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TECHNISCHER BEREICH
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Verarbeitungsschaltung für Spektrometrieketten
und eine mit einer solchen Schaltung ausgestattete Spektrometriekette.
Eine Spektrometriekette ist eine Vorrichtung zur Messung der Energie
einer in einen Strahlungsdetektor einfallenden Partikelstrahlung.
Eine solche Spektrometriekette ermöglicht auch, die Zahl der pro
Zeiteinheit einfallenden Partikel zu zählen. Unter Partikelstrahlung
versteht man die Emission oder den Transfer von Energie in Form
von Partikeln. Die Strahlung kann zum Beispiel durch Photonen gebildet
werden (wobei die Photonen als stabile Elementarpartikel betrachtet
werden), eine Gammastrahlung sein, die eine durch Photonen gebildete
Strahlung ist, die im Laufe eines Kernübergangs- oder Partikelannihilationsprozesses
abgestrahlt werden, eine Röntgenstrahlung
oder ein Neutronen- oder Protonenflusses sein.
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Die
Spektrometrieketten finden Anwendung insbesondere im medizinischen
Bereich, bei der zerstörungsfreien
Werkstoffkontrolle oder bei der wissenschaftlichen Instrumentierung.
Auf dem Gebiet der medizinischen Bildverarbeitung gibt es eine schnelle
Entwicklung von Gammakameras mit zweidimensionalen Strahlungsdetektoren.
Bei eindimensionalen Strahlungsdetektoren erscheinen zahlreiche
Monokanalsonden auf dem Markt; es handelt sich zum Beispiel um präoperative
Sonden, nukleare Sonden zur Kontrolle von bestrahlten Brennelementen,
Sonden für
wissenschaftliche Instrumentierung.
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STAND DER TECHNIK
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Die
Spektrometrieketten umfassen üblicherweise
einen Partikelstrahlungsdetektor, eine Verarbeitungsschaltung des
durch den Detektor gesendeten Signals und eine Schaltung zur Erfassung
des durch den Detektor gelieferten Signals nach der Verarbeitung.
Die Spektrometrieketten benutzen vorzugsweise Strahlungsdetektoren
auf der Basis von Halbleitern wie CdZnTe, CdTe:Cl, CdTe:In, was
ihnen ermöglicht,
bei Umgebungstemperatur zu arbeiten und dabei kompakt zu sein, das
sie keine Kühlvorrichtung
benötigen.
Diese Strahlungsdetektoren haben weitere Vorteile. Da sie die Strahlung
direkt in ein elektrisches Signal konvertieren (generell in Form
eines elektrischen Stromes), anstatt das Stadium der elektrischen
Ladungen zu durchlaufen, wie im Falle eines einem Photovervielfacher
zugeordneten Szintillators, ermöglichen
sie eine sehr gute Energieauflösung.
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Die
Verarbeitungsschaltung muss die Energie aller einfallenden Partikel,
die mit dem Detektor interagiert haben, mit der größtmöglichen
Genauigkeit zählen
und messen (man spricht dann von Detektionswirkungsgrad).
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Je
nach Anwendungsbereich wird die einfallende Partikelstrahlung durch
ein Energiespektrum von mehr oder weniger zahlreichen Partikel (Photonen,
Neutronen oder Protonen) mit einem sehr variablen Energiebereich
gebildet (zum Beispiel von einigen keV bis einige MeV bei einer
Gammaspektrometrie). Man muss also die Geometrie des Halbleiterdetektors,
zum Beispiel seine Fläche
und seine Dicke, entsprechend anpassen, um den Detektionswirkungsgrad
und die Empfindlichkeit der Spektrometriekette wie erwünscht zu
erhalten. Zum Beispiel ist eine Dicke von weniger als einem Millimeter
ausreichend, um die Mehrzahl der Niederenergiephotonen aufzuhalten,
während
zum Aufhalten von Photonen mit höherer
Energie eine Dicke von einigen Millimetern ja sogar einem Zentimeter
notwendig sein kann. Unter Niederenergie versteht man Energien unter
ungefähr
100 keV.
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Die
Schwierigkeit, eine Qualitätsspektrometrie
zu erhalten ist bei hoher Energie schwieriger als bei niederer Energie,
denn das Volumen (das heißt
das Produkt aus Fläche
und Dicke) des Halbleitermaterials muss bei der Absorption von Partikeln
mit hoher Energie größer sein.
Eine große
Dicke ermöglicht,
ein Maximum an Partikeln aufzuhalten. Die Interaktions-Wahrscheinlichkeit
ist höher.
Hingegen wird es mit zunehmendem Volumen schwieriger, über den
gesamten Weg der durch die Konvertierung in dem Detektor erzeugten
Ladungen ein homogenes Feld aufrechtzuerhalten und auch die Einfangeffekte
der Ladungen in dem Halbleitermaterial zu vermeiden.
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Diese
aufgrund der Tatsache kumulierten Effekte, dass in verschiedenen
Zonen des Detektors Ionisationsladungen erzeugt werden, implizieren,
dass die dicken Detektoren Stromimpulse mit größeren Formschwankungen liefern.
Dieser Stromform-Schwankungseffekt ist unter der Bezeichnung "ballistisches Defizit" bekannt.
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Man
versucht also, die Verarbeitungsschaltung an diese große Stromformschwankung
anzupassen, so dass sie ein Signal liefert, das den Wert der Energie
der einfallenden Partikel mit der größtmöglichen Genauigkeit wiedergibt.
Anders gesagt versucht man, das ballistische Defizit zu kompensieren
und den Zählungsgrad
zu verbessern.
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Die
konventionellen Verarbeitungsschaltungen umfassen mehrere sukzessive
Stufen, von denen die erste ein Ladungsvorverstärker ist, dazu bestimmt, mit
dem Detektor verbunden zu werden, die zweite ein Impulsfilter ist
und die dritte eine Messstufe der Amplitude der Impulse ist, die
man am Ausgang des Impulsfilters erhält. Eine solche Verarbeitungsschaltung
ist in der 1 dargestellt.
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Der
Ladungsvorverstärker
trägt die
Referenz 10. Es ist ein Verstärker A1, realisiert mit diskreten
Baukomponenten (zum Beispiel einem Feldeffekttransistor) oder integrierten
Baukomponenten, zum Beispiel des Typs ASIC, geschaltet als Stromintegrierglied
oder Stromintegrator. Die Operationsverstärker sind an diese Funktion
nicht angepasst, da zu geräuschvoll.
Ein Integrationskondensator C1 ist bzw. wird zum Operationsverstärker A1
parallelgeschaltet, zwischen dem Eingang und dem Ausgang. Der Operationsverstärker A1 empfängt am Eingang
ein elektrisches Signal i1, das von einem HalbleiterPartikelstrahlungsdetektor 11 stammt.
Dieser Detektor 11 ist in einer Teilerbrücke 12 in
Serie geschaltet mit einem Widerstand Rp. Die Teilerbrücke 12 ist
zwischen zwei Anschlüssen 13, 14 zur
Versorgung einer Versorgung (nicht dargestellt) geschaltet. Diese
Teilerbrücke
besitzt einen gemeinsamen Punkt zwischen dem Widerstand Rp und dem
Detektor 11 und dieser gemeinsame Punkt ist mit dem Eingang
des Operationsverstärkers
durch einen Kondensator C2 verbunden. Das Signal i1 ist ein Impulsstrom,
Detektorstrom genannt. Diese Impulse können eine Vielzahl von Formen
annehmen.
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Die
Kurven A und B der 2 sind Chronogramme des Detektorstroms
i1 am Eingang des Ladungsvorverstärkers 10 und der Spannung
v1, geliefert durch den Ausgang des Ladungsvorverstärkers 10.
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Während der
Präsenzzeit
der Stromimpulse i1 beträgt
die Spannung v1 am Ausgang des Vorverstärkers: V1
= –1/C1∫i1dt = –Q/C1
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Q
ist das Quantum der durch ein Partikel emittierten Ladungen, das
mit dem Detektor 11 interagiert hat. Am Ausgang des Ladungsvorverstärkers 10 nimmt
die Spannung v1 bei fehlendem Stromimpuls i1 ab. Dieses Zeitintervall
wird Relaxationszeit τ1
genannt. Die Information, die der Energie der Partikel entspricht, ist
flüchtig.
Man muss die Spannung v1 nach dem Verschwinden eines Stromimpulses
i1 schnellstmöglich speichern.
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Die
Spannung v1 wird an den Eingang eines Impulsfilters 15 gelegt.
Es handelt sich um ein Tiefpassfilter, das ermöglicht, den Rauschabstand zu
optimieren. Es sind schon zahlreiche Impulsfilter entwickelt worden,
darunter die Filter mit n Differenzierungen und n Integrierungen,
die gaußschen
oder semigaußschen
Filter, die Trapezfilter, die Dreiecksfilter, die Digitalfilter.
Oft sind diese Filter abstimmbar und es ist möglich, durch Regelung der Differential-
und Integralzeitkonstanten und auf experimentelle Weise den Rauschabstand
in dem Nutzfrequenzband bestens zu justieren. Bekanntlich eignen
sich die Semigauß-
oder Dreiecksfilter gut für hohe
Zählraten,
denn sie ermöglichen
ein schnelleres Formen der Impulse.
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Der
Zweck ist, am Ausgang des Bandpassfilters 15 Impulse mit
einer Spannung zu erhalten, deren Amplitude Am proportional zur
Energie der Partikel ist, die mit dem Detektor 11 interagiert
haben. Die Kurve C der 2 zeigt die am Ausgang des Impulsfilters 15 vorhandene
Spannung v2. Man sieht, dass das Impulsfilter 15 die Zeitinformation
verändert,
die der Dauer des Stroms i1 entspricht, die durch den Detektor 11 geliefert
wird. Die Breite der Impulse erhöht
sich aufgrund der durch den Impulsfilter realisierten Differenzierung
und Integrierung. Dieser Effekt reduziert die maximal zulässige Zählrate,
indem er die Anzahl der Stufen in der Verarbeitungsschaltung erhöht.
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Es
ist möglich,
dass ein Detektorstromimpulses i1 des Rangs i (i als ganze Zahl ≥ 2) eintrifft,
bevor die Spannung v2 wieder den Wert annehmen kann, den sie zu
Beginn des Detektorstromimpulses i1 des Rangs i – 1 hatte. Wenn die Amplitude
der Spannung v2 während
des Detektorstromimpulses i1 des Rangs i – 1 Am beträgt, beträgt die Amplitude der Spannung
v2 während
des Detektorstromimpulses i1 des Rangs i Am + e1 und die Amplitude
der Spannung v2 während
des Detektorstromimpulses i1 des Rangs i + 1 Am + e2. Die Amplitude
der Spannung v2 weist umso mehr Fehler auf, je höher die Zählrate ist.
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Ein
weiterer Nachteil des Impulsfilters 15 ist seine schlechte
Linearität
im Falle von dicken Detektoren, die Stromimpulse mit starken Formschwankungen
liefern. Dieser Nachteil entspricht dem mit "ballistisches Defizit" bezeichneten Fehler.
Um zu versuchen, diesen Fehler zu reduzieren, kann man die Zeitkonstante
des Filters sehr viel höher
als die Dauer der Impulse des Detektorstroms i1 wählen. Diese
Lösung
steht im Widerspruch zu dem Wunsch, eine Spannung v2 mit kurzen
Impulsen zu erhalten, was eine hohe Zählrate ermöglicht.
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Der
Ausgang des Impulsfilters ist mit Einrichtungen 16 zum
Messen der Amplitude der am Ausgang des Impulsfilters 15 erhaltenen
Impulse verbunden. Mehrere Schaltungen können benutzt werden, um diese Amplitudenmesseinrichtungen 16 zu
realisieren. Man kann zum Beispiel einen Spitzendetektor auf der
Basis von Dioden oder einen aktiven Integrator nennen, der durch
Umschalten gesteuert werden kann. Generell gilt, dass der durch
Umschalten gesteuerte Integrator ermöglicht, höhere Zählraten zu erreichen.
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Die
Amplitudenmesseinrichtungen 16 der 1 umfassen
einen als Integrator geschalteten Operationsverstärker A2.
Zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Operationsverstärkers A2
ist ein Integrationskondenstor C3 geschaltet. Ein Widerstand R3
ist mit einem Ende mit dem Eingang des Operationsverstärkers verbunden
und mit einem anderen Ende und durch einen ersten Schalter SW1 mit
dem Ausgang des Impulsfilters 15. Ein zweiter Schalter
SW2 ist zu dem Integrationskondensator C3 parallelgeschaltet. Er
dient zur Nullrückstellung
des Integrators.
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Nun
wird auf die 3 Bezug genommen, die in Form
eines Chronogramms und schematisch jeweils das Impulssignal v2,
geliefert durch das Impulsfilter (Kurve A), und das Signal v3, geliefert
durch die Messeinrichtungen der Amplitude der am Ausgang des Impulsfilters
erhaltenen Impulse (Kurve B). Bevor das von dem Impulsfilter 15 stammende
Signal v2 den Eingang der Amplitudenmesseinrichtungen 16 erreicht,
das heißt
vor einem Zeitpunkt t0, ist der erste Schalter SW1 offen und der
zweite Schalter SW2 ist geschlossen. Sobald das Signal v2 einen
Schwellenwert s überschreitet,
zum Zeitpunkt t0, schließt
sich der erste Schalter SW1 und öffnet
sich der zweite Schalter SW2. Die Amplitudenmesseinrichtungen 16 beginnen,
das Signal v2 zu integrieren, bis zu einem Zeitpunkt t1, wo das
Signal v2 den Schwellenwert s nach unten durchschreitet. Zu diesem Zeitpunkt
t1 öffnet
sich der erste Schalter SW1. Das Signal v3, geliefert durch die
Amplitudenmesseinrichtungen 16, hat eine Amplitude kAm,
die proportional ist zu der Amplitude Am des Signals v2. Aber diese
Amplitude kAm ist zu der Energie des Partikels, das mit dem Detektor 11 interagiert
hat, nur proportional sofern die Amplitude Am die Energie des Partikels
getreu wiedergegeben hat. Man hat weiter oben gesehen, das dies
aufgrund der durch das Impulsfilter 15 eingeführten Fehler
nicht immer der Fall war.
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Von
einem Zeitpunkt t1 bis zu einem Zeitpunkt t2 wird das Signal im
Wesentlichen konstant gehalten, um seine Amplitude in einer Erfassungsvorrichtung 17 speichern
zu können,
die mit dem Ausgang der Amplitudenmessvorrichtung 16 verbunden
sind. Ab dem Zeitpunkt t2 ist der zweite Schalter SW2 geschlossen,
was die Wirkung hat, das Signal v3 wieder auf Null zu stellen. Die
Amplitudenmesseinrichtungen 16 sind dann bereit, ein neues
Partikel zu behandeln.
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Das
Patent
US-4 727 256 zeigt
alle Charakteristika des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, eine Verarbeitungsschaltung
für eine
Spektrometriekette zu realisieren, welche die oben genannten Einschränkungen
und Schwierigkeiten nicht aufweist, wobei diese Schwierigkeiten
insbesondere auf das Impulsfilter zurückzuführen sind.
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Sie
hat die Aufgabe, eine Verarbeitungsschaltung für eine Spektrometriekette vorzuschlagen,
fähig ein Signal
zu liefern, das die Energie der einfallenden Partikel genau wiedergibt,
und dies sogar bei hohen Zählraten.
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Um
dies zu erreichen, empfiehlt die Erfindung, das Impulsfilter durch
einen Differenzierer zu ersetzen, der ein Signal liefert, das eine
getreue Abbildung von demjenigen ist, das von dem Strahlungsdetektor
stammt und das repräsentativ
ist für
die Energie von Partikeln, die mit dem Detektor interagieren.
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Noch
genauer ist die vorliegende Erfindung eine Verarbeitungsschaltung
für eine
Spektrometriekette, die einen speziellen Strahlungsdetektor umfasst,
wie dargestellt in Anspruch 1. Diese Verarbeitungsschaltung umfasst
eine Ladungsvorverstärkerstufe,
die mit einem Detektorstrom gespeist wird, der repräsentativ
ist für das
Quantum der durch ein Partikel emittierten Ladungen, das mit dem
Detektor interagiert hat, und eine Integratorstufe. Eine Differenzierstufe
ist zwischen der Ladungsvorverstärkerstufe
und der Integratorstufe geschaltet, wobei die Differenzierstufe
ein von der Ladungsvorverstärkerstufe
stammendes Signal empfängt
und der Integratorstufe ein Abbildungssignal des Detektorstroms
liefert, wobei die Integratorstufe eine Abbildung des Quantums der
durch ein Partikel emittierten Ladungen liefert, das mit dem Detektor
interagiert hat.
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Die
Ladungsvorverstärkerstufe
kann einen als Stromintegrator geschalteten diskreten oder integrierten
Verstärker
umfassen.
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Die
Differenzierstufe kann einen als Differenzierer geschalteten Operationsverstärker umfassen
(im Englischen als "differentiator" bekannt).
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Die
Integratorstufe kann einen als Integrator geschalteten Operationsverstärker umfassen.
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Der
Detektorstrom wird durch Impulse gebildet und die Integratorstufe
umfasst vorzugsweise Steuereinrichtungen der Integrationsdauer während Dauern,
die im Wesentlichen gleich der Dauer jedes Impulses des Detektorstroms
sind. Auf diese Weise passt sich die Integratorschaltung von selbst
an den Detektorstrom an.
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Die
Steuereinrichtungen der Integrationsdauer können einen zwischen dem Integrator
und dem Ausgang der Differenzierstufe geschalteten ersten Schalter,
einen zweiten Schalter zu Nullrückstellung
des Integrators, eine logische Schaltung zur Steuerung der Schalter
sowie einen Komparator zum Aktivieren der logischen Schaltung in
Abhängigkeit
von Resultat eines Vergleichs zwischen dem Abbildungssignal des
Detektorstroms und einem Schwellenwert umfassen.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft auch eine Spektrometriekette, die – dem Partikelstrahlungsdetektor nachgeschaltet – eine derart
gekennzeichnete Verarbeitungsschaltung umfasst.
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Eine
solche Spektrometriekette bewahrt eine gute Linearität über einen
großen
zu messenden Energiebereich.
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Eine
andere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Spektrometriekette
vorzuschlagen, deren ballistisches Defizit kompensiert wird und
deren Zählrate
verbessert ist.
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Wieder
eine andere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Spektrometriekette
vorzuschlagen, die ohne Modifizierung mit mehreren Detektormodellen
arbeiten kann.
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Die
Spektrometriekette kann zudem eine Erfassungsschaltung des durch
die Integratorstufe der Verarbeitungsschaltung gelieferten Signals
umfassen, wobei diese Erfassungsschaltung einen Analog-Digital-Wandler,
gefolgt von einem Speicher, umfassen.
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Ein
durch die logische Schaltung geliefertes Signal kann die Erfassungsdauer
konditionieren.
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Der
Detektor kann mit einem Widerstand in eine Teilerbrückenschaltung
integriert sein bzw. eine Teilerbrückenschaltung bilden.
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Der
Detektor ist vorteilhafterweise ein Halbleiterdetektor.
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Das
Halbleitermaterial kann aus der Gruppe gewählt werden, die CdZnTe, CdTe:Cl,
CdTe:In umfasst.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die
vorliegende Erfindung wird besser verständlich durch die Lektüre der Beschreibung
von nur erläuternden
und nicht einschränkenden
Realisierungsbeispielen, bezogen auf die beigefügten Zeichnungen:
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die 1 (schon
beschrieben) zeigt einen Schaltplan einer Spektrometriekette nach
dem Stand der Technik;
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die 2 (schon
beschrieben) zeigt Chronogramme, nämlich mit der Referenz A den
durch den Detektor gelieferten Strom i1, mit der Referenz B die
durch den Ladungsvorverstärker
gelieferte Spannung v1 und mit der Referenz C die durch das Impulsfilter
der Spektrometriekette der 1 gelieferte
Spannung v2;
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die 3 (schon
beschrieben) zeigt Chronogramme, nämlich mit der Referenz A einen
Impuls mit der Spannung v2 und mit der Referenz B die Spannung v3,
geliefert durch eine mit derjenigen der 1 vergleichbare
Spektrometriekette;
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die 4 ist
ein Schaltplan einer erfindungsgemäßen Verarbeitungsschaltung
und einer eine solche Verarbeitungsschaltung umfassenden Verarbeitungskette;
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die 5 zeigt
Chronogramme, illustrierend: mit der Referenz A den durch die Verarbeitungsschaltung
der 4 empfangenen Detektorstrom I1, mit der Referenz
B die am Ausgang der Ladungsvorverstärkerstufe vorhandene Spannung
V1, mit der Referenz C die am Ausgang der Differenzierstufe vorhandene Spannung
V2, mit der Referenz D die am Ausgang der Integratorstufe vorhandene
Spannung V3, mit der Referenz E das durch den Komparator gelieferte
Signal ACT und mit der Referenz F das der Erfassungsschaltung gelieferte
Signal CLACQ;
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die 6 zeigt
jeweils – mit
den Referenzen A und B – Veränderungen
der Spannung am Ausgang des Ladungsvorverstärkers und der Differenzierschaltung
einer Verarbeitungsschaltung nach der Erfindung in der Testphase;
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die 7 zeigt
den Verlauf des Bode-Diagramms des Hochpassfilters, gebildet durch
die Differenzierstufe der erfindungsgemäßen Verarbeitungsschaltung;
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die 8 zeigt
den Verlauf des Bode-Diagramms des Bandpassfilters, gebildet durch
das durch die Differenzierstufe und die Integratorstufe der erfindungsgemäßen Verarbeitungsschaltung
gebildete System;
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die 9 zeigt
die Linearität
einer erfindungsgemäßen Spektrometriekette.
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Identische, ähnliche
oder äquivalente
Teile der verschiedenen nachfolgenden Figuren tragen dieselben Bezugszeichen,
um den Übergang
von einer Figur zur anderen zu erleichtern.
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Um
die Figuren besser lesbar zu machen, weisen die verschiedenen in
den Figuren dargestellten Teile nicht notwendigerweise einen einheitlichen
Maßstab
auf.
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DETAILLIERTE DARSTELLUNG SPEZIELLER
REALISIERUNGSARTEN
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Es
wird nun Bezug auf die 4 genommen, die einen Schaltplan
einer erfindungsgemäßen Verarbeitungsschaltung
zeigt, mit der eine Spektrometriekette nach der Erfindung ausgestattet
ist. Wie nach dem Stand der Technik ist die Verarbeitungsschaltung
dazu bestimmt, mit einem Detektor 21 zu kooperieren; sie umfasst
drei aufeinanderfolgende Stufen 20, 25, 26.
Man geht davon aus, dass der Detektor 21 mit dem der 1 vergleichbar
ist und dass er (wieder) in eine einen Widerstand R'p umfassende Teilerbrückenschaltung 22 integriert
ist, auf die aus Gründen
der Vereinfachung nicht (mehr) eingegangen wird. Die Versorgungsanschlüsse tragen
jeweils die Referenzen 23, 24.
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Die
Stufe
20 ist ebenfalls mit derjenigen der
1 vergleichbar.
Es handelt sich um einen Ladungsvorverstärker. Er umfasst einen als
Stromintegrator geschalteten diskreten oder integrierten Verstärker zum Beispiel
vom Typ ASIC A'1.
Ein Integrationsverstärker
C'1 ist zwischen
dem Eingang und dem Ausgang des Vorverstärkers A'1 geschaltet. Dieser Letztere hat einen
Eingang, der durch einen Kondensator C'2 mit dem gemeinsamen Punkt des Spannungsteilers
22 verbunden
ist. Der Ladungsvorverstärker
erhält
folglich einen Strom I1 (Detektorstrom genannt), geliefert durch
den Detektor
21, wenn Partikel mit ihm interagieren. Er
liefert ein Signal wie folgt:
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Q' ist das Ladungsquantum,
emittiert durch ein Partikel, das mit dem Detektor 21 interagiert
hat.
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Der
wesentliche Unterschied in Bezug auf die Spektrometriekette nach
dem Stand der Technik besteht darin, dass die nachfolgende Stufe 25 nicht
mehr durch ein Impulsfilter gebildet wird, sondern durch einen Differenzierer.
Auf konventionelle Weise umfasst dieser Differenzierer einen Operationsverstärker A' mit einem zwischen
seinem Eingang und seinem Ausgang geschalteten Widerstand R'. Der Eingang des
Operationsverstärkers
ist mit dem Ausgang der Ladungsvorverstärkerstufe 20 durch
einen Kondensator C' verbunden.
Der Differenzierer 25 realisiert die mathematische Ableitungsfunktion
in Bezug auf das zeitabhängige
Signal V1(t) am Ausgang der Vorverstärkerstufe 20. Die
Differenzierstufe 25 liefert eine Spannung V2(t) wie: V2(t) = R'C'dV1(t)/dt (2)
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Durch
Kombination der Ausdrücke
(1) und (2) erhält
man folgenden Ausdruck der Spannung am Ausgang der Differenzierstufe:
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Das
Signal V2(t) ist ein dem Detektorstrom I1(t) proportionales Signal,
Abbildungssignal des Detektorstroms I1(t) genannt.
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Die 5 zeigt
mit den Referenzen A, B und C Chronogramme der Signale I1, V1 und
V2, die jeweils der Detektorstrom, die Spannung am Ausgang der Vorverstärkerstufe
und die Spannung am Ausgang der Differenzierstufe sind. Das Signal
V2(t) ist ein Impulssignal, dessen Dauer enthalten ist zwischen
den Zeitpunkten t'0
und t'1, was im
Wesentlichen der Dauer der Impulse des Detektorstroms entspricht.
Das Signal V2(t) entspricht der mathematischen Ableitung des Signals
V1(t). Es hat folglich ein positives Vorzeichen für die Anstiegflanken
von V1(t) und ein negatives Vorzeichen für die Abfallflanken.
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Das
Verstärkungsverhältnis
wird so groß wie möglich gewählt. In
dem in der Folge entwickelten Beispiel wird das Verstärkungsverhältnis gleich
10
7Ω gewählt.
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Man
konfiguriert den aktiven Teil des Differenzierers (das heißt seinen
Operationsverstärker
A') so, dass er
ausreichend schnell ist und ein Signal V2 mit schnellen Flanken
liefert, um die zeitliche Information des Detektorstroms I1 möglichst
getreu wiederzugeben.
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Die
Differenzierstufe 25 ist eine Stufe, die praktisch kein
Geräusch
verusacht. Zurückgeleitet
zu ihrem Eingang ist das Eigengeräusch der Differenzierstufe 25 deutlich
geringer als das durch die erste Stufe 20 des Ladungsvorverstärkers eingebrachte
Geräusch.
Es kann typisch niedriger sein als 1 % des durch den Ladungsvorverstärker eingebrachten
Geräusches.
Beispielartig zeigt die 6 den Verlauf des Signals V1
(Kurve A) und V2 (Kurve B) aufgrund von Messungen mit einer erfindungsgemäßen Spektrometriekette:
die Impulse, praktisch unsichtbar in der Kurve A, sind in der Kurve
B sehr gut zu sehen. V2 ist eine Abbildung des Stroms I1.
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Die
Differenzierstufe 25 verhält sich wie ein Hochpassfilter.
Die 7 zeigt das Bode-Diagramm einer solchen Stufe
mit einer gewählten
Zeitkonstante R'C' gleich einer Mikrosekunde.
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Das
Niederfrequenzgeräusch
(1/F-Geräusch)
wird gedämpft,
aber nicht das Hochfrequenzgeräusch, da
der Differenzierer nur den Hochpassteil eines Bandpassfilters bildet.
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Die
dritte Stufe 26 ist eine Integratorstufe, die durch Umschaltung
gesteuert wird und die die mathematische Integralfunktion realisiert.
Im Unterschied zu der Verarbeitungsschaltung nach dem Stand der
Technik, realisiert die erfindungsgemäße Verarbeitungsschaltung sehr
wohl eine Integration und nicht nur eine Detektion der Amplitude
der Impulse am Ausgang des Impulsfilters: man erhält eine
Spannung V3 als Abbildung des durch den Detektor gelieferten Ladungsquantums.
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Die
Integratorstufe 26 umfasst einen Operationsverstärker-Integrator
A'2 mit einem parallelgeschalteten
Integrationskondensator C'3,
zwischen seinem Eingang und seinem Ausgang. Sein Eingang ist durch
einen Widerstand R'3
mit dem Ausgang der Differenzierstufe 25 verbunden. Der
Integrator kann durch Umschaltung gesteuert werden. Ein erster Schalter
SW1' ist zwischen
dem Ausgang der Differenzierstufe 25 und dem Widerstand
R'3 vorgesehen und
ein zweite Schalter SW'2
ist parallelgeschaltet zu dem Integrationskondensator C'3. Der erste Schalter
SW'1 steuert die
Integrationsfunktion und der zweite Schalter SW'2 steuert die Nullrückstellung des Integrators.
Nach der Verarbeitung von Informationen bezüglich der Interaktion eines
Partikels wird der Integrator wieder auf Null gestellt, ehe er die
Informationen von einem anderen Partikel verarbeitet.
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Die
Schalter SW'1 und
SW'2 werden durch
eine logische Schaltung 28 gesteuert, die durch ein Signal ACT
aktiviert wird, das am Ausgang eines Komparators 29 erscheint,
wobei dieser Komparator dazu bestimmt ist, das Signal V2, vorhanden
am Ausgang der Differenzierstufe, mit einem Schwellenwert s' zu vergleichen, wobei
dieser Schwellenwert höher
sein muss als die Geräuschspannung
von V2.
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Man
erinnert, dass das Signal V2 ein Abbildungssignal des Detektorstroms
I1 ist. In der 5 zeigt die Referenz A den Verlauf
des Detektorstroms I1, die Referenz B den Verlauf des Signals V1
am Ausgang der Vorverstärkerstufe,
die Referenz C den Verlauf des Signals V2 am Ausgang der Differenzierstufe
und die Referenz D den Verlauf des Signals V3 am Ausgang der Integratorstufe.
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Vor
dem Zeitpunkt t'0
ist das Signal niedriger als der Schwellenwert s', der erste Schalter SW'1 ist offen und der
zweite Schalter SW'2
ist geschlossen. Das Signal V3 am Ausgang des Integrators ist auf
Niederpegel. Der Komparator 29 liefert ein Aktivierungssignal
ACT des Integrators. Vor dem Zeitpunkt t'0 ist das Signal ACT auf Niederpegel.
Dieses Signal hat in der 5 die Referenz E.
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Zum
Zeitpunkt t'0 überschreitet
das Signal den Schwellenwert s',
das Signal ACT am Ausgang des Komparators 29 geht auf Hochpegel,
aktiviert die logische Schaltung 28, die die Schließung des
ersten Schalters SW'1
und die Öffnung
des zweiten Schalters SW'2
steuert.
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Der
Integrator beginnt zu Integrieren und liefert ein Signal V3:
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Indem
man die Ausdrücke
(3) und (4) kombiniert, erhält
man:
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Indem
man die Ausdrücke
(5) und (1) kombiniert, erhält
man:
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Das
Signal V3(t), geliefert durch die Differenzierstufe, ist proportional
zum Ladungsquantum eines interagierenden Partikels und folglich
zur Energie des Partikels.
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Zum
Zeitpunkt t'1 fällt das
Signal V2 unter den Schwellenwert s' ab, wird der erste Schalter SW'1 geöffnet und
der zweite Schalter SW'2
bleibt im offenen Zustand. Das Signal
wird in einem Speicher
27.1 einer
Erfassungsstufe
27 der erfindungsgemäßen Spektrometriekette gespeichert, wobei
dieses Erfassungsstufe am Ausgang der Integrationsstufe
26 angeschlossen
ist. Das Signal V3 wird vorher durch einen Analog-Digital-Wandler
27.2 digitalisiert,
der sich in der Erfassungsstufe
27 befindet. Die Dauer,
während
der die Erfassung stattfindet, wird durch ein Impulssignal CLACQ
gesteuert, das die logische Schaltung
28 zum Zeitpunkt
t'1 liefert und
deren Dauer (t'2 – t'1) ausreicht, um
eine korrekte Erfassung durchzuführen.
Das Signal CLACQ hat in der
5 die Referenz
F. Dieses Signal weist zum Zeitpunkt t'1 eine Anstiegsflanke auf.
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Wenn
diese Dauer abgelaufen ist, das heißt zum Zeitpunkt t'2, weist das Signal
CLACQ eine Abfallflanke auf. Der Integrator wird wieder auf Null
gestellt und das Signal V3 geht auf Niederpegel. Der Integrator ist
bereit, ein von einem anderen Partikel stammendes Signal zu verarbeiten.
Der Integrator arbeitet nur während
einer Dauer im Wesentlichen gleich der Dauer Tm der Impulse des
Detektorstroms I1. Anders gesagt findet die Integration nur während der
Lebensdauer der Impulse des Detektorstroms I1 statt.
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Das
System aus Differenzierstufe und Integratorstufe bildet ein Tiefpassfilter.
Was aber sehr interessant bzw. vorteilhaft ist, ist die Tatsache,
dass die Zeitkonstanten des Tiefpassfilters in Abhängigkeit
von der Form des Detektorstroms I1 autoadaptiv sind. Dieser Vorteil
wird aufgrund der Tatsache erzielt, dass die Integration im Wesentlichen
nur während
der Dauer Tm der Impulse des Detektorstroms I1 stattfindet.
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Die 8 zeigt
das Bode-Diagramm von zwei Tiefpassfiltern von erfindungsgemäßen Verarbeitungsschaltungen.
Die Mittenfrequenz des Filters wird ausgedrückt durch
fc = 0,44/Tm,
seine Verstärkung
durch
Gdc = Tm/R'3C'3 und die Verarbeitungszeit
eines Partikels, im vorliegenden Fall eines Photons, beträgt 1.5 μs einschließlich der
Nullrückstellung.
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Die
Kurve A wurde mit Tm = 0,1 μs
realisiert und die Kurve B für
Tm = 0,1 μs.
Für jedes
Partikel, egal wo es mit dem Detektor interagiert, stellt die Dauer
Tm des Detektorstroms I1 oder die Anstiegszeit am Ausgang des Vorverstärkers die
Mittenfrequenz fc des Tiefpassfilters ein, was die Einhaltung eines
optimalen Rauschabstands ermöglicht.
Eine solche Verarbeitungsschaltung ist autoadaptiv gegenüber dem
Detektor, mit dem sie in der Spektrometriekette kooperiert. Sie
passt sich an den Detektor an, unabhängig von seiner Dicke, ohne
irgend eine Einstellung irgend eines äußeren Parameters.
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Die
Kurven der 7 und 8 wurden
mit einem erfindungsgemäßen Spektrometrieketten-Prototyp in
der Form einer Monokanalsonde aufgezeichnet, dazu bestimmt, den
Abbrand von bestrahlten Brennelementen zu bestimmen, indem man simultan
Cäsium
137 und Europium 154 misst. Eine solche Sonde kann spektrometrische
Messungen zwischen 100 keV und 2 MeV durchführen. Der Detektor ist ein
CdZnTe-Stabdetektor mit einer Dicke von 1 cm. Es wurde eine Casium-137-Partikelquelle
benutzt. Die Kurve der 9 zeigt die Veränderung
der Anzahl der durch die Sonde im gesamten Spektrum detektierten
Stöße (das
heißt
Partikel) NCD pro Sekunde in Abhängigkeit
von der Anzahl der von der Quelle emittierten und beim Detektor
ankommenden Partikel pro Sekunde NCR. Die Spektrometriekette besitzt
eine gute Linearität
bis ungefähr
1,5 106 Stöße/s. Jenseits davon nimmt
die Zahl der detektierten Stöße/s ab,
während
die Zahl der beim Detektor eintreffenden Partikel/s weiter zunimmt.
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In
Bezug auf die Leistungen der konventionellen Spektrometrieketten
mit hoher Zählrate,
zum Beispiel des Typs EG§G973U
(Referenz einer den Spezialisten gut bekannten Kette: aufgeführt im Katalog
des Herstellers ORTEC) mit einem Germaniumdetektor, ist die erzielte
Zählrate
fünfmal
höher,
und dies mit einem dicken Detektor, bei dem die Durchgangszeit der
Partikel ungefähr
1 μs beträgt, was
sehr viel ungünstiger
ist als der Germaniumdetektor.
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Es
wurde eine bestimmte Realisierungsart der vorliegenden Erfindung
dargestellt und detailliert beschrieben. Selbstverständlich können verschiedene
Veränderungen
und Modifikationen vorgenommen werden, ohne den Rahmen der Erfindung
zu verlassen.
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IN DER BESCHREIBUNG GENANNTE
REFERENZEN
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Diese
Liste von durch den Anmelder genannten Referenzen dient nur dazu,
dem Leser zu helfen und Ist nicht Teil der europäischen Patentschrift. Obwohl
sie mit einem Höchstmaß an Sorgfalt
erstellt worden ist, können
Fehler oder Weglassungen nicht ausgeschlossen werden und das EPA
lehnt in dieser Hinsicht jede Verantwortung ab.
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In der Beschreibung genannte Patentschriften
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