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雜挑戰。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、檢測實驗室和大學院所等。這些用戶需要高精度、高準確度地識別并測量其原料、生產過程和出廠材料中的所有元素和化合物。其中大多數用戶采用固定式金屬分析儀。

決定分析儀性能的一個關鍵因素是檢測器技術。

當前，還有很多用戶采用包含傳統光電倍增管PMT檢測器的儀器來應對這些挑戰。雖然光電倍增管PMT技術是鋼鐵廠和相關應用企業的習慣性選擇，但儀器制造過程卻比較復雜困難，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。

近年來，專為金屬分析應用而設計的基于互補金屬氧化物半導體 (CMOS) 技術的檢測器已經非常完善。下文的應用報告證明，將固態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都能等同和超越光電倍增管PMT檢測器的表現：

?儀器配置靈活性

?元素分析靈敏度

?穩定性

?測量速度

?耐用性

?儀器制造工藝和質量一致性

背景知識 - 光學發射光譜儀OES原理

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

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

發射光譜進入光學系統，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聯的讀出電子設備。讀出系統可提供數據，以便分析儀的內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雜性。波長范圍涵蓋從120 nm到780 nm的整個遠紫外 和紅外光譜，而且發射譜圖也非常復雜：鐵元素 (Fe) 就具有超過4,000條不同的分析發射譜線。

當然，OES光譜儀的每個組件都至關重要，其中又以檢測器較為突出。作為分析儀的組件，PMT被認為相對堅固，并有多年應用經驗。確實能夠準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。優異的高動態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、品質和使用的一致性，還使得儀器價格隨PMT數量激增。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檢測器發生故障，分析儀將無法檢測到相關元素的譜線，從而會降低整個光學系統的性能。

由于上述和其他種種問題，PMT技術已經逐漸在光譜儀中被固態檢測器解決方案所取代，包括電感耦合等離子體發射光譜儀 (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

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

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

CCD檢測器的優缺點

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

CCD檢測器發明于1969年，剛開始用于相機和成像傳感器。基礎是刻在硅基材上的固態集成電路 (IC)，包含數千個微型光敏元件（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備進行處理。當下的中檔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、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的混合動力光學系統結合了PMT和CCD檢測器的優點，成功地將兩種技術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爐前分析等要求苛刻的任務，純CCD系統的性能尚無法達到，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等技術來實現（詳見下文“實現高靈敏度和高精度”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體 (CMOS) 檢測器是采 用成熟集成電路 (IC) 檢測器技術制造的固態設備。因此具有很多超越PMT分析儀的優勢，比如質量一致性和分析結果重現性。而且，經過多年的研發和迭代使得CMOS成為一種相比于CCD技術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體器件，與讀出系統電子設備相集成。功能單元（比如模數轉換和降噪）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，從而具有更大動態范圍和更高數據吞吐量等優勢。

在CMOS光譜儀出現之前，某些用戶認為PMT檢測器性能優于固態檢測器。為此，后文將詳細說明新的CMOS檢測器技術（如應用于全新的SPECTROLAB S固定金屬 分析儀等較好的光譜儀）已經扭轉了這種觀念。

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），即每條發射光譜線都需要PMT應對。

在擁擠的羅蘭圓架構上放置多個直徑為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鍵，必須通過精密的制造過程科學地定位每個檢測器及其狹縫，以正確對焦相應波長。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檢測器對應一條光譜線的約束也嚴重限制了這臺儀器能夠分析的元素總數。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其基體和濃度范圍配置多個波長，比如在多基體環境中，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的系統能檢測的元素數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的PMT和狹縫。為此，制造商必須把其中一個元素換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的系統缺乏靈活性。在許多現代化金屬制造企業中，經常會考慮研發新材料或合金，或隨著供應鏈的發展遇到新的材料和合金，或增加新產品線添加新材料或合金。問題是，基于PMT的分析儀的硬件結構很難實現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。

嘗試更改現有元素選項必須停機，還要修改硬件和軟件。需要相當復雜的光學校準/硬件配置/重新校準過程。這可能需要制造商專業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，根據元素和羅蘭圓架構上的特定適配/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檢測器上的數千個像素記錄樣品發射的全部光譜線。因此，除了高效的單元素聚焦外，該系統可同時記錄全部相關分析光譜范圍內從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的分析儀所能實現的任何可能性。

SPECTRO的企業級CMOS+T技術具有良好的靈活性，允許儀器制造按照需要為每個客戶設計較好的的光學配置。例如，用戶可任意組合的10個標準金屬基體：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，對于緊密相鄰的發射譜線，無需任何妥協或再次測量，可確保始終分析較好的譜線以獲得較準確的結果。

基于CMOS的分析儀設計還能實現滿足未來配置升級需求的靈活性。同時，總的可選元素數量沒有限制。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，金屬材料生產企業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審計提供全譜圖依據，增加回溯未輸出結果的元素。此外，固態檢測器采用 SPECTRO的iCAL 2.0技術，使得只需一個標 準樣品就能同步實現再校準/描跡/標準化；減少了操作人員的流程；并且即使樣品或環境溫度發生變化也能長期保持測量穩定性。

實現高靈敏度和高精度

SPECTROLAB S 基于CMOS檢測器的分析儀采用了專有技術，其優勢在于半導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。重復性和一致性方面也更具優勢。更為關鍵的是，CMOS+T系統可利用其全光譜覆蓋能力實現的壯舉：在整個相關光譜圖施加TRS技術獲得高保真全譜信號。除此之外，憑借光學系統和圖像處理方面的優勢，實現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范圍。

所有優勢結合在一起，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元素測定等應用獲得優異的精確度。CMOS+T技術還能滿足從復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，光譜儀在各個領域都能提供出色的 結果。

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

確保穩定性

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確性。在溫度不穩定的環境，微小的室溫波動也可能對基于PMT的分析儀產生很大的影響。這些因素會降低重復性，并且相同濃度的同一元素的讀數可能會隨時間產生不可接受的差異。

CMOS+T技術具有更好的長期和短期穩定性，可始終提供高重復性的測量結果。儀器設 計者可選擇分析譜線和參比譜線的較好的線對， 以獲得較穩定的測量效果。此外，SPECTROLAB S通過iCAL 2.0軟件進一步增強了穩定性，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現場，可以避免因等待結果而導致的生產延誤。配備PMT檢測器的固定金屬分析儀也不例外，能在數十秒或幾分鐘內提供大多數測量結果。

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

獲得工業級的耐用性

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

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計則更加可靠，具有工業級的耐用性。此外，由于該技術具有的全光譜范圍分析能力：即使CMOS發生無法檢測某個像素發射譜線信號，系統也能輕易轉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計制造金屬分析儀方面潛心研發多年，技術過硬，經驗豐富，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的前一代產品采用了混合動力的PMT/CCD系統，曾經發揮這些技術的互補優勢。

CMOS半導體檢測器的持續發展和優化已經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，并結合SPECTRO的CMOS+T技術，SPECTROLAB S新型分析儀的各方面性能都已經被證明達到和超越了基于PMT或CCD系統的光 譜儀。