мини|алт=Слика паучинастог болометра за мерења космичког микроталасног позадинског зрачења.|Паучинасти болометар за мерење космичког микроталасног позадинског зрачења. Ауторска права: NASA/JPL-Caltech.
Болометар је уређај за мерење топлотног зрачења помоћу материјала који има температурно зависну електричну отпорност.Видети, на пример, bolometers – Definition from the Merriam-Webster Online Dictionary Изумео га је 1878. године амерички астроном Самјуел Пирпонт Ленгли.
Принцип рада мини|алт=Концептуална шема болометра.|Концептуална шема болометра. Снага, P, из упадног сигнала се апсорбује и загрева топлотну масу са топлотним капацитетом, C, и температуром, T. Топлотна маса је повезана са резервоаром константне температуре преко везе са топлотном проводношћу, G. Пораст температуре је ΔT = P/G и мери се отпорним термометром, омогућавајући одређивање P. Интринзична топлотна временска константа је τ = C/G.
Болометар се састоји од апсорпционог елемента, као што је танак слој метала, повезаног са топлотним резервоаром (телом константне температуре) преко топлотне везе. Резултат је да свако зрачење које пада на апсорпциони елемент подиже његову температуру изнад температуре резервоара – што је већа апсорбована снага, то је виша температура. Интринзична топлотна временска константа, која одређује брзину детектора, једнака је односу топлотног капацитета апсорпционог елемента и топлотне проводности између апсорпционог елемента и резервоара. Промена температуре може се мерити директно приложеним отпорним термометром, или се отпорност самог апсорпционог елемента може користити као термометар. Метални болометри обично раде без хлађења. Производе се од танких фолија или металних филмова. Данас већина болометара користи полупроводничке или суперпроводне апсорпционе елементе уместо метала. Ови уређаји могу да раде на криогеним температурама (види Криогени детектори честица), омогућавајући знатно већу осетљивост.
Болометри су директно осетљиви на енергију која остаје унутар апсорбера. Из тог разлога се могу користити не само за јонизујуће честице и фотоне, већ и за нејонизујуће честице, било коју врсту зрачења, па чак и за потрагу за непознатим облицима масе или енергије (попут тамне материје); овај недостатак дискриминације такође може бити мана. Најосетљивији болометри се веома споро ресетују (тј. враћају у топлотну равнотежу са околином). С друге стране, у поређењу са конвенционалнијим детекторима честица, изузетно су ефикасни у погледу енергетске резолуције и осетљивости. Познати су и као топлотни детектори.
Ленглијев болометар Први болометри које је направио Ленгли састојали су се од две траке од челика, платине или паладијумске фолије прекривене чађу. Једна трака је била заштићена од зрачења, а друга му је била изложена. Траке су чиниле две гране Витстоновог моста који је био опремљен осетљивим галванометром и повезан са батеријом. Електромагнетно зрачење које би пало на изложену траку загрејало би је и променило њену отпорност. До 1880. године, Ленглијев болометар је био довољно усавршен да детектује топлотно зрачење краве удаљене четвртину миље (око 400 метара).Samuel P. Langley Biography (). High Altitude Observatory, University Corporation for Atmospheric Research. Овај детектор топлотног зрачења осетљив је на разлике у температури од стохиљадитог дела степена Целзијуса (0,00001 °C). Овај инструмент му је омогућио да термички детектује зрачење широм широког спектра, бележећи све главне Фраунхоферове линије. Такође је открио нове атомске и молекуларне апсорпционе линије у невидљивом инфрацрвеном делу електромагнетног спектра. Никола Тесла је лично питао др Ленглија 1892. године да ли може да користи његов болометар за своје експерименте са преносом енергије. Захваљујући тој првој употреби, успео је да направи прву демонстрацију између Вест Поинта и своје лабораторије у Хјустон улици.
Примена у астрономији Иако се болометри могу користити за мерење зрачења било које фреквенције, за већину опсега таласних дужина постоје друге методе детекције које су осетљивије. За субмилиметарске таласне дужине (види Субмилиметарска астрономија) до милиметарских таласних дужина (види Космичко микроталасно позадинско зрачење) (од око 200 μm до неколико mm таласне дужине, такође познате као далеко инфрацрвено или Терахерцно зрачење), болометри су међу најосетљивијим доступним детекторима, и стога се користе за астрономију на овим таласним дужинама. Да би се постигла најбоља осетљивост, морају се охладити на делић степена изнад апсолутне нуле (обично од 50 mK до 300 mK). Значајни примери болометара који се користе у субмилиметарској астрономији укључују свемирску опсерваторију Хершел, Телескоп Џејмс Клерк Максвел и Стратосферску опсерваторију за инфрацрвену астрономију (SOFIA). Недавни примери болометара који се користе у астрономији милиметарских таласних дужина су AdvACT, BICEP низ, SPT-3G и HFI камера на сателиту Планк, као и планирана Опсерваторија Сајмонс, експеримент CMB-S4 и сателит LiteBIRD.
Примена у физици честица Термин болометар се такође користи у физици честица за означавање неконвенционалног детектора честица. Они користе исти принцип описан изнад. Болометри су осетљиви не само на светлост већ и на сваки облик енергије. Принцип рада је сличан оном код калориметра у термодинамици. Међутим, апроксимације, ултра ниска температура (види Криогеника) и различита сврха уређаја чине оперативну употребу прилично другачијом. У жаргону физике високих енергија, ови уређаји се не називају „калориметрима”, јер се овај термин већ користи за другу врсту детектора (види Калориметар (физика честица)). Њихова употреба као детектора честица предложена је почетком 20. века, али прва редовна, иако пионирска, употреба била је тек осамдесетих година 20. века због потешкоћа повезаних са хлађењем и радом система на криогеној температури. Још увек се може сматрати да су у фази развоја.
Примена у физици плазме Болометри играју кључну улогу у праћењу зрачења у фузионим плазмама. Стеларатор Wendelstein 7-X (W7-X) користи систем болометара са две камере за снимање зрачења плазме. Ова поставка је оптимизована за идентификацију 2D дистрибуције зрачења унутар симетричног троугластог пресека плазме. Недавни напредак укључује усавршавање алгоритма за томографску реконструкцију, који се ослања на принцип релативног изглађивања градијента (енгл. relative gradient smoothing — RGS) емисионих профила. Ово је ефикасно примењено на водонична пражњења W7-X покретана електронским циклотронским резонантним грејањем (ECRH). Што се тиче хардвера, болометри W7-X су опремљени метал-отпорним детекторима. Они се одликују апсорбером од злата дебљине 5 μm, величине 1,3 mm у полоидалном правцу и 3,8 mm тороидално, монтираним на керамичку (силицијум нитрид, Si3N4) подлогу. Укључивање слоја угљеника од 50 nm је стратешко, чиме се побољшава ефикасност детекције за фотоне ниске енергије. Ови детектори су посебно прилагођени линијском зрачењу нечистоћа, покривајући спектар од вакуумског ултраљубичастог (VUV) до меких рендгенских зрака (SXR). С обзиром на њихову отпорност и иновативни дизајн, разматрају се као прототипови за предстојеће ITER болометријске детекторе.
Микроболометри
Микроболометар је специфична врста болометра која се користи као детектор у термалној камери. То је мрежа топлотних сензора од ванадијум-оксида или аморфног силицијума на одговарајућој мрежи од силицијума. Инфрацрвено зрачење из одређеног опсега таласних дужина удара у ванадијум-оксид или аморфни силицијум и мења његову електричну отпорност. Ова промена отпорности се мери и обрађује у температуре које се могу графички приказати. Мрежа микроболометара се обично налази у три величине, низ од 640×480, низ од 320×240 (384×288 аморфни силицијум) или јефтинији низ од 160×120. Низови VOx од 640x512 се обично користе у системима статичних безбедносних камера са ниским захтевима за отпорност на ударце. Различити низови пружају исту резолуцију, при чему већи низ пружа шире видно поље. Већи низови од 1024×768 најављени су 2008. године.
Болометар са врућим електронима Болометар са врућим електронима (HEB) ради на криогеним температурама, обично унутар неколико степени од апсолутне нуле. На овим веома ниским температурама, систем електрона у металу је слабо повезан са системом фонона. Снага повезана са електронским системом изводи га из топлотне равнотеже са фононским системом, стварајући вруће електроне. Фонони у металу су обично добро повезани са фононима подлоге и делују као топлотни резервоар. У описивању перформанси HEB-а, релевантан топлотни капацитет је електронски топлотни капацитет, а релевантна топлотна проводност је електрон-фонон топлотна проводност.
Ако отпорност апсорбујућег елемента зависи од температуре електрона, онда се отпорност може користити као термометар електронског система. Ово је случај и за полупроводничке и за суперпроводне материјале на ниским температурама. Ако апсорбујући елемент нема отпорност зависну од температуре, што је типично за нормалне (не-суперпроводне) метале на веома ниским температурама, онда се приложени отпорни термометар може користити за мерење температуре електрона.
Микроталасна мерења Болометар се може користити за мерење снаге на микроталасним фреквенцијама. У овој примени, отпорни елемент је изложен микроталасној снази. Једносмерна струја преднапона се примењује на отпорник како би се подигла његова температура преко Џуловог загревања, тако да се отпорност усклади са карактеристичном импедансом таласовода. Након примене микроталасне снаге, струја преднапона се смањује како би се болометар вратио на своју отпорност у одсуству микроталасне снаге. Промена једносмерне снаге је тада једнака апсорбованој микроталасној снази. Да би се одбацио утицај промена температуре околине, активни (мерни) елемент се налази у мостном колу са идентичним елементом који није изложен микроталасима; варијације у температури које су заједничке за оба елемента не утичу на тачност очитавања. Просечно време одзива болометра омогућава погодно мерење снаге пулсирајућег извора.Kai Chang (уредник), Encyclopedia of RF and Microwave Engineering, (Wiley 2005) стр. 2736–2739.
Године 2020. две групе су пријавиле микроталасне болометре базиране на материјалима на бази графена способне за детекцију микроталаса на нивоу једног фотона.
Види још Термоелемент Сцинтилациони болометар Пирометар Радиометар Тазиметар Термистор Пирхелиометар Инфрацрвени сензор код змија Структура и функција јамичастог органа има сличности са болометром.
Референце
Спољашње везе Увод у болометре (Ричардсова група, Одсек за физику, Универзитет Калифорније у Берклију) НАСА о историји болометра Ленглијеве сопствене речи о болометру и његовој употреби
Категорија:Сензори Категорија:Мерни инструменти