ボロメータ

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]} 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、金属の薄い層などの吸収素子と、熱リンクを介して熱リザーバ（一定温度の物体）とで構成されています。その結果、吸収素子に当たる放射線は、その温度をリザーバの温度よりも上昇させます。つまり、吸収される電力が大きいほど、温度が高くなります。検出器の速度を設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間の熱伝導率の比に等しくなります。 ^{[3]温度変化は、付属の抵抗}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、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に残ったエネルギーを直接感知します。このため、ボロメータはイオン化粒子や光子だけでなく、非イオン化粒子、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、環境との熱平衡に戻る）に非常に時間がかかります。一方、従来の粒子検出器と比較すると、エネルギー分解能と感度の点で非常に効率的です。熱検出器としても知られています。

ラングレーが作った最初のボロメータは、ランプブラックで覆われた2枚の鋼、白金、またはパラジウム箔のストリップで構成されていました。^{[4] [5]}ストリップの1つは放射線から遮蔽され、もう1つは放射線にさらされていました。ストリップはホイートストンブリッジの2つの分岐を形成し、感度の高い検流計が取り付けられ、バッテリーに接続されていました。露出したストリップに当たる電磁放射線はストリップを加熱し、その抵抗を変化させます。1880年までに、ラングレーのボロメータは、4分の1マイル（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ました。^[6]この放射熱検出器は、摂氏10万分の1度（0.00001℃）の温度差に敏感です。^[7]この機器により、彼は広いスペクトルにわたって熱を検出し、主要なフラウンホーファー線をすべて記録することができました。彼はまた、電磁スペクトルの目に見えない赤外線部分で新しい原子および分子の吸収線を発見しました。ニコラ・テスラは1892年にラングレー博士に、彼のボロメータを電力伝送実験に使用してもよいか個人的に尋ねました。そ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彼の研究室の間で最初のデモンストレーションを行うことに成功しました。^[8]

ボロメータはあらゆる周波数の放射線の測定に使用できますが、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 200 μm から数 mm の波長、遠赤外線、テラヘルツとも呼ばれます）までの波長では、ボロメータは最も感度の高い検出器の 1 つであるため、これらの波長での天文学に使用されます。最高の感度を実現するには、絶対零度より数分の 1 度高い温度（通常は 50 mK から 300  mK ^{[9] ）に冷却する必要があります。サブミリ波天文学で使用されているボロメータの著名な例としては、}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、SPT-3G 、プランク衛星のHFIカメラ、計画中のシモンズ天文台、CMB-S4実験、^[10]、LiteBIRD衛星などがあります。

ボロメータという用語は、粒子物理学では非従来型の粒子検出器を指すためにも使用されます。これらは、上記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反応します。動作原理は、熱力学の熱量計の原理に似ています。ただし、近似値、極低温、およびデバイスの目的が異なるため、操作上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「熱量計」とは呼ばれません。この用語は、別のタイプの検出器にすでに使用されているためです (熱量計を参照)。粒子検出器としてのボロメータの使用は 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操作に伴う困難さのため、先駆的ではあっても最初に定期的に使用されたのは 1980 年代になってからでした。ボロメータはまだ開発段階にあると考えられます。

ボロメータは、核融合プラズマの放射線をモニタリングする上で極めて重要な役割を果たします。Wendelstein 7-X (W7-X)ステラレータは、プラズマ放射線を捕捉するために 2 台のカメラ ボロメータ システムを採用しています。このセットアップは、対称三角形のプラズマ断面内の 2D 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、放出プロファイルの相対勾配平滑化 (RGS) の原理に基づくトモグラフィー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) で駆動される W7-X 水素放電に効果的に適用されています。ハードウェアの点では、W7-X ボロメータには金属抵抗検出器が装備されています。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、厚さ 5 μm の金吸収体 (ポロイダル方向のサイズは 1.3 mm、トロイダル方向のサイズは 3.8 mm) である点が特徴です。 50nmの炭素層を組み込む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、不純物線放射に特に適応しており、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を考えると、これらは今後の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。^{[11] [12]}

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殊なタイプのボロメータです。これは、シリコンの対応する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り、その電気抵抗が変化します。この抵抗の変化が測定され、グラフィックで表せる温度に変換されます。マイクロボロメータグリッドには、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 アレイの 3 つのサイズが一般的に使用されています。640x512 VOx アレイは、衝撃耐性の要件が低い静的セキュリティカメラアプリケーション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ますが、アレイが大きいほど視野が広くなります。^[要出典] 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、典型的には絶対零度から数度以内で動作する。このような極低温では、金属内の電子系はフォノン系と弱く結合している。電子系に結合した電力は、電子系をフォノン系との熱平衡から外し、ホットエレクトロンを生成する。^[13]金属内のフォノンは通常、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する。HEBの性能を説明する際に、関連する熱容量は電子熱容量であり、関連する熱伝導率は電子-フォノン熱伝導率である。

吸収素子の抵抗が電子温度に依存する場合、その抵抗は電子システムの温度計として使用できます。これは、低温での半導体および超伝導材料の両方に当てはまります。吸収素子が温度に依存する抵抗を持たない場合、非常に低温での通常の（非超伝導）金属に典型的に見られるように、付属の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。このアプリケーションでは、抵抗素子をマイクロ波電力にさらします。DCバイアス電流を抵抗に印加してジュール熱によって温度を上昇させ、抵抗を導波管の特性インピーダンスに一致させます。マイクロ波電力を印加した後、バイアス電流を減らしてボロメータをマイクロ波電力がない場合の抵抗に戻します。すると、DC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さらさない同一の素子とブリッジ回路になっています。両方の素子に共通する温度の変化は、読み取りの精度に影響しません。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。^[14]

2020年には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をベースにしたマイクロ波ボロメータを報告した。^{[15] [16] [17]}

• 熱電対
• シンチレーションボロメータ
• 高温計
• 放射計
• タシメーター
• サーミスタ
• 直達日射計
• ヘビの赤外線感知ピット器官の構造と機能はボロメータと類似しています。

ウィキメディア・コモンズにはボロメータに関連するメディアがあります。

• ボロメータ入門（カリフォルニア大学バークレー校物理学科、リチャーズグループ）
• NASAによるボロメータの歴史
• ボロメータとその使用に関するラングレー自身の言葉