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Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum Stabilisieren von energieauflösenden Strahlungsdetektoren, wie z. B. Proportionalzählrohren und Szintillationsdetektoren.
Aus der DE-OS 2359732 wird eine Anordnung zur Stabilisierung des Verstärkers eines Strahlungsdetektors mit einer Strahlenquelle bekannt. Durch diese Strahlungsquelle wird ein Peak in jenem Energiebereich erzeugt, welcher nicht zur Messung von Nutzsignalen verwendet wird. Diese Strahlenquelle darf jedoch nicht zu stark sein, denn sonst würden die Messungen durch Compton-Hintergrundstrahlung gestört ; ist jedoch die Bezugsquelle zu schwach, so tritt ein zu hoher Rauschanteil auf.
Diese Nachteile werden dadurch vermieden, dass eine relativ schwache Strahlungsquelle verwendet wird, wobei zwischen der Erfassungseinrichtung und der Regeleinrichtung ein Amplitudenmodulator geschaltet ist, der die Amplitude des Signals gemäss einer Funktion dieser Amplitude moduliert, die nichtpaarig ist und eine vom Ursprung aus in ihrem Absolutwert ansteigende Ableitung aufweist, und dass das modulierte Istsignal der Regeleinrichtung zugeführt ist. Eine derartige Einrichtung ist relativ aufwendig und daher besonders störungsanfällig.
Energieauflösende Strahlungsdetektoren werden in der kernphysikalischen Messtechnik in grossem Ausmass verwendet. Ein energieauflösendes Messsystem setzt sich im allgemeinen aus einem Strahlungsdetektor, z. B. Proportionalzählrohr, Szintillationsdetektor, einem Hochspannungserzeuger, einem Impulsverstärker und einem Impulshöhenanalysator zusammen. Die zu analysierende Impulshöhe ist von der am Detektor angelegten Hochspannung, der Strahlungsenergie E und der Impulsverstärkung abhängig.
Zur Energieauflösung eignen sich im allgemeinen Detektoren, bei denen die Abhängigkeit der Höhe der Spannungsimpulse von der Strahlungsenergie linear ist.
Bei Änderung der Hochspannung, der Verstärkung oder Änderungen der Übertragungsfunktion auf Grund von Änderungen im Detektor kommt es daher zu einer Verschiebung des Impulshöhenspektrums. Um eine solche Verschiebung zu korrigieren, kann man eine Referenzstrahlung verwenden.
Bei Änderungen am elektronischen System wird über eine Regeleinrichtung bewirkt, dass die zur Referenzenergie E gehörenden Spannungsimpulse immer eine bestimmte Impulshöhe u haben. Diese kann dadurch bewirkt werden, dass zusätzlich eine Schwelle bei der Impulshöhe u eingeführt wird, die sämtliche Impulse mit Impulshöhen grösser als ur erfasst. Auf Grund der physikalischen Linienverbreiterung werden bei einer Gesamtzählrate pro Zeiteinheit Nr der Referenzlinie bei richtiger Einstellung und unter Annahme einer symmetrischen Verteilung im Mittel genau N/2 Impulse oberhalb der Schwelle liegen.
Bei Änderungen der Übertragungsfunktion oder der Verstärkung kommt es zu einer Verschiebung der Impulshöhe der Referenzlinie im Vergleich zur Schwelle und damit zu einer Änderung der Zahl der die
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signal wird ein Hochspannungserzeuger gesteuert. Die am Detektor anliegende Hochspannung wird verändert, so dass die geänderte Übertragungsfunktion bzw. die geänderte Verstärkung so kompensiert wird, dass für die Referenzlinie wieder die gleiche Höhe u der Spannungsimpulse erzielt wird.
Damit wird Ns wieder gleich N/2 und der Regelkreis ist stationär. Dieses Verfahren wird von den bei analogen Schaltungen üblichen Driften betroffen und arbeitet nur dann genau, wenn die Integration der Zählrate Ns und der Vergleich mit der Referenzspannung fehlerfrei erfolgen. Eine derartige Vorgangsweise ist somit sehr aufwendig, wodurch jedoch weitere Fehlerquellen aufscheinen können.
Die Erfindung hat sich zum Ziel gesetzt, obenangeführte Nachteile zu vermeiden und eine Anordnung zum Stabilisieren von energieauflösenden Strahlungsdetektoren zu schaffen, die einfach ist und genau arbeitet.
Die erfindungsgemässe Anordnung zum Stabilisieren von energieauflösenden Strahlungsdetektoren mit einem Detektor für Strahlungsquanten einer Referenzstrahlung und einer zu messenden Strahlung, einem linearen Verstärker für die Impulse aus dem Detektor und einem Impulshöhenanalysator für die verstärkten Impulse, wobei der Referenzstrahlung entsprechende Referenzimpulse, die eine vorgegebene Spannung überschreiten, in einem Diskriminator von den der zu messenden Strahlung entsprechenden Nutzsignalen getrennt werden, wobei über einen Regelkreis die an den Detektor anliegende Hochspannung so geregelt ist, dass die Anzahl der Referenzimpulse pro Zeiteinheit, die die vorgegebene Spannung überschreiten, konstant gehalten ist, besteht im wesentlichen darin,
dass der Regelkreis die mittlere Häufigkeit der Referenzimpulse mit einer Referenzfrequenz in einem Frequenzvergleicher vergleicht und
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aus der Differenz von Referenzimpulsen und Referenzfrequenz die Hochspannungsversorgung für den
Detektor so gesteuert ist, dass eine vorgegebene mittlere Häufigkeit der Referenzimpulse eingehalten ist.
Durch diese Anordnung kann der Vergleich mit einer Frequenz erfolgen, die wesentlich einfacher und genauer konstant gehalten werden kann, so dass bei der Messung nach der erfindungsgemässen Anordnung verlässlichere Daten erhalten werden können.
Ist die mittlere Häufigkeit der Referenzimpulse digital mit der Referenzfrequenz vergleichbar, so kann ein schnelleres Ansprechen, wodurch eine genauere Regelung möglich wird, bei geringerem Aufwand erreicht werden.
Gemäss einem weiteren Merkmal der Erfindung ist die Differenz in einem Flip-Flop, Oder-Gatter und einem Schieberegister gebildet. Dadurch ist kein Zwischenspeicher erforderlich, so dass einerseits unnötige
Fehlerquellen vermieden werden und anderseits ein einfacherer Aufbau erreicht ist.
Um eine besonders einfache Anordnung zur Regelung der Hochspannung zu erreichen, weist gemäss einem weiteren Merkmal der Erfindung eine Referenzfrequenz 100 bis 1000 Hertz, vorzugsweise 250 bis 750
Hertz, auf.
Um zu ermöglichen, dass zum Detektor so viel Strom gelangt, dass die Spannung im abgeglichenen
Zustand konstant ist, weist ein Ausgangssignal des Frequenzvergleiches bei gleichen Frequenzen ein
Tastverhältnis im Mittel von l : l auf.
Eine besonders genaue Regelung kann dann erreicht werden, wenn diese im steilen Bereich der
Regelcharakteristik durchgeführt wird, was gemäss einem weiteren Merkmal der Erfindung dadurch erreicht wird, dass die mittlere Häufigkeit der Zählrate der Referenzquelle das Zweifache der Referenzfrequenz beträgt.
Um eine besonders leichte Anpassung an die Referenzstrahlung zu erreichen, die sich z. B. durch
Alterung ändert, kann die Referenzfrequenz regelbar sein.
Eine besonders einfache Anordnung ist dann verwirklicht, wenn das Signal aus dem Schieberegister direkt zur Hochspannungsregelung verwendbar ist.
An Hand der Zeichnungen wird die erfindungsgemässe Anordnung zur Stabilisierung eines energieauflösenden Strahlungsdetektors näher erläutert.
Fig. 1 gibt das Blockschaltbild einer Anordnung zum Stabilisieren eines Strahlungsdetektors, Fig. 2 zeigt ein typisches Impulshöhenspektrum eines Strahlungsdetektors.
Bei dem im folgenden angeführten Ausführungsbeispiel ist die von einem Proportionalzählrohr als Detektor erfasste Strahlung einer Erzprobe --Q--, welche durch Bestrahlung mit einer 238-Plutoniumquelle zur Fluoreszenzstrahlung angeregt wird, zur quantitativen Analyse verwendbar. Die Probe --Q-- ist als Strahlenquelle anzusprechen.
Die von einer Strahlenquelle --Q-- emittierten Strahlen werden vom Detektor--D--in Spannungsimpulse, deren Höhe der Energie der Strahlung proportional ist, im weiteren als"Nutzimpulse"bezeichnet, umgesetzt, die im Verstärker --V-- verstärkt und im Impulshöhenanalysator --PH-- entsprechend ihrer Impulshöhe zu einem Spektrum der gemessenen Strahlung zusammengefügt werden. Gleichzeitig wird von einer Referenzquelle-R-im Beispiel Am y-Strahlung mit einer Energie von 60 keV und mit einer Emissionshäufigkeit entsprechend 100 pCi ausgesandt, die ebenfalls im Detektor nachgewiesen und über die gleichen Anordnungsteile weiterverarbeitet wird.
Auf Grund der gewählten geometrischen Anordnung von Referenzquelle und Detektor entspricht dies einer mittleren Zählrate der Referenzquelle von 1000 Impulsen/s. In Fig. 2 ist der Anteil des Impulshöhenspektrums der Strahlenquelle-Q-im Bereich 0 bis A wiedergegeben und das der Referenzstrahlung im Bereich A bis B.
Die vom Verstärker --V-- gelieferten Impulse werden ebenfalls dem Diskriminator-DK-- zugeführt.
In diesem werden die eintreffenden Impulse in einem Differenzverstärker mit einer vorgegebenen Spannung Ur, verglichen. Diese wird so gewählt, dass bei der gewünschten, durch die am Detektor-D-anliegende Hochspannung und den Verstärkungsgrad des Verstärkers --V-- bestimmten Lage des Spektrums die von der Referenzquelle herrührenden Impulse auf Grund der durch die Auflösung des Spektrums bewirkten Linienverbreiterung zur Hälfte (Anteil Er bis B des Spektrums in Fig. 2) die Spannung UR überschreiten. Die die Spannung UR überschreitenden Impulse werden dem aus dem Flip-Flop-FF--, dem Oder-Gatter-Gl-und dem Schieberegister--SR--, das im folgenden beschrieben wird, bestehenden Frequenzvergleicher zugeführt.
Im Frequenzgenerator-Fl-wird mittels eines quarzgesteuerten Oszillators und nachfolgender vorwählbarer Untersetzung eine der Emissionshäufigkeit
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der Referenzquelle entsprechende Referenzfrequenz erzeugt. Durch geeignete Regelung der Heruntersetzung kann die Referenzfrequenz etwaigen beabsichtigten oder durch Abnahme der Emissionshäufigkeit der Referenzquelle verursachten Änderungen der Referenzzählrate angepasst werden. Im gegenständlichen Beispiel beträgt die Referenzfrequenz 500 Hz. Diese Referenzfrequenz wird ebenfalls dem Frequenzvergleicher zugeführt.
Das Flip-Flop-FF-wird von dem Referenzimpuls aus dem Diskriminator --DK-gesetzt und von Impulsen des Frequenzgenerators-Fl-zurückgestellt. Damit ergibt sich als Ausgangssignal eine Impulsfolge, deren Häufigkeit der kleineren der beiden Eingangsimpulsfolgen entspricht und deren Polarität das Überwiegen der Referenzimpulse bzw. der Referenzfrequenz charakterisiert. Gleichzeitig werden beide Impulsfolgen einem Oder-Gatter-Gl-zugeführt, dessen Ausgang ebenso wie der Ausgang des Flip-Flop --FF-- dem Schieberegister --SR-- zugeführt wird. Das Schieberegister-SR-bewirkt, dass bei einem Ausgangssignal 0 des Flip-Flop --FF-- bei jedem Impuls vom Oder-Gatter --G2-- ein Ausgangssignal 1 erzeugt wird. Dies entspricht dem Zustand, dass die Referenz-Zählrate kleiner ist als die Referenzfrequenz.
Im umgekehrten Fall wird vom --FF-- ein Ausgangssignal 1 geliefert. Das Schieberegister bewirkt in diesem Fall ein Ausgangssignal 0 bei jedem Impuls vom Oder-Gatter --G2--. Im Falle der Gleichheit beider Frequenzen wird vom --FF-- ein zwischen den Zuständen 0 und 1 wechselndes Signal geliefert. Dieses Signal wird im Schieberegister so umgesetzt, dass bei jedem Impuls des Oder-Gatters --G2-- ein der Polarität des FF-Signals entgegengesetztes Ausgangssignal geliefert wird. Das Schieberegister erzeugt ein Ausgangssignal, das bei Gleichheit von Referenzimpulshäufigkeit und Referenzfrequenz die gleiche Frequenz wie die Referenzfrequenz hat und dessen Tastverhältnis im Mittel l : l beträgt.
Bei Überwiegen der Anzahl der Referenzimpulse über die Referenzfrequenz wird das Tastverhältnis proportional der Abweichung kleiner, bis zu Null bei völligem Überwiegen. Bei kleinerer Häufigkeit der Referenzimpulse, als der Referenzfrequenz entspricht, wird das Tastverhältnis proportional vergrössert. Das Ausgangssignal des Schieberegisters wird auf folgende Weise zur Steuerung des Hochspannungsgenerators-HS-- verwendet.
Der Frequenzgenerator --F2-- erzeugt Spannungsimpulse einer steuerbaren Frequenz, die zugleich mit dem Ausgangssignal des Schieberegisters dem Und-Gatter --G2-- zugeführt werden. Der Ausgang von - wird dem Hochspannungsgenerator --HS-- zugeführt, in dem aus den Spannungsimpulsen in einem Impuls-Spannungswandler über einen Impulstransformator und eine Kaskade eine Hochspannung erzeugt wird, die im Mittelwertbilder --MW-- geglättet wird. In Abhängigkeit von der momentan anstehenden Spannung wird der Frequenzgenerator-F2-rückgeregelt. Die erzeugte Hochspannung wird dem Strahlungsdetektor-D-zugeführt.
Der Regelkreis bewirkt im abgeglichenen Zustand eine konstante Zuführung der für die Erhaltung dieses Zustandes erforderlichen Hochspannung an den Detektor --D--. Bei einer durch Verstärkungs- änderungen im Detektor oder Verstärker aufgeprägten Störung, die zur Folge hat, dass die Referenz-
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Ausgangssignals des Schieberegisters --SR-- und damit eine Erhöhung der Hochspannung, die über die Detektorcharakteristik zu einer Verstärkungserhöhung im Detektor --D-- führt und somit die aufgeprägte Störung kompensiert.
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