檢出器的選擇: APD 與 PMT

前言

延前篇所述,雷射粒徑分析儀最重要的兩個部位就是『光源』與『檢出器』。 前篇已解釋過光源種類差異,此篇會簡單闡述檢出器的差異。  

檢出器種類

檢出器種類主要分為早期的PMT與近期的APD兩種,兩種檢出器皆是透過放大特定的光訊號,以達到增強訊號的目的,量測微弱光訊號的作用。 以大塚電子粒徑分析儀系列為例,檢出器種類也可簡單分類成兩種階段。 大約在2000年前期以前的機型主要是以PMT為主,其中PMT世代最後的ELS-Z系列又分成一般感度與高感度兩種。進入ELSZ-1000系列以後,檢出器全面改成APD,有效縮短取樣間隔時間,進而縮短量測時間。下面將簡述兩種檢出器的基本原理與差異。  

PMT(Photomultipliers)

PMT又稱光電子倍增管,將光子訊號在真空管內藉由光子彈性碰撞放大,將放大的電子訊號在陰極做接收放出在陽極作訊號放大。因為是二次放大的訊號,在偏紫外光藍光波段有較好的靈敏度。另外因為是多次放大的關係,雜訊比也會比較高。量子轉換效率隨波長不同,大多有10~100左右。 *PMT示意圖  

APD (Avalanche photodiodes)

APD(Avalanche photodiodes)稱為雪崩式二極體或累崩光電二極體,一般使用矽或鍺等等半導體材料(隨想偵測的光種類變更)作為光電二極管的P-N結加上反向電壓,射入的光會在P-N結吸收累積後產生光電流。累積能量後利用電離碰撞(雪崩擊穿)後,在APD裡進行訊號放大。特別適用於單一光子的檢測,比傳統PMT有更加的量子轉換效率(一般而言都有10的2次方以上)。不同的參雜技術,允許更高的電壓(>1500V)不至擊穿下,甚至能得到更大的放大倍率(>1000)。 *APD示意圖  

結語

APD相較於PMT,因為原理不同,APD的量子轉換效率較高,尤其是在紅光區域。 量子轉換效率APD約100~1000倍以上,PMT約10~100倍。 且APD接收面積較小,較不容易收到雜訊光源有更好的信噪比。 跟前一篇光源比較類似,氣態雷射與PMT都是屬於較早期的技術。 隨著半導體工藝演進,分別逐漸被半導體雷射及APD所取代。其兩者也都具備體積小,硬體能力較佳等特點,特別因為技術逐漸純熟的關係,製造成本也逐漸下降而被廣泛使用在各種光學儀器中。