Teori Bolometer
Berikut ini adalah sebuah bab dari laporan tahun terakhir saya tentang 'Simulasi Spire menggunakan IDL'. Ketika meneliti projek saya mendapati sukar untuk menemui beberapa pengenalan dasar teori bolometer, jadi saya memutuskan untuk menaruh online versi saya. Anda juga boleh 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 Terhad
- Kecekapan Detektor Foton
- Kandungan Sumber Kebisingan
- Meminimumkan Kebisingan
- Penambahan Keperluan Kebisingan
- Secara keseluruhan Kebisingan dan NEP
Prinsip Dasar
bolometer adalah alat yang mengesan radiasi masuk dengan menghasilkan perubahan rintangan elektrik setanding dengan jumlah radiasi radiasi received. masuk diserap oleh bolometer yang menyebabkan peningkatan suhu, yang pada gilirannya menyebabkan perubahan dalam perlawanan utama .
Ciri-ciri penting dari suatu bolometer adalah sebagai berikut:
Gambar 3.1 - Diagram dari Detector Bolometric
The bolometer itu sendiri terdiri dari bahan penyerap berkaitan dengan heat sink dari Incoming temperature. tetap elektromagnet (EM) sinaran diserap oleh bahan meningkatkan tenaga kinetik dari electrons. percuma The pertembungan elektron bebas dengan atom dalam kisi sebab material getaran yang diamati sebagai perubahan suhu.
bahan khas untuk termometer adalah semikonduktor seperti germanium. diproses Halangan untuk suatu perubahan material yang signifikan untuk perubahan kecil pada suhu dan dapat dicirikan oleh persamaan,
| (3.1) |
mana 
adalah malar 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 pekali perlawanan ditakrifkan oleh,
| (3.2) |
Operasi dari pengesan bolometer diilustrasikan pada Gambar 3.1. The bolometer pada suhu 
dihubungkan dengan heat sink suhu tetap 
oleh konduktansi terma 
. Sebuah bias dc saat ini 
mengalir melalui bolometer penjanaan voltan 
. Laman daya radiasi yang masuk 
menimbulkan perubahan dalam perlawanan 
, Dan kerana itu dalam voltan output 
. The biasing bolometer khas dan litar readout digambarkan pada Gambar 3.2.
|
Gambar 3.2 - Bolometer biasing dan pembacaan litar |
Arus yang mengalir melalui resistor menyebabkan disipasi kuasa 
ke dalam bahan penyerap. Selain itu, jumlah tenaga radiasi yang diserap oleh penyerap dilambangkan oleh 
. Daya total merisau di bolometer the 
Oleh kerana itu diberikan oleh,
| (3.3) |
Dalam keadaan steady state tenaga yang diserap oleh penyerap akan dipindahkan ke heatsink dengan link terma, ini diberikan oleh hubungan berikut,
| (3.4) |
Tegangan-arus dc (VI) kurva untuk bolometer ini ditakrifkan oleh persamaan,
| (3.5) |
Dalam praktiknya bolometer yang bias oleh bateri voltan 0 V dan resistansi beban R L. Perlawanan dari resistor beban biasanya direka untuk menjadi jauh lebih tinggi daripada perlawanan dari bolometer selama rentang seluruh operasi. Hal ini untuk menjaga arus yang melalui bolometer pada tahap yang stabil sehingga daya merisau di bolometer oleh termometer resistansi tetap agak malar.
Titik operasi bolometer ini kemudian diberikan di persimpangan dari kurva beban dan garis beban, yang ditentukan oleh persamaan,
| (3.6) |
Sebuah graf yang menunjukkan kurva VI khas dan garis beban dari hasil program simulasi yang saya dihasilkan 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 peringkat off pada arus yang lebih tinggi kerana tambahan daya didisipasikan ke dalam bahan penyerap. Jika radiasi adalah kejadian pada pengesan, kekuatan merisau di penyerap juga akan meningkat. Hal ini mempunyai kesan squashing kurva VI seperti yang ditunjukkan pada rajah di atas. Kuasa merisau dalam bahan penyerap, seperti yang diturunkan dalam [8], diberikan oleh,
| (3.7) |
mana 
merupakan peningkatan pecahan pada suhu penyerap di mana 
merupakan bahan penyerap yang pada suhu 
. 
adalah konduktansi terma statik dari link terma pada suhu peti ais la 3 (WK -1), yang diberikan oleh kuasa undang-undang yang berikut,
| (3.8) |
mana 
adalah konduktansi terma statik di 300mK (WK -1), dan 
dan disebut indeks konduktiviti terma. Istilah 
disebut parameter pemuatan dan diberikan oleh persamaan,
| (3.9) |
Ini adalah parameter loading yang menyebabkan kesan squashing dari kurva VI ketika ada insiden radiasi EM pada pengesan.
Seperti dengan sistem fizikal yang paling bolometer yang tidak merespon langsung untuk sebuah perubahan serta-merta input. Dalam banyak kes respon pengesan ke langkah perubahan dalam input merupakan perubahan eksponen pada output. Hal ini analog dengan pengisian dan pengosongan dari kapasitor dalam rangkaian RC.
bolometer A mempunyai cadangan tenaga tunggal dalam kapasitans penyerap panas. Oleh kerana itu bolometer boleh dimodelkan dengan menggunakan persamaan pembezaan single pertama, ini juga bermakna bahawa suatu bolometer tidak menderita dari kesan memori. Tanggapan sehingga dapat dicirikan dengan waktu yang malar 
yang bagi suatu bolometer diberikan oleh persamaan,
| (3.10) |
mana 
adalah penyerap panas kapasiti (JK -1). The konduktansi terma statik 
berkaitan dengan nilai dari 
pada suhu peti ais la 3 oleh,
| (3.11) |
Ketika radiasi insiden pada pengesan akan meningkatkan suhu dalam jumlah yang kecil, ini akan menjejaskan keupayaan peredam panas dan link konduktansi terma. Penyerap kapasiti panas pada suhu meningkat berkaitan dengan nilai dikenali 
di 300mK oleh,
| (3.12) |
mana 
adalah indeks kapasiti panas. Melihat kembali pada persamaan (3.2) dan menggunakan peruntukan yang ditetapkan di atas, pekali suhu resistansi boleh ditulis sebagai,
| (3.13) |
mana 
adalah kuasa undang-undang indeks daripada hubungan resistansi-suhu dalam persamaan (3.1). Kita melihat bahawa 
negatif untuk bolometer semikonduktor. Ini mengarah kepada nilai-nilai 
yang lebih kecil dari yang digambarkan oleh persamaan (3.10). Hal ini disebabkan oleh umpan balik electrothermal yang dinyatakan dalam [9]. Kami mendefinisikan istilah baru 
yang merupakan nilai 
dengan pembetulan untuk maklum balas electrothermal,
| (3.14) |
Nilai baru ini membolehkan kita untuk menentukan nilai 
yang lagi-lagi mengandungi pembetulan untuk maklum balas electrothermal,
| (3.15) |
Sebagai resistor panas bias dengan voltan 
kuasa dihamburkan ke absorber dapat diberikan oleh 
. Peningkatan isyarat insiden EM akan meningkatkan suhu resistor terma dan kerananya juga meningkatkan ketahanan, yang pada gilirannya akan menyebabkan penurunan daya hilang. Jika resistor bertindak di bahagian kurva yang curam maka jumlah daya merisau di penyerap akan tetap konstan, seperti yang akan suhu. Sistem ini disebut sebagai mempunyai maklum balas electrothermal negatif. Hal ini mempunyai keuntungan mengurangkan masa yang konstan untuk dari 
masa terma malar seperti yang diberikan dalam (3.10).
Responsivitas
Responsivitas ditakrifkan sebagai perubahan voltan output untuk perubahan kuasa insiden, yang dalam bolometer adalah setara dengan perubahan suhu. Dan reaksi voltan bolometer ini ditakrifkan sebagai,
| (3.16) |
dan bervariasi sebagai fungsi dari titik operasi. Jika isyarat pada pengesan dimodulasi frekuensi modulasi harus cukup rendah sehingga pengesan dapat merespon perubahan kekuatan. Hal ini menunjukkan bahawa,
| (3.17) |
mana 
frekuensi modulasi. Zero frekuensi (dc) responsivitas boleh dinilai langsung dari kurva beban menggunakan ekspresi,
| (3.18) |
mana adalah frekuensi sifar impedansi dinamik 
(Ohm) dari bolometer yang 
pada titik operasi. 
dapat ditunjukkan diberikan oleh,
| (3.19) |
Waktu Respon dari suatu Bolometer
Bagi sebahagian besar bolometers bentuk kurva VI didominasi oleh tahap daya latar belakang. Ketika isyarat tambahan kecil diterapkan bolometer berlepas dari kurva VI boleh diandaikan diabaikan. Hal ini dikenali sebagai pendekatan isyarat kecil. Dalam isyarat iaitu batas kecil di mana sumber 
latar belakang perubahan voltan bolometer kerana perubahan kuasa insiden radiasi dapat diberikan oleh,
|
| (3.20) |
Laman voltan keluaran tidak berlaku langsung dan dengan membandingkan bolometer dengan sebuah litar RC respon boleh dimodelkan oleh salah satu dari dua persamaan berikut,
| (3.21) |
Ketika diplot persamaan ini mempunyai bentuk yang berikut (di mana 
dan 
),
|
Gambar 3.4 - Plot V terhadap Waktu untuk kedua-dua Positif dan Negatif V |
Ketika isyarat besar dianggap, berlepas dari kurva VI tidak lagi diabaikan. Oleh kerana itu perubahan voltan output yang disebabkan oleh perubahan pada kekuatan insiden tidak dapat dihitung dengan menerapkan responsivitas sekarang diberikan oleh perubahan voltan titik operasi dari bolometer tersebut. Dalam bergerak dari awal kurva VI akhir, waktu konstan sistem berbeza-beza sebagai fungsi dari titik operasi. Oleh kerana itu bolometer tidak lagi satu masa konstan dan peranti tidak boleh dimodelkan dengan menggunakan persamaan rangkaian respon sederhana RC.
|
Gambar 3.5 - VI kurva untuk menukar isyarat besar |
Kebisingan Setara Daya
Sangat penting untuk bolometer apapun adalah setara Kebisingan Daya atau NEP. NEP adalah root mean squared kekuatan isyarat yang diperlukan untuk sama root mean square dari kebisingan pengesan. Yang terbaik signal-to-noise nisbah dicapai oleh suatu bolometer diberikan oleh persamaan,
| (3.22) |
Secara umum, NEP mempunyai unit 
.
Foton Shot Noise Kebisingan dan Wave
Jika kita mempertimbangkan gambaran partikel cahaya dan menyedari bahawa cahaya akan tiba di pengesan dengan cara rawak atau tidak berkorelasi, kita dapat mendefinisikan kebisingan foton ditembak. hingar tembakan Foton dibenarkan pada frekuensi tinggi (di mana gambar foton cahaya yang paling sesuai), tetapi pada frekuensi yang lebih rendah gambar gelombang cahaya yang lebih tepat dan oleh kerana itu kita mendefinisikan lain noise gelombang panjang.
Dengan aplikasi statistik Bose-Einstein dan dengan andaian bahawa latar belakang untuk mengesan adalah dalam bentuk hitam, kita mendapati bahawa akar kuadrat mean fluktuasi dalam jumlah foton tiba di waktu , Pada selang frekuensi 
V diberikan oleh,
| (3.23) |
mana 
, 
= Emisivitas dari latar belakang, dan 
= Efisiensi penularan secara keseluruhan antara latar belakang dan pengesan. Tambahan 
jangka mempertimbangkan untuk suara gelombang.
Foton NEP Kebisingan Terhad
Dalam kes terbaik, pengesan dan bahagian-bahagian berikutnya akan menambah jumlah diabaikan noise tambahan untuk isyarat di samping suara tembakan foton. Oleh kerana itu, foton hingar menyekat sensitiviti pengukuran bolometer, batas akhir ini disebut hingar foton terhad NEP, 
. Ini diberikan oleh persamaan,
| (3.24) |
Kecekapan Detektor Foton
Dalam amalan tidak mungkin untuk mendapatkan suara terbatas foton S / N kerana hal ini mengandaikan bahawa pengesan sempurna digunakan. Real pengesan berbeza dalam operasi pada kenyataan bahawa,
- pengesan nyata tidak dapat menanggapi setiap foton
- pengesan dan elektronik yang menghasilkan suara tambahan
Dua parameter yang ditetapkan untuk mengira kekurangan dalam sistem pengesanan, ini adalah responsif Quantum Efisiensi dan Detektif Quantum Kecekapan.
Responsif Quantum Kecekapan (RQE atau 
)
The RQE atau akaun untuk penyerapan tidak sempurna foton dan ditakrifkan sebagai fraksi foton yang menyumbang terhadap isyarat, jelas 
.
Quantum Detektif Kecekapan (DQE)
| (3.25) |
The DQE adalah nisbah sensitiviti sebenarnya maksimum dicapai pada prinsipnya. Parameter yang mengambil baik kecekapan penyerapan dan setiap suara tambahan yang dihasilkan dalam pengesan ke akaun. Parameter ini sehingga boleh digunakan untuk membandingkan pelbagai jenis pengesan satu sama lain.
Dalam praktiknya voltan bias dipilih dalam rangka untuk mendapatkan DQE puncak untuk pengesan masing-masing. Dalam kes Spire, adalah kelompok yang berkongsi pengesan voltan bias umum yang boleh disesuaikan untuk mendapatkan DQE optimum untuk kumpulan.
Kandungan Sumber Kebisingan
Johnson Kebisingan
Dalam setiap bahagian dari bahan apapun melakukan gerakan terma elektron rawak kerana bahan-bahan mempunyai suhu terhad. Sebuah pengesan bolometric dan komponennya - atau boleh dianggap sebagai - sebuah resistor dengan kenalan kuasa pada akhir masing-masing. Jika tidak ada potensi elektrik di kenalan tegangan di resistor akan berfluktuasi secara rawak tentang sifar volt, ini kerana fluktuasi positif dan negatif sama-sama mungkin. Kekuatan suara dalam komponen Namun setanding dengan fluktuasi tegangan iaitu kuadrat itu selalu positif. Ini disebut Johnson atau Nyquist Kebisingan.
| (3.26) |
Spektrum frekuensi noise Johnson iaitu datar itu adalah frekuensi bebas. Hal ini dapat dilihat dari persamaan di atas dimana tidak ada ketergantungan frekuensi. Kebisingan dengan spektrum datar disebut white noise.
Fonon Kebisingan
Setakat 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 rawak pada suhu bolometer tersebut. Suara Fonon NEP, 
, Adalah,
| (3.27) |
Suhu Kebisingan
Suhu noise disebabkan oleh fakta bahawa heat sink tidak pada suhu malar dan bervariasi sedikit dari masa ke masa. Suara suhu NEP, 
adalah,
| (3.28) |
mana 
adalah intensitas spektral fluktuasi suhu heat sink (K 2 Hz -1).
1 / f Kebisingan
Sumber hingar sangat penting dalam aplikasi praktikal, walaupun penyebab sering tidak sangat difahami dengan baik. Untuk sebahagian besar peranti, tingkat kebisingan besar ditemui di frekuensi rendah.
|
Gambar 3.6 - 1 / f Kebisingan |
Meminimumkan Kebisingan
Kebisingan mempengaruhi keputusan dalam mod merendahkan dan kerana itu kami menggunakan beberapa teknik (dalam rangka untuk mengurangkan kesannya.
- Membuat posting bandwidth pengesanan sekecil mungkin
- Cobalah untuk mengelakkan isyarat mengukur (atau band frekuensi) yang bertepatan dengan sumber gangguan frekuensi diskrit
- Pastikan bahawa frekuensi isyarat (atau pita frekuensi) cukup tinggi tidak akan terpengaruh oleh jumlah yang signifikan dari kebisingan.
Kerana 
hingar tidak mungkin untuk mengamati sumber untuk jangka waktu pengamatan terus-menerus, ini akan melibatkan bekerja pada frekuensi sangat rendah di mana 
hingar akan signifikan. Salah satu teknik yang digunakan untuk mengelakkan 
hingar adalah untuk memodulasi isyarat dengan frekuensi yang cukup tinggi yang 
tidak lagi signifikan. Frekuensi modulasi tidak boleh, bagaimanapun, begitu tinggi bahawa hasil pengesan respon frekuensi dalam kerugian dalam isyarat. Sebuah keuntungan lebih lanjut ke teknik modulasi ialah bahawa hal itu boleh digunakan untuk mengurangkan latar belakang dari isyarat dengan bertukar-tukar antara isyarat sumber dan isyarat latar belakang, ini dikenali sebagai â € ~ choppingâ € ™ di FIR / sub-mm pemerhatian.
Penambahan Keperluan Kebisingan
Suara total sistem akan menjadi kombinasi dari semua sumber hingar individu hadir seperti yang dijelaskan sebelum ini. Kami berasumsi bahawa semua sumber hingar adalah berkorelasi iaitu nilai satu tidak bergantung pada yang lain. Kerana mereka tidak berkorelasi menambah mereka biasanya tidak akan mengira fasa hingar, kerana itu kita mengambil akar kwadrat dari kebisingan (rms nilai) sebagai sumber hingar kadang-kadang boleh membatalkan satu sama lain.
|
| (3.29) |
mana 
adalah voltan kerapatan spektral hingar (VHz -1 / 2) dari masing-masing sumbangan hingar.
Secara keseluruhan Kebisingan dan NEP
Hal ini dimungkinkan untuk menentukan NEP dengan cara yang berikut, kekuatan isyarat yang memberikan S / N dari 1 dalam waktu 0,5 detik integrasi. Jika kita membiarkan 
= Detektor responsivitas (VW -1), 
= Insiden daya elektromagnet pada pengesan (L) dan, 
= Gangguan kerapatan spektral voltan total, voltan isyarat boleh ditulis,
| (3.30) |
Tegangan noise kemudian akan diberikan oleh,
| (3.31) |
Dengan definisi NEP, jika 
maka voltan isyarat 
. Oleh kerana itu kami mendapatkan persamaan untuk NEP dalam hal kepadatan Kebisingan voltan spektral dan responsivitas tersebut,
| (3.32) |
Unit NEP biasanya diberikan sebagai WHZ -1 / 2, maka Hz -1 / 2 istilah merujuk pada bandwidth pengesanan pos atau kebalikan dari masa integrasi.
- Teori hingar daya setara superkonduktor suhu yang tinggi jauh - IR bolometer di sebuah ... foto- y Theor setara kuasa hingar superkonduktor suhu yang tinggi jauh - IR bolometer di sebuah-thermoelectrical mod foto operasi Teori setara kuasa hingar sebuah superkonduktor suhu yang tinggi jauh-infraredbolometer dalam foto
- 1 Pendahuluan (PDF) ... Sebuah versi semakan 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 / kumpulan / ... / _paper.pdf bolometer Sudiwala_et_al_IJMM_
- Sebuah teori sederhana untuk disokong bolometers padat Sebuah teori sederhana untuk disokong bolometers padat Sebuah teori sederhana untuk disokong bolometers padat Sebuah teori sederhana dicadangkan untuk menjelaskan respon frekuensi yang disokong bolometers padat. Ini mengandaikan aliran satu dimensi dari panas melalui bolometer the
- KETEPATAN TINGGI Karakterisasi semikonduktor BOLOMETERS (PDF) ... meter, dengan menggunakan model bolometer disajikan dalam Sudiwala et ... shuf peringkat lebih cekap seragam? doping. Ideal bolometer teori [1, 2, 7] boleh digunakan untuk ... astro.cf.ac.uk / kumpulan / ... / _paper.pdf bolometer Woodcraft_et_al_IJMM_
- DOE Document - Nonequilibrium teori-elektron dari bolometer panas dengan terowong logam-insulator-superconductor muzik ... Operasi-elektron bolometer panas dengan muzik-logam-isolator superkonduktor (NIS) junction terowong sebagai sensor suhu dianalisis secara teoritis. Dan reaksi dan kekuatan hingar ekuivalen (NEP) dari bolometer ini diperoleh
- Image Processing dan Kuadrat-Terkecil Rekonstruksi (PDF) ... semua dengan mempertimbangkan gambar standard. resampling teori dalam perumusan masalah kuadrat-terkecil ... dithering kerana mengikat bolometer nombor sifar menunjuk ke sebuah fluks dalam
- Sebuah Microcalorimeter dan Bolometer Model A Microcalorimeter dan Bolometer Model A Microcalorimeter dan Bolometer Model Teori keseimbangan non-standard hingar di bolometers ideal dan microcalorimeters gagal untuk meramalkan prestasi peranti nyata kerana kesan tambahan
Ki Toy Johnson Pic ...
Saya googled untuk sesuatu yang sama sekali berbeza, tetapi menemukan halaman anda ... dan harus mengucapkan terima kasih. bagus dibaca ....
Bagus Steven. Sesuatu yang sangat penting untuk diingat adalah bahawa setiap orang memerlukan rujukan pengantar yang baik untuk memahami asas-asas sebelum mengejar topik khusus maju berdasarkan asas asas. Pemahaman tentang dasar-dasar sudah cukup bagi kebanyakan orang untuk berjaya.
Laman Web anda adalah sebuah rujukan pengantar yang sangat baik. Jika pusat kerjaya anda mengarah anda untuk penelitian lebih banyak seluk-beluk maju bolometers dan anda akhirnya menerbitkan, sila mempertahankan dan menerbitkan tubuh ini kini kerja serta untuk melayani sebagai bahan pengantar untuk-timer pertama. Saya bersetuju dengan Ki. Laman web anda pada teori bolometer juga baik untuk dibaca.
J
Saya mendapati kuliah anda yang paling membantu dalam mengembangkan pemahaman tentang parameter bolometer dan ciri-ciri. Saya seorang mahasiswa semester 4 teknik elektro dan saya saat ini terlibat dalam sebuah projek yang melibatkan microbolometer. Dalam hal ini saya akan greteful jika anda boleh mencatat literatur yang relevan.
Saya mendapati lucture tahun itu sangat berguna untuk bahagian kajian saya kerana saya tidak tahu apa-apa tentang bolometer. Tapi aku masih punya masalah untuk melihat gambar dalam laman web anda. Apa yang harus saya lakukan? Saya cuba untuk mendownload pdf.file anda tetapi tidak berjaya juga.
Sila jangan ragu untuk memberikan beberapa cadangan. E-mail saya: jiku_jung9@hotmail.com
Bukannya aku ingin menyalin laman web anda, tapi aku benar-benar mengasihi paparan. Bolehkah anda memberitahu saya yang tema yang anda gunakan? Atau apakah itu custom made?
Tema ini berkaitan di bahagian bawah laman ini (di footer).
Gambar dan PDF dipulihkan, maaf untuk masalah-masalah
Sayang steven
Saya mendapati kuliah anda begitu bermanfaat, tetapi saya tidak dapat melihat gambar atau mencari pdf.
anda akan 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", Bolehkah anda menghantar kepada saya? Thanks in advance.
Email: lhfsemail@gmail.com
Tolong kirimkan saya mel. Saya sangat suka desain anda.