Фононный шум

Фононный шум , также известный как шум тепловых флуктуаций , возникает в результате случайного обмена энергией между тепловой массой и окружающей средой. Эта энергия квантована в виде фононов . Каждый фонон имеет энергию порядка , где - постоянная Больцмана, а - температура . Случайный обмен энергией приводит к колебаниям температуры. Это происходит даже тогда, когда тепловая масса и окружающая среда находятся в тепловом равновесии , то есть при одной и той же средней по времени температуре. Если устройство имеет электрическое сопротивление, зависящее от температуры ${\ displaystyle k _ {\ text {B}} T}$ ${\ displaystyle k _ {\ text {B}}}$ ${\ displaystyle T}$ , то эти колебания температуры приводят к колебаниям сопротивления. Примеры устройств, в которых важен фононный шум, включают болометры и калориметры . Сверхпроводящий датчик перехода края (TES), который может работать либо как болометр или калориметр, является примером устройства , для которого фонон шум может внести существенный вклад в общий шум. ^[1]

Хотя шум Джонсона – Найквиста имеет много общего с фононным шумом (например, спектральная плотность шума зависит от температуры и имеет белый цвет на низких частотах), эти два источника шума различны. Шум Джонсона – Найквиста возникает из-за случайного теплового движения электронов , тогда как фононный шум возникает из-за случайного обмена фононами. Шум Джонсона – Найквиста легко моделируется при тепловом равновесии , когда все компоненты схемы поддерживаются при одной и той же температуре. Модель общего равновесия для фононного шума обычно невозможна, потому что различные компоненты теплового контура неоднородны по температуре, а также часто не инвариантны во времени., как при случайном выделении энергии от частиц, падающих на детектор. Датчик перехода края обычно поддерживает температуру через отрицательную обратную связь электротермической , связанную с изменением внутренней электрической мощности. ^[1]

Приблизительная формула для эквивалентной мощности шума (NEP) фононного шума в болометре, когда все компоненты очень близки к температуре T :

{\ displaystyle \ NEP = {\ sqrt {4k _ {\ text {B}} T ^ {2} G}},}

где G - теплопроводность, а NEP измеряется в . ^[2] В калориметрических детекторах среднеквадратичное энергетическое разрешение из-за фононного шума вблизи квазиравновесия описывается с помощью аналогичной формулы: ${\ displaystyle \ mathrm {W / {\ sqrt {Hz}}}}$ ${\ displaystyle \ delta E}$

{\ displaystyle \ \ delta E = {\ sqrt {k _ {\ text {B}} T ^ {2} C}},}

где C - теплоемкость. ^[3]

Настоящий болометр или калориметр не находится в равновесии из-за температурного градиента между поглотителем и ванной. Поскольку G и C обычно являются нелинейными функциями температуры, более продвинутая модель может включать температуру как абсорбера, так и ванны и рассматривать G или C как степенной закон в этом диапазоне температур.

См. Также [ править ]

Температурные колебания

Ссылки [ править ]

^ ^а ^б К.Д. Ирвин и Г.К. Хилтон (2005). Enss, C. ed. «Датчики перехода» . Криогенная Обнаружение частиц (Спрингер): 63-150 ISBN 3-540-20113-0 , DOI : 10.1007 / 10933596_3 .
^ JC Mather . (1982). «Шум болометра: теория неравновесности». Прил. Опт. (21): 1125–1129. DOI : 10,1364 / AO.21.001125
↑ SH Moseley, JC Mather и D. McCammon (1984). «Тепловые детекторы как рентгеновские спектрометры». J. Appl. Phys. (56): 1257-1262 DOI : 10,1063 / 1,334129 .

[TES-1] а ^б К.Д. Ирвин и Г.К. Хилтон (2005). Enss, C. ed. «Датчики перехода» . Криогенная Обнаружение частиц (Спрингер): 63-150 ISBN 3-540-20113-0 , DOI : 10.1007 / 10933596_3 .

[2] JC Mather . (1982). «Шум болометра: теория неравновесности». Прил. Опт. (21): 1125–1129. DOI : 10,1364 / AO.21.001125

[3] SH Moseley, JC Mather и D. McCammon (1984). «Тепловые детекторы как рентгеновские спектрометры». J. Appl. Phys. (56): 1257-1262 DOI : 10,1063 / 1,334129 .

[1]