Bolometru

Bolometru cu pânză de păianjen pentru măsurarea radiației cosmice de fundal . NASA / JPL-Caltech .

Bolometrul (din limba greacă: βολόμετρον "bolometron", metru (-μετρον) al obiectelor aruncate (βολο-)) este un dispozitiv utilizat pentru măsurarea puterii radiației electromagnetice . Acest dispozitiv convertește energia incidentă a radiației electromagnetice în energie internă a absorbantului. Acesta din urmă este (sau este conectat la) un termometru : prin urmare, temperatura absorbantului este proporțională cu puterea incidentă.

fundal

Primul bolometru realizat de Langley consta din două benzi subțiri de oțel , platină sau paladiu acoperite cu negru de fum ^[1] ^[2] . O bandă a fost expusă la radiații, cealaltă a fost acoperită. Fâșiile au format două ramuri ale unui pod Wheatstone care a fost integrat cu un galvanometru de înaltă sensibilitate și alimentat de o baterie. Radiația electromagnetică care afectează banda expusă l-ar fi încălzit și i-ar fi schimbat rezistența. În 1880, bolometrul lui Langley era atât de sensibil încât putea detecta radiațiile infraroșii de la o vacă aflată la 400 m distanță ^[3] . Acest instrument i-a permis să dezvăluie termic principalele linii Fraunhofer din spectrul larg al luminii solare. Nikola Tesla i-a cerut personal lui Langley să-și poată folosi bolometrul pentru experimentele de transmisie a puterii undelor electromagnetice pe care le-a făcut în 1892. Datorită bolometrului, Tesla a reușit să demonstreze transmisia între West Point și laboratorul său ^[4] . Un bolometru poate fi sensibil la diferențe de temperatură de doar 10 milioane de grade Celsius (0,00001 C) ^[5] .

Principiul de funcționare

Diagrama de principiu a bolometrului . Puterea, P , dintr-o sursă este absorbită de bolometru și încălzește o masă cu o capacitate de căldură , C și temperatura, T. Masa este conectată la o rezervă termică printr-o conductivitate termică , G. Creșterea temperaturii este Δ T = P / G. Modificarea temperaturii este citită cu un termometru rezistiv. Constanta termică intrinsecă este τ = C / G.

Un bolometru constă dintr-un element absorbant, cum ar fi un strat subțire de metal, conectat la o rezervă termică (un corp la o temperatură constantă) printr-o conexiune termică. Rezultatul este că fiecare radiație incidentă asupra elementului absorbant își ridică temperatura peste cea a rezervei, cu cât puterea absorbită este mai mare, cu atât creșterea temperaturii este mai mare. Constanta de timp termică intrinsecă, care determină viteza dispozitivului, este egală cu raportul dintre capacitatea termică a absorbantului și conductivitatea termică dintre absorbant și rezerva termică ^[6] . Schimbarea temperaturii poate fi măsurată direct cu un termometru pe absorbant sau rezistența absorbantului în sine poate fi utilizată ca termometru. Bolometrele metalice funcționează în mod normal fără răcire. Acestea constau din foi subțiri sau folii metalice. Majoritatea bolometrelor folosesc semiconductori sau supraconductori ca absorbant, mai degrabă decât metale. Aceste dispozitive pot funcționa la temperaturi criogene , ceea ce permite o sensibilitate mai mare.

Bolometrele sunt sensibile la energia eliberată pe absorbant, din acest motiv pot fi utilizate nu numai pentru a detecta particule ionizante și neionizante, cum ar fi fotonii , ci orice tip de radiație, chiar și pentru forme încă necunoscute de energie, această lipsă de selectivitate în unele cazuri este un defect. Bolometrele cele mai sensibile sunt foarte lente, adică timpul necesar pentru a reveni la echilibrul termic este foarte lung.

Tipuri de bolometre

Detectorii bolometrici diferă în modul în care se măsoară schimbarea temperaturii ^[6] .

Bolometrele metalice pentru temperatura camerei Langley nu mai sunt folosite, mult mai frecvente sunt cele cu semiconductoare la temperatura camerei. În timp ce la temperatura criogenică sunt preferate cele supraconductoare .

În termopile efectul termoelectric este utilizat pentru citirea temperaturii. Pentru a avea un semnal de tensiune intens, multe termocupluri sunt de obicei plasate în serie.

În celula Golay , în care radiația încălzește un anvelopă gazoasă cu o membrană subțire, temperatura este măsurată prin devierea unei mici oglinzi.

În detectoarele piroelectrice , creșterea temperaturii determină o variație măsurabilă a constantei dielectrice relative . Materialul piroelectric este conținut într-un condensator alimentat cu tensiune constantă, care este, prin urmare, o sursă de curent proporțională cu variația de temperatură a materialului.

Bolometre de grafen extrem de rapide ^[7] (timpii de citire sunt în jur de picosecunde ), dezvoltate la MIT ar permite astfel de dispozitive să fie operaționale la temperatura camerei. ^[8]

Cifre de merit

Există diferiți parametri numerici utilizați pentru caracterizarea bolometrelor ^[9] .

Sensibilitate

Parametrul de răspuns este definit de relația dintre semnalul de ieșire și puterea incidentă pe bolometru și este adesea identificat cu simbolul $R.$ ${\ displaystyle R}$ $R.$ , dacă răspunsul detectorului este activ, avem:

R_{V}={\frac {V_{S}}{P_{o}}}

{\ displaystyle R_ {V} = {\ frac {V_ {S}} {P_ {o}}}}

{\ displaystyle R_ {V} = {\ frac {V_ {S}} {P_ {o}}}}

Unde este $V_{S}$ ${\ displaystyle V_ {S}}$ $V_ {S}$ este tensiunea de ieșire pentru o putere incidentă $P_{o}$ ${\ displaystyle P_ {o}}$ ${\ displaystyle P_ {o}}$ . Sensibilitatea depinde de obicei de frecvență $f$ ${\ displaystyle f}$ $f$ . În cazul în care radiația incidentă este cea a unui corp negru la temperatură $T.$ ${\ displaystyle T}$ $T.$ este definită capacitatea de reacție a corpului negru $R(T,f)$ ${\ displaystyle R (T, f)}$ ${\ displaystyle R (T, f)}$ . Deși capacitatea de răspuns este un parametru util pentru înțelegerea modului în care funcționează un detector, acesta nu spune nimic despre semnalul minim detectabil, care depinde de zgomot. Prin urmare, nu este posibil să se compare bolometrele pe baza capacității lor de reacție.

Putere de zgomot echivalentă

În general, folosim termenul englezesc Noise Equivalent Power cu acronimul NEP, reprezintă puterea incidentă care produce un semnal egal cu zgomotul pătrat mediu. Deci, dacă semnalul de ieșire este în tensiune și tensiunea medie a zgomotului pătrat este validă $V_{N}$ ${\ displaystyle V_ {N}}$ ${\ displaystyle V_ {N}}$ avem asta:

NEP(f)={\frac {V_{N}(f)}{R_{V}(f)}}

{\ displaystyle NEP (f) = {\ frac {V_ {N} (f)} {R_ {V} (f)}}}

{\ displaystyle NEP (f) = {\ frac {V_ {N} (f)} {R_ {V} (f)}}}

În general, zgomotul pătrat mediu este definit pentru o bandă de trecere de 1 Hz și, prin urmare, NEP este definit și pentru aceeași bandă de trecere, astfel încât unitățile de măsură NEP sunt W Hz ^-1/2 . Caracteristicile unui bolometru sunt cu atât mai bune cu cât această cifră de merit este mai mică.

Detectivitatea

De fapt, în bolometre, dimensiunea suprafeței detectorului joacă un rol, cu cât suprafața este mai mare, cu atât este mai mare puterea incidentă. Deci dacă suprafața bolometrului este $A_{B}$ ${\ displaystyle A_ {B}}$ ${\ displaystyle A_ {B}}$ , lățimea de bandă a semnalului $B.$ ${\ displaystyle B}$ $B.$ este definit ca detectivitatea unui bolometru:

D^{*}={\frac {(A_{B}B)^{1/2}}{NEP}}

{\ displaystyle D ^ {*} = {\ frac {(A_ {B} B) ^ {1/2}} {NEP}}}

{\ displaystyle D ^ {*} = {\ frac {(A_ {B} B) ^ {1/2}} {NEP}}}

În general, i cm ² ca unitate de măsură a suprafeței, de aceea unitățile de măsură pentru detectivitate sunt cm Hz ^1/2 W ^-1 . Caracteristicile unui bolometru sunt cu atât mai bune cu cât detectivitatea este mai mare. Termodinamica pune limite asupra detectivității maxime în funcție de temperatura bolometrului.

Aplicare în astronomie

Bolometrele pot fi utilizate pentru a măsura radiațiile la toate frecvențele, dar pentru majoritatea lungimilor de undă există alte dispozitive care au o sensibilitate mai mare. În regiunea submilimetrică a spectrului (de la lungimi de undă de la aproximativ 30 µm până la 300 µm numite și infraroșu îndepărtat sau Terahertz), bolometrele sunt detectoarele cele mai sensibile existente și, prin urmare, la aceste lungimi de undă sunt dispozitivele cele mai utilizate în astronomie . Pentru a avea sensibilitate, acestea trebuie răcite la temperaturi de fracțiuni de un grad peste zero absolut (de obicei între 50 mK și 300 mK). Exemple de bolometre utilizate în astronomie submilimetrică sunt Observatorul Spațial Herschel , Telescopul James Clerk Maxwell și Observatorul Stratosferic pentru Astronomia Infraroșie (SOFIA).

Aplicare în fizica particulelor

Senzorii particulari utilizați în fizica particulelor pentru a detecta alte forme de energie pe lângă undele electromagnetice sunt numiți și bolometri. Principiul de funcționare este similar cu un calorimetru , un instrument tipic de termodinamică . Cu toate acestea, în jargonul fizicii particulelor, un detector necriogen se numește calorimetru care are caracteristici foarte diferite de bolometre. Bolometrele sunt, de asemenea, utilizate pentru a studia, pe lângă particulele normale, și forme necunoscute de masă sau energie, cum ar fi materia întunecată . Acestea sunt instrumente foarte lente și necesită pauze lungi. Cu toate acestea, sunt foarte sensibili . Utilizarea lor în detectoarele de particule este încă într-un stadiu experimental.

Microbolometre

Un microbolometru este un tip special de bolometru folosit ca element al unei camere de termoviziune . În această aplicație constă dintr-o rețea de oxid de vanadiu (sau siliciu amorf ) care constituie senzorul de căldură deasupra unei rețele corespunzătoare de detectoare de siliciu . Radiația infraroșie a lungimii de undă specifice afectează oxidul de vanadiu și, prin urmare, își modifică rezistența electrică local pe rețea. Detectorul de siliciu subiacent măsoară schimbarea rezistenței și amplitudinea semnalului este convertită într-o scară de culoare pe o rețea de pixeli pe un ecran. Apare apoi o imagine color falsă care corespunde temperaturilor microbolometrelor individuale. Rețelele de microlometre sunt de obicei disponibile în trei dimensiuni posibile: 640 × 480, 320 × 240 sau cel mai ieftin 320 × 240 pixeli. Camerele cu imagini termice cu rețele de 1024 × 768 pixeli ar trebui fabricate în viitor. Cu cât numărul de elemente din grilă este mai mare, cu atât câmpul vizual al camerei este mai mare.

Bolometre cu electroni fierbinți

Bolometrul la electroni fierbinți (HEB engleză hot electron bolometer) funcționează la temperaturi criogenice de obicei cu câteva grade peste zero absolut . La aceste temperaturi gazul electron este slab cuplat cu fononii . Radiația incidentă scoate gazul de electroni din echilibrul termodinamic, cu fononii creând un gaz de electroni fierbinte ^[10] . Fononii dintr-un metal sunt bine cuplați cu fononii substratului și constituie rezerva de căldură, în timp ce capacitatea de căldură este doar a gazului electron. Cuplarea dintre electroni și fononi determină conductivitatea termică .

Dacă rezistența electrică a absorbantului depinde de temperatura gazului electronic, acesta poate fi folosit ca termometru al gazului electronic. Acest lucru este valabil în cazul semiconductoarelor și supraconductoarelor , în timp ce în cazul metalelor, deoarece rezistența la temperatură scăzută este independentă de temperatură, este necesar să aveți un termometru auxiliar pentru a măsura temperatura electronilor ^[6].

Aplicații cu microunde

Bolometrele pot fi utilizate pentru a măsura puterea în frecvențele microundelor . În aceste aplicații, elementul rezistiv este scufundat în câmpul de microunde pentru a fi măsurat. Un curent de polarizare continuă este aplicat pe rezistor pentru a încălzi cu efectul Joule , astfel încât rezistența să fie potrivită cu impedanța caracteristică a ghidului de undă. Câmpul cu microunde este eliminat, iar curentul continuu este redus prin readucerea rezistenței bolometrului la valoarea sa în absența microundelor. Variația puterii în curent continuu este, prin urmare, egală cu puterea absorbită de microunde. Pentru a elimina zgomotul datorat variației de temperatură a mediului, elementul activ este împreună cu un element identic care nu este scufundat în câmpul cu microunde pe două ramuri ale unui pod Wheatstone ; prin urmare, deoarece variațiile de temperatură sunt comune ambelor elemente, nu afectează precizia măsurătorii. Timpul mediu de răspuns al bolometrului permite efectuarea de măsurători precise ale surselor pulsate ^[11] .

Notă

^ SP Langley, „Bolometrul” , American Metrological Society, 1880, p. 1 -7.
^ SP Langley, Bolometer and Radiant Energy , în Proceedings of the American Academy of Arts and Sciences , vol. 16, 1881, p. 348.
^ Samuel P. Langley Biografie. Arhivării 06 noiembrie 2009 la Internet Archive . Observator de mare altitudine, Corporația Universitară pentru Cercetări Atmosferice
^ Nikola Tesla,http://www.tfcbooks.com/tesla/nt_on_ac.htm#Section_4 , în NIKOLA TESLA ASUPRA LUCRĂRII CU CURENTI ALTERNATORI și aplicația lor la telegrafie, telefonie și transmisie wireless of Power: An Extended Interview , Leland I. Anderson, 1992, ISBN 978-1-893817-01-2 .
^ NASA Earth Observatory , la earthobservatory.nasa.gov .
^ ^a ^b ^c PL Richards, Bolometre pentru unde infraroșii și milimetrice , în Journal of Applied Physics , vol. 76, 1994, pp. 1–24, Bibcode : 1994 JAP .... 76 .... 1R , DOI : 10.1063 / 1.357128 .
^ Dmitri K. Efetov și colab., Relaxare termică rapidă în bolometre de grafen cuplate în cavitate cu citire de zgomot Johnson , în Nature , 13 iunie 2018.
^ Marco Malaspina, Grafometre pentru a vedea microundele , pe media.inaf.it , 13 iunie 2018.
^ Datskos, Panos G. și Nickolay V. Lavrik. Detectoare - cifre de merit Enciclopedia ingineriei optice 349 (2003)
^ FC Wellstood, C. Urbina și J. Clarke, Hot-electron effects in metale , în Physical Review B , vol. 49, 1994, pp. 5942–5955, Bibcode : 1994PhRvB..49.5942W , DOI : 10.1103 / PhysRevB.49.5942 , PMID 10011570 .
^ Kai Chang (ed.), Encyclopedia of RF and Microwave Engineering , (Wiley 2005) ISBN 0-471-27053-9 pagini 2736-2739

Elemente conexe

BLAST (telescop)

Alte proiecte

Wikimedia Commons conține imagini sau alte fișiere pe bolometru

linkuri externe

Scurtă descriere a principiului de funcționare , pe web.tiscali.it .
( RO ) IUPAC Gold Book, „bolometru” , pe goldbook.iupac.org .

Controlul autorității	LCCN (EN) sh85015445 · GND (DE) 4146260-9

Portalul de astronomie

Portalul de fizică

Portal de metrologie

[1] SP Langley, „Bolometrul” , American Metrological Society, 1880, p. 1 -7.

[2] SP Langley, Bolometer and Radiant Energy , în Proceedings of the American Academy of Arts and Sciences , vol. 16, 1881, p. 348.

[3] Samuel P. Langley Biografie. Arhivării 06 noiembrie 2009 la Internet Archive . Observator de mare altitudine, Corporația Universitară pentru Cercetări Atmosferice

[4] Nikola Tesla,http://www.tfcbooks.com/tesla/nt_on_ac.htm#Section_4 , în NIKOLA TESLA ASUPRA LUCRĂRII CU CURENTI ALTERNATORI și aplicația lor la telegrafie, telefonie și transmisie wireless of Power: An Extended Interview , Leland I. Anderson, 1992, ISBN 978-1-893817-01-2 .

[5] NASA Earth Observatory , la earthobservatory.nasa.gov .

[Richards-6] PL Richards, Bolometre pentru unde infraroșii și milimetrice , în Journal of Applied Physics , vol. 76, 1994, pp. 1–24, Bibcode : 1994 JAP .... 76 .... 1R , DOI : 10.1063 / 1.357128 .

[7] Dmitri K. Efetov și colab., Relaxare termică rapidă în bolometre de grafen cuplate în cavitate cu citire de zgomot Johnson , în Nature , 13 iunie 2018.

[8] Marco Malaspina, Grafometre pentru a vedea microundele , pe media.inaf.it , 13 iunie 2018.

[9] Datskos, Panos G. și Nickolay V. Lavrik. Detectoare - cifre de merit Enciclopedia ingineriei optice 349 (2003)

[10] FC Wellstood, C. Urbina și J. Clarke, Hot-electron effects in metale , în Physical Review B , vol. 49, 1994, pp. 5942–5955, Bibcode : 1994PhRvB..49.5942W , DOI : 10.1103 / PhysRevB.49.5942 , PMID 10011570 .

[11] Kai Chang (ed.), Encyclopedia of RF and Microwave Engineering , (Wiley 2005) ISBN 0-471-27053-9 pagini 2736-2739

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]