光電倍增管PMT與CMOS檢測器究竟哪個好

光電倍增管PMT與CMOS檢測器究竟哪個好下面有上?；盖騼x器設(shè)備有限公司來給大家一一解惑

金屬樣品測試可能會面臨復(fù)雜挑戰(zhàn)。樣品檢測來自于大型鑄造廠、鋼鐵、鋁或銅等金屬冶煉廠，以及許多金屬熔煉和加工廠、航空航天和汽車企業(yè)、檢測實驗室和大學(xué)院所等。這些用戶需要高精度、高準(zhǔn)確度地識別并測量其原料、生產(chǎn)過程和出廠材料中的所有元素和化合物。其中大多數(shù)用戶采用固定式金屬分析儀。

決定分析儀性能的一個關(guān)鍵因素是檢測器技術(shù)。

當(dāng)前，還有很多用戶采用包含傳統(tǒng)光電倍增管PMT檢測器的儀器來應(yīng)對這些挑戰(zhàn)。雖然光電倍增管PMT技術(shù)是鋼鐵廠和相關(guān)應(yīng)用企業(yè)的習(xí)慣性選擇，但儀器制造過程卻比較復(fù)雜困難，而且分析儀一旦安裝好之后需要增加元素基體配置難以實現(xiàn)。

近年來，專為金屬分析應(yīng)用而設(shè)計的基于互補金屬氧化物半導(dǎo)體 (CMOS) 技術(shù)的檢測器已經(jīng)非常完善。下文的應(yīng)用報告證明，將固態(tài)CMOS檢測器整合到好的直讀光譜儀中，其可靠性和各項重要性能指標(biāo)都能等同和超越光電倍增管PMT檢測器的表現(xiàn)：

?儀器配置靈活性

?元素分析靈敏度

?穩(wěn)定性

?測量速度

?耐用性

?儀器制造工藝和質(zhì)量一致性

背景知識 - 光學(xué)發(fā)射光譜儀OES原理

我們要討論的儀器為火花光學(xué)發(fā)射直讀光譜儀 (OES)。分析開始時，先將金屬樣品放置在火花臺板上，在火花臺內(nèi)部持續(xù)用氬氣沖掃以防止空氣中的元素污染。離樣品幾毫米遠(yuǎn)的電極會產(chǎn)生一個高電壓脈沖（即火花）并放電到金屬樣品上。激發(fā)火花會蒸發(fā)釋放樣品表面金屬，使其原子化和電離。激發(fā)態(tài)電子躍遷會發(fā)出能量，形成電磁射線，即光譜線。

由于不同元素發(fā)射的光譜波長各不相同，因此通過特征發(fā)射光譜或分析波長就能確定對應(yīng)的元素。而光譜線的強度與樣品中相應(yīng)元素的濃度成正比例關(guān)系。

發(fā)射光譜進入光學(xué)系統(tǒng)，并通過衍射光柵色散出不同的波長。然后光譜線照射到檢測器陣列和關(guān)聯(lián)的讀出電子設(shè)備。讀出系統(tǒng)可提供數(shù)據(jù)，以便分析儀的內(nèi)置軟件能夠量化每個光譜線的波長和強度。用戶便可鑒定和測量樣品中的各種元素及其含量。

請注意，該過程涉及光譜的高度復(fù)雜性。波長范圍涵蓋從120 nm到780 nm的整個遠(yuǎn)紫外 和紅外光譜，而且發(fā)射譜圖也非常復(fù)雜：鐵元素 (Fe) 就具有超過4,000條不同的分析發(fā)射譜線。

當(dāng)然，OES光譜儀的每個組件都至關(guān)重要，其中又以檢測器較為突出。作為分析儀的組件，PMT被認(rèn)為相對堅固，并有多年應(yīng)用經(jīng)驗。確實能夠準(zhǔn)確識別和測量已配置的元素。在性能方面，以高信號、低噪聲和較快的測量速度而收獲良好口碑。優(yōu)異的高動態(tài)范圍進一步強化了其出色的痕量元素檢測能力。

然而，PMT的缺點同樣后果嚴(yán)重。每個PMT都是單個的，需要按照的材料分析要求精心選配。這會影響制造、品質(zhì)和使用的一致性，還使得儀器價格隨PMT數(shù)量激增。由于每個PMT只能檢測單個特定元素，因此每臺基于PMT的分析儀只能配置為有限的分析基體和少量特定元素通道。添加或減少某個元素都需要大幅改動硬件。而且相鄰元素的譜線還可能會造成分析干擾。如果PMT檢測器發(fā)生故障，分析儀將無法檢測到相關(guān)元素的譜線，從而會降低整個光學(xué)系統(tǒng)的性能。

由于上述和其他種種問題，PMT技術(shù)已經(jīng)逐漸在光譜儀中被固態(tài)檢測器解決方案所取代，包括電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀 (ICP-OES)、便攜式金屬分析儀，以及臺式固定金屬分析儀。

光電倍增管的困擾

早先開始應(yīng)用的光電倍增管 (PMT) 檢測器是金屬冶煉企業(yè)和其他要求嚴(yán)苛的用戶所青睞的一種好的光譜儀檢測器。

作為傳統(tǒng)的真空管技術(shù)，PMT檢測器多個光檢測元件由玻璃真空密封組成。樣品火花激發(fā)的光子會進入光電管內(nèi)并擊中纖薄的光陰極層以放出電子。電子經(jīng)過聚焦、大幅放大并轉(zhuǎn)換為電子信號。通常，光電管的工作電壓需高達1200伏特。

CCD檢測器的優(yōu)缺點

為了克服PMT的缺點，許多光譜儀制造公司轉(zhuǎn)向基于電荷耦合器件 (CCD) 的檢測器。

CCD檢測器發(fā)明于1969年，剛開始用于相機和成像傳感器。基礎(chǔ)是刻在硅基材上的固態(tài)集成電路 (IC)，包含數(shù)千個微型光敏元件（也稱為像素）的線性陣列。從根本上說，CCD傳感器捕獲光線并將其轉(zhuǎn)換為電荷。捕獲的光線越多，電荷越大。

在基于CCD檢測器的中好的直讀光譜儀中（于1999年推出），每個像素的信號（表示其位置處的光線強度）被傳送到光譜儀的讀出電子設(shè)備進行處理。當(dāng)下的中檔ICP-OES光譜儀中常用的是后幾代的CCD檢測器。在這些儀器中，CCD因其高分辨率和耐久性而倍受青睞，同時兼具特定靈敏度和低噪聲水平。例如：對于大中型企業(yè)、鑄造廠和加工廠，固定式金屬分析儀可能是德國斯派克分析儀器公司的 SPECTROMAXx光譜儀銷量較好。這款廣受歡迎的儀器在第八代之前都采用基于CCD的檢測器，效果明顯。

SPECTROLAB M12的混合動力光學(xué)系統(tǒng)結(jié)合了PMT和CCD檢測器的優(yōu)點，成功地將兩種技術(shù)各自的理想特性整合到一起。

然而，對于諸如大型金屬冶煉生產(chǎn)爐前分析等要求苛刻的任務(wù)，純CCD系統(tǒng)的性能尚無法達到，特別是在低檢測限和夾雜物的識別方面。這些功能可通過TRS和SSE等技術(shù)來實現(xiàn)（詳見下文“實現(xiàn)高靈敏度和高精度"部分）。

CMOS解決方案

新一代線性CMOS檢測器的出現(xiàn)改變了格局。與基于CCD檢測器的分析儀有相似性，互補金屬氧化物半導(dǎo)體 (CMOS) 檢測器是采 用成熟集成電路 (IC) 檢測器技術(shù)制造的固態(tài)設(shè)備。因此具有很多超越PMT分析儀的優(yōu)勢，比如質(zhì)量一致性和分析結(jié)果重現(xiàn)性。而且，經(jīng)過多年的研發(fā)和迭代使得CMOS成為一種相比于CCD技術(shù)有重大進步的全新檢測器類型。

CMOS檢測器是一種多通道半導(dǎo)體器件，與讀出系統(tǒng)電子設(shè)備相集成。功能單元（比如模數(shù)轉(zhuǎn)換和降噪）在每個集成電路的制造過程中都與傳感器芯片集成在一起。因此，這些關(guān)鍵的譜線信號處理功能集中在芯片上同步完成，從而具有更大動態(tài)范圍和更高數(shù)據(jù)吞吐量等優(yōu)勢。

在CMOS光譜儀出現(xiàn)之前，某些用戶認(rèn)為PMT檢測器性能優(yōu)于固態(tài)檢測器。為此，后文將詳細(xì)說明新的CMOS檢測器技術(shù)（如應(yīng)用于全新的SPECTROLAB S固定金屬 分析儀等較好的光譜儀）已經(jīng)扭轉(zhuǎn)了這種觀念。

CMOS大幅提高靈活性

PMT：一個檢測器，每次只能分析一條光譜線 — 沒有靈活性 

PMT技術(shù)存在一個固有限制：分析儀中的每個PMT單元都需要專門出射狹縫（用于分離從衍射光柵色散出的特定波長的光），即每條發(fā)射光譜線都需要PMT應(yīng)對。

在擁擠的羅蘭圓架構(gòu)上放置多個直徑為28 mm或13 mm的檢測器時，合理安排每個檢測器之間的距離非常關(guān)鍵，必須通過精密的制造過程科學(xué)地定位每個檢測器及其狹縫，以正確對焦相應(yīng)波長。稍有不慎就可能需要進行大量的重新測量，才能確定譜線是否偏離譜線聚焦。

每個PMT檢測器對應(yīng)一條光譜線的約束也嚴(yán)重限制了這臺儀器能夠分析的元素總數(shù)。通常，基于PMT的儀器的出廠配置頂多可配置80個波長通道。而且這還不意味著它能測量80個元素，單個元素可能需要根據(jù)其基體和濃度范圍配置多個波長，比如在多基體環(huán)境中，單單分析鎳元素 (Ni) 可能就需要多達七 個不同的波長以達到較好的分析效果。由于80個波長的限制，較高配置的基于PMT的系統(tǒng)能檢測的元素數(shù)量很快就會達到上限。

此外，用戶要分析的兩個元素可能具有非常接近的較好的分析譜線。某些情況下，實際上沒有足夠的空間來精確放置相應(yīng)的PMT和狹縫。為此，制造商必須把其中一個元素?fù)Q為另一個折中的波長，而非比較好的的分析波長。這會降低光譜儀中該元素的分析性能，影響每次測量的精度。

基于PMT的系統(tǒng)缺乏靈活性。在許多現(xiàn)代化金屬制造企業(yè)中，經(jīng)常會考慮研發(fā)新材料或合金，或隨著供應(yīng)鏈的發(fā)展遇到新的材料和合金，或增加新產(chǎn)品線添加新材料或合金。問題是，基于PMT的分析儀的硬件結(jié)構(gòu)很難實現(xiàn)添加或更改哪怕一個新的元素，而只能保持儀器初始配置中的元素。

嘗試更改現(xiàn)有元素選項必須停機，還要修改硬件和軟件。需要相當(dāng)復(fù)雜的光學(xué)校準(zhǔn)/硬件配置/重新校準(zhǔn)過程。這可能需要制造商專業(yè)工程師長時間上門處理，代價不菲，甚至可能需要儀器返廠安裝。另外，根據(jù)元素和羅蘭圓架構(gòu)上的特定適配/定位限制，重新配置可能還無法達成。

CMOS+T：全光譜覆蓋，大幅提高靈活性

相比之下，CMOS檢測器沒有元素通道的限制。所以，SPECTROLAB S分析儀通過每塊 CMOS檢測器上的數(shù)千個像素記錄樣品發(fā)射的全部光譜線。因此，除了高效的單元素聚焦外，該系統(tǒng)可同時記錄全部相關(guān)分析光譜范圍內(nèi)從120 nm到780 nm的所有波長譜 線。這種全覆蓋信息范圍較大程度超過了基于PMT的分析儀所能實現(xiàn)的任何可能性。

SPECTRO的企業(yè)級CMOS+T技術(shù)具有良好的靈活性，允許儀器制造按照需要為每個客戶設(shè)計較好的的光學(xué)配置。例如，用戶可任意組合的10個標(biāo)準(zhǔn)金屬基體：鐵 (Fe)、鋁 (Al)、銅 (Cu)、鎳 (Ni)、鈷 (Co)、鎂 (Mg)、鈦 (Ti)、錫 (Sn)、鉛 (Pb) 或鋅 (Zn)。

CMOS檢測器系統(tǒng)超越了PMT檢測器只能處理80個波長的限制。比如，近期配置的一臺SPECTROLAB S分析儀可檢測170個不同分析波長所發(fā)射的譜線，總共測量多達59種不同的元素。

此外，對于緊密相鄰的發(fā)射譜線，無需任何妥協(xié)或再次測量，可確保始終分析較好的譜線以獲得較準(zhǔn)確的結(jié)果。

基于CMOS的分析儀設(shè)計還能實現(xiàn)滿足未來配置升級需求的靈活性。同時，總的可選元素數(shù)量沒有限制。如果遇到未知元素和/或新元素增加到所測金屬材料，儀器制造公司可通過軟件更新快速增加新的分析方法。因此，金屬材料生產(chǎn)企業(yè)能快速輕松地增加材料分析覆蓋范圍，甚至擴展包含鉍 (Bi)、 鎢 (W)、錳 (Mn) 等其他基體的新材料分析方法。

CMOS全光譜覆蓋設(shè)計還賦予了更多強大的軟件功能。存檔和審計程序可對所有分析報告的法務(wù)審計提供全譜圖依據(jù)，增加回溯未輸出結(jié)果的元素。此外，固態(tài)檢測器采用 SPECTRO的iCAL 2.0技術(shù)，使得只需一個標(biāo) 準(zhǔn)樣品就能同步實現(xiàn)再校準(zhǔn)/描跡/標(biāo)準(zhǔn)化；減少了操作人員的流程；并且即使樣品或環(huán)境溫度發(fā)生變化也能長期保持測量穩(wěn)定性。

實現(xiàn)高靈敏度和高精度

SPECTROLAB S 基于CMOS檢測器的分析儀采用了專有技術(shù)，其優(yōu)勢在于半導(dǎo)體陣列中的每個檢測單元在靈敏度和噪聲性能方面比單獨的PMT更好。重復(fù)性和一致性方面也更具優(yōu)勢。更為關(guān)鍵的是，CMOS+T系統(tǒng)可利用其全光譜覆蓋能力實現(xiàn)的壯舉：在整個相關(guān)光譜圖施加TRS技術(shù)獲得高保真全譜信號。除此之外，憑借光學(xué)系統(tǒng)和圖像處理方面的優(yōu)勢，實現(xiàn)每條分析譜線和各自參比譜線之間的較好的線對組合；以及具有自身的高動態(tài)范圍。

所有優(yōu)勢結(jié)合在一起，使得光譜儀檢測限、靈敏度和精度達到或超越了以往依靠TRS和SSE功能的PMT檢測器（請參見附表）。因此，對于鋼鐵純凈度的痕量雜質(zhì)元素測定等應(yīng)用獲得優(yōu)異的精確度。CMOS+T技術(shù)還能滿足從復(fù)雜的單基體配置到多基體配置的需求。從百萬分級 (ppm) 的痕量元素分析到高 濃度的貴重材料元素【如鉻 (Cr) 和鎳 (Ni)】 分析，光譜儀在各個領(lǐng)域都能提供出色的 結(jié)果。

而基于CMOS的系統(tǒng)能做得更好。比如， SPECTROLAB S分析儀充分利用了CMOS的內(nèi)在速度、動態(tài)預(yù)燃時間和等離子體光源控制等功能，進一步優(yōu)化和縮短了分析流程。比較基于PMT的系統(tǒng)，測量時間大幅縮短。這在自動化實驗室和大樣品量需求環(huán)境中是很實用的優(yōu)勢。例如，該系統(tǒng)可在短短20秒內(nèi)精確分析低合金鋼等材料中全部元素。

確保穩(wěn)定性

正如前文所述，PMT的局限性可能迫使儀器制造公司為某些元素配置不太理想的波長。這可能會影響測量的準(zhǔn)確性。在溫度不穩(wěn)定的環(huán)境，微小的室溫波動也可能對基于PMT的分析儀產(chǎn)生很大的影響。這些因素會降低重復(fù)性，并且相同濃度的同一元素的讀數(shù)可能會隨時間產(chǎn)生不可接受的差異。

CMOS+T技術(shù)具有更好的長期和短期穩(wěn)定性，可始終提供高重復(fù)性的測量結(jié)果。儀器設(shè) 計者可選擇分析譜線和參比譜線的較好的線對， 以獲得較穩(wěn)定的測量效果。此外，SPECTROLAB S通過iCAL 2.0軟件進一步增強了穩(wěn)定性，其原理是在線校正由溫度波動或其他因素引起的測量漂移。

提升測量速度

OES分析儀以快速測量而聞名。通常安裝在金屬加工生產(chǎn)現(xiàn)場，可以避免因等待結(jié)果而導(dǎo)致的生產(chǎn)延誤。配備PMT檢測器的固定金屬分析儀也不例外，能在數(shù)十秒或幾分鐘內(nèi)提供大多數(shù)測量結(jié)果。

而基于CMOS的系統(tǒng)能做得更好。比如， SPECTROLAB S分析儀充分利用了CMOS的內(nèi)在速度、動態(tài)預(yù)燃時間和等離子體光源控制等功能，進一步優(yōu)化和縮短了分析流程。比較基于PMT的系統(tǒng)，測量時間大幅縮短。這在自動化實驗室和大樣品量需求環(huán)境中是很實用的優(yōu)勢。例如，該系統(tǒng)可在短短20秒內(nèi)精確分析低合金鋼等材料中全部元素。

獲得工業(yè)級的耐用性

大多數(shù)PMT檢測器具有較長的使用壽命，不過一旦發(fā)生PMT故障就會導(dǎo)致無法讀取與其相關(guān)元素的分析譜線，此時必須更換檢測器才能修復(fù)。

用于SPECTROLAB S等好的金屬分析儀的基于CMOS的新型檢測器單元設(shè)計則更加可靠，具有工業(yè)級的耐用性。此外，由于該技術(shù)具有的全光譜范圍分析能力：即使CMOS發(fā)生無法檢測某個像素發(fā)射譜線信號，系統(tǒng)也能輕易轉(zhuǎn)換使用一個接近的替代譜線，而不會失去測量該元素的能力。

德國斯派克分析儀器公司在設(shè)計制造金屬分析儀方面潛心研發(fā)多年，技術(shù)過硬，經(jīng)驗豐富，既能提供基于PMT檢測器的光譜儀，也能提供基于CCD檢測器的光譜儀。事實上，旗艦金屬分析儀SPECTROLAB的前一代產(chǎn)品采用了混合動力的PMT/CCD系統(tǒng)，曾經(jīng)發(fā)揮這些技術(shù)的互補優(yōu)勢。

CMOS半導(dǎo)體檢測器的持續(xù)發(fā)展和優(yōu)化已經(jīng)改變了直讀光譜儀的分析范式。如今，通過 采用覆蓋全光譜圖的CMOS檢測器陣列，并結(jié)合SPECTRO的CMOS+T技術(shù)，SPECTROLAB S新型分析儀的各方面性能都已經(jīng)被證明達到和超越了基于PMT或CCD系統(tǒng)的光 譜儀。