Введение

Устройство для измерения входящего электромагнитного излучения

Болометр – это устройство для измерения теплового излучения посредством материала, электрическое сопротивление которого зависит от температуры. Он был изобретен в 1878 году американским астрономом Сэмюэлем Пирпонтом Лэнгли.

Принцип действия

Болометр состоит из поглощающего элемента, такого как тонкий слой металла, соединенного с тепловым резервуаром (тело постоянной температуры) через тепловую связь. В результате любое излучение, попадающее на поглощающий элемент, повышает его температуру выше температуры резервуара – чем больше поглощенная мощность, тем выше температура. Внутренняя тепловая постоянная времени, определяющая скорость работы детектора, равна отношению теплоемкости поглощающего элемента к теплопроводности между поглощающим элементом и резервуаром. Изменение температуры можно измерять непосредственно с помощью присоединенного резистивного термометра, либо использовать сопротивление самого поглощающего элемента в качестве термометра. Металлические болометры обычно работают без охлаждения и изготавливаются из тонких фольг или металлических пленок. Сегодня большинство болометров используют полупроводниковые или сверхпроводниковые поглощающие элементы вместо металлов. Эти устройства могут работать при криогенных температурах, что обеспечивает значительно более высокую чувствительность. Болометры непосредственно чувствительны к энергии, остающейся в абсорбере. Благодаря этому они могут применяться не только для регистрации ионизирующих частиц и фотонов, но и неионизирующих частиц, любого вида излучения, а также для поиска неизвестных форм массы или энергии (например, темной материи); однако такое отсутствие дискриминации может быть и недостатком. Наиболее чувствительные болометры очень медленно восстанавливаются (то есть возвращаются к тепловому равновесию с окружающей средой). С другой стороны, по сравнению с более традиционными детекторами частиц, они обладают исключительно высокой энергетической разрешающей способностью и чувствительностью. Они также известны как тепловые детекторы.

Болометр Лэнгли

Первые болометры, созданные Лэнгли, состояли из двух полосок стальной, платиновой или палладиевой фольги, покрытых сажей. Одна полоска была экранирована от излучения, а другая – подвергалась его воздействию. Полоски формировали две ветви моста Уитстона, оснащенного чувствительным гальванометром и подключенного к батарее. Электромагнитное излучение, попадающее на открытую полоску, нагревало её и изменяло сопротивление. К 1880 году болометр Лэнгли был достаточно усовершенствован, чтобы обнаруживать тепловое излучение от коровы на расстоянии в четверть мили (400 м). Этот детектор излучения чувствителен к разнице температур в одну стотысячную градуса Цельсия (0,00001 °C). Этот прибор позволил ему проводить тепловое обнаружение в широком спектре, отмечая все основные линии Фраунгофера. Он также обнаружил новые линии поглощения атомов и молекул в невидимой инфракрасной области электромагнитного спектра. В 1892 году Никола Тесла лично спросил доктора Лэнгли, может ли он использовать его болометр для своих экспериментов по передаче энергии. Благодаря этому первому применению ему удалось провести первую демонстрацию между Вест-Пойнтом и его лабораторией на Хьюстон-стрит.

Применение в астрономии

Хотя болометры могут использоваться для измерения излучения любой частоты, для большинства диапазонов длин волн существуют другие, более чувствительные методы детектирования. В диапазоне длин волн от субмиллиметровых до миллиметровых (примерно от 200 мкм до нескольких миллиметров, также известных как дальний инфракрасный и терагерцовый диапазоны), болометры являются одними из наиболее чувствительных доступных детекторов и поэтому используются в астрономии на этих длинах волн. Для достижения максимальной чувствительности их необходимо охлаждать до долей градуса выше абсолютного нуля (обычно от 50 мК до 300 мК). Известные примеры болометров, применяемых в субмиллиметровой астрономии, включают космическую обсерваторию "Гершель", телескоп Джеймса Клерка Максвелла и стратосферную обсерваторию инфракрасной астрономии (SOFIA). К недавним примерам болометров, используемых в астрономии миллиметрового диапазона, относятся AdvACT, BICEP array, SPT 3G и камера HFI на спутнике "Планк", а также планируемые обсерватория Саймонса, эксперимент CMB S4 и спутник LiteBIRD.

Применение в физике элементарных частиц

Термин "болометр" также используется в физике частиц для обозначения нестандартного детектора частиц. Они используют тот же принцип, что и описан выше. Болометры чувствительны не только к свету, но и к любой форме энергии. Принцип их работы аналогичен принципу работы калориметра в термодинамике. Однако, особенности расчетов, сверхнизкие температуры и различная область применения делают практическое использование этих устройств существенно отличным. В терминологии физики высоких энергий эти устройства не называют "калориметрами", поскольку этот термин уже используется для обозначения другого типа детектора (см. Калориметр). Использование болометров в качестве детекторов частиц было предложено еще в начале XX века, но первое регулярное, хотя и пионерское, применение стало возможным лишь в 1980-х годах из-за сложностей, связанных с охлаждением и работой системы при криогенных температурах. В настоящее время их можно считать находящимися на стадии разработки.

Применение в физике плазмы

Болометры играют ключевую роль в мониторинге излучения в плазме термоядерного синтеза. Стелларатор Wendelstein 7 X (W7 X) использует двухкамерную систему болометров для регистрации плазменного излучения. Эта система оптимизирована для определения двумерных распределений излучения внутри симметричного треугольного поперечного сечения плазмы. Недавние достижения включают в себя усовершенствование алгоритма томографической реконструкции, основанного на принципе относительного сглаживания градиентов (RGS) профилей излучения. Этот алгоритм был успешно применен к водородным разрядам W7 X, нагреваемым электронно-циклотронным резонансом (ECRH). Что касается аппаратной части, болометры W7 X оснащены резистивными металлодетекторами, характеризующимися 5-микронным золотым поглотителем размером 1,3 мм в полоидальном направлении и 3,8 мм в тороидальном направлении, установленным на керамической подложке из нитрида кремния (Si3N4). Добавление 50-нанометрового углеродного слоя является стратегическим решением, повышающим эффективность детектирования фотонов с низкой энергией. Эти детекторы особенно чувствительны к линейчатому излучению примесей, охватывающему спектр от дальнейшего ультрафиолета (VUV) до мягкого рентгеновского излучения (SXR). Благодаря своей надежности и инновационной конструкции, они рассматриваются в качестве прототипов для будущих болометрических детекторов ITER.

Микроболометры

Микроболометр – это особый тип болометра, используемый в качестве детектора в тепловизоре. Он представляет собой решетку из датчиков тепла на основе оксида ванадия или аморфного кремния, расположенных на соответствующей решетке из кремния. Инфракрасное излучение в определенном диапазоне длин волн воздействует на оксид ванадия или аморфный кремний, изменяя его электрическое сопротивление. Это изменение сопротивления измеряется и преобразуется в значения температуры, которые могут быть графически отображены. Решетки микроболометров обычно выпускаются трех размеров: массивы 640x480, 320x240 (384x288 на основе аморфного кремния) или менее дорогие массивы 160x120. Различные массивы обеспечивают одинаковое разрешение, при этом массивы большего размера дают более широкое поле зрения. Массивы большего размера, 1024x768, были представлены в 2008 году.

Горячий электронный болиметр

Горячий электронный болиметр (HEB) работает при криогенных температурах, обычно в пределах нескольких градусов от абсолютного нуля. При таких очень низких температурах электронная система в металле слабо связана с фононной системой. Мощность, поступающая в электронную систему, выводит её из теплового равновесия с фононной системой, создавая горячие электроны. Фонаны в металле, как правило, хорошо соединены с фононами подложки и служат тепловым резервуаром. При описании работы HEB релевантной теплоемкостью является электронная теплоемкость, а релевантной теплопроводностью – теплопроводность электрон-фононного взаимодействия. Если сопротивление поглощающего элемента зависит от температуры электронов, то это сопротивление можно использовать как термометр электронной системы. Это справедливо как для полупроводниковых, так и для сверхпроводящих материалов при низких температурах. Если поглощающий элемент не имеет сопротивления, зависящего от температуры, что характерно для нормальных (не сверхпроводящих) металлов при очень низких температурах, то для измерения температуры электронов можно использовать присоединенный резистивный термометр. В 2020 году две группы сообщили о микроволновых болометрах на основе материалов, содержащих графен, способных к обнаружению микроволнового излучения на уровне одиночного фотона.