L. Lamagna Rivelatori bolometrici ed elettronica di rilettura.
ESCURSIONI DIDATTICHE AA 2009‐2010
Osservatorio della Testa Grigia ‐ MITO Millimeter & Infrared Testagrigia Observatory
(Plateau Rosà – 3480 m s.l.m. ‐ AO)
Bolometri
Due elementi costitutivi:
Un assorbitore a grande sez. d’urto per la
radiazione.
Un termometro molto sensibile alle variazioni di
temperatura dell’assorbitore (ad es. un
semiconduttore opportunamente drogato).
Termometro e assorbitore sono ben connessi tra loro e
debolmente connessi ad un bagno termico.
La radiazione incidente scalda l’assorbitore producendo
un salto termico transiente
∆T = T − T0 = E/C
che diminuisce nel tempo a causa della
dissipazione di calore sul bagno termico, con una
costante di tempo
τ = C/G
La variazione di temperatura è proporzionale all’energia
rilasciata nell’assorbitore.
Dunque una misura di variazione di temperatura
dell’assorbitore è proporzionale al flusso radiativo
(fotoni per unità di tempo) incidente sul bolometro.
Poiché l’energia rilasciata dai singoli fotoni a lunghezze
(sub)millimetriche è piccola, non possiamo rivelare il
passaggio di un singolo fotone tramite transizioni
quantiche (come in un fotoconduttore), ma solo
l’effetto di rilascio di calore nel reticolo da parte di
molte decine o centinaia di fotoni. Perciò i bolometri
appartengono alla categoria dei rivelatori termici.
Bolometri
Bolometri
Grandezze caratteristiche:
Responsività:
Tipicamente misurata in MV/W, indica la variazione di segnale elettrico ai capi del
termistore in funzione della potenza incidente.
Costante di tempo
Determinata dai parametri termici dell’assorbitore e della sua connessione verso il bagno
termico. Bolometri veloci: C alta, G bassa, ma questo implica meno sensibilità e più
rumore (v. seguito)
NEP
Noise Equivalent Power, potenza radiativa che produce sul bolometro, in 1 secondo di
integrazione, un segnale di ampiezza pari al rumore in Vrms
NEP2 = NEP2(rivelatore) + NEP2(carico) + NEP2(fotonico)
Bolometri
Le curve di carico (curve V-I) sono un utile
strumento diagnostico per i bolometri.
In presenza di bolometri “prestanti”, tali curve
presentano evidenti deviazioni dall’andamento
puramente ohmico.
Questa condizione si verifica quando il
bolometro è abbastanza freddo da esibire una
variazione non lineare di resistività al variare
della temperatura. In tal caso il numero dei
portatori di carica disponibili varia
esponenzialmente, e di conseguenza il segnale
elettrico a parità di biasing è funzione
rapidamente variabile della temperatura, e
quindi del flusso radiativo incidente. Il
background radiativo determina la curva sulla
quale si colloca il punto di lavoro.
L’ampio minimo del NEP attorno al punto di
lavoro determinato dalla scelta del bias
consente di operare dell’overbiasing per
migliorare le prestazioni senza peggiorare
significativamente il rumore.
Bolometri
La responsività massima è fortemente dipendente dal background radiativo e dal
punto di lavoro: è necessario scegliere le caratteristiche costruttive dei bolometri in
funzione delle condizioni di lavoro (temperatura di base, banda, throughput, sito
osservativo) e successivamente ottimizzare il biasing per la migliore sensibilità.
In pratica…
La responsivita’ ‘in continua’ del bolometro e’ :
dV ⎡ (Z − R )⎤ ⎡ R L ⎤
=⎢
S=
dQ ⎣ 2V ⎥⎦ ⎣⎢ (Z + R L )⎥⎦
La responsivita’ cambia con la frequenza angolare di modulazione della
radiazione incidente, ω, come :
S( 0 )
S ( ω) =
1 + ω2 τ 2
dove τe e’ la costante di tempo termica efficace :
C
τe =
Ge
e Ge e’ la conduttanza termica efficace :
(
RL − R)
G e = G d − αP
(R L + R )
che differisce da Gd a causa dell’effetto di feedback elettrotermico
In pratica…
Un tipico set di misure necessario per caratterizzare le prestazioni di un
bolometro e delle componenti ottiche associate comprende :
• curve di carico ‘blanked’, in cui set di caratteristiche V-I del bolometro
sono misurate per una varieta’ di temperature di base, T0,
assicurandosi che non ci sia potenza radiativa incidente sul
bolometro
• curve di carico ‘non-blanked’, per le quali il bolometro ‘vede’ una
quantita’ controllata di radiazione esterna
• misure di velocita’ di risposta (costante di tempo), in cui viene misurata
la risposta in frequenza del bolometro ad una sorgente radiazione
modulata, per un range di valori della tensione di bias
• misure di rumore per diversi background radiativi e diversi punti di
lavoro, che combinate con le misure di responsività permettono di
studiare l’andamento del NEP in funzione della frequenza e delle
condizioni di lavoro.
Accoppiamento Ottico
-Feedhorn individuali per ogni
bolometro (varie caratteristiche,
profili lisci o corrugati, ecc.)
-Accoppiamento diretto tramite
uno stop di apertura.
-Scelta spec. piccole lunghezze
d’onda perche’ la dimensione
degli elementi ottici (rivelatori +
horn) è confrontabile o magiore
del disco di Airy e può limitare il
formato delle matrii di rivelatori.
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L’alta impedenza di uscita e il cablaggio criogenico rendono la letura di un
bolometro un compito particolarmente delicato: il sistema è intrinscamente sensibile
ad effetti induttivi e microfonici (variazione della capacità rispetto a un riferimento).
Pertanto la lettura di tensione viene eseguita attraverso uno stadio di
preamplificazione a basso rumore e bassa impedenza di uscita (tipicamente
realizzato con un JFET) collocato più vicino possibile ai rivelatori, per poi procedere
con diversi stadi di amplificazione e/o demodulazione del segnale esternamente al
criostato.
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