现代天文仪器之二十一：辐射热计
从射电到X射线频段，天文望远镜光学系统的作用都是将来自天体的辐射聚焦；而焦点处的接收系统则负责将聚焦后的电磁波记录下来。这套接收系统从近红外到X射线的主流选择都是CCD，对部分紫外波段还有微通道板可用，而在传统意义上的射电波段一般则采用可以保留电磁波相位信息的各式相干接收机。但是对于新兴的毫米/亚毫米波（以及中远红外波段）来说，能够满足天文观测灵敏度和带宽需求的相干接收机很难建造，CCD元件又不具备足够小的带隙能，所以真正派上用场的往往是一类名叫辐射热计（bolometer）的设备。
辐射热计的工作原理很简单，它们的本质是一种连接有吸收体的热敏电阻。当吸收体吸取外界辐射并将其热化之后，自身温度有所增加，相连电阻的性能也随之发生改变。通过测量电阻的变化，就可以获知温度的涨幅，进而推算出辐射的强度了。不过单凭热敏电阻本身并不能区分出入射辐射的种类或电磁波的波长，所以想让辐射热计发挥作用，还必须配合额外的滤波器和其他屏蔽装置使用。
辐射热计结构示意。（图片来源：Wikipedia）
辐射热计的应用历史要追溯到1878年。出于红外观测的需要，堪称科学全才的Samuel P. Langley在匹兹堡的阿勒格尼（Allegheny）天文台制成了第一架辐射热计。这台装置由两根涂有碳黑、连接电池的金属铂条组成，其中一根与外界隔绝，另一根暴露在外，用于接收辐射。Langley辐射热计本质上是Wheatstone电桥的一部分，入射的辐射将暴露的铂条加热并改变其电阻。别看结构简单，这样的设计足以探测到0.00001摄氏度的温差，最终带来了红外分子吸收谱线以及氢元素红外夫琅和费暗线的发现，以及随后Svante Arrhenius在其观测数据的基础上第一次对温室效应的计算。嗯，先前自己只知道Langley曾经担任史密松学会秘书，建造了早期航空器Aerodrome A，真没想到他还有这一手……
将辐射热计应用于天文观测，其设计思路无外乎增强灵敏度、抑制系统噪声，并且缩短吸收热量后的恢复时间这几条。为了实现这些目标，我们需要寻找吸收效率高但热容量低的材料作为吸收体。当今用于毫米/亚毫米波天文学的主流辐射热计基本采用了超导体，并且在低温的环境下工作。
像超导转换边界传感器（TES）就是其中的一种。TES使用的是一层超导体薄膜用于温度的测量。由于在临界温度附近，超导体的超导特性对热量相当敏感，温度稍有变化，电阻即可能从超导状态的零值跳变到正常导体的较大数值，因此灵敏度就得到了保证。至于薄膜材料的选择，个人理解在很大程度上是以制冷系统的性能（当前一般可以达到0.1毫开尔文的级别）为指导的，比如选择不同材料构成且膜间距特殊的双层或多层膜，或是向普通超导材料中搀杂带有磁性的杂质来改变，让最终产品的临界温度正好落在可以达到的温度区间内。
超导钼-普通金双层薄膜在0.444开尔文附近从超导到普通导体状态的转变曲线，可见其电阻变化之剧烈。（图片来源：Chervenak et al. 2000）
TES的概念其实在1941年也已被提出，但要想让这种设备充分发挥作用，首当其冲的问题就是要做到精确控温，将超导体膜维持在临界温度附近的一个狭窄区间内。这一条说来容易，操作难度却不小，因为一旦向处于转变温度的薄膜加电，外来的微弱辐射会导致电阻激增，电阻的激增又会让薄膜释放大量的焦耳热量，从而加剧整个过程，最终让系统温度失控。所以直到可以探测微弱电流变化的超导量子干涉器件（SQUID）发明后，再结合偏压的加置，让整个电路所释放的焦耳热量得以抵消电阻的增加，TES的使用才日趋广泛。
当前TES辐射热计的应用还是比较多的。由于它的核心部件是超导体薄膜，而薄膜本身可以做到较大的面积，所以借助TES技术可以轻松制成多像素的探测器阵。包括BICEP、凯克阵列（南极点的微波天线，不是夏威夷的10米望远镜）、POLARBEAR等一众旨在测绘宇宙微波背景辐射的项目，还有包括SCUBA系列在内的不少通用毫米/亚毫米波探测器阵列均选用了这一结构。这些仪器的像素数量轻松破百，最高甚至可以过万，这样就可以实现对亚毫米波天空的直接成像了。
BICEP2望远镜使用的TES辐射热计阵，共包括512个像素。图中左下方为辐射热计实物，上方屏幕中显示的是其中一个像素的显微照片。（图片提供：NASA/JPL-Caltech）
除了TES，近些年来还有一种叫做热电子辐射热计（HEB）的技术方兴未艾。HEB利用的是低温环境下金属中的电子同声子系统的耦合，当电子系统接收到外界辐射后，就不再与声子保持平衡。就这一性质而言，超导体和半导体的性质均可满足要求。HEB的优点在于制作方法相对容易（像TES必需的SQUID就只有为数不多的厂家能够稳定提供），而且号称在1.2 THz以上的频率有着最佳的表现。不过根据有关介绍，HEB元件的性能因为同时受多方面因素的影响，其控制难度较TES更大，目前天文界实际使用的仪器貌似只有SOFIA机载天文台的GREAT一台。此外利用入射辐射破坏超导体库珀对从而产生额外准粒子这一效应的动态电感探测器（KID）也算是一个发展方向，APEX的AMKID与IRAM三十米望远镜的NIKA2就是其中的实例。不过KID传感器看上去更像是传统辐射热计的替代品而非改进版，本人对其了解也很有限，不再详谈。
值得说明的是，虽然辐射热计号称是非相干的设备，并不能提供入射电磁波的相位信息，但这一条现在也可以通过某些手段得到部分弥补。例如普朗克卫星的高频仪器HFI就包括了32台对偏振敏感的辐射热计，每台都以搀杂锗作为热敏电阻，电阻又以铟丝连接到以氮化硅编成的网状吸收体上。吸收体只有一个方向是镀金的，这样它们就只能吸收来自这个特定偏振方向的信号了。另外辐射热计除了用于毫米/亚毫米波和远红外天文学，在X射线领域也有所应用。
HFI的网状辐射热计，中心是热敏电阻，周围连接有镀金氮化硅丝。网状设计是出于抑制入射宇宙线粒子轰击的角度考虑，原因是宇宙线粒子也会加热辐射热计，让电阻值发生变化。（图片来源：Holmes et al. 2008）
不过说了这么多，在毫米/亚毫米波观测期间，辐射热计也算不得全能——一般连续谱观测多用辐射热计；谱线观测为了追求分辨率，往往会选择超外差接收机。超外差接收机的作用是将原始高频数据经混频后降为中频，以降低直接采样数百GHz信号的难度，应用于射电天文学的相关技术有超导-绝缘体-超导（SIS）之类，像ALMA阵列的3-10波段就全部采用了配有SIS混频器的超外差接收机。不过这方面要补的课很多，本系列暂时还没有趟这个水的打算……
参考资料：
[1] What is a Bolometer?
[2] 《射电天文工具》，K. Rohlfs & T. L. Wilson著，姜碧沩译
[3] Submillimeter Video Imaging with a Superconducting Bolometer Array
[4] Superconducting Transition Edge Sensor Bolometer Arrays for Submillimeter Astronomy
[5] Engineering physics of superconducting hot-electron bolometer mixers
