Μετάβαση στο περιεχόμενο

Βολόμετρο

Από τη Βικιπαίδεια, την ελεύθερη εγκυκλοπαίδεια
Βολόμετρο του τύπου ιστού αράχνης για μετρήσεις της κοσμικής ακτινοβολίας υποβάθρου μικροκυμάτων. Πηγή εικόνας: NASA/JPL-Caltech.

Το βολόμετρο είναι μια συσκευή και επιστημονικό όργανο για τη μέτρηση της ισχύος της προσπίπτουσας ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας σε μια επιφάνεια, καταγράφοντας τη θερμότητα που αυτή η ακτινοβολία εναποθέτει στην επιφάνεια. Αυτό γίνεται σήμερα με χρήση ενός υλικού που έχει ηλεκτρική αντίσταση μεταβαλλόμενη πολύ με τη μεταβολή της θερμοκρασίας.[1][2] Το βολόμετρο εφευρέθηκε το 1878 από τον Αμερικανό αστρονόμο και φυσικό Σάμιουελ Πίρποντ Λάνγκλεϊ.

Αρχή λειτουργίας

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]
Σχηματικό διάγραμμα ενός βολομέτρου: Ισχύς P από προσπίπτουσα ακτινοβολία απορροφάται και θερμαίνει μια μάζα με θερμοχωρητικότητα C και θερμοκρασία T. Η θερμική αυτή μάζα συνδέεται με μια δεξαμενή σταθερής θερμοκρασίας μέσα από σύνδεσμο με θερμική αγωγιμότητα G. Η αύξηση της θερμοκρασίας είναι ΔT = P/G και μετρείται με θερμόμετρο αντιστάσεως, από όπου υπολογίζεται η P. Η ενδογενής θερμική σταθερά χρόνου είναι τ = C/G.

Το βολόμετρο αποτελείται από ένα στοιχείο απορροφήσεως, όπως ένα λεπτό φύλλο μετάλλου, που συνδέεται με μια δεξαμενή θερμότητας (ένα σώμα με σταθερή θερμοκρασία) με έναν θερμικό σύνδεσμο. Το αποτέλεσμα είναι ότι οποιαδήποτε ακτινοβολία προσπίπτει επί του απορροφητικού στοιχείου υψώνει τη θερμοκρασία του πάνω από αυτή της δεξαμενής – όσο μεγαλύτερη είναι η απορροφημένη ισχύς, τόσο υψηλότερη είναι η θερμοκρασία. Η ενδογενής θερμική χρονική σταθερά, που καθορίζει την ταχύτητα του ανιχνευτή, ισούται με τον λόγο της θερμοχωρητικότητας του απορροφητικού στοιχείου προς τη θερμική αγωγιμότητα ανάμεσα στο απορροφητικό στοιχείο και τη δεξαμενή.[3] Η μεταβολή της θερμοκρασίας μπορεί να μετρηθεί απευθείας με ένα προσαρτημένο θερμόμετρο, ή διαφορετικά η ίδια η ηλεκτρική αντίσταση του απορροφητικού στοιχείου μπορεί να χρησιμεύσει ως θερμόμετρο. Τα μεταλλικά βολόμετρα λειτουργούν συνήθως χωρίς ψύξη. Κατασκευάζονται από λεπτά φύλλα μετάλλου. Σήμερα τα περισσότερα βολόμετρα διαθέτουν στοιχεία απορροφήσεως από ημιαγωγό ή υπεραγωγό, και όχι από μέταλλα. Οι συσκευές αυτές μπορούν να λειτουργούν σε θερμοκρασίες ελάχιστα πάνω από το απόλυτο μηδέν, επιτρέποντας σημαντικά μεγαλύτερη ευαισθησία.

Εκείνο που μετρούν τα βολόμετρα είναι μόνο η ενέργεια που παραμένει στο εσωτερικό του απορροφητικού στοιχείου. Για τον λόγο αυτόν μπορούν να χρησιμοποιηθούν όχι μόνο για προσπίπτοντα φωτόνια ή ιονίζοντα σωματίδια, αλλά και για μη ιονίζοντα σωματίδια, για οποιοδήποτε είδος ακτινοβολίας, ακόμα και για την αναζήτηση άγνωστων μορφών μάζας ή ενέργειας (όπως η σκοτεινή ύλη). Αυτή η έλλειψη διαχωρισμού από την άλλη μπορεί να συνιστά μειονέκτημα. Τα πλέον ευαίσθητα βολόμετρα επιστρέφουν με μεγάλη βραδύτητα σε θερμική ισορροπία με το περιβάλλον. Αλλά σε σύγκριση με πιο συμβατικούς ανιχνευτές σωματιδίων, είναι εξαιρετικά αποτελεσματικά από πλευράς ευαισθησίας. Είναι επίσης γνωστά ως θερμικοί ανιχνευτές. Σε σύζευξη με ημιοπτικούς ή λιθογραφικούς μετασχηματιστές μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον προσδιορισμό της καταστάσεως πολώσεως του φωτός.[4][5]

Το βολόμετρο του Λάνγκλεϊ

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Τα πρώτα βολόμετρα που κατασκεύασε ο Λάνγκλεϊ αποτελούνταν από δύο λωρίδες φύλλων χάλυβα, λευκοχρύσου ή παλλαδίου, καλυμμένες με καπνιά.[6][7] Η μία από τις λωρίδες ήταν απομονωμένη από την ακτινοβολία, ενώ η άλλη ήταν εκτεθειμένη σε αυτή. Οι λωρίδες αποτελούσαν τους δύο κλάδους μιας γέφυρας Ουΐτστοουν, η οποία ήταν εξοπλισμένη με ένα ευαίσθητο γαλβανόμετρο και συνδεδεμένη με μια μπαταρία. Η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία που προσέπιπτε πάνω στην εκτεθειμένη μεταλλική λωρίδα τη θέρμαινε, και επομένως αύξαινε την ηλεκτρική αντίστασή της. Το 1880 το βολόμετρο του Λάνγκλεϊ είχε βελτιωθεί αρκετά ώστε να ανιχνεύει τη θερμική υπέρυθρη ακτινοβολία από μια αγελάδα[8] σε απόσταση 400 μέτρων. Αυτός ο ανιχνευτής ήταν αρκετά ευαίσθητος σε διαφορές θερμοκρασίας περίπου ενός εκατοντάκις χιλιοστού (0,00001) του βαθμού (Κελσίου ή Κέλβιν).[9] Με το όργανο αυτό ο Αμερικανός επιστήμονας μπόρεσε να ανιχνεύσει σε ένα ευρύ φάσμα όλες τις βασικές γραμμές Φραουνχόφερ. Ανεκάλυψε επίσης νέες, άγνωστες έως τότε ατομικές και μοριακές γραμμές απορροφήσεως στο αόρατο υπέρυθρο μέρος του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος. Ο Νίκολα Τέσλα είχε ρωτήσει τον Λάνγκλεϊ αν θα μπορούσε να χρησιμοποιήσει το βολόμετρό του στα πειράματά του για τη μετάδοση ενέργειας με ηλεκτρομαγνητικά κύματα το 1892.[10]

Εφαρμογές στην αστρονομία

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Τα βολόμετρα μπορούν να μετρήσουν ακτινοβολία οποιουδήποτε μήκους κύματος, αλλά για τις περισσότερες περιοχές του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος υπάρχουν άλλες μέθοδοι ανιχνεύσεως που είναι πιο ευαίσθητες. Ωστόσο, για τα υποχιλιοστομετρικά και χιλιοστομετρικά μήκη κύματος (από περίπου 200 μm έως μερικά χιλιοστά του μέτρου) τα κατάλληλα βολόμετρα είναι από τους πλέον ευαίσθητους διαθέσιμους ανιχνευτές, οπότε χρησιμοποιούνται από τους αστροφυσικούς σε αυτά τα μήκη κύματος. Για να επιτευχθεί η μέγιστη ευαισθησία, το όργανο πρέπει να ψύχεται σε θερμοκρασία από 50 mK έως 300 mK (χιλιοστά του βαθμού πάνω από το απόλυτο μηδέν[11]). Αξιοσημείωτα παραδείγματα βολομέτρων στην υποχιλιοστομετρική αστρονομία είναι π.χ. στο Πείραμα BOOMERanG, στο Διαστημικό Τηλεσκόπιο Χέρσελ, στο Τηλεσκόπιο Τζέιμς Κλερκ Μάξγουελ και στο Στρατοσφαιρικό Αστεροσκοπείο για Αστρονομία του Υπερύθρου (SOFIA).

Εφαρμογές στη σωματιδιακή φυσική

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Ο όρος «βολόμετρο» είναι επίσης σε χρήση στη σωματιδιακή φυσική, αλλά με την έννοια ενός μη συμβατικού ανιχνευτή σωματιδίων. Χρησιμοποιούν την ίδια αρχή που περιγράφηκε παραπάνω. Τα βολόμετρα είναι ευαίσθητα όχι μόνο στην ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, αλλά σε κάθε μορφή ενέργειας. Η αρχή λειτουργίας τους είναι παρόμοια με εκείνη ενός θερμιδομέτρου στη θερμοδυναμική. Ωστόσο οι προσεγγίσεις, η εξαιρετικά χαμηλή θερμοκρασία και ο διαφορετικός σκοπός της συσκευής καθιστούν τη λειτουργική χρήση τους διαφορετική. Στη γλώσσα της φυσικής υψηλών ενεργειών δεν αποκαλούνται θερμιδόμετρα, καθώς ο όρος αυτός υπονοεί έναν διαφορετικό τύπο ανιχνευτή. Η χρήση τους ως ανιχνευτών σωματιδίων προτάθηκε ήδη από τις αρχές του 20ού αιώνα, αλλά η πρώτη κανονική (αν και ακόμα πρωτοποριακή) χρήση τους σημειώθηκε μόλις κατά τη δεκαετία του 1980, εξαιτίας της δυσκολίας στην ψύξη τους. Μπορεί να θεωρηθεί πως βρίσκονται ακόμα στο στάδιο αναπτύξεως.

Εφαρμογές στη φυσική πλάσματος

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Τα βολόμετρα διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο στην παρακολούθηση της ακτινοβολίας που εκπέμπεται από πλάσμα που δημιουργείται για την παραγωγή ενέργειας από σύντηξη. Ο θερμοπυρηνικός αντιδραστήρας Wendelstein 7-X (W7-X) είναι εφοδιασμένος με ένα σύστημα βολομέτρων για τη μέτρηση της ακτινοβολίας από το πλάσμα. Η διάταξή του είναι βελτιστοποιημένη ώστε να ταυτοποιεί διδιάστατες κατανομές ακτινοβολίας εντός μιας συμμετρικής τριγωνικής διατομής πλάσματος. Μια πρόσφατη πρόοδος επί του θέματος είναι η βελτίωση ενός αλγορίθμου τομογραφικής αναπαραστάσεως. Τα βολόμετρα του W7-X έχουν ανιχνευτές μεταλλικών αντιστάσεων, που χαρακτηρίζονται από έναν απορροφητή από χρυσό πάχους 5 μm και διαστάσεων 1,3 mm επί 3,8 mm, επάνω σε κεραμικό (Si3N4) υπόστρωμα. Η προσθήκη ενός στρώματος άνθρακα πάχους μόλις 50 nm ενισχύοντας την αποτελεσματικότητα της ανιχνεύσεως φωτονίων μικρής ενέργειας. Οι ανιχνευτές αυτοί καλύπτουν ένα φάσμα από το άπω υπεριώδες μέχρι τις «μαλακές» ακτίνες Χ (SXR). Με δεδομένη την προσαρμοστική και καιvοτόμο σχεδίασή τους, θεωρούνται ως πρότυπα για τους μελλοντικούς βολομετρικούς ανιχνευτές του ITER.[12][13]

Μικροβολόμετρα

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Το μικροβολόμετρο είναι συγκεκριμένος τύπος βολομέτρου που χρησιμεύει ως ανιχνευτής σε θερμικές κάμερες. Αποτελείται από ένα πλέγμα αισθητήρων θερμότητας κατασκευασμένων από πεντοξείδιο του βαναδίου ή από άμορφο πυρίτιο επάνω σε ένα αντίστοιχο πλέγμα από πυρίτιο. Η υπέρυθρη ακτινοβολία από συγκεκριμένη φασματική περιοχή μηκών κύματος προσπίπτει επί του πεντοξειδίου του βαναδίου ή του άμορφου πυριτίου και μεταβάλλει την ηλεκτρική αντίστασή του. Αυτή η μεταβολή στην ηλεκτρική αντίσταση καταμετρείται και μετατρέπεται σε μεταβολή στη θερμοκρασία, που μπορεί να αναπαρασταθεί γραφικώς. Τα πλέγματα των μικροβολομέτρων κατασκευάζονται κυρίως σε 4 εμπορικά μεγέθη, συγκεκριμένα 640×480, 320×240 (384×288 για το άμορφο πυρίτιο) και τα φθηνότερα 160×120 και 80×60. Οι διατάξεις 640x512 από πεντοξείδιο του βαναδίου χρησιμοποιούνται σε στατικές κάμερες ασφαλείας με μικρές απαιτήσεις αντοχής. Μεγαλύτερες διατάξεις, 1024×768, ανακοινώθηκε ότι θα κατασκευασθούν μετά το 2008.

Βολόμετρο θερμών ηλεκτρονίων

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Το βολόμετρο θερμών ηλεκτρονίων (Hot electron bolometer, HEB) λειτουργεί συνήθως σε θερμοκρασίες τυπικά λίγους βαθμούς πάνω από το απόλυτο μηδέν. Σε αυτές τις πολύ χαμηλές θερμοκρασίες το σύστημα των ηλεκτρονίων στα μέταλλα είναι ασθενώς συζευγμένο με το σύστημα των φωνονίων. Η ισχύς που συζεύγνυται με το ηλεκτρονιακό σύστημα το απομακρύνει από τη θερμική ισορροπία με το φωνονιακό σύστημα, δίνοντας «θερμά ηλεκτρόνια».[14] Τα φωνόνια στα μέταλλα είναι συνήθως καλώς συζευγμένα με τα φωνόνια του υποστρώματος και δρουν ως δεξαμενή θερμότητας. Στην περιγραφή της λειτουργίας του HEB η αντίστοιχη θερμοχωρητικότητα είναι η ηλεκτρονιακή, ενώ η αντίστοιχη θερμική αγωγιμότητα είναι η αγωγιμότητα από ηλεκτρόνια και φωνόνια μαζί.

Εάν η ηλεκτρική αντίσταση του στοιχείου απορροφήσεως εξαρτάται από τη θερμοκρασία των ηλεκτρονίων, τότε η αντίσταση μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως θερμόμετρο του συστήματος των ηλεκτρονίων. Αυτό συμβαίνει τόσο με τα ημιαγώγιμα όσο και με τα υπεραγώγιμα υλικά σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες. Εάν η ηλεκτρική αντίσταση του στοιχείου απορροφήσεως δεν εξαρτάται από τη θερμοκρασία, όπως συμβαίνει στα περισσότερα (τα μη υπεραγώγιμα) μέταλλα σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες, τότε μπορεί να χρησιμοποιηθεί ένα προσαρτημένο θερμόμετρο αντιστάσεως προκειμένου να μετρηθεί η ηλεκτρονιακή θερμοκρασία.[3]

Μέτρηση μικροκυμάτων

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Μια μορφή βολομέτρου μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη μέτρηση της ισχύος ακτινοβολίας μικροκυμάτων. Σε αυτή την εφαρμογή, σε μία ηλεκτρική αντίσταση εφαρμόζεται ένα συνεχές ηλεκτρικό ρεύμα προκειμένου να υψώσει τη θερμοκρασία της τόσο, ώστε η εμπέδησή του να εξισωθεί με τη χαρακτηριστική εμπέδηση του κυματοδηγού των μικροκυμάτων. Μετά η αντίσταση εκτίθεται στα μικροκύματα και το ρεύμα μειώνεται προκεμένου το όργανο να επιστρέψει στην αντίσταση που είχε χωρίς την ακτινοβολία μικροκυμάτων. Η μεταβολή στην ισχύ του συνεχούς ρεύματος ισούται τότε με την απορροφούμενη ισχύ από τα μικροκύματα. Για την αφαίρεση της επιδράσεως της μεταβολής στη θερμοκρασία του περιβάλλοντος, το ενεργό στοιχείο είναι ενταγμένο σε μια γέφυρα Ουΐτστοουν μαζί με ένα ταυτόσημο στοιχείο που δεν εκτίθεται στα μικροκύματα. Οι θερμοκρασιακές μεταβολές που είναι κοινές σε αμφότερα τα στοιχεία δεν επηρεάζουν την ακρίβεια της μετρήσεως. Ο μέσος χρόνος αποκρίσεως του βολομέτρου επιτρέπει εύκολα τη μέτρηση της ισχύος μιας παλλόμενης πηγής.[15]

Το 2020 δύο ερευνητικές ομάδες ανέφεραν την κατασκευή βολομέτρων μικροκυμάτων από υλικά με βάση το γραφένιο, τα οποία ήταν σε θέση να ανιχνεύουν μικροκύματα στο επίπεδο του 1 φωτονίου.[16][17][18]

Δείτε επίσης

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]


Παραπομπές

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]
  1. ↑ «Langley's Bolometer, 1880-1890». Science Museum Group. Ανακτήθηκε στις 20 Μαρτίου 2022.
  2. ↑ bolometers – ορισμός στο Merriam-Webster Online Dictionary
  3. 1 2 Richards, P.L. (1994). «Bolometers for infrared and millimeter waves». Journal of Applied Physics 76 (1): 1-24. doi:10.1063/1.357128. Bibcode: 1994JAP....76....1R. https://zenodo.org/record/1232918.
  4. ↑ «A Polarization Sensitive Bolometric Detector». arxiv.org. Σεπτέμβριος 2002.
  5. ↑ «Instrumental and Analytic Methods for Bolometric Polarimetry». arxiv.org. Ιούνιος 2006.
  6. ↑ Langley, S.P. (23 Δεκεμβρίου 1880). The "Bolometer". American Metrological Society. σελ. 1-7.
  7. ↑ Langley, S.P. (1881-01-12). «The Bolometer and Radiant Energy». Proceedings of the American Academy of Arts and Sciences 16: 348. doi:10.2307/25138616.
  8. ↑ Samuel P. Langley Biography (Αρχειοθετήθηκε 2009-11-06 στο Wayback Machine.). High Altitude Observatory, University Corporation for Atmospheric Research.
  9. ↑ «Samuel Pierpont Langley». earthobservatory.nasa.gov. 3 Μαΐου 2000.
  10. ↑ Tesla, Nikola (1992). «section 4». NIKOLA TESLA ON HIS WORK WITH ALTERNATING CURRENTS and Their Application to Wireless Telegraphy, Telephony and Transmission of Power : An Extended Interview. Leland I. Anderson. ISBN 978-1-893817-01-2. I suppose I had hundreds of devices, but the first device that I used, and it was very successful, was an improvement on the bolometer. I met Professor Langley in 1892 at the Royal Institution. He said to me, after I had delivered a lecture, that they were all proud of me. I spoke to him of the bolometer, and remarked that it was a beautiful instrument. I then said, "Professor Langley, I have a suggestion for making an improvement in the bolometer, if you will embody it in the principle." I explained to him how the bolometer could be improved. Professor Langley was very much interested and wrote in his notebook what I suggested. I used what I have termed a small-mass resistance, but of much smaller mass than in the bolometer of Langley, and of much smaller mass than that of any of the devices which have been recorded in patents issued since. Those are clumsy things. I used masses that were not a millionth of the smallest mass described in any of the patents, or in the publications. With such an instrument, I operated, for instance, in West Point—I received signals from my laboratory ... in West Point.
  11. ↑ Sizov, Fedir F. (5 Μαΐου 2020). Detectors and Sources for THz and IR. Millersville, PA, USA: Materials Research Forum. σελ. 185. ISBN 9781644900741.
  12. ↑ Zhang, D. και άλλοι. (2010). «Design criteria of the bolometer diagnostic for steady-state operation of the W7-X stellarator». Review of Scientific Instruments 81 (10): 10E134. doi:10.1063/1.3483194. PMID 21033996. Bibcode: 2010RScI...81jE134Z. https://doi.org/10.1063/1.3483194.
  13. ↑ Zhang, D.; Burhenn, R. (2021). «Bolometer tomography on Wendelstein 7-X for study of radiation asymmetry». Nuclear Fusion 61 (11): 116043. doi:10.1088/1741-4326/ac2778. Bibcode: 2021NucFu..61k6043Z.
  14. ↑ Wellstood, F.C.; Urbina, C.; Clarke, John (1994). «Hot-electron effects in metals». Physical Review B 49 (9): 5942-5955. doi:10.1103/PhysRevB.49.5942. PMID 10011570. Bibcode: 1994PhRvB..49.5942W.
  15. ↑ Kai Chang (επιμ.): Encyclopedia of RF and Microwave Engineering, Wiley, 2005, ISBN 0-471-27053-9, σσ. 2736-2739
  16. ↑ Lee, Gil-Ho; Efetov, Dmitri K.; Jung, Woochan; Ranzani, Leonardo; Walsh, Evan D.; Ohki, Thomas A.; Taniguchi, Takashi; Watanabe, Kenji και άλλοι. (1 October 2020). «Graphene-based Josephson junction microwave bolometer». Nature 586 (7827): 42-46. doi:10.1038/s41586-020-2752-4. PMID 32999482. Bibcode: 2020Natur.586...42L. https://www.nature.com/articles/s41586-020-2752-4.epdf.
  17. ↑ Kokkoniemi, R.; Girard, J.-P.; Hazra, D.; Laitinen, A.; Govenius, J.; Lake, R.E.; Sallinen, I.; Vesterinen, V. και άλλοι. (1 October 2020). «Bolometer operating at the threshold for circuit quantum electrodynamics». Nature 586 (7827): 47-51. doi:10.1038/s41586-020-2753-3. PMID 32999484. Bibcode: 2020Natur.586...47K. https://www.nature.com/articles/s41586-020-2753-3.
  18. ↑ Johnston, Hamish (5 Οκτωβρίου 2020). «New microwave bolometers could boost quantum computers». Αρχειοθετήθηκε από το πρωτότυπο στις 8 Οκτωβρίου 2020.

Εξωτερικοί σύνδεσμοι

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]



Ανακτήθηκε από "https://el.wikipedia.org/w/index.php?title=Βολόμετρο&oldid=11669832"