Teori Bolometer
Berikut ini adalah sebuah bab dari laporan tahun terakhir saya tentang 'Simulasi Spire menggunakan IDL'. Ketika meneliti proyek saya menemukan sulit untuk menemukan beberapa pengenalan dasar teori bolometer, jadi saya memutuskan untuk menaruh online versi saya. Anda juga dapat melihat bab dalam konteks penuh dengan men-download laporan keempat saya laporan: Simulasi Spire menggunakan IDL .
- Prinsip Dasar
- Waktu Konstan
- Responsivitas
- Waktu Respon dari suatu Bolometer
- Kebisingan Setara Daya
- Foton Shot Noise Kebisingan dan Wave
- Foton NEP Kebisingan Terbatas
- Efisiensi Detektor Foton
- Lainnya Sumber Kebisingan
- Meminimalkan Kebisingan
- Penambahan Persyaratan Kebisingan
- Secara keseluruhan Kebisingan dan NEP
Prinsip Dasar
bolometer adalah alat yang mendeteksi radiasi masuk dengan menghasilkan perubahan hambatan listrik sebanding dengan jumlah radiasi radiasi received. masuk diserap oleh bolometer yang menyebabkan peningkatan suhu, yang pada gilirannya menyebabkan perubahan dalam perlawanan listriknya .
Fitur penting dari suatu bolometer adalah sebagai berikut:
Gambar 3.1 - Diagram dari Detector Bolometric
The bolometer itu sendiri terdiri dari bahan penyerap terkait dengan heat sink dari Incoming temperature. tetap elektromagnetik (EM) radiasi diserap oleh bahan meningkatkan energi kinetik dari electrons. gratis The tabrakan elektron bebas dengan atom dalam kisi sebab material getaran yang diamati sebagai perubahan suhu.
bahan khas untuk termometer adalah semikonduktor seperti germanium. diolah Hambatan untuk suatu perubahan material yang signifikan untuk perubahan kecil pada suhu dan dapat dicirikan oleh persamaan,
| (3.1) |
mana 
adalah konstan disebut parameter resistansi (Ohm), 
adalah resistansi (ohm), 
adalah suhu resistor, dan 
(K) adalah band bahan suhu gap. Nilai 
disebut parameter material dan diberikan simbol 
. Suhu koefisien perlawanan didefinisikan oleh,
| (3.2) |
Operasi dari detektor bolometer diilustrasikan pada Gambar 3.1. The bolometer pada suhu 
dihubungkan dengan heat sink suhu tetap 
oleh konduktansi termal 
. Sebuah bias dc saat ini 
mengalir melalui bolometer pembangkit tegangan 
. Perubahan daya radiasi yang masuk 
menimbulkan perubahan dalam perlawanan 
, Dan karena itu dalam tegangan output 
. The biasing bolometer khas dan sirkuit readout digambarkan pada Gambar 3.2.
|
Gambar 3.2 - Bolometer biasing dan pembacaan sirkuit |
Arus yang mengalir melalui resistor menyebabkan disipasi daya 
ke dalam bahan penyerap. Selain itu, jumlah energi radiasi yang diserap oleh penyerap dilambangkan oleh 
. Daya total yang dihamburkan di bolometer 
Oleh karena itu diberikan oleh,
| (3.3) |
Dalam kondisi steady state energi yang diserap oleh penyerap akan dipindahkan ke heatsink dengan link termal, ini diberikan oleh hubungan berikut,
| (3.4) |
Tegangan-arus dc (VI) kurva untuk bolometer yang didefinisikan oleh persamaan,
| (3.5) |
Dalam prakteknya bolometer yang bias oleh baterai tegangan 0 V dan resistansi beban R L. Perlawanan dari resistor beban biasanya dirancang untuk menjadi jauh lebih tinggi daripada perlawanan dari bolometer selama rentang seluruh operasi. Hal ini untuk menjaga arus yang melalui bolometer pada tingkat yang stabil sehingga daya merisau di bolometer oleh termometer resistansi tetap agak konstan.
Titik operasi bolometer ini kemudian diberikan di persimpangan dari kurva beban dan garis beban, yang ditentukan oleh persamaan,
| (3.6) |
Sebuah grafik yang menunjukkan kurva VI khas dan garis beban dari hasil program simulasi yang saya diproduksi di IDL diberikan pada Gambar 3.3.
|
Gambar 3.3 - output IDL kurva beberapa VI dengan garis beban selama diplot |
Seperti yang bisa dilihat dari Gambar 3.3, resistansi bolometer yang sangat tinggi pada arus kecil. Perlawanan bolometer mulai menurun dan akhirnya tingkat off pada arus yang lebih tinggi karena tambahan daya didisipasikan ke dalam bahan penyerap. Jika radiasi adalah kejadian pada detektor, kekuatan merisau di penyerap juga akan meningkat. Hal ini memiliki efek squashing kurva VI seperti ditunjukkan pada diagram di atas. Daya listrik merisau dalam bahan penyerap, seperti yang diturunkan dalam [8], diberikan oleh,
| (3.7) |
mana 
merupakan peningkatan pecahan pada suhu penyerap dimana 
merupakan bahan penyerap yang pada suhu 
. 
adalah konduktansi termal statis dari link termal pada suhu lemari es la 3 (WK -1), yang diberikan oleh kuasa hukum berikut,
| (3.8) |
mana 
adalah konduktansi termal statis di 300mK (WK -1), dan 
dan disebut indeks konduktivitas termal. Istilah 
disebut parameter pemuatan dan diberikan oleh persamaan,
| (3.9) |
Ini adalah parameter loading yang menyebabkan efek squashing dari kurva VI ketika ada insiden radiasi EM pada detektor.
Seperti dengan sistem fisik yang paling bolometer yang tidak merespon langsung untuk sebuah perubahan instan input. Dalam banyak kasus respon detektor ke langkah perubahan dalam input merupakan perubahan eksponensial pada output. Hal ini analog dengan pengisian dan pengosongan dari kapasitor dalam rangkaian RC.
bolometer A memiliki cadangan energi tunggal dalam kapasitansi penyerap panas. Oleh karena itu bolometer bisa dimodelkan dengan menggunakan persamaan diferensial single pertama, ini juga berarti bahwa suatu bolometer tidak menderita dari efek memori. Tanggapan sehingga dapat dicirikan dengan waktu yang konstan 
yang bagi suatu bolometer diberikan oleh persamaan,
| (3.10) |
mana 
adalah penyerap panas kapasitas (JK -1). The konduktansi termal statis 
berhubungan dengan nilai dari 
pada suhu lemari es la 3 oleh,
| (3.11) |
Ketika radiasi insiden pada detektor akan meningkatkan suhu dalam jumlah yang kecil, ini mempengaruhi kapasitas peredam panas dan link konduktansi termal. Penyerap kapasitas panas pada suhu meningkat berkaitan dengan nilai dikenal 
di 300mK oleh,
| (3.12) |
mana 
adalah indeks kapasitas panas. Melihat kembali pada persamaan (3.2) dan menggunakan ketentuan yang ditetapkan di atas, koefisien suhu resistansi dapat ditulis sebagai,
| (3.13) |
mana 
adalah kuasa hukum indeks dari hubungan resistansi-temperatur dalam persamaan (3.1). Kita melihat bahwa 
negatif untuk bolometer semikonduktor. Ini mengarah ke nilai 
yang lebih kecil dari yang digambarkan oleh persamaan (3.10). Hal ini disebabkan oleh umpan balik electrothermal yang dijelaskan dalam [9]. Kami mendefinisikan istilah baru 
yang merupakan nilai 
dengan koreksi untuk umpan balik electrothermal,
| (3.14) |
Nilai baru ini memungkinkan kita untuk menentukan nilai 
yang lagi-lagi berisi koreksi untuk umpan balik electrothermal,
| (3.15) |
Sebagai resistor panas bias dengan voltase 
daya listrik dihamburkan ke absorber dapat diberikan oleh 
. Peningkatan sinyal insiden EM akan meningkatkan suhu resistor termal dan karenanya juga meningkatkan ketahanan, yang pada gilirannya akan menyebabkan penurunan daya hilang. Jika resistor bertindak di bagian kurva yang curam maka total daya merisau di penyerap akan tetap konstan, seperti yang akan suhu. Sistem ini disebut sebagai memiliki umpan balik electrothermal negatif. Hal ini memiliki keuntungan mengurangi waktu yang konstan untuk dari 
waktu termal konstan seperti yang diberikan dalam (3.10).
Responsivitas
Responsivitas didefinisikan sebagai perubahan tegangan output untuk perubahan kekuasaan insiden, yang dalam bolometer adalah setara dengan perubahan suhu. Dan reaksi tegangan bolometer ini didefinisikan sebagai,
| (3.16) |
dan bervariasi sebagai fungsi dari titik operasi. Jika sinyal pada detektor dimodulasi frekuensi modulasi harus cukup rendah sehingga detektor dapat merespon perubahan kekuatan. Hal ini menunjukkan bahwa,
| (3.17) |
mana 
frekuensi modulasi. Zero frekuensi (dc) responsivitas dapat dievaluasi langsung dari kurva beban menggunakan ekspresi,
| (3.18) |
dimana adalah frekuensi nol impedansi dinamis 
(Ohm) dari bolometer yang 
pada titik operasi. 
dapat ditunjukkan diberikan oleh,
| (3.19) |
Waktu Respon dari suatu Bolometer
Bagi sebagian besar bolometers bentuk kurva VI didominasi oleh tingkat daya latar belakang. Ketika sinyal tambahan kecil diterapkan bolometer keberangkatan dari kurva VI dapat diasumsikan diabaikan. Hal ini dikenal sebagai pendekatan sinyal kecil. Dalam sinyal yaitu batas kecil di mana sumber 
latar belakang perubahan tegangan bolometer karena perubahan daya insiden radiasi dapat diberikan oleh,
| (3.20) |
Perubahan tegangan keluaran tidak terjadi langsung dan dengan membandingkan bolometer dengan sebuah sirkuit RC respon dapat dimodelkan oleh salah satu dari dua persamaan berikut,
| (3.21) |
Ketika diplot persamaan ini mempunyai bentuk berikut (di mana 
dan 
),
|
Gambar 3.4 - Plot V terhadap Waktu untuk kedua Positif dan Negatif V |
Ketika sinyal besar dianggap, keberangkatan dari kurva VI tidak lagi diabaikan. Oleh karena itu perubahan tegangan output yang disebabkan oleh perubahan pada kekuatan insiden tidak dapat dihitung dengan menerapkan responsivitas sekarang diberikan oleh perubahan tegangan titik operasi dari bolometer tersebut. Dalam bergerak dari awal kurva VI akhir, waktu konstan sistem bervariasi sebagai fungsi dari titik operasi. Oleh karena itu bolometer tidak lagi satu waktu konstan dan perangkat tidak dapat dimodelkan dengan menggunakan persamaan rangkaian respon sederhana RC.
|
Gambar 3.5 - VI kurva untuk mengubah sinyal besar |
Kebisingan Setara Daya
Sangat penting untuk bolometer apapun adalah setara Kebisingan Daya atau NEP. NEP adalah root mean squared kekuatan sinyal yang dibutuhkan untuk sama root mean square dari kebisingan detektor. Yang terbaik signal-to-noise rasio dicapai oleh suatu bolometer diberikan oleh persamaan,
| (3.22) |
Secara umum, NEP memiliki satuan 
.
Foton Shot Noise Kebisingan dan Wave
Jika kita mempertimbangkan gambaran partikel cahaya dan menyadari bahwa cahaya akan tiba di detektor dengan cara acak atau tidak berkorelasi, kita dapat mendefinisikan kebisingan foton ditembak. kebisingan tembakan Foton dibenarkan pada frekuensi tinggi (di mana gambar foton cahaya yang paling cocok), tetapi pada frekuensi yang lebih rendah gambar gelombang cahaya yang lebih tepat dan oleh karena itu kita mendefinisikan lain noise gelombang panjang.
Dengan aplikasi statistik Bose-Einstein dan dengan asumsi bahwa latar belakang untuk mendeteksi adalah dalam bentuk hitam, kita menemukan bahwa akar kuadrat mean fluktuasi dalam jumlah foton tiba di waktu , Pada interval frekuensi 
V diberikan oleh,
| (3.23) |
mana 
, 
= Emisivitas dari latar belakang, dan 
= Efisiensi penularan secara keseluruhan antara latar belakang dan detektor. Tambahan 
jangka mempertimbangkan untuk suara gelombang.
Foton NEP Kebisingan Terbatas
Dalam kasus terbaik, detektor dan komponen berikutnya akan menambahkan jumlah diabaikan noise tambahan untuk sinyal di samping suara tembakan foton. Oleh karena itu, foton kebisingan membatasi sensitivitas pengukuran bolometer, batas akhir ini disebut kebisingan foton terbatas NEP, 
. Ini diberikan oleh persamaan,
| (3.24) |
Efisiensi Detektor Foton
Dalam praktek tidak mungkin untuk memperoleh suara terbatas foton S / N karena hal ini mengasumsikan bahwa detektor sempurna digunakan. Real detektor berbeda dalam operasi pada kenyataan bahwa,
- detektor nyata tidak dapat menanggapi setiap foton
- detektor dan elektronik yang menghasilkan suara tambahan
Dua parameter yang ditetapkan untuk memperhitungkan kekurangan dalam sistem deteksi, ini adalah responsif Quantum Efisiensi dan Detektif Quantum Efisiensi.
Responsif Quantum Efisiensi (RQE atau 
)
The RQE atau rekening untuk penyerapan tidak sempurna foton dan didefinisikan sebagai fraksi foton yang berkontribusi terhadap sinyal, jelas 
.
Quantum Detektif Efisiensi (DQE)
| (3.25) |
The DQE adalah rasio sensitivitas sebenarnya maksimum dicapai pada prinsipnya. Parameter yang mengambil baik efisiensi penyerapan dan setiap suara tambahan yang dihasilkan dalam detektor ke rekening. Parameter ini sehingga dapat digunakan untuk membandingkan berbagai jenis detektor satu sama lain.
Dalam prakteknya tegangan bias dipilih dalam rangka untuk mendapatkan DQE puncak untuk detektor masing-masing. Dalam kasus Spire, adalah kelompok yang berbagi detektor tegangan bias umum yang dapat disesuaikan untuk mendapatkan DQE optimal untuk grup.
Lainnya Sumber Kebisingan
Johnson Kebisingan
Dalam setiap bagian dari bahan apapun melakukan gerakan termal elektron acak karena materi memiliki suhu terbatas. Sebuah detektor bolometric dan komponennya - atau dapat dianggap sebagai - sebuah resistor dengan kontak listrik pada akhir masing-masing. Jika tidak ada potensial listrik di kontak tegangan di resistor akan berfluktuasi secara acak tentang nol volt, ini karena fluktuasi positif dan negatif sama-sama mungkin. Kekuatan suara dalam komponen Namun sebanding dengan fluktuasi tegangan yaitu kuadrat itu selalu positif. Ini disebut Johnson atau Nyquist Kebisingan.
Johnson kebisingan NEP, 
, Adalah,
| (3.26) |
Spektrum frekuensi noise Johnson yaitu datar itu adalah frekuensi independen. Hal ini dapat dilihat dari persamaan di atas dimana tidak ada ketergantungan frekuensi. Kebisingan dengan spektrum datar disebut white noise.
Fonon Kebisingan
Sejauh ini kita telah dianggap suara dibuat dari foton dan elektron, kita sekarang mempertimbangkan aliran panas ke dalam heat sink sebagai quantised dalam bentuk fonon (getaran quantised kisi). Hal ini menyebabkan fluktuasi acak pada suhu bolometer tersebut. Suara Fonon NEP, 
, Adalah,
| (3.27) |
Suhu Kebisingan
Suhu noise disebabkan oleh fakta bahwa heat sink tidak pada suhu konstan dan bervariasi sedikit dari waktu ke waktu. Suara suhu NEP, 
adalah,
| (3.28) |
mana 
adalah intensitas spektral fluktuasi suhu heat sink (K 2 Hz -1).
1 / f Kebisingan
Sumber kebisingan sangat penting dalam aplikasi praktis, walaupun penyebab sering tidak sangat dipahami dengan baik. Untuk sebagian besar perangkat, tingkat kebisingan besar ditemukan di frekuensi rendah.
|
Gambar 3.6 - 1 / f Kebisingan |
Meminimalkan Kebisingan
Kebisingan mempengaruhi hasil dalam mode merendahkan dan karena itu kami menggunakan beberapa teknik (dalam rangka untuk mengurangi dampaknya.
- Membuat posting bandwidth deteksi sekecil mungkin
- Cobalah untuk menghindari sinyal mengukur (atau band frekuensi) yang bertepatan dengan sumber gangguan frekuensi diskrit
- Pastikan bahwa frekuensi sinyal (atau pita frekuensi) cukup tinggi tidak akan terpengaruh oleh jumlah yang signifikan dari kebisingan.
Karena 
kebisingan tidak mungkin untuk mengamati sumber untuk jangka waktu pengamatan terus-menerus, ini akan melibatkan bekerja pada frekuensi sangat rendah di mana 
kebisingan akan signifikan. Salah satu teknik yang digunakan untuk menghindari 
kebisingan adalah untuk memodulasi sinyal dengan frekuensi yang cukup tinggi yang 
tidak lagi signifikan. Frekuensi modulasi tidak bisa, bagaimanapun, begitu tinggi bahwa hasil detektor respon frekuensi dalam kerugian dalam sinyal. Sebuah keuntungan lebih lanjut ke teknik modulasi adalah bahwa hal itu dapat digunakan untuk mengurangi latar belakang dari sinyal dengan beralih antara sinyal sumber dan sinyal latar belakang, ini dikenal sebagai â € ~ choppingâ € ™ di FIR / sub-mm observasi.
Penambahan Persyaratan Kebisingan
Suara total sistem akan menjadi kombinasi dari semua sumber kebisingan individu hadir seperti yang dijelaskan sebelumnya. Kami berasumsi bahwa semua sumber kebisingan adalah berkorelasi yaitu nilai satu tidak tergantung pada yang lain. Karena mereka tidak berkorelasi menambahkan mereka biasanya tidak akan memperhitungkan fase kebisingan, karena itu kita mengambil akar kwadrat dari kebisingan (rms nilai) sebagai sumber kebisingan kadang-kadang dapat membatalkan satu sama lain.
| (3.29) |
mana 
adalah tegangan kerapatan spektral kebisingan (VHz -1 / 2) dari masing-masing kontribusi kebisingan.
Secara keseluruhan Kebisingan dan NEP
Hal ini dimungkinkan untuk menentukan NEP dengan cara berikut, kekuatan sinyal yang memberikan S / N dari 1 dalam waktu 0,5 detik integrasi. Jika kita membiarkan 
= Detektor responsivitas (VW -1), 
= Insiden daya elektromagnetik pada detektor (W) dan, 
= Gangguan kerapatan spektral tegangan total, tegangan sinyal dapat ditulis,
| (3.30) |
Tegangan noise kemudian akan diberikan oleh,
| (3.31) |
Dengan definisi NEP, jika 
maka tegangan sinyal 
. Oleh karena itu kami memperoleh persamaan untuk NEP dalam hal kepadatan Kebisingan tegangan spektral dan responsivitas tersebut,
| (3.32) |
Satuan NEP biasanya diberikan sebagai WHZ -1 / 2, maka Hz -1 / 2 istilah mengacu pada bandwidth deteksi pos atau kebalikan dari waktu integrasi.
- Teori kebisingan daya setara superkonduktor suhu tinggi jauh--inframerah bolometer di sebuah ... foto- y Theor setara daya kebisingan superkonduktor suhu tinggi jauh--inframerah bolometer di sebuah-thermoelectrical modus foto operasi Teori setara daya kebisingan sebuah superkonduktor suhu tinggi jauh-infraredbolometer dalam foto
- 1 Pendahuluan (PDF) ... Sebuah versi revisi dari Griffin & ideal bolometer semikonduktor Belanda. model disajikan dan penggunaannya dalam ... berdasarkan teori bolometer non-ekuilibrium. Mather [10] tetapi itu mengambil ... astro.cf.ac.uk / kelompok / ... / _paper.pdf bolometer Sudiwala_et_al_IJMM_
- Sebuah teori sederhana untuk didukung bolometers padat Sebuah teori sederhana untuk didukung bolometers padat Sebuah teori sederhana untuk didukung bolometers padat Sebuah teori sederhana diusulkan untuk menjelaskan respon frekuensi yang didukung bolometers padat. Ini mengasumsikan aliran satu-dimensi yang panas melalui bolometer
- KETEPATAN TINGGI Karakterisasi SEMIKONDUKTOR BOLOMETERS (PDF) ... meter, menggunakan model bolometer disajikan dalam Sudiwala et ... shuf tingkat lebih efisien seragam? doping. Ideal bolometer teori [1, 2, 7] dapat digunakan untuk ... astro.cf.ac.uk / kelompok / ... / _paper.pdf bolometer Woodcraft_et_al_IJMM_
- DOE Document - Nonequilibrium teori-elektron dari bolometer panas dengan terowongan logam-insulator-superconductor normal ... Pengoperasian-elektron bolometer panas dengan normal-logam-isolator superkonduktor (NIS) junction terowongan sebagai sensor suhu dianalisis secara teoritis. Dan reaksi dan kekuatan kebisingan ekuivalen (NEP) dari bolometer ini diperoleh
- Image Processing dan Kuadrat-Terkecil Rekonstruksi (PDF) ... dicapai dengan mempertimbangkan gambar standar. resampling teori dalam perumusan masalah kuadrat-terkecil ... dithering karena mengikat bolometer angka nol menunjuk ke sebuah fluks dalam
- Sebuah Microcalorimeter dan Bolometer Model A Microcalorimeter dan Bolometer Model A Microcalorimeter dan Bolometer Model Teori kesetimbangan non-standar kebisingan di bolometers ideal dan microcalorimeters gagal untuk memprediksi kinerja perangkat nyata karena efek tambahan
Ki Toy Johnson Pic ...
Saya Googled untuk sesuatu yang sama sekali berbeda, tetapi menemukan halaman Anda ... dan harus mengucapkan terima kasih. bagus dibaca ....
Bagus Steven. Sesuatu yang sangat penting untuk diingat adalah bahwa setiap orang membutuhkan referensi pengantar yang baik untuk memahami dasar-dasar sebelum mengejar topik khusus maju berdasarkan fondasi dasar. Pemahaman tentang dasar-dasar sudah cukup bagi kebanyakan orang untuk sukses.
Halaman Web Anda adalah sebuah referensi pengantar yang sangat baik. Jika jalur karir Anda mengarah Anda untuk penelitian lebih banyak seluk-beluk maju bolometers dan Anda akhirnya menerbitkan, silakan mempertahankan dan mempublikasikan tubuh ini kini kerja serta untuk melayani sebagai bahan pengantar untuk-timer pertama. Saya setuju dengan Ki. Halaman Web Anda pada teori bolometer juga baik untuk dibaca.
J
Saya menemukan kuliah Anda yang paling membantu dalam mengembangkan pemahaman tentang parameter bolometer dan karakteristik. Saya seorang mahasiswa semester 4 teknik elektro dan saya saat ini terlibat dalam sebuah proyek yang melibatkan microbolometer. Dalam hal ini saya akan greteful jika Anda dapat memposting literatur yang relevan.
Saya menemukan lucture tahun itu sangat berguna untuk bagian penelitian saya karena saya tidak tahu apa-apa tentang bolometer. Tapi aku masih punya masalah untuk melihat gambar dalam halaman web Anda. Apa yang harus saya lakukan? Saya mencoba untuk mendownload pdf.file Anda tetapi tidak berhasil juga.
Harap jangan ragu untuk memberikan beberapa saran. E-mail saya: jiku_jung9@hotmail.com
Bukannya aku ingin menyalin situs web Anda, tapi aku benar-benar mengasihi tampilan. Bisakah Anda memberitahu saya yang tema yang anda gunakan? Atau apakah itu custom made?
Tema ini terkait di bagian bawah halaman ini (di footer).
Gambar dan PDF dipulihkan, maaf untuk masalah-masalah
Sayang steven
Saya menemukan kuliah Anda begitu bermanfaat, tetapi saya tidak bisa melihat gambar atau mencari pdf.
akan Anda tolong bantu saya apa yang saya shoud lakukan?
Anda tulus
Dear steven
Terima kasih banyak untuk kuliah indah Anda, tapi aku tidak bisa men-download "Simulasi puncak menara dengan menggunakan IDL", Dapatkah Anda mengirimkan kepada saya? Thanks in advance.
Email: lhfsemail@gmail.com
Tolong kirimkan saya mail. Saya sangat suka desain Anda.