Vad som följer är ett kapitel från mitt sista år rapporten "Simulera SPIRE använder IDL". När forskning projektet jag fann det svårt att hitta några grundläggande introduktion till bolometer teori, så jag bestämde mig att lägga min version på nätet. Du kan också se kapitlet i full sammanhang genom att ladda ner mitt fjärde rapport rapport: Simulera SPIRE med IDL .

• Grundläggande principer
• Tidskonstant
• Responsivitet
• Tid Svar av ett Bolometer
• Buller likvärdig effekt
  • Photon Shot Buller och vågbrus
  • Photon Buller Limited NEP
• Photon Detector Effektivitet
• Andra ljudkällor
• Minimera Buller
• Tillägg av Buller Villkor
• Övergripande Buller och NEP

Grundläggande principer

En bolometer är en anordning som känner av inkommande strålning genom att producera en förändring i elektriskt motstånd i proportion till mängden strålning received. inkommande strålningen absorberas av bolometer som orsakar en ökning av dess temperatur, vilket i sin tur orsakar en ändring i dess elektriska motstånd .

De väsentliga egenskaperna hos en bolometer är följande:

Figur 3.1 - Diagram över en bolometriska Detector

The bolometer sig består av ett absorberande material kopplat till en kylfläns av fasta temperature. Inkommande elektromagnetisk (EM) strålning absorberas av materialet ökar den kinetiska energin hos fri electrons. Kollisionerna av fria elektroner med atomer i materialet orsaka lattice vibrationer som observeras som en förändring av temperaturen.

Typiska material för termometern är halvledare som dopade germanium. Det motstånd för en sådan väsentlig förändring väsentligt för en liten förändring i temperatur och kan karakteriseras av ekvationen,

där är en konstant som kallas motstånd parameter (Ohm), är motståndet (Ohm), är temperaturen på motstånd, och (K) är materialet bandgap temperatur. Värdet av kallas materialet parametern och ges symbolen . Temperaturen för resistans definieras av,

Verksamheten i ett bolometer detektor illustreras i Figur 3.1. The bolometer vid temperatur är kopplat till en kylfläns på fast temperatur av en värmeledningsförmåga . En DC-bias nuvarande flyter genom bolometer genererar en spänning . Förändringar i den inkommande strålningen makt ger upphov till förändringar i motstånd Och därför i utspänningen . Den typiska bolometer polarisering och avläsning krets avbildas i Figur 3.2.

Den nuvarande som flyter genom motståndet orsakar en effektförlust av makt in i absorberande material. Dessutom är den mängd strålningsenergi som absorberas av absorbatorn betecknas . Den totala kraft som upptas i bolometer därför ges av,

Under steady-state förhållanden energi som absorberas av absorbatorn kommer att tas bort till kylflänsen med den tillförda länken, denna ges av följande samband,

DC-spänningen-ström (VI)-kurva för bolometer definieras av ekvationer,

I praktiken bolometer är partiska genom ett batteri av spänning V ₀ och belastning motstånd R _L. Motståndet av lasten motståndet är vanligtvis konstruerad för att vara mycket högre än det motstånd som bolometer hela dess arbetsområde. Detta för att behålla den nuvarande passerar genom bolometer på en stabil nivå så att den kraft som upptas i bolometer av motståndstermometer förblir någorlunda konstant.

Den operativa punkt i bolometer ges då i korsningen belastningskurvan och lasten linje som bestäms av ekvationen,

En graf som visar en typisk kurva VI och belastning linje från resultatet av en simulering program som jag producerade i IDL ges i figur 3.3.

Som framgår av Figur 3.3, är motståndet av bolometer otroligt hög vid låga strömmar. The bolometer motstånd börjar sjunka och så småningom avtar vid högre strömmar eftersom ytterligare makt avleds i absorberande material. Om strålningen på detektorn, kommer den kraft som upptas i absorbatorn ökar också. Det här har effekten av squash VI kurva som visas i diagrammet ovan. Den elektriska kraft som upptas i absorberande material, som dessa framgår i [8], ges av,

där utgör en fraktionerad ökning av temperaturen på absorbatorn där representerar den absorberande material som vid en temperatur på . är den statiska värmeledningsförmåga den termiska länken längst ³ Han kylskåpstemperatur (WK ^-1), som ges av följande makt lag,

där är den statiska värmeledningsförmåga på 300mK (WK ^-1), och och kallas värmeledningsförmåga index. Uttrycket kallas lastning parametern och ges av ekvationen,

Det är lastning parameter som orsakar Eliminera effekten av VI kurvan när det finns incidenter EM strålning på detektorn.

Tidskonstant

Som med de flesta fysiska system en bolometer inte svarar direkt till en omedelbar förändring i sina insatser. I många fall svar på en detektor till en stegvis förändring av insatsvaran är en exponentiell förändring i produktionen. Detta är analogt med laddning och urladdning av en kondensator i en RC-krets.

En bolometer har ett enda energibehållaren i värmen kapacitans absorbatorn. Därför är en bolometer kan modelleras med hjälp av en enda första ekvation för differentierad, vilket också innebär att en bolometer inte lider av minnet effekter. Svaret kan därför präglas av en tidskonstant som för en bolometer ges av ekvationen,

där är absorbatorn värmekapacitet (JK ^-1). Den statiska värmeledningsförmåga är relaterad till en värdet av vid ³ Han kylskåpstemperatur av,

När strålningen på detektorn ökar sin temperatur med en liten mängd, påverkar detta absorbenter värmekapacitet och den termiska länkar konduktans. Absorbatorn värmekapacitet vid ökad temperatur är relaterat till ett känt värde på 300mK av,

där är värmekapaciteten index. Ser tillbaka på ekvation (3,2) och med hjälp av begrepp som definieras ovan kan temperaturkoefficient av motstånd skrivas om som,

där är den effekt lagen index från resistans / temperatur förhållande i ekvation (3,1). Vi ser att är negativt för en halvledare bolometer. Detta leder till ett värde av som är mindre än det som beskrivs av ekvation (3,10). Detta beror på elektrotermiska feedback som beskrivs i [9]. Vi definierar en ny term vilket är värdet av med en korrigering för elektrotermiska feedback,

Detta nya värde gör att vi kan definiera ett värde av som innehåller återigen en korrigering till elektrotermiska feedback,

Som den termiska motståndet är partiska av en spänning den elektriska kraft som upptas i absorbatorn kan ges av . En ökning av händelsen EM signalen kommer att öka temperaturen på termiska motstånd och därmed också öka sin motståndskraft, vilket i sin tur kommer att orsaka en minskning av skingras makten. Om motståndet är verksam i den branta delen av sin kurva så blir den totala kraft som upptas i absorbatorn kommer att förbli konstant, liksom dess temperatur. Detta system kallas ha negativ elektrotermiska feedback. Detta har fördelen att minska tidskonstanten till för den termiska tidskonstanten som anges i (3,10).

Responsivitet

Responsivitet definieras som förändring av utspänningen för en förändring i infallande effekt, som i en bolometer motsvarar en förändring av temperaturen. Spänningen responsivitet av bolometer definieras som,

och varierar som en funktion av arbetspunkt. Om signalen på detektorn är moduleras modulationsfrekvensen skall vara tillräckligt låg så att detektorn kan svara på maktskifte. Det visas att,

där frekvens modulering. Noll frekvens (dc) responsivitet kan utvärderas direkt från belastningskurvan använder uttrycket,

Var är nollfrekvens dynamiska impedans (Ohm) i bolometer vid arbetspunkten. kan visas att ges av

Tid Svar av ett Bolometer

För majoriteten av bolometrar form av VI kurvan domineras av en bakgrund effekt. När en liten extra signal läggs på bolometer avgång från VI kurvan kan antas vara försumbara. Detta kallas den lilla signalen tillnärmning. I den lilla signalen gräns dvs där källan bakgrund förändringen i bolometer spänning vilket beror på en förändring i infallande strålning makt kan ges av,

Förändringen i utspänningen uppstår inte omedelbart och genom att jämföra bolometer med en RC-krets svaret kan modelleras med något av de två följande ekvationer,

När plottade dessa ekvationer har följande form (där och ),

När stora signaler anses, är avvikelse från VI kurvan inte längre försumbar. Därför förändringen i utspänningen pga en förändring i infallande effekt inte kan beräknas med tillämpning av responsivitet är det nu ges av förändring av punkt spänningen i bolometer. Vid övergången från den första till den sista VI kurvan varierar tidskonstant i systemet som en funktion av arbetspunkt. Därför bolometer är inte längre en enda tidskonstant enhet och inte kan modelleras genom att tillämpa den enkla RC ekvationer krets svar.

Buller likvärdig effekt

Av stor betydelse för varje bolometer är Noise Equivalent Power eller NEP. NEP är träffsäkerheten i signalstyrka som krävs för att motsvara det kvadratiska medelvärdet av detektorns buller. Den bästa signal-brus-förhållande som kan uppnås genom en bolometer ges av ekvationen,

I allmänhet har NEP enheterna för .

Photon Shot Buller och vågbrus

Om vi ​​betraktar partikeln bild av ljus och inse att ljuset kommer till detektorn i en slumpmässig eller okorrelerade sätt kan vi definiera buller foton skott. Photon skott buller är försvarligt vid höga frekvenser (där fotonen bild av ljus som är mest lämplig) men med lägre frekvens den våg bilden av ljus är mer lämpligt och därför definierar vi en annan term våg buller.

Genom ansökan av Bose-Einstein statistik och antar att bakgrunden för upptäckt är i form av en svartkropp finner vi att träffsäkerheten i svängningar i antalet fotoner kommer i tid I frekvensområdet V ges av,

där , = Emissivitet av bakgrunden och = Total verkningsgrad mellan bakgrunden och detektorn. Den ytterligare term tar hänsyn till vågen buller.

Photon Buller Limited NEP

I bästa fall, kommer detektorn och efterföljande komponenter lägga till en försumbar mängd ytterligare brus till signalen i tillägg till fotonen skott buller. Därför begränsar fotonen buller känsligheten hos bolometer mätningen, detta yttersta gräns kallas fotonen buller begränsade NEP, . Detta ges av ekvationen,

Photon Detector Effektivitet

I praktiken är det inte möjligt att få fotonen buller begränsade S / N, eftersom det förutsätter att en perfekt detektor används. Real detektorer skiljer i drift i det faktum att,

• en riktig detektor kan inte svara på varje fotonen
• detektorn och dess elektronik producera ytterligare buller

Två parametrar definieras för att ta hänsyn till dessa brister i att upptäcka systemet, dessa är de följsamma Quantum Effektivitet och Detective DQE.

Lyhörda DQE (RQE eller )

The RQE eller står för den ofullkomliga absorption av fotoner och definieras som den andel av händelsen fotoner som bidrar till signalen, uppenbarligen .

Detektiv DQE (DQE)

The DQE är förhållandet mellan den faktiska känslighet för maximalt uppnåeliga i princip. Parametern tar både absorption effektivitet och eventuella extra buller i detektorn beaktas. Denna parameter kan därför användas för att jämföra olika typer av detektor med varandra.

I praktiken bias spänning är vald för att få toppen DQE för varje detektor. När det gäller SPIRE är det grupper av detektorer som har ett gemensamt bias spänning som kan justeras för att få en optimal DQE för gruppen.

Andra ljudkällor

Johnson Buller

Inom varje del av något ledande material elektronerna har slumpmässiga termiska rörelser eftersom materialet har en ändlig temperatur. En bolometriska detektor och dess komponenter är - eller kan anses vara - ett motstånd med en elektrisk kontakt i vardera änden. Om det inte finns någon elektrisk potential över de kontakter spänningen i motståndet varierar slumpmässigt kring noll volt, beror det positiva och negativa svängningar är lika sannolika. Bullret makt inom komponenten är dock proportionell mot fluktuationer spänningen i kvadrat, dvs det är alltid positivt. Detta kallas Johnson eller Nyquist Noise.

Johnson buller NEP, Är,

Frekvensspektrumet av Johnson buller är platt, dvs det är frekvens oberoende. Detta kan ses ur ekvationen ovan där det inte finns någon frekvens beroende. Buller med en platt spektrum kallas vitt brus.

Phonon Buller

Hittills har vi ansåg buller från fotoner och elektroner, vi nu betrakta flödet av värme till kylflänsen som kvantiserade i form av fononer (kvantiserade gittervibrationer). Detta leder till slumpmässiga fluktuationer i temperatur bolometer. Phonon buller NEP, Är,

Temperatur Buller

Temperatur buller orsakas av det faktum att kylflänsen är inte vid en konstant temperatur och varierar något över tiden. Temperaturen buller NEP, är,

där är det spektrala intensiteten av fluktuation i temperaturen på kylflänsen (K ² Hz ^-1).

1 / f brus

Denna källa till buller är mycket viktigt i praktiska tillämpningar, även om orsakerna är ofta inte särskilt väl förstådd. För de flesta enheter är stora bullernivåer finns på låga frekvenser.

Minimera Buller

Buller påverkar resultatet på ett förnedrande sätt och att vi därför anställa flera tekniker (i syfte att minska dess effekter.

• Gör bandbredd inlägget upptäcka så små som möjligt
• Försök att undvika att mäta signaler (eller frekvensband) som sammanfaller med diskreta källor frekvens störningar
• Se till att signalen frekvens (eller frekvensband) är tillräckligt hög för att inte påverkas av betydande mängder av buller.

På grund av buller är det inte möjligt att observera en källa för långa perioder av kontinuerlig observation, vilket skulle innebära arbete på mycket låga frekvenser där buller skulle bli betydande. En teknik som används för att undvika buller är att modulera signalen med en frekvens som är tillräckligt hög att är inte längre signifikant. Moduleringen frekvens kan dock inte vara så hög att detektorer frekvenssvar resulterar i en förlust i signal. En ytterligare fördel för modulering teknik är att den kan användas för att subtrahera bakgrunden från en signal genom att växla mellan ljudkälla och en bakgrund signal, vilket är känt som â € ~ choppingâ € ™ i FIR / sub-mm observationer.

Tillägg av Buller Villkor

Den totala bullret i ett system kommer att vara en kombination av alla enskilda bullerkällor förekommer som beskrivits tidigare. Vi antar att alla bullerkällor är okorrelerade, dvs värdet av en är inte beroende av någon annan. Eftersom de är okorrelerade lägga till dem som normalt inte skulle ta hänsyn faser av buller, därför tar vi kvadratiska medelvärdet av buller (RMS-värdet) som ibland bullerkällorna kanske motverkar varandra.

där är det buller spänning spektraltätheten (VHz ^-1/2) från var och en av buller bidrag.

Övergripande Buller och NEP

Det är möjligt att definiera NEP på följande sätt, den signal effekter vilket ger S / N av 1 på en integration tid på 0,5 sekunder. Om vi ​​låter = Detektor responsivitet (VW ^-1), = Elektromagnetiska effekten av den infallande på detektorn (W) och, = Totala buller spänning spektraltäthet, kan signalen spänning skrivas,

Det buller som spänningen kommer då att ges av

Av definitionen av NEP, om sedan signalspänning . Därför får vi en ekvation för NEP i form av buller spänning spektraltätheten och responsivitet,

Enheterna i NEP normalt ges som WHz ^{-1 / 2,} den Hz ^{-1 / 2} termer refererar till inlägget upptäckt bandbredd eller inversen av integration tiden.

• Teori för buller likvärdig effekt av hög temperatur supraledare infraröd bolometer i ett foto-... uppkomma sådana teoretiskt y buller likvärdig effekt av hög temperatur supraledare infraröd bolometer i ett foto-termoelektriska driftsform Teori om buller likvärdig effekt av hög temperatur supraledare långt infraredbolometer i ett foto
• 1 Inledning (PDF) ... En reviderad version av Griffin & Holland ideal halvledare bolometer. Modellen presenteras och dess användning i ... baseras på icke-jämvikt bolometer teori. Mather [10], men antagit ... astro.cf.ac.uk / grupper / ... / Sudiwala_et_al_IJMM_ bolometer _paper.pdf
• En enkel teori för solid-stödda bolometrar En enkel teori för solid-stödda bolometrar En enkel teori för solid-stödda bolometrar En enkel teori föreslås att förklara frekvensrespons av fast-stödda bolometrar. Den förutsätter en endimensionell värmeflöde genom bolometer
• High Precision BESKRIVNING AV SEMICONDUCTOR bolometrar (PDF) ... meter, med hjälp av bolometer modellen som presenteras i Sudiwala et ... en tillräcklig? räckligt enhetlig nivå av dopning. Perfekt bolometer teori [1, 2, 7] kan användas för att ... astro.cf.ac.uk / grupper / ... / Woodcraft_et_al_IJMM_ bolometer _paper.pdf
• DOE Dokument - Nonequilibrium teori om en hot-elektron bolometer med normal metall-isolator-supraledare tunnel ... Driften av hot-elektron bolometer med normal metall-isolator-supraledare (NIS) tunnel korsning som en temperatursensor analyseras teoretiskt. Responsiviteten och bullret likvärdig effekt (NEP) i bolometer erhålls
• Bildbehandling och minsta-kvadrat Rekonstruktioner (PDF) ... uppnås genom att beakta standard bild. omsampling teori i utformningen av minsta-kvadrat problem ... dithering eftersom binda bolometer noll poäng på en inuti
• En Microcalorimeter och Bolometer Model A Microcalorimeter och Bolometer modell A Microcalorimeter och Bolometer modell vanliga icke-jämviktsteori av buller i perfekt bolometer och microcalorimeters misslyckas att förutsäga utvecklingen av den reala enheter på grund av ytterligare effekter

10 Svaren till "Bolometer Theory"

1. Ki Toy Johnson Pic säger:

   Söndag 30 September 2007 kl 14:25

   Ki Toy Johnson Pic ...

   Jag googlade på något helt annat, men hittade din sida ... och måste säga tack. trevlig läs ....

   Svara
2. Johannes säger:

   Lördag den 18 april 2009 03:35

   Bra gjort Steven. Något mycket viktigt att komma ihåg är att alla behöver en bra inledande hänvisning till att förstå grunderna innan du söker avancerad specialitet ämnen baserat på grunden av grunderna. En förståelse av grunderna är tillräckligt för de flesta att bli framgångsrik.
   Din webbsida är ett utmärkt inledande referens. Om din karriär leder dig till forskning mer av avancerade finesser bolometer och du så småningom publicera! Enl och publicera denna närvarande samling av verk samt att tjäna som inledande material för nybörjare. Jag håller med Ki. Din webbsida på bolometer teori är ett bra läs.
   J

   Svara
3. Nightshade säger:

   Fredag ​​31 Juli, 2009 kl 11:19

   Jag hittade din föreläsning mest hjälp för att utveckla en förståelse för bolometer parametrar och egenskaper. Jag är en 4: e termin studerar elektroteknik och är för närvarande engagerad i ett projekt med mikrobolometer. I detta avseende kommer jag att vara greteful om du kan skicka relevant litteratur.

   Svara
4. jiku säger:

   Onsdag den 10 mars 2010 04:05

   Jag hittade yr lucture det är mycket värdefullt för min forskning del eftersom jag inte vet något om bolometer. Men jag har fortfarande problem att se bilden i din webbsida. Vad ska jag göra? Jag försöker ladda ner din pdf.file men det fungerar inte också.
   Tveka inte att ge några förslag. Min e-post: jiku_jung9@hotmail.com

   Svara
5. säng säger:

   Torsdag 1 april 2010 kl 11:52

   Inte för att jag vill kopiera din hemsida, men jag verkligen älskar utseendet. Kan du berätta vilken tema använder du? Eller var det måttbeställda?

   Svara
6. Steven Lloyd Watkin säger:

   Måndag 12 april 2010 kl 10:40

   Temat är en länk längst ner på denna sida (i sidfoten).

   Svara
7. Steven Lloyd Watkin säger:

   Måndag 12 april 2010 kl 10:41

   Bilder och PDF återställas, ledsen för de problem

   Svara
8. H. Azari säger:

   Tisdag 13 apr 2010 kl 06:49

   kära steven
   Jag hittade din föreläsning så användbart, men jag kan inte se bilder eller hitta pdf.
   Kan du hjälpa mig vad jag shoud göra?
   Med vänlig hälsning

   Svara
9. Windboy säger:

   Fredag ​​den 6 augusti 2010 kl 01:36

   Kära steven
   Tack så mycket för din underbara föreläsning, men jag kan inte ladda ner "Simulering av SPIRE använder IDL", Kan du skicka det till mig? Tack på förhand.
   E-post: lhfsemail@gmail.com

   Svara
10. Tonldan säger:

    Söndagen den 20 februari 2011 03:56

    Kan du skicka mig ett mail. Jag gillar verkligen din design.

    Svara