Auswahlleitfaden für Spektrometer-Detektoren

Wellenlängenbereich

Der erforderliche Wellenlängenbereich ist oft das erste Kriterium bei der Detektorauswahl. Siliziumdetektoren (CCD-, CMOS- und NMOS-Detektoren) bieten eine hervorragende Leistung vom UV- und Sichtbereich bis in den nahen Infrarotbereich, typischerweise bis etwa 1100 nm. Für Messungen jenseits von 900 nm und insbesondere oberhalb von 1100 nm werden InGaAs-Detektoren bevorzugt.

Spektrale Auflösung

Anwendungen, die die Trennung eng beieinander liegender Spektrallinien erfordern, profitieren von Detektoren mit einer hohen Anzahl kleiner Pixel – so verwenden wir beispielsweise häufig einen CMOS-Detektor mit 4096 Pixeln und einem Pixelabstand von 7 µm für hochauflösende Spektrometeroptionen.

Empfindlichkeit

Bei lichtschwachen Anwendungen lässt sich die Erkennung schwacher optischer Signale durch längere Integrationszeiten sowie den Einsatz von Detektoren mit hoher Quanteneffizienz und geringem Ausleserauschen verbessern. Bei verlängerten Integrationszeiten kann eine Detektorkühlung erforderlich sein, um thermisch erzeugte Ladungsträger, die als Dunkelstrom bezeichnet werden, und das damit verbundene Rauschen zu reduzieren. Im Allgemeinen erfordern längere Integrationszeiten eine tiefere Kühlung, um ein hohes Signal-to-Noise aufrechtzuerhalten. So verwenden beispielsweise unsere empfindlichsten Raman-Spektrometer einen auf -60 °C gekühlten Hochleistungs-CCD-Detektor.

Messgeschwindigkeit

Anwendungen mit bewegten Proben oder gepulsten Lichtquellen erfordern eine schnelle und präzise Spektralerfassung. In diesen Fällen werden die Bildrate des Detektors und die Auslesegeschwindigkeit zu wichtigen Auswahlfaktoren. Moderne CMOS-Detektoren bieten häufig deutlich höhere Bildraten als herkömmliche CCD-Detektoren, wodurch sie sich hervorragend für Echtzeitmessungen und Anwendungen mit hohem Durchsatz eignen.

Geringe Intensitätsschwankungen

Für Anwendungen, bei denen subtile Unterschiede in spektralen Merkmalen erkannt und quantifiziert werden müssen, ist das Erreichen eines hohen Signal-Rausch-Verhältnisses (SNR) unerlässlich. Ein höheres SNR erleichtert die Unterscheidung kleiner Intensitätsänderungen vom Messrauschen und verbessert so die Genauigkeit und Wiederholbarkeit der Ergebnisse.
Ein hohes SNR wird typischerweise durch die Auswahl eines Detektors mit großer Full-Well-Kapazität erreicht.

Große Intensitätsschwankungen innerhalb des Spektrums

Einige Anwendungen erfordern die gleichzeitige Messung sehr starker und sehr schwacher spektraler Merkmale innerhalb desselben Spektrums. In diesen Fällen wird der Dynamikbereich des Detektors zu einem kritischen Parameter. Ein hoher Dynamikbereich ermöglicht die Auflösung schwacher Signale, ohne dass die stärksten Peaks in Sättigung gehen.
Detektoren mit großer Full-Well-Kapazität können mehr Photoelektronen in jedem Pixel speichern, bevor die Sättigung erreicht wird. Dies ermöglicht die Messung großer Intensitätsunterschiede über das gesamte Spektrum hinweg bei gleichzeitiger Wahrung von Signalqualität und Linearität.

Die folgende Tabelle vergleicht gängige Spektrometer-Detektortechnologien hinsichtlich ihres nutzbaren Wellenlängenbereichs und typischer Integrationszeiten. Viele der als Beispiele aufgeführten Detektoren sind über das gesamte Spektrometer-Portfolio von Ibsen Photonics hinweg verfügbar, was die Auswahl des am besten geeigneten Detektors für ein breites Spektrum von Spektroskopieanwendungen ermöglicht.