Болометра теорії
Далі слід глава з моєї остаточний доповідь році на "Моделювання SPIRE використанням IDL. При дослідженні проекту мені було важко знайти будь-то введення в болометра теорії, так що я вирішив поставити мою версію в Інтернеті. Ви також можете бачити главу в повному контексті, завантаживши моєму четвертому доповіді доповіді: Моделювання SPIRE використанням IDL .
- Основні принципи
- Постійна часу
- Чутливість
- Час відгуку болометра
- Еквівалентна потужність шуму
- Фотон дробового шуму й шуму хвиль
- Фотонного шуму обмеженою НЕП
- Фотон ефективності детектора
- Інші джерела шуму
- Мінімізація шуму
- Додавання шуму Умови
- Загального шуму і НЕП
Основні принципи
Болометр пристрій, який розпізнає випромінювання, виробляючи зміни електричного опору пропорційну кількість випромінювання, радіації, що надходить received. поглинається болометра що призводить до збільшення його температури, яка в свою чергу призводить до зміни його електричного опору .
Істотні риси болометра полягають у наступному:
Малюнок 3.1 - Схема болометричний детектор
Болометра у свою чергу складається з поглинача матеріалу пов'язане з радіатором основних Вхідні temperature. електромагнітного (ЕМ) випромінювання поглинається матеріалу збільшення кінетичної енергії вільних electrons. зіткнень вільних електронів з атомами в решітці завдати матеріальної коливань, які спостерігаються у зміні температури.
Типові матеріали для термометра напівпровідників, таких як легованих germanium. опору для таких змін матеріалу істотно для невеликої зміни температури і може бути охарактеризована рівняння,
| (3.1) |
де 
є постійним називається опір параметра (Ом), 
це опір (Ом), 
є температура резистора, і 
(K) є розрив матеріалу група температури. Значення 
називається параметр матеріалу і задається символом 
. Температурний коефіцієнт опору визначається,
| (3.2) |
Операцій болометра детектора показано на малюнку 3.1. Болометра при температурі 
пов'язаний з радіатором з фіксованої температури 
по теплопровідності 
. Постійний струм 
проходить через болометр генерації напруги 
. Зміни в входять потужності випромінювання 
привести до зміни опору 
, І тому в вихідна напруга 
. Типові зміщення болометра і зчитування схема зображена на малюнку 3.2.
|
Рисунок 3.2 - болометр зсуву і зчитування ланцюга |
Струм, що тече через резистор причин дисипації потужності 
в матеріал, що поглинає. Крім того, кількість променевої енергії, що поглинається поглинача позначається 
. Загальна потужність, що розсіюється в болометра 
Таким чином, визначається,
| (3.3) |
У стаціонарних умовах енергія поглинається поглиначем будуть видалені з радіатором на теплових посилання, це дає наступне співвідношення,
| (3.4) |
Постійна напруга-струм (VI) кривої болометра визначається рівняннями,
| (3.5) |
На практиці болометра зміщується від батареї напругою V 0 і опір навантаження R L. Опір резистора навантаження, як правило, призначені для набагато вище, ніж опір болометра над усім робочому діапазоні. Це дозволить нам уникнути струм, що проходить через болометр на стабільному рівні, з тим, що потужність, що розсіюється в болометра від термометра опору залишається кілька постійна.
Робоча точка болометра з і на перетині кривої навантаження і навантаження лінії, визначається рівнянням,
| (3.6) |
Графік, що показує типова крива VI і лінії навантаження з результатів програми моделювання, які я зробив у IDL наведена на рис 3.3.
|
Малюнок 3.3 - IDL виході з декількох кривих VI з навантаженням лінії нанесені на |
Як видно з малюнка 3.3, опір болометра неймовірно високим при малих струмах. Болометра опір починає зменшуватися і в кінцевому підсумку вирівнюється при великих струмах, оскільки додаткові потужності розсіюється в матеріал, що поглинає. Якщо випромінювання, що падає на детектор, потужність, що розсіюється в амортизатор буде також збільшуватися. Цей вплив давлячи криву VI, як показано на малюнку вище. Електричної потужності, що розсіюється в матеріал, що поглинає, як отримані в [8], має вигляд,
| (3.7) |
де 
представляє дробових збільшення температури поглинача, де 
представляє поглинача матеріалу при температурі 
. 
є статичною теплопровідність теплової посилання на 3 He холодильник температури (WK -1), який визначається за наступною статечному закону,
| (3.8) |
де 
є статичною теплопровідність в 300mK (WK -1), і 
і називається теплової індекс провідності. Термін 
називається завантаження параметрів і задається рівнянням,
| (3.9) |
Це завантаженні параметр, який призводить до того, давлячи ефект кривої VI, коли є випромінювання, що падає EM на детекторі.
Як і більшість фізичних систем болометра не реагує миттєво на момент зміни його входи. У багатьох випадках реакції детектора на крок зміни вхід експоненціального зміни вихідний. Це аналогічно тому, зарядки і розрядки конденсатора в ланцюзі RC.
Болометра має один резервуар енергії в тепло ємності поглинача. Тому болометра можуть бути змодельовані за допомогою одного диференціального рівняння першого порядку, це також означає, що болометр не страждають від ефекту пам'яті. Відповідь може бути характеризується постійною часу 
яка для болометра задається рівнянням,
| (3.10) |
де 
є теплоємність поглинача (JK -1). Статичного теплопровідність 
пов'язано зі значенням 
в 3 He холодильник температури,
| (3.11) |
Коли випромінювання, що падає на детектор він збільшує її температуру невелика кількість, це впливає на здатність поглиначів тепла і теплопровідність посилання. Потенціалу поглинач тепла на підвищення температури пов'язано з відомим значенням 
на 300mK шляхом,
| (3.12) |
де 
це індекс теплоємності. Озираючись на рівняння (3,2) і використовуючи терміни, визначені вище, температурний коефіцієнт опору можна переписати у вигляді,
| (3.13) |
де 
це індекс статечному закону з опором температури співвідношення в рівняння (3,1). Ми бачимо, що 
негативна для напівпровідникових болометра. Це призводить до значення 
що менше, ніж описується рівнянням (3.10). Це пов'язано з електротермічної зворотного зв'язку, яка описана в [9]. Ми визначимо новий термін 
що значення 
з поправкою на електротермічних зворотного зв'язку,
| (3.14) |
Це нове значення дозволяє визначити значення 
що знову-таки містить виправлення для електротермічних зворотного зв'язку,
| (3.15) |
Як терморезистором зміщена від напруги 
електричної потужності, що розсіюється в амортизатор може бути задана 
. Збільшення сигналу інциденту EM зросте температура терморезистором а отже, і збільшення його опору, що, в свою чергу призведе до зниження розсіюваною потужності. Якщо резистор, що діють в крутій частині кривої, то її повна потужність, що розсіюється в амортизатор буде залишатися постійним, а буде його температура. Ця система називається негативно електротермічного зворотного зв'язку. Це має ту перевагу зниження постійної часу, щоб з 
Теплова постійна часу як зазначено в (3.10).
Чутливість
Чутливість визначається як зміна вихідної напруги при зміні потужності падаючого випромінювання, які в болометра еквівалентно зміни температури. Напруга чутливість болометра визначається як,
| (3.16) |
і змінюється в залежності від робочої точки. Якщо сигнал на детектор модулюється частота модуляції повинна бути досить низькою, так що детектор може реагувати на зміни у владі. Показано, що,
| (3.17) |
де 
частота модуляції. Нульовий частоті (DC) чутливість можна оцінити безпосередньо з кривої навантаження з використанням вираження,
| (3.18) |
де нульовій частоті динамічний опір 
(Ом) болометра 
в робочій точці. 
Можна показати, що бути задана,
| (3.19) |
Час відгуку болометра
Для більшості болометрів форма кривої VI домінують потужності фону. При невеликий додатковий сигнал подається на болометр відхід від кривої VI можна вважати незначними. Це відомо як наближенні малих сигналу. У малих тобто межа сигналу, де джерело 
тлі змін до болометра напруга у зв'язку зі зміною потужності падаючого випромінювання може бути задана,
| (3.20) |
Зміна вихідної напруги не виникає миттєво і шляхом порівняння болометр з ланцюга RC відповідь може бути змодельована за допомогою одного з наступних двох рівнянь,
| (3.21) |
Коли побудовані ці рівняння мають такий вигляд (де 
і 
),
|
Малюнок 3.4 - Залежність V від часу для позитивних і негативних V |
Коли великі сигнали розглядаються, відхід від кривої VI більше не незначно. Тому зміна вихідної напруги у зв'язку зі зміною в інциденті влади не можуть бути зроблені з застосуванням чутливість в даний час визначається зміною напруги робоча точка болометра. При переході від початкової до кінцевої кривої В. І., постійна часу системи варіюється в залежності від робочої точки. Тому болометра більше не однієї постійної часу пристрою і не можуть бути змодельовані шляхом застосування простих рівнянь ланцюга RC відповідь.
|
Малюнок 3.5 - VI криві велика зміна сигналу |
Еквівалентна потужність шуму
Велике значення для будь-якого болометр еквівалентна потужність шуму або НЕП. НЕП Середньоквадратичне сигналу, необхідні для рівного середньоквадратичне детектора шуму. Кращий сигнал-шум можуть бути досягнуті на болометр задається рівнянням,
| (3.22) |
Загалом, НЕП одиниць 
.
Фотон дробового шуму й шуму хвиль
Якщо розглядати частки малюнок світла і розумію, що світло прибуде в детектор у випадкових або некорельованих чином, ми можемо визначити шум фотонів постріл. Фотон дробового шуму є виправданим на високих частотах (де малюнок фотон світла є найбільш підходящим), але на більш низьких частотах хвильової картини світу є більш доцільним, і тому ми визначимо новий термін шум хвиль.
При застосуванні статистиці Бозе-Ейнштейна і припускаючи, що фоном для виявлення у вигляді чорного отримаємо, що корінь середній квадрат флуктуації числа фотонів, що падають в часі , В інтервалі частот 
V дається,
| (3.23) |
де 
, 
= Випромінювання фону, і 
= Загальна ефективність передачі між фоном і детектора. Додаткові 
член враховує для хвилі шуму.
Фотонного шуму обмеженою НЕП
У кращому випадку, детектора і наступні компоненти будуть додавати незначна кількість додаткових шумів сигналу на додаток до дробового шуму фотона. Таким чином, фотонний шум межах чутливості болометра виміри, це граничний струм називається фотонного шуму обмеженою непу, 
. Це задається рівнянням,
| (3.24) |
Фотон ефективності детектора
На практиці це не можливо отримати фотонного шуму обмеженою S / N, як це передбачає, що ідеальний детектор використовується. Реальний детектори відрізняються в експлуатацію в тому, що,
- реальний детектор може не реагувати на кожен фотон
- детектора і електроніки виробляти додатковий шум
Два параметри визначені для того, щоб взяти до уваги ці недоліки в системі виявлення; ці реагування квантової ефективності і детектив квантова ефективність.
Чуйний Квантова ефективність (або RQE 
)
RQE або рахунки за недосконалої поглинання фотонів і визначається як частка фотонів, які вносять вклад в сигнал, очевидно, 
.
Детектив квантової ефективності (DQE)
| (3.25) |
DQE є відношення фактичної чутливості до максимально досяжною в принципі. Параметр приймає як ефективність поглинання і яких-небудь додаткових шумів в детекторі до уваги. Цей параметр може бути використаний для порівняння різних типів детекторів один з одним.
На практиці напруги зміщення обраний для того, щоб отримати максимум DQE для кожного детектора. У разі шпиль, це групи детекторів, які мають загальну напругу зсуву, які можуть бути скориговані для отримання оптимального DQE для групи.
Інші джерела шуму
Джонсон шуму
У будь-який шматок будь провідного матеріалу електрони хаотичного теплового руху, так як матеріал має кінцевій температурі. Болометричний детектора і його компоненти - і не може вважатися - резистор з електричного контакту на кожному кінці. Якщо немає електричного потенціалу на контактах напруга в резисторі буде коливатися біля нуля випадково вольт, це відбувається тому, позитивних і негативних коливань рівноймовірні. Потужність шуму всередині компонента, однак пропорційно квадрату флуктуації напруги тобто це завжди позитивний. Це називається Джонсон або Найквіста шуму.
| (3.26) |
Частотний спектр шуму Джонсона плоска тобто частота незалежні. Це видно з цього рівняння, де немає частотної залежності. Шум з плоским спектром називається білим шумом.
Фононного шуму
До цих пір ми розглядали шум, створюваний з фотонів і електронів, розглянемо тепер потік тепла в радіатор як квантуется у вигляді фононів (квантуется коливання решітки). Це призводить до випадкових коливань температури болометра. Фононного шуму непу, 
, Т. е.
| (3.27) |
Температура шуму
Температура шум викликаний тим, що радіатор не при постійній температурі і слабо змінюється з часом. Шумова температура непу, 
є,
| (3.28) |
де 
є спектральна інтенсивність коливань температури радіатора (K 2 Гц -1).
1 / / шуму
Це джерело шуму дуже важливо для практичного застосування, хоча причини часто не дуже добре зрозумів. Для більшості пристроїв, великі рівні шуму знаходяться на низьких частотах.
|
Рис 3,6 - 1 / / шуму |
Мінімізація шуму
Шум впливає на результати в такому, що принижує моди і тому ми використовуємо кілька методів (з метою зменшення її наслідків.
- Зробити пропускної пост виявлення як можна менше
- Намагайтеся уникати вимірювальних сигналів (або смуги частот), що збігається з дискретним джерел перешкод частоти
- Переконайтеся, що частота сигналу (або смуги частот) є високою, щоб не залежати від значної кількості шуму.
Через 
шуму не представляється можливим спостерігати джерела протягом тривалого періоду безперервного спостереження; це буде означати працює на дуже низьких частотах, де 
шум буде мати істотне значення. Один з методів, використовується, щоб уникнути 
шуму для модуляції сигналу з частотою, досить високою, що 
більше не значні. Частота модуляції не може, однак, настільки високі, що детектори частотну характеристику призводить до втрати сигналу. Ще одна перевага для модуляції є те, що він може бути використаний для вирахування фону від сигналу, перемикання між джерелом сигналу і фонового сигналу, це відомо як â € ~ € ™ choppingâ в РПІ / суб-мм спостережень.
Загальний шум у системі буде поєднання всіх окремих джерел шуму, присутнього як описано вище. Ми вважаємо, що всі джерела шуму некорельованих тобто вартість одного не залежить від будь-якої іншої. Як вони не корельовані додавши їх зазвичай не беруть до уваги фази шуму, тому беремо корінь середній квадрат шуму (ефективне значення), а іноді джерел шуму можуть анулювати один одного.
| (3.29) |
де 
це напруга шумів спектральної щільності (VHZ -1 / 2) від кожного з шуму внесків.
Загального шуму і НЕП
Це можна визначити НЕП наступним чином, потужність сигналу, який дає S / N 1 в інтеграції час 0,5 секунди. Якщо ми дозволимо 
= Детектора чутливість (VW -1), 
= Електромагнітною потужності падаючого на детектор (W) і, 
= Загальний шум напруги спектральна щільність, напруга сигналу можна записати,
| (3.30) |
Шумова напруга видадуть шляхом,
| (3.31) |
За визначенням непу, якщо 
Потім сигнал напруги 
. Тому ми отримуємо рівняння для НЕП в умовах шуму напруги спектральної щільності і чутливості,
| (3.32) |
Одиниць непу, як правило, дано як WHZ -1 / 2, Гц -1 / 2 Умови відноситься до пропускної здатності виявлення поштою або зворотної інтеграції часу.
- Теорія еквівалентна потужність шуму з високотемпературного надпровідника далекого інфрачервоного болометра у фото-... Теор У еквівалентна потужність шуму з високотемпературного надпровідника далекого інфрачервоного болометра у фото-термоелектричних режим роботи Теорія еквівалентна потужність шуму з високотемпературного надпровідника далеко infraredbolometer у фото
- 1 Введення (PDF) ... переглянутий варіант Griffin & Holland ідеально болометра напівпровідника. Модель представлена і його використання в ... заснований на теорії нерівноважної болометра о. Мазер [10], але передбачається, ... astro.cf.ac.uk / груп / ... / Sudiwala_et_al_IJMM_ _paper.pdf болометра
- Простий теорії твердого підтримав болометрів простий теорії твердого підтримав болометрів простий теорії твердого підтримав болометрів простий теорії пропонується пояснити, частотна характеристика твердих підтримуваних болометрів. Вона передбачає одновимірного потоку тепла через болометр
- ПРЕЦИЗІЙНИХ Характеристика SEMICONDUCTOR болометрів (PDF) ... метрів, використовуючи болометра модель, представлена у Sudiwala та ін ... достатньо? досить рівномірний рівень допінгу. Ідеально болометра теорії [1, 2, 7] може бути використана для ... astro.cf.ac.uk / груп / ... / Woodcraft_et_al_IJMM_ _paper.pdf болометра
- DOE документ - Нерівноважна теорії гарячих електронів болометр з нормальними-ізолятор-надпровідник тунелю металу ... роботу електронно-гарячої болометр з нормальний метал-ізолятор-надпровідник (ННД) тунельного переходу, як датчик температури теоретичний аналіз. Чутливість і еквівалентна потужність шуму (NEP) болометра отримані
- Обробка зображень і найменших квадратів Реконструкції (PDF) ... досягнуто з урахуванням стандартного зображення. змінення роздільної здатності теорії в постановці задачі найменших квадратів ... сум'ятті, тому пов'язуючи болометра нуля вказує на потік у
- Мікрокалориметри і болометра Модель мікрокалориметри і болометра Модель мікрокалориметри і болометра моделі стандартів теорія рівноваги без шуму в ідеальному болометри і мікрокалориметри не в змозі передбачити продуктивності реальних пристроїв в зв'язку з додатковими ефектами
Гі іграшки Джонсон Pic ...
Я Googled дещо зовсім, але виявив, сторінки ... і повинен сказати спасибі. добре читати ....
Молодці Стівен. Щось дуже важливо пам'ятати, що кожна людина має потребу в гарній вступної посилання, щоб зрозуміти основи перед проводить складні теми, спеціальності на основі основа основ. Розуміння основ достатньо для більшості людей, щоб бути успішним.
Ваша веб-сторінка відмінно вступні посилання. Якщо ваша кар'єра приведе Вас до досліджень більш передових тонкощі болометри і в кінцевому підсумку ви опублікувати, будь ласка, зберегти й опублікувати цю справжнє тіло роботи, а в якості вступного матеріалу для новачків. Я згоден з Гі. Ваша веб-сторінка на болометр теорія добре читати.
J
Я знайшов вашу лекцію найбільш корисним у розвиваються розуміння болометра параметрів і характеристик. Я студент 4-го семестру електротехніки і в даний час займається проектом за участю мікроболометр. У зв'язку з цим я буду greteful якщо ви можете розмістити відповідну літературу.
Я знайшов рік lucture це дуже корисно для мого дослідження почасти тому, що я нічого не знаю про болометра. Але мене все ще є проблеми, щоб побачити картину в свою веб-сторінку. Що я повинен робити? Я намагаюся, щоб завантажити pdf.file але вона не працює також.
Будь ласка, не соромтеся, щоб дати деякі пропозиції. Моя адреса електронної пошти: jiku_jung9@hotmail.com
Не те щоб я хочу, щоб скопіювати ваш сайт, але я дійсно люблю дивитися. Не могли б ви сказати мені, яку тему ви використовуєте? Чи це замовлення?
Тема пов'язана в нижній частині цієї сторінки (в нижньому колонтитулі).
Зображення і PDF відновлена, вибачте за проблеми
Шановний Стівен
Я знайшов вашу лекцію так корисно, але я не бачу фотографії або знайти PDF.
Не могли б Ви допомогти мені, що я Шоуду робити?
з щирою повагою
Шановний Стівен
Спасибі вам велике за ваш чудовий лекції, але я не можу завантажити "Моделювання SPIRE використанням IDL", могли б ви вислати мені? Спасибо заранее.
Електронна пошта: lhfsemail@gmail.com
Чи можете ви вислати мені поштою. Мені дуже подобається ваша конструкція.