Bolometro in vuoto Liceo Scientifico “B.Russell-I.Newton” Montella Bolometro in vuoto Liceo Scientifico “B.Russell-I.Newton” Classe II C, indirizzo PNI Docente responsabile: Prof. Stefano Lagomarsino

Scopo dell’esperienza Montella Scopo dell’esperienza Abbiamo costruito un dispositivo per la misura della potenza radiante incidente sull’unità di superficie, integrata su tutte le lunghezze d’onda

Principio di funzionamento Montella Principio di funzionamento Il bolometro è un corpo Buon conduttore di calore e di piccola capacità termica Coperto da uno strato che lo rende buon assorbitore di radiazione a tutte le lunghezze d’onda (nerofumo) Accoppiato ad un termometro Isolato termicamente da un ambiente a temperatura costante T0 T0 20°C

Principio di funzionamento Montella Principio di funzionamento Esponendo il bolometro ad una fonte di radiazione la temperatura, nel tempo, si avvicina asintoticamente ad una temperatura limite Tf: T’f k’ Se si aumenta la potenza incidente, aumentano proporzionalmente anche la differenza Tf-T0 Il coefficiente angolare iniziale k della retta tangente k Tf T0 t T0 20°C

I due indicatori così ottenuti: livello asintotico della temperatura gradiente termico temporale In realtà non sono adatti per letture veloci dell’irradianza Montella Tf k tl Il primo richiede tempi di lettura tl piuttosto lunghi tr T0 Il secondo richiede tempi di recupero tr altrettanto lunghi T0 20°C

Montella Come si ottiene un indicatore per una lettura veloce e senza tempi di recupero k = k- - k+= k’- - k’+ Interponendo un otturatore davanti al bolometro, si dimostra che, a prescindere dalla temperatura iniziale della misura e da quella del termostato T0, la differenza fra i coefficienti angolari prima e dopo il punto angoloso è la stessa, ed è uguale al coefficiente angolare iniziale k’- - k’+ k k- - k+ T0 20°C

Principio di funzionamento Montella Principio di funzionamento Una misura di questo genere ha tempi di lettura relativamente brevi, e non ha tempi di recupero. Si può ripetere in qualsiasi momento, ottenendo risultati dipendenti solo dalla potenza incidente. k’- - k’+ k k- - k+ Il nostro bolometro è stato posto in vuoto, in modo da eliminare le perdite per convezione, le meno riproducibili T0 20°C

Principio di funzionamento Montella Principio di funzionamento La potenza incidente sull’unità di superficie (irradianza Ee) si ottiene dalla capacità termica del bolometro (mbolcs) dalla superficie esposta (S) Dal coefficiente di assorbimento dello strato assorbente () dalle pendenze delle curve T-t prima e dopo l’interposizione dell’otturatore T k’ = k’- - k’+ k k =k- - k+ t

Principio di funzionamento Montella Principio di funzionamento Una sorgente luminosa calibrata, posta ad una distanza nota, permetterebbe misure di irradianza affette solo dall’errore sulla differenza fra le pendenze Poiché non disponiamo di una tale sorgente, le nostre misure saranno affette anche dall’errore sulle grandezze Alcune delle quali meriteranno qualche precisazione finale.

Schema del bolometro Marzullo F G H I A: Finestra in solfuro di zinco (trasparenza 0.4-14 m) con trattamento antiriflesso B: Bolometro in piombo (20 g) con inglobata termocoppia tipo K ( 41 V/°C) annerita con nerofumo C: Colonnini di vetro D: Tubo di PVC E: Passante BNC da vuoto F: raccodo da vuoto a T da 25 mm  G: O-ring in Viton® H: cravatta I: Valvola da vuoto

Marzullo Schema del bolometro A B C D E F G H I

Marzullo Dettagli costruttivi La testa del bolometro è stata ottenuta fondendo una massa di 20.04 g di comuni piombini da caccia in un crogiolo di ceramica Per assicurare il contatto termico fra testa e termocoppia, la termocoppia è stata immersa nel fuso durante il raffreddamento, dopo averla ricoperta con uno strato di pasta termicamente conduttiva, al fine di isolare elettricamente la termocoppia dal piombo

Dettagli costruttivi Infine il crogiolo è stato spezzato … Marzullo Dettagli costruttivi Infine il crogiolo è stato spezzato … E la testa era pronta per essere annerita col nerofumo.

Collaudo del dispositivo Bombini Collaudo del dispositivo Si è voluto prima di tutto verificare che effettivamente l’indicazione della potenza assorbita dal bolometro ottenuta con la formula È indipendente dalla temperatura del punto angoloso. k’- - k’+ k Per far questo, con una sorgente luminosa di intensità costante ed a distanza costante dalla testa del bolometro (lampada ad incandescenza), si sono eseguite misure a temperature diverse. k- - k+

Collaudo del dispositivo Bombini Collaudo del dispositivo I valori di k che si ottengono nei due casi sono k = (0.1600 0.0014) °Cs-1 e k’ = (0.1609 0.0013) °Cs-1 Due valori compatibili nei limiti dell’errore del fit, che è inferiore al 1%.

Collaudo del dispositivo Bombini Collaudo del dispositivo A questo punto si è messa a punto una procedura per valutare l’assorbimento della finestra di solfuro di zinco. La ditta costruttrice (Galileo) dichiara una trasparenza pressochè piatta dell 90% circa fra 0.4 e 14 m di lunghezza d’onda. Per una misura di precisione è necessario però valutare la trasparenza per la distribuzione spettrale della sorgente in esame. A questo scopo si sono eseguite tre misure di potenza assorbita dal bolometro con una, due, e tre finestre rispettivamente.

Collaudo del dispositivo Bombini Collaudo del dispositivo Si sono ottenuti i valori: k 1 = (7.700.06)10-2 °Cs-1 k 2 = (6.980.05)10-2 °Cs-1 k 3 = (6.460.05)10-2 °Cs-1

Collaudo del dispositivo Bombini Collaudo del dispositivo Si sono ottenuti i valori: k 1 = (7.700.06)10-2 °Cs-1 k 2 = (6.980.05)10-2 °Cs-1 k 3 = (6.460.05)10-2 °Cs-1 Estrapolando esponenzialmente con 0 finestre otteniamo k 0 = (8.370.09)10-2 °Cs-1 con un errore poco superiore all’1%

Collaudo del dispositivo Bombini Collaudo del dispositivo k 0 = (8.370.09)10-2 °Cs-1 La trasparenza della finestra può essere valutata dal coefficiente  in che dà un valore di trasperenza  = (91.6  0.5)% Tale valore, in ogni caso, è da intendersi valido per la distribuzione di frequenza della particolare sorgente che è stata usata nella misura. Con sorgenti diverse andrebbe comunque misurato di nuovo.

Conclusioni Lo strumento da noi costruito consente di ricavare la potenza luminosa incidente sull’unità di superficie dalla differenza k fra i coefficienti angolari della curva T-t prima e dopo la chiusura di un otturatore: La grandezza k varia con la potenza incidente, e può essere valutata con un errore dell’ordine dell’1% La costante dello strumento  potrebbe essere misurata disponendo di una sorgente calibrata, altrimenti deve essere ricavata come

Il calore specifico del materiale ha bisogno di un discorso a parte. Bombini Se non si dispone di una sorgente di luminosità nota, la misura è quindi affetta anche dall’errore sulle grandezze Fra queste, due (la massa = 20.040.01 g e la superficie S = 3.510.01 cm2) sono conosciute con precisione superiore all’errore su k , per il nerofumo, viene riferito aggirarsi intorno al valore 0.99, con un’incertezza non meglio quantificata Il calore specifico del materiale ha bisogno di un discorso a parte.

Un’ultima nota sul materiale usato per il bolometro Marzullo Un’ultima nota sul materiale usato per il bolometro Durante il raffreddamento del fuso (monitorato per mezzo della termocoppia) si è notato che il materiale andava soggetto a due cambiamenti di fase distinti, il primo a 299°C circa e l’altro a 239°C Questo rivela che i piombini da caccia che abbiamo usato sono costituiti da una lega di piombo ed almeno un altro elemento in concentrazione non trascurabile.

Un’ultima nota sul materiale usato per il bolometro Marzullo Un’ultima nota sul materiale usato per il bolometro Un confronto con il diagramma di fase a pressione costante della lega Piombo-Stagno, indica che le nostre temperature di transizione sono compatibili con una lega ad un tenore di Stagno di circa il 14%.

Un’ultima nota sul materiale usato per il bolometro Marzullo Un’ultima nota sul materiale usato per il bolometro Successive misure di densità, eseguite dai nostri compagni della I C, hanno fornito il valore  =11.010.14 g/cm3, che differisce significativamente da quello del piombo puro (11.34 g/cm3 ). Purtroppo, in assenza di una tabella densità-tenore di stagno per la fase  della lega, non si può verificare il dato %Sn 14% ottenuto con la curva di raffreddamento.

Un’ultima nota sul materiale usato per il bolometro Marzullo Un’ultima nota sul materiale usato per il bolometro Adottando per il calore specifico l’approssimazione per cui esso dipende dai rapporti molari dei due elementi nel seguente modo: Si ottiene cs = 0.034 cal/(g.°C) valore noto con una approssimazione presumibile sull’ultima cifra significativa ma difficilmente valutabile.

Conclusioni La costante dello strumento  risulta quindi: Marzullo Conclusioni La costante dello strumento  risulta quindi:  = (8210  350)Wm-2s°C-1 Un valore che rende lo strumento adatto a misure di irradianza solare (irradianza massima, fuori dall’atmosfera, Ee=1366 W/m2 )  risulta quindi, al momento, affetta da un errore piuttosto alto (4%), ma che potrebbe essere limitato o disponendo di una sorgente di luminosità nota con un errore inferiore, o sostituendo il bolometro con uno costruito con piombo ad alta purezza.