CCD与PMT的区别.docx

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CCD与PMT的区别

CCD与PMT的区别

CCDvs.PMT技术特点描述（光电倍增管简称PMT，以下用PMT简称）

1、PMT与CCD都是光谱仪的检测器。

PMT使用1000V的高压作为工作电压，而CCD使用42V低压作为工作电压。

在检测高纯物质，如99.997%的电解铝或者电解铜的时候，PMT的优势是显而易见的，CCD检测器是无法检测此类高纯物质的。

但是在各种合金分析方面，这两种检测器是基本一致的。

2、CCD检测器由于使用了全谱技术，能够将全部的谱线接收，所以能够做到实时的波峰校正，省去了PMT型光谱仪所必须的波峰校正工作，大大提高了工作效率。

实际是CCD型光谱仪在激发样品的第一秒自动完成波峰校正工作。

3、CCD型光谱仪由于接收了全谱的谱线，所以为以后增加元素和基体打下了完善的硬件基础。

客户以后要增加元素或者基体，不需要改动硬件，只需使用标准样品建立工作曲线即可。

为客户的以后发展提供了方便。

4.CCD型光谱仪能够显示所有的谱图，所以能够实现高端用户的定性需求。

5、分析精度方面，我们可以达到甚至由于如下国标：

《GB-T7999-2007铝合金光电直读光谱分析法》；《GB11170-2008不锈钢光谱分析方法》；《GB-T4336-2002碳钢和中低合金钢光谱分析方法》。

甚至可以根据用户的技术要求，协商技术协议中的分析精度要求，和验收标准。

下面是一个高工总结的CCD检测器的优势，从他的描述中也能够看到，CCD检测器是一个发展趋势。

CCDvs.PMT

CCD的优势

（一）

•整个波长范围内的所有谱线均可利用，我们可以选择所有的最佳线来进行分析，不会因为空间有限而被迫放弃某些最佳线

•对于任何一个元素，都有许多谱线可供选择，能够覆盖完整的含量范围。

对于某个特定的含量范围，我们也可以同时选择几条谱线进行分析，对这些谱线的结果进行平均，这样可以提高分析结果的再现性

•根据用户的需要，可以添加额外的谱线（针对不常见的元素）。

这可以在仪器生产时完成，或者在用户现场完成

•在用户现场可以添加新的基体，而且无须对硬件做任何改动

CCD的优势

（二）

•仪器整机的价格不再取决于谱线的数目；仪器的测量范围更宽；某些特殊的元素（如铁基里的Zr或者铝基里的Sr）已包含在标准配置里面。

•真正实现多基体的仪器。

PMT的仪器也能提供多基体，但他们经常无法选取最佳的谱线，有时候甚至需要舍弃某些重要元素。

•自动校准光路以及“在峰测量”。

无须手动寻峰，省时并减少出错。

•不再需要昂贵的恒温系统

•环境温度的变化不再对测量产生影响

CCD的优势（三）

•相同数目的通道/谱线下更小的体积与重量

•不需要使用到高压。

使蓄电池的使用成为可能，同时减少了故障的发生

•全谱型光谱仪能够做到样品分析的定性功能，这是PMT型光谱仪所不能达到的。

小结

•在分析应用领域上以及便携设计上具有绝对的灵活性

•极佳的性价比

•随时可以增加分析元素或者分析基体

PMT优点

•PMT动态范围更宽。

PMT的动态范围是106，而CCD的是104。

CCD的信噪比不如PMT好。

•PMT对某些元素的极低的检测下限现在是CCD所达不到的。

PMT是近30年的老技术，大家已习惯于他的操作。

从技术上讲，我可以简单说说CCD和PMT的各自特点。

如下：

CCD的优点：

因为是面状检测器，所以检测可以覆盖全谱，可根据需求来选择分析谱线；特别是可以利用一个元素有多条特征谱线的原理，针对某个元素选用多个分析谱线来做分析；相比传统的通道式（PMT光电倍增管）要灵活，用户将来如需增加元素分析需求，只需添加相应分析程序，无需改变仪器硬件，升级非常便捷；设计结构紧凑，可移动且便于使用，适用于实验室及现场；相对PMT元件来说，价格更为经济，并随着CCD元件水平的不断提升，将来有取代PMT的趋势，就像数码相机取代传统的胶片相机一样。

CCD的缺点：

相对传统的PMT技术来说，CCD应用于直读光谱仪上，还是一个较新的技术，还有很多用户对其不甚了解；

目前的CCD元件水平来说，检测限（LOD）还高于PMT技术，一般来说10ppm的检出限是可信的，如有再低的检测限要求，（如做纯金属分析的或个别军工用特殊合金产品，检出限在1ppm或0.1ppm的）最好选用PMT的；

由于模糊效应，低敏感谱线边上不能选用高敏感的谱线。

PMT的优点：

信噪比由于CCD，因此检测限（LOD）更低；石英和MgF材质的入射窗，可分析的UV元素波长低至115nm——N，O分析，在UV和VUV波段元素分析更可靠；支持统计技术来评估夹杂物偏析。

PMT的缺点：

一个PMT管对应一个波长的谱线，所以一个元素至少要配一根管子，谱线是单一波长的接收，不能连续接收，选择分析谱线大大受限；仪器的机械装配复杂；仪器的尺寸笨重，不适合现场分析；PMT的元件价格比CCD的要贵很多。

TheFactsaboutLightdetectors

PhotomultipliersversusSiliconSemiconductors（CCD）

InEmissionspectroscopyasparksourceisusedtoexcitetheatomsinthesample,theresultingUVandvisiblelightradiationisthenusedfortheanalysis.

Thislightispolychromaticandmustbeintroducedintoahighresolutionopticalsystemtothuscreateindividualmonochromaticradiationinordertoseparatetheindividualelementalwavelength.

Inamobileorportablespectrometerwithsparkingprobe,averyflexiblelightfiberopticalcablewithanspeciallyhighlighttransmissioncapabilityisrequired,thisisinparticularimportantintheUVareaofthespectrum.

Itisobviousthatdependingonthelengthofthelightfiberandthetobemeasuredwavelengths,anotinsignificantamountoflightwillalreadybeabsorbedbyallfiberoptics.Theproportionisstrictlygovernedbytheirquality.

Inordertobeabletoutilizetheremaininglighttoanoptimumandobtainthebestsignaltolightlevelratio,mostrenownedspectrometermanufacturersareusingPhotomultipliersalsoreferredtoaselectronmultiplicationdevices.

PhotomultiplierR300fromHamamatsu

ForaPhotomultiplieritissimpleandnaturaltogeneratea106internallighttosignalamplification.

Duetothisuniquecapabilityaveryhighsignaltolightlevelratiocanbeobtained,thisinturnmeansfortheuserasuperiorandsignificantdetectionlimit（thelowestpossible,butalsoreliablemeasurement）.Forallelements,butinparticularfortheshortwavelengthandimportantonessuchascarbon.

Incomparisontothis,wehavethebysomeSpectrometermanufacturersrecentlyintroducedCCD-Detectors,theirpurposeofcourseisprimarilyaproductioncost-savingone.

TheseCCDsareamass-producedcheapindustrialdetectortypeandtheyaredesignedforverysimpleapplicationssuchaslightgatesandcashregisterbarcodereaders.Therefore,itisobviousthattheyaretotallyunsuitableforseriousspectroscopyapplications,butinparticularintheUVandshortervisibleareaofthespectrum.

CCDDetectorILX511fromSony

Inotherwords,thesedetectorsarebeingmorethenforcedwithalltricksandcompromisestoperformthistask.

OriginalmanufacturesspecificationsfortheCCDDetectorILX511

However,thosemanufacturersthatusethem,arepubliclypraisingthemasthemostprogressiveandmoderntechnologyavailable,yetquitethecontraryisthetruth.

Inaddition,thesemanufacturersarealsoreferringtothePhotomultiplierSpectrometersystemsasoldtube-typetechnology（likeanoldradio）,eventhoughtheyknowexactlythattoday'sPhotomultipliersrepresentthemostmodernhigh-techtechnology（thebestandmostexpensivelightdetectorsmoneycanbuy）andhavethereforenothingincommonwithatraditionalradiotubeotherthanmaybethequartzglassenvelope.WhythenaretheystillusingtheselightgateCCDsforthispurposeanyway?

Cost!

Anexample!

EquippingaSpectrometerforatypicalhighandlowalloyedsteelprogram,approx.8CCDsat€17,00apieceareneeded,total€136,00.TosetupthesameSpectrometerwithhigh-sensitivityPhotomultipliers,whereoneisrequiredforeachelementat€400,00apieceequals€6.800,00total.Therefore,themanufacturersavingsisapprox.€6.600,00.

YetthereareCCDsonthemarketthatarespecificallydesignedforEmissionspectroscopyandtoacertainextendareevenuseful.Buttheydonotcost€17,00apiece.TheirspecificdesignfortheUVandvisiblespectrumincludingtheimportantcoolingrequiredforallCCDs（ofcoursealsomissingwiththe€17,00types）,makesthemoutrageouslyexpensiveat€3.000each.

Inaddition,thecheapCCDsthatarebeingemployedhavenoinherentamplificationcapabilitiesandontopofthat,onlyanactivelightsensitiveareaofonly0,2mminheight.Thatmeans,thatthetobemeasuredelementspectrallinesnormally6mmhighand14wide,nowcanonlybeexposedtoanactivelightsensitiveareaof（inheight）0,2=200x14andalltherestofthatimportantoriginal6mmheightelementalspectrallineisnownecessarilywasted.

Afurthersignificantnegativefactoris,thattheseCCDsaretotallyblindintheanalyticalimportantUV-areaofthespectrumbelow350nm,butthenormallyrequiredrangeformobileSpectometersisfrom190–450nm.

Forthisreason,theyhavetobecoatedwithaveryshortlivedandalsoverythinorganicfluorescent-coating.ThiscoatingwillfluorescewithexposuretoUV-lightandthisfluorescenceisnowdoublethewavelengthandcanthereforebedetectedagainbytheseCCDs.

Sincethiscoatingisalreadynecessaryasof350nm,afurthersignificantlightlossofapprox.70%occurs.Thereasonis,thatawavelength-doublingisphysicallyalwaysassociatedwiththeappropriate%-energy=lightloss.

Thereareofcoursemanyadditionaldisadvantagesandtodetailthemallhere,wouldbyfarexceedthisframework.Inotherwords,ifoneaddsthemalltogetherit

issurelyastonishing,thattheseCCDsallowanykindofreasonableanalyticalmeasurementatall.

Naturefortunatelygivesusalinearrelationshipbetweenthegeneratedradiation-intensity（light）ofanelementanditsconcentrationinthesample,thusmakingspectroscopypossible.Forthisveryreason,itisofcoursehighlyimportantthatforthereliabledetectionoflowandverylowconcentrationsalightdetectorisrequired,thatallowsoptimumilluminationaswellassuperiorlightsensitivity,goodinternalamplificationcapabilities,longtermstabilityandanexcellentdynamicrange（allmissingwiththeseCCDs）.

Theabovearetheimportantandnecessarycapabilitiesthatwillinsure,thatanoptimummeasurementanddetectionlimitforallelementscanbeachievedinahighqualityandsuperior-classspectrometersystem.

WehavetabulatedforyouadirectcomparisonoftheimportantfactualdifferencesbetweenaPhotomultiplierandthetypeofCCDsemployedbythosemanufacturersthatusethem.

Inaddition,toproveourpointwehaveincluded2originalspectralsensitivity-curves.

OneisfromtheCCD-ManufacturerSony,whichclearlyshowstheCCDsinabilitytomeasureanythingbelowapprox.400nm.However,thenormallyrequiredmeasuringrangeforallmobileEmissionspectrometersisfromapprox.190–450nm.

Againyoucanseebeyondadoubt,thattheseCCDsaretotallyunsuitableforthisapplication,becausetherestfrom350downto190nmorapprox.60%,mustthereforebeaccomplishedbytheinefficientthinorganicfluorescent-coating.

Thesecondoneforcomparison,alsoanoriginalspectralsensitivityandlightefficiencycurvecopiedfromthePhotomultiplierManufacturersCatalogHamamatzu.Itisplottedoutofnecessityinlogarithmicform,sothattheextremelyhighinternalamplificationanddynamicrangecapabilitiescanclearlybeobserved.

ThetwothatarebeingusedinallBelecSpectrometersystemsaremarkedforyou,theyarethe500Sandthe500Utypes.

Andfinallyagraphicalandproportionatelyrealisticcomparisonbetweenthetwodetectorsystems,showingverydramaticallythemagnitudeofthesubstantialdifferenceintheindividualandtotalperformancecapabilities.

Forfurtherandmoredetailedfactualandobjectiveinformation,pleasecontactouragentorBelecHeadOfficedirectatwww.belec.de.

PhysicalDetectorFacts

AComparisonbetweenPhotomultipliersandCCDChips

ThestandarddesiredspectralmeasuringrangeforallEmissionspectrometersmobileandstationary

isfromapprox.110to500nanometers

Photomultiplier

CCD

Measuringrangewithoutcoatinghelp

110–600

400–700

Lightlossduetoorganic

fluorescencecoating

notnecessary