Το βολόμετρο είναι ένα επιστημονικό όργανο που χρησιμοποιείται για την ανίχνευση και τη μέτρηση της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Αυτό το όργανο μπορεί επίσης να ονομάζεται ακτινικό ισοζύγιο ή θερμιδόμετρο ανάλογα με τη ρύθμιση και χρησιμοποιείται συνήθως σε περιπτώσεις όπου η ακτινοβολία είναι μικρή και διαφορετικά είναι δύσκολο να ανιχνευθεί. Αυτά τα εργαλεία μπορούν να μετρήσουν με ακρίβεια την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία στις διάφορες μορφές της, από ραδιοκύματα μέχρι υπεριώδη ακτινοβολία και ακτίνες γάμμα. Η λειτουργική αρχή έχει επίσης προσαρμοστεί για χρήση στη φυσική και την ανίχνευση σωματιδίων.
Βασική ιδέα
Η πραγματική επιστήμη πίσω από το πώς λειτουργούν αυτά τα όργανα μπορεί να είναι κάπως περίπλοκη, αλλά η βασική ιδέα είναι συνήθως αρκετά απλή. Όλα τα μοντέλα και οι ρυθμίσεις έχουν κάποιου είδους απορροφητή, ουσιαστικά ένα στοιχείο όπως το μέταλλο που μπορεί να απορροφά ενέργεια και μια δεξαμενή, η οποία είναι κάτι που έχει σταθερή θερμοκρασία. Τα δύο συνδέονται με κάποιο είδος αγωγού. Όταν η ενέργεια χτυπά τον απορροφητή, το όργανο ανιχνεύει οποιαδήποτε διαφορά μεταξύ της θερμοκρασίας της ενέργειας και της θερμοκρασίας της δεξαμενής, η οποία μπορεί να είναι ένδειξη της συνολικής ηλεκτρομαγνητικής παραγωγής αυτής της ενέργειας.
Αυτά τα είδη εργαλείων χρησιμοποιούνται κυρίως για τη μέτρηση γνωστών εξόδων ακτινοβολίας, αλλά μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για την ανίχνευση ύποπτων ενεργειακών πεδίων, ιδιαίτερα εκείνων στο διάστημα. Οι φυσικοί και οι αστρονόμοι που αναζητούν πράγματα όπως οι μαύρες τρύπες, για παράδειγμα, χρησιμοποιούν συχνά αυτά τα είδη εργαλείων για να ανιχνεύσουν αλλαγές στην ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία εντός συγκεκριμένων πεδίων, προκειμένου να λάβουν υποδείξεις και ενδείξεις σχετικά με τα κοσμικά ενεργειακά μοτίβα.
Ιστορικό χρήσης
Πιστεύεται ευρέως ότι ο Αμερικανός αστρονόμος Samuel Pierpont Langley δημιούργησε το πρώτο πρωτότυπο αυτού του οργάνου στα τέλη του 19ου αιώνα. Το πρώτο μοντέλο χρησιμοποιήθηκε σε συνδυασμό με ένα τηλεσκόπιο για τη μέτρηση της υπέρυθρης ακτινοβολίας σε αστρονομικά αντικείμενα, ιδιαίτερα τη σελήνη. Το πρωτότυπο ήταν βασικό στο σχεδιασμό. Αποτελούνταν από δύο θαλάμους εξοπλισμένους με λωρίδες πλατίνας που σχηματίζουν αυτό που είναι γνωστό ως δομή “γέφυρα Wheatstone” που συνδέεται με ένα γαλβανόμετρο και μια μπαταρία. Οι λωρίδες καλυμμένες με αιθάλη που σχηματίζουν τη γέφυρα διατάσσονται έτσι ώστε η μία να παραμένει εκτεθειμένη ενώ η άλλη να προστατεύεται από την έκθεση στην ακτινοβολία. Η θερμοκρασία της εκτεθειμένης λωρίδας θα αυξανόταν όταν ερχόταν σε επαφή με την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, αλλοιώνοντας την ηλεκτρική της αντίσταση και ουσιαστικά δημιουργώντας έναν αισθητήρα θερμοκρασίας.
Μοντέλα ηλεκτρονίων
Υπάρχουν πολλές διαφορετικές παραλλαγές του οργάνου που χρησιμοποιούνται σε διαφορετικές ρυθμίσεις. Ένα βολόμετρο ψυχρού ηλεκτρονίου (CEB), για παράδειγμα, είναι μια εξαιρετικά ευαίσθητη συσκευή που ανιχνεύει την κοσμολογική ακτινοβολία. Μια διασταύρωση μεταλλικής σήραγγας υπεραγώγιμου-μονωτικού-κανονικού (SIN) είναι αυτό που ξεχωρίζει το CEB από άλλα παρόμοια όργανα, σε μεγάλο βαθμό επειδή η απώλεια ενέργειας του χρησιμοποιείται για την ψύξη του απορροφητή.
Ένα βολόμετρο θερμού ηλεκτρονίου (HEB) λειτουργεί παρόμοια. Αυτή είναι μια συσκευή που χρησιμοποιείται για τη μέτρηση της ακτινοβολίας υπό χιλιοστού και της υπέρυθρης ακτινοβολίας που δεν μπορεί να μετρηθεί από το CEB. Λειτουργεί κυρίως ανιχνεύοντας ενεργειακό κέρδος.
Ανιχνευτές υπερύθρων
Ένα μικροβολόμετρο είναι προσαρμοσμένο να λειτουργεί ως ανιχνευτής υπερύθρων σε μια θερμική κάμερα, κοινώς γνωστή ως κάμερα υπέρυθρης όψης προς τα εμπρός (FLIR). Αυτός ο τύπος κάμερας λειτουργεί με την ίδια αρχή με το παραδοσιακό όργανο και μετρά την υπέρυθρη ακτινοβολία με μήκη κύματος μεταξύ 8 και 13 microns. Η ηλεκτρική αντίσταση που καταγράφει η κάμερα μεταφράζεται σε θερμοκρασίες, οι οποίες χρησιμοποιούνται για τη δημιουργία μιας εικόνας.
Χρήση στη Φυσική των Σωματιδίων
Ένας κλάδος της φυσικής γνωστός ως σωματιδιακή φυσική, που μελετά τα βασικά στοιχεία της ακτινοβολίας, χρησιμοποιεί συχνά τον όρο «βολόμετρο» σε σχέση με ένα όργανο γνωστό πιο επίσημα ως ανιχνευτής σωματιδίων. Ο ανιχνευτής σωματιδίων λειτουργεί με την ίδια αρχή με το αρχικό όργανο του Langley και χρησιμοποιείται για την αναγνώριση σωματιδίων υψηλής ενέργειας. Οι μετρητές σπινθηρισμού και οι ανιχνευτές σωματιδίων τύπου αερίου ιονισμού χρησιμοποιούνται συνήθως για τον σκοπό μέτρησης της ενέργειας που σχετίζεται με την ακτινοβολία και τα χαρακτηριστικά σωματιδίων.
Αναποδιές και μειονεκτήματα
Όσο αποτελεσματικά μπορεί να είναι τα εργαλεία μέτρησης βολομετρίας, υπάρχουν και ορισμένα μειονεκτήματα στη χρήση τους. Γενικά, αυτού του είδους τα όργανα στερούνται «ιδιοτήτων διάκρισης», που σημαίνει ότι δεν κάνουν διαφοροποίηση μεταξύ ιονισμένων και μη ιονισμένων σωματιδίων. Όταν χρησιμοποιείται ως θερμικός ανιχνευτής, το όργανο δεν διώχνει άμεσα την ενέργεια που συλλέγεται από τον απορροφητή, πράγμα που συνήθως σημαίνει ότι δεν επαναρυθμίζεται αμέσως.