बोलोमीटर: Difference between revisions
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एक बोलोमीटर एक तापमान-निर्भर विद्युत प्रतिरोध वाली सामग्री के माध्यम से उज्ज्वल गर्मी को मापने के लिए एक उपकरण है।[1][2] इसका आविष्कार 1878 में अमेरिकी खगोलशास्त्री सैमुअल पियरपॉन्ट लैंगली ने किया था।
संचालन का सिद्धांत
एक बोलोमीटर में एक अवशोषण तत्व होता है, जैसे धातु की पतली परत, थर्मल लिंक के माध्यम से थर्मल जलाशय (स्थिर तापमान का शरीर) से जुड़ा होता है। इसका परिणाम यह होता है कि अवशोषण तत्व पर पड़ने वाला कोई भी विकिरण इसके तापमान को जलाशय के ऊपर बढ़ा देता है - अवशोषित शक्ति जितनी अधिक होगी, तापमान उतना ही अधिक होगा। आंतरिक तापीय समय स्थिरांक, जो संसूचक की गति को निर्धारित करता है, अवशोषक तत्व की ऊष्मा क्षमता के अनुपात के बराबर होता है, जो अवशोषक तत्व और जलाशय के बीच तापीय चालकता के अनुपात के बराबर होता है।[3] तापमान परिवर्तन को सीधे संलग्न प्रतिरोधक थर्मामीटर से मापा जा सकता है, या अवशोषक तत्व के प्रतिरोध को थर्मामीटर के रूप में इस्तेमाल किया जा सकता है। धातु के बोलोमीटर आमतौर पर बिना ठंडा किए काम करते हैं। वे पतली पन्नी या धातु की फिल्मों से निर्मित होते हैं। आज, अधिकांश बोलोमीटर धातुओं के बजाय सेमीकंडक्टर या सुपरकंडक्टर अवशोषक तत्वों का उपयोग करते हैं। इन उपकरणों को क्रायोजेनिक कण डिटेक्टरों के तापमान पर संचालित किया जा सकता है, जो काफी अधिक संवेदनशीलता को सक्षम करता है।
अवशोषक के अंदर छोड़ी गई ऊर्जा के लिए बोलोमीटर सीधे संवेदनशील होते हैं। इस कारण से उनका उपयोग न केवल आयनकारी कणों और फोटोन के लिए किया जा सकता है, बल्कि गैर-आयनीकरण कणों, किसी भी प्रकार के विकिरण, और यहां तक कि द्रव्यमान या ऊर्जा के अज्ञात रूपों (जैसे गहरे द्रव्य) की खोज के लिए भी किया जा सकता है; भेदभाव की यह कमी भी एक कमी हो सकती है। सबसे संवेदनशील बोलोमीटर रीसेट करने में बहुत धीमे होते हैं (यानी, पर्यावरण के साथ थर्मल संतुलन पर लौटते हैं)। दूसरी ओर, अधिक परंपरागत कण डिटेक्टरों की तुलना में, वे ऊर्जा संकल्प और संवेदनशीलता में बेहद कुशल हैं। उन्हें थर्मल डिटेक्टर के रूप में भी जाना जाता है।
लैंगली का बोलोमीटर
लैंगली द्वारा बनाए गए पहले बोलोमीटर में दो इस्पात, प्लैटिनम, या दुर्ग फ़ॉइल स्ट्रिप्स शामिल थे जो काजल से ढके हुए थे।[4][5] एक पट्टी विकिरण से परिरक्षित थी और एक इसके संपर्क में थी। स्ट्रिप्स ने एक व्हीटस्टोन पुल की दो शाखाओं का निर्माण किया जो एक संवेदनशील बिजली की शक्ति नापने का यंत्र के साथ लगाया गया था और एक बैटरी से जुड़ा था। उजागर पट्टी पर गिरने वाला विद्युत चुम्बकीय विकिरण इसे गर्म करेगा और इसके प्रतिरोध को बदल देगा। 1880 तक, लैंगली के बोलोमीटर को एक चौथाई मील दूर एक गाय से थर्मल विकिरण का पता लगाने के लिए पर्याप्त रूप से परिष्कृत किया गया था।[6] यह रेडिएंट-हीट डिटेक्टर एक डिग्री सेल्सियस (0.00001 सी) के एक लाखवें हिस्से के तापमान में अंतर के प्रति संवेदनशील है।[7] इस उपकरण ने उन्हें सभी प्रमुख फ्राउनहोफर लाइनों को ध्यान में रखते हुए एक व्यापक स्पेक्ट्रम में थर्मल रूप से पता लगाने में सक्षम बनाया। उन्होंने इलेक्ट्रोमैग्नेटिक स्पेक्ट्रम के अदृश्य अवरक्त हिस्से में नई परमाणु और आणविक अवशोषण लाइनों की भी खोज की। निकोला टेस्ला ने व्यक्तिगत रूप से डॉ. लैंगली से पूछा कि क्या वह 1892 में अपने विद्युत संचरण प्रयोगों के लिए अपने बोलोमीटर का उपयोग कर सकते हैं। उस पहले प्रयोग के लिए धन्यवाद, वह ह्यूस्टन स्ट्रीट पर वेस्ट प्वाइंट और उनकी प्रयोगशाला के बीच पहला प्रदर्शन करने में सफल रहे।[8]
खगोल विज्ञान में अनुप्रयोग
जबकि बोलोमीटर का उपयोग किसी भी आवृत्ति के विकिरण को मापने के लिए किया जा सकता है, अधिकांश तरंग दैर्ध्य श्रेणियों के लिए पता लगाने के अन्य तरीके हैं जो अधिक संवेदनशील होते हैं। सबमिलीमीटर खगोल विज्ञान के लिए | ब्रह्मांडीय माइक्रोवेव पृष्ठभूमि के माध्यम से उप-मिलीमीटर तरंग दैर्ध्य (लगभग 200 माइक्रोमीटर से कुछ मिमी तरंग दैर्ध्य, जिसे दूर-अवरक्त, टेराहर्ट्ज़ विकिरण के रूप में भी जाना जाता है) बोलोमीटर सबसे संवेदनशील उपलब्ध डिटेक्टरों में से हैं, और इसलिए खगोल विज्ञान के लिए उपयोग किया जाता है ये तरंग दैर्ध्य। सर्वोत्तम संवेदनशीलता प्राप्त करने के लिए, उन्हें परम शून्य (आमतौर पर 50 mK से 300 mK) से ऊपर एक डिग्री के एक अंश तक ठंडा किया जाना चाहिए। सबमिलीमीटर खगोल विज्ञान में नियोजित बोलोमीटर के उल्लेखनीय उदाहरणों में हर्शल अंतरिक्ष वेधशाला, जेम्स क्लर्क मैक्सवेल टेलीस्कोप और इन्फ्रारेड एस्ट्रोनॉमी (SOFIA) के लिए स्ट्रैटोस्फेरिक ऑब्जर्वेटरी शामिल हैं। मिलीमीटर-तरंगदैर्घ्य खगोल विज्ञान में नियोजित बोलोमीटर के हालिया उदाहरण हैं अटाकामा ब्रह्मांड विज्ञान टेलीस्कोप, BICEP और केक ऐरे, दक्षिण ध्रुव टेलीस्कोप | SPT-3G और HFI कैमरा प्लैंक (अंतरिक्ष यान) पर, साथ ही नियोजित सिमंस वेधशाला, CMB-S4 प्रयोग ,[9] और लाइटबर्ड उपग्रह।
कण भौतिकी में अनुप्रयोग
बोलोमीटर शब्द का उपयोग कण भौतिकी में एक अपरंपरागत कण डिटेक्टर को नामित करने के लिए भी किया जाता है। वे ऊपर वर्णित समान सिद्धांत का उपयोग करते हैं। बोलोमीटर न केवल प्रकाश बल्कि ऊर्जा के हर रूप के प्रति संवेदनशील होते हैं। ऑपरेटिंग सिद्धांत ऊष्मप्रवैगिकी में एक कैलोरीमीटर के समान है। हालांकि, सन्निकटन, [[क्रायोजेनिक्स]] और डिवाइस के अलग-अलग उद्देश्य परिचालन उपयोग को अलग-अलग बनाते हैं। उच्च ऊर्जा भौतिकी के शब्दजाल में, इन उपकरणों को कैलोरीमीटर नहीं कहा जाता है, क्योंकि यह शब्द पहले से ही एक अलग प्रकार के डिटेक्टर के लिए उपयोग किया जाता है (कैलोरीमीटर (कण भौतिकी) देखें)। कण डिटेक्टरों के रूप में उनका उपयोग 20 वीं शताब्दी की शुरुआत से प्रस्तावित किया गया था, लेकिन पहला नियमित, हालांकि अग्रणी, उपयोग केवल 1980 के दशक में ठंडा करने और क्रायोजेनिक में एक प्रणाली को संचालित करने से जुड़ी कठिनाई के कारण था। उन्हें अभी भी विकासात्मक अवस्था में माना जा सकता है।
माइक्रोबोलोमीटर
माइक्रोबोलोमीटर एक विशिष्ट प्रकार का बोलोमीटर है जिसका उपयोग थर्मल कैमरा में डिटेक्टर के रूप में किया जाता है। यह सिलिकॉन के संगत ग्रिड के ऊपर वैनेडियम (V) ऑक्साइड या अनाकार सिलिकॉन हीट सेंसर का एक ग्रिड है। तरंग दैर्ध्य की एक विशिष्ट श्रेणी से इन्फ्रारेड विकिरण वैनेडियम (वी) ऑक्साइड या अनाकार सिलिकॉन पर हमला करता है, और इसके विद्युत प्रतिरोध को बदल देता है। इस प्रतिरोध परिवर्तन को मापा जाता है और तापमान में संसाधित किया जाता है जिसे ग्राफिकल रूप से प्रदर्शित किया जा सकता है। माइक्रोबोलोमीटर ग्रिड आमतौर पर तीन आकारों में पाया जाता है, एक 640 × 480 सरणी, एक 320 × 240 सरणी (384 × 288 अनाकार सिलिकॉन) या कम खर्चीला 160 × 120 सरणी। अलग-अलग सरणियाँ एक ही रिज़ॉल्यूशन प्रदान करती हैं जिसमें बड़ी सरणी देखने का व्यापक क्षेत्र प्रदान करती है।[citation needed] 2008 में बड़े, 1024 × 768 सरणियों की घोषणा की गई।
गर्म इलेक्ट्रॉन बोलोमीटर
गर्म इलेक्ट्रॉन बोलोमीटर (एचईबी) क्रायोजेनिक तापमान पर संचालित होता है, आमतौर पर पूर्ण शून्य के कुछ डिग्री के भीतर। इतने कम तापमान पर, धातु में इलेक्ट्रॉन प्रणाली फोनॉन प्रणाली से कमजोर रूप से युग्मित होती है। इलेक्ट्रॉन प्रणाली से जुड़ी शक्ति इसे फोनन प्रणाली के साथ थर्मल संतुलन से बाहर निकालती है, जिससे गर्म इलेक्ट्रॉन बनते हैं।[10] धातु में फोनोन आमतौर पर फोनोन को सब्सट्रेट करने के लिए अच्छी तरह से युग्मित होते हैं और थर्मल जलाशय के रूप में कार्य करते हैं। HEB के प्रदर्शन का वर्णन करने में, प्रासंगिक ताप क्षमता इलेक्ट्रॉनिक ताप क्षमता है और प्रासंगिक तापीय चालकता इलेक्ट्रॉन-फोनन तापीय चालकता है।
यदि अवशोषित तत्व का विद्युत प्रतिरोध इलेक्ट्रॉन तापमान पर निर्भर करता है, तो प्रतिरोध का उपयोग इलेक्ट्रॉन प्रणाली के थर्मामीटर के रूप में किया जा सकता है। कम तापमान पर सेमीकंडक्टर और सुपरकंडक्टर सामग्री दोनों के लिए यही स्थिति है। यदि अवशोषित तत्व में तापमान पर निर्भर प्रतिरोध नहीं होता है, जैसा कि बहुत कम तापमान पर सामान्य (गैर-अतिचालक) धातुओं की विशेषता है, तो इलेक्ट्रॉन तापमान को मापने के लिए एक संलग्न प्रतिरोधक थर्मामीटर का उपयोग किया जा सकता है।[3]
माइक्रोवेव माप
माइक्रोवेव आवृत्तियों पर शक्ति को मापने के लिए एक बोलोमीटर का उपयोग किया जा सकता है। इस एप्लिकेशन में, एक प्रतिरोधी तत्व माइक्रोवेव पावर के संपर्क में आता है। जूल हीटिंग के माध्यम से इसके तापमान को बढ़ाने के लिए प्रतिरोधक पर एक डीसी बायस करंट लगाया जाता है, जैसे कि प्रतिरोध वेवगाइड विशेषता प्रतिबाधा से मेल खाने वाला प्रतिबाधा है। माइक्रोवेव शक्ति को लागू करने के बाद, माइक्रोवेव शक्ति के अभाव में बोलोमीटर को इसके प्रतिरोध में वापस करने के लिए बायस धारा को कम किया जाता है। डीसी शक्ति में परिवर्तन तब अवशोषित माइक्रोवेव शक्ति के बराबर होता है। परिवेश के तापमान में परिवर्तन के प्रभाव को अस्वीकार करने के लिए, सक्रिय (मापने वाला) तत्व व्हीटस्टोन ब्रिज में एक समान तत्व के साथ होता है जो माइक्रोवेव के संपर्क में नहीं आता है; तापमान में भिन्नता दोनों तत्वों के लिए आम है, पढ़ने की सटीकता को प्रभावित नहीं करती है। बोलोमीटर का औसत प्रतिक्रिया समय स्पंदित स्रोत की शक्ति के सुविधाजनक माप की अनुमति देता है।[11] 2020 में, दो समूहों ने एकल-फोटॉन स्तर पर माइक्रोवेव का पता लगाने में सक्षम ग्राफीन-आधारित सामग्रियों पर आधारित माइक्रोवेव बोलोमीटर की सूचना दी।[12][13][14]
यह भी देखें
- थर्मोकपल
- जगमगाता बोलोमीटर
- उष्णता के कारण वस्तुओं का प्रसार नापने का यंत्र
- रेडियोमीटर
- टैसीमीटर
- thermistor
- पायरेलियोमीटर
- साँपों में इन्फ्रारेड संवेदन गड्ढे वाले अंग की संरचना और कार्य में बोलोमीटर के समान समानता होती है।
संदर्भ
- ↑ "Langley's Bolometer, 1880-1890". Science Museum Group. Retrieved 20 March 2022.
- ↑ See, for example, bolometers – Definition from the Merriam-Webster Online Dictionary
- ↑ 3.0 3.1 Richards, P. L. (1994). "Bolometers for infrared and millimeter waves". Journal of Applied Physics. 76 (1): 1–24. Bibcode:1994JAP....76....1R. doi:10.1063/1.357128.
- ↑ Langley, S. P. (1880-12-23). The "Bolometer". American Metrological Society. p. 1-7.
- ↑ Langley, S. P. (1881-01-12). "The Bolometer and Radiant Energy". Proceedings of the American Academy of Arts and Sciences. 16: 348. doi:10.2307/25138616. JSTOR 25138616.
- ↑ Samuel P. Langley Biography Archived 2009-11-06 at the Wayback Machine High Altitude Observatory, University Corporation for Atmospheric Research
- ↑ NASA Earth Observatory
- ↑
Tesla, Nikola (1992). "section 4". NIKOLA TESLA ON HIS WORK WITH ALTERNATING CURRENTS and Their Application to Wireless Telegraphy, Telephony and Transmission of Power : An Extended Interview. Leland I. Anderson. ISBN 978-1-893817-01-2.
I suppose I had hundreds of devices, but the first device that I used, and it was very successful, was an improvement on the bolometer. I met Professor Langley in 1892 at the Royal Institution. He said to me, after I had delivered a lecture, that they were all proud of me. I spoke to him of the bolometer, and remarked that it was a beautiful instrument. I then said, "Professor Langley, I have a suggestion for making an improvement in the bolometer, if you will embody it in the principle." I explained to him how the bolometer could be improved. Professor Langley was very much interested and wrote in his notebook what I suggested. I used what I have termed a small-mass resistance, but of much smaller mass than in the bolometer of Langley, and of much smaller mass than that of any of the devices which have been recorded in patents issued since. Those are clumsy things. I used masses that were not a millionth of the smallest mass described in any of the patents, or in the publications. With such an instrument, I operated, for instance, in West Point—I received signals from my laboratory on Houston Street in West Point.
- ↑ https://cmb-s4.org/
- ↑ Wellstood, F. C.; Urbina, C.; Clarke, John (1994). "Hot-electron effects in metals". Physical Review B. 49 (9): 5942–5955. Bibcode:1994PhRvB..49.5942W. doi:10.1103/PhysRevB.49.5942. PMID 10011570.
- ↑ Kai Chang (ed), Encyclopedia of RF and Microwave Engineering, (Wiley 2005) ISBN 0-471-27053-9 pages 2736–2739
- ↑ Lee, Gil-Ho; Efetov, Dmitri K.; et al. (1 October 2020). "Graphene-based Josephson junction microwave bolometer". Nature. 586 (7827): 42–46. arXiv:1909.05413. Bibcode:2020Natur.586...42L. doi:10.1038/s41586-020-2752-4. hdl:1721.1/129674. PMID 32999482. S2CID 202565642. Archived from the original on 2020-10-05.
- ↑ Kokkoniemi, R.; Girard, J.-P.; et al. (1 October 2020). "Bolometer operating at the threshold for circuit quantum electrodynamics". Nature. 586 (7827): 47–51. arXiv:2008.04628. Bibcode:2020Natur.586...47K. doi:10.1038/s41586-020-2753-3. PMID 32999484. S2CID 221095927. Archived from the original on 2020-10-05.
- ↑ Johnston, Hamish (2020-10-05). "New microwave bolometers could boost quantum computers". Archived from the original on 2020-10-08.
बाहरी संबंध
- Introduction to bolometers (Richards group, Dept. of Physics, UC Berkeley)
- NASA on the history of the bolometer
- Langley's own words on the bolometer and its use
