Болометр – сәулелену жылуын өлшейтін құрылғы. Температураға сезімтал кедергісі бар материалды пайдаланады. Құрылымы, қағидасы және жылдамдығы туралы біліңіз.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Келіп түсетін электромагниттік сәулеленуді өлшейтін құрылғы
Device for measuring incident electromagnetic radiation
Болометр – температураға тәуелді электр кедергісіне ие материалдың көмегімен сәулелену жылуын өлшейтін құрылғы. Ол 1878 жылы американдық астроном Сэмюэл Пирпонт Лэнгли тарапынан ойлап табылды.
A bolometer is a device for measuring radiant heat by means of a material having a temperature dependent electrical resistance. It was invented in 1878 by the American astronomer Samuel Pierpont Langley.
Жұмыс істеу принципі
Болометр термиялық байланыс арқылы жылу резервуарына (тұрақты температурадағы денеге) қосылған металдың жұқа қабаты сияқты сіңіретін элементтен тұрады. Нәтижесінде сіңіретін элементке түсетін кез келген сәуле оның температурасын резервуардан жоғарылатады – сіңірілген қуат қаншалықты көп болса, температура да соғұрлым жоғары болады. Детектордың жылдамдығын анықтайтын ішкі жылу уақыт тұрақтысы сіңіретін элементтің жылу сыйымдылығының сіңіретін элемент пен резервуар арасындағы жылу өткізгіштігіне қатынасына тең. Температураның өзгеруін тікелей қосылған резистивті термометрмен өлшеуге болады, немесе сіңіретін элементтің өзінің кедергісі термометр ретінде пайдаланылуы мүмкін. Металл болметрлер көбінесе салқындатусыз жұмыс істейді. Олар жұқа фольгалардан немесе металл пленкалардан жасалады. Бүгінде көптеген болметрлер металдардың орнына жартылай өткізгіштер немесе суперөткізгіштерден жасалған сіңіретін элементтерді қолданады. Бұл құрылғыларды криогендік температурада пайдалануға болады, бұл айтарлықтай жоғары сезімталдыққа мүмкіндік береді. Болометрлер сіңірушіде қалған энергияға тікелей сезімтал. Осы себепті оларды иондаушы бөлшектер мен фотондар ғана емес, сонымен қатар иондаушы емес бөлшектер, кез келген сәулелену үшін, тіпті массаның немесе энергияның белгісіз формаларын (қара материя сияқты) іздеу үшін де қолдануға болады; осы кемшілік – ажырату қабілетінің жоқтығы да кемшілік болуы мүмкін. Ең сезімтал болметрлерді қайта орнату (қоршаған ортамен жылулық тепе-теңдікке оралу) өте баяу болады. Алайда, олар дәстүрлі бөлшектерді анықтағыштармен салыстырғанда энергияны ажырату және сезімталдық тұрғысынан өте тиімді. Олар сондай-ақ жылу детекторлары деп те аталады.
A bolometer consists of an absorptive element, such as a thin layer of metal, connected to a thermal reservoir (a body of constant temperature) through a thermal link. The result is that any radiation impinging on the absorptive element raises its temperature above that of the reservoir – the greater the absorbed power, the higher the temperature. The intrinsic thermal time constant, which sets the speed of the detector, is equal to the ratio of the heat capacity of the absorptive element to the thermal conductance between the absorptive element and the reservoir. The temperature change can be measured directly with an attached resistive thermometer, or the resistance of the absorptive element itself can be used as a thermometer. Metal bolometers usually work without cooling. They are produced from thin foils or metal films. Today, most bolometers use semiconductor or superconductor absorptive elements rather than metals. These devices can be operated at cryogenic temperatures, enabling significantly greater sensitivity. Bolometers are directly sensitive to the energy left inside the absorber. For this reason they can be used not only for ionizing particles and photons, but also for non ionizing particles, any sort of radiation, and even to search for unknown forms of mass or energy (like dark matter); this lack of discrimination can also be a shortcoming. The most sensitive bolometers are very slow to reset (i. e., return to thermal equilibrium with the environment). On the other hand, compared to more conventional particle detectors, they are extremely efficient in energy resolution and in sensitivity. They are also known as thermal detectors.
Лэнглидің болометрі
Лэнгли жасаған алғашқы болметрлер екі болат, платина немесе палладий фольгасынан жасалған жолақтардан тұрды. Бір жолақ сәулеленуден қорғалған, ал екіншісі оған тікелей ұшыраған. Бұл жолақтар сезімтал гальванометрмен жабдықталған және батареяға қосылған Уитстон көпірінің екі тармағын құрады. Электромагниттік сәулелену ашық жолаққа түсіп, оны қыздырып, кедергісін өзгертетін. 1880 жылға қарай Лэнглидің болметрі 400 метр қашықтықтағы сиырдың жылу сәулесін анықтауға жеткілікті деңгейде жетілдірілді. Бұл сәулелі жылу детекторы температураның бір жүз мыңнан бір бөлігіне (0,00001 °C) дейінгі айырмашылықтарға сезімтал. Бұл құрал оған кең спектрде жылулық анықтау жүргізуге мүмкіндік берді, соның ішінде барлық негізгі Фраунгофер сызықтарын анықтады. Ол сонымен қатар электромагниттік спектрдің көрінбейтін инфрақызыл бөлігінде жаңа атомдық және молекулалық сіңіру сызықтарын ашты. Никола Тесла 1892 жылы доктор Лэнглиден өзінің қуат беру эксперименттері үшін болметрін пайдалануға рұқсат сұрады. Осының арқасында ол Вест-Пойнт пен Хьюстон көшесіндегі зертханасы арасында алғашқы демонстрацияны сәтті өткізді.
The first bolometers made by Langley consisted of two steel, platinum, or palladium foil strips covered with lampblack. One strip was shielded from radiation and one exposed to it. The strips formed two branches of a Wheatstone bridge which was fitted with a sensitive galvanometer and connected to a battery. Electromagnetic radiation falling on the exposed strip would heat it and change its resistance. By 1880, Langley's bolometer was refined enough to detect thermal radiation from a cow a quarter of a mile (400 m) away. This radiant heat detector is sensitive to differences in temperature of one hundred thousandth of a degree Celsius (0.00001 °C). This instrument enabled him to thermally detect across a broad spectrum, noting all the chief Fraunhofer lines. He also discovered new atomic and molecular absorption lines in the invisible infrared portion of the electromagnetic spectrum. Nikola Tesla personally asked Dr. Langley whether he could use his bolometer for his power transmission experiments in 1892. Thanks to that first use, he succeeded in making the first demonstration between West Point and his laboratory on Houston Street.
Астрономияда қолдану
Болометрлерді кез келген жиіліктің сәулеленуін өлшеуге болады, бірақ көптеген толқын ұзындығы диапазондары үшін одан да сезімтал детектор әдістері бар. Субмиллиметрлік және миллиметрлік толқын ұзындықтарында (шамамен 200 мкм-ден бірнеше мм-ге дейін, сондай-ақ алыс инфрақызыл, терагерц ретінде белгілі) болметрлер қолданылатын ең сезімтал детекторлардың бірі болып табылады, сондықтан олар осы толқын ұзындықтарында астрономияда қолданылады. Ең жақсы сезімталдыққа қол жеткізу үшін оларды абсолютті нөлден біршама төмен температураға дейін салқындату қажет (әдетте 50 мК-тан 300 мК-қа дейін). Субмиллиметрлік астрономияда қолданылатын болметрлердің айқын мысалдары – Herschel ғарыш обсерваториясы, Джеймс Клерк Максвелл телескопы және Инфрақызыл астрономия жөніндегі стратосфералық обсерватория (SOFIA). Миллиметрлік толқын ұзындығы астрономиясында қолданылатын болметрлердің жаңа мысалдары – AdvACT, BICEP массиві, SPT 3G және Planck спутнигіндегі HFI камерасы, сондай-ақ жоспарланған Simons обсерваториясы, CMB S4 эксперименті және LiteBIRD спутнигі.
While bolometers can be used to measure radiation of any frequency, for most wavelength ranges there are other methods of detection that are more sensitive. For sub millimeter wavelengths through millimeter wavelengths (from around 200 μm to a few mm wavelength, also known as the far infrared, terahertz) bolometers are among the most sensitive available detectors, and are therefore used for astronomy at these wavelengths. To achieve the best sensitivity, they must be cooled to a fraction of a degree above absolute zero (typically from 50 mK to 300 mK). Notable examples of bolometers employed in submillimeter astronomy include the Herschel Space Observatory, the James Clerk Maxwell Telescope, and the Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy (SOFIA). Recent examples of bolometers employed in millimeter wavelength astronomy are AdvACT, BICEP array, SPT 3G and the HFI camera on the Planck satellite, as well as the planned Simons Observatory, CMB S4 experiment, and LiteBIRD satellite.
Бөлшектер физикасындағы қолданулары
Болометр термині бөлшектер физикасында да дәстүрлі емес бөлшектерді анықтау үшін қолданылады. Олар жоғарыда сипатталған принципті пайдаланады. Болометрлер жарыққа ғана емес, энергияның кез келген түріне сезімтал. Жұмыс істеу принципі термодинамикадағы калориметр принципіне ұқсас. Дегенмен, жуықтаулар, өте төмен температура және құрылғының мақсатының өзгешелігі оның қолданылуын ерекшелендіреді. Жоғары энергиялық физика терминологиясында бұл құрылғылар "калориметр" деп аталмайды, себебі бұл термин басқа типтегі детектор үшін қолданылады (Калориметрді қараңыз). Оларды бөлшектерді анықтау құрылысы ретінде пайдалану идеясы 20-шы ғасырдың басында туған, бірақ тұрақты, бірақ алғашқы қолданылуы тек 1980-ші жылдары мүмкін болды, себебі жүйені криогендік температурада салқындату және жұмыс істеу қиындықтармен байланысты болды. Олар әлі де даму кезеңінде деп санауға болады.
The term bolometer is also used in particle physics to designate an unconventional particle detector. They use the same principle described above. The bolometers are sensitive not only to light but to every form of energy. The operating principle is similar to that of a calorimeter in thermodynamics. However, the approximations, ultra low temperature, and the different purpose of the device make the operational use rather different. In the jargon of high energy physics, these devices are not called "calorimeters", since this term is already used for a different type of detector (see Calorimeter). Their use as particle detectors was proposed from the beginning of the 20th century, but the first regular, though pioneering, use was only in the 1980s because of the difficulty associated with cooling and operating a system at cryogenic temperature. They can still be considered to be at the developmental stage.
Плазма физикасындағы қолдануы
Болометрлер плазманың радиациясын бақылауда маңызды рөл атқарады. Вендельштейн 7 X (W7 X) жұлдызшасы плазмалық сәулеленуді тіркеу үшін екі камералы болметр жүйесін пайдаланады. Бұл құрылғы симметриялық үшбұрышты плазмалық қимадағы 2D сәулелену таралуын анықтау үшін оңтайландырылған. Жақындағы жетістіктерге эмиссиялық профильдердің салыстырмалы градиент тегістеу (RGS) принципіне негізделген томографиялық реконструкция алгоритмін жетілдіру кіреді. Бұл электрондық циклотрондық резонанстық қыздыру (ECRH) арқылы қоздырылған W7 X сутегі разрядтарына тиімді қолданылды. Аппараттық тұрғыдан, W7 X болметрлері металл кедергілік детекторларымен жабдықталған. Олар 5 мкм қалыңдықтағы алтын сіңіргішпен ерекшеленеді, оның өлшемдері полоидтық бағытта 1,3 мм және тороидтық бағытта 3,8 мм, және керамикалық (силиций нитриді Si3N4) субстратқа орнатылған. 50 нм көміртек қабатын қосу стратегиялық, себебі ол төмен энергиялы фотондарды анықтау тиімділігін арттырады. Бұл детекторлар, ең әлдеқайда, қоспалардың сызықтық радиациясына сезімтал, өте ультракөк сәулелерден (VUV) бастап жұмсақ рентген сәулелеріне (SXR) дейінгі спектрді қамтиды. Олардың сенімділігі мен жаңашыл дизайны ескеріле отырып, олар алдағы ITER болметр детекторларының прототиптері ретінде қарастырылуда.
Bolometers play a pivotal role in monitoring radiation in fusion plasmas. The Wendelstein 7 X (W7 X) stellarator employs a two camera bolometer system to capture plasma radiation. This setup is optimized to identify 2D radiation distributions within a symmetrical triangular plasma cross section. Recent progress includes the refinement of a tomographic reconstruction algorithm, which leans on the principle of relative gradient smoothing (RGS) of emission profiles. This has been effectively applied to the W7 X hydrogen discharges powered by electron cyclotron resonance heating (ECRH). In terms of hardware, the W7 X bolometers are equipped with metal resistive detectors. These are distinguished by a 5 μm thick gold absorber, sized 1.3 mm in the poloidal direction and 3.8 mm toroidally, mounted on a ceramic (silicon nitride Si3N4) substrate. The inclusion of a 50 nm carbon layer is strategic, enhancing the detection efficiency for low energy photons. These detectors are notably attuned to impurity line radiation, covering a spectrum from the very ultraviolet (VUV) to soft x rays (SXR). Given their resilience and innovative design, they are being considered as prototypes for the upcoming ITER bolometer detectors.
Микроболометрлер
Микроболометр – жылу камерасындағы детектор ретінде қолданылатын арнайы типтегі болометр. Ол ванадий оксидінен немесе аморфты кремнийден жасалған жылу сенсорларының торшасы, оған сәйкес кремний торшасы орналасқан. Белгілі бір толқын ұзындығы диапазонындағы инфрақызыл сәуле ванадий оксидіне немесе аморфты кремнийге түсіп, оның электрлік кедергісін өзгертеді. Бұл кедергі өзгерісі өлшеніп, графикалық түрде көрсетілетін температураға айналдырылады. Микроболометрлік торша әдетте үш өлшемде кездеседі: 640×480 массив, 320×240 массив (384×288 аморфты кремний) немесе арзан 160×120 массив. Әртүрлі массивтер бірдей ажыратымдылықты қамтамасыз етеді, ал үлкен массивтер көру бұрышын кеңейтеді. 2008 жылы 1024×768 массивтері жарияланды.
A microbolometer is a specific type of bolometer used as a detector in a thermal camera. It is a grid of vanadium oxide or amorphous silicon heat sensors atop a corresponding grid of silicon. Infrared radiation from a specific range of wavelengths strikes the vanadium oxide or amorphous silicon, and changes its electrical resistance. This resistance change is measured and processed into temperatures which can be represented graphically. The microbolometer grid is commonly found in three sizes, a 640×480 array, a 320×240 array (384×288 amorphous silicon) or less expensive 160×120 array. Different arrays provide the same resolution with larger array providing a wider field of view. Larger, 1024×768 arrays were announced in 2008.
Ыстық электронды болметр
Ыстық электронды болметр (HEB) криогендік температурада жұмыс істейді, әдетте абсолютті нөлге бірнеше градус жақын. Осы өте төмен температурада металдың электрондық жүйесі фонондық жүйемен әлсіз байланыста болады. Электрондық жүйеге түсетін қуат оны фонондық жүйемен жылулық тепе-теңдіктен шығарып, ыстық электрондарды тудырады. Металдағы фонондар әдетте субстрат фонондарымен жақсы байланысып, жылу резервуары ретінде қызмет етеді. HEB-тің жұмысын сипаттағанда, маңызды жылу сыйымдылығы – электрондық жылу сыйымдылығы, ал маңызды жылу өткізгіштігі – электрон-фонон жылу өткізгіштігі болып табылады. Егер сіңіретін элементтің кедергісі электрон температурасына тәуелді болса, онда кедергі электрондық жүйенің температурасын өлшеуге қолданылуы мүмкін. Бұл жартылай өткізгіш және жоғары өткізгіш материалдар үшін төмен температурада дұрыс. Егер сіңіретін элементтің температураға тәуелді кедергісі болмаса, бұл өте төмен температурадағы қалыпты (жоғары өткізгіш емес) металдарға тән, онда электрон температурасын өлшеу үшін қосымша резистивті термометрді пайдалануға болады. 2020 жылы екі топ графен негізгі материалдарға негізделген микротолқынды болометрлерді ұсынды, олар бір фотон деңгейінде микротолқынды анықтауға қабілетті.
The hot electron bolometer (HEB) operates at cryogenic temperatures, typically within a few degrees of absolute zero. At these very low temperatures, the electron system in a metal is weakly coupled to the phonon system. Power coupled to the electron system drives it out of thermal equilibrium with the phonon system, creating hot electrons. Phonons in the metal are typically well coupled to substrate phonons and act as a thermal reservoir. In describing the performance of the HEB, the relevant heat capacity is the electronic heat capacity and the relevant thermal conductance is the electron phonon thermal conductance. If the resistance of the absorbing element depends on the electron temperature, then the resistance can be used as a thermometer of the electron system. This is the case for both semiconducting and superconducting materials at low temperature. If the absorbing element does not have a temperature dependent resistance, as is typical of normal (non superconducting) metals at very low temperature, then an attached resistive thermometer can be used to measure the electron temperature. In 2020, two groups reported microwave bolometers based on graphene based materials capable of microwave detection at the single photon level.