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 $k_{\text{B}}T$ , где $k_{\text{B}}$ – постоянная Больцмана и $T$ это температура . Случайный обмен энергией приводит к колебаниям температуры. Это происходит даже тогда, когда тепловая масса и окружающая среда находятся в тепловом равновесии , т.е. при одной и той же средней по времени температуре. Если устройство имеет электрическое сопротивление , зависящее от температуры , то эти колебания температуры приводят к колебаниям сопротивления. Примеры устройств, в которых важен фононный шум, включают болометры и калориметры . Сверхпроводящий . датчик края перехода (TES), который может работать как болометр или калориметр, является примером устройства, для которого фононный 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 в результате случайного теплового движения электронов , тогда как фононный шум возникает в результате случайного обмена фононами. Шум Джонсона-Найквиста легко моделируется при тепловом равновесии , когда все компоненты схемы поддерживаются при одинаковой температуре. Модель общего равновесия для фононного шума обычно невозможна, поскольку различные компоненты тепловой цепи неоднородны по температуре, а также часто не инвариантны во времени , как в случае случайного энерговыделения от частиц, падающих на детектор. Датчик края перехода обычно поддерживает температуру за счет отрицательной электротермической обратной связи , связанной с изменениями внутренней электрической мощности. ^[1]

Приблизительная формула для шумо-эквивалентной мощности (NEP), обусловленной фононным шумом в болометре, когда все компоненты очень близки к температуре T :

\ NEP={\sqrt {4k_{\text{B}}T^{2}G}},

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

\ \delta E={\sqrt {k_{\text{B}}T^{2}C}},

где С – 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 совершенная модель может включать температуру как абсорбера, так и ванны и рассматривать G или C как степенной закон во всем этом температурном диапазоне.

См. также

Термические колебания

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б К.Д. Ирвин и Г.К. Хилтон (2005). Энсс, К. изд. «Переходно-краевые датчики» . Обнаружение криогенных частиц (Спрингер): 63–150 ISBN 3-540-20113-0 , дои : 10.1007/10933596_3 .
^ Дж. К. Мэзер . (1982). «Болометрический шум: неравновесная теория». Прил. Опция (21): 1125–1129. дои : 10.1364/AO.21.001125
^ SH Moseley, JC Mather и Д. Маккаммон (1984). «Тепловые детекторы как рентгеновские спектрометры». Дж. Прил. Физ. (56): 1257–1262 гг. дои : 10.1063/1.334129 .

[TES-1] Jump up to: ^а ^б К.Д. Ирвин и Г.К. Хилтон (2005). Энсс, К. изд. «Переходно-краевые датчики» . Обнаружение криогенных частиц (Спрингер): 63–150 ISBN 3-540-20113-0 , дои : 10.1007/10933596_3 .

[2] Дж. К. Мэзер . (1982). «Болометрический шум: неравновесная теория». Прил. Опция (21): 1125–1129. дои : 10.1364/AO.21.001125

[3] SH Moseley, JC Mather и Д. Маккаммон (1984). «Тепловые детекторы как рентгеновские спектрометры». Дж. Прил. Физ. (56): 1257–1262 гг. дои : 10.1063/1.334129 .

[1]

[2]

[3]