Bolometer Theory
Det følgende er et kapittel fra min siste års rapport om 'Simulerer SPIRE bruker IDL'. Når forske på prosjektet jeg fant det vanskelig å finne noen grunnleggende innføring i bolometer teori, så jeg bestemte meg for å sette min versjon på nettet. Du kan også se kapittelet i full kontekst ved å laste ned min fjerde rapport rapport: Simulerer SPIRE bruker IDL .
- Grunnleggende prinsipper
- Time Constant
- Responsivity
- Tidsresponse i en Bolometer
- Noise Equivalent Power
- Foton Shot Støy og Wave Noise
- Photon Støy Limited NEP
- Photon Detector Effektivitet
- Andre støykilder
- Reduserer støy
- Tilsetting av Noise Vilkår
- Samlet Støy og NEP
Grunnleggende prinsipper
En bolometer er en enhet som oppdager innkommende stråling ved å produsere en endring i elektrisk motstand proporsjonal med mengden av stråling received. Solinnstrålingen absorberes av bolometer som fører til en økning i temperaturen sin, som igjen fører til en endring i elektrisk motstand .
Den essensielle funksjoner i en bolometer er som følger:
Figur 3.1 - Diagram av et Bolometric Detector
Den bolometer Består av en absorber materiale knyttet til en kjølefinne faste temperature. Innkommende elektromagnetisk (EM) stråling absorberes av materialet øke den kinetiske energien til gratis electrons. The kollisjoner av frie elektroner med atomer i materialet årsaken gitteret vibrasjoner som er observert som en endring i temperatur.
Typiske materialer for termometeret er halvledere som dopet germanium. Motstanden for slikt materiale endres vesentlig for en liten endring i temperatur og kan være preget av likningen,
| (3.1) |
der 
er en konstant kalt motstand parameter (ohm), 
er motstanden (ohm), 
er temperaturen på motstand, og 
(K) er materialet bandet gapet temperatur. Verdien av 
kalles materialet parameter, og er gitt symbolet 
. Temperaturen koeffisient av resistens er definert av,
| (3.2) |
Driften av en bolometer detektor er illustrert i figur 3.1. Den bolometer ved temperatur 
er koblet til en kjøleribbe av fast temperatur 
av en termisk ledningsevne 
. En DC bias strøm 
renner gjennom bolometer generere en spenning 
. Endringer i innkommende stråling strøm 
gi opphav til endringer i motstanden 
, Og derfor i utgangsspenningen 
. Den typiske bolometer administratorinnstilling og avlesning krets er avbildet i figur 3.2.
|
Figur 3.2 - Bolometer administratorinnstilling og avlesning krets |
Den gjeldende som renn gjennom motstanden fører til en spredning av makt 
inn i absorbatoren materialet. I tillegg er mengden av strålende energi absorberes av absorber merket med 
. Den totale kraften utsvevende i bolometer 
er derfor gitt ved,
| (3.3) |
Under steady state energien absorberes av absorbatoren vil bli fjernet til heatsink av termiske koblingen, er dette gitt ved følgende sammenheng,
| (3.4) |
Den DC spenning-strøm (VI) kurve for bolometer er definert av ligninger,
| (3.5) |
I praksis bolometer er partisk av et batteri med spenning V 0 og last motstand R L. Motstanden av lasten motstand er normalt utformet for å være mye høyere enn motstanden i bolometer over hele driftsområdet. Dette er for å holde strømmen som går gjennom bolometer på et stabilt nivå slik at strømmen borte i bolometer av motstanden termometeret holder seg noe konstant.
Driftsresultatet punktet i bolometer er da gitt i krysset mellom lasten kurven og lasten linjen, bestemt av ligningen,
| (3.6) |
En graf som viser en typisk VI kurve og last linje fra resultatene av en simulering program som jeg produsert i IDL er gitt i figur 3.3.
|
Figur 3.3 - IDL produksjon av flere VI kurver med en last linje over plottet |
Som det fremgår av figur 3.3, er motstanden i bolometer utrolig høy på små strømmer. Den bolometer motstanden begynner å minske og til slutt flater ut ved høyere strøm fordi ekstra strøm er fjernet inn i absorbatoren materialet. Hvis stråling er hendelsen på detektoren, vil strømmen borte i absorbatoren også øke. Dette har effekten av squashing VI kurve som vist i figuren ovenfor. Den elektriske strømmen borte i absorbatoren materiale, som utledet i [8], er gitt ved,
| (3.7) |
der 
representerer en delvis økning i temperaturen på absorber der 
representerer absorbatoren materialet som ved en temperatur på 
. 
er den statiske termiske ledningsevne av termiske lenken på 3 Han kjøleskapstemperatur (WK -1), som er gitt av følgende kraft loven,
| (3.8) |
der 
er det statiske termiske ledningsevne på 300mK (WK -1), og 
og kalles termisk ledningsevne indeksen. Begrepet 
kalles lasting parameter, og er gitt av ligningen,
| (3.9) |
Det er den lastes parameter som forårsaker squashing effekten av VI kurven når det er hendelsen EM stråling på detektoren.
Som med de fleste fysiske systemer en bolometer ikke reagerer kjapt til en umiddelbar endring i dets innganger. I mange tilfeller responsen på en detektor til en trinnvis endring i inngangen er en eksponentiell endring i produksjonen. Dette er en analogi til lading og utlading av en kondensator i et RC krets.
En bolometer har en eneste energi reservoar i varmen kapasitans av absorber. Derfor en bolometer kan modelleres ved hjelp av en enkel førsteordens differensialligning, og dette betyr også at en bolometer ikke lider av minnet effekter. Svaret kan derfor bli preget av en konstant tid 
som for en bolometer er gitt ved likningen,
| (3.10) |
der 
er absorbatoren varmekapasitet (JK -1). Den statiske termisk konduktans 
er relatert til en verdi av 
på 3 Han kjøleskapet temperaturen ved,
| (3.11) |
Når stråling er hendelsen på detektoren det øker temperaturen med en liten mengde, påvirker dette støtdempere varmekapasitet og termiske koblinger konduktans. Absorbatoren varmekapasitet ved økt temperatur er relatert til en kjent verdi 
på 300mK av,
| (3.12) |
der 
er varmekapasitet indeksen. Ser tilbake på ligning (3.2) og ved hjelp av begrepene definert ovenfor, kan temperaturen koeffisient av motstand bli omskrevet som,
| (3.13) |
der 
er kraften loven indeksen fra resistens-temperatur forhold i ligning (3.1). Vi ser at 
er negativ for en halvleder bolometer. Dette fører til en verdi av 
som er mindre enn beskrevet av likning (3.10). Dette skyldes elektrotermiske tilbakemeldinger som er beskrevet i [9]. Vi definerer en ny periode 
som er verdien av 
med en korreksjon for elektrotermiske tilbakemelding,
| (3.14) |
Denne nye verdien tillater oss å definere en verdi av 
som inneholder igjen en korreksjon for elektrotermiske tilbakemelding,
| (3.15) |
Som den termiske motstanden er partisk av en spenning 
den elektriske kraften utsvevende inn i absorbatoren kan gis av 
. En økning i hendelsen EM signalet vil øke temperaturen på den termiske motstand og dermed også øke sin motstand, og dette vil igjen føre til en nedgang i borte makten. Hvis motstanden er konstituert i den bratte delen av kurven sin så den totale strømmen borte i absorbatoren forblir konstant, så vil temperaturen. Dette systemet kalles å ha negative elektrotermisk tilbakemeldinger. Dette har fordelen av å redusere tiden konstant til over 
den termiske tidskonstanten som er gitt i (3.10).
Responsivity
Responsivity er definert som endring av utgangsspenning for en endring i hendelsen makten, som i en bolometer tilsvarer en endring i temperatur. Spenningen responsivity av bolometer er definert som,
| (3.16) |
og varierer som en funksjon av arbeidspunktet. Hvis signalet på detektoren er modulert på moduleringsfrekvens må være lav nok slik at detektoren kan svare på endringen i kraft. Det er vist at,
| (3.17) |
der 
frekvens modulasjon. The null frekvens (st) responsivity kan vurderes direkte fra lasten kurve ved hjelp av uttrykket,
| (3.18) |
hvor er null frekvens dynamiske impedans 
(Ohm) av bolometer 
på arbeidspunktet. 
kan bli vist å være gitt av,
| (3.19) |
Tidsresponse i en Bolometer
For flertallet av bolometre formen på kurven VI er dominert av en bakgrunn strøm. Når en liten ekstra signal brukes på bolometer avgang fra VI kurven kan antas å være ubetydelig. Dette er kjent som den lille signalet tilnærming. I den lille signalet grense dvs. der kilde 
Bakgrunnen for endringen i bolometer spenning på grunn av en endring i hendelsen stråling makten kan bli gitt ved,
| (3.20) |
Endringen i utgangsspenningen oppstår ikke umiddelbart, og ved å sammenligne bolometer med en RC krets svaret kan modelleres ved en av de to følgende ligninger,
| (3.21) |
Når plottet disse ligningene har følgende form (der 
og 
),
|
Figur 3.4 - Tomter av V mot Time for både positive og negative V |
Når store signaler er vurdert, er det avgang fra VI kurven ikke lenger ubetydelig. Derfor endringen i utgangsspenning på grunn av en endring i hendelsen makten ikke kan beregnes ved å anvende responsivity det nå er gitt av endringen i arbeidspunktet spenning bolometer. I å flytte fra den første til finalen VI kurven, varierer tiden konstant av systemet som en funksjon av arbeidspunktet. Derfor bolometer er ikke lenger en eneste gang konstant enhet og kan ikke modelleres ved å anvende enkle RC kretsen respons likninger.
|
Figur 3.5 - VI kurver for et stort signal endring |
Noise Equivalent Power
Av stor betydning for enhver bolometer er Noise Equivalent Power eller NEP. NEP er roten av gjennomsnittlig kvadratisk signal styrken som kreves for å lik roten betyr kvadratet av detektoren støy. Det beste signal-til-støy-forhold oppnåelig ved en bolometer er gitt ved likningen,
| (3.22) |
Generelt, har NEP enheter av 
.
Foton Shot Støy og Wave Noise
Ser vi på partikkelen bilde av lys og innser at lyset vil komme til detektoren i en tilfeldig eller ukorrelerte måten, kan vi definere foton skutt støy. Foton skutt støy er forsvarlig ved høye frekvenser (der fotonet bildet av lys er best egnet), men ved lavere frekvenser bølgen bildet av lys er mer hensiktsmessig og derfor vi definerer en ny periode wave støy.
Ved anvendelse av Bose-Einstein statistikk og antar at bakgrunnen for påvisning er i form av en blackbody finner vi at roten av gjennomsnittlig kvadratisk svingninger i antall fotoner ankommer i tide , I frekvens intervall 
V er gitt ved,
| (3.23) |
der 
, 
= Emissivitet av bakgrunnen, og 
= Total overføring effektivitet mellom bakgrunnen og detektoren. Den ekstra 
Begrepet tar høyde for bølgen støy.
Photon Støy Limited NEP
I beste fall, vil detektoren og etterfølgende komponenter legge til en ubetydelig mengde ekstra støy til signalet i tillegg til fotonet skutt støy. Derfor begrenser foton støy følsomheten på bolometer måling, er denne ultimate grensen kalles foton støy begrenset NEP, 
. Dette er gitt av ligningen,
| (3.24) |
Photon Detector Effektivitet
I praksis er det ikke mulig å få tak i foton støy begrenset S / N som dette forutsetter at en perfekt detektoren brukes. Real detektorer forskjellig i drift i det faktum at,
- en ekte detektoren kan ikke svare på alle foton
- detektoren og dens elektronikk produsere ytterligere støy
To parametre er definert for å ta hensyn til disse til, mangler i gjenkjennings-systemet, dette er de Responsive Quantum Efficiency og Detective Quantum Efficiency.
Responsive Quantum Efficiency (RQE eller 
)
Den RQE eller regnskap for det ufullkomne absorpsjon av fotoner og er definert som den brøkdel av hendelsen fotoner som bidrar til signalet, åpenbart 
.
Detective Quantum Efficiency (DQE)
| (3.25) |
Den DQE er forholdet mellom den faktiske følsomhet for maksimalt oppnåelig i prinsippet. Parameteren tar både absorpsjon effektivitet og eventuelle ekstra støy som genereres i detektoren i betraktning. Denne parameteren kan derfor brukes til å sammenligne ulike typer detektor med hverandre.
I praksis bias spenningen er valgt for å oppnå topp DQE for hver detektor. I tilfelle av SPIRE, er det grupper av detektorer som deler en felles bias spenning som kan justeres for å oppnå en optimal DQE for gruppen.
Andre støykilder
Johnson Noise
Innen noen del av noen ledende materiale elektronene har tilfeldige termiske bevegelser fordi materialet har en begrenset temperatur. En bolometric detektor og dets komponenter er - eller kan anses å være - en motstand med en elektrisk kontakt i hver ende. Hvis det ikke er elektrisk potensial over kontaktene spenningen i motstanden vil svinge tilfeldig om null volt, er det fordi positive og negative svingninger er like sannsynlige. Støyen makt innenfor komponenten er imidlertid proporsjonal med svingninger spenningen kvadrerte Det er alltid positivt. Dette kalles Johnson eller Nyquist støy.
| (3.26) |
Frekvensspekteret av Johnson støy er flat Det er frekvens uavhengig. Dette kan sees fra ligningen over der det ikke er frekvensen avhengighet. Støy med en flat spektrum kalles hvit støy.
Phonon Noise
Så langt har vi vurdert støy skapt av fotoner og elektroner, betrakter vi nå strømmen av varme inn i varmen synke så quantised i form av fononer (quantised gitteret vibrasjoner). Dette fører til tilfeldige svingninger i temperaturen i bolometer. Den Phonon støy NEP, 
Er,
| (3.27) |
Temperatur Noise
Temperatur støy er forårsaket av det faktum at varmen vasken ikke er på en konstant temperatur og varierer litt over tid. Temperaturen støy NEP, 
er,
| (3.28) |
der 
er den spektrale intensiteten av svingninger i temperaturen på varmen vasken (K 2 Hz -1).
1 / f støy
Denne kilden til støy er svært viktig i praktisk bruk, men årsakene er ofte ikke veldig godt forstått. For de fleste enheter, er store nivåer av støy funnet ved lave frekvenser.
|
Figur 3.6 - 1 / f støy |
Reduserer støy
Støy påvirker resultater i en nedverdigende måte, og derfor vi bruker flere teknikker (for å redusere virkningene.
- Gjøre innlegget deteksjon båndbredde så liten som mulig
- Prøv å unngå å måle signaler (eller frekvens) som sammenfaller med diskrete frekvens støykilder
- Sørg for at signalet frekvens (eller frekvensbånd) er høy nok til ikke å bli påvirket av betydelige mengder støy.
På grunn av 
støy er det ikke mulig å observere en kilde i lange perioder med kontinuerlig observasjon, dette ville innebære å arbeide ved svært lave frekvenser hvor 
støy ville være betydelige. En teknikk som brukes for å unngå 
støy er å modulere signalet med en frekvens som er høy nok til at 
er ikke lenger signifikant. Den moduleringsfrekvens kan imidlertid ikke være så høy at detektorene frekvensresponsen resulterer i et tap i signal. En annen fordel til modulasjon teknikken er at den kan brukes til å trekke bakgrunnen fra et signal ved å veksle mellom kilden signal og en bakgrunn signal, dette er kjent som â € ~ choppingâ € ™ i FIR / sub-mm observasjoner.
Den totale støy i et system vil være en kombinasjon av alle de enkelte støykilder tilstede som beskrevet tidligere. Vi antar at alle støykilder er ukorrelerte dvs. verdien av en er ikke avhengig av noen andre. Ettersom de er ukorrelerte legge dem normalt ikke ville ta hensyn til faser av støy, derfor tar vi kvadratisk middelverdi av støy (rms verdi) som noen ganger støy kilder kan avbryte hverandre.
| (3.29) |
der 
er støyen spenningen spektraltetthet (VHz -1 / 2) fra hver av støy bidrag.
Samlet Støy og NEP
Det er mulig å definere NEP på følgende måte, signalet makt som gir en S / N av 1 i en integrering tid på 0,5 sekunder. Hvis vi lar 
= Detektor responsivity (VW -1), 
= Elektromagnetisk kraft hendelse på detektoren (W) og, 
= Total støy spenning spektraltetthet, kan signalet spenningen være skrevet,
| (3.30) |
Støyen spenningen vil da bli gitt av,
| (3.31) |
Ved definisjonen av NEP, hvis 
Deretter signalet spenning 
. Derfor får vi en ligning for NEP i forhold til Noise spenning spektraltetthet og responsivity,
| (3.32) |
Enhetene av NEP gis normalt som WHz -1 / 2, på Hz -1/2 vilkår refererer til innlegget deteksjon båndbredde eller den inverse av integrasjonen tiden.
- Teori for støy tilsvarende kraften i en høytemperatur superleder langt infrarød bolometer i et bilde-... Theor y for støy tilsvarende kraften i en høytemperatur superleder langt infrarød bolometer i en foto-thermoelectrical virkemåten Theory av støy tilsvarende kraft en høytemperatur superleder langt-infraredbolometer i et bilde
- 1 Innledning (PDF) ... En revidert versjon av Griffin & Holland ideelle halvledere bolometer. modellen er presentert og dens bruk i ... basert på ikke-likevekt bolometer teori. Mather [10] men antas ... astro.cf.ac.uk / grupper / ... / Sudiwala_et_al_IJMM_ bolometer _paper.pdf
- En enkel teori for faste-støttet bolometre En enkel teori for faste-støttet bolometre En enkel teori for faste-støttet bolometre En enkel teori er foreslått å forklare frekvensresponsen av solid-støttet bolometre. Det forutsetter en en-dimensjonal strøm av varme gjennom bolometer
- HØY PRESISJON KARAKTERISERING AV SEMICONDUCTOR bolometre (PDF) ... meter, ved hjelp av bolometer modellen presentert i Sudiwala et ... en tilstrekkelig? temperatur tilstrekkelig ensartet nivå av doping. Ideell bolometer teorien [1, 2, 7] kan brukes til ... astro.cf.ac.uk / grupper / ... / Woodcraft_et_al_IJMM_ bolometer _paper.pdf
- DOE Document - Nonequilibrium teori av en hot-elektron bolometer med normal metall-isolator-superleder tunnelen ... Driften av hot-elektron bolometer med normal metall-isolator-superleder (NIS) tunnel veikryss som en temperatur sensor er analysert teoretisk. Den responsivity og støy tilsvarende effekt (NEP) i bolometer er innhentet
- Bildebehandling og Least-Squares Rekonstruksjoner (PDF) ... oppnås ved å ta hensyn til standard image. resampling teori i utformingen av den minste kvadraters problem ... utjamning fordi binde bolometer null poeng til en fluks innenfor
- En Microcalorimeter og Bolometer Model A Microcalorimeter og Bolometer Model A Microcalorimeter og Bolometer modell standard ikke-likevekt teori om støy i ideelle bolometre og microcalorimeters unnlater å forutsi resultatene av fast utstyr som følge av flere effekter
Ki Toy Johnson Pic ...
Jeg Googled for noe helt annet, men fant siden din ... og må si takk. nice lest ....
Godt gjort Steven. Noe veldig viktig å huske er at alle trenger en god innledende referanse for å forstå det grunnleggende før du benytter avanserte spesialitet emner basert på grunnlag av det grunnleggende. En forståelse av det grunnleggende er nok for folk flest å være vellykket.
Din nettside er en utmerket innledende referanse. Hvis karrierevei fører deg til forskning mer av de avanserte spissfindigheter i bolometre og du til slutt publisere, kan du beholde og publisere dette presentere kropp arbeid samt å fungere som den innledende materialet for første-tidtakere. Jeg er enig med Ki. Din nettside på bolometer teori er en god leser.
J
Jeg fant forelesningen mest nyttig i å utvikle en forståelse av bolometer parametere og egenskaper. Jeg er en fjerde semester studerer elektroteknikk og er for tiden engasjert i et prosjekt som involverer mikrobolometer. I denne forbindelse vil jeg bli greteful om du kan legge inn relevant litteratur.
Jeg fant yr lucture det er veldig nyttig for min forskning delvis fordi jeg ikke vet noe om bolometer. Men jeg har fortsatt problem å se bildet i websiden din. Hva bør jeg gjøre? Jeg prøver å laste ned pdf.file, men det fungerer ikke også.
Ikke nøl med å gi noen forslag. Min e-post: jiku_jung9@hotmail.com
Ikke at jeg ønsker å kopiere nettstedet ditt, men jeg virkelig elsker utseendet. Kan du fortelle meg hvilken type bruker du? Eller var det skikk gjort?
Tema er knyttet opp nederst på denne siden (i bunnteksten).
Bilder og PDF restaurert, beklager for de problemene
kjære steven
Jeg fant forelesningen så nyttig, men jeg kan ikke se bilder eller finne pdf.
Kan du hjelpe meg hva jeg shoud gjøre?
Med vennlig hilsen
Kjære Steven
Tusen takk for flott foredrag, men jeg kan ikke laste ned "Simulerer SPIRE bruke IDL", kan du sende den til meg? Takk på forhånd.
E-post: lhfsemail@gmail.com
Kan du sende meg en mail. Jeg liker ditt design.