Bolometer
Ein Bolometer, auch bolometrischer Detektor (griechisch bole, „Wurf“, „Strahl“), ist ein Strahlungssensor zur Messung über das gesamte Wellenlängenspektrum der elektromagnetischen Wellen. Das Messprinzip ist die Absorption von Strahlung durch Materie und die Messung der darauffolgenden Erwärmung.
Erfinder war der amerikanische Astronom Samuel Pierpont Langley im Jahr 1878.
Funktionsprinzip
Zur Absorption im optischen Bereich dienen geschwärzte Oberflächen. Für die Messung von Leistungsimpulsen wird der Temperaturanstieg ausgewertet. Zur kontinuierlichen Messung der Strahlungsleistung muss die Wärme abgeführt werden. Dazu dienen definierte Wärmebrücken, die für die Messung großer Leistungen aus massivem Metall bestehen und am anderen Ende wassergekühlt sind. Die Messgröße ist der Wärmestrom. Dieser ergibt sich aus der Temperaturdifferenz über die Wärmebrücke geteilt durch ihren Wärmewiderstand.
Als Temperatursensoren kommen aufgrund ihrer Einfachheit Thermistoren infrage. Bei den bildgebenden Mikrobolometer-Arrays werden NTCs eingesetzt, da diese eine steilere Kennlinie haben, allerdings nur in einem relativ engen Temperaturbereich und in kleiner Bauweise verbunden mit beträchtlichem Schrotrauschen.
Die Alternative sind Thermoelemente, die direkt Temperaturdifferenzen messen. Für eine höhere Thermospannung werden mehrere Thermoelemente elektrisch in Reihe, thermisch aber parallel geschaltet. Oft stellt eine solche Thermosäule selbst die gesamte Wärmebrücke dar.
Das gilt auch für die empfindlichsten Detektoren aus nur noch einem einzelnen Thermoelement aus sehr dünnen Drähten oder Dünnschichtstrukturen. Lässt sich – anders als beim Pyrgeometer – die zu messende Strahlung auf den einen Kontakt des Thermoelements fokussieren, so entfällt eine gesonderte Absorberfläche, die für kurze Reaktionszeiten sehr dünn und sehr gut wärmeleitend sein müsste, z. B. eine Goldfolie.
Der Einschluss in ein Vakuum vermindert äußere Störungen durch Wärmeübergang an Luft oder Konvektion. Die Temperatur von umgebenden Teilen des Detektors muss genau kontrolliert werden, vergoldete Oberflächen emittieren weniger Wärmestrahlung. Die höchste Empfindlichkeit wird mit tiefgekühlten Bolometern erreicht.
Anwendungen
Nach dem Bolometerprinzip arbeiten auch die oft in Bewegungsmeldern eingesetzten pyroelektrischen Infrarotdetektoren. Die Strahlung wird mittels einer auf einem dünnen pyroelektrischen Kristall aufgebrachten Absorptionsschicht in Wärme umgewandelt. Dadurch entstehen im Kristall elektrische Ladungen, die nach einer Verstärkung das Detektorsignal liefern. Der Kristall, zum Beispiel aus Lithiumtantalat, wird so montiert, dass ein definierter Wärmeabfluss sichergestellt ist. Diese Detektoren liefern, im Gegensatz zu Thermosäulen (Thermopiles) nur bei Strahlungsänderungen ein Signal. Ein weiterer Vorteil ist die höhere Detektivität. Anspruchsvollere Anwendungen der Detektoren gibt es in der Medizintechnik und der technischen Sicherheit: die Gasmesstechnik nach dem NDIR-Prinzip und die Flammenerkennung.[1]
Siehe auch
Weblinks
- Bolometer. Eintrag im Spektrum Lexikon der Optik.
- Kurzbeschreibung in historischem Lexikon
Einzelnachweise
- FAQ zu pyroelektrischen Detektoren. InfraTec GmbH Infrarotsensorik und Messtechnik, abgerufen am 4. Juni 2018.