50 нм является стратегическим, поскольку повышает эффективность обнаружения фотонов низкой энергии. Эти детекторы особенно настроены на излучение примесных линий, охватывающее спектр от самого ультрафиолета (ВУФ) до мягкого рентгеновского излучения (SXR). Учитывая их надежность и инновационный дизайн, они рассматриваются в качестве прототипов будущих болометрических детекторов ИТЭР . [11] [12]
Микроболометр — это особый тип болометра , используемый в качестве детектора в тепловизионной камере . Это сетка тепловых датчиков из оксида ванадия или аморфного кремния поверх соответствующей сетки из кремния . Инфракрасное излучение определенного диапазона длин волн воздействует 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 бывает трех размеров: матрица 640×480, матрица 320×240 (аморфный кремний 384×288) или менее дорогая матрица 160×120. Различные массивы обеспечивают одинаковое разрешение, а больший массив обеспечивает более широкое поле зрения . [ нужна ссылка ] В 2008 году были анонсированы более крупные массивы размером 1024×768.
Болометр с горячими электронами (HEB) работает при криогенных температурах, обычно в пределах нескольких градусов от абсолютного нуля . При таких 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 характеристик HEB соответствующей теплоемкостью является электронная теплоемкость, а соответствующей теплопроводностью является электрон-фононная теплопроводность.
Если сопротивление поглощающего элемента зависит от температуры электронов, то сопротивление можно использовать в качестве термометра электронной системы. Это справедливо как для полупроводниковых , так и для сверхпроводящих материалов при низких температурах. Если поглощающий элемент не имеет сопротивления, зависящего от температуры, как это характерно для обычных (несверхпроводящих) металлов при очень низкой температуре, то для измерения температуры электронов можно использовать прилагаемый резистивный термометр. [3]
Болометр можно использовать для измерения мощности на микроволновых частотах. В этом случае резистивный элемент подвергается воздействию микроволновой энергии. К резистору подается постоянный ток смещения, чтобы повысить его температуру за счет джоулева нагрева , так что сопротивление согласуется с характеристическим сопротивлением волновода. После подачи СВЧ-мощности ток смещения уменьшается, чтобы вернуть сопротивление болометра в отсутствие СВЧ-мощности. Тогда изменение мощности постоянного тока будет равно поглощенной микроволновой мощности. Чтобы исключить влияние изменений температуры окружающей среды, активный (измерительный) элемент включается по мостовой схеме с идентичным элементом, не подвергающимся воздействию микроволн; колебания 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 микроволновое излучение на однофотонном уровне. [15] [16] [17]
Полагаю, у меня были сотни устройств, но первое устройство, которое я использовал, и оно оказалось очень успешным, было усовершенствованной версией болометра. Я встретил профессора Лэнгли в 1892 году в Королевском институте. После того как я прочитал лекцию, он сказал мне, что все мной гордятся. Я рассказал ему о болометре и заметил, что это прекрасный инструмент. 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 очень заинтересовался и записал в свой блокнот 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 составляли и миллионной доли наименьшей массы, описанной ни в одном из патентов или публикаций. С таким прибором я работал, например, в Вест-Пойнте — я принимал сигналы из своей лаборатории на Хьюстон-стрит в Вест-Пойнте.
