Болометър теория
Това, което следва е една глава от последната ми година доклад относно "Симулация на SPIRE използва IDL. При изследване на проекта ми беше трудно да се намери някои встъпителен курс болометър теория, така че реших да си сложа онлайн версия. Можете да видите също и глава в пълен контекст от свалянето ми четвъртия доклад доклад: Симулация на SPIRE използва IDL .
- Основни принципи
- Времеконстанта
- Responsivity
- Време за реакция на болометър
- Шум еквивалентна мощност
- Фотон Shot шум и вълна шум
- Шум Фотон Limited НЕП
- Фотон ефикасност на детектора
- Други източници на шум
- Намаляване на шума
- Добавяне на шум Условия
- Цялостното ниво на шум и НЕП
Основни принципи
А болометър е устройство, което разпознава входящите радиация, чрез представяне на промени в електрическото съпротивление, пропорционална на размера на радиация радиация received. Входящи, се абсорбира от болометър което води до увеличаване на температурата, което от своя страна води до промяна в електрическото си съпротивление .
Основните характеристики на болометър са, както следва:
Фигура 3.1 - Диаграма на Bolometric детектор
Самият болометър се състои от материал, който поглъща свързани с радиатор на дълготрайни temperature. Входящи електромагнитните (ЕМ) радиация се поглъща от материала увеличаване на кинетичната енергия на свободните electrons. на сблъсъци на свободни електрони с атоми в решетката материална причина вибрации, които се наблюдават като промяна в температурата.
Типични материали за термометъра са полупроводници като легирани germanium. Устойчивостта на такава съществени промени значително за малка промяна в температурата и може да се характеризира с уравнение
| (3.1) |
когато 
е постоянна нарича резистентност параметър (ома), 
е съпротивлението (ома), 
е температурата на съпротивление, и 
(К) е материал, температура забранената зона. Стойността на 
се нарича материал параметър и се дава на символа 
. Температурата на коефициента на съпротивление се определя от,
| (3.2) |
Операциите на болометър детектор са илюстрирани на фигура 3.1. В болометър при температура 
е свързан с радиатора на дълготрайни температура 
с топлинна проводимост 
. А прави отклонение ток 
преминава през болометър генериране на напрежение 
. Промени във входящия мощност радиация 
да доведат до промяна в съпротивлението 
, А следователно и на изходното напрежение 
. Типичният повлияе болометър и на веригата отчитане е изобразена на фигура 3.2.
|
Фигура 3.2 - болометър повлияе и отчитане верига |
На тока, който протича през резистор предизвиква разсейване на енергия 
в материал, който поглъща. В допълнение, размерът на лъчиста енергия, погълната от абсорбера се означава с 
. Общата мощност разсейва в болометър 
е дадено от,
| (3.3) |
При стабилно състояние на погълнатата енергия от абсорбера ще бъдат премахнати до радиатора на топлинна връзка, това се определя по следната зависимост,
| (3.4) |
На постоянно напрежение-ток (VI) крива на болометър се определя от уравнения,
| (3.5) |
На практика болометър е пристрастен с батерия на напрежение V 0 и съпротивление R L. Съпротивлението на товара съпротивление е нормално проектирана да бъде много по-високи от съпротивата на болометър по цялата оперативния си обхват. Целта е да се запази настоящата минаваща през болометър на стабилно ниво, така че мощността, разсейвана в болометър от термометър остава малко постоянни.
В работната точка на болометър се дава в пресечната точка на натоварване и линията на натоварване, определени от уравнението,
| (3.6) |
А графика, показваща типичен крива VI и ред товар от резултатите от симулационна програма, които съм направил в IDL е даден на Фигура 3.3.
|
Фигура 3.3 - IDL изход от няколко криви VI с товар линия през изобразени |
Както се вижда от фигура 3.3, съпротивата на болометър е изключително високо в малки токове. В болометър резистентност започва да намалява и в крайна сметка нива на разстояние най-големи токове, защото допълнителната мощност се разсейва в материал, който поглъща. Ако радиация е инцидент на детектора на мощността, разсейвана в абсорбера също ще се увеличи. Това има ефекта на смачкване на кривата VI, както е показано в схемата по-горе. Електрическата мощност разсейва в материал, който поглъща, както са изведени в [8], се изчислява по формулата,
| (3.7) |
когато 
представлява относително нарастване на температурата на абсорбера, където 
представлява материал, който поглъща се при температура от 
. 
е статично топлинна проводимост на топлинната връзка в 3 Той хладилника температура (WK -1), което се изчислява по следната закон власт,
| (3.8) |
когато 
е статично топлинна проводимост на 300mK (WK -1), и 
и се нарича "индекс на топлинна проводимост. Терминът 
се нарича натоварване параметър и се изчислява по формула,
| (3.9) |
Той е тегловният параметър, който причинява мачка ефект на кривата VI, когато има инцидент ЕМИ на детектора.
Както и при повечето физически системи, болометър не реагира незабавно на незабавни промени в своите производствени ресурси. В много случаи реакцията на детектора на качествена промяна в междинния продукт представлява експоненциална промяна в продукцията. Това е аналогично на зареждане и разреждане на кондензатор в RC верига.
А болометър е един резервоар на енергия в топлина капацитет на абсорбера. Затова болометър могат да бъдат моделирани с помощта на един първото уравнение за разликата; това означава също така, че болометър не страда от паметта ефекти. Отговорът може да се характеризира с времеконстанта 
които за болометър се определя по уравнение
| (3.10) |
когато 
е топлинен капацитет абсорбер (JK -1). Статичното термична проводимост 
е свързана с стойността на 
в 3 Той хладилника температура,
| (3.11) |
Когато радиация е инцидент на детектора се увеличава температурата си с малък процент, това се отразява на поглъщащи топлината капацитет и топлинна проводимост връзки. Капацитетът абсорбатор топлоенергия в повишена температура е свързана с известна стойност 
в 300mK от,
| (3.12) |
когато 
е индексът топлинен капацитет. Поглеждайки назад в уравнение (3.2) и се използват термините, определени по-горе, температурен коефициент на съпротивление може да бъде пренаписан така,
| (3.13) |
когато 
е индексът сила закон от температурно съпротивление връзка в уравнение (3.1). Ние виждаме, че 
са отрицателни за полупроводници болометър. Това води до стойност, която 
което е по-малък от този, описан от уравнение (3.10). Това се дължи на електротермични обратна връзка, която е описана в [9]. Ние се определи нов срок 
, която е стойността на 
с корекция за електротермични обратна връзка,
| (3.14) |
Тази нова стойност ни дава възможност да се определи стойността на 
който отново съдържа корекция за електротермични обратна връзка,
| (3.15) |
Тъй като топлинна резистор е пристрастен от напрежение 
на електрическа енергия разсейва в абсорбера може да се прилага от 
. Увеличаването на инцидента сигнал EM ще се повиши температурата на топлинната съпротивление и затова също увеличават нейната устойчивост; това от своя страна ще доведе до намаляване на разсейваната мощност. Ако резистор действа в стръмните част от своята линия, тогава общата мощност разсейва в абсорбера ще остане непроменено, като ще си температура. Тази система е по-отрицателни електротермичен обратна връзка. Това е в полза на намаляване на времето за постоянно на 
топлинната времеконстанта както е посочено в (3.10).
Responsivity
Responsivity се определя като промяна на изходното напрежение за промяна на мощността на падащите, които в болометър е равнозначно на промяна в температурата. Напрежението responsivity на болометър се определя като,
| (3.16) |
и варира в зависимост от работната точка. Ако сигналът на детектора се модулира на честотна модулация трябва да бъде достатъчно нисък, така че детектора могат да отговорят на промяната в сила. Показано е, че,
| (3.17) |
когато 
честота на модулация. Нулевият честота (DC) responsivity може да се оцени директно от натоварване с израза,
| (3.18) |
Къде е нулева честота динамичен импеданс 
(Ома) на болометър 
в работната точка. 
може да бъде доказано, че се дава от
| (3.19) |
Време за реакция на болометър
За по-голямата част от bolometers формата на кривата VI е доминиран от фоново ниво власт. При малък допълнителен сигнал се прилага към болометър излизането от кривата на VI може да се приеме за незначително. Това е известно като малкия сближаване сигнал. В по-малките т.е. сигнал граница, където обикновено 
фон промяната в болометър напрежение поради промяна във властта инцидент радиация може да се дава от
| (3.20) |
Промяната в изходното напрежение не се проявява веднага и чрез сравняване на болометър с верига RC на отговор може да се предлага от едно от следните две уравнения,
| (3.21) |
Когато нанасят тези уравнения има следния вид (когато е 
и 
),
|
Фигура 3.4 - Парцели на V срещу Време за положителните и отрицателните V |
При голям сигнали се считат, излизането от кривата VI вече не е незначителен. Поради промяната в изходното напрежение се дължи на промяна в мощността на падащите не може да бъде изчислена чрез прилагане responsivity сега е дадено от промяна в работно напрежение точка на болометър. В преместват от първоначалното до крайния крива VI, времето постоянно на системата варира като функция на работната точка. Затова болометър вече не е еднократно постоянно устройство и не може да се моделира, като се прилагат прости уравнения RC верига отговор.
|
Фигура 3.5 - VI криви за голяма промяна сигнал |
Шум еквивалентна мощност
От голямо значение за всички болометър е шумът, еквивалентна мощност или НЕП. В НЕП е коренът означава квадрат силата на сигнала да са равни на средната квадратична стойност на детектора на шум. Най-добрият сигнал към съотношението шум постижими от болометър се определя по формула,
| (3.22) |
Като цяло, НЕП е дяловете на 
.
Фотон Shot шум и вълна шум
Ако говорим за частиците картина от светлина и осъзнавам, че светлина ще бъде предадена на детектор на случайна или несвързани помежду си начин, можем да определим шум изстрел фотон. Фотон изстрел шум е оправдано при високите честоти (където фотон снимка на светлината е най-подходящ), но на по-ниски честоти на вълната снимка на светлината е по-подходящ и поради това ние определяме още един мандат шум вълна.
Чрез прилагането на Бозе-Айнщайн статистика и се предполага, че в основата на откриване е под формата на спектъра на абсолютно черно ние откриваме, че е необходимо средното квадрат колебания в броя на фотоните, пристигащи във времето , В честотен обхват 
V е дадено от,
| (3.23) |
когато 
, 
= Излъчвателна на фона, и 
= Общата ефективност предаване на информация между фона и на детектора. Допълнителните 
план отчита за вълна шум.
Шум Фотон Limited НЕП
В най-добрия случай на детектора и следващите компоненти ще добавят незначително количество допълнителни шума на сигнала в допълнение към шума фотон изстрел. Поради това фотон граничните стойности на шума чувствителността на болометър измерване, тази крайна граница се нарича фотон шум ограничен НЕП, 
. Това се определя по формула,
| (3.24) |
Фотон ефикасност на детектора
На практика не е възможно да се получи на фотона шум ограничен S / N, тъй като това предполага, че една добра детектор, се прилага. Недвижими детектори се различават в действие в това, че,
- реален детектор не могат да отговорят на всеки фотон
- детектори и електрониката създаване на допълнителна шум
Две параметри са определени, за да се вземат предвид тези за пропуски в системата за откриване, като те са отзивчиви Quantum ефективност и детектив Quantum ефективност.
Отзивчиви Quantum ефективност (RQE или 
)
В RQE или сметки за несъвършена усвояване на фотони и се определя като част от инцидент фотони, които допринасят за сигнал, очевидно 
.
Детектив Quantum ефективност (DQE)
| (3.25) |
В DQE е съотношението на действителния чувствителност към максималния възможен по принцип. Параметърът е свързано както с усвояването ефективност, както и допълнителните шума, генериран в детектора предвид. Този параметър може да се използва за сравняване на различните видове детектор един с друг.
На практика пристрастия напрежение е определен с цел да получи връх DQE за всеки детектор. В случай на SPIRE, е групи от датчици, които споделят обща пристрастия напрежение, които могат да бъдат коригирани, за да се получи оптимално DQE за групата.
Други източници на шум
Джонсън шум
В рамките на всяка част от всяко провеждане на материал на електроните са случайни топлинни движения, тъй като материалът е краен температура. А bolometric детектор и нейните компоненти са - или да се счита за - резистор с електрически контакт в двата края. Ако няма електрически потенциал в контактите на напрежението в резистора се колебаят в произволно от нула волта, това е така, защото положителни и отрицателни колебания са също толкова вероятно. На звуково налягане в рамките на компонент обаче е пропорционален на колебания напрежение на квадрат, т.е. тя е винаги положителен. Това се нарича Джонсън или Найкуист шум.
| (3.26) |
В честотния спектър на шума Джонсън е плосък т.е. честота независими. Това може да се види от горното уравнение, където няма честотата зависимост. Шум с плосък спектър се нарича бял шум.
Фононни шум
До момента сме взели предвид шумът от фотони и електрони, ние сега разгледаме приток на топлина в радиаторите, както квантува под формата на фонони (квантува решетъчни вибрации). Това води до случайните колебания в температурата на болометър. В фононни шум НЕП, 
, Е,
| (3.27) |
Температурен шум
Температурен шум се дължи на факта, че радиатора не е с постоянна температура и се различава малко повече време. Температурата на шума НЕП, 
е,
| (3.28) |
когато 
е спектралната интензивност на колебание на температурата на подаваната топлина (К 2 Hz -1).
1 / шум е
Този източник на шум е от голямо значение в практически приложения, въпреки че причините са много често не са добре разбрани. За повечето устройства, големи нива на шума са открити при ниски честоти.
|
Фигура 3.6 - 1 / шум е |
Намаляване на шума
Шумът влияе върху резултатите в унизително модата и затова използват няколко техники (с цел намаляване на последиците от него.
- Направете честотна лента за откриване на мнение възможно най-малки
- Опитайте се да се избегне измерване сигнали (или радиочестотна лента), които съвпадат с дискретни източници на честота смущения
- Уверете се, че сигналът честота (или лента) е достатъчно висока, за да не бъдат засегнати от значителни количества на шума.
Поради 
шума не е възможно да се наблюдава източник за дълги периоди от непрекъснато наблюдение, това би довело до работата при много ниски честоти, когато 
шум ще бъде значително. Една от техниките, използвани за да се избегне 
шум е да се изменят сигнал с честота, която е достатъчно висока, че 
вече не е значителен. В честотна модулация обаче не може да бъде толкова висока, че детекторите честота резултати отговор до загуба на сигнала. Друго предимство на модулация е, че тя може да се използва за изваждане на заден план от сигнал чрез превключване между източника на сигнала и сигнал фон, това е известно като â € ~ choppingâ € ™ в FIR / под-мм наблюдения.
Общият шум в системата, ще бъде комбинация от всички отделни източници на шум, представи, както е описано по-рано. Предполагаме, че всички източници на шум са несвързани помежду си, т.е. стойността на един не е зависим от всеки друг. Тъй като те са несвързани помежду си ги добавите обикновено не вземат под внимание фази на шум, да вземе средната квадратична стойност на шума (средноквадратична стойност), както понякога и източници на шум може да отмени една от друга.
| (3.29) |
когато 
е шумът, напрежението спектралната плътност (VHz -1 / 2) от всяка от шума вноски.
Цялостното ниво на шум и НЕП
Възможно е да се определят НЕП по следния начин, на сигнала, който дава S / N 1 по време на интегриране на 0,5 секунди. Ако оставим 
= Детектор responsivity (VW -1), 
= Електромагнитни инцидент мощ на детектор (W) и, 
= Общо напрежение спектралната плътност на шума, напрежението на сигнала може да се запише,
| (3.30) |
Шумът напрежение ще се дава от
| (3.31) |
С определянето на НЕП, ако 
След това напрежението на сигнала 
. Затова се получи уравнението за НЕП по отношение на шума напрежение спектралната плътност и responsivity,
| (3.32) |
Дяловете на НЕП обикновено се дават като WHz -1 / 2, на Hz -1 / 2 условия се отнася за откриване на трафик пощата или обратна на интеграцията време.
- Теория на шума, еквивалентна мощност на температурата свръхпроводник далеч инфрачервена високо болометър във фото-... години Theor на шума, еквивалентна мощност на температурата свръхпроводник далеч инфрачервена високо болометър във фото-термоелектрически режим на работа теория на шума, еквивалентна мощност на при висока температура свръхпроводник крайно infraredbolometer в снимка
- 1 Въведение (PDF) ... ревизирана версия на Griffin & Holland идеална болометър полупроводници. Моделът е представен и използването му в ... се основава на не-равновесие болометър теория. Mather [10], но приема ... astro.cf.ac.uk / групи / ... / Sudiwala_et_al_IJMM_ болометър _paper.pdf
- А просто теория за твърди, обезпечени с bolometers А просто теория за твърди, обезпечени с bolometers А просто теория за твърди, обезпечени с bolometers А просто теория се предлага да се обясни на честотната характеристика на твърди, обезпечени с bolometers. Това предполага едно измерение приток на топлина чрез болометър
- High Precision ХАРАКТЕРИСТИКА НА SEMICONDUCTOR BOLOMETERS (PDF) ... метра, като се използва болометър модела, представени в Sudiwala et ... едно засадено? достатъчна еднакво ниво на употреба на допинг. Идеален болометър теория [1, 2, 7] може да се използва за ... astro.cf.ac.uk / групи / ... / Woodcraft_et_al_IJMM_ _paper.pdf болометър
- ТЪРСИ документ - неравновесната теория на горещо електрон болометър с нормална метал-изолатор свръхпроводник тунела ... Действието на горещата електрон болометър с нормална метал-изолатор свръхпроводник (NIS) тунел кръстовище като температурен сензор се анализира теоретично. В responsivity и шума еквивалентна мощност (НЕП) на болометър се получават
- Обработка на изображения и най-малките квадрати реконструкция (PDF) ... постига, като се отчита стандартно изображение. теория повторно взимане на проби в състава на най-малките квадрати проблем ... трептенията на екрана, тъй като обвързването на болометър нула точки на поток в
- А Microcalorimeter и болометър Модел А Microcalorimeter и болометър Модел А Microcalorimeter и болометър Модел на стандарти равновесие теория не са на шума в идеален bolometers и microcalorimeters не успее да се предвиди извършването на реални устройства, поради допълнителни ефекти
Ki Toy Джонсън снимки ...
Аз Googled за нещо съвсем различно, но се открива страницата си ... и трябва да кажа, благодаря. хубаво прочети ....
Браво Стивън. Нещо много важно да се помни е, че всеки се нуждае от добър уводен референтната да разберат основните теми, преди да преследва напреднали специалност на базата на създаването на основите. Разбиране на основите е достатъчно за повечето хора да бъдат успешни.
Вашата уеб страница е отличен уводна справка. Ако вашата кариера води можете да изследвания повече от напредналите тънкостите на bolometers и най-накрая се публикува, моля запазят и публикуват, присъстващи тялото на работа, както и да служи като уводна материал за първи работен ден. Съгласен съм с Ки. Вашата уеб страница на болометър теория е добра чете.
J
Намерих си лекция най-полезни при разработването на разбиране на болометър параметри и характеристики. Аз съм от 4-ти семестър студентите по електротехника и съм в момента, ангажирани в проекта, включващи Микроболометърни. В тази връзка аз ще бъда greteful ако може да пусне съответната литература.
Намерих год lucture, че е много полезно за изследванията си част, защото аз не знам нищо за болометър. Но аз все още имам проблем, за да видите снимката в уеб страницата си. Какво трябва да направя? Опитвам се да изтеглите pdf.file, но тя не работи също.
Моля, не се колебайте да дам някои предложения. Моят е-мейл: jiku_jung9@hotmail.com
Не че искам да копирате вашия сайт, но аз наистина обичам външния вид. Бихте ли ми казали коя тема използвате? Или беше по поръчка?
Темата е свързана в долната част на тази страница (в долния).
Изображения и PDF възстановен, съжалявам за проблемите
Стивън скъпи
Намерих си лекция, така полезни, но аз не мога да видя снимки или намерите PDF формат.
ще ви моля да ми помогне това, което плаче направя?
Искрено Ваш
Уважаеми Стивън
Много ви благодаря за вашата прекрасна лекция, но не мога да изтегля "Симулация на SPIRE използва IDL" Може ли да го изпратите до мен? Благодаря предварително.
Email: lhfsemail@gmail.com
Може ли да ми изпратите по пощата. Аз наистина харесвам вашия дизайн.