Высокочувствительный компактный спектрометр Модель SC125

  • Описание
  • Спецификация
  • Калибровка чувствительности
  • Калькулятор диапазона и разрешения

Особенности:

  • Актуальная модель на базе высокочувствительных матричных детекторов
  • Усиленная чувствительность в УФ области спектра
  • Монолитный корпус обеспечивает стабильность параметров
  • Световые «ловушки» в корпусе снижают рассеянный свет
  • Выбор дифракционной решетки, спектрального диапазона и разрешения при заказе прибора

Компактный высокочувствительный спектрометр SC125 разработан специально для применений, предполагающих работу со слабыми сигналами – рамановское рассеяние, флуоресценция и др., в особенности для задач, требующих высокой чувствительности в УФ-диапазоне спектра. Повышение чувствительности достигается в приборе за счет использования современных матричных back-illuminated (back-thinned) детекторов серий S10420 и S7030.

Cветосильная оптическая схема SC125 не содержит движущихся элементов и имеет минимум отражающих поверхностей. Корпус SC125 является монолитным и обеспечивает долговременную стабильность параметров. В корпусе выполнены ребра - световые ловушки, позволяющие снизить рассеянный свет, который обычно является проблемой компактных короткофокусных приборов.

В качестве детектора SC125 может содержать одну из двух неохлаждаемых CCD-матриц Hamamatsu с освещением с обратной стороны подложки без секции хранения заряда (back-thinned FFT CCD), работающих в режиме суммирования строк. Обе матрицы имеют широкий спектральный диапазон и превосходную чувствительность в УФ области спектра (см. ниже кривые спектральной чувствительности детекторов и Спецификацию). Различие между 2-мя матрицами - в квантовой эффективности, в скорости чтения данных, в величине динамического диапазона, а также в размере пикселя и размере светочувствительной зоны.

CCD детектор S10420-1106 имеет антиблюминг и, благодаря большому числу узких пикселей, обеспечивает лучшее спектральное разрешение, чем детектор S7030-1006. Детектор на базе CCD матрицы S7030-1006 имеет лучшую чувствительность (см. ниже графики чувствительности), меньший шум, лучше динамический диапазон и равномерность чувствительности. Версия IMAGING (Опция) предполагает установку в спектрометре компенсатора астигматизма - цилиндрической линзы, которая служит для повышения общей чувствительности системы.

Спектральная кривая чувствительности детектора back-thinned CCD модели S10420-1106

Спектральная кривая чувствительности детектора back-thinned FFT-CCD модели S7030-1006 в сравнении с front-illuminated CCD c УФ-покрытием и без него

МОДЕЛЬ СПЕКТРОМЕТРА SC125- S10420 SC125- S7030
Спектральный диапазон, нм 200–1100
Фокусное расстояние, мм 125
Относительное отверстие 1 : 3,9
Входная щель (одна из ряда) фиксированной ширины: 14мкм, 30мкм и 50 мкм
Спектральное разрешение зависит от выбранной дифракционной решетки (см. ниже таблицу «Рекомендации по выбору дифракционной решетки»)
Модель ПЗС-детектора S10420-1106 S7030-1006
Количество пикселей 2068 x 70 1024 x 64
Количество активных пикселей 2048 x 64 1024 x 58
Размер пикселя, мкм 14 x 14 24 x 24
Размер светочувствительной зоны, мм 28,672 x 0,896 24,6 x 1,4
Максимум спектральной чувствительности, нм 500 650
Квантовая эффективность в максимуме >75 % >90 %
Неравномерность чувствительности 1) ±10 % ±3 %
Антиблюминг 2) есть нет
АЦП 16 бит, 250кГц 16 бит, 125кГц
Среднеквадратичный шум чтения, отсчетов АЦП < 12 < 7
Динамический диапазон ~ 8000 : 1 ~15 000 : 1
Время экспозиции 8,3мс - 3с 3) 8,2мс - 2с 3)
Время обработки кадра в режиме суммирования строк, мсек 9,39 9,12
Термоэлектрическое охлаждение нет
Рабочая температура, °С 10–30
Интерфейс связи с компьютером Full Speed USB
Синхронизация IN/OUT
Оптический вход Волокно оптическое кварцевое диам.0,6мм (опция 0,4мм), длина 1м, разъем SMA-905
Размеры, мм 158 x 182 x 74
Вес, кг 2,2

1) Уровень сигнала - 50% от насыщения.

2) Антиблюминг – свойство датчика, исключающее перетекание зарядов из пересвеченных пикселей в соседние.

3) Максимальным временем накопления считается время, при котором темновой сигнал составляет 10% динамического диапазона при температуре окружающей среды +25°С.

Рекомендации по выбору дифракционной решетки

При размещении заказа Вам нужно выбрать число штрихов дифракционной решетки (т.е. спектральное разрешение), а также спектральный диапазон работы Вашего прибора. Для Вашего удобства ниже приведена таблица средних значений дисперсии решеток, спектрального разрешения и интервала одновременной регистрации ПЗС-детектора.

Дифракционные решетки, штр\мм 1800 1200 900 600 400 300 200
- возможный спектральный диапазон работы решетки, нм 180-600 180-900 180-1100 180-1100 190-1100 200-1100 200-1100
- интервал одновременной регистрации ПЗС-детектора (средн.значение), нм 1) 1052) 923) 1702) 145 3) 2302) 200 3) 3502) 3003) 5402) 4603) 7202) 6203) 10002) 9203)
- обратная линейная дисперсия (средн.значение), нм/мм 1) 3,8 6,0 8,2 12,5 19,0 25,4 38,0
- спектральное разрешение (средн.значение), нм 0,162) 0,223) 0,252) 0,363) 0,342) 0,53) 0,52) 0,753) 0,82) 1,13) 1,02) 1,53) 1,62) 2,33)

1) Для длины волны 300нм.

2) Для модели SC125-S10420.

3) Для модели SC125-S7030.

ПРИМЕР: Допустим, Вас интересует решетка 1200штр/мм и детектор S10420-1106 (среднее спектральное разрешение 0,25нм), Вам остается выбрать местоположение интервала одновременной регистрации 170нм в пределах возможного спектрального диапазона решетки 180-900нм. Например: спектрометр SC125-S10420, работающий в диапазоне 250-420нм с разрешением 0,25нм.

Указанные в таблице величины рассчитаны для длины волны 300нм. С увеличением длины волны диапазон одновременной регистрации конкретной решетки немного уменьшается, а разрешение, соответственно, улучшается. Обратитесь к специалисту СОЛАР ЛС для более точного расчета параметров Вашего прибора.

Спектральная кривая чувствительности детектора back-thinned CCD модели S10420-1106

Спектральная кривая чувствительности детектора back-thinned FFT-CCD модели S7030-1006 в сравнении с front-illuminated CCD c УФ-покрытием и без него

Калибровка чувствительности

По Вашему желанию спектрометр SC125 может быть снабжен опцией калибровки спектральной чувствительности.

Спектральные диапазоны калибровки:

  • Cal-UV: в пределах 220-400нм.
  • Cal-VIS: в пределах 300-1050нм.

Для калибровки используются сертифицированные источники излучения (дейтериевая лампа для области спектра 220-400нм и галогенная лампа для 300-1050нм). Калибровка осуществляется с использованием волоконного ввода и действительна в течение 1 года при условии, что оптическое волокно не отсоединяется от спектрометра. Точность калибровки составляет +/-10%.

Какие возможности дает калибровка спектральной чувствительности

Если раньше на истинный спектр Вашего источника при измерениях накладывались спектральные кривые дифракционной эффективности решетки, чувствительности детектора, коэффициента отражения зеркал, то теперь у Вас есть возможность восстановить истинные спектры исследуемого излучения. Вы будете иметь возможность:

  • регистрировать неискаженные спектры излучения,
  • математически разлагать сложные линии спектра на составляющие компоненты *,
  • определять цветовые координаты и индекс цветопередачи источников излучения*,
  • определять плотность мощности излучения в ультрафиолетовых диапазонах A, B, и C*,
  • в абсолютных единицах определять поверхностную плотность спектральной плотности мощности излучения или освещенности для видимой области спектра*.

* возможности, отмеченные звездочкой, не заложены в программное обеспечение спектрометра, а реализуются за счет экспорта во внешние программы.

Как работает калибровка спектральной чувствительности

На рис.1 приведены спектры, зарегистрированные спектрометрами SC125 с CCD детекторами TCD1304 Toshiba (14 бит) и S10420-1106 Hamamatsu (16 бит), а также исходный спектр излучения дейтериевой калибровочной лампы в спектральном диапазоне 220-400нм. Из рисунка видно, что, при прочих равных условиях, детектор S10420-1106 показывает большую интенсивность, чем TCD1304, и отсутствие модуляций интенсивности, способных внести дополнительные искажения в калибровку чувствительности. Кроме того, детектор S10420-1106 имеет более широкий динамический диапазон (за счет использования АЦП большей разрядности и за счет низких шумов).

Рис. 1. Спектр излучения калибровочной лампы (черный) и ее спектры при регистрации спектрометром SC125 с детекторами TCD1304 (синий) и S10420-1106 (красный)

Рис. 2. Спектр калибровочного коэффициента спектрометра SC125-S10420

На рис.2 представлена спектральная зависимость коэффициента калибровки спектральной чувствительности спектрометра SC125-S10420 в диапазоне 220-400нм. Увеличение калибровочного коэффициента с уменьшением длины волны обусловлено уменьшением чувствительности детектора и коэффициента отражения зеркал, а также увеличением энергии фотона. Умножив зарегистрированный при измерениях спектр Вашего источника на спектр калибровочного коэффициента (производится автоматически программным обеспечением), Вы получите истинный неискаженный спектр.

Зависимость сигнала, зарегистрированного спектрометром SC125-S10420, от интенсивности сигнала калибровочного источника (рис.3) демонстрирует замечательную линейность детектора S10420 (в отличие от TCD1304, который показывает значительные нелинейности на краях своего динамического диапазона, т.е. при высоких и низких значениях сигнала). Хорошая линейность детектора дает возможность откалибровать чувствительность спектрометра для одного времени экспозиции, а затем использовать эту калибровку для других времен экспозиций.

Рис. 3. Зависимость коэффициента калибровки спектральной чувствительности спектрометра SC125-S10420 от времени экспозиции

Детектор на базе матрицы S7030-1006 Hamamatsu имеет преимущества, аналогичные детектору S10420-1106. В силу перечисленных свойств оба детектора рекомендуются нами для использования в спектральных приборах с калибровкой чувствительности.

Перспективы

С середины 2014 года планируется проведение калибровок чувствительности спектральных приборов в ультрафиолетовом и видимом диапазоне спектра с выдачей сертификата о калибровке, который будет признаваться на территории СНГ и Европы. Калибровка будет осуществляться на базе аккредитованной калибровочной лаборатории Института физики НАН Беларуси с привязкой к национальным эталонам Беларуси, России и Германии. Точность калибровки будет зависеть от выбранного спектрального диапазона.

Для сертифицированных спектральных приборов ввод излучения в спектральный прибор будет осуществляться через оптическую интегрирующую сферу (схема показана на рис.4), что является наиболее правильным подходом с точки зрения минимизации ошибок измерений. Необходимо отметить, что при этом чувствительность спектрального прибора значительно понижается (в 102-104 раз).

Рис. 4. Схема сертифицированного спектрометра с калибровкой спектральной чувствительности

Для расчёта рабочего спектрального диапазона и разрешения выберите дифракционную решётку, тип детектора и ширину щели. Затем выберите местоположение интервала одновременной регистрации в пределах возможного спектрального диапазона дифракционной решетки.

Дифракционная решётка
Выбор решётки с большим количеством штрихов приведёт к лучшему разрешению и более узкому одновременно регистрируемому интервалу. Блеск решётки влияет на её эффективность и согласуется с производителем на этапе заказа спектрометра
Выберите тип детектора/ширину пиксела
Выбор детектора влияет на спектральное разрешение спектрометра
Выберите ширину входной щели
Выбор ширины входной щели влияет на спектральное разрешение спектрометра
С компенсацией астигматизма
Выберите местоположение интервала одновременной регистрации в пределах возможного спектрального диапазона дифракционной решетки. Передвигайте левый и правый ползунки для выбора стартовой или конечной длины волны (или передвигайте диапазон целиком) с помощью левой клавиши мыши. Положение рабочего диапазона ограничено типом выбранной дифракционной решётки.