Teoria bolómetro
El que segueix és un capítol del meu informe de l'any final sobre "Simulació de SPIRE utilitzant IDL. En investigar el projecte em va resultar difícil trobar alguna introducció bàsica a la teoria bolómetro, així que vaig decidir posar la meva versió en línia. També pots veure el capítol en el context complet de la descàrrega del meu informe quart informe: Simulació de SPIRE utilitzant IDL .
- Principis bàsics
- Constant de temps
- Responsivitat
- Temps de resposta d'un bolómetro
- Soroll equivalent d'energia
- Photon tir Soroll El soroll i l'ona
- Photon NEP soroll Limitada
- L'eficiència del detector de fotons
- Altres fonts de soroll
- Reduir al mínim el soroll
- A més dels termes de soroll
- En general el soroll i NEP
Principis bàsics
Un bolómetro és un dispositiu que detecta la radiació entrant produint un canvi en la resistència elèctrica proporcional a la quantitat de radiació entrant received. la radiació és absorbida pel bolómetro que causa un augment en la seva temperatura, que al seu torn causa un canvi en la seva resistència elèctrica .
Les característiques essencials d'un bolómetro són els següents:
Figura 3.1 - Esquema d'un detector de bolométrica
El mateix bolómetro es compon d'un material absorbent vinculats amb un dissipador de calor de Incoming temperature. electromagnètica fix (EM) la radiació és absorbida pel material d'augmentar l'energia cinètica de electrons. lliure Les col.lisions d'electrons lliures amb els àtoms en l'enreixat que el material vibracions que s'observen com un canvi en la temperatura.
Els materials típics per al termòmetre són semiconductors com ara germanium. dopat La resistència d'un canvi material de manera significativa per a un petit canvi en la temperatura i es caracteritza per l'equació,
| (3.1) |
on 
és una constant anomenada el paràmetre de resistència (ohms), 
és la resistència (ohms), 
és la temperatura de la resistència, i 
(K) és la banda de material de la temperatura bretxa. El valor de 
es diu el paràmetre de material i se li dóna el símbol 
. El coeficient de temperatura de la resistència és definida per,
| (3.2) |
Les operacions d'un detector de bolómetro es mostra a la Figura 3.1. El bolómetro a temperatura 
està relacionada amb un dissipador de calor de temperatura fixa 
per una conductivitat tèrmica 
. Un biaix de corrent continu 
flueix a través del bolómetro generar un voltatge 
. Canvis en la potència de radiació entrant 
donar lloc a canvis en la resistència 
, I per tant en la tensió de sortida 
. La polarització bolómetro típics i circuit de lectura es mostra a la Figura 3.2.
|
Figura 3.2 - circuit de polarització bolómetro i la lectura |
El corrent que flueix a través de la resistència provoca una dissipació de l'energia 
en el material absorbent. A més, la quantitat d'energia radiant absorbida per l'amortidor es denota per 
. La potència total dissipada al bolómetro 
tant, és donada per,
| (3.3) |
En condicions d'estat estacionari, l'energia absorbida pel absorbent s'elimina el dissipador de calor per l'enllaç tèrmic, aquest ve donat per la següent relació,
| (3.4) |
El voltatge de corrent continu-corrent (VI) de la corba per al bolómetro es defineix per les equacions,
| (3.5) |
A la pràctica el bolómetro està esbiaixada per una bateria de tensió V 0 i resistència de càrrega R L. La resistència de la resistència de càrrega és normalment dissenyat per ser molt més alta que la resistència del bolómetro llarg del seu rang d'operació. Això és per mantenir el corrent que passa a través de la bolómetro en un nivell estable de manera que la potència dissipada en el bolómetro pel termòmetre de resistència es manté relativament constant.
El punt de funcionament del bolómetro llavors es dóna en la intersecció de la corba de càrrega i la línia de càrrega, determinada per l'equació,
| (3.6) |
Un gràfic que mostra una típica corba VI i la línia de càrrega dels resultats d'un programa de simulació que va produir en IDL es dóna a la Figura 3.3.
|
Figura 3.3 - IDL de sortida de diverses corbes VI amb una línia de càrrega de més de traçat |
Com es pot veure a la Figura 3.3, la resistència del bolómetro és molt alta en els corrents petites. La resistència bolómetro comença a disminuir i eventualment s'anivella a corrents més altes perquè l'energia addicional es dissipa en el material absorbent. Si la radiació incideix sobre el detector, la potència dissipada en l'absorbidor també augmentarà. Això té l'efecte d'aixafament de la corba VI, com es mostra en el diagrama anterior. L'energia elèctrica es dissipa en el material absorbent, tal com es desprèn en [8], ve donat per,
| (3.7) |
on 
representa un increment fraccional en la temperatura de l'absorbidor, on 
representa el material absorbent d'estar a una temperatura de 
. 
és la conductivitat tèrmica estàtica de la relació tèrmica en la temperatura del refrigerador El 3 (WK-1), que ve donada per la llei de la potència següent,
| (3.8) |
on 
és la conductivitat tèrmica estàtica en 300mK (WK-1), i 
i es diu l'índex de conductivitat tèrmica. El terme 
es diu el paràmetre de càrrega i està donada per l'equació,
| (3.9) |
És el paràmetre de càrrega que fa que l'efecte d'aixafament de la corba VI quan incideix la radiació electromagnètica en el detector.
Com amb la majoria dels sistemes físics un bolómetro no respon a l'instant a un canvi instantani en les seves entrades. En molts casos la resposta d'un detector a un canvi de ritme a l'entrada és un canvi exponencial en la sortida. Això és anàleg a la càrrega i descàrrega d'un condensador en un circuit RC.
Un bolómetro té un dipòsit únic de l'energia en la capacitat de calor de l'absorbidor. Per tant un bolómetro es pot modelar mitjançant una sola equació diferencials de primer ordre, cosa que també significa que un bolómetro no pateix dels efectes de memòria. La resposta per tant pot ser caracteritzada per una constant de temps 
que per un bolómetro està donada per l'equació,
| (3.10) |
on 
és la capacitat d'absorció de calor (JK -1). La conductivitat tèrmica estàtica 
es relaciona amb un valor de la 
a la nevera la temperatura El 3 per,
| (3.11) |
Quan la radiació incideix sobre el detector augmenta la seva temperatura en una petita quantitat, això afecta a la capacitat calorífica amortidors i la conductància tèrmica enllaços. La capacitat d'absorció de calor en l'augment de la temperatura es relaciona amb un valor conegut 
en 300mK per,
| (3.12) |
on 
és l'índex de capacitat de calor. Tornant a l'equació (3.2) i l'ús dels termes definits anteriorment, el coeficient de temperatura de la resistència es pot reescriure com,
| (3.13) |
on 
és l'índex de llei de potència de la relació resistència-temperatura a l'equació (3.1). Veiem que 
és negatiu per a un bolómetro semiconductor. Això condueix a un valor de 
que és més petit que el descrit per l'equació (3.10). Això es deu als comentaris de electrotèrmic que es descriu a [9]. Es defineix un nou terme 
que és el valor de 
amb una correcció pels comentaris electrotèrmic,
| (3.14) |
Aquest nou valor que ens permet definir un valor de 
que al seu torn conté una correcció per a comentaris electrotèrmic,
| (3.15) |
A mesura que la resistència tèrmica està esbiaixada per una tensió 
la potència elèctrica dissipada en l'amortidor es pot donar per 
. Un augment en el senyal de l'incident EM augmentarà la temperatura de la resistència tèrmica i per tant també augmenten la seva resistència, el que al seu torn provocarà una disminució de la potència dissipada. Si la resistència està actuant a la part empinada de la corba, llavors la potència total dissipada en l'absorbidor es mantindrà constant, igual que la seva temperatura. Aquest sistema es coneix com tenir comentaris negatius electrotèrmica. Això té l'avantatge de reduir el temps constant de 
la constant de temps tèrmica com s'indica en (3.10).
Responsivitat
Responsivitat es defineix com el canvi de tensió de sortida per a un canvi en l'energia incident, que en un bolómetro és equivalent a un canvi en la temperatura. La responsivitat de tensió de la bolómetro es defineix com,
| (3.16) |
i varia en funció del punt de funcionament. Si el senyal en el detector es modula la freqüència de modulació ha de ser prou baixa perquè el detector pot respondre al canvi en el poder. Es mostra que,
| (3.17) |
on 
freqüència de modulació. La freqüència zero (corrent continu) responsivitat es pot avaluar directament de la corba de càrrega utilitzant l'expressió,
| (3.18) |
on és la freqüència zero impedància dinàmica 
(Ohms) de l'bolómetro 
en el punt de funcionament. 
pot ser demostrat ser proposada per,
| (3.19) |
Temps de resposta d'un bolómetro
Per a la majoria dels bolòmetres la forma de la corba VI està dominada per una potència de fons. Quan un senyal més petita s'aplica a la bolómetro la sortida de la corba VI es pot suposar que sigui insignificant. Això es coneix com l'aproximació de petita senyal. És a dir, en el senyal de límit de petites on la font 
de fons el canvi en el voltatge de bolómetro causa d'un canvi en el poder, la radiació incident pot ser proposada per,
| (3.20) |
El canvi en la tensió de sortida no es produeix de forma instantània i en comparar el bolómetro amb un circuit RC de la resposta pot ser modelat per qualsevol de les dues equacions següents,
| (3.21) |
Quan es tracen aquestes equacions tenen la forma següent (on 
i 
),
|
Figura 3.4 - Parcel.les de V contra el Temps de tant positius com negatius V |
Quan els senyals grans es consideren, la sortida de la corba VI ja no és menyspreable. Per tant el canvi en la tensió de sortida a causa d'un canvi en la potència incident no pot ser calculat mitjançant l'aplicació de responsivitat que es dóna ara pel canvi en la tensió del punt de funcionament del bolómetro. En passar de la primera a l'última corba VI, la constant de temps del sistema varia en funció del punt de funcionament. Per tant el bolómetro ja no és un moment únic dispositiu constant i no es pot modelar mitjançant l'aplicació de les equacions simples RC resposta del circuit.
|
Figura 3.5 - VI corbes per a un canvi de gran senyal |
Soroll equivalent d'energia
De gran importància per a qualsevol bolómetro és el soroll equivalent d'energia o NEP. La NEP és l'arrel quadrada mitjana d'intensitat del senyal necessària per igualar la mitjana quadràtica del soroll del detector. La millor relació senyal / soroll podria obtenir un bolómetro està donada per l'equació,
|
| (3.22) |
En general, el NEP té les unitats de 
.
Photon tir Soroll El soroll i l'ona
Si tenim en compte la imatge corpuscular de la llum i adonar-se que la llum arribi al detector de forma aleatòria o no correlacionades, podem definir el soroll fotònic tir. el soroll de fotons tir és justificable en les freqüències altes (on la imatge de fotons de la llum és la més adequada), però a freqüències més baixes la imatge ondulatòria de la llum és més apropiat i per tant, definir un altre soroll de l'ona termini.
Mitjançant l'aplicació de l'estadística de Bose-Einstein i suposant que el fons per a la detecció és en la forma d'un cos negre ens trobem que l'arrel quadrada mitjana de les fluctuacions en el nombre de fotons que arriben a temps , En l'interval de freqüència 
V ve donada per,
| (3.23) |
on 
, 
= Emissivitat del fons, i 
= Eficiència de la transmissió general entre el fons i el detector. Els altres 
terme té en compte pel soroll d'onades.
Photon NEP soroll Limitada
En el millor dels casos, el detector i components posteriors a afegir una quantitat insignificant de soroll addicional a la senyal, a més del soroll de tret de fotons. Per tant, el soroll fotònic límits de la sensibilitat del mesurament bolómetro, aquest límit màxim es diu el soroll fotònic limitat NEP, 
. Això ve donat per l'equació,
| (3.24) |
L'eficiència del detector de fotons
A la pràctica no és possible obtenir el soroll fotònic limitat S / N, això suposa que un detector perfecte s'utilitza. detectors Reial difereixen en funcionament en el fet que,
- un detector real no pot respondre a cada fotó
- el detector i la seva electrònica produeixen soroll addicional
Dos paràmetres es defineixen per tal de tenir en compte aquestes deficiències en el sistema de detecció, que són els Sensible eficiència quàntica i l'eficiència quàntica detectiu.
Sensible eficiència quàntica (o RQE 
)
El RQE o els comptes per a l'absorció de fotons imperfecta i es defineix com la fracció de fotons incidents que contribueixen a la senyal, òbviament 
.
Eficiència quàntica de detecció (DQE)
| (3.25) |
El DQE és la raó de la sensibilitat real de màxima assolible en principi. El paràmetre té en compte tant l'eficàcia d'absorció i cap soroll addicional generat en el detector en compte. Aquest paràmetre per tant poden ser utilitzats per comparar els diferents tipus de detectors entre si.
A la pràctica, la tensió de polarització es tria per tal d'obtenir el màxim DQE per a cada detector. En el cas SPIRE, que són els grups de detectors que comparteixen un voltatge de polarització comú que es pot ajustar per obtenir un DQE òptima per al grup.
Altres fonts de soroll
Johnson soroll
Dins de qualsevol peça de qualsevol material que condueix els electrons tenir a l'atzar moviments tèrmics pel fet que el material té una temperatura finita. Un detector de bolométrica i els seus components són - o pot ser considerat - una resistència amb un contacte elèctric a cada extrem. Si no hi ha un potencial elèctric a través dels contactes de la tensió en la resistència fluctuarà aleatòriament al voltant de zero volts, això es deu a les fluctuacions de positius i negatius són igualment probables. La potència de soroll dins del component, però, és proporcional a la fluctuació de voltatge és a dir, al quadrat és sempre positiu. Això es diu Johnson o soroll de Nyquist.
El soroll de Johnson NEP, 
, És a dir,
| (3.26) |
L'espectre de freqüències del soroll Johnson és plana, és a dir que és independent de la freqüència. Això pot veure's en l'equació anterior, on no hi ha dependència de la freqüència. Soroll amb un espectre pla s'anomena soroll blanc.
Fonón soroll
Fins ara hem considerat el soroll creat a partir dels fotons i electrons, que ara considerem el flux de calor en el dissipador de calor com quantificats en forma de fonons (quantificada vibracions de la xarxa). Això condueix a fluctuacions aleatòries en la temperatura de l'bolómetro. El soroll fonón NEP, 
, És a dir,
| (3.27) |
Temperatura de soroll
Temperatura de soroll és causat pel fet que el dissipador de calor no està a una temperatura constant i varia lleugerament amb el temps. La temperatura de soroll del NEP, 
és a dir,
| (3.28) |
on 
és la intensitat espectral de les fluctuacions en la temperatura del dissipador de calor (K 2 Hz -1).
1 / f soroll
Aquesta font de soroll és molt important en les aplicacions pràctiques, encara que les causes són moltes vegades no entén molt bé. Per a la majoria dels dispositius, grans nivells de soroll es troben a les freqüències baixes.
|
Figura 3.6 - 1 / f soroll |
Reduir al mínim el soroll
El soroll afecta els resultats d'una manera degradant i per tant, fan servir diverses tècniques (per tal de reduir els seus efectes.
- Fer que l'ample de banda de detecció missatge el més petit possible
- Intenta evitar les senyals de mesura (o banda de freqüència), que coincideixen amb discrets de fonts d'interferència de freqüència
- Assegureu-vos que la freqüència del senyal (o banda de freqüències) és prou alt com per no veure's afectats per una quantitat significativa de soroll.
A causa de 
el soroll no és possible observar una font per llargs períodes d'observació contínua, la qual cosa implicaria treballar a freqüències molt baixes, on la 
el soroll seria significatiu. Una de les tècniques utilitzades per evitar 
el soroll és per modular el senyal amb una freqüència que sigui prou alt perquè 
ja no és significativa. La modulació de freqüència no pot, però, ser tan alt que els resultats dels detectors de freqüències de resposta en una pèrdua de senyal. Un altre avantatge de la tècnica de modulació és que es pot utilitzar per treure el fons d'un senyal de commutació entre el senyal d'origen i un senyal de fons, el que es coneix com â € ~ € ™ Chopping a la FIR / sub-mm observacions.
El total de soroll en un sistema serà la combinació de totes les fonts de soroll presents com es va descriure anteriorment. Suposem que totes les fonts de soroll, és a dir, es correlaciona el valor d'un no depèn de cap altre. A mesura que ells no estan correlacionats afegint que normalment no tindrien en compte les fases del soroll, per tant prenem la mitjana quadràtica del soroll (valor eficaç) com a vegades les fonts de soroll pot cancel lar uns als altres.
|
(3.29) |
on 
és el soroll del voltatge de densitat espectral (VHZ -1 / 2) de cadascuna de les contribucions de soroll.
En general el soroll i NEP
És possible definir la NEP de la següent manera, la potència del senyal que dóna un S / N de gener en un temps d'integració de 0.5 segons. Si deixem que 
= Detector de responsivitat (VW-1), 
= Energia electromagnètica incident en el detector (W) i, 
= Densitat total voltatge del soroll espectral, el voltatge del senyal es pot escriure,
| (3.30) |
La tensió de soroll serà donada per,
| (3.31) |
Per la definició de la NEP, si 
llavors la senyal de tensió 
. Per tant, obtenir una equació de la NEP en termes de la densitat espectral de soroll de tensió i la responsabilitat,
| (3.32) |
Les unitats de la NEP es donen normalment com PT -1 / 2, el -1 / 2 Hz termes es refereix a l'ample de banda de detecció de correu o la inversa del temps d'integració.
- Teoria de la potència de soroll equivalent de superconductors d'alta temperatura extrema en l'infraroig bolómetro una a una foto-... i Theora de potència equivalent de soroll de superconductors d'alta temperatura extrema en l'infraroig bolómetro un en una manera de foto-termoelèctrica d'operació de Teoria de la potència equivalent de soroll de un superconductor d'alta temperatura de gran infraredbolometer en una foto
- 1 Introducció (PDF) ... Una versió revisada de la Griffin & ideal bolómetro semiconductor Holanda. model es presenta i el seu ús en ... basat en la teoria bolómetro de no equilibri de. Mather [10], però suposa astro.cf.ac.uk ... / grups / ... / _paper.pdf bolómetro Sudiwala_et_al_IJMM_
- Una teoria simple per recolzat bolòmetres sòlida Una teoria simple per recolzat bolòmetres sòlida Una teoria simple per recolzat bolòmetres sòlida teoria proposta és simple d'explicar la resposta de freqüència de suport bolòmetres sòlids. S'assumeix un flux unidimensional de calor a través de l'bolómetro
- CARACTERITZACIÓ D'ALTA PRECISIÓ SEMICONDUCTOR bolòmetres (PDF) ... metres, utilitzant el model presentat en bolómetro Sudiwala et ... un SUF? prou uniforme nivell de dopatge. Ideal teoria bolómetro [1, 2, 7] es pot utilitzar per ... astro.cf.ac.uk / grups / ... / _paper.pdf bolómetro Woodcraft_et_al_IJMM_
- DOE Document - la teoria de no equilibri d'un electró bolómetro calent de metall-aïllant-superconductor túnel normal ... El funcionament de l'electró bolómetro calent amb normals de metall-aïllant-superconductor) la sortida del túnel NIS (com un sensor de temperatura s'analitza teòricament. La responsivitat i la potència de soroll equivalent (NEP) de l'bolómetro s'obtenen
- Processament d'Imatges i Mínims Quadrats-Reconstrucció (PDF) ... a terme tenint en compte la imatge estàndard. remostreig de la teoria en la formulació del problema de mínims quadrats ... tramat per lligar el bolómetro zero punts a un flux dins de la
- Un Microcalorímetre i bolómetro Model A Microcalorímetre i bolómetro Model A i Model Microcalorímetre bolómetro El no-equilibri teoria estàndard del soroll en bolòmetres ideal i Microcalorímetre no per predir el rendiment dels dispositius reals a causa dels efectes addicionals
Joguina Johnson Ki Pic ...
Vaig buscar a Google per a alguna cosa completament diferent, però es va trobar la pàgina ... i he de dir gràcies. bona informació ....
Ben fet Steven. Una cosa molt important a recordar és que tot el món necessita una bona referència d'introducció per entendre els conceptes bàsics abans de continuar amb temes avançats d'especialitat en base a la fundació de les bases. La comprensió dels conceptes bàsics és suficient per la majoria de la gent per tenir èxit.
La seva pàgina web és una referència excel lent introducció. Si la seva trajectòria professional el porta a la investigació més avançada de les subtileses de bolòmetres i es publica amb el temps, si us plau, mantenir i publicar aquest cos actual de treball i per servir com a material introductori per al per primera vegada. Estic d'acord amb Ki. La seva pàgina web en la teoria bolómetro és una bona lectura.
J
He trobat la seva conferència de gran ajuda en el desenvolupament de la comprensió dels paràmetres bolómetro i característiques. Sóc un estudiant de quart semestre d'enginyeria elèctrica i actualment estic treballant en un projecte la participació microbolómetro. Referent a això, es greteful si enviar la documentació pertinent.
He trobat lucture any és molt útil per la meva part d'investigació perquè no sé res de bolómetro. Però encara tinc problemes per veure la imatge a la seva pàgina web. Què he de fer? Intento descarregar la seva pdf.file però no funciona també.
Si us plau, no dubteu a donar algun suggeriment. El meu e-mail: jiku_jung9@hotmail.com
No és que vulgui copiar el seu lloc web, però realment m'encanta el look. Podria dir-me quin tema s'està utilitzant? ¿O va ser per encàrrec?
El tema està vinculat a la part inferior d'aquesta pàgina (al peu de pàgina).
Imatges i PDF restaurat, ho sento pels problemes
estimats Steven
He trobat la seva conferència tan útil, però no puc veure fotos o trobar el pdf.
Podria si us plau ajudar-me a el que hauria de fer-la?
Atentament
Benvolgut Steven
Moltes gràcies per la seva lectura meravellosa, però no puc descarregar el "Simulació de SPIRE utilitzant IDL", Podria vostè enviar a mi? Gràcies per endavant.
Correu electrònic: lhfsemail@gmail.com
Pots si us plau enviar-me un correu electrònic. M'agrada molt el seu disseny.