К болометрам относятся приемники, у которых нагрев под действием падающего потока излучения вызывает изменение некоторых физических параметров чувствительного элемента. Среди них наибольшее распространение получили болометры сопротивления, основанные на зависимости электрического сопротивления материалов от температуры, и в этом смысле болометры аналогичны термометрам сопротивления, терморезисторам и т. п.
Применяют болометры для бесконтактного дистанционного измерения температуры в качестве приемников лучистой энергии (особенно там, где используется длинноволновое инфракрасное излучение), в спектральных приборах, в астрономии (локация Луны), в различных системах ориентации, для измерения СВЧ мощности.
Иммерсионные полупроводниковые болометры (например, БП1-2) используют в качестве приемников инфракрасного излучения в аппаратуре автоконтроля ответственных узлов железнодорожного подвижного состава (колесных пар, подшипников и др.).
Болометры характеризуются следующими параметрами:
— сопротивление активного элемента при комнатной температуре;
— рабочее напряжение;
— чувствительность (в В/Вт); определяется как отношение полезного сигнала, снимаемого с болометра, к мощности лучистой энергии при определенной частоте модуляции, падающей на активный элемент;
— порог чувствительности (в Вт), численно равный мощности излучения, которая вызывает сигнал, эквивалентный уровню собственных шумов болометра, т. е. порог чувствительности определяется минимальной мощностью излучения, которую при данных условиях способен зарегистрировать болометр;
— постоянная времени, характеризующая тепловую инерционность активного элемента (время, за которое сигнал достигает 63% от установившегося значения);
— уровень собственных шумов.
Спектральный диапазон чувствительности болометров простирается до 50 мкм. При необходимости их можно сделать селективными приемниками при помощи внешнего оптического фильтра или путем введения соответствующих красителей в органическую пленку, наносимую на поглощающий слей. Здесь кстати можно заказать калибровку балометров недорого.
Для уменьшения влияния тепловых и радиационных помех современные болометры делаются компенсационного типа. С этой целью берут идентичный термочувствительный элемент и располагают его возможно ближе к рабочему, облучаемому элементу. Такие болометры обычно имеют три внешних вывода — от активного и компенсационного термисторов и от средней точки. Активный и компенсационный элементы болометра включаются в мостовую электрическую схему, при этом помехи, воздействующие в одинаковой степени на оба элемента, не вызывают нарушения баланса. Сопротивления других плеч моста, как правило, помещают в массивный металлический экранирующий кожух. Питание мостовой схемы осуществляют постоянным или переменным током с частотой несколько сот или тысяч Гц. При питании схемы постоянным током усиление сигнала с выхода болометра производят на частоте модуляции воспринимаемого лучистого потока. При питании схемы переменным током сигнал вначале усиливают на частоте изменения тока, а затем после детектирования — на частоте модуляции.
Для уменьшения инерционности чувствительный элемент болометра монтируется на кварцевой или стеклянной подложке, что приводит к уменьшению чувствительности на нулевой частоте модуляции регистрируемого излучения.
Болометры делятся на два основных типа: металлические и полупроводниковые. Часто болометры изготовляются вместе с предусилителем. Высокоомные болометры легко согласуются с входным сопротивлением лампового усилителя.
Металлический болометр представляет собой термочувствительную полоску, изготовленную из рыхлого металла, нанесенного на подложку из диэлектрика, которая помещена в баллон.
Для уменьшения порога чувствительности площадь болометрической полоски делается небольшой, а для уменьшения постоянной времени — очень тонкой. Типичные размеры болометра сопротивления: площадь порядка 1 мм2, толщина 0,1-0,01 мкм; при таких размерах постоянная времени составляет 0,01-0,02 с. Получение тонких металлических полосок чисто механическими методами (например, прокаткой) связано с большими трудностями; поэтому в настоящее время их изготовляют методом термического распыления в вакууме на какую-либо диэлектрическую подложку, например на тонкую (0,02-0,03 мкм) пленку из нитроцеллюлозы, натянутую на рамку из стекла или керамики. При толщинах 0,1-0,01 мкм металлические слои частично прозрачны, и поэтому для увеличения коэффициента поглощения их покрывают слоем черни, обычно золотой, получаемой при термическом распылении золота в атмосфере чистого азота или водорода при давлении 1-5 мм рт. ст. Толщина слоя черни составляет 20-30 мкм.
Первые образцы металлических болометров состояли из тонкой зачерненной полоски платиновой фольги; в современных вариантах этих приборов используют золото, никель, висмут (для висмута ТКС равен 0,005 1/°C). Коэффициент преобразования таких приборов достигает 10-25 В/Вт. Золотая чернь неселективна в широком диапазоне длин волн.
В большинстве случаев приемную и компенсационную полоски помещают в вакуумный (или заполненный инертным газом) баллон с окном из материала, прозрачного для излучения в исследуемой области спектра.
