EMCCD传感器中EM增益老化研究综述

当EMCCD相机第一次被引入时，它们使探测器的性能水平与原始灵敏度水平保持到今天仍然是无与伦比的。与任何新技术一样，这种新的传感器技术也存在许多问题，特别是围绕“电磁增益”的独特特性，以及如何在相机设计中最好地实现它的技术挑战。在本文中，我们将介绍为iXon EMCCD相机系列引入的特性，这些特性解决了这些挑战，并帮助iXon EMCCD相机成为EMCCD的黄金标准。

图1:iXon Life和Ultra EMCCD相机是最新的EMCCD成像相机，提供了EMCCD的最佳性能。这些模型遵循了多年的发展和改进的技术在以前的模型。

有关EMCCD和EM获得的一般介绍以及他们如何工作，请参阅文章：什么是电子乘法CCD（EMCCD）相机．

EM增益线性与RealGain™解决

对于早期的EMCCD相机，在软件中选择的EM增益与相机实际应用的增益没有线性关系。虽然这个问题已经解决很长时间了，而且这个解决方案看起来也很合理，但至少在最初，这种非线性的反应让用户更难进行这些相机正在使用的那种定量测量。

解决EM增益线性和实现在iXon相机系列，被称为RealGain™．通过对电磁电压依赖关系的详细分析，可以将软件的电磁增益与电磁值之间的非线性关系转换为线性关系。真正的EM增益(即绝对信号倍增系数)可以直接从软件线性增益比例中选择，如图1所示。这意味着在一个非线性的尺度上不会再混淆任意的增益单位——你想要的增益就是你得到的增益。使用iXon EMCCD相机，您可以简单地选择最佳增益，以克服噪声和最大的动态范围。

图2 - RealGain™校准，用于iXon EMCCD相机系列-相同的线性关系适用于所有冷却温度。

几年后的2006年，安铎为iXon EMCCD相机系列引入了一些重要的新技术创新。这些特别的步骤是为EMCCD相机的应用设定新的高标准，EMCCD相机在单分子和其他定量生物物理学和新兴量子应用领域已经找到了强大的市场。万博电脑网页版登录

图3 - 2011年的iXon X3 EMCCD相机。这些模型后来被iXon Ultra和Life系列所取代。

温度补偿

不同的实验可能需要设定不同的冷却温度。深度冷却传感器有显著的好处，以减少噪音和有利于更长时间的暴露实验。EM增益依赖于温度，因此无论传感器工作温度如何，具有线性增益响应的能力是重要的。Andor的RealGain™校准适用于所有EMCCD冷却温度。因此，选择x300增益软件设置在-50°C，或在-100°C给出相同的x300真EM增益。这意味着，如果设置改变，如多用户实验室和设施，不需要重新校准iXon相机的EM增益。

应对新兴市场日益增长的担忧

EMCCD相机周围最重要的一个问题一直是EM获得老化，无论是在实践中，这会对相机对其工作寿命的敏感性产生影响。

通过传感器制造商E2V记录了MEDCCD传感器在延长的时间内，EMCCD传感器在EM GAIN功能中表现出在EM增益功能中表现出下降的效果。显然，如果损失了EMCCD摄像机的长期定量可靠性，这种效果将是一个问题，并且它已成为EMCCD技术的感知劣势。

为了确保EM收益的稳定性随着时间的推移，Andor在整个设计，测试和实施中实施了许多措施IXON EMCCD摄像机。IXON相机配置为确保在相机的标准使用下，EM收益率下降的速率最小。采取的一部分措施是为了设定合适的EM增益限制，与信号强度反馈警告（在EM放大后）结合，以确保用户更受应用过多的EM增益和/或信号的能力。为IXON提供的EM增益尺度超过足以提高信号许多折叠并使读取噪声底板可忽略不计，因为给定的信号强度和读出速度。单独的这些用户限制显着降低了EM收益率的速度。

和EMCAL™ANDOR开发了一种独特而获得的用户启动的EM增益自我重新校准方法。此实用程序可以在按钮的触摸触摸触摸IXON EMCCD摄像头，并使您的安心能够在多年的操作之后通过相机通过相机提供真正的EM增益值。

iXon EMCCD相机的真正寿命是什么?

那么IXON相机持续多久？EM是真正关注的老龄化吗？我们有两种方式可以回答这些问题：

• 控制测试以复制极端使用情况
• 长期的客户体验

控制测试

要测试iXon相机何时不再可用，就要看EMCal何时不再有效。时钟电压设置必须作为重新校准程序的一部分进行调整，最终将达到一个最大阈值，在此之后，进一步重新校准将不可能，EM增益将开始下降。问题是，在典型使用下，什么时候会发生这种情况?

Andor对iXon 897相机进行了广泛和积极的测试，以预测背光emccd中“增益寄存器”(信号放大发生在片上)的工作寿命，测试条件如下:

• 总体测试持续时间：〜14个月
• 在此期间的相机用法：连续即，每天24小时，每周7天
• 帧率:高速:30帧/秒
• EM增益设置:x1000
• 光子/像素/帧:90
• 照明的像素数：〜200,000（阵列的〜75％）
• 每日一次

换句话说，这些都是可以测试的极端操作条件。

结果

每天使用Andor的EMCAL™程序测量一次维持EM增益校准所需的时钟电压，所示的图是由增益老化趋势推导出的方程得出的。

数字4.- Andor背部的老化档案- 荧光化iXonEMCCD相机．测试条件：连续24/7的操作;30帧/秒;通过增益寄存器每像素x90000电子;~ 200000像素照亮

这表明，在所采用的测试条件下，在1000 × EM增益下连续工作7年后，EMCCD校准将达到剩余可用时钟电压刻度的~ 35%。

即，IXON在7年24/7以最大收益使用时完美地工作。

苛刻的测试条件

本试验中使用的参数的组合代表了相当侵略性的收购条件。在此期间记录了〜12亿图像，每张图像〜200,000个照明像素，相当于通过增益寄存器放大约220,000亿像素，每像素X1000 EM放大器放大！

大多数用户肯定不会将相机视为30 FPS的24/7连续采集。对于除光子计数之外的绝大多数应用，EM增益设置通常限于不超过X300。万博电脑网页版登录选择X1000 EM增益在此选择以提供最严格的测试条件。最后，非常罕见的是，阵列中的所有像素的75％将受到高幅度的均匀信号，如这里传感器所施加在传感器上。实际上，典型的用户样本的发光物种将投影到大部分的像素上，从帧到框架变化。

EMCAL™不会加速EM获得老化

重要的是要认识到，使用Andor的EMCAL™常规，衰老率不会加速。老化的速度由照明和EM收益条件确定，即传感器由EMCAL™受到影响。如果通过在工厂的时钟电压手动重新调整EM增益重新校准，则唯一的区别将是相机将失去动作的额外时间。

长期的客户体验

iXon相机的各种修改和模型被使用了20年最好的部分我们可以很有信心地国家新兴市场获得老化并不是一个问题iXon EMCCD相机在典型的使用,尽可能多的这些相机还在经常使用,和表演就像他们最初购买时。这证实了实验测试在这些相机的实际长期使用下得到了证实。

结论

iXon EMCCD摄像机经过精心设计，在尽可能长的使用寿命内提供尽可能好的性能。虽然EM增益是一个额外的方面和独特的这些相机模型，它不需要被视为一个问题。EM增益老化现象被认为从来没有对你的Andor iXon相机的定量可靠性施加限制。事实上，通常是当支持的计算机和软件最终不能再通过大学或设施支持时，看到早期的iXon相机不再被使用。在这些情况下，更新到新的型号，如iXon超级或生活EMCCD模型将使我们能够获得EMCCD技术的好处，如其他技术无法复制的最终灵敏度和真正的量化。