Use kappa for spring constants (k is for rates).
authorW. Trevor King <wking@tremily.us>
Wed, 27 Jun 2012 19:13:49 +0000 (15:13 -0400)
committerW. Trevor King <wking@tremily.us>
Wed, 27 Jun 2012 19:13:49 +0000 (15:13 -0400)
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src/cantilever-calib/overview.tex
src/cantilever-calib/setup_general.tex
src/cantilever-calib/solve_general.tex
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index 9db022b170dc348e0aef372645c02e5da539113b..caa2a67c21ac94758c49d02c46e6eefc29fc8e0f 100644 (file)
@@ -4,14 +4,14 @@
 In order to measure forces accurately with an AFM, it is important to
 measure the cantilever spring constant.  The force exerted on the
 cantilever can then be deduced from it's deflection via Hooke's law
-$F=-kx$.
+$F=-\kappa x$.
 \nomenclature{$F$}{Force (newtons)}
-\nomenclature{$k$}{Spring constant (newtons per meter)}
+\nomenclature{$\kappa$}{Spring constant (newtons per meter)}
 \nomenclature{$x$}{Displacement (meters)}
 
 The basic idea is to use the equipartition theorem\citep{hutter93},
 \begin{equation}
-  \frac{1}{2} k \avg{x^2} = \frac{1}{2} k_BT \;, \label{eq:equipart}
+  \frac{1}{2} \kappa \avg{x^2} = \frac{1}{2} k_BT \;, \label{eq:equipart}
 \end{equation}
 where $k_B$ is Boltzmann's constant, $T$ is the absolute temperature,
 and $\avg{x^2}$ denotes the expectation value of $x^2$ as measured
@@ -23,12 +23,12 @@ over a very long interval $t_T$,
   \begin{equation}
     \avg{A} \equiv \iLimT{A} \;.
   \end{equation}}
-Solving the equipartition theorem for $k$ yields
+Solving the equipartition theorem for $\kappa$ yields
 \begin{equation}
-  k = \frac{k_BT}{\avg{x^2}} \;, \label{eq:equipart_k}
+  \kappa = \frac{k_BT}{\avg{x^2}} \;, \label{eq:equipart_k}
 \end{equation}
 so we need to measure (or estimate) the temperature $T$ and variance
-of the cantilever position $\avg{x^2}$ in order to estimate $k$.
+of the cantilever position $\avg{x^2}$ in order to estimate $\kappa$.
 
 To find $\avg{x^2}$, the raw photodiode voltages $V_p(t)$ are
 converted to distances $x(t)$ using the photodiode sensitivity
@@ -37,9 +37,9 @@ while the tip is in contact with the surface) via
 \begin{equation}
   x(t) = \frac{V_p(t)}{\sigma_p} \;. \label{eq:x-from-Vp}
 \end{equation}
-By keeping $V_p$ and $\sigma_p$ separate in our calculation of $k$, we
-can gauge the relative importance errors in each parameter and
-calculate the uncertainty in our estimated $k$.
+By keeping $V_p$ and $\sigma_p$ separate in our calculation of
+$\kappa$, we can gauge the relative importance errors in each
+parameter and calculate the uncertainty in our estimated $\kappa$.
 
 In order to filter out noise in the measured value of $\avg{V_p^2}$ we
 fit the measured cantilever deflection to the expected theoretical
@@ -64,7 +64,7 @@ the expectation value for $V_p$ is given by
 Combining \cref{eq:equipart_k,eq:x-from-Vp,eq:Vp-from-freq-fit}, we
 have
 \begin{align}
-  k &= \frac{\sigma_p^2 k_BT}{\avg{V_p(t)^2}}
+  \kappa &= \frac{\sigma_p^2 k_BT}{\avg{V_p(t)^2}}
     = \frac{2 \beta_f f_0^2 \sigma_p^2 k_BT}{\pi G_{1f}} \;.
 \end{align}
 
index 368f35549847746e4790db70fe8e9cfc5a6c9b67..5b275f7bc11b0a1eabdf895f9d28ab7c957d947b 100644 (file)
@@ -1,6 +1,6 @@
 I didn't have a good understanding of the theory behind thermally
 calibrating an AFM cantilever, so I work it out here with all the
-gorey details :p.
+gory details :p.
 
 The testq subdirectory contains some python scripts I used to test my
 algebra and get a better feel for what was going on.  The dot
index 4acb8966259d7669dc194b391b5b52aee3733bd3..389e155ff0f37fc30c3a46df751760c0c5a3a2fa 100644 (file)
@@ -10,7 +10,7 @@ Various corrections taking into acount higher order modes
 proposed and reviewed\citep{florin95,levy02,ohler07}, but we will
 focus here on the derivation of Lorentzian noise in damped simple
 harmonic oscillators that underlies all frequency-space methods for
-improving the basic $k\avg{x^2} = k_BT$ method.
+improving the basic $\kappa\avg{x^2} = k_BT$ method.
 
 Roters and Johannsmann describe a similar approach to deriving the Lorentizian
 power spectral density\citep{roters96}. %,
@@ -56,7 +56,7 @@ by \cref{eq:DHO-var}
 which we can plug into the equipartition theorem
 (\cref{eq:equipart}) yielding
 \begin{align}
-  k = \frac{2 \beta \omega_0^2 k_BT}{\pi G_1} \;.
+  \kappa = \frac{2 \beta \omega_0^2 k_BT}{\pi G_1} \;.
 \end{align}
 
 From \cref{eq:GO}, we find the expected value of $G_1$ to be
@@ -86,7 +86,7 @@ spectrum before converting to distance.
 where $m_p\equiv m/\sigma_p$, $G_{1p}\equiv G_0/m_p^2=\sigma_p^2 G_1$.
 Plugging into the equipartition theorem yeilds
 \begin{align}
-  k &= \frac{\sigma_p^2 k_BT}{\avg{V_p(t)^2}}
+  \kappa &= \frac{\sigma_p^2 k_BT}{\avg{V_p(t)^2}}
     = \frac{2 \beta\omega_0^2 \sigma_p^2 k_BT}{\pi G_{1p}} \;.
 \end{align}
 
@@ -147,7 +147,7 @@ Therefore
 where $f_0\equiv\omega_0/2\pi$, $\beta_f\equiv\beta/2\pi$, and
 $G_{1f}\equiv G_{1p}/8\pi^3$.  Finally
 \begin{align}
-  k &= \frac{\sigma_p^2 k_BT}{\avg{V_p(t)^2}}
+  \kappa &= \frac{\sigma_p^2 k_BT}{\avg{V_p(t)^2}}
     = \frac{2 \beta_f f_0^2 \sigma_p^2 k_BT}{\pi G_{1f}} \;.
 \end{align}
 
index fc9abe24531e99fc0f90dc1a11a7495f73a98508..36c7811a4733d45d698b427eb7f423cf2e6ee804 100644 (file)
@@ -3,13 +3,13 @@
 
 Our cantilever can be approximated as a damped harmonic oscillator
 \begin{equation}
-  m\ddt{x} + \gamma \dt{x} + k x = F(t) \;, \label{eq:DHO}
+  m\ddt{x} + \gamma \dt{x} + \kappa x = F(t) \;, \label{eq:DHO}
   % DHO for Damped Harmonic Oscillator
 \end{equation}
 where $x$ is the displacement from equilibrium,
  $m$ is the effective mass,
  $\gamma$ is the effective drag coefficient,
- $k$ is the spring constant, and
+ $\kappa$ is the spring constant, and
  $F(t)$ is the external driving force.
 During the non-contact phase of calibration,
  $F(t)$ comes from random thermal noise.
index 17028ae2584d513d7dc88cda48fce6ae28dfb1b7..5d86c4bd7cd78ee50ad575d66850316830083c94 100644 (file)
@@ -6,15 +6,16 @@ complicated.
 
 Fourier transforming \cref{eq:DHO} and applying \cref{eq:four-deriv} we have
 \begin{align}
-  (-m\omega^2 + i \gamma \omega + k) x(\omega) &= F(\omega)
+  (-m\omega^2 + i \gamma \omega + \kappa) x(\omega) &= F(\omega)
                                               \label{eq:DHO-freq} \\
   (\omega_0^2-\omega^2 + i \beta \omega) x(\omega) &= \frac{F(\omega)}{m} \\
   |x(\omega)|^2 &= \frac{|F(\omega)|^2/m^2}
                         {(\omega_0^2-\omega^2)^2 + \beta^2\omega^2} \;,
                                               \label{eq:DHO-xmag}
 \end{align}
-where $\omega_0 \equiv \sqrt{k/m}$ is the resonant angular frequency
-and $\beta \equiv \gamma / m$ is the drag-aceleration coefficient.
+where $\omega_0 \equiv \sqrt{\kappa/m}$ is the resonant angular
+frequency and $\beta \equiv \gamma / m$ is the drag-aceleration
+coefficient.
 \index{Damped harmonic oscillator}\index{beta}\index{gamma}
 \nomenclature{$\omega_0$}{Resonant angular frequency (radians per second)}
 \index{$\omega_0$}
@@ -40,8 +41,8 @@ Integrating over positive $\omega$ to find the total power per unit time yields
       \iInfInf{\omega}{\frac{1}{(\omega_0^2-\omega^2)^2 + \beta^2\omega^2}}
       = \frac{G_0}{2m^2} \cdot \frac{\pi}{\beta\omega_0^2}
       = \frac{G_0 \pi}{2m^2\beta\omega_0^2}
-      = \frac{G_0 \pi}{2m^2\beta \frac{k}{m}} \\
-     &= \frac{G_0 \pi}{2m \beta k} \;.
+      = \frac{G_0 \pi}{2m^2\beta \frac{\kappa}{m}} \\
+     &= \frac{G_0 \pi}{2m \beta \kappa} \;.
 \end{align}
 The integration is detailed in \cref{sec:integrals}.
 By the corollary to Parseval's theorem (\cref{eq:parseval-var}), we have
@@ -52,7 +53,7 @@ By the corollary to Parseval's theorem (\cref{eq:parseval-var}), we have
 Plugging \cref{eq:DHO-var} into the equipartition theorem
 (\cref{eq:equipart}) we have
 \begin{align}
-  k \frac{G_0 \pi}{2m \beta k} &= k_BT \\
+  \kappa \frac{G_0 \pi}{2m \beta \kappa} &= k_BT \\
   G_0 &= \frac{2}{\pi} k_BT m \beta \;.  \label{eq:GO}
 \end{align}
 
@@ -66,14 +67,14 @@ So we expect $x(t)$ to have a power spectral density per unit time given by
 
 As expected, the general form \cref{eq:DHO-psd} reduces to the
 extremely overdamped form \cref{eq:ODHO-psd}.  Plugging in for
-$\beta\equiv\gamma/m$ and $\omega_0\equiv\sqrt{k/m}$,
+$\beta\equiv\gamma/m$ and $\omega_0\equiv\sqrt{\kappa/m}$,
 \begin{align}
   \lim_{m\rightarrow 0} \PSD(x, \omega)
     &= \lim_{m\rightarrow 0} \frac{2 k_BT \gamma}
-       { \pi m^2 \p[{(k/m-\omega^2)^2 + \gamma^2/m^2\omega^2}] }
+       { \pi m^2 \p[{(\kappa/m-\omega^2)^2 + \gamma^2/m^2\omega^2}] }
      = \lim_{m\rightarrow 0} \frac{2 k_BT \gamma}
-       { \pi \p[{(k-m\omega^2)^2 + \gamma^2\omega^2}] } \\
+       { \pi \p[{(\kappa-m\omega^2)^2 + \gamma^2\omega^2}] } \\
     &= \frac{2}{\pi}
                \cdot
-       \frac{\gamma k_BT}{k^2 + \gamma^2\omega^2} \;.
+       \frac{\gamma k_BT}{\kappa^2 + \gamma^2\omega^2} \;.
 \end{align}
index b9d07d797d1b4107ea43202cec6016015b1f5bf8..d8a6bbc60511cee22374758914326d90f781de9d 100644 (file)
@@ -12,8 +12,8 @@ Fourier transforming \cref{eq:DHO} with $m=0$ and applying
 \cref{eq:four-deriv} we have
 % ODHO stands for very Over Damped Harmonic oscillator
 \begin{align}
-  (i \gamma \omega + k) x(\omega) &= F(\omega) \label{eq:ODHO-freq} \\
-  |x(\omega)|^2 &= \frac{|F(\omega)|^2}{k^2 + \gamma^2 \omega^2} \;.
+  (i \gamma \omega + \kappa) x(\omega) &= F(\omega) \label{eq:ODHO-freq} \\
+  |x(\omega)|^2 &= \frac{|F(\omega)|^2}{\kappa^2 + \gamma^2 \omega^2} \;.
                                                \label{eq:ODHO-xmag}
 \end{align}
 \index{Damped harmonic oscillator!extremely overdamped}
@@ -21,13 +21,14 @@ We compute the \PSD\ by plugging \cref{eq:ODHO-xmag} into
 \cref{eq:psd-def}
 \begin{equation}
   \PSD(x, \omega)
-        = \normLimT \frac{2\magSq{F(\omega)}}{k^2 + \gamma^2\omega^2} \;.
+        = \normLimT \frac{2\magSq{F(\omega)}}{\kappa^2 + \gamma^2\omega^2} \;.
                                                \label{eq:ODHO-psd-F}
 \end{equation}
 \index{PSD@\PSD}
 
-Because thermal noise is white (not autocorrelated + Wiener-Khinchin Theorem),
-we can denote the one sided thermal power spectral density per unit time by
+Because thermal noise is white (not autocorrelated + Wiener-Khinchin
+Theorem), we can denote the one sided thermal power spectral density
+per unit time by
 \begin{equation}
   \PSD(F, \omega) = G_0
      = \normLimT 2 \magSq{F(\omega)} \;. \label{eq:GOdef} % label O != zero
@@ -35,29 +36,30 @@ we can denote the one sided thermal power spectral density per unit time by
 
 Plugging \cref{eq:GOdef} into \cref{eq:ODHO-psd} we have
 \begin{equation}
-  \PSD(x, \omega) = \frac{G_0}{k^2 + \gamma^2\omega^2} \;.
+  \PSD(x, \omega) = \frac{G_0}{\kappa^2 + \gamma^2\omega^2} \;.
 \end{equation}
-This is the formula we would use to fit our measured \PSD, but let us go a
-bit farther to find the expected \PSD\ and thermal noise
- given $m$, $\gamma$ and $k$.
+This is the formula we would use to fit our measured \PSD, but let us
+go a bit farther to find the expected \PSD\ and thermal noise given
+$m$, $\gamma$ and $\kappa$.
 
-Integrating over positive $\omega$ to find the total power per unit time yields
+Integrating over positive $\omega$ to find the total power per unit
+time yields
 \begin{align}
   \iOInf{\omega}{\PSD(x, \omega)}
-     = \iOInf{\omega}{\frac{G_0}{k^2 + \gamma^2\omega^2}}
-     = \frac{G_0}{\gamma}\iOInf{z}{\frac{1}{k^2 + z^2}}
-     = \frac{G_0 \pi}{2 \gamma k} \;,
+     = \iOInf{\omega}{\frac{G_0}{\kappa^2 + \gamma^2\omega^2}}
+     = \frac{G_0}{\gamma}\iOInf{z}{\frac{1}{\kappa^2 + z^2}}
+     = \frac{G_0 \pi}{2 \gamma \kappa} \;,
 \end{align}
 where the integral is solved in \cref{sec:integrals}.
 
 Plugging into our corollary to Parseval's theorem (\cref{eq:parseval-var}), 
 \begin{equation}
-  \avg{x(t)^2} = \frac{G_0 \pi}{2 \gamma k} \;. \label{eq:ODHO-var}
+  \avg{x(t)^2} = \frac{G_0 \pi}{2 \gamma \kappa} \;. \label{eq:ODHO-var}
 \end{equation}
 
 Plugging \cref{eq:ODHO-var} into \cref{eq:equipart} we have
 \begin{align}
-  k \frac{G_0 \pi}{2 \gamma k} &= k_BT \\
+  \kappa \frac{G_0 \pi}{2 \gamma \kappa} &= k_BT \\
   G_0 &= \frac{2 \gamma k_BT}{\pi} \;.
 \end{align}
 
@@ -65,7 +67,7 @@ So we expect $x(t)$ to have a power spectral density per unit time given by
 \begin{equation}
   \PSD(x, \omega) = \frac{2}{\pi} 
                        \cdot
-                    \frac{\gamma k_BT}{k^2 + \gamma^2\omega^2} \;.
+                    \frac{\gamma k_BT}{\kappa^2 + \gamma^2\omega^2} \;.
   \label{eq:ODHO-psd}
 \end{equation}
 \index{PSD@\PSD}