PMT和CCD区别

光谱仪器的检测器有很多种,PHIT.CPM(端窗式光电倍增管)、CCD.CID.PDA(电二极管阵列)、InGaAs.SDD(硅漂移探测器)等,其中论坛讨论最多的主要是用于原子发射光谱仪的PMT,CCD,CID等,下文将从各个检测器的原理,优缺点以及相互间的比较做一介绍。

基本原理及特点

1.PIT(photomultipliertube,光电倍增管)

光电倍增管将微弱光信号转换成电信号的真空电子器件,可分成主要部分:光电阴极、电子光学输入系统、电子倍增系统、阳极。光电阴极受光照后释放出光电子,在电场作用下射向第一倍增电极(打拿极),引起电子的二次发射,激发出更多的电子,然后在电场作用下飞向下一个倍增电极,又激发出更多的电子。如此电子数不断倍增,阳极最后收集到的电子可增加10E4~10E8倍,这使光电倍增管的灵敏度比普通光电管要高得多,可用来检测微弱光信号。

（优点：）光电倍增管具有灵敏度高,噪声低及响应速度快的特点,所以被广泛地应用在许多光学仪器中作为检测器.PIIT的寿命是比较长的,电子管真空度越高寿命就越长。

虽然光电倍增管有许多优点,但该器件自身也有缺陷;灵敏度因强光照射(这也就是为何仪器在通电的情况下样品室盖子不能打开的原因)或因照射时间过长而降低,停止照射后又部分地恢复;鉴于光电倍增管的这种特性致使它随着使用时间的累加,灵敏度会逐渐下降(一般从长波长开始下降,俗称“红外紫移")且噪声输出却逐渐加大,直至被弃用。我们把这种现象称为"疲乏效应",光阴极表面各点的灵敏度不是均匀的,而是根据入射光束的输出变动而定。

光电倍增管的灵敏度和工作光谱区间主要取决与于光电倍增光阴极和打拿极的光电发射材料、光电倍增管的短波响应的极限主要取决于窗的材料,而长波响应极限主要取决于阴极和打拿极材料的性能。一般用于可见-红外光谱区的光电倍增管用玻璃窗,而用于紫外光谱区的用石英窗。光阴极一般选用表面功函数低的碱金属材料,如红外谱区选用银-氧-铯阴极,可见光谱区用锑-铯或铋-银-

铯阴极,而紫外谱区则采用多碱光电阴极或锑-碲阴极。

滨松是PMT的主要供应商,至于价格,不同型号的价格相差很大,几百到几万之间的都有。2010年滨松光电开发出了全球首款可采用MEMS技术制造的小型光电倍增管"μPMT"。由于利用MEMS技术加工硅基板后,只需用2张玻璃基板封装即可,部件点数很少,因此可实现与半导体产品相当的大批量生产,原来的PMT单价为1万日元以上,但此次的μPMT"如果以量产为前提,价格可为数千日元”。当然,新生事物具体效果如何还有待考证。

D(ChargedCoupledDevice,电荷耦合器件)

CCD是一种固态检测器,由多个光敏像元组成,其中每一个光敏像元就是一个MOS(金属-氧化物-半导体)电容器。它的突出特点是以电荷作为信号,实现电荷的存的转移。因此.CCD工作过程的主要问题是信号电荷的产生、存储传输和检测。好的CCD具有极高的电荷转移效率,一般可达0.999995,所以电荷在多次转移过程中的损失可以忽略不计.CCD的量子效率大大优于PDA和CID,在400--700nm波段优于PIT。但是,不同厂商制造的CCD在几何尺寸、制造方法、材料上有所不同,结果它们的量子效率差别较大。

CCD在低温工作时,暗电流非常低,暗电流是由热生电荷载流子引起的,冷却会使热生电荷的生成速率大为降低。但是CCD的冷却温度不能太低,因为光生电荷从各检测元迁移到放大器的输出节点的能力随温度的下降而降低。

CCD的简单动态范围非常大,宽达10个数量级。但在一些光谱分析中,如AES(原子发射光谱)中,实际的动态范围达不到那么大的值。一种扩展CCD动态范围的方法是根据光的强弱改变每次测量的积分时间。强信号采用短的积分时间,弱信号采用长的积分时间。这种方法测量强信号旁的弱信号非常不利,存在Blooming(溢出)的问题,特别是对于AES。通过改进CCD制作工艺生产出来的性能优

秀的CCD已在不同程度上解决了这个问题。

CCD检测器可分为商用CCD检测器,还有专业CCD检测器、普通商用CCD检测器坏点较多,通过

软件的插值计算,可以修正坏点,这就是市面上所谓"700万像素的CCD可以达到1000万像素的效果, ●这种CCD检测器的成本比光电倍增管便宜。专业CCD检测器像素点之间的间距远小于普通的CCD,

而且它不仅要求坏的像素点极少甚至没有外,一般还必须处理饱和溢出问题,所以光谱仪上用的CCD

要比一般普通商业型CCD贵很多,据了解在2万美元左右

3.CID(chargeinjectiondevice,电荷注入器件)

CID是通过电极电压的改变使在检测单元两个电极势阱中电荷发生转移而进行读出,注入检测

过程的,当电荷的转移、注入哩硅的衬底便在外电路中引起信号电流,由于它不需要将阵列检测器的

电荷全部顺序输出而是直接注入单元体内衬底形成电流来读出的,因此这种方式是一种非破坏性的

读出过程,具有防溢出功能.CID检测器为了保证检测器在真空紫外区有较高的灵敏度需要在器件表

面涂以增敏剂,因此在此光谱区域的量子效率对增敏剂的依赖性较强

二、不同检测器之间的比较

1光电倍增管和CCD

PMT光电倍增管采用电子管技术,是点(或线)测量,可在常温下测量有较好的信噪比。

CCD采用半导体技术,是面扫描(分区)测量,须要深冷处理以提高信噪比数元素(全谱)。

光电倍增管在分光后一次只能检测一个波长的光信号,而CCD可同时检测某个波段范围内的所

有光信号、光电倍增管(光电转换,电流放大作用)信噪比大,灵敏度高,疲劳恢复快。CCD(高灵敏度

特性和多道特性)检测噪音低,信号同步测定,可实现"全谱"测定,但无电流放大功能,故没有HT灵敏

度高。

从材料和结构原理上看,CCD的使用寿命应该比光电倍增管好,但实际效果如何还有待证明。光

电倍增管的灵敏度高,内部有多级增益,检出限低,制造工艺比CCD难很多,所以成本也就高了.CCD

的长期稳定性不如PIT在光电直读光谱仪中采用CCD增加检测元素种类不需要改动硬件,不受通道

数数影响,价格适中,但在测量高纯金属时结果不如高端的光电倍增管好.CCD检测元素

精度比光电倍增管的要差很多,尤其在测定非金属元素时比较突出,如c.Si、P、S等基

本测定数据误差较大。CCD检测器在常温下的热稳定性和信噪比不如光电倍增管所以对较

纯金属微量杂质的分析显然不好,但是当CCD使用的环境温度小于-30度时其性能又会胜过光电倍增管.CCD的优势是在低温下。但是CCD的隐患在于其检测时,工作温度一般在零下30多度.CCD表面

会结霜,为防止结霜,需要用氩气不停吹扫,这样运行成本就增大了,如果工作环境恶劣,供电情况不佳,不仅维护量大,且精度与寿命都不如倍增管直读;反之,环境良好,用于研究,CCD也可以替代光电

倍增管直读。

经历了60余年的发展,光电倍增管已经是一种比较成熟的技术,虽然本身有他的局限性但是本

身已经发展比较成熟,产品相对比较稳定,可改动的地方不多了,而CCD和CID现在技术上还不是很