Фононный шум - Phonon noise

Фононный шум, также известный как шум тепловых колебаний, возникает в результате случайного обмена энергия между тепловой массой и окружающей средой. Эта энергия квантуется в виде фононы. Каждый фонон имеет энергию порядка ${ displaystyle k _ { text {B}} T}$, куда ${ displaystyle k _ { text {B}}}$ является Постоянная Больцмана и ${ displaystyle T}$ это температура. Случайный обмен энергией приводит к колебаниям температуры. Это происходит даже тогда, когда тепловая масса и окружающая среда находятся в тепловое равновесие, т.е. при одной и той же средней по времени температуре. Если устройство имеет температурно-зависимый электрическое сопротивление, то эти колебания температуры приводят к колебаниям сопротивления. Примеры устройств, в которых важен фононный шум, включают: болометры и калориметры. В сверхпроводящий датчик края перехода (TES), который может работать как болометр или калориметр, является примером устройства, для которого фононный шум может вносить значительный вклад в общий шум.^[1]

Несмотря на то что Шум Джонсона – Найквиста имеет много общего с фононным шумом (например, спектральная плотность шума зависит от температуры и белый на низких частотах) эти два источника шума различны. Шум Джонсона – Найквиста возникает из-за случайного теплового движения электроны, тогда как фононный шум возникает из-за случайного обмена фононами. Шум Джонсона – Найквиста легко моделируется на тепловое равновесие, где все компоненты схемы поддерживаются при одинаковой температуре. Модель общего равновесия для фононного шума обычно невозможна, потому что различные компоненты теплового контура неоднородны по температуре, а также часто не неизменный во времени, как при случайном выделении энергии от падающих на детектор частиц. В датчик края перехода обычно поддерживает температуру через отрицательные электротермическая обратная связь связанные с изменением внутренней электрической мощности.^[1]

Приближенная формула для мощность, эквивалентная шуму (NEP) из-за фононного шума в болометре, когда все компоненты очень близки к температуре Т является

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

куда грамм это теплопроводность а нэп измеряется в ${ displaystyle mathrm {W / { sqrt {Hz}}}}$.^[2] В калориметрических детекторах среднеквадратичное значение энергетическое разрешение ${ displaystyle delta E}$ из-за фононного шума вблизи квазиравновесия описывается аналогичной формулой:

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

куда C теплоемкость.^[3]

Настоящий болометр или калориметр не находится в равновесии из-за температурного градиента между поглотителем и ванной. С грамм и C обычно являются нелинейными функциями температуры, более продвинутая модель может включать температуру как поглотителя, так и ванны и обрабатывать грамм или же C как сила закона в этом температурном диапазоне.

Смотрите также

• Температурные колебания

Рекомендации