Bolometri - Bolometer

Kuva hämähäkinverkkobolometristä kosmisen mikroaaltosäteilyn mittaamiseksi.
Spiderweb-bolometri kosmisen mikroaaltosäteilyn mittaamiseen . Kuvahyvitys : NASA / JPL-Caltech .

Bolometri on laite tehon mittaamiseksi tulevan sähkömagneettisen säteilyn välityksellä lämmitys materiaalista, lämpötilasta riippuva sähkövastus . Sen keksi vuonna 1878 amerikkalainen tähtitieteilijä Samuel Pierpont Langley .

Toimintaperiaate

Käsitteellinen kaavio bolometristä.
Käsitteellinen kaavio bolometristä . Teho, P , on tapaus signaali imeytyy ja lämpenee termisen massan lämpökapasiteetti , C , ja lämpötila, T . Terminen massa on liitetty säiliöön vakiolämpötilassa kautta yhteys lämmönjohtavuus , G . Lämpötilan nousu on Δ T = P / G ja mitataan resistiivinen lämpömittarilla, jolloin määritys P . Luontainen terminen aikavakio on τ = C / G .

Bolometri koostuu absorboivasta elementistä, kuten ohut metallikerros, joka on yhdistetty lämpösäiliöön (vakiolämpötilan kappale) lämpölinkin kautta. Tuloksena on, että kaikki absorboivaan elementtiin kohdistuva säteily nostaa sen lämpötilan säiliön lämpötilan yläpuolelle - mitä suurempi absorboitu teho, sitä korkeampi lämpötila on. Luontainen terminen aikavakio, joka asettaa nopeuden ilmaisimen, on yhtä suuri kuin suhde lämpökapasiteetti imukykyisen elementin lämmönjohtavuus välillä imukykyisen elementin ja säiliön. Lämpötilan muutos voidaan mitata suoraan kiinnitetyllä resistiivisellä lämpömittarilla tai itse absorboivan elementin vastusta voidaan käyttää lämpömittarina. Metallibolometrit toimivat yleensä ilman jäähdytystä. Ne valmistetaan ohuista kalvoista tai metallikalvoista. Nykyään useimmat bolometrit käyttävät puolijohteita tai suprajohteita absorboivia elementtejä metallien sijaan. Näitä laitteita voidaan käyttää kryogeenisissä lämpötiloissa, mikä mahdollistaa huomattavasti suuremman herkkyyden.

Bolometrit ovat suoraan herkkiä absorboijan sisälle jääneelle energialle. Tästä syystä niitä voidaan käyttää ionisoivien hiukkasten ja fotonien lisäksi myös ionisoimattomiin hiukkasiin, kaikenlaiseen säteilyyn ja jopa tuntemattomien massa- tai energiamuotojen (kuten pimeän aineen ) etsimiseen ; tämä syrjinnän puute voi olla myös puute. Herkimmät bolometrit nollautuvat hyvin hitaasti (ts. Palaavat lämpötasapainoon ympäristön kanssa). Toisaalta, verrattuna tavanomaisiin hiukkasilmaisimiin, ne ovat erittäin tehokkaita energian erottelussa ja herkkyydessä. Ne tunnetaan myös lämpöilmaisimina.

Langleyn bolometri

Ensimmäiset Langleyn valmistamat bolometrit koostuivat kahdesta teräs- , platina- tai palladiumfolioliuskasta , jotka oli peitetty mustalla . Yksi nauha oli suojattu säteilyltä ja yksi altistettiin sille. Nauhat muodostivat kaksi haaraa Wheatstone-sillasta, joka oli varustettu herkällä galvanometrillä ja kytketty paristoon. Paljaalle nauhalle putoava sähkömagneettinen säteily lämmittäisi sitä ja muuttaisi sen vastusta. Vuoteen 1880 mennessä Langleyn bolometri puhdistettiin riittävän hyvin havaitsemaan lehmän lämpösäteily neljänneksen mailin päässä. Tämä säteilylämmitin on herkkä 100 000 celsiusasteen (0,00001 C) lämpötilaeroille. Tämän instrumentin avulla hän pystyi havaitsemaan termisesti laajasta spektristä, huomioiden kaikki tärkeimmät Fraunhofer-linjat . Hän löysi myös uusia atomi- ja molekyyliabsorptioviivoja sähkömagneettisen spektrin näkymättömässä infrapunaosassa . Nikola Tesla kysyi tohtori Langleylta henkilökohtaisesti, voisiko hän käyttää bolometriä voimansiirtokokeisiinsa vuonna 1892. Ensimmäisen käyttökerran ansiosta hän onnistui tekemään ensimmäisen mielenosoituksen West Pointin ja Houston Streetin laboratorionsa välillä.

Tähtitieteen sovellukset

Vaikka bolometrejä voidaan käyttää minkä tahansa taajuuden säteilyn mittaamiseen, useimmille aallonpituusalueille on muita herkempiä havaintomenetelmiä. Ja osa-millimetrin aallonpituuksilla (noin 200 um 1 mm aallonpituudella, joka tunnetaan myös laaja- infrapuna- tai terahertseinä ), bolometrit ovat herkimpiä saatavilla ilmaisimet, ja siksi käytetään tähtitiede näillä aallonpituuksilla. Parhaan herkkyyden saavuttamiseksi ne on jäähdytettävä murto-osaan absoluuttisen nollan yläpuolella (tyypillisesti 50 mK - 300 mK). Merkittäviä esimerkkejä submillimetrimatonomiassa käytetyistä bolometreistä ovat Herschelin avaruuden observatorio , James Clerk Maxwell -teleskooppi ja Stratosfäärin infrapunastronomian observatorio (SOFIA).

Sovellukset hiukkasfysiikassa

Termiä bolometri käytetään myös hiukkasfysiikassa ilmaisemaan epätavanomainen hiukkasetunnistin . He käyttävät samaa periaatetta, joka on kuvattu edellä. Bolometrit ovat herkkiä paitsi valolle myös kaikelle energiamuodolle. Toimintaperiaate on samanlainen kuin tavallisen kalorimetrinä vuonna termodynamiikan . Likiarvot, erittäin matala lämpötila ja laitteen eri tarkoitus tekevät käytöksestä kuitenkin melko erilaisen. Vuonna ammattikieltä paljon energiaa fysiikan, nämä laitteet eivät ole nimeltään "lämpöenergiamittarit", koska tämä termi on jo käytetty eri tyyppisen ilmaisimen (katso Calorimeter ). Niiden käyttöä hiukkasten ilmaisimina ehdotettiin 1900-luvun alusta, mutta ensimmäinen säännöllinen, vaikka edelläkävijä, käyttö oli vasta 1980-luvulla johtuen vaikeuksista jäähdyttää ja käyttää järjestelmää kryogeenisessä lämpötilassa . Niiden voidaan edelleen katsoa olevan kehitysvaiheessa.

Mikrobolometrit

Pääartikkeli: Mikrobolometri

Mikrobolometri on tietyn tyyppisen bolometrin käytetään ilmaisin on lämpökameran . Se on vanadiinioksidi- tai amorfisen pii- lämpöantureiden ruudukko vastaavan piin ristikon päällä . Infrapunasäteilyn säteilyn tietyn alueen aallonpituuksien iskee vanadiinioksidia tai amorfinen pii, ja muuttaa sen sähkövastus . Tämä resistanssimuutos mitataan ja prosessoidaan lämpötiloiksi, jotka voidaan esittää graafisesti. Mikrobolometriruudukko löytyy yleisesti kolmesta koosta, 640 × 480-ryhmästä, 320 × 240-ryhmästä (384 × 288 amorfisesta piistä) tai halvemmasta 160 × 120-ryhmästä. Eri matriisit tarjoavat saman tarkkuuden suuremmalla matriisilla, joka tarjoaa laajemman näkökentän . Suuremmat, 1024 × 768 taulukot ilmoitettiin vuonna 2008.

Kuuma elektronibolometri

Kuuma elektronibolometri (HEB) toimii kryogeenisissä lämpötiloissa, tyypillisesti muutaman asteen absoluuttisessa nollassa . Näissä hyvin matalissa lämpötiloissa metallin elektronijärjestelmä on heikosti kytketty fononijärjestelmään . Elektronijärjestelmään kytketty teho ajaa sen pois lämpötasapainosta fononijärjestelmän kanssa ja luo kuumia elektroneja. Metallissa olevat fononit ovat tyypillisesti hyvin kytketty substraattifononeihin ja toimivat lämpösäiliönä. HEB: n suorituskykyä kuvattaessa merkityksellinen lämpökapasiteetti on elektroninen lämpökapasiteetti ja merkityksellinen lämmönjohtavuus on elektronifononin lämmönjohtavuus.

Jos absorboivan elementin vastus riippuu elektronin lämpötilasta, vastusta voidaan käyttää elektronijärjestelmän lämpömittarina. Tämä pätee sekä puolijohteisiin että suprajohtaviin materiaaleihin matalassa lämpötilassa. Jos absorboivalla elementillä ei ole lämpötilasta riippuvaa vastusta, kuten on tyypillistä normaalille (ei-suprajohtavalle) metallille hyvin alhaisessa lämpötilassa, elektronin lämpötilan mittaamiseen voidaan käyttää kiinnitettyä resistiivistä lämpömittaria.

Mikroaaltomittaus

Bolometriä voidaan käyttää tehon mittaamiseen mikroaaltotaajuuksilla . Tässä sovelluksessa resistiivinen elementti altistetaan mikroaaltoteholle. Vastukseen syötetään DC-esivirta lämpötilan nostamiseksi Joule-lämmityksen kautta siten, että vastus sovitetaan aaltojohtimen ominaisimpedanssiin. Mikroaaltotehon käyttämisen jälkeen esijännitevirtaa pienennetään palauttamaan bolometri sen vastukseen ilman mikroaaltotehoa. DC-tehon muutos on tällöin yhtä suuri kuin absorboitu mikroaaltoteho. Ympäristön lämpötilan muutosten vaikutuksen hylkäämiseksi aktiivinen (mittaus) elementti on siltapiirissä, jossa identtinen elementti ei ole alttiina mikroaalloille; Molemmille elementeille yhteiset lämpötilan vaihtelut eivät vaikuta lukeman tarkkuuteen. Bolometrin keskimääräinen vasteaika mahdollistaa pulssilähteen tehon kätevän mittaamisen.

Vuonna 2020 kaksi ryhmää ilmoitti mikroaaltobolometreistä, jotka perustuivat grafeenipohjaisiin materiaaleihin, jotka kykenevät havaitsemaan mikroaaltotehon yhden fotonin tasolla.

Katso myös

Viitteet

Ulkoiset linkit