Bolometer elmélet

Által Steven Lloyd Watkin , hétfő 18 június 2007 15:55

Az alábbiakban egy fejezetet az utolsó évem jelentést "szimulálása SPIRE segítségével IDL". Amikor a kutató a projekt, nehezen találni néhány alapvető bevezetés a bolometer elmélet, ezért úgy döntöttem, hogy én verzió online. Azt is látni a fejezetet teljes összefüggésben letöltésével a negyedik jelentés jelentés: szimulálása SPIRE segítségével IDL .

  • Alapelvei
  • Időállandó
  • Válaszkészséget
  • Idő Válasz egy Bolometer
  • Zaj ezzel egyenértékű teljesítményt
    • Foton Shot Zaj és zaj Wave
    • Foton zaj Korlátozott NEP
  • Foton-érzékelő hatékonyság
  • Egyéb zajforrások
  • Minimalizálása zaj
  • Emellett a zaj feltételek
  • Összességében Zaj és NÉP

Alapelvei

A bolometer egy olyan eszköz, amely érzékeli a bejövő sugárzás termelő változás az elektromos ellenállás arányos a sugárzás received. bejövő sugárzás által elnyelt bolometer amely növeli az a hőmérséklete, ami okoz változást az elektromos ellenállás .

Az alapvető funkciók egy bolometer a következők:

3.1 ábra - ábra egy Bolometric detektor

A bolometer maga áll az elnyelő anyag kapcsolódik egy hűtőborda rögzített temperature. bejövő elektromágneses (EM) sugárzás által elnyelt anyag egyre nagyobb a mozgási energiája szabadon electrons. Az ütközések szabad elektronok atomok az anyag okozhat rács rezgések, amelyek betartását a hőmérséklet változás.

Tipikus anyagok a hőmérőt félvezetők, mint átitatott germanium. Az ellenállás az ilyen anyagok jelentős változások mennek végbe egy kis változás a hőmérséklet és lehet jellemezni az egyenlet,

(3.1)

ahol állandó úgynevezett rezisztencia paraméter (Ohm), az ellenállás (ohm), a hőmérséklet az ellenállás, és (K) az az anyag sávú hőmérséklet. Az érték nevezzük az anyag paramétert, és mivel a szimbólum . A hőmérsékleti együttható az ellenállás határozza meg,

(3.2)

A műveleteket a bolometer detektor ábra szemlélteti 3.1. A bolometer a hőmérséklet kapcsolódik a hűtőbordák rögzített hőmérsékleti egy hővezetés . A dc torzítás áram átfolyik a bolometer generáló feszültséget . Változások a beérkező sugárzási teljesítmény változásokat idéznek a rezisztencia , És ezért a kimeneti feszültség . A tipikus bolometer torzítás és kiolvasó áramkör képen a 3.2 ábra.

3.2 ábra - Bolometer torzítás és a kiolvasó áramkör

A jelenlegi, amely átfolyik az ellenállás okoz disszipáció a hatalom az elnyelő anyagot. Ezen túlmenően, az összeg a sugárzó energiát nyel el az abszorber jelöli . A teljes felemésztett teljesítményt a bolometer tehát adott,

(3.3)

Állandósult állapotban az energia, amelyet az abszorber törlésre kerül a hűtőborda a termikus kapcsolat, ez adja meg az alábbi összefüggés,

(3.4)

Az egyenáramú feszültség-áram (VI) görbe a bolometer határozza meg az egyenleteket,

(3.5)

A gyakorlatban a bolometer elfogult, egy akkumulátor feszültség V 0 és terhelési ellenállás R L. Az ellenállás a teher ellenállás általában úgy tervezték, hogy sokkal magasabb, mint az ellenállást a bolometer feletti teljes üzemi tartományban. Ez, hogy a jelenlegi átmenő bolometer stabil szinten, hogy a felemésztett teljesítményt a bolometer az ellenállás hőmérő marad kissé változik.

A működési pontja bolometer ezután megadott metszi a terhelési görbe, és a merülési vonal, egyenlettel határozzák meg,

(3.6)

Egy grafikon mutatja a tipikus VI görbe és a terhelési vonal eredményei egy szimulációs program, amit termelt IDL ábrán látható 3.3.

3.3 ábra - IDL kimenet több VI görbék, a terhelési vonalban ábrázolt

Mint látható a 3.3 ábra, az ellenállást a bolometer hihetetlenül magas, kis áram. A bolometer ellenállás csökkenni kezd, és végül szinten le nagyobb áram, mert a kiegészítő erőt felemésztett az elnyelő anyag. Ha sugárzás esemény az érzékelőre, a felemésztett teljesítményt a abszorberben is nőni fog. Ez az a hatása, összenyomhatja a VI görbét, amint az a fenti ábrán. Az elektromos energia szétszóródik a elnyelő anyagot, mint amely a [8], adja meg,

(3.7)

ahol jelent tört növekedését a hőmérséklet, ahol abszorber képviseli az elnyelő anyagot, hogy a hőmérsékletet . a statikus hővezetése a termikus kapcsolat a 3 He hűtőszekrényben (WK -1), ami miatt a következő hatványfüggvény,

(3.8)

ahol a statikus hővezetés a 300mK (WK -1), és és az úgynevezett hővezetési index. A kifejezés hívják a letöltési paraméter, és adja az egyenlet,

(3.9)

Ez a terhelési paraméter ami a tömörítést hatását a VI görbe, ha nincs esemény EM sugárzás a detektort.

Időállandó

Mint a legtöbb fizikai rendszerek egy bolometer nem válaszol azonnal, hogy azonnali változást a bemenet. Sok esetben a válasz a detektor egy fokozatos változást a bemenet exponenciális változás a kimeneti. Ez hasonló a töltési és kisütési egy kondenzátor egy RC.

A bolometer van egy energiatároló a hő kapacitása az abszorber. Ezért a bolometer lehet modellezni egy egységes elsőrendű differenciál egyenletet, ez azt is jelenti, hogy egy bolometer nem szenved memória hatás. A válasz így jellemezhető a időállandó amely egy bolometer adja az egyenlet,

(3.10)

ahol az abszorber hőkapacitás (JK -1). A statikus hővezetése kapcsolatban áll egy értékének a 3 He hűtőszekrény hőmérsékletét,

(3.11)

Ha a sugárzás esemény az érzékelőre, hogy növeli a hőmérsékletet egy kis összeget, ez hatással van a abszorberek hőkapacitása és a termikus linkek vezetőképesség. Az abszorber hőkapacitása a megnövekedett hőmérséklet kapcsolatban áll egy ismert érték A 300mK által,

(3.12)

ahol a hő jelzőszám. Visszatekintve egyenlet (3.2), valamint a feltételek a fent meghatározott, a hőmérsékleti együttható az ellenállás így át lehet alakítani,

(3.13)

ahol a hatványfüggvény index ellenállás-hőmérséklet kapcsolatban egyenlet (3.1). Látjuk, hogy negatív a félvezető bolometer. Ez azt jelenti, hogy értéke ami kisebb, mint által leírt egyenletet (3.10). Ez annak köszönhető, hogy elektrotermikus visszajelzést amely ismerteti [9]. Mi határozza meg egy új kifejezés amely értéke a korrekciót az elektrotermikus visszajelzés,

(3.14)

Ez az új érték lehetővé teszi számunkra, hogy határozzon meg egy értéket a ami szintén tartalmazza a korrekció elektrotermikus visszajelzést,

(3.15)

Mivel a termikus ellenállás elfogult egy feszültség az elektromos eloszlatta az elnyelő lehet adni a . A növekedés az esemény EM jel növeli a hőmérsékletet a termikus ellenállás, és így növeli az ellenállása, ez viszont okoz csökkenést a züllött hatalom. Ha az ellenállás jár a meredek részét görbe, akkor a teljes felemésztett teljesítményt a abszorberben állandó marad, mint ahogy a hőmérséklet. Ez a rendszer a továbbiakban negatív elektrotermikus visszajelzést. Ennek az az előnye, hogy csökkenti az időállandó, hogy a a termikus időállandó, ahogy az (3.10).

Válaszkészséget

Válaszkészséget definíció szerint a változás a kimeneti feszültség változása az esemény hatalom, amely egy bolometer egyenértékű változás a hőmérséklet. A feszültség válaszkészséget a bolometer meghatározása,

(3.16)

és függvényében változik a működési pont. Ha a jel a detektor modulált a modulációs frekvencia elég alacsonynak kell lennie annak érdekében, hogy a detektor képes reagálni a megváltozott hatalom. Azt mutatja, hogy

(3.17)

ahol gyakorisága moduláció. A nulla frekvencia (dc) válaszkészséget lehet értékelni közvetlenül a terhelési görbét a kifejezést,

(3.18)

hol van a nulla frekvencia dinamikus impedancia (Ohm) a bolometer az üzemi pont. is bizonyítható, hogy adott,

(3.19)

Idő Válasz egy Bolometer

A legtöbb bolometers alakja a VI görbe uralja a háttérben töltöttségi szintje. Ha egy kis kiegészítő jelet alkalmaznak a bolometer az eltérés a VI görbe lehet elhanyagolhatónak. Ez az úgynevezett kis jel közelítés. A kis jel határ, azaz ahol a forrás háttér változása bolometer feszültség megváltozása miatt az esemény sugárzási teljesítmény adható ki,

(3.20)

A változás a kimeneti feszültség nem azonnal jelentkeznek, és összehasonlításával bolometer egy RC a válasz is modellezhető vagy a következő két egyenlet,

(3.21)

Nyomtatáskor ezeket az egyenleteket a következő alakban (ahol és ),

3.4 ábra - Telkek V elleni idő a pozitív és negatív V

Amikor a nagy jelek tartják, az indulás a VI görbe már nem elhanyagolható. Ezért a változás a kimeneti feszültség megváltozása miatt az incidens hatalom nem lehet kiszámítani, válaszkészséget most adott a változás a működési feszültsége a bolometer. A mozgás a kezdeti a végső VI görbe, időállandó a rendszer függvényében változik a működési pont. Ezért a bolometer már nem egy alkalommal állandó eszköz, és nem lehet modellezni alkalmazásával az egyszerű RC válasz egyenletek.

Ábra: 3.5 - VI görbék egy nagy jel változás

Zaj ezzel egyenértékű teljesítményt

Nagyon fontos, hogy minden bolometer a zaj egyenértékű Power, vagy NÉP. A NEP az átlagos négyzetes jelerősség szükséges egyenlő a négyzetes középértéke a detektor zaj. A legjobb jel-zaj arány elérhető egy bolometer adja az egyenlet,

(3.22)

Általánosságban elmondható, NEP van egységek .

Foton Shot Zaj és zaj Wave

Ha figyelembe vesszük a részecske képet a fény, és rájönnek, hogy a fény érkezik A detektor a véletlenszerű vagy nem korrelált módon tudjuk meghatározni foton lövés zajt. Foton lövés zaj indokolt a magas frekvenciákon (ha a foton képet a fény a legalkalmasabb), de csekélyebb gyakorisággal a hullám kép a fény a megfelelőbb, és ezért meg újabb három évre hullám zajt.

Alkalmazásával Bose-Einstein statisztika és feltételezve, hogy a háttérben a felismerés formájában a feketetest azt látjuk, hogy az átlagos négyzetes ingadozásai fotonszám érkezik időben , A frekvencia intervallum V adják,

(3.23)

ahol , = Emissziós a háttérben, és = Az erőátvitel hatékonysága között, a háttér és a detektor. A további kifejezést figyelembe veszi a hullám zaj.

Foton zaj Korlátozott NEP

A legjobb esetben, az érzékelő és az azt követő elemek felveszi elhanyagolható mennyiségű további zaj a jel mellett a foton lövés zaj. Ezért a foton zaj korlátozza a érzékenységét bolometer mérés, ez a végső határ az úgynevezett foton zaj korlátozott NEP, . Ez adja az egyenlet,

(3.24)

Foton-érzékelő hatékonyság

A gyakorlatban ez nem lehetséges elérni a foton zaj korlátozott S / N, mert ez azt feltételezi, hogy a tökéletes detektort használjuk. Real detektorok különböznek működik az a tény, hogy

  • egy igazi detektor nem válaszolnak minden foton
  • az érzékelő és elektronikus termékek további zaj

Két paraméter határozza meg annak érdekében, hogy figyelembe veszi ezeket a hiányosságokat, az észlelő rendszer, ezek a reagáló Quantum Hatékonyság és a detektív kvantumhatásfok.

Érzékeny Quantum Efficiency (RQE vagy )

A RQE illetve figyelembe veszi a hiányos felszívódását fotonok és a meghatározás szerint a frakció esemény fotonok, amelyek hozzájárulnak a jel, nyilván .

Detektív kvantumhatásfok (DQE)

(3.25)

A DQE az aránya a tényleges érzékenységét maximálisan elérhető elvileg. A paraméter veszi mind az abszorpciós hatásfok és az esetleges extra zaj a detektor figyelembe. Ez a paraméter tehát használható összehasonlítani a különböző típusú érzékelő egymással.

A gyakorlatban a előfeszültség választják annak érdekében, hogy a csúcs DQE egyes érzékelő. Abban az esetben, Spire, hogy csoportok detektorok, melyek közös előfeszültség amely lehet beállítani, hogy ki optimális DQE a csoport számára.

Egyéb zajforrások

Johnson zaj

Bármely darab minden vezető anyagból az elektronok véletlenszerű termikus mozgások miatt az anyag véges hőmérséklet. A bolometric detektor és alkotóelemei -, vagy lehet tekinteni, hogy - egy ellenállást egy elektromos kapcsolat mindkét végén. Ha nincs elektromos potenciál az egész kapcsolatot a feszültség az ellenállást fog ingadozni véletlenszerűen nulla körül V, ez azért van, mert a pozitív és negatív ingadozások egyformán valószínű. A zaj teljesítményt az alkatrész azonban arányos a feszültség ingadozása kockás vagyis mindig pozitív. Ez az úgynevezett Johnson vagy Nyquist zaj.

A Johnson zaj NEP, , Van,

(3.26)

A frekvenciaspektrumának Johnson zaj lakás azaz frekvencia független. Ez látható a fenti egyenlet, ahol nincs frekvencia függés. Zaj a lakás spektrum úgynevezett fehér zaj.

Phonon zaj

Eddig úgy zaj létre a fotonok és elektronok, most úgy a hőhatás a hűtőborda, mint quantised formájában fononok (quantised rács rezgések). Ez vezet a véletlen ingadozásokat a hőmérséklet a bolometer. A fonon zaj NEP, , Van,

(3.27)

Hőmérséklet zaj

Hőmérséklet zajt okoz az a tény, hogy a hűtőborda nem állandó hőmérsékleten, és változik kissé az idő múlásával. A hőmérséklet zaj NEP, van,

(3.28)

ahol a spektrális intenzitása ingadozás a hőmérséklet a hűtőborda (K 2 Hz -1).

1 / f zaj

Ez a forrás a zaj nagyon fontos a gyakorlati alkalmazások, bár az okok gyakran nem jól értelmezik. A legtöbb készülék nagy zaj találhatók alacsony frekvencián.

3.6 ábra - 1 / f zaj

Minimalizálása zaj

Zaj érinti eredményez megalázó módon, és ezért alkalmaznak különböző technikák (annak érdekében, hogy csökkentse azok hatásait.

  • Végezzük el a post felderítési sávszélességet a lehető legkisebb
  • Próbáld ki, hogy ne mérjék a jelek (vagy frekvenciasáv), amely egybeesik a diszkrét frekvencia interferencia-források
  • Annak biztosítása, hogy a jel frekvenciáját (vagy frekvenciasáv) magas ahhoz, hogy ne befolyásolja jelentős mennyiségű zaj.

Miatt zajt nem lehet megfigyelni a forrás hosszú ideig folyamatos megfigyelés, ez azzal járna dolgozni nagyon alacsony frekvencián, ahol a zaj jelentős lenne. Az egyik alkalmazott technika, hogy elkerüljék zaj arra, hogy modulálja a jelet a frekvencia, amely elég magas ahhoz, hogy a már nem jelentős. A modulációs frekvencia azonban nem lehet olyan magas, hogy az érzékelők frekvencia csökkenéséhez vezetett az a jel. További előnye, hogy a modulációs technika, hogy lehet használni, hogy kivonja a háttérben egy jelet a váltás a forrás jel és a háttér-jelet, ez az úgynevezett â € ~ choppingâ € ™ a FIR / sub-mm észrevételeit.

Emellett a zaj feltételek

A teljes zaj a rendszer lesz az a kombináció minden egyes zajforrások be a korábban leírtak szerint. Azt feltételezzük, hogy minden a zajforrások vannak korrelálatlanok érték, ami az egyik nem függ semmilyen más. Mivel ezek nem korrelált hozzátéve, rendszerint nem veszi figyelembe a fázisok a zaj, ezért megteszi a négyzetes középértéke a zaj (effektív érték), mint néha a zajforrások is kioltják egymást.

(3.29)

ahol a zaj feszültség spektrális (VHz -1 / 2) mind a zaj járulékok.

Összességében Zaj és NÉP

Meg lehet határozni a NEP-ben a következő módon, a jel, amely egy S / N az 1-ben integrációs idővel 0,5 mp. Ha hagyjuk = Érzékelő válaszkészséget (VW -1), = Elektromágneses erő esemény a detektor (W), és = A teljes zaj feszültség spektrális sűrűség, a jel feszültség lehet írni,

(3.30)

A zaj feszültség ekkor kell megadni,

(3.31)

Definíciója szerint a NÉP, ha Ezután a jel feszültség . Ezért kapunk egy egyenletet a NEP szempontjából a zaj feszültség spektrális sűrűség és a válaszkészséget,

(3.32)

Az egységek a NEP általában adják WHz -1 / 2, a Hz -1 / 2 értelemben utal utáni észlelési sávszélesség vagy a fordítottja az integrálási idő.

10 Válasz-hoz "Bolometer elmélet"

  1. Ki Toy Johnson Pic azt mondja:
    Vasárnap 30 szeptember 2007 at 14:25

    Ki Toy Johnson Pic ...

    Én Googled valami teljesen más, de nem találta az oldal ... és köszönetet mondani. Jó olvasni ....

    Válasz
  2. János azt mondja:
    Szombat április 18, 2009 at 03:35

    Jól van Steven. Valami nagyon fontos tudnivaló, hogy mindenkinek szüksége van egy jó bevezető hivatkozást, hogy megértsék az alapokat, mielőtt folytatja a fejlett speciális téma alapján az alapítvány az alapokat. Ismeri az alapokat elég a legtöbb ember csak akkor lehet sikeres.
    A weboldal kiváló bevezető hivatkozás. Ha a karrier vezet, hogy a kutatók munkáját a fejlett finomságok bolometers, és akkor végül kihirdetik, kérjük, tartson meg és tesz közzé a jelen teste ugyanolyan jól szolgál a bemutatkozó anyagát az első-időzítő. Egyetértek Ki. Ön honlap bolometer elmélet jó olvasni.
    J

    Válasz
  3. Nadragulya azt mondja:
    Július 31. Péntek 2009, 11:19

    Megtaláltam a előadás leghasznosabbak a fejlődő megértése bolometer paraméterek és jellemzők. Én vagyok a 4. félév hallgatói Villamosmérnöki és vagyok jelenleg részt a projekt során mikrobolométer. Ebben a tekintetben én lesz greteful ha post szakirodalomban.

    Válasz
  4. jiku azt mondja:
    Szerda 10 március, 2010 at 04:05

    Találtam év lucture nagyon hasznos kutatási részben azért, mert én nem tudok semmit bolometer. De még mindig probléma, hogy a képet az Ön weboldalára. Mit kell tennem? Megpróbálom letölteni a pdf.file, de ez nem működik is.
    Kérjük, ne habozzon, hogy néhány javaslatot. Saját e-mail: jiku_jung9@hotmail.com

    Válasz
  5. ágy mondja:
    1. Csütörtök április 2010 at 11:52

    Nem mintha szeretném másolni a honlapon, de én igazán szeretem a megjelenés. Megmondaná, amely témát használ? Vagy volt szokás tenni?

    Válasz
  6. Steven Lloyd Watkin azt mondja:
    12. Hétfő április 2010 at 10:40

    Témája kapcsolódik a lap alján (a lábléc).

    Válasz
  7. Steven Lloyd Watkin azt mondja:
    12. Hétfő április 2010 at 10:41

    Képek és PDF felújított, sajnálom a problémák

    Válasz
  8. H. Azari azt mondja:
    13. Kedd április 2010 at 6:49

    Kedves steven
    Megtaláltam a előadás annyira hasznos, de én nem látom képek vagy keresse meg a pdf.
    Kérem, segítsen nekem, mit shoud csinálni?
    Tisztelettel

    Válasz
  9. Windboy azt mondja:
    Péntek augusztus 6, 2010 at 01:36

    Kedves steven
    Köszönöm szépen a csodálatos előadás, de nem tudom letölteni a "szimulálása SPIRE segítségével IDL", tudnád küldeni nekem? Előre is köszönöm.
    E-mail: lhfsemail@gmail.com

    Válasz
  10. Tonldan azt mondja:
    Vasárnap 20 február 2011 at 03:56

    Legyen szíves, küldjön nekem egy e-mailt. Nagyon tetszik a design.

    Válasz

Hagy egy Válaszol













Panoráma téma Themocracy

4 online látogató jelenleg
1 vendég, 3 botoktól, 0 tag
Max. látogatók ma: 17., 00:28 UTC
Ebben a hónapban: 26., 2011/07/05 12:35 UTC
Ebben az évben: 130 at 28-03-2011 22:40 UTC
Az összes idő: 130 at 28-03-2011 10:40 UTC