Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Изображение болометра-паутины для измерения космического микроволнового фонового излучения.
Болометр-паутина для измерения космического микроволнового фонового излучения . Изображение предоставлено NASA / JPL-Caltech .

Болометра представляет собой устройство для измерения мощности падающего электромагнитного излучения с помощью нагрева материала с зависящей от температуры электрического сопротивления . Он был изобретен в 1878 году американским астрономом Сэмюэлем Пирпонтом Лэнгли . [1]

Принцип работы [ править ]

Концептуальная схема болометра.
Концептуальная схема болометра . Мощность, Р , из падающего сигнала поглощается и нагревает тепловой массы с теплоемкостью , С , и температуры, T . Термическая масса соединена с резервуаром постоянной температуры через связь с теплопроводностью , G . Повышение температуры Δ Т = Р / С , и измеряют с помощью резистивного термометра, что позволяет определить P . Внутренняя тепловая постоянная времени τ = C / G .

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, которая устанавливает скорость детектора, равна отношению теплоемкости поглощающего элемента к теплопроводности между поглощающим элементом и резервуаром. [2] Изменение температуры можно измерить напрямую с помощью прилагаемого резистивного термометра., 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 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 ); 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. Они также известны как тепловые извещатели.

Болометр Лэнгли [ править ]

Первые болометры, изготовленные Лэнгли, состояли из двух полосок стальной , платиновой или палладиевой фольги, покрытых ламповой грушей . [3] [4] Одна полоска была защищена от излучения, а другая подвергалась его воздействию. Полоски образовывали две ветви моста Уитстона, который был снабжен чувствительным гальванометром и подсоединен к батарее. Электромагнитное излучение, падающее на открытую полосу, нагревает ее и изменяет ее сопротивление. К 1880 году болометр Лэнгли был достаточно усовершенствован, чтобы регистрировать тепловое излучение коровы, находящейся на расстоянии четверти мили. [5]Этот датчик теплового излучения чувствителен к разнице температур в одну стотысячную градуса Цельсия (0,00001 C). [6] Этот прибор позволил ему осуществить термическое обнаружение в широком спектре, отметив все основные линии фраунгофера . Он также обнаружил новые атомные и молекулярные линии поглощения в невидимой инфракрасной части 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 [ править ]

Хотя болометры могут использоваться для измерения излучения любой частоты, для большинства диапазонов длин волн существуют другие методы обнаружения, которые более чувствительны. Для субмиллиметровых длин волн (от примерно 200 мкм до 1 мм длины волны, также известной как дальняя инфракрасная область или терагерц ) болометры являются одними из самых чувствительных доступных детекторов и поэтому используются в астрономии на этих длинах волн. Для достижения наилучшей чувствительности их необходимо охладить до доли градуса выше абсолютного нуля (обычно от 50 мК до 300 мК). Известные примеры болометров, используемых в субмиллиметровой астрономии, включают Космическую обсерваторию Гершеля ,Телескоп Джеймса Клерка Максвелла и стратосферная обсерватория инфракрасной астрономии (SOFIA).

Приложения в физике элементарных частиц [ править ]

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 ко всем видам энергии. Принцип работы аналогичен калориметру в термодинамике . Однако приближения, сверхнизкая температура и различное назначение устройства сильно различают его эксплуатационное использование. На жаргоне физики высоких энергий эти устройства не называются «калориметрами», поскольку 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 работой системы при криогенных температурах . Их еще можно считать находящимися в стадии разработки.

Микроболометры [ править ]

Основная статья: Микроболометр

Микроболометрический представляет собой специфический тип болометра используется в качестве детектора в тепловой камере . Это сетка тепловых датчиков из оксида ванадия или аморфного кремния 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 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 массив большего размера обеспечивает более широкое поле обзора . [ необходима цитата ] В 2008 году было объявлено о более крупных массивах 1024 × 768.

Болометр на горячих электронах [ править ]

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. 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 характеристик HEB соответствующая теплоемкость - это электронная теплоемкость, а соответствующая теплопроводность - это 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 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]

Микроволновые измерения [ править ]

Болометр можно использовать для измерения мощности на сверхвысоких частотах. В этом приложении резистивный элемент подвергается воздействию микроволновой энергии. К резистору прикладывают постоянный ток смещения для повышения его температуры за счет джоулева нагрева , так что сопротивление согласовывается с характеристическим импедансом 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 мощности микроволн. Чтобы исключить влияние изменения температуры окружающей среды, активный (измерительный) элемент выполнен по мостовой схеме.с идентичным элементом, не подвергающимся воздействию микроволн; общие для обоих элементов колебания температуры не влияют на точность считывания. 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]

См. Также [ править ]

  • Термопара
  • Сцинтилляционный болометр
  • Пирометр
  • Радиометр
  • Тазиметр
  • Термистор
  • Пиргелиометр
  • Инфракрасное зондирование у змей По структуре и функциям ямочный орган похож на болометр.

Ссылки [ править ]

  1. ^ См., Например, болометры - определение из онлайн-словаря Merriam-Webster.
  2. ^ a b Ричардс, П.Л. (1994). «Болометры для инфракрасных и миллиметровых волн» . Журнал прикладной физики . 76 (1): 1–24. Bibcode : 1994JAP .... 76 .... 1R . DOI : 10.1063 / 1.357128 .
  3. Перейти ↑ Langley, SP (23 декабря 1880 г.). «Болометр» . Американское метрологическое общество. п. 1 -7.
  4. ↑ Лэнгли, SP (12 января 1881 г.). «Болометр и лучистая энергия». Труды Американской академии искусств и наук . 16 : 348. JSTOR 25138616 . 
  5. ^ Сэмюэль П. Лэнгли Биография архивации 2009-11-06 в Вайбак машины Altitude обсерватории High, корпорация Университет атмосферных исследований
  6. ^ Обсерватория Земли 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 познакомился с профессором Лэнгли в 1892 году в Королевском институте. Он сказал мне, после того как я прочитал лекцию, что все они гордятся мной. 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 принцип». 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 имеет гораздо меньшую массу, 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, FC; Urbina, C .; Кларк, Джон (1994). «Эффекты горячих электронов в металлах». Physical Review B . 49 (9): 5942–5955. Bibcode : 1994PhRvB..49.5942W . DOI : 10.1103 / PhysRevB.49.5942 . PMID 10011570 . 
  9. ^ Кай Чанг (редактор), Энциклопедия РФ и СВЧ - Engineering , (Wiley 2005) ISBN 0-471-27053-9 страницы 2736-2739 
  10. ^ Ли, Гил-Хо; Ефетов, Дмитрий К .; и другие. (1 октября 2020 г.). "Микроволновый болометр на основе джозефсоновского перехода на основе графена" . Природа . 586 (7827): 42–46. arXiv : 1909.05413 . Bibcode : 2020Natur.586 ... 42L . DOI : 10.1038 / s41586-020-2752-4 . PMID 32999482 . S2CID 202565642 . Архивировано 5 октября 2020 года.  
  11. ^ Kokkoniemi, R .; Girard, J.-P .; и другие. (1 октября 2020 г.). «Болометр, действующий на пороге квантовой электродинамики контуров» . Природа . 586 (7827): 47–51. arXiv : 2008.04628 . Bibcode : 2020Natur.586 ... 47K . DOI : 10.1038 / s41586-020-2753-3 . PMID 32999484 . S2CID 221095927 . Архивировано 5 октября 2020 года.  
  12. ↑ Джонстон, Хэмиш (5 октября 2020 г.). «Новые микроволновые болометры могут ускорить работу квантовых компьютеров» . Архивировано 8 октября 2020 года.

Внешние ссылки [ править ]

  • Введение в болометры (группа Ричардса, физический факультет, Калифорнийский университет в Беркли)
  • НАСА об истории болометра
  • Собственные слова Лэнгли о болометре и его использовании