Bolometer Teoria
Ceea ce urmează este un capitol din raportul meu ultimul an pe "Simularea Spire folosind IDL". Când cercetarea proiectul mi-a fost greu pentru a găsi unele introducerea de bază pentru teoria bolometer, aşa că am decis să-mi versiunea online. Puteţi vedea, de asemenea, capitolul în context plin de descărcarea patrulea raport raportul meu: Simularea Spire folosind IDL .
- Principiile de bază
- Constanta de timp
- Responsivitate
- Timp de raspuns a unui Bolometer
- Echivalent de zgomot, de putere
- Photon Shot Zgomotul şi Wave zgomot
- Photon Limited zgomot NEP
- Photon Detector de eficienţă
- Alte surse de zgomot
- Reducerea zgomotului
- Adaosul de Termeni zgomot
- Nivelului global de zgomot şi NPE
Principiile de bază
Un bolometer este un dispozitiv care detectează radiaţii primite prin producerea unei schimbări în rezistenţa electrică proporţional cu cantitatea de radiatii primite radiaţii received. este absorbită de bolometer care determină o creştere a temperaturii sale, care la rândul său produce o schimbare în rezistenta electrică .
Caracteristicile esenţiale ale unei bolometer sunt după cum urmează:
Figura 3.1 - Diagrama de un detector Bolometric
Bolometer în sine cuprinde un material absorbant legată de un radiator de intrare temperature. electromagnetice fix (EM) radiaţie este absorbită de material creşterea energia cinetică a electrons. liber coliziuni de electroni liberi cu atomii din grilaj cauza materialului vibratii care sunt observate ca o schimbare a temperaturii.
materiale tipice pentru termometrul sunt semiconductori, cum ar fi dopat germanium. rezistenţă pentru un astfel de modificări semnificative în mod semnificativ pentru o mica schimbare de temperatură şi poate fi caracterizată prin ecuaţia,
| (3.1) |
în cazul în care 
este o constantă numită parametrul rezistenţă (ohmi), 
este rezistenta (ohmi), 
este temperatura de rezistor, şi 
(K) este banda de material diferenţa de temperatură. Valoarea 
este numit parametrul material şi este dat simbolul 
. Coeficientul de rezistenţă este definit de temperatură,
| (3.2) |
Operaţiunile de un detector de bolometer sunt ilustrate în Figura 3.1. Bolometer la temperatura 
este legată de un radiator de temperatură fixe 
printr-o conductanţă termică 
. O prejudecată dc curent 
curge prin bolometer generând o tensiune 
. Modificări în puterea radiaţiei de intrare 
dau naştere la schimbări în rezistenţa 
, Şi, prin urmare, în tensiunea de ieşire 
. The Polarizarea bolometer tipic şi circuitul de citire este ilustrată în Figura 3.2.
|
Figura 3.2 - Bolometer Polarizarea şi citire circuit |
Curent care curge prin rezistor provoacă o disipare de putere 
în material absorbant. În plus, cantitatea de energie radiantă absorbită de absorbant este notat cu 
. Puterea totală disipată în bolometer 
Prin urmare, este dată de,
| (3.3) |
În condiţii de starea de echilibru energia absorbită de absorbţie va fi scos la radiatorul de pe link-ul termice, aceasta este dată de următoarea relaţie,
| (3.4) |
Dc de tensiune-curent (VI) curba pentru bolometer este definit de ecuaţii,
| (3.5) |
În practică bolometer este părtinitoare de o baterie de tensiune V 0 şi rezistenţa de sarcină R L. De rezistenţă a rezistenţei de sarcină este în mod normal, proiectat pentru a fi mult mai mare decât rezistenţa de bolometer peste intreaga gama de funcţionare. Acest lucru este de a menţine curentul care trece prin bolometer la un nivel stabil, astfel încât puterea disipată în bolometer de termometru cu rezistenţă rămâne oarecum constantă.
Punctul de funcţionare a bolometer este apoi dat la intersecţia a curbei de sarcină şi linia de încărcare, determinată prin ecuaţia,
| (3.6) |
Un grafic care arată o curbă tipic VI şi linia de încărcare de la rezultatele unui program de simulare pe care am produs în IDL este dat în figura 3.3.
|
Figura 3.3 - ieşire IDL de mai multe curbe VI cu o linie de încărcare de peste grafic |
După cum se poate observa din Figura 3.3, rezistenţa bolometer este incredibil de mare la curenţi mici. Rezistenţa bolometer începe să scadă şi în cele din urmă nivelurile off la curenti mai mari, deoarece puterea suplimentară este disipat in material absorbant. În cazul în care radiatia este incident pe detector, puterea disipată în absorbant va creşte, de asemenea. Acest lucru are ca efect al squashing curbei VI aşa cum se arată în diagrama de mai sus. Puterea electrică disipată în material absorbant, astfel cum rezultă din [8], este dată de,
| (3.7) |
în cazul în care 
reprezintă o creştere fracţionată a temperaturii de absorbţie în cazul în care 
reprezintă material absorbant fiind la o temperatură de 
. 
este conductanta termica statică a link-ul termic la temperatura frigiderului El 3 (WK -1), care este dat de lege de putere următoare,
| (3.8) |
în cazul în care 
este conductibilitatea termica static la 300mK (WK -1), şi 
şi se numeşte indicele de conductivitate termică. Termenul 
se numeşte parametru de încărcare şi este dat de ecuaţia,
| (3.9) |
Este parametrul de încărcare care provoacă efectul squashing curbei VI atunci când nu există radiaţie incident EM pe detector.
Ca şi în majoritatea sistemelor fizice o bolometer nu răspunde imediat la o schimbare instantanee, în intrările sale. În multe cazuri, răspunsul de un detector la o schimbare în pas de intrare este o schimbare în exponenţială de ieşire. Aceasta este similară cu încărcarea şi descărcarea unui condensator într-un circuit RC.
Un bolometer are un singur rezervor de energie a capacităţii de caldura absorbant. Prin urmare, o bolometer pot fi modelate folosind un singur prima ecuaţie diferenţială ordine; de asemenea, acest lucru înseamnă că un bolometer nu suferă de efecte de memorie. Răspunsul poate fi, prin urmare, caracterizat printr-o constantă de timp 
care pentru un bolometer este dată de ecuaţia,
| (3.10) |
în cazul în care 
este capacitatea de absorbant de căldură (JK -1). Conductanţă termică static 
este legat la o valoare de 
El la frigider temperatura 3 de,
| (3.11) |
Atunci când radiaţia este incident pe detector creste temperatura sa de către o cantitate mică, acest fapt afectează capacitatea de absorbţie de căldură şi link-uri conductanţă termică. Capacitatea de absorbţie de căldură la temperatura a crescut este legat de o valoare cunoscută 
de la 300mK,
| (3.12) |
în cazul în care 
este capacitatea de Indicele de căldură. Privind înapoi la ecuaţia (3.2) şi folosind termeni definite mai sus, temperatura coeficientul de rezistenţă poate fi rescrisă ca,
| (3.13) |
în cazul în care 
este legea indicele puterii de la relaţia rezistenţă-temperatură în ecuaţia (3.1). Vedem că 
este negativ pentru o bolometer semiconductor. Acest lucru conduce la o valoare de 
care este mai mică decât cea descrisă de ecuaţia (3.10). Acest lucru se datorează electermice feedback-ul care este descris în [9]. Noi definim un nou mandat 
care este valoarea de 
cu o corecţie pentru feedback-ul electrotermice,
| (3.14) |
Această valoare nouă ne permite să definească o valoare de 
care conţine din nou o corecţie pentru feedback electrotermice,
| (3.15) |
Ca rezistorului termic este influenţat de o tensiune 
de energie electrică disipată în absorbant poate fi dat de către 
. O creştere a semnalului incident EM va creşte temperatura rezistorului termic şi, prin urmare, de asemenea, creşterea rezistenţei sale, aceasta la rândul său, va determina o scădere a puterii disipate. În cazul în care rezistor este acţionează în partea abruptă a curbei sale, atunci puterea totală disipată în absorbant va rămâne constant, după cum va sale de temperatură. Acest sistem este denumit având ca feedback-ul negativ electrotermice. Acest lucru are avantajul de a reduce constanta de timp de la 
timp termic constant, aşa cum figurează în (3.10).
Responsivitate
Responsivitate este definit ca o modificare a tensiunii de ieşire pentru o schimbare a puterii de incident, care într-un bolometer este echivalent cu o schimbare a temperaturii. The responsivitate tensiune a bolometer este definită ca,
| (3.16) |
şi variază în funcţie de punctul de funcţionare. În cazul în care semnalul pe detector este modulat frecvenţa de modulare trebuie să fie suficient de mică, astfel încât detectorul poate răspunde la schimbarea la putere. Este demonstrat că,
| (3.17) |
în cazul în care 
frecvenţa de modulare. Zero frecvenţă (dc) responsivitate poate fi evaluată direct din curba de sarcină folosind expresia,
| (3.18) |
în cazul în care este frecvenţa zero impedanţă dinamic 
(Ohmi) din bolometer 
la punctul de operare. 
poate fi dovedit a fi acordate de către,
| (3.19) |
Timp de raspuns a unui Bolometer
Pentru majoritatea bolometers forma curbei VI este dominat de un nivel de putere de fond. Când un semnal mic suplimentară se aplică pentru bolometer plecarea din curba VI se poate presupune a fi neglijabil. Acest lucru este cunoscut sub numele de apropierea de semnal mic. În mic semnal de exemplu, în cazul în care limita de sursă 
fundal modificarea tensiunii bolometer datorită unei schimbări de putere la radiaţii incident poate fi dată de,
| (3.20) |
Schimbarea în tensiunea de ieşire nu se produce instantaneu şi prin compararea bolometer cu un circuit RC răspunsul pot fi modelate prin oricare dintre cele două următoarele ecuaţii,
| (3.21) |
Când complotat aceste ecuatii au următoarea formă (în cazul în care 
şi 
),
|
Figura 3.4 - Terenuri de V, în funcţie de timp pentru atât pozitive cât şi negative V |
Când semnale mari sunt considerate, plecarea din curba VI nu mai este neglijabilă. Prin urmare, modificarea tensiunii de ieşire datorită unei schimbări în puterea de incident nu poate fi calculată prin aplicarea responsivitate acum este dat de modificarea tensiunii de punctul de funcţionare a bolometer. În trecerea de la iniţial la final curba VI, constanta de timp a sistemului variază în funcţie de punctul de funcţionare. Prin urmare, bolometer nu mai este o singură dată dispozitiv constantă şi nu pot fi modelate prin aplicarea simplu circuit RC ecuaţiile răspuns.
|
Figura 3.5 - VI curbe pentru o schimbare de semnal mare |
Echivalent de zgomot, de putere
De mare importanţă pentru orice bolometer este echivalent de zgomot, Power sau NEP. The NEP este rădăcina medie puterea semnalului squared trebuie să fie egală cu rădăcina medie pătrată a zgomotului detectorului. cel mai bun raport semnal / zgomot realizabile printr-o bolometer este dată de ecuaţia,
| (3.22) |
În general, NEP a unităţilor de 
.
Photon Shot Zgomotul şi Wave zgomot
Dacă avem în vedere imaginea particula de lumina si dau seama ca lumina va ajunge la detector într-un mod aleatoriu sau necorelate, putem defini împuşcat de zgomot de fotoni. zgomot Photon shot este justificată la frecvenţe ridicate (în cazul în care imaginea foton de lumina este cel mai potrivit), dar la frecvenţe mai mici imaginea val de lumina este mai potrivit şi, prin urmare, am defini un alt val de zgomot pe termen lung.
Prin aplicarea de statistici Bose-Einstein şi presupunând că fondul pentru detectarea este în forma unui corp negru găsim că rădăcina medie fluctuaţiile squared în numărul de fotoni care sosesc în timp , În intervalul de frecvenţă 
V este dată de,
| (3.23) |
în cazul în care 
, 
emisivitate = de fond, şi 
= Randament global de transmisie între fond şi detector. Suplimentare 
termen lung ia în considerare pentru zgomotul valurilor.
Photon Limited zgomot NEP
În cel mai bun caz, detectorul şi componentele ulterioare se va adăuga o cantitate neglijabilă de zgomot suplimentare la semnal în plus faţă de zgomot împuşcat de fotoni. Prin urmare, limitele de zgomot fotonul sensibilitatea de măsurare bolometer, această limită final se numeşte foton limitat de zgomot NEP-ului, 
. Acest lucru este dat de ecuaţia,
| (3.24) |
Photon Detector de eficienţă
În practică, aceasta nu este posibil să se obţină zgomot fotonul limitat S / N, deoarece aceasta presupune că un detector de perfect este folosit. Detectoare de Real diferă în funcţiune în faptul că,
- un detector de real nu poate răspunde la fiecare foton
- detector şi componentele sale electronice produc zgomot suplimentar
Doi parametri sunt definite pentru a ţine seama de aceste deficienţe în sistemul de detectare; acestea sunt Responsive Quantum eficienţa şi detectivul Quantum eficienţă.
Responsive Eficienţa Quantum (RQE sau 
)
The RQE sau conturile pentru absorbţia imperfect de fotoni şi este definită ca fracţiunea de fotoni incident care contribuie la semnal, evident 
.
Eficienţă Quantum Detective (DQE)
| (3.25) |
The DQE este raportul dintre sensibilitate reale la maxim realizabil, în principiu. Parametrul ia atât eficienţa de absorbţie şi orice zgomot suplimentar generate în detector în considerare. Acest parametru poate fi, prin urmare, folosit pentru a compara diferite tipuri de detector cu fiecare alte.
În practică, tensiunea de polarizare este ales în scopul de a obţine DQE de vârf pentru fiecare detector. În caz de Spire, este grupuri de detectoare care au o tensiune de părtinire comune care pot fi ajustate pentru a obţine un DQE optim pentru grup.
Alte surse de zgomot
Johnson zgomot
În orice bucată de orice material efectuarea electronii au mişcări aleatorii termice, deoarece materialul are o temperatură finită. Un detector bolometric şi componentele sale sunt - sau pot fi considerate a fi - un rezistor cu un contact electric la fiecare capăt. În cazul în care nu există nici un potenţial electric în contactele tensiunea în rezistor va fluctua aleator despre zero volţi, acest lucru se datorează faptului că fluctuaţiile pozitive şi negative sunt la fel de probabile. Puterea de zgomot în cadrul componentei toate acestea, este proporţională cu pătratul de exemplu, fluctuaţia de tensiune este întotdeauna pozitiv. Aceasta se numeşte Johnson sau Nyquist de zgomot.
| (3.26) |
Spectrului de frecvenţă al zgomotului Johnson este plat adică este independent de frecvenţă. Acest lucru poate fi vazut de la ecuaţia de mai sus în cazul în care nu există nici o dependenţă de frecvenţă. Zgomot cu un spectru plat se numeşte zgomot alb.
Phonon de zgomot
Până acum am considerat zgomotul creat de fotoni şi electroni, considerăm acum fluxul de căldură în radiator ca cuantificat în formă de fononii (cuantificat vibraţii grilaj). Acest lucru conduce la fluctuaţii aleatorii în temperatura bolometer. Zgomotul fononice NPE, 
, Este,
| (3.27) |
Temperatura de zgomot
Temperatura de zgomot este cauzat de faptul ca radiatorul nu este la o temperatură constantă şi variază uşor în timp. Zgomotul de temperatură NPE, 
este,
| (3.28) |
în cazul în care 
este intensitatea spectrală de fluctuaţie în temperatura din radiator (K 2 Hz -1).
1 / f zgomot
Această sursă de zgomot este foarte important în aplicaţiile practice, deşi cauzele sunt de multe ori nu foarte bine înţelese. Pentru cele mai multe dispozitive, niveluri mari de zgomot sunt găsite la frecvenţe joase.
|
Figura 3.6 - 1 / f zgomot |
Reducerea zgomotului
Zgomot afectează rezultatele într-un mod degradant şi, prin urmare, vom angaja mai multe tehnici (în scopul de a reduce efectele sale.
- Asiguraţi-lăţime de bandă de detectare postul cât mai mic posibil
- Încercaţi să evitaţi semnale de măsurare (sau banda de frecvenţă), care coincid cu surse discrete Interferenţa frecvenţei
- Asiguraţi-vă că frecvenţa de semnal (sau banda de frecvenţă) este suficient de mare pentru a nu fi afectate de cantităţi semnificative de zgomot.
Datorită 
zgomot nu este posibil să se observe o sursă pentru perioade lungi de observare continuă; acest lucru ar implica de lucru la frecvenţe foarte mici în cazul în care 
zgomot ar fi semnificativ. O tehnica folosita pentru a evita 
zgomot este de a modula semnalul cu o frecvenţă care este destul de mare ca 
nu mai este semnificativă. Frecvenţa de modulare nu poate, totuşi, să fie atât de mare încât detectoarele de rezultatele de răspuns în frecvenţă într-o pierdere în semnal. Un alt avantaj la tehnica de modulare este că acesta poate fi utilizat pentru a scădea fundal de la un semnal de comutare între sursa de semnal şi un semnal de fond, acest lucru este cunoscut sub numele de â € ~ choppingâ € ™ în FIR / sub-mm observaţii.
Zgomotul total într-un sistem va fi o combinaţie a tuturor surselor de zgomot individuale prezent aşa cum este descris anterior. Presupunem că toate sursele de zgomot sunt necorelate adică valoarea nu depinde de nici o alta. Deoarece sunt necorelate le adăugaţi în mod normal nu ar lua în considerare fazele de zgomot, prin urmare vom lua rădăcina medie pătrată a zgomotului (valoare efectivă) ca, uneori, surse de zgomot poate anula reciproc.
| (3.29) |
în cazul în care 
este tensiunea densităţii spectrale de zgomot (VHz -1 / 2) de la fiecare din contribuţiile de zgomot.
Nivelului global de zgomot şi NPE
Este posibil să se definească NEP-ului în modul următor, puterea semnalului care dă un S / N de 1 într-un timp de integrare de 0,5 secunde. Dacă lăsăm 
= Responsivitate detector (VW -1), 
= Incident putere electromagnetice asupra detector (W) şi, 
= Total de tensiune densitate spectrală de zgomot, tensiunea semnalului poate fi scris,
| (3.30) |
Tensiunea de zgomot va fi dat de,
| (3.31) |
Prin definirea NPE, în cazul în care 
apoi semnalul de tensiune 
. Prin urmare, vom obţine o ecuaţie pentru NEP-ului în termeni de densitate spectrală de zgomot de tensiune şi responsivitate,
| (3.32) |
Unităţile de NEP sunt în mod normal ca WHz -1 / 2, Hz -1 / 2 termeni se referă la lăţimea de bandă de detecţie post sau inversul a timpului de integrare.
- Teoria de zgomot echivalent de putere la temperaturi ridicate supraconductor-ceea ce-infraroşu bolometer o într-o fotografie-... y Theor de echivalent de putere de zgomot de înaltă temperatură de departe supraconductor-infraroşu bolometer-o într-un modul foto-termoelectrice de funcţionare Teoria de echivalent de putere de zgomot de un superconductor de înaltă temperatură de departe-infraredbolometer într-o fotografie
- 1 Introducere (PDF) ... O versiune revizuită a Griffin & bolometer semiconductoare ideal Olanda. model este prezentat şi utilizarea sa în ... bazat pe teoria bolometer non-echilibru a. Mather [10], ci presupune ... astro.cf.ac.uk / grupuri / ... / _paper.pdf bolometer Sudiwala_et_al_IJMM_
- O teorie simplu pentru sprijinite de bolometers solid O teorie simplu pentru sprijinite de bolometers solid O teorie simplu pentru sprijinite de bolometers solid O teorie este simplu propuse pentru a explica de răspuns în frecvenţă a sprijinit-bolometers solid. Aceasta presupune un flux unidimensional de energie termică prin bolometer
- High Precision CARACTERIZAREA SEMICONDUCTOR BOLOMETERS (PDF) ... de metri, utilizând modelul prezentat în bolometer Sudiwala et ... o SUF nivel suficient de uniform? de dopaj. Ideal teorie bolometer [1, 2, 7] pot fi folosite pentru ... astro.cf.ac.uk / grupuri / ... / _paper.pdf bolometer Woodcraft_et_al_IJMM_
- Document DOE - teorie neechilibru a unui electron-bolometer cald cu metal-izolator-supraconductor tunel normal ... Funcţionarea-electron bolometer fierbinte cu normală metal-izolator-supraconductor) tunel joncţiune INS (ca un senzor de temperatură este analizat teoretic. Responsivitate şi puterea echivalent de zgomot (NEP) din bolometer sunt obţinute
- De procesare a imaginii şi mai mici pătrate Reconstructii (PDF) ... realizat, ţinând cont de imagine standard. reeşantionarea teorie în formularea problemei mici pătrate ... dithering, deoarece legarea bolometer zero puncte la un flux în cadrul
- Un Microcalorimeter şi Bolometer Model A Microcalorimeter şi Bolometer Model A Microcalorimeter şi Bolometer Modelul standard teoria non-echilibru de zgomot în bolometers ideal şi microcalorimeters nu reuşeşte să prezică performanţa dispozitivelor reale ca urmare a efectelor suplimentare
Jucărie Johnson Ki Pic ...
Am Googled pentru ceva complet diferite, dar gasit pagina ta ... si trebuie sa-ti multumesc. citeşte frumos ....
Ei bine făcut Steven. Ceva foarte important de reţinut este că toată lumea are nevoie de o trimitere bun introductivă să înţeleagă elementele de bază înainte de a urma subiecte avansate de specialitate bazate pe temelia de bază. O înţelegere de bază este suficient pentru cei mai mulţi oameni să aibă succes.
Pagina dvs. de web este un excelent de referinţă introductivă. În cazul în care drumul in cariera care vă duce la mai multe cercetări de subtilităţile avansate de bolometers şi voi publica în cele din urmă, vă rugăm să păstreze şi să publice acest corp de muncă actual, precum şi pentru a servi drept material introductiv pentru primul-cronometre. Sunt de acord cu Ki. Pagina dvs. de Web pe teoria bolometer este un bun citit.
J
Am găsit curs cele mai utile în curs de dezvoltare o înţelegere a parametrilor bolometer şi caracteristici. Sunt un student patrulea semestru al ingineriei electrice şi sunt în prezent angajat într-un proiect care implică microbolometru. În acest sens, i va fi greteful dacă puteţi posta literaturii de specialitate.
Am găsit lucture an este foarte util pentru partea de cercetare meu, pentru că nu ştiu nimic despre bolometer. Dar eu încă mai au probleme pentru a vedea imaginea în pagina dumneavoastră web. Ce ar trebui să fac? Am încerca să descărcaţi pdf.file dumneavoastră, dar nu funcţionează, de asemenea,.
Va rugam sa nu ezitati sa da unele sugestii. Mea de e-mail: jiku_jung9@hotmail.com
Nu că vreau să copiaţi site-ul dvs., dar îmi place cu adevărat aspectul. Aţi putea să-mi spuneţi ce temă sunt utilizaţi? Sau a fost făcute la comandă?
Tema este legată în partea de jos a acestei pagini (în subsol).
Imagini şi PDF restaurat, îmi pare rău pentru problemele
draga steven
Am găsit curs dumneavoastră atât de utilă, dar eu nu pot vedea imagini sau găsi pdf.
vrei te rog ajuta-ma ce am Shoud fac?
al Dvs. cu stimă
Stimate steven
Vă mulţumesc foarte mult pentru dvs. curs minunat, dar eu nu pot descărca "Simularea Spire folosind IDL", Ai putea să-l trimite la mine? Mulţumesc în avans.
Email: lhfsemail@gmail.com
Poate, te rog trimite-mi un mail. Chiar imi place design-ul.