Bolometer Theorie
Wat volgt is een hoofdstuk uit mijn laatste jaar verslag over "simuleren met behulp van IDL SPIRE '. Bij het onderzoeken van het project vond ik het moeilijk om een aantal fundamentele inleiding op bolometer theorie te vinden, dus heb ik besloten om mijn versie online te zetten. U kunt volledige context zie ook het hoofdstuk in de door het downloaden van mijn vierde verslag verslag: Simulatie SPIRE met behulp van IDL .
- Basisbeginselen
- Tijd Constant
- Responsiviteit
- Tijd reactie van een Bolometer
- Lawaai gelijkwaardig vermogen
- Photon Shot Geluid en Wave Noise
- Foton Noise Limited NEP
- Photon Detector Efficiency
- Andere geluidsbronnen
- Het minimaliseren van Noise
- Toevoeging van Noise Voorwaarden
- Totale geluidsoverlast en NEP
Basisbeginselen
Een bolometer is een apparaat dat inkomende straling detecteert door het produceren van een verandering in de elektrische weerstand evenredig met de hoeveelheid straling received. inkomende straling wordt geabsorbeerd door de bolometer hetgeen een stijging in de temperatuur, die op zijn beurt leidt tot een verandering in de elektrische weerstand oorzaken .
De essentiële kenmerken van een bolometer zijn als volgt:
Figuur 3.1 - Schematische weergave van een bolometrische Detector
De bolometer zelf bestaat uit een absorberende materiaal gekoppeld aan een koellichaam van vaste temperature. Inkomende elektromagnetische (EM) straling wordt geabsorbeerd door het materiaal het verhogen van de kinetische energie van de vrije electrons. De botsingen van vrije elektronen met atomen in het materiaal veroorzaken rooster trillingen die worden waargenomen als een verandering in temperatuur.
Typische materialen voor de thermometer halfgeleiders, zoals gedoteerde germanium. De weerstand voor een dergelijk materiaal een significante verandering voor een kleine verandering in temperatuur en kan worden gekarakteriseerd door de vergelijking,
| (3.1) |
waar 
is een constante genoemd de weerstand parameter (Ohm), 
is de weerstand (Ohm), 
is de temperatuur van de weerstand, en 
(K) is het materiaal band gap temperatuur. De waarde van de 
heet het materiaal parameter en wordt gegeven met het symbool 
. De temperatuur coëfficiënt van weerstand wordt bepaald door,
| (3.2) |
De activiteiten van een bolometer detector worden geïllustreerd in Figuur 3.1. De bolometer bij een temperatuur 
is gekoppeld aan een koellichaam van vaste temperatuur 
door een thermische geleiding 
. Een dc bias stroom 
stroomt door de bolometer het genereren van een spanning 
. Veranderingen in de inkomende straling macht 
aanleiding geven tot wijzigingen in het verzet 
, En dus in de uitgangsspanning 
. De typische bolometer vertekenende en uitlezen circuit is afgebeeld in figuur 3.2.
|
Figuur 3.2 - Bolometer vertekenende en uitlezen circuit |
De stroom die door de weerstand veroorzaakt een versnippering van de macht 
die in de schokdemper materiaal. Bovendien is de hoeveelheid stralingsenergie geabsorbeerd door de absorber aangeduid door 
. Het totale vermogen gedissipeerd in de bolometer 
is dan ook gegeven door,
| (3.3) |
Onder steady-state omstandigheden de energie geabsorbeerd door de absorber zal worden verwijderd om de heatsink van de thermische koppeling, wordt dit gegeven door de volgende relatie
| (3.4) |
De DC-spanning-stroom (VI) curve voor de bolometer wordt bepaald door de vergelijkingen,
| (3.5) |
In de praktijk bolometer is vertekend door een batterij van de spanning V 0 en de belasting weerstand R L. De weerstand van de belastingsweerstand wordt normaliter ontworpen om veel hoger zijn dan de weerstand van de bolometer over de gehele werkbereik. Dit is om de stroom die door de bolometer te houden op een stabiel niveau, zodat het gedissipeerd vermogen in de bolometer door de weerstand thermometer blijft enigszins constant.
Het werkpunt van de bolometer wordt dan gegeven op het snijpunt van de kromme en de belasting lijn, bepaald door de vergelijking,
| (3.6) |
Een grafiek toont een typisch VI curve en de uitwatering van de resultaten van een simulatie programma dat ik die in IDL wordt gegeven in Figuur 3.3.
|
Figuur 3.3 - IDL output van verschillende VI bochten met een lading lijn over uitgezet |
Zoals kan worden afgeleid uit Figuur 3.3, de weerstand van de bolometer ongelooflijk hoog is bij kleine stromen. De bolometer weerstand begint te dalen en uiteindelijk vlakt af bij hogere stromen omdat er extra vermogen wordt gedissipeerd in de schokdemper materiaal. Als straling is incident op de melder, zal de gedissipeerd vermogen in de absorber ook toenemen. Dit heeft het effect van kneuzingen de VI curve zoals weergegeven in het diagram hierboven. Het elektrische vermogen gedissipeerd in de absorptiemateriaal, zoals afgeleid in [8], wordt gegeven door,
| (3.7) |
waar 
vertegenwoordigt een fractionele stijging van de temperatuur van de absorber, waar 
vertegenwoordigt het absorptiemateriaal wordt bij een temperatuur van 
. 
is de statische thermische geleiding van de warmte-link op de 3 Hij koelkasttemperatuur (WK -1), die wordt gegeven door de volgende power wet,
| (3.8) |
waar 
is de statische thermische geleiding bij 300mK (WK -1), en 
en wordt de thermische geleidbaarheid index. De term 
heet het laden parameter en wordt gegeven door de vergelijking,
| (3.9) |
Het is de laad-parameter die het afknellen effect van de VI curve wanneer er sprake is invallende EM straling op de detector oorzaken.
Zoals met de meeste fysieke systemen een bolometer niet direct reageren op een instant verandering in zijn ingangen. In veel gevallen is de respons van de detector op een stapsgewijze verandering in de input is een exponentiële verandering in de output. Dit is analoog aan het laden en ontladen van een condensator in een RC-kring.
Een bolometer heeft een interne energiemarkt reservoir in de warmte capaciteit van de absorber. Daarom is een bolometer kan worden gemodelleerd met behulp van een enkel eerste orde differentiaalvergelijking; dit ook betekent dat een bolometer geen last heeft van het geheugen effect. Het antwoord kan dan ook worden gekenmerkt door een tijdsconstante 
die voor een bolometer wordt gegeven door de vergelijking,
| (3.10) |
waar 
is de absorber warmte capaciteit (JK -1). De statische thermische geleiding 
is gerelateerd aan een van de waarde van 
op de 3 Hij koelkasttemperatuur door
| (3.11) |
Als straling incident op de detector is de temperatuur stijgt met een klein bedrag, dit beïnvloedt de schokdempers warmtecapaciteit en de thermische geleiding links. De absorber warmte capaciteit bij de verhoogde temperatuur is gerelateerd aan een bekende waarde 
op 300mK door,
| (3.12) |
waar 
is de warmte capaciteit index. Terugkijkend op vergelijking (3.2) en het gebruik van de termen hierboven omschreven, de temperatuur coëfficiënt van de weerstand kan worden herschreven,
| (3.13) |
waar 
is de macht de wet index van weerstand-temperatuur relatie in vergelijking (3.1). We zien dat 
is negatief voor een halfgeleider bolometer. Dit leidt tot een waarde van 
die kleiner is dan die welke beschreven door vergelijking (3.10). Dit is te wijten aan elektrothermische feedback die wordt beschreven in [9]. Definiëren we een nieuwe term 
Dit is de waarde van de 
met een correctie voor de elektrothermische feedback,
| (3.14) |
Deze nieuwe waarde stelt ons in staat om te bepalen met een waarde van 
die bevat weer een correctie voor elektrothermische feedback,
| (3.15) |
Als de thermische weerstand wordt vertekend door een spanning 
het elektrisch vermogen gedissipeerd in de schokdemper kan worden gegeven door 
. Een toename van het incident EM-signaal zal de temperatuur van de thermische weerstand en dus ook verhoging van de weerstand, dit zal op zijn beurt een daling veroorzaken in het gedissipeerde vermogen. Als de weerstand optreedt in het steile deel van de curve dan is het totaal gedissipeerd vermogen in de absorber zal constant blijven, net als de temperatuur. Dit systeem is bedoeld als een negatieve elektrothermische feedback. Dit heeft het voordeel van het verminderen van de tijd constante van de 
de thermische tijdconstante zoals gegeven in (3.10).
Responsiviteit
Responsiviteit wordt gedefinieerd als de verandering van de uitgangsspanning voor een verandering in het incident macht, die in een bolometer gelijkwaardig is aan een verandering in temperatuur. De spanning responsiviteit van de bolometer wordt gedefinieerd als,
| (3.16) |
en varieert in functie van het werkpunt. Als het signaal op de detector wordt gemoduleerd de modulatie frequentie moet laag genoeg zodat de detector kan reageren op de verandering in de macht. Het is aangetoond dat,
| (3.17) |
waar 
frequentie van de modulatie. De frequentie nul (dc) responsiviteit kan direct worden beoordeeld op basis van de kromme met behulp van de expressie,
| (3.18) |
waar is de frequentie nul dynamische impedantie 
(Ohm) van de bolometer 
bij het werkpunt. 
kan worden aangetoond worden gegeven door,
| (3.19) |
Tijd reactie van een Bolometer
Voor de meerderheid van bolometers de vorm van de VI-curve wordt gedomineerd door een achtergrond vermogen. Wanneer een klein extra signaal wordt toegepast op de bolometer het vertrek van de VI curve kan worden verondersteld te verwaarlozen. Dit staat bekend als de klein signaal benadering. In de kleine signaal te beperken dwz waar de bron 
achtergrond van de verandering in bolometer spanning als gevolg van een verandering in de invallende straling macht kan worden gegeven door,
|
(3.20) |
De verandering in de uitgangsspanning niet gebeurt onmiddellijk en door vergelijking van de bolometer met een RC-circuit van de reactie kan worden gemodelleerd door een van de twee volgende vergelijkingen,
| (3.21) |
Als uitgezet deze vergelijkingen hebben de volgende vorm (waar 
en 
),
|
Figuur 3.4 - Staanplaatsen van V tegen de tijd voor zowel positieve als negatieve V |
Wanneer grote signalen worden beschouwd, het vertrek van de VI-curve is niet langer te verwaarlozen. Daarom is de verandering in de uitgangsspanning als gevolg van een verandering in het incident kan de stroom niet kan worden berekend door toepassing van responsiviteit is nu gegeven door de verandering in het werkpunt spanning van de bolometer. Bij de overgang van de eerste tot de laatste VI curve, de tijdconstante van het systeem varieert als een functie van het werkpunt. Daarom is de bolometer is niet langer een enkele keer constante apparaat en kan niet worden gemodelleerd door het toepassen van de eenvoudige RC-kring reactie vergelijkingen.
|
Figuur 3.5 - VI curven voor een groot signaal te veranderen |
Lawaai gelijkwaardig vermogen
Van groot belang om eventuele bolometer is de noise equivalent Power of NEP. De NEP is de wortel uit het gemiddelde kwadraat signaalsterkte nodig is om de root mean square gelijk van de detector lawaai. De beste signaal-ruisverhouding worden behaald door een bolometer wordt gegeven door de vergelijking,
| (3.22) |
In het algemeen, NEP heeft de rechten van deelneming 
.
Photon Shot Geluid en Wave Noise
Als we kijken naar het deeltje beeld van licht en beseffen dat het licht zal komen op de detector in een willekeurige of niet-gecorreleerde manier kunnen we bepalen foton geschoten lawaai. Foton shot noise gerechtvaardigd is bij hoge frequenties (waar het foton foto van het licht is het meest geschikt), maar bij lagere frequenties de golf foto van het licht is beter en daarom definiëren we een andere term wave geluid.
Door toepassing van Bose-Einstein statistiek en in de veronderstelling dat de achtergrond voor de detectie is in de vorm van een zwart lichaam vinden we dat de root-kwadraat schommelingen betekenen in het aantal fotonen die in de tijd In frequentie-interval 
V wordt gegeven door,
| (3.23) |
waar 
, 
= Emissiviteit van de achtergrond, en 
= Totale rendement van de overbrenging tussen de achtergrond en de detector. De extra 
termijn wordt rekening gehouden voor de golf lawaai.
Foton Noise Limited NEP
In het beste geval, de detector en de daarop volgende onderdelen zal een verwaarloosbare hoeveelheid van extra ruis toe te voegen aan het signaal in aanvulling op het foton schot lawaai. Daarom, het foton geluidsoverlast beperkt de gevoeligheid van de bolometer meting, deze ultieme limiet wordt genoemd het foton geluidsoverlast beperkt NEP, 
. Deze wordt gegeven door de vergelijking,
| (3.24) |
Photon Detector Efficiency
In de praktijk is het niet mogelijk het verkrijgen van de foton geluidsoverlast beperkt S / N, omdat dit veronderstelt dat een perfecte detector wordt gebruikt. Real detectoren verschillen in de werking in het feit dat,
- een echte detector mag niet reageren op elke foton
- de detector en de elektronica te produceren extra lawaai
Twee parameters worden gedefinieerd om rekening te houden met deze op gebreken in het detectiesysteem; dit zijn de Responsive Quantum Efficiency en de Detective Quantum Efficiency.
Responsive Quantum Efficiency (RQE of 
)
De RQE of rekeningen voor de onvolmaakte absorptie van fotonen en wordt gedefinieerd als de fractie van het incident fotonen die bijdragen aan het signaal, uiteraard 
.
Detective Quantum Efficiency (DQE)
| (3.25) |
De DQE is de verhouding van de werkelijke gevoeligheid tot maximaal haalbare in principe. De parameter wordt zowel de absorptie-efficiëntie en eventuele extra geluid in de detector in aanmerking. Deze parameter kan daarom gebruikt worden om verschillende soorten van de detector met elkaar te vergelijken.
In de praktijk bias voltage is gekozen om de piek DQE voor elke detector te verkrijgen. In het geval van torenspits, het is groepen van detectoren die een gemeenschappelijke bias spanning die kan worden aangepast om een optimale DQE voor de groep te verkrijgen.
Andere geluidsbronnen
Johnson Noise
Binnen een stuk van een geleidend materiaal de elektronen willekeurige thermische beweging omdat het materiaal heeft een eindige temperatuur. Een bolometrische detector en zijn componenten zijn - of kan worden beschouwd - een weerstand met een elektrisch contact aan elk uiteinde. Als er geen elektrisch potentiaal over de contacten die de spanning in de weerstand zal willekeurig fluctueren ongeveer nul volt, dit komt doordat de positieve en negatieve schommelingen zijn even waarschijnlijk. Het geluid macht binnen de component is echter evenredig met de fluctuatie spanning kwadraat dwz het is altijd positief. Dit is de zogenaamde Johnson of Nyquist Noise.
| (3.26) |
Het frequentiespectrum van Johnson ruis is plat dwz het is de frequentie onafhankelijk. Dit kan worden gezien van de bovenstaande vergelijking wanneer er geen frequentie-afhankelijkheid. Geluid met een vlakke spectrum is witte ruis genoemd.
Phonon Noise
Tot dusver hebben wij rekening gehouden lawaai gemaakt op basis van fotonen en elektronen, beschouwen we de stroom van warmte in het koellichaam als quantised in de vorm van fononen (quantised rooster trillingen). Dit leidt tot willekeurige schommelingen in de temperatuur van de bolometer. De fonon lawaai NEP, 
, Is,
| (3.27) |
Temperatuur Noise
Temperatuur ruis wordt veroorzaakt door het feit dat het koellichaam niet op een constante temperatuur en hangt iets in de tijd. De temperatuur ruis NEP, 
is,
| (3.28) |
waar 
is de spectrale intensiteit van schommelingen in de temperatuur van het koellichaam (K 2 Hz -1).
1 / f geluid
Deze bron van lawaai is erg belangrijk in praktische toepassingen, hoewel de oorzaken zijn vaak niet erg goed begrepen. Voor de meeste apparaten, zijn grote geluidsniveaus vinden op lage frequenties.
|
Figuur 3.6 - 1 / f geluid |
Het minimaliseren van Noise
Lawaai beïnvloedt resulteert in een vernederende manier en daarom gebruiken we verschillende technieken (met het oog op de gevolgen ervan te verminderen.
- Maak de post detectie bandbreedte zo klein mogelijk
- Probeer meetsignalen te voorkomen (of de frequentie band) die samenvallen met discrete frequentie interferentie bronnen
- Ervoor te zorgen dat het signaal frequentie (of frequentieband) is hoog genoeg om niet te worden beïnvloed door significante hoeveelheden van lawaai.
Te wijten aan 
geluidsoverlast is het niet mogelijk om een bron voor lange periodes van continue observatie observeren, dit zou betekenen werken bij zeer lage frequenties waar de 
geluidsoverlast zou aanzienlijk zijn. Een techniek die gebruikt wordt om te voorkomen dat 
geluid is het moduleren van het signaal met een frequentie die hoog genoeg is dat 
is niet langer significant. De modulatie frequentie kan echter niet zo hoog zijn dat de detectoren frequentierespons resulteert in een verlies van signaal. Een ander voordeel voor de modulatie techniek is dat het kan worden gebruikt om de achtergrond van een signaal af te trekken door te schakelen tussen het bronsignaal en een achtergrond signaal, dit is bekend als â € ~ choppingâ € ™ in de FIR / sub-mm waarnemingen.
Toevoeging van Noise Voorwaarden
De totale geluidbelasting in een systeem zal de combinatie van alle individuele geluidsbronnen aanwezig zijn, zoals eerder beschreven. We gaan ervan uit dat alle geluidsbronnen zijn ongecorreleerd dat wil zeggen de waarde van een is niet afhankelijk van een ander. Zoals ze zijn ongecorreleerd ze toe te voegen normaal gesproken geen rekening gehouden met de fasen van het lawaai, daarom nemen we de wortel uit het gemiddelde kwadraat van de ruis (RMS waarde), zoals soms het geluid bronnen kunnen elkaar opheffen.
| (3.29) |
waar 
is het geluid spanning spectrale dichtheid (VHZ -1 / 2) van elk van de ruis bijdragen.
Totale geluidsoverlast en NEP
Het is mogelijk om de NEP te definiëren op de volgende manier, het signaal macht die een S / N van 1 geeft in een integratie van 0,5 seconden. Als we 
= Detector responsiviteit (VW -1), 
= Elektromagnetische kracht incident op de detector (W) en, 
= Totale geluidsoverlast spanning spectrale dichtheid, kan de signaalspanning worden geschreven,
| (3.30) |
Het geluid spanning zal dan worden gegeven door,
| (3.31) |
Door de definitie van de NEP, indien 
dan de signaalspanning 
. Daarom krijgen we een vergelijking voor de NEP in termen van de Noise spanning spectrale dichtheid en de responsiviteit,
| (3.32) |
De eenheden van NEP worden gewoonlijk gegeven als WHz -1 / 2, de Hz -1 / 2 termen verwijst naar de post detectie bandbreedte of het omgekeerde van de integratie tijd.
- Theorie van noise equivalent vermogen van een hoge-temperatuur supergeleider ver-infrarood bolometer in een foto-... Theor y van noise equivalent vermogen van een hoge-temperatuur supergeleider ver-infrarood bolometer in een foto-thermo-elektrische modus operandi Theorie van noise equivalent vermogen van een hoge-temperatuur supergeleider ver infraredbolometer in een foto
- 1 Inleiding (PDF) ... Een herziene versie van de Griffin & Holland ideale halfgeleider bolometer. model wordt gepresenteerd en het gebruik ervan in ... gebaseerd op de niet-evenwichts bolometer theorie van. Mather [10], maar aangenomen ... astro.cf.ac.uk / groepen / ... / Sudiwala_et_al_IJMM_ bolometer _paper.pdf
- Een simpele theorie voor vaste-backed bolometers Een simpele theorie voor vaste-backed bolometers Een simpele theorie voor vaste-backed bolometers Een eenvoudige theorie is voorgesteld om bolometers verklaren de frequentierespons van vaste-backed. Het gaat uit van een eendimensionale warmtestroom door de bolometer
- HOGE PRECISIE KARAKTERISERING van halfgeleiderprodukten bolometers (PDF) ... meter, met behulp van de bolometer model gepresenteerd in Sudiwala et ... een suf? doende uniform niveau van doping. Ideaal bolometer theorie [1, 2, 7] kan worden gebruikt om ... astro.cf.ac.uk / groepen / ... / Woodcraft_et_al_IJMM_ bolometer _paper.pdf
- DOE Document - Niet-evenwichts theorie van een hot-electron bolometer met normale metaal-isolator-supergeleider tunnel ... De werking van de hot-electron bolometer met normale metaal-isolator-supergeleider (NOS) tunneljunctie als een temperatuursensor is theoretisch geanalyseerd. De responsiviteit en het geluid met hetzelfde vermogen (NEP) van de bolometer worden verkregen
- Image Processing en least-squares Reconstructies (PDF) ... bereikt door rekening te houden met standaard image. resampling theorie in de formulering van de kleinste-kwadraten probleem ... dithering, omdat de koppeling van de bolometer nul wijst op een flux binnen de
- Een microcalorimeter en Bolometer Model A microcalorimeter en Bolometer Model A microcalorimeter en Bolometer Model De standaard niet-evenwichts theorie van ruis in de ideale bolometers en microcalorimeters niet te voorspellen hoe de prestaties van echte apparaten als gevolg van extra effecten
Ki Toy Johnson Pic ...
Ik Googled voor iets helemaal anders, maar vond je pagina ... en te bedanken. leuk te lezen ....
Goed gedaan Steven. Iets heel belangrijks te onthouden is dat iedereen een goede inleidende verwijzing naar de basis te begrijpen voordat u verdere geavanceerde speciale onderwerpen gebaseerd op het fundament van de basisbehoeften. Een goed begrip van de basisprincipes is genoeg voor de meeste mensen om succesvol te zijn.
Uw webpagina is een uitstekende inleiding referentie. Als je carrière pad leidt u naar meer van de geavanceerde subtiliteiten van bolometers onderzoek en je uiteindelijk publiceert, bewaren en publiceren deze huidige lichaam van het werk en om te dienen als de inleidende materiaal voor de first-timers. Ik ben het eens met Ki. Uw webpagina op bolometer theorie is een goed te lezen.
J
Ik vond uw lezing meest nuttig bij de ontwikkeling van een goed begrip van bolometer parameters en kenmerken. Ik ben een 4e semester student elektrotechniek en ben momenteel bezig met een project waarbij Microbolometer. In dit verband zal ik greteful als je kunt relevante literatuur bericht.
Ik vond jr lucture het is zeer nuttig voor mijn onderzoek een deel omdat ik niet weet niets over bolometer. Maar ik heb nog problemen om de foto in uw webpagina te zien. Wat moet ik doen? Ik probeer je pdf.file te downloaden maar het werkt niet ook werken.
Aarzel dan niet om een suggestie te geven. Mijn e-mail: jiku_jung9@hotmail.com
Niet dat ik wil naar uw website te kopiëren, maar ik houd echt van de look. Kunt u mij vertellen welk thema gebruik je? Of was het op maat?
Thema is gekoppeld aan de onderkant van deze pagina (in de voettekst).
Afbeeldingen en PDF hersteld, sorry voor de problemen
lieve steven
Ik vond uw lezing zo nuttig, maar ik kan niet zien foto's of het vinden van de pdf.
zou u mij helpen wat ik Shoud doen?
Met vriendelijke groeten
Lieve steven
Hartelijk dank voor uw prachtige lezing, maar ik kan niet downloaden van de "simuleren met behulp van IDL SPIRE", Kunt u het aan mij? Dank bij voorbaat.
E-mail: lhfsemail@gmail.com
Kun je stuur me een mail. Ik hou echt van je ontwerp.