Kühlung von CCD-Detektoren für die Spektroskopie

Der Hauptgrund für die Kühlung eines Detektor in einem Spektrometer ist die Reduzierung des Dunkelstroms und damit:

• Reduziertes Dunkelrauschen
• Erhöhter Dynamikbereich

Um von der Kühlung zu profitieren, muss die Detektorleistung durch den Dunkelstrom begrenzt sein. In der Praxis bedeutet dies:

• Wenn Sie an Messungen mit Integrationszeiten von mehr als 100 ms interessiert sind, ist die Verwendung eines gekühlten Detektors von Vorteil, wenn Sie bei oder über Raumtemperatur arbeiten.
• Eine Kühlung auf 0 Grad ist ausreichend für Integrationszeiten bis zu 1 Sekunde und mit einem einstufigen TE-Kühler realisierbar. Eine weitere Kühlung verbessert die Leistung für Integrationszeiten über 1 Sekunde, jedoch werden Detektoren deutlich teurer, wenn eine Kühlung unter -10 °C erforderlich ist.

Einige Detektoren in Ibsen-Spektrometern können mit thermoelektrischer (TE) Kühlung ausgestattet werden. Obwohl dies deutliche Vorteile bei der Messung von Signalen geringer Intensität haben kann, sind diese Detektoren kostspielig und die Kühlstufe ist sperrig. Es ist daher wichtig, entscheiden zu können, welche Vorteile die Kühlung für eine bestimmte Anwendung bietet. Der Zweck dieses Dokuments ist es, einige reale Zahlen bereitzustellen, die bei der Entscheidung helfen können, wann eine Kühlung für eine Anwendung von Vorteil ist.

Wir erörtern die Temperaturabhängigkeit des Dunkelpegels und des Dunkelrauschens des häufig verwendeten, rückseitig ausgedünnten CCD-Detektors Hamamatsu S7031-1007S, der über einen 16-Bit-AD-Wandler auf einer speziellen Elektronikplatine ausgelesen wird [1]. Der Detektor ist an einem Spektrometer montiert, aber da wir kein Licht in das Spektrometer leiten, können die von uns durchgeführten Tests als Tests des Detektors und der Elektronik allein betrachtet werden.

Ein CCD-Detektor ist eine integrierende Vorrichtung, die das innerhalb der gewählten Integrationszeit detektierte Signal akkumuliert. Je länger die Integrationszeit, desto höher ist der detektierte Wert. Es ist wichtig zu erkennen, dass der detektierte Wert nicht nur aufgrund des Signals (Licht), das auf den Detektor trifft, ansteigt, sondern auch aufgrund des Dunkelstroms. Dies wird in den folgenden Abschnitten genauer erläutert.

Das Auslesen eines nicht beleuchteten Detektors ergibt nicht 0 Zählungen. Stattdessen gibt es einen festen niedrigsten Wert, der auch unter völlig dunklen Bedingungen gemessen wird. Dies wird als Dunkelpegel bezeichnet und sollte nicht mit dem Dunkelrauschen verwechselt werden (siehe nächster Abschnitt). Der Dunkelpegel kann je nach Pixel unterschiedlich sein und hängt von der Temperatur, der Integrationszeit des Detektors und der Elektronik ab, die den Detektor ausliest und in einen digitalen Wert umwandelt. Selbst wenn Sie die Spezifikationen des Detektors zur Hand haben, ist es daher schwierig, im Voraus zu bestimmen, welcher Dunkelpegel zu erwarten ist und wie das Rauschen auf diesem Dunkelpegel (das Dunkelrauschen) sein wird. Der Dunkelpegel wird bestimmt durch:

• Der vor der ADC-Wandlung eingeführte Offset, der auch als Baseline Clamp oder Bias Level bezeichnet wird. Der Offset wird benötigt, um negative Werte nach der AD-Wandlung zu verhindern. Der Offset ist unabhängig von der Integrationszeit und der Temperatur. Daher wird bei den meisten Detektoren und kurzen Integrationszeiten der Hauptbeitrag des Dark Levels durch diesen Offset gegeben.
• Der Dunkelstrom ist das Signal, das durch die Thermische Anregung von Elektronen und Löchern erzeugt wird. Während einer realen Messung regen Photonen, die auf den Detektor treffen, Elektronen an und erzeugen dadurch einen Strom. Leider können diese Elektronen auch spontan aufgrund ihrer thermischen Energie angeregt werden. Dies erzeugt einen Dunkelstrom, und da es sich um eine Thermische Anregung handelt, hängt er von der Temperatur des Sensors ab. Es ist zu erwarten, dass die Abhängigkeit proportional zu e^(-ΔE/kT) ist. Dabei ist k die Boltzmann-Konstante. Der Dunkelstrom akkumuliert sich über die Integrationszeit der Belichtung und ist daher für lange Integrationszeiten wichtiger.

Abbildung 1 skizziert, was Sie erwarten, wenn kein Licht auf den Detektor fällt und Sie den gemessenen Wert in Abhängigkeit von der Integrationszeit messen. Für kurze Integrationszeiten erfassen Sie nur den Offset. Bei längeren Integrationszeiten trägt der Dunkelstrom zum Offset bei.

Abbildung 1, eine Skizze des Dunkelstrompegels (auf einer logarithmischen Skala) für verschiedene Integrationszeiten.

Der gemessene Dunkelpegel am S7031 ist in Abbildung 2 dargestellt. Um diese Ergebnisse zu erhalten, wurden 100 Messungen bei verschiedenen Temperaturen zwischen -10 °C und 20 °C und Integrationszeit zwischen 1 ms und 20 Sekunden durchgeführt. Von jeder Serie wurde das durchschnittliche Signal über 792 der 1024 Pixel berechnet [2]. Die Ergebnisse zeigen, dass der Dunkelpegel bis zu Integrationszeit von 50 ms im Wesentlichen konstant bei etwa 1000 Counts liegt. Dies ist der Bereich, in dem der Dunkelstrom so minimal ist, dass er nicht zum Dunkelpegel beiträgt. Bei längeren Integrationszeit wird der Dunkelstrom wichtig und damit auch die Notwendigkeit der Kühlung. Im extremsten Fall sättigt der Dunkelstrom bei einer Integration von 20 Sekunden bei Raumtemperatur (20 °C) den vollen Bereich der 16-Bit-AD-Wandlung, was es unmöglich macht, eine sinnvolle Messung durchzuführen. Die Kühlung des Detektor auf -10 °C reduziert den Dunkelpegel auf unter 3000 Counts, wodurch es möglich wird, auch ein Signal zu erfassen.

Abbildung 2, durchschnittlicher Dunkelpegel für verschiedene Integrationszeiten und Detektortemperaturen.

Das Dunkelrauschen eines Detektors ist die zufällige Schwankung des Dunkelpegels in jedem Pixel. Es wird als die Standardabweichung des Dunkelpegels über 100 aufeinanderfolgende Messungen berechnet. Wir können die folgenden relevanten Rauschquellen unterscheiden:

• Dunkelstromrauschen (σ_dark)
• Signalrauschen (σ_sig)
• Ausleserauschen (σ_read)

Zusammen tragen diese über die folgende Beziehung zum Rauschen bei:

Bei unseren aktuellen Messungen ohne Licht kann das Rauschen des Signals vernachlässigt werden. Um das Rauschen zu untersuchen, wurde der gleiche Messdatensatz wie in Abbildung 2 verwendet, um das Rauschen zu erhalten. Hierfür wurde die Standardabweichung pro Pixel berechnet (siehe Inset von Abbildung 3) und der Mittelwert davon über 792 Pixel in Abbildung 3 dargestellt [2]. Es ist zu erkennen, dass bis zu 10 ms Kühlung nur sehr geringe Auswirkungen auf das Rauschen hat, da es vom Ausleserauschen dominiert wird. Bei langen Integrationszeiten kann das Rauschen jedoch durch Kühlung auf -10 °C deutlich reduziert werden.

Abbildung 3 zeigt die Standardabweichung über 100 Messungen des Dunkelpegels, gemittelt über den Wellenlängenbereich des Detektors, gemessen für verschiedene Temperaturen und Integrationszeiten. Der Einschub zeigt, wie die Standardabweichung pro Pixel aus einer Zeitreihe von Messungen berechnet wird.

Abgesehen von den oben genannten Rauschquellen, die für jedes Pixel separat gelten, gibt es auch ein Fixed-Pattern-Rauschen. Dieses Rauschen ist die Pixel-zu-Pixel-Variation z.B. der Empfindlichkeit und ist somit eher konstant in der Zeit: es wird sich bei Messungen unter den gleichen Bedingungen reproduzieren. Die Pixel-zu-Pixel-Variation in CMOS Detektoren entsteht beispielsweise dadurch, dass jedes Pixel seinen eigenen Verstärker hat. Kleine Variationen in diesen Verstärkern führen natürlich zu einem charakteristischen Fixed-Pattern-Rauschen, das sogar zur Identifizierung von Kameras verwendet werden kann. Da dieses Rauschen über die Zeit stabil ist, trägt es nicht zu dem zeitabhängigen Rauschen bei, das wir in diesem Dokument diskutieren.

Der Einfluss der Temperatur auf den Dunkelpegel und das Dunkelrauschen wirkt sich letztendlich auch auf den Dynamikbereich aus, der mit dem Detektor erreicht werden kann. Der Dynamikbereich für die 16-Bit-AD-Wandlung ist definiert als:

Seine Abhängigkeit von der Integrationszeit und der Temperatur ist in Abbildung 4 dargestellt. Für Integrationszeiten von 1 Sekunde kann der Dynamikbereich durch Kühlung des Detektors mehr als verdoppelt werden. Dies ermöglicht eine deutliche Verbesserung der praktischen Messungen.

Abbildung 4, der Dynamikbereich für verschiedene Temperaturen.

Es ist zu beachten, dass die Empfindlichkeit oder Quanteneffizienz von Detektoren auch von der Temperatur abhängt. Besonders im Infrarotbereich nimmt die Empfindlichkeit mit sinkender Temperatur ab. Der Grund dafür ist, dass eine thermisch angeregte Population von Elektronen leichter über die Bandlücke angeregt wird. Besonders bei niederenergetischen Infrarot-Photonen hilft die Tatsache, dass die Elektronen bereits angeregt sind, bei der Signalaufnahme. Es ist daher möglich, dass sowohl der Dunkelstrompegel als auch der Signalpegel sinken. Für den Hamamatsu S7031 Detektor ist dies im Datenblatt [3] nicht angegeben, wird aber erwähnt. Es ist im allgemeinen Bildsensor-Handbuch von Hamamatsu [4] zu finden, wo gezeigt wird, dass bei 900 nm der Empfindlichkeitskoeffizient etwa 0,2 %/°C beträgt.

Aus den obigen Messungen kann geschlossen werden, dass der Wendepunkt für den Einsatz von Kühlung liegt, wenn die Integrationszeiten sich 0,1 bis 1 Sekunde nähern. Für eine reale Implementierung ist es immer ratsam, das Spektrometer unter normalen Arbeitsbedingungen mit unterschiedlichen Temperaturen zu testen und das SNR auf ähnliche Weise zu analysieren, wie dies in diesem Dokument geschehen ist.

Zusammenfassend haben wir eine Messung der Temperaturabhängigkeit des Dunkelstroms und des Rauschens eines gekühlten Hamamatsu S7031 Detektors durchgeführt. Die Wahl für einen gekühlten oder ungekühlten Detektor für Ihre Anwendung hängt von Folgendem ab:

• Wenn Sie an Messungen mit Integrationszeiten von mehr als 100 ms interessiert sind, ist die Verwendung eines gekühlten Detektors von Vorteil, wenn Sie bei oder über Raumtemperatur arbeiten.
• Eine Kühlung auf 5 °C ist ausreichend für Integrationszeiten bis zu 1 Sekunde und mit einem einstufigen TE-Kühler realisierbar. Eine weitere Kühlung verbessert die Leistung für Integrationszeiten über 1 Sekunde, solche Detektoren sind jedoch deutlich teurer.

Wir hoffen, dass Sie diese technische Notiz nützlich finden und freuen uns über Feedback und Verbesserungsvorschläge sowie Ideen für zukünftige technische Notizen.

[1] JETI VersaPic

[2] Der Detektor hat 1024 Pixel, wir haben die Analyse jedoch auf den Bereich beschränkt, für den das von uns verwendete EAGLE Spektrometer kalibriert ist.

[3] Das Hamamatsu S7031-Spezifikationsblatt: https://www.hamamatsu.com/resources/pdf/ssd/s7030-0906_etc_kmpd1023e.pdf

[4] Das Hamamatsu Bildsensor-Handbuch: https://hamamatsu.su/media/index/?type=catalog&id=58

Tabelle: Spezifikation des verwendeten Detektors