Bolometri teoria

By Steven Lloyd Watkin maanantaina 18 kesäkuu 2007 15:55

Seuraavassa on luku minun viimeinen vuosi kertomus "simulointi SPIRE käyttäen IDL". Kun tutkii hankkeen löysin vaikea löytää johdantona bolometri teoriaa, joten päätin laittaa version verkossa. Voit myös nähdä luvun kokonaisuuden kannalta lataamalla minun neljäs raportti raportti: simulointi SPIRE käyttäen IDL .

  • Perusperiaatteet
  • Aikavakio
  • Reagointityyliin
  • Aikavasteen bolometri
  • Melu vastaavan tehoinen
    • Photon Shot Melu ja aallot
    • Photon Melu Limited NEP
  • Photon Detector Tehokkuus
  • Muut melulähteet
  • Minimointi Noise
  • Lisäksi melun Ehdot
  • Kaiken Melu ja NEP

Perusperiaatteet

Bolometri on laite, joka tunnistaa tulevan säteilyn tuottamalla muutos sähkövastus verrannollinen säteilyn received. tulevan säteilyn imeytyy bolometri mikä aiheuttaa lisää sen lämpötilan, joka puolestaan ​​aiheuttaa muutoksia sen sähkövastusta .

Olennaiset piirteet bolometri ovat seuraavat:

Kuva 3.1 - Kaavio Bolometric Detector

The bolometri itse käsittää absorboivaa materiaalia liittyy jäähdytyselementin kiinteän temperature. saapuvan sähkömagneettisen (EM) säteily imeytyy materiaalin kasvava liike-energian vapaan electrons. yhteenajoista on vapaita elektroneja ja atomeja aineiston aiheuttaa hilan tärinää, joka havaitaan kuin lämpötilan muutoksen.

Tyypillisiä materiaaleja lämpömittari puolijohteet kuten dopingia germanium. Vastus tällaisen materiaalin muuttuu merkittävästi ja pieni muutos lämpötilan ja voidaan luonnehtia yhtälö,

(3.1)

jossa on vakio nimeltä vastus parametri (ohmia), on resistanssi (ohmia), on lämpötila vastus, ja (K) on materiaalin välisen aukon lämpötila. Arvo kutsutaan materiaali parametri ja annetaan merkki . Lämpötilakerroin vastarinta on määritelty,

(3.2)

Toiminta bolometri ilmaisin Kuvassa 3.1. Bolometri lämpötilassa liittyy jäähdytyselementin kiinteän lämpötilan jonka lämmönjohtavuus . Dc bias nykyinen virtaa bolometri tuottaa jännitteen . Muutokset saapuvan säteilyn teho aiheuttaa muutoksia vastus , Ja siksi lähtöjännite . Tyypillinen bolometri painottamisen ja lukema piiri on kuvattuna kuvassa 3.2.

Kuva 3.2 - bolometri painottamisen ja lukema piiri

Nykyinen joka virtaa vastuksen aiheuttaa Tehohäviö osaksi absorboivaa materiaalia. Lisäksi määrä säteilevä absorboima energia vaimentimen merkitään . Kokonaisteho hajoaa bolometri on siis antaa,

(3.3)

Vakaassa tilassa energiaa absorboi vaimentimen poistetaan sen siili, jonka lämpö-linkkiä, se ilmoitetaan seuraava suhde,

(3.4)

Tasajännite-virta (VI) käyrä bolometri määritellään yhtälöillä,

(3.5)

Käytännössä bolometri on puolueellinen akun jännite V 0 ja kuorman resistanssi R L. Vastus kuorman vastus on yleensä suunniteltu paljon suurempi kuin vastus bolometri koko sen toiminta-alueella. Tämä on säilyttää nykyinen kulkee bolometri vakaana tasolla, niin että virta hajoaa bolometri vastus lämpömittari pysyy jokseenkin vakiona.

Liiketoiminnan piste bolometri on tällöin risteyksessä kuormituskäyrän ja lastiviivan, määritetään yhtälön

(3.6)

Kaavion tyypillinen VI käyrä ja kuorman linja tulosten simulointi ohjelma, että olen tuotettu IDL on kuvassa 3.3.

Kuva 3.3 - IDL tuotos useita VI käyriä Lastiviivavaatimukset yli piirretty

Kuten voidaan nähdä kuvassa 3.3, vastus bolometri on uskomattoman suuri pienillä virtauksia. The bolometri vastus alkaa vähentyä ja lopulta tasoittuu suurempi virta, koska lisävirtaa vaimentavat osaksi absorboivaa materiaalia. Jos säteilyn tulosuunnan ilmaisimen, virta hajoaa vaimentimen lisääntyy myös. Tämä vaikutus on squashing VI käyrä näy kuvassa yllä. Sähköenergia hajoaa absorboivaa materiaalia, kuten johdetaan [8], on antanut,

(3.7)

jossa edustaa murto lämpötilan nousu on astian, jossa edustaa vaimentimen materiaalin lämpötila . on staattinen lämmönjohtavuus termisen linkin 3 Hän jääkaappikylmää (WK -1), joka saadaan seuraavasti valta oikeudessa

(3.8)

jossa on staattinen lämmönjohtavuus on 300mK (WK -1), ja ja on nimeltään lämmönjohtavuus indeksi. Termi kutsutaan latausparametri ja yhtälöstä,

(3.9)

Se on latausparametri joka aiheuttaa squashing vaikutus VI käyrä kun on tapaus EM säteilyn ilmaisin.

Aikavakio

Kuten useimmat fyysiset järjestelmät bolometri ei vastata heti sen hetkessä muuttaa sen tuloa. Monissa tapauksissa vastaus tunnistin askel muutoksen tulo on eksponentiaalinen muutos tuotoksesta. Tämä on analoginen lataaminen ja purkaminen kondensaattori RC-piirin.

Bolometri on yksi energia säiliö helteessä kapasitanssi vaimentimen. Siksi bolometri voidaan mallintaa yhden ensimmäisen kertaluvun differentiaaliyhtälö, tämä tarkoittaa myös sitä, että bolometri ei kärsi muisti vaikutuksista. Vastaus voi siis olla ominaista aikavakio josta bolometri on yhtälöstä,

(3.10)

jossa on vaimentimen lämpökapasiteetti (JK -1). Staattinen lämmönjohtavuus liittyy arvo klo 3 Hän jääkaapin lämpötilaa,

(3.11)

Kun säteilyn tulosuunnan ilmaisimen se nostaa sen lämpötilaa pienen määrän, mikä vaikuttaa absorptioastioissa lämpökapasiteetti ja lämpö linkkejä johtokyky. Absorboija lämpökapasiteetti on lisääntynyt lämpötila liittyy tunnettu arvo klo 300mK mennessä,

(3.12)

jossa on lämpökapasiteetti indeksi. Katse takaisin yhtälöön (3.2) ja käyttäen termejä edellä määritellyistä, lämpötilakerroin vastustuskyvyn voidaan kirjoittaa niin,

(3.13)

jossa on valta laki indeksi vastus lämpötilan suhde yhtälössä (3.1). Näemme, että on negatiivinen puolijohde bolometri. Tämä johtaa arvon joka on pienempi kuin edellä yhtälön (3.10). Tämä johtuu sähkötermisiin palautetta, joka on kuvattu [9]. Meillä määritellä uusi termi joka on arvo kanssa korjaus sähkötermisiin palautetta

(3.14)

Tämä uusi arvo antaa meille mahdollisuuden määrittää arvon joka taas sisältää korjauksen sähkötermisiin palautetta

(3.15)

Koska terminen vastus on puolueellinen jännite sähköenergia haihtui osaksi vaimentimen voidaan antaa . Kasvu tapaus EM signaali kasvaa lämpötilan lämpö vastuksen ja siten myös lisätä vastustusta, mikä puolestaan ​​aiheuttaa laskua haihtui valtaa. Jos vastus toimii jyrkkä osa sen käyrän sitten kokonaisteho hajoaa vaimentimen pysyy vakiona, samoin kuin sen lämpötila. Tämä järjestelmä on tarkoitettu olevan kielteisiä elektrotermistä palautetta. Tämä on etu vähentää aikavakio on tehty lämpöaikavakio esitetyn (3,10).

Reagointityyliin

Reagointityyliin määritellään muutos jännite muutosta tapahtumasta voima, joka bolometri vastaa lämpötilan muutoksen. Jännite reagointityyliin on bolometri on määritelty,

(3.16)

ja vaihtelee Toimintaympäristön pisteen. Jos signaalin ilmaisin on moduloitu mukauttamisesta taajuus on niin pieni, että ilmaisimen voi vastata muutoksen voima. On osoitettu, että

(3.17)

jossa taajuus modulaatio. Nolla taajuus (dc) vaste voidaan arvioida suoraan kuormituskäyrä kaavasta,

(3.18)

jossa on nollataajuuden dynaaminen impedanssi (Ohmia) ja bolometri käyttöpisteessä. voidaan osoittaa saa antaa,

(3.19)

Aikavasteen bolometri

Suurimmalla osalla bolometers muoto VI käyrä dominoi tausta teholla. Kun pieni ylimääräinen signaali tulee bolometri lähtöä VI käyrä voidaan olettaa olevan vähäinen. Tämä on tunnettu pieni signaali lähentämisestä. Vuonna pienen merkin raja eli jos lähde tausta muuttuu bolometri jännite johtuu muutoksesta tapaus säteilyteho voidaan antaa,

(3.20)

Muutos jännite ei tapahdu hetkessä ja vertaamalla bolometri kanssa RC-piirin vastaus voidaan mallintaa jompikumpi seuraavista yhtälöistä,

(3.21)

Kun piirretään nämä yhtälöt ovat seuraavassa muodossa (jos ja ),

Kuva 3.4 - Tontit V vastaan ​​aika sekä myönteisiä että kielteisiä V

Kun suuret signaalit katsotaan, lähtö VI käyrä ei enää vähäinen. Siksi muutos jännite johtuu muutoksesta tapahtuma valtaa ei voida laskea soveltamalla reagointityyliin nyt antama toimintaympäristön muutos jännite on bolometri. Siirryttäessä alkuperäisestä lopulliseen VI käyrä, aikavakio järjestelmän vaihtelee Toimintaympäristön pisteen. Siksi bolometri enää yhden aikavakion laitteeseen ja ei voida mallintaa soveltamalla yksinkertaisia ​​RC-piirin vasteen yhtälöitä.

Kuva 3.5 - VI käyrät suuri signaalin muutos

Melu vastaavan tehoinen

Suuri merkitys jollekin bolometri on Noise vastaavan tehoinen tai NEP. NEP on tehollisarvo potenssiin signaali tarvitaan yhtä neliöllinen ilmaisimen kohina. Paras signaali / kohina-suhde saavutettavissa bolometri on yhtälöstä,

(3.22)

Yleisesti ottaen NEP on yksikköä .

Photon Shot Melu ja aallot

Jos tarkastelemme hiukkasen kuvan valon ja ymmärtää, että valo saapuu ilmaisimen satunnaisesti tai korreloimattomia tavoin voimme määrittää fotonin ammuttu melua. Photon laukaus melu on perusteltua korkeilla taajuuksilla (jos fotoni kuvan valo on sopivin), mutta harvemmin aalto kuvan valo on tarkoituksenmukaista, ja siksi me määrittelemme toinen termi aallot.

Soveltamalla Bose-Einstein tilastoja ja olettaen, että taustalla havaitseminen on muodossa mustan huomaamme, että tehollisarvo potenssiin vaihtelut fotonien lukumäärä saapuu ajoissa , Ja taajuus väli V annetaan,

(3.23)

jossa , = Emissiviteetin tausta, ja = Yleinen transmissiosta välillä taustan ja ilmaisin. Ylimääräinen aikavälillä otetaan huomioon aallot.

Photon Melu Limited NEP

Parhaassa tapauksessa, ilmaisin ja myöhemmin komponentit lisäävät vähäisen määrän lisäksi melun signaalin lisäksi fotoni ammuttu melua. Siksi fotoni melurajat herkkyys bolometri Mittauksen murto kutsutaan fotoni melu rajoitettu NEP- . Tämä on yhtälöstä,

(3.24)

Photon Detector Tehokkuus

Käytännössä ei ole mahdollista saada fotoni melu rajoitettu S / N koska oletetaan, että täydellinen ilmaisin on käytössä. Real ilmaisimet eroavat toiminnassa on se, että

  • todellinen ilmaisin ei voi vastata jokaisen fotonin
  • ilmaisimen ja sen elektroniikka tuottaa ylimääräistä melua

Kaksi parametrit on määritelty, jotta voidaan ottaa huomioon nämä puutteet tunnistusjärjestelmä, nämä ovat Vastineasiakirjat Quantum Tehokkuus ja Etsivä Quantum tehokkuus.

Responsive Quantum Tehokkuus (RQE tai )

The RQE tai tilejä epätäydellinen imeytyminen fotonien ja määritellään osa tapahtuman fotonien jotka vaikuttavat signaalin, ilmeisesti .

Etsivä Quantum Tehokkuus (DQE)

(3.25)

The DQE on suhde todellinen herkkyys suurin saavutettavissa periaatteessa. Parametri ottaa huomioon sekä absorptiotehokkuuden ja mitään ylimääräistä melua syntyy ilmaisin huomioon. Tämä parametri voidaan siis käyttää vertailla eri ilmaisimen keskenään.

Käytännössä bias jännite on valittu saamiseksi piikin DQE jokaisen ilmaisimen. Tapauksessa SPIRE on ryhmiä ilmaisimia, jotka jakavat yhteiset bias jännitteen, joka voidaan säätää optimaalisen DQE ryhmälle.

Muut melulähteet

Johnson Noise

Jokaisessa pala tahansa suorittaa materiaalin elektronit ovat satunnainen lämpö jätettyä koska materiaali on äärellisen lämpötilan. Bolometric tunnistin ja sen osat - tai voidaan pitää - vastus on sähköinen yhteys kummassakin päässä. Jos ei ole sähkö mahdollisuuksia koko yhteystiedot jännite vastuksen vaihtelee satunnaisesti noin nolla volttia, tämä johtuu siitä, positiiviset ja negatiiviset vaihtelut ovat yhtä todennäköisiä. Melun vallan komponentti on kuitenkin verrannollinen vaihtelun jännitteen neliö eli se on aina positiivista. Tätä kutsutaan Johnson tai Nyquist Noise.

Johnson melu NEP- , On,

(3.26)

Taajuuksien Johnson melu on tasainen eli se on taajuudesta riippumaton. Tämä käy ilmi edellä yhtälö, jossa ei ole taajuutta riippuvuutta. Melun tasainen spektri on nimeltään valkoista kohinaa.

Phonon Noise

Tähän mennessä olemme pitäneet melua luotu fotonit ja elektronit, nyt pitää lämpövirta osaksi jäähdytyselementin kuin quantised muodossa hilavärähtelyt (quantised lattice tärinä). Tämä johtaa satunnaisen vaihtelun lämpötilan bolometri. Phonon melu NEP- , On,

(3.27)

Lämpötila Noise

Lämpötila melu johtuu siitä, että jäähdytyselementti ei tasaisessa lämpötilassa ja vaihtelee hieman eri aikoina. Lämpötila melu NEP- on,

(3.28)

jossa on intensiteettiä ja vaihtelu lämpötilan jäähdytyselementin (K 2 Hz -1).

1 / f Noise

Tämä melun aiheuttaja on erittäin tärkeä käytännön sovelluksia, mutta syyt eivät useinkaan ole kovin hyvin ymmärretty. Useimpien laitteiden suuri melutasot löytyvät matalilla taajuuksilla.

Kuva 3.6-1 / f Noise

Minimointi Noise

Melu vaikuttaa tuloksiin halventavalla tavalla ja siksi käytämme useita tekniikoita (vähentääkseen sen vaikutuksia.

  • Tee post havaita kaistanleveyttä mahdollisimman pieni
  • Yritä välttää Mittaussignaalit (tai taajuusalueella) että samaan aikaan erillinen taajuus häiriönlähteitä
  • Varmista, että signaalin taajuus (tai taajuusalueella) on tarpeeksi korkea, ei vaikuta huomattavia määriä kohinaa.

Vuoksi melu ei ole mahdollista havaita lähde pitkään jatkuva tarkkailu, tämä merkitsisi töissä hyvin matalilla taajuuksilla, joilla melu olisi merkittävä. Yksi tekniikka, jota käytetään välttää melu on mukauttaa signaalin taajuus on riittävän suuri, että ei ole enää merkittävä. Mukauttamista taajuus ei voi kuitenkaan olla niin suuri, että ilmaisimien taajuusvaste johtaa menetys signaali. Lisäksi etua modulointitekniikka on, että se voidaan vähentää taustan signaali vaihto lähdesignaalin ja taustan signaali, tätä kutsutaan â € ~ choppingâ € ™ in FIR / osa-mm huomautuksia.

Lisäksi melun Ehdot

Yhteensä melun järjestelmä yhdistelmä kaikkien yksittäisten melulähteiden läsnä edellä. Oletamme, että kaikki melulähteitä ovat korreloimattomia eli arvo yksi ei ole riippuvainen muista. Koska ne ovat korreloimattomia lisäämällä niihin ei yleensä oteta huomioon vaiheet melua, joten otamme neliöllinen melun (RMS-arvo) kuin joskus melulähteitä voivat kumoavat toisensa.

(3.29)

jossa on häiriöjännitettä spektritiheyden (VHz -1 / 2) kustakin melun osuus.

Kaiken Melu ja NEP

On mahdollista määritellä NEP seuraavalla tavalla, signaalin teho, joka antaa S / N 1 / yhdentyminen aikaan 0,5 sekuntia. Jos annamme = Ilmaisin reagointityyliin (VW -1), = Sähkömagneettinen voima välikohtaus ilmaisimen (W) ja = Yhteensä häiriöjännitettä spektritiheyden, signaalin jännite voidaan kirjoittaa

(3.30)

Melu jännite on sitten antaa,

(3.31)

Määritelmään NEP, jos sitten signaalijännite . Siksi saamme yhtälö NEP kannalta häiriöjännitettä spektritiheyden ja herkkyys,

(3.32)

Yksiköt NEP yleensä annetaan WHz -1 / 2, Hz -1 / 2 ehdot viittaa post havaitsemista kaistanleveyttä tai käänteistä integraatiota aikaa.

10 Vastaus jotta "bolometri Theory"

  1. Ki Toy Johnson Kuva sanoo:
    Sunnuntai 30. syyskuuta 2007 klo 14:25

    Ki Toy Johnson Pic ...

    Googlettelin jotain aivan muuta, mutta en löytänyt sivusi ... ja täytyy sanoa kiitos. kiva lukea ....

    Vastaa
  2. John sanoo:
    Lauantaina 18. huhtikuuta 2009 kello 15:35

    Hyvin tehty Steven. Jotain hyvin tärkeää muistaa, että jokainen tarvitsee hyvän johdanto viittaus ymmärtää perusasiat ennen kuin alat pitkälle erikoisuus aiheet perustuvat perusta perusasiat. Ymmärtäminen perusasiat riittää useimmille onnistuisi.
    Verkkosivusi on erinomainen johdanto viite. Jos uran johdattaa tutkimusta enemmän edistyneitä vivahteet bolometers ja te lopulta julkaista, ole hyvä säilyttää ja julkaista tämän nykyisen elimen työtä sekä palvella johdanto materiaalia ensikertalaisia. Olen samaa mieltä Ki. Verkkosivusi on bolometri teoria on hyvä lukea.
    J

    Vastaa
  3. Nightshade sanoo:
    Perjantai 31 heinäkuu 2009 klo 11:19

    Löysin luento auttaa parhaiten kehittää ymmärrystä bolometri parametrit ja ominaisuudet. Olen neljäs lukukausi opiskelija sähkötekniikan ja olen tällä hetkellä mukana hankkeessa mukana mikrobolometrien. Tältä osin tulen greteful jos voit lähettää alan kirjallisuuteen.

    Vastaa
  4. jiku sanoo:
    Keskiviikko 10 maaliskuu 2010 klo 16:05

    Löysin v. lucture se on erittäin hyödyllinen minun tutkimuksen osa, koska en tiedä mitään bolometri. Mutta minulla on vielä ongelma nähdä kuvan verkkosivun. Mitä minun pitäisi tehdä? Yritän ladata pdf.file mutta se ei toimi myös.
    Älä epäröi antaa vihjannut. Minun e-mail: jiku_jung9@hotmail.com

    Vastaa
  5. vuoteensa sanoo:
    Torstaina 1 huhtikuuta 2010 kello 23:52

    Ei siksi, että haluan kopioida sivuston, mutta minä todella rakastan näyttää. Voisitteko kertoa minulle, mikä teema käytät? Vai oliko se mittatilaustyönä?

    Vastaa
  6. Steven Lloyd Watkin sanoo:
    Maanantai 12 huhtikuu 2010 kello 10:40

    Teema liittyy alareunassa tämä sivu (alatunniste).

    Vastaa
  7. Steven Lloyd Watkin sanoo:
    Maanantai 12 huhtikuu 2010 kello 10:41

    Kuvat ja PDF palautettu, anteeksi ongelmia

    Vastaa
  8. H. Azari sanoo:
    Tiistai 13 huhtikuu 2010 kello 06:49

    rakas steven
    Löysin luento niin hyödyllinen, mutta en näe kuvia tai etsiä pdf.
    voisitteko ystävällisesti auttaa minua, mitä minä shoud tehdä?
    parhain terveisin

    Vastaa
  9. Windboy sanoo:
    Perjantai 06 elokuu 2010 klo 01:36

    Hyvä steven
    Kiitos oikein paljon ihana luento, mutta en voi ladata simulointia SPIRE käyttäen IDL "Voisitteko lähettää sen minulle? Kiitos jo etukäteen.
    Sähköposti: lhfsemail@gmail.com

    Vastaa
  10. Tonldan sanoo:
    Sunnuntai 20 helmikuu 2011 klo 15:56

    Voisitteko lähettää minulle postia. Pidän todella suunnittelussa.

    Vastaa

Jätä vastaus













Panorama Teema Themocracy

5 vierailijaa nyt
3 vierasta, 2 vastaan, 0 jäsentä
Max kävijöitä tänään: 23 klo 04:19 UTC
Tässä kuussa: 26 at 05.7.2011 00:35 UTC
Tänä vuonna: 130 at 28-03-2011 22:40 UTC
Kaikki aika: 130 at 28-03-2011 22:40 UTC