Bolometre Teorisi

Tarafından Steven Lloyd Watkin , Pazartesi 18 Haziran 2007 15:55

Ne aşağıdaki 'IDL ile Taklit SPIRE' benim son yıl rapordan bir bölüm. Ben zor bolometre teorisine bazı temel giriş bulmakta proje araştırma, bu nedenle benim versiyon online koymaya karar verdim. olabilir: ayrıca rapor dördüncü rapor benim tarafından indirme bağlamda tam görmek bölümde Sen Taklit SPIRE IDL kullanarak .

  • Temel İlkeler
  • Sabit zaman
  • Cevap verebilen
  • Bir bolometre Zaman Yanıtları
  • Gürültü Eşdeğer Güç
    • Foton Gürültü ve Dalga Gürültü Shot
    • Foton Gürültü Limited NEP
  • Foton Dedektör Etkinliği
  • Gürültü Diğer Kaynaklar
  • En aza indirilmesi Gürültü
  • Gürültü Şartlar eklenmesi
  • Genel Gürültü ve NEP

Temel İlkeler

Bir bolometre elektriksel direnç değişikliği sırayla elektriksel direnci bir değişikliğe neden olan sıcaklık artışına neden olur bolometre tarafından emilir radyasyon received. Gelen radyasyon miktarı ile doğru orantılıdır üreterek gelen radyasyonu algılayan bir aygıttır .

şöyle bir bolometre temel özellikleri şunlardır:

Şekil 3.1 - Bir Bolometric Dedektör Diyagramı

Bolometre kendisi (EM) radyasyon malzeme neden kafes içinde atomlar serbest elektronların çarpışmaları ücretsiz electrons. kinetik enerjisi artan madde tarafından emilir sabit temperature. Gelen elektromanyetik bir soğutucu ile bağlantılı bir emici malzeme oluşur titreşimler hangi sıcaklık bir değişiklik olarak görülmektedir.

termometre için tipik malzeme ve katkılı germanium. gibi yarıiletkenlerde sıcaklık küçük bir değişiklik için önemli böyle bir somut değişiklikler için direnç olan denklemi ile karakterize edilebilir,

(3.1)

nerede , Sürekli bir direnç parametre (Ohm) denir direnç (Ohm), bir ve direncin sıcaklığı (K) malzemenin bant aralığı sıcaklıktır. Değeri ve malzeme parametresi denir sembolü verilir . Sıcaklık ile tanımlanır direnç katsayısı,

(3.2)

Bir bolometre dedektör operasyonları Şekil 3.1 'de gösterilmiştir. sıcaklığında bolometre sabit sıcaklık bir soğutucu ile bağlantılıdır bir termal iletkenliği ile . Bir dc kutuplama akımı bolometre akan bir gerilim üreten . Gelen radyasyonun gücü değişiklikler direnç değişikliklere yol çıkış voltajı, ve bu nedenle . Tipik bolometre besleme ve okuma devresi Şekil 3.2 'de resmedilmiştir.

Şekil 3.2 - bolometre besleme ve okuma devre

direnç akan akım güç kaybı nedenleri emici malzeme içine. Buna ek olarak, emici tarafından emilen radyant enerji miktarı ile başlar . bolometre içinde dağılmış toplam güç Bu nedenle, verilir

(3.3)

kararlı hal koşulları altında emici tarafından emilen enerji termal bağlantı ile soğutucu için silinecektir, bu, şu ilişki ile verilir

(3.4)

bolometre için dc akım-gerilim (VI) eğrisi, denklemler ile tanımlanır

(3.5)

Uygulamada bolometre L R direnci ile bir önyargılı pil voltajı V 0 ve yük. yük direncin normalde çok, tüm çalışma aralığı boyunca bolometre direnci daha yüksek olması için tasarlanmıştır. Bu biraz sabit kalır güç direnç termometre ile bolometre içinde dağılmış şekilde istikrarlı bir düzeyde bolometre üzerinden geçen akım tutmaktır.

bolometre ve çalışma noktası, daha sonra yük eğrisi ve denklemi ile belirlenen yük hattının kesiştiği yerde verilir

(3.6)

Ben IDL üretilen bir simülasyon programının sonuçları tipik bir VI eğrisi ve yük hattı gösteren bir grafik Şekil 3.3 'de verilmiştir.

Şekil 3.3 - çizilen üzerinde bir yük hattı ile birkaç VI eğrilerinin IDL çıktı

Şekil 3.3 'de görülebileceği gibi, bolometre direnci inanılmaz derecede küçük akımlar de yüksektir. Bolometre direncini azaltmak için ve sonunda düzeyleri kapalı yüksek akımlar de ek güç emici malzeme içine dağılmış olması nedeniyle başlar. radyasyon olay dedektör ise, emicideki harcanmış gücü de artacaktır. Bu VI eğri olarak yukarıdaki şemada gösterildiği Ezici bir etkisi vardır. olarak [8] 'de elde edilen emici malzeme harcanmış elektrik, verilir

(3.7)

nerede soğurucu sıcaklık ve oransal artış temsil eder bir sıcaklık olmanın emici malzeme temsil . , Aşağıdaki güç yasa gereğidir verilen de 3 He buzdolabı sıcaklığında (WK -1) bağlantı termal statik ısı iletkenlik biridir

(3.8)

nerede ve WK -1), (statik ısı iletkenlik de 300mK olduğunu ve ısı iletkenliği indeksi denir. Terim Ve yükleme parametre denilen denklemi tarafından verilen olmasıdır

(3.9)

Bu olay EM radyasyon dedektör var VI eğrisinin Ezici etkisine sebep yükleme parametredir.

Sabit zaman

Çoğu fiziksel sistemlerdeki gibi bir bolometre girdileri bir anlık değişiklik anında yanıt vermiyor. Birçok durumda giriş bir adım değiştirmek için bir dedektör yanıt üretimde bir üstel değişimdir. Bu şarj ve bir RC devresinde bir kondansatörün deşarj benzer.

Bir bolometre soğurucu ısı kapasitans tek bir enerji deposu var. Bu nedenle bir bolometre bir tek birinci dereceden diferansiyel denklemi kullanılarak modellenebilir, bu da bir bolometre bellek etkilerine maruz anlamına gelir. Tepki bu yüzden sürekli bir zaman karakterize edilebilir hangi bir bolometre için, denklem ile verilir

(3.10)

nerede ) Olduğunu emici ısı kapasitesi (JK -1. Statik ısı iletkenlik bir değer ile ilgilidir tarafından 3 He buzdolabı sıcaklığında

(3.11)

radyasyon olay küçük bir miktarda da sıcaklık artışları dedektörü açık olduğunda, bu emiciler ısı kapasitesi ve termal iletkenlik bağlantıları etkiler. yüksek ısıda absorber ısı kapasitesi bilinen bir değer ile ilgilidir 300mK at tarafından

(3.12)

nerede ısı kapasitesi endeksidir. denklem (3.2) baktığımızda ve sıcaklık direnç katsayısı olarak yazılabilir yukarıda tanımlanan terimleri kullanarak,

(3.13)

nerede denkleminde direnç-sıcaklık ilişkisi (3.1) den güç hukuk endeksidir. Biz görüyoruz Bir yarıiletken bolometre için olumsuzdur. Bu değeri yol açar hangi bu denklem (3.10) tarafından açıklanan daha küçüktür. Bu [9] anlatılan Elektrotermik Görüşleri kaynaklanmaktadır. Yeni bir dönem tanımlamak hangi değeri Elektrotermik geribildirim için bir düzeltme ile,

(3.14)

Bu yeni değer bir değer tanımlamak için bize izin verir Bu tekrar, elektrotermal geribildirim için bir düzeltme içerir

(3.15)

termal direnç bir gerilim tarafından önyargılı gibi emici içine dağılmış elektrik verilebilir . olay EM sinyal artış termal direncin sıcaklık artacak ve bu nedenle de onun direncini artırmak; sırayla bu dağılmış gücünün azalmasına neden olacaktır. Direncin onun eğrisinin dik bölümünde oyunculuk ise emicideki harcanmış sonra toplam güç gibi olacak sıcaklığı sabit kalır. Bu sistem olarak negatif Elektrotermik geribildiriminden denir. Bu zaman sürekli azaltma avantajı termik zaman olarak sabit (3.10) de verilmiştir.

Cevap verebilen

Cevap verebilen bir bolometre sıcaklık değişikliği eşdeğerdir olay güç bir değişiklik için çıkış gerilim değişikliği olarak tanımlanır. bolometre ve gerilim cevap verebilen, olarak tanımlanır

(3.16)

ve çalışma noktasının bir fonksiyonu olarak değişir. dedektör sinyal modülasyonu ise modülasyon frekans dedektörü iktidar değiştirmek için cevap verebilir ki yeteri kadar düşük olmalıdır. O, olduğu gösterilmiştir

(3.17)

nerede modülasyon frekansı. Sıfır frekans (dc) cevap verebilen, ifade kullanarak yük eğrisi doğrudan değerlendirilebilir

(3.18)

nerede sıfır frekans dinamik empedans (Ohm) bolometre ve çalışma noktasında. Tarafından verilecek gösterilebilir

(3.19)

Bir bolometre Zaman Yanıtları

bolometers çoğunluğu için VI eğrisinin şekli bir arka plan güç düzeyinde hakimdir. Küçük bir ek sinyal bolometre uygulandığında VI eğrisinden kalkış ihmal edilebilir kabul edilebilir. Bu küçük sinyal yaklaşımı olarak bilinir. küçük işaret sınırı yani içinde nerede kaynak arka bolometre gerilimdeki değişimi tarafından verilebilir olay radyasyon güç bir değişiklik nedeniyle,

(3.20)

çıkış gerilim değişimi, anında ve bir RC devresi ile aşağıdaki iki denklem biri tarafından modellenebilir yanıt bolometre karşılaştırarak oluşmaz

(3.21)

Bu denklem (aşağıdaki formu var çizilen ne zaman nerede ve )

Şekil 3.4 - Time for karşı V Arsalar hem Pozitif ve Negatif V

büyük sinyalleri göz önüne alındığında, VI eğrisinden kalkış artık göz ardı edilebilir. Bu nedenle olay güç bir değişiklik nedeniyle çıkış gerilimi değişim cevap verebilen şimdi bolometre işletim noktası gerilimdeki değişimi verilir uygulanarak hesaplanan olamaz. Son VI eğriye ilk gelen hareket, zaman, sistemin sürekli çalışma noktasının bir fonksiyonu olarak değişir. Bu nedenle bolometre ve artık sürekli cihazı tek bir zaman basit bir RC devresi yanıt denklemleri uygulanarak model olamaz.

Şekil 3.5 - VI büyük bir sinyal değişim eğrileri

Gürültü Eşdeğer Güç

Herhangi bir bolometre büyük önem Of Noise Eşdeğer Güç veya NEP olduğunu. NEP kök kök eşit için gerekli kare sinyal gücü, dedektörün gürültü kare ortalama ortalamasıdır. En iyi sinyal bir bolometre by-gürültü oranı başarılabilir için, denklem ile verilir

(3.22)

Genel olarak, NEP birimleri vardır .

Foton Gürültü ve Dalga Gürültü Shot

biz ışık ve ışık rastgele veya ilintisiz bir şekilde dedektör ulaşacaksınız fark parçacık resmi düşünürsek, biz foton çekim gürültü tanımlayabilirsiniz. Foton atış gürültü, yüksek frekansları (ışık foton resim en uygun olduğu) de ancak düşük frekanslarda ışık dalga resmi haklı olduğunu daha uygun bu nedenle bir dönem dalga gürültü tanımlamaktır.

Bose-Einstein istatistikleri uygulama ve algılama için arka planda biz kök süre gelen fotonların sayısının karesi dalgalanmalar anlamına bulmak bir cisim şeklinde olduğu varsayımı ile , Frekans aralığında V, verilir

(3.23)

nerede , arka plan = yayma ve arka plan ve dedektör arasında = genel iletim verimliliği. Ek dönem dalga gürültü için dikkate alır.

Foton Gürültü Limited NEP

En iyi durumda, dedektör ve takip eden bileşenleri foton atış gürültü ek olarak sinyal ek gürültü ihmal edilebilir miktarda katacaktır. Bu nedenle, foton gürültü, bu nihai sınırı NEP sınırlı foton gürültü denir bolometre ölçüm hassasiyetini sınırları . Bu denklem ile verilir

(3.24)

Foton Dedektör Etkinliği

Bu mükemmel bir detektör kullanıldığını varsayar olarak Pratikte bu foton gürültü sınırlı S / N elde etmek mümkün değildir. Gerçek dedektörleri, aslında bu operasyonda farklı

  • gerçek bir dedektör her foton yanıt veremeyebilir
  • dedektörü ve elektronik ilave bir ses üretmek

Iki parametre için algılama sistemi eksiklikleri hesabınızda bu içine çekmek için tanımlanır; bu Duyarlı Kuantum Verimi ve Dedektif Kuantum Verimi vardır.

Duyarlı Kuantum Verimi (veya RQE )

RQE veya fotonların kusurlu emilimi için hesaplar ve belli ki, sinyal katkı olay fotonların kesir olarak tanımlanır .

Dedektif Kuantum Verimi (DQE)

(3.25)

DQE maksimum prensipte başarılabilir için gerçek duyarlılık oranıdır. Parametre hem soğurulması ve dikkate dedektör üretilen herhangi bir ekstra gürültü alır. Bu parametre nedenle birbirleriyle dedektör farklı karşılaştırmak için kullanılır.

Uygulamada bias voltajı sipariş her dedektör için zirve DQE elde etmek için seçilir. SPIRE durumunda, bu dedektörlerin gruplar paylaşan grup için optimal DQE elde etmek için ayarlanabilir ortak bir önyargı gerilim.

Gürültü Diğer Kaynaklar

Johnson Gürültü

materyal sonlu bir sıcaklık vardır çünkü herhangi bir iletken malzeme herhangi bir parça içinde elektronlar rasgele termal hareketler var. A bolometric dedektörü ve bileşenleri - ya da kabul edilebilir - her iki ucunda bir elektrik kontağı bir direnç. Pozitif ve negatif dalgalanmalar eşit muhtemel çünkü direnç içinde gerilimi sıfır volt rastgele dalgalanma olacak kişiler arasında herhangi bir elektriksel potansiyel varsa, bu. bileşen içindeki gürültü güç ancak her zaman pozitiftir dalgalanma gerilim kare yani doğru orantılıdır. Bu Johnson veya Nyquist gürültü denir.

Johnson gürültü NEP, Olduğunu,

(3.26)

Johnson gürültü frekans spektrumu o frekans bağımsız düz yani. Bu hiçbir frekans bağımlılığı yoktur yukarıdaki denklem görülebilir. Gürültü düz bir spektrum ile beyaz gürültü olarak adlandırılır.

Fonon Gürültü

Şimdiye kadar biz şimdi fononlar şeklinde (örgü titreşimleri quantised) içinde quantised ısı emici içine ısı akışını düşünün, fotonlar ve elektronlar oluşturulan gürültü kabul var. Bu bolometre sıcaklığının rasgele dalgalanmaların yol açar. Fonon gürültü NEP, Olduğunu,

(3.27)

Sıcaklık Gürültü

Sıcaklık gürültü soğutucu sabit sıcaklıkta olmadığını ve zamanla biraz değişir aslında kaynaklanır. Sıcaklık gürültü NEP, Olduğunu

(3.28)

nerede ) 2 Hz -1 K (lavabo ısı olan spektral yoğunluk dalgalanma sıcaklığı.

1 / f Gürültü

neden çoğu zaman çok iyi anlaşılır olmasına rağmen gürültü Bu kaynak, çok pratik uygulamalarda önemlidir. en cihazlar için, gürültü büyük düzeyleri düşük frekanslarda bulunur.

Şekil 3.6 - 1 / f Gürültü

En aza indirilmesi Gürültü

Gürültü ve onur kırıcı biçimde sonuçları etkiler bu yüzden etkilerini azaltmak için çeşitli teknikler (sırayla kullanır.

  • olabildiğince küçük sonrası algılama bant genişliği olun
  • ayrık frekans girişim kaynakları ile çakışan (veya frekans bandı) ölçüm sinyalleri kaçının
  • Sağlamak sinyal frekansı (veya frekans bandı) yeteri kadar gürültü önemli miktarda etkilenmek için değil, yüksek olduğunu söyledi.

nedeniyle gürültü sürekli gözlem uzun süreler için bir kaynak gözlemek mümkün değildir, bu çok düşük frekanslarda çalışan içerecektir nerede gürültü önemli olacaktır. önlemek için kullanılan bir tekniktir gürültü için yeterince yüksek bir frekansta sinyali modüle olduğunu önemli artık. Modülasyon frekans Ancak, bu kadar yüksek olamaz sinyal kaybına dedektörleri frekans tepkisi sonuç. modülasyon tekniği için bir diğer avantajı da kaynak sinyali ve bir arka plan sinyal arasında geçiş yaparak bir sinyal arka plan çıkarmak için kullanılabilir olmasıdır; bu FIR / alt mm gözlemlerinde â € ~ choppingâ € ™ olarak da bilinir.

Gürültü Şartlar eklenmesi

bir sistem içinde toplam gürültü, yukarıda açıklandığı gibi mevcut tüm bireysel gürültü kaynakları arada olacak. Biz gürültü kaynakları tüm birinin değeri başka bağımlı değildir ilintisiz yani olduğunu varsayıyorum. birbirlerini iptal bazen gürültü kaynakları olarak bu nedenle kök salması, gürültü evreleri dikkate almayacağını normalde gürültü (rms değeri) kare onları ortalama ekleyerek ilintisiz olduğu için.

(3.29)

nerede katkılar (VHz -1 / 2) Her bir gürültü yoğunluğu spektral gerilimi gürültü.

Genel Gürültü ve NEP

Onu şu şekilde, 0.5 saniye bir entegrasyon süresi de 1 S / N verir sinyal gücü NEP tanımlamak mümkündür. biz izin verirsek = Dedektör cevap verebilen (VW -1) dedektörü (W) ve = elektromanyetik güç olay = Toplam gürültü gerilim spektral yoğunluğu, sinyal gerilim, yazılabilir

(3.30)

Gürültü gerilim, daha sonra tarafından verilecektir

(3.31)

NEP tanımı, eğer By sonra sinyal gerilimi . Bu nedenle biz, Gürültü gerilim spektral yoğunluk ve cevap verebilen açısından NEP için bir denklem elde

(3.32)

ve NEP birimleri şartları ve 2 / normalde verilen olarak WHz -1 / 2,, Hz -1 zaman entegrasyon ifade eder sonrası algılama ters bant genişliği veya.

10 Responses to "bolometre Theory"

  1. Ki Toy Johnson Pic diyor ki:
    Eylül 2007 02:25 30 Pazar pm

    Ki Toy Johnson Pic ...

    Ben tamamen farklı bir şey için Googled ama sayfa ... buldum ve teşekkür söylemek zorundayım. güzel oku ....

    Cevap
  2. Ahmet diyor ki:
    Nisan 2009 03:35 18 Cumartesi pm

    Iyi Steven yapıldı. Şey çok hatırlamak önemlidir herkes temellerini temel üzerine ileri uzmanlık konuları takip önce temellerini anlamak için iyi bir tanıtım referans ihtiyacı var. temel bir anlayış insanların çoğu başarılı olmak için yeterlidir.
    Web sayfanız mükemmel bir tanıtım referanstır. kariyer yolunu açar Eğer bolometers gelişmiş inceliklerini daha fazla araştırmaya ve sonunda yayımlamak, lütfen korumak ve iyi ilk sayaçları için tanıtım malzemesi olarak görev yapmak üzere iş bu mevcut vücut yayınlayın. Ben Ki katılıyorum. bolometre teorisi üzerine Web sayfanız iyi okunur.
    J

    Cevap
  3. Itüzümü diyor ki:
    11:19 31 Temmuz 2009 Cuma saat

    Senin dersin en bolometre parametreleri ve özellikleri bir anlayış geliştirmek faydalı buldum. Ben ve elektrik mühendisliği 4. dönem öğrencisiyim henüz mikrobolometre içeren bir proje içeyim. Eğer literatür sonrası eğer bu konuda ben greteful olacaktır.

    Cevap
  4. jiku diyor ki:
    Mart 2010 04:05 10 Çarşamba pm

    Ben bolometre hakkında hiçbir şey bilmiyorum çünkü benim araştırma bölümü için çok kullanışlı yıl lucture bulundu. Ama yine de sayfanıza resim için sorun var. Ne yapmalıyım? Senin pdf.file indirmeyi deneyin ama o da çalışmıyor.
    bazı öneri vermek için çekinmeyin. Benim e-mail: jiku_jung9@hotmail.com

    Cevap
  5. karyola diyor ki:
    Nisan 2010 11:52 1 Perşembe pm

    Ben web sitenize kopyalamak istediğiniz değil, ama ben gerçekten göz seviyorum. Hangi tema kullandığınız bana anlatır mısınız? Ya da özel yapım oldu?

    Cevap
  6. Steven Lloyd Watkin diyor ki:
    Nisan 2010 10:40 12. Pazartesi duyuyorum

    Tema bu sayfayı (altbilgi) altında bağlantılıdır.

    Cevap
  7. Steven Lloyd Watkin diyor ki:
    Nisan 2010 10:41 12. Pazartesi duyuyorum

    Görüntüleri ve PDF sorunlar için üzgünüm, restore

    Cevap
  8. H. Azari diyor ki:
    Nisan 2010 06:49 13. Salı duyuyorum

    sevgili steven
    Senin ders çok yararlı buldum, ama ben resimleri göremiyorum veya pdf bulabilirsiniz.
    i yapmak shoud ne bana lütfen yardım istiyorsunuz?
    içtenlikle sizinki

    Cevap
  9. Windboy diyor ki:
    Ağustos 2010 at 01:36 6 Cuma saat

    Sevgili steven
    harika ders için çok teşekkür ederim, ama ben "IDL ile Taklit SPIRE" indiremiyorum, onu bana gönderebilir misiniz? Şimdiden teşekkür ederim.
    E-posta: lhfsemail@gmail.com

    Cevap
  10. Tonldan diyor ki:
    Şubat 2011 de 03:56 20 Pazar pm

    Bana bir mail misiniz. Ben gerçekten bir tasarım gibi.

    Cevap

Bir Yanıt bırak













Panorama Tema tarafından Themocracy

10 ziyaretçi online şimdi
8 ziyaretçi, 2 bot, 0 üye
Max ziyaretçi bugün: 12:11 14 UTC
Bu ay: 26 de 2011/07/05 12:35 UTC am
Bu yıl: 130 28-03-2011 22:40 UTC
Tüm zamanların: 130 28-03-2011 10:40 UTC