AGA5802 Astrofísica Observacional: Ruído

Transcrição

1 16 de Abril de 2013

2 Referências C. R. Kitchin. Astrophysical Techniques. P. Léna, F. Lebrun, F. Mignard. Observational Astrophysics. G. Vasilescu. Eletronic Noise and Interfering Signals - Principles and Applocations.

3 Introdução Ruído: flutuação aleatória no sinal eletrônico. Existem 4 principais tipos de ruído: sinal ruído; ruído externo; ruído intrínseco; ruído de processamento.

4 Introdução Ex.: CCD medida irregular das cargas acumuladas (ruído de leitura); ruído do escuro (dark noise); raios cósmicos, entre outros. (seminário do Henrique Marques Reggiani) Kitchin

5 Introdução Ex.: Fotomultiplicadores variação na eficiência de fotoemissão no fotocátodo; ejeção de elétrons por flutuações térmicas; desgaste do material, entre outras. (seminário do Clayton Garcia da Silva)

6 Refere ncias Introduc a o Sinal Ruı do Ruı do Externo Ruı do Intrı nseco Ruı do de Processamento Suma rio Sinal Ruı do Ruı do associado ao sinal de entrada da fonte. Fo tons chegam de maneira independentes e aleato rias, dessa forma, podemos dizer que obedece a estatı stica de Poisson: Distribuic a o de Poisson P(n) = onde n = P 0 (n )n e n n! (1) np(n) Desvio Padra o 2 σn = X 2 2 (n n ) p(n) = n 2 n = n 0 AGA5802 Astrofı sica Observacional: Ruı do (2) Numero de fo tons por pixel: 0.001, 0.01, 0.1,1, 10, 100, 1000, and Fonte: en.wikipedia.org/wiki/shot noise

7 Ruído Externo Ruído da atmosfera: hora do dia, estação do ano, clima, latitude, altitude, entre outros. bandas de absorção, massa de ar; Aula 7 do Prof. Melendez. Precipitação estática: Interferência estática devido à descarga de cargas devido a chuva, granizo, neve, tempestades de areia, entre outos. Ruído Galático Rais Cósmicos Luz zodiacal, entre outras. G. Vasilescu

8 G. Vasilescu

9 Ruído Intrínseco Ruído originado pelo próprio detector. Em dispositivos sólidos o ruído intrinseco pode vir de 4 fontes: thermal noise; shot noise; g-r noise; flicker noise.

10 Thermal Noise (Johnson/Nyquist Noise) Flutuações térmicas geradas por elétrons livres num material condutor (sistemas dissipativos). G. Vasilescu elétrons movendo-se aleatóriamente (mov. Browniano); em determinado momento, pode haver acumulos de cargas gerando pequenas ddps. Ruído da densidade espectral de Voltagem de um Resistor S(V ) = < v 2 > ν = 4kTR (3)

11 Thermal Noise (Johnson/Nyquist Noise) Para altas frequências e baixas temperaturas, é necessário fazer uma correção quântica. Ruído da densidade espectral de Potência de um Resistor S p = < p2 > ν = kt (4) Se integrarmos em todas as frequências, vai pro infinito. Assim, para hν >> 1: Ruído da densidade espectral de Potência de um Resistor S p = hν e hν kt 1 (5) Léna, Lebrun e Mignard

12 Shot Noise Ruído associado à flutuações de corrente (junção de dispositivos). G. Vasilescu gigi/dida/strumentazione/harvard noise.pdf Para um diodo no vácuo S(I ) = < i 2 > ν = 2eI 0 (6) Gerado em fotomultiplicadores, dispositivos a vácuo, diodos. Aumentando a quantidade de elétrons, diminui as flutuações na corrente.

13 G-R Noise Ruído associado a flutuações estatísticas na população das cargas, devido à aleatoriedade na geração, recombinação, aprisionamento e liberação de cargas em um semicondutor. G-R Noise < i 2 4 < I 2 > τ >= < N > (1 + ω 2 τ 2 ) (7) < N >: número de cargas; < I >: corrente dc do dispositivo; τ: tempo característico do processo de geração-recombinação.

14 Flicker Noise (1/f Noise) Razão física ainda sendo estudada. Processo encontrado em sistemas fora de equiĺıbrio, por ex., fluxo de uma corrente dc através de um dispositivo. Atribuído a defeitos da estrutura do semicondutor, interações entre cargas e os estados da energia superficial do semicondutor e a contatos imperfeitos. Flicker Noise K: constante que depende do dispositivo; α: n: < i 2 >= KI α ν (8) f n

15 Comparação entre os vários ruídos intrínsecos Kitchin

16 Outros tipos de ruídos intrínsecos Ruído de difusão: flutuações nas velocidades das cargas; Ruído quântico: discretização das cargas; Popcorn Noise: associados as junções fortemente dopadas, depende de ν 2 ; Ruído de Avalanche: multiplicação das cargas devido à impactos.

17 Alguns exemplos de dispositivos G. Vasilescu

18 Ruído de Processamento Ruído originado de amplificadores (por ex.) usados para converter o sinal do detector em uma forma usável. Digitalização: Ganho é o número de elétrons para gerar um contagem do sinal (ADU: Analog-to-Digital Unit). O ruído é gerado pela não lineridade integral dessa conversão. Notas de Aulas Eduardo Cypriano

19 Sumário Sinal ruído: distribuição de Poisson. Ruído externo: céu; atmosfera, galaxia, raios cósmicos; aparelhos eletrônicos, entre outros. Ruído intrínseco: thermal noise; shot noise; g-r noise; flicker noise. Ruído de processamento: digitalização.