WO2014023423A1 - Silizium-photomultiplier und damit versehenes optisches emissionsspektrometer - Google Patents

Silizium-photomultiplier und damit versehenes optisches emissionsspektrometer Download PDF

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WO2014023423A1
WO2014023423A1 PCT/EP2013/002355 EP2013002355W WO2014023423A1 WO 2014023423 A1 WO2014023423 A1 WO 2014023423A1 EP 2013002355 W EP2013002355 W EP 2013002355W WO 2014023423 A1 WO2014023423 A1 WO 2014023423A1
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WO
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apd
silicon
photomultipliers
emission spectrometer
silicon photomultiplier
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PCT/EP2013/002355
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English (en)
French (fr)
Inventor
Ulrich Heynen
Wolfram Bohle
Original Assignee
Spectro Analytical Instruments Gmbh &
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Publication date
Application filed by Spectro Analytical Instruments Gmbh & filed Critical Spectro Analytical Instruments Gmbh &
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/28—Investigating the spectrum
    • G01J3/2803—Investigating the spectrum using photoelectric array detector
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/28—Investigating the spectrum
    • G01J3/443—Emission spectrometry

Definitions

  • the present invention relates to a silicon photomultiplier having the features of the preamble of claim 1 and an optical
  • the optical emission spectroscopy is used to study materials based on the specific wavelengths in the optical range (infrared range, visible range and ultraviolet range).
  • the optical emission is stimulated by different excitation sources, which excite the electron shells of the atoms to be examined.
  • the resulting characteristic radiation in the optical range is fanned out via an entrance slit and a dispersive element, for example a grating or a prism, into a spectrum in which the individual wavelengths are contained as lines.
  • the resulting spectrum is called a line spectrum.
  • the individual lines are usually selected with exit slits for optical detectors. Currently photomultipliers and CCD arrays are used as detectors.
  • a spectrometer that includes both spatially resolved CCD sensors for the detection of closely spaced lines as well
  • Detector arrangement with CCD array known which has linear arrays of Si semiconductor elements in which charges are multiplied by means of the avalanche effect.
  • the linear array is itself light-insensitive and serves only to increase the charge.
  • the CCD arrays have the advantage that they are very compact and therefore can detect many closely adjacent lines. For this purpose, it is not absolutely necessary to provide an exit slit in front of the detector.
  • the temporal resolution of CCD arrays is limited, so that the time course of an optical emission of a particular wavelength can not be recorded with great accuracy in terms of temporal resolution.
  • this is helpful in some cases when a pulsed excitation source is used and a line is used only in a certain period of time or
  • Time window of their emission duration is to be determined. It may also be appropriate to use with closely spaced lines
  • the two desired time windows can also partially overlap.
  • the photomultipliers themselves have no spatial resolution or spatial resolution that would be on the order of the width of the exit slits. Photomultipliers capture only all of the light that strikes the photocathode and produce a corresponding electrical signal.
  • the advantage of photomultipliers is the high temporal resolution with which the time windows of line emissions described above can be detected.
  • photomultipliers are capable of producing single photons
  • SiPM silicon photomultipliers
  • HAMAMATSU Photonics k.k. (Japan) under the name “multi-pixel photon counter.”
  • These silicon photomultipliers have as an active detector element a square array of a plurality (10x10 to 120x120) of avalanche photodiodes (abbreviated APD) whose
  • US Pat. No. 7,928,400 Bl discloses an X-ray APD detector in which the APD arrray is also present only for improving the integral radiation detection.
  • the APD arrays described above are intended as an alternative to conventional photomultipliers, since their design is more compact, no high voltage is required and, above all, insensitivity to external magnetic fields exists. These properties make silicon photomultipliers suitable for some applications in which photomultipliers of conventional design can not be used. Designs are also offered as four-channel photomultipliers, in which four square sensor elements with an area of lxl mm 2 each are arranged in a column or row. With a sensitive area of about lxl mm 2 to 3 x 3 mm 2 , these silicon photomultipliers are not suitable, the conventional
  • Photomultiplier in optical emission spectrometry since the height of the exit slit associated with a photomultiplier is about 10 mm and the silicon photomultiplier therefore can absorb the amount of light present at the exit slit only to a small extent.
  • Photon yield is used. It is a further object of the present invention to provide an optical emission spectrometer which is both spatially resolving on the size scale of the gap width of the exit slit and time-resolved in the area which is required for an accurate setting of time windows in the emission measurement
  • Wavelengths is decisive, so for example times of 1 to 100 ns.
  • a novel and improved method for the analysis of materials by means of emission spectrometry is to be created.
  • the silicon photomultiplier has avalanche photodiodes (APDs) in a column arrangement of a number from 1 APD x 200 APD (width x height) to 5 APD x 1000 APD (width x height) and the APDs are connected in parallel with their outputs
  • APDs avalanche photodiodes
  • the silicon photomultiplier formed in this way can be targeted at the location of an optical image with a size of approximately 25 ⁇ m ⁇ 5 mm (for example 1x200 APD with an area of 25 ⁇ 25 ⁇ m) to 50 ⁇ ⁇ 10 mm (for example 5 ⁇ 1000 ⁇ m APD with an area of 10 ⁇ m ⁇ 10 nm ) are used.
  • a plurality of silicon photomultipliers can be formed on a common substrate, in particular such that they are aligned parallel to one another. Because in an optical emission spectrometer with an excitation source, an entrance slit and a dispersive element for generating a spectrum and with an imaging element for imaging the entrance slit on a focal curve or with a dispersive and imaging element, as well as with a number of light-sensitive detectors for measuring Lines of the spectrum in the range of the focal curve are used as photosensitive detectors silicon photomultipliers, in which the avalanche photodiodes are arranged column-shaped in a number of APD from 1 x 200 (width x height) to 5 x 1000 (width x height) and with their Output are connected in parallel, the silicon photomultiplier thus formed can be arranged directly at the location of an exit slit.
  • the width of the silicon photomultiplier thus formed is sufficiently narrow to selectively detect only the desired wavelength.
  • the ratio of the width to the height of the photosensitive part of the silicon photomultiplier is preferably between 1: 200 and 1: 1000. The width is measured along the focal curve, the height perpendicular to
  • the excitation source may be a spark excitation source.
  • the dispersive and imaging element may be a diffraction grating which effects both a spectral fanning of the light and an optical imaging of the entrance slit.
  • the avalanche photodiodes can be formed together on a silicon substrate in a process known per se. If the distances between different lines in the optical
  • Emission spectrometers are known in the field of focal curve, on a common silicon substrate, several groups of avalanche photodiodes at exactly this distance columnar
  • Spectrometers can be detected with one detector each.
  • columnar arranged avalanche photodiodes can be operated with a relatively low external Bescliensaufwand, since they do not require high voltage as the operating voltage.
  • Emission spectrometry provides for the following steps: excitation of a sample of the material by an excitation source to emit light,
  • an entrance slit or entrance aperture to a dispersive element is characterized by an entrance slit or entrance aperture to a dispersive element, spectrally fanning the light through the dispersive element, and imaging the input slit or entrance aperture onto a dispersive element
  • Focal curve for generating a fanned-out optical spectrum in which the spectral lines lie next to one another, wherein according to the invention at the location of the spectral lines a number of individual silicon photomultipliers for time-resolved measurement of the intensities of the spectral lines is provided, the individual silicon photomultipliers respectively a number of avalanche Photodiodes each having an output, and wherein the outputs of a silicon photomultiplier associated avalanche photodiodes are electrically connected in parallel, and the avalanche photodiodes (APD) are each grouped by a silicon photomultiplier in a column array, and wherein the
  • Column array has a number of 1 APD x 200 APD (width x height) to 5 APD x 1000 APD (width x height).
  • Input aperture on the focal curve correspond.
  • Fig. 1 a silicon mphotomultiplier in column arrangement with 2xn
  • APD such as
  • Fig. 2 an optical emission spectrometer with a
  • Excitation source an entrance slit and dispersive, focusing element in a schematic representation.
  • FIG. 1 schematically shows a silicon photomultiplier 1 in FIG.
  • the silicon photomultiplier 1 is here provided with a number of APD A in two columns next to each other.
  • the APD in this illustration are numbered, with the first element of the first column being the number A1.
  • the second element of the first column is Al .2
  • the third element of the first column is Al .3
  • the last element of the column is Al.
  • n denotes.
  • the second column APDs are respectively A2.1 for the first element, A2.2 for the second element, A2.3 for the third
  • the structure of the silicon photomultiplier 1 could be made to have square-wave APD
  • photosensitive cross-section with an edge length of 25 ⁇ be used.
  • the total photosensitive area is then 50 ⁇ m wide and 2.5 mm high.
  • the APDs A are arranged on a common substrate and provided with a common voltage supply, so that all APD A receive the same applied voltage.
  • the outputs of APD A are combined and electrically connected in parallel so that all APDs A generate a common electrical signal when light falls on one, several or all APDs.
  • the APDs A of the silicon photomultiplier 1 may be operated to generate discrete electrical pulses upon single photon counting. But they can also be operated so that an electrical output signal is generated, the size of which is substantially proportional to the luminous flux which impinges on the photosensitive surface of the silicon photomultiplier 1.
  • One embodiment provides that a silicon photomultiplier APD A having a photosensitive area of the individual diodes of 50 pm x 50 pm and that the silicon photomultiplier with exactly one column of APD Al. l - AI .200 so that the total photosensitivity is 50 ⁇ m x 10 mm.
  • a silicon photomultiplier is directly suitable for use on the focal curve of an optical emission spectrometer.
  • FIG. 2 shows a schematic diagram of an optical system
  • Emission spectrometer with excitation source 10 in which, for example, by spark or arc excitation atoms of a material to be investigated are excited and emit light of the characteristic wavelengths in the sequence.
  • the generated light is designated by the numeral 11 in FIG.
  • the light 11 strikes an dispersive element 13 through an entrance slit or entrance aperture 12, which simultaneously has imaging properties.
  • the dispersive element 13 may be, for example, a concave diffraction grating.
  • the dispersive element 13 generates a fanned-out optical
  • Type arranged there, which are oriented so that they are located at the location of the line of a desired wavelength.
  • the geometric, elongated rectangular shape of the silicon photomultiplier 1 essentially corresponds to the image of the input aperture 12 on the focal circle, so that a good optical yield in the region of this line is achieved.
  • the photomultipliers 1 in Figure 2 which are shown here only as an example, are arranged on a common substrate 15, so that with the high accuracy of semiconductor manufacturing processes, the distance of the two silicon photomultiplier 1 shown there can be selected so that it the distance two sought lines on the focal curve in the spectrum 14 corresponds.
  • a CCD array 16 or another planar detector may be provided on the focal curve, if in certain scenarios
  • exit slits 17 which is arranged between the dispersive element 13 and two conventional photomultipliers 18, is also shown by way of example in FIG. This illustration shows the spatial limitations associated with the use of exit slits and photomultipliers 18 of conventional design.
  • Arrangement 17 can due to the large diameter of the
  • Photomultiplier 18 are not arranged arbitrarily close to each other.
  • FIG. 2 is also to be understood as an exemplary embodiment in that, in addition to the arrangement described above, an exit slit arrangement 17 can be used on selected lines of the spectrum 14, behind which then one or more conventional ones
  • Photomultiplier 18 are arranged. This can be advantageous if certain lines with a particularly high accuracy or with a particularly high photon yield to be evaluated.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein optisches Emissionsspektrometer mit einer Anregungsquelle, einem Eintrittsspalt und einem dispersiven Element zur Erzeugung eines Spektrums sowie mit einem abbildenden Element zur Abbildung des Eintrittsspaltes auf eine Fokalkurve, sowie mit einer Anzahl von lichtempfindlichen Detektoren zur Messung von Linien des Spektrums im Bereich der Fokalkurve, wobei als lichtempfindliche Detektoren Silizium-Photomultiplier mit Avalanche-Photodioden in Spaltenanordnung vorgesehen sind.

Description

Silizium-Photomultiplier und damit versehenes optisches
Emissionsspektrometer
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Silizium-Photomultiplier mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 und ein optisches
Emissionsspektrometer mit den Merkmalen des Oberbegriffs des
Anspruchs 8. Die optische Emissionsspektroskopie wird genutzt zur Untersuchung von Materialien anhand der spezifischen Wellenlängen im optischen Bereich (infraroter Bereich, sichtbarer Bereich und ultravioletter Bereich). Die optische Emission wird durch verschiedene Anregungsquellen stimuliert, die die Elektronenhüllen der zur untersuchenden Atome anregt. Die dabei entstehende charakteristische Strahlung im optischen Bereich wird über einen Eintrittsspalt und ein dispersives Element, beispielsweise ein Gitter oder ein Prisma, in ein Spektrum aufgefächert, in dem die einzelnen Wellenlängen als Linien enthalten sind. Das entstehende Spektrum wird Linienspektrum genannt. Die einzelnen Linien werden üblicherweise mit Austrittsspalten für optische Detektoren selektiert. Als Detektoren werden derzeit Photomultiplier und CCD-Arrays eingesetzt.
Ein Spektrometer, bei dem sowohl ortsauflösende CCD-Sensoren zur Erfassung von dicht nebeneinander liegenden Linien als auch
BESTÄT!GUNGSKOP?E Photomultiplier für die zeitliche Auflösung von Ereignissen mit
unterschiedlicher Emissionsdauer vorgesehen sind, ist aus der
Offenlegungsschrift WO2008/148562 AI bekannt.
Weiterhin ist aus dem Dokument US 2007/0041017 AI eine
Detektoranordnung mit CCD-Array bekannt, die lineare Arrays von Si- Halbleiterelementen aufweist, in denen mit Hilfe des Avalancheeffekts Ladungen vervielfacht werden. Das lineare Array ist dabei selbst lichtunempfindlich und dient nur zur Verstärkung der Ladung .
Die CCD-Arrays haben den Vorteil, dass sie sehr kompakt aufgebaut sind und deshalb viele dicht nebeneinander liegende Linien erfassen können. Hierzu ist es nicht unbedingt erforderlich, einen Austrittsspalt vor dem Detektor vorzusehen. Die zeitliche Auflösung von CCD-Arrays ist jedoch begrenzt, so dass der zeitliche Verlauf einer optischen Emission einer bestimmten Wellenlänge nicht mit großer Genauigkeit im Sinne einer zeitlichen Auflösung aufgezeichnet werden kann. Dies ist aber in manchen Fällen hilfreich, wenn eine gepulste Anregungsquelle verwendet wird und eine Linie nur in einem bestimmten Zeitabschnitt oder
Zeitfenster ihrer Emissionsdauer bestimmt werden soll. Es kann auch angezeigt sein, bei dicht nebeneinander liegenden Linien mit
unterschiedlich zeitlichem Emissionsverhalten zunächst die Emission einer Linie in einem Zeitfenster aufzunehmen und separat die Emission der anderen Linie in einem anderen Zeitfenster zu erfassen . Die beiden gewünschten Zeitfenster können sich auch teilweise überschneiden.
Solche Messungen sind mit CCD-Arrays nicht möglich. Photomultiplier sind schon länger in der optischen
Emissionsspektroskopie im Einsatz als CCD-Arrays. Photomultiplier sind wesentlich größer als CCD-Arrays. Sie benötigen einen Austrittsspalt, der die Bereiche ausblendet, die neben der zu messenden Linie liegen.
Aufgrund der Größe der Photomultiplier können keine Linien analysiert werden, die sehr dicht nebeneinander in dem Linienspektrum liegen, weil es der Bauraum der Photomultiplier nicht erlaubt, mehrere
Photomultiplier nebeneinander hinter dicht nebeneinander liegenden Austrittsspalten anzuordnen. Die Photomultiplier selbst haben keine räumliche Auflösung oder örtliche Auflösung, die in der Größenordnung der Breite der Austrittsspalte liegen würde. Photomultiplier erfassen lediglich das gesamte Licht, das auf die Photokathode auftrifft und produzieren ein entsprechendes elektrisches Signal. Vorteilhaft bei Photomultipliern ist aber die hohe zeitliche Auflösung, mit der die oben beschriebenen Zeitfenster von Linienemissionen erfasst werden können. Außerdem sind Photomultiplier in der Lage, einzelne Photonen
nachzuweisen, sofern diese auf die Photokathode auftreffen. Es sind außerdem sogenannte Silizium-Photomultiplier (abgekürzt SiPM) bekannt, beispielsweise hergestellt und angeboten von der Firma
HAMAMATSU Photonics k.k. (Japan) unter der Bezeichnung„Multi-Pixel Photon Counter". Diese Silizium-Photomultiplier weisen als aktives Detektorelement ein quadratisches Array aus einer Vielzahl (10x10 bis 120x120) von Avalanche-Photodioden (abgekürzt APD) auf, deren
Ausgänge parallel geschaltet und zusammengefasst sind. Die
Bauelemente integrieren deshalb eine Vielzahl von Photodioden zu einem einzigen photosensitiven Element. Die Patentschrift US 7,928,400 Bl offenbart einen APD-Detektor für Röntgenstrahlung bei dem ebenfalls das APD-Arrray nur zur Verbesserung der integralen Strahlungsdetektion vorhanden ist. Die vorhergehend beschriebenen APD-Arrays sind als Alternative zu herkömmlichen Photomultipliern gedacht, da ihre Bauweise kompakter ist, keine Hochspannung benötigt wird und vor allem auch eine Unempfindlichkeit gegen externe Magnetfelder besteht. Diese Eigenschaften machen Silizium-Photomultiplier geeignet für manche Anwendungen, in denen Photomultiplier herkömmlicher Bauweise nicht eingesetzt werden können. Es werden als Vierkanal-Photomultiplier auch Bauformen angeboten, bei denen vier quadratische Sensorelemente mit einer Fläche von jeweils l x l mm2 in einer Spalte oder Zeile angeordnet sind. Mit einer sensitiven Fläche von etwa l x l mm2 bis 3 x 3 mm2 sind diese Silizium-Photomultiplier nicht geeignet, die herkömmlichen
Photomultiplier in der optischen Emissionsspektrometrie zu ersetzen, da die Höhe des Austrittsspaltes, der einem Photomultiplier zugeordnet ist, etwa 10 mm beträgt und die Silizium-Photomultiplier deshalb die am Austrittsspalt vorliegende Lichtmenge nur zu einem geringen Teil aufnehmen können.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Siliziumphotomultiplier zu schaffen, der die spezifischen Anforderungen eines optischen
Emissionsspektrometers erfüllt und insbesondere am Ort der
Austrittsspalte eines solchen Spektrometers mit einer hohen
Photonenausbeute einsetzbar ist. Weiter ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein optisches Emissionsspektrometer zu schaffen, das sowohl ortsauflösend auf der Größenskala der Spaltbreite der Austrittsspalte als auch zeitauflösend in dem Bereich, der für ein genaues Setzen von Zeitfenstern bei der Emissionsmessung der zu untersuchenden
Wellenlängen maßgeblich ist, also beispielsweise Zeiten von 1 bis 100 ns. Schließlich soll auch ein neuartiges und verbessertes Verfahren zur Analyse von Materialien mittels Emissionsspektrometrie geschaffen werden.
Diese Aufgaben werden von einem Siliziumphotomultiplier mit den
Merkmalen des Anspruchs 1, von einem optischen Emissionsspektrometer mit den Merkmalen des Anspruchs 8 und von einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 13 gelöst.
Weil der Silizium-Photomultiplier Avalanche-Photodioden (APD) in einer Spaltenanordnung mit einer Anzahl von 1 APD x 200 APD (Breite x Höhe) bis 5 APD x 1000 APD (Breite x Höhe) aufweist und die APD mit ihren Ausgängen parallel geschaltet sind, kann der so gebildete Silizium- Photomultiplier gezielt am Ort einer optischen Abbildung mit einer Größe von etwa 25 pm x 5 mm (beispielsweise 1x200 APD mit einer Fläche von jeweils 25x25pm) bis 50 μπη x 10 mm (beispielsweise 5x1000 APD mit einer Fläche von jeweils lOpmxlOpm) eingesetzt werden.
Dabei können mehrere Silizium-Photomultiplier auf einem gemeinsamen Substrat ausgebildet sein, insbesondere derart, dass sie parallel zueinander ausgerichtet sind. Weil in einem optischen Emissionsspektrometer mit einer Anregungsquelle, einem Eintrittsspalt und mit einem dispersiven Element zur Erzeugung eines Spektrums sowie mit einem abbildenden Element zur Abbildung des Eintrittsspaltes auf eine Fokalkurve oder mit einem dispersiven und abbildenden Element, sowie mit einer Anzahl von lichtempfindlichen Detektoren zur Messung von Linien des Spektrums im Bereich der Fokalkurve als lichtempfindliche Detektoren Silizium- Photomultiplier eingesetzt werden, bei denen die Avalanche-Photodioden spaltenförmig in einer Anzahl von APD von 1 x 200 (Breite x Höhe) bis 5 x 1000 (Breite x Höhe) angeordnet und mit ihrem Ausgang parallel geschaltet sind, kann der so gebildete Silizium-Photomultiplier direkt am Ort eines Austrittsspaltes angeordnet werden. Sie können dort platziert werden, wo die Spektrallinie fokussiert ist. Dabei kann bei geeigneter Auslegung auf einen Austrittsspalt verzichtet werden, wenn die Breite des so gebildeten Silizium-Photomultipliers hinreichend schmal ist, um selektiv nur die gewünschte Wellenlänge zu erfassen. Das Verhältnis der Breite zur Höhe des lichtempfindlichen Teils des Silizium-Photomultipliers liegt dabei vorzugsweise zwischen 1 : 200 und 1 : 1000. Die Breite wird dabei entlang der Fokalkurve gemessen, die Höhe senkrecht zur
Erstreckung der Fokalkurve.
Dabei kann die Anregungsquelle eine Funkenanregungsquelle sein. Das dispersive und abbildende Element kann ein Beugungsgitter sein, das sowohl eine spektrale Auffächerung des Lichts als auch eine optische Abbildung des Eintrittsspaltes bewirkt. Die Avalanche-Photodioden können in einem an sich bekannten Prozess gemeinsam auf einem Siliziumsubstrat ausgebildet werden. Wenn die Abstände zwischen verschiedenen Linien in dem optischen
Emissionsspektrometer im Bereich der Fokalkurve bekannt sind, können auf einem gemeinsamen Siliziumsubstrat auch mehrere Gruppen von Avalanche-Photodioden in genau diesem Abstand spaltenförmig
ausgebildet werden, so dass sich mehrere Silizium-Photomultiplier auf einem gemeinsamen Substrat ergeben. Der Abstand zwischen zwei benachbarten Silizium-Photomultipliern, die in der oben beschriebenen Weise spaltenförmig ausgebildet sind, kann dann besonders klein gemacht werden, so dass eng benachbarte Spektrallinien in einem
Spektrometer mit jeweils einem Detektor erfasst werden können.
Dadurch werden Messmöglichkeiten geschaffen, die bisherige
Detektoranordnungen nicht zuließen, da sehr eng benachbarte
Spektrallinien nur mit CCD-Sensoren erfasst werden konnten, deren Zeitauflösung für viele Anwendungen nicht ausreichend ist. Hinzu kommt, dass trotz der guten zeitauflösenden Eigenschaften die
spaltenförmig angeordneten Avalanche-Photodioden mit einem relativ geringen externen Beschaltungsaufwand betrieben werden können, da diese keine Hochspannung als Betriebsspannung benötigen.
Das Verfahren zur Analyse von Materialien unter Verwendung von
Emissionsspektrometrie sieht vor, dass folgenden Schritte ausgeführt werden : Anregen einer Probe des Materials durch eine Anregungsquelle zur Emission von Licht,
Führen des so erzeugten Lichts, das durch die darin enthaltenen spektralen Anteile für die in der Probe enthaltenene Elemente
charakteristisch ist, durch einen Eingangsspalt oder eine Eingangsapertur zu einem dispersiven Element, spektrales Auffächern des Lichts durch das dispersive Element und Abbilden des Eingangsspalts oder der Eingangsapertur auf eine
Fokalkurve zur Erzeugung eines aufgefächerten optischen Spektrum, in dem die Spektrallinien nebeneinander liegen, wobei erfindungsgemäß am Ort der Spektrallinien eine Anzahl von einzelnen Silizium-Photomultipliern zur zeitlich aufgelösten Messung der Intensitäten der Spektrallinien bereitgestellt wird, die einzelnen Silizium- Photomultiplier jeweils eine Anzahl von Avalanche-Photodioden mit jeweils einem Ausgang aufweisen, und wobei die Ausgänge der einem Silizium-Photomultiplier zugeordneten Avalanche-Photodioden elektrisch parallel geschaltet sind, und die Avalanche-Photodioden (APD) jeweils eines Silizium-Photomultipliers in einer Spaltenanordnung gruppiert sind, und wobei die
Spaltenanordnung eine Anzahl von 1 APD x 200 APD ( Breite x Höhe) bis 5 APD x 1000 APD (Breite x Höhe) aufweist.
Dabei kann die geometrische Form des jeweiligen Silizium- Photomultipliers der Abbildung des Eingangsspaltes oder der
Eingangsapertur auf der Fokalkurve entsprechen .
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben . Es zeigen :
Fig . 1 : einen Siliziu mphotomultiplier in Spaltenanordnung mit 2xn
APD; sowie
Fig . 2 : ein optisches Emissionsspektrometer mit einer
Anregungsquelle, einem Eintrittsspalt und dispersivem, fokussierendem Element in einer Prinzipdarstellung .
In der Figur 1 ist schematisch ein Silizium-Photomultiplier 1 in
Spaltenanordnung mit 2 mal n APD A in einer Draufsicht auf die lichtempfindliche Seite dargestellt.
Der Silizium-Photomultiplier 1 ist hier mit einer Anzahl von APD A in zwei Spalten nebeneinander versehen . Die APD in dieser Darstellung sind nummeriert, wobei das erste Element der ersten Spalte die Num mer Al . l trägt, das zweite Element der ersten Spalte ist AI .2, das dritte Element der ersten Spalte ist AI .3, und das letzte Element der Spalte ist mit Al . n bezeichnet. Die APD der zweiten Spalte sind entsprechend mit A2.1 für das erste Element, A2.2 für das zweite Element, A2.3 für das dritte
Element und so weiter bis A2. n für das letzte Element gekennzeichnet. In dem besonderen Ausführungsbeispiel mit 2 Spalten und 100 Zeilen würde dann das letzte Element der ersten Spalte mit AI .100 und das letzte Element der zweiten Spalte mit A2.100 bezeichnet. In diesen konkreten Ausführungsbeispiel mit zwei (2) Spalten und einhundert (100) Zeilen könnte der Aufbau des Silizium-Photomultipliers 1 so ausgeführt werden, dass APD A mit quadratischem
lichtempfindlichem Querschnitt mit einer Kantenlänge von 25 μιη verwendet werden. Die gesamte lichtempfindliche Fläche beträgt dann 50 pm in der Breite und 2,5 mm in der Höhe.
Die APD A sind auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet und mit einer gemeinsamen Spannungsversorgung versehen, so dass alle APD A dieselbe anliegende Spannung erhalten. Die Ausgänge der APD A sind zusammengefasst und elektrisch parallel geschaltet, so dass alle APD A ein gemeinsames elektrisches Signal erzeugen, wenn Licht auf eine, mehrere oder alle APD fällt.
Im Betrieb können die APD A des Silizium-Photomultipliers 1 so betrieben werden, dass bei Einzelphotonenzählung diskrete elektrische Impulse erzeugt werden. Sie können aber auch so betrieben werden, dass ein elektrisches Ausgangssignal erzeugt wird, dessen Größe im Wesentlichen proportional zu dem Lichtstrom ist, welcher auf die lichtempfindliche Fläche des Silizium-Photomultipliers 1 auftrifft.
Eine Ausführungsform sieht vor, dass ein Silizium-Photomultiplier APD A mit einer lichtempfindlichen Fläche der einzelnen Dioden von 50 pm x 50 pm aufweist und dass der Silizium-Photomultiplier mit genau einer Spalte von APD Al . l - AI .200 versehen ist, so dass sich eine lichtempfindliche Gesamtfläche von 50 pm x 10 mm ergibt. Ein solcher Silizium- Photomultiplier ist unmittelbar für den Einsatz auf der Fokalkurve eines optischen Emissionsspektrometers geeignet.
Andere vorteilhafte Ausführungsformen sehen vor, dass
Spaltenanordnungen von 1 x 1000 bis 5 x 1000 APD mit einer Fläche von 10pm x 10pm einer einzelnen APD in einem Silizium-Photomultiplier integriert sind . Alle genannten Ausführungsbeispiele von Silizium- Photomultipliern sind unmittelbar für den Einsatz auf der Fokalkurve eines optischen Emissionsspektrometers geeignet. Die Figur 2 zeigt eine Prinzipdarstellung eines optischen
Emissionsspektrometers mit Anregungsquelle 10, in der beispielsweise durch Funken- oder Lichtbogenanregung Atome eines zu untersuchenden Materials angeregt werden und in der Folge Licht der charakteristischen Wellenlängen emittieren. Das erzeugte Licht ist in der Figur 2 mit der Ziffer 11 bezeichnet. Das Licht 11 trifft durch einen Eingangsspalt oder eine Eingangsapertur 12 auf ein dispersives Element 13, das gleichzeitig Abbildungseigenschaften aufweist. Das dispersive Element 13 kann beispielsweise ein konkaves Beugungsgitter sein. Das dispersive Element 13 erzeugt ein aufgefächertes optisches
Spektrum 14, in dem die einzelnen Spektrallinien nebeneinander liegen. Gleichzeitig wird durch die Abbildungseigenschaften die Eingangsapertur 12 auf eine Fokalkurve abgebildet, in der dann Bilder der Eingangsapertur 12 mit der jeweiligen Wellenlänge des Lichts 11 entstehen. In der sogenannten Fokalkurve am Ort der gesuchten Wellenlängen oder Linien werden nun Silizium-Photomultiplier 1 der eingangs beschriebenen
Bauart angeordnet, die dort so orientiert sind, dass sie am Ort der Linie einer gesuchten Wellenlänge angeordnet sind. Die geometrische, langgestreckt rechteckige Form des Silizium-Photomultipliers 1 entspricht dabei im Wesentlichen der Abbildung der Eingangsapertur 12 auf dem Fokalkreis, so dass eine gute optische Ausbeute im Bereich dieser Linie erzielt wird.
Die Photomultiplier 1 in Figur 2, die hier nur als Beispiel dargestellt sind, sind auf einem gemeinsamen Substrat 15 angeordnet, so dass mit der hohen Genauigkeit von Halbleiterfertigungsprozessen der Abstand der beiden dort dargestellten Silizium-Photomultiplier 1 so gewählt werden kann, dass er dem Abstand zweier gesuchter Linien auf der Fokalkurve in dem Spektrum 14 entspricht.
Es kann alternativ auch ein CCD-Array 16 oder ein anderer flächenhafter Detektor auf der Fokalkurve vorgesehen sein, wenn in bestimmten
Bereichen des Spektrums 14 andere Detektionseigenschaften,
beispielsweise hohe Ortsauflösung ohne oder mit geringer Zeitauflösung, gewünscht sind. Schließlich ist in der Figur 2 auch beispielhaft eine Anordnung von Austrittsspalten 17 dargestellt, die zwischen dem dispersiven Element 13 und zwei konventionellen Photomultipliern 18 angeordnet ist. Diese Darstellung zeigt die räumlichen Einschränkungen, die mit dem Einsatz von Austrittsspalten und Photomultipliern 18 konventioneller Bauart verbunden sind. Die Austrittsspalte in der
Anordnung 17 können aufgrund des großen Durchmessers der
Photomultiplier 18 nicht beliebig nahe nebeneinander angeordnet werden. Die Figur 2 ist aber auch als Ausführungsbeispiel dafür zu verstehen, dass zusätzlich zu der oben beschriebenen Anordnung an ausgewählten Linien des Spektrums 14 eine Austrittsspaltanordnung 17 eingesetzt werden kann, hinter der dann ein oder mehrere konventionelle
Photomultiplier 18 angeordnet werden. Dies kann vorteilhaft sein, wenn bestimmte Linien mit einer besonders hohen Genauigkeit oder mit einer besonders hohen Photonenausbeute ausgewertet werden sollen.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
Silizium-Photomultiplier mit einer Anzahl von Avalanche- Photodioden (A) mit jeweils einem Ausgang, wobei der Ausgang der Avalanche-Photodioden (A) elektrisch parallel geschaltet ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Avalanche-Photodioden (A) (APD) in einer Spaltenanordnung gruppiert sind, wobei die Spaltenanordnung eine Anzahl von 1 APD x 200 APD (Breite x Höhe) bis 5 APD x 1000 APD (Breite x Höhe) aufweist.
Silizium-Photomultiplier nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die lichtsensitive Fläche der Spaltenanordnung eine Breite von 10pm bis 50pm und eine Höhe von 5mm bis 10mm aufweist.
Silizium-Photomultiplier nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Verhältnis der Breite der Spaltenanordnung zur Höhe der Spaltenanordnung im Bereich von 1:200 bis 1:1000 liegt.
Silizium-Photomultiplier nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Anzahl von Avalanche-Photodioden mit jeweils einem Ausgang auf einem Siliziumsubstrat (15) ausgebildet ist, welches mehrere Silizium-Photomultiplier (1) identischer oder ähnlicher Bauart und Konfiguration trägt. Silizium-Photomultiplier nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die mehrere Silizium- Photomultiplier (1) in einem Abstand voneinander parallel zueinander ausgerichtet sind.
Optisches Emissionsspektrometer mit einer Anregungsquelle (10), einem Eintrittsspalt (12), und mit einem dispersiven Element zur Erzeugung eines Spektrums (14) sowie mit einem abbildenden Element zur Abbildung des Eintrittsspaltes (12) auf eine Fokalkurve oder mit einem dispersiven und abbildenden Element (13), sowie mit einer Anzahl von lichtempfindlichen Detektoren (1, 16, 18) zur Messung von Linien des Spektrums (14) im Bereich der
Fokalkurve, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass als lichtempfindliche Detektoren Silizium-Photomultiplier (1) vorgesehen sind.
Emissionsspektrometer nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Silizium-Photomultiplier jeweils Avalanche-Photodioden (APD) aufweisen, die spaltenförmig in einer Anzahl von 1 APD x 200 APD bis 5 APD x 1000 APD angeordnet und mit ihrem Ausgang parallel geschaltet sind.
Emissionsspektrometer nach Anspruch 6 oder 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Verhältnis der Breite der Spaltenanordnung zur Höhe der Spaltenanordnung im Bereich von 1:200 bis 1:1000 liegt..
Emissionsspektrometer nach einem der Ansprüche 6 bis 8,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
wenigstens ein Austrittsspalt (17) vorgesehen ist, und dass d wenigstens eine Silizium-Photomultiplier hinter einem
Austrittsspalte (17) angeordnet ist. 10. Emissionsspektrometer nach einem der Ansprüche 6 bis 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass kein Austrittsspalt vorgesehen ist und dass der wenigstens eine
Silizium-Photomultiplier (1) am Ort einer Spektrallinie auf der Fokalkurve angeordnet ist.
Emissionsspektrometer nach einem der Ansprüche 6 bis 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass mehrere Siliziumphotomultiplier (1, 16) auf einem Siliziumsubstrat (15) ausgebildet sind.
Emissionsspektrometer nach Anspruch 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass auf einem gemeinsamen Siliziumsubstrat (15) mehrere Gruppen von Avalanche-Photodioden als Silizium-Photomultiplier (1) mit Abständen voneinander spaltenförmig ausgebildet sind, wobei die Abstände den Abständen von verschiedenen Linien in dem optischen Emissionsspektrometer im Bereich der Fokalkurve entsprechen.
Verfahren zur Analyse von Materialien unter Verwendung von Emissionsspektrometrie mit folgenden Schritten:
a. Anregen einer Probe des Materials durch eine
Anregungsquelle (10) zur Emission von Licht (11),
b. Führen des Lichts (11) durch einen Eingangsspalt oder eine Eingangsapertur (12) zu einem dispersiven Element (13), c. spektrales Auffächern des Lichts durch das dispersive
Element (13) und Abbilden des Eingangsspalts oder der Eingangsapertur (12) auf eine Fokalkurve zur Erzeugung eines aufgefächerten optischen Spektrum (14), in dem Spektrallinien nebeneinander liegen,
dadurch gekennzeichnet, dass
d. am Ort der Spektrallinien eine Anzahl von einzelnen Silizium- Photomultipliern zur zeitlich aufgelösten Messung der
Intensitäten der Spektrallinien bereit gestellt wird, wobei e. die einzelnen Silizium-Photomultiplier jeweils eine Anzahl von Avalanche-Photodioden (A) mit jeweils einem Ausgang aufweisen, und wobei die Ausgänge der einem Silizium- Photomultiplier zugeordneten Avalanche-Photodioden (A) elektrisch parallel geschaltet sind, und
f. die Avalanche-Photodioden (A) jeweils eines Silizium- Photomultipliers in einer Spaltenanordnung gruppiert sind, und wobei die Spaltenanordnung eine Anzahl von 1 APD x 200 APD (Breite x Höhe) bis 5 APD x 1000 APD (Breite x Höhe) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die geometrische Form des Silizium-Photomultipliers einer Abbildung des Eingangsspaltes oder der Eingangsapertur (12) auf der Fokalkurve entspricht.
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