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ボロメータは、温度に依存する電気抵抗を持つ材料を用いて放射熱を測定する装置である。[ 1 ] [ 2 ]これは1878年にアメリカの天文学者サミュエル・ピアポント・ラングレーによって発明された。
ボロメータは、金属の薄層などの吸収素子と、熱リンクを介して熱リザーバー（一定温度の物体）とが接続された構造になっています。その結果、吸収素子に照射された放射線は、リザーバーの温度よりも吸収素子の温度を上昇させます。吸収される電力が大きいほど、温度は高くなります。検出器の速度を決定する固有の熱時定数は、吸収素子の熱容量と吸収素子とリザーバー間の熱伝導率の比に等しくなります。 [ 3 ]温度変化は、接続された抵抗温度計で直接測定することも、吸収素子自体の抵抗を温度計として使用することもできます。金属ボロメータは通常、冷却なしで動作します。これらは薄い箔または金属フィルムから作られています。今日では、ほとんどのボロメータは金属ではなく半導体または超伝導体の吸収素子を使用しています。これらのデバイスは極低温で動作できるため、感度が大幅に向上します。
ボロメータは、吸収体内部に残ったエネルギーに直接感度があります。このため、電離粒子や光子だけでなく、非電離粒子、あらゆる種類の放射線、さらには未知の形態の質量やエネルギー（暗黒物質など）の探索にも使用できます。この識別能力の欠如は、欠点にもなり得ます。最も感度の高いボロメータは、リセット（つまり、環境との熱平衡状態に戻る）に非常に時間がかかります。一方、より従来型の粒子検出器と比較すると、エネルギー分解能と感度において非常に効率的です。ボロメータは熱検出器としても知られています。準光学またはリソグラフィ直交モード変換器を使用して結合すると、光の偏光状態を特徴付けるために使用できます。[ 4 ] [ 5 ]
ラングレーが最初に作ったボロメータは、ランプブラックで覆われた2枚の鋼鉄、白金、またはパラジウム箔の帯で構成されていた。[ 6 ] [ 7 ]一方の帯は放射線から遮蔽され、もう一方は放射線にさらされていた。帯は、感度の高い検流計が取り付けられ、電池に接続されたホイートストンブリッジの2つの枝を形成していた。放射線にさらされた帯に当たる電磁放射線はそれを加熱し、抵抗を変化させた。1880年までに、ラングレーのボロメータは、400メートル離れた牛からの熱放射を検出できるほどに改良された。[ 8 ]この放射熱検出器は、摂氏10万分の1度（0.00001 ℃）の温度差に敏感である。[ 9 ]この装置により、彼は広範囲のスペクトルにわたって熱を検出し、すべての主要なフラウンホーファー線を記録した。彼はまた、電磁スペクトルの目に見えない赤外線領域で新しい原子および分子の吸収線を発見した。ニコラ・テスラは1892年にラングレー博士に、電力伝送実験にボロメータを使わせてもらえるかどうか直接尋ねた。この最初の使用のおかげで、彼はウェストポイントとヒューストン通りの研究所の間で最初の実証実験に成功した。[ 10 ]
ボロメータはあらゆる周波数の放射線を測定するために使用できますが、ほとんどの波長範囲では、より感度の高い他の検出方法があります。サブミリ波からミリ波（約200μm から数 mmの波長、遠赤外線、テラヘルツとも呼ばれる）では、ボロメータは利用可能な検出器の中で最も感度が高く、そのためこれらの波長での天文学に使用されます。最高の感度を得るには、絶対零度よりわずかに高い温度（通常50mKから 300mK [ 11 ]）まで冷却する必要があります。サブミリ波天文学で使用されるボロメータの注目すべき例としては、ブーメラン実験、ハーシェル宇宙望遠鏡、ジェームズ・クラーク・マクスウェル望遠鏡、成層圏赤外線天文台（SOFIA）などがあります。ミリ波天文学で使用されているボロメータの最近の例としては、AdvACT、BICEPアレイ、Spider準軌道実験、SPT-3G 、プランク衛星のHFIカメラ、計画中のサイモンズ天文台、CMB-S4実験[ 12 ] 、 LiteBIRD衛星などがある。
ボロメータという用語は、素粒子物理学において、従来とは異なる粒子検出器を指すためにも使用されます。これらは、上記で説明したのと同じ原理を使用します。ボロメータは、光だけでなく、あらゆる形態のエネルギーに感度があります。動作原理は、熱力学におけるカロリメータのそれと似ています。しかし、近似、極低温、およびデバイスの目的が異なるため、実際の使用方法はかなり異なります。高エネルギー物理学の専門用語では、これらのデバイスは「カロリメータ」とは呼ばれません。この用語はすでに別のタイプの検出器に使用されているためです（カロリメータを参照）。粒子検出器としての使用は20世紀初頭から提案されていましたが、極低温でのシステムの冷却と動作に伴う困難さのため、最初の定期的かつ先駆的な使用は1980年代になってからでした。これらはまだ開発段階にあると考えられます。
ボロメータは、核融合プラズマ中の放射線を監視する上で極めて重要な役割を果たします。ヴェンデルシュタイン7-X（W7-X）ステラレータは、プラズマ放射線を捉えるために2台のカメラからなるボロメータシステムを採用しています。このシステムは、対称的な三角形のプラズマ断面内の2次元放射線分布を識別するように最適化されています。最近の進歩には、放射プロファイルの相対勾配平滑化（RGS）の原理に基づく断層再構成アルゴリズムの改良が含まれます。これは、電子サイクロトロン共鳴加熱（ECRH）によって駆動されるW7-X水素放電に効果的に適用されています。ハードウェアの面では、W7-Xボロメータは金属抵抗検出器を備えています。これらは、セラミック（窒化ケイ素Si3N4）基板上に取り付けられた、 ポロイダル方向に1.3 mm、トロイダル方向に3.8 mmのサイズの5 μm厚の金吸収体によって特徴付けられます。50 nmの炭素層を含めることは 戦略的であり、低エネルギー光子の検出効率を高めます。これらの検出器は、特に不純物線放射に同調しており、極紫外線（VUV）から軟X線（SXR）までのスペクトルをカバーしています。その耐久性と革新的な設計から、今後のITERボロメータ検出器のプロトタイプとして検討されています。[ 13 ] [ 14 ]
マイクロボロメータは、サーマルカメラの検出器として使用される特定のタイプのボロメータです。これは、シリコンのグリッドの上にバナジウム酸化物またはアモルファスシリコンの熱センサーのグリッドが配置されたものです。特定の波長範囲の赤外線がバナジウム酸化物またはアモルファスシリコンに当たると、電気抵抗が変化します。この抵抗変化が測定され、グラフで表すことができる温度に変換されます。マイクロボロメータのグリッドは、一般的に640×480アレイ、320×240アレイ（384×288アモルファスシリコン）、またはより安価な160×120または80×60アレイの3つのサイズがあります。640×512 VOxアレイは、耐衝撃性の要件が低い静止型セキュリティカメラ用途でよく使用されます。異なるアレイでも同じ解像度が得られ、アレイが大きいほど視野が広くなります。2008年には、より大きな1024×768アレイが発表されました。
ホットエレクトロンボロメータ（HEB）は極低温、通常は絶対零度から数度以内の温度で動作します。このような極低温では、金属中の電子系はフォノン系と弱く結合しています。電子系に電力が加わると、電子系はフォノン系との熱平衡から外れ、ホットエレクトロンが生成されます。[ 15 ]金属中のフォノンは通常、基板フォノンとよく結合しており、熱リザーバーとして機能します。HEBの性能を説明する際には、関連する熱容量は電子の熱容量であり、関連する熱伝導率は電子-フォノン熱伝導率です。
吸収素子の抵抗が電子温度に依存する場合、その抵抗を電子系の温度計として使用できます。これは、低温における半導体材料と超伝導材料の両方に当てはまります。吸収素子が温度依存性の抵抗を持たない場合（極低温における通常の（非超伝導）金属に典型的な場合）、接続された抵抗温度計を使用して電子温度を測定できます。[ 3 ]
ボロメータはマイクロ波周波数での電力測定に使用できます。この用途では、抵抗素子にマイクロ波電力を照射します。ジュール熱によって抵抗の温度を上昇させるために、抵抗に直流バイアス電流を印加し、抵抗を導波管の特性インピーダンスに整合させます。マイクロ波電力を印加した後、バイアス電流を減少させてボロメータをマイクロ波電力がない状態に戻します。このとき、直流電力の変化は吸収されたマイクロ波電力に等しくなります。周囲温度の変化の影響を排除するために、アクティブ（測定）素子は、マイクロ波に曝されていない同一の素子とブリッジ回路に接続されています。両方の素子に共通する温度変化は、読み取りの精度に影響を与えません。ボロメータの平均応答時間により、パルス源の電力を簡単に測定できます。[ 16 ]
2020年に2つのグループが、単一光子レベルでのマイクロ波検出が可能なグラフェンベースの材料に基づくマイクロ波ボロメータを報告した。[ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]
、最初に使った装置で、非常に成功したものは、ボロメータの改良版でした。1892年に王立研究所でラングレー教授に会いました。私が講演を終えた後、彼は皆が私を誇りに思っていると言いました。私は彼にボロメータについて話し、それは美しい装置だと述べました。それから私は、「ラングレー教授、ボロメータを改良するための提案があります。もしあなたがそれを原理に組み込んでくださるなら」と言いました。私は彼にボロメータを改良する方法を説明しました。ラングレー教授は非常に興味を持ち、私の提案をノートに書き留めました。私は私が「小質量抵抗」と呼んでいるものを使用しましたが、それはラングレーのボロメータのそれよりもはるかに質量が小さく、それ以降に発行された特許に記録されているどの装置のそれよりもはるかに質量が小さいものでした。それらは扱いにくいものです。私が使用した質量は、特許や出版物に記載されている最小質量の100万分の1にも満たないものでした。そのような装置を用いて、例えばウェストポイントで実験を行い、ウェストポイントのヒューストン通りにある私の研究所から信号を受信しました。