resumo da aula anterior dispotic 20131 20130429 apresentação de nathália sobre aceleradores de...
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Resumo da aula anterior
dispotic 2013 120130429
Apresentação de Nathália sobre Aceleradores de Partículas – Projeto Sirius
• Detectores fotoemissivos, fotomultiplicadoras, ganho, channeltron, visão noturna. Superficies e materiais fotoemissivos, espectroscopia emissiva de elétrons.
• Fotodiodo de silício. Célula solar, diferentes dispositivos: cristalino, policristalino, junção singular e multijunções, orgânicos, desenvolvimento da eficiências das células solares.
Dinodos: BeO, MgO 10X
Aula de hj
• Continuação sobre detectores.
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Fotocondutividade
Dois tipos de material, dois processos:a) Processo para fotocondutividade intrínseca: fotoexcitação provoca
geração de portadores de carga que vão para a banda de condução. Desde que exista uma ddp aplicada, permite a mudança de corrente sobre o efeito da luz.
b) Para o caso extrínseco, portador de carga doador pode ser excitado para banda de condução, aumentando a condutividade, como tb pode ocorrer a criação de buracos com a excitação de elétrons para o nível aceitador.
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Detectores fotocondutivos intrínsecos
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Detector fotocondutivo
Tempo de vida do portador
# de portadores em excesso gerados pela
luz
Função degrau
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Solução
td é o tempo que o portador atravessa o gap(d) provocando uma
corrente q/ td. i é a corr. externa
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Outros detectores
• Detectores PIN e APD (fibras ópticas)
• Detectores térmicos
• Fotoacústicos
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Detectores usados em fibras ópticas
• PIN diode ou diodo PIN (P Intrinsic N). O diodo PIN possui uma camada intrínseca entre as camadas P e N de um diodo.
• APD (Avalanche PhotoDiode) ou fotodiodo de avalanche. Mais sensível que o fotodiodo pin
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Fotodiodo pn (a) e fotodiodo pin (b)
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Fotodiodo pin• A camada intrínseca serve para aumentar a região da junção,
conseqüentemente melhora a fotoconversão.• Modo fotovoltaico qdo não há campo externo• Modo fotocondutor qdo polarizado por fonte externa
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Resposta espectral fotodiodo pin de Si
Responsividade típica R
A – REALÇADO PARA 900nmB – REALÇADO PARA 1060nm
Destaque para algumas fontes emissivas
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Fotodiodo avalanche (APD)
• A desvantagem de um fotodiodo
pin produzir apenas um par de
portadores de carga. No APD uma
ddp aplicada de forma reversa de
até 2kV acelera os fotoelétrons de
maneira que cada fotoelétron
primário resulta em milhares de
elétrons no eletrodo.
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http://micro.magnet.fsu.edu/primer/java/digitalimaging/avalanche/index.html
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PIN e APD
Tabela 1 – Comparação de fotodiodo PIN e APDs
Parametro PIN APDs
Tipo de material Si, Ge, InGaAs Si, Ge, InGaAs
Largura de banda DC a 40+ GHz DC a 40+ GHz
Comprimento de onda 0.6 to 1.8 µm 0.6 to 1.8 µm
Eficiência de conversão
0.5 to 1.0 Amps/Watt
0.5 to 100 Amps/Watt
Circuito eletrônico de
apoioNão precisa
Alta tensão, temperatura estabilizada
Custos (pronto para fibra) $1 to $500 $100 to $2,000
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Sem esquecer o fototransistor
Prático, mas convêm ainda o APD
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Como aumentar a absorção de luz do detector?
• Aumentar a sensitividade do detector com filmes anti-
refletores.
• Criar armadilhas de fótons através de bobinas de nano-
fios refrigerados THeL. Aumento de fótons armadilhados
=> aumento na eficiência de conversão.
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Detectores térmicos
Termopar Piroelétrico Bolômetro
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Origem do termopar
• Efeito Seebeck
Thomas Johann Seebeck (1770-1831)• Profissão• Descoberta – bússola
Também denominado de efeito termoelétrico.
Existem outros efeitos termoelétricos.
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Efeitos termoelétricos
• Efeito Seebeck
• Efeito Peltier
• Efeito Thomson
Ocorre quando portadores de carga moveis estão sujeitosà influencia de gradientes de temperatura e/ou gradientes
de potencial elétrico. Na ausência de um campo magnéticoexistem três tipos de efeitos termoelétricos.
S.O. Kasap -Thermoelectric effects in metals
In 1851 William Thomson (later Lord Kelvin)
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Efeito Seebeck
dT
dVS
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Efeito Seebeck (Notes on using thermocouples - Dr. Robert J. Moffat, Stanford University)
• O coeficiente de Seebeck:
dT
dVS
• Ferro-constantan (J)
• Cromel-alumel (K)
• Cobre-constantan (T)
• Outros
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Efeito Peltier
• É o efeito reverso do Seebeck
Metal
Semicondutor
P é o coeficiente de Peltier
Refrigeração, uso doméstico, detectores
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Efeito Thomson – Lord Kelvin 1851
• Descreve o aquecimento ou resfriamento de um condutor portador de carga com a gradiente de temperatura.
r resistividade
J densidade de corrente
m coeficiente de Thomson(pode ser +-, depende do material)
dT/dx gradiente de temperatura
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Série termoelétrica
• Silicon
Bismuth
Nickel
Cobalt
Palladium
Platinum
Uranium
Copper
Manganese
Titanium
• Mercury
Lead
Tin
Chromium
Molybdenum
Rhodinium
Iridium
Gold
Silver
• Aluminium
Zinc
Tungsten
Cadmium
Iron
Arsenic
Tellurium
Germanium
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Demonstração prática do efeito termoelétrico
• Varetas metálicas de Fe, Ag, Al e latão aquecidas com um isqueiro numa extremidade e medimos a voltagem entre as extremidades a fem gerada.
• Al => V• Fe => V• Ag => V• Latão => V
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Série termoelétrica
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Termopar - Termopilha
• Termopilha Leybold Resposta de 0,16 mV/mW
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Outro esquema da termopilha
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Detector IV JonDetech - Termopilha
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Carcteristicas
http://jondetech.com/documents/JonDeTech_JIRS3a_r2.4.pdf
Vídeo demo
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Outros detectores considerados térmicos
Piroelétrico• Material não-condutor
DT ~ DQ• Baixa potência de
detecção• Não recomendável para
CW
• TGS
• DTGS
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Efeito piroelétrico
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Outro tipo de detecção mas não menos importante - Fotoacústica
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Fotoacustica – 1880 – AG Bell - fotofone
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Variante Fotoacústica – janela opto-térmica
Janela com propriedades de coef. de expansão térmica alto
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Fotoacústica
http://www.photonics.cusat.edu/Research_Photoacoustics.html
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Fotoacústica
Variable Temperature Photoacoustic Cell
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Fotoacústica
Liquid Photoacoustic Cell
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Fotoacústica – microfone de eletretohttp://jesseenterprises.net/amsci/1960/11/1960-11-body.html
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Eletreto = cera de abelha, cera de carnaúba, resina Como polarizar
Como testar
Microfone de eletreto
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Fotoacústica – espectrômetro
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Ainda outros detectores
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Bolômetro – 1878 – Samuel Pierpoint Langley
DI ~ DR
200m – 1mm
50mK – 300mK
Astronomia
Partículas
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Detector que mede a qtd de radiação incidente medindo mudança de resistência produzido pelo aquecimento
provocado pela radiaçãoBy 1880, Langley's bolometer was refined enough to detect
thermal radiation from a cow a quarter of a mile away.
Tipo de bolômetro de Pt
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Bolômetro de Pt com fio detector de 300nm×4μm. Imagem MEV, não a escala, substrato de Si e camada isolante de SiO2. Radiação IV aquece o fio alterando sua resistência.
5 March 2012, SPIE Newsroom. http://spie.org/x85677.xml?pf=true&ArticleID=x85677
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Célula de Golay – (1947 – MJE Golay)1.- janela2.- filme
semitransparente3.- 4.-5.- sistema re-focagem6.- 7.-8.- LED9.-10.-11.- fotodiodo
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Faixa espectral: 1m – 4mm
NEP: 7x10-10 W/Hz1/2
Responsividade: 350V/W
Tau: 6ms
Área sensitiva: 1mmX1mm
Outra célula de Golay
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Diameter of entrance cone, mm: 11.0
Diameter of entrance window, mm:
6.0
Material of entrance window: High-Density Polyethylene (HDPE)
Optimal operating wavelength range, μm:
15 ÷ 8000
Recommended detected power, W, up to:
1 x 10-5
Optimum modulation frequency, Hz:
15 ± 5
Noise-equivalent power @ 20Hz:typical, W/Hz1/2
minimum, W/Hz1/2 1.4 x 10-10 0.8 x 10-10
Optical responsivity @ 20Hz:typical, V/Wmaximum, V/W
1 x 105 1.5 x 105
Response rate:typical, msminimum, ms
30 25
Detectivity (D*) at entrance cone aperture: typical, cm x Hz1/2/Wmaximum, cm
7.0 x 109 11.0 x 109
Ambient operating pressure range, mm Hg
760 ÷ 10-3
Operational and storage temperature range, °C
5 ÷ 40
Humidity, % 45 ÷ 80
Vibration avoid vibrations at 1 ÷ 100 Hz
Rated voltage, VAC 100/115 ± 10%, 220/230 ± 10%
Line frequency, Hz 50 ÷ 60
Overall dimensions, L x W x H, mm3
126 x 45 x 87
Weight, kg 0.8
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Câmera CCD• CCD = Charge Coupled Device – 1969 – Willard Boyle & George Smith - ATT
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Simulação de CCDhttp://astro.unl.edu/classaction/animations/telescopes/buckets.swf
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CCD
Capturar e armazenar imagens:
- Scanners
- Telescópio
- Leitora codigo de barras
- Cameras de video e fotográficas
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Câmera CCD e CMOS
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Simplified GIF animation of a CCD image sensor with Interline Transfer technology. After the buckets of charge accumulate in the individual photo sensors, they are simultaneously transferred into the vertical shift registers. Buckets of charge move down the vertical registers and across the horizontal register. At the end, charge is converted to voltage and amplified.
Simplified GIF animation of a CMOS image sensor with active pixel sensor (APS) technology. Where a CCD converts charge to voltage at the end of the process, a CMOS sensor performs this conversion at the outset. The voltages can then be output over compact, energy-saving micro wires.
http://provideocoalition.com/index.php/sony/story/see-mos/
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Resumo de detectores
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Dispositivo Parâmetro sensitivo Região espectral
Fotocelula, fotomultiplicadora Emissão de elétrons uv, vis, iv
Emulsão fotográfica Reação química uv, vis, iv
Câmera CCD e CMOS(CCD) Carga uv, vis, iv
fotovoltaico,piroelétrico,termopar
voltagem uv, vis, iv
bolômetro,fotocondutivo (LDR) resistência iv
Célula de Golay Pressão de gás iv
Olho humano Reação química vis
Próxima aula conectores, acopladores e
adaptadores
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