Болометр - Bolometer

Изображение болометра-паутины для измерения космического микроволнового фонового излучения.
Болометр паутины для измерения космическое микроволновое фоновое излучение. Изображение предоставлено: НАСА / Лаборатория реактивного движения-Калтех.

А болометр прибор для измерения мощности падающего электромагнитное излучение за счет нагрева материала с температурно-зависимым электрическое сопротивление. Он был изобретен в 1878 году американским астрономом. Сэмюэл Пирпон Лэнгли.[1]

Принцип действия

Концептуальная схема болометра.
Концептуальная схема болометра. Мощность, п, от падающего сигнала поглощается и нагревает тепловую массу с теплоемкость, C, и температура, Т. Тепловая масса подключена к резервуару постоянной температуры через соединение с теплопроводность, грамм. Повышение температуры ΔТ = п/грамм и измеряется резистивным термометром, позволяющим определять п. Внутренняя тепловая постоянная времени τ = C/грамм.

Болометр состоит из поглощающего элемента, такого как тонкий слой металла, соединенного с тепловым резервуаром (телом с постоянной температурой) через тепловую связь. В результате любое излучение, попадающее на поглощающий элемент, повышает его температуру по сравнению с температурой резервуара - чем больше поглощаемая мощность, тем выше температура. Внутренняя тепловая постоянная времени, задающая скорость детектора, равна отношению теплоемкость абсорбирующего элемента к теплопроводность между абсорбирующим элементом и резервуаром.[2] Изменение температуры можно измерить напрямую с помощью прилагаемого резистивного термометр, или сопротивление самого поглощающего элемента можно использовать в качестве термометра. Металлические болометры обычно работают без охлаждения. Их изготавливают из тонкой фольги или металлических пленок. Сегодня большинство болометров используют полупроводник или же сверхпроводник поглощающие элементы, а не металлы. Эти устройства могут эксплуатироваться в криогенный температуры, что позволяет значительно повысить чувствительность.

Болометры напрямую чувствительны к энергии, оставшейся внутри поглотителя. По этой причине их можно использовать не только для ионизации частиц и фотоны, но также и для неионизирующих частиц любого типа радиация, и даже для поиска неизвестных форм массы или энергии (например, темная материя ); это отсутствие дискриминации также может быть недостатком. Наиболее чувствительные болометры очень медленно сбрасываются (т.е. возвращаются в тепловое равновесие с окружающей средой). С другой стороны, по сравнению с более традиционными детекторами частиц, они чрезвычайно эффективны по энергетическому разрешению и чувствительности. Их также называют тепловыми извещателями.

Болометр Лэнгли

Первые болометры, изготовленные Лэнгли, состояли из двух стали, платина, или же палладий полосы фольги, покрытые черная лампа.[3][4] Одна полоска была защищена от излучения, а другая подвергалась его воздействию. Полоски образовывали две ветви Мост Уитстона который был оснащен чувствительным гальванометр и подключен к аккумулятору. Электромагнитное излучение, падающее на открытую полосу, нагревает ее и изменяет ее сопротивление. К 1880 году болометр Лэнгли был достаточно усовершенствован, чтобы регистрировать тепловое излучение от коровы, находящейся на расстоянии четверти мили.[5] Этот датчик теплового излучения чувствителен к перепадам температуры в одну стотысячную градуса Цельсия (0,00001 C).[6] Этот прибор позволил ему осуществлять термическое обнаружение в широком спектре, отмечая все основные Линии фраунгофера. Он также обнаружил новые атомные и молекулярные линии поглощения в невидимом инфракрасный часть электромагнитного спектра. Никола Тесла лично спросил доктора Лэнгли, может ли он использовать свой болометр для экспериментов по передаче энергии в 1892 году. Благодаря этому первому использованию ему удалось провести первую демонстрацию между Вест-Пойнтом и его лабораторией на Хьюстон-стрит.[7]

Приложения в астрономии

Хотя болометры можно использовать для измерения излучения любой частоты, для большинства длина волны диапазоны есть другие методы обнаружения, которые более чувствительны. За субмиллиметровые длины волн (длина волны от 200 мкм до 1 мм, также известная как дальняяинфракрасный или же терагерц ), болометры являются одними из самых чувствительных доступных детекторов и поэтому используются для астрономия на этих длинах волн. Для достижения наилучшей чувствительности их необходимо охладить на долю градуса выше абсолютный ноль (обычно от 50 мК до 300 мК). Известные примеры болометров, используемых в субмиллиметровой астрономии, включают: Космическая обсерватория Гершеля, то Джеймс Клерк Максвелл телескоп, а Стратосферная обсерватория для инфракрасной астрономии (СОФИЯ).

Приложения в физике элементарных частиц

Термин болометр также используется в физика элементарных частиц обозначить нетрадиционный детектор частиц. Они используют тот же принцип, что описан выше. Болометры чувствительны не только к свету, но и ко всем видам энергии. Принцип действия аналогичен принципу действия калориметр в термодинамика. Однако приближения, сверхнизкая температура, а различное назначение устройства существенно различается в использовании. в жаргон в физике высоких энергий эти устройства не называются «калориметрами», так как этот термин уже используется для обозначения 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 было только в 1980-х годах из-за трудностей, связанных с охлаждением и эксплуатацией системы на криогенная температура. Их еще можно считать находящимися в стадии разработки.

Микроболометры

Основная статья: Микроболометр

А микроболометр это особый тип болометра, используемый в качестве детектора в тепловизионная камера. Это сетка оксид ванадия или же аморфный кремний тепловые датчики поверх соответствующей сетки кремний. Инфракрасный радиация из определенного диапазона длины волн ударяет по оксиду ванадия или аморфному кремнию и изменяет его электрическое сопротивление. Это изменение сопротивления измеряется и преобразуется в температуры, которые могут быть представлены 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 широкий поле зрения.[нужна цитата ] В 2008 году было объявлено о более крупных массивах 1024 × 768.

Болометр на горячих электронах

Болометр на горячих электронах (HEB) работает при криогенный температуры, обычно в пределах нескольких градусов абсолютный ноль. При этих очень низких температурах электрон система в металле слабо связана с фонон система. Энергия, связанная с электронной системой, выводит ее из теплового равновесия с фононной системой, создавая горячие электроны.[8] Фононы в металле обычно хорошо связаны с фононами подложки и действуют как тепловой резервуар. При описании производительности HEB соответствующие теплоемкость электронная теплоемкость и соответствующий теплопроводность - электрон-фононная теплопроводность.

Если сопротивление Поглощающего элемента зависит от температуры электронов, тогда сопротивление можно использовать как термометр электронной системы. Это касается обоих полупроводник и сверхпроводящий материалы при низкой температуре. Если поглощающий элемент не имеет сопротивления, зависящего от температуры, что типично для обычных (несверхпроводящих) металлов при очень низкой температуре, то для измерения температуры электронов можно использовать прилагаемый резистивный термометр.[2]

Микроволновое измерение

Болометр можно использовать для измерения мощности при микроволновая печь частоты. В этом приложении резистивный элемент подвергается воздействию микроволновой энергии. К резистору прикладывают постоянный ток смещения для повышения его температуры через Джоулевое нагревание, такое, что сопротивление совпадает характеристическому сопротивлению волновода. После подачи СВЧ-мощности ток смещения уменьшается, чтобы вернуть болометр в его сопротивление в отсутствие СВЧ-мощности. Тогда изменение мощности постоянного тока равно поглощенной микроволновой мощности. Чтобы исключить влияние изменений температуры окружающей среды, активный (измерительный) элемент находится в мостовая схема с идентичным элементом, не подвергающимся воздействию микроволн; общие для обоих элементов колебания температуры не влияют на точность показаний. Среднее время отклика болометра позволяет удобно измерять мощность импульсного источника.[9]

В 2020 году две группы сообщили о микроволновых болометрах на основе материалов на основе графена, способных обнаруживать микроволновое излучение на однофотонном уровне.[10][11][12]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ См., Например, болометры - определение из онлайн-словаря Merriam-Webster
  2. ^ а б Ричардс, П. Л. (1994). «Болометры для инфракрасных и миллиметровых волн». Журнал прикладной физики. 76 (1): 1–24. Bibcode:1994ЯП .... 76 .... 1р. Дои:10.1063/1.357128.
  3. ^ Лэнгли, С. П. (23 декабря 1880 г.). "Болометр". Американское метрологическое общество. п.1 -7.
  4. ^ Лэнгли, С. П. (12 января 1881 г.). «Болометр и лучистая энергия». Труды Американской академии искусств и наук. 16: 348. JSTOR  25138616.
  5. ^ Сэмюэл П. Лэнгли биография В архиве 2009-11-06 на Wayback Machine Высотная обсерватория, Университетская корпорация атмосферных исследований
  6. ^ Земная обсерватория НАСА
  7. ^ Тесла, Никола (1992). «раздел 4». НИКОЛА ТЕСЛА О СВОЕЙ РАБОТЕ С ПЕРЕМЕННЫМИ ТОКАМИ и их применении в беспроводной телеграфии, телефонии и передаче энергии: расширенное интервью. Лиланд И. Андерсон. ISBN  978-1-893817-01-2. Полагаю, у меня были сотни устройств, но первое устройство, которое я использовал, и оно оказалось очень успешным, было усовершенствованием болометра. Я встретил профессора Лэнгли в 1892 году в Королевском институте. После того, как я прочитал лекцию, он сказал мне, что все они мной гордятся. Я рассказал ему о болометре и заметил, что это прекрасный инструмент. Затем я сказал: «Профессор Лэнгли, у меня есть предложение по улучшению болометра, если вы воплотите его в принципе». Я объяснил ему, как можно улучшить болометр. Профессор Лэнгли был очень заинтересован 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 одну миллионную от наименьшей массы, описанной в любом из патентов или публикаций. С таким прибором я работал, например, в Вест-Пойнте - я получал сигналы из своей лаборатории на Хьюстон-стрит в Вест-Пойнте.
  8. ^ Хорошо понят, F. C .; Urbina, C .; Кларк, Джон (1994). «Эффекты горячих электронов в металлах». Физический обзор B. 49 (9): 5942–5955. Bibcode:1994PhRvB..49.5942W. Дои:10.1103 / PhysRevB.49.5942. PMID  10011570.
  9. ^ Кай Чанг (редактор), Энциклопедия радио- и микроволновой техники, (Wiley 2005) ISBN  0-471-27053-9 страницы 2736–2739
  10. ^ Ли, Гил-Хо; Ефетов, Дмитрий К .; и другие. (1 октября 2020 г.). «СВЧ-болометр на джозефсоновском переходе на основе графена». Природа. 586 (7827): 42–46. Дои:10.1038 / с41586-020-2752-4. В архиве из оригинала 5 октября 2020 года.
  11. ^ Kokkoniemi, R .; Girard, J.-P .; и другие. (1 октября 2020 г.). «Болометр, работающий на пороге квантовой электродинамики контуров». Природа. 586 (7827): 47–51. Дои:10.1038 / s41586-020-2753-3. В архиве из оригинала 5 октября 2020 года.
  12. ^ Джонстон, Хэмиш (5 октября 2020 г.). «Новые микроволновые болометры могут ускорить работу квантовых компьютеров». В архиве из оригинала 8 октября 2020 г.

внешняя ссылка