میکروکالریمتر (Microcalorimeter)، در فیزیک (Physics)
انواع حسگرها (Sensor) را در آموزش زیر شرح دادیم :
میکروکالریمتر (Microcalorimeter) :
میکروکالریمتر دستگاهی فوق العاده حساس برای اندازه گیری مقادیر بسیار ناچیز انرژی گرمایی است. این وسیله قادر به تشخیص تغییرات دمایی در حد میکروکلوین و انرژی در حد فمتوژول است. اساس کار آن بر اندازه گیری افزایش دمای یک جاذب (absorber) با ظرفیت گرمایی بسیار کم، هنگام جذب انرژی (مثلا از یک فوتون یا ذره) استوار است. اگر ظرفیت گرمایی C و افزایش دما
\[ \Delta T \]باشد، انرژی جذب شده
\[ E = C \cdot \Delta T \]است.
میکروکالریمترها معمولا در دماهای بسیار پایین (چند میلی کلوین تا چند کلوین) کار می کنند تا ظرفیت گرمایی کاهش یابد و حساسیت افزایش پیدا کند. در این دماها، ظرفیت گرمایی مواد از قانون
\[ C = \gamma T + \beta T^3 \]پیروی می کند (که جمله اول مربوط به الکترون ها و جمله دوم مربوط به فونون هاست). با کاهش دما، ظرفیت گرمایی به شدت کم می شود.
\[ E = \int C(T) dT \approx C \Delta T \quad \text{(برای تغییرات کوچک دما)} \]اجزای اصلی یک میکروکالریمتر عبارتند از: ۱) یک جاذب با ظرفیت گرمایی کم (مثلا یک لایه نازک فلزی یا نیمه هادی)، ۲) یک دماسنج حساس (معمولا ترمیستور یا سنسور دمای نیمه هادی) که به جاذب متصل است، و ۳) یک اتصال حرارتی ضعیف (thermal link) به یک مخزن حرارتی با دمای ثابت (که گرما را تخلیه می کند تا سنسور به حالت اولیه برگردد). زمان بازگشت (ثابت زمانی) با
\[ \tau = C/G \]تعیین می شود که G رسانایی حرارتی اتصال است.
مهم ترین کاربرد میکروکالریمترها در طیف سنجی پرتو ایکس و اخترشناسی پرتو ایکس است. هر فوتون پرتو ایکس که به جاذب برخورد می کند، یک پالس دمایی کوچک ایجاد می کند. با اندازه گیری دقیق ارتفاع پالس، می توان انرژی فوتون را تعیین کرد و طیف با وضوح انرژی بسیار بالا (چند الکترون ولت) به دست آورد. این فناوری در تلسکوپ های فضایی مانند Astro-H و Athena استفاده شده است.
کاربرد دیگر در اندازه گیری جرم مولکول های بزرگ زیستی (طیف سنجی جرمی) و مطالعه خواص ترموفیزیکی نانوذرات است. میکروکالریمترها می توانند گرمای آزاد شده در واکنش های شیمیایی در مقیاس بسیار کوچک را نیز اندازه گیری کنند. توسعه مواد ابررسانا برای ساخت دماسنج های بسیار حساس (ترانزیستورهای اثر میدان ابررسانا یا سنسورهای TES - Transition Edge Sensor) دقت این ابزارها را به شدت افزایش داده است.
طراحی و ساخت میکروکالریمتر نیازمند دانش پیشرفته در Cryogenics، میکروفابریکیشن و الکترونیک کم نویز است. این حسگرها جزو دقیق ترین ابزارهای اندازه گیری انرژی هستند.
