Bolometer תיאוריה
להלן פרק מתוך הדו"ח הסופי השנה שלי ב 'דימוי צריח באמצעות IDL ". כאשר החוקר את פרויקט התקשיתי למצוא מבוא בסיסי בתורת bolometer, אז החלטתי לשים באינטרנט לגרסה שלי. אתה יכול גם לראות את הפרק בהקשר המלא ידי הורדת הדו"ח דו"ח הרביעית שלי: הדמיה צריח באמצעות IDL .
- עקרונות יסוד
- זמן קבועים
- תגובתיות
- זמן התגובה של Bolometer
- Noise Equivalent Power
- פוטון Shot רעש רעש גל
- פוטון NEP רעש מוגבלת
- פוטון יעילות גלאי
- מקורות אחרים של רעש
- Minimising רעש
- בנוסף על תנאי רעש
- רעש NEP הכוללת
עקרונות יסוד
bolometer הוא מכשיר אשר מזהה קרינה נכנסת על ידי ייצור שינוי ההתנגדות החשמלית ביחס ישר לכמות הקרינה received. הקרינה הנכנסת נספג על ידי bolometer אשר גורמת לעלייה בטמפרטורה שלה, אשר בתורו גורם לשינוי ההתנגדות החשמלית שלו .
התכונות החיוניות של bolometer הן כדלקמן:

תרשים 3.1 - תרשים של גלאי Bolometric
Bolometer עצמו מורכב של חומר בולם מקושר כיור חום נכנס temperature. קבוע האלקטרומגנטית (EM) קרינה נספג על ידי החומר להגדיל את האנרגיה הקינטית של electrons. חינם התנגשויות של אלקטרונים חופשיים עם אטומים בסריג לגרום החומר תנודות אשר נשמרים כמו שינוי בטמפרטורה.
חומרים אופייניים המדחום הם מוליכים למחצה כגון germanium. מסוממים ההתנגדות עבור כזה שינויים מהותיים באופן משמעותי לשינוי קטן טמפרטורה יכול להיות מאופיין על ידי המשוואה,
| (3.1) |
שם
הוא קבוע שנקרא פרמטר ההתנגדות (אום),
הוא ההתנגדות (אום),
היא הטמפרטורה של הנגד, ו
(K) היא להקת חומר בטמפרטורה הפער. הערך של
הוא קרא את הפרמטר חומר ניתנת סמל
. הטמפרטורה מקדם ההתנגדות מוגדרת על ידי,
| (3.2) |
המבצעים של גלאי bolometer הם באיור 3.1. Bolometer בטמפרטורת
הוא מקושר כיור חום בטמפרטורה קבועה
לפי מוליכות תרמית
. הטיה DC הנוכחי
זורם bolometer יצירת מתח
. השינויים בכוח הקרינה הנכנסת
להצמיח שינויים ההתנגדות
, ולכן במתח הפלט
. הטיית bolometer טיפוסי במעגל readout מתואר באיור 3.2.
|
איור 3.2 - מעגל הטיית Bolometer ו readout |
הזרם שזורם דרך הנגד גורם בזבוז של כוח
לתוך החומר בולם. בנוסף, הסכום של אנרגיית קרינה נספג על ידי בולם הוא מסומן על ידי
. הכוח הכל התפוגג ב bolometer
ניתנת אפוא על ידי,
| (3.3) |
בתנאים המצב היציב האנרגיה הנבלעת בולם יוסר כדי קירור באמצעות הקישור תרמית, זה נתון על ידי הקשר הבא,
| (3.4) |
DC-מתח הנוכחי (השישי) עקומת עבור bolometer מוגדר על ידי המשוואות,
| (3.5) |
בפועל bolometer הוא מוטה על ידי סוללה של מתח V 0 ו התנגדות העומס R L. ההתנגדות של הנגד עומס מתוכנן בדרך כלל להיות הרבה יותר גבוה מאשר ההתנגדות של bolometer מעל טווח ההפעלה כולה שלה. זה כדי לשמור את העובר הנוכחי דרך bolometer ברמה יציבה, כך כוחה התפוגג ב bolometer על ידי מדחום ההתנגדות נשאר קבוע למדי.
נקודת ההפעלה של bolometer ניתנת מכן בצומת של עקומת עומס קו העומס, נקבע על ידי המשוואה,
| (3.6) |
הגרף מראה עקומה טיפוסית השישי קו העומס מן התוצאות של תוכנית סימולציה שאני המיוצר IDL ניתנת באיור 3.3.
|
איור 3.3 - פלט IDL של כמה עקומות השישי עם הקו עומס על זממו |
כפי שניתן לראות מתרשים 3.3, ההתנגדות של bolometer היא גבוהה מאוד על זרמים קטנים. ההתנגדות bolometer מתחילה ירידה ובסופו של דבר רמות ליד זרמים גבוהים יותר בגלל כוח נוסף הוא התפוגג אל תוך החומר בולם. אם הקרינה היא האירוע על הגלאי, הכוח התפוגג ב בולם יהיה גם להגדיל. יש לזה אפקט של מועך את עקומת השישי כפי שמוצג בתרשים לעיל. הכוח החשמלי התפוגג בחומר בולם, כפי שהן נמדדות ב [8], ניתנה על ידי,
| (3.7) |
שם
גידול של השבר בטמפרטורה של בולם שבו
מייצג את חומר בולם להיות בטמפרטורה של
.
היא מוליכות תרמית סטטי של תרמית הקישור בשעה מקרר 3 הוא הטמפרטורה (WK -1), אשר ניתנה על ידי ביצוע חוק הכוח,
| (3.8) |
שם
היא מוליכות תרמית סטטי ב 300mK (WK -1), ו
והוא נקרא מדד מוליכות תרמית. המונח
הוא קרא את הפרמטר העמסה ניתנת על ידי המשוואה,
| (3.9) |
זהו פרמטר טוען שגורם אפקט מועך של עקומת השישי כאשר קיימת קרינת EM האירוע על הגלאי.
כמו עם מערכות פיזיות ביותר bolometer אינו מגיב באופן מיידי לשינוי מיידית בתשומות שלה. במקרים רבים את תגובת גלאי לשנות צעד הקלט הוא שינוי מעריכי בתפוקה. זה מקביל ל טעינה ופריקה של קבל במעגל RC.
bolometer יש מאגר אנרגיה יחיד קיבול החום של בולם. לכן bolometer יכול להיות המודל באמצעות דיפרנציאלי הסינגל הראשון במשוואה סדר; זה גם אומר bolometer לא לסבול מתופעות זיכרון. התגובה ולכן יכול להיות מאופיין זמן קבוע
אשר על bolometer ניתנת על ידי המשוואה,
| (3.10) |
שם
הוא חום בולם קיבולת (JK -1). מוליכות חום סטטי
קשורה לערך של
על המקרר 3 הוא הטמפרטורה על ידי,
| (3.11) |
כאשר הקרינה היא האירוע על גלאי זה מגדיל את הטמפרטורה שלו על ידי כמות קטנה, זה משפיע על היכולת בולמי החום מוליכות תרמית קישורים. החום בולם קיבולת בטמפרטורה מוגברת קשורה לערך ידוע
ב 300mK ידי,
| (3.12) |
שם
הוא המדד קיבולת החום. במבט לאחור משוואה (3.2) ושימוש במונחים שהוגדרו לעיל, הטמפרטורה מקדם ההתנגדות ניתן לשכתב כמו,
| (3.13) |
שם
הוא חוק הכוח המדד מ ביחס לטמפרטורה התנגדות במשוואה (3.1). אנו רואים כי
היא שלילית עבור bolometer למחצה. זה מוביל לשווי של
אשר קטנה מזו המתוארת על ידי משוואה (3.10). זאת בשל תגובות electrothermal אשר מתואר [9]. אנו מגדירים מונח חדש
המהווה את הערך של
עם תיקון עבור המשוב electrothermal,
| (3.14) |
זה הערך החדש מאפשר לנו להגדיר ערך של
אשר מכיל שוב תיקון על המשוב electrothermal,
| (3.15) |
כמו הנגד התרמי הוא מוטה על ידי מתח
הכוח החשמלי התפוגג לתוך בולם יכול להינתן על ידי
. עלייה האות האירוע EM יגדיל את הטמפרטורה של הנגד תרמית ולכן גם להגדיל את ההתנגדות שלה; זה בתורו יגרום לירידה בכוחה התפוגג. אם הנגד פועל בחלק התלול של עקומת שלה ואז הכוח הכל התפוגג ב בולם יישאר קבוע, כפי הטמפרטורה שלו. מערכת זו מכונה כבעל משוב electrothermal שלילית. זו יש את היתרון של הפחתת זמן קבוע של
זמן תרמית קבוע, כפי שהם מתפרסמים (3.10).
תגובתיות
תגובתיות מוגדרת שינוי של מתח הפלט לשינוי עוצמת האירוע, אשר bolometer שווה לשינוי הטמפרטורה. תגובתיות מתח של bolometer מוגדר,
| (3.16) |
ו משתנה כפונקציה של נקודת ההפעלה. אם את האות על הגלאי הוא מאופנן אפנון תדר צריך להיות נמוך מספיק כך הגלאי יכול להגיב לשינוי בשלטון. הוא הראה כי,
| (3.17) |
שם
תדירות אפנון. האפס (DC) תגובתיות התדר ניתן להעריך ישירות עקומת עומס באמצעות הביטוי,
| (3.18) |
איפה הוא תדר אפס עכבת דינאמי
(Ohms) של bolometer
בשלב ההפעלה.
ניתן להראות צריכה להינתן על ידי,
| (3.19) |
זמן התגובה של Bolometer
עבור רוב bolometers הצורה של עקומת השישי הוא נשלט על ידי רמת הכוח ברקע. כאשר איתות נוסף קטן מוחל bolometer היציאה מן העיקול השישי ניתן להניח להיות זניח. תופעה זו ידועה בשם קירוב אות קטנה. ב כלומר, האות הקטנה להגביל שם המקור
ברקע לשינוי מתח bolometer עקב שינוי בשלטון קרינה האירוע יכול להינתן על ידי,
|
(3.20) |
שינוי מתח הפלט אינו מתרחש באופן מיידי על ידי השוואת bolometer עם מעגל RC התגובה יכולה להיות המודל של אחת משתי המשוואות הבאות,
| (3.21) |
כאשר זמם המשוואות האלה יש את הטופס הבא (שם
ו
),
|
איור 3.4 - מגרשים של V כנגד הזמן עבור חיוביות ושליליות V |
כאשר אותות גדולים נחשבים, היציאה מן העיקול השישי כבר אינו זניח. לכן שינוי מתח התפוקה עקב שינוי בעוצמת האירוע לא יכול להיות מחושב על ידי החלת תגובתיות היא נתונה כעת על ידי שינוי מתח ההפעלה הצבע של bolometer. ב נע הראשוני כדי עקומת השישי האחרון, הפעם מתמיד של המערכת משתנה כפונקציה של נקודת ההפעלה. לכן bolometer כבר לא פעם אחת במכשיר קבוע ולא יכולה להיות המודל של החלת התגובה הפשוטה RC משוואות מעגל.
|
איור 3.5 - VI עיקולים על שינוי אות גדולה |
Noise Equivalent Power
חשיבות רבה bolometer כל הוא המקבילה רעש כוח או NEP. NEP היא השורש כלומר עוצמת האות בריבוע נדרש שווה שורש מתכוון רבועים של רעש הגלאי. מיטב יחס אות לרעש להשגה bolometer ניתנת על ידי המשוואה,
| (3.22) |
באופן כללי, NEP יש יחידות של
.
פוטון Shot רעש רעש גל
אם אנו רואים את התמונה של חלקיק האור ולהבין כי האור יגיע הגלאי באופן אקראי או uncorrelated, אנחנו יכולים להגדיר כדור רעש פוטון. רעש פוטון ירו מוצדק בתדרים הגבוהים (שם את התמונה פוטון של אור היא המתאימה ביותר) אבל בתדרים נמוכים התמונה הגל של האור הוא מתאים יותר ולכן אנחנו מגדירים אחרת רעש גל ארוך.
על ידי יישום של הסטטיסטיקה בוזה איינשטיין ובהנחה כי הרקע לגילוי היא בצורה של שחור? אנו מוצאים כי שורש מתכוון התנודות בריבוע של מספר הפוטונים המגיעים הזמן
, ב מרווח התדירות
V נתון על ידי,
| (3.23) |
שם
,
= Emissivity של ברקע,
= שידור היעילות הכוללת בין הרקע לבין הגלאי. נוסף
המונח לוקח בחשבון את הרעש גל.
פוטון NEP רעש מוגבלת
במקרה הטוב, את גלאי ורכיבים הבאים יוסיפו סכום זניח של רעש נוסף האות בנוסף לרעש הירייה פוטון. לכן, את הרעש פוטון מגביל את הרגישות של המדידה bolometer, מגבלה זו האולטימטיבי נקרא רעש פוטון מוגבלת NEP,
. זו ניתנת על ידי המשוואה,
| (3.24) |
פוטון יעילות גלאי
בפועל לא ניתן להשיג את רעש פוטון S מוגבל / N כמו זו מניחה כי גלאי מושלמת משמש. גלאי אמת שונה במבצע בעובדה,
- גלאי אמת לא יכול להגיב על כל פוטון
- הגלאי והאלקטרוניקה שלה לייצר רעש נוספים
שני פרמטרים מוגדרים על מנת לקחת בחשבון את אלה ליקויים במערכת האיתור, אלו הן קוונטית Responsive יעילות לבין יעילות קוונטית הבלש.
תגובה יעילות קוונטית (או RQE
)
RQE
או חשבונות לקליטה מושלמת של פוטונים מוגדר כשבר של פוטונים האירוע אשר תורמים את האות, כמובן
.
Quantum יעילות הבלש (DQE)
| (3.25) |
DQE הוא יחס של רגישות בפועל עד למקסימום השגה עקרונית. הפרמטר לוקח גם את יעילות הספיגה וכל הרעש הנוסף שנוצר בתוך גלאי בחשבון. פרמטר זה יכול אפוא לשמש להשוות סוגים שונים של גלאי אחד עם השני.
בפועל מתח ההטיה נבחר כדי להשיג את DQE שיא עבור כל גלאי. במקרה של הצריח, זה קבוצות של גלאי, כי נתח מתח הטיה נפוצה אשר ניתן להתאים להשיג DQE האופטימלי עבור הקבוצה.
מקורות אחרים של רעש
ג 'ונסון רעש
בתוך כל פיסת חומר כלשהו ניצוח האלקטרונים יש תנועות התרמית האקראית כי החומר יש טמפרטורה סופית. גלאי bolometric ומרכיביה הם - או יכולים להיחשב - הנגד עם קשר חשמלי בכל קצה. אם אין פוטנציאל חשמלי על פני אנשי הקשר מתח הנגד תשתנה באופן אקראי על אפס וולט, זה בגלל תנודות חיוביות ושליליות הן סבירות באותה מידה. הכוח הרעש בתוך הרכיב עם זאת היא מידתית כלומר התנודות מתח בריבוע הוא חיובי תמיד. זה נקרא ג 'ונסון או Nyquist רעש.
| (3.26) |
ספקטרום תדרים של רעש ג 'ונסון הוא שטוח כלומר הוא תדר עצמאית. ניתן לראות זאת מן המשוואה לעיל בהם אין תלות בתדר. רעש עם ספקטרום שטוח נקראת רעש לבן.
Phonon רעש
עד כה יש לנו נחשב הרעש שנוצר פוטונים ואלקטרונים, עכשיו אנחנו רואים את זרימת החום לכיור חום quantised כמו בצורה של פונונים (quantised תנודות הסריג). זה מוביל תנודות אקראיות בטמפרטורה של bolometer. הרעש פונון NEP,
, הוא,
| (3.27) |
טמפרטורת רעש
רעש טמפרטורה נגרם על ידי העובדה כי גוף הקירור הוא לא בטמפרטורה קבועה ומשתנה מעט במשך הזמן. הרעש הטמפרטורה NEP,
הוא,
| (3.28) |
שם
היא עוצמת הספקטרום של תנודות בטמפרטורה של חום הכיור (K 2 הרץ -1).
1 / f רעש
זה מקור הרעש הוא חשוב מאוד ביישומים מעשיים, אם כי גורם לעיתים קרובות לא הבין היטב. עבור רוב המכשירים, רמות גדולות של הרעש נמצאים בתדרים נמוכים.
|
איור 3.6-1 / F רעש |
Minimising רעש
הרעש משפיע על התוצאות באופן משפיל, ולכן אנחנו מעסיקים מספר טכניקות (על מנת לצמצם את השפעותיו.
- הפוך את רוחב הפס איתור פוסט קטן ככל האפשר
- נסו להימנע אותות מדידה (או התדרים) כי בקנה אחד עם מקורות הפרעות תדר בדידים
- להבטיח את תדירות האות (או התדרים) הוא גבוה מספיק כדי לא להיות מושפע כמויות משמעותיות של רעש.
בגלל
הרעש לא ניתן לצפות במקור לתקופות ארוכות של התבוננות רציפה; זה יהיה כרוך בעבודה בתדרים נמוכים מאוד שבו
הרעש יהיה משמעותי. אחת הטכניקות בשימוש כדי למנוע
הרעש הוא לווסת את האות עם תדר שבו הוא גבוה מספיק
הוא כבר לא משמעותי. אפנון תדר לא יכול, עם זאת, להיות כל כך גבוה כי גלאי תדירות התגובה תוצאות בהפסד של האות. יתרון נוסף לטכניקה אפנון הוא שזה יכול לשמש כדי להפחית את הרקע של האות על ידי מיתוג בין אות המקור אות רקע: זה נקרא € ~ € ™ choppingâ ב FIR / תת מ"מ תצפיות.
הרעש הכולל במערכת יהיה שילוב של כל מקורות הרעש היחיד להציג כפי שתואר קודם לכן. אנו מניחים כי כל מקורות הרעש הם כלומר uncorrelated את הערך של אחד אינה תלויה אחרת. כפי שהם uncorrelated הוספתם בדרך כלל לא לוקחים בחשבון את שלבי הרעש, ולכן אנו לוקחים את השורש הריבועי של מתכוון לרעש (ערך RMS) כמו שלפעמים מקורות הרעש רשאי לבטל אחד את השני.
| (3.29) |
שם
הוא רפאים מתח צפיפות רעש (VHz -1 / 2) מן כל התרומות רעש.
רעש NEP הכוללת
אפשר להגדיר את NEP בדרך הבאה, את הכוח אשר נותן אות A / S נ של 1 בזמן האינטגרציה של 0.5 שניות. אם נניח
= תגובתיות גלאי (VW -1),
= כוח האירוע אלקטרומגנטית על הגלאי (W),
= רעש הכולל מתח צפיפות ספקטרלית, מתח את האות יכול להיות כתוב,
| (3.30) |
מתח הרעש לאחר מכן ניתן יהיה נתון בידי,
| (3.31) |
לפי הגדרה של NEP, אם
אז מתח האות
. לכן נקבל משוואה עבור NEP מבחינת צפיפות רעש מתח רפאים ועל תגובתיות,
| (3.32) |
יחידות של NEP ניתנות בדרך כלל כמו 2 WHz -1 /, תנאי הרץ -1 / 2 מתייחס לתגובה זיהוי רוחב הפס או ההופכי של אינטגרציה בזמן.
- התיאוריה של רעש כוח שווה ערך של טמפרטורה גבוהה מוליך רחוק אינפרא אדום bolometer ב ... צילום- Y Theor שווה ערך כוח רעש גבוהה הטמפרטורה מוליך רחוק אינפרא אדום bolometer ב צילום thermoelectrical מצב של פעולת תורת המקבילה הכוח הרעש של מוליך בטמפרטורה גבוהה מרחיקות infraredbolometer בתמונה
- 1 מבוא (PDF) ... גרסה מתוקנת של גריפין & אידיאלי bolometer מוליכים למחצה בהולנד. המודל מוצג והשימוש בה ... מבוסס על תורת שיווי המשקל הלא bolometer של. מאת 'ר [10] אבל astro.cf.ac.uk להניח ... / קבוצות / ... / _paper.pdf bolometer Sudiwala_et_al_IJMM_
- תיאוריה פשוטה עבור מגובות bolometers מוצק התיאוריה פשוטה עבור משענת מוצקה bolometers תיאוריה פשוטה עבור משענת מוצקה bolometers תיאוריה פשוטה הוא הציע להסביר את תגובת התדר של גב bolometers מוצק. הוא מניח זרימה חד ממדית של החום באמצעות bolometer
- HIGH PRECISION אפיון מוליכים למחצה BOLOMETERS (PDF) ... מטרים, באמצעות מודל bolometer שהוצגו Sudiwala et ... סוף? רמה אחידה ciently של סימום. תיאוריה אידיאלית bolometer [1, 2, 7] ניתן להשתמש ... astro.cf.ac.uk / קבוצות / ... / _paper.pdf bolometer Woodcraft_et_al_IJMM_
- DOE מסמך - תורת Nonequilibrium של bolometer-אלקטרון חם עם המנהרה מתכת מבודד, מוליך רגיל ... הפעולה של bolometer-אלקטרון חם עם מתכת מבודד, מוליך-נורמלית ש"ח) מנהרה בצומת (כמו טמפרטורה חיישן מנותח באופן תיאורטי. תגובתיות ואת כוח רעש שווה ערך (NEP) של bolometer מתקבלים
- עיבוד תמונה והפחות ריבועים שחזורים (PDF) ... מושגת על ידי התחשבות של תמונה רגילה. resampling התיאוריה בניסוח הבעיה לפחות, הריבועים ... dithering כי קשירת bolometer אפס נקודות השטף בתוך
- Microcalorimeter ו Bolometer דגם Microcalorimeter ו Bolometer דגם Microcalorimeter ו Bolometer דגם הלא שיווי משקל התיאוריה סטנדרטיים של רעש microcalorimeters אידיאלי bolometers ואינה מצליחה לנבא את הביצועים של מכשירים אמיתיים בשל השפעות נוספות



























































צעצוע של ג 'ונסון קי התמונות ...
אני בגוגל למשהו שונה לגמרי, אבל מצאתי את הדף שלך ... ואת צריכה להגיד תודה. נחמד לקרוא ....
כל הכבוד סטיבן. משהו מאוד חשוב לזכור הוא כי כל אחד צריך הפניה היכרות טובה כדי להבין את היסודות לפני רודף נושאים מיוחדים מתקדמים המבוססים על יסוד היסודות. הבנה של עקרונות בסיסיים הוא מספיק עבור רוב האנשים כדי להיות מוצלחת.
האינטרנט שלך הוא ההתייחסות היכרות מצוינת. אם נתיב הקריירה שלך מוביל אותך מחקר נוסף של דקויות מתקדמים של bolometers ואתה בסופו של דבר לפרסם, בבקשה לשמור ולפרסם את הגוף הנוכחי של העבודה, כמו גם לשמש חומר המבוא עבור הוותיקים הראשון. אני מסכים עם קי. דף האינטרנט שלך על התיאוריה bolometer הוא טוב לקרוא.
J
מצאתי את ההרצאה שלך מועיל ביותר לפיתוח הבנה של הפרמטרים bolometer ומאפיינים. אני סטודנט בסמסטר 4 להנדסת חשמל ואני עוסקת כיום בפרויקט microbolometer. בהקשר זה אני יהיה greteful אם אתה יכול לכתוב ספרות רלוונטית.
מצאתי lucture yr זה מאוד שימושי עבור חלק במחקר שלי, כי אני לא יודע שום דבר על bolometer. אבל עדיין יש לי בעיה לראות את התמונה בדף האינטרנט שלך. מה אני צריך לעשות? אני מנסה להוריד pdf.file שלך אבל זה לא עובד גם.
אנא אל תהססו לתת איזו הצעה. הדואר האלקטרוני שלי: jiku_jung9@hotmail.com
לא כי אני רוצה להעתיק את האתר שלך, אבל אני באמת אוהבת את המראה. אתה יכול להגיד לי מה נושא אתה משתמש? או שמא היה זה מנהג עשה?
הנושא קשור בתחתית העמוד הזה (בתחתית העמוד).
תמונות ו-PDF כנו, מצטער על הבעיות
סטיבן היקר
מצאתי את ההרצאה שלך כל כך שימושי, אבל אני לא יכול לראות תמונות או למצוא את PDF.
אתה מוכן בבקשה לעזור לי מה אני shoud לעשות?
בכבוד רב
סטיבן היקר
תודה רבה לך על ההרצאה הנפלאה שלך, אבל אני לא יכול להוריד את "דימוי צריח באמצעות IDL", אתה יכול לשלוח לי אותו? תודה מראש.
אימייל: lhfsemail@gmail.com
אתה יכול בבקשה לשלוח לי מייל. אני ממש אוהב את העיצוב שלך.