Ein bolometer ist ein Gerät, für die Macht des Ereignisses elektromagnetische Radiation über die Heizung eines Materials mit einem temperaturabhängigen elektrischen Widerstand zu messen. Es wurde 1878 vom amerikanischen Astronomen Samuel Pierpont Langley erfunden. Der Name kommt aus dem griechischen Wortstamm (βολή), für etwas Geworfenes, als mit einem Strahl des Lichtes.

Grundsatz der Operation

Ein bolometer besteht aus einem Absorptionselement wie eine dünne Schicht von Metall, das mit einem Thermalreservoir (ein Körper der unveränderlichen Temperatur) durch eine Thermalverbindung verbunden ist. Das Ergebnis besteht darin, dass jede Radiation, die an das Absorptionselement stößt, seine Temperatur über diesem des Reservoirs - je größer die absorbierte Macht, desto höher die Temperatur erhebt. Die innere unveränderliche Thermalzeit, der die Geschwindigkeit des Entdeckers setzt, ist dem Verhältnis der Hitzekapazität des Absorptionselements zur Thermalleitfähigkeit zwischen dem Absorptionselement und dem Reservoir gleich. Die Temperaturänderung kann direkt mit einem beigefügten widerspenstigen Thermometer gemessen werden, oder der Widerstand des Absorptionselements selbst kann als ein Thermometer verwendet werden. Metall bolometers arbeitet gewöhnlich ohne das Abkühlen. Sie werden von dünnen Folien oder Metallfilmen erzeugt. Heute verwenden die meisten bolometers Halbleiter oder Supraleiter Absorptionselemente aber nicht Metalle. Diese Geräte können bei kälteerzeugenden Temperaturen bedient werden, bedeutsam größere Empfindlichkeit ermöglichend.

Bolometers sind zur innerhalb des Absorbers verlassenen Energie direkt empfindlich. Aus diesem Grund können sie nicht nur verwendet werden, um Partikeln und Fotonen zu ionisieren, sondern auch um Partikeln, jede Sorte der Radiation zu nichtionisieren, und sogar nach unbekannten Formen der Masse oder Energie (wie dunkle Sache) zu suchen; dieser Mangel am Urteilsvermögen kann auch ein Fehler sein. Die empfindlichsten bolometers sind sehr langsam, um neu zu fassen (d. h., kehren Sie zum Thermalgleichgewicht mit der Umgebung zurück). Andererseits, im Vergleich zu herkömmlicheren Partikel-Entdeckern, sind sie in der Energieentschlossenheit und in der Empfindlichkeit äußerst effizient. Sie sind auch bekannt als Thermalentdecker.

Der bolometer von Langley

Der erste von Langley verwendete bolometer hat aus zwei mit dem Lampenruß bedeckten Platin-Streifen bestanden. Ein Streifen wurde vor der Radiation und dem einem ausgestellten dazu beschirmt. Die Streifen haben zwei Zweige einer Wheatstone-Brücke gebildet, die mit einem empfindlichen Galvanometer ausgerüstet wurde und zu einer Batterie in Verbindung gestanden hat. Elektromagnetische Radiation, die auf dem ausgestellten Streifen fällt, würde es heizen und seinen Widerstand ändern. Vor 1880 wurde der bolometer von Langley genug raffiniert, um Thermalradiation von einer Kuh ein Viertel einer Meile weg zu entdecken. Dieses Instrument hat ihm ermöglicht, über ein breites Spektrum thermisch zu entdecken, alle Hauptlinien von Fraunhofer bemerkend. Er hat auch neue atomare und molekulare Absorptionslinien im unsichtbaren Infrarotteil des elektromagnetischen Spektrums entdeckt.

Anwendungen in der Astronomie

Während bolometers verwendet werden kann, um Radiation jeder Frequenz zu messen, für die meisten Wellenlangenbereiche gibt es andere Methoden der Entdeckung, die empfindlicher sind. Für Submillimeter-Wellenlängen (von ungefähr 200 µm bis 1-Mm-Wellenlänge, auch bekannt als weit-infrarot oder terahertz) sind bolometers unter den empfindlichsten verfügbaren Entdeckern, und werden deshalb für die Astronomie an diesen Wellenlängen verwendet. Um die beste Empfindlichkeit zu erreichen, müssen sie zu einem Bruchteil eines Grads über der absoluten Null (normalerweise von 50 millikelvins bis 300 mK) abgekühlt werden. Bemerkenswerte Beispiele von in der Submillimeter-Astronomie verwendetem bolometers schließen die Herschel Raumsternwarte, Atacama Large Millimeter Array (ALMA), das Fernrohr von James Clerk Maxwell und die Stratosphärische Sternwarte Für die Infrarotastronomie (SOFIA) ein.

Anwendungen in der Partikel-Physik

Der Begriff bolometer wird auch in der Partikel-Physik gebraucht, um einen unkonventionellen Partikel-Entdecker zu benennen. Sie verwenden denselben Grundsatz, der oben beschrieben ist. Die bolometers sind nicht nur empfindlich, um sich zu entzünden, aber zu jeder Form der Energie.

Der Betriebsgrundsatz ist diesem eines Wärmemengenzählers in der Thermodynamik ähnlich. Jedoch machen die Annäherungen, extreme niedrige Temperatur und der verschiedene Zweck des Geräts den betrieblichen Gebrauch ziemlich verschieden. Im Jargon der hohen Energiephysik werden diese Geräte Wärmemengenzähler nicht genannt, da dieser Begriff bereits für einen verschiedenen Typ des Entdeckers gebraucht wird (sieh Wärmemengenzähler (Partikel-Physik)).

Ihr Gebrauch als Partikel-Entdecker ist noch in der Entwicklungsbühne. Ihr Gebrauch als Partikel-Entdecker wurde vom Anfang des 20. Jahrhunderts vorgeschlagen, aber der erste Stammkunde, obwohl den Weg bahnend, war Gebrauch nur in den 1980er Jahren wegen der Schwierigkeit, die mit dem Abkühlen und Funktionieren eines Systems bei der kälteerzeugenden Temperatur vereinigt ist.

Microbolometers

Ein microbolometer ist ein spezifischer Typ von bolometer, der als ein Entdecker in einer Thermalkamera verwendet ist. Es ist ein Bratrost des Vanadiums amorphe oder Oxydsilikonhitzesensoren oben auf einem entsprechenden Bratrost von Silikon. Die Infrarotradiation von einer spezifischen Reihe von Wellenlängen schlägt das Vanadium-Oxyd und ändert seinen elektrischen Widerstand. Diese Widerstand-Änderung wird gemessen und in Temperaturen bearbeitet, die grafisch vertreten werden können. Der microbolometer Bratrost wird in drei Größen, 640×480 Reihe, 320×240 Reihe oder weniger teuer 160×120 Reihe allgemein gefunden. Beide Reihe versorgt dieselbe Entschlossenheit mit der größeren Reihe, die ein breiteres Feld der Ansicht zur Verfügung stellt. Größer 1024×768 wurde Reihe 2008 bekannt gegeben.

Heißes Elektron bolometer

Heißes Elektron bolometer (HEB) funktioniert bei kälteerzeugenden Temperaturen normalerweise innerhalb von einigen Graden der absoluten Null. Bei diesen sehr niedrigen Temperaturen wird das Elektronsystem in einem Metall mit dem phonon System schwach verbunden. Mit dem Elektronsystem verbundene Macht vertreibt es aus dem Thermalgleichgewicht mit dem phonon System, heiße Elektronen schaffend. Phonons im Metall sind zum Substrat phonons und der Tat als ein Thermalreservoir normalerweise gut verbunden. Im Beschreiben der Leistung des HEB ist die relevante Hitzekapazität die elektronische Hitzekapazität, und die relevante Thermalleitfähigkeit ist das Elektron-Phonon Thermalleitfähigkeit.

Wenn der Widerstand des fesselnden Elements von der Elektrontemperatur abhängt, dann kann der Widerstand als ein Thermometer des Elektronsystems verwendet werden. Das ist sowohl für halbführende als auch für superführende Materialien bei der niedrigen Temperatur der Fall. Wenn das fesselnde Element keinen temperaturabhängigen Widerstand hat, wie für normale (das Nichtsuperleiten) Metalle bei der sehr niedrigen Temperatur typisch ist, dann kann ein beigefügtes widerspenstiges Thermometer verwendet werden, um die Elektrontemperatur zu messen.

Mikrowellenmaß

Ein bolometer wird verwendet, um Macht an Mikrowellenfrequenzen zu messen. Ein Widerstand-Element wird zur Mikrowellenmacht und seinen Widerstand-Änderungen als Antwort auf den Temperaturanstieg wegen der absorbierten Macht ausgestellt. Der sich ändernde Widerstand von teh bolometer würde amismatch zum charakteristischen Scheinwiderstand der Mikrowellenquelle verursachen. Um eine elektrische Scheinwiderstand-Fehlanpassung und Nachdenken der Ereignis-Mikrowellenmacht zu verhindern, ist ein Neigungsstrom auf dem Element beeindruckt, um seine Temperatur ohne angewandtes Signal zu erheben. Die Verminderung des Neigungsstroms, der erforderlich ist, das bolometer Element in den nominellen Wert zurückzugeben, ist eine Funktion der absorbierten Mikrowellenmacht. Um die Effekten der Umgebungstemperatur-Änderung zurückzuweisen, ist das aktive (mess)-Element in einem Brücke-Stromkreis mit einem identischen zu Mikrowellen nicht ausgestellten Element; Schwankungen in der für beide Elemente üblichen Temperatur betreffen die Genauigkeit des Lesens nicht. Die durchschnittliche Ansprechzeit des bolometer erlaubt günstiges Maß der Macht einer pulsierten Quelle.

Siehe auch

• Funkelnder bolometer
• Pyrometer
• Radiometer
• Thermistor
• Übergang-Rand-Sensor
• Kälteerzeugende Partikel-Entdecker

Links

• Einführung in bolometers (Gruppe von Richards, Abteilung der Physik, UC Berkeleys)
• NASA auf der Geschichte des bolometer
• Die eigenen Wörter von Langley auf dem bolometer und seinem Gebrauch