مقياس الإشعاع الحراري

الموسوعة الحرة

صورة لمقياس الإشعاع الحراري المصنوع من خيوط العنكبوت لقياس إشعاع الخلفية الكونية الميكروي.
مقياس الإشعاع الحراري على شكل شبكة عنكبوت لقياس إشعاع الخلفية الكونية الميكروي . مصدر الصورة: ناسا/مختبر الدفع النفاث-معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا .

البولومتر هو جهاز لقياس الحرارة الإشعاعية باستخدام مادة ذات مقاومة كهربائية تعتمد على درجة الحرارة . [ 1 ] [ 2 ] وقد اخترعه عالم الفلك الأمريكي صموئيل بيربونت لانغلي عام 1878 .

مبدأ التشغيل

رسم تخطيطي مفاهيمي لجهاز قياس الإشعاع الحراري.
مخطط توضيحي لمقياس الإشعاع الحراري . يتم امتصاص الطاقة P من إشارة واردة، مما يؤدي إلى تسخين كتلة حرارية ذات سعة حرارية C ودرجة حرارة T. تتصل الكتلة الحرارية بخزان ذي درجة حرارة ثابتة عبر وصلة ذات موصلية حرارية G. الزيادة في درجة الحرارة ΔT = P / G ، ويتم قياسها باستخدام مقياس حرارة مقاوم، مما يسمح بتحديد P. ثابت الزمن الحراري الداخلي هو τ = C / G.

يتكون مقياس الإشعاع الحراري من عنصر ماص، كطبقة رقيقة من المعدن، متصل بخزان حراري (جسم ذو درجة حرارة ثابتة) عبر وصلة حرارية. ونتيجة لذلك، فإن أي إشعاع يسقط على العنصر الماص يرفع درجة حرارته فوق درجة حرارة الخزان - فكلما زادت الطاقة الممتصة، ارتفعت درجة الحرارة. يساوي الثابت الزمني الحراري الداخلي، الذي يحدد سرعة الكاشف، نسبة السعة الحرارية للعنصر الماص إلى الموصلية الحرارية بين العنصر الماص والخزان. [ 3 ] يمكن قياس تغير درجة الحرارة مباشرةً باستخدام مقياس حرارة مقاوم متصل ، أو يمكن استخدام مقاومة العنصر الماص نفسه كمقياس حرارة. تعمل مقاييس الإشعاع الحراري المعدنية عادةً دون تبريد، وتُصنع من رقائق رقيقة أو أغشية معدنية. تستخدم معظم مقاييس الإشعاع الحراري اليوم عناصر ماصة من أشباه الموصلات أو الموصلات الفائقة بدلاً من المعادن. يمكن تشغيل هذه الأجهزة في درجات حرارة منخفضة للغاية ، مما يتيح حساسية أعلى بكثير.

تُعدّ مقاييس الإشعاع الحراري حساسةً مباشرةً للطاقة المتبقية داخل المادة الماصة. ولهذا السبب، يُمكن استخدامها ليس فقط للكشف عن الجسيمات المؤينة والفوتونات ، بل أيضًا عن الجسيمات غير المؤينة، وأي نوع من الإشعاع ، وحتى للبحث عن أشكال غير معروفة من الكتلة أو الطاقة (مثل المادة المظلمة )؛ إلا أن هذا النقص في التمييز قد يُعتبر عيبًا. تستغرق مقاييس الإشعاع الحراري الأكثر حساسية وقتًا طويلاً لإعادة الضبط (أي العودة إلى التوازن الحراري مع البيئة). من ناحية أخرى، بالمقارنة مع كاشفات الجسيمات التقليدية، فهي تتميز بكفاءة عالية جدًا في دقة الطاقة والحساسية. تُعرف أيضًا باسم الكاشفات الحرارية. عند اقترانها باستخدام محولات الوضع المتعامد شبه البصرية أو الليثوغرافية، يُمكن استخدامها لتحديد حالة استقطاب الضوء. [ 4 ] [ 5 ]

مقياس الإشعاع الحراري لانغلي

كانت أولى مقاييس الإشعاع الحراري التي صنعها لانغلي تتألف من شريطين من الفولاذ أو البلاتين أو البلاديوم ، مغطاة بالسخام . [ 6 ] [ 7 ] كان أحد الشريطين محميًا من الإشعاع، بينما كان الآخر معرضًا له. شكل الشريطين فرعين لجسر ويتستون، الذي زُوّد بمقياس غلفانومتر حساس ، ووُصِل ببطارية. كان الإشعاع الكهرومغناطيسي الساقط على الشريط المعرض للإشعاع يسخنه ويغير مقاومته. بحلول عام 1880، كان مقياس الإشعاع الحراري الذي صنعه لانغلي قد تطور بما يكفي للكشف عن الإشعاع الحراري المنبعث من بقرة على  بُعد ربع ميل (400 متر). [ 8 ] يتميز كاشف الحرارة الإشعاعية هذا بحساسيته لاختلافات في درجة الحرارة تصل إلى جزء من مئة ألف من الدرجة المئوية (0.00001  درجة مئوية). [ 9 ] مكّنه هذا الجهاز من الكشف الحراري عبر طيف واسع، مسجلاً جميع خطوط فراونهوفر الرئيسية . كما اكتشف خطوط امتصاص ذرية وجزيئية جديدة في الجزء غير المرئي من الأشعة تحت الحمراء من الطيف الكهرومغناطيسي. سأل نيكولا تيسلا  الدكتور لانغلي شخصياً عما إذا كان بإمكانه استخدام مقياس الإشعاع الحراري الخاص به لتجاربه في نقل الطاقة في عام 1892. وبفضل هذا الاستخدام الأول، نجح في إجراء أول عرض توضيحي بين ويست بوينت ومختبره في شارع هيوستن. [ 10 ]

تطبيقات في علم الفلك

على الرغم من إمكانية استخدام مقاييس الإشعاع الحراري لقياس الإشعاع بأي تردد، إلا أن هناك طرقًا أخرى للكشف أكثر حساسية لمعظم نطاقات الأطوال الموجية . تُعد مقاييس الإشعاع الحراري من بين أكثر أجهزة الكشف حساسيةً المتاحة في نطاق الأطوال الموجية من دون المليمتر إلى المليمتر (من حوالي 200 ميكرومتر إلى بضعة مليمترات، والمعروفة أيضًا بالأشعة تحت الحمراء البعيدة ، تيراهيرتز )، ولذلك تُستخدم في علم الفلك عند هذه الأطوال الموجية. ولتحقيق أفضل حساسية، يجب تبريدها إلى جزء من الدرجة فوق الصفر المطلق (عادةً من 50 ملي كلفن إلى 300 ملي كلفن [ 11 ] ). ومن الأمثلة البارزة على مقاييس الإشعاع الحراري المستخدمة في علم الفلك دون المليمتر: تجربة بوميرانج ، ومرصد هيرشل الفضائي ، وتلسكوب جيمس كلارك ماكسويل ، ومرصد ستراتوسفير لعلم الفلك بالأشعة تحت الحمراء (SOFIA). من الأمثلة الحديثة على أجهزة قياس الإشعاع المستخدمة في علم الفلك ذي الطول الموجي المليمتر: AdvACT ، ومصفوفة BICEP ، وتجربة Spider شبه المدارية، و SPT-3G ، وكاميرا HFI على قمر Planck الصناعي ، بالإضافة إلى مرصد Simons المخطط له ، وتجربة CMB-S4، [ 12 ] وقمر LiteBIRD الصناعي.    

تطبيقات في فيزياء الجسيمات

يُستخدم مصطلح "البولومتر" في فيزياء الجسيمات للإشارة إلى كاشف جسيمات غير تقليدي . ويعتمد هذا النوع من الكواشف على المبدأ نفسه المذكور سابقًا. فالبولومترات حساسة ليس فقط للضوء، بل لجميع أشكال الطاقة. ويشبه مبدأ عملها مبدأ عمل المسعر الحراري في الديناميكا الحرارية . إلا أن التقريبات، ودرجة الحرارة المنخفضة للغاية ، والغرض المختلف من الجهاز، تجعل استخدامها العملي مختلفًا تمامًا. وفي مصطلحات فيزياء الطاقة العالية، لا تُسمى هذه الأجهزة "مسعرات حرارية"، لأن هذا المصطلح يُستخدم بالفعل لنوع آخر من الكواشف (انظر: المسعر الحراري ). وقد طُرح استخدامها ككواشف جسيمات منذ بداية القرن العشرين، ولكن أول استخدام منتظم، وإن كان رائدًا، لم يبدأ إلا في ثمانينيات القرن الماضي، نظرًا للصعوبات المرتبطة بتبريد وتشغيل النظام في درجات حرارة منخفضة للغاية . ولا تزال هذه الكواشف تُعتبر في مرحلة التطوير.

تطبيقات في فيزياء البلازما

تؤدي مقاييس الإشعاع الحراري دورًا محوريًا في رصد الإشعاع في بلازما الاندماج النووي. يستخدم جهاز ويندلشتاين 7-إكس (W7-X) النجمي نظامًا ثنائي الكاميرات لقياس الإشعاع الحراري في البلازما. تم تحسين هذا النظام لتحديد توزيعات الإشعاع ثنائية الأبعاد ضمن مقطع عرضي مثلثي متناظر للبلازما. تشمل التطورات الحديثة تحسين خوارزمية إعادة بناء التصوير المقطعي، والتي تعتمد على مبدأ التنعيم النسبي للتدرج (RGS) لملامح الانبعاث. وقد طُبقت هذه الخوارزمية بنجاح على تفريغات الهيدروجين في جهاز W7-X المُشغّلة بواسطة تسخين رنين السيكلوترون الإلكتروني (ECRH). من حيث المكونات المادية، زُودت مقاييس الإشعاع الحراري في جهاز W7-X بكواشف مقاومة معدنية. تتميز هذه الكواشف بوجود طبقة امتصاص ذهبية بسمك 5 ميكرومتر، بأبعاد 1.3  مليمتر في الاتجاه القطبي و3.8  مليمتر في الاتجاه الحلقي، مثبتة على ركيزة خزفية (نيتريد السيليكون Si3N4). يُعدّ تضمين  طبقة كربونية بسمك 50 نانومتر خطوة استراتيجية، إذ يُحسّن كفاءة الكشف عن الفوتونات منخفضة الطاقة. وتتميز هذه الكواشف بدقة عالية في رصد إشعاع خطوط الشوائب، مُغطيةً طيفًا واسعًا يمتد من الأشعة فوق البنفسجية البعيدة (VUV) إلى الأشعة السينية اللينة (SXR). ونظرًا لمتانتها وتصميمها المبتكر، يجري النظر فيها كنماذج أولية لكواشف البولومتر في مشروع ITER القادم. [ 13 ] [ 14 ]

الميكروبولومتر

الميكروبولومتر هو نوع خاص من البولومترات يُستخدم ككاشف في الكاميرات الحرارية . وهو عبارة عن شبكة من مستشعرات الحرارة المصنوعة من أكسيد الفاناديوم أو السيليكون غير المتبلور، موضوعة فوق شبكة مماثلة من السيليكون . يسقط الإشعاع تحت الأحمر ، ضمن نطاق محدد من الأطوال الموجية، على أكسيد الفاناديوم أو السيليكون غير المتبلور، مما يُغير مقاومته الكهربائية . يُقاس هذا التغير في المقاومة ويُحوّل إلى درجات حرارة يمكن تمثيلها بيانيًا. تتوفر شبكة الميكروبولومتر عادةً بثلاثة أحجام: مصفوفة 640×480، ومصفوفة 320×240 (384×288 سيليكون غير متبلور)، أو مصفوفة 160×120 أو 80×60 الأقل تكلفة. تُستخدم مصفوفات VOx بحجم 640×512 بشكل شائع في تطبيقات كاميرات المراقبة الثابتة التي تتطلب مقاومة منخفضة للصدمات. توفر المصفوفات المختلفة نفس الدقة، مع توفير المصفوفات الأكبر مجال رؤية أوسع . وقد أُعلن عن مصفوفات أكبر بحجم 1024×768 في عام 2008.

مقياس الإشعاع الإلكتروني الساخن

يعمل مقياس الإشعاع الحراري للإلكترونات الساخنة (HEB) عند درجات حرارة منخفضة للغاية ، عادةً ما تكون قريبة من الصفر المطلق . عند هذه الدرجات المنخفضة جدًا، يكون نظام الإلكترونات في المعدن ضعيف الاقتران بنظام الفونونات . الطاقة المقترنة بنظام الإلكترونات تُخرجه من حالة التوازن الحراري مع نظام الفونونات، مما يُنتج إلكترونات ساخنة. [ 15 ] عادةً ما تكون الفونونات في المعدن مقترنة جيدًا بفونونات الركيزة وتعمل كمخزن حراري. عند وصف أداء مقياس الإشعاع الحراري للإلكترونات الساخنة، فإن السعة الحرارية ذات الصلة هي السعة الحرارية الإلكترونية، والتوصيل الحراري ذو الصلة هو التوصيل الحراري للإلكترونات والفونونات.

إذا كانت مقاومة العنصر الممتص تعتمد على درجة حرارة الإلكترونات، فيمكن استخدام هذه المقاومة كمقياس حرارة لنظام الإلكترونات. وينطبق هذا على كل من المواد شبه الموصلة والمواد فائقة التوصيل عند درجات الحرارة المنخفضة. أما إذا لم تكن مقاومة العنصر الممتص تعتمد على درجة الحرارة، كما هو الحال في المعادن العادية (غير فائقة التوصيل) عند درجات الحرارة المنخفضة جدًا، فيمكن استخدام مقياس حرارة مقاوم متصل لقياس درجة حرارة الإلكترونات. [ 3 ]

قياس الميكروويف

يمكن استخدام مقياس الإشعاع الحراري لقياس القدرة عند ترددات الميكروويف . في هذا التطبيق، يُعرَّض عنصر مقاوم لقدرة الميكروويف. يُطبَّق تيار انحياز مستمر على المقاوم لرفع درجة حرارته عبر التسخين الجولي ، بحيث تتطابق المقاومة مع معاوقة الموجة الدليلية. بعد تطبيق قدرة الميكروويف، يُخفَّض تيار الانحياز ليعود مقياس الإشعاع الحراري إلى مقاومته الأصلية في غياب قدرة الميكروويف. عندئذٍ، يكون التغير في قدرة التيار المستمر مساويًا لقدرة الميكروويف الممتصة. ولتجنب تأثير تغيرات درجة الحرارة المحيطة، يُوضع العنصر النشط (القياسي) في دائرة جسرية مع عنصر مماثل غير مُعرَّض للميكروويف؛ فلا تؤثر تغيرات درجة الحرارة المشتركة بين العنصرين على دقة القراءة. يسمح متوسط ​​زمن استجابة مقياس الإشعاع الحراري بقياس قدرة مصدر نبضي بسهولة. [ 16 ]

في عام 2020، أبلغت مجموعتان عن مقاييس إشعاعية تعمل بالموجات الميكروية تعتمد على مواد أساسها الجرافين، قادرة على الكشف عن الموجات الميكروية على مستوى الفوتون الواحد. [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ "مقياس الإشعاع الحراري لانغلي، 1880-1890" . مجموعة متحف العلوم . تم الاطلاع عليه بتاريخ 20 مارس 2022 .
  2. ↑ انظر، على سبيل المثال، البولومتر – تعريف من قاموس ميريام-ويبستر الإلكتروني
  3. 1 2 ريتشاردز، ب. ل. (1994). "مقياس الإشعاع الحراري للأشعة تحت الحمراء والموجات المليمترية" . مجلة الفيزياء التطبيقية . 76 (1): 1-24 . Bibcode : 1994JAP....76....1R . doi : 10.1063/1.357128 .
  4. ↑ "كاشف بولومتري حساس للاستقطاب" . arxiv.org . سبتمبر 2002.
  5. ↑ "الأساليب الآلية والتحليلية للاستقطاب البولومتري" . arxiv.org . يونيو 2006.
  6. ↑ لانغلي، إس بي (23 ديسمبر 1880). "مقياس الإشعاع الحراري" . الجمعية الأمريكية للمقاييس. ص 1-7 . 
  7. ↑ لانغلي، إس بي (12 يناير 1881). "مقياس الإشعاع والطاقة الإشعاعية". وقائع الأكاديمية الأمريكية للفنون والعلوم . 16 : 348. doi : 10.2307/25138616 . JSTOR 25138616 . 
  8. ↑ سيرة صموئيل ب. لانغلي ( مؤرشفة بتاريخ 2009-11-06 في Wayback Machine ). مرصد الارتفاعات العالية، مؤسسة الجامعة لأبحاث الغلاف الجوي.
  9. ↑ "صموئيل بيربونت لانغلي" . earthobservatory.nasa.gov . 3 مايو 2000.
  10. ↑ تسلا، نيكولا (1992). "القسم 4" . نيكولا تسلا يتحدث عن عمله مع التيار المتردد وتطبيقاته في الاتصالات اللاسلكية والهاتفية ونقل الطاقة : مقابلة موسعة . ليلاند آي. أندرسون. ISBN  978-1-893817-01-2أظن أنني امتلكت مئات الأجهزة، لكن أول جهاز استخدمته، والذي حقق نجاحًا باهرًا، كان تطويرًا لجهاز قياس الإشعاع الحراري. التقيت بالبروفيسور لانغلي عام ١٨٩٢ في المؤسسة الملكية. قال لي، بعد أن ألقيت محاضرة، إنهم جميعًا فخورون بي. تحدثت إليه عن جهاز قياس الإشعاع الحراري، وأشرت إلى أنه أداة رائعة. ثم قلت: "بروفيسور لانغلي، لديّ اقتراح لتحسين جهاز قياس الإشعاع الحراري، إذا تفضلت بتضمينه في مبدأ عمله". شرحت له كيفية تحسين الجهاز. أبدى البروفيسور لانغلي اهتمامًا كبيرًا، ودوّن اقتراحي في دفتر ملاحظاته. استخدمت ما أسميته مقاومة صغيرة الكتلة، لكن بكتلة أصغر بكثير من تلك المستخدمة في جهاز قياس الإشعاع الحراري الخاص بلانغلي، وأصغر بكثير من كتلة أي من الأجهزة المسجلة في براءات الاختراع الصادرة منذ ذلك الحين. تلك الأجهزة معقدة وغير عملية. استخدمت كتلًا لا تُشكل جزءًا من مليون من أصغر كتلة موصوفة في أي من براءات الاختراع أو المنشورات. باستخدام مثل هذه الأداة، قمت بالعمل، على سبيل المثال، في ويست بوينت - تلقيت إشارات من مختبري في شارع هيوستن في ويست بوينت.
  11. ↑ سيزوف، فيدير ف. (5 مايو 2020). أجهزة الكشف ومصادر الأشعة تحت الحمراء والترددات تيراهيرتزية . ميلرزفيل، بنسلفانيا، الولايات المتحدة الأمريكية: منتدى أبحاث المواد. ص 185. ISBN  9781644900741.
  12. ↑ "CMB-S4 – تجربة الجيل التالي لإشعاع الخلفية الكونية الميكروي CMB" . cmb-s4.org .
  13. ↑ تشانغ، د.؛ وآخرون (2010). "معايير تصميم تشخيص البولومتر للتشغيل المستقر لجهاز ستيلاراتور W7-X" . مراجعة الأدوات العلمية . 81 (10): 10E134. Bibcode : 2010RScI...81jE134Z . doi : 10.1063/1.3483194 . hdl : 11858/00-001M-0000-0026-F070-5 . PMID 21033996. S2CID 3856215 .   
  14. ↑ تشانغ، د.؛ وآخرون (2021). "التصوير المقطعي البولومتري على جهاز ويندلشتاين 7-X لدراسة عدم تناظر الإشعاع" . الاندماج النووي . 61 (11): 116043. Bibcode : 2021NucFu..61k6043Z . doi : 10.1088/1741-4326/ac2778 . S2CID 238641528 .  
  15. ↑ ويلستود، إف سي؛ أوربينا، سي؛ كلارك، جون (1994). "تأثيرات الإلكترونات الساخنة في المعادن". مجلة Physical Review B. 49 ( 9): 5942–5955 . Bibcode : 1994PhRvB..49.5942W . doi : 10.1103/PhysRevB.49.5942 . PMID 10011570 . 
  16. ↑ كاي تشانغ (محرر)، موسوعة هندسة الترددات الراديوية والميكروويف ، (وايلي 2005) ISBN 0-471-27053-9الصفحات 2736–2739
  17. ↑ لي، جيل-هو؛ إيفيتوف، ديمتري ك.؛ وآخرون . (1 أكتوبر 2020). "مقياس إشعاع حراري بالموجات الميكروية قائم على وصلة جوزيفسون باستخدام الجرافين" . مجلة نيتشر . 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. مؤرشف من الأصل في 5 أكتوبر 2020 .   
  18. ↑ كوكونييمي، ر.؛ جيرارد، ج.-ب.؛ وآخرون . (1 أكتوبر 2020). "مقياس الإشعاع الحراري يعمل عند عتبة الديناميكا الكهربائية الكمومية للدوائر" . مجلة نيتشر . 586 (7827): 47-51 . arXiv : 2008.04628 . Bibcode : 2020Natur.586...47K . doi : 10.1038/s41586-020-2753-3 . PMID 32999484. S2CID 221095927. مؤرشف من الأصل في 5 أكتوبر 2020 .   
  19. ↑ جونستون، هاميش (5 أكتوبر 2020). "مقياسات الإشعاع الحراري الجديدة للميكروويف قد تعزز الحوسبة الكمومية" . مؤرشف من الأصل في 8 أكتوبر 2020.