Болометр

Болометр — это прибор для измерения мощности электромагнитного излучения, основанный на изменении электрического сопротивления чувствительного элемента при его нагреве под действием поглощённого излучения. Относится к классу тепловых приёмников излучения, работающих в широком диапазоне длин волн — от инфракрасного и видимого до миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов. Болометры применяются в астрофизике, спектроскопии, системах тепловидения, а также в экспериментах по физике высоких энергий.

Принцип действия

Работа болометра основана на терморезистивном эффекте: при поглощении энергии излучения чувствительный элемент (термистор) нагревается, его температура повышается, что приводит к изменению электрического сопротивления. Изменение сопротивления регистрируется измерительной схемой, обычно представляющей собой мост Уитстона, и преобразуется в электрический сигнал, пропорциональный мощности падающего излучения.

Ключевыми параметрами болометра являются:

• Чувствительность — минимальная регистрируемая мощность излучения (обычно выражается в ваттах).
• Постоянная времени — время, за которое сигнал достигает 63% от установившегося значения (характеризует быстродействие).
• Температурный коэффициент сопротивления (ТКС) — относительное изменение сопротивления на градус Кельвина.

Для повышения чувствительности болометры часто охлаждают до криогенных температур (например, до 0,3 К или 4,2 К), что снижает тепловые шумы и позволяет регистрировать излучение мощностью до 10⁻¹⁵ Вт.

История

Первое описание болометра было дано американским астрономом Сэмюэлем Пирпонтом Лэнгли в 1880 году. Лэнгли использовал прибор для измерения солнечного излучения и инфракрасного излучения от небесных тел. Его болометр представлял собой две тонкие платиновые полоски, включённые в мостовую схему. Одна полоска подвергалась облучению, другая служила эталоном. Чувствительность составляла около 10⁻⁶ Вт.

В 1917 году русский физик Пётр Леонидович Капица (впоследствии нобелевский лауреат) совместно с Николаем Николаевичем Семёновым разработал болометр с использованием тонких металлических плёнок, что позволило повысить быстродействие и чувствительность. В 1930-х годах появились полупроводниковые болометры на основе оксидов марганца, никеля и кобальта (термисторы).

Современные болометры (сверхпроводниковые, переходные, на основе квантовых точек) появились в конце XX века благодаря развитию микроэлектроники и криогенной техники.

Классификация

Болометры классифицируют по нескольким признакам:

По типу чувствительного элемента

1. Металлические болометры — используют тонкие плёнки металлов (платина, никель, золото). Имеют небольшой положительный ТКС (0,003–0,006 К⁻¹), но низкий уровень шума.
2. Полупроводниковые болометры — применяют оксидные полупроводники (термисторы). ТКС отрицательный и по модулю больше (0,02–0,06 К⁻¹), что даёт более высокую чувствительность.
3. Сверхпроводниковые болометры — работают вблизи температуры сверхпроводящего перехода. ТКС в этой области достигает 0,1–1 К⁻¹, что позволяет регистрировать единичные фотоны.
4. Переходные болометры — используют тонкие плёнки сверхпроводника, нагреваемые до температуры перехода.

По температурному режиму

• Охлаждаемые — работают при температурах 0,3–4,2 К (жидкий гелий) или 77 К (жидкий азот). Используются в астрофизике и квантовой оптике.
• Неохлаждаемые — работают при комнатной температуре. Применяются в тепловизорах и системах безопасности.

По конструкции

• Дискретные — единичный чувствительный элемент.
• Матричные — двумерный массив (например, 640×480) элементов, формирующий тепловое изображение.

Устройство и характеристики

Типичный болометр состоит из:

• Поглотителя — тонкого слоя материала (например, золота, нитрида кремния, углеродных нанотрубок), преобразующего энергию излучения в тепло.
• Терморезистора — элемента, сопротивление которого меняется с температурой.
• Теплоотвода — подложки или термостата, обеспечивающего отвод тепла и задание рабочей температуры.
• Измерительной схемы — моста Уитстона или усилителя с обратной связью.

Характеристики современных болометров:

• Чувствительность: от 10⁻¹² Вт (неохлаждаемые) до 10⁻¹⁸ Вт (сверхпроводниковые).
• Постоянная времени: от 10⁻⁶ с (быстрые металлические) до 10⁻³ с (полупроводниковые).
• Рабочий диапазон длин волн: от 0,1 мкм (ультрафиолет) до 10 мм (радиодиапазон).

Применение

Астрофизика

Болометры устанавливаются на борту космических обсерваторий (например, «Планк», «Гершель», WMAP) для изучения реликтового излучения, межзвёздной пыли и далёких галактик. Сверхпроводниковые болометры используются в наземных телескопах миллиметрового диапазона (ALMA, IRAM).

Тепловидение

Неохлаждаемые матричные болометры на основе оксида ванадия (VOx) или аморфного кремния (a-Si) применяются в тепловизорах для военных, промышленных и гражданских целей (например, системы наблюдения, пожарная сигнализация, медицинская диагностика).

Спектроскопия

Болометры используются в инфракрасных и терагерцовых спектрометрах для анализа состава веществ, в том числе в химической и фармацевтической промышленности.

Физика высоких энергий

В экспериментах на ускорителях (например, в ЦЕРНе) болометры применяются для регистрации частиц и измерения энергии гамма-квантов.

Квантовая оптика

Сверхпроводниковые болометры способны регистрировать единичные фотоны, что используется в квантовой криптографии и квантовых вычислениях.

Интересные факты

• Первый болометр Лэнгли имел чувствительность около 10⁻⁶ Вт, что позволяло регистрировать тепловое излучение от человека на расстоянии нескольких метров.
• В 1960-х годах советские учёные разработали болометры на основе плёнок из нитрида ниобия, работающие при температуре 4,2 К.
• Современные матричные болометры содержат до 10⁶ элементов на одном чипе, каждый размером 15–25 мкм.
• В 2020 году российские физики из Института физики микроструктур РАН создали сверхпроводниковый болометр с чувствительностью 10⁻¹⁸ Вт для регистрации терагерцового излучения.

Источники

• Лэнгли С. П. «The Bolometer and its Applications» // Nature, 1881.
• Капица П. Л. «О болометрическом методе измерения интенсивности излучения» // Журнал Русского физико-химического общества, 1917.
• Семёнов Н. Н. «Тепловые методы регистрации излучения» // Успехи физических наук, 1930.
• Richards P. L. «Bolometers for infrared and millimeter waves» // Journal of Applied Physics, 1994.
• Козлов В. А. и др. «Сверхпроводниковые болометры для терагерцовой астрономии» // Приборы и техника эксперимента, 2020.