볼로미터
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1. 개요
볼로미터는 열적 연결을 통해 열 저장소에 연결된 흡수성 부품을 사용하여 방사선을 감지하는 장치이다. 흡수된 방사선은 부품의 온도를 높이며, 온도 변화는 부착된 온도계로 측정하거나 흡수 소자 자체의 저항 변화를 통해 감지한다. 금속, 반도체, 초전도체 등 다양한 재료로 제작되며, 특히 극저온에서 작동하는 볼로미터는 높은 감도를 보인다. 볼로미터는 이온화 입자, 광자, 방사선, 심지어 암흑 물질과 같은 알려지지 않은 형태의 에너지까지 감지할 수 있으며, 서브밀리미터파 천문학, 입자 물리학, 플라스마 물리학, 열화상 카메라, 마이크로파 측정 등 다양한 분야에서 활용된다.
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| 볼로미터 | |
|---|---|
| 지도 정보 | |
| 기본 정보 | |
| 종류 | 측정 장치 |
| 측정 대상 | 입사 전자기 방사 |
| 그리스어 명칭 | 볼로미터 (βολομετρον) |
| 어원 | '볼로-' (βολο-) 볼리 (βολή)에서 유래 '-메트론' (-μετρον)에서 유래 |
| 상세 정보 | |
| 사용 분야 | 전자기파 측정 복사열 측정 적외선 측정 |
| 작동 원리 | 전자기파 흡수에 따른 온도 변화 측정 |
| 특징 | 넓은 파장 범위 측정 가능 |
| 발명자 | 새뮤얼 피어폰트 랭글리 |
| 발명 시기 | 1880년 |
2. 작동 원리
볼로미터는 열 링크를 통해 열 저장소(일정한 온도의 물체)에 연결된 흡수 요소(주로 얇은 금속층)로 구성된다. 흡수 요소에 복사가 입사되면 저장소보다 온도가 높아지는데, 흡수된 전력이 클수록 온도 상승폭도 커진다. 검출기 속도를 결정하는 고유 열 시정수는 흡수 요소의 열용량을 흡수 요소와 저장소 사이의 열전도율로 나눈 값이다.[3]
온도 변화는 부착된 저항 온도계로 직접 측정하거나, 흡수 요소 자체의 저항을 온도계로 사용할 수 있다. 볼로미터는 흡수체 내부에 남아 있는 에너지에 직접적으로 민감하여 이온화 입자, 광자, 비이온화 입자, 모든 종류의 방사선, 심지어 암흑 물질과 같이 알려지지 않은 형태의 질량이나 에너지를 찾는 데도 활용된다.
다만, 이러한 식별력 부족은 단점이 될 수 있으며, 가장 민감한 볼로미터는 환경과의 열적 평형으로 돌아가는 재설정 시간이 매우 느리다. 그럼에도 불구하고, 기존 입자 검출기보다 에너지 분해능과 감도가 뛰어나 열 검출기로도 알려져 있다.
2. 1. 금속 볼로미터
볼로미터는 열 링크를 통해 열 저장소(일정한 온도의 본체)에 연결된 얇은 금속층과 같은 흡수성 부품으로 구성된다. 그 결과 흡수 부품에 충돌하는 모든 방사선은 저장소의 온도보다 온도를 높인다. 흡수된 전력이 클수록 온도가 높아진다. 감지기의 속도를 설정하는 고유 열 시정수는 흡수 부품과 저장소 사이의 열전도율에 대한 흡수 부품의 열용량의 비율과 같다.[3] 온도 변화는 부착된 저항 온도계로 직접 측정하거나 흡수 소자 자체의 저항을 온도계로 사용할 수 있다. 금속 볼로미터는 일반적으로 냉각 없이 작동하며, 얇은 호일 또는 금속 필름으로 생산된다. 오늘날 대부분의 볼로미터는 금속이 아닌 반도체 또는 초전도체 흡수 부품을 사용한다. 이러한 장치는 극저온에서 작동할 수 있으므로 감도가 훨씬 더 높아진다.흡수 요소의 전기 저항이 전자 온도에 따라 달라지면 저항을 전자 시스템의 온도계로 사용할 수 있다. 이는 저온에서 반도체 및 초전도체 재료 모두에 해당된다. 매우 낮은 온도에서 일반적인(초전도가 아닌) 금속에서처럼 흡수 요소에 온도 의존성 저항이 없는 경우, 부착된 저항 온도계를 사용하여 전자 온도를 측정할 수 있다.[3]
시정수는 열용량에 비례하므로 고속 측정을 위해서는 열용량을 가능한 작게 하는 것이 바람직하며, 소자는 일반적으로 박막 형태가 된다. 그럼에도 불구하고 양자형 측정 장치에 비해 측정 속도는 일반적으로 느리다. 배경의 열잡음은 조사를 단속적으로 함으로써 대역 통과 필터를 통해 제거할 수 있다. 양자형과 같은 냉각 장치가 필요 없기 때문에 최근에는 비냉각 적외선 영상 소자로서의 용도가 확대되고 있다.[20]
2. 2. 반도체 및 초전도체 볼로미터
오늘날 대부분의 볼로미터는 금속이 아닌 반도체 또는 초전도체 흡수 부품을 사용한다. 이러한 장치는 극저온에서 작동하여 감도를 크게 높일 수 있다. 흡수 요소의 전기 저항이 전자 온도에 따라 달라지면, 이 저항을 전자 시스템의 온도계로 사용할 수 있다. 이는 저온에서 반도체 및 초전도체 재료 모두에 해당된다.[3]열전자 볼로미터(HEB)는 일반적으로 절대 영도에서 몇 도 이내의 극저온 온도에서 작동한다. 이러한 매우 낮은 온도에서 금속 내의 전자 시스템은 포논 시스템과 약하게 결합되어 있다. 전자 시스템에 결합된 전력은 포논 시스템과의 열적 평형 상태를 벗어나게 하여 열전자를 생성한다.[13] 금속 내의 포논은 일반적으로 기판 포논과 잘 결합되어 열 저장소 역할을 한다. HEB의 성능을 설명할 때 관련 열용량은 전자 열용량이며, 관련 열전도도는 전자-포논 열전도도이다.
3. 랭글리의 볼로미터
랭글리에 의해 만들어진 최초의 볼로미터는 검댕으로 덮인 두 개의 강철, 백금 또는 팔라듐 박막 스트립으로 구성되었다.[4][5] 하나의 스트립은 방사선으로부터 차폐되었고 다른 하나는 방사선에 노출되었다. 이 스트립들은 민감한 검류계가 장착되고 배터리에 연결된 휘트스톤 브리지의 두 가지 가지를 형성했다. 노출된 스트립에 떨어지는 전자기 복사는 스트립을 가열하여 저항을 변화시켰다. 1880년까지 랭글리의 볼로미터는 400m 떨어진 소의 열복사를 감지할 정도로 정교해졌다.[6] 이 열복사 검출기는 10만 분의 1도 섭씨(0.00001 °C)의 온도 차이에도 민감하다.[7] 이 기기 덕분에 그는 광범위한 스펙트럼에서 열을 감지하고 모든 주요 프라운호퍼 선을 관찰할 수 있었다. 그는 또한 전자기 스펙트럼의 보이지 않는 적외선 부분에서 새로운 원자 및 분자 흡수선을 발견했다. 니콜라 테슬라는 1892년 랭글리 박사에게 자신의 볼로미터를 전력 전송 실험에 사용할 수 있는지 개인적으로 문의했다. 그 최초 사용 덕분에 그는 웨스트포인트와 휴스턴 스트리트에 있는 그의 연구실 사이에서 최초의 시연을 성공적으로 수행했다.[8]
4. 응용 분야
볼로미터는 다양한 분야에서 활용된다.
- 천문학: 서브밀리미터 파장부터 밀리미터 파장 대역에서 가장 민감한 검출기 중 하나로, 허셜 우주 망원경 등에 사용된다.
- 입자 물리학: 빛뿐만 아니라 모든 형태의 에너지에 민감하여 입자 검출기로 활용된다.
- 플라스마 물리학: 핵융합 플라스마의 방사선 감시에 사용되며, 슈테른베르크 7-X(Wendelstein 7-X) 슈텔라레이터에 적용되었다.
- 마이크로볼로미터 (열화상 카메라): 열화상 카메라의 핵심 부품으로, 적외선을 감지하여 온도 분포를 영상으로 나타낸다.
- 마이크로파 측정: 마이크로파 주파수 대역의 전력 측정에 사용되며, 브리지 회로를 이용하여 정밀도를 높인다.
4. 1. 천문학
볼로미터는 어떤 주파수의 복사선도 측정할 수 있지만, 대부분의 파장 범위에서는 더 민감한 다른 검출 방법이 있다. 서브밀리미터 파장부터 밀리미터 파장(약 200μm에서 수 mm 파장, 즉 원적외선, 테라헤르츠파로도 알려짐)까지 볼로미터는 가장 민감한 검출기 중 하나이며, 따라서 이러한 파장에서의 천문학에 사용된다. 최고의 감도를 얻으려면 절대 영도보다 약간 높은 온도(일반적으로 50mK에서 300mK[9])로 냉각해야 한다. 서브밀리미터 천문학에 사용되는 볼로미터의 대표적인 예로는 허셜 우주 망원경, 제임스 클러크 맥스웰 망원경, 그리고 적외선 천문학 성층권 관측소(SOFIA)가 있다. 밀리미터 파장 천문학에 사용되는 최근의 볼로미터의 예로는 AdvACT, BICEP 어레이, SPT-3G 및 플랑크 위성의 HFI 카메라, 그리고 계획 중인 사이먼스 천문대, CMB-S4 실험,[10] 및 라이트버드 위성이 있다.4. 2. 입자 물리학
볼로미터라는 용어는 비전통적인 입자 검출기를 지칭하는 데에도 사용된다. 이들은 위에 설명된 것과 같은 원리를 사용한다. 볼로미터는 빛뿐만 아니라 모든 형태의 에너지에도 민감하다.작동 원리는 열역학의 열량계와 유사하다. 그러나 근사값, 초저온 및 장치의 목적이 다르기 때문에 작동 방식은 상당히 다르다. 고에너지 물리학의 전문 용어에서 이러한 장치는 "열량계"라고 부르지 않는다. 이 용어는 이미 다른 유형의 검출기에 사용되기 때문이다(열량계 참조). 입자 검출기로서의 이들의 사용은 20세기 초부터 제안되었지만, 냉각 및 극저온에서 시스템을 작동하는 데 따른 어려움 때문에 1980년대에야 비로소 정기적인, 비록 개척적인 사용이 시작되었다. 이들은 여전히 개발 단계에 있다고 볼 수 있다.
4. 3. 플라스마 물리학
볼로미터는 핵융합 플라스마의 방사선 감시에 중요한 역할을 한다. 슈테른베르크 7-X(Wendelstein 7-X) 슈텔라레이터는 플라스마 방사선을 포착하기 위해 2대의 카메라 볼로미터 시스템을 사용하는데, 이 시스템은 대칭적인 삼각형 플라스마 단면 내에서 2차원 방사선 분포를 식별하도록 최적화되어 있다.[11] 최근에는 방출 프로필의 상대 기울기 평활화(RGS) 원리를 이용한 단층 촬영 재구성 알고리즘이 개선되었다. 이는 전자 사이클로트론 공명 가열(electron cyclotron resonance heating, ECRH)에 의해 구동되는 W7-X 수소 방전에 효과적으로 적용되었다.[11]W7-X 볼로미터는 금속 저항 검출기를 갖추고 있는데, 이 검출기는 5 μm 두께의 금 흡수체(극방향 1.3 mm, 토로이달 방향 3.8 mm)가 세라믹(질화규소 Si₃N₄) 기판에 장착된 것이 특징이다. 50 nm의 탄소층을 포함하는 것은 저에너지 광자의 검출 효율을 높이기 위한 전략적인 것이다. 이 검출기는 매우 자외선(VUV)에서 연 X선(SXR)에 이르는 스펙트럼을 포함하는 불순물 선 방사선에 특히 민감하게 조정되어 있다. 내구성과 혁신적인 설계를 감안할 때, 이 검출기는 향후 ITER 볼로미터 검출기의 시제품으로 고려되고 있다.[11][12]
4. 4. 마이크로볼로미터 (열화상 카메라)
마이크로볼로미터는 열화상 카메라의 영상센서로 사용되는 특수한 볼로미터이다. MEMS 기술을 이용하여 제작된다.[23] 산화바나듐이나 비정질 실리콘으로 된 감온소자를 미세가공 기술을 이용하여 실리콘 기판 위에 2차원 격자 형태로 형성한다. 특정 파장 영역의 적외선이 산화바나듐이나 비정질 실리콘에 닿으면 전기 저항이 변화한다. 이 저항 변화를 측정하여 처리함으로써 온도 분포를 영상으로 촬영할 수 있다.마이크로볼로미터 그리드는 일반적으로 다음과 같은 크기로 제공된다.
| 종류 | 해상도 | 비고 |
|---|---|---|
| 일반 | 640×480 | |
| 일반 | 320×240 | 384×288 (비정질 실리콘) |
| 저가형 | 160×120 | 64x64 크기도 유통 |
| 640x512 VOx | 충격 저항 요구 사항이 낮은 정적 보안 카메라 응용 프로그램에 일반적으로 사용 | |
| 대형 | 1024×768 | 2008년 발표 |
동일한 화소 수라도 센서 크기가 클수록 감도가 높다.[24][25] 동영상 촬영 시에는 영상센서의 열용량에 의해 잔상이 발생한다.
천문학에서 사용되는 마이크로볼로미터는 액체 헬륨 등으로 극저온으로 냉각하여 사용되지만, 산화바나듐 등을 사용한 마이크로볼로미터는 상온에서도 사용할 수 있으며, 시판되는 적외선 카메라 등에서는 마이크로볼로미터가 많이 사용된다.[26]
4. 5. 마이크로파 측정
볼로미터는 마이크로파 주파수에서 전력을 측정하는 데 사용될 수 있다. 이 응용 분야에서 저항 요소는 마이크로파 전력에 노출된다. 줄 열을 통해 저항체의 온도를 높이기 위해 저항기에 직류 바이어스 전류가 인가되어 저항이 도파관 특성 임피던스와 정합되도록 한다. 마이크로파 전력을 인가한 후, 마이크로파 전력이 없는 상태에서 볼로미터의 저항으로 되돌리기 위해 바이어스 전류를 감소시킨다. 그러면 직류 전력의 변화는 흡수된 마이크로파 전력과 같게 된다. 주변 온도 변화의 영향을 제거하기 위해, 활성(측정) 요소는 마이크로파에 노출되지 않은 동일한 요소를 사용하는 브리지 회로에 포함된다. 두 요소 모두에 공통적인 온도 변화는 측정 정확도에 영향을 미치지 않는다. 볼로미터의 평균 응답 시간을 통해 펄스 신호원의 전력을 편리하게 측정할 수 있다.[14]2020년, 두 연구팀은 단일 광자 수준에서 마이크로파 검출이 가능한 그래핀 기반 물질을 이용한 마이크로파 볼로미터를 보고했다.[15][16][17]
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