Bolómetro

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 a temperatura constante) mediante un enlace térmico. Como resultado, 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 determina la velocidad del detector, es igual a la relación entre la capacidad calorífica del elemento absorbente y la conductancia térmica entre este y el depósito. ^{[ 3 ]} El cambio de temperatura se puede medir directamente con un termómetro resistivo conectado , o bien se puede utilizar la resistencia del propio elemento absorbente como termómetro. Los bolómetros metálicos suelen funcionar sin refrigeración. Se fabrican a partir de láminas delgadas o películas metálicas. Actualmente, 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 absorbedor. Por esta razón, pueden usarse no solo 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 desventaja. Los bolómetros más sensibles son muy lentos para restablecerse (es decir, para 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. Cuando se acoplan mediante transformadores de modo ortogonal cuasi-ópticos o litográficos, pueden usarse para caracterizar el estado de polarización de la luz. ^{[ 4 ] [ 5 ]}

Los primeros bolómetros fabricados por Langley consistían en dos tiras de acero , platino o paladio recubiertas de negro de humo . ^{[ 6 ] [ 7 ]} Una tira estaba protegida de la radiación y la otra expuesta a ella. Las tiras formaban dos ramas de un puente de Wheatstone equipado con un galvanómetro sensible y conectado a una batería. La radiación electromagnética que incidía sobre la tira expuesta la calentaba y modificaba su resistencia. En 1880, el bolómetro de Langley estaba lo suficientemente perfeccionado como para detectar la radiación térmica de una vaca a un cuarto de milla (400  m) de distancia. ^{[ 8 ]} Este detector de calor radiante es sensible a diferencias de temperatura de una cienmilésima de grado Celsius (0,00001  °C). ^{[ 9 ]} Este instrumento le permitió detectar térmicamente en un amplio espectro, registrando todas las principales líneas de Fraunhofer . También descubrió nuevas líneas de absorción atómicas y moleculares en la porción infrarroja invisible del espectro electromagnético. Nikola Tesla le preguntó personalmente al Dr.  Langley si podía usar su bolómetro para sus experimentos de transmisión de energía en 1892. Gracias a ese primer uso, logró realizar la primera demostración entre West Point y su laboratorio en la calle Houston. ^{[ 10 ]}

Aunque los bolómetros pueden utilizarse para medir radiación de cualquier frecuencia, para la mayoría de los rangos de longitud de onda existen otros métodos de detección más sensibles. Para longitudes de onda submilimétricas a milimétricas (desde aproximadamente 200  μm hasta unos pocos  mm, también conocido como infrarrojo lejano , terahercios ), los bolómetros se encuentran entre los detectores más sensibles disponibles y, por lo tanto, se utilizan en 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 ^{[ 11 ]} ). Ejemplos notables de bolómetros empleados en astronomía submilimétrica incluyen el experimento Boomerang , 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 , la matriz BICEP , el experimento suborbital Spider , SPT-3G y la cámara HFI en el satélite Planck , así como el Observatorio Simons planificado , el experimento CMB-S4, ^{[ 12 ]} 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 cualquier forma de energía. Su principio de funcionamiento es similar al de un calorímetro en termodinámica . Sin embargo, las aproximaciones, la temperatura ultrabaja y el propósito diferente del dispositivo hacen que su uso operativo sea bastante distinto. En la jerga de la física de altas energías, estos dispositivos no se denominan "calorímetros", ya que este término se utiliza para otro tipo de detector (véase Calorímetro ). Su uso como detectores de partículas se propuso desde principios del siglo XX, pero su primer uso regular, aunque pionero, se produjo recién en la década de 1980 debido a la dificultad asociada con la refrigeración y el funcionamiento de un sistema a temperatura criogénica . Todavía se pueden considerar en fase de desarrollo.

Los bolómetros desempeñan un papel fundamental en la monitorización de la radiación en plasmas de fusión. El estelarador Wendelstein 7-X (W7-X) emplea un sistema de bolómetros de dos cámaras para capturar la radiación del plasma. Esta configuración está optimizada para identificar distribuciones de radiación bidimensionales dentro de una sección transversal triangular simétrica del plasma. Entre los avances recientes se incluye el perfeccionamiento de un algoritmo de reconstrucción tomográfica, basado en el principio de suavizado de gradiente relativo (RGS) de los perfiles de emisión. Este algoritmo se ha aplicado con éxito a las descargas de hidrógeno del W7-X alimentadas por calentamiento por resonancia ciclotrónica de electrones (ECRH). En cuanto al hardware, los bolómetros del 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 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 sintonizados a la radiación de líneas de impurezas, cubriendo un espectro desde el ultravioleta extremo (VUV) hasta los rayos X blandos (SXR). Dada su robustez y diseño innovador, se están considerando como prototipos para los futuros detectores de bolómetro del ITER . ^{[ 13 ] [ 14 ]}   

Un microbolómetro es un tipo específico de bolómetro que se utiliza como detector en una cámara térmica . Consiste en una rejilla de sensores térmicos de óxido de vanadio o silicio amorfo sobre 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, modificando su resistencia eléctrica . Este cambio de resistencia se mide y se procesa para obtener temperaturas que pueden representarse gráficamente. La rejilla de microbolómetros se encuentra comúnmente en tres tamaños: una matriz de 640 × 480, una matriz de 320 × 240 (384 × 288 de silicio amorfo) o matrices más económicas de 160 × 120 u 80 × 60. Las matrices VOx de 640 × 512 se utilizan habitualmente en aplicaciones de cámaras de seguridad estáticas con bajos requisitos de resistencia a los golpes. Las diferentes matrices ofrecen la misma resolución, aunque las matrices más grandes proporcionan un campo de visión más amplio . En 2008 se anunciaron matrices más grandes, de 1024 × 768.

El bolómetro de electrones calientes (HEB) opera a temperaturas criogénicas , típicamente a pocos grados del cero absoluto . A estas temperaturas tan bajas, el sistema electrónico en un metal está débilmente acoplado al sistema fonónico . La potencia acoplada al sistema electrónico lo saca del equilibrio térmico con el sistema fonónico, creando electrones calientes. ^{[ 15 ]} Los fonones en el metal suelen estar bien acoplados a los fonones del sustrato y actúan como un reservorio 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 electrónica, entonces dicha resistencia puede utilizarse como termómetro del sistema electrónico. Esto se aplica tanto a materiales semiconductores como superconductores a bajas temperaturas. Si el elemento absorbente no presenta una resistencia dependiente de la temperatura, como suele ocurrir con los metales normales (no superconductores) a temperaturas muy bajas, entonces se puede utilizar un termómetro resistivo acoplado para medir la temperatura electrónica. ^{[ 3 ]}

Un bolómetro se puede utilizar para medir potencia en frecuencias de microondas . En esta aplicación, un elemento resistivo se expone a 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 se ajuste a la impedancia característica de la guía de ondas. Tras aplicar potencia de microondas, se reduce la corriente de polarización para que el bolómetro vuelva 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 de respuesta promedio del bolómetro permite una medición conveniente de la potencia de una fuente pulsada. ^{[ 16 ]}

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. ^{[ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]}

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

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