3.4 – Bolometer

 

3.4.1 Funktionsweise

Ein Bolometer misst die Energie E oder die Leistung P von ankommender Strahlung durch Erwärmung. Wir erinnern uns an das letzte Kapitel:

Genauigkeit, die man auf Grund von statistischen Prozessen erreichen kann:

\frac{{\Delta E}}{E} = \frac{{\sqrt N \frac{{\left\langle {{E_{Ionisierung}}} \right\rangle }}{F}}}{{N\left\langle {{E_{ionisierung}}} \right\rangle }} = \frac{1}{{\sqrt N F}}

Die Ionisierungsenergie von Silizium beträgt etwa 3eV. Dies entspricht der dreifachen Gap-Energie. Für die Anregung von Phononen (Gitterschwingungen, also Erwärmung) braucht man hingegen nur ein Tausendstel dieser Energie, also im Bereich Mikroelektronenvolt.

{E_{Gap}} \approx 1eV

{E_{Ph}} \approx 1meV

\Rightarrow \quad {N_{Phononen}} \approx 1000{N_e}\quad \Rightarrow \quad \frac{{\Delta {E_{Ph}}}}{E} = \frac{1}{{\sqrt {1000} }}\frac{{\Delta {E_{Si}}}}{E} \approx \frac{1}{{30}}\frac{{\Delta {E_{Si}}}}{E}

Die Genauigkeit ist hier also um den Faktor 30 größer als beim Silizium-Halbleiterdetektor.

Definition von E: Energie der Strahlung, die integral den Detektor der Masse M getroffen hat:

E = cm\Delta T

Bei Kühlung mit der Kühlleistung {P_{k\ddot uhl}} und T = \operatorname{const} erhält man direkt die Strahlleistung:

{P_{Strahl}} = {P_{k\ddot uhl}}

3.4.2 Vorteile des Bolometers

Der Vorteil des Bolometers ist, dass man sehr genau die Strahlleistung bestimmen kann, auch von schwacher Strahlung (z.B. Infrarotsensor). Mit einem großen Detektor mit hoher Masse können aber auch sehr große Leistungen gemessen werden, z.B. von Hochleistungslasern bis 10 kW Lichtleistung. Man hat also eine große Bandbreite.

\lambda > 5pm,\quad hf < 0,2eV,\quad {10^{14}}Hz > f > {10^{11}}THz

Bolometer können auch als Wärmebildkamera verwendet werden, siehe Fluke Thermometer. Es sind alle Teilchen nachweisbar, die mit dem Bolometer wechselwirken.

Der Nachweis einzelner Teilchen ist mit Kryo-Detektor (Phasenübergangsthermometer) möglich. Hier sind c und m sehr klein \Rightarrow {E_{Strahl}} klein \Rightarrow \Delta T groß.

bolometer-kryo-detektor-messbereich

Messungenauigkeit: \delta T \approx 0,1mK \ldots 1nK

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