Bolómetro

Bolometro de Spiderweb para mediciones de la radiación de fondo de microondas cósmica. Crédito de imagen: NASA/JPL-Caltech.

Un bolómetro es un dispositivo para medir el calor radiante por medio de un material que tiene una resistencia eléctrica dependiente de la temperatura. Fue inventado en 1878 por el astrónomo estadounidense Samuel Pierpont Langley.

Principio de funcionamiento

Esquemático conceptual de un bolometro. Poder, P, de una señal de incidente se absorbe y calienta una masa térmica con capacidad de calor, C, y temperatura, T. La masa térmica está conectada a un depósito de temperatura constante a través de un enlace con la conductividad térmica, G. El aumento de temperatura es ΔT = P/G y se mide con un termómetro resistivo, permitiendo la determinación de P. La constante intrínseca del tiempo térmico es τ = C/G.

Un bolómetro consta de un elemento de absorción, 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 incide sobre el elemento de absorción 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. El cambio de temperatura se puede medir directamente con un termómetro resistivo adjunto, o la resistencia del propio elemento absorbente se puede usar 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 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 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 la resolución de energía y en la sensibilidad. También se conocen como detectores térmicos.

Bolómetro de Langley

Los primeros bolómetros fabricados por Langley consistían en dos láminas de acero, platino o paladio cubiertas con negro de humo. 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 cae sobre la tira expuesta la calentaría y cambiaría su resistencia. En 1880, el bolómetro de Langley se refinó lo suficiente como para detectar la radiación térmica de una vaca a un cuarto de milla de distancia. Este detector de calor radiante es sensible a diferencias de temperatura de una cienmilésima de grado Celsius (0,00001 C). Este instrumento le permitió detectar térmicamente a través de un amplio espectro, observando todas las líneas principales de Fraunhofer. También descubrió nuevas líneas de absorción atómica y molecular en la parte 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 hacer la primera demostración entre West Point y su laboratorio en Houston Street.

Aplicaciones en astronomía

Si bien los bolómetros se pueden usar 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. Para longitudes de onda submilimétricas a longitudes de onda milimétricas (desde alrededor de 200 µm hasta una longitud de onda de unos pocos mm, 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, deben enfriarse a una fracción de grado por encima del cero absoluto (normalmente de 50 mK a 300 mK). 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, matriz BICEP, SPT-3G y la cámara HFI en el satélite Planck, así como el Observatorio Simons planificado, el experimento CMB-S4 y el satélite LiteBIRD.

Aplicaciones en física de partículas

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 todas las formas de energía. El 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 el uso operativo sea bastante diferente. En la jerga de la física de altas energías, estos dispositivos no se llaman "calorímetros", ya que este término ya se usa para un tipo diferente de detector (ver Calorímetro). Su uso como detectores de partículas se propuso desde principios del siglo XX, pero el primer uso regular, aunque pionero, fue solo en la década de 1980 debido a la dificultad asociada con el enfriamiento y funcionamiento de un sistema a temperatura criogénica. Todavía se puede considerar que están en la etapa de desarrollo.

Microbolómetros

Un microbolómetro es un tipo específico de bolómetro que se utiliza como detector en una cámara térmica. Es una rejilla de óxido de vanadio o sensores de calor de silicio amorfo encima de una rejilla correspondiente de silicio. La radiación infrarroja de un rango específico de longitudes de onda golpea el óxido de vanadio o el silicio amorfo y cambia su resistencia eléctrica. Este cambio de resistencia se mide y 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 (silicio amorfo de 384 × 288) o una matriz menos costosa de 160 × 120. Distintos conjuntos proporcionan la misma resolución con un conjunto más grande que proporciona un campo de visión más amplio. En 2008 se anunciaron arreglos más grandes de 1024 × 768.

Bolómetro de electrones calientes

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. El poder acoplado al sistema de electrones lo saca del equilibrio térmico con el sistema de fonones, creando electrones calientes. Los fonones en el 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 de los electrones, entonces la resistencia puede usarse como un termómetro del sistema de electrones. Este es el caso de los materiales semiconductores y superconductores a baja temperatura. Si el elemento absorbente no tiene una resistencia dependiente de la temperatura, como es típico de los metales normales (no superconductores) a muy baja temperatura, entonces se puede usar un termómetro resistivo adjunto para medir la temperatura de los electrones.

Medición de microondas

Se puede usar un bolómetro para medir la potencia en frecuencias de microondas. En esta aplicación, un elemento resistivo se expone a la potencia de microondas. Se aplica una corriente de polarización de CC a la resistencia para elevar su temperatura a través del 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) está 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 medir convenientemente la potencia de una fuente pulsada.

En 2020, dos grupos informaron bolómetros de microondas basados en materiales basados en grafeno capaces de detectar microondas a nivel de fotón único.