Bolometr

Bolometr

Bolometr to przyrząd służący do pomiaru energii promieniowania elektromagnetycznego w szerokim zakresie długości fal. Działa jako detektor termiczny, przekształcając energię promieniowania w ciepło, co z kolei prowadzi do zmiany temperatury elementu pomiarowego. Zmiana ta jest zazwyczaj mierzona poprzez zmianę oporu elektrycznego.

Bolometry mają próg czułości rzędu 10⁻⁹–10⁻¹² W i są wrażliwe głównie na promieniowanie widzialne oraz podczerwone.

Historia

Bolometr został wynaleziony w 1878 roku przez Samuela Pierponta Langleya, który badał promieniowanie słoneczne. Jego urządzenie składało się z dwóch metalowych pasków, z których jeden był oświetlany, a drugi zasłonięty. Pomiar rezystancji tych pasków pozwalał na badanie intensywności promieniowania słonecznego.

Budowa i działanie

W bolometrze rezystancyjnym elementem zamieniającym temperaturę na sygnał elektryczny jest cienki pasek metalu o dużym współczynniku temperaturowym rezystancji. Padające promieniowanie powoduje zmianę temperatury, a tym samym rezystancji bolometru. Współczynnik temperaturowy rezystancji określa wzór:

$a\; =\; \backslash frac\{1\}\{R\}\; \backslash cdot\; \backslash frac\{dR\}\{dT\}.$

Zmiana napięcia na czujniku związana jest z napięciem zasilającym oraz zmianą rezystancji:

$dV\; =\; I\; \backslash cdot\; dR\; =\; I\; \backslash cdot\; R\; \backslash cdot\; a\; \backslash cdot\; dT.$

Rodzaje bolometrów

• metalowe
• półprzewodnikowe (termistorowe)
• nadprzewodnikowe
• krzemowe
• kompozytowe

Zastosowanie

Bolometry znajdują zastosowanie w technice wojskowej do detekcji obiektów cieplejszych od otoczenia oraz w astronomii do pomiaru jasności gwiazd. Miniaturyzacja technologii pozwoliła na stworzenie matryc bolometrów do kamer termowizyjnych.

Pomiar mikrofalowy i astronomia

Bolometry używane są także do pomiaru mocy fal mikrofalowych. Element rezystancyjny pochłania promieniowanie mikrofalowe, co pozwala na określenie zaabsorbowanej energii. W astronomii bolometry są szczególnie wrażliwe na fale submilimetrowe (200 μm – 1 mm). Aby zwiększyć ich czułość, urządzenia schładza się do temperatur bliskich zera bezwzględnego (50 mK – 300 mK).

Przykłady ośrodków zajmujących się badaniami fal submilimetrowych to:

• Kosmiczne Obserwatorium Herschela
• Teleskop Jamesa Clerka Maxwella
• Stratosferyczne Obserwatorium Astronomii Podczerwonej
• Caltech Submillimeter Observatory