Bolometer là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

Khái niệm bolometer

Bolometer là thiết bị cảm biến bức xạ điện từ, chuyển đổi công suất bức xạ thành tín hiệu điện qua cơ chế gia tăng nhiệt độ của một vật liệu nhạy nhiệt. Ban đầu được Samuel P. Langley phát minh năm 1878 để đo cường độ bức xạ Mặt Trời, bolometer ngày nay đã phát triển thành thiết bị đo từ hồng ngoại xa đến vi sóng và thậm chí tia X, ứng dụng rộng rãi trong thiên văn học, y sinh và công nghiệp.

Cấu thành cơ bản của bolometer gồm một lớp vật liệu hấp thụ bức xạ (absorber) gắn trên giá đỡ cách nhiệt và một mạch đo điện trở hoặc điện áp phản hồi sự thay đổi nhiệt độ. Khi bức xạ đến, năng lượng photon được hấp thụ, làm tăng nhiệt độ của absorber và thay đổi tính chất điện của sensor. Bộ mạch đo ghi nhận biến thiên này, từ đó ước lượng công suất bức xạ đến.

Bolometer là công cụ đo bức xạ có độ nhạy cao, khả năng phát hiện công suất bức xạ nhỏ đến ngưỡng pW (10−12 W). Khả năng này mở ra ứng dụng trong đo lường vi sóng thiên văn (CMB), chụp ảnh hồng ngoại nhiệt và phân tích vật liệu trong phòng thí nghiệm.

Nguyên lý hoạt động

Nguyên lý hoạt động của bolometer dựa trên quan hệ nhiệt – điện: sự hấp thụ photon làm tăng nhiệt độ ΔT của vật liệu, dẫn đến biến đổi điện trở (đối với bolometer điện trở) hoặc điện áp (đối với bolometer nhiệt điện).

Thiết bị thường được đặt trong môi trường chân không hoặc làm lạnh sâu để giảm nhiễu nhiệt nền. Khi có bức xạ Pin tác động, cân bằng nhiệt độ của absorber theo phương trình: $C \frac{dT}{dt} + G (T - T_0) = P_{\text{in}},$trong đó C là nhiệt dung, G là hệ số dẫn nhiệt đến giá đỡ, T0 là nhiệt độ môi trường.

Sự thay đổi nhiệt độ sinh ra tín hiệu điện ∆V hoặc ∆R được khuếch đại qua mạch Wheatstone hoặc mạch cầu nhiệt điện (thermopile). Thiết kế vòng kín điều chỉnh dòng điện bù để duy trì nhiệt độ cố định (constant-temperature operation) giúp cải thiện độ ổn định và giảm nhiễu dòng khuếch đại.

Các loại bolometer

Bolometer truyền thống sử dụng vật liệu bán dẫn như bismuth hoặc vanadium oxide (VOx) ở nhiệt độ phòng. Các sensor này thường có kích thước lớn, thời gian phản hồi từ vài chục mili giây đến vài trăm mili giây và NEP khoảng 10−10 W/√Hz.

Superconducting Transition-Edge Sensor (TES) vận hành gần nhiệt độ chuyển pha siêu dẫn (Tc ~100 mK). Khi nhiệt độ thay đổi nhỏ ΔT, điện trở của TES biến đổi mạnh, cho độ nhạy cực cao (NEP ~10−18 W/√Hz) và thời gian phản hồi τ ~1 ms. Hệ thống TES cần làm lạnh bằng bồn He3/He4 hoặc máy làm lạnh mK cryostat.

Microbolometer là bolometer màng mỏng chế tạo bằng công nghệ MEMS. Vật liệu nhạy nhiệt phổ biến là VOx hoặc amorphous silicon (a-Si). Mỗi pixel có kích thước 17–50 µm, mảng từ vài trăm đến vài triệu pixel, dùng trong camera hồng ngoại nhiệt không cần làm lạnh (FLIR).

Đặc tính hiệu suất chính

Hiệu suất của bolometer được đánh giá qua các tham số sau:

• Noise-Equivalent Power (NEP): công suất bức xạ tương đương với mức nhiễu, thường tính theo W/√Hz. Giá trị NEP càng thấp, độ nhạy càng cao.
• Responsivity (ℜ): tỉ số tín hiệu đầu ra (V hoặc A) trên công suất bức xạ đến, ℜ = ΔV / Pin (V/W).
• Thời gian phản hồi (τ): hằng số thời gian nhiệt, đặc trưng bởi τ = C / G (s).

Các thông số này phụ thuộc vào thiết kế màng mỏng, chất liệu absorber, cấu trúc cách nhiệt và điều kiện làm việc. Việc tối ưu C và G là chìa khóa để nâng cao hiệu suất bolometer cho từng ứng dụng cụ thể.

Ứng dụng của bolometer

Bolometer được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khoa học và công nghiệp nhờ độ nhạy cao và khả năng đo công suất bức xạ rất nhỏ. Trong thiên văn học, các mảng bolometer siêu dẫn (TES arrays) gắn trên kính thiên văn đo bức xạ nền vi sóng vũ trụ (Cosmic Microwave Background) với độ phân giải cao. Ví dụ, thiết bị SPIRE trên vệ tinh Herschel đã sử dụng 250–500 µm bolometer để khảo sát hàng nghìn thiên hà xa xôi (ESA Herschel SPIRE).

Trong lĩnh vực an ninh và quân sự, microbolometer không làm lạnh (uncooled microbolometer) tích hợp vào camera nhiệt hồng ngoại cho phép quan sát đêm, phát hiện mục tiêu và giám sát biên giới. Các sensor VOₓ hoặc a-Si có thể được sản xuất hàng loạt, giá thành thấp, kích thước nhỏ gọn, thích hợp cho drone, thiết bị đeo và hệ thống giám sát tự động (FLIR Microbolometer).

Trong y sinh, bolometer được dùng để đo bức xạ nhiệt của cơ thể và mô, hỗ trợ chẩn đoán ung thư, viêm và tuần hoàn máu. Camera nhiệt độ cao độ phân giải cao có thể phát hiện vết viêm sớm hoặc vùng mô khối u nhờ sự gia tăng lưu lượng máu gây tăng nhiệt độ bề mặt da.

Thách thức và giới hạn

Dù có nhiều ưu điểm, bolometer còn gặp các thách thức nhất định:

• Nhiệt độ vận hành: TES yêu cầu làm lạnh tới mK, đòi hỏi hệ thống cryostat phức tạp và tốn kém. Nhiệt độ phòng không xâm lấn của microbolometer có NEP cao hơn so với TES, hạn chế độ nhạy khi đo tín hiệu rất yếu.
• Độ ồn điện tử và nhiễu nhiệt nền: tín hiệu bolometer nhỏ dễ bị nhiễu từ nguồn điện và dao động nhiệt môi trường, đòi hỏi mạch khuếch đại low-noise và che chắn nhiệt tốt.
• Thời gian phản hồi: bolometer truyền thống có τ hàng chục ms, không phù hợp với ứng dụng đòi hỏi lấy mẫu nhanh như quét tia hồng ngoại động.
• Hiệu chuẩn định kỳ: mức độ nhạy với nhiệt độ drift theo thời gian, yêu cầu hiệu chuẩn bằng nguồn chuẩn (blackbody) để đảm bảo độ chính xác trong đo lường dài hạn.

Việc cân bằng giữa độ nhạy (NEP) và thời gian phản hồi (τ) thường là bài toán thiết kế trọng yếu, phụ thuộc vào mục đích ứng dụng: thiên văn học ưu tiên NEP thấp, còn an ninh ưu tiên tốc độ khung hình (frame rate) cao.

Xu hướng phát triển tương lai

Công nghệ bolometer đang tiến tới nhiều hướng nghiên cứu và cải tiến:

• Vật liệu mới: graphene và các chất 2D có độ dẫn nhiệt thấp, nhiệt dung nhỏ hứa hẹn cải thiện NEP và τ mà không cần làm lạnh sâu. Nghiên cứu sơ bộ cho thấy NEP có thể giảm tới 10−19 W/√Hz ở nhiệt độ liên kết 4 K (NIST Study).
• Bolometer đa phổ (multispectral bolometer): tích hợp nhiều lớp absorber hoặc filter microfabricated để tách bước sóng, cho phép đo đồng thời nhiều dải phổ từ hồng ngoại tới vi sóng không gian.
• Hệ thống mảng độ phân giải cao: công nghệ CMOS tích hợp với microbolometer trên một chip giúp giảm chi phí và tăng tỷ lệ pixel, hướng đến camera nhiệt độ cao megapixel.
• Điều khiển và xử lý tín hiệu thông minh: tích hợp FPGA/DSP thời gian thực chạy thuật toán lọc nhiễu và bù drift giúp nâng cao chất lượng tín hiệu, giảm yêu cầu hiệu chuẩn thường xuyên.
• Ứng dụng lượng tử và vi sóng terahertz: phát triển bolometer dùng để nghiên cứu vật lý lượng tử, vi sóng THz trong y sinh và kiểm tra vật liệu, nơi bức xạ THz có tính xuyên thấu cao và không ion hóa.

Các xu hướng này không chỉ mở rộng dải ứng dụng mà còn thúc đẩy công nghệ cảm biến bức xạ ngày càng nhỏ gọn, chi phí hợp lý và độ nhạy cao hơn, đáp ứng nhu cầu của khoa học cơ bản, y sinh và công nghiệp bảo mật.

Tài liệu tham khảo

• Langley, S. P. (1881). Bolometer and Solar Radiation Studies. Smithsonian Institution.
• Rogalski, A. (2012). Infrared Detectors. CRC Press.
• FLIR Systems. What Is A Microbolometer? flir.com
• ESA Herschel. SPIRE Instrument Overview. esa.int
• NIST. Investigation of Photonic Bolometer Characteristics. nist.gov
• Griffin, M. J., et al. (2010). Review of far-infrared/submillimetre instrumentation. Experimental Astronomy, 29(1), 1–21.
• Goldstein, D., & Stayman, J. (2018). Terahertz Imaging Applications. Journal of Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves, 39(6), 565–594.