Kohina valoantureissa; erityisesti elektronimonistus-CCD-antureissa luminesenssimittauksien yhteydessä
No Thumbnail Available
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Chemical Engineering |
Master's thesis
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Instructions for the author
Authors
Date
2010
Department
Kemian ja materiaalitieteiden tiedekunta
Major/Subject
Epäorgaaninen kemia
Mcode
Kem-35
Degree programme
Language
fi
Pages
vi + 141
Series
Abstract
In the literature part, noise in the chemical instrumentation is discussed. Certain forms of noise are classified as fundamental noise and they limit the performance of any measurements since these are present also in ideal measurement situations. Statistical methods are required in treatment of noisy signals due to the random nature of noise. First, the principles of probability calculation and statistical methods needed in quantitative analysis of noise are presented. Next, the forms of noise in light detectors and measuring of light are discussed: e.g. overview on quantum noise and thermal noise and their origin and equations describing their effects are given. Finally, the principles of operation of electron multiplying CCD-detector (EMCCD) suitable for observing and measuring of low light levels are presented and the significant forms of noise in their operation are identified. In the experimental part it is demonstrated what kind of combinations of user parameters should be applied to achieve the best possible performance of an EMCCD-detector. The aimed application was mainly the measurements of luminescence spectra using relatively short exposure times. The comparison of choices of parameters was carried out by calculating signal-to-noise ratios using the measurements and a noise model was developed. To obtain the constants needed for the model, suitable measurements were carried out. The model was proved to be valid. It was observed that when measuring low light levels the performance of the present detector is mainly limited by so called clock noise formed during the transfer of charges in the device.Työn kirjallisuusosassa tarkastellaan ensin, mitä käsite kohina tarkoittaa. Tietyt kohinan muodot ovat perustavanlaatuisia suorituskyvynrajoittajia, sillä ne ovat läsnä myös ideaalisessa mittauslaitteessa. Kohinainen signaali on satunnaissuure, minkä vuoksi sen tarkastelussa tarvitaan tilastollisia menetelmiä. Työssä koottiin yhteen todennäköisyys- ja tilastolaskennan periaatteita, joiden avulla kohinan vaikutusta voidaan kvantitatiivisesti analysoida. Seuraavaksi tarkastellaan, millaiset kohinan muodot ovat oleellisia valon mittaukseen perustuvissa antureissa: Katsaus luodaan mm. valon luontaiseen kvanttikohinaan ja lämpökohinaan, ja niiden syntyprosesseihin ja vaikutusta kuvaaviin yhtälöihin. Lopuksi esitetään pienien valomäärien havaitsemiseen soveltuvan elektronimonistus-CCD-valoanturin toiminta- periaate, ja sen toiminnassa oleellisimmat kohinamuodot identifioidaan. Kokeellisessa osassa selvitettiin, millaista käyttöparametrien yhdistelmää tulee käyttää, jotta elektronimonistus-CCD-anturin suorituskyky olisi paras mahdollinen. Käyttökohde oli erityisesti luminesenssispektrien mittaus melko lyhyitä valotusaikoja käyttäen. Parametrien valinnan vaikutuksen vertailu suoritettiin laskemalla signaalikohinasuhteita sekä mitatuista arvoista, että kehitetyn kohinamallin perusteella. Jotta kohinamalliin liittyvät vakiot - mm. anturin lukukohinan suuruus - saatiin sovitettua vastaamaan todellista tilannetta, suoritettiin soveltuvia mittaussarjoja. Malli todettiin päteväksi. Havaittiin, että alhaisilla valon määrillä kyseisen anturin suorituskykyä rajoittaa varauksen siirron aikana syntyvä ns. kellon ylikuulumiskohina.Description
Supervisor
Kulmala, SakariKeywords
noise in light detectors, kohina valoantureissa, noise in CCD-detectors, CCD-valoanturien kohina