Bolómetro

Bolómetro de tela de araña para medir la radiación cósmica de fondo . NASA / JPL-Caltech .

El bolómetro (del griego: βολόμετρον "bolometron", metro (-μετρον) de objetos lanzados (βολο-)) es un dispositivo que se utiliza para medir la potencia de la radiación electromagnética . Este dispositivo convierte la energía incidente de la radiación electromagnética en energía interna del absorbedor. Este último es (o está conectado a) un termómetro : por lo tanto, la temperatura del absorbedor es proporcional a la potencia incidente.

Fondo

El primer bolómetro fabricado por Langley consistió en dos finas tiras de acero , platino o paladio recubiertas con negro de carbón ^[1] ^[2] . Una tira se expuso a la radiación y la otra se cubrió. Las tiras formaban dos ramas de un puente de Wheatstone que estaba integrado con un galvanómetro de alta sensibilidad y alimentado por una batería. La radiación electromagnética que incide en la tira expuesta la habría calentado y cambiado su resistencia. En 1880, el bolómetro de Langley era tan sensible que podía detectar la radiación infrarroja de una vaca a 400 m de distancia ^[3] . Este instrumento le permitió revelar térmicamente las principales líneas de Fraunhofer en el amplio espectro térmico de la luz solar. Nikola Tesla le pidió personalmente a Langley que pudiera usar su bolómetro para los experimentos de transmisión de energía de ondas electromagnéticas que hizo en 1892. Gracias al bolómetro, Tesla pudo demostrar la transmisión entre West Point y su laboratorio ^[4] . Un bolómetro puede ser sensible a diferencias de temperatura de tan solo 10 millonésimas de grado Celsius (0,00001 C) ^[5] .

Principio de funcionamiento

Diagrama de principio del bolómetro . La potencia, P , de una fuente es absorbida por el bolómetro y calienta una masa con una capacidad calorífica , C , y una temperatura, T. La masa está conectada a una reserva térmica a través de una conductividad térmica , G. El aumento de temperatura es Δ T = P / G. El cambio de temperatura se lee con un termómetro resistivo. La constante térmica intrínseca es τ = C / G.

Un bolómetro consta de un elemento absorbente, como una fina capa de metal, conectado a una reserva térmica (un cuerpo a temperatura constante) a través de una conexión térmica. El resultado es que cada radiación que incide sobre el elemento absorbente eleva su temperatura por encima de la de reserva, cuanto mayor es la potencia absorbida, mayor es el aumento de temperatura. La constante de tiempo térmica intrínseca, que determina la velocidad del dispositivo, es igual a la relación entre la capacidad térmica del absorbedor y la conductividad térmica entre el absorbedor y la reserva térmica ^[6] . El cambio de temperatura se puede medir directamente con un termómetro en el absorbedor o la resistencia del propio absorbedor se puede utilizar como termómetro. Los bolómetros de metal normalmente funcionan sin refrigeración. Consisten en láminas delgadas o películas metálicas. La mayoría de los bolómetros utilizan semiconductores o superconductores como absorbentes en lugar de metales. Estos dispositivos pueden funcionar a temperaturas criogénicas , esto permite una mayor sensibilidad.

Los bolómetros son sensibles a la energía liberada en el absorbedor, por esta razón pueden usarse no solo para detectar partículas ionizantes y no ionizantes como los fotones , sino cualquier tipo de radiación, incluso para formas de energía aún desconocidas, esta falta de selectividad. en algunos casos es un defecto. Los bolómetros más sensibles son muy lentos, es decir, el tiempo que se tarda en volver al equilibrio térmico es muy largo.

Tipos de bolómetros

Los detectores bolométricos difieren en la forma en que se mide el cambio de temperatura ^[6] .

Los bolómetros metálicos de temperatura ambiente de Langley ya no se utilizan, mucho más comunes son los semiconductores de temperatura ambiente. Mientras que a temperatura criogénica se prefieren los superconductores .

En termopilas se utiliza el efecto termoeléctrico para leer la temperatura. Para tener una señal de voltaje intensa, muchos termopares generalmente se colocan en serie.

En la celda de Golay , en la que la radiación calienta una envoltura gaseosa con una membrana delgada, la temperatura se mide mediante la desviación de un espejo diminuto.

En los detectores piroeléctricos , el aumento de temperatura determina una variación medible de la constante dieléctrica relativa . El material piroeléctrico está contenido dentro de un condensador de voltaje constante que es, por lo tanto, una fuente de corriente proporcional a la variación de temperatura del material.

Los bolómetros de grafeno extremadamente rápidos ^[7] (los tiempos de lectura rondan los picosegundos ), desarrollados en el MIT , permitirían que estos dispositivos estuvieran operativos a temperatura ambiente. ^[8]

Figuras de merito

Hay varios parámetros numéricos que se utilizan para caracterizar los bolómetros ^[9] .

Sensibilidad

El parámetro de capacidad de respuesta se define por la relación entre la señal de salida y la potencia incidente en el bolómetro y, a menudo, se identifica con el símbolo $R.$ ${\ Displaystyle R}$ $R.$ , si la respuesta del detector está activa, tenemos que:

R_{V}={\frac {V_{S}}{P_{o}}}

{\ Displaystyle R_ {V} = {\ frac {V_ {S}} {P_ {o}}}}

{\ Displaystyle R_ {V} = {\ frac {V_ {S}} {P_ {o}}}}

Dónde está $V_{S}$ ${\ Displaystyle V_ {S}}$ $V_ {S}$ es el voltaje de salida para una potencia incidente $P_{o}$ ${\ Displaystyle P_ {o}}$ ${\ Displaystyle P_ {o}}$ . La capacidad de respuesta generalmente depende de la frecuencia $F$ ${\ Displaystyle f}$ $F$ . En el caso de que la radiación incidente sea la de un cuerpo negro a temperatura $T.$ ${\ Displaystyle T}$ $T.$ se define la capacidad de respuesta del cuerpo negro $R(T,f)$ ${\ Displaystyle R (T, f)}$ ${\ Displaystyle R (T, f)}$ . Aunque la capacidad de respuesta es un parámetro útil para comprender cómo funciona un detector, no dice nada sobre la señal mínima detectable, que depende del ruido. Por lo tanto, no es posible comparar bolómetros sobre la base de su capacidad de respuesta.

Potencia de ruido equivalente

Generalmente usamos el término inglés Noise Equivalent Power con el acrónimo NEP, representa la potencia incidente que produce una señal igual al ruido cuadrático medio. Entonces, si la señal de salida está en voltaje y el voltaje de ruido cuadrado promedio es válido $V_{N}$ ${\ Displaystyle V_ {N}}$ ${\ Displaystyle V_ {N}}$ tenemos eso:

NEP(f)={\frac {V_{N}(f)}{R_{V}(f)}}

{\ Displaystyle NEP (f) = {\ frac {V_ {N} (f)} {R_ {V} (f)}}}

{\ Displaystyle NEP (f) = {\ frac {V_ {N} (f)} {R_ {V} (f)}}}

Generalmente, el ruido cuadrático medio se define para una banda de paso de 1 Hz y, por lo tanto, el NEP también se define para la misma banda de paso, por lo que las unidades de medida de NEP son W Hz ^-1/2 . Las características de un bolómetro son tanto mejores cuanto menor es esta cifra de mérito.

Detectividad

En realidad, en los bolómetros, el tamaño de la superficie del detector juega un papel importante, ya que cuanto mayor es la superficie, mayor es la potencia incidente. Entonces, si la superficie del bolómetro es $A_{B}$ ${\ Displaystyle A_ {B}}$ ${\ Displaystyle A_ {B}}$ , el ancho de banda de la señal $B.$ ${\ Displaystyle B}$ $B.$ se define como la detectividad de un bolómetro:

D^{*}={\frac {(A_{B}B)^{1/2}}{NEP}}

{\ Displaystyle D ^ {*} = {\ frac {(A_ {B} B) ^ {1/2}} {NEP}}}

{\ Displaystyle D ^ {*} = {\ frac {(A_ {B} B) ^ {1/2}} {NEP}}}

Generalmente, i cm ² como unidad de medida de la superficie, por lo tanto, las unidades de medida para la detectividad son cm Hz ^1/2 W ^-1 . Las características de un bolómetro son tanto mejores cuanto mayor es la detectividad. La termodinámica impone límites a la detectividad máxima en función de la temperatura del bolómetro.

Aplicación en astronomía

Los bolómetros se pueden utilizar para medir la radiación en todas las frecuencias, pero para la mayoría de las longitudes de onda existen otros dispositivos que tienen una mayor sensibilidad. En la región submilimétrica del espectro (desde longitudes de onda de aproximadamente 30 µm a 300 µm también llamada infrarrojo lejano o Terahertz), los bolómetros son los detectores más sensibles que existen y, por lo tanto, en estas longitudes de onda son los dispositivos más utilizados en astronomía . Para tener la sensibilidad, deben enfriarse a temperaturas de fracciones de un grado por encima del cero absoluto (típicamente entre 50 mK y 300 mK). Ejemplos de bolómetros utilizados en astronomía submilimétrica son el Observatorio Espacial Herschel , el Telescopio James Clerk Maxwell y el Observatorio Estratosférico de Astronomía Infrarroja (SOFIA).

Aplicación en física de partículas

Los sensores particulares que se utilizan en la física de partículas para detectar otras formas de energía además de las ondas electromagnéticas también se denominan bolómetros. El principio de funcionamiento es similar a un calorímetro , un instrumento típico de termodinámica . En la jerga de la física de partículas, sin embargo, un detector no criogénico se denominacalorímetro y tiene características muy diferentes a las de los bolómetros. Los bolómetros también se utilizan para estudiar, además de partículas normales, también formas desconocidas de masa o energía, como la materia oscura . Estas son herramientas muy lentas y requieren largas pausas. Sin embargo, son muy sensibles . Su uso en detectores de partículas aún se encuentra en una etapa experimental.

Microbolómetros

Un microbolómetro es un tipo especial de bolómetro que se utiliza como elemento de una cámara termográfica . En esta aplicación, consiste en una rejilla de óxido de vanadio (o silicio amorfo ) que constituye el sensor de calor sobre una rejilla correspondiente de detectores de silicio . La radiación infrarroja del rango de longitud de onda específico afecta al óxido de vanadio y, por lo tanto, varía su resistencia eléctrica localmente en la red. El detector de silicio subyacente mide el cambio de resistencia y la amplitud de la señal se convierte en una escala de color en una cuadrícula de píxeles en una pantalla. Entonces aparece una imagen en falso color que corresponde a las temperaturas de los microbolómetros individuales. Las rejillas de microbolómetros comúnmente vienen en tres tamaños posibles: 640 × 480, 320 × 240 o el más económico 320 × 240 píxeles. En el futuro deberían fabricarse cámaras termográficas con cuadrículas de 1024 × 768 píxeles. Cuanto mayor sea el número de elementos de la cuadrícula, mayor será el campo de visión de la cámara.

Bolómetros de electrones calientes

El bolómetro de electrones calientes (HEB English hot electron bolometer) opera a temperaturas criogénicas típicamente unos pocos grados por encima del cero absoluto . A estas temperaturas, el gas de electrones está débilmente acoplado a los fonones . La radiación incidente saca el gas de electrones del equilibrio termodinámico con los fonones creando un gas de electrones caliente ^[10] . Los fonones en un metal están bien acoplados a los fonones del sustrato y constituyen la reserva de calor, mientras que la capacidad calorífica es del gas de electrones solo. El acoplamiento entre electrones y fonones determina la conductividad térmica .

Si la resistencia eléctrica del absorbedor depende de la temperatura del gas de electrones, se puede utilizar como termómetro del gas de electrones. Esto es cierto en el caso de semiconductores y superconductores , mientras que en el caso de metales, dado que la resistencia a baja temperatura es independiente de la temperatura, es necesario contar con un termómetro auxiliar para medir la temperatura de los electrones ^[6].

Aplicaciones de microondas

Los bolómetros se pueden utilizar para medir la potencia en frecuencias de microondas . En estas aplicaciones, el elemento resistivo se sumerge en el campo de microondas a medir. Se aplica una corriente de polarización continua en la resistencia para calentar con el efecto Joule , de modo que la resistencia se adapte a la impedancia característica de la guía de ondas. El campo de microondas se elimina y la corriente continua se reduce al devolver la resistencia del bolómetro a su valor en ausencia de microondas. La variación de potencia en corriente continua es, por tanto, igual a la potencia absorbida por las microondas. Para eliminar el ruido debido a la variación de temperatura del ambiente, el elemento activo se encuentra junto con un elemento idéntico no sumergido en el campo de microondas en dos ramales de un puente de Wheatstone ; por lo tanto, dado que las variaciones de temperatura son comunes a ambos elementos, no afecta la precisión de la medición. El tiempo medio de respuesta del bolómetro permite realizar mediciones precisas de fuentes pulsadas ^[11] .

Nota

^ SP Langley, El "bolómetro" , Sociedad Metrológica Estadounidense, 1880, p. 1 -7.
^ SP Langley, El bolómetro y la energía radiante , en Actas de la Academia Estadounidense de Artes y Ciencias , vol. 16, 1881, pág. 348.
^ Biografía de Samuel P. Langley, archivado el 6 de noviembre de 2009 en Internet Archive . Observatorio de Gran Altitud, Corporación Universitaria de Investigación Atmosférica
^ Nikola Tesla,http://www.tfcbooks.com/tesla/nt_on_ac.htm#Section_4 , en NIKOLA TESLA SOBRE SU TRABAJO CON CORRIENTES ALTERNAS y su aplicación a la telegrafía, telefonía y transmisión inalámbricas of Power: An Extended Interview , Leland I.Anderson, 1992, ISBN 978-1-893817-01-2 .
^ Observatorio de la Tierra de la NASA , en earthobservatory.nasa.gov .
^ ^a ^b ^c PL Richards, Bolómetros para ondas infrarrojas y milimétricas , en Journal of Applied Physics , vol. 76, 1994, págs. 1–24, Bibcode : 1994 JAP .... 76 .... 1R , DOI : 10.1063 / 1.357128 .
^ Dmitri K.Efetov et al., Relajación térmica rápida en bolómetros de grafeno acoplados a cavidad con una lectura de ruido de Johnson , en Nature , 13 de junio de 2018.
^ Marco Malaspina, Bolómetros de grafeno para ver microondas , en media.inaf.it , 13 de junio de 2018.
^ Datskos, Panos G. y Nickolay V. Lavrik. Detectores: figuras de mérito Enciclopedia de Ingeniería Óptica 349 (2003)
^ FC Wells Stand, C. Urbina y J. Clarke, Efectos de electrones calientes en metales , en Physical Review B , vol. 49, 1994, págs. 5942–5955, Bibcode : 1994PhRvB..49.5942W , DOI : 10.1103 / PhysRevB.49.5942 , PMID 10011570 .
^ Kai Chang (ed), Enciclopedia de ingeniería de microondas y RF , (Wiley 2005) ISBN 0-471-27053-9 páginas 2736-2739

Otros proyectos

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enlaces externos

Breve descripción del principio de funcionamiento , en web.tiscali.it .
( EN ) IUPAC Gold Book, "bolometer" , en goldbook.iupac.org .

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[1] SP Langley, El "bolómetro" , Sociedad Metrológica Estadounidense, 1880, p. 1 -7.

[2] SP Langley, El bolómetro y la energía radiante , en Actas de la Academia Estadounidense de Artes y Ciencias , vol. 16, 1881, pág. 348.

[3] Biografía de Samuel P. Langley, archivado el 6 de noviembre de 2009 en Internet Archive . Observatorio de Gran Altitud, Corporación Universitaria de Investigación Atmosférica

[4] Nikola Tesla,http://www.tfcbooks.com/tesla/nt_on_ac.htm#Section_4 , en NIKOLA TESLA SOBRE SU TRABAJO CON CORRIENTES ALTERNAS y su aplicación a la telegrafía, telefonía y transmisión inalámbricas of Power: An Extended Interview , Leland I.Anderson, 1992, ISBN 978-1-893817-01-2 .

[5] Observatorio de la Tierra de la NASA , en earthobservatory.nasa.gov .

[Richards-6] PL Richards, Bolómetros para ondas infrarrojas y milimétricas , en Journal of Applied Physics , vol. 76, 1994, págs. 1–24, Bibcode : 1994 JAP .... 76 .... 1R , DOI : 10.1063 / 1.357128 .

[7] Dmitri K.Efetov et al., Relajación térmica rápida en bolómetros de grafeno acoplados a cavidad con una lectura de ruido de Johnson , en Nature , 13 de junio de 2018.

[8] Marco Malaspina, Bolómetros de grafeno para ver microondas , en media.inaf.it , 13 de junio de 2018.

[9] Datskos, Panos G. y Nickolay V. Lavrik. Detectores: figuras de mérito Enciclopedia de Ingeniería Óptica 349 (2003)

[10] FC Wells Stand, C. Urbina y J. Clarke, Efectos de electrones calientes en metales , en Physical Review B , vol. 49, 1994, págs. 5942–5955, Bibcode : 1994PhRvB..49.5942W , DOI : 10.1103 / PhysRevB.49.5942 , PMID 10011570 .

[11] Kai Chang (ed), Enciclopedia de ingeniería de microondas y RF , (Wiley 2005) ISBN 0-471-27053-9 páginas 2736-2739

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