Bolómetro

Un bolómetro es un dispositivo para medir el calor radiante por medio de un material que tiene una resistencia eléctrica dependiente de la temperatura . ^{[1] [2]} Fue inventado en 1878 por el astrónomo estadounidense Samuel Pierpont Langley .

Un bolómetro consiste en un elemento absorbente, como una fina capa de metal, conectado a un depósito térmico (un cuerpo de temperatura constante) a través de un enlace térmico. El resultado es que cualquier radiación que incida sobre el elemento absorbente eleva su temperatura por encima de la del depósito: cuanto mayor sea la potencia absorbida, mayor será la temperatura. La constante de tiempo térmica intrínseca, que establece la velocidad del detector, es igual a la relación entre la capacidad calorífica del elemento absorbente y la conductancia térmica entre el elemento absorbente y el depósito. ^[3] El cambio de temperatura se puede medir directamente con un termómetro resistivo adjunto , o se puede utilizar la resistencia del propio elemento absorbente como termómetro. Los bolómetros de metal suelen funcionar sin refrigeración. Se producen a partir de láminas finas o películas metálicas. Hoy en día, la mayoría de los bolómetros utilizan elementos absorbentes semiconductores o superconductores en lugar de metales. Estos dispositivos pueden funcionar a temperaturas criogénicas , lo que permite una sensibilidad significativamente mayor.

Los bolómetros son directamente sensibles a la energía que queda en el interior del absorbedor. Por este motivo, se pueden utilizar no sólo para partículas ionizantes y fotones , sino también para partículas no ionizantes, cualquier tipo de radiación e incluso para buscar formas desconocidas de masa o energía (como la materia oscura ); esta falta de discriminación también puede ser una deficiencia. Los bolómetros más sensibles son muy lentos en restablecerse (es decir, volver al equilibrio térmico con el entorno). Por otro lado, en comparación con los detectores de partículas más convencionales, son extremadamente eficientes en resolución energética y en sensibilidad. También se les conoce como detectores térmicos.

Los primeros bolómetros fabricados por Langley consistían en dos tiras de acero , platino o paladio recubiertas de negro de humo . ^{[4] [5]} Una tira estaba protegida de la radiación y la otra expuesta a ella. Las tiras formaban dos ramas de un puente de Wheatstone que estaba equipado con un galvanómetro sensible y conectado a una batería. La radiación electromagnética que caía sobre la tira expuesta la calentaba y cambiaba su resistencia. En 1880, el bolómetro de Langley estaba lo suficientemente refinado como para detectar la radiación térmica de una vaca a un cuarto de milla (400 m) de distancia. ^[6] Este detector de calor radiante es sensible a diferencias de temperatura de una cienmilésima de grado Celsius (0,00001 °C). ^[7] Este instrumento le permitió detectar térmicamente en un amplio espectro, notando todas las líneas principales de Fraunhofer . También descubrió nuevas líneas de absorción atómica y molecular en la porción infrarroja invisible del espectro electromagnético. Nikola Tesla le preguntó personalmente al Dr. Langley si podía utilizar su bolómetro para sus experimentos de transmisión de energía en 1892. Gracias a ese primer uso, logró hacer la primera demostración entre West Point y su laboratorio en Houston Street. ^[8]

Aunque los bolómetros se pueden utilizar para medir la radiación de cualquier frecuencia, para la mayoría de los rangos de longitud de onda existen otros métodos de detección que son más sensibles. Para longitudes de onda submilimétricas a milimétricas (desde alrededor de 200 μm hasta unos pocos mm de longitud de onda, también conocida como infrarrojo lejano , terahercios ), los bolómetros se encuentran entre los detectores más sensibles disponibles y, por lo tanto, se utilizan para astronomía en estas longitudes de onda. Para lograr la mejor sensibilidad, deben enfriarse a una fracción de grado por encima del cero absoluto (normalmente de 50 mK a 300  mK ^[9] ). Entre los ejemplos notables de bolómetros empleados en astronomía submilimétrica se incluyen el Observatorio Espacial Herschel , el Telescopio James Clerk Maxwell y el Observatorio Estratosférico de Astronomía Infrarroja (SOFIA). Ejemplos recientes de bolómetros empleados en astronomía de longitudes de onda milimétricas son AdvACT , el conjunto BICEP , SPT-3G y la cámara HFI en el satélite Planck , así como el Observatorio Simons planificado , el experimento CMB-S4, ^[10] y el satélite LiteBIRD .

El término bolómetro también se utiliza en física de partículas para designar un detector de partículas no convencional . Utilizan el mismo principio descrito anteriormente. Los bolómetros son sensibles no solo a la luz sino a toda forma de energía. El principio de funcionamiento es similar al de un calorímetro en termodinámica . Sin embargo, las aproximaciones, la temperatura ultrabaja y la diferente finalidad del dispositivo hacen que el uso operativo sea bastante diferente. En la jerga de la física de altas energías, estos dispositivos no se denominan "calorímetros", ya que este término ya se utiliza para un tipo diferente de detector (véase Calorímetro ). Su uso como detectores de partículas se propuso desde principios del siglo XX, pero el primer uso regular, aunque pionero, fue recién en la década de 1980 debido a la dificultad asociada con el enfriamiento y el funcionamiento de un sistema a temperatura criogénica . Todavía se puede considerar que están en la etapa de desarrollo.

Los bolómetros desempeñan un papel fundamental en el seguimiento de la radiación en plasmas de fusión. El estelarizador Wendelstein 7-X (W7-X) emplea un sistema de bolómetro de dos cámaras para capturar la radiación del plasma. Esta configuración está optimizada para identificar distribuciones de radiación 2D dentro de una sección transversal de plasma triangular simétrica. Los avances recientes incluyen el refinamiento de un algoritmo de reconstrucción tomográfica, que se apoya en el principio de suavizado de gradiente relativo (RGS) de los perfiles de emisión. Esto se ha aplicado de forma eficaz a las descargas de hidrógeno W7-X alimentadas por calentamiento por resonancia de ciclotrón electrónico (ECRH). En términos de hardware, los bolómetros W7-X están equipados con detectores metal-resistivos. Estos se distinguen por un absorbedor de oro de 5 μm de espesor, de 1,3 mm en la dirección poloidal y 3,8 mm en la dirección toroidal, montado sobre un sustrato cerámico (nitruro de silicio Si3N4). La inclusión de una capa de carbono de 50 nm es estratégica, ya que mejora la eficiencia de detección de fotones de baja energía. Estos detectores están especialmente adaptados a la radiación de líneas de impurezas, y cubren un espectro que va desde el ultravioleta (VUV) hasta los rayos X suaves (SXR). Dada su resistencia y su diseño innovador, se los está considerando como prototipos para los futuros detectores de bolómetros del ITER . ^{[11] [12]}

Un microbolómetro es un tipo específico de bolómetro utilizado como detector en una cámara térmica . Es una rejilla de sensores de calor de óxido de vanadio o silicio amorfo sobre una rejilla correspondiente de silicio . La radiación infrarroja de un rango específico de longitudes de onda golpea el óxido de vanadio o silicio amorfo y cambia su resistencia eléctrica . Este cambio de resistencia se mide y se procesa en temperaturas que se pueden representar gráficamente. La rejilla del microbolómetro se encuentra comúnmente en tres tamaños, una matriz de 640 × 480, una matriz de 320 × 240 (silicio amorfo de 384 × 288) o una matriz menos costosa de 160 × 120. Las matrices VOx de 640 × 512 se utilizan comúnmente en aplicaciones de cámaras de seguridad estáticas con bajos requisitos de resistencia a los golpes. Diferentes matrices proporcionan la misma resolución y una matriz más grande proporciona un campo de visión más amplio . ^{[ cita requerida ]} En 2008 se anunciaron matrices más grandes de 1024 × 768.

El bolómetro de electrones calientes (HEB) opera a temperaturas criogénicas , típicamente dentro de unos pocos grados del cero absoluto . A estas temperaturas muy bajas, el sistema de electrones en un metal está débilmente acoplado al sistema de fonones . La potencia acoplada al sistema de electrones lo saca del equilibrio térmico con el sistema de fonones, creando electrones calientes. ^[13] Los fonones en el metal están típicamente bien acoplados a los fonones del sustrato y actúan como un reservorio térmico. Al describir el rendimiento del HEB, la capacidad térmica relevante es la capacidad térmica electrónica y la conductancia térmica relevante es la conductancia térmica electrón-fonón.

Si la resistencia del elemento absorbente depende de la temperatura del electrón, entonces la resistencia puede utilizarse como termómetro del sistema electrónico. Este es el caso tanto de los materiales semiconductores como de los superconductores a baja temperatura. Si el elemento absorbente no tiene una resistencia dependiente de la temperatura, como es típico de los metales normales (no superconductores) a muy baja temperatura, entonces se puede utilizar un termómetro resistivo adjunto para medir la temperatura del electrón. ^[3]

Un bolómetro se puede utilizar para medir la potencia en frecuencias de microondas . En esta aplicación, un elemento resistivo se expone a la potencia de microondas. Se aplica una corriente de polarización de CC a la resistencia para elevar su temperatura mediante calentamiento Joule , de modo que la resistencia coincida con la impedancia característica de la guía de ondas. Después de aplicar potencia de microondas, la corriente de polarización se reduce para devolver el bolómetro a su resistencia en ausencia de potencia de microondas. El cambio en la potencia de CC es entonces igual a la potencia de microondas absorbida. Para rechazar el efecto de los cambios de temperatura ambiente, el elemento activo (de medición) está en un circuito puente con un elemento idéntico no expuesto a microondas; las variaciones de temperatura comunes a ambos elementos no afectan la precisión de la lectura. El tiempo de respuesta promedio del bolómetro permite una medición conveniente de la potencia de una fuente pulsada. ^[14]

En 2020, dos grupos informaron sobre bolómetros de microondas basados ​​en materiales a base de grafeno capaces de detectar microondas a nivel de fotón único. ^{[15] [16] [17]}

• Par termoeléctrico
• Bolómetro centelleante
• Pirómetro
• Radiómetro
• Tasímetro
• Termistor
• Pirheliómetro
• Detección infrarroja en serpientes La estructura y función de un órgano de fosetas tiene similitudes con las de un bolómetro.

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• Introducción a los bolómetros (grupo Richards, Departamento de Física, UC Berkeley)
• La NASA y la historia del bolómetro
• Las propias palabras de Langley sobre el bolómetro y su uso