Gerät zur Messung von Radioaktivität
Vorliegende Erfindung betrifft einen Flüssigkeits Scintillationszähler zur Messung radioaktiviver Strahlung, insbesondere zur Messung weicher Betastrahlung, bei dem die Energie eines radioaktiven Zerfallsereignis- ses in Lichtsignale umgewandelt wird.
Die Messung oder Zählung weicher Betastrahlung ist in letzter Zeit zu einem wichtigen Hilfsmittel im biomedizinischen und chemischen Fach geworden. Die Zählung weicher Betastrahlung ist durch die kürzlich entwickelte Altersbestimmung anhand des Kohlenstoffisotopengehalten berühmt geworden. Radioaktive Stoffe, wie z.B. unstabile Isotopen von Wasserstoff, Tritium H3, Kohlenstoff C14 oder Phosphor P3 sind als Spurenelemente verschiedenen Materialien beigefügt worden, die in Untersuchungen, wie z.B. chemotherapeutischen Versuchen auf biomedizinischem Gebiet, eingesetzt werden.
Ferner wurden radioaktive Stoffe, wie die oben genannten, verschiedenen chemischen Reagenzien vor der vorgesehenen Reaktion beigefügt, um den Reagentienzufluss und die Reaktionsgeschwindigkeit dadurch bestimmen zu können, indem zu verschiedenen Zeitpunkten während des Reaktionsablaufes dem Reaktionsgut Muster entnommen werden.
In den vergangenen Jahren, wurde zur Messung weicher Betastrahlung die Flüssigkeits-Scintillationszählung in vermehrtem Masse gegenüber dem Geiger-Zähler und der proportionalen Zählung vorgezogen. Dafür gibt es verschiedene Gründe: Der Wirkungsgrad bei der Flüssigkeits-Scintillationszählung (kurz: FScZ) ist im allgemeinen grösser bei gleichzeitig vermindertem Nulleffekt.
Vielleicht noch wichtiger ist die grössere Leichtigkeit mit der Muster für die FScZ aufbereitet werden können und die Fähigkeit innerhalb ein und demselben Muster zwei oder mehr Isotopen gleichzeitig zu messen, was mit irgendwelchen anderen bekannten Mitteln undurchführbar ist, besonders wenn es sich um viele Muster handelt.
Kurz, das Flüssigkeits-Scintillationsverfahren kann als ein solches beschrieben werden bei welchem ein Beta Zerfallsereignis eintritt, das von einer Energieübertragung durch die flüssige Lösung zum Scintillator gefolgt ist, der seinerseits Licht emittiert. Ferner kann ein zweiter Scintillator vorhanden sein um die Primäremission zu absorbieren und mit einer grösseren Wellenlänge wieder zu emittieren. Um die Anwesenheit weicher Betastrahlung zu registrieren oder anzuzeigen, wird normalerweise ein Spuren radioaktiver Isotopen enthaltendes Muster in einem Lösungsmittel gelöst oder suspendiert, welches Lösungsmittel nach Massgabe seiner Fähigkeit, aus einem Beta-Zerfallsereignis stammende Energie zu absorbieren und ohne wesentliche Dämpfung weiterzugeben ausgewählt ist.
Normalerweise werden hiezu als Lösungsmittel aromatische Kohlenwasserstoffe wie Toluol, Benzol und Xylolgewählt. Falls diese Lösungsmittel infolge Unverträglichkeit mit dem zu untersuchenden Stoff nicht geeignet sind, werden im allgemeinen andere nicht-polare Lösungsmittel wie Dioxan, Dimethaxyethan oder Methyl Zellusolve benützt. Zur Verbesserung der Energieübertragungseigenschaften wird in diesen Fällen ein aromatischer Kohlenwasserstoff, meist Naphtalin hinzugefügt.
Das Lösungsmittel enthält auch den eigentlichen Scintillator, ein Material, das, sobald es von der durch das Lösungsmittel übertragenen Beta-Zerfallsenergie aktiviert ist, Licht-Scintillationen erzeugt. Die zwei bekanntesten Scintillatoren für routinemässige FScZ sind heute das p-Terphenyl und das 2,5,diphenyoxazolyl (PPO).
Die durch ein typisches Beta-Zerfallsereignis hervorgerufenen Scintiflationen dauern lediglich einige Nanosekunden (ns). Mit P-Terphenyl oder PPO allein, besitzt das emittierte Licht einen Spektralbereich, für den die normalerweise zum Erfassen von Licht benützten Photovervielfacherröhren nicht höchst empfindlich sind. Daher wird meistens ein sekundärer Scintillator als Wellen- längenverschieber , der Lösung beigegeben.
Dieses Material, das in den meisten Fällen entweder 1,4-bis-2-(5- phenyloxazolyl)-Benzol (POPOP) od. 1,4-bis-2-(4-methyl- 5-phenyloxazolyl)-Benzol (dimethyl-POPOP) ist, wird in Spurenmengen beigefügt, und ist fähig die vom primären Scintillator ausgestrahlte Energie zu absorbieren und sie mit einer längeren Wellenlänge, auf die die herkömm lichen Photovervielfacher empfindlicher sind wieder zu emittieren.
Der gesamte Anfall von Licht aus einem einzelnen Zerfallsereignis beträgt etwa sieben Photonen pro KeV.
Damit erzeugt ein mit Höchstenergie erfolgendes H3 Zerfallsereignis (Emax = 18 KeV) weniger als 140 Photonen, während ein Ereignis mit mittlerer Energie (E = 5,6 KeV) f weniger als 40 Photonen erzeugt.
Bei C14 erzeugen die Zerfallsereignisse mit Höchst energie (156 KeV) f etwa 1000 Photonen und jene mit mittlerer Energie etwa 400 Photonen. Das energiereichste in der biomedizinischen Forschung angewendete Isotop ist meistens p32. Mit einem Emax von 1710 KeV, wird das energiereichste Zerfallsereignis von P32 etwa 12 000 Photonen liefern.
Frühere Flüssigkeits-Scintillations-Messgeräte benützten einen einzigen Photovervielfacher mit einer Anzahl Sekundäremissions- oder Prallelektroden (Dynoden) um das aus der Scintillationsflüssigkeit empfangene Licht zu vervielfachen. Die Ausgangsgrösse des Vervielfachers wurde hierauf verstärkt und in einem Impulsscheitelwert Analysator ausgewertet, wobei der Analysator derart vorgespannt wurde, um ein Ausgangssignal zu liefern, sobald das Eingangssignal bestimmte Mindestgrössen überschreitet. Die Anzahl der vom Analysator abgegebenen Impulse wurde dann einem'Schreiber und/oder Zähler zugeleitet, anhand von welchem dann die Strahlungsmenge je Zeitabschnitt arithmetisch ermittelt wurde.
Infolge des in dem Photovervielfacher selbst erzeugten Rauschens waren somit genaue Messungen von schwachen Betastrahlungen nicht möglich.
Die FScZ wurde erst zu einem praktischen Hilfsmittel für die Bestimmung schwacher Betastrahlung mit der Einfühmng der ersten Koinzidenzzähler. In solchen Geräten wird das Prüfmuster zwei Photovervielfächern ausgesetzt. Nur wenn beide Photovervielfacher einen in die koinzidente Auflösungszeit fallenden Ausgangsimpuls liefern wird dieser als von einem tatsächlich erfolgten Zerfallsereignis herstammend angesehen. Ein von dem einen Photovervielfacher abgegebener Ausgangsimpuls, der nicht innerhalb der koinzidenten Auflösungszeit zu einem von dem anderen Photovervielfacher abgegebenen Ausgangsimpuls passt, wird dabei als vom Rauschen des Vervielfachers ausgeschieden und nicht mitgezählt.
Unter den ersten erhältlichen Flüssigkeits-Scintillationszählern der Koinzidenz-Art, war jener Typ mit unsymmetrischem Doppelkanal, bei dem das verstärkte Ausgangssignal eines der beiden Photovervielfacher einer Impulsscheitelwertanalyse unterworfen wurde, während das verstärkte Ausgangs signal des zweiten Photovervielfachers lediglich dazu diente zu bestätigen, ob das Ausgangssignal des ersten Vervielfachers das Ergebnis eines tatsächlich erfolgten Zerfall war oder nicht. Unsymmetrischen Systemen haften jedoch Leistungsbegrenzungen an und zwar infolge ihrer Logik. Wenn die Lichtverteilung zwischen den zwei Photovervielfachern absolut die gleiche ist, dann sollte die Impulsscheitelwertanalyse ein genaues Bild der Energieverteilung in den beobachteten Zertailsereignissen abgeben.
Da es jedoch in Wirklichkeit oft so ist, dass die Lichtverteilung nicht gleichmässig ist, ist das Auflösungsvermögen solcher Systeme stark beeinträchtigt. In solchen Fällen, besonders wenn der Analysator eine unverhältnismässig hohe Lichtmenge erhält, erscheint ein übertrieben grosser Impuls an der Anode und in einem Doppelisotopenversuch könnte dabei ein energiereiches Tritium-Zerfallsereignis als ein energiearmes C14 Zerfallsereignis erscheinen. Umgekehrt, wenn der Analysator weniger Licht erhält. als er eigentlich sollte, würde ein energiearmes H3 Zerfallsereignis gar nicht gezählt, oder, bei einem Doppelisotopenversuch könnte ein 15 KeV C14 Zerfallsereignis in den H3 Zählkanal fallen.
Eine Verbesserung des unsymmetrischen Systems wurde 1963 mit der Einführung des symmetrischen Systems erzielt. Bei dieser Vorrichtung werden die Ausgangsgrössen der beiden Photovervielfacher vor der Verstärkung und vor der Impulshöhenanalyse summiert. Die Summierung der Impulse setzt den Verlust an Auflösungsvermögen infolge ungleicher Lichtverteilung auf ein Mindestmass herab, und verbessert dadurch zugleich wesentlich das Trennvermögen bei Doppelisotopenversuchen. Bei dem 1963 eingeführten System erfolgt die Koinzidenz nach der Impulshöhenanalyse und für jeden Impulshöhenanalysenkanal ist eine separate Koinzidenzschaltung notwendig.
Damit ist sowohl dem unsymmetrischen wie auch dem 1963 eingeführten symmetrischen System eine Grenze gemeinsam, nämlich die, dass die Impulshöhenanalysatoren nicht nur legitime Koinzidenzen sondern auch aus den Photovervielfachern und aus dem Geräterauschen stammende Nicht-Koinzidenzen zu analysieren haben. Infolgedessen müssen Impulshöhenanalysatoren mit kurzen Erholungszeiten benützt werden, um Totzeitverluste oder Erholverluste zu vermeiden. Trotzdem können erhebliche Zählverluste festgestellt werden, sobald mehr als nur mässige Aktivitäten geprüft werden, obschon ausserordentlich schnelle Verstärker und Schreiber benützt werden, da die Impulshöhenanalysatoren eben die Leistungsfähigkeit des Systems beschränken.
Ausserdem benützten die bisher bekannten Geräte in jedem der Kanäle der Impulshöhenanalysatoren separate lineare Verstärker vor dem eigentlichen Analysator. Bei Verwendung solcher Geräte mit Isotopen mit einem weiten Bereich, wie z.B. H3 bis P32 und entsprechend verschiedenen Grenzwerten der Energien der von der Strahlung dieser Isotopen herrührenden Signale, wurden die linearen Verstärker oft überlastet, besonders dann, wenn die beiden Isotopen H3 und P3 in einem einzelnen Muster kombiniert wurden.
In früheren Instrumenten für Doppelisotopenversuche mit zwei Kanälen und einem einzelnen, für beide Kanäle gemeinsamen linearen Verstärker, wurde die Gesamtverstärkung dadurch eingestellt, dass die Hochspannung verändert wurde um die energieärmeren Isotope im Gleichgewichtspunkt in dem einen Kanal zu untersuchen. Dabei verursachten Zerfallsereignisse der energiereicheren Isotope eine Überbelastung des Verstärkers, was eine genaue Analyse der Impulsscheitelwerte verhinderte. Um dies zu vermeiden, wurden in letzter Zeit in jeden Kanal lineare Verstärker mit vorgeschalteten getrennten und regelbaren Dämpfungsglieder eingebaut, wobei die Verstärkung in jedem Kanal einzeln eingestellt wurde, was eine differentielle Zählung in jedem der Kanäle erlaubte.
Obschon mit diesen Massnahmen eine erhöhte Leistungsfähigkeit erzielt wurde, sind damit neue Einbauprobleme aufgetaucht. Sobald nämlich ein energiereiches Ereignis stattfindet, wird der mit einem höheren Verstärkungsfaktor arbeitende, zur Untersuchung der energieärmeren Isotope dienende Kanal dennoch überlastet. Wenn nun ein energiearmes Ereignis eintritt, bevor sich der Verstärker von der Überbelastung erholt hat, wird dieses nicht mitgezählt. Diese Schwierigkeit wird zwar teilweise mit dem Einbau von Verstärkern mit kurzer Erholungszeit teilweise behoben, doch bleibt bei hohen Zählgeschwindigkeiten sogar mit solchen Verstärkern ein Zählverlust offensichtlich.
Ausserdem brachte die Verdoppelung oder gar Verdreifachung der Verstärker und Dämpfungsglieder eine Vervielfachung der Anzahl Bedienungsorgane mit sich, wodurch der Betrieb kompliziert wird. Auch ist es schwierig wiederholbare Einstellungen zu erreichen wenn für energiereiche Isotopen ein erhebliches Mass an Dämpfung benützt wird.
Dementsprechend erschien es wünschenswert, über ein neues Flüssigkeits-Scintillations-Messgerät zu verfügen, das geeignet wäre, Beta-Zerfallsereignisse sowohl von Isotopen mit extrem niedrigem wie auch mit extrem hohen Energiepegel zu messen. Um dies zu erreichen, wurde der vorgeschlagene Flüssigkeits-Scintillationszähler geschaffen, welcher erfindungsgemäss dadurch gekennzeichnet ist, dass Wandler vorgesehen sind, um die Lichtsignale in mindestens zwei elektrische Signale umzuwandeln, dass eine Verstärkereinrichtung vorhanden ist, um mindestens einen Teil der Amplitude dieser elektrischen Signale zu verstärken, wobei der Verstärkereinrichtung mehrere Impulshöhenanalysatoren nachgeschaltet sind.
Erfindungsgemäss wird dieser Flüssigkeits-'Scintillationszähler als Gerät zur Messung des Aktivitätspegels von Strahlungsquellen, die N an Zerfallsereignissen beteiligte Isotopen enthalten, verwendet, wobei jeder Isotope ein Impulshöhenanalysator zugeordnet ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird so vorgegangen, dass ein von einer radioaktiven Quelle herrührendes Beta-Zerfallsereignis zuerst in Lichtenergie- und dann in elektrische Impulse oder Signale mit einer zur Energieamplitude des betreffenden Zerfallsereignisses proportionalen Grösse umgewandelt werden. Diese elektrischen Signale werden anschliessend mittels eines logarithmischen Verstärkers, verstärkt, der jedes der elektrischen Signale differentiell im Abhängigkeit einer vorbestimmten Verstärkungs-Charakteristik derart verstärkt, dass über mindestens einen Teil seiner Verstärkungskennlinie mit wachsendem Eingangs signal die Verstärkung desselben abnimmt.
Zum besseren Verständnis der Erfindung wird auf die nachfolgende Beschreibung anhand der Zeichnung von Ausführungsbeispielen verwiesen. Es zeigt:
Fig. 1 ein Blockschema eines Flüssigkeits-Scintillationsgerätes nach der Erfindung;
Fig. 2 ein schematisches Diagramm der Anschlussweise der Photovervielfacherröhren in einem erfindungsgemässen Gerät;
Fig. 3 ein vereinfachtes Schema eines typischen logarithmischen Verstärkers zur Verwendung in dem Gerät nach Fig. 1;
Fig. 4 ein vereinfachtes Schema einer Ausführungsvariante eines nichtlinearen logarithmischen Verstärkers zur Verwendung in dem Gerät nach Fig. 1;
Fig. 5 ein vereinfachtes Schema einer für das Gerät der Fig. 1 geeigneten Auslöseschaltung und eines Koin zidenztores;
Fig. 6 ein vereinfachtes Schema eines für das Gerät der Fig. 1 geeigneten linearen Tores;
Fig. 7 ein zum Teil vereinfachtes logisches Blockschema eines Impulshöhenverstärkers, der für das Gerät der Fig. 1 geeignet ist;
Fig. 8 ein Blockschema eines unsymmetrischen Scintillationsgerätes mit einem nichtlinearen logarithmischen Verstärker;
Fig. 9 ein Blockschema eines symmetrischen Scintillationsgerätes mit einem nichtlinearen logarithmischen Verstärker.
In der Fig. 1 ist ein Flüssigkeits-Scintillations-Zähl- oder Messgerät als Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes dargestellt. Das dargestellte Gerät wird dazu benützt, um Beta-Zerfallsereignisse zu messen, die in Lichterscheinungen umgewandelt wurden, um einen Hinweis auf die Art der in dem untersuchten Muster normalerweise als Spurenelement enthaltenen radioaktiven Isotope zu liefern. Das untersuchte Muster und der Scintillator sind allgemein mit 21 bezeichnet.
Ganz allgemein wird ein Muster, das Spuren von gegebenenfalls Tritium H3 und Phosphor P32, die beide unstabile, radioaktive Isotopen sind, enthält, in einem Lösungsmittel aufgelöst, welches ein ebenfalls darin gelöstes Scintillator-Material enthält, wie bereits erwähnt, wird auch ein Sekundär Scintillator in dem Lösungsmittel gelöst, um das primäre durch Protonenproduktion erzeugte Licht in ein Licht mit einer anderen Wellenlänge umzuwandeln, auf welche die benützten Photoröhren empfindlicher sind. In diesem Zusammenhang ist zu erwähnen, dass unter dem Begriff Licht ganz allgemein elektromagnetische Energie verstanden werden soll, wie z.B. Licht in sichtbaren, infraroten, ultravioletten Bereich usw. Das Muster und der Scintillator sind im allgemeinen in einem lichtdurchlässigen Behälter, z.B. aus Glas, Kunststoff oder Quarz angeordnet.
Dem Muster und Scintillator 21 benachbart sind zwei Photoröhren 22 und 23 angeordnet. Im allgemeinen und mit Vorteil sind die Flächen der beiden Photoröhren einander gegenüber angeordnet. Die Photovervielfacher können von der Art der Netzvervielfacher, der Magnetvervielfacher, der Fokussiervervielfacher oder einer beliebigen anderen Art sein. Besonders von der Art der Magnetvervielfacher sind Photovervielfacher mit zehn, elf und dreizehn oder mehr Prallelektroden sowie mit Quarz- oder Glasfenstern erhältlich. Die Vervielfacher und der Muster- und Scintillatorbehälter werden normalerweise in einem lichtdichten Abteil untergebracht, so dass von aussen einfallendes Fremdlicht das Erfassen von Lichterscheinungen im Muster durch die Vervielfacher nicht stört.
Dabei wird normalerweise das Muster mit dem Scintillator mittels einer Hebevorrichtung in eine lichtdichte Kammer mit eben solchem Verschluss abgesenkt, um zu verhindern, dass von aussen einfallendes Fremdlicht von den Vervielfachern empfangen und verstärkt wird. Es ist indessen auch möglich Halbleiter Photozellen oder andere Umwandler für radioaktive Energie zu verwenden.
Die von den beiden Vervielfachern 22 und 23 empfangenen Photonen, die von einer Umwandlung eines Beta-Zerfallsereignisses in Photonen herrühren, gelangen als Impulse über Zuführleitungen 26 und 27 zu einer Addierschaltung 25. Bei der bevorzugten Ausführungsform wird die zwölfte Prallelektrode der Vervielfacher über die Leitungen 26 und 27 mit der Addierschaltung 25 verbunden. Die Anschlüsse an die Anoden der Vervielfacher werden nachstehend im Zusammenhang mit dem Koinzidenztell des in Fig. 1 dargestellten Gerätes beschrieben.
Die Addierschaltung 25 ist vorzugsweise aus einem ohmschen Netzwerk aufgebaut, könnte aber ebensogut aus einer komplizierteren Impulsaddiervorrichtung bestehen.
Die von der Addierschaltung 25 abgegebenen elektrischen Signale werden anschliessend einen nicht-linearen Verstärker, z.B. einem logarithmischen Verstärker 30 zugeführt der eine solche Kennlinie aufweist, dass bei einem Eingangs signal mit niedriger Amplitude die Verstärkung stärker ist als bei einem Eingangssignal mit einer höheren Amplitude. Mit anderen Worten sollte die nicht lineare Verstärkung eine Kennlinie (Ausgangsspannung über Eingangsspannung aufgetragen) haben, die stets eine positive Krümmung hat. Mit Vorteil sollte der Verstärker für die bei der FScZ erwartbaren Energien nicht sättigbar sein.
Es versteht sich, dass auch ein linear-logarithmischer Verstärker in diesem Gerät Verwendung finden kann, solange dessen Kennlinie den vorstehend erwähnten Bedingungen gehorcht, obwohl infolge des zu erwartenden Bereiches der zu verstärkenden Signale in dem vorgeschlagenen Gerät ein rein logarithmischer bevorzugt wird.
Mit der Verwendung des zuvor beschriebenen logarithmischen Verstärkers lassen sich Doppel-Isotopenversuche mit weit auseinanderliegenden Energie spektren durchführen, ohne die lästigen Wirkungen der Verstärkersättigung zu gewärtigen, :und damit Zählverluste bezüglich Beta-Zerfallsereignisse. Ausserdem erwächst aus der Verwendung dieser Art des nicht-linearen Verstärkers eine wesentliche Vereinfachung und Kosteneinsparung gegenüber bisher bekannten Scintillations-Zählgeräten, bei denen ein getrenntes Dämpfungsglied in jedem der Kanäle eines Doppel-Isotopen-Versuchsgerätes zusammen mit je einem linearen Verstärker vorgesehen werden musste. Daraus ergibt sich, dass mit der Anwendung nicht-linearer Verstärkung Isotopen mit einem weiten Beta-Zerfalls-Energiebereich gleichzeitig untersucht werden können.
Um die Wirkung des unvermeidbaren, in den Vervielfachern erzeugten zufälligen Rauschens zu vermindern, ist eine Koinzidenzschaltung 35 vorgesehen, um nur legitime Beta-Zerfallsereignisse durch den analysierenden Teil des Gerätes empfangen zu lassen. In der dargestellten Ausführung besitzt die Koinzidenzschaltung 35 zwei Triggerschaltungen 36 und 37 die an ein Koinzidenztor 38 angekoppelt sind, das seinerseits mit einem an den logarithmischen Verstärker 30 angeschlossenen linearen Tor 39 verbunden ist. Die Triggerschaltungen 36 und 37 sind mittels Leitungen 41 und 42 mit den Anoden der Photovervielfacher 22 bzw. 23 verbunden. Beim Empfang eines Signals durch beide Trigger-Schaltungen 41 und 42, wird ein Signal an das Koinzidenztor 38 abgegeben, wodurch dieses ein Signal zur Betätigung des linearen Tores 39 abgibt.
Beim Empfang dieses letzteren Signals gestattet das lineare Tor 39 dem analogen, die Amplitude des Beta-Zerfallsereignisses darstellenden Signales den Durchgang zu dem analysierenden Teil des Gerätes. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist das lineare Tor ein solches, bei dem das Ausgangssignal zu dem Eingangssignal proportional ist. Dies im Gegensatz zu einem nicht-linearen Und -Tor, bei dem die Amplitude des Ausgangssignals unabhängig v. jener des Eingangssignals ist.
Wenn ein irrtümlicherweise von der Leitung 41 erfasstes Signal an die Triggerschaltung 36 angelegt wird, ohne dass ein ähnliches Signal von dem Vervielfacher 23 erfasst würde, schliesst das Koinzidenztor nicht und verhindert dadurch, dass ein illegitimes) y Signal, im allgemeinen vom Rauschen in einem der Vervielfacher herrührend, an den analysierenden Teil des Gerätes weitergegeben wird. Nachdem ein legitimes Signal die Koinzidenz-Schaltung 39 durchquert hat, wird es gleichzeitig zwei getrennten Analysekanälen 43 und 44 zugeführt. In diesen Kanälen sind normalerweise Impulshöhenanalysatoren 45 und 47 vorhanden, welche Diskriminatoren enthalten, um nur Signale oder Impulse von vorbestimmten Amplitudenbereichen zur Zählung an geeignete Schreiber und/oder Zähler 46 und 48 weiterzugeben.
Mit der Verwendung von zwei Impulshöhenanalysatoren 45 und 47, von denen jeder so eingestellt ist, um nur das Erfassen von Impulsen verschiedener Amplituden zuzulassen, können Signale, die von Beta-Zerfallsereignissen von energiearmen Isotopen wie z.B. Tritium herrühren von solchen die entsprechend von energiereichen Isotopen wie z.B. Phosphor P32 herrühren, getrennt werden. Im wesentlichen sind die Impulshöhen analysatoren vom Fenster -Typ und arbeiten in der Regel in Antikoinzidenz, so dass wenn ein Signal erfasst würde, das eine einen bestimmten Wert übersteigende Amplitude hat, dieses nicht durch den Analysator hindurchgelassen und zur Zählung im Schreiber und/oder Zähler weitergegeben würde. Beispiele geeigneter Impulshöhenanalysatore finden sich in Nuclear Pulse Spectrometry von Robert L.
Chase (McGraw Hill Book Co., 1961) Kapitel 3 und 4.
Die Schreiber und/oder Zähler können allgemein übliche Mehrzweckinstrumente sein, solange ihre Ansprechschwelle grössenordnungsmässig etwa gleich wie die vom Gerät zu erwartende Impulsfolgefrequenz ist.
Es können Ringzähler oder herkömmliche binar kodifizierte Dekadenzähler verwendet werden und zwar zusammen mit Anzeigevorrichtungen wie z.B. binäre Vorrichtungen, die im wesentlichen Binämntersetzer sind. Um die der während der Untersuchung des Musters mit dem Gerät durchgeführte Zählung entsprechenden Daten greifbar zu machen, können vorzugsweise elektrolumineszente Datenanzeiger oder digitale Anzeigeinstrumente benützt werden, die ferner mit Magnetband- oder Lochkartengesteuerten Schreiber ergänzt oder kombiniert werden können, um die vom Zähler durchgeführten Zählungen aufzuzeichnen. Damit kann mit dem in Fig. 1 dargestellten Gerät ein Doppelisotopenversuch durchgeführt werden, ohne dass es wie bisher nötig wäre separate Dämpfungsglieder und separate Verstärker einzusetzen.
Dazu kommt, dass mit dem in Fig. 1 dargestellten Gerät nur legitime oder tatsächlich erfolgte Zerfallsereignisse zur Analyse zugelassen werden, womit ein Zählverlust infolge der langen Ansprechzeit der erhältlichen Impulshöhenanalysatoren vermieden ist.
In Fig. 2 sind in schematischer Darstellung die Einzelheiten einer Schaltung der Photovervielfacher, welche für das Blockschema der Fig. 1 geeignet ist, dargestellt.
Die Vervielfacher 22 und 23 weisen eine Hülle 50, eine Photokathode 51 zum Empfang von Photonen aus dem Muster 21, eine Mehrzahl von allgemein mit 53 bezeichneten Prallelektroden zur Verstärkung des von der Photokathode empfangenen Signales und eine Anode 55 auf.
Die Kathode 51, die Prallelektroden 53 und die Anode sind untereinander durch ein ohmsches Netzwerk 57 verbunden, das seinerseits an eine Hochspannungsquelle angeschlossen ist. Das der Addierschaltung zugeführte Signal wird über einem Widerstand 59 abgenommen, während das der Koinzidenzschaltung zugeführte Signal über einem Widerstand 60 abgenommen wird, wodurch der addierende und der verstärkende Teil des Gerätes von der Koinzidenzschaltung getrennt ist. Damit sind auch Übersprecheffekte und Rauscheffekte weitgehend vermindert.
In Fig. 3 ist ein nicht-linearer Verstärker des logarithmischen Typs dargestellt, der mit Vorteil eine Kennlinie besitzt, bei der die Ausgangsspannung E-Aus gleich
K. log x. E-Ein ist, wobei E-in die Eingangsspannung, K eine Konstante und x eine Zahl grösser als 1 ist. Diese
Kennlinie wird durch Verwendung einer Diode, vorzugs weise einer epitaxialen Flächendiode, z.B. einer 1 -N-
4009, erreicht, welche in der Fig. 2 mit 70 bezeichnet ist.
Der Eingang der Schaltung der Fig. 3, allgemein als
Addierschaltung 25 bezeichnet, besitzt zwei parallele Wi derstände 71 und 72, die an die Prallelektroden der ent sprechenden Photovervielfacher 22 und 23 angeschlossen sind. Die Eingangssignale werden dann über einen Ein gangskondensator 73 einem ersten Transistor 81 zugeführt, der einen Ermitter 81a, eine Basis 81b und einen Kol lektor 81c besitzt. Mit dem Emitter 81a ist ein Emitter strom-Begrenzungswiderstand 82 und mit der Basis 81b ein Ableitwiderstand 83 verbunden. An den Kollektor 81c ist die logarithmische Diode 70 angeschlossen, die ihrer seits mit einer Spannungsquelle V1 verbunden ist. Der
Transistor 81 bewirkt, dass der Steuerstrom durch die
Diode 70 konstant bleibt.
Da nun die Diode eine loga rithmische Stromspannungs-Kennlinie besitzt, verursa chen Eingangssignale aus der Eingangsschaltung 25 infol ge der Veränderung der Basisvorspannung am Tran sistor 81 eine Veränderung des Momentanwertes des
Stromes durch die Diode 70 und mithin eine Spannung änderung entsprechend der Änderung des Stromes durch die Diode. Diese Spannungsänderung wird sodann über einen Emitter-Folge-Transistor 90 mit Emitter 91a, Basis
91b und Kollektor 91c angelegt. Der Emitter 91a ist mit einem Emitter-Lastwiderstand 92 verbunden, der seiner seits an einen Ausgangskopplungskondensator 93 ange schlossen ist, um die Spannungsänderung dem nächsten
Teil des Gerätes weiterzugeben.
Um den mittleren Gleichstrom durch die logarithmi sche Diode 70 bei hohen Folgefrequenzen von Eingangs signalen konstant zu halten, ist eine Bezugsdiode 94 mit derselben Kennlinie wie die Diode 70 vorgesehen. Durch die Diode 94 fliesst derselbe Steuergleichstrom wie durch die Diode 70. Dies wird dadurch erreicht, dass ein Strom begrenzungswiderstand 95 zwischen die Diode 94 und
Masse geschaltet ist, und dass die andere Seite der Diode
94 an der Eingangsspannungsquelle V1 angeschlossen ist.
Durch die Verwendung eines Transistors 96 mit Emit ter 96a, Basis 96b und Kollektor 96c in einer Rück kopplungsschleife, um den Spannungsabfall über der
Diode 94 zu erfassen, durch gleichzeitigen Vergleich dieses Signals mit der von dem Emitter-Folge-Transistor über der Diode 70 erfassten Spannung und durch An legen dieser beiden Signale über einen Differentialwider stand 97, wird die Differenz der Spannungen über den beiden Dioden 70 und 94 bestimmt. Diese Differenz spannung wird sodann einem Transistor 98 mit einem
Emitter 98a, einer Basis 98b und einem Kollektor 98c zugeführt. Dieser Transistor 98 ist an eine Spannungs quelle angeschlossen, so dass der Spannungsabfall über dem Transistor 98 entsprechend der über dem Wider stand 97 ermittelten Differenzspannung verändert.
Dieses
Signal wird nun einem Widerstand 99 zugeführt, der an die Basis 81b des Transistors 81 angeschlossen ist, um den mittleren Strom durch die logarithmische Diode auf demselben Wert wie derjenige durch die Bezugsdiode zu halten und dies unabhängig von der Impulsfolgefrequenz der ankommenden Signale.
In Fig. 4 ist eine Ausführungsvariante eines für das in Fig. 1 dargestellte Gerät geeigneten logarithmischen
Verstärkers dargestellt. Der Eingang zu der in Fig. 4 gezeigten Schaltung weist eine Addierschaltung 25 mit zwei parallel geschalteten Widerständen 101 und 102 auf.
Diese Widerstände sind über einen Eingangskondensator
103 mit einer konstanten Stromquelle 105 verbunden.
Diese Stromquelle besitzt drei Transistoren 106, 107 und
108. Die Transistoren 106 und 107 sind in Differentialschaltung geschaltet, um die Verstärkxung die bei 165 dargestellte Tunneldiode. Diese Diode ist mittels einem Widerstand 167 derart mit Gleichstrom vorgespannt, dass sie auf einem Teil der positiven Krümmung der negativen Widerstandskennlinie arbeitet. Bei der Anwesenheit eines Eingangssignals aus der Anode des Photovervielfachers schaltet die Diode auf die andere positive Krümmung ihrer negativen Widerstandskennlinie um. Dies hat eine Spannungsänderung über der Tunneldiode 165 zur Folge, welche über eine Diode 169 an das Koinzidenztor weitergeleitet wird.
Die Tunneldiode 165 schaltet anschliessend zurück auf den ursprünglichen statischen Arbeitspunkt und zwar infolge der Auf- und Entladung einer Induktivität 166, welche mit der Diode 168 kombiniert, die Diode 165 in ihren ursprünglichen Gleichstrom-vorgespannten Zustand zurückführt.
Der Teil der Schaltung der Fig. 5, der als Koinzidenztor dient, ist im wesentlichen eine Und -Schaltung, und weist zwei Eingangswiderstände 201 und 202 auf die an die Triggerschaltungen 36 bzw. 37 angekoppelt sind. Das Koinzidenztor 38 weist ebenfalls eine Tunneldiode 203 auf, die derart vorgespannt ist, dass Signale aus beiden Triggerschaltungen erforderlich sind, um sie auszulösen. Die Tunneldiode 203 ist über einen Strombegrenzungswiderstand 206 mit Gleichstrom vorgespannt, so dass ihr statischer Arbeitspunkt auf einer der positiven Krümmungen ihrer negativen Widerstandskennlinie liegt. Die Diode 203 wird beim koinzidenten Eintreffen von Signalen aus beiden Triggerschaltungen 36 und 37 veranlasst, auf den anderen Teil mit positiver Krümmung ihrer Kennlinie umzuschalten.
Die Diode 203 wird ferner auf ihren ursprünglichen Zustand durch die Wirkung einer Induktivität 205 und einer Diode 207 zurückgeschaltet. Durch Einstellung der an die Tunneldioden der Triggerschaltungen 36 und 37 angelegten Vorspannung ist es möglich, das Zeitauflösungsvermögen der Koinzidenz des Koinzidenztores 38 einzustellen.
In Fig. 6 ist ein vereinfachtes Schema eines linearen Tores 39 dargestellt, das für das Gerät der Fig. 1 geeignet ist. Es besitzt einen Eingangskondensator-220 und Widerstand 221 welche Eingangssignale aus dem logarithmischen Verstärker 30 an einen ersten Transistor 222 ankoppeln. Dieser Transistor ist in Emitterschaltung an die Diode 223 angeschlossen, die ihrerseits mit einem Kollektor eines Transistors 226 verbunden ist. Dieser Transistor 226 ist über eine kapazitiv-ohmsche Eingangsschaltung 229 und 230 an das Koinzidenztor 38 angeschlossen. Bei Anwesenheit eines Signales aus dem Koinzidenztor 38 wird der Transistor 226 abgeschaltet und damit die Diode 223 eingeschaltet. Bei Anwesenheit eines Signals aus dem logarithmischen Verstärker entsteht am Kollektor des Transistors 226 ein Signal wie das schematisch dargestellte.
Dieses Signal enthält eine Basiskomponente, die durch ein Paar Transistoren 233 und 234, welche als Basisausscheider arbeiten, entfernt. Daraufhin erscheint ausgangsseitig an dem Kondensator 238 ein Ausgangssignal wie das in der Figur 6 angegebene. Selbstverständlich können andere lineare Torschaltungen, wie z.B. ein Relais, genau gleich wirken, doch wird die in Fig. 6 dargestellte Schaltung in diesem besonderen Zusammenhang infolge ihrer Ansprechgeschwindigkeit bevorzugt.
In Fig. 7 ist ein teilweise vereinfachtes Blockschema eines Impulshöhenanalysators, der in dem Gerät derFig. 1 benützt werden könnte, dargestellt. In diesem Schema gelangt ein Eingangssignal aus dem linearen Tor über einen Kondensator 250 zum Impulshöhenanalysator.
Hier gelangt es zunächst an eine Signalvergleichsschaltung 255. Der eine Eingang dieser Vergleichschaltung 255 ist über veränderliche Widerstände 251 und 252, während der andere Eingang über einen regelbaren Widerstand 256 mit Gleichstrom vorgespannt ist. Durch geeignete Einstellung der Widerstände 251, 252 und 256 wird jedesmal ein differentielles Ausgangssignal erzeugt, sobald das Eingangssignal eine bestimmte Höhe übersteigt. Eine Vergleichs schaltung, die für diesen Zweck geeignet wäre. enthält eine Differentialverstärkerschaltung oder andere geeignete Servokomparatoren. Das aus der Vergleichs schaltung stammende Ausgangssignal wird dann dem Eingang eines Schmidt-Triggers 260 zugeführt.
Dieser Trigger schaltet in Abhängigkeit der Amplitude des Signals aus der Vergleichsschaltung 255 ein und aus.
Am Ausgang des Schmidt-Triggers erscheint ein Impuls mit einer Impulsbreite, die in Beziehung mit der Amplitude des Eingangssignals steht. Der Ausgang des Schmidt-Triggers ist mit einem bistabilen Flip-Flop-Impulsformer 261 verbunden, dessen Eingangskreis Dioden 262 und 263 aufweist. Durch die Verwendung zweier entgegengesetzt geschalteter und vorgespannter, an die eine Hälfte der Flip-Flop-Schaltung angeschlossener Dioden, wird diese entsprechend der Grösse des von der Triggerschaltung abgegebenen Signals eine und ausschalten. Der Ausgang der Flip-Flop-Schaltung 261 wird dann über einen Kopplungskondensator 265 einer Und Schaltung 266 zugeführt. Das resultierende Signal ist über der von rechts zum Kondensator 265 führenden Linie dargestellt.
Es ist zu beachten, dass dieses Signal einen negativen und einen positiven Ausschlag hat, die um einen, der Impulsdauer des von der Flip-Flop-Schaltung 261 herkommenden Signals entsprechenden Abstand auseinander liegen.
Das Eingangssignal aus dem linearen Tor wird auch über einen Kondensator 300 einer zweiten Vergleichsschaltung 305 zugeführt. Der eine Eingang dieser Vergleichsschaltung ist mit zwei regelbaren Widerständen 301 und 302 verbunden, die dazu bestimmt sind, die an diesen Eingang angelegte Vorspannung zu verändern.
Der andere Eingang zu der Vergleichsschaltung ist ebenfalls über einen regelbaren Widerstand 306 vorgespannt.
Durch Einstellung des Widerstandes 302 erhält man jeweils ein Differenzsignal sobald das Eingangssignal eine bestimmte Höhe übersteigt. Der Ausgang der Vergleichsschaltung 305 ist über einen Kopplungskondensator 307 mit einem Schmidt-Trigger 308 verbunden. Dieser Trigger ist ausgangsseitig an einen bistabilen Flip-Flop-Impulsformer 309 mit mehrfachen Eingangsdioden 310 und 311 angeschlossen, die ihrerseits eine Hälfte der Flip Flop-Schaltung entsprechend dem aus dem Schmidt-Tirgger stammenden Signal eine und ausschalten. Der Ausgang der Flip-Flop-Schaltung 309 ist über eine Kopplungskondensator 318 mit einer weiteren bistabilen Flip Flop-Schaltung 315, welche als Speicher dient, verbunden.
Der Ausgang der zuvor erwähnten Flip-Flop-Schaltung 261 ist ebenfalls an die andere Seite der bistabilen Flip-Flop-Schaltung 315 über Dioden 316 und 317 angeschlossen. Der Ausgang des Speicher-Flip-Flops 315 ist schliesslich über einen Kopplungskondensator 319 an die Und > -Schaltung 266 angeschlossen.
Es soll nun angenommen werden, dass die erste Vergleichsschaltung 255 so vorgespannt ist, dass sie nur dann ein Differenzsignal abgibt, wenn das Eingangssignal ein Spannung V1 übersteigt, und dass die zweite Vergleichsschaltung 305 nur dann ein Ausgangssignal abgibt, wenn das ihr zugeführte Eingangs signal eine Spannung V2 übersteigt, wobei V2 grösser als V1 sei.
Unter dieser Annahme wird bei allen Signalen, die kleiner als y sind, die bistabile Flip-Flop-Schaltung 309 kein Signal abgeben, während das Signal aus der bistabilen Flip-Flop-Schaltung 261 den Flip-Flop-Speicher 315 veranlassen wird, seinen Zustand für einen Zeitintervall zu ändern, welcher Intervall durch die Impulsdauer des'Signals aus der Flip-Flop-Schaltung 261 gegeben ist, was zwei Ausschläge ergibt, die in ausgezogener Linie über der zwischen Kopplungskondensator 319 und der Und -Schaltung liegenden Leitung dargestellt ist. Da die Und > -Schaltung 266 derart ausgeführt ist, dass sie nur auf positiv ansteigende Impulse anspricht, sind die beiden Eingangssignale zur Und -Schaltung zeitlich koinzident und am Ausgang derselben wird ein Ausgangssignal erscheinen.
Wenn nun das Eingangssignal zum Analysator sowohl grösser als Vt und als V ist, veranlasst das Signal aus der bistabilen Flip-Flop-Schaltung 261 den bistabilen Flip-Flop-Speicher 315 seinen Zustand anfänglich zu ändern, doch wird dieser durch ein weiteres Signal aus der Flip-Flop-Schaltung 261 in seinen ursprünglichen Zustand zurückversetzt. Damit wird am Ausgang des Speichers 315 ein Signal wie punktiert angedeutet erscheinen und dementsprechend werden die positiv ansteigenden Impulse am Eingang der Und > -Schaltung 266 zeitlich nicht koinzident sein und kein Ausgangssignal wird am Ausgang derselben erscheinen.
Dies entspricht im wesentlichen was unter dem Begriff eines Fenster - oder Antikoinzidenz-Impulshöhenanalysator bekannt ist, der nur auf Eingangssignale, die zwischen vorbestimmten Spannungen (V1 bis V2) liegen, ein Ausgangs signal abgibt, das anschliessend in einem Zähler gezählt werden kann. Wie bereits erwähnt, eignen sich viele Impulshöhenanalysatoren für das erfindungsgemäss vorgeschlagene Gerät, und dementsprechend soll die Erfindung nicht auf den beschriebenen Analysator beschränkt bleiben, obwohl dieser infolge seiner Ansprechgeschwindigkeit und seiner Einfachheit bevorzugt wird.
In Fig. 8 ist ein Blockschema eines unsymmetrischen Scintillator-Gerätes dargestellt, das den nicht-linearen Verstärker benützt. In dieser Ausführungsform ist der nicht-lineare Verstärker vorzugsweise wieder ein logarithmischer, wie der zuvor beschriebene.
In der Fig. 8 sind zwei Photovervielfacher 350 und 351 dargestellt, die zur Beobachtung des Musters mit Scintillator 352 angeordnet sind. Der Photovervielfacher 350 ist an einen logarithmischen Verstärker 355 angeschlossen, der seinerseits mit Impulshöhenanalysatoren 356 und 357 verbunden ist. Die Ausgänge dieser Analysatoren sind an Koinzidenztore 358 bzw. 359 angeschaltet, die ihrerseits an Zählern und/oder Schreibern 360 bzw. 361 angeschlossen sind. Die Koinzidenz wird mittels eines vom Photovervielfacher 351 ausgehenden Signals erreicht, welcher Vervielfacher an einem Verstärker 365 und an einem Impulshöhenanalysator 366 angeschlossen ist. Beim Eintreffen eines Signals an den Koinzidenztoren 358 und 359, wird das Ausgangssignal der Analysatoren 356 bzw. 357 durch die Zähler und/oder Schreiber 360 bzw. 361 gezählt.
Damit ist ein unsymmetrisches Gerät geschaffen, bei dem durch die Verwendung eines einzelnen Verstärkers 355 mit einer logarithmischen Kennlinie und einem weiten dynamischen Bereich über die erwartbaren Eingangsspannungen eine überlastung des Verstärkers und des Analysators vermeidet.
In Fig. 9 ist ein Scintillations-Messgerät mit nichtlinearer Verstärkung dargestellt. Dieses Gerät besitzt zwei Photovervielfacherröhren 375 und 376 die derart angeordnet sind, dass sie von dem Muster mit Scintillator 377 ausgehendes Licht erfassen. Die Ausgangssignale der Vervielfacher 375 und 376 werden in einer nachgeschalteten Addierschaltung 378 summiert und von da aus einem nicht-linearen Verstärker 380, z.B. einem logarithmischen Verstärker mit einer I-V-Kennlinie einer Diode, wie zuvor beschrieben, zugeführt.
Das von dem logarithmischen Verstärker ausgehende Signal wird anschliessend normalen Impulshöhenvorrichtungen 381 und 382 zugeführt, deren Kanal-Ausgänge über zwei Koinzidenztoren 383 bzw. 384 mit zwei Zähler/Schreibern 385 bzw. 386 verbunden sind. Die Koinzidenz zwischen den von beiden Vervielfachern 375 und 376 empfangenen Signalen wird durch die Verwendung eines Koinzidenztriggers 390 erzielt, der seinerseits an beide Koinzidenztore 383 und 384 gekoppelt ist. Daraus geht hervor, dass dieses symmetrische Gerät infolge der Verwendung eines nicht-linearen Verstärkers ohne Dämpfungsglieder in jedem der Kanäle auskommt, um eine Überlastung der Verstärker und/oder der Impulshöhenanalysatoren zu vermeiden.
Dies wird mit einem einzelnen Verstärker mit einer vorbestimmten Kennlinie erreicht, der eine überbelastung vermeidet und damit die Möglichkeit eines Zählverlustes infolge Sättigung der verschiedenen Einrichtungen im Gerät vermeidet.
Es versteht sich, dass die Grundzüge der Erfindung sich auf die Messung anderer Radioaktivität, z.B. Gamma- oder Alpha-Strahlung anwenden lassen. Um Gamma Strahlung zu messen, wird die von einer Gamma-Quelle emittierte Strahlung mittels des Compton-Effektes in Licht-Scintillationen umgewandelt, die anschliessend wie vorstehend beschrieben analysiert und gezählt werden.
Alpha-Strahlung kann ebenfalls auf ähnliche Weise oder sogar direkt unter Verwendung einer Ionisationskammer erfasst werden.
Damit ist dargelegt worden, dass von den eingangs erwähnten Zielen, die ausdrücklich in der vorstehenden Beschreibung genannten wirksam erreicht sind, und, da gewisse Abänderungen in den beschriebenen Konstruktionen und Geräten möglich sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen, versteht es sich, dass die vorliegende Spezialbeschreibung lediglich als Beispielsangabe und keineswegs einschränkend verstanden werden soll.