CH410205A - Verfahren zur Stabilisierung der Verstärkung von Scintillationsspektrometern - Google Patents

Description

  



  Verfahren zur Stabilisierung der Verstärkung von    Scintillationsspektrometern   
Es gibt mehrere Verfahren zum Stabilisieren der Verstärkung von   Scintillationsspektrometern.   



   Diese Verfahren lassen sich in zwei grosse Gruppen einteilen, nämlich : a) nach der Art der Referenz, b) nach dem Ort, wo das zur Stabilisierung benutzte Korrektursignal gewonnen wird.



   Es ist klar, dass für die Stabilisierung der ganzen Apparatekette eines Scintillationsspektrometers einschliesslich Scintillator nur eine Referenzquelle benützt werden kann, deren Strahlen von der gleichen Art sind, wie die zu untersuchenden. Weiterhin ist der Ort, wo das Korrektursignal gewonnen werden soll, der Ausgang des Impulsanalysators. Einige bekannte Methoden erfüllen diese Forderungen teilweise in hohem Grade.



   Alle Methoden, die Analogieschaltungen benützen, d. h. Apparate, die eine Umwandlung einer Signalart in eine andere vornehmen, z. B. Impulsfrequenz in Spannung, und die das verwandelte Signal mit einem Normal vergleichen, kranken an dem Umstand, dass alle Umwandlungsmethoden von Umweltbedingungen abhängig sind. Es gibt deshalb nur den Weg, bei dem lediglich gleichartige Grosse miteinander verglichen werden, d. h. Impulsfrequenz mit Impulsfrequenzen, Spannungen mit Spannungen u. s. w. Auch dieser Weg wurde schon ein gutes Stück gegangen, aber nicht bis ans Ende.



   Das vorliegende Verfahren ist entwickelt zur Stabilisierung von   Scintillationsspektrometern,    insbesondere für die   y-Spektroskopie.   



   Wie bei bereits bekannten Verfahren, werden zwei Impulsfrequenzen miteinander verglichen. Es beruht auf einem Null-Abgleich, so dass die Genauigkeit im wesentlichen durch jene des   Vergleichsnormals,    die Empfindlichkeit durch die Verstärkung des Vergleichssystems gegeben ist.

   Das erfindungsgemässe Verfahren besteht darin, dass durch den Vergleich einer verstär  kungsabhängigen    Referenzimpulsfrequenz   v      (lux)    einerseits und einer ganz oder mindestens nahezu verstärkungsunabhängigen Standardimpulsfrequenz   Vst      an-    derseit ein Rückkoppelungssignal gewonnen wird, das   Verstärkungsvariationen    innerhalb des Spektrometers proportional zur Impulsfrequenzdifferenz   v      (      vsc    reduziert.



   Die zwei miteinander zu vergleichenden Impulsfrequenzen können zum Beispiel wie folgt gewonnen werden. a) Die Referenzimpulsfrequenz wird von den elektrischen Ausgangsimpulsen eines Photovervielfacher  Scintillations-Systems    gewonnen, dessen   Scintillator      (NaI)    mit einem Referenzpräparat   (Csl37)    bestrahlt wird. Alle Impulse, die eine Spannungsschwelle Uo überschreiten, werden als Referenzimpulse zur Bildung eines Korrektursignals herangezogen.

   Die dadurch von der Verstärkung   11    abhängige Referenzimpulsfrequenz heisse   v      (,).    Vorzugsweise ist die Spannungsschwelle Uo gleich der   Impulshöhe    Ep gewählt, bei der im Impulsspektrum des nicht stabilisierten Systems der Photopeak der   Referenzimpulsquelle    liegt. b) Die verstärkungsunabhängige Standardfrequenz   (pst)    stammt von einem   kristallstabilisierten    Frequenzgenerator.



   Im folgenden wird dargelegt, wie der Vergleich der beiden   Impulsquelle    beispielsweise vor sich geht.



   Die   Referenzimpulsquelle    ist eine durch einen mechanischen Chopper mit Rotorblende periodisch unterbrochene   r-Quelle.    Die   Rotorblende    hat ein öffnungs 
AT' verhältnis. Synchron, d. h. in fester Phasenbezie
T hung zur   Chopperfunktion,    erzeugt ein über die Rotorachse gesteuertes optisches System elektrische Steuersignale.



   Mit der Periode T erfolgt das Einlesen jeweils einer Gruppe von Standardimpulsen während der Zeitintervalle   AT und    einer Gruppe von Referenzimpulsen während der Zeitintervalle   AT',    die jedoch
T   um-gegenüber    den ersteren verschoben sind.



   2
Alle Impulse werden in einen Speicher eingelesen, wobei die Referenzimpulse positiv, die Standardimpulse negativ gezählt werden. Das zeitliche Mittel des Speicherinhaltes ist ein Mass für eine   Verstärkungs-    drift.



   Sowohl Referenzimpulsgruppen als auch die Standardimpulsgruppen durchlaufen ein und dieselbe Apparatekette, weshalb an keinen Teil dieser Kette hohe Anforderungen bezüglich Verstärkunskonstanz gestellt werden müssen.



   Bevor auf die weitere Beschreibung der Apparatur eingegangen wird, ist noch auf einen wichtigen Punkt hinzuweisen. Ausser den oben besprochenen Impulsquellen gibt es noch die Quelle der zu untersuchenden   -Strahlen.    Das Spektrum der zu diesem Zwecke vor dem   Scintillator    liegenden Quelle   X    wird dem   Spek-    trum der gechoppten Referenzimpulsquelle überlagert.



  Die Frequenz der die Spannungsschwelle Uo   über-      schreitenden    X-Impulse heisse vx.



   Die Referenzimpulse erscheinen nur während der Chopperöffnungsdauer   AT'.    Dieses Zeitintervall liegt ganz innerhalb dem etwa   10%    grösseren Intervall   AT,    d. h. einem Intervall der gleichen Dauer wie die Ein  lesezeit    für die Standardimpulse. Somit gelangen in den Speicher innerhalb   AT    einerseits die Referenzimpulse plus die die Schwelle Uo überschreitenden X-Impulse,
T andererseits, um-verschoben und mit umgekehrten
2 Vorzeichen, die Standardimpulse plus die die Schwelle Uo überscheitenden X-Impulse.

   Sofern sich die   Inten-      sität    des   X-Präparates    innerhalb-nicht merklich
2 verändert, so wird durch das   Subtraktionsverfabren    der   Einfluss    der X-Quellenintensität eliminiert.



   Um vom Spektrum der   X-Quelle    jenes der Referenzquelle fern zu halten, wird durch ein Nein-Tor während der Zeitintervalle   AT    die Zählung unterdrückt.



   Fig.   1    gibt einen schematischen überblick einer möglichen Gesamtanordnung der Apparatur   eines-    Spektrometers.



   Die Fig. 2a bis 2g zeigen synchron den zeitlichen Ablauf verschiedener Funktionen sowie (der Steuersignale), der Mess-und der Referenzimpulse.



   Die allgemein bekannte Spektrometeranordnung, mit der die Strahlen der Quelle X analysiert werden sollen, weist, wie in Fig.   1    dargestellt, einen Scintillationskristall 2 und einen Photovervielfacher 3 mit seiner Hochspannungsquelle 4 auf. Die Ausgangsimpulse des Photovervielfachers werden in einem   anschliessen-    den Verstärker 5 vergrössert, geformt und durch einen   Messdiskriminator    6 nach ihrer Grosse sortiert. Die aussortierten Impulse werden im gleichen Apparat auf einheitliche Grosse gebracht und durch einen Impulszähler 8 registriert.



   Beim verstärkungsstabilisierten Spektrometer ist diese Grundanordnung beibehalten bis auf ein Nein Tor 7, welches zwischen dem   Messdiskriminator    6 und dem Impulszähler 8 eingeschaltet ist.



   Weitere wesentliche Zusätze sind der die Rotorblende 9 aufweisende Chopper, die Referenzimpulsquelle 10, eine Apparatekette 11 bis 15, ein Ja-Tor 16 mit dem Standardoscillator 17, ein durch eine Welle 18 mit dem Chopperrotor 9 gekuppelter Antriebsmotor 19 und das optische Steuersystem 20 bis 22. Die Apparatekette 11 bis 15 ist am Ausgang des Impulsverstärkers 5 angeschlossen und weist einen   Referez-    diskriminator 11, ein Ja-Tor 12, eine Diodenpumpe 13, einen durch elektrische Signale steuerbaren, elektromechanischen Polwender 14 und einen Integrator 15 mit Servoverstärker auf. Das optische Steuersystem 20 bis 22 besteht aus einer mit der Welle 18 gekuppelten Drehblende 20, zwei Lichtquellen 21 und zwei zugeordneten Photozellen 22.



   Alle in Fig.   I    fett gezeichneten Kästchen bilden den elektronischen Teil des eigentlichen, in einer Ap  parateeinheit    zusammengefassten,   Stabilisiergerätes,    während die andern   Kästchen    handelsübliche Komponenten darstellen.



   In Fig. 2a ist die zeitliche Folge und Grosse der elektrischen Impulse am Ausgang des   Photoverviel-    fachers 3 dargestellt, wie sie durch die Scintillationen der   X-Quellenstrahlen    im Kristall 2 bewirkt werden.



   Der Chopperrotor 9, dessen   Öffnungscharakteristik    in Fig. 2b gezeigt ist,   lässt    periodisch die Strahlen der Referenzquelle 10 auf den Kristall 2 einwirken, so dass den X-Impulsen innerhalb der   Chopperöffnungs-    zeiten   AT'Referenzimpulse    überlagert werden. Fig. 2c zeigt die resultierende Impulsfolge.



   Das optische Steuersystem 20 bis 22 erzeugt die Steuersignale I und   II,    deren zeitliche Abläufe in den Fig. 2d und   2e gezeigt    sind. Die Steuersignale folgen sich mit der   Periode T und    haben je die Dauer   AT.   



  Die Steuersignale II sind gegenüber den Steuersignalen
T I   um-verschoben.   



   2
Die Steuersignale I der Dauer   AT,    innerhalb welcher eine Gruppe von Referenzimpulsen erscheint, betätigen :  -das Ja-Tor 12 zum Einlesen der Referenz-und der X-Impulse, welche die Schwelle Uo des Referenzdiskriminators 11 überschreiten, in den Integrator 15 ;  -den elektro-magnetischen Polwender 14, den sie anschliessend in die Stellung Addition bringen ;  -das Nein-Tor 7 zur Unterdrückung der Zählung im Impulszähler 8. 



   Die Steuersignale II der gleichen Dauer   AT,    jedoch
T um-verschoben, betätigen :    -die    Ja-Tore 16 und 12 zum Einlesen einer Gruppe von Standardimpulsen und der die Schwelle Uo im Referenzdiskriminator 11 überschreitenden X-Impulse, in den Integrator 15 ;  -das Nein-Tor 7 zur Unterdrückung der Zählung im Impulszähler   8 ;     -den   elektro-magnetischen    Polwender 14, den sie anschliessend in Stellung Subtraktion bringen.



   Am Eingang der Diodenpumpe 13 sind, wie in Fig. 2f dargestellt, Gruppen einheitlicher Impulse, die dem Integrator   15    positive oder negative Ladungen zuführen, je nachdem der Polwender 14 in Stellung Addition oder Subtraktion ist (Fig. 2g).



   Der Integrator 15 bildet ein Analogiesignal, das proportional ist der Impulsfrequenzdifferenz   (v      () +vx)      -      (VSt+Yx) ='J (ss) VSt,    wodurch der mittlere Einfluss der X-Quellenimpulse eliminiert ist, sofern die Intensität der   X-Quelle    und damit die Frequenz   vs    sich nicht merklich ändert im Zeitintervall zwischen den Referenzimpulsgruppen und den nachfolgenden Standardimpulsen. Das durch den Integrator gebildete   Gleichspannungssignal    wird als   korrigierendes      Rück-      koppelungssignal    einfachheitshalber der Kathode des Photovervielfachers zugeführt.

   Der so gebildete   Rück-      koppelungskreis    ist in Fig.   1    durch die strichpunktierte Linie veranschaulicht. Somit werden irgendwelche Verstärkungsvariationen innerhalb des Spektrometers proportional zur Impulsfrequenzdifferenz   v      ().).)-Vst    reduziert.



   Entgegen bekannten Schaltungen, in welchen vor dem Integrator zwei gesteuerte Diodenpumpen nebst einer vorausgehenden   Phasenumkehrstufe    verwendet werden, gibt es bei der beschriebenen Anordnung nur eine einzige Diodenpumpe 13 mit dem nachfolgenden elektromagnetischen Polwender 14, welcher die gruppenweise auftretenden Stromimpulse der Gruppe entsprechend mit positiven oder negativen Vorzeichen in den Integrator 15 speist. Diese Schaltung gestattet, die Referenz-sowie die Standardimpulse ausnahmslos über die gleiche Apparatekette 5 und 11-14 dem Integrator 15 zuzuführen, womit sämtliche Parameterdrifte irgendwelcher Elemente der Rückkoppelung unterworfen sind und dadurch   auskorrigiert    werden.



   Weiters sei erwähnt, dass die Standardfrequenz von der Referenzquelle 10 selbst gewonnen werden kann.



  Die   grösste      Verstälkungsempfindlichkeit    der Referenzfrequenz   fu)    liegt vor, wenn die Spannungsschwelle Uo des Referenzdiskriminators 11 gleich Ep, d. h. dem Wert des   Photopeaks,    gewählt wird. Von diesem Umstand wurde im ersten Beispiel bereits Gebrauch gemacht. Die kleinste Verstärkungsempfindlichkeit der Referenzfrequenz   v      () liegt    jedoch vor, wenn Uo =   Er,    wobei unter ET der Impulsamplitudenwert des Tales zwischen Photo-und Comptonpeak verstanden wird. Dieser letzte, im ersten Beispiel nicht   benützte    Umstand gestattet, die Referenzquelle 10 auch als   Standardfrequenzquelle    zu benützen, wenn die Diskriminatorspannungsschwelle Uo bei ET liegt.

   Periodisches Umschalten der   Diskriminatorspannugsschwelle    Uo von Ep nach ET gestattet somit, für   Uo    = Ep die Referenzfrequenz   y      (sl)    und für Uo = ET die Standardfrequenz yst zu gewinnen.

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH Verfahren zur Stabilisierung der Verstärkung von Scintillationsspektrometern, beruhend auf dem Vergleich zweier Impulsfrequenzen, dadurch gekennzeich- net, dass durch den Vergleich einer verstärkungssab- hängigen Referenzimpulsfrequenz v (ll) einerseits und einer ganz oder mindestens nahezu verstärkungsunab- hängigen Standardimpulsfrequenz vs, andererseits ein Rückkoppelungssignal gewonnen wird, das Verstärkungsvariationen innerhalb des Spektrometers proportional zur Impulsfrequenzdifferenz v (,)-vst reduziert.

   UNTERANSPRÜCHE 1. Verfahren nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass durch Verwendung eines mechanischen Choppers ein gruppenweises Auftreten der Referenzimpulse während periodisch sich folgenden Zeitintervallen herbeigeführt wird, und dass Gruppen der Standardimpulse während annähernd gleich langer Zeitintervalle in Abhängigkeit von dem mechanischen Chopper jeweils zwischen den Referenzimpulsgruppen erzeugt werden.

   2. Verfahren nach Unteranspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzimpulse und die Standardimpulse von einem Impulszähler des Spektrometers durch ein Nein-Tor ferngehalten werden, das in Abhängigkeit von dem mechanischen Chopper gesteuert wird.

   3. Verfahren nach Unteranspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Impulsfrequenzvergleich durch abwechslungsweise positives und negatives Einzählen der gruppenweise auftretenden Referenzimpulse bzw.

   Standardimpulse in einen Integrator erfolgt.

   4. Verfahren nach Unteranspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der mittlere Einfluss der X-Quellenimpulse durch Bildung der (v (,)-f-vx)- (vst+vx) eliminiert wird, sofern sich die Intensität der zu überwachenden X-Quelle und damit die Frequenz vx innerhalb der Zeitdauer zwischen den Referez impulsgruppen und den nachfolgenden Standardimpulsgruppen nur unmerklich ändert.

   5. Verfahren nach Unteranspruch 4, dadurch gekennzeichnt, dass das positive und das negative Einzählen der Impulse in den Integrator mit einer einzigen Diodenpumpe und einem in Abhängigkeit von dem mechanischen Chopper gesteuerten Polwender erfolgt.

   6. Verfahren nach Unteranspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Standardfrequenz ost von einem quarzstabilisierten Oszillator gewonnen wird und die Standardimpulsgruppen mittels eines in Abhängigkeit von dem mechanischen Chopper gesteuerten Ja-Tores erzeugt werden.

   7. Verfahren nach Unteranspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Standardfrequenz yst direkt von der Referenzquelle gewonnen wird durch Diskrimination ihrer Impulse an einer Stelle geringer Verstär kungsabhängigkeit.