Болометр

БОЛОМЕТР - устройство для измерения потока энергии эл.-магн. излучения, основанное на изменении физ. параметров термочувствительного элемента в результате его нагрева при поглощении энергии измеряемого излучения (тепловой приёмник излучения). В астрономии Б. чаще всего используют для регистрации ИК-излучения.

Регистрируемое Б. излучение поглощается чувствительным элементом и преобразуется в теплоту. Для уменьшения тепловых потерь чувствительный элемент Б. имеет малую теплоёмкость и крепится на очень тонких проволочных контактах, через к-рые осуществляется слабая тепловая связь с резервуаром большой теплоёмкости (базой). Теплота распространяется через слабую тепловую связь к базе, темп-pa к-рой практически не меняется. Через нек-рое время ~ t (t - постоянная времени прибора, зависящая от теплоёмкости чувствительного элемента и теплопроводности между ним и базой) темп-pa чувствительного элемента приобретает равновесное значение, превышающее темп-ру базы. Величина этого превышения определяется произведением теплового потока, пропорционального мощности падающего излучения, на тепловое сопротивление между чувствительным элементом и базой. Изменение темп-ры чувствительного элемента приводит к изменению его электрич. параметров, чаще всего сопротивления, к-рое может быть измерено при включении Б. в цепь с внеш. источником напряжения.

Предел чувствительности тепловых приёмников определяется термодинамич. флуктуациями темп-ры чувствительного элемента, к-рые быстро уменьшаются с понижением темп-ры. Поэтому в совр. ИК-астрономии почти исключительно используются Б., охлаждаемые до темп-ры жидкого гелия и имеющие чувствительность в тысячи раз выше, чем Б., работающие при комнатной темп-ре. Рабочая температура Б. может быть доведена до 1,3 К (жидкий ⁴Не с откачкой паров) и даже до 0,3 К (жидкий ³Не с откачкой паров).

Болометр для измерения ИК-излучения. Чувствительный элемент 6 удерживается проволоками 5, припаянными к пластинам 4 на коваровых штырях 3. Последние изолированы стеклом 2 от медного кольца 1, имеющего температуру базы.

В качестве чувствительных элементов Б., охлаждаемых жидким гелием, чаще всего применяются полупроводниковые кристаллы, позволяющие получать высокое отношение изменения напряжения к изменению падающей мощности при малом уровне избыточных шумов. Элемент Б., предназначенный для измерения ИК-излучения (см. рис.), устанавливают на стенке или на днище гелиевого резервуара криостата в вакуумируемой полости, что устраняет конвективный теплоотвод от чувствительного элемента. Для увеличения эффективности поглощения излучения на полупроводниковый кристалл наносят чернящее покрытие, а субмиллиметровые Б. устанавливают в камеру с отражающими стенками ("интегрирующая" камера).

Для уменьшения размеров чувствительного элемента (полупроводникового кристалла) и, следовательно, его теплоёмкости и шумов функция поглощения принимаемого излучения часто возлагается не на сам кристалл, а на тонкую пластинку значительно большей площади. Кристалл крепится в середине пластинки, за ним сохраняется лишь ф-ция измерения темп-ры. Такие Б. наз. составными или Б. с выделенной площадкой.

В планетных исследованиях с АМС применяются неохлаждаемые Б., преимущественно металлические. В металлич. Б. роль чувствительного элемента выполняют чернёные металлич. ленты, работающие в естественном космич. вакууме.

Для астрономич. наблюдений осн. характеристикой Б. явл. эквивалентная мощность шума (ЭМШ), определяющая порог его чувствительности. ЭМШ равна мощности падающего на приёмник излучения, при к-рой сигнал и шум на выходе прибора равны. Величина ЭМШ нормируется на полосу частот 1 Гц и выражается в ед. Вт/Гц^1/2. ЭМШ глубокоохлаждаемых Б. достигает 10^-14Вт/Гц^1/2, у лучших образцов составных Б.- 10^-15Вт/Гц^1/2 и ниже, а постоянная времени t~0,01-0,1 с. ЭМШ неохлаждаемых металлич. Б. ~10^-9 - 10^-8Вт/Гц^1/2.

Б. явл. широкополосными приёмниками излучения. Детальный вид их спектр. характеристики определяется спектр, св-вами поглощающих покрытий чувствительных элементов или выделенной площадки. Б. используются практически во всём ИК-диапазоне - от длин волн >1,5 мкм и до 1 - 2 мм. Для исследования излучения в определённых участках длин волн Б. применяют в сочетании с полосовыми спектр. фильтрами.

(Г.Б. Шоломицкий)