Optische Spektroskopie mit dispersiven Spektrometern
Grundlagen - Bausteine - Systeme - Anwendungen

Grundlagen, Kapitel 4: Detektoren für
Monochromatoren und Spektrographen.

Der Inhalt der GRUNDLAGEN-Seiten ist in erweiterter Form seit Junii  2014 als Buch verfügbar:

"Fundamentals of dispersive optical Spectroscopy Systems"

SPIE-Monograph, ISBN No.: 9780819498243

Auf den Internetseiten sind zu Ihrer Information noch die Überschriften, Gleichungen und Grafiken zu sehen. Wir hoffen, dass Ihnen die gezeigten Grafiken als Sammlung und das ausführliche Buch so helfen, wie es die spectra-magic.de/Grundlagen bisher taten.

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Diese Seite beschäftigt sich mit den populären Detektoren für flexible, modulare Monochromatoren- und Spektrographen-Systeme.

Sie beinhaltet 5 Kapitel:
1) die auftretenden Signale,
2) Ein-Element-Detektoren,
2) Datenerfassungs-Techniken,
4) Dioden-Arrays, CCD und weitere Techniken,
5) Definitionen von Signalfunktionen, Ansprechzeit, Bandbreiten und Dämpfung,

4.1.0 Einleitung und Darstellung von Symbolen
4.1.1 Arbeit und Leistung von Lichtsignalen
Photonen-Energie-Umrechnung
Grafik 81: die Darstellung der Photonen-Energie
4.1.2 Basis-Parameter von Detektoren
 
Generelle Parameter an optischen Detektoren
Grafik 82 zeigt generelle Signalparameter von optischen Detektoren.
4.1.3 Nachweisgrenze, Rauschen und Signal/Rausch-Verhältnis
F28: SNR = ( S – B ) / N
4.1.4 Nachweisgrenze, Rauschen und SNR bei Absolutmessung
4.1.5 Nachweisgrenze, Rauschen und SNR bei Relativmessung
4.2 Einpunkt-Detektoren
4.2.1 Photoröhren
, auch Photomultiplier (PMT) und Sekundär-Elektronen-Vervielfacher (SEV oder SEM) genannt
PMT-Parameter
Grafik 83: Generelle, normierte Kennkurven von Photoröhren.
Typische PMT-QE-Verläufe
Grafik 84: typische Quanten-Effizienzen gebräuchlicher Kathoden-Materialien.
4.2.2 Zur Interpretation der PMT-Datenblätter

4.2.3 Eine PMT-Beispielsrechnung, gültig für die Integrationszeit von 1 s:
4.2.4 Photonenzähler (Photon Counter)
4.2.5 UV-PMT und Scintillatoren
4.3 Die Beleuchtung von Detektoren bei gleichzeitiger Aperturwandlung

diverse Kopplungsmethoden für Einpunkt-Detektoren
Grafik 85: Vier von vielen Möglichkeiten der Detektor-/Spektrometerkopplung
4.4 Channeltron und Mikrokanalplatte (Channelplate)

 Channeltron und Mikro-Kanalplatte
Grafik 86: Channeltron und Mikro-Kanal-Platte, Beschreibung im Text 4.4.1 und 4.4.2

4.4.1 Das Channeltron,
4.4.2 Die Basis eines Mikro-Kanal-Platten-Systems
4.5 Bildverstärkte PMT und Einzel-Photon-Zähler (Single Photon Counting)

4.6 Festkörper-Detektoren

Typische Effizienzkurven einiger IR-Detektor-Materialen
Grafik 87: Einige Detektorkennlinien von Festkörper-Detektoren für den Bereich bis 20 µm in grober, vereinfachter Darstellung.
4.6.1 Die Planck´sche Strahlung = Schwarzköperstrahlung
Verlauf thermischer Intensität
Grafik 88: Planck´sche Strahlung im niederen Temperatur- Bereich in linearer und logarithmischer Darstellung im Bereich 0,5 bis 20 µm.
4.6.2 Detektormaterial, Hintergrundstrahlung und die Auswirkungen
4.6.2.1 Die Größe der Hintergrundladung der IR-Detektoren ist stark materialabhängig.
4.6.3 Der Parameter D* fasst wichtige Parameter von IR-Detektoren in einer Formel zusammen.
Gleichung F29:        D* = (SNR * D f ½) / (P * A½)

4.6.4 Die Detektor- und die Umgebungstemperatur

Prinzip des LN-gekühlten IR-Detektors
Grafik 89: Prinzip des Detektors mit Kaltblende
Zwei Beispielrechnungen demonstrieren die Signal/Hintergrund-Verhältnisse an IR-Detektoren
4.6.5 Abschätzung der Gleichlichtmessung

4.6.6 Betrachtung zur synchronisierten Messung
 Aufbau eines Spektroskopiesystems mit Lock-In-Verstärker
Grafik 90A: Einfacher IR-Messaufbau für Absorption mit und ohne Lock-In-Verstärker, die typischen Lock-In-Signale sind violett markiert und folgen in Grafik 90B.
4.6.6.1 Typische Signale am Lock-In bei optischen Anwendungen:
Wichtige Signale am Lock-In bei optischer Spektroskopie
Grafik 90B: die typischen Signale am Lock-In-Verstärker:
4.6.6.2 Vergleich von Gleichlichtmessung mit stationärer und häufiger Hintergrundmessung und Lock-In-Anwendung:
 

Methode

zeitliche Effizienz Strahl-effizienz Ausgangs-signal SNR Messzeit für SNR = 1

 

 

 

 

 

DC stationär

1 1 1 1 1

         

DC getaktet

0,8 1 0,8 0,895 1,25

         

Lock-In

0,5 0,8 0,4 0,633 2,5

4.6.7 Nun können wir mit der Beispielsrechnung fortfahren:
4.6.8 Abschätzung der modulierten Messung bei gleichen Bedingungen wie die Gleichlichtmessung unter

 4.6.9 Tandem-Detektoren, auch Sandwich genannt
 Sandwich-Detektor und typische Kurve
Grafik 91: Das Prinzip des Sandwich-Detektors.
4.6.10 Typische Festkörperdetektor-Parameter und deren Interpretation

4.6.11 Die Beleuchtung kleiner Detektoren
4.6.12 Speichernde Halbleiterdetektoren, thermische Rekombination und Haltezeit
4.6.13 PIN- und Avalanche-Dioden
4.7 Kopplung mit Lichtleitern
 Detektorkopplung per Faseroptik
Grafik 92: Detektorkopplung mittels Lichtleitfasern, Faser-Taper
4.8 Flächendetektoren: CCD und Array
4.8.1 Montage von Flächendetektoren und Wellenlängenverteilung
4.8.1.1 Welche Art von Flächendetektor kommt in Frage?

4.8.2 Basisparameter von Array und CCD mit und ohne Kühlung
 

Pixel-

Kapazität

Dunkel-

Dunkel-

ADC-

Auslese-

Lineare

Parallel

Auslese-

größe

 

Ladung

Ladung

Wandelzeit

Rauschen

Dynamik

Shift

Shift

 

 

 

 

 

 

 

 

 

µm

e-

e- / s @+25°C

e-  / s @-25°C

µs

e-

 

µs

µs

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5 * 5

1,6 * 104

0,3

0,04

2

6

2.600

2

0,02

 

 

 

 

0,05

15

800

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

9 * 9

8 * 104

0,4

0,06

10

5

15.000

0,3

0,1

 

 

 

 

1

20

4.000

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

e-  / s @-50°C

e-  / h @-120°C

 

 

 

 

 

13 * 13

12 * 104

0,1

0,5

10

4

30.000

30

0,1

 

 

 

 

1

12

10.000

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

20 * 20

20 * 104

0,25

1

10

4

50.000

15

0,2

 

 

 

 

1

12

16.000

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

24 * 24

27 * 104

0,3

1,3

10

4

65.000

8

0,2

 

 

 

 

1

12

22.000

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

26 * 26

30 * 104

0,35

1

10

5

60.000

18

0,15

 

 

 

 

1

15

20.000

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

25 * 2.500

8 * 107

5

15

10

800

100.000

 

 

 

 

 

 

1

2.000

40.000

 

 

CCD-Parameter-Tabelle
4.8.2.1 Pixelgröße, Kapazität, Rauschquellen, Dynamik, Verschiebezeit, Auslesezeit, ADC-Wandelrate
F30: tRead-n = (SL * tSL) + (SR * tSR) * (hb * tADC)
4.8.2.2 Die CCD-Anwendbarkeit  für Spektroskopie, Bildverarbeitung und Fotografie
4.8.3 Signaltransfer und Auslesen
CCD-Auslesemodus
Grafik 93: Verschiebevorgänge beim Auslesen eines CCD
F30: tRead-n = (SL * tSL) + (SR * tSR) * (hb * tADC)
4.8.3.1 Auslesen im Bild-(Image)Modus und darstellen im Spektroskopie-Modus
4.8.4 CCD-Architektur

CCD-Architektur
Grafik 94: der CCD-Aufbau

4.8.5 CCD- und Array-Effizienz
4.8.5.1 Front-beleuchtete CCD

QE-Kurven typischer front-beleuchteter CCD
Grafik 95A: Typische Effizienzkurven diverser Front-beleuchteter CCD-Modelle.
4.8.5.2 Rückseiten-beleuchtete CCD
QE-Kurven typischer Rückseiten-beleuchteter CCD
Grafik 95B: Einige typische Effizienzkurven Rückseiten-beleuchteter CCD.
 Gr. 95C - QE-Kurven von dreii InGaAs-Versionen
Grafik 95C: drei repräsentative InGaAs-Effizienz-Kurven.
4.8.5.3 Interferenzen bei Rückseitenbeleuchteten CCD - das "Etaloning"
der Etaloning-Effekt 
Grafik 95D: typisches CCD-Verhalten im NIR
4.8.6 Zeitsteuerung – Synchronisation, Shutter und Gating
4.8.6.1 Shuttersteuerung
4.8.6.2 Mikro-Kanalplatten-Bildverstärker
4.8.7 Gängige Flächendetektor-Formate
4.8.7.1 Dioden-Arrays

4.8.7.2 CCD-Sensoren

4.8.8 Auslesetechniken: Multispektren-Spektroskopie, Binning und Virtuelle CCD-Aufteilung
4.8.8.1 Multispektren- oder Multitrack-Spektroskopie und vertikales Binning

Prinzip der Multitrack-Auswertung
Grafik 96: Beispiel des Strahlengangs eines Multispektren-Experiments.
 CCD-Belegung bei Mulritrack-Spektroskopie
Grafik 97: Auslesemuster eines quadratischen CCD für Multistreifen (Multitrack)-Spektroskopie
4.8.8.2 Virtuelle CCD-Programmierung
4.8.9 CCD- und Array-Systeme mit Bildverstärkung
4.8.9.1 CCD mit „On-chip Multiplikation“ oder „Electron Multiplication“ (EMCCD)
4.8.9.2 CCD mit vorgeschaltetem Mikrokanalplatten-Bildverstärker (MCP-CCD)

4.8.10 Messungen mit µs-Zeitintervall
4.8.10.1 Kinetische Messungen
 Prinzip des CCD für Kinetik
Grafik 98: modifiziertes CCD für Kinetik
4.8.10.2 Doppelpuls-Messungen
4.8.11 Erweiterung der spektralen Effizienz im tiefen UV
4.9 Weitere Flächen-Detektoren
4.9.1 CID und C-MOS-Array
4.9.2 NIR und IR-Fächen-Detektoren

 

Pixel-

Kapazität

Dunkel-

ADC-

Auslese-

Lineare

l

l

größe

 

Ladung

Wandelzeit

Rauschen

Dynamik

min

max

 

 

 

 

 

 

 

 

µm

e-

e- / s
 @-120°C

µs

e-

 

µm

µm

CCD:

 

 

 

 

 

 

 

20 * 20 FD

20 * 104

2 * 10-5

10

4

50.000

0,45

1,1

 

 

 

1

12

16.000

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

20 * 20 BD

20 * 104

0,003

10

4

50.000

0,2

1,13

 

 

 

1

12

16.000

 

 

UV-Vis-A

 

 

 

 

 

 

 

25 * 2500

8 * 107

0,001

10

800

100.000

0,2

1,1

 

 

 

1

2.000

40.000

 

 

NIR-A

 

 

 

 

 

 

 


25 * 500

1 * 108

5 * 103

1

1.000

10.000

0,8

1,7

 

 

 

0,2

5.000

2.000

 

 

NIR-A

 

 

 

 

 

 

 


25 * 250

1 * 108

3 * 106

1

2.000

1.500

0,8

2,15

 

 

 

0,2

8.000

375

 

 

Die NIR-Tabelle
4.9.3 Die Positions-empfindliche Detektorplatte (PSD)

 Prinzip des PSD-Detektors
Grafik 99: Funktionsweise eines PSD-Detektors
4.10. Definitionen
4.10.1 Exponentielle Funktionen und Dämpfung
die e-Funktion
Grafik 100A: Der generelle Verlauf e-funktioneller Vorgänge, 

Dämpfungsschaltungen und analoge gegen digitale Dämpfung
Grafik 100B: Funktion eines Dämpfungsglieds und eine typische digitale Signalintegration.

.10.2 Tiefpass-Filter-Funktionen
Ein wichtiger Parameter in elektronsicher Messtechnik und optischer Spektroskopie ist die Filterwirkung und hier besonders die des Tiefpasses.

Dämpfungskurven - Roll-off
Grafik 101: die Unterdrückung von Signalen außerhalb der gewünschten Bandbreite 
4.10.2.2 Anmerkung zur dB-Interpretation.
F31A:  
-dB = 20 log10 (U/U0). Eine Dämpfung von -3 dB ergibt Faktor
0,86071. (Spannungs-dB")
dB = 10 log10 (P/P0), eine Dämpfung von 3 dB ergibt dann Faktor 0,74082. (Leistungs-dB")
4.10.3 Bandbreitendefinition in elektrischen und in optisch-spektroskopischen Systemen.

Bandbreiten-Definitionen
Grafik 102: Vergleich der Bandbreite nach der Definition in der Elektrotechnik und der optischen Spektroskopie bei Signal- und Energieverläufen mit Gaußscher Normalverteilung
 

Das Grundlagen-Kapitel 4 „Detektoren“ ist hier beendet,
die Grundlagen bestehen aus den Kapiteln
1- Gitter- und Prisma-Grundlagen
2- Spektrometer-Grundlagen
3- Spektrometer (Monochromatoren-, Spektrographen-)-Grundlagen
4- Detektoren für die optische Spektroskopie
5- Beleuchtung mit Lichtquellen, Kopplungsmethoden, Lichtleitern und Spektral-Radiometrie
6- Anwendungen, einige typische Anwendungen, deren Anforderungen und mögliche Lösungen
7- Sammlung der verwendeten Kurzzeichen und Symbole, der Gleichungen und Formeln, der Energie-Umrechnungen. Hier ist auch das Inhaltsverzeichnis der Grundlagenseiten 1-6.

 Spectra-Magic bedankt sich für das Interesse und hofft, dass der Inhalt auch dieses Kapitels nützlich ist.
Bitte besuchen Sie uns bald wieder.

Alle Urheberechte für  "spectra-magic.de" und  "Optische Spektroskopie mit dispersiven Spektrometern Grundlagen - Bausteine - Systeme - Anwendungen" liegen bei Wilfried Neumann, D-88171 Weiler-Simmerberg. Status: April 2012, komplett.