رمز خود را فراموش کرده اید ؟

بررسی خنک‌سازی آشکارساز در کاهش نویزها و افزایش حساسیت اندازه‌گیری

  توصیف کاربرد  

·         کلید‌واژه‌ها: نویز، طیف‌سنج، خنک‌سازی، حساسیت

·         تکنیک مورد استفاده:

o        طیف‌سنجی جذبی-عبوری- بازتابی

o         طیف‌سنجی رامان

 

شرح موضوع: اثر سرد کردن آشکارساز در اسپکتروسکوپی

دلیل اصلی خنک کردن آشکارساز در یک اسپکترومتر کم کردن جریان تاریک (Dark Current) است که این به نوبه خود منجر به :

                •  کاهش نویز تاریک آشکار ساز (Dark Noise)

                •  افزایش گستره‌ی دینامیکی تشخیص (Dynamic Range)

خواهد شد. مشکل از آنجایی شروع می‌شود که در یک آزمایش ممکن است سیگنال مورد نظر ما ضعیف باشد. یک راه‌حل سریع و مطمئن افزایش زمان آزمایش طیف‌گیری است، در این روش در بازه‌های زمانی مشخص، سیگنال‌های متوالی از نمونه دریافت شده و باهم جمع می‌شوند تا یک سیگنال با شدت مناسب را بدست دهند. اما با افزایش زمان طیف‌گیری، نویز‌ها نیز باهم جمع می‌شوند و سیگنال را تحت تاثیر قرار می‌دهند. کاهش دما برای کاهش نویز یک مزیت است که در این نوع از آزمایش‌ها نمود پیدا می‌کند. اگر به عنوان مثال محیط آزمایش در دمای اتاق باشد و زمان اندازه‌گیری در حدود ۱۰۰ میلی‌ثانیه باشد. استفاده از آشکارساز‌های خنک‌سازی شده، نتایج را بهبود قابل توجهی خواهد داد.

چنانچه زمان اندازه‌گیری در آزمایش طیف‌سنجی به یک ثانیه برسد خنک‌سازی تا دمای صفر درجه سانتیگراد، جهت کنترل نویزهای تاریک یک نیاز مبرم است. خنک سازی زیر دمای صفر درجه سانتی‌گراد کاهش چشم‌گیر در نویز‌های تاریک را در پی دارد و می‌توان زمان اندازه‌گیری آزمایش را تا چندین ثانیه نیز افزایش داد. در نسخه‌های تجاری جهت انجام تست‌های دقیق دما تا ۱۰- درجه نیز پایین آورده می‌شود، اما هزینه ادوات مرتبط نیز افزایش قابل توجهی خواهد داشت.

سیستم کاهش دما در اسپکترومترهای شرکت تکسان که جهت کاربردهای حساس طراحی و ساخته شده‌اند تعبیه شده است. اگرچه این کلاس از سیستم‌ها مزیت افزایش شدت سیگنال‌های ضعیف را همراه خود دارند. اما این مزیت منجر به افزایش قیمت این دسته از اسپکترومترها نیز خواهد شد. لذا به کاربران توصیه می‌گردد تا با شناخت درست از ماهیت کاربرد‌های خود اقدام به خرید این دسته از سیستم‌های طیف‌سنجی نمایند. در این مقاله سعی میکنیم تا تصویر روشنی از گلوگاه‌هایی ارائه کنیم که خنک‌سازی آشکارساز، حیاتی است تا ازاین طریق کاربران بتوانند با دید روشنی محصول مورد نظر خود را انتخاب کنند.

 در این مقاله ما وابستگی جریان تاریک و نویزهای تاریک ناشی از این جریان را با دما بررسی خواهیم کرد. آشکارسازی که ما قصد بررسی آن‌را داریم Hamamatsu S7031-1007S که با یک مدار الکترونیکی AD خوانده می‌شود. (مدار ۱۶بیتی است). این سیستم را به عنوان آشکارساز در یک اسپکترومتر تعبیه می‌کنیم. وقتی دریچه ورودی اسپکترومتر بسته باشد، نویزهای آشکارسازی شده را می‌توان تنها ناشی از خود آشکارساز و الکترونیک مورد استفاده در نظر گرفت.

سیستم آشکارساز CCD یک سیستم جمع کننده است که در بازه‌ی زمانی تعیین شده توسط کاربر سیگنال‌های دریافت شده را با یکدیگر جمع می‌کند و در غالب یک سیگنال تحویل می‌دهد. هرچه مدت زمان اندازه گیری بالاتر برود سیگنال نیز افزایش خواهد داشت. نکته مهم که در اینجا باید بدان توجه شود این است که افزایش سیگنال تنها در نتیجه جمع‌آوری سیگنال اپتیکی نیست، بلکه در فرآیند جمع آوری سیگنال مقدار قابل توجهی از جریان تاریک و نویزهای تاریک نیز در سیستم جمع‌آوری خواهند شد.

سیگنال سطح تاریک  (Dark Level)

شاید تصور کنید اگر به یک آشکارساز هیچ نوری نرسد سطح سیگنال دریافت شده از آن صفر است. در واقع این‌گونه نیست و اگر آشکارساز در یک محیط کاملا تاریک نیز قرار بگیرد، بازهم یک سیگنال وجود خواهد داشت که بدان باتوجه به شرایط توصیف شده سیگنال سطح تاریک (Dark level) گفته می‌شود و نباید این‌را با نویز تاریک اشتباه گرفت (در مورد نویز تاریک در قسمت بعد توضیح داده خواهد شد.) سیگنال سطح تاریک می‌تواند به ازای هر پیکسل تفاوت داشته باشد. همچنین این سیگنال وابسته به زمان طیف‌گیری و الکترونیکی که در حال خوانش CCD است، می‌باشد.دلیل وابستگی به مدار خوانش الکترونیکی پروسه تبدیل سیگنال آنالوگ به دیجیتال است که آن نیز در این فرآیند نقش دارد. بنابراین پس از خرید یک آشکارساز با مشخصات معین، اینکه بتوان از ابتدا سیگنال سطح تاریک را حدس زد امکان پذیر نمی‌باشد.

پارامترهایی که در تشکیل سیگنال سطح تاریک موثر هستند عبارت اند از:

·         بایاس اولیه (Offset)

این میزان سیگنال که در فرآیند تبدیل آنالوگ به دیجیتال برای آشکارساز تعریف می‌گردد و خط زمینه (‌Baseline) نیز نامیده می‌شود برای جلوگیری از بوجود آمدن مقادیر منفی در تبدیل سیگنال آنالوگ به دیجیتال است. این سیگنال ثابت و از زمان اندازه‌گیری و دما مستقل است و توسط خود ما برای سیستم معرفی می‌گردد. اگر زمان اندازه‌گیری کوچک باشد، offset بیشترین میزان از سیگنال سطح تاریک را به خود اختصاص خواهد داد.

·         جریان تاریک (Dark Current)

سیگنال جریان تاریک از انرژی گرمایی که باعث ایجاد الکترون و حفره در آشکارساز می‌شود، ناشی می‌گردد. هنگامی ما یک سیگنال واقعی در آشکارساز نوری خواهیم داشت که فوتون به نیم‌رسانا برخورد نموده و الکترون‌هایی را تحریک نماید. اما گاهی نیز الکترون‌ها بر اثر حرارت محیط برانگیخته شده و ایجاد جریان در آشکارساز می‌کنند. این جریان به عنوان جریان تاریک شناخته می‌شود و شدیدا به دمای آشکارساز وابسته است.

 این وابستگی به شکل است. که در این رابطه K ثابت بولتزمن است. سیگنال جریان تاریک با افزایش زمان اندازه‌گیری، افزایش محسوسی می‌یابد. لذا در آزمایش‌هایی که باید مدت زمان طیف‌گیری بنا به دلایلی طولانی باشد، به عنوان یک عامل دردسرساز ظاهر خواهد شد. در شکل زیر آشکارساز در یک محیط کاملاً تاریک قرار قرا گرفته است و هیچ فوتونی بدان برخورد نمی‌کند. در زمان‌های ابتدایی (۵۰میلی‌ثانیه ابتدایی) تنها مقدار خط‌زمینه (Baseline) غالب است. اما با گذشت زمان همانگونه که مشاهده می‌کنید جریان تاریک در سیگنال خروجی آشکارساز غلبه پیدا خواهد کرد.

 

شکل  1 نمودار تغییرات جریان تاریک بر حسب زمان

 

سیگنال سطح تاریک برای آشکارساز مدل S7031 در شکل۲ نشان داده شده است. برای رسم این نمودارها ۱۰۰ اندازه‌گیری با دماهایی بین ۱۰- درجه سانتی‌گراد تا ۲۰ درجه سانتی‌گراد انجام شده است. این اندازه‌گیری نشان می‌دهد که سیگنال سطح تاریک (Dark Current) تا نزدیکی زمان ۵۰میلی‌ثانیه برای همه دماها برابر با میزان offset است. در زمان‌های کمی بالاتر جریان تاریک به سرعت روند افزایشی به خود میگیرد. و اکنون می‌توان اثر سردسازی را بهتر مشاهده نمود.

شکل  2 تغییرات سیگنال جریان تاریک (Dark Current ) با زمان


همانطور که مشاهده می‌کنید در دمای ۲۰ درجه سانتی‌گراد در زمان در حدود ۵ ثانیه آشکارساز بوسیله‌ی سیگنال جریان تاریک اشباع شده است و در این شرایط آشکارساز کور شده است و توانایی آشکارسازی خود را برای سایر سیگنال‌های اپتیکی از دست خواهد داد. در منحنی‌های دیگر که عمل سرد سازی (نمودار دماهای ۱۰- درجه سانتی‌گراد و صفر درجه سانتی‌گراد) انجام شده است می‌توان مشاهده نمود که سطح سیگنال جریان تاریک تا میزان قابل توجهی کاهش یافته و از این رو میتوان اندازه‌گیری را انجام داد
.

نویز تاریک  (Dark Noise)

 

نویز تاریک عبارت است از نوسانات تصادفی سیگنال سطح تاریک (Dark Level) در هر پیکسل آشکارساز که به طور استاندارد می‌توان انحراف از معیار چندین اندازه‌گیری را به عنوان کمیت قابل اندازه‌گیری این نویز در نظر گرفت. به طور کلی می‌توان منشأ نویزهای خروجی در آشکارساز را این‌گونه بیان نمود:

 

که ترم دوم سمت راست نویز سوار بر سیگنال اپتیکی ورودی و ترم سوم نویز ناشی از خوانش و تبدیل سیگنال آنالوگ به دیجیتال است. زمانی که به آشکارساز نوری نمی‌رسد می‌توان نویز سیگنال را نادیده گرفت. برای یافتن رفتار نویزها در اثر سردسازی همانند پروتکل مرحله قبل ۱۰۰ آزمایش در یک بازه دمایی انجام می‌گیرد. و میزان نویز برای پیکسل‌ها ثبت خواهد شد. در نمودار شکل ۳ زیر رفتار نویزها نشان داده‌شده است. 

همانطور که مشاهده می‌کنید در زمان‌های تا ۱۰ میلی‌ثانیه سردسازی اثر مشهودی ندارد. اما برای زمان‌های بالاتر، یک کاهش شدید برای نویز با کاهش دما وجود خواهد داشت.

شکل  3 کاهش نویز با کاهش دما با افزایش زمان اندازه‌گیری

 

برای منابعی که برای نویزها معرفی شد یک نویز دیگر نیز وجود دارد که شکل ثابتی را به خود می‌گیرد. این نویز ناشی از تغییرات پیکسل به پیکسل در شدت لحظه‌ای است، و با زمان ثابت است. برای آشکارساز‌های CMOS این نویز قابل توجه‌تر است، زیرا در این نوع آشکارسازها هر پیکسل تقویت کننده جداگانه خود را دارد و تغییرات کوچک منجر به ایجاد یک طرح ثابت نویزی می‌گردد. اما چون این طرح نویز با زمان ثابت است، در گروه نویزهای مطرح شده ما قرار نمی‌گیرد.

بازه دینامیکی (Dynamic Range)

تاثیر نویزهای تاریک و اثر دما بر این نویزها بر بازه دینامیکی آشکارساز نیز اثر خواهد گذاشت. بازه دینامیکی برای یک آشکارساز مطابق تعریف اینگونه است: (آشکارساز 16bit AD)

 تغییرات بازه دینامیکی بر حسب زمان اندازه‌گیری در دماهای متفاوت در نمودار شکل ۴ آورده شده است:

 

شکل  4 تغییرات بازه دینامیکی (Dynamic Range) با زمان در دماهای متفاوت

 

به راحتی قابل مشاهده است که در زمان اندازه‌گیری نزدیک به یک ثانیه، بازه دینامیکی آشکارساز می‌تواند در نتیجه سرد سازی تا دو برابر افزایش پیدا کند. و این به نوبه خود منجر به کاربردهای عملیاتی فراوانی خواهد شد.

 

نتیجه‌گیری

میکروسکوپ رامان یک ابزار آنالیز جامع پوشش‌ها با  قابلیت‌های زیر است:

 

میکروسکوپ رامان آپوس تکسان را می­توان به سادگی برای مطالعه رنگ­ها و پوشش­ها استفاده کرد

آپوس یک ابزار ایده­آل برای مطالعه پوشش­هاست.

§         میکروسکوپ رامان تحقیقاتی

§         حساسیت بالا برای تشخیص مقادیر کم مواد

§         طیفی از نقشه برداری­های سریع که می­تواند سطوح منحنی، ناهموار و زبر را نشان دهد.

§         رزولوشن فضایی بالا برای بررسی دقیق جزئیات کوچک

§         پایگاه داده­های طیفی پلیمر و مواد معدنی ( وغیره) موجود است.

نتایج می­تواند با ماتریس­هایی، مانند برآورد کسری و آمار ذرات اندازه گیری شود.

بالا