SENSOR TERMAL BOLOMETER

BOLOMETER

Bolometer  adalah perangkat untuk mengukur kekuatan radiasi elektromagnetik insiden melalui pemanasan material dengan hambatan listrik bergantung pada suhu. Itu diciptakan pada tahun 1878 oleh astronom Amerika Samuel Pierpont Langley.

Skema

1. Prinsip operasi
   skematik konseptual dari bolometer a.
   skematik konseptual dari bolometer a. Power, P, dari sinyal insiden diserap oleh bolometer dan memanas massa termal dengan kapasitas panas, C, dan suhu, T. Massa termal terhubung ke reservoir suhu konstan melalui link dengan konduktansi termal, G. kenaikan suhu T = P / G. Perubahan suhu dibaca dengan termometer resistif. Intrinsik termal konstanta waktu τ = C / G.
   Sebuah bolometer terdiri dari unsur serap, seperti lapisan tipis dari logam, terhubung ke reservoir termal (tubuh suhu konstan) melalui link termal. Hasilnya adalah bahwa setiap radiasi menimpa elemen serap meningkatkan suhu di atas bahwa waduk - semakin besar daya yang diserap, semakin tinggi suhu. Intrinsik termal waktu yang konstan, yang menetapkan kecepatan detektor, adalah sama dengan rasio kapasitas panas dari elemen serap untuk konduktansi termal antara unsur serap dan reservoir. Perubahan suhu dapat diukur secara langsung dengan termometer resistif terpasang, atau perlawanan dari unsur serap itu sendiri dapat digunakan sebagai termometer. bolometers logam biasanya bekerja tanpa pendinginan. Mereka yang dihasilkan dari foil tipis atau film logam. Saat ini, kebanyakan bolometers menggunakan semikonduktor atau superkonduktor serap unsur bukan logam. Perangkat ini dapat dioperasikan pada suhu kriogenik, memungkinkan sensitivitas secara signifikan lebih besar.
   Bolometers secara langsung sensitif terhadap energi yang tersisa di dalam absorber. Untuk alasan ini mereka dapat digunakan tidak hanya untuk ionisasi partikel dan foton, tetapi juga untuk partikel non-pengion, apapun radiasi, dan bahkan untuk mencari bentuk-bentuk yang tidak diketahui massa atau energi (seperti materi gelap); kurangnya diskriminasi juga bisa menjadi suatu kelemahan. The bolometers paling sensitif yang sangat lambat untuk me-reset (yaitu, kembali ke keseimbangan termal dengan lingkungan). Di sisi lain, dibandingkan dengan lebih detektor partikel konvensional, mereka sangat efisien dalam resolusi energi dan sensitivitas. Mereka juga dikenal sebagai detektor termal.
2. Langley bolometer
   bolometer yang pertama kali digunakan oleh Langley terdiri dari dua strip platinum ditutupi dengan jelaga. Satu strip terlindung dari radiasi dan satu terkena itu. Strip membentuk dua cabang dari jembatan Wheatstone yang dilengkapi dengan galvanometer sensitif dan terhubung ke baterai. radiasi elektromagnetik yang jatuh di strip terkena akan panas itu dan mengubah perlawanan. Pada tahun 1880, bolometer Langley itu cukup halus untuk mendeteksi radiasi termal dari sapi seperempat mil jauhnya.  Instrumen ini memungkinkan dia untuk termal mendeteksi seluruh spektrum yang luas, mencatat semua lini Fraunhofer kepala. Dia juga menemukan garis serapan atom dan molekul baru di bagian inframerah terlihat dari spektrum elektromagnetik. Nikola Tesla pribadi meminta Dr. Langley apakah ia bisa menggunakan bolometer nya untuk eksperimen transmisi listrik di 1892. Berkat bahwa penggunaan pertama, ia berhasil membuat demonstrasi pertama antara West Point dan laboratorium di Houston Street.
3. Aplikasi dalam astronomi
   Sementara bolometers dapat digunakan untuk mengukur radiasi frekuensi apapun, bagi kebanyakan panjang gelombang berkisar ada metode lain deteksi yang lebih sensitif. Untuk panjang gelombang sub-milimeter (dari sekitar 200 m untuk 1 mm panjang gelombang, juga dikenal sebagai inframerah-jauh atau Terahertz), bolometers adalah salah satu detektor yang paling sensitif yang tersedia, dan karena itu digunakan untuk astronomi pada panjang gelombang ini. Untuk mencapai sensitivitas terbaik, mereka harus didinginkan untuk sebagian kecil dari derajat di atas nol mutlak (biasanya dari 50 millikelvins ke 300 mK). contoh penting dari bolometers digunakan dalam submillimeter astronomi meliputi Herschel Space Observatory, James Clerk Maxwell Telescope, dan stratosfer Observatorium untuk Astronomi Inframerah (SOFIA).
4.  Aplikasi dalam fisika partikel
   The bolometer Istilah ini juga digunakan dalam fisika partikel untuk menunjuk detektor partikel konvensional. Mereka menggunakan prinsip yang sama dijelaskan di atas. The bolometers sensitif tidak hanya untuk ringan tapi setiap bentuk energi. Prinsip operasi ini mirip dengan yang dari kalorimeter dalam termodinamika. Namun, perkiraan, suhu ultra rendah, dan tujuan yang berbeda dari perangkat membuat penggunaan operasional agak berbeda. Dalam jargon fisika energi tinggi, perangkat ini tidak disebut kalorimeter karena istilah ini sudah digunakan untuk berbagai jenis detektor (lihat Kalorimeter (fisika partikel)). penggunaannya sebagai detektor partikel diusulkan dari awal abad ke-20, tetapi reguler pertama, meskipun perintis, penggunaan hanya pada 1980-an karena kesulitan terkait dengan pendinginan dan sistem operasi pada suhu kriogenik. Mereka masih dapat dianggap pada tahap perkembangan
5. Microbolometers
   Artikel utama: microbolometer
   Sebuah microbolometer adalah jenis tertentu bolometer digunakan sebagai detektor dalam kamera termal. Ini adalah grid vanadium oksida atau amorf sensor panas silikon di atas grid sesuai silikon. radiasi infra merah dari berbagai spesifik panjang gelombang pemogokan oksida vanadium atau silikon amorf, dan perubahan hambatan listrik. resistensi perubahan ini diukur dan diolah menjadi suhu yang dapat direpresentasikan secara grafis. The microbolometer grid umumnya ditemukan dalam tiga ukuran, 640 × 480 array, 320 × 240 array (384 × 288 amorf silikon) atau lebih murah 160 × 120 array yang. array yang berbeda memberikan resolusi yang sama dengan array yang lebih besar menyediakan lapangan pandang yang lebih luas [rujukan?]. Lebih besar, 1024 × 768 array diumumkan pada tahun 2008.
6.  Hot elektron bolometer
   Panas elektron bolometer (HEB) beroperasi pada suhu kriogenik, biasanya dalam beberapa derajat dari nol mutlak. Pada temperatur yang sangat rendah, sistem elektron dalam logam yang lemah digabungkan dengan sistem phonon. Daya digabungkan dengan sistem elektron mendorongnya keluar dari keseimbangan termal dengan sistem phonon, menciptakan elektron panas.  fonon dalam logam biasanya baik-digabungkan ke substrat fonon dan bertindak sebagai reservoir termal. Dalam menggambarkan kinerja HEB, kapasitas panas yang relevan adalah kapasitas panas elektronik dan konduktansi termal yang relevan adalah konduktansi termal elektron-fonon.
   Jika perlawanan dari elemen menyerap tergantung pada suhu elektron, maka resistensi dapat digunakan sebagai termometer dari sistem elektron. Ini adalah kasus untuk kedua semikonduktor dan superkonduktor bahan pada suhu rendah. Jika elemen menyerap tidak memiliki ketahanan suhu tergantung, seperti khas normal (non-superkonduktor) logam pada suhu yang sangat rendah, maka termometer resistif terpasang dapat digunakan untuk mengukur suhu elektron.
7.     pengukuran microwave
   Sebuah bolometer dapat digunakan untuk mengukur daya pada frekuensi gelombang mikro. Dalam aplikasi ini, elemen resistif terkena daya microwave. Sebuah arus bias dc diterapkan pada resistor untuk menaikkan suhu melalui pemanasan Joule, sehingga perlawanan cocok dengan impedansi karakteristik Waveguide. Setelah menerapkan kekuatan microwave, arus bias dikurangi untuk kembali bolometer untuk ketahanan dalam ketiadaan daya microwave. Perubahan dalam daya dc kemudian sama dengan kekuatan microwave diserap. Untuk menolak pengaruh perubahan suhu lingkungan, aktif (mengukur) elemen dalam rangkaian jembatan dengan elemen identik tidak terkena oven microwave; variasi suhu umum untuk kedua elemen tidak mempengaruhi akurasi pembacaan. Waktu respon rata-rata bolometer memungkinkan pengukuran nyaman kekuatan sumber berdenyut.