Co bude následovat, je kapitola z mé poslední rok zprávu o 'simulace SPIRE pomocí IDL'. Při zkoumání projektu jsem zjistil, že je těžké najít nějaké základní úvod do teorie bolometr, tak jsem se rozhodl dát své verzi on-line. Můžete také vidět kapitolu v plném kontextu stažením můj čtvrtý ZPRÁVA: Simulování SPIRE pomocí IDL .

• Základní principy
• Časová konstanta
• Responsivity
• Doba odezvy z bolometr
• Hluk stejným výkonem
  • Photon Shot hluku a šumu Wave
  • Photon Hluk Limited NEP
• Photon Detektor Účinnost
• Jiné zdroje hluku
• Minimalizace hluku
• Kromě hluku Podmínky
• Celkově Hluk a NEP

Základní principy

Bolometr je zařízení, které rozpozná přicházející záření, které produkují změnou elektrického odporu v poměru k množství dopadajícího záření received. záření je pohlcena bolometr což způsobuje zvýšení teploty, což způsobí změnu v jeho elektrický odpor .

Podstatné rysy bolometr jsou následující:

Obrázek 3.1 - Schéma bolometric detektor

Bolometr sama se skládá z absorbéru materiálu v souvislosti s chladiči pevných temperature. Příchozí elektromagnetické (EM) záření je absorbována materiálem zvýšením kinetické energie zdarma electrons. srážky volných elektronů s atomy v mřížce materiálu příčinu vibrace, které jsou sledovány jako změna teploty.

Typické materiály pro teploměr, jsou polovodiče, jako je dopoval germanium. odpor takový materiál výrazně změní k malé změně teploty a lze charakterizovat rovnicí,

kde je konstanta nazývá odpor parametr (Ohm), je odpor (Ohm), je teplota odporu, a (K) je materiálem, zakázané pásmo teploty. Hodnota je nazýván materiál parametru a je uveden symbol . Teplotní koeficient odporu je definován,

Operace bolometr detektoru jsou znázorněny na obr. 3.1. Bolometr při teplotě je spojen s chladičem pevných teploty o tepelné vodivosti . Ss klidový proud protéká bolometr generování napětí . Změny v dopadajícího záření moc vést ke změnám v odboji , A proto je výstupní napětí . Typický bolometr upřednostnění a čtecí obvodu je zobrazen na obr. 3.2.

Proud, který teče přes odpor způsobí rozptýlení moci do absorbéru materiálu. Kromě toho, je množství energie záření absorbované absorbéru označován . Celkový ztrátový výkon v bolometr je tedy dána,

Za ustálených podmínek bude energie pohlcená absorbérem být odstraněny do chladiče u termálního odkaz, toto je dána tímto vztahem,

Stejnosměrného napětí-proud (VI) křivka pro bolometr je definován rovnicemi,

V praxi bolometr je ovlivněn tím, baterie napětí V ₀ a zatěžovací odpor R _L. Odpor zatěžovacího odporu je obvykle navržen tak, aby mnohem vyšší než odpor bolometr celé své provozní rozsah. Toto je udržet současné prochází bolometr na stabilní úrovni tak, že výkon rozptýlený v bolometr odporem teploměru zůstává poněkud konstantní.

Provozní bod bolometr je pak uveden na průsečíku křivky zatížení a zatížení linky, určí rovnice,

Graf ukazuje typický VI křivky a zatížení linky z výsledků simulačního programu, který jsem vytvořil v IDL je uveden na obrázku 3.3.

Jak je vidět z obrázku 3.3, odpor bolometr je neuvěřitelně vysoká u malých proudů. Bolometr odpor začne klesat a nakonec se srovná při vyšších proudech, protože dodatečná síla je rozptýlena do absorbéru materiálu. Pokud záření dopadajícího na detektor, bude výkon rozptýlený v absorbéru se rovněž zvýšil. To má za následek rozdrcení křivky VI, jak je znázorněno na obrázku výše. Elektrické energie rozptýlena v absorbéru materiálu, odvozené v [8], je dáván,

kde představuje dílčí zvýšení teploty absorbéru, kde představuje absorbéru materiálu při teplotě . je statický tepelná vodivost tepelné odkaz na ^{3 He} teplotu chladničky (WK ^-1), která je dána tímto moc zákona,

kde je statický tepelné vodivosti při 300mK (WK ^-1), a a nazývá tepelná vodivost index. Termín se nazývá načítání parametru a je dán rovnicí,

Jedná se o parametr, který způsobí zatížení stlačuje účinek křivky VI, kdy je incident EM záření na detektor.

Časová konstanta

Stejně jako u většiny fyzikálních systémů bolometr nereaguje okamžitě na okamžité změny ve svých vstupech. V mnoha případech reakci detektoru na skokové změny ve vstupním je exponenciální změny ve výstupu. To je analogické k nabíjení a vybíjení kondenzátoru v RC obvodu.

Bolometr má jeden zásoba energie v teplo kapacita absorbéru. Proto bolometr lze modelovat pomocí jediného prvního řádu diferenciální rovnice, což také znamená, že bolometr netrpí paměti účinky. Odpověď může být proto charakterizován časovou konstantou který pro bolometr je dán rovnicí,

kde je absorbér tepelná kapacita (JK ^-1). Statické tepelné vodivosti se vztahuje k hodnotě u ^{3 He} lednička teplotu,

Když záření dopadá na detektor a zvyšuje jeho teplotu o malé množství, ovlivňuje to absorbéry tepelné kapacity a tepelné vodivosti odkazy. Absorbéru tepelná kapacita při zvýšené teplotě je příbuzný známé hodnoty na 300mK od,

kde je tepelná kapacita index. Při pohledu zpět na rovnici (3.2) a používat termíny definované výše, je možné teplotní součinitel odporu být přepsána jako

kde je moc zákona index z odpor-teplota vztah v rovnici (3.1). Vidíme, že je negativní pro polovodičové bolometr. To vede k hodnotě který je menší, než je popsáno rovnicí (3.10). To je způsobeno elektrotermické zpětnou vazbu, která je popsána v [9]. Definujeme nový termín což je hodnota s úpravou pro elektrotermální zpětnou vazbu,

Tato nová hodnota nám umožní definovat hodnotu , který opět obsahuje korekci na elektrotermické zpětnou vazbu,

Jako tepelný odpor je ovlivněn napětím elektrické energie rozptýlena do tlumiče může být dána . Zvýšení incidentu signálu EM zvýší teplota tepelného odporu a tím i zvýšení jeho odpor, což zase způsobí pokles v ztrátový výkon. Je-li odpor jedná ve strmé části jeho křivky, pak celkový ztrátový výkon v absorbéru zůstane konstantní, stejně jako jeho teplotu. Tento systém je odkazoval se na jak mít negativní elektrotepelných zpětnou vazbu. To má tu výhodu, že snižuje časové konstanty se z tepelnou časovou konstantu, jak je uvedeno v (3.10).

Responsivity

Responsivity je definován jako změna výstupního napětí pro změnu v incidentu sílu, která v bolometr je ekvivalentní změně teploty. Napětí responsivity bolometr je definován jako,

a mění se v závislosti na provozním místě. Pokud je signál z detektoru je modulován modulační frekvence musí být dostatečně nízká, aby detektor může reagovat na změny v energetice. Je prokázáno, že,

kde frekvenční modulace. Nulové frekvence (dc) responsivity je možné hodnotit přímo z křivky zatížení pomocí výrazu,

, kde je nulové frekvence dynamického impedance (Ohm) ze bolometr v provozním místě. může být ukazován být dán,

Doba odezvy z bolometr

Pro většinu bolometers je tvar křivky VI dominuje na úrovni pozadí, moc. Když je malé dodatečné napětí na bolometr odjezdu z křivky VI lze považovat za zanedbatelný. Toto je známé jako malý signál přiblížení. V malém signálu limit, tj. v případě zdroje pozadí změna bolometr napětí v důsledku změny energie dopadající záření může být dán,

Změna ve výstupní napětí nedochází okamžitě, a na základě srovnání s bolometr RC odpověď může být modelován podle jedné ze dvou následujících rovnic,

Když vynesou tyto rovnice mají následující formulář (pokud a ),

Pokud jsou považovány za velké signály, odlet z křivky VI už není zanedbatelné. Proto změny výstupního napětí v důsledku změny v incidentu moc nemůže být vypočítána responsivity je nyní dán změnou napětí provozní bod bolometr. V pohybující se od počátečního ke konečnému křivky VI časová konstanta systému se liší v závislosti na provozním místě. Proto bolometr již není jedinou časovou konstantu zařízení a nemůže být modelována za použití jednoduchého RC rovnice obvodu odpověď.

Hluk stejným výkonem

Velký význam pro všechny bolometr je hluk stejným výkonem nebo NEP. NEP je kořenový střední čtvercová síla signálu musí rovnat střední kvadratická na detektoru hluku. Nejlepší signál-k-poměr hluku lze dosáhnout bolometr je dán rovnicí,

Obecně platí, že NEP má jednotky .

Photon Shot hluku a šumu Wave

Uvažujeme-li částici obraz světla a uvědomit si, že světlo dorazí na detektor v náhodném nebo uncorrelated způsobem můžeme definovat foton shot hluku. Photon shot hluk je odůvodnitelné při vysokých frekvencích (kde foton obraz světla je nejvhodnější), ale při nižších frekvencích vlny obraz světla je vhodnější, a proto jsme se definovat jiný termín vlnu hluku.

Uplatněním Bose-Einstein statistiky a za předpokladu, že zázemí pro detekci je v podobě černého, ​​zjistíme, že kořenový střední čtvercové výkyvy v počtu fotonů, kteří přijedou v čase , Ve frekvenčním intervalu V je dána,

kde , = Emisivitu pozadí, a = Celková účinnost přenosu mezi pozadím a detektor. Dodatečné Termín bere v úvahu pro vlnu hluku.

Photon Hluk Limited NEP

V nejlepším případě bude detektor a následné komponenty přidat zanedbatelné množství dalších šumu k signálu kromě hluku výstřelu fotonu. Proto, že foton hlukové limity na citlivost bolometr měření, tato mezní se nazývá foton hluk omezen NEP, . To je dáno rovnicí,

Photon Detektor Účinnost

V praxi není možné získat fotony hluk omezen S / N, protože to předpokládá, že ideální detektor. Real detektorů se liší v provozu v tom, že

• skutečný detektor nemusí správně reagovat na každý foton
• detektoru a jeho elektronika vyrábět další hluku

Dva parametry jsou definovány tak, aby se brát v úvahu tyto nedostatky se v detekční systém, jedná se o rychlou odezvou Quantum účinnost a detekční kvantové účinnosti.

Reagovat kvantová účinnost (nebo RQE )

RQE nebo účtů za nedokonalé absorpci fotonů a je definován jako podíl incidentu fotonů, které přispívají k signálu, samozřejmě .

Detekční kvantové účinnosti (DQE)

The DQE je poměr skutečné citlivosti na maximální dosažitelné v principu. Parametr se oba absorpční účinnost a další přídavný hluk vytvořený v detektoru v úvahu. Tento parametr může být použit pro porovnání různých typů detektoru spolu navzájem.

V praxi je předpětí zvolen za účelem získání maximální DQE pro každý detektor. V případě SPIRE je skupin detektorů, které sdílejí společnou zkreslení napětí, které může být upravena tak, aby bylo dosaženo optimální DQE pro skupinu.

Jiné zdroje hluku

Johnson Hluk

V rámci každého kusu jakéhokoliv vodivého materiálu elektrony mají náhodné tepelné pohyby, protože materiál je konečná teplota. Bolometric detektoru a jeho součástí jsou - nebo mohou být považovány za - rezistor s elektrickým kontaktem na každém konci. Pokud není k dispozici elektrický potenciál mezi kontakty napětí na rezistoru bude kolísat náhodně kolem nuly volty, je to proto, pozitivní a negativní výkyvy jsou stejně pravděpodobné. Hluk výkon v komponentě je však úměrná kolísání napětí, na druhou to znamená, že je vždy pozitivní. Toto je nazýváno Johnson nebo Nyquist hluk.

Hluk Johnson NEP, , Je,

Frekvenční spektrum hluku Johnson je plochá, tj., že je frekvence nezávislé. Toto může být patrné z výše uvedené rovnice, kde není frekvenční závislost. Hluk s plochou spektra se nazývá bílý šum.

Fonon Hluk

Dosud jsme za hluk z fotonů a elektronů, my teď zvažujeme tok tepla do chladiče, jak quantised ve formě fonony (kmity mříže quantised). To vede k náhodné výkyvy v teplotě bolometr. Fonon šumu NEP, , Je,

Teplota Hluk

Teplota hluk je způsoben tím, že chladič není na konstantní teplotě a pohybuje se mírně v průběhu času. Teplota hluk NEP, je,

kde je spektrální intenzita kolísání teploty chladiče (K ² Hz ^-1).

1 / f šumu

Tento zdroj hluku je velmi důležitý v praktických aplikacích, i když příčiny nejsou často velmi dobře rozuměl. Pro většinu zařízení, jsou velké hladiny hluku v nižších frekvencích.

Minimalizace hluku

Hluk ovlivňuje výsledky v ponižujícím způsobem, a proto používáme několik technik (s cílem snížit jeho účinky.

• Make post detekce pásma co nejmenší
• Snažte se vyhnout měřicích signálů (nebo frekvenční pásmo), které se shodují s diskrétní zdroje rušení
• Ujistěte se, že signál kmitočet (nebo kmitočtové pásmo) je dostatečně vysoká, aby se se značným množstvím šumu.

Vzhledem k hluk, že není možné pozorovat po dlouhou dobu zdrojem neustálého sledování, což by způsobilo pracující na velmi nízkých frekvencích, kde hluk by byl významný. Jednou z technik používaných, aby se zabránilo hluk je modulovat signál s frekvencí, která je dostatečně vysoká, aby není významný. Modulační frekvence však nemůže být tak vysoká, že detektory výsledky frekvenční charakteristiky v ztrátou signálu. Další výhodou pro modulační technika je, že může být použit odečíst od pozadí signál přepínání mezi zdrojem signálu a signál pozadí, což je známé jako â € ~ choppingâ € ™ ve FIR / sub-mm pozorování.

Kromě hluku Podmínky

Celkový hluk v systému bude kombinace všech jednotlivých zdrojů hluku, jak je popsáno výše. Předpokládáme, že všechny zdroje hluku jsou nekorelované, tj. hodnota jednoho není závislé na jiných. Jak oni jsou uncorrelated přidáním by normálně nebere v úvahu fází hluk, proto jsme se střední kvadratické z hluku (efektivní hodnota), jak se někdy zdroje hluku mohou se vzájemně ruší.

kde je hluk napětí spektrální hustota (VHZ ^{-1 / 2)} z každého z hluku příspěvků.

Celkově Hluk a NEP

Je možné definovat NEP tímto způsobem, síla signálu, který dává S / N 1 v integrační době 0,5 vteřiny. Necháme-li = Detektor responsivity (VW ^-1), = Elektromagnetické energie dopadající na detektor (W), a = Celková hlučnost spektrální hustoty napětí, signál může být napsána napětí,

Hluk napětí pak bude dána,

Podle definice NEP, pokud pak signál napětí . Proto jsme získali rovnici pro NEP, pokud jde o hluku napětí spektrální hustota a responsivity,

Jednotky NEP jsou obvykle dané jako WHz ^{-1 / 2} je Hz ^{-1 / 2} termíny se vztahuje na zjišťování šířky pásma poštou nebo inverzní integrace času.

• Teorie hluku ekvivalentní výkonu vysoce-teplota supravodiče daleko-infračervené bolometr ve foto-... y teoretických hluku ekvivalentní výkonu vysoce-teplota supravodiče daleko-infračervené bolometr ve foto-termoelektrického režimu provozu teorie hluku ekvivalentní sílu vysoce-teplota supravodiče daleko-infraredbolometer ve fotografii
• 1 Úvod (PDF) ... revidovanou verzi Griffin & Holland ideální polovodičových bolometr. Model je prezentován a jeho využití v ... na základě non-rovnováha bolometr teorie. Mather [10], ale předpokládal ... astro.cf.ac.uk / skupiny / ... / Sudiwala_et_al_IJMM_ bolometr _paper.pdf
• Jednoduchá teorie pevných-couval bolometers jednoduchá teorie pevných-couval bolometers jednoduchá teorie pevných-couval bolometers jednoduchá teorie je chystal se vysvětlit frekvenční odezva pevných-couval bolometers. To předpokládá, že jedno-rozměrné proudění tepla bolometr
• VYSOKÁ PŘESNOST POPIS SEMICONDUCTOR BOLOMETERS (PDF) ... metrů, s použitím bolometr model uveden v Sudiwala et ... dosta? ženo jednotné úrovně dopingu. Ideální bolometr teorie [1, 2, 7], může být použit k ... astro.cf.ac.uk / skupiny / ... / Woodcraft_et_al_IJMM_ bolometr _paper.pdf
• Dokument DOE - Nerovnovážná teorie hot-elektron bolometr s normální metal-izolátor-supravodič tunel ... provoz hot-elektron bolometr s normální metal-izolátor-supravodiče (NIS) tunelování jako teplotní čidlo je teoreticky analyzovány. The responsivity a hluk ekvivalentní výkon (NEP) z bolometr jsou získány
• Zpracování obrazu a nejmenších čtverců-rekonstrukce (PDF) ... dosaženo s ohledem na standardní obrázek. převzorkování teorie ve složení nejméně-čtverce problém ... dithering, protože vázání bolometr nula bodů na toku v rámci
• Microcalorimeter a bolometr Model microcalorimeter a bolometr Model microcalorimeter a bolometr model standardní non-teorie rovnováhy hluku v ideálním bolometers a microcalorimeters nedokáže předpovědět výkon reálných zařízení z důvodu dodatečné efekty

10 Reakce na "mikrobolometrového teorie"

1. Ki Toy Johnson Pic říká:

   Neděle 30. září 2007 v 14:25

   Ki Toy Johnson Pic ...

   I Googled na něco úplně jiného, ​​ale našel své stránky ... a musím říci, díky. pěkné čtení ....

   Odpověď
2. John říká:

   Sobota 18.dubna 2009 v 15:35

   Výborně Steven. Něco velmi důležité mít na paměti, že každý potřebuje dobrý odkaz na úvodní pochopit základy před prováděním pokročilé speciálních témat na založení základů. Pochopení základů je dost pro většinu lidí, aby byla úspěšná.
   Vaše webová stránka je vynikající úvodní reference. Pokud váš profesní cesta vede k výzkumu více pokročilých jemností bolometers a vy nakonec zveřejnit, prosím, udržet a publikovat tento předložit orgánu práce, jakož sloužit jako úvodní materiál pro první-časovače. Souhlasím s Ki. Vaše webové stránky na bolometr teorie je dobré čtení.
   J

   Odpověď
3. Lilek říká:

   Pátek 31. července 2009 v 11:19

   Našel jsem si přednášku velmi užitečné při vytváření porozumění bolometr parametry a charakteristiky. Jsem 4. semestr student elektrotechniky a jsem v současné době zabývá projekt mikrobolometr. V tomto ohledu bude i greteful, zda můžete po příslušné literatury.

   Odpověď
4. jiku říká:

   Středa 10. března 2010 v 16:05

   Našel jsem rok lucture je to velmi užitečné pro mou výzkumné části, protože já nevím nic o bolometr. Ale stále mám problém vidět na obrázku na Vaši stránku. Co mám dělat? Snažím se stáhnout pdf.file, ale to nefunguje také.
   Prosím, neváhejte dát nějaký návrh. Můj e-mail: jiku_jung9@hotmail.com

   Odpověď
5. Postel říká:

   Čtvrtek 1. dubna 2010 v 23:52

   Ne, že chci kopírovat vaše webové stránky, ale já jsem opravdu rád podíval. Mohl byste mi říci, které téma používáte? Nebo to bylo na zakázku?

   Odpověď
6. Steven Lloyd Watkin říká:

   Pondělí 12. dubna 2010 v 10:40

   Téma je v dolní části této stránky (v zápatí).

   Odpověď
7. Steven Lloyd Watkin říká:

   Pondělí 12. dubna 2010 v 10:41

   Obrázky a PDF obnovena, omlouvám se za problémy

   Odpověď
8. H. Azari říká:

   Úterý 13. dubna 2010 v 06:49

   drahá steven
   Našel jsem si přednášku tak užitečná, ale já nevidím obrázky nebo najít pdf.
   by vás prosím, pomozte mi, co jsem mela dělat?
   S pozdravem

   Odpověď
9. Windboy říká:

   Pátek 6. srpna 2010 01:36

   Vážení steven
   Děkuji moc za vaše skvělé přednášky, ale nemohu stáhnout "Simulování SPIRE pomocí IDL," Mohl byste mi to poslat? Díky předem.
   E-mail: lhfsemail@gmail.com

   Odpověď
10. Tonldan říká:

    Neděle 20. února 2011 15:56

    Můžete mi prosím pošlete mi mail. Moc se mi líbí váš návrh.

    Odpověď