Teoria Bolômetro
O que se segue é um capítulo do meu relatório final de ano "Simulando SPIRE usando IDL. Ao pesquisar o projeto eu achei difícil de encontrar algum curso de introdução à teoria bolómetro, então eu decidi colocar a minha versão online. Você também pode ver o capítulo em todo o contexto baixando o meu relatório quarto relatório: Simulando SPIRE usando IDL .
- Princípios Básicos
- Constante de Tempo
- Responsivity
- Tempo de resposta de um Bolômetro
- Potência equivalente de ruído
- Photon Shot Noise Noise e Wave
- Photon NEP Noise Limited
- Photon eficiência do detector
- Outras fontes de ruído
- Minimização de Ruído
- Além de termos de ruído
- Ruído global e NEP
Princípios Básicos
Um bolómetro é um dispositivo que detecta a radiação, produzindo uma mudança na resistência elétrica proporcional à quantidade de radiação recebida received. radiação é absorvida pela bolómetro que provoca um aumento na sua temperatura, que por sua vez provoca uma mudança em sua resistência elétrica .
As características essenciais de um bolómetro são as seguintes:
Figura 3.1 - Esquema de um detector de bolométrica
O bolómetro si é composta por um material absorvedor ligado a um dissipador de calor do Incoming temperature. fixo eletromagnético (EM) da radiação é absorvida pelo material aumentando a energia cinética do electrons. livre As colisões de elétrons livres com átomos na rede causa material vibrações que são observadas como uma mudança na temperatura.
Os materiais típicos para o termómetro que são semicondutores, tais como germanium. dopado A resistência para tal mudança material significativo para uma pequena mudança na temperatura e pode ser caracterizado pela equação,
| (3.1) |
onde 
é uma constante chamada de parâmetro de resistência (Ohms), 
é a resistência (Ohms), 
é a temperatura do resistor, e 
(K) é o material temperatura bandgap ". O valor da 
é chamado de parâmetro de material e é dada pelo símbolo 
. O coeficiente de temperatura de resistência é definida por,
| (3.2) |
As operações de um detector bolómetro são ilustrados na Figura 3.1. O bolómetro à temperatura 
está ligada a um dissipador de calor da temperatura fixa 
por uma condutividade térmica 
. Um viés de corrente DC 
flui através do bolómetro gerando uma tensão 
. Evolução do poder de radiação 
dar origem a alterações na resistência 
E, portanto, na tensão de saída 
. A polarização bolómetro típicas e um circuito de leitura é ilustrada na Figura 3.2.
|
Figura 3.2 - Circuito de polarização Bolômetro e leitura |
A corrente que flui através do resistor provoca uma dissipação de energia 
para o material absorvente. Além disso, a quantidade de energia radiante absorvida pelo absorvente é denotado por 
. A potência total dissipada no bolómetro 
é então dada por,
| (3.3) |
Sob condições de estado estacionário, a energia absorvida pelo amortecedor será removido para o dissipador pelo link térmica, esta é dada pela seguinte relação,
| (3.4) |
A tensão CC atual curva (VI) para o bolómetro é definido pelas equações,
| (3.5) |
Na prática, o bolómetro é enviesada por uma bateria de tensão V 0 e resistência de carga R L. A resistência do resistor de carga é normalmente concebido para ser muito maior do que a resistência do bolómetro sobre sua faixa de operação. Esta é manter a passagem de corrente através do bolómetro a um nível estável de modo que a potência dissipada no bolómetro pelo termômetro de resistência permanece pouco constante.
O ponto de operação do bolómetro é dada na interseção da curva de carga ea linha de carga, determinado pela equação,
| (3.6) |
Um gráfico que mostra uma curva típica VI e linha de carga a partir dos resultados de um programa de simulação que eu produzi em IDL é mostrado na figura 3.3.
|
Figura 3.3 - IDL saída de curvas de diversos VI com uma linha de carga plotados |
Como pode ser observado na Figura 3.3, a resistência do bolómetro é incrivelmente alto de pequenas correntes. A resistência bolómetro começa a diminuir e, eventualmente, os níveis de fora com correntes mais altas porque a energia adicional é dissipado para o material absorvente. Se a radiação é incidente sobre o detector, a potência dissipada no amortecedor também irá aumentar. Isso tem o efeito de esmagamento da curva VI, como mostrado na figura acima. A energia elétrica dissipada no material absorvente, tal como resultam em [8], é dada por,
| (3.7) |
onde 
representa um aumento fracionário na temperatura do absorvente onde 
representa o material absorvedor de estar a uma temperatura de 
. 
é a condutibilidade térmica estática da ligação térmica na temperatura do refrigerador Ele 3 (WK -1), que é dado pela lei de potência a seguir,
| (3.8) |
onde 
é a condutibilidade térmica estática 300mK (WK -1), e 
e é chamado o índice de condutividade térmica. O termo 
é chamado de parâmetro de carga e é dada pela equação,
| (3.9) |
É o parâmetro de carga que provoca o efeito de esmagamento da curva VI quando não há radiação incidente EM sobre o detector.
Como a maioria dos sistemas físicos, uma bolómetro não responde instantaneamente a uma mudança instantânea na sua entrada. Em muitos casos, a resposta de um detector a uma mudança radical na entrada é uma mudança exponencial na saída. Isso é análogo ao carregamento e descarregamento de um capacitor em um circuito RC.
Um bolómetro possui um reservatório único de energia na capacidade de calor do absorvedor. Portanto, uma bolómetro pode ser modelada utilizando uma única equação diferencial de primeira ordem, isto também significa que uma bolómetro não sofre efeito memória. A resposta pode ser caracterizado por uma constante de tempo 
que, por uma bolómetro é dada pela equação,
| (3.10) |
onde 
é a capacidade de absorção de calor (JK -1). A condutância térmica estática 
está relacionado a um valor de 
na geladeira por 3 temperaturas Ele,
| (3.11) |
Quando a radiação incide sobre o detector, ele aumenta a sua temperatura em uma pequena quantidade, isso afeta a capacidade de absorção de calor ea condutividade térmica links. A capacidade de absorção de calor à temperatura aumentada está relacionada a um valor conhecido 
na 300mK por,
| (3.12) |
onde 
é o índice de capacidade de calor. Olhando para trás, a equação (3.2) e usando os termos acima definidos, a temperatura do coeficiente de resistência pode ser reescrita como,
| (3.13) |
onde 
é o índice da lei de potência a partir da relação resistência-temperatura na equação (3.1). Nós vemos que 
é negativo para um bolómetro semicondutores. Isto leva a um valor de 
que é menor do que o descrito pela equação (3.10). Isto é devido ao feedback eletrotérmica que é descrito em [9]. Nós definimos um novo mandato 
qual é o valor da 
com uma correcção para o feedback electrotérmicos
| (3.14) |
Esse novo valor nos permite definir um valor de 
que por sua vez contém uma correção para o gabarito electrotérmicos
| (3.15) |
Como a resistência térmica é influenciada por uma tensão 
a energia elétrica dissipada no amortecedor pode ser dada por 
. Um aumento no sinal incidente EM aumentará a temperatura da resistência térmica e, portanto, aumentar a sua resistência, o que por sua vez, irá provocar uma diminuição da potência dissipada. Se o resistor está atuando na parte íngreme da curva, então a potência total dissipada no amortecedor permanece constante, assim como a sua temperatura. Este sistema é conhecido como o feedback negativo eletrotérmica. Isto tem a vantagem de reduzir o tempo constante da 
a constante de tempo térmica, tal como consta em (3.10).
Responsivity
Responsivity é definida como a variação da tensão de saída para uma mudança no poder incidente, que em um bolómetro é equivalente a uma mudança na temperatura. A responsividade de tensão do bolómetro é definido como,
| (3.16) |
e varia em função do ponto de operação. Se o sinal do detector é modulada a frequência de modulação deve ser suficientemente baixa para que o detector possa responder à mudança no poder. É mostrado que,
| (3.17) |
onde 
freqüência de modulação. A freqüência zero responsividade (DC) pode ser avaliada diretamente da curva de carga utilizando a expressão,
| (3.18) |
onde é a freqüência zero impedância dinâmica 
(Ohms) do bolómetro 
no ponto de operação. 
pode ser mostrado para ser dada pelo
| (3.19) |
Tempo de resposta de um Bolômetro
Para a maioria dos bolómetros a forma da curva de VI é dominado por um nível de potência de fundo. Quando um pequeno sinal adicional é aplicado ao bolómetro a partida a partir da curva IV pode ser considerado negligenciável. Isso é conhecido como a aproximação para pequenos sinais. No ie pequeno sinal de limite de onde a fonte 
pano de fundo a mudança na tensão bolómetro devido a uma mudança no poder de radiação incidente pode ser dada pelo
| (3.20) |
A mudança na tensão de saída não ocorre instantaneamente e, comparando o bolómetro com um circuito RC, a resposta pode ser modelado por uma das duas fórmulas seguintes,
| (3.21) |
Quando plotado estas equações têm a seguinte forma (onde 
e 
),
|
Figura 3.4 - Parcelas de V contra o tempo para tanto positivas como negativas V |
Quando os sinais são considerados grandes, a partida a partir da curva VI já não é negligenciável. Portanto, a mudança na tensão de saída devido a uma mudança no poder de incidente não pode ser calculado através da aplicação de responsividade é dado agora pela mudança na tensão do ponto de operação do bolómetro. Na passagem da primeira para a curva VI final, a constante de tempo do sistema varia em função do ponto de operação. Portanto, o bolómetro não é mais um momento único dispositivo constante e não pode ser modelada pela aplicação da RC simples equações de resposta do circuito.
|
Figura 3.5 - VI curvas para uma mudança de grandes sinais |
Potência equivalente de ruído
De grande importância para qualquer bolómetro é o ruído equivalente de energia ou NEP. O NEP é a raiz quadrada média intensidade do sinal necessária para igualar a raiz quadrada da média do ruído do detector. A melhor relação sinal-ruído alcançável por um bolómetro é dada pela equação,
| (3.22) |
Em geral, NEP possui as unidades de 
.
Photon Shot Noise Noise e Wave
Se considerarmos a imagem da partícula de luz e perceber que a luz chegará ao detector de forma aleatória ou não correlacionadas, podemos definir o ruído shot fóton. Photon ruído shot é justificável em altas freqüências (onde a imagem fóton de luz é o mais adequado), mas em freqüências mais baixas da imagem onda de luz é mais adequada e, portanto, definir um outro barulho das ondas prazo.
Por aplicação da estatística de Bose-Einstein e assumindo que o fundo para a detecção na forma de um corpo negro, encontramos que a média da raiz quadrada flutuações no número de fótons que chegam na hora , No intervalo de freqüência 
V é dada por,
| (3.23) |
onde 
, 
= Emissividade do fundo, e 
= Eficiência global de transmissão entre o fundo eo detector. O adicional 
termo leva em conta para o ruído das ondas.
Photon NEP Noise Limited
No melhor dos casos, o detector e componentes subseqüentes irá adicionar uma pequena quantidade de ruído adicional ao sinal para além do ruído de disparo de fótons. Portanto, o ruído de fótons limita a sensibilidade da medição bolómetro, este limite máximo é chamado de ruído de fótons limitada NEP, 
. Esta é dada pela equação,
| (3.24) |
Photon eficiência do detector
Na prática, não é possível obter o ruído fóton S limitada / N, isto assume que um detector perfeito é usado. detectores Real diferem em operação no fato de que,
- um detector de reais não pode responder a todos os fótons
- do detector e seus componentes eletrônicos produzem ruído adicional
Dois parâmetros são definidos de modo a ter em conta estas deficiências no sistema de detecção, que são a capacidade de resposta e eficiência quântica do detetive eficiência quântica.
Responsive eficiência quântica (ou RQE 
)
O RQE ou as contas para a absorção de fótons e imperfeita é definida como a fração de fótons incidentes que contribuem para o sinal, obviamente, 
.
Rendimento quântico (DQE)
| (3.25) |
O DQE é a relação entre a sensibilidade real para o máximo possível em princípio. O parâmetro tem tanto a eficiência de absorção e qualquer ruído adicional gerado no detector em conta. Este parâmetro pode ser usado para comparar diferentes tipos de detector de uns com os outros.
Na prática, a tensão de polarização é escolhido de forma a obter o DQE pico para cada detector. No caso da torre, que são os grupos de detectores que compartilham uma tensão de polarização comum que pode ser ajustado para se obter um DQE ideal para o grupo.
Outras fontes de ruído
Ruído Johnson
Em qualquer pedaço de qualquer material condutor de elétrons têm movimentos térmicos aleatórios, porque o material tem uma temperatura finita. Um detector de bolométrica e seus componentes - ou pode ser considerado - um resistor com um contato elétrico em cada extremidade. Se não houver um potencial elétrico entre os contatos da tensão no resistor irá flutuar aleatoriamente cerca de zero volts, isso ocorre porque as flutuações positivos e negativos são igualmente prováveis. A potência do ruído dentro do componente, no entanto, isto é proporcional ao quadrado da tensão de flutuação é sempre positivo. Isso é chamado de Nyquist ou Johnson Noise.
| (3.26) |
O espectro de freqüência do ruído Johnson é isto apartamento é independente da freqüência. Isto pode ser visto a partir da equação acima, onde não há dependência de freqüência. Ruído com espectro plano é chamado de ruído branco.
Phonon Noise
Até agora temos considerado ruído produzido a partir de fótons e elétrons, que agora consideramos o fluxo de calor para o dissipador de calor como quantizados na forma de fônons (vibrações da rede quantizada). Isto leva a flutuações aleatórias na temperatura do bolómetro. O ruído fônon NEP, 
, É,
| (3.27) |
Temperatura de ruído
Temperatura de ruído é causado pelo fato de que o dissipador de calor não está a uma temperatura constante e varia ligeiramente ao longo do tempo. A temperatura de ruído de NEP, 
é,
| (3.28) |
onde 
é a intensidade espectral de flutuações na temperatura do dissipador de calor (K 2 Hz -1).
Ruído 1 / f
Esta fonte de ruído é muito importante em aplicações práticas, embora as causas sejam muitas vezes não muito bem compreendido. Para a maioria dos aparelhos, grandes níveis de ruído são encontrados em baixas freqüências.
|
Figura 3.6 - ruído 1 / f |
Minimização de Ruído
O ruído afeta os resultados de uma forma degradante e, portanto, utilizam várias técnicas (a fim de reduzir seus efeitos.
- Faça a largura de banda de detecção post tão pequeno quanto possível
- Tente evitar sinais de medição (ou faixa de freqüência), que coincidem com as fontes de interferência de freqüência discreta
- Certifique-se que a frequência do sinal (ou faixa de freqüência), é elevada o suficiente para não ser afetada por uma quantidade significativa de ruído.
Devido à 
o ruído não é possível observar uma fonte por longos períodos de observação contínua, o que implicaria a trabalhar em freqüências muito baixas, onde o 
ruído seria significativo. Uma técnica usada para evitar a 
ruído é modular o sinal com uma frequência que é alto o suficiente para que 
já não é significativo. A modulação de freqüência não pode, no entanto, ser tão alta que os detectores de resultados de freqüência de resposta em uma perda de sinal. Uma outra vantagem da técnica da modulação é que ele pode ser usado para subtrair o fundo de um sinal, alternando entre o sinal da fonte e um sinal de fundo, o que é conhecido como â € ~ € ™ choppingâ na FIR / sub-mm observações.
O ruído total de um sistema é a combinação de todas as fontes de ruído individuais presentes como descrito anteriormente. Assumimos que todas as fontes de ruído são correlacionados ou seja, o valor de um deles não depende de nenhum outro. Como eles são correlacionados adicioná-los normalmente não levam em consideração as fases do ruído, portanto, tomamos a raiz quadrada da média do ruído (valor RMS), como às vezes as fontes de ruído pode anular o outro.
| (3.29) |
onde 
é a densidade espectral de ruído de tensão (VHZ -1 / 2) de cada uma das contribuições de ruído.
Ruído global e NEP
É possível definir o NEP, da seguinte forma, a potência do sinal que dá uma S / N de um em um tempo de integração de 0,5 segundo. Se nós deixarmos 
= Responsividade do detector (VW -1), 
= Energia eletromagnética incidente sobre o detector (W) e, 
= Densidade da tensão total do ruído espectral, a tensão do sinal pode ser escrito,
| (3.30) |
A tensão de ruído será então dada por,
| (3.31) |
Pela definição do NEP, se 
em seguida, o sinal de tensão 
. Assim, obtemos uma equação para o NEP, em termos de densidade espectral de ruído de tensão e responsividade,
| (3.32) |
As unidades do NEP são normalmente dado como whz -1 / 2, o Hz -1 / 2 termo refere-se à largura de banda de detecção de publicar ou o inverso do tempo de integração.
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Ki Johnson Toy Pic ...
Eu pesquisei para algo completamente diferente, mas achei sua página ... e tenho que dizer obrigado. bom ler ....
Bem feito Steven. Algo muito importante a lembrar é que todo mundo precisa de uma boa referência introdutória para entender o básico antes de buscar temas da especialidade avançada baseada no fundamento dos princípios. A compreensão dos princípios básicos é suficiente para a maioria das pessoas para ser bem sucedido.
Sua página da web é uma excelente referência introdutória. Se a sua carreira leva você a uma pesquisa mais avançada das sutilezas da bolómetros e você eventualmente publicar, por favor, conservar e publicar este corpo de trabalho, bem como para servir como material introdutório para os novatos. Eu concordo com o Ki. Sua página na teoria bolómetro é uma boa leitura.
J
Eu achei sua palestra muito útil no desenvolvimento de uma compreensão dos parâmetros bolómetro e características. Eu sou um estudante de 4 º semestre de engenharia elétrica e estou atualmente envolvido em um projeto envolvendo microbolómetro. Neste sentido eu vou estar greteful se você pode postar literatura relevante.
Achei lucture ano é muito útil para minha parte da pesquisa, porque eu não sei nada sobre bolómetro. Mas eu ainda tenho problema para ver a imagem em sua página. O que devo fazer? Eu tento fazer o download do pdf.file mas ele não funciona também.
Por favor, não hesite em dar alguma sugestão. Meu e-mail: jiku_jung9@hotmail.com
Não que eu queira copiar o seu site, mas eu realmente amo o olhar. Você poderia me dizer qual o tema que você está usando? Ou será que foi feito sob encomenda?
Tema está ligada na parte inferior da página (no rodapé).
As imagens e PDF restaurado, desculpa para os problemas
Caro Steven
Achei que a sua aula de forma útil, mas eu não posso ver fotos ou encontrar o pdf.
você poderia por favor me ajude o que eu devo fazer?
sinceramente seu
Caro Steven
Muito obrigado pela sua palestra maravilhosa, mas eu não posso fazer o download do "Simulando SPIRE usando IDL", você poderia enviá-lo para mim? Agradecemos antecipadamente.
E-mail: lhfsemail@gmail.com
Você pode por favor me envie um e-mail. Eu realmente gostei do seu projeto.