MCT (HgCdTe) LN2 Infrared Detectors for FTIR and Broadband IR Detection

Door een MCT-detector te koelen tot de temperatuur van vloeibare stikstof (~77 K) nemen de thermische ruis en donkere stroom drastisch af. Bij kamertemperatuur zou de HgCdTe-sensor aanzienlijke ruisstromen genereren die zwakke IR-signalen maskeren. Met LN₂-koeling werkt de detector in een achtergrondgelimiteerd regime, waardoor een veel hogere detectiviteit (D*) wordt bereikt en zeer zwakke infraroodsignalen kunnen worden gedetecteerd. Kortom, koeling met vloeibare stikstof ontsluit het volledige gevoeligheidspotentieel van het MCT-materiaal, veel verder dan mogelijk is bij omgevingstemperatuur of bij thermo-elektrisch gekoelde temperaturen.

De FTIR-serie verwijst naar MCT-detectoren die zijn geoptimaliseerd voor Fourier Transform Infrared (FTIR)-spectrometers en een uitgebreid spectraal bereik bestrijken (ongeveer 2 µm tot 22–24 µm). Deze detectoren hebben een langere afsnijgolflengte (tot ~24 µm) dan standaard MCT-detectoren van 2–5 µm of 2–13 µm. Daardoor kunnen ze het brede infraroodspectrum registreren dat in veel FTIR-toepassingen wordt gebruikt. Detectoren uit de FTIR-serie hebben doorgaans een iets lagere piek-D* (omdat detectie bij langere golflengten uitdagender en meer door ruis begrensd is), maar zijn ontworpen om optimale prestaties te leveren — hoge gevoeligheid en snelle respons — over het volledige midden- tot ver-infraroodbereik dat nodig is voor breedbandspectroscopie. Ze zijn bovendien voorzien van wigvensters (bijv. ZnSe of KRS-5) om interferentiefranjes over die brede spectrale band tot een minimum te beperken.

De keuze van de elementgrootte is een afweging tussen gevoeligheid, gezichtsveld en snelheid. Kleinere elementgroottes (bijv. 0,1 mm of 0,25 mm) hebben een hogere elektrische weerstand en een lagere detectorcapaciteit, wat doorgaans resulteert in een hogere D en responsiviteit (dus een betere gevoeligheid) en in snellere responstijden. Een zeer kleine detector vangt echter een kleinere optische spot of een kleiner gezichtsveld, wat betekent dat hij minder totale infraroodenergie verzamelt, tenzij uw invallende bundel sterk is gefocusseerd. Grotere elementgroottes* (bijv. 1 mm of 2 mm) kunnen meer licht van diffuse of grote bronnen opvangen en hebben een grotere acceptatiehoek, wat gunstig is als uw optische opstelling niet sterk is gefocusseerd. De keerzijde is dat grotere detectoren een lagere impedantie en een hogere apparaatcapaciteit hebben, waardoor hun detectiviteit iets lager is en hun respons trager kan zijn (hoewel nog steeds in het microsecondebereik). Samengevat: gebruik de kleinste detector die uw optische bundel nog comfortabel opvangt. Voor een gecollimeerde FTIR-bundel of een bundel met kleine spot kan een detector van 0,25 mm ideaal zijn voor maximale gevoeligheid, terwijl voor een divergente bron of een meting over een groot oppervlak een detector van 1 mm geschikter kan zijn.

Deze met LN₂ gekoelde MCT-detectoren zijn fotogeleidende componenten. In tegenstelling tot fotovoltaïsche (PV) detectoren, die onder belichting direct een spanning of stroom genereren, veranderen fotogeleidende MCT-detectoren hun elektrische geleidbaarheid als reactie op IR-licht en hebben ze tijdens gebruik een externe biasspanning nodig. In de praktijk wordt de detector geïntegreerd in een biascircuit en meestal aangesloten op een ruisarme transimpedantievoorversterker. Wanneer infraroodstraling de HgCdTe-sensor bereikt, neemt de geleidbaarheid toe, waardoor de stroomsterkte verandert (onder de aangelegde bias). De voorversterker zet deze kleine stroomverandering vervolgens om in een meetbaar spanningssignaal. Fotogeleidende detectoren leveren vaak een zeer hoge responsiviteit, maar vereisen wel deze bias-/voorversterkerconfiguratie. De fabrikant biedt speciale voorversterkermodules aan en raadt het gebruik daarvan aan om de beste prestaties uit de MCT-detector te halen.

De keuze van het venstermateriaal hangt af van het spectrale bereik van de detector, zodat een hoge transmissie binnen dat bereik gewaarborgd is. Standaard MCT-detectoren voor 2–5 µm gebruiken bijvoorbeeld een Sapphire-venster (met goede transparantie in het nabije tot midden-IR), terwijl detectoren voor 2–13 µm Zinc Selenide (ZnSe)-vensters gebruiken, die goed doorlaten tot ongeveer 14 µm. Detectoren uit de FTIR-serie voor de langste golflengten (tot 24 µm) gebruiken vaak KRS-5 (thalliumbromojodide)-vensters, omdat KRS-5 transparant blijft in het verre infrarood. Al deze vensters zijn licht wigvormig uitgevoerd (onder een kleine hoek, in plaats van met perfect parallelle vlakken). Die wigvorm is cruciaal om etalon-effecten te voorkomen – interferentiefranjes die ontstaan door meervoudige interne reflecties tussen twee vlakke, parallelle oppervlakken. Door een wigvormig venster te gebruiken, worden reflecties afgebogen en interfereren ze niet coherent met het inkomende signaal. Zo voorkomt u ongewenste spectrale rimpelingen of vervormingen van de basislijn bij gevoelige metingen.

De houdtijd bij één enkele LN₂-vulling hangt af van het ontwerp van de dewar. De standaarduitvoering van deze detectoren omvat dewars van 8 uur en 12 uur als gangbare opties (vaak aangeduid als MSL-8, MDL-8 voor 8 h en MSL-12, MDL-12 voor 12 h). Daarnaast zijn er grotere dewars beschikbaar, bijvoorbeeld met een houdtijd van 24 uur, voor toepassingen die continu gebruik gedurende de nacht vereisen zonder bijvullen. In een dewar van 8 h verdampt de vloeibare stikstof geleidelijk en warmt het systeem na ongeveer acht uur op. De detector moet dan worden bijgevuld of verliest daarna langzaam koelprestaties. De benamingen “side-looking” (MSL) en “down-looking” (MDL) verwijzen naar de oriëntatie van het infraroodvenster: side-looking dewars hebben het venster aan de zijkant van de cryostaat, wat handig is voor horizontale optische paden, terwijl down-looking dewars het venster bovenaan hebben (de detector kijkt omhoog door het bovenste venster), wat praktisch kan zijn voor opstellingen op een werkbank of naar boven gerichte configuraties. Door de juiste dewar te kiezen (8 h, 12 h of 24 h en side- of down-looking) kunt u de detectorbehuizing afstemmen op de fysieke opstelling van uw experiment en de vereiste duur van continu gebruik. Houd er wel rekening mee dat bij echt langdurig 24/7-gebruik zonder tussenkomst van een gebruiker een alternatieve koelmethodiek, zoals een geïntegreerde Stirling-koeler, aan te raden kan zijn. Voor de meeste laboratoriumopstellingen zijn LN₂-dewars echter een praktische en kosteneffectieve oplossing.

Ja. Een van de voordelen van MCT (HgCdTe)-technologie is dat de bandgap – en daarmee de afsnijgolflengte van de detector – kan worden afgestemd door de legeringssamenstelling van kwik, cadmium en telluride aan te passen. De standaarddetectoren dekken gangbare bereiken af (afsnijpunten bij 5 µm, 13 µm, 16 µm, 22 µm enzovoort), maar als uw toepassing een andere afsnijgolflengte vereist – bijvoorbeeld een piekgevoeligheid rond 10 µm of een afsnijpunt bij 18 µm – kan de fabrikant MCT-detectoren op maat produceren die aan die specificaties voldoen. Bij maatwerkorders kunnen het gewenste golflengtebereik of de piek-λ_p worden vastgelegd, waarna het materiaal daarop wordt ontworpen. Ook de behuizing kan worden aangepast, bijvoorbeeld als u een ander venstermateriaal, een specifieke dewarvorm of integratie in een cryokoeler van een andere fabrikant nodig hebt. Houd er rekening mee dat maatwerkdetectoren langere levertijden en bepaalde minimale bestelhoeveelheden kunnen hebben, maar het is zeker mogelijk om een MCT-detector te verkrijgen die exact is afgestemd op uw spectrale en mechanische eisen.

Met LN₂ gekoelde MCT-detectoren worden gebruikt wanneer extreem gevoelige IR-detectie nodig is in het midden- tot verre-infraroodgebied. Een klassieke toepassing is in FTIR-spectrometers (Fourier Transform Infrared), waar een MCT-detector de signaal-ruisverhouding aanzienlijk kan verbeteren en hoge scansnelheden mogelijk maakt in het bereik van 2–16 µm, bijvoorbeeld in de analytische chemie of voor materiaalidentificatie. Ze worden ook ingezet in infraroodmicroscopie en beeldvormingsopstellingen (als puntdetectoren voor scannende microscopen), in gasanalyse-instrumenten (om absorptiekenmerken van gassen in het midden-IR te detecteren) en bij metingen van thermische emissie van materialen (bijvoorbeeld voor het karakteriseren van de infraroodemissiviteit/-reflectiviteit van oppervlakken). Wetenschappers en ingenieurs in onder meer milieumonitoring, defensie (analyse van IR-signaturen) en halfgeleideronderzoek gebruiken deze detectoren voor breedbandige IR-spectroscopie en radiometrie. In elke situatie waarin u zeer zwakke IR-signalen of zeer kleine veranderingen in infraroodintensiteit moet meten – zoals bij sporengasspectroscopie, detectie van verontreinigingen in lage concentraties of onderzoek naar zwakke thermische straling – is een met LN₂ gekoelde MCT-detector vaak de voorkeursoplossing dankzij zijn superieure gevoeligheid.