Teoría bolómetro
Lo que sigue es un capítulo de mi informe del año final sobre "Simulación de SPIRE utilizando IDL. Al investigar el proyecto me resultó difícil encontrar alguna introducción básica a la teoría bolómetro, así que decidí poner mi versión en línea. También puedes ver el capítulo en el contexto completo de la descarga de mi informe cuarto informe: Simulación de SPIRE utilizando IDL .
- Principios básicos
- Constante de tiempo
- Responsividad
- Tiempo de respuesta de un Bolómetro
- Ruido equivalente de energía
- Photon tiro Ruido El ruido y la onda
- Photon NEP ruido Limitada
- La eficiencia del detector de fotones
- Otras fuentes de ruido
- Reducir al mínimo el ruido
- Además de los términos de ruido
- En general el ruido y NEP
Principios básicos
Un bolómetro es un dispositivo que detecta la radiación entrante produciendo un cambio en la resistencia eléctrica proporcional a la cantidad de radiación entrante received. la radiación es absorbida por el bolómetro que causa un aumento en su temperatura, que a su vez causa un cambio en su resistencia eléctrica .
Las características esenciales de un bolómetro son los siguientes:
Figura 3.1 - Esquema de un detector de bolométrica
El propio bolómetro se compone de un material absorbente vinculados con un disipador de calor de Incoming temperature. electromagnética fijo (EM) la radiación es absorbida por el material de aumentar la energía cinética de electrons. libre Las colisiones de electrones libres con los átomos en el enrejado que el material vibraciones que se observan como un cambio en la temperatura.
Los materiales típicos para el termómetro son semiconductores tales como germanium. dopado La resistencia de un cambio material de manera significativa para un pequeño cambio en la temperatura y se caracteriza por la ecuación,
| (3.1) |
donde 
es una constante llamada el parámetro de resistencia (ohmios), 
es la resistencia (ohmios), 
es la temperatura de la resistencia, y 
(K) es la banda de material de la temperatura brecha. El valor de 
se llama el parámetro de material y se le da el símbolo 
. El coeficiente de temperatura de la resistencia es definida por,
| (3.2) |
Las operaciones de un detector de bolómetro se ilustra en la Figura 3.1. El bolómetro a temperatura 
está relacionada con un disipador de calor de temperatura fija 
por una conductividad térmica 
. Un sesgo de corriente continua 
fluye a través del bolómetro generar un voltaje 
. Cambios en la potencia de radiación entrante 
dar lugar a cambios en la resistencia 
, Y por lo tanto en la tensión de salida 
. La polarización bolómetro típicos y circuito de lectura se ilustra en la Figura 3.2.
|
Figura 3.2 - circuito de polarización Bolómetro y la lectura |
La corriente que fluye a través de la resistencia provoca una disipación de la energía 
en el material absorbente. Además, la cantidad de energía radiante absorbida por el amortiguador se denota por 
. La potencia total disipada en el bolómetro 
tanto, es dada por,
| (3.3) |
En condiciones de estado estacionario, la energía absorbida por el absorbente se elimina el disipador de calor por el enlace térmico, este viene dado por la siguiente relación,
| (3.4) |
El voltaje de corriente continua-corriente (VI) de la curva para el bolómetro se define por las ecuaciones,
| (3.5) |
En la práctica el bolómetro está sesgada por una batería de tensión V 0 y resistencia de carga R L. La resistencia de la resistencia de carga es normalmente diseñado para ser mucho más alta que la resistencia del bolómetro lo largo de su rango de operación. Esto es para mantener la corriente que pasa a través de la bolómetro en un nivel estable de modo que la potencia disipada en el bolómetro por el termómetro de resistencia se mantiene relativamente constante.
El punto de funcionamiento del bolómetro entonces se da en la intersección de la curva de carga y la línea de carga, determinada por la ecuación,
| (3.6) |
Un gráfico que muestra una típica curva VI y la línea de carga de los resultados de un programa de simulación que produjo en IDL se da en la Figura 3.3.
|
Figura 3.3 - IDL de salida de varias curvas VI con una línea de carga de más de trazado |
Como puede verse en la Figura 3.3, la resistencia del bolómetro es muy alta en las corrientes pequeñas. La resistencia bolómetro comienza a disminuir y eventualmente se nivela a corrientes más altas porque la energía adicional se disipa en el material absorbente. Si la radiación incide sobre el detector, la potencia disipada en el absorbedor también aumentará. Esto tiene el efecto de aplastamiento de la curva VI, como se muestra en el diagrama anterior. La energía eléctrica se disipa en el material absorbente, tal como se desprende en [8], viene dado por,
| (3.7) |
donde 
representa un incremento fraccional en la temperatura del absorbedor, donde 
representa el material absorbente de estar a una temperatura de 
. 
es la conductividad térmica estática de la relación térmica en la temperatura del refrigerador El 3 (WK-1), que viene dada por la ley de la potencia siguiente,
| (3.8) |
donde 
es la conductividad térmica estática en 300mK (WK-1), y 
y se llama el índice de conductividad térmica. El término 
se llama el parámetro de carga y está dada por la ecuación,
| (3.9) |
Es el parámetro de carga que hace que el efecto de aplastamiento de la curva VI cuando incide la radiación electromagnética en el detector.
Como con la mayoría de los sistemas físicos un bolómetro no responde al instante a un cambio instantáneo en sus entradas. En muchos casos la respuesta de un detector a un cambio de ritmo en la entrada es un cambio exponencial en la salida. Esto es análogo a la carga y descarga de un condensador en un circuito RC.
Un bolómetro tiene un depósito único de la energía en la capacidad de calor del absorbedor. Por lo tanto un bolómetro se puede modelar mediante una sola ecuación diferenciales de primer orden, lo que también significa que un bolómetro no sufre de los efectos de memoria. La respuesta por lo tanto puede ser caracterizada por una constante de tiempo 
que por un bolómetro está dada por la ecuación,
| (3.10) |
donde 
es la capacidad de absorción de calor (JK -1). La conductividad térmica estática 
se relaciona con un valor de la 
en el refrigerador la temperatura El 3 por,
| (3.11) |
Cuando la radiación incide sobre el detector aumenta su temperatura en una pequeña cantidad, esto afecta a la capacidad calorífica amortiguadores y la conductancia térmica enlaces. La capacidad de absorción de calor en el aumento de la temperatura se relaciona con un valor conocido 
en 300mK por,
| (3.12) |
donde 
es el índice de capacidad de calor. Volviendo a la ecuación (3.2) y el uso de los términos definidos anteriormente, el coeficiente de temperatura de la resistencia se puede reescribir como,
| (3.13) |
donde 
es el índice de ley de potencia de la relación resistencia-temperatura en la ecuación (3.1). Vemos que 
es negativo para un bolómetro semiconductor. Esto conduce a un valor de 
que es más pequeño que el descrito por la ecuación (3.10). Esto se debe a los comentarios de electrotérmico que se describe en [9]. Se define un nuevo término 
que es el valor de 
con una corrección por los comentarios electrotérmico,
| (3.14) |
Este nuevo valor que nos permite definir un valor de 
que a su vez contiene una corrección para comentarios electrotérmico,
| (3.15) |
A medida que la resistencia térmica está sesgada por una tensión 
la potencia eléctrica disipada en el amortiguador se puede dar por 
. Un aumento en la señal del incidente EM aumentará la temperatura de la resistencia térmica y por lo tanto también aumentan su resistencia, lo que a su vez provocará una disminución de la potencia disipada. Si la resistencia está actuando en la parte empinada de la curva, entonces la potencia total disipada en el absorbedor se mantendrá constante, al igual que su temperatura. Este sistema se conoce como tener comentarios negativos electrotérmica. Esto tiene la ventaja de reducir el tiempo constante de 
la constante de tiempo térmica como se indica en (3.10).
Responsividad
Responsividad se define como el cambio de tensión de salida para un cambio en la energía incidente, que en un bolómetro es equivalente a un cambio en la temperatura. La responsividad de tensión de la bolómetro se define como,
| (3.16) |
y varía en función del punto de funcionamiento. Si la señal en el detector se modula la frecuencia de modulación debe ser lo suficientemente baja para que el detector puede responder al cambio en el poder. Se muestra que,
| (3.17) |
donde 
frecuencia de modulación. La frecuencia cero (corriente continua) responsividad se puede evaluar directamente de la curva de carga utilizando la expresión,
| (3.18) |
donde es la frecuencia cero impedancia dinámica 
(Ohmios) del bolómetro 
en el punto de funcionamiento. 
puede ser demostrado ser propuesta por,
| (3.19) |
Tiempo de respuesta de un Bolómetro
Para la mayoría de los bolómetros la forma de la curva VI está dominada por una potencia de fondo. Cuando una señal más pequeña se aplica a la bolómetro la salida de la curva VI se puede suponer que sea insignificante. Esto se conoce como la aproximación de pequeña señal. Es decir, en la señal de límite de pequeñas donde la fuente 
de fondo el cambio en el voltaje de bolómetro debido a un cambio en el poder, la radiación incidente puede ser propuesta por,
| (3.20) |
El cambio en la tensión de salida no se produce de forma instantánea y al comparar el bolómetro con un circuito RC de la respuesta puede ser modelado por cualquiera de las dos ecuaciones siguientes,
| (3.21) |
Cuando se trazan estas ecuaciones tienen la forma siguiente (donde 
y 
),
|
Figura 3.4 - Parcelas de V contra el Tiempo de tanto positivos como negativos V |
Cuando las señales grandes se consideran, la salida de la curva VI ya no es despreciable. Por lo tanto el cambio en la tensión de salida debido a un cambio en la potencia incidente no puede ser calculado mediante la aplicación de responsividad que se da ahora por el cambio en la tensión del punto de funcionamiento del bolómetro. Al pasar de la primera a la última curva VI, la constante de tiempo del sistema varía en función del punto de funcionamiento. Por lo tanto el bolómetro ya no es un momento único dispositivo constante y no se puede modelar mediante la aplicación de las ecuaciones simples RC respuesta del circuito.
|
Figura 3.5 - VI curvas para un cambio de gran señal |
Ruido equivalente de energía
De gran importancia para cualquier bolómetro es el ruido equivalente de energía o NEP. La NEP es la raíz cuadrada media de intensidad de la señal necesaria para igualar la media cuadrática del ruido del detector. La mejor relación señal / ruido podría obtener un bolómetro está dada por la ecuación,
| (3.22) |
En general, el NEP tiene las unidades de 
.
Photon tiro Ruido El ruido y la onda
Si tenemos en cuenta la imagen corpuscular de la luz y darse cuenta de que la luz llegue al detector de forma aleatoria o no correlacionadas, podemos definir el ruido fotónico tiro. el ruido de fotones tiro es justificable en las frecuencias altas (donde la imagen de fotones de la luz es la más adecuada), pero a frecuencias más bajas la imagen ondulatoria de la luz es más apropiado y por lo tanto, definir otro ruido de la onda plazo.
Mediante la aplicación de la estadística de Bose-Einstein y suponiendo que el fondo para la detección es en la forma de un cuerpo negro nos encontramos con que la raíz cuadrada media de las fluctuaciones en el número de fotones que llegan a tiempo , En el intervalo de frecuencia 
V viene dada por,
| (3.23) |
donde 
, 
= Emisividad del fondo, y 
= Eficiencia de la transmisión general entre el fondo y el detector. Los otros 
término tiene en cuenta por el ruido de olas.
Photon NEP ruido Limitada
En el mejor de los casos, el detector y componentes posteriores a añadir una cantidad insignificante de ruido adicional a la señal, además del ruido de disparo de fotones. Por lo tanto, el ruido fotónico límites de la sensibilidad de la medición bolómetro, este límite máximo se llama el ruido fotónico limitado NEP, 
. Esto viene dado por la ecuación,
| (3.24) |
La eficiencia del detector de fotones
En la práctica no es posible obtener el ruido fotónico limitado S / N, esto supone que un detector perfecto se utiliza. detectores Real difieren en funcionamiento en el hecho de que,
- un detector real no puede responder a cada fotón
- el detector y su electrónica producen ruido adicional
Dos parámetros se definen con el fin de tener en cuenta estas deficiencias en el sistema de detección, que son los Sensible eficiencia cuántica y la eficiencia cuántica detective.
Sensible eficiencia cuántica (o RQE 
)
El RQE o las cuentas para la absorción de fotones imperfecta y se define como la fracción de fotones incidentes que contribuyen a la señal, obviamente 
.
Eficiencia cuántica de detección (DQE)
| (3.25) |
El DQE es la razón de la sensibilidad real de máxima alcanzable en principio. El parámetro tiene en cuenta tanto la eficacia de absorción y ningún ruido adicional generado en el detector en cuenta. Este parámetro por lo tanto pueden ser utilizados para comparar los diferentes tipos de detectores entre sí.
En la práctica, la tensión de polarización se elige con el fin de obtener el máximo DQE para cada detector. En el caso de SPIRE, que son los grupos de detectores que comparten un voltaje de polarización común que se puede ajustar para obtener un DQE óptima para el grupo.
Otras fuentes de ruido
Johnson ruido
Dentro de cualquier pieza de cualquier material que conduce los electrones tener al azar movimientos térmicos debido a que el material tiene una temperatura finita. Un detector de bolométrica y sus componentes son - o puede ser considerado - una resistencia con un contacto eléctrico en cada extremo. Si no hay un potencial eléctrico a través de los contactos de la tensión en la resistencia fluctuará aleatoriamente alrededor de cero voltios, esto se debe a las fluctuaciones de positivos y negativos son igualmente probables. La potencia de ruido dentro del componente Sin embargo, es proporcional a la fluctuación de voltaje es decir, al cuadrado es siempre positivo. Esto se llama Johnson o ruido de Nyquist.
El ruido de Johnson NEP, 
, Es decir,
| (3.26) |
El espectro de frecuencias del ruido Johnson es plana, es decir que es independiente de la frecuencia. Esto puede verse en la ecuación anterior, donde no hay dependencia de la frecuencia. Ruido con un espectro plano se denomina ruido blanco.
Fonón ruido
Hasta ahora hemos considerado el ruido creado a partir de los fotones y electrones, que ahora consideramos el flujo de calor en el disipador de calor como cuantificados en forma de fonones (cuantificada vibraciones de la red). Esto conduce a fluctuaciones aleatorias en la temperatura del bolómetro. El ruido fonón NEP, 
, Es decir,
| (3.27) |
Temperatura de ruido
Temperatura de ruido es causado por el hecho de que el disipador de calor no está a una temperatura constante y varía ligeramente con el tiempo. La temperatura de ruido del NEP, 
es decir,
| (3.28) |
donde 
es la intensidad espectral de las fluctuaciones en la temperatura del disipador de calor (K 2 Hz -1).
1 / f ruido
Esta fuente de ruido es muy importante en las aplicaciones prácticas, aunque las causas son muchas veces no entiende muy bien. Para la mayoría de los dispositivos, grandes niveles de ruido se encuentran en las frecuencias bajas.
|
Figura 3.6 - 1 / f ruido |
Reducir al mínimo el ruido
El ruido afecta a los resultados de una manera degradante y por lo tanto, emplean diversas técnicas (con el fin de reducir sus efectos.
- Hacer que el ancho de banda de detección mensaje lo más pequeño posible
- Trate de evitar las señales de medición (o banda de frecuencia), que coinciden con discretos de fuentes de interferencia de frecuencia
- Asegúrese de que la frecuencia de la señal (o banda de frecuencias) es lo suficientemente alto como para no verse afectados por una cantidad significativa de ruido.
Debido a 
el ruido no es posible observar una fuente por largos períodos de observación continua, lo que implicaría trabajar a frecuencias muy bajas, donde la 
el ruido sería significativo. Una de las técnicas utilizadas para evitar 
el ruido es para modular la señal con una frecuencia que sea suficientemente alto para que 
ya no es significativa. La modulación de frecuencia no puede, sin embargo, ser tan alto que los resultados de los detectores de frecuencias de respuesta en una pérdida de señal. Otra ventaja de la técnica de modulación es que se puede utilizar para quitar el fondo de una señal de conmutación entre la señal de origen y una señal de fondo, lo que se conoce como â € ~ € ™ choppingâ en la FIR / sub-mm observaciones.
Además de los términos de ruido
El total de ruido en un sistema será la combinación de todas las fuentes de ruido presentes como se describió anteriormente. Suponemos que todas las fuentes de ruido, es decir, se correlaciona el valor de uno no depende de ningún otro. A medida que ellos no están correlacionados añadiendo que normalmente no tendrían en cuenta las fases del ruido, por lo tanto tomamos la media cuadrática del ruido (valor eficaz) como a veces las fuentes de ruido puede cancelar unos a otros.
| (3.29) |
donde 
es el ruido del voltaje de densidad espectral (VHZ -1 / 2) de cada una de las contribuciones de ruido.
En general el ruido y NEP
Es posible definir la NEP de la siguiente manera, la potencia de la señal que da un S / N de 1 en un tiempo de integración de 0.5 segundos. Si dejamos que 
= Detector de responsividad (VW-1), 
= Energía electromagnética incidente en el detector (W) y, 
= Densidad total voltaje del ruido espectral, el voltaje de la señal se puede escribir,
| (3.30) |
La tensión de ruido será dada por,
|
| (3.31) |
Por la definición de la NEP, si 
entonces la señal de tensión 
. Por lo tanto, obtener una ecuación de la NEP en términos de la densidad espectral de ruido de tensión y la responsividad,
| (3.32) |
Las unidades de la NEP se dan normalmente como PT -1 / 2, el -1 / 2 Hz términos se refiere al ancho de banda de detección de correo o la inversa del tiempo de integración.
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Busqué en Google para algo completamente diferente, pero se encontró la página ... y tengo que decir gracias. buena información ....
Bien hecho Steven. Algo muy importante a recordar es que todo el mundo necesita una buena referencia de introducción para entender los conceptos básicos antes de continuar con temas avanzados de especialidad sobre la base de la fundación de las bases. La comprensión de los conceptos básicos es suficiente para la mayoría de la gente para tener éxito.
Su página web es una referencia excelente introducción. Si su trayectoria profesional le lleva a la investigación más avanzada de las sutilezas de bolómetros y se publica con el tiempo, por favor, mantener y publicar este cuerpo actual de trabajo y para servir como material introductorio para el por primera vez. Estoy de acuerdo con Ki. Su página web en la teoría bolómetro es una buena lectura.
J
He encontrado su conferencia de gran ayuda en el desarrollo de la comprensión de los parámetros bolómetro y características. Soy un estudiante de cuarto semestre de ingeniería eléctrica y actualmente estoy trabajando en un proyecto la participación microbolómetro. A este respecto, se greteful si enviar la documentación pertinente.
He encontrado lucture año es muy útil para mi parte de investigación porque no sé nada de bolómetro. Pero todavía tengo problemas para ver la imagen en su página web. ¿Qué debo hacer? Trato de descargar su pdf.file pero no funciona también.
Por favor, no dude en dar alguna sugerencia. Mi e-mail: jiku_jung9@hotmail.com
No es que quiera copiar su sitio web, pero realmente me encanta el look. ¿Podría decirme qué tema se está usando? ¿O fue por encargo?
El tema está vinculado en la parte inferior de esta página (en el pie de página).
Imágenes y PDF restaurado, lo siento por los problemas
queridos steven
He encontrado su conferencia tan útil, pero no puedo ver fotos o encontrar el pdf.
¿podría por favor ayudarme a lo que debería hacerla?
Atentamente
Estimado steven
Muchas gracias por su lectura maravillosa, pero no puedo descargar el "Simulación de SPIRE utilizando IDL", ¿Podría usted enviar a mí? Gracias de antemano.
Correo electrónico: lhfsemail@gmail.com
¿Puedes por favor enviarme un correo electrónico. Me gusta mucho su diseño.