Bolometer Teori
Hvad der følger er et kapitel fra min sidste år rapport om "Simulering SPIRE bruger IDL«. Når forske i projektet jeg fandt det svært at finde nogle grundlæggende introduktion til bolometer teori, så jeg besluttede at sætte min version online. Du kan også se kapitel i fuld kontekst ved at downloade min fjerde rapport rapport: Simulering SPIRE bruger IDL .
- Grundlæggende principper
- Tidskonstant
- Responsivitet
- Tid Svar af en bolometer
- Støj tilsvarende effekt
- Foton Shot Støj og Wave støj
- Foton Støj Limited NEP
- Foton Detector Effektivitet
- Andre støjkilder
- Minimering Støj
- Tilsætning af støj Vilkår
- Samlet Støj og NEP
Grundlæggende principper
En bolometer er en anordning, som registrerer indkommende stråling ved at producere en ændring i den elektriske modstand i forhold til mængden af stråling received. indkommende stråling er absorberet af bolometer der forårsager en stigning i temperaturen, hvilket igen medfører en ændring i den elektriske modstand .
De væsentlige elementer i en bolometer er som følger:
Figur 3,1 - Diagram over en Bolometric Detector
The bolometer selv består af en absorber materiale knyttet til en køleprofil af faste temperature. Indgående elektromagnetiske (EM) stråling absorberes af det materiale, øge den kinetiske energi af frie electrons. kollisionerne af frie elektroner med atomer i materialet årsagen gitter vibrationer, som observeres som en ændring i temperaturen.
Typisk materialer til termometeret er halvledere såsom dopede germanium. Modstanden for en sådan væsentlig ændring betydeligt for en lille ændring i temperaturen, og kan karakteriseres ved ligningen,
| (3.1) |
hvor 
er en konstant kaldet modstand parameter (ohm), 
er modstand (ohm), 
er temperaturen i modstanden, og 
(K) er det materiale båndgab temperatur. Værdien af 
kaldes materialet parameteren og er givet symbolet 
. Temperaturen Modstandskoefficient er defineret ved,
| (3.2) |
Driften af en bolometer detektor er illustreret i figur 3,1. Den bolometer ved temperatur 
er knyttet til en køleprofil af fast temperatur 
af en termisk ledningsevne 
. En DC bias nuværende 
flyder gennem bolometer genererer en spænding 
. Ændringer i indkommende stråling magt 
giver anledning til ændringer i den modstand 
, Og derfor i udgangsspændingen 
. Den typiske bolometer påvirke og udlæsning kredsløb er afbilledet i figur 3,2.
|
Figur 3,2 - bolometer påvirke og udlæsning kredsløb |
Den nuværende, som løber gennem modstanden forårsager en spredning af magt 
ind i absorberen materiale. Hertil kommer, er mængden af strålingsenergi absorberes af absorberen angivet ved 
. Den samlede effekt spredes i bolometer 
er derfor givet ved,
| (3.3) |
Under steady state forhold den energi, der absorberes af absorberen vil blive fjernet til heatsink med den termiske forbindelse, er dette givet ved følgende relation,
| (3.4) |
DC spændings-strøm (VI) kurven for den bolometer er defineret ved ligningerne,
| (3.5) |
I praksis bolometer er påvirket af et batteri af spænding V 0 og belastningsmodstand R L. Modstanden i belastningen modstanden er normalt designet til at være meget højere end modstanden i bolometer over hele driftsområdet. Dette er for at fastholde den nuværende gennem bolometer på et stabilt niveau, så at magten spredes i bolometer af modstandstermometer forbliver noget konstant.
De operationelle punkt i bolometer er da givet ved skæringspunktet mellem den belastningskurven og last linje, der bestemmes af ligningen,
| (3.6) |
En graf, der viser en typisk VI kurve og belastning linje fra resultaterne af en simulering program, som jeg produceres i IDL er givet i figur 3,3.
|
Figur 3,3 - IDL produktionen i flere VI kurver med en belastning linje over plottet |
Som det kan ses af figur 3,3, modstanden i bolometer er utrolig høj ved små strømme. The bolometer modstand begynder at falde og til sidst flader ud ved højere strømme, fordi yderligere magt er spredt i absorberen materiale. Hvis stråling er hændelsen på detektoren, vil strømmen spredes i absorberen også stige. Dette har den virkning, kvaser VI kurven som vist i diagrammet ovenfor. Den elektriske strøm spredes i absorberen materiale, som nedstammer i [8], er givet ved,
| (3.7) |
hvor 
repræsenterer en fraktioneret stigning i temperaturen i absorberen, hvor 
repræsenterer absorberen materiale, der ved en temperatur på 
. 
er den statiske termiske ledeevne af den termiske linket på 3 Han køleskabet temperatur (WK -1), som er givet ved følgende magt loven,
| (3.8) |
hvor 
er den statiske termisk ledeevne på 300mK (WK -1), og 
og kaldes den termiske ledningsevne indekset. Udtrykket 
kaldes lastning parameteren og er givet ved ligningen,
| (3.9) |
Det er læsning parameter, der forårsager kvaser effekten af VI kurven, når der er hændelse EM stråling på detektoren.
Som med de fleste fysiske systemer en bolometer ikke reagerer øjeblikkeligt på en øjeblikkelig ændring i input. I mange tilfælde reaktion en detektor til en gradvis ændring af indgangen er en eksponentiel ændring i output. Dette svarer til opladning og afladning af en kondensator i en RC kredsløb.
En bolometer har et fælles energimarked reservoir i varmen kapacitans absorber. Derfor kan en bolometer kan modelleres ved hjælp af en enkelt første ordens differentialligninger, hvilket også betyder, at en bolometer ikke lider fra hukommelsen effekter. Reaktionen kan derfor være karakteriseret af en tidskonstant 
som for en bolometer er givet ved ligningen,
| (3.10) |
hvor 
er absorberen varme kapacitet (JK -1). Den statiske termiske ledningsevne 
er relateret til en værdi af 
på 3 Han køleskabstemperatur ved,
| (3.11) |
Når stråling er hændelsen på detektoren det øger sin temperatur med et mindre beløb, dette påvirker absorbenterne varmekapacitet og den termiske links ledningsevne. Absorberen varmekapacitet ved øget temperatur er relateret til en kendt værdi 
på 300mK af,
| (3.12) |
hvor 
er varmekapacitet indekset. Ser man tilbage på ligning (3.2) og ved hjælp af termer, der defineres ovenfor, kan temperaturen koefficienten af resistens kan omskrives til,
| (3.13) |
hvor 
er den magt loven indekset fra modstand-temperatur forhold i ligning (3.1). Vi ser, at 
er negative for en halvleder bolometer. Dette fører til en værdi af 
der er mindre end beskrevet ved ligning (3.10). Dette skyldes, at elektrotermiske feedback, som er beskrevet i [9]. Vi definerer en ny valgperiode 
som er værdien af 
med en korrektion for elektrotermiske feedback,
| (3.14) |
Denne nye værdi giver os mulighed for at definere en værdi af 
som igen indeholder en korrektion til elektrotermiske feedback,
| (3.15) |
Da den termiske modstand er forudindtaget af en spænding 
den elektriske strøm spredes i absorberen kan gives af 
. En stigning i hændelsen EM signalet vil øge temperaturen i den termiske modstand og dermed også øge sin modstand, hvilket igen vil medføre et fald i spredes magten. Hvis den modstand handler i den stejle del af sin kurve så den samlede effekt spredes i absorberen vil forblive konstant, da vil dens temperatur. Dette system kaldes have negativ elektrotermiske feedback. Dette har den fordel, at den tid konstant til på 
den termiske tidskonstant som anført i (3.10).
Responsivitet
Responsivitet er defineret som en ændring af udgangsspænding for en ændring i hændelsen magten, som i en bolometer svarer til en ændring i temperaturen. Spændingen responsivitet af bolometer er defineret som,
| (3.16) |
og varierer som en funktion af operativsystemet punkt. Hvis signalet på detektoren reguleres gradueringen frekvensen skal være lave nok til, at detektoren kan reagere på ændringen i kraft. Det er vist, at
| (3.17) |
hvor 
Hyppigheden af graduering. Nul frekvens (DC) responsivitet kan vurderes direkte fra belastningskurven bruge udtrykket,
| (3.18) |
hvor er den nul frekvens dynamiske impedans 
(Ohm) i bolometer 
på drift punkt. 
kan påvises at være givet ved,
| (3.19) |
Tid Svar af en bolometer
For hovedparten af bolometers form af VI kurven er domineret af en bagvedliggende magt niveau. Når en lille ekstra signal anvendes på bolometer udrejse fra VI kurven kan antages at være ubetydelige. Dette er kendt som den lille signal tilnærmelse. I den lille signal grænsen dvs. hvor kilde 
baggrund af ændringen i bolometer spænding på grund af en ændring i hændelse stråling magt kan gives af,
| (3.20) |
Ændringen i udgangsspændingen ikke forekommer det samme og ved at sammenligne den bolometer med en RC kredsløb svaret kan modelleres ved en af de to følgende ligninger,
| (3.21) |
Når plottet disse ligninger har følgende form (hvor 
og 
),
|
Figur 3,4 - Grunde V mod tiden for både positive og negative V |
Når store signaler i betragtning, udrejse fra VI kurven ikke længere er ubetydelig. Derfor ændringen i udgangsspændingen grund af en ændring i hændelsen magten ikke kan beregnes ved at anvende responsivitet er det nu givet ved ændringen i drift punkt spænding bolometer. Ved overgangen fra den oprindelige til den endelige VI kurven, varierer tidskonstant af systemet som en funktion af operativsystemet punkt. Derfor bolometer er ikke længere en enkelt tidskonstant enhed og kan ikke modelleres ved at anvende den simple RC kredsløb svar ligninger.
|
Figur 3,5 - VI kurver for en stor signal forandring |
Støj tilsvarende effekt
Af stor betydning for enhver bolometer er støj tilsvarende effekt eller NEP. NEP er kvadratroden af middelkvadratafvigelsen signalstyrke forpligtet til at svare til den geometriske middelværdi af detektoren støj. Det bedste signal-støj-forhold opnås ved en bolometer er givet ved ligningen,
| (3.22) |
Generelt har NEP enheder af 
.
Foton Shot Støj og Wave støj
Hvis vi overvejer partikel billedet af lys og indse, at lyset vil ankomme til detektoren i en vilkårlig eller ukorrelerede måde, kan vi definere foton skudt støj. Foton skud støj er berettiget ved høje frekvenser (hvor fotonen billede af lys er bedst egnede), men ved lavere frekvenser den bølge billede af lys er mere passende, og derfor definerer vi et andet udtryk bølge støj.
Ved anvendelse af Bose-Einstein statistik og antager, at baggrunden for afsløring er i form af en sortlegeme finder vi, at kvadratroden af middelkvadratafvigelsen udsving i antallet af fotoner, der ankommer til tiden , I hyppigheden interval 
V er givet ved,
| (3.23) |
hvor 
, 
= Emissivitet af baggrunden, og 
= Samlet transmissionseffektivitet mellem baggrunden og detektoren. Den supplerende 
Udtrykket tager hensyn til den bølge støj.
Foton Støj Limited NEP
I bedste fald, vil detektoren og efterfølgende komponenter tilføje en ubetydelig mængde ekstra støj til signalet ud til fotonen skud støj. Derfor fotonen støjgrænser følsomheden af de bolometer målingen, er denne ultimative grænse kaldes fotonen støj begrænsede NEP, 
. Dette er givet ved ligningen,
| (3.24) |
Foton Detector Effektivitet
I praksis er det ikke muligt at opnå den foton støjen begrænset S / N, da dette forudsætter, at en perfekt detektor anvendes. Real detektorer forskellige i drift i den omstændighed,
- en reel detektor kan ikke svare på alle foton
- detektoren og dens elektronik producere yderligere støj
To parametre er defineret for at tage hensyn til disse fejl og mangler i brandvisningsanlægget, som er de Responsive Quantum Effektivitet og detektiv quantum-udbyttet.
Responsive Quantum Efficiency (RQE eller 
)
Den RQE eller regnskaber for ufuldkomne absorption af fotoner og defineres som den fraktion af hændelsen fotoner, som bidrager til signalet, naturligvis 
.
Detektiv quantum-udbyttet (DQE)
| (3.25) |
The DQE er forholdet mellem det faktiske følsomhed over for maksimalt opnåelige i princippet. Parameteren tager både absorptionsevne og eventuelle ekstra støj i detektoren i betragtning. Denne parameter kan derfor bruges til at sammenligne forskellige typer af detektor med hinanden.
I praksis biasspænding er valgt for at opnå den højeste DQE for hver detektor. I tilfælde af SPIRE, er det grupper af detektorer, der deler en fælles biasspænding som kan justeres for at opnå en optimal DQE for gruppen.
Andre støjkilder
Johnson Støj
Inden et stykke af en ledende materiale elektronerne har tilfældige termiske bevægelser, da materialet har en endelig temperatur. En bolometric detektor og dens komponenter er - eller kan anses for at være - en modstand med en elektrisk kontakt i hver ende. Hvis der ikke er elektrisk potentiale på tværs af kontakter spændingen i modstanden vil svinge tilfældigt omkring nul volt, det er fordi positive og negative udsving er lige sandsynlige. Den støj magt inden den komponent er imidlertid proportional med udsving spændingen kvadrerede dvs det er altid positivt. Dette kaldes Johnson eller Nyquist Noise.
| (3.26) |
Frekvensspektret af Johnson støj er flad, dvs det er frekvens uafhængig. Dette kan ses af ovenstående ligning, hvor der ikke er nogen frekvens afhængighed. Støj med en flad spektrum kaldes hvid støj.
Phonon Støj
Hidtil har vi anset støj fra fotoner og elektroner, vi nu betragter strømmen af varme til køleprofil som kvantiserede i form af fononer (kvantiseret gitter vibrationer). Dette fører til tilfældige udsving i temperatur bolometer. The Phonon støj NEP, 
, Er,
| (3.27) |
Temperatur Støj
Temperatur støj er forårsaget af den omstændighed, at kølelegemet ikke er en konstant temperatur og varierer lidt over tid. Temperaturen støj NEP, 
er,
| (3.28) |
hvor 
er den spektrale intensitet af udsving i temperatur kølelegeme (K 2 Hz -1).
1 / f Støj
Denne kilde til støj er meget vigtig i praktisk anvendelse, selv om årsagerne er ofte ikke særlig godt forstået. For de fleste enheder er store støjniveauer fundet ved lave frekvenser.
|
Figur 3,6 til 1 / f Støj |
Minimering Støj
Støj påvirker resultaterne i en nedværdigende måde, og derfor har vi ansætte flere teknikker (for at mindske dens virkninger.
- Gør stillingen afsløring båndbredde så lille som muligt
- Prøv at undgå at måle signaler (eller frekvensbånd), som falder sammen med diskrete frekvens forstyrrelser kilder
- Sørg for, at signalet frekvens (eller frekvensbånd) er høj nok til ikke at blive påvirket af betydelige mængder af støj.
På grund af 
støj er det ikke muligt at observere en kilde i lange perioder af løbende overvågning, og dette ville indebære arbejder ved meget lave frekvenser, hvor 
støj vil være betydelige. En teknik, der anvendes til at undgå 
støj er til at modulere signalet med en frekvens, som er høj nok, at 
er ikke længere signifikant. Gradueringen frekvens kan dog ikke være så høj, at detektorer frekvensgangen resulterer i et tab i signal. En yderligere fordel for graduering teknik er, at det kan bruges til at trække baggrunden fra et signal ved at skifte mellem kilde signal og en baggrund signal, og dette er kendt som â € ~ choppingâ € ™ i FIR / sub-mm observationer.
Den samlede støj i et system vil være en kombination af alle de enkelte støjkilder til stede som beskrevet tidligere. Vi antager, at alle støjkilder er ukorrelerede, dvs værdien af den ene er ikke afhængig af nogen anden. Da de er ukorrelerede tilføje dem normalt ikke ville tage højde for de faser af den støj, derfor tager vi geometriske middelværdi af støjen (RMS værdi) som undertiden støjkilder kan annullere hinanden.
| (3.29) |
hvor 
er støj spændingen spectral density (VHz -1 / 2) fra hver af støjen bidrag.
Samlet Støj og NEP
Det er muligt at definere NEP på følgende måde, det signal magt, som giver en S / N af 1 i en integration tid på 0,5 sekunder. Hvis vi lader 
= Detektor responsivitet (VW -1), 
= Elektromagnetisk effekten af den indfaldende på detektoren (W), og 
= Total støj spænding spectral density, kan signalet spænding blive skrevet,
| (3.30) |
Støjen spænding vil derefter blive givet af,
| (3.31) |
Af definitionen af NEP, hvis 
så signalspænding 
. Derfor får vi en ligning for NEP i form af støj spænding spectral density og responsivitet,
| (3.32) |
Hvis andele NEP normalt gives som WHz -1 / 2, på Hz -1 / 2 betingelser henvises der til stillingen afsløring båndbredde eller det omvendte af integrationen tid.
- Teori om støj tilsvarende effekt af en høj temperatur superleder fjern-infrarøde bolometer i en foto-... Theor y af støj tilsvarende effekt af en høj temperatur superleder fjern-infrarøde bolometer i en foto-termoelektrisk driftsform Theory af støj tilsvarende effekt af en høj temperatur superleder langt infraredbolometer på et foto
- 1 Indledning (PDF) ... En revideret udgave af Griffin & Holland ideel halvleder bolometer. Modellen præsenteres og dens anvendelse i ... baseret på de ikke-ligevægt bolometer teori om. Mather [10], men formodes ... astro.cf.ac.uk / grupper / ... / Sudiwala_et_al_IJMM_ bolometer _paper.pdf
- En simpel teori for fast-backed bolometers En enkel teori for fast-backed bolometers En enkel teori for fast-backed bolometers En simpel teori er foreslået at forklare frekvenskarakteristik af fast-backed bolometers. Det forudsætter en endimensional varmestrøm gennem bolometer
- HØJT PRECISION KARAKTERISERING af halvleder BOLOMETERS (PDF) ... meter, ved hjælp af bolometer modellen præsenteret i Sudiwala et ... en tilstræk? kelig ensartet doping. Ideel bolometer teori [1, 2, 7] kan anvendes til ... astro.cf.ac.uk / grupper / ... / Woodcraft_et_al_IJMM_ bolometer _paper.pdf
- DOE Dokument - Nonequilibrium teori om en hot-elektron bolometer med normal metal-isolator-superleder tunnel ... Driften af hot-elektron bolometer med normal metal-isolator-superleder (NIS) tunnel vejkryds som en temperaturføler er analyseret teoretisk. The responsivitet og støj tilsvarende effekt (NEP) i bolometer er fremstillet
- Image Processing og mindste kvadraters rekonstruktioner (PDF) ... opnås ved at tage hensyn til den sædvanlige billede. resampling teori i formuleringen af det mindste kvadraters problem ... rastersimulering fordi binde bolometer nul point til en flux i
- En mikrokalorimetret og bolometer Model A mikrokalorimetret og bolometer model A mikrokalorimetret og bolometer model Det standard ikke-ligevægt teori om støj i ideal bolometers og microcalorimeters undlader at forudsige resultater af reelle udstyr som følge af yderligere virkninger
Ki Toy Johnson Pic ...
Jeg googlede efter noget helt andet, men fandt din side ... og er nødt til at sige tak. nice læs ....
Godt klaret Steven. Noget meget vigtigt at huske, er, at alle har brug for en god indledende henvisning til at forstå de grundlæggende, før du søger avancerede specialitet emner baseret på fundamentet af det grundlæggende. En forståelse af de grundlæggende er nok for de fleste mennesker til at få succes.
Din webside er en glimrende indledning reference. Hvis din karrierevej fører dig til forskning mere af de avancerede finesser af bolometers og du i sidste ende udgive, skal du fastholde og offentliggøre nærværende organ arbejde samt at tjene som indledende materiale til første-timere. Jeg er enig med Ki. Din webside på bolometer teori er en god læser.
J
Jeg fandt din forelæsning mest nyttige i at udvikle en forståelse af bolometer parametre og karakteristika. Jeg er en 4. semester studerende på elektroteknik og er i øjeblikket engageret i et projekt med mikrobolometer. I denne henseende vil jeg være greteful hvis du kan sende relevant litteratur.
Jeg fandt yr lucture det er meget nyttigt for min forskning dels fordi jeg ikke ved noget om bolometer. Men jeg har stadig problem at se billedet i din webside. Hvad skal jeg gøre? Jeg prøver at downloade din pdf.file, men det virker ikke også.
Tøv ikke med at give nogle forslag. Min e-mail: jiku_jung9@hotmail.com
Ikke at jeg ønsker at kopiere din hjemmeside, men jeg virkelig elsker udseendet. Kan du fortælle mig, hvilket tema bruger du? Eller var det gjort skik?
Tema er forbundet nederst på denne side (i bunden).
Billeder og PDF restaureret, sorry for de problemer,
Kære Steven
Jeg fandt din forelæsning så nyttige, men jeg kan ikke se billeder eller finde pdf.
ville du hjælpe mig, hvad jeg Shoud gøre?
Med venlig hilsen
Kære steven
Mange tak for jeres vidunderlige foredrag, men jeg kan ikke downloade "Simulering SPIRE hjælp IDL", kan du sende det til mig? Tak på forhånd.
E-mail: lhfsemail@gmail.com
Kan du venligst sende mig en mail. Jeg kan virkelig godt lide dit design.