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Resumo da aula anterior dispotic 20131 20130429 Apresentação de Nathália sobre Aceleradores de Partículas – Projeto Sirius Detectores fotoemissivos, fotomultiplicadoras,

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1 Resumo da aula anterior dispotic 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

2 Aula de hj Continuação sobre detectores. dispotic 20132

3 3 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. dispoptic 2013

4 4 Detectores fotocondutivos intrínsecos dispoptic 2013

5 5 Detector fotocondutivo Tempo de vida do portador # de portadores em excesso gerados pela luz Função degrau dispoptic 2013 Solução d é o tempo que o portador atravessa o gap(d) provocando uma corrente q/ d. i é a corr. externa

6 6 Outros detectores Detectores PIN e APD (fibras ópticas) Detectores térmicos Fotoacústicos dispoptic 2013

7 7 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 dispoptic 2013

8 8 Fotodiodo pn (a) e fotodiodo pin (b) dispoptic 2013

9 9

10 10 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 dispoptic 2013

11 11 Resposta espectral fotodiodo pin de Si Responsividade típica R A – REALÇADO PARA 900nm B – REALÇADO PARA 1060nm Destaque para algumas fontes emissivas dispoptic 2013

12 12 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. dispoptic 2013

13 13 dispoptic 2013

14 14 PIN e APD Tabela 1 – Comparação de fotodiodo PIN e APDs ParametroPINAPDs Tipo de material Si, Ge, InGaAs Largura de banda DC a 40+ GHz Comprimento de onda 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 apoio Não precisa Alta tensão, temperatura estabilizada Custos (pronto para fibra) $1 to $500$100 to $2,000 dispoptic 2013

15 15 Sem esquecer o fototransistor Prático, mas convêm ainda o APD dispoptic 2013

16 16 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. dispoptic 2013

17 17 Detectores térmicos Termopar Piroelétrico Bolômetro dispoptic 2013

18 18 Origem do termopar Efeito Seebeck Thomas Johann Seebeck ( ) Profissão Descoberta – bússola Também denominado de efeito termoelétrico. Existem outros efeitos termoelétricos. dispoptic 2013

19 19 Efeitos termoelétricos Efeito Seebeck Efeito Peltier Efeito Thomson Ocorre quando portadores de carga moveis estão sujeitos à influencia de gradientes de temperatura e/ou gradientes de potencial elétrico. Na ausência de um campo magnético existem três tipos de efeitos termoelétricos. S.O. Kasap -Thermoelectric effects in metals In 1851 William Thomson (later Lord Kelvin)Thomson dispoptic 2013

20 20 Efeito Seebeck dispoptic 2013

21 21 Efeito Seebeck ( Notes on using thermocouples - Dr. Robert J. Moffat, Stanford University ) O coeficiente de Seebeck: Ferro-constantan (J) Cromel-alumel (K) Cobre-constantan (T) Outros dispoptic 2013

22 22 Efeito Peltier É o efeito reverso do Seebeck Metal Semicondutor é o coeficiente de Peltier Refrigeração, uso doméstico, detectores dispoptic 2013

23 23 Efeito Thomson – Lord Kelvin 1851 Descreve o aquecimento ou resfriamento de um condutor portador de carga com a gradiente de temperatura. resistividade J densidade de corrente coeficiente de Thomson(pode ser +-, depende do material) dT/dx gradiente de temperatura dispoptic 2013

24 24 Série termoelétrica Silicon Bismuth Nickel Cobalt Palladium Platinum Uranium Copper Manganese Titanium Mercury Lead Tin Chromium Molybdenum Rhodinium Iridium Gold SilverMercury Aluminium Zinc Tungsten Cadmium Iron Arsenic Tellurium Germanium dispoptic 2013

25 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 dispoptic

26 Série termoelétrica dispoptic

27 27 Termopar - Termopilha Termopilha Leybold Resposta de 0,16 mV/mW dispoptic 2013

28 28 Outro esquema da termopilha dispoptic 2013

29 Detector IV JonDetech - Termopilha 29 Carcteristicas ech_JIRS3a_r2.4.pdf Vídeo demo dispoptic 2013

30 30 Outros detectores considerados térmicos Piroelétrico Material não-condutor T ~ Q Baixa potência de detecção Não recomendável para CW TGS DTGS dispoptic 2013

31 31 Efeito piroelétrico dispoptic 2013

32 32 Outro tipo de detecção mas não menos importante - Fotoacústica dispotic 2013

33 33 Fotoacustica – 1880 – AG Bell - fotofone dispotic 2013

34 34 Variante Fotoacústica – janela opto-térmica Janela com propriedades de coef. de expansão térmica alto dispotic 2013

35 35 Fotoacústica

36 36 Fotoacústica Variable Temperature Photoacoustic Cell dispotic 2013

37 37 Fotoacústica Liquid Photoacoustic Cell dispotic 2013

38 38 Fotoacústica – microfone de eletreto dispotic 2013 Eletreto = cera de abelha, cera de carnaúba, resina Como polarizar Como testar Microfone de eletreto

39 39 Fotoacústica – espectrômetro dispotic 2013

40 40 Ainda outros detectores dispotic 2013

41 41 Bolômetro – 1878 – Samuel Pierpoint Langley I ~ R 200 – 1mm 50mK – 300mK Astronomia Partículas dispotic 2013 Detector que mede a qtd de radiação incidente medindo mudança de resistência produzido pelo aquecimento provocado pela radiação By 1880, Langley's bolometer was refined enough to detect thermal radiation from a cow a quarter of a mile away.

42 Tipo de bolômetro de Pt dispotic 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.

43 43 Célula de Golay – (1947 – MJE Golay) 1.- janela 2.- filme semitransparente sistema re-focagem LED fotodiodo dispotic 2013 Faixa espectral: 1 – 4mm NEP: 7x W/Hz 1/2 Responsividade: 350V/W Tau: 6ms Área sensitiva: 1mmX1mm

44 Outra célula de Golay dispotic 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 Optimum modulation frequency, Hz: 15 ± 5 Noise-equivalent 20Hz: typical, W/Hz 1/2 minimum, W/Hz 1/2 1.4 x x Optical 20Hz: typical, V/W maximum, V/W 1 x x 10 5 Response rate: typical, ms minimum, ms Detectivity (D*) at entrance cone aperture: typical, cm x Hz 1/2 /W maximum, cm 7.0 x x 10 9 Ambient operating pressure range, mm Hg 760 ÷ Operational and storage temperature range, °C 5 ÷ 40 Humidity, %45 ÷ 80 Vibrationavoid vibrations at 1 ÷ 100 Hz Rated voltage, VAC 100/115 ± 10%, 220/230 ± 10% Line frequency, Hz50 ÷ 60 Overall dimensions, L x W x H, mm x 45 x 87 Weight, kg0.8

45 45 Câmera CCD CCD = Charge Coupled Device – 1969 – Willard Boyle & George Smith - ATT dispotic 2013

46 Simulação de CCD dispotic

47 47 CCD Capturar e armazenar imagens: - Scanners - Telescópio - Leitora codigo de barras - Cameras de video e fotográficas dispotic 2013

48 Câmera CCD e CMOS dispotic 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.

49 49 Resumo de detectores dispotic 2013 DispositivoParâmetro sensitivoRegião espectral Fotocelula, fotomultiplicadora Emissão de elétronsuv, vis, iv Emulsão fotográficaReação químicauv, vis, iv Câmera CCD e CMOS (CCD) Cargauv, vis, iv fotovoltaico, piroelétrico, termopar voltagemuv, vis, iv bolômetro, fotocondutivo (LDR) resistênciaiv Célula de GolayPressão de gásiv Olho humanoReação químicavis

50 Próxima aula conectores, acopladores e adaptadores dispotic


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