Bolometro Teoria
Quello che segue è un capitolo della mia relazione all'ultimo anno su 'Simulazione di SPIRE utilizzando IDL'. Quando il progetto di ricerca ho trovato difficoltà a trovare alcuni elementi di base per la teoria bolometro, così ho deciso di mettere online la mia versione. È anche possibile vedere il capitolo in un contesto pieno scaricando la mia relazione quarta relazione: Simulazione di SPIRE utilizzando IDL .
- Principi di base
- Costante di tempo
- Responsività
- Tempo di risposta di un bolometro
- Potenza equivalente di rumore
- Photon Shot Noise Noise e Wave
- Photon NEP rumore limitato
- Photon Detector Efficienza
- Altre fonti di rumore
- Ridurre al minimo il rumore
- Aggiunta di termini di rumore
- Complessivo delle emissioni sonore e NEP
Principi di base
Un bolometro è un dispositivo che rileva le radiazioni in arrivo da produrre un cambiamento nella resistenza elettrica proporzionale alla quantità di radiazione in arrivo received. radiazione viene assorbita dal bolometro che provoca un aumento della sua temperatura, che a sua volta causa un cambiamento nella sua resistenza elettrica .
Le caratteristiche essenziali di un bolometro sono i seguenti:
Figura 3.1 - Schema di un rivelatore bolometrico
La stessa bolometro costituito di un materiale assorbitore legato ad un dissipatore di calore in arrivo temperature. fisso elettromagnetico (EM) radiazione è assorbita dal materiale aumentando l'energia cinetica del electrons. libero Le collisioni degli elettroni liberi con gli atomi nel reticolo causa materiale vibrazioni che sono osservati come un cambiamento di temperatura.
I materiali tipici per il termometro sono semiconduttori come germanium. drogati La resistenza di tale variazioni sostanziali in modo significativo per un piccolo cambiamento di temperatura e possono essere caratterizzate da l'equazione,
| (3.1) |
dove 
è una costante detta parametro di resistenza (ohm), 
è la resistenza (ohm), 
è la temperatura della resistenza, e 
(K) è la temperatura del materiale band gap. Il valore della 
è chiamato parametro materiale ed è data dal simbolo 
. Il coefficiente di temperatura della resistenza è definita da,
| (3.2) |
Le operazioni di un rivelatore bolometro sono illustrati nella Figura 3.1. Il bolometro a temperatura 
è legato ad un dissipatore di calore di temperatura fissa 
da una conducibilità termica 
. Un bias corrente continua 
scorre attraverso il bolometro generando una tensione 
. Andamento del potere di radiazione in arrivo 
dar luogo a variazioni nella resistenza 
, E quindi della tensione di uscita 
. La polarizzazione bolometro tipici e del circuito di lettura è illustrato in Figura 3.2.
|
Figura 3.2 - Circuito di polarizzazione Bolometro e lettura |
La corrente che scorre attraverso la resistenza provoca una dissipazione di potenza 
nel materiale assorbitore. Inoltre, la quantità di energia radiante assorbita dal assorbitore è indicata da 
. La potenza totale dissipata nel bolometro 
è quindi dato da,
| (3.3) |
In condizioni di stato stazionario l'energia assorbita dal assorbitore verrà rimosso il dissipatore di calore per il collegamento termico, questo è dato dalla seguente relazione,
| (3.4) |
Il dc tensione-corrente (VI), curva per il bolometro è definito dalle equazioni,
| (3.5) |
In pratica il bolometro è influenzato da una batteria di tensione V 0 e resistenza di carico R L. La resistenza della resistenza di carico è normalmente progettato per essere molto superiore alla resistenza del bolometro sul suo campo di funzionamento. Questo per mantenere la corrente che attraversa il bolometro ad un livello stabile in modo che la potenza dissipata nel bolometro dal termometro a resistenza rimane alquanto costante.
Il punto di funzionamento del bolometro è quindi data nel punto di intersezione della curva di carico e la linea di carico, determinato mediante l'equazione,
| (3.6) |
Un grafico che mostra una tipica curva VI e la linea di carico da risultati di un programma di simulazione che ho prodotto in IDL è dato in Figura 3.3.
|
Figura 3.3 - Uscita IDL di diverse curve VI con una linea di carico su tracciati |
Come si può vedere dalla Figura 3.3, la resistenza del bolometro è incredibilmente alto a piccole correnti. La resistenza bolometro inizia a diminuire e, infine, i livelli di scendere a correnti più elevate perché la potenza supplementare viene dissipata nel materiale assorbitore. Se radiazione incide sul rivelatore, la potenza dissipata nel assorbitore anche aumentare. Questo ha l'effetto di schiacciamento della curva VI, come mostrato nella figura sopra. La potenza elettrica dissipata nel materiale assorbitore, quali risultano in [8], è dato da,
| (3.7) |
dove 
rappresenta un aumento frazionale della temperatura dell'assorbitore dove 
rappresenta il materiale assorbitore di essere ad una temperatura di 
. 
è la conduttanza termica statica del collegamento termico a 3 He temperatura del frigorifero (WK -1), che è data dalla seguente legge di potenza,
| (3.8) |
dove 
è la conduttanza termica statica a 300mK (WK -1), e 
e si chiama l'indice di conducibilità termica. Il termine 
viene chiamato il parametro di carico ed è dato dall'equazione,
| (3.9) |
E 'il parametro di carico che provoca l'effetto schiacciamento della curva VI quando ci sono le radiazioni EM incidente sul rivelatore.
Come la maggior parte dei sistemi fisici un bolometro non risponde istantaneamente ad un cambiamento immediato nel suo input. In molti casi la risposta di un rivelatore di un cambiamento di passo nella input è un cambiamento esponenziale in uscita. Questo è analogo alla carica e scarica di un condensatore in un circuito RC.
Un bolometro ha un serbatoio unico di energia nel calore della capacità di assorbimento. Quindi un bolometro può essere modellata con un primo singolo equazione differenziale di ordine; questo significa anche che un bolometro non soffre di effetto memoria. La risposta può quindi essere caratterizzata da una costante di tempo 
che per un bolometro è data dalla equazione,
| (3.10) |
dove 
è la capacità di assorbimento di calore (JK -1). La conduttanza termica statica 
è collegato a un valore di 
al 3 He temperatura del frigorifero da,
| (3.11) |
Quando radiazione incide sul rivelatore aumenta la sua temperatura da una piccola quantità, questo riguarda il calore ammortizzatori capacità e la conduttanza termica link. La capacità di assorbimento di calore a temperatura maggiore è correlata ad un valore noto 
a 300mK da,
| (3.12) |
dove 
è l'indice della capacità di calore. Guardando indietro alla equazione (3.2) e usando i termini di cui sopra, il coefficiente di temperatura della resistenza può essere riscritta come,
| (3.13) |
dove 
è l'indice di legge di potenza da relazione resistenza-temperatura nell'equazione (3.1). Vediamo che 
è negativo per un bolometro semiconduttori. Questo porta ad un valore di 
che è più piccolo di quello descritto dalla equazione (3.10). Ciò è dovuto al feedback elettrotermica che è descritto in [9]. Si definisce un nuovo termine 
che è il valore di 
con una correzione per il feedback elettrotermico,
| (3.14) |
Questo nuovo valore ci permette di definire un valore di 
che contiene ancora una correzione per il feedback elettrotermici
| (3.15) |
Poiché la resistenza termica è viziato da una tensione 
la potenza elettrica dissipata nel assorbitore può essere dato da 
. Un aumento del segnale incidente EM aumenterà la temperatura della resistenza termica e quindi anche aumentare la sua resistenza, a sua volta provoca una diminuzione della potenza dissipata. Se la resistenza agisce nella parte ripida della curva, allora la potenza totale dissipata nel assorbitore rimarrà costante, così come la sua temperatura. Questo sistema viene definito come aventi feedback negativo elettrotermici. Questo ha il vantaggio di ridurre la costante di tempo di di 
la costante di tempo termica, come indicato in (3.10).
Responsività
Responsivity è definita come la variazione della tensione di uscita per una variazione del potere d'incidente, che in un bolometro è equivalente a un cambiamento di temperatura. La responsività tensione del bolometro è definita come,
| (3.16) |
e varia in funzione del punto di lavoro. Se il segnale sul rivelatore è modulata la frequenza di modulazione deve essere sufficientemente bassa in modo che il rilevatore in grado di rispondere al cambiamento di potere. E 'dimostrato che,
| (3.17) |
dove 
frequenza di modulazione. La frequenza zero (dc) responsività può essere valutata direttamente dalla curva di carico utilizzando l'espressione,
| (3.18) |
dove è la frequenza zero impedenza dinamica 
(Ohm) del bolometro 
al punto di funzionamento. 
può essere dimostrato di essere dato da,
| (3.19) |
Tempo di risposta di un bolometro
Per la maggioranza dei bolometri la forma della curva VI è dominato da un livello di potenza di fondo. Quando un segnale piccolo supplemento viene applicato al bolometro la partenza dalla curva VI può essere considerato trascurabile. Questo è noto come l'approssimazione di piccolo segnale. Nel cioè piccolo segnale di limite ove fonte 
sfondo la modifica di tensione bolometro a causa di un cambiamento di potere radiazione incidente può essere dato da,
| (3.20) |
La variazione della tensione di uscita non si verifica istantaneamente e confrontando il bolometro con un circuito RC la risposta può essere modellato da una delle due seguenti equazioni,
| (3.21) |
Quando tracciate queste equazioni hanno la forma seguente (dove 
e 
),
|
Figura 3.4 - Piazzole di V contro il tempo per entrambi positivo e negativo V |
Quando i segnali di grandi dimensioni sono considerate, la partenza dalla curva VI non è più trascurabile. Pertanto, la variazione della tensione di uscita a causa di una variazione del potere d'incidente non può essere calcolato mediante l'applicazione di responsività è ora data dalla variazione della tensione di funzionamento punto del bolometro. Nel passaggio dalla prima alla curva finale VI, la costante di tempo del sistema varia in funzione del punto di lavoro. Pertanto, il bolometro non è più un momento unico dispositivo costante e non può essere modellato applicando il semplice circuito RC equazioni di reazione.
|
Figura 3.5 - VI curve per un cambiamento di grande segnale |
Potenza equivalente di rumore
Di grande importanza per qualsiasi bolometro è il rumore di potenza equivalente o NEP. La NEP è la radice quadrata media potenza del segnale necessario per la parità di scarto quadratico medio del rumore rivelatore. Il miglior rapporto segnale / rumore ottenibile da un bolometro è data dalla equazione,
| (3.22) |
In generale, la Nep ha le unità di 
.
Photon Shot Noise Noise e Wave
Se consideriamo il quadro delle particelle di luce e di rendersi conto che la luce arriva al rivelatore in modo casuale o non correlati, possiamo definire il rumore shot dei fotoni. rumore shot Photon è giustificabile alle alte frequenze (dove l'immagine fotone di luce è più adatto), ma a basse frequenze l'immagine d'onda della luce è più appropriato e quindi possiamo definire un altro termine rumore delle onde.
Con atto di statistica di Bose-Einstein e assumendo che il fondo per la ricerca è nella forma di un corpo nero troviamo che la radice quadrata media fluttuazioni nel numero di fotoni che arrivano in tempo , A intervallo di frequenza 
V è data da,
| (3.23) |
dove 
, 
= emissività dello sfondo, e 
= Rendimento totale di trasmissione tra lo sfondo e il rivelatore. Il supplementare 
termine tiene conto per il rumore delle onde.
Photon NEP rumore limitato
Nel migliore dei casi, del rivelatore e componenti successivi si aggiunge una quantità trascurabile di rumore supplementare al segnale oltre al rumore di sparo fotone. Pertanto, il rumore fotone limita la sensibilità della misura bolometro, questo limite ultimo si chiama il rumore fotone limitato NEP, 
. Questo è dato dalla equazione,
| (3.24) |
Photon Detector Efficienza
In pratica non è possibile ottenere il rumore fotone limitato S / N come questo presuppone che un rivelatore perfetto è usato. rilevatori Real differiscono in funzione nel fatto che,
- un rivelatore reale non può rispondere ad ogni fotone
- sensore e la sua elettronica produrre rumore supplementare
Due parametri sono definiti in modo da tener conto di questi per lacune nel sistema di rilevazione, che sono gli Responsive Quantum Efficiency e il Detective Quantum Efficiency.
Responsive efficienza quantica (o RQE 
)
Il RQE o dei conti per l'assorbimento di fotoni imperfetto ed è definita come la frazione di fotoni incidenti che contribuiscono al segnale, ovviamente 
.
Quantum Efficiency Detective (DQE)
| (3.25) |
La DQE è il rapporto tra la sensibilità reale di massima raggiungibile in linea di principio. Il parametro prende sia l'efficienza di assorbimento e ulteriori emissioni sonore generate nel rivelatore in considerazione. Questo parametro può quindi essere usato per confrontare diversi tipi di rilevatore con l'altro.
In pratica la tensione di bias è scelto in modo da ottenere la DQE picco per ogni rivelatore. Nel caso di SPIRE, sono i gruppi di rilevatori che condividono una comune tensione di polarizzazione che può essere regolato per ottenere un DQE ottimale per il gruppo.
Altre fonti di rumore
Johnson Noise
All'interno di qualsiasi pezzo di qualsiasi materiale conduttore gli elettroni sono casuali movimenti termico perché il materiale ha una temperatura finita. Un rilevatore bolometrico ei suoi componenti sono - o possono essere considerati - una resistenza con un contatto elettrico a ciascuna estremità. Se non esiste un potenziale elettrico tra i contatti della tensione nel resistore fluttuerà in modo casuale circa zero volt, è perché le fluttuazioni positive e negative sono egualmente probabili. La potenza del rumore all'interno del componente è comunque proporzionale alla variazione di tensione cioè quadrato è sempre positivo. Questa è chiamata la Johnson o rumore di Nyquist.
| (3.26) |
Lo spettro di frequenza del rumore Johnson è piatta cioè è indipendente dalla frequenza. Questo può essere visto da l'equazione di cui sopra, se non c'è dipendenza dalla frequenza. Rumore con uno spettro piatto si chiama rumore bianco.
Phonon Noise
Finora abbiamo considerato rumore creato da fotoni ed elettroni, ora consideriamo il flusso di calore nel dissipatore di calore come quantizzato in forma di fononi (quantizzato vibrazioni del reticolo). Questo porta a fluttuazioni casuali nella temperatura del bolometro. Il rumore phonon NEP, 
, È,
| (3.27) |
Temperatura di rumore
Temperatura di rumore è causato dal fatto che il dissipatore di calore non è a temperatura costante e varia leggermente nel corso del tempo. Il rumore temperatura NEP, 
è,
| (3.28) |
dove 
è l'intensità spettrale di fluttuazione della temperatura del dissipatore di calore (K 2 Hz -1).
1 / f Noise
Questa fonte di rumore è molto importante in applicazioni pratiche, anche se le cause sono spesso non ben compresa. Per la maggior parte dei dispositivi, i livelli di rumore di grandi dimensioni si trovano a basse frequenze.
|
Figura 3.6 - 1 / f Noise |
Ridurre al minimo il rumore
Il rumore influisce risultati in modo degradante e quindi abbiamo avvalgono di alcune tecniche (al fine di ridurre i suoi effetti.
- Fai la larghezza di banda di rilevazione post il più piccolo possibile
- Cercate di evitare di segnali di misura (o banda di frequenza) che coincidono con le fonti di interferenza discreta frequenza
- Assicurarsi che la frequenza del segnale (o banda di frequenza) è sufficientemente alta da non essere influenzata da una notevole quantità di rumore.
A causa di 
il rumore non è possibile osservare una fonte per lunghi periodi di osservazione continua, si tratterebbe di lavoro a frequenze molto basse in cui la 
rumore sarebbe significativo. Una tecnica utilizzata per evitare 
rumore è quella di modulare il segnale con una frequenza che è abbastanza alto che 
non è più significativa. La modulazione di frequenza non può, tuttavia, essere così alto che la frequenza di rilevatori di risposta si traduce in una perdita di segnale. Un ulteriore vantaggio della tecnica di modulazione è che può essere utilizzato per sottrarre il background dal segnale passando tra la sorgente del segnale e un segnale di fondo, questo è noto come â € ~ € ™ choppingâ in FIR / sub-mm osservazioni.
Il rumore totale in un sistema sarà la combinazione di tutte le sorgenti di rumore individuali presenti come descritto in precedenza. Partiamo dal presupposto che tutte le fonti di rumore sono incorrelati cioè il valore di uno non è dipendente da qualsiasi altro. Poiché non sono correlati ad aggiungerli normalmente non tiene conto delle fasi del rumore, quindi prendiamo la radice quadratico medio del rumore (valore efficace) come a volte le sorgenti di rumore possono annullare a vicenda.
| (3.29) |
dove 
è la densità spettrale di rumore di tensione (VHZ -1 / 2) da ciascuno dei contributi di rumore.
Complessivo delle emissioni sonore e NEP
E 'possibile definire il NEP nel seguente modo, la potenza del segnale che dà un S / N di 1 a un tempo di integrazione di 0,5 secondi. Se lasciamo 
= Responsività del rivelatore (VW -1), 
= Potenza elettromagnetica incidente sul rivelatore (W) e, 
= Totale densità spettrale di rumore di tensione, la tensione del segnale può essere scritta,
| (3.30) |
La tensione di rumore sarà dato da,
| (3.31) |
Per la definizione della NEP, se 
quindi il segnale di tensione 
. Pertanto si ottiene un'equazione per la NEP, in termini di tensione densità spettrale di rumore e la responsività,
| (3.32) |
Le unità di NEP sono normalmente dato come WHz -1 / 2, i termini Hz -1 / 2 si riferisce alla larghezza di banda di rilevamento posta o l'inverso del tempo di integrazione.
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Johnson Toy Ki Pic ...
I Googled qualcosa di completamente diverso, ma ha trovato la tua pagina ... e devo dire grazie. bello leggere ....
Ben fatto Steven. Qualcosa di molto importante da ricordare è che tutti hanno bisogno di un buon riferimento introduttivo di capire le basi prima di cercare argomenti specialistici avanzati basati sul fondamento dei principi fondamentali. La comprensione delle nozioni di base è sufficiente per la maggioranza delle persone per avere successo.
La tua pagina web è un eccellente punto di riferimento introduttivo. Se il vostro percorso di carriera ti porta alla ricerca delle sfumature più avanzata di bolometri e infine pubblicare, conservare e pubblicare questo corpo attuale dei lavori, nonché per servire come materiale introduttivo per la prima volta. Sono d'accordo con Ki. La tua pagina web sulla teoria bolometro è una buona lettura.
J
Ho trovato la tua lezione più utile per sviluppare una comprensione dei parametri bolometro e caratteristiche. Sono uno studente quarto semestre di ingegneria elettrica e sono attualmente impegnati in un progetto che coinvolge microbolometro. A questo proposito mi viene greteful se è possibile inviare letteratura.
Ho trovato lucture anno è molto utile per parte mia ricerca, perché io non so niente di bolometro. Ma ho ancora problemi per vedere la foto nella vostra pagina web. Cosa devo fare? Provo a scaricare la vostra pdf.file ma non funziona anche.
Non esitate a dare qualche suggerimento. La mia e-mail: jiku_jung9@hotmail.com
Non che io voglia copiare il vostro sito web, ma Amo veramente il look. Potrebbe dirmi che tema stai usando? O era su misura?
Tema è legato in fondo a questa pagina (nel piè di pagina).
Le immagini e PDF restaurato, mi spiace per i problemi
caro steven
Ho trovato la tua lezione così utile, ma non riesco a vedere le immagini o trovare il pdf.
La prego quindi di aiutarmi a quello che ho shoud fare?
Cordiali saluti
Caro steven
La ringrazio molto per la vostra lezione meravigliosa, ma non riesco a scaricare la "Simulazione SPIRE utilizzando IDL", potresti inviare a me? Grazie in anticipo.
E-mail: lhfsemail@gmail.com
Potete inviarmi una mail. Mi piace molto il vostro disegno.