Un bolómetro es un dispositivo para medir el calor radiante mediante 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 consta de 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 es la potencia absorbida, mayor es 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 la resistencia del propio elemento absorbente se puede utilizar como termómetro. Los bolómetros metálicos suelen funcionar sin refrigeración. Se fabrican 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 dentro del absorbente. 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 tardan mucho en restablecerse (es decir, volver al equilibrio térmico con el medio ambiente). 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 láminas de acero , platino o paladio cubiertas con 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 incide sobre la tira expuesta la calentaría y cambiaría 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, observando 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 preguntó personalmente al Dr. Langley si podía utilizar su bolómetro para sus experimentos de transmisión de potencia en 1892. Gracias a ese primer uso, logró realizar la primera demostración entre West Point y su laboratorio en Houston Street. [8]
Si bien 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. Desde longitudes de onda submilimétricas hasta longitudes de onda milimétricas (desde aproximadamente 200 µm hasta unos pocos mm de longitud de onda, también conocida como infrarrojo lejano , terahercios ), los bolómetros se encuentran entre los detectores disponibles más sensibles y, por lo tanto, se utilizan para la astronomía en estas longitudes de onda. Para lograr la mejor sensibilidad, se deben enfriar a una fracción de grado por encima del cero absoluto (normalmente de 50 mK a 300 mK [9] ). Ejemplos notables de bolómetros empleados en astronomía submilimétrica 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 longitud de onda milimétrica son AdvACT , el conjunto BICEP , SPT-3G y la cámara HFI en el satélite Planck , así como el planeado Observatorio Simons , 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 sólo a la luz sino a cualquier forma de energía. El principio de funcionamiento es similar al de un calorímetro en termodinámica . Sin embargo, las aproximaciones, la temperatura ultrabaja y el diferente propósito 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 otro tipo de detector (ver Calorímetro ). Su uso como detectores de partículas se propuso desde principios del siglo XX, pero el primer uso regular, aunque pionero, no se produjo hasta 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 se encuentran en la etapa de desarrollo.
Los bolómetros desempeñan un papel fundamental en el seguimiento de la radiación en los plasmas de fusión. El estelarador Wendelstein 7-X (W7-X) emplea un sistema de bolómetro de dos cámaras para capturar la radiación de 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 perfeccionamiento de un algoritmo de reconstrucción tomográfica, que se basa en el principio de suavizado de gradiente relativo (RGS) de los perfiles de emisión. Esto se ha aplicado eficazmente a las descargas de hidrógeno del W7-X alimentadas por calentamiento por resonancia de ciclotrón electrónico (ECRH). En términos de hardware, los bolómetros W7-X están equipados con detectores resistentes a metales. Estos se distinguen por un absorbente de oro de 5 μm de espesor, de 1,3 mm en dirección poloidal y de 3,8 mm en 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 particularmente en sintonía con la radiación de la línea de impurezas, cubriendo un espectro que va desde el ultravioleta (VUV) hasta los rayos X suaves (SXR). Dada su resistencia y diseño innovador, se están considerando como prototipos para los próximos detectores de bolómetro ITER . [11] [12]
Un microbolómetro es un tipo específico de bolómetro que se utiliza como detector en una cámara térmica . Es una rejilla de sensores de calor de óxido de vanadio o silicio amorfo encima de una rejilla correspondiente de silicio . La radiación infrarroja de un rango específico de longitudes de onda incide sobre el óxido de vanadio o el 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 (384 × 288 de silicio amorfo) o una matriz menos costosa de 160 × 120. Distintos conjuntos proporcionan la misma resolución y un conjunto más grande proporciona un campo de visión más amplio . [ cita necesaria ] En 2008 se anunciaron matrices más grandes, de 1024 × 768.
El bolómetro de electrones calientes (HEB) funciona a temperaturas criogénicas , normalmente dentro de unos pocos grados del cero absoluto . A estas temperaturas tan bajas, el sistema de electrones de un metal está débilmente acoplado al sistema de fonones . La energía acoplada al sistema de electrones lo saca del equilibrio térmico con el sistema de fonones, creando electrones calientes. [13] Los fonones del metal suelen estar bien acoplados a los fonones del sustrato y actúan como un depósito térmico. Al describir el rendimiento del HEB, la capacidad calorífica relevante es la capacidad calorífica 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 se puede utilizar 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 en los metales normales (no superconductores) a temperaturas muy bajas, se puede utilizar un termómetro resistivo adjunto para medir la temperatura de los electrones. [3]
Se puede utilizar un bolómetro para medir la potencia en frecuencias de microondas . En esta aplicación, un elemento resistivo está expuesto a la energía 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) se encuentra 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 medio de respuesta del bolómetro permite medir cómodamente 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]
Supongo que tenía cientos de dispositivos, pero el primero que utilicé, y tuvo mucho éxito, fue una mejora del bolómetro. Conocí al profesor Langley en 1892 en la Royal Institution. Después de dar una conferencia, me dijo que todos estaban orgullosos de mí. Le hablé del bolómetro y le comenté que era un instrumento hermoso. Luego dije: "Profesor Langley, tengo una sugerencia para mejorar el bolómetro, si quiere incorporarla al principio". Le expliqué cómo se podría mejorar el bolómetro. El profesor Langley estaba muy interesado y anotó en su cuaderno lo que le sugerí. Utilicé lo que he denominado resistencia de masa pequeña, pero de masa mucho menor que la del bolómetro de Langley, y de masa mucho menor que la de cualquiera de los dispositivos que se han registrado en patentes concedidas desde entonces. Esas son cosas torpes. Utilicé masas que no eran una millonésima parte de la masa más pequeña descrita en ninguna de las patentes o en las publicaciones. Con un instrumento así, operé, por ejemplo, en West Point; recibía señales de mi laboratorio en Houston Street en West Point.
