Bolometar Teorija

By Steven Lloyd Watkin , ponedjeljak 18. lipnja 2007 15:55

Ono što slijedi je poglavlje iz moje završne godine izvješće o 'Simuliranje toranj koristeći IDL'. Kada se istraživanje projekt Našao sam da je teško naći neke osnovne uvod u teoriju bolometar, pa sam odlučio staviti moj verziju online. Također možete vidjeti poglavlje u punom kontekstu preuzimanjem moj četvrti izvješće izvješće: Simuliranje toranj koristeći IDL .

  • Osnovni principi
  • Vremenska konstanta
  • Responsivity
  • Vrijeme Odgovor bolometar
  • Ekvivalentna snaga
    • Foton sačmeni šum i Wave buke
    • Fotonski šum Limited NEP
  • Detektor fotona učinkovitost
  • Ostali izvori buke
  • Minimising buke
  • Dodatak buke Uvjeti
  • Ukupni buke i NEP

Osnovni principi

Bolometar je uređaj koji detektira dolazni zračenja proizvodnju promjene električnog otpora proporcionalna je količini zračenja zračenja received. Ulazni se apsorbira u bolometar što uzrokuje povećanje svoje temperature, što uzrokuje promjenu u njegovom električne otpornosti .

Bitne značajke bolometar su kako slijedi:

Slika 3.1 - Dijagram Bolometric detektor

The bolometar se sastoji od apsorbera materijala povezana hladnjak fiksnih temperature. Dolazni elektromagnetski (EM) zračenje se apsorbira u materijalu povećanje kinetičke energije slobodnih electrons. sudara slobodnih elektrona s atomima u rešetki materijalni uzrok vibracije koje se promatrati kao promjenu u temperaturi.

Tipična materijala za termometar su poluvodiča, kao što dopiranim germanium. Otpornost za takav materijal mijenja značajno za mala promjena u temperaturi, a može se opisati jednadžbom,

(3.1)

gdje je konstanta naziva otpor parametar (Ohms), je otpor (Ohms), je temperatura otpornika, i (K) je jaz materijal bend temperature. Vrijednost se zove materijal parametra te je s obzirom na simbol . Temperatura koeficijent otpora je definiran,

(3.2)

Djelatnost bolometar detektora prikazani su na slici 3.1. The bolometar na temperaturi je povezan s hladnjak fiksne temperature od strane toplinske provodnosti . DC pristranosti trenutne teče kroz bolometar generira napon . Promjene u dolazne zračenje energije dovesti do promjene u otpor , A time i na izlazni napon . Tipična bolometar magnetizacija i očitavanje krug je prikazan na slici 3.2.

Slika 3.2 - bolometar magnetizacija i očitanja krug

Trenutna koja teče kroz otpornik uzrokuje rasipanje snage u apsorber materijala. Osim toga, količina zračenja energije apsorbira apsorber je obilježeni . Ukupna snaga raspršila u bolometar Stoga je dao,

(3.3)

Pod stacionarnim uvjetima energija apsorbira u apsorber će biti uklonjena na heatsink od termalne vode, ovaj je dao sljedeći odnos,

(3.4)

Istosmjerni napon struje (VI) kriva za bolometar definirana je jednadžbama,

(3.5)

U praksi bolometar je pristran po bateriju napona V 0 i opterećenje otpora R L. Otpornost na opterećenje otpornika normalno je osmišljen kako bi biti puno veći od otpora bolometar nad svojim cijelim operativnim raspon. Ovo je zadržati struje koja prolazi kroz detektor slabog elektromagnetskog zračenja na stabilnu razinu, tako da moć raspršila u bolometar na otpornosti termometra ostaje donekle konstantan.

Operativni točka bolometar tada se daje na sjecištu krivulje opterećenja i teretna linija, određuje jednadžba,

(3.6)

Graf koji prikazuje tipičan VI krivulja i teretna linija iz rezultata simulacije program koji sam proizvedena u IDL prikazan je na slici 3.3.

Slika 3.3 - IDL izlaz nekoliko VI krivulja s teretna linija preko nacrtane

Kao što se može vidjeti na slici 3.3, otpor bolometar je nevjerojatno visoka u malim strujama. The bolometar otpor počinje smanjivati ​​i na kraju razine off na višim struje zbog dodatne snage odvodi u apsorber materijala. Ako je zračenje je incident na detektor, moć raspršila u apsorber također će se povećati. Ovo ima učinak squashing VI krivulja kao što je prikazano u dijagramu iznad. Električne energije rasipa u apsorber materijala, kao što je izveden u [8], daje,

(3.7)

gdje predstavlja djelomični porast temperature apsorber gdje predstavlja apsorber materijala na temperaturi od . je statički toplinsku vodljivost od toplinskog link na 3 On temperaturi hladnjaka (WK -1), koji je dao sljedeću moć zakona,

(3.8)

gdje je statički toplinska vodljivost u 300mK (WK -1), i i zove se toplinska vodljivost indeksa. Izraz zove se učitava parametar i daje jednadžbu,

(3.9)

To je opterećenje parametar koji uzrokuje squashing učinak VI krivulja kada se incident EM zračenja na detektoru.

Vremenska konstanta

Kao i kod većine fizičkih sustava bolometar ne reagira odmah na trenutak promijeniti u svojim inputima. U mnogim slučajevima odgovora na detektor korak promjenu u ulaz eksponencijalno promjenu u izlaz. To je analogno za punjenje i pražnjenje na kondenzator u RC sklop.

Bolometar ima jedan rezervoar energije u toplinu kapacitet apsorbera. Stoga bolometar može modelirati pomoću jednog prvi jednadžba diferencijalne reda, a to također znači da bolometar ne pate od efekata memorije. Odgovor, dakle, može se odlikuje vremenska konstanta što je za bolometar daje jednadžbu,

(3.10)

gdje je toplinski kapacitet apsorber (JK -1). Statičke toplinske provodnosti se odnosi na vrijednost na 3 On hladnjak temperaturu,

(3.11)

Kada je incident zračenja na detektoru se povećava njegova temperatura mali iznos, to utječe na sposobnost apsorberi toplinu i toplinske provodnosti linkove. Kapacitet apsorber topline na povišenom temperaturom se odnosi na poznate vrijednosti u 300mK by,

(3.12)

gdje je indeks toplinski kapacitet. Osvrnuvši se na jednadžbe (3.2) i koristiti izrazi definirani iznad, temperaturni koeficijent otpora može se prepisivati ​​kao,

(3.13)

gdje je indeks snagu zakona iz otpora temperature odnos u jednadžbi (3.1). Vidimo da je negativno za poluvodič detektor slabog elektromagnetskog zračenja. To dovodi do vrijednosti što je manje nego što opisuje jednadžba (3.10). To je zbog elektrotermičke povratne informacije koja je opisana u [9]. Mi definirati novi pojam koja je vrijednost s korekcijom za elektrotermičke povratne informacije,

(3.14)

Ova nova vrijednost nam omogućuje definiranje vrijednosti koja opet sadrži korekcija za elektrotermičke povratne informacije,

(3.15)

Kao toplinska otpornik je pristran je napon električne energije raspršila u apsorber može dati . Povećanje u EM signala incident će se povećati temperatura termičkog otpora i time i povećati otpornost, ovaj zauzvrat će uzrokovati pad u raspršila vlasti. Ako se otpornik djeluje na strmim dio krivulje tada ukupne snage raspršila u apsorber ostat će nepromijenjeni, jer će njezinu temperaturu. Ovaj sustav se naziva imaju negativne elektrotermalna povratne informacije. To ima prednost smanjenja vremenska konstanta za od toplinske vremenske konstante kao što je dano u (3.10).

Responsivity

Responsivity je definiran kao promjena izlaznog napona za promjenu u incidentu moći, koja je u bolometar jednaka promjena u temperaturi. Napon responsivity od bolometar se definira kao,

(3.16)

i varira kao funkcija operacijskog točke. Ako je signal na detektoru je modulirana frekvencija modulacije mora biti dovoljno niska, tako da se detektor može odgovoriti na promjene u vlasti. Pokazano je da,

(3.17)

gdje frekvencija modulacije. Nulta frekvencija (DC) responsivity mogu procijeniti izravno iz krivulje opterećenja prema izrazu,

(3.18)

gdje je nulta frekvencija dinamički impedancija (Ohms) od bolometar na radnom mjestu. može se pokazati da će dati,

(3.19)

Vrijeme Odgovor bolometar

Za većinu bolometers oblik VI krivulja dominira razini pozadini moć. Kada se mali dodatni signal se primjenjuje na bolometar odlaska iz VI krivulja može se pretpostaviti da se zanemariv. To je poznato kao mali signal aproksimacija. U malom signalu, tj. granica gdje je izvor pozadini promjena u bolometar napona zbog promjene incidenta zračenja energije može dati,

(3.20)

Promjena izlaznog napona ne pojavljuje odmah i usporedbom s bolometar RC sklop odgovor može modelirati bilo od sljedeće dvije jednadžbe,

(3.21)

Kada nacrtane ove jednadžbe imaju sljedeći oblik (gdje i ),

Slika 3.4 - Zemljišta V protiv Vrijeme je za pozitivni i negativni V

Kada veliki signali smatraju, odlazak iz VI krivulja više nije zanemariv. Zbog promjena u izlazni napon zbog promjene u incidentu vlast ne može se izračunati primjenom responsivity je sada dao promjena u naponu radnoj točki bolometar. U kreće od početne do konačne VI krivulja, vremenska konstanta sustava varira kao funkcija o radnoj točki. Stoga bolometar više nije jednom vrijeme konstanta uređaj i ne mogu se modelirati s pomoću jednostavne jednadžbe RC sklop odgovor.

Slika 3.5 - VI krivulja za velike promjene signala

Ekvivalentna snaga

Od velike važnosti bilo bolometar je ekvivalentna snaga ili NEP. NEP je root mean kvadratna signala potrebno za jednaka root mean square od detektora buke. Najbolji signal-šum omjer postići bolometar dana je jednadžbom,

(3.22)

Općenito, NEP je jedinica .

Foton sačmeni šum i Wave buke

Ako uzmemo u obzir čestica sliku svjetlosti i shvatiti da je svjetlost će stići na detektor u slučajnih ili nekorelirana način, možemo definirati buku pucao foton. Foton sačmeni šum je opravdana pri visokim frekvencijama (gdje je foton slika svjetlosti najviše odgovara), ali i na nižim frekvencijama val slika svjetlosti je više primjereno i zato smo definirali novi mandat val buka.

Primjenom Bose-Einsteinova statistika i uz pretpostavku da se na podlozi za otkrivanje je u obliku crnog nalazimo da je korijen srednje kvadratne fluktuacije u broju fotona koji dolaze u vrijeme , U frekvencijskom intervalu V je dao,

(3.23)

gdje , = Emisivnost u pozadini, i = Ukupni prijenos učinkovitosti između pozadine i detektor. Dodatni Pojam uzima u obzir za val buka.

Fotonski šum Limited NEP

U najboljem slučaju, detektor i kasnije komponente će dodati zanemariv iznos od dodatnih šuma na signal uz buku fotona iz vatrenog oružja. Dakle, fotonski šum ograničava osjetljivost mjerenja bolometar, ovo krajnji rok se zove fotonski šum ograničena NEP, . To je dao jednadžbu,

(3.24)

Detektor fotona učinkovitost

U praksi to nije moguće pribaviti fotonski šum ograničenom S / N, jer to pretpostavlja da je savršen detektor koristi. Real detektori razlikuju u operaciji u činjenici da,

  • pravi detektor ne može odgovoriti na svaki foton
  • detektora i elektronike proizvode dodatne buke

Dva parametri su definirani kako bi se uzeti u obzir te na nedostatke u sustavu za detekciju, te su uzvratni kvantna učinkovitost i detektiv kvantna učinkovitost.

Odgovarajući kvantna učinkovitost (RQE ili )

RQE ili račune za nesavršene apsorpciju fotona i definira se kao dio incidenta fotona koji doprinose signala, očito .

Detektiv kvantna učinkovitost (DQE)

(3.25)

The DQE je omjer stvarne osjetljivosti na maksimalno ostvariv u načelu. Parametar uzme obje apsorpciju i učinkovitost nikakve dodatne buke u detektor u obzir. Ovaj parametar se stoga mogu koristiti za usporedbu različitih tipova detektora jedni s drugima.

U praksi pristranosti napon je izabran kako bi dobili na vrh DQE za svaki detektor. U slučaju toranj, to je skupina od detektora koji dijele zajedničku pristranosti napon koji se može podesiti za dobivanje optimalne DQE za grupu.

Ostali izvori buke

Johnson buke

Unutar bilo koji dio bilo kojeg provodi materijala elektroni su slučajne toplinske kretanja jer materijala ima konačnoj temperaturi. Bolometric detektor i njegove komponente - ili se mogu smatrati - otpornik s električnim kontaktirati na svakom kraju. Ako nema električnog potencijala kroz kontakte napona u otpornik će varirati nasumično o nula volti, to je zato jer pozitivne i negativne fluktuacije su jednako vjerojatne. Buka snaga unutar komponente je, međutim proporcionalna fluktuacija napona kvadratna, tj. to je uvijek pozitivna. To se zove Johnson ili Nyquist buke.

Johnson buke NEP, , Je,

(3.26)

Spektru frekvencija buke Johnson je ravna, tj. da je frekvencija neovisna. To se može vidjeti iz gore navedene jednadžbe u kojima nema učestalost ovisnosti. Buka s ravnim spektra naziva se bijeli šum.

Fonon buke

Do sada smo razmatrali buke izrađen od fotona i elektrona, sada smo u obzir protok topline u hladnjak kako quantised u obliku fononi (quantised rešetke vibracije). To dovodi do slučajne fluktuacije u temperaturi bolometar. Fonon buke NEP, , Je,

(3.27)

Temperatura buke

Temperatura buka je uzrokovana činjenicom da se toplina sudoper nije pri konstantnoj temperaturi i malo varira tijekom vremena. Temperatura buka NEP, je,

(3.28)

gdje je spektralna intenzitet fluktuacije u temperaturi hladnjaka (K 2 Hz -1).

1 / f šuma

Ovaj izvor buke je vrlo važno u praktične primjene, premda uzroci su često nije dobro razumio. Za većinu uređaja, velika razina buke nalaze se na niskim frekvencijama.

Slika 3.6 - 1 / f šuma

Minimising buke

Buka utječe na rezultate u ponižavajućem mode i zato ćemo zaposliti nekoliko tehnika (u cilju smanjenja njegove učinke.

  • Provjerite propusnost otkrivanje post kao mali kao mogući
  • Pokušajte izbjeći mjerenje signala (ili frekvencija) koji se podudaraju s diskretnim izvora frekvencijske smetnje
  • Uvjerite se da je signal frekvencija (ili frekvencija) je dovoljno visok da se ne utječe na značajne količine buke.

Zbog šum nije moguće promatrati izvor za dugo kontinuirano praćenje, to će uključivati ​​rad na vrlo niskim frekvencijama gdje buka bi biti značajne. Jedna od tehnika se koristi kako bi se izbjeglo buka je modulirati signal s frekvencijom koja je dovoljno visoka da više nije značajan. Učestalost modulacija ne može, međutim, biti tako visoka da je frekvencijski odziv detektora rezultate u gubitak signala. Daljnja prednost na modulaciju tehnika je da se može koristiti za oduzimanje pozadinu od signala prebacivanje između izvora signala i signala pozadini, ovo je poznat kao â € ~ choppingâ € ™ u FIR / sub-mm opažanja.

Dodatak buke Uvjeti

Ukupna buke u sustavu će biti kombinacija svih pojedinačnih izvora buke prisutna kao što je opisano ranije. Pretpostavljamo da su svi izvori buke su nekorelirane tj. vrijednost jednog ne ovisi o bilo koje druge. Budući da su nekorelirana ih dodajući inače ne bi uzeti u obzir faze buke, stoga smo uzeti root mean square od buke (RMS vrijednost), ponekad izvora buke može otkazati jedni druge.

(3.29)

gdje je šum napona spektralna gustoća (VHz -1 / 2) iz svake od buke doprinosa.

Ukupni buke i NEP

Moguće je definirati NEP na sljedeći način, signal snaga koji daje S / N od 1 u vrijeme integracije od 0,5 sekundi. Ako mi dopustite = Detektor responsivity (VW -1), = Elektromagnetske snage incident na detektor (W) i, = Ukupna buka napon spektralna gustoća šuma, signal napona mogu biti pisani,

(3.30)

Buke napon onda će se dati,

(3.31)

Po definiciji NEP, ako onda signala napona . Stoga smo dobili jednadžbu za NEP u smislu buke napona spektralna gustoća i responsivity,

(3.32)

Jedinice NEP obično su dani kao WHz -1 / 2, HZ -1 / 2 smislu odnosi se na otkrivanje propusnosti post ili obrnut vrijeme integracije.

10 Reakcija to "bolometar teorija"

  1. Ki Toy Johnson Pic kaže:
    Nedjelja 30 rujna 2007 u 14:25

    Ki Toy Johnson Pic ...

    Ja Googled za nešto sasvim drugo, ali pronašao svoju stranicu ... i moram reći hvala. lijepo čitati ....

    Odgovor
  2. Ivan kaže:
    Subota 18 travanj 2009 u 15:35

    Bravo Steven. Nešto vrlo važno zapamtiti je da svatko treba dobar uvodni referenca razumjeti osnove prije slijedila napredne specijalitet teme temelji se na temelj od osnove. Razumijevanje osnova je dovoljno za većinu ljudi da budu uspješni.
    Vaše web stranice je odličan uvodni referencu. Ako vaše karijere put vodi vas na istraživanje više od naprednih suptilnosti bolometers i na kraju objaviti, molimo zadržati i objaviti ovo sadašnje tijelo rada, kao i da služi kao uvodni materijal za prvi-vremena. Slažem se s Ki. Vaše web stranice na bolometar teorija je dobro pročitati.
    J

    Odgovor
  3. Velebilje kaže:
    Petak 31. srpnja 2009 u 11:19

    Našao sam vaš predavanje najviše pomoći u razvoju razumijevanja bolometar parametara i karakteristika. Ja sam četvrti semestar student elektrotehnike i sam trenutno angažiran na projektu koji uključuje microbolometer. U tom smislu ja ću biti greteful ako možete postavljati relevantne literature.

    Odgovor
  4. jiku kaže:
    Srijeda 10 ožujak 2010 u 16:05

    Našao sam god lucture to je vrlo korisno za moje istraživanje dijelom i zato ja ne znam ništa o bolometar. Ali ja još uvijek imaju problema kako bi vidjeli sliku u svoju web stranicu. Što trebam učiniti? JA pokušati preuzimanje pdf.file, ali to ne radi također.
    Molimo ne ustručavajte se dati neki prijedlog. Moj e-mail: jiku_jung9@hotmail.com

    Odgovor
  5. krevetsko postolje kaže:
    Četvrtak 1. travanj 2010 u 11:52

    Nije da želim kopirati Vašu web stranicu, ali ja doista volim pogledati. Možete li mi reći koje su teme koristite? Ili je to po mjeri?

    Odgovor
  6. Steven Lloyd Watkin kaže:
    Ponedjeljak 12 travanj 2010 u 10:40

    Tema je vezana na dnu ove stranice (u podnožju).

    Odgovor
  7. Steven Lloyd Watkin kaže:
    Ponedjeljak 12 travanj 2010 u 10:41

    Slike i PDF obnovljena, ispričavam se za probleme

    Odgovor
  8. H. Azari kaže:
    Utorak 13. travnja 2010 u 06:49

    dragi Steven
    Našao sam vaš predavanje tako koristan, ali ja ne mogu vidjeti slike ili naći pdf.
    će vam ugoditi pomoć mene što sam trebao učiniti?
    Iskreno vaš

    Odgovor
  9. Windboy kaže:
    Petak 6. kolovoz 2010 u 01:36

    Dragi Steven
    Puno vam hvala za vaše divno predavanje, ali ja ne mogu skinuti "Simuliranje toranj koristeći IDL", Možete li poslati to za mene? Hvala unaprijed.
    E-mail: lhfsemail@gmail.com

    Odgovor
  10. Tonldan kaže:
    Nedjelja 20. veljača 2011 u 15:56

    Možete li molimo vas pošaljite mi mail. JA stvarno poput tvoj dizajn.

    Odgovor

Dopust jedan Odgovor













Panorama Theme by Themocracy

5 posjetitelja online aukciji
4 gosti, 1 robota, 0 clanova
Max posjetitelja danas: 23 u 4:19 UTC
Ovaj mjesec: 26 at 2011/07/05 12:35 UTC
Ove godine: 130 u 28-03-2011 10:40 UTC
Sva vremena: u 130 28-03-2011 10:40 UTC