Spektroskopische Ladungsgekoppelte Geräte (CCD) Detektionssysteme sind mit einer breiten Palette von Sensoren und Kühloptionen erhältlich. Der Zweck dieses Dokuments ist es, Ihnen zu helfen, die am besten geeigneten Optionen für Ihren Antrag auszuwählen. Praktisch alle Spektroskopien zwischen 200 nm und 1100 nm werden mit einem siliziumbasierten Mehrkanaldetektor und einem Spektrographen durchgeführt. Die Mehrkanalerkennung hat es ermöglicht, Spektroskopie in Forschungs- und Analyseanwendungen einzusetzen, die zuvor mit der Einkanal-Scan-Spektroskopie nicht möglich waren, und bietet sowohl eine bessere Signal-Rausch-Leistung als auch eine bessere Erfassungsgeschwindigkeit.
Lineare Photodiodenarrays (PDAs) und CCDs ermöglichen eine kostengünstige und schnelle Datenerfassung für ein breites Anwendungsspektrum. Zweidimensionale CCDs bieten zusätzlich die Vorteile einer variablen Detektionsfläche und der Möglichkeit, mehrere Quellen gleichzeitig zu überwachen. Sie sind in der Regel empfindlicher und werden in anspruchsvollen Forschungs- und industriellen Anwendungen zur Mehrpunktanalyse eingesetzt.
CCD-Detektionssysteme, die speziell für die Spektroskopie entwickelt wurden, werden manchmal als Kameras bezeichnet. Sie enthalten jedoch CCD-Sensoren, die typischerweise größere Pixel haben und länger sind als die CCDs, die für Bildgebungsanwendungen verwendet werden. Bild-CCDs sind typischerweise 6 mm x 4 mm groß und haben Pixel, die kleiner als 10 μm quadratisch sind. Spektroskopische CCDs sind oft 25 mm oder länger und haben Pixel von etwa 25 μm im Quadrat. Sie haben auch keine Maskierung für Bildübertragungen. CCD-Kameras für die Spektroskopie werden gekühlt, um Dunkelrauschen zu reduzieren.
Die Prioritäten bei der spektroskopischen Erfassung unterscheiden sich von der Bildaufnahme. In der Bildgebung ist die räumliche Auflösung wichtiger als der Dynamikbereich. In der Spektroskopie ist die räumliche Auflösung nicht so kritisch wie die horizontale räumliche Auflösung, die auf die spektrale Auflösung abgebildet wird und vom Spektrographen bestimmt wird. In den meisten Bildgebungsanwendungen muss der Dynamikbereich, also die Fähigkeit, Grautöne zu unterscheiden, in der Regel nicht 1.000 zu 1 überschreiten. In der Spektroskopie ist ein höherer Dynamikumfang wichtig, um Messungen über ein breites Spektrum von Intensitäten durchzuführen. Ein typischer wissenschaftlicher CCD-Detektor hat einen intrinsischen Dynamikbereich von über 300.000 zu 1. Alle spektroskopischen CCD-Systeme verfügen über 16-Bit-Analog-zu-Digital-Systeme
Konverter (ADC), die den messbaren Dynamikbereich auf 65.535 zu 1 oder weniger begrenzen.
Das Hauptziel eines spektrometrischen Messsystems ist es, die spektralen Merkmale innerhalb der durch das Phänomen vorgegebenen Zeitlimits sowie Umwelt- oder Finanzfaktoren vom Rauschen unterscheiden zu können. Bei lichtarmen Anwendungen sind die Sammeloptik, die Spektrographenoptionen und die CCD-Detektorkonfiguration entscheidend.
Ungefähre Signal-Rausch-Verhältnisse.
Alle Spektren haben Rauschen. Es ist wichtig sicherzustellen, dass das Signal der Probe die Summe der Rauschkomponenten übersteigt. Das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) muss größer als 1:1 sein, um ein spektrales Merkmal vom Rauschen zu unterscheiden. Ein Peak mit einem SNR von 4/1 sieht vielleicht nicht schön aus, ist aber dennoch eindeutig und kann für eine qualitative Analyse akzeptabel sein. Für quantitative Analysen sind in der Regel höhere SNRs erforderlich.
Es gibt viele Rauschquellen, die die Qualität eines Spektrums beeinflussen. Die Quelle selbst weist eine gewisse Instabilität auf, das Spektrometer weist ein gewisses Maß an Streulicht auf, und der Tisch kann vibrieren. Hier wird die Diskussion jedoch auf Rauschquellen beschränkt sein, die mit dem Detektionssystem verbunden sind.
Der SNR kann die ultimative Überlegung in Anwendungen sein, bei denen der Fluss während des zulässigen Messzeitraums sehr gering ist. Die Einschränkungen können auf ein intrinsisch geringes Signal, zeitliche Variationen in der Sample-Struktur oder die Quellendauer zurückzuführen sein. In den meisten anderen Fällen, d. h. wenn die Zeit es erlaubt, kann das SNR durch längere Integration verbessert werden. Die Erhöhung des SNR entspricht der Quadratwurzel des Faktoranstiegs in der Integrationszeit. Erhöht man die Integrationszeit von 2 auf 4 Sekunden, steigt das SNR um den Faktor 1,414. Die Verdopplung der Integrationszeit eines Spektrums mit einem SNR von 4/1 erhöht die SNR auf 5,6/1.
CCDs sind mit einer Vielzahl von Sensor- und Kühloptionen erhältlich. Das Verständnis der experimentellen Einschränkungen und des mit der Komponentenauswahl verbundenen Rauschens kann entscheidend dafür sein, ob man überhaupt Spektren erhält oder dafür zu viel bezahlen muss. Abb. 45 zeigt Spektralmerkmale mit den jeweils angegebenen ungefähren Signal-Rausch-Verhältnissen (SNR).
Die folgende Erläuterung wird Ihnen helfen zu verstehen, wie jede einzelne Rauschquelle der CCD-Kamera zum Gesamtrauschen beiträgt und welche davon unbedeutend bzw. dominant sind, wenn Sie die richtigen Detektoroptionen für Ihre Anwendung auswählen.
Die Grundgleichung zur Bestimmung des Signal-Rausch-Verhältnisses (SNR) eines CCD-Detektors lautet wie folgt:
S = das zu messende Signal
N = Gesamtrauschen
D = Dunkelsignal
R = Ausleserauschen.
Schussrauschen, auch als Quantenrauschen bezeichnet, wird durch die statistische Variation bei der Zählung der Photonenzahl verursacht und kann nicht eliminiert werden.
Schussrauschen, auch als Quantenrauschen bezeichnet, wird durch die statistische Variation bei der Zählung der Photonenzahl verursacht und kann nicht eliminiert werden.
Diese Variation folgt einer klassischen Poisson-Verteilung und kann als die Quadratwurzel der Anzahl der detektierten Photonen in der
Messzeitraum. Die statistische Variation für eine Messung mit 100 Photonen liegt zwischen 95 und 105 Photonen. Der SNR dieser Messung beträgt 100/√100 = 10/1.
Schussrauschen ist fast immer die dominierende Detektorrauschquelle in Experimenten mit gekühlten, CCD-basierten Detektionssystemen, sobald das Signal über jedes Hintergrundsignal hinaussteigt.
Thermionisches oder dunkles Rauschen.
So wie Photonen Elektronen freisetzen können, können thermische Schwingungen im Sensor dasselbe tun. Die Anzahl der freigewordenen Elektronen für eine gegebene Temperatur und Erwerbsperiode ist sehr reproduzierbar. Bei ungekühlten oder minimal gekühlten Detektoren kann der Dunkelstrom oft höher sein als das zu messende Signal. Eine dunkle Messung für die gleiche Integrationszeit wie die Messung zu nehmen und sie von der Messung abzuziehen, ist eine gängige Praxis. Es gibt jedoch eine analoge Schussrauschkomponente im Dunkelstrom.
Je kälter der Sensor, desto geringer ist der Dunkelstrom und das damit verbundene Rauschen. Ein flüssigstickstoffgekühltes (LN) gekühltes CCD besitzt einen Dunkelstrom im Bereich von Elektronenanteilen pro Pixelstunde und besitzt praktisch keine Dunkelrauschkomponente. Wissenschaftliche CCD-Erkennungssysteme mit Peltier-Thermoelektrizitätskühlern (TE) erreichen typischerweise Temperaturen unter 200 K. Diese CCDs haben Rauschkomponenten im Anteil der Elektronen pro Sekunde, was für die meisten Anwendungen mehr als ausreichend ist. Für extrem schwache Phänomene, die Integrationszeiten im Minutenbereich erfordern, kann jedoch ein LN-gekühlter Detektor eine geeignetere Wahl sein.
Das Ausleserauschen entsteht durch Unsicherheit im Leseprozess. t wird üblicherweise als eine bestimmte Anzahl von Elektronen RMS angegeben. RMS, Root Mean Squared, ist eine statistische Messung, und die tatsächliche Anzahl der ausgelesenen Elektronen für ein Pixel kann sich über einen ungefähren Peak-zu-Peak-Bereich von 5-fachem RMS-Wert unterscheiden.
Das Ausleserauschen entsteht durch Unsicherheit im Leseprozess. Das Ausleserauschen wird üblicherweise als eine bestimmte Anzahl von Elektronen RMS angegeben. RMS, Root Mean Squared, ist eine statistische Messung, und die tatsächliche Anzahl der ausgelesenen Elektronen für ein Pixel kann sich über einen ungefähren Peak-zu-Peak-Bereich von 5-fachem RMS-Wert unterscheiden. Ein Unterschied von wenigen Elektronen im Ausleserauschen hat selbst in den schwierigsten Anwendungen keinen erkennbaren Einfluss auf das gesamte SNR. Das Ausleserauschen wird in völliger Dunkelheit gemessen, mit der minimal erreichbaren Integrationszeit. Ein Signal von nur 25 Fotoelektronen in einem Messzeitraum hätte ein Schussrauschen, das über dem Ausleserauschen der meisten wissenschaftlichen CCD-Detektoren liegt.
Abb. 48 zeigt das Auslesegeräusch von zwei Arrays. Obwohl statistisch eine Elektronendifferenz für jede einzelne wiederholte Messung nachweisbar ist, werden über 1000 Pixel in einem Spektrum ausgelesen. Für jeden beliebigen Pixel kann das Gerät mit dem höheren RMS-Ausleserauschen tatsächlich weniger Rauschen haben. Wenn das Bildrauschen des Signals darüber überlagert wird, besteht keine Möglichkeit, eine messbare Unterscheidung zu machen.
Wenn das Anzeigerauschen für eine 10-minütige Belichtung über dem Schussrauschen liegt, besteht eine gute Chance, dass kein nutzbares Spektrum ermittelt wird.
Kosmische Strahlen sind allgegenwärtig. Wenn sie auf einen CCD-Sensor trifft, können auf ihrem Weg Elektronen freigesetzt werden. Einige dieser Elektronen werden eingefangen und tragen zum Rauschen bei. Die durchschnittliche Trefferquote beträgt 5 Ereignisse/cm/Minute. Für die meisten Anwendungen spielt die kosmische Strahlung keine Rolle, da das Signal in der Regel stärker und die Integrationszeit kurz ist. Bei extrem schwachen Phänomenen jedoch, bei denen das Signal im Bereich von einigen 10 Photonen pro Sekunde liegen kann und die Integrationszeit 20 bis 30 Minuten beträgt, kann das durch die kosmische Strahlung verursachte Rauschen ein Spektrum unlesbar machen. Die meisten Spektroskopieprogramme verfügen über einen Algorithmus zur Entfernung der kosmischen Strahlung. Im Wesentlichen werden zwei Spektren aufgenommen, und jedes Merkmal, das nicht in beiden Spektren enthalten ist, wird subtrahiert. Allerdings,
Die kosmische Strahlung kreuzt jedoch Spalten und Zeilen, und selbst mit dem Algorithmus können lang belichtete Spektren über die analytische Gültigkeit hinaus verzerrt werden. Siehe Abb. 49. Wenn das Ausleserauschen über dem Aufnahmerauschen für eine 10-minütige Belichtung liegt, besteht eine gute Chance, dass kein brauchbares Spektrum aufgenommen werden kann.
QE gibt an, welcher Prozentsatz der Photonen, die auf den Sensor treffen, letztlich dazu führt, dass ein Elektron eingefangen und abgelesen wird.
Bei der Auswahl eines Sensors gibt es mehrere Optionen. Die Quanteneffizienz (QE) gilt oft als die wichtigste. Der QE gibt an, welcher Prozentsatz der Photonen, die auf den Sensor treffen, letztlich dazu führt, dass ein Elektron eingefangen und abgelesen wird. Ein standardmäßiger frontbeleuchteter Sensor hat praktisch keine Empfindlichkeit unter 400 nm und wäre für UV-Messungen ungeeignet. In Abbildung 50 hat der frontbeleuchtete offene Elektrodensensor (OE) etwa 50 % QE bei 550 nm. Der frontbeleuchtete Sensor mit UV-Beschichtung (FIUV) hat etwa 25 % QE bei derselben Wellenlänge. Dies zeigt, dass bei demselben einfallenden Fluss der OE-Sensor doppelt so viele detektierbare Elektronen erzeugt. Somit hat der OE-Sensor für die gleiche Integrationszeit einen SNR, der 1,414 (√2) Mal besser ist als der FIUV-Sensor, oder ein entsprechendes SNR-Verhältnis kann in halber Zeit erreicht werden.
Bei etwa 320 nm hat der rückbeleuchtete UV-Sensor (BIUV) eine QE von 60 %, OE 35 % und FIUV 15 %. Das BIUV kann äquivalente Daten in 0,6 % der Zeit eines OE (35/60) oder mit einer SNR-Verstärkung von 1,31 (√(60/35)) über dem OE erfassen. Der Vergleich des BIUV mit dem FIUV ergibt entweder einen vierfachen Geschwindigkeitsvorteil oder einen doppelfachen SNR-Vorteil. Abb. 51 zeigt die SNR-Vergleiche bei extrem niedrigen Lichtwerten. Für Anwendungen, bei denen routinemäßig ein SNR von 10/1 oder besser erreicht wird, sind diese kleinen Unterschiede die Kosten möglicherweise nicht wert. Bei der Entscheidung zwischen einem rückbeleuchteten CCD und einer frontbeleuchteten Version ist der relative Unterschied in der QE entscheidend, wenn Bedingungen nicht durch Schussrauschen oder zeitbegrenztes Rauschen entstehen. Ein rückwärts beleuchteter Sensor eignet sich am besten für schwache, einmalige kinetische oder reaktionszeitbegrenzte Messungen im Subsekundenbereich oder in Fällen, in denen die notwendigen Integrationszeiten sehr lang sind und kosmische Strahleneffekte potenziell bestehen.
Die relativen Unterschiede im QE zwischen sichtbarem und NIR betragen bestenfalls 50 % zwischen einer vorne beleuchteten und einer hinten beleuchteten CCD. Dies entspricht dem Unterschied im SNR zwischen dem roten und grünen Spektrum. Im UV hingegen kann die relative Differenz über das Vierfache betragen, was der Differenz zwischen den roten und violetten Spektren entspricht.
Der Unterschied von 50 % zwischen 40 % und 60 % QE ergibt beispielsweise einen SNR-Gewinn von 1,25, was der Differenz zwischen den roten und grünen Spektren in Abb. 51 entspricht. Der größte relative Unterschied zwischen VIS und NIR beträgt nur etwa das Zweifache. Dies ergibt eine SNR-Verbesserung von 1,4, die der Differenz zwischen den roten und blauen oder blauen und violetten Spektren entspricht. Im UV-Bereich hingegen gibt es einen erheblichen Unterschied zwischen einem frontbeleuchteten (UV-beschichteten) und einem rückwärts beleuchteten Sensor; bis zu fünfmal so viel QE.
Dies erzeugt einen Unterschied, der nahe an einem Vergleich zwischen dem roten und violetten Spektrum liegt.
Der Kauf eines Sensors mit der höchsten QE garantiert nicht immer eine signifikante Verbesserung der spektralen Qualität. Es erhöht jedoch fast immer die Kosten.
Der FWC eines Sensors wird in tausend Elektronen, ke-, angegeben und gibt die Gesamtzahl der Elektronen an, die in einem Ausleseregisterpixel gemessen werden können. Die Pixel im Ausleseregister sind in der Regel etwas größer als die anderen.
Der FWC eines Sensors wird in tausend Elektronen, ke-, angegeben und gibt die Gesamtzahl der Elektronen an, die in einem Ausleseregisterpixel gemessen werden können. Die Pixel im Ausleseregister sind in der Regel etwas größer als die anderen. Wenn Elektronen durch die Spalten zum Ausleseregisterpixel übertragen werden, ist der FWC auch das Maximum für jede Spalte. In den meisten Anwendungen bei schwachem Lichtpegel ist das kein Problem. In Anwendungen, bei denen das Licht relativ intensiv ist oder bei denen die Messung über einen Zeitrahmen erfolgen kann, der eine Maximierung des Signals ermöglicht, kann es wichtig sein. Ein größerer FWC ermöglicht die Messung intensiverer Signale. Es kann auch einen höheren Dynamikbereich bei der Messung ermöglichen, d. h. es kann kleinere Spitzen in einem Spektrum mit einer vollskalaigen Spitze unterscheiden als einen Sensor mit einem kleineren FWC, abhängig von der Elektronen-pro-Zähl-Einstellung.
Die Schaltpläne jedes Sensortyps sind unten dargestellt, mit kurzen Aufzählungspunkten, die die Vor- und Nachteile jedes Sensors beschreiben.
Die Pixelgröße wurde mit einer besseren spektralen Auflösung in Verbindung gebracht. Ein 20 μm breites Pixel hat eine geringere Anzahl von Wellenlängen als ein Pixel mit 26 μm Breite. Die einzigen Anwendungen, bei denen dieser Größenunterschied einen Einfluss haben kann, sind solche mit extrem engen atomaren Emissionsspektren, die mit langer Brennweite und niedriger Aptur-Spektrographen aufgenommen wurden. Für alle anderen Anwendungen ist es wichtiger, eine Kombination aus Spektrograph und Gitter mit einer höheren Auflösung als für die Messung erforderliche Lösung zu wählen.
Die meisten Molekularspektren, zum Beispiel Raman und Fluoreszenz, haben relativ breite Merkmale und können mit Spektrographen zwischen 0,3 m und 0,6 m gemessen werden. Die abseits liegenden Aberrationen in diesen sind größer als der 6 μm Unterschied in der Pixelbreite über weite Teile der Brennebene. Außerdem ist es sehr selten, besonders bei schwachen Anwendungen, dass eine Schlitzbreite unter 25 μm angemessen wäre. Ein Spektrograph mit höherer Gitterdichte oder eine längere Brennweite würde die Verwendung eines breiteren Eingangsspalts für eine gleichwertige Auflösung ermöglichen und vor allem mehr Licht einfangen. Die Spaltbreite ist der bestimmende Faktor für die Auflösung. Wenn die Schlitzbreite größer als die Pixelbreite ist, hat das Pixel keinen Einfluss auf die Auflösung. Es gäbe keinen Vorteil, ein kleineres Pixel zu haben, aber es gäbe eine FWC-Reduktion, da je kleiner das Pixel, desto weniger Elektronen kann es aufnehmen.
Die Sensoren werden gekühlt, um den Dunkelstrompegel und das damit verbundene Rauschen zu reduzieren. Spektroskopische CCD-Systeme sind entweder mit thermoelektrischer (TE) Kühlung oder Flüssigstickstoffkühlung (LN) erhältlich. Hersteller geben TE-Kühlwerte zwischen -80 °C und -100 °C an (mit optionalen Stromversorgungen und Wasserzirkulation). Bei -80 °C haben die meisten CCDs einen Dunkelstrom von etwa 0,002 Elektronen pro Pixel und Sekunde. Der Dunkelstrom für jede Anzeige ist der kombinierte Dunkelstrom aller Pixelanzeigen in jeder Spalte. Für einen 256-Pixel-Höhensensor, bei dem alle Pixel in einer Spalte ausgelesen werden, beträgt der gesamte Dunkelstrom (0,002e/Pixel) x 256 Pixel oder 0,5 Elektronen pro Sekunde. Um ein dunkles Rauschpegel zu erreichen, das genau einem 3-Elektronen-Ausleserauschen entspricht, würden etwa 18 Sekunden benötigt. Offensichtlich ist die Kühlung selbst bei relativ langen Aufnahmezeiten kein Problem und ist selbst bei extrem schwachen Experimenten auf Subsekunden-Zeitskalen nie ein Problem.
Etaloning ist ein Phänomen, das einige Spektroskopiemessungen beeinträchtigen kann, aber bei anderen Messungen möglicherweise keine Interferenz aufweist.
Mit einem rückbeleuchteten Sensor trifft das einfallende Licht direkt auf die lichtempfindliche Siliziumschicht. Die Siliziumschicht wird physikalisch verdünnt, was zu einer höheren Quanteneffizienz führt, aber auch zu Etalon-Franseneffekten durch Reflexionen zwischen Silizium- und Siliziumdioxidschichten führt.
Etaloning ist ein Phänomen, das einige Spektroskopiemessungen beeinträchtigen kann, aber bei anderen Messungen möglicherweise keine Interferenz aufweist. Um Etaloning zu begrenzen und die Quanteneffizienz zu erhöhen, kann ein dickeres Substrat auf BI-Sensoren angewendet werden. Dieser Sensortyp wird als rückbeleuchtete, tiefe Entläferung bezeichnet.
Die bisherige Diskussion hat sich mit Photonen und Elektronen beschäftigt. Photonen aus der Probe setzen Elektronen im Sensor frei. Diese Elektronen, die Elektronen im Dunkelstrom und die durch das Auslesen erzeugten Elektronen werden in der Messung kombiniert. Die auf dem Bildschirm angezeigten Werte sind jedoch Zählungen. Mit einem 16-Bit-Analog-Digital-Wandler sind 65.535 Zählungen erkennbar. Die Elektronik ermöglicht es dem Benutzer, durch Anpassung der Verstärkerverstärkung zu bestimmen, wie viele Elektronen eine Zählung ausmachen. Die Elektronik von HORIBA erlaubt eine Verstärkungswahl von 1 bis 8 Elektronen pro Zähl. Die Möglichkeit, die Verstärkung auszuwählen, ist wichtig für die Optimierung des SNR und des Dynamikumfangs.
Bei extrem niedrigen Lichtverhältnissen, bei denen das Ausleserauschen in derselben Größenordnung wie das Geschossrauschen liegt (mit einer Verstärkung von 1 Elektron pro Zählung), ist es theoretisch möglich, das Signal schließlich vom Rauschen zu unterscheiden, vorausgesetzt, es bleibt genügend Zeit zur Integration, bevor äußere Kräfte die Daten beeinflussen. Bei einem Ausleserauschen von 3 Elektronen würden weniger als 25 Signalelektronen benötigt werden, um das Ausleserauschen zu überwinden, wodurch das Messrauschen begrenzt wird.
Auf diesem Niveau wäre die maximal messbare Intensität jedoch 65535 Elektronen, da dies die Grenze des ADC ist. Außerdem wäre der Dynamikumfang auf 65.535/3 oder 21.845 pro 1 begrenzt.
Mit einer Verstärkung von 4 Elektronen pro Zählung, bei Signalpegeln knapp über 25 Elektronen, würde das Ausleserauschen auf einen Count reduziert werden. Tatsächlich würde es jedes Ausleserauschen unter 6 Elektronen auf eine Zählung reduzieren (was die meisten wissenschaftlichen CCD-Detektoren abdeckt). So könnten über 260.000 Elektronen vor der Sättigung gemessen werden und der Dynamikbereich wäre höher, 65.535 zu 1.
Eine Verstärkung von 4 Elektronen pro Zählung ist die optimale Verstärkung, um sowohl extrem schwache als auch sehr starke Signale mit dem höchstmöglichen Dynamikbereich abzudecken. Bei dieser Verstärkung wäre jedes Ausleserauschen zwischen 1 und 6 Elektronen nicht zu unterscheiden, da sie fast immer im ersten Count-Bereich liegen.
Abb. 55 zeigt den Umwandlungsweg vom Photon zum Zählen.
Eine Verstärkung von 4 Elektronen pro Zählung ist die optimale Verstärkung, um sowohl extrem schwache als auch sehr starke Signale mit dem höchstmöglichen Dynamikbereich abzudecken. Bei dieser Verstärkung wäre jedes Ausleserauschen zwischen 1 und 6 Elektronen nicht zu unterscheiden, da sie fast immer im ersten Count-Bereich liegen.
Eine Verstärkung von 4 Elektronen pro Zählung ist die optimale Verstärkung, um sowohl extrem schwache als auch sehr starke Signale mit dem höchstmöglichen Dynamikbereich abzudecken. Bei dieser Verstärkung wäre jedes Ausleserauschen zwischen 1 und 6 Elektronen nicht zu unterscheiden, da sie fast immer im ersten Count-Bereich liegen.
Abb. 56 zeigt einen Vergleich eines Spektrums mit Verstärkungseinstellungen von 1 und 4 Elektronen pro Zählung (e/ct). Wenn sie im gleichen Maßstab angezeigt werden, wirkt die 4 e/ct sauberer. Dies liegt daran, dass das Auslese-Rauschen auf 1 Zählweise reduziert ist, während es bei der 1 e/ct-Verstärkung 3 zählt.
Wenn der 4 e/ct-Peak auf die gleiche Höhe wie der andere wie rechts gezeigt erweitert wird, sehen wir, dass der Rauschpegel etwas höher erscheint. Bei diesem Signalpegel ist es doppelt so hoch. Der Unterschied liegt im Unterschied im Schussrauschen in den Signalintensitäten, wobei das Ausleserauschen nur wenige Prozent des Gesamtrauschens ausmacht.
Über 21.845 Zählungen hätte die 4 e/ct-Einstellung einen besseren SNR und wäre empfindliche Signalpegel über den 65.535 Zählern, die durch die 1 e/ct-Verstärkung auferlegt werden.
Eine Taktfrequenz von 100 MHz erlaubt nicht doppelt so viele Spektren wie bei einer Taktfrequenz von 50 MHz. Darüber hinaus hängt die spektrale Rate stark von der Größe und Lage des ausgelesenen Chipbereichs ab.
Wissenschaftliche CCDs müssen während der Übertragung des Signals im Dunkeln sein, da es keine Masken gibt, die verhindern, dass Photonen, die außerhalb des Messzeitraums einschlagen, zur Messung beitragen. Im Allgemeinen ist für nicht verstärkte CCDs ein elektromechanischer Verschluss erforderlich. Diese Verschlüsse können zuverlässig für Belichtungen von nur 50 ms laufen, sodass etwa 20 Spektren pro Sekunde erfasst werden können.
Es ist möglich, dass der Benutzer eine Maske in den optischen Pfad legt, die nur einen Teil des Sensors beleuchtet. Dies kann höhere spektrale Raten ermöglichen. Diese Raten hängen stark von der Höhe des Sensors sowie der Größe und Lage des Messbereichs auf dem Sensor ab. Für kürzere Belichtungszeiten ist ein verstärktes CCD (ICCD) erforderlich, da es Licht im Nanosekundenmaßstab einlassen und blockieren kann. Für Reaktionszeiten, die schneller als wenige Nanosekunden sind, ermöglicht ein Pfadlängenunterschied zwischen Anregung und Messsignal, Daten mit gepulsten Lasern und nicht verstärkten CCD-Detektionssystemen zu erfassen.
In allen Fällen, egal ob verstärkt oder nicht, müssen die Daten der Pixel durch die Spalten und dann über die letzte zu messende Zeile verschoben werden. Die Zeit, um die Reihen nach unten und nach außen zu verschieben, ist ein erheblicher Teil der Zeit, die das Auslesen eines Spektrums benötigt. Die Taktrate bezieht sich nur auf die Anzahl der Pixel pro Sekunde, die den ADC passieren. Siehe Abb. 57: Eine Taktfrequenz von 100 MHz erlaubt nicht, doppelt so viele Spektren zu nehmen wie bei einer Taktfrequenz von 50 MHz. Darüber hinaus hängt die spektrale Rate stark von der Größe und Lage des ausgelesenen Chipbereichs ab. Leider gibt es keine Standards für das Verfahren zur Berechnung der Spektralrate. Einige Hersteller betrachten das Auslesen nur einer Zeile, um die maximale spektrale Rate zu bestimmen, während andere das Ergebnis der Verschiebung aller Pixeldaten nach unten und nach außen betrachten.
Die meisten Hersteller bieten eine Auswahl an Taktraten zwischen 20 kHz und 1 MHz an. Wenn ein Spektrum mit Verschluss aufgenommen wird, ist die maximale Anzahl der Spektren nicht taktfrequenzbegrenzt. Es gibt einen intrinsischen Vorteil, die niedrigstmögliche Taktrate zu verwenden. Langsame Taktraten erzeugen weniger Ausleserauschen und ermöglichen es dem ADC, mit höherer Genauigkeit zu zählen. Das Maß für diese Präzision wird als Ladungsübertragungseffizienz bezeichnet. Die Unterschiede können kaum wahrnehmbar sein, aber möglicherweise auch bei äußerst wenig Licht sichtbar werden.
Die obige Diskussion bietet viele Hinweise für den Nutzer, der bereits Vorkenntnisse über die Erfassungsbedingungen und das Signal-Rausch-Verhältnis hat, die im Experiment auftreten werden. Es gibt jedoch einen großen Prozentsatz der Nutzer, die nicht wissen, was sie erwarten können. Für diese bieten wir die folgenden drei Regeln an, die bereits vor Beginn der Systemspezifikation angewendet werden sollten.
Regel Nummer Eins
Mach eine Literaturrecherche. Finde veröffentlichte Spektren von Experimenten oder Verfahren, die dem ähneln, was du vorhast. Schau dir das SNR des Spektrs an. Schau dir die verwendete Ausrüstung und die Anschaffung an. Wenn deine Quelle halb so intensiv ist und die Probenkonzentration zehnmal niedriger ist, ist dein SNR für die gleiche Integrationszeit √20-mal niedriger.
Regel Nummer Zwei
Wenn veröffentlichte Spektren vorhanden sind oder deine erwarteten Daten einen SNR unter 10/1 haben, kontaktiere unbedingt einen Anwendungswissenschaftler des Geräteanbieters, der mit deinem Forschungsgebiet vertraut ist. Regel Nummer Drei: Verwenden Sie keinen rückwärts beleuchteten CCD, wenn Sie Messungen über 750 nm durchführen (außer wenn der hinten beleuchtete Chip Anti-Etaloning-Technologie hat). Ein Phänomen namens Etaloning bewirkt, dass die längeren Wellenlängen von der Rückseite reflektiert werden und Interferenzmuster erzeugen.
Eine Elektronenmultiplizierende CCD (EMCCD) verwendet die neueste Technologie, um das Signal-Rausch-Verhältnis (S/N) bei Messungen bei extrem niedrigen Signalpegeln zu verbessern.
Eine Elektronenmultiplizierende CCD (EMCCD) verwendet die neueste Technologie, um das Signal-Rausch-Verhältnis (S/N) bei Messungen bei extrem niedrigen Signalpegeln zu verbessern. In schwachen Lichtbereichen kann der Elektronenmultiplikationsprozess ein gutes S/N-Verhältnis liefern, im Gegensatz zur herkömmlichen CCD, bei der nur wenige der stärkeren Merkmale gerade oberhalb des Rauschens beobachtet werden können.
Die Vorteile der EM-Verstärkung sind in der schnellen Raman-Bildgebung deutlich erkennbar, wo die notwendigen kurzen Integrationszeiten oft zu Signalen führen können, die bei Messung mit einem herkömmlichen CCD kaum über dem Rauschen sichtbar sind.
Eine Elektronenmultiplizierende CCD (EMCCD) verwendet die neueste Technologie, um das Signal-Rausch-Verhältnis (S/N) bei Messungen bei extrem niedrigen Signalpegeln zu verbessern.
Der EMCCD verfügt über zwei Ausleseregister auf dem Chip – ein konventionelles Register und ein EM-Register. Im EM-Register sind die verwendeten Taktspannungen höher als beim herkömmlichen Takten, wodurch die Elektronen genügend Energie erhalten, um eine Wirkungsionisation zu ermöglichen. An diesem Punkt werden zusätzliche Elektronen produziert und im nächsten Pixel gespeichert. Es besteht nur eine geringe Wahrscheinlichkeit, dass Elektronen genügend Energie für die Aufprallionisation erhalten (wodurch zusätzliche Elektronen entstehen), aber da das Ausleseregister viele Elemente enthält, sind signifikante Verstärkungsfaktoren möglich (bis zu ~1000x).
Der Hauptvorteil eines EMCCD ist, dass die Verstärkung vor dem Auslesen des Signals erfolgt, was bedeutet, dass das Signal nicht rauschbegrenzt ist. Mit anderen Worten: Durch Verstärkung wird das Signal deutlich über den Rauschboden gehoben, der weitgehend durch das Rauschen der Ausleseelektronik (Vorverstärker und A/D-Konverter) bestimmt wird.
CCD-Auswahlleitfaden basierend auf Anwendung und Exposition.
Die untenstehenden Vorschläge basieren auf der Zusammenarbeit mit Tausenden von Forschern in einem breiten Spektrum physikalischer, chemischer und biologischer Anwendungen. Da es Faustregeln sind, sind sie möglicherweise nicht genau für Ihre spezielle Anwendung geeignet. Sprechen Sie mit einem Anwendungswissenschaftler. Die Anwendungswissenschaftler von HORIBA verfügen über tausende Stunden Erfahrung in spektroskopischen Messungen, und auch wenn sie die Natur Ihrer Forschung nicht vollständig verstehen, kennen sie die Eigenschaften und Einschränkungen der Optik- und Detektionssysteme vollständig.
Verwenden Sie hinterleuchtete Sensoren und LN-Kühlung für:
Alles mit UV-Licht:
Alles Analytische:
Abb. 60 zeigt die relativen Intensitäten und Zeitskalen für eine Vielzahl von Anwendungen. Wie oben erwähnt, ist auch dies eine Verallgemeinerung.
Dieses Papier konzentrierte sich bisher ausschließlich auf CCD-Erkennungssysteme. Obwohl sie häufig die teuerste Komponente in einem spektroskopischen System sind, können inkrementelle Verbesserungen der spektralen Qualität durch die richtige Auswahl anderer Komponenten im System stärker beeinflusst werden. Faktoren von zwei Verstärkungen im SNR sind nur im UV möglich, wenn man einen anderen Sensor wählt. Allerdings können ein oder zwei oder mehr Faktoren leicht gewonnen oder verloren gehen, je nachdem, wie effizient die Eingangsoptik das Signal erfasst und wie gut es mit dem Spektrometer gekoppelt ist. Die Änderung der Brennweite des Spektrometers oder die Verdopplung der Gitterrillendichte (von 1200 auf 2400 gr/mm) kann in vielen Anwendungen den Durchsatz um zwei Faktoren erhöhen, ohne eine Auflösungsstrafe.
Um die bestmögliche Leistung für Ihre Investition zu erzielen, müssen Sie alle Komponenten des optischen Zuges berücksichtigen. Eine Investition von einigen hundert Dollar in Optik kann einen höheren Nutzen bringen als eine Investition von mehreren tausend Dollar in einen besseren Sensor.
HORIBA stellt sowohl CCD-Detektionssysteme als auch Spektrometer länger als jeder andere Anbieter her. Es verfügt über das größte und erfahrenste Team von optischen und Anwendungswissenschaftlern, die sich auf Spektroskopie spezialisiert haben. Ihre Anforderungen werden aus systemischer Sicht bewertet, ohne Vorurteile gegenüber einer einzelnen Komponente.
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