Teoría Bolômetro
O que sigue é un capítulo do meu informe final de ano "simulando Spiro usando IDL. Ao buscar o proxecto eu penso difícil de atopar algún curso de introdución á teoría bolómetro, entón eu decidimos poñer a miña versión en liña. Tamén podes ver o capítulo en todo o contexto baixando o meu informe cuarto informe: simulando Spiro usando IDL .
- Principios básicos
- Constante de Tempo
- Responsivity
- Tempo de resposta dun Bolômetro
- Potencia equivalente de ruído
- Photon Shot Noise Noise e wav
- Photon NEP Noise Limited
- Photon eficiencia do detector
- Outras fontes de ruído
- Minimización de ruído
- Ademais de termos de ruído
- Ruído global e NEP
Principios básicos
Un bolómetro é un dispositivo que detecta a radiación, producindo un cambio na resistencia eléctrica proporcional á cantidade de radiación recibida received. radiación é absorbida pola bolómetro que provoca un aumento na súa temperatura, que á súa vez provoca un cambio na súa resistencia eléctrica .
As características esenciais dun bolómetro son as seguintes:
Figura 3.1 - Esquema de un detector de bolométrica
O bolómetro si está composta por un material absorvedor conectado a un disipando de calor de Incoming temperature. fixo electromagnético (EN) da radiación é absorbida polo material aumentando a enerxía cinética do electrons. libre As colisións de electróns libres con átomos na rede causa material vibracións que se observan como un cambio na temperatura.
Os materiais típicos para o termómetro que son semicondutores, como germanium. dopado A resistencia para tal cambio material significativo para un pequeno cambio na temperatura e pode ser caracterizado pola ecuación,
| (3.1) |
onde 
é unha constante chamada de parámetro de resistencia (Ohms), 
é a resistencia (Ohms), 
é a temperatura do resistor, e 
(K) é o material temperatura bandgap ". O valor da 
chámase parámetro de material e é dada polo símbolo 
. O coeficiente de temperatura de resistencia é definida por,
| (3.2) |
As operacións de un detector bolómetro son ilustrados na Figura 3.1. O bolómetro á temperatura 
está ligada a un disipando de calor da temperatura fixa 
por unha condutividade térmica 
. Un nesgo de corrente DC 
flúe a través do bolómetro xerando unha tensión 
. Evolución do poder de radiación 
dar lugar a cambios na resistencia 
E, polo tanto, na tensión de saída 
. A polarización bolómetro típicas e un circuíto de lectura é ilustrada na Figura 3.2.
|
Figura 3.2 - Circuíto de polarización Bolômetro e lectura |
A corrente que flúe a través do resistor provoca unha disipación de enerxía 
para o material absorbente. Ademais, a cantidade de enerxía radiante absorbida polo absorbente é denotado por 
. A potencia total disipada no bolómetro 
é entón dada por,
| (3.3) |
En condicións de estado estacionario, a enerxía absorbida polo amortecedor será retirado para o disipando polo enlace térmica, esta é dada pola seguinte relación,
| (3.4) |
A tensión CC actual curva (VI) para o bolómetro defínese polas ecuacións,
| (3.5) |
Na práctica, o bolómetro é enviesada por unha batería de tensión 0 e resistencia de carga R L. A resistencia do resistor de carga é normalmente deseñado para ser moito maior que a resistencia do bolómetro sobre a súa franxa de operación. Esta é manter o paso de corrente a través do bolómetro a un nivel estable de xeito que a potencia disipada no bolómetro polo termómetro de resistencia permanece pouco constante.
O punto de operación do bolómetro é dada na intersección da curva de carga ea liña de carga, determinado pola ecuación,
| (3.6) |
Un gráfico que mostra unha curva típica VI e liña de carga a partir dos resultados dun programa de simulación que eu producir en IDL aparece na figura 3.3.
|
Figura 3.3 - IDL saída de curvas de diversos VI cunha liña de carga Plot |
Como se pode observar na Figura 3.3, a resistencia do bolómetro é incrible alto de pequenas correntes. A resistencia bolómetro comeza a diminuír e, finalmente, os niveis de fóra con correntes máis altas porque a enerxía adicional é disipando para o material absorbente. A radiación é incidente sobre o detector, a potencia disipada no amortecedor tamén pode aumentar. Isto ten o efecto de esmagamento da curva VI, como se mostra na figura anterior. A enerxía eléctrica disipada no material absorbente, como resultan [8], é dada por,
| (3.7) |
onde 
representa un aumento fracionário na temperatura do absorbente onde 
representa o material absorvedor de estar a unha temperatura de 
. 
é a conductividade térmica estática da conexión térmica na temperatura do refrixerador El 3 (WK -1), que é dado pola lei de potencia a seguir,
| (3.8) |
onde 
é a conductividade térmica estática 300mK (WK -1), e 
e se chama o índice de condutividade térmica. O termo 
chámase parámetro de carga e é dada pola ecuación,
| (3.9) |
É o parámetro de carga que provoca o efecto de esmagamento da curva VI cando non hai radiación incidente en sobre o detector.
Como a maioría dos sistemas físicos, unha bolómetro non responde instantaneamente a un cambio instantánea na súa entrada. En moitos casos, a resposta dun detector a un cambio radical na entrada é un cambio exponencial na saída. Isto é análogo ao carga e descarga de un capacitor nun circuíto RC.
Un bolómetro posúe un depósito único de enerxía na capacidade de calor do absorvedor. Polo tanto, unha bolómetro pode ser modelada utilizando unha única ecuación diferencial de primeira orde, isto tamén significa que unha bolómetro non sofre efecto memoria. A resposta pode ser caracterizado por unha constante de tempo 
que, por unha bolómetro é dada pola ecuación,
| (3.10) |
onde 
é a capacidade de absorción de calor (JK -1). A condutância térmica estática 
está relacionado con un valor de 
na neveira por 3 temperaturas El,
| (3.11) |
Cando a radiación incide sobre o detector, el aumenta a súa temperatura nunha pequena cantidade, iso afecta a capacidade de absorción de calor ea condutividade térmica ligazóns. A capacidade de absorción de calor a temperatura aumentada está relacionada con un valor coñecido 
na 300mK por,
| (3.12) |
onde 
é o índice de capacidade de calor. Mirando cara atrás, a ecuación (3.2) e usando os termos anteriormente definidos, a temperatura do coeficiente de resistencia pode ser reescrita como,
| (3.13) |
onde 
é o índice da lei de potencia a partir da relación resistencia-temperatura na ecuación (3.1). Vemos que 
é negativo para un bolómetro semicondutores. Isto leva a un valor de 
que é menor que o descrito pola ecuación (3.10). Isto é debido ao feedback eletrotérmica que se describe en [9]. Definimos un novo mandato 
cal é o valor da 
cunha corrección para o feedback electrotérmicos
| (3.14) |
Ese novo valor nos permite definir un valor de 
que á súa vez contén unha corrección para o GABARITO electrotérmicos
| (3.15) |
Como a resistencia térmica é influenciada por unha tensión 
a enerxía eléctrica disipada no amortecedor pode ser dada por 
. Un aumento en sinal incidente en aumentar a temperatura da resistencia térmica e, polo tanto, aumentar a súa resistencia, o que á súa vez, pode provocar unha diminución da potencia disipada. O resistor está actuando na parte íngreme da curva, entón a potencia total disipada no amortecedor permanece constante, así como a súa temperatura. Este sistema é coñecido como o producto negativo eletrotérmica. Isto ten a vantaxe de reducir o tempo constante da 
a constante de tempo térmica, tal como consta en (3.10).
Responsivity
Responsivity é definida como a variación da tensión de saída para un cambio no poder incidente, que nun bolómetro é equivalente a un cambio na temperatura. A responsabilidade de tensión do bolómetro defínese como,
| (3.16) |
e varía en función do punto de operación. Se o sinal do detector é modulada a frecuencia de modulación debe ser suficientemente baixa para que o detector poida responder ao cambio no poder. É mostra que,
| (3.17) |
onde 
frecuencia de modulación. A frecuencia cero responsabilidade (DC) pode ser avaliada directamente da curva de carga utilizando a expresión,
| (3.18) |
onde é a frecuencia cero impedancia dinámica 
(Ohms) do bolómetro 
no punto de operación. 
pode ser amosado para ser reparada no
| (3.19) |
Tempo de resposta dun Bolômetro
Para a maioría dos bolómetros a forma da curva de VI é dominado por un nivel de potencia de fondo. Cando un pequeno sinal adicional se aplica ao bolómetro a partida a partir da curva IV pode ser considerado negligenciável. Isto é coñecido como a aproximación para pequenos sinais. No ie pequeno sinal de límite de onde a fonte 
pano de fondo o cambio na tensión bolómetro debido a un cambio no poder de radiación incidente pode ser dada polo
| (3.20) |
O cambio na tensión de saída non ocorre instantaneamente e, comparando o bolómetro cun circuíto RC, a resposta pode ser modelado por unha das dúas fórmulas seguintes,
| (3.21) |
Cando Plot estas ecuacións teñen a seguinte xeito (onde 
e 
),
|
Figura 3.4 - Parcelas de V contra o tempo para tanto positivas como negativas V |
Cando os sinais son considerados grandes, a partida a partir da curva VI xa non é negligenciável. Polo tanto, o cambio na tensión de saída debido a un cambio no poder de incidente non pode ser calculado mediante a aplicación de responsabilidade é xa agora polo cambio na tensión do punto de operación do bolómetro. No paso da primeira á curva VI final, a constante de tempo do sistema varía en función do punto de operación. Polo tanto, o bolómetro non é un momento único dispositivo constante e non pode ser modelada pola aplicación da RC simple ecuacións de resposta do circuíto.
|
Figura 3.5 - VI curvas para un cambio de grandes sinais |
Potencia equivalente de ruído
De grande importancia para calquera bolómetro é o ruído equivalente de enerxía ou NEP. O NEP é a raíz cadrada media potencia do sinal necesaria para igualar a raíz cadrada da media do ruído do detector. A mellor relación sinal-ruído alcançável por un bolómetro é dada pola ecuación,
| (3.22) |
En xeral, NEP posúe as unidades de 
.
Photon Shot Noise Noise e wav
Se consideramos a imaxe da partícula de luz e entender que a luz chegará ao detector de forma aleatoria ou non correlacionadas, podemos definir o ruído shot fotón. Photon ruído shot xustifica en altas frecuencias (onde a imaxe fotón de luz é o máis adecuado), pero en frecuencias máis baixas da imaxe onda de luz é máis adecuada e, polo tanto, establecer outro ruído das ondas prazo.
Por aplicación da estatística de Bose-Einstein e asumindo que o fondo para a detección na forma dun corpo negro, atopamos que a media da raíz cadrada flutuacións do número de fotóns que chegan á hora , No intervalo de frecuencia 
V é dada por,
| (3.23) |
onde 
, 
= Emisividade do fondo, e 
= Eficiencia global de transmisión entre o fondo eo detector. O adicional 
termo ten en conta para o ruído das ondas.
Photon NEP Noise Limited
No mellor dos casos, o detector e compoñentes seguintes engadirá unha pequena cantidade de ruído adicional ao sinal máis aló do ruído de disparo de fotóns. Polo tanto, o ruído de fotóns limita a sensibilidade da medida bolómetro, este límite máximo chámase ruído de fotóns limitada NEP, 
. Esta é dada pola ecuación,
| (3.24) |
Photon eficiencia do detector
Na práctica, non é posible obter o ruído fotón S limitada / N, isto asume que un detector perfecto se usa. Detector Real difiren en funcionamento no feito de que,
- un detector de reais non pode responder a todos os fótons
- do detector e os seus compoñentes electrónicos producen ruído adicional
Dous parámetros son definidos para ter en conta estas deficiencias no sistema de detección, que son a capacidade de resposta e eficiencia cuántica do detective eficiencia cuántica.
Responsive eficiencia cuántica (ou RQE 
)
O RQE ou as contas para a absorción de fotóns e imperfecta defínese como a fracción de fotóns incidentes que contribúen ao sinal, obviamente, 
.
Rendemento cuántico (DQE)
| (3.25) |
O DQE é a relación entre a sensibilidade real para o máximo posible en principio. O parámetro ten tanto a eficiencia de absorción e calquera ruído adicional xerado no detector en conta. Este parámetro pode ser usado para comparar distintos tipos de detector de uns cos outros.
Na práctica, a tensión de polarización é escollido de forma a obter o DQE pico para cada detector. No caso da torre, que son os grupos de detectores que comparten unha tensión de polarización común que pode ser axustado para obter un DQE ideal para o grupo.
Outras fontes de ruído
Ruído Johnson
En calquera anaco de calquera material condutor de electróns teñen movementos térmicos aleatorios, porque o material ten unha temperatura finita. Un detector de bolométrica e os seus compoñentes - ou pode ser considerado - un resistor con un contacto eléctrico en cada extremo. Se non hai un potencial eléctrico entre os contactos da tensión no resistor pode flotar aleatoriamente preto de cero voltios, iso é porque as flutuacións positivos e negativos son igualmente probables. A potencia do ruído dentro do compoñente, con todo, isto é proporcional ao cadrado da tensión de flutuación é sempre positivo. Isto chámase Nyquist ou Johnson Noise.
| (3.26) |
O espectro de frecuencia do ruído Johnson é isto apartamento é independente da frecuencia. Isto pode ser visto desde a ecuación anterior, onde non hai dependencia de frecuencia. Ruído con espectro plan se denomina ruído branco.
Phonon Noise
Ata agora temos considerado ruído producido a partir de fotóns e electróns, que agora consideramos o fluxo de calor para o disipando de calor como quantizados en forma de fônons (vibracións da rede quantizada). Isto leva a flutuacións aleatorias na temperatura do bolómetro. O ruído fônon NEP, 
, É,
| (3.27) |
Temperatura de ruído
Temperatura de ruído é causado polo feito de que o disipando de calor non está a unha temperatura constante e varía lixeiramente ao longo do tempo. A temperatura de ruído de NEP, 
é,
| (3.28) |
onde 
é a intensidade espectral de flutuacións na temperatura do disipando de calor (K 2 Hz -1).
Ruído 1 / f
Esta fonte de ruído é moi importante en aplicacións prácticas, aínda que as causas sexan moitas veces non moi ben comprendido. Para a maioría dos dispositivos, grandes niveis de ruído se atopan en baixas frecuencias.
|
Figura 3.6 - ruído 1 / f |
Minimización de ruído
O ruído afecta os resultados dunha forma degradante e, polo tanto, utilizan varias técnicas (a fin de reducir os seus efectos.
- Fai o ancho de banda de detección post tan pequeno posible
- Tenta non sinais de medida (ou franxa de frecuencia), que coinciden coas fontes de interferencia de frecuencia discreta
- Asegúrese de que a frecuencia do sinal (ou franxa de frecuencia), é elevada abondo para non ser afectada por unha cantidade significativa de ruído.
Debido á 
o ruído non é posible observar unha fonte durante longos períodos de observación continua, o que implicaría a traballar en frecuencias moi baixas, onde o 
ruído sería significativo. Unha técnica usada para evitar a 
ruído é modular o sinal cunha frecuencia que é alto o suficiente para que 
xa non é significativo. A modulación de frecuencia non pode, sen embargo, ser tan alta que os detectores de resultados de frecuencia de resposta a unha perda de sinal. Outra vantaxe da técnica da modulación é que pode ser empregado para restar o fondo dun sinal, alternando entre o sinal da fonte e un sinal de fondo, o que se coñece como â € ~ € ™ chopping na FIR / sub-mm observacións.
O ruído total dun sistema é a combinación de todas as fontes de ruído individuais presentes como descrito anteriormente. Asumimos que todas as fontes de ruído son correlacionados é dicir, o valor dun deles non depende de ningún outro. Como son correlacionados engadila los normalmente non teñen en conta as fases do ruído, polo tanto, tomamos a raíz cadrada da media do ruído (valor RMS), como ás veces as fontes de ruído pode anular o outro.
| (3.29) |
onde 
é a densidade espectral de ruído de tensión (VHZ -1 / 2) de cada unha das contribucións de ruído.
Ruído global e NEP
É posible definir o NEP, do seguinte xeito, a potencia do sinal que dá unha S / N de un en un tempo de integración de 0,5 segundo. Se deixamos 
= Responsabilidade do detector (VW -1), 
= Enerxía electromagnética incidente sobre o detector (W) e, 
= Densidade da tensión total do ruído espectral, a tensión do sinal pode ser escrito,
| (3.30) |
A tensión de ruído será entón dada por,
| (3.31) |
Pola definición do NEP, se 
a continuación, o sinal de tensión 
. Así, obtemos unha ecuación para o NEP, en termos de densidade espectral de ruído de tensión e responsabilidade,
| (3.32) |
As unidades do NEP adoitan ser dado como whz -1 / 2, o Hz -1 / 2 termo refírese á ancho de banda de detección de publicar ou á inversa do tempo de integración.
- Teoría da potencia equivalente de ruído dun supercondutor de alta temperatura, infravermello bolómetro agora nunha foto ... y Subida de potencia equivalente de ruído dun supercondutor de alta temperatura, infravermello bolómetro agora nunha termoelétrica, modo de foto da operación Teoría da potencia equivalente de ruído de un supercondutor de alta temperatura medida infraredbolometer nunha foto
- 1 Introdución (PDF) ... A versión revisada da Griffin & semicondutores bolómetro ideal Holanda. modelo é presentado ea súa utilización en ... con base na teoría bolómetro de non-equilibrio. Mather [10], pero ... astro.cf.ac.uk asumido / grupos / ... / _paper.pdf bolómetro Sudiwala_et_al_IJMM_
- Unha teoría sinxela para apoiados bolómetros sólido Unha teoría sinxela para apoiados bolómetros sólido Unha teoría sinxela para apoiados bolómetros sólido Unha teoría simple é proposto para explicar a resposta de frecuencia apoiado bolómetros sólidos. Ela asume un fluxo unidimensional de calor a través do bolómetro
- CARACTERIZACIÓN DE ALTA PRECISIÓN Semiconductor bolómetros (PDF) ... metros, utilizando o modelo presentado no bolómetro Sudiwala et ... un sufi? nivel suficientemente uniforme de dopaxe. Ideal bolómetro teoría [1, 2, 7] pode ser usado para astro.cf.ac.uk ... / grupos / ... / _paper.pdf bolómetro Woodcraft_et_al_IJMM_
- DOE documento - irreversible teoría dun bolómetro electrón-quente con túnel de metal-illante-supercondutor normal ... O funcionamento do bolómetro electrón-quente con metal normal-supercondutor-illante (NIS) de unión túnel como un sensor de temperatura é analizada teoricamente. A responsabilidade ea potencia de ruído equivalente (NEP) do bolómetro son obtidos
- Procesamento de Imaxe e Mínimos cadrados Reconstrucións (PDF) ... conseguido tendo en conta a imaxe estándar. reamostragem teoría na formulación do problema de mínimos cadrados ... destacou por amarrar o bolómetro cero puntos a un fluxo dentro da
- A microcalorimetria e Bolômetro modelo por microcalorimetria e Bolômetro Modelo A microcalorimetria e Bolômetro Modelo A teoría do equilibrio non estándar do ruído en bolómetros microcalorimeters ideal e non pode predicir o rendemento de dispositivos reais, debido aos efectos adicionais
Ki Johnson Toy Pic ...
Eu procure a algo diferente, pero penso súa páxina ... e teño que dicir grazas. bo ler ....
Ben feito Steven. Algo moi importante a lembrar que todo o mundo necesita unha boa referencia introdutoria para entender o básico antes de buscar temas da especialidade avanzada baseada no fundamento dos principios. A comprensión dos principios básicos é suficiente para a maioría da xente para ser exitosa.
Súa páxina web é unha excelente referencia introdutoria. A súa carreira leva a unha investigación máis avanzada das sutilezas da bolómetros e eventualmente publicar, por favor, conservar e publicar este corpo de traballo, así como para servir como material introdutorio para os novatos. Eu estou de acordo co Ki. A súa páxina na teoría bolómetro é unha boa lectura.
J
Eu penso súa charla moi útil no desenvolvemento dunha comprensión dos parámetros bolómetro e características. Eu son un estudante de 4 º semestre de enxeñaría eléctrica e estou actualmente implicado nun proxecto que inclúen microbolómetro. Neste sentido eu vou estar greteful se pode publicar literatura relevante.
Penso lucture ano é moi útil para a miña parte da investigación, porque eu non sei nada sobre bolómetro. Pero eu teño problema para ver a imaxe na súa páxina. ¿Que debería facer? Intento descargar o pdf.file pero non funciona tamén.
Por favor, póñase en dar algunha suxestión. Meu e-mail: jiku_jung9@hotmail.com
Non é que eu queira copiar o seu sitio web, pero realmente amo a mirada. Podería me dicir que o tema que está a usar? Ou será que foi feito a pedido?
Tema está ligada ao final da páxina (no pé).
As imaxes e PDF restaurado, escusa para os problemas
Estimado Steven
Penso que a súa clase de forma útil, mais eu non podo ver fotos ou atopar o pdf.
podería por favor me axude o que debo facer?
sinceramente seu
Estimado Steven
Moitas grazas pola súa charla marabillosa, pero eu non podo descargar o "simulando Spiro usando IDL", podería envialo a min? Grazas anticipadamente.
E-mail: lhfsemail@gmail.com
Pode por favor me enviar un e-mail. Realmente gusta o seu proxecto.