Bolometr Theory
Poniżej znajduje się rozdział mojego raportu końcowego z roku na "Symulacja SPIRE za pomocą IDL. Podczas badania projektu I trudno było znaleźć jakieś podstawowe wprowadzenie do teorii bolometr, więc zdecydowałem się umieścić mój wersji online. Możesz także zobaczyć rozdział w pełnym kontekście, pobierając mój czwarty raport raport: Symulacja SPIRE za pomocą IDL .
- Podstawowe zasady
- Stała czasowa
- Reagowanie
- Czas reakcji na bolometr
- Power Noise Equivalent
- Photon Shot hałasem i Wave
- Noise Photon Limited NEP
- Sprawność detektora Photon
- Innymi źródłami hałasu
- Minimalizacja hałasu
- Dodanie Warunki Noise
- Ogółem hałasu i NEP
Podstawowe zasady
Bolometr to urządzenie, które wykrywa nadchodzące promieniowanie przedstawiając zmiany oporu elektrycznego jest proporcjonalna do kwoty z received. promieniowanie sieci jest pochłaniana przez bolometr co powoduje wzrost jego temperatury, co z kolei powoduje zmianę w jego opór elektryczny .
Zasadnicze cechy bolometr są następujące:
Rysunek 3.1 - Schemat detektor bolometryczny
Bolometr się obejmuje materiał pochłaniający związane z radiatora stacjonarnej sieci temperature. elektromagnetyczne (EM) promieniowanie jest pochłaniane przez materiał zwiększenie energii kinetycznej swobodnego electrons. zderzeń elektronów swobodnych z atomami w sieci krystalicznej istotnej przyczyny drgania, które są obserwowane zmiany temperatury.
Typowe materiały na termometr są półprzewodniki domieszkowane germanium. takie jak odporność na takie istotne zmiany znacznie dla małych zmian temperatury i można scharakteryzować za pomocą równania,
| (3.1) |
gdzie 
jest stałą o nazwie parametru rezystancji (Ohm), 
jest opór (Ohm), 
jest temperatura rezystora i 
(K) to zespół, temperatury materiału lukę. Wartość 
nazywa się parametrem materiału i znajduje się symbol 
. Współczynnik temperaturowy rezystancji jest określona,
| (3.2) |
Działania detektora bolometr przedstawiono na rysunku 3.1. Bolometr w temperaturze 
związany jest z radiatora stałej temperaturze 
przez przewodności cieplnej 
. Dc prądu polaryzacji 
przepływa przez bolometr generować napięcie 
. Zmiany w przychodzących moc promieniowania 
powodują zmiany w ruchu oporu 
, A więc w napięciu wyjściowym 
. Typowe odchylenia bolometr i układ odczytu jest na Rysunku 3.2.
|
Rysunek 3.2 - układ odchylający bolometr i odczyt |
Prąd przepływa przez rezystor powoduje rozproszenie energii 
do materiału absorbera. Ponadto, ilość energii promieniowania pochłaniana przez absorber jest oznaczona 
. Całkowita moc rozpraszana w bolometr 
W związku z tym wydane przez,
| (3.3) |
W warunkach stanu ustalonego energii pochłoniętej przez absorber zostaną usunięte do radiatora przez termiczną link, to jest według następującego związku,
| (3.4) |
Napięcie prądu (VI) krzywa bolometr jest określona przez równania
| (3.5) |
W praktyce bolometr jest tendencyjne przez baterię napięcie V 0 i rezystancja obciążenia R L. Opór rezystora jest zwykle projektowana być znacznie wyższy niż opór bolometr całego zakresu pracy. Ma to na celu utrzymanie obecnego przechodzącej przez bolometr na stałym poziomie, tak że moc rozpraszana w bolometr przez termometr oporowy pozostaje trochę na stałym poziomie.
Punkt pracy bolometr następnie wydana na przecięciu krzywej obciążenia i linii ładunkowej, określona przez równanie
| (3.6) |
Wykres przedstawiający typową krzywą VI i linii ładunkowej z efektów programu symulacji, które powstały w IDL jest na rysunku 3.3.
|
Rysunek 3.3 - IDL produkcji kilku krzywych VI z linii ładunkowej na wykresie |
Jak widać z rysunku 3.3, opór bolometr jest bardzo wysoka w małych prądów. Opór bolometr zaczyna się zmniejszać iw końcu się na wyższych poziomach, ponieważ prądy dodatkowej mocy jest rozpraszana w materiał absorbera. Jeśli promieniowania padającego na detektor, moc rozpraszana w absorber także się zwiększy. Ma to wpływ na zgniatanie krzywej VI jak pokazano na rysunku powyżej. Energii elektrycznej rozpraszana w materiał pochłaniający, a uzyskane w [8] podaje,
| (3.7) |
gdzie 
stanowi ułamkowe wzrost temperatury absorbera, gdzie 
stanowi materiał pochłaniający jest w temperaturze 
. 
jest statyczną przewodności cieplnej cieplnej link na 3 He temperatury w chłodziarce (WK-1), który jest według następującego prawa zasilania,
| (3.8) |
gdzie 
jest statyczną przewodności cieplnej w 300mK (WK-1), i 
i nazywa się wskaźnik przewodności cieplnej. Określenie 
nazywa się parametr załadunku i jest podany za pomocą równania,
| (3.9) |
Jest to parametr ładowania, co powoduje zgniatanie efekt krzywej VI, kiedy pada promieniowanie EM w detektorze.
Jak w przypadku większości systemów fizycznych bolometr nie reaguje natychmiast na natychmiastowe zmiany w jego produkcji. W wielu przypadkach odpowiedź detektora do skoku na wejściu jest wykładniczy zmianę na wyjściu. Jest to analogiczne do ładowania i rozładowania kondensatora w obwodzie RC.
Bolometr ma jeden zbiornik energii w pojemności cieplnej z absorbera. Dlatego bolometr można modelować za pomocą jednego równania różniczkowego pierwszego rzędu; oznacza to również, że bolometr nie cierpią z powodu skutków pamięci. Odpowiedź może być charakteryzuje się stałą czasową 
co dla bolometr jest podany za pomocą równania,
| (3.10) |
gdzie 
Ciepło jest absorber (JK -1). Statyczne przewodności cieplnej 
jest związana z wartością 
w 3 He temperatury w chłodziarce przez
| (3.11) |
Kiedy promieniowanie pada na detektor zwiększa jego temperaturę o niewielką kwotę, co wpływa na ciepło amortyzatory pojemności i przewodności cieplnej linki. Ciepło absorber w podwyższonej temperaturze jest podobne do znanej wartości 
w 300mK przez
| (3.12) |
gdzie 
jest indeksem pojemności cieplnej. Patrząc na równanie (3.2) i korzystając z warunków określonych powyżej, temperatura współczynnik oporu może być zapisane jako,
| (3.13) |
gdzie 
jest wskaźnikiem mocy prawa od oporu i temperatury odniesieniu do równania (3.1). Widzimy, że 
jest negatywny dla bolometr półprzewodnikowych. Prowadzi to do wartości 
która jest mniejsza, niż ta opisana przez równanie (3.10). Spowodowane jest to elektro opinie, która jest opisana w [9]. Definiujemy nową kadencję 
co jest wartością 
z korektą dla elektrotermiczne opinie,
| (3.14) |
Ta nowa wartość pozwala określić wartość 
co z kolei zawiera poprawkę dla elektrotermiczne opinie,
| (3.15) |
Jak termicznego rezystora jest tendencyjne przez napięcie 
energii elektrycznej odprowadzane do absorbera może zostać wydane przez 
. Wzrost w wypadku sygnał EM wzrośnie temperatura termicznego rezystora, a zatem również wzrost jego odporności, co z kolei spowoduje zmniejszenie rozproszenia energii. Jeżeli rezystor działa w strome część krzywej, to łączna moc rozpraszana w absorberze pozostanie stała, podobnie jak jego temperatury. System ten jest określany jako negatywny elektrotermiczne opinii. Ma to tę zaletę skrócenia czasu stały się z 
termicznej stałej czasowej, jak podano w (3.10).
Reagowanie
Reagowanie jest definiowana jako zmiana napięcia wyjściowego do zmiany mocy padającej, które w bolometr jest równoznaczny ze zmianą temperatury. Napięcie reagowanie na bolometr jest zdefiniowana jako,
| (3.16) |
i zmienia się w zależności od punktu pracy. Jeżeli sygnał na detektorze jest modulowane częstotliwości modulacji musi być wystarczająco niskie, aby detektor może reagować na zmianę siły. To pokazuje, że
| (3.17) |
gdzie 
częstotliwość modulacji. Zerowej częstotliwości (DC) reagowanie mogą być oceniane bezpośrednio z krzywej obciążenia za pomocą słowa,
| (3.18) |
gdzie jest zero częstotliwości dynamicznej impedancji 
(Omów) z bolometr 
w miejscu pracy. 
można wykazać zostać wydane przez
| (3.19) |
Czas reakcji na bolometr
Dla większości bolometers kształt krzywej VI jest zdominowany przez poziom mocy tle. Kiedy niewielką sygnału do bolometr wyjazd z krzywej VI może być uznany za nieistotny. Jest to znane jako małe zbliżenia sygnału. W małych tj. ograniczenie sygnału gdzie źródło 
tło zmiana napięcia bolometr ze względu na zmianę siły padającego promieniowania może zostać wydane przez
| (3.20) |
Zmiana napięcia wyjściowego nie występuje natychmiast i porównując bolometr z obwodem RC odpowiedzi mogą być wzorowane na jednej z dwóch następujących równań,
| (3.21) |
Po wykresie równania te mają postać (gdzie 
i 
),
|
Rysunek 3.4 - Działki V przeciwko Czas na pozytywne i negatywne V |
Gdy sygnał jest za duży, wyjazd z krzywej VI nie jest bez znaczenia. Dlatego zmiana napięcia wyjściowego ze względu na zmianę siły incydent nie może być obliczana przez zastosowanie reagowanie teraz jest dany przez zmianę napięcia punktu pracy bolometr. W ruchu od początkowego do końcowego krzywej VI, stała czasowa systemu zmienia się w zależności od punktu pracy. Dlatego bolometr nie jest już jedną stałą czasową urządzenie i nie może być kształtowana poprzez zastosowanie prostych równań reakcji obwodu RC.
|
Rysunek 3.5 - VI krzywe dużą zmianę sygnału |
Power Noise Equivalent
Z wielką wagę do wszelkich bolometr jest szumów zasilania lub NEP. NEP jest kwadratu średniej mocy sygnału obowiązek równego średniej kwadratowej hałasu z detektora. Najlepszy stosunek sygnału do szumu osiągane przez bolometr jest podany za pomocą równania,
| (3.22) |
Ogólnie rzecz biorąc, NEP ma jednostek 
.
Photon Shot hałasem i Wave
Jeśli weźmiemy pod uwagę obraz cząstek światła i uświadomić sobie, że światło dotrze do detektora w sposób losowy lub skorelowane, możemy określić szum śrutowy fotonu. szum śrutowy Photon jest uzasadnione w zakresie wysokich częstotliwości (w przypadku gdy obraz foton światła jest najbardziej odpowiedni), ale w niższych częstotliwości fali światła obraz jest bardziej odpowiednie i dlatego określić inny termin szum fal.
Pismem z dnia statystyki Bosego-Einsteina oraz zakładając, że tło dla wykrywania w postaci czarnego okazuje się, że pierwiastek z kwadratu średniej zmieniającej się liczby fotonów przybywających w czasie , W przedziale częstotliwości 
V podaje,
| (3.23) |
gdzie 
, 
emisyjności = tła, i 
= Ogólnej wydajności transmisji między tłem i detektora. Dodatkowe 
termin uwzględnia hałasu przy fali.
Noise Photon Limited NEP
W najlepszym przypadku, detektor i poszczególne podzespoły doda znikoma ilość dodatkowych szumu do sygnału oprócz hałasu shot fotonu. W związku z tym ogranicza szum fotonowy czułość pomiaru bolometr, ten ostateczny limit nazywany jest ograniczony szum fotonowy NEP, 
. To jest podany za pomocą równania,
| (3.24) |
Sprawność detektora Photon
W praktyce nie jest możliwe uzyskanie hałasu foton ograniczony S / N, ponieważ zakłada, że idealny detektor jest używany. Real detektorów różnią się w eksploatacji w tym, że
- prawdziwy czujnik może nie reagować na każdy foton
- czujki i jej elektronika, wyroby dodatkowy szum
Dwa parametry są zdefiniowane w celu uwzględnienia tych niedociągnięć w system wykrywania, i są to Responsive Quantum Skuteczność i detektyw Quantum Efficiency.
Wydajność kwantowa Responsive (RQE lub 
)
RQE lub rachunków dla niedoskonałego absorpcji fotonów i jest określony jako ułamek fotonów zdarzenie, które przyczyniają się do sygnału, oczywiście 
.
Detektyw wydajność kwantowa (DQE)
| (3.25) |
DQE jest to stosunek rzeczywistej czułości do maksymalnego osiągalnego w zasadzie. Parametr ma zarówno sprawność absorpcji i żadnego dodatkowego hałasu generowany w detektorze pod uwagę. Ten parametr może zostać wykorzystane do porównania różnych rodzajów czujnika ze sobą.
W praktyce napięcia polaryzacji została wybrana w celu uzyskania DQE szczyt dla każdego detektora. W przypadku SPIRE, to jest kilka czujników, które mają wspólny napięcia polaryzacji, które mogą być skorygowane w celu uzyskania optymalnego DQE grupy.
Innymi źródłami hałasu
Johnson Noise
W obrębie każdej części, z dowolnego materiału prowadzenie elektrony mają losowe ruchy cieplne, ponieważ materiał ma skończoną temperaturę. Detektor bolometryczny i jej składniki są - lub mogą być uznane za - rezystor z kontaktu elektrycznego na każdym końcu. Jeśli nie ma Potencjał elektryczny na kontakty napięcie w losowo rezystor będzie się wahać około zera woltów, to dlatego, że pozytywne i negatywne wahania są jednakowo prawdopodobne. Moc szumów w ramach komponentu jest jednak proporcjonalna do kwadratu napięcia wahań czyli jest zawsze dodatni. Jest to tzw Johnson lub Nyquist Noise.
| (3.26) |
Częstotliwości hałasu Johnson jest płaski czyli jest częstotliwość niezależne. To widać z powyższego równania, gdzie nie ma od częstotliwości. Hałas przy płaskim spektrum nazywa się biały szum.
Phonon Noise
Do tej pory za hałas powstający z fotonów i elektronów, traktujemy przepływ ciepła do radiatora jak quantised w postaci fononów (quantised drganiach sieci). Prowadzi to do wahań przypadkowych w temperaturze bolometr. Hałas phonon NEP-u, 
, Jest
| (3.27) |
Temperatura Noise
Temperatura hałas jest spowodowany przez fakt, że radiator nie jest w stałej temperaturze i różni się nieco w czasie. Temperatura hałasu NEP-u, 
jest
| (3.28) |
gdzie 
jest widmową intensywność wahań temperatury radiatora (K 2 Hz -1).
1 / Noise f
To źródło hałasu jest bardzo ważne w zastosowaniach praktycznych, chociaż ich przyczyny często nie są dobrze poznane. W przypadku większości urządzeń, duży poziom hałasu znajdują się na niskich częstotliwościach.
|
Rysunek 3.6 - 1 / Noise f |
Minimalizacja hałasu
Hałas wpływa na wyniki w sposób poniżający sposób, a zatem stosujemy kilka technik (w celu ograniczenia jego skutków.
- Dodać do wykrywania przepustowości po jak najmniejszych
- Staraj się unikać sygnałów pomiarowych (lub częstotliwości), które zbiegają się z oddzielnych źródeł zakłóceń częstotliwości
- Upewnij się, że częstotliwość sygnału (lub częstotliwości) jest wystarczająco wysoki, aby nie mieć wpływu na znaczne ilości hałasu.
Ze względu na 
hałasu nie jest możliwe zastosowanie się do źródła przez długi okres obserwacji ciągłej, co pociąga za sobą pracę w bardzo niskich częstotliwości, gdzie 
hałas byłby znaczący. Jedną z technik stosowanych w celu uniknięcia 
hałasu do modulowania sygnału z częstotliwości, które jest wystarczająco wysokie, że 
nie jest już istotne. Częstotliwość modulacji nie może być jednak tak wysokie, że detektory wyniki pasmo do utraty sygnału. Kolejna korzyść dla techniki modulacji jest to, że może on być stosowany do odejmowania tła z sygnału poprzez przełączanie się pomiędzy źródło sygnału i sygnału tła, co jest znane jako â € ~ € ™ choppingâ w FIR / sub-milimetrową uwag.
Całkowita hałasu w systemie będzie połączenie wszystkich poszczególnych źródeł hałasu obecny jak opisano wcześniej. Zakładamy, że wszystkie źródła hałasu nie są skorelowane tj. wartość nie jest zależna od innych. Ponieważ są one skorelowane dodając je normalnie, nie uwzględniają fazy hałasu, dlatego podejmujemy średniej kwadratowej na hałas (wartość skuteczna), czasami źródeł hałasu może znoszą się nawzajem.
| (3.29) |
gdzie 
jest hałas gęstości widmowej napięcia (VHZ -1 / 2) od każdej składki hałasu.
Ogółem hałasu i NEP
Możliwe jest określenie NEP w następujący sposób, mocy sygnału, który daje S / N 1 w czasie integracji 0,5 sekundy. Jeśli pozwolimy 
= Reagowanie detektor (VW-1), 
= Elektromagnetyczne padający na detektor (W), a 
= Całkowite napięcie gęstości widmowej szumu, sygnał napięciowy może być napisane,
| (3.30) |
Napięcie szumów następnie zostać wydane przez
| (3.31) |
Z definicji NEP-u, jeśli 
następnie sygnał napięciowy 
. Zatem otrzymujemy równanie NEP pod względem gęstości widmowej napięcia szumów i reagowanie,
| (3.32) |
Jednostki NEP zwykle podaje się WHz -1 / 2, Hz -1 / 2 względem odnosi się do pasma wykrywania post lub odwrotność czasu integracji.
- Teoria szumów moc wysokiej temperatury nadprzewodnika podczerwieni bolometr daleko w fotografii ... y Teoretycznej hałasu odpowiednik mocy wysokiej temperatury nadprzewodnika podczerwieni bolometr daleko w foto-termoelektryczne trybie teorii szumów moc wysokiej temperatury nadprzewodnika daleko infraredbolometer na zdjęciu
- 1. Wstęp (PDF) ... poprawioną wersję Griffin & Holland idealnym bolometr półprzewodnikowych. modelu przedstawiono i jej zastosowanie w ... w oparciu o teorię bolometr non-równowagi. Mather [10], ale zakłada ... astro.cf.ac.uk / groups / ... / Sudiwala_et_al_IJMM_ _paper.pdf bolometr
- Prosty teorii wspierane bolometers stałych prostych teorii wspierane bolometers stałe prostej teorii stałych zabezpieczonych bolometers prostej teorii proponuje się wyjaśnić pasmo przenoszenia zabezpieczonych bolometers stałe. Zakłada on, jednowymiarowy przepływ ciepła przez bolometr
- High Precision CHARAKTERYSTYKA SEMICONDUCTOR BOLOMETERS (PDF) ... m, według wzoru bolometr przedstawione w Sudiwala et ... suf? wystarczająco jednolity poziom dopingu. teoria bolometr Doskonale [1, 2, 7] może być użyty do ... astro.cf.ac.uk / groups / ... / Woodcraft_et_al_IJMM_ _paper.pdf bolometr
- Dokument DOE - teoria nierównowagowych z elektronami bolometr gorąco z normal-izolator-nadprzewodnik tunelu metal ... funkcjonowania mikrobolometr hot-elektronowych z prawidłową metal-izolator-nadprzewodnik (NIS) skrzyżowania tunel czujnik temperatury jest analizowane teoretycznie. Reagowanie i hałasu równoważnej mocy (NEP) z bolometr uzyskuje
- Przetwarzanie obrazu i najmniejszych kwadratów Rekonstrukcja (PDF) ... osiągnięcie, biorąc pod uwagę standard obrazu. resampling teorii w skład problem najmniejszych kwadratów ... dithering, ponieważ wiązania bolometr zero punktów do strumienia w
- Mikrokalorymetru i bolometr Model mikrokalorymetru i bolometr Model mikrokalorymetru i bolometr Model standardowej teorii równowagi nie hałasu w idealnym bolometers i microcalorimeters nie do przewidzenia działania rzeczywistych urządzeń ze względu na dodatkowe efekty
Johnson Toy Ki zdjęcia ...
I google coś zupełnie innego, ale nie znaleziono strony ... i podziękować. miło czytać ....
Well done Steven. Coś bardzo ważne, aby pamiętać, że każdy potrzebuje dobrego wprowadzające odniesienia, aby zrozumieć podstawy przed podjęciem zaawansowane zagadnienia specjalności w oparciu o założenia podstawy. Zrozumienia podstaw jest wystarczający dla większości ludzi, by odnieść sukces.
Twoja strona internetowa to doskonałe wprowadzenie odniesienia. Jeśli ścieżka kariery prowadzi do badań więcej zaawansowanych subtelności bolometers i w końcu opublikować, proszę zachować i opublikowania obecnego ciała pracy, a także służyć jako materiał wprowadzający w pierwszym wymiarze godzin. Zgadzam się z Ki. Twoja strona internetowa na temat teorii bolometr to warto przeczytać.
J
Znalazłem swój wykład najbardziej pomocne w rozwijaniu zrozumienia mikrobolometr parametry i właściwości. Jestem 4-sze semestr student elektrotechniki i jestem obecnie zaangażowany w projekt dotyczący Mikrobolometryczne. W związku z tym i będzie greteful jeśli można po odpowiedniej literatury.
Znalazłem lucture rok to bardzo przydatne dla mojej części badawczej, bo nie wiem nic o bolometr. Ale wciąż mam problem aby zobaczyć zdjęcie na swojej stronie internetowej. Co należy zrobić? I spróbuj pobrać pdf.file ale to nie działa też.
Prosimy, aby dać pewną sugestię. Mój e-mail: jiku_jung9@hotmail.com
Nie, że chcę skopiować witrynie, ale naprawdę kocham wygląd. Czy możesz mi powiedzieć, który temat używasz? Czy to było robione na zamówienie?
Temat jest związany na dole tej strony (w stopce).
Obrazy i PDF przywrócone, przepraszam za problemy
drodzy steven
Znalazłem swój wykład tak przydatne, ale nie widzę zdjęcia lub znaleźć pdf.
Czy mógłby Pan mi pomóc co i shoud zrobić?
Z poważaniem
Drodzy steven
Dziękuję bardzo za wspaniały wykład, ale nie moge sciagnac "Symulacja SPIRE za pomocą IDL", można wysłać go do mnie? Z góry dziękuję.
Email: lhfsemail@gmail.com
Czy możesz wysłać do mnie mail. Bardzo podoba mi się twój projekt.