对光谱仪有所了解的人都知道,CCD检测器的使用大大降低了火花直读光谱仪的硬件成本和调试流程。某品牌甚至可以做到拷贝程序,即硬件搭建好,程序拷入电脑适当调试即可使用。CCD检测器因其全谱的优势,可以大大缩小直读光谱仪硬件的体积。以上都是使用CCD检测器直读光谱仪的优势。然而相对于光电倍增管(PMT)检测器,使用CCD检测光谱仪的缺点也是显而易见的,而且是无法回避的。
其一、原理上CCD器件的整个工作过程是一种电荷耦合过程,因此这类器件叫电荷耦合器件。对于CCD器件,当一个或多个检测器的象素被某一强光谱线饱和时,便会产生溢流现象。即光子引发的电荷充满该象素,并流入相邻的象素,损坏该过饱和象素及其相邻象素的分析正确性,并且需要较长时间才能使溢流的电荷消失。
图一、CCD工作单元MOS电容示意图
其二、限于原理上的先天缺陷,使用CCD检测器的直读光谱仪存在灵敏度低,检出下限(LOD),动态范围,信噪比等等方面的性能均不如PMT检测好。
灵敏度 | CCD(电荷藕合器件)是面扫描(分区)测量,检测结果受强光谱线饱和影响大 | PMT光电倍增(真空)管是点(或线)测量,但每个(通道)元素对应一个PMT,元素的相互影响较小 |
检测下限(LOD) | 100ppm | 1ppm |
动态范围 | 104 | 106 |
信噪比 | 必须要深冷处理才能提信噪比 | 在常温下就具有较好的信噪比,光电倍增管具有很高的电流放大作用,使信噪比远远优于CCD,图谱更加清晰 |
噪声 | 全部扫描方式检测,不同谱线之间存在干扰性,噪声大 | 真空点线测量,每个通道对应一个PMT,元素的相互影响较小,噪声小 |
其三、使用CCD检测器成为部分直读光谱制造厂商所见成本的一种途径。我们可以通过下面拆解图的来具体了解CCD光谱仪硬件方面的不足。
图二、CCD光谱仪拆解图
从CCD光谱图中我们可以一眼看出
① 狭小的光室体积(400mm光栅焦距),决定了分光效果远不如大光室750mm光栅焦距的V-950光谱效果好。
② 纤薄的机壳热稳定性和机械稳定性远差。和使用高强度铸铝光室的V-950光谱不可相提并论。
③ 充氩光室分析短波元素(P、S、B等)精准度很差
④ 光纤传输的入射光信号稳定性差,有衰减,尤其是短波元素。
⑤ CCD片自身信噪比低,寿命短,采集信号强度衰减快。
采用高精度PMT检测器的V-950从设计原理上就不存在③、④、⑤中所涉及的问题。
节省成本,迎合短期市场不是美国埃米Angstrom光谱仪考虑的方向,V-950的制造理念是精细高端。从用户使用长远角度考虑,好的仪器才是最佳的选择。
图三、美国埃米Angstrom V-950光室外部