Čo bude nasledovať, je kapitola z mojej posledný rok správu o 'simulácia SPIRE pomocou IDL'. Pri skúmaní projektu som zistil, že je ťažké nájsť nejaké základné úvod do teórie bolometr, tak som sa rozhodol dať svoje verziu on-line. Môžete tiež vidieť kapitolu v plnom kontexte stiahnutím môj štvrtý SPRÁVA: Simulovanie SPIRE pomocou IDL .

• Základné princípy
• Časová konštanta
• Responsivity
• Doba odozvy z bolometr
• Hluk rovnakým výkonom
  • Photon Shot hluku a šumu Wave
  • Photon Hluk Limited NEP
• Photon Detektor Účinnosť
• Iné zdroje hluku
• Minimalizácia hluku
• Okrem hluku Podmienky
• Celkovo Hluk a NEP

Základné princípy

Bolometr je zariadenie, ktoré rozpozná prichádzajúce žiarenie tým, že produkuje zmenou elektrického odporu v pomere k množstvu dopadajúceho žiarenia received. žiarenia je pohltená bolometr čo spôsobuje zvýšenie teploty, čo spôsobí zmenu v jeho elektrický odpor .

Podstatné rysy bolometr sú nasledovné:

Obrázok 3.1 - Schéma bolometric detektor

Bolometr sama sa skladá z absorbéra materiálu v súvislosti s chladiči pevných temperature. Prichádzajúci elektromagnetickej (EM) žiarenia je absorbovaná materiálom zvýšením kinetickej energie zadarmo electrons. zrážky voľných elektrónov s atómami v mriežke materiálu príčinu vibrácie, ktoré sú sledované ako zmena teploty.

Typické materiály pre teplomer, sú polovodiče, ako je dopoval germanium. odpor taký materiál výrazne zmení k malej zmene teploty a dá charakterizovať rovnicou,

kde je konštanta nazýva odpor parameter (Ohm), je odpor (Ohm), je teplota odporu, a (K) je materiálom, zakázané pásmo teploty. Hodnota sa nazýva parameter a materiál je uvedený symbol . Teplotný koeficient odporu je definovaný,

Operácie bolometr detektora sú znázornené na obr 3.1. Bolometr pri teplote je spojený s chladičom pevných teploty o tepelnej vodivosti . Ss kľudový prúd preteká bolometr generovanie napätia . Zmeny v dopadajúceho žiarenia moc viesť k zmenám v odboji , A preto je výstupné napätie . Typický bolometr uprednostnenie a čítacie obvodu je zobrazený na obr 3.2.

Prúd, ktorý tečie cez odpor spôsobí rozptýlenie moci do absorbéra materiálu. Okrem toho, je množstvo energie žiarenia absorbované absorbéra označovaný . Celkový stratový výkon v bolometr je teda daná,

Za ustálených podmienok bude energia absorbovaná absorbérom byť odstránené do chladiča pri termálnom odkaz, toto je daná týmto vzťahom,

Jednosmerného napätia-prúd (VI) krivka pre bolometr je definovaný rovnicami,

V praxi bolometr je ovplyvnený tým, batérie napätie V ₀ a zaťažovací odpor R _L. Odpor zaťažovacieho odporu je zvyčajne navrhnutý tak, aby oveľa vyššia ako odpor bolometr celej svojej prevádzkovej rozsah. Toto je, aby prúd prechádzajúci bolometr na stabilnej úrovni tak, že výkon rozptýlený v bolometr odporom teplomere zostáva trochu konštantný.

Prevádzkový bod bolometr je potom uvedený na priesečníku krivky zaťaženie a zaťaženie linky, stanovená rovnica

Graf ukazuje typický VI krivky a zaťaženia linky z výsledkov simulačného programu, ktorý som vytvoril v IDL je uvedený na obrázku 3.3.

Ako je vidieť z obrázku 3.3, odpor bolometr je neuveriteľne vysoká u malých prúdov. Bolometr odpor začne klesať a nakoniec sa zrovná pri vyšších prúdoch, pretože dodatočná sila je rozptýlená do absorbéra materiálu. Ak žiarenia dopadajúceho na detektor, bude výkon rozptýlený v absorbéri sa takisto zvýšil. To má za následok pomliaždenia krivky VI, ako je znázornené na obrázku vyššie. Elektrickej energie rozptýlené v absorbéri materiálu, odvodené v [8], je dávaný,

kde predstavuje čiastkovú zvýšenie teploty absorbéra, kde predstavuje absorbéra materiálu pri teplote . je statický tepelná vodivosť tepelnej odkaz na ^{3 He} teplotu chladničky (WK ^-1), ktorá je daná týmto moc zákona,

kde je statický tepelnej vodivosti pri 300mK (WK ^-1), a a nazýva tepelná vodivosť index. Termín sa nazýva načítanie parametra a je daný rovnicou,

Ide o parameter, ktorý spôsobí zaťaženie stláča účinok krivky VI, kedy je incident EM žiarenie na detektor.

Časová konštanta

Rovnako ako u väčšiny fyzikálnych systémov bolometr nereaguje okamžite na okamžité zmeny vo svojich vstupoch. V mnohých prípadoch reakcii detektora na skokové zmeny vo vstupnom je exponenciálny zmeny vo výstupe. To je analogické k nabíjania a vybíjania kondenzátora v RC obvode.

Bolometr má jeden zásoba energie v teplo kapacita absorbéri. Preto bolometr možno modelovať pomocou jediného prvého poriadku diferenciálnej rovnice, čo tiež znamená, že bolometr netrpia pamäte účinky. Odpoveď môže byť preto charakterizovaný časovou konštantou ktorý pre bolometr je daný rovnicou,

kde je absorbér tepelná kapacita (JK ^-1). Statické tepelnej vodivosti sa vzťahuje na hodnotu u ^{3 He} chladnička teplotu,

Keď žiarenie dopadá na detektor a zvyšuje jeho teplotu o malé množstvo, ovplyvňuje to absorbéry tepelnej kapacity a tepelnej vodivosti odkazy. Absorbéra tepelná kapacita pri zvýšenej teplote je príbuzný známej hodnoty na 300mK od,

kde je tepelná kapacita index. Pri pohľade späť na rovnicu (3.2) a používať termíny definované vyššie, je možné teplotný súčiniteľ odporu byť prepísaná ako

kde je moc zákona index z odpor-teplota vzťah v rovnici (3.1). Vidíme, že je negatívny pre polovodičové bolometr. To vedie k hodnote ktorý je menší, ako je opísané rovnicou (3.10). To je spôsobené elektrotermické spätnú väzbu, ktorá je opísaná v [9]. Definujeme nový termín čo je hodnota s úpravou pre elektrotermálne spätnú väzbu,

Táto nová hodnota nám umožní definovať hodnotu , Ktorý opäť obsahuje korekciu na elektrotermické spätnú väzbu,

Ako tepelný odpor je ovplyvnený napätím elektrickej energie rozptýlená do tlmiča môže byť daná . Zvýšenie incidentu signálu EM zvýši sa teplota tepelného odporu a tým aj zvýšenie jeho odpor, čo zase spôsobí pokles v stratový výkon. Ak je odpor koná v strmom časť svojej krivky potom celkový stratový výkon v absorbéri zostane konštantný, rovnako ako jeho teplotu. Tento systém je odvolával sa na ako mať negatívny elektrotepelných spätnú väzbu. To má tú výhodu, že znižuje časové konštanty sa z tepelnú časovú konštantu, ako je uvedené v (3.10).

Responsivity

Responsivity je definovaný ako zmena výstupného napätia pre zmenu v incidentu silu, ktorá v bolometr je ekvivalentná zmene teploty. Napätie responsivity bolometr je definovaný ako,

a mení sa v závislosti na prevádzkovom mieste. Ak je signál na detektore je modulovaný modulačné frekvencie musí byť dostatočne nízka, aby detektor môže reagovať na zmenu pri moci. Je preukázané, že,

kde frekvenčnej modulácie. Nulové frekvencie (dc) responsivity je možné hodnotiť priamo z krivky zaťaženia pomocou výrazu,

, Kde je nulové frekvencia dynamického impedancia (Ohm) zo bolometr v prevádzkovom mieste. môže byť ukazovanie byť daný,

Doba odozvy z bolometr

Pre väčšinu bolometers je tvar krivky VI dominuje na úrovni pozadí, moc. Keď je malé dodatočné napätie na bolometr odchodu z krivky VI možno považovať za zanedbateľný. Toto je známe ako malý signál priblíženia. V malom signálu limit, tj v prípade zdroja pozadia zmena bolometr napätia v dôsledku zmeny energie dopadajúce žiarenie môže byť daný,

Zmena výstupného napätia nedochádza okamžite a porovnaním bolometr s obvodom RC odpoveď môže byť modelovaný podľa jednej z dvoch nasledujúcich rovníc,

Keď vynesú tieto rovnice majú túto podobu (tam, kde a ),

Ak sú považované za veľké signály, odlet z krivky VI už nie je zanedbateľné. Preto je zmena výstupného napätia v dôsledku zmeny v incidente moc nemôže byť vypočítaná responsivity je teraz daný zmenou napätia prevádzkový bod bolometr. V pohybujúce sa od počiatočného ku konečnému krivky VI, časová konštanta systému sa líši v závislosti na prevádzkovom mieste. Preto bolometr už nie je jedinou časovú konštantu zariadenia a nemôže byť modelovaná za použitia jednoduchého RC rovnice obvodu odpoveď.

Hluk rovnakým výkonom

Veľký význam pre všetky bolometr je hluk rovnakým výkonom alebo NEP. NEP je koreňový stredná štvorcová sila signálu musí rovnať stredná kvadratická na detektore hluku. Najlepší signál-k-pomer hluku možno dosiahnuť bolometr je daný rovnicou,

Všeobecne platí, že NEP má jednotky .

Photon Shot hluku a šumu Wave

Ak uvažujeme časticu obraz svetla a uvedomiť si, že svetlo dorazí na detektor v náhodnom alebo uncorrelated spôsobom môžeme definovať fotón shot hluku. Photon shot hluk je odôvodniteľné pri vysokých frekvenciách (kde fotón obraz svetla je najvhodnejšie), ale pri nižších frekvenciách vlny obraz svetla je vhodnejšie, a preto sme sa definovať iný termín vlnu hluku.

Uplatnením Bose-Einstein štatistiky a za predpokladu, že zázemie pre detekciu je v podobe čierneho, zistíme, že koreňový strednej štvorcovej výkyvy v počte fotónov, ktorí prídu v čase , Vo intervale frekvencií V je daná,

kde , = Emisivitu pozadia, a = Celková účinnosť prenosu medzi pozadím a detektor. Ďalší Termín berie do úvahy pre vlnu hluku.

Photon Hluk Limited NEP

V najlepšom prípade bude detektor a následné komponenty pridať zanedbateľné množstvo ďalších šumu k signálu okrem hluku výstrelu fotónu. Preto sa fotón hlukové limity na citlivosť bolometr meraní, táto limitné sa nazýva fotón hluk obmedzený NEP, . To je dané rovnicou,

Photon Detektor Účinnosť

V praxi nie je možné získať fotóny hluk obmedzený S / N, pretože to predpokladá, že ideálny detektor. Real detektorov sa líšia v prevádzke v tom, že

• skutočný detektor nemusia správne reagovať na každý fotón
• detektora a jeho elektronika vyrábať ďalšie hluku

Dva parametre sú definované tak, aby sa brať do úvahy tieto nedostatky sa v detekčný systém, jedná sa o rýchlou odozvou Quantum efektívnosť a detekčné kvantovej účinnosti.

Reagovať kvantová účinnosť (alebo RQE )

RQE alebo účtov za nedokonalé absorpciu fotónov a je definovaný ako zlomok incidente fotónov, ktoré prispievajú k signálu, samozrejme .

Detekčná kvantovej účinnosti (DQE)

DQE je pomer skutočné citlivosti na maximálne dosiahnuteľné v princípe. Parameter sa obe absorpčnú účinnosť a ďalší prídavný hluk vytvorený v detektore do úvahy. Tento parameter môže byť použitý na porovnanie rôznych typov detektora spolu navzájom.

V praxi je predpätie zvolený za účelom získania maximálnej DQE pre každý detektor. V prípade SPIRE je skupín detektorov, ktoré zdieľajú spoločnú skreslenie napätia, ktoré môže byť upravená tak, aby bola dosiahnutá optimálna DQE pre skupinu.

Iné zdroje hluku

Johnson Hluk

V rámci každého kusu akéhokoľvek vodivého materiálu elektróny majú náhodné tepelné pohyby, pretože materiál je konečná teplota. Bolometric detektora a jeho súčasťou sú - alebo môžu byť považované za - rezistor s elektrickým kontaktom na každom konci. Ak nie je k dispozícii elektrický potenciál medzi kontaktmi napätie na rezistore bude kolísať náhodne okolo nuly volty, je to preto, pozitívne a negatívne výkyvy sú rovnako pravdepodobné. Hluk výkon v komponente je však úmerná kolísanie napätia, na druhú to znamená, že je vždy pozitívne. Toto je nazývané Johnson alebo Nyquist hluk.

Hluk Johnson NEP, , Je,

Frekvenčné spektrum hluku Johnson je plochá, tj, že je frekvencia nezávislé. Toto môže byť zrejmé z vyššie uvedenej rovnice, kde nie je frekvenčná závislosť. Hluk s plochou spektra sa nazýva biely šum.

Fonon Hluk

Doteraz sme za hluk z fotónov a elektrónov, my teraz zvažujeme tok tepla do chladiča, ako quantised vo forme fonony (kmity mreže quantised). To vedie k náhodnej výkyvy v teplote bolometr. Fonon šumu NEP, , Je,

Teplota Hluk

Teplota hluk je spôsobený tým, že chladič nie je na konštantnej teplote a pohybuje sa mierne v priebehu času. Teplota hluk NEP, je,

kde je spektrálna intenzita kolísanie teploty chladiča (K ² Hz ^-1).

1 / f šumu

Tento zdroj hluku je veľmi dôležitý v praktických aplikáciách, aj keď príčiny nie sú často veľmi dobre rozumel. Pre väčšinu zariadení, sú veľké hladiny hluku v nižších frekvenciách.

Minimalizácia hluku

Hluk ovplyvňuje výsledky v ponižujúcim spôsobom, a preto používame niekoľko techník (s cieľom znížiť jeho účinky.

• Make post detekcia pásma čo najmenšie
• Snažte sa vyhnúť meracích signálov (alebo frekvenčné pásmo), ktoré sa zhodujú s diskrétne zdroje rušenia
• Uistite sa, že signál kmitočet (alebo frekvenčné pásmo) je dostatočne vysoká, aby sa so značným množstvom šumu.

Vzhľadom na hluk, že nie je možné pozorovať po dlhú dobu zdrojom neustáleho sledovania, čo by spôsobilo pracujúce na veľmi nízkych frekvenciách, kde hluk by bol významný. Jednou z techník používaných, aby sa zabránilo hluk je modulovať signál s frekvenciou, ktorá je dostatočne vysoká, aby nie je významný. Modulačné frekvencie však nemôže byť tak vysoká, že detektory výsledky frekvenčnej charakteristiky v stratou signálu. Ďalšou výhodou pre modulačné technika je, že môže byť použitý odpočítať od pozadia signál prepínanie medzi zdrojom signálu a signál pozadia, čo je známe ako â € ~ choppingâ € ™ vo FIR / sub-mm pozorovania.

Okrem hluku Podmienky

Celkový hluk v systéme bude kombinácia všetkých jednotlivých zdrojov hluku, ako je popísané vyššie. Predpokladáme, že všetky zdroje hluku sú nekorelované, tj hodnota jedného nie je závislé na iných. Ako oni sú uncorrelated pridaním by normálne neberie do úvahy fáz hluk, preto sme sa stredná kvadratická z hluku (efektívna hodnota), ako sa niekedy zdrojov hluku môže zrušiť každý iný.

kde je hluk napätie spektrálna hustota (VHZ ^{-1 / 2)} z každého z hluku príspevkov.

Celkovo Hluk a NEP

Je možné definovať NEP týmto spôsobom, sila signálu, ktorý dáva S / N 1 v integračnej čase 0,5 sekundy. Ak necháme = Detektor responsivity (VW ^-1), = Elektromagnetické energie dopadajúcej na detektor (W), a = Celková hlučnosť spektrálnej hustoty napätie, signál môže byť napísaná napätie,

Hluk napätie potom bude daná,

Podľa definície NEP, ak potom signál napätia . Preto sme získali rovnicu pre NEP z hľadiska hluku napätia spektrálna hustota a responsivity,

Jednotky NEP sú zvyčajne dané ako WHz ^{-1 / 2,} Hz ^{-1 / 2} termíny sa vzťahuje na zisťovanie šírky pásma poštou alebo inverzné integrácie času.

• Teória hluku ekvivalentná výkonu vysoko-teplota supravodiče ďaleko-infračervené bolometr vo foto-... y teoretických hluku ekvivalentná výkonu vysoko-teplota supravodiče ďaleko-infračervené bolometr vo foto-termoelektrického režime prevádzky teórie hluku ekvivalentná silu vysoko-teplota supravodiče ďaleko-infraredbolometer vo fotografii
• 1 Úvod (PDF) ... revidovanú verziu Griffin & Holland ideálne polovodičových bolometr. Model je prezentovaný a jeho využitie v ... na základe non-rovnováha bolometr teórie. Mather [10], ale predpokladal ... astro.cf.ac.uk / skupiny / ... / Sudiwala_et_al_IJMM_ bolometr _paper.pdf
• Jednoduchá teória pevných-cúval bolometers jednoduchá teória pevných-cúval bolometers jednoduchá teória pevných-cúval bolometers jednoduchá teória je chystal sa vysvetliť frekvenčná odozva pevných-cúval bolometers. To predpokladá, že jedno-rozmerné prúdenie tepla bolometr
• VYSOKÁ PRESNOSŤ OPIS SEMICONDUCTOR BOLOMETERS (PDF) ... metrov, s použitím bolometr model uvedený v Sudiwala et ... dosta? nuť jednotnej úrovne dopingu. Ideálne bolometr teórie [1, 2, 7], môže byť použitý k ... astro.cf.ac.uk / skupiny / ... / Woodcraft_et_al_IJMM_ bolometr _paper.pdf
• Dokument DOE - Nerovnovážna teória hot-elektrón bolometr s normálnou metal-izolátor-supravodič tunel ... prevádzku hot-elektrón bolometr s normálnou metal-izolátor-supravodiče (NIS) tunelovanie ako teplotný snímač je analyzovaný teoreticky. Responsivity a hluk ekvivalentnej výkon (NEP) z bolometr sú získané
• Spracovanie obrazu a najmenších štvorcov-rekonštrukcia (PDF) ... dosiahol vzhľadom na štandardný obrázok. prevzorkovanie teórie v zložení najmenej-štvorce problém ... dithering, pretože viazanie bolometr nula bodov na toku v rámci
• Microcalorimeter a bolometr Model microcalorimeter a bolometr Model microcalorimeter a bolometr model štandardnej non-teória rovnováhy hluku v ideálnom bolometers a microcalorimeters nedokáže predpovedať výkon reálnych zariadení z dôvodu dodatočnej efekty

10 Reakcie na "mikrobolometrovom teórie"

1. Ki Toy Johnson Pic hovorí:

   Nedeľa 30. septembra 2007 v 14:25

   Ki Toy Johnson Pic ...

   Aj Googled na niečo úplne iného, ​​ale našiel svoje stránky ... a musím povedať, vďaka. pekné čítanie ....

   Odpoveď
2. John hovorí:

   Sobota 18.apríla 2009 v 15:35

   Výborne Steven. Niečo veľmi dôležité mať na pamäti, že každý potrebuje dobrý odkaz na úvodnú pochopiť základy pred vykonávaním pokročilé špeciálnych tém na založenie základov. Pochopenie základov je dosť pre väčšinu ľudí, aby bola úspešná.
   Vaša webová stránka je vynikajúca úvodná referencie. Ak váš profesijné cesta vedie k výskumu viac pokročilých jemnosťou bolometers a vy nakoniec zverejniť, prosím, udržať a publikovať tento predložiť orgánu práce, ako slúžiť ako úvodný materiál pre prvý-časovača. Súhlasím s Ki. Vaše webové stránky na bolometr teórie je dobré čítanie.
   J

   Odpoveď
3. Baklažán hovorí:

   Piatok 31. júla 2009 v 11:19

   Našiel som si prednášku veľmi užitočné pri vytváraní porozumenia bolometr parametre a charakteristiky. Som 4. semester študent elektrotechniky a som v súčasnosti zaoberá projekt mikrobolometer. V tomto smere bude aj greteful, či môžete po príslušnej literatúry.

   Odpoveď
4. jiku hovorí:

   Streda 10. marca 2010 v 16:05

   Našiel som rok lucture je to veľmi užitočné pre moju výskumné časti, pretože ja neviem nič o bolometr. Ale stále mám problém vidieť na obrázku na Vašu stránku. Čo mám robiť? Snažím sa stiahnuť pdf.file, ale to nefunguje tiež.
   Prosím, neváhajte dať nejaký návrh. Môj e-mail: jiku_jung9@hotmail.com

   Odpoveď
5. Posteľ hovorí:

   Štvrtok 1. apríla 2010 v 23:52

   Nie, že chcem kopírovať vaše webové stránky, ale ja som naozaj rád pozrel. Mohli by ste mi povedať, ktoré tému používate? Alebo to bolo na zákazku?

   Odpoveď
6. Steven Lloyd Watkin hovorí:

   Pondelok 12. apríla 2010 v 10:40

   Téma je v dolnej časti tejto stránky (v päte).

   Odpoveď
7. Steven Lloyd Watkin hovorí:

   Pondelok 12. apríla 2010 v 10:41

   Obrázky a PDF obnovená, ospravedlňujem sa za problémy

   Odpoveď
8. H. Azar hovorí:

   Utorok 13. apríla 2010 v 06:49

   drahá steven
   Našiel som si prednášku tak užitočná, ale ja nevidím obrázky alebo nájsť pdf.
   by vás prosím, pomôžte mi, čo som mala robiť?
   S pozdravom

   Odpoveď
9. Windboy hovorí:

   Piatok 6. augusta 2010 01:36

   Vážení steven
   Děkuji moc za vaše skvelé prednášky, ale nemôžem stiahnuť "Simulovanie SPIRE pomocou IDL," Mohli by ste mi to poslať? Vďaka vopred.
   E-mail: lhfsemail@gmail.com

   Odpoveď
10. Tonldan hovorí:

    Nedeľa 20. februára 2011 15:56

    Môžete mi prosím pošlite mi mail. Moc sa mi páči váš návrh.

    Odpoveď