CMOS与PMT检测器在火花OES分析中的应用比较

商用火花直读光谱仪(OES)仪器的性能和成本取决于很多因素,但其中很大一部分是仪器内的检测器技术。

互补金属氧化物半导体(CMOS)检测器专为最新一代OES光谱仪开发,取代光电倍增管(PMT)(一种仍为工业用途制造的真空技术)和基于半导体的电荷耦合器件(CCD)。 

这就是像我们这样的制造商选择CMOS检测器来确保灵活性的原因,由此可确保我们的客户始终配备最新软件。

CMOS与PMT检测器在火花OES分析中的应用比较

 

OES检测器技术

简而言之,直读光谱仪在分析现场产生局部等离子体,通过该等离子体的光谱,可获悉样品中存在哪些元素。所有OES检测器必须能够检测这些光信号,并将其转换为可测量的信号(电信号)。所有检测器均依靠光电效应将入射光转化为电流。

但对于不同的检测器技术,用于检测的材料类型以及随后将光生电子放大成可测量的对象的方法有所不同。直至最近,OES首选的探测器技术是PMT或CCD。

光电倍增管本质上是加速和放大生成电子的真空管,而CCD是许多光敏像素的阵列,可完全集成到直接连接至检测电子设备其余部分的完整半导体器件中。

PMT可被视为高度专业化的检测器,可检测到检出限极低的少数特定元素的存在,而CCD可覆盖范围更宽的元素。其缺点是灵敏度较低,因此CCD不适合必须将杂质元素和痕量元素含量控制在极低限值的领域(例如,熔体分析)。

用于光检测的CMOS芯片

CMOS是一种在集成电路中广泛使用的半导体拓扑技术。相比于最初的双极晶体管技术,CMOS的主要优势是高速和几乎为零的静态功耗,因此可将更多器件塞进小空间中,而不会出现过热现象。这就是为什么如今的微处理器、RAM和ASIC(仅举几例)由基于CMOS的器件主导。

在光检测中使用CMOS技术时,这些器件的工作方式与CCD非常相似。目前有一个可将多种波长的入射光转换为电信号的光敏像素阵列。

CMOS并非新技术,但这项技术近期得到发展,使之在光学应用中更高效、更少噪声。此外,由于CMOS生产非常普遍,因此与专业CCD制造相比,其相对便宜,这就是为什么相机制造商开始选择CMOS(而非CCD)来制作数码单反相机的图像捕捉部分。

CMOS芯片在多路复用读出电子设备中的运转速度也很快。因此,可将CMOS芯片用于重视速度的领域(例如,分析任务)。

日立OE系列

日立的OES仪器使用CCD(电荷耦合器件),但日立最新推出的OE系列除外,该系列使用CMOS检测器。这两种类型的检测器均基于半导体,可通过定制来覆盖光学系统内的整个光谱。

OE系列将基于CMOS检测器的范围、灵敏度与全新光学设计相结合,提供通常只有成本更高的仪器才能达到的高性能。OE系列的运行成本较低且占用空间相对较小,可检测金属中的所有元素(包括气体元素)。

对于OE720,CMOS检测器覆盖的波长为174-690 nm,而对于OE750,CMOS检测器覆盖的波长为119-766 nm,因此,CMOS检测器可从氢元素开始分析金属中的所有相关元素。这是因为CMOS检测器具有非常好的分辨率、动态范围,且线性好。CMOS检测器已针对测量紫外光经过优化,也可用于TRS(时间分辨光谱)。

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日期: 16 September 2022

作者: Michael Molderings, Product Manager OES

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