열량계

Bolometer
Image of spiderweb bolometer for measurements of the cosmic microwave background radiation.
우주 마이크로파 배경 복사 측정을 위한 거미줄 열량계.이미지 크레딧: NASA/JPL-Caltech.

볼로미터는 온도의존성 전기저항을 [1][2]가진 재료를 이용하여 복사열을 측정하는 장치이다.그것은 1878년 미국 천문학자 Samuel Pierpont Langley에 의해 발명되었다.

작동 원리

Conceptual schematic of a bolometer.
열량계의 개념도.입사신호로부터의 전력 P는 흡수되어 열용량 C와 온도 T로 열질량을 가열한다.열질량은 열전도성 링크인 G를 통해 일정 온도의 저장기와 연결됩니다.온도상승은 δT = P/G이며 저항온도계로 측정하여 P를 구한다.고유 열시간 상수는 θ = C/G이다.

열량계는 열 링크를 통해 열 저장 장치(항온 물체)에 연결된 얇은 금속 층과 같은 흡수 요소로 구성됩니다.그 결과 흡수 요소에 영향을 미치는 방사선은 저장소의 온도 이상으로 상승합니다. 즉, 흡수 전력이 클수록 온도가 높아집니다.검출기의 속도를 설정하는 고유 열시간 상수는 흡수 소자와 [3]저장기 사이의 열전도율에 대한 흡수 소자의 열용량의 비율과 같다.온도 변화는 부착된 저항 온도계로 직접 측정하거나 흡수 소자 자체의 저항을 온도계로 사용할 수 있습니다.금속 열량계는 보통 냉각 없이 작동합니다.얇은 박이나 금속막으로 만들어집니다.오늘날 대부분의 열량계는 금속보다는 반도체나 초전도체 흡수성 원소를 사용한다.이러한 장치는 극저온 온도에서 작동할 수 있으므로 감도가 크게 향상됩니다.

열량계는 흡수기 내부에 남아 있는 에너지에 직접 민감합니다.이러한 이유로 그것들은 이온화 입자와 광자뿐만 아니라 비이온화 입자, 모든 종류의 방사선, 그리고 알려지지 않은 형태의 질량이나 에너지(암흑 물질 등)를 찾는 데에도 사용될 수 있습니다. 이러한 구별의 부족은 단점이 될 수 있습니다.가장 민감한 열량계는 재설정 속도가 매우 느립니다(즉, 환경과의 열 평형 상태로 돌아갑니다).한편, 기존의 입자 검출기에 비해 에너지 분해능과 감도 면에서 매우 효율적입니다.그것들은 열 감지기로도 알려져 있다.

랭글리의 열량계

랭글리에 의해 만들어진 최초의 열량계는 램프블랙으로 [4][5]덮인 두 개의 강철, 백금 또는 팔라듐 호일 스트립으로 구성되었다.한 스트립은 방사능으로부터 보호되었고 다른 스트립은 방사능에 노출되었다.스트립은 휘트스톤 브릿지의 두 가지 분기를 형성했으며, 휘트스톤 브릿지는 감응형 검류계를 장착하고 배터리에 연결되었습니다.노출된 스트립에 전자파 방사선이 떨어지면 열이 나고 저항이 변합니다.1880년까지, 랭글리의 열량계는 0.25마일 떨어진 [6]소에서 나오는 열복사를 감지할 수 있을 정도로 정교해졌다.이 복사열 검출기는 섭씨 10만분의 1(0.00001C)[7]의 온도차에 민감합니다.이 계측기를 통해 그는 모든 주요 프라운호퍼 라인을 기록하면서 광범위한 스펙트럼을 열적으로 검출할 수 있었다.그는 또한 전자기 스펙트럼의 보이지 않는 적외선 부분에서 새로운 원자 및 분자 흡수선을 발견했다.니콜라 테슬라는 1892년 그의 동력 전달 실험에 그의 열량계를 사용할 수 있는지 랭글리 박사에게 직접 물었다.그 첫 번째 사용 덕분에, 그는 휴스턴 [8]가에 있는 웨스트 포인트와 그의 연구실을 연결하는 첫 번째 시연에 성공했다.

천문학에서의 응용

열량계를 사용하여 모든 주파수의 방사선을 측정할 수 있지만, 대부분의 파장 범위에는 보다 민감한 다른 검출 방법이 있습니다.밀리미터 파장을 통과하는 밀리미터 이하의 파장(약 200µm에서 수 mm 파장, 원적외선 테라헤르츠라고도 함)의 경우 볼로미터는 가장 민감한 검출기 중 하나이며, 따라서 이러한 파장의 천문학에 사용된다.최적의 감도를 얻으려면 절대 영점보다 약간 높은 도(일반적으로 50mK ~ 300mK)까지 냉각해야 합니다.서브밀리미터 천문학에서 사용되는 주목할 만한 열량계의 예로는 허셜 우주 관측소, 제임스 클러크 맥스웰 망원경, 그리고 적외선을 위한 성층권 관측소(SOFIA)가 있다.최근 밀리파장 천문학에서 사용되는 볼로미터의 예로는 AdvACT, BICEP 어레이, SPT-3G, 플랑크 위성의 HFI 카메라, 그리고 계획된 시몬스 천문대, CMB-S4 실험,[9] LiteB 등이 있다.IRD 위성

입자 물리학에서의 응용

볼로미터라는 용어는 또한 입자 물리학에서 비상식적인 입자 검출기를 나타내기 위해 사용됩니다.위에서 설명한 것과 같은 원리를 사용합니다.열량계는 빛뿐만 아니라 모든 형태의 에너지에 민감하다.작동 원리는 열역학에서 열량계의 작동 원리와 유사합니다.다만, 근사치, 초저온, 디바이스의 용도가 다르기 때문에, 조작상의 용도는 다소 다릅니다.고에너지 물리학의 전문용어로 이러한 장치를 "열량계"라고 부르지 않는다. 왜냐하면 이 용어는 이미 다른 유형의 검출기에 사용되고 있기 때문이다(열량계 참조).입자 검출기로서의 사용은 20세기 초부터 제안되었지만, 최초의 정기 사용은 1980년대에야 시작되었지만 극저온 온도에서 시스템을 냉각하고 작동시키는 데 어려움이 있었다.그들은 아직 발달 단계에 있다고 볼 수 있다.

마이크로볼로미터

주요 기사:마이크로볼로미터

마이크로볼로미터는 열 카메라에서 검출기로 사용되는 특정 유형의 볼로미터입니다.산화 바나듐 또는 비정질 실리콘 열 센서의 그리드이며 해당 실리콘 그리드 위에 있습니다.특정 파장의 적외선 방사선이 바나듐 산화물 또는 비정질 실리콘에 닿아 전기 저항이 변화합니다.이 저항 변화는 그래픽으로 나타낼 수 있는 온도로 측정 및 처리됩니다.마이크로볼로미터 그리드는 일반적으로 640×480 어레이, 320×240 어레이(384×288 비정질 실리콘) 또는 보다 저렴한 160×120 어레이의 세 가지 크기로 제공됩니다.다른 어레이에서도 동일한 해상도를 얻을 수 있으며,[citation needed] 더 큰 어레이에서도 시야가 넓어집니다.2008년에는 1024×768 어레이가 더 많이 발표되었습니다.

고온 전자 열량계

HEB(Hot Electron Bolometer)는 극저온 온도(일반적으로 절대 0도 이내)에서 작동합니다.이러한 매우 낮은 온도에서 금속 내의 전자 시스템은 포논 시스템에 약하게 결합됩니다.전자 시스템에 연결된 전력은 포논 시스템과의 열적 평형을 벗어나 뜨거운 [10]전자를 생성합니다.금속의 포논은 일반적으로 기판 포논에 잘 결합되어 열 저장소로 작용합니다.HEB의 성능을 설명할 때, 관련 열 용량은 전자 열 용량이며, 관련 열 전도율은 전자-폰 열 전도율이다.

흡수 소자의 저항이 전자 온도에 따라 달라지는 경우 저항을 전자 시스템의 온도계로 사용할 수 있습니다.이는 저온에서의 반도체 물질과 초전도 물질 모두에 해당된다.흡착 소자가 매우 낮은 온도에서 일반(비초전도성) 금속의 일반적인 경우처럼 온도에 의존하는 저항을 가지지 않는 경우 부착된 저항 온도계를 사용하여 전자 [3]온도를 측정할 수 있습니다.

마이크로파 측정

볼로미터는 마이크로파 주파수에서 전력을 측정하는 데 사용할 수 있습니다.본 어플리케이션에서는 저항성 소자가 마이크로파 전력에 노출된다.저항체에 DC 바이어스 전류를 인가하여 줄 가열에 의해 온도를 상승시켜 저항이 도파관 특성 임피던스에 일치하도록 한다.마이크로파 전력을 인가한 후 바이어스 전류를 저감하여 마이크로파 전력이 없을 때 볼로미터를 저항으로 되돌린다.DC 전력의 변화는 흡수된 마이크로파 전력과 동일합니다.외부 온도 변화의 영향을 피하기 위해 활성(측정) 소자는 마이크로파에 노출되지 않은 동일한 소자를 가진 브리지 회로에 있습니다. 두 소자에 공통되는 온도 변화는 측정치의 정확도에 영향을 주지 않습니다.열량계의 평균 응답 시간을 통해 펄스 [11]소스의 전력을 편리하게 측정할 수 있습니다.

2020년에는 두 그룹이 단일 광자 [12][13][14]수준에서 마이크로파를 검출할 수 있는 그래핀 기반 물질에 기초한 마이크로파 열량계를 보고했다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ "Langley's Bolometer, 1880-1890". Science Museum Group. Retrieved 20 March 2022.
  2. ^ 예를 들어, Merriam-Webster 온라인 사전의 열량계 정의를 참조하십시오.
  3. ^ a b Richards, P. L. (1994). "Bolometers for infrared and millimeter waves". Journal of Applied Physics. 76 (1): 1–24. Bibcode:1994JAP....76....1R. doi:10.1063/1.357128.
  4. ^ Langley, S. P. (23 December 1880). The "Bolometer". American Metrological Society. p. 1-7.
  5. ^ Langley, S. P. (12 January 1881). "The Bolometer and Radiant Energy". Proceedings of the American Academy of Arts and Sciences. 16: 348. doi:10.2307/25138616. JSTOR 25138616.
  6. ^ Samuel P. Langley Biography 2009-11-06년 University Corporation for Motheric Research, Wayback Machine High High Taidity Observatory에서 아카이브된 2009-11.06년
  7. ^ NASA 지구 관측소
  8. ^ 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 on Houston Street in West Point.
  9. ^ https://cmb-s4.org/
  10. ^ Wellstood, F. C.; Urbina, C.; Clarke, John (1994). "Hot-electron effects in metals". Physical Review B. 49 (9): 5942–5955. Bibcode:1994PhRvB..49.5942W. doi:10.1103/PhysRevB.49.5942. PMID 10011570.
  11. ^ Kai Chang (ed), RF 및 마이크로파 공학 백과사전, (Wiley 2005) ISBN 0-471-27053-9 페이지 2736-2739
  12. ^ Lee, Gil-Ho; Efetov, Dmitri K.; et al. (1 October 2020). "Graphene-based Josephson junction microwave bolometer". Nature. 586 (7827): 42–46. arXiv:1909.05413. Bibcode:2020Natur.586...42L. doi:10.1038/s41586-020-2752-4. hdl:1721.1/129674. PMID 32999482. S2CID 202565642. Archived from the original on 5 October 2020.
  13. ^ Kokkoniemi, R.; Girard, J.-P.; et al. (1 October 2020). "Bolometer operating at the threshold for circuit quantum electrodynamics". Nature. 586 (7827): 47–51. arXiv:2008.04628. Bibcode:2020Natur.586...47K. doi:10.1038/s41586-020-2753-3. PMID 32999484. S2CID 221095927. Archived from the original on 5 October 2020.
  14. ^ Johnston, Hamish (5 October 2020). "New microwave bolometers could boost quantum computers". Archived from the original on 8 October 2020.

외부 링크

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