Болометра теории
Далее следует глава из моей окончательный доклад году на "Моделирование SPIRE использованием IDL. При исследовании проекта мне было трудно найти какой-то введение в болометра теории, так что я решил поставить мою версию в Интернете. Вы также можете видеть главу в полном контексте, загрузив моем четвертом докладе доклада: Моделирование SPIRE использованием IDL .
- Основные принципы
- Постоянная времени
- Чувствительность
- Время отклика болометра
- Эквивалентная мощность шума
- Фотон дробового шума и шума волн
- Фотонного шума ограниченной НЭП
- Фотон эффективности детектора
- Другие источники шума
- Минимизация шума
- Добавление шума Условия
- Общего шума и НЭП
Основные принципы
Болометр устройство, которое распознает входящие излучения, производя изменения электрического сопротивления пропорциональное количество излучения, радиации, поступающей received. поглощается болометра что приводит к увеличению его температуры, которая в свою очередь приводит к изменению его электрического сопротивления .
Существенные черты болометра заключаются в следующем:
Рисунок 3.1 - Схема болометрического детектор
Болометра в свою очередь состоит из поглотителя материала связано с радиатором основных Входящие temperature. электромагнитного (ЭМ) излучение поглощается материала увеличения кинетической энергии свободных electrons. столкновений свободных электронов с атомами в решетке причинить материальный колебаний, которые наблюдаются в изменении температуры.
Типичные материалы для термометра полупроводников, таких как легированных germanium. сопротивления для таких изменений материала существенно для небольшого изменения температуры и может быть охарактеризована уравнения,
| (3.1) |
где 
является постоянным называется сопротивление параметра (Ом), 
это сопротивление (Ом), 
является температура резистора, и 
(K) является разрыв материала группа температуры. Значение 
называется параметр материала и задается символом 
. Температурный коэффициент сопротивления определяется,
| (3.2) |
Операций болометра детектора показано на рисунке 3.1. Болометра при температуре 
связан с радиатором из фиксированной температуре 
по теплопроводности 
. Постоянный ток 
проходит через болометр генерации напряжения 
. Изменения в входящие мощности излучения 
привести к изменению сопротивления 
, И поэтому в выходное напряжение 
. Типичные смещения болометра и считывания схема изображена на рисунке 3.2.
|
Рисунок 3.2 - болометр смещения и считывания цепи |
Ток, который течет через резистор причин диссипации мощности 
в материал, поглощающий. Кроме того, количество лучистой энергии, поглощаемой поглотителя обозначается 
. Общая мощность, рассеиваемая в болометра 
Таким образом, определяется,
| (3.3) |
В стационарных условиях энергия поглощается поглотителем будут удалены с радиатором на тепловых ссылку, это дает следующее соотношение,
| (3.4) |
Постоянное напряжение-ток (VI) кривой болометра определяется уравнениями,
| (3.5) |
На практике болометра смещается от батареи напряжением V 0 и сопротивление нагрузки R L. Сопротивление нагрузочного резистора, как правило, предназначены для гораздо выше, чем сопротивление болометра над всем рабочем диапазоне. Это позволит нам избежать ток, проходящий через болометр на стабильном уровне, с тем, что мощность, рассеиваемая в болометра от термометра сопротивления остается несколько постоянная.
Рабочая точка болометра з и на пересечении кривой нагрузки и нагрузки линии, определяется уравнением,
| (3.6) |
График, показывающий типичная кривая VI и линии нагрузки из результатов программы моделирования, которые я произвел в IDL приведена на рис 3.3.
|
Рисунок 3.3 - IDL выходе из нескольких кривых VI с нагрузкой линии нанесены на |
Как видно из рисунка 3.3, сопротивление болометра невероятно высоким при малых токах. Болометра сопротивление начинает уменьшаться и в конечном итоге выравнивается при больших токах, поскольку дополнительные мощности рассеивается в материал, поглощающий. Если излучения, падающего на детектор, мощность, рассеиваемая в амортизатор будет также увеличиваться. Это влияние давя кривую VI, как показано на рисунке выше. Электрической мощности, рассеиваемой в материал, поглощающий, как полученные в [8], имеет вид,
| (3.7) |
где 
представляет дробных увеличение температуры поглотителя, где 
представляет поглотителя материала при температуре 
. 
является статической теплопроводность тепловой ссылку на 3 He холодильник температуры (WK -1), который определяется по следующей степенному закону,
| (3.8) |
где 
является статической теплопроводность в 300mK (WK -1), и 
и называется тепловой индекс проводимости. Срок 
называется загрузки параметров и задается уравнением,
| (3.9) |
Это загрузке параметр, который приводит к тому, давя эффект кривой VI, когда есть излучения, падающего EM на детекторе.
Как и большинство физических систем болометра не реагирует мгновенно на момент изменения его входы. Во многих случаях реакции детектора на шаг изменения вход экспоненциального изменения выходной. Это аналогично тому, зарядки и разрядки конденсатора в цепи RC.
Болометра имеет один резервуар энергии в тепло емкости поглотителя. Поэтому болометра могут быть смоделированы с помощью одного дифференциального уравнения первого порядка, это также означает, что болометр не страдают от эффекта памяти. Ответ может быть характеризуется постоянной времени 
которая для болометра задается уравнением,
| (3.10) |
где 
является теплоемкость поглотителя (JK -1). Статического теплопроводность 
связано с значением 
в 3 He холодильник температуры,
| (3.11) |
Когда излучения, падающего на детектор он увеличивает ее температуру небольшое количество, это влияет на способность поглотителей тепла и теплопроводность ссылки. Потенциала поглотитель тепла на повышение температуры связано с известным значением 
на 300mK путем,
| (3.12) |
где 
это индекс теплоемкости. Оглядываясь на уравнение (3,2) и используя термины, определенные выше, температурный коэффициент сопротивления можно переписать в виде,
| (3.13) |
где 
это индекс степенному закону с сопротивлением температуры соотношение в уравнение (3,1). Мы видим, что 
отрицательна для полупроводниковых болометра. Это приводит к значению 
что меньше, чем описывается уравнением (3.10). Это связано с электротермической обратной связи, которая описана в [9]. Мы определим новый срок 
который значение 
с поправкой на электротермических обратной связи,
| (3.14) |
Это новое значение позволяет определить значение 
что опять-таки содержит исправление для электротермических обратной связи,
| (3.15) |
Как терморезистором смещена от напряжения 
электрической мощности, рассеиваемой в амортизатор может быть задана 
. Увеличение сигнала инцидента EM возрастет температура терморезистором а следовательно, и увеличение его сопротивления, что, в свою очередь приведет к снижению рассеиваемой мощности. Если резистор, действующие в крутой части кривой, то ее полная мощность, рассеиваемая в амортизатор будет оставаться постоянным, а будет его температура. Эта система называется негативно электротермического обратной связи. Это имеет то преимущество снижения постоянной времени, чтобы из 
Тепловая постоянная времени как указано в (3.10).
Чувствительность
Чувствительность определяется как изменение выходного напряжения при изменении мощности падающего излучения, которые в болометра эквивалентно изменению температуры. Напряжение чувствительность болометра определяется как,
| (3.16) |
и меняется в зависимости от рабочей точки. Если сигнал на детектор модулируется частота модуляции должна быть достаточно низкой, так что детектор может реагировать на изменения во власти. Показано, что,
| (3.17) |
где 
частота модуляции. Нулевой частоте (DC) чувствительность можно оценить непосредственно из кривой нагрузки с использованием выражения,
| (3.18) |
где нулевой частоте динамическое сопротивление 
(Ом) болометра 
в рабочей точке. 
Можно показать, что быть задана,
| (3.19) |
Время отклика болометра
Для большинства болометров форма кривой VI доминируют мощности фона. При небольшой дополнительный сигнал подается на болометр отход от кривой VI можно считать незначительными. Это известно как приближении малых сигнала. В малых т.е. предел сигнала, где источник 
фоне изменений в болометра напряжение в связи с изменением мощности падающего излучения может быть задана,
|
(3.20) |
Изменение выходного напряжения не возникает мгновенно и путем сравнения болометр с цепи RC ответ может быть смоделирована с помощью одного из следующих двух уравнений,
| (3.21) |
Когда построены эти уравнения имеют следующий вид (где 
и 
),
|
Рисунок 3.4 - Зависимость V от времени для положительных и отрицательных V |
Когда большие сигналы рассматриваются, отход от кривой VI больше не незначительно. Поэтому изменение выходного напряжения в связи с изменением в инциденте власти не могут быть произведены с применением чувствительность в настоящее время определяется изменением напряжения рабочая точка болометра. При переходе от начальной до конечной кривой В. И., постоянная времени системы варьируется в зависимости от рабочей точки. Поэтому болометра больше не одной постоянной времени устройства и не могут быть смоделированы путем применения простых уравнений цепи RC ответ.
|
Рисунок 3.5 - VI кривые большое изменение сигнала |
Эквивалентная мощность шума
Большое значение для любого болометр эквивалентная мощность шума или НЭП. НЭП Среднеквадратичное сигнала, необходимые для равного среднеквадратичное детектора шума. Лучший сигнал-шум могут быть достигнуты на болометр задается уравнением,
| (3.22) |
В общем, НЭП единиц 
.
Фотон дробового шума и шума волн
Если рассматривать частицы фотография света и понимаю, что свет прибудет в детектор в случайных или некоррелированных образом, мы можем определить шум фотонов выстрел. Фотон дробового шума является оправданным на высоких частотах (где фотография фотон света является наиболее подходящим), но на более низких частотах волновой картины света является более целесообразным, и поэтому мы определим новый срок шум волн.
При применении статистике Бозе-Эйнштейна и предполагая, что фоном для обнаружения в виде черного получим, что корень средний квадрат флуктуации числа фотонов, падающих во времени , В интервале частот 
V дается,
| (3.23) |
где 
, 
= Излучения фона, и 
= Общая эффективность передачи между фоном и детектора. Дополнительные 
член учитывает для волны шума.
Фотонного шума ограниченной НЭП
В лучшем случае, детектора и последующие компоненты будут добавлять незначительное количество дополнительных шумов сигнала в дополнение к дробового шума фотона. Таким образом, фотонный шум пределах чувствительности болометра измерения, это предельный ток называется фотонного шума ограниченной нэпа, 
. Это задается уравнением,
| (3.24) |
Фотон эффективности детектора
На практике это не возможно получить фотонного шума ограниченной S / N, как это предполагает, что идеальный детектор используется. Реальный детекторы отличаются в эксплуатацию в том, что,
- реальный детектор может не реагировать на каждый фотон
- детектора и электроники производить дополнительный шум
Два параметры определены для того, чтобы принять во внимание эти недостатки в системе обнаружения; эти реагирования квантовой эффективности и детектив квантовая эффективность.
Отзывчивый Квантовая эффективность (или RQE 
)
RQE или счета за несовершенной поглощения фотонов и определяется как доля фотонов, которые вносят вклад в сигнал, очевидно, 
.
Детектив квантовой эффективности (DQE)
| (3.25) |
DQE является отношение фактической чувствительности к максимально достижимой в принципе. Параметр принимает как эффективность поглощения и каких-либо дополнительных шумов в детекторе во внимание. Этот параметр может быть использован для сравнения различных типов детекторов друг с другом.
На практике напряжения смещения выбран для того, чтобы получить максимум DQE для каждого детектора. В случае шпиль, это группы детекторов, которые имеют общее напряжение смещения, которые могут быть скорректированы для получения оптимального DQE для группы.
Другие источники шума
Джонсон шума
В любой кусок любой проводящего материала электроны хаотического теплового движения, так как материал имеет конечной температуре. Болометрического детектора и его компоненты - и не может считаться - резистор с электрического контакта на каждом конце. Если нет электрического потенциала на контактах напряжение в резисторе будет колебаться около нуля случайно вольт, это происходит потому, положительных и отрицательных колебаний равновероятны. Мощность шума внутри компонента, однако пропорционально квадрату флуктуации напряжения т.е. это всегда положительный. Это называется Джонсон или Найквиста шума.
| (3.26) |
Частотный спектр шума Джонсона плоская т.е. частота независимы. Это видно из этого уравнения, где нет частотной зависимости. Шум с плоским спектром называется белым шумом.
Фононного шума
До сих пор мы рассматривали шум, создаваемый из фотонов и электронов, рассмотрим теперь поток тепла в радиатор как квантуется в виде фононов (квантуется колебания решетки). Это приводит к случайным колебаниям температуры болометра. Фононного шума нэпа, 
, Т. е.
| (3.27) |
Температура шума
Температура шум вызван тем, что радиатор не при постоянной температуре и слабо меняется с течением времени. Шумовая температура нэпа, 
является,
| (3.28) |
где 
является спектральная интенсивность колебаний температуры радиатора (K 2 Гц -1).
1 / / шума
Этот источник шума очень важно для практического применения, хотя причины часто не очень хорошо понял. Для большинства устройств, большие уровни шума находятся на низких частотах.
|
Рис 3,6 - 1 / / шума |
Минимизация шума
Шум влияет на результаты в унижающего моды и поэтому мы используем несколько методов (в целях уменьшения ее последствий.
- Сделать пропускной пост обнаружения как можно меньше
- Старайтесь избегать измерительных сигналов (или полосы частот), что совпадает с дискретным источников помех частоты
- Убедитесь, что частота сигнала (или полосы частот) является высокой, чтобы не зависеть от значительного количества шума.
Из-за 
шума не представляется возможным наблюдать источника в течение длительного периода непрерывного наблюдения; это будет означать работает на очень низких частотах, где 
шум будет иметь существенное значение. Один из методов, используется, чтобы избежать 
шума для модуляции сигнала с частотой, достаточно высокой, что 
больше не значительные. Частота модуляции не может, однако, настолько высоки, что детекторы частотную характеристику приводит к потере сигнала. Еще одно преимущество для модуляции является то, что он может быть использован для вычитания фона от сигнала, переключение между источником сигнала и фонового сигнала, это известно как â € ~ € ™ choppingâ в РПИ / суб-мм наблюдений.
Общий шум в системе будет сочетание всех отдельных источников шума, присутствующего как описано выше. Мы считаем, что все источники шума некоррелированы т.е. стоимость одного не зависит от любой другой. Как они не коррелированы добавив их обычно не принимают во внимание фазы шума, поэтому берем корень средний квадрат шума (эффективное значение), а иногда источников шума могут аннулировать друг друга.
| (3.29) |
где 
это напряжение шумов спектральной плотности (VHZ -1 / 2) от каждого из шума взносов.
Общего шума и НЭП
Это можно определить НЭП следующим образом, мощность сигнала, который дает S / N 1 в интеграции время 0,5 секунды. Если мы позволим 
= Детектора чувствительность (VW -1), 
= Электромагнитной мощности падающего на детектор (W) и, 
= Общий шум напряжения спектральная плотность, напряжение сигнала можно записать,
| (3.30) |
Шумовое напряжение выдадут путем,
| (3.31) |
По определению нэпа, если 
Затем сигнал напряжения 
. Поэтому мы получаем уравнение для НЭП в условиях шума напряжения спектральной плотности и чувствительности,
| (3.32) |
Единиц нэпа, как правило, дано как WHZ -1 / 2, Гц -1 / 2 Условия относится к пропускной способности обнаружения почте или обратной интеграции времени.
- Теория эквивалентная мощность шума из высокотемпературного сверхпроводника дальнего инфракрасного болометра в фото-... Теор У эквивалентная мощность шума из высокотемпературного сверхпроводника дальнего инфракрасного болометра в фото-термоэлектрических режим работы Теория эквивалентная мощность шума из высокотемпературного сверхпроводника далеко infraredbolometer в фото
- 1 Введение (PDF) ... пересмотренный вариант Griffin & Holland идеально болометра полупроводника. Модель представлена и его использование в ... основан на теории неравновесной болометра о. Мазер [10], но предполагается, ... astro.cf.ac.uk / групп / ... / Sudiwala_et_al_IJMM_ _paper.pdf болометра
- Простой теории твердых поддерживаемых болометров простой теории твердых поддерживаемых болометров простой теории твердых поддерживаемых болометров простой теории предлагается объяснить частотную характеристику твердой поддержке болометров. Она предполагает одномерного потока тепла через болометр
- ПРЕЦИЗИОННЫЙ Характеристика SEMICONDUCTOR болометров (PDF) ... метров, используя болометра модель, представленная в Sudiwala и др. ... достаточно? достаточно равномерный уровень допинга. Идеально болометра теории [1, 2, 7] может быть использована для ... astro.cf.ac.uk / групп / ... / Woodcraft_et_al_IJMM_ _paper.pdf болометра
- DOE документ - Неравновесная теории горячих электронов болометр с нормальными-изолятор-сверхпроводник туннеля металла ... работу электронно-горячей болометр с нормальный металл-изолятор-сверхпроводник (ННГ) туннельного перехода, как датчик температуры теоретический анализ. Чувствительность и эквивалентная мощность шума (NEP) болометра получены
- Обработка изображений и наименьших квадратов Реконструкции (PDF) ... достигнуто с учетом стандартного изображения. ресамплинг теории в постановке задачи наименьших квадратов ... смятении, потому связывая болометра нуля указывает на поток в
- Микрокалориметр и болометра Модель Микрокалориметр и болометра Модель Микрокалориметр и болометра модели стандартов теория равновесия без шума в идеальном болометры и микрокалориметры не в состоянии предсказать производительности реальных устройств в связи с дополнительными эффектами
Ги игрушки Джонсон Pic ...
Я Googled кое-что совсем, но обнаружил, страницы ... и должен сказать спасибо. хорошо читать ....
Молодцы Стивен. Что-то очень важно помнить, что каждый человек нуждается в хорошей вступительной ссылку, чтобы понять основы перед проводит сложные темы, специальности на основе основа основ. Понимание основ достаточно для большинства людей, чтобы быть успешным.
Ваша веб-страница отлично вступительные ссылки. Если ваша карьера приведет Вас к исследованиям более передовых тонкости болометры и в конечном итоге вы опубликовать, пожалуйста, сохранить и опубликовать эту настоящее тело работы, а в качестве вступительного материала для новичков. Я согласен с Ги. Ваша веб-страница на болометр теория хорошо читать.
J
Я нашел вашу лекцию наиболее полезным в развивающихся понимание болометра параметров и характеристик. Я студент 4-го семестра электротехники и в настоящее время занимается проектом с участием микроболометр. В этой связи я буду greteful если вы можете разместить соответствующую литературу.
Я нашел год lucture это очень полезно для моего исследования отчасти потому, что я ничего не знаю о болометра. Но меня все еще есть проблемы, чтобы увидеть картину в свою веб-страницу. Что я должен делать? Я стараюсь, чтобы загрузить pdf.file но она не работает также.
Пожалуйста, не стесняйтесь, чтобы дать некоторые предложения. Мой адрес электронной почты: jiku_jung9@hotmail.com
Не то чтобы я хочу, чтобы скопировать ваш сайт, но я действительно люблю смотреть. Не могли бы вы сказать мне, какую тему вы используете? Или это заказ?
Тема связана в нижней части этой страницы (в нижнем колонтитуле).
Изображения и PDF восстановлена, извините за проблемы
Уважаемый Стивен
Я нашел вашу лекцию так полезно, но я не вижу фотографии или найти PDF.
Не могли бы Вы помочь мне, что я Шоуда делать?
с искренним уважением
Уважаемый Стивен
Спасибо вам большое за ваш замечательный лекции, но я не могу скачать "Моделирование SPIRE использованием IDL", могли бы вы выслать мне? Спасибо заранее.
Электронная почта: lhfsemail@gmail.com
Можете ли вы выслать мне почтой. Мне очень нравится ваша конструкция.