Grundlagen der optischen Detektion

Detektoren sind ein wesentlicher Bestandteil jedes spektroskopischen Instruments. Um Ihnen zu helfen, die Grundlagen optischer Detektoren besser zu verstehen, haben wir im Folgenden einen Leitfaden zusammengestellt.

Die Photodiode

Wir beginnen mit einer einfachen Photodiode. Eine Photodiode wandelt Licht (Photonen) in elektrische Ladung (Elektronen) um.

In einer einfachen Photodiode wird die durch Licht erzeugte Ladung sofort in (Photo-)Strom umgewandelt: I_P

Der Photostrom ist sofort vorhanden, wenn Sie Licht auf den Detektor senden. In einer einfachen Photodiode wird die durch Licht erzeugte Ladung sofort in (Photo-)Strom umgewandelt: I_P

Typische Photodioden für die Spektroskopie

Einzelne, großflächige Photodioden werden in Monochromator-basierten Spektrometern verwendet. Hier ist eine Abbildung einer typischen Konstruktion eines Raster-Monochromators mit einer einzelnen Photodiode als Detektor. Die Wellenlänge wird durch Drehen des Gitters ausgewählt.

Scanning-mono-chromator-with-photo-diode

Hier ist ein Beispiel für eine einzelne Photodiode von Hamamatsu.

Arrays of photo-diodes can be used for low resolution spectroscopy (< 100 diodes in the array) with a fixed (non-rotation) grating. Each photo-diode generates a photo current proportional to the intensity of the specific wavelength hitting each diode.

Hier ist ein Beispiel für ein Photodioden-Array (Hamamatsu S4111-46Q mit 46 Photodioden)

Jede Diode hat ihren eigenen Pin auf dem Chip, da jede Diode einzeln ausgelesen wird. Für ein 46-Pixel-Array benötigen Sie also mehr als 46 Pins.

Integrierende Photodiode

In einer integrierenden Photodiode wird die durch Licht erzeugte Ladung (Elektronen) in einem Kondensator C gespeichert.
Es fließt kein Photostrom, während die Integration läuft, da der Schalter geöffnet ist
Wenn die Integration abgeschlossen ist, wird der Schalter geschlossen und die gespeicherte Ladung wird in (Photo-)Strom I_P umgewandelt

Integrierende Photodioden für die Spektroskopie

CCDs (Charge Coupled Devices) sind Arrays von integrierenden Photodioden > 100 Dioden im Array

Hier ist ein Beispiel für ein CCD-Array (SONY ILX511B mit 2048 Pixeln)

Ein integrierendes Detektor-Array benötigt nur 1 Pin, um alle Pixel auszulesen, da die Photodioden einzeln ausgelesen werden.

Was ist eine Diode?

Eine Diode ist ein elektronisches Halbleiterbauelement, bei dem Strom nur in eine Richtung fließen kann.

I = Stromstärke

Stromstärke ist der Fluss von Elektronen durch einen Draht oder ein Gerät
Eine Stromstärke erfordert eine Spannungsdifferenz und einen geschlossenen Stromkreis
Gemessen in Ampere (A)

R = Widerstand

Ein Widerstand ist ein Bauelement, das elektronische Energie in Wärme umwandelt
Grundsätzlich können alle Instrumente und Geräte als Widerstand betrachtet werden (= sie verbrauchen elektronische Energie)
Gemessen in Ohm (Ω)

C = Kondensator

Ein Kondensator ist ein Bauelement, das elektronische Ladung (Elektronen) speichern kann
Gemessen in Farad (F)

U = Spannung

Spannung ist ein Maß für die Größe einer elektronischen Quelle
Wie die Anschlüsse an einer Batterie oder einem Netzteil
Die Spannung ist ständig vorhanden, unabhängig davon, ob die Quelle an ein Gerät angeschlossen ist oder nicht
Gemessen in Volt (V)

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