Un bolometro è uno strumento scientifico utilizzato per rilevare e misurare le radiazioni elettromagnetiche. Questo strumento potrebbe anche essere chiamato equilibrio attinico o calorimetro a seconda dell’impostazione e viene generalmente utilizzato in situazioni in cui la radiazione è minima e altrimenti difficile da rilevare. Questi strumenti possono misurare con precisione la radiazione elettromagnetica nelle sue varie forme, dalle onde radio alle radiazioni ultraviolette e ai raggi gamma. Il principio di funzionamento è stato anche adattato per l’uso in fisica e rilevamento di particelle.
Concetto di base
La scienza alla base del funzionamento di questi strumenti può essere alquanto complicata, ma il concetto di base è solitamente piuttosto semplice. Tutti i modelli e le configurazioni hanno una sorta di assorbitore, essenzialmente un elemento come il metallo che è in grado di assorbire energia, e un serbatoio, che è qualcosa che ha una temperatura costante. I due sono collegati da una sorta di conduttore. Quando l’energia colpisce l’assorbitore, lo strumento rileva qualsiasi differenza tra la temperatura dell’energia e la temperatura del serbatoio, che può essere un’indicazione dell’uscita elettromagnetica complessiva di quell’energia.
Questi tipi di strumenti vengono utilizzati principalmente per misurare le emissioni di radiazioni note, ma possono anche essere utilizzati per rilevare campi energetici sospetti, in particolare quelli nello spazio. I fisici e gli astronomi alla ricerca di cose come i buchi neri, ad esempio, usano spesso questo tipo di strumenti per rilevare i cambiamenti nella radiazione elettromagnetica all’interno di determinati campi al fine di ottenere suggerimenti e indizi sui modelli di energia cosmica.
Cronologia di utilizzo
È opinione diffusa che l’astronomo americano Samuel Pierpont Langley abbia creato il primo prototipo di questo strumento alla fine del XIX secolo. Il primo modello è stato utilizzato in combinazione con un telescopio per misurare la radiazione infrarossa su oggetti astronomici, in particolare la luna. Il prototipo era di base nel design. Consisteva di due camere dotate di strisce di platino che formavano la cosiddetta struttura a “ponte di Wheatstone” collegata a un galvanometro e a una batteria. Le strisce coperte di fuliggine che formano il ponte sono state disposte in modo tale che una fosse lasciata esposta mentre l’altra fosse protetta dall’esposizione alle radiazioni. La temperatura della striscia esposta aumenterebbe quando entra in contatto con la radiazione elettromagnetica, alterando la sua resistenza elettrica e creando essenzialmente un sensore di temperatura.
Modelli elettronici Electro
Esistono molte varianti diverse dello strumento che vengono utilizzate in diverse impostazioni. Un bolometro a elettroni freddi (CEB), ad esempio, è un dispositivo altamente sensibile che rileva la radiazione cosmologica. Una giunzione a tunnel metallico superconduttore-isolante-normale (SIN) è ciò che distingue il CEB da altri strumenti simili, in gran parte perché la sua perdita di energia viene utilizzata per raffreddare l’assorbitore.
Un bolometro a elettroni caldi (HEB) funziona in modo simile. Questo è un dispositivo utilizzato per misurare le radiazioni sub-millimetriche e nel lontano infrarosso che non possono essere misurate dal CEB. Funziona principalmente rilevando il guadagno di energia.
Rivelatori Infrarossi
Un microbolometro è adattato per funzionare come rilevatore a infrarossi in una termocamera, comunemente nota come termocamera Forward Looking Infrared (FLIR). Questo tipo di telecamera funziona secondo lo stesso principio dello strumento tradizionale e misura la radiazione infrarossa con lunghezze d’onda comprese tra 8 e 13 micron. La resistenza elettrica registrata dalla telecamera viene tradotta in temperature, che vengono utilizzate per creare un’immagine.
Uso nella fisica delle particelle
Una branca della fisica nota come fisica delle particelle, che studia gli elementi di base della radiazione, usa spesso il termine “bolometro” in riferimento a uno strumento noto più formalmente come rivelatore di particelle. Il rilevatore di particelle funziona secondo lo stesso principio dello strumento originale di Langley e viene utilizzato per identificare le particelle ad alta energia. I contatori a scintillazione e i rilevatori di particelle a ionizzazione gassosa vengono generalmente utilizzati allo scopo di misurare l’energia associata alle radiazioni e alle caratteristiche delle particelle.
Contrattempi e svantaggi
Per quanto efficaci possano essere gli strumenti di misurazione bolometrica, il loro utilizzo presenta anche alcuni svantaggi. In generale, questi tipi di strumenti mancano di “proprietà discriminatorie”, il che significa che non distinguono tra particelle ionizzate e non ionizzate. Se utilizzato come rilevatore termico, lo strumento non dissipa direttamente neanche l’energia raccolta dall’assorbitore, il che solitamente significa che non si ripristina immediatamente.