Dlaczego detektory CMOS / CCD są lepsze od fotopowielaczy?

CMOS / CCD brzmią jak dzwony obwieszczające koniec fotopowielaczy

Optyczne spektrometry emisyjne (OES) wykorzystują detektory, które przekształcają padające światło (sygnał optyczny) na impulsy elektryczne, które można następnie mierzą ilościowo i porównywnują z bazą danych, aby uzyskać wymagany wynik - stężenie mierzonego pierwiastka.

Po ich wynalezieniu w 1930 r. fotopowielacze (PMT) stały się detektorami wybieranymi przez producentów spektrometrów iskrowych. fotopowiepacze były postrzegane jako najnowocześniejsza technologia, zastępując dotychczasowe płyty fotograficzne. Dzięki ich wykorzystaniu, możliwe było zautomatyzowanie pomiarów. Szybko przejęły rynek i wkrótce detektorów tych używał praktycznie każdy spektrometr. Fotopowielacze na przestrzeni dziesięcioleci ewoluowały, osiągając szczyt rozwoju pod koniec lat osiemdziesiątych. Później jednak, jak w przypadku każdej technologii, zaczęły ulegać stagnacji - i ostatecznie wyparte zostały przez nowszą, bardziej nowoczesną technologię.

Matryca CCD, choć wynaleziona w 1969 roku, zaczęła być regularnie stosowana w przemyśle dopiero pod koniec lat 80-tych. Wprowadzenie detektorów CCD do spektrometrii rzeczywiście oznaczało początek końca spektrometrów fotopowielaczowych, a także wielu innych urządzeń,opartych na fotopowielaczach. Jednak dopiero teraz, wraz z rosnącą dojrzałością nowego rozwiązania, bicie dzwonów stało się na tyle głośne i wyraźne, by można je było usłyszeć.

Technologia detektora z matrycą liniową CCD (Charge Coupled Device) zaczęła być stosowana w polach optycznych już dużo wcześniej, ale w latach 90-tych technologia CCD rozwinęła się do tego stopnia, że stała się opłacalna w zastosowaniach o wysokiej precyzji, takich jak spektrometria. Biorąc pod uwagę ich zalety - niewielkie rozmiary, lekkość, gęstą liczbę pikseli na każdym detektorze (fotopowielacz to detektor jednopikselowy), matryce CCD zaoferowały wszystkie korzyści, o które mógłby prosić inżynier projektu z działu badań i rozwoju - poza najwyższymi poziomami czułości. To jednak szybko uległo poprawie. Na przełomie tysiącleci, wszyscy uznani producenci spektrometrów zaczęli doceniać detektory CCD i wprowadzać modele oparte na tej technologii. Tempo nie spadło - detektory CCD rozwinęły się tak szybko, że obecnie są wykorzystywane we wszystkich zastosowaniach wysokiej klasy, w tym w aplikacjach kosmonautycznych, obrazowaniu satelitarnym oraz oczywiście w najbardziej zaawansowanych zastosowaniach w spektrometrii.

Metal Power jako producent spektrometrów oceniliśmy wszystkie rodzaje detektorów - i wybraliśmy CCD jako ten, który zamierzamy stosować. Wraz z dalszym rozwojem technologii, matryce CMOS - niedorównujące wcześniej CCD pod względem wydajności, mimo oferowania korzyści w zakresie kosztów i skalowalności - również stały się interesującą opcją. W połowie drugiej dekady XXI wieku, najnowsza generacja detektorów CMOS zaczęła doganiać, a w niektórych aspektach nawet przewyższać detektory CCD. W porównaniu do fotopowielaczy, detektory te były lepsze w prawie każdym parametrze. Jako liderzy na rynku, jako pierwsi doceniliśmy, a następnie zaadoptowaliśmy detektory CMOS - w 2016 roku wprowadzając na rynek nasz pierwszy spektrometr wyposażony w detektor CMOS! Obecnie, większość producentów spektrometrów poszła naszym śladem. Detektory CMOS / CCD są dziś uznawane na całym świecie za najlepsze detektory do wszelkiego rodzaju zastosowań spektrometrycznych, nawet - a nawet szczególnie - tych najwyższej klasy!

Nadal jednak spotykamy się z pytaniami klientów, kierujących się przestarzałą wiedzą na temat zalet fotopowielaczy - lub tych, którzy padli ofiarą chwytów marketingowych kilku konkurencyjnych firm, które w dalszym ciągu nie były w stanie zoptymalizować technologii CMOS / CCD w swoich własnych instrumentach i dlatego trzymają się detektorów fotopowielaczowych. Chcielibyśmy rozwiać niektóre z tych wątpliwości i uświadomić użytkownikom różnice między poszczególnymi detektorami i ich możliwościami.

Detektory PMT (fotopowielacze)

Mówiąc prosto, fotopowielacz to detektor jednopikselowy; każdy może zatem wykryć tylko jedną długość fali - tę, dla której został specjalnie ustawiony. Fotopowielacze, to już niemal przestarzałe urządzenia starszego typu, pozostałość ery lamp próżniowych. Każdy fotopowielacz wychwytuje emitowane fotony światła, a jego warstwa fotokatody przekształca te fotony w elektrony (energię elektryczną). Dynody są następnie używane do zwielokrotnienia tego ładunku, dzięki czemu staje się on czytelny dla instrumentu. Fotopowielacze występują w różnych typach o różnych specyfikacjach technicznych - a co się z tym wiąże, w różnych cenach. Na przykład PMT używane w spektrometrach z zakresu głębokiego UV są wielokrotnie droższe niż te z widzialnego zakresu widma. Fotopowielacze kanałowe (zwane również CPM) to po prostu kolejny wariant fotopowielaczy, w którym wąski, zakrzywiony kanał półprzewodnikowy spełnia te same funkcje, co klasyczny łańcuch dynody. CPM mają zatem identyczny charakter jak PMT i oferują te same wady i zalety. PMT to zasadniczo duże (w porównaniu z innymi urządzeniami półprzewodnikowymi) detektory jednopikselowe, które oferują doskonałe wzmocnienie sygnału i niemal natychmiastowy czas odpowiedzi (biorąc pod uwagę, że są to urządzenia analogowe). Wady i zalety PMT można podsumować w następujący sposób:

Zalety fotopowielaczy (PMT/CPM):

  • Bardzo szybkie - wynika to z ich natury analogowej
  • Wysoka czułość wynikająca z wielokrotnego wzmocnienia ładunku
  • Niski poziom szumów - umożliwiają analizę niskich stężeń
  • Przetestowane przez lata - są obecne od dekad w szeregu aplikacjach

Wady fotopowielaczy (PMT/CPM):

  • Duże wymiary limitują liczbę fotopowielaczy, którą można zaadoptować w optyce
  • Każda długość linii wymaga oddzielnego fotopowielacza
  • Relatywnie duże zapotrzebowanie energetyczne
  • Niska elastyczność zastosowań, między innymi ze względu na wymiary
  • Wysoki koszt - ilość zastosowanych fotopowielaczy równa się ilości wymaganych linii spektralnych

Detektory CMOS / CCD

Detektory CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) i CCD (Charged-Coupled Device) to detektory półprzewodnikowe, które przekształcają padające fotony na sygnały elektryczne. Podstawowa zaleta tych detektorów wynika z faktu, że - jako urządzenia półprzewodnikowe, są niezwykle kompaktowe, a każdy detektor ma tysiące pikseli - z których każdy jest w efekcie detektorem, ponieważ sygnał wyjściowy każdego piksela może być mierzony indywidualnie. W związku z tym, z technicznego punktu widzenia, detektor 2048 pikseli obejmuje 2048 oddzielnych długości fal. Biorąc pod uwagę niezwykle kompaktowe rozmiary tych detektorów, spektrometr wykorzystujący takie detektory może zatem objąć każdą długość fali światła, bez kompromisów narzucanych przez detektory PMT (fotopowielacze).

Historycznie pierwszym detektorem jest detektor CCD, a liniowe detektory CCD zostały po raz pierwszy zastosowane w spektrometrach pod koniec lat 80-tych. W tamtym czasie uznano je za odpowiednie tylko dla modeli podstawowych, uwzględniając wyższy szum, niską prędkość i niższą czułość w porównaniu z fotopowielaczami. Wraz z większym zainteresowaniem tą dziedziną i szerszym napływem zaangażowanych osób i idei, nastąpił szybki postęp w urządzeniach półprzewodnikowych, zdecydowanie poprawiając ich osiągi. W połowie lat dziewięćdziesiątych detektory CCD zaczęły oferować znacznie lepszą wydajność - i pojawiły się w średniej klasy spektrometry, umożliwiające nawet analizę azotu o niskich stężeniach. Do 2010 roku detektory CCD i CMOS przewyższyły urządzenia fotopowielaczowe nawet pod względem ich podstawowych zalet - czułości, poziomu szumów i szybkości. Obecnie, najnowsze urządzenia CCD / CMOS oferują lepszą wydajność w praktycznie każdym parametrze istotnym dla spektrometru! Rzeczywiście, detektory CMOS zapewniają teraz jeszcze niższe granice wykrywalności niż fotopowielacze i udostępniają wszystkie rodzaje funkcji z najwyższej półki, w tym spektroskopię z podziałem czsu (TRS), analizę pojedynczych wyładowań oraz całą gamę doskonałych funkcji i zalet analitycznych.

Uwaga: Chociaż detektory CMOS praktycznie we wszystkich obszarach zastąpiły detektory CCD, termin „CCD” jest nadal powszechnie używany, zarówno przez producentów, jak i klientów, w odniesieniu do wszystkich takich urządzeń półprzewodnikowych.

Czy jest coś więcej, co warto wiedzieć o spektrometrii emisyjnej (OES)?

Oczywiście! Jak w przypadku każdej dziedziny, to dopiero początek. Aby uzyskać więcej informacji, zapoznaj się z: