EMCCD

EMCCD的增益

EMCCD

目前在光子探测领域的应用发展对探测器灵敏度的要求不断提高，EMCCD(Electron-Multiplying CCD)技术对愈发严苛的需求作出了答复。

在诸如单光子探测、多维（4或5维度）活细胞显微观察、钙离子流显微观测等对极微弱的细胞产生的荧光进行快速动态成像的应用领域中，EMCCD技术提供了强大而经济的解决方案，它极高的灵敏度意味着更低的激发能量（这样可降低漂白效应）、更低的染料浓度以及更高的帧频，生命科学领域的工作者应该知道这对于他们的研究意味着什么。

即使在低扫描速率下，荧光信号的强度水平仍可能微弱到与读出噪声相当甚至更低而无法被检测出来，EMCCD的增益可显著地改善这种极微弱信号的信噪比，由此在大吞吐量的分析研究中可实现更快的采样和更短的曝光时间。

同样地，在某些物理研究领域如玻色-爱因斯坦凝聚、天文观测（包括自适应光学）以及中子星X射线观测等，都可以从这项新的探测手段中获益。

EMCCD的增益

EMCCD技术，有时也被称作“片上增益”技术，是一种全新的微弱光信号增强探测技术，由Andor Technology Ltd. 首先应用于他们在2001年发布的iXon系列高端超高灵敏相机上，目前有用于成像的iXon系列和光谱领域的Newton型。它与普通的科学级CCD探测器的主要区别在于其读出（转移）寄存器后又接续有一串“增益寄存器”（见图1），它的电极结构不同于转移寄存器，信号电荷在这里得到增益。

在增益寄存器中，与转移寄存器不同的是其中的一个电极被两个电极取代，其中电极1被加以适当的电压而电极2提供时钟脉冲，但该电压比仅仅转移电荷所需要高很多（约会40~60V）。在电极1与电极2间产生的电场其强度足以使电子在转移过程中产生“撞击离子化”效应，产生了新的电子，即所谓的倍增或者说是增益；每次转移的倍增倍率非常小，最多大约只有×1.01~×1.015倍，但是当如此过程重复相当多次（如陆续经过几千个增益寄存器的转移），信号就会实现可观的增益—可达1000倍以上。

目前EMCCD唯一无法取代ICCD之处是它无法实现门控，以及纳秒级门宽带来的高时间分辨率，使ICCD在对高时间分辨的动态测量领域仍是最有效的手段。

还有值得指出的一点是对于光子水平的极微弱信号探测，在所有造成信号衰减的环节上都要采取尽可能的措施来把信号损失减到最低，比如，如果探测器的入射通道只有一层入射窗，其窗口反射造成的光子损失必然比多层窗要少（见图5）；但要注意的是，这必须以高真空密封性为前提，因为一般CCD芯片为防止水汽凝结及其它气体成分对其表面的损害，都覆有一层保护窗，如果不能保证高品质的真空密封，探测器制造商是不敢拿掉这层保护窗的，所以一般的探头都至少有2层窗，只有极少数制造商凭借其过硬的真空密封制造工艺将这层窗去掉而真正实现了单窗。

由此我们可见，探头的真空密封性对任何一款科学级探测器尤其是EMCCD的性能品质起着多么至关重要甚至可以说是决定性的影响。