测辐射热计理论
下面是从我的报告第一章的最后一年的虚拟仿真尖顶使用IDL的'。 当研究项目，我发现很难找到一些基本的理论介绍，辐射热计，所以我决定把我的版本在线。 您还可以看到我的第四次报告下载报告有关章节的全部上下文： 模拟使用IDL的尖顶 。
- 基本原则
- 时间常数
- 响应度
- 时间响应一测辐射热计
- 噪声等效功率
- 光子散粒噪声和波噪声
- 光子噪声限制新经济政策
- 光子探测器的效率
- 其他噪音源
- 尽量减少噪音
- 除了噪音条款
- 总噪声和NEP
基本原则
阿热辐射计是一个装置在检测到由产生电阻变化成正比的辐射received.Â传入的辐射量是由测辐射热计，导致在其温度升高，从而导致其电阻变化来吸收辐射。
一个测辐射热计的基本特点如下：
图3.1 - 图的辐射热探测器
包括本身的辐射热计（EM）的辐射是由不断增加的物质因与晶格原子的自由electrons.Â动能自由电子碰撞材料吸收相联系的一个固定temperature.Â传入的电磁吸收材料的散热器振动是观察到的温度变化。
对温度计的典型材料，如半导体掺杂germanium.Â对于这样一个重大改变电阻在温度的微小变化显着，可以由方程的特点，
| （3.1） |
其中 
是一个常数称为阻力参数（欧姆）， 
是电阻（欧姆）， 
是电阻器的温度， 
（K）是材料带隙温度。 中的价值 
所谓的材料参数，并给出符号 
。 电阻温度系数的定义是，
| （3.2） |
一个测辐射热计探测器中的操作如图3.1。 在温度测辐射热计 
链接到散热片的固定温度 
由热导 
。 直流偏置电流 
通过测辐射热计流量产生的电压 
。 在传入的变化辐射功率 
在抵抗引起的变化 
，因此在输出电压 
。 典型的辐射热计读出电路偏置和描绘在图3.2。
|
图3.2 - 测辐射热计偏置和读出电路 |
目前它通过电阻流动造成的功耗 
把吸收材料。 此外，在辐射能量吸收器吸收量记为 
。 总功率消耗的测辐射热计 
因此，给予，
| （3.3） |
在稳定状态下的吸收吸收的能量将被删除由热链接到散热片，这是由以下的关系，
| （3.4） |
| （3.5） |
在实践中，测辐射热计的偏置电压由0 V的电池和负载电阻R 升 。 负载的电阻值通常设计要远远比在其整个工作范围内辐射热计电阻值。 这是为了保持一个稳定的水平，使权力在由电阻温度计测辐射热计测辐射热计消耗的电流通过，通过保持一定不变。
该测辐射热计的工作点，然后在给定负荷曲线和负载线，由下式决定的十字路口，
| （3.6） |
阿图呈现出典型的VI曲线，从一个模拟程序的结果，我在IDL生产载重线图3.3中给出。
|
图3.3 - 几个VI曲线IDL的输出负载线比绘制 |
从图中可以看出3.3，该测辐射热计电阻是难以置信的在小电流高。 该测辐射热计电阻开始下降，并最终在高电流水平了，因为额外的电源是把吸收材料消散。 如果事件对辐射探测器，在吸收器的功耗也将增加。 这有挤压的VI曲线，如上图所示的效果。 的电力消耗在吸收物质，如[8]推导，给出了，
| （3.7） |
其中 
代表了在那里吸收温度分数增加 
代表吸收材料在温度被 
。 
链接是静态热传导热的他在3冰箱温度（星期-1），这是法律赋予的权力后，
| （3.8） |
其中 
是静态-1），热导在300mK（星期，和 
，被称为热传导的索引。 一词 
被称为载入参数，由方程给出，
| （3.9） |
这是载入参数导致的VI曲线，当有事件发生电磁辐射探测器上的挤压效应。
与大多数物理系统一测辐射热计不响应立即对在其投入瞬间变化。 在许多情况下，探测器应在输入阶跃变化，是在输出指数的变化。 这是类似于一个电容充电和放电的一个RC电路。
阿热辐射计有在吸收热量储能电容单。 因此可以模拟一个辐射热计用一个一阶微分方程，这也意味着，辐射热计不会受到记忆效应。 因此可以响应的特点是时间常数 
这对于一个辐射仪，给出了方程，
| （3.10） |
其中 
是吸收热量的能力（jk的-1）。 静态热导 
涉及到的价值 
3他在冰箱温度，
| （3.11） |
当辐射事故对探测器它增加了少量的温度，这会影响吸收热量的能力和热传导的链接。 在温度升高吸收热量的能力关系到一个已知的值 
在300mK的，
| （3.12） |
其中 
是热容量指标。 回首方程（3.2），并使用以上，电阻温度系数可改写为定义的术语，
| （3.13） |
其中 
是从电阻温度方程的关系（3.1）幂指数。 我们看到， 
对于半导体辐射热计负。 这导致了价值 
这是小于，通过方程（3.10）中所述。 这是由于电热反馈，在[9]中描述。 我们定义了一个新名词 
这是价值 
同为电热反馈校正，
| （3.14） |
| （3.15） |
由于热敏电阻是由电压偏置 
的电力将吸收消散可表示为 
。 在这一事件电磁信号的增加将增加的热电阻温度，因此也增加其抵抗力;反过来，这将导致电力消耗减少。 如果电阻是在其曲线陡峭部分行事，那么在吸收器的总功率消耗将保持不变，因为将它的温度。 这一系统被称为具有负面电热反馈。 这是减少时间常数的优势 
热时间常数等给出（3.10）。
响应度
响应定义为输出电压在入射功率的变化，这在辐射热计相当于一个温度变化而变化。 测辐射热计的电压响应的定义为，
| （3.16） |
并改变作为工作点的功能。 如果探测器上的信号调制的调制频率必须足够低，这样可以响应探测器在功率的变化。 结果表明，
| （3.17） |
其中 
频率调制。 零频率（直流）的响应，可直接从负载评估使用表达式曲线，
| （3.18） |
这里是零频率的动态阻抗 
（欧姆）的测辐射热计 
在工作点。 
可证明是给予，
| （3.19） |
时间响应一测辐射热计
对于大部分辐射热测量仪的VI曲线的形状主要是由背景功率水平。 当一个小附加信号应用到测辐射热计，从出发VI曲线可以认为是微不足道的。 这就是所谓的小信号近似。 在小信号源的限制，即在 
背景中的辐射热计电压的变化是由于入射辐射功率的变化可表示为，
| （3.20） |
在输出电压的变化不会发生即刻并通过比较一个RC电路的测辐射热计的可以通过以下两种反应方程式为蓝本之一，
| （3.21） |
|
图3.4 - 情节与时间为V的正面和负面V |
当大信号被认为是，从出发VI曲线不再是微不足道的。 因此，在输出电压的变化，由于在入射功率的变化无法计算应用的响应，现在通过在测辐射热计的工作点电压变化给出。 从最初提出到最后的VI曲线，对时间的制度的不断变化作为工作点的功能。 因此，测辐射热计不再是一个单一的时间常数的设备，不能采用简单的RC电路的响应方程模型。
|
图3.5 - VI曲线为一大信号变化 |
噪声等效功率
非常重要的，是任何辐射热计噪声等效功率或新经济政策。 新经济政策是均方根信号强度要求等于均方根探测器噪声广场。 最好的信号噪音比由热辐射计实现由下式给出，
| （3.22） |
在一般情况下，新经济政策的单位 
。
光子散粒噪声和波噪声
如果我们认为，实现了光，光将到达一个随机或不相关的图片粒子探测器的方法，我们可以定义光子散粒噪声。 光子散粒噪声是（其中光子图片是最合适的）高频率，但在较低频率的光的波图片合理是比较合适，因此我们定义另一个项波噪音。
通过应用玻色爱因斯坦统计和假设的检测背景的黑体形式，我们发现，平均根数平方的光子到达的时间波动 在频率间隔 
V是给予，
| （3.23） |
其中 
， 
=发射的背景， 
=之间的背景和探测器整体传输效率。 额外 
长期需要的波噪声的帐户。
光子噪声限制新经济政策
在最好的情况下，探测器和随后的部分将增加一个额外的噪声可以忽略不计的金额给除了光子散粒噪声信号。 因此，光子噪声限制了测辐射热计测量灵敏度，这个极限称为光子噪声限制新经济政策， 
。 这是由下式给出，
| （3.24） |
光子探测器的效率
在实践中是不可能获得光子噪声限制的S / N为这个假设一个完美的检测器。 真正的探测器在不同的操作的事实，
- 一个真正的探测器可能会不响应每个光子
- 探测器及其电子产生额外的噪音
两个参数的定义，以便考虑到这些缺陷的检测系统，这些都是反应灵敏的量子效率和探测量子效率。
响应量子效率（RQE或 
）
该RQE 或不完善的光子吸收账户，并定义为入射光子的部分贡献的信号，显然 
。
探测量子效率（DQE的）
| （3.25） |
该DQE的是实际的敏感性最大原则实现的比例。 参数都需要任何额外的吸收效率和考虑中的噪声检测器生成的。 这个参数，因此可以被用来相互比较不同类型的探测器。
在实践中，偏置电压选择，以获取每个探测器DQE的高峰。 在案件的尖顶，这是探测器组都有一个共同的偏置电压，可以调整，以获得该组的最佳DQE的。
其他噪音源
约翰逊噪声
在导电材料的任何一块电子的随机热运动，因为该材料具有有限的温度。 一个辐射热探测器及其部件 - 或者可以被认为是 - 与两端各有一个电接触电阻。 如果没有在整个接触电阻电压波动的随机大约为零伏特的电势，这是因为正面和负面的波动是同样可能的。 组件内的噪声功率是成正比，但波动电压的平方，即它始终是积极的。 这就是所谓的约翰逊或奈奎斯特噪声。
| （3.26） |
约翰逊噪声的频谱是平坦的，即它是与频率无关。 这可以从上面的等式里没有的频率依赖性。 噪声频谱是一个单位称为白噪声。
噪声声子
到目前为止，我们已经考虑了光子和电子所产生的噪音，我们现在考虑的热能转化为如声子的形式（quantised的晶格振动）quantised的散热器流动。 这导致在测辐射热计温度随机波动。 新经济政策的噪音声子， 
是，
| （3.27） |
热噪音
温度噪声是由一个事实，即散热片是不是在恒温和随时间变化不大。 新经济政策的温度噪声， 
是
| （3.28） |
其中 
是-1）赫兹光谱强度的波动，在温度，散热片（金2。
1 / f噪声
这种噪声源在实际应用中是非常重要的，尽管原因往往不能很好地理解。 对于大多数设备，噪音大严重的地方是在低频率。
|
图3.6 - 1 / f噪声 |
尽量减少噪音
噪声影响有辱人格的方式结果，因此我们聘请（以多种方法来减少其影响。
- 请尽可能小的带宽后检测
- 尽量避免测量信号（或频段）的配合离散频率干扰源
- 确保信号的频率（或频段）足够高不要被大量的噪音影响。
由于 
噪音是无法观察到的长期连续观测的来源，这将涉及到非常低的频率工作在那里 
噪音会很大。 一项技术用来避免 
噪声与调制信号的频率足够高的 
已不再重要。 调制频率不能，然而，这么高的探测器在信号频率响应结果损失。 进一步的优势，调制技术是它可以用来减之间的源信号与背景信号切换从背景信号，这是作为一个€€™〜choppingâ已知在FIR /亚毫米观测。
在一个系统的总噪声将所有噪声源相结合的个人表现为前面所述。 我们假设所有的噪声源是不相关的，即一个价值不依赖于任何其他。 由于他们是不相关的加入他们通常不会考虑到噪声的阶段，因此我们采取的噪声均方根（RMS值）的平方，因为有时噪声源可能相互抵消。
| （3.29） |
其中 
是噪声电压谱密度从每噪声贡献（）VHz -1 / 2。
总噪声和NEP
它可以定义在下面的方式，这使信号功率在0.5秒的积分时间一个S / N为一新经济政策。 如果我们让 
=探测器响应（大众-1） 
=在探测器上（W）和电磁力的事件， 
=总噪声电压功率谱密度，信号电压可写，
| （3.30） |
| （3.31） |
到了新经济政策的定义，如果 
那么信号电压 
。 因此，我们得到一个新经济政策中的噪声电压的响应谱密度和条件方程，
| （3.32） |
新经济政策条件的单位通常给出占该公司-1 / 2，赫兹-1 / 2是指该职位的检测带宽或反时限一体化。
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