Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Radioaktivitätsmessung, in dem durch eine Koinzidenzschaltung verbundene Fotomultiplier den durch die Radioaktivität einer Probe erzeugten Szintillationen ausgesetzt werden, um die Fotomultiplier durch Licht der Szintillationen anzuregen und dadurch elektrische Ausgangsimpulse zu erzeugen, in dem alle nicht koinzidenten Impulse sowie alle jene koinzidenten Impulse zurückgewiesen werden, bei denen jeweils der Ausgangsimpuls von irgendeinem der Fotomultiplier eine Amplitude hat, die niedriger ist als eine bestimmte Schwellenamplitude, in dem ferner über die Annahme und Rückweisung der koinzidenten Impulse aufgrund des Vergleiches derselben mit weiteren Anplitudenkriterien entschieden wird, und in dem die danach angenommenen Impulse gezählt werden.
Die Erfindung betrifft ferner auch eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
Es ist bekannt, dass eine wirksame Zählung von Beta-Aktivitäten niedriger Energien mit Hilfe von Flüssigkeits-Szintillation die Zählung von Fotomultiplier-Signalimpulsen erfordert, deren Amplituden von der gleichen niedrigen Grössenordnung, sind wie in der Anlage erzeugte Störimpulse. Um gegen Störimpulse zu diskriminieren, werden mehrere Fotomultiplier, normalerweise zwei, benutzt und nicht koinzidente Impulse als Störimpulse zurückgewiesen. Bei der Grundkoinzidenzzählung wird einer der Multiplier nur als Koinzidenzröhre für eine Torsteuerung zum Durchlass der Impulse vom anderen Multiplier verwendet, welcher als Hauptdetektor oder Umwandler dient, dessen Ausgangssignal bei der Amplitudenauswahl verwendet wird.
Käufliche Präzisionsflüssigkeits-Szintillationszähleranlagen sehen ausserdem eine Impulssummation vor, eine symmetrische Art des Betriebs, bei der die Verstärkungen der beiden Multiplierröhren abgeglichen und die Ausgangsimpulse summiert werden, um einen Gesamtausgangssignalimpuls zu bilden, wobei zusätzlich die Koinzidenz der einzelnen Ausgangsimpulse zur Torsteuerung für den Durchlass der summierten Impulse angewendet wird. Es ist bekannt, dass das Summensignal für die Amplitude des Lichtimpulses, der die koinzidenten Ausgangsimpulse erzeugt, wesentlich repräsentativer ist, insbesondere für den Fall sehr schwacher Impulse; der Betrieb ohne Summierung wird jedoch manchmal bei bestimmten Messungen bevorzugt.
Eine Amplitudenanalyse der durch Koinzidenz torgesteuerten Signalimpulse wird üblicherweise mittels eines Diskriminators für einen unteren Pegel und eines Diskriminators für einen oberen Pegel ausgeführt, wobei die Diskriminatoren in Anti-Koinzidenz geschaltet sind, um nur die Impulse zu zählen, deren Amplituden innerhalb des so gebildeten Fensters liegen.
Damit der Benutzer gewünschte Werte für diese Diskriminatorpegel sowie für den Minimalpegel des Ausgangssignals jeder Multiplierröhre, die zur Bildung einer zulässigen Koinzidenz erforderlich sind, auswählen kann, sind entsprechende Steuerungen vorgesehen. Somit sind bei der erwähnten Summationsanlage die Kriterien für die Annahme eines Koinzidenz impulses zur Zählung:
(a) Die Amplitude jedes der koinzidenten Impulse muss einen vorgewählten festgelegten Schwellenwert überschreiten und (b) die Summe der Amplituden muss zwischen vorgewählten, festgelegten Minimal- und Maxi malwerten liegen. (Das Minimalwertkriterium wird im wesentlichen als gesonderter Faktor für die Zurückweisung ausgeschieden, wo der Minimalwert auf einen so niedrigen Betrag eingestellt ist, dass er nichts ausschliesst, was durch die Koinzidenzanlage hindurchgelassen wird.) Bei einem Betrieb ohne Summation sind die Kriterien die gleichen, mit der Ausnahme, dass das Kriterium (b) für die Ausgangssignale von nur einer Röhre angewendet wird, wobei die Koinzidenzröhre häufig bei einer solchen Funktionsweise mit höherer Verstärkung betrieben wird.
Die Benutzung dieser Kriterien bei Flüssigkeits-Szintillationsimpulshöhenanalysen ist seit vielen Jahren üblich und wurde, bisher, als die bestmögliche Diskriminierung zwischen Signalen und Störungsimpulsen bei der Niedrigenergie-Flüssigkeits-Szintillationszählung angesehen, obgleich Reststörimpulse notwendigerweise zurückbleiben. Durch Anheben des Minimalpegels der Amplitude, die zur Bildung einer Koinzidenz zugelassen ist, wird der in einem beliebigen Fenster herrschende Störhintergrund verringert, eine solche Verringerung ist jedoch durch eine Verringerung der Zählausbeute für schwache Szintillationen begleitet.
Es wurden zahlreiche Anstrengungen unternommen, um die Fotomultiplier, was die Verminderung des Störeinflusses anbetrifft, zu verbessern; die besseren Flüssigkeits-Szintillationsanlagen sehen normalerweise eine Kühlung oder andere Massnahmen zur Verminderung des Störungseinflusses vor. Als Gütefaktor einer Flüssigkeits-Szintillationszähleranlage für die Zählung eines niederenergetischen Isotops wird normalerweise der Faktor E2/B bezeichnet, wobei E die Ansprechwahrscheinlichkeit und B der Hintergrund ist, obgleich der Faktor E/B, also das reine Verhältnis von Ansprechwahrscheinlichkeit und Hintergrund, manchmal verwendet wird.
Tatsächliche Hintergrundimpulse aufgrund kosmischer Strahlung, natürlicher Strahlung von Materialien in den umliegenden Aufbauten, usw. werden normalerweise durch geeignete Abschirmung, Auswahl von Materialien mit niedrigster Eigenstrahlung und ähnliche Vorkehrungen verringert. Solche Quellen für den Hintergrund werden seit langem bei im Handel erhältlichen Anlagen hoher Empfindlichkeit bis auf einen Punkt reduziert, wo Reststörimpulse die Hauptquelle des Zählhintergrundes bei Messungen von niederenergetischen Isotopen darstellen.
Ausser zur Diskrimination in bezug auf Störimpulse sind dieselben Kriterien, insbesondere die Amplitudensumme, auch zur Diskrimination zwischen den Emissionen von Isotopen mit verschiedener Beta-Energie verwendet worden. Die einzelnen Isotope wurden hierbei in Kanälen oder Fenstern der Summenamplituden gezählt (oder bei nichtsummierenden Anlagen in Kanälen oder Fenstern der Amplituden der Ausgangsimpulse einer Multiplierröhre, was für diesen Zweck wegen der bei der Summierung besseren Isotopenunterscheidung oder Auflösung niederenergetischer Isotope jedoch nur selten zur Anwendung gelangt). Hier wiederum wird die Auswahl des oberen Summenpegels im unteren Energiekanal und des unteren Summenpegels im oberen Energiekanal aufgrund eines Kompromisses zwischen Zählausbeute und Isotopenunterscheidung getroffen.
Obgleich die Haupttypen der üblicherweise durch Impulshöhenanalyse (bis zum möglichen Grad) trennbaren Ereignisse Störimpulse und durch Emissionen verschiedener Energie hervorgerufene Szintillationsimpulse sind, werden bisweilen die gleichen allgemeinen Kriterien auch zur Analyse anderer Ereignisse, wie zur Identifizierung der Szintillationen, mit und ohne Fluoreszenzlöschung verwendet, wobei häufig ein oder mehrere Hilfskanäle oder Hilfsfenster vorgesehen werden.
Zweck der vorliegenden Erfindung ist, ein Verfahren zur Radioaktivitätsmessung anzugeben, bei welchem eine bessere Diskrimination zwischen den durch verschiedene Ereignisse bei solchen Radioaktivitätsmessungen verursachten Fotomultiplier-Ausgangssignalen erhalten wird, als bei dem bisher angewendeten und vorstehend erläuterten Verfahren, bei welchem im wesentlichen, wie erwähnt, bei der Messung alle nicht koinzidenten Impulse und alle jene koinzidenten Impulse zurückgewiesen werden, bei denen jeweils der Impuls von irgendeinem der Fotomultiplier eine Amplitude hat, die niedriger ist als eine normalerweise einer vorgegebenen minimalen Lichtanregung des betreffenden Fotomultipliers entsprechende Minimalamplitude,
und über Aufnahme und Rückweisung der die Minima überschreitenden koinzidenten Impulse durch Vergleich jeweils mindestens eines Impulses derselben mit weiteren Amplitudenkriterien entschieden wird und die aufgenommenen koinzidenten Impulse gezählt werden.
Demgegenüber ist das erfindungsgemässe Verfahren zur Radioaktivitätsmessung dadurch gekennzeichnet, dass die Amplituden einzelner zum selben Koinzidenzzeitpunkt gehörenden Impulse mit einer Testgrösse verglichen werden, die mit dem Summenwert der Amplituden dieser koinzidenten Impulse variiert, und dass diese Impulse zumindest aufgrund des Ergebnisses dieses Vergleichens der Testgrössen mit den Amplituden jedes einzelnen der koinzidenten Impulse angenommen oder zurückgewiesen werden, wobei die koinzidenten Impulse dann zurückgewiesen werden, falls die Amplitude der koinzidenten, zum selben Koinzidenzzeitpunkt gehörenden Impulse das Grössere von Testgrösse oder Schwellenamplitude nicht überschreiten und falls die koinzidenten Impulse die vorgenannten weiteren Amplitudenkriterien nicht erfüllen.
Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist erfindungsgemäss gekennzeichnet durch mehrere Fotomultiplier, welche den zu zählenden Szintillationen ausgesetzt sind, um Impulse zu erzeugen, deren Amplituden jeweils von der Lichtanregung der zugehörigen Fotomultiplier abhängig ist, eine Impulshöhenanalysierungs-Einrichtung zur Auswahl jener koinzidenten, zum selben Koinzidenzzeitpunkt gehörenden Impulse zum Zählen, deren Amplituden oberhalb einer Minimalamplitude liegen, wobei die Impulshöhenanalysier-Einrichtung Schaltungsanordnungen zum Zurückweisen aller koinzidenten von jedem der Fotomultiplier abgegebenen Impulse enthält, deren Amplitude kleiner als eine vorgegebene Schwellenamplitude ist, sowie einen Funktionsgenerator,
der den Vergleich der Amplituden jedes der koinzidenten Einzelimpulse mit einer von der Summe der Amplituden der koinzidenten Impulse abhängigen Testgrösse durchführt, der koinzidente Impulse unter der Bedingung annimmt, dass jeder Einzelimpuls die Testgrösse überschreitet, und der andernfalls die koinzidenten Impulse zurückweist, wobei die koinzidenten Impulse zurückgewiesen werden, falls die Amplitude jedes Einzelimpulses die vorgenannte Minimalamplitude nicht überschreitet, die als das Grössere von Schwellenamplitude oder Testgrösse definiert ist.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und der beiliegenden Zeichnung ausführlich erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine übliche Darstellung des Impulshöhenspektrums von Kohlenstoff-14 und Hintergrundimpulsen in einer typischen Summierungsanlage bekannter Art, in der die oberen und unteren Diskriminierungspegelwerte eingetragen sind, die zur Bildung eines typischen Zählfensters verwendet werden,
Fig. 2 eine graphische Darstellung einer Wahrscheinlichkeits- oder Spektrumfunktion für Kohlenstoff-14 und den Hintergrund, und zwar für einen gegebenen Wert der Summe in dem Spektrum von Fig. 1, wobei der Rauschdiskriminierungseffekt üblicher Koinzidenzschwellenbenutzung veranschaulicht wird,
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines dreidimensionalen Koordinatensystems für die Darstellung von Signalimpulsund Hintergrundspektren mit einzelnen Impulsen von jeweiligen Fotomultipliern als unabhängige Variable,
Fig.
4 eine Darstellung der Kurven gleicher Wahrscheinlichkeit des Auftretens der Amplituden von koinzidenten Rauschimpulsen von zwei einzelnen Röhren,
Fig. 5 eine ähnliche Darstellung für Kohlenstoff-14-Impulse zusammen mit einer einzelnen Rauschimpulskurve,
Fig. 6 eine graphische Darstellung der Arbeitsweise einer üblichen nicht summierenden Vorrichtung,
Fig. 7 eine ähnliche Darstellung der Betriebsweise einer üblichen Diskriminierungsvorrichtung für summierte Impulse,
Fig. 8 eine schematische Darstellung der Wirkung eines zusätzlichen Differenzdiskriminators auf die in Fig. 7 dargestellte Betriebsweise,
Fig. 9 eine schematische Darstellung der Wirkung eines schiefwinkligen Differenzdiskriminators,
Fig. 10 eine ähnliche Darstellung der Weise, wie die Erfindung bei der Zählung von Tritiumstrahlung verwendet wird,
Fig.
11, 12 und 13 schematische Darstellungen verschiedener Diskriminierungskriterien einfacher Arten,
Fig. 14 ein Diagramm, welches eine andere Ausführungsform der Erfindung darstellt,
Fig. 15 eine graphische Darstellung der Art, wie Diskriminierungskriterien als Funktion von Amplituden ausgedrückt werden,
Fig. 16 ein schematisches Diagramm eines Analog-Funktionengenerators für das Verfahren nach Fig. 15,
Fig. 17 ein Blockdiagramm der gesamten Flüssigkeits-Szin tillationszählanlage, die den Funktionengenerator nach Fig. 16 verwendet,
Fig. 18 ein schematisches Blockdiagramm einer beispielsweisen Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens, wie sie in einer nicht summierenden Zählanlage angewendet wird,
Fig. 19 ein schematisches Blockdiagramm einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,
Fig.
20 ein Teilblockdiagramm einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, und
Fig. 21 ein beispielsweises Schaltdiagramm eines Elementes der Ausführungsform von Fig. 20.
Fig. 1 zeigt in üblicher Darstellung ein Spektrum von Impulshöhen von Hintergrund- und Szintillationsimpulsen, das durch Kohlenstoff-14 in einem typischen Szintillationszähler mit flüssigem Luminiszenzstoff erzeugt wird, und zwar innerhalb eines Zählfensters , welches durch einen oberen und einen unteren Pegel des Diskriminators begrenzt ist. Solche Spektren sind zwar seit langem den Benutzern und Konstrukteuren von Szintillationsgeräten mit flüssigem Luminiszenzstoff bekannt, eine kurze Diskussion bestimmter Aspekte erscheint jedoch nützlich, um die Erfindung zu verstehen.
Die Form des bei der Zählung mit einem flüssigen Luminiszenzstoff erzielten Spektrums von Impulshöhen eines Isotops entspricht allgemein (aber nicht exakt) dem Energiespektrum der emittierten Beta-Teilchen, das in dem Szintillationsphosphor in Licht umgewandelt wird. Das Spektrum eines Isotopen kann natürlich nicht direkt, d.h. ohne Hintergrund gemessen werden. Dieser Hintergrund kann jedoch anhand eines Hintergrundspektrums beseitigt werden, das unter Benutzung einer Szintillationsprobe ohne Beta-Emitter gemessen wird und der tatsächliche Szintillationshintergrund kann analog von koinzidenten Störimpulsen getrennt werden, indem ein nur optisches Probengefäss verwendet wird.
Man sieht, dass die Abszissenachse in Fig. 1 mit X + Y bezeichnet ist. Die Bezeichnungen X und Y werden bei dieser und der folgenden Diskussion verwendet, um die Amplituden der koinzidenten Impulse der Multiplierröhren einer symmetrischen Koinzidenzanlage anzugeben.
Die beiden vertikalen Linien in Fig. 1 zeigen die bei üblichen Anlagen verwendete untere und obere Grenze für die Diskriminierung an, die von dem Benutzer in Übereinstimmung mit den besonderen Erfordernissen der Messung eingestellt werden, für welche die Anlage benutzt werden soll. Für Gesamtmessungen an Beta-Strahlern von relativ hoher Energie und ziemlich hohen Emissionsraten ist diese Einstellung keinesfalls kritisch. Wenn jedoch die Probenstärke und die Beta-Strahlenenergie geringer sind, wird die Auswahl der richtigen Pegel für die Fenstergrenzen höchst kritisch für die Ausführung von Messungen, die eine gewünschte Genauigkeit in einem Minimum an Zeit erfordern.
In der Darstellung von Fig. 1 bildet das Verhältnis der Kohlenstoff-14-Impulse, die in das Fenster fallen, zu der Gesamtzahl der Zerfälle, die in der Probe unabhängig von ihrer Stärke auch immer auftreten, natürlich die Ausbeute E der Anlage für die Messung des Isotops. Sowohl die Ausbeute als auch das Rauschen werden mit der Verbreiterung oder Verengung des Fensters erhöht oder vermindert. Die höchsten Werte von E/B, das Verhältnis von Ausbeute zu Hintergrund, werden mit relativ engen Fenstern erreicht, die für jede besondere gewünschte Zählrate ausgewählt werden.
Obgleich mit der Auseinanderbewegung der Fenstergrenzen der Zuwachs der Ausbeute ein immer geringeres Verhältnis zu dem Zuwachs des Hintergrundes mit sich bringt, so nimmt doch das Verhältnis des Quadrats der Ausbeute zu dem Hintergrund zu, bis der Wert dieses Verhältnisses ein Maximum erreicht, jenseits dessen er wieder absinkt.
In der Praxis wird die bestmögliche Anlagenarbeitsweise durch Anwendung der Theorie der statistischen Wahrscheinlichkeit erhalten. Die graphische Darstellung von Fig. 1 kann vorteilhafterweise als die Darstellung der Wahrscheinlichkeitsverteilungsfunktionen von Signal- und Störimpulsen und die untere und obere Grenze können als die Nutzung der Summensignalinformation zur Aussortierung von Impulsen aufgrund ihrer Wahrscheinlichkeit angesehen werden. Impulse einer Summe, die innerhalb des Fensters liegt, werden aufgenommen, da es angenommen wird, dass sie eine genügende Wahrscheinlichkeit besitzen, tatsächliche Signalimpulse zu sein; und Impulse einer Summe, die ausserhalb des Fensters liegt, werden zurückgewiesen, da angenommen wird, dass sie eine ungenügende Wahrscheinlichkeit haben, richtige Signalimpulse zu sein, welche die Zählung rechtfertigen würden.
Der Erfindungsgedanke kann in Anlehnung an das Koordinatensystem von Fig. 1 kurz so umschrieben werden, dass zum üblichen Impulshöhen-Spektrum eine dritte Dimension hinzugenommen wird, die auf einer ähnlichen Wahrscheinlichkeitsauswahl beruht, und die eine weitere Informationsgrösse darstellt, die tatsächlich in den X- und Y-Impulsen, namentlich in ihren relativen Werten bei jeder gegebenen Summe, enthalten ist.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung werden jene Störimpulspaare, die bei der Anwendung der bisher bekannten zur Analyse oder Diskrimination bestimmten Verfahren und Einrichtungen echte Signalimpulspaare simulierten, von den echten Signalimpulspaaren mit im wesentlichen hoher statistischer Sicherheit getrennt, indem die Amplituden der einzelnen koinzidenten Impulse als zusätzliches Kriterium herangezogen werden. Es wurde gefunden, dass die relative Grösse der einzelnen Impulse in vom Rauschen hervorgerufenen Koinzidenzen eine vollständig verschiedene Wahrscheinlichkeitsverteilung hat als die relative Grösse der echten Szintillationsimpulse, welche die gleiche Amplitudensumme liefern.
Für durch Rauschen erzeugte Koinzidenzimpulse sind die Beiträge der einzelnen Multiplierröhren in den meisten Fällen nicht gleich, sondern statistisch verteilt, und zwar sowohl in jeder beliebig grossen Probe von Störimpulsen allein. Die Wahrscheinlichkeitsfunktion für die echten Signalimpulse aller Amplituden, mit Ausnahme der allerkleinsten Amplitudensumme, ergibt eine Kurve, die ein eindeutiges Maximum im wesentlichen bei Impulsgleichheit aufweist (bei einer summierenden Anlage mit aufeinander abgestimmten Multipliern und Betriebsbedingungen), da als Grundmechanismus einer Impulserzeugung eine im allgemeinen gleiche Aufteilung der Lichtenergie zwischen den beiden Multiplierröhren vorliegt und die Abweichung von der genauen Gleichheit hauptsächlich durch Faktoren, wie statistische Fluktuationen in der Fotoelektronenempfindlichkeit usw., verursacht werden,
deren relative Grösse jedoch gering ist, ausgenommen dann, wenn der Lichtimpuls selbst sehr schwach ist. Andererseits sind gleiche koinzidente Störimpulse von den jeweiligen Röhren relativ selten für alle Amplituden, mit Ausnahme der niedrigsten Gesamtamplituden, und die Wahrscheinlichkeitskurve hat in diesem Falle für Impulse einer beliebig gegebenen höheren Amplitudensumme Maxima bei grosser Ungleichheit der Koinzidenzimpulse.
Koinzidente Impulse mit beachtlicher Amplitudensumme treten vorwiegend bei einem relativ grossen Impuls von der einen Multiplierröhre und einem relativ kleinen Impuls von der anderen auf, und zwar sowohl wegen der Gestalt des Störimpulsamplitudenspektrums in jeder Röhre, als auch wegen der Koinzidenzen, die tatsächlich nicht nur koinzident sind, sondern auch infolge eines geringen Ansprechens einer Multiplierröhre auf eine beim Auftreten eines Entladestörimpulses in der anderen Röhre erzeugte Lichtemission verursacht werden. Somit wird durch blosse Zurückweisung von Impulspaaren von vorbestimmter Ungleichheit ein wesentlicher Teil von störenden Hintergrundimpulsen, die bisher zusammen mit Signalimpulsen von bestimmter Amplitude gezählt wurden, eliminiert, ohne dass eine merkliche Verminderung der Zählausbeute für tatsächliche Szintillationsereignisse erfolgt.
In Fig. 2 sind die Spektren oder Wahrscheinlichkeitsverteilungsfunktionen für Kohlenstoff-14 und Störimpulse dargestellt, wobei hier jene Wahrscheinlichkeitsfunktionen vqn Störund Signalimpulsen als eine senkrecht zu der Zeichnung von Fig. 1 stehende Ebene dargestellt werden können, die auf dem relativen Beitrag der einzelnen Multiplierröhren bei einem einzigen Wert des Summensignals basieren, und zwar mehr oder weniger analog einem Schnitt durch das Diagramm von Fig. 1 an einem Abszissenwert von X + Y = K. In Fig. 2 sind vertikale Linien bei den positiven und negativen Werten der (X - Y)-Abszisse hinzugefügt, die den absoluten Wert X + Y - T haben, wobei T die Koinzidenzschwelle ist, d.h.
der Minimalimpuls von jeder eine der Röhren, der erforderlich ist, um eine Koinzidenz zu registrieren. (Der niedrigste mögliche Wert von X + Y in Fig. 1 ist notwendigerweise 2T, entsprechend der Festlegung, dass nur koinzidente Impulse in der üblichen Summenanlage gemessen werden.)
Wie aus theoretischen Überlegungen vorhergesagt werden kann und auch experimentell bestätigt wurde, ist dort, wo das Summensignal wesentlich grösser als 2T ist, die Wahrscheinlichkeit für annähernd gleich grosse Störimpulse äusserst gering, während die Wahrscheinlichkeit für Kohlenstoff-14 Impulse im Bereich geringer Differenzen der Impulsamplituden am grössten ist und rasch mit zunehmenden Differenzen abnimmt.
Demgemäss kann jeder gegebene Summenwert, der als angenommen im Diagramm von Fig. 1 gezeigt ist, durch Diskriminierung auf der Basis der Summendendifferenz in dem Gütefaktor verbessert werden. Eine solche Diskriminierung wird natürlich durch den Wert der Koinzidenzschwelle in einer üblichen Anlage gegeben. Die Unzulänglichkeit der Koinzidenzschwelleneinstellung zu diesem Zweck wird jedoch offensichtlich, wenn bedacht wird, wie die beispielsweise Darstellung der Fig. 2 in Abhängigkeit von der Wahl des Wertes von X + Y variiert, für welchen die Wahrscheinlichkeitsverteilung wiedergegeben ist. Wenn der Summenwert zunimmt, nimmt auch der Abstand der Abszissenwerte zwischen den Koinzidenzschwellengrenzen in Fig. 2 zu.
Obwohl der Gleichheitspeak der Kohlenstoff-14-Wahrscheinlichkeitskurve breiter wird (die Wahrscheinlichkeit des Überschreitens eines gegebenen Differenzwertes nimmt mit dem Summenwert zu), wird der Peak schärfer, was die Trennung vom Hauptanteil der Störimpulse innerhalb der Koinzidenzschwellengrenzen anbetrifft, und die Wahrscheinlichkeit von relativ gleichen, einen Signalimpuls repräsentierenden, Impulsen eher als die eines Störimpulspaares zunimmt, und zwar mehr und mehr. Bei den niedrigsten Kohlenstoff-14-Impulssummen werden umgekehrt die Wahrscheinlichkeitskurven in ihrer Form viel weniger unterschiedlich, da die Verhältnisse bei Nulldifferenz bei kleinen Summen relativ gering sind.
Durch diese Einführung, die das Wesentliche an der Beziehung zwischen dem Erfindungsgedanke und den bekannten, in Fig. 1 dargestellten Diskriminierungsverfahren aufzeigt, dürfte die Erläuterung jener graphischen Darstellung erleichtert werden, die für die weitere Beschreibung der Erfindung als bequemer erscheint. Wie in Fig. 3 gezeigt, wird das Impulshöhenspektrum , welches als Grundlage für die Diskriminierung bei der vorliegenden Vorrichtung dient, am besten in drei Dimensionen dargestellt, d.h. in X und Y, welche die Ausgangssignale der einzelnen Multiplierröhren darstellen, und die als unabhängige Variable allgemein der Summe nach Fig. 1 entsprechen und in der Wahrscheinlichkeit P, die eine Funktion dieser unabhängigen Variablen ist. Aus praktischen Gründen werden jedoch die weiteren graphischen Darstellungen in einer einzigen X-.
Y-Koordinatenebene wiedergegeben, in der jeweils Kurven gleicher Wahrscheinlichkeit oder Schichtlinien dargestellt sind, wobei alle Punkte auf jeder Kurve Xund Y-Wertbeiträge mit der gleichen Wahrscheinlichkeit oder Häufigkeit des Auftretens im Signalimpuls- oder Störimpulsspektrum wiedergeben, wie es der Fall sein kann.
Dies versteht man am besten in Verbindung mit den Fig. 4 und 5, wo schematische Darstellungen gegeben sind, die die gleiche Gesamtinformation mitteilen, die zuvor in Zusammenhang mit Spektren nach Fig. 2 für alle Werte der Summe in Fig. 1 diskutiert wurde,
Die Form der hier gewählten Darstellung ist analog zu einer zeitintegrierten Fotografie von Punkten gleicher Intensität, die durch koinzidente Impulse auf einem Oszilloskopenschirm erzeugt wird. wobei jeder Punkt an einer Stelle in der Ebene mit X- und Y-Werten erscheint, die durch die Amplitude der Ausgangsimpulse von der jeweiligen Multiplierröhre bestimmt werden. In einer solchen Darstellung eines Impulshöhenspektrums (welches direkt in dieser Weise erzeugt werden kann) erscheinen charakteristische Muster für die Impulse, die durch Rauschen und durch verschiedene Isotopen-Szintillationen erzeugt werden.
Der Wahrscheinlichkeitswert in diesem dreidimensionalen Spektrum wird durch die Dichte der Punkte jeder Kombination von X- und Y-Werten wiedergegeben, und die graphische Darstellung jeder Schichtlinie gleicher Wahrscheinlichkeit entspricht dem Schnitt des Oberflächen Spektrums an einem besonderen Wahrscheinlichkeitswert.
In solchen graphischen Darstellungen, wie in den Fig. 4 und 5 und den weiteren Figuren, die später beschrieben werden liegen alle Punkte eines gegebenen X + Y-Wertes (X + Y = K) einer unter 45 verlaufenden Diagonalen (von denen eine gestrichelt dargestellt ist) entlang, die einer in Fig. 2 dargestellten Abszissenachse entspricht, und die Schnittpunkte jeder Summenlinie mit aufeinanderfolgenden Linien gleicher Wahrscheinlichkeit geben das Wahrscheinlichkeitsspektrum aus Fig. 2 für diese bestimmte Summe wieder. Die i50-Linie, die vom Ursprung (X = Y) aus führt, ist repräsentativ für Impulsgleichheit in den beiden Multiplierröhren.
Die allgemeine Form des Rauschspektrums ist in Fig. 4 dargestellt. Die grösste Häufigkeit des Auftretens von Störimpulsen ist dargestellt durch die den Achsen am nächsten liegende Gleichwahrscheinlichkeitskurve, wobei weiterliegende Gleichwahrscheinlichkeitskurven geringere Häufigkeit oder Wahrscheinlichkeiten des Auftretens der Störimpulse darstellen.
Die Kurven gleicher Wahrscheinlichkeit oder gleicher Häufigkeit bei Kohlenstoff-14 sind etwa von der in Fig. 5 gezeigten Gestalt, von denen zwei gezeigt sind. Wie zuvor erläutert, wird die Gestalt der Kurve grundlegend bestimmt durch die Kombination des Summenspektrums von Fig. 1 mit Spektren wie die nach Fig. 2 für jeden der verschiedenen Summenwerte.
Jede Kurve gleicher Häufigkeit oder gleicher Wahrscheinlichkeit für Kohlenstoff-14 ähnelt einem Halboval oder einer Ellipse, die sich symmetrisch entlang der 450-Impulsgleichheitslinie erstreckt, wobei aufeinanderfolgende kleinere Kurven hierbei grössere Häufigkeit darstellen. Ahnliche Kurven (nicht gezeigt) für höher energetische Isotope sind, wie aus dem bisher Gesagten zu erwarten ist, von etwas anderer Gestalt, wenn sie mit geeigneter Anpassung der Skala dargestellt sind, wobei sie von der 450-Gleichheitslinie mit zunehmendem Summenwert bis hinauf zu den Summenwerten in dem Bereich des Summenspektrumpeaks auseinandergehen anstatt mehr oder weniger parallel (oder abstandsgleich) zu den für niedrigere Summenwerte dargestellten Kohlenstoff-14-Kurven zu verlaufen.
Dies rührt von der Tatsache her, dass ein übliches Spektrum, wie das nach Fig. 1, in solchen Fällen relativ wenig Zählungen geringer Summe aufweist; für ein Isotop, wie z.B.
Phosphor-32, sind im Bereich hoher Summenwerte die Kurven der gleichen Häufigkeit für sehr hohe Wahrscheinlichkeitswerte geschlossene Schleifen.
In den Fig. 4 und 5 und in einigen der weiteren Figuren sieht man Linien, die in geringem Abstand von den Koordinatenachsen und parallel zu diesen verlaufen. Diese Linien stellen die übliche Koinzidenzschwelle für die jeweiligen"Multi- plierröhren dar.
Fig. 6 gibt in dieser Art der Darstellung die Funktionsweise einer üblichen, nicht summierenden Koinzidenzanlage wieder (wobei, um die Darstellung zu vereinfachen, Symmetrie der Schwellenwerte und gleiche Multiplierverstärkungen angenommen sind), und Fig. 7 zeigt die Funktionsweise einer üblichen, summierenden Anlage, wobei jede der beiden Figuren eine Kurve gleicher Häufigkeit für Kohlenstoff-14 und für Rauschen enthält. In Fig. 6 liegen die unteren und oberen Pegel des Diskriminators bzw. für den Ausgang der Signalröhren bei Xl und X2 und in Fig. 7 sind die oberen und unteren Werte für die Signalsumme durch Zl und Z2 (die dargestellten Positionen sollen kein Optimum darstellen) gegeben.
Aus den Fig. 6 und 7 geht hervor, dass es unmöglich ist, sich durch Einstellung der Diskriminatorpegel bei den bekannten Anlagen der optimalen statistischen Diskriminierung zwischen Signal und Rauschen zu nähern.
In Fig. 8 ist in ähnlicher Darstellung eine einfache Ergänzung der summierenden Anlage von Fig. 7 gezeigt, durch welche eine erhebliche Verbesserung bei der Eliminierung von Rauschimpulsen bewirkt wird. Wie in Fig. 7, werden Impulse, deren Summe grösser als Z2 ist, von der Zählung ausgeschlossen, ebenso wie Impulse, deren Summe kleiner als Zl ist.
Darüberhinaus werden alle jene Impulse ausgeschieden, die nicht zwischen den Linien Y - X = D und X - Y = D, wie durch den schraffierten Aufnahmebereich gezeigt ist, liegen.
D.h. es werden alle Impulse zurückgewiesen, die eine Amplitudendifferenz liefern, die grösser als eine maximal zulässige Amplitudendifferenz ist, die hier für alle Summen konstant ist.
Ein Vergleich der Fig. 7 und 8 zeigt, dass durch eine derartige einfache Erweiterung der üblichen Summendiskriminierungsanlage die Rauschimpulse unter relativ geringem Einfluss auf die Signalimpulse verringert werden.
Obgleich durch das Hinzufügen eines solchen einfachen Maximum-Differenzdiskriminators , der den Impulsdurchgang in einem üblichen Pulse summierenden Analysator steuert, eine erhebliche Verbesserung bei empirischer Auswahl einer geeigneten Differenzengrenze erhalten wird, kann eine noch weitere Verbesserung erzielt werden. Diese Verbesserung basiert auf dem Grundprinzip, dass sich aus dem Studium jener Faktoren ergibt, die die maximale Differenz zwischen koinzidenten Impulsen bestimmen, welche bei der Aufnahme eines zu zählenden Summenimpulses zugelassen werden sollte.
Jede gegebene Grenze für die zugelassene Differenz wird eine grössere Wirkung auf die Ausbeute bei der Zählung grosser Signalimpulse als bei der Zählung kleinerer Signalimpulse haben, d.h. die Wahrscheinlichkeit, dass ein tatsächlicher Signalimpuls mit grosser Amplitude eine bestimmte absolute Differenz in den Beiträgen der beiden Röhren überschreitet, ist wesentlich grösser als die Wahrscheinlichkeit, dass ein tatsächlicher Signalimpuls von geringer Amplitudensumme eine solche Differenz der Beiträge aufweist. Dementsprechend sollte die zulässige Differenz nicht für alle Energien der gezählten Strahlung gleich eingestellt werden.
In Fig. 9 ist die Funktionsweise einer der üblichen Summendiskriminierungsanlagen hinzugefügten schiefwinkligen Differenzdiskriminierungsanlage gezeigt. Hier nimmt der zugelassene absolute Wert der Amplitudendifferenz mit der Summe zu, die Grenzen der zulässigen Differenz laufen mit zunehmenden Summenwerten auseinander. Die Differenzengrenzen werden wegen des dargestellten Zusammenhangs mit den rechtwinkligen Koordinaten als schiefwinklig bezeichnet.
Wie durch die Beschriftung der schiefwinkligen Aufnahmegrenzen in Fig. 9 gezeigt, kann eine solche Diskriminierung durch Begrenzung des absoluten Wertes der Resultierenden durch Subtraktion eines Bruchteils k der Summe von der Differenz erreicht werden; dieser Bruchteil wird entweder durch Prüfung von für die Anlage aufgenommenen Schichtlinien (unter Verwendung der erwähnten Oszilloskopentechnik oder eines Vielkanalanalysators) oder nur durch ein empirisches Experiment ausgewählt. Als ein weiteres Beispiel kann ein konstanter Spannungswert C jedem Ausgangssignal der Multiplierröhre hinzuaddiert, das Verhältnis von X + C zu Y + C gebildet und der Impuls nur dann angenommen werden, wenn das Verhältnis zwischen eine vorgegebene Zahl und ihren Reziprokwert fällt.
Durch einfache Erweiterung eines typischen im Handel erhältlichen Szintillationszählers mit flüssigem Luminiszenzstoff durch eine dauernd eingestellte schiefwinklige Differenzendiskriminierungsschaltung, die die Aufnahmecharakteristiken nach Fig. 9 erzeugt, kann eine erhebliche Verbesserung des Wertes E2/B (sowohl bei optimalen Fenstereinstellungen als auch bei Einstellungen, die höhere EIB oder bessere Doppelisotoptrennung erzeugen) bei der Zählung von Kohlenstoff 14 erreicht werden, nicht nur ohne Verschlechterung der Messung für andere Isotope, sondern mit der Verwirklichung einer messbaren Verbesserung für andere Isotopenenergien.
Bei dieser einfachen Ausführungsform der Erfindung wird die grösste Verbesserung bei der Zählung von Kohlenstoff-14 erreicht. Bei der Zählung von Isotopen höherer Energien, bei denen höhere Werte von E2/B in einem gewöhnlichen Summenfenster einfach erreicht werden können, nimmt die Verbesserung notwendigerweise ab.
Die Aufnahmekriterien für Impulse einer beliebig gegebenen Summe, die oben diskutiert wurden, können anstatt in Begriffen zulässiger Ungleichheit auch als Veränderung des für die Zählung in jeder Multiplierröhre massgebenden Schwellenwertes (der bisher für alle Summen gleich war) mit dem Amplitudenwert des jeweiligen Impulses (und in derselben Richtung) von der anderen Röhre oder der Summe beschrieben werden. Die Veränderung (wenn eine vorhanden ist) der maximal zulässigen Differenz mit der Summe kann beschrieben werden als Form der Schwellenwert-Kurve (oder Linie) als Funktion der Summe. Hinsichtlich des erfindungsgemässen Verfahrens sind sich diese zwei Arten der Beschreibung völlig äquivalent, sie stellen nur unterschiedliche Beschreibungsweisen des gleichen Konzepts dar.
Hinsichtlich der erfindungsgemässen Vorrichtung kann die vorgeschlagene Verwirklichung aufgrund solcher unterschiedlicher Beschreibungsarten der gleichen Methode zu wesentlich unterschiedlichen Aufbauten der neuen Einrichtung führen, die ungeachtet dessen sehr ähnlich in ihrer Funktion oder ihrem Zweck sind und als völlig äquivalent in Anbetracht der gesamten Lehre der erfindungsgemässen Einrichtung angesehen werden.
Bei eingehender Prüfung der Art und Weise, wie die Verbesserung erreicht wird, wird klar, dass die grundlegende Lehre der Erfindung weitere Verfeinerungen bei der Diskrimination zwischen aufgenommenen und zurückgewiesenen Impulsen zulässt, die bei der Optimierung sogar wirkungsvoller ist als in dem Fall der gerade beschriebenen, einfachen Erweiterung.
Es ist für die Erleichterung des Verständnisses vorteilhaft, die Trennung von ungewünschten Impulsen vom Signal für jede besondere Impulssumme innerhalb des Bereiches von zulässigen Summen zu betrachten. (Die Bezeichnung Summe , wie sie hier benutzt wird, bedeutet notwendigerweise einen schmalen aber bestimmten Einheitsbereich von Summen.) Wenn die Auswahl für eine relative Zählrate richtig gewichtet und annähernd optimal für jede einzelne Summe ist, so ergibt sich das bestmögliche Gesamtverhältnis von erwünschter zu unerwünschter Aufnahme über den gesamten Summenbereich.
Bei der Bestimmung der optimalen, maximal zulässigen Ungleichheit (Differenz. Verhältnis, usw.) für eine beliebige Summe gehen zwei Faktoren in die relative Wahrscheinlichkeit ein, erstens die Wahrscheinlichkeitsverteilung oder das Spektrum der relativen Impulshöhen der koinzidenten unerwünschten Impulse und der koinzidenten erwünschten Impulse, die die besondere Summe als eine Funktion der Ungleichheit bilden, und zweitens der gesamte Wirkungsgrad dieser besonderen Summe beim Nachweis von gewünschten und unerwünschten Ereignissen. Die allgemeinen Formen der Wahrscheinlichkeitsverteilungen von Signalimpulsen und Rauschimpulsen wurden bereits allgemein diskutiert und eine Art der Benutzung dieser Information beschrieben.
Dieselben Prinzipien der Auswahl von koinzidenten Impulsen der einzelnen Fotomultiplier können jedoch auch dazu verwendet werden. die statistische Trennung von Impulsen, die durch verschiedene Isotope, und auch von Impulsen, die durch Untergrundstrahlung erzeugt werden, zu verbessern.
Wie im folgenden näher erläutert wird, ruft die Benutzung der beiden, zur Erzielung der besten Annäherung an optimale Zählbedingungen für jede Summe, erwähnten Wahrscheinlichkeitsfaktoren normalerweise eine Verengung oder Verminderung der zugelassenen Differenz bei summierten Amplituden im grössten Teil des Amplitudenspektrums des gezählten Isotops hervor, und die Impulshöhenanalyse wird somit auf gewünschte Weise für optimale Ergebnisse einer erheblichen Verminderung der zulässigen Differenz zwischen den einzelnen koinzidenten Impulsen im Bereich der relativ seltenen maximalen summierten echten Signalimpulse ausgeführt.
Wie bereits erwähnt wurde, vermindert sich die Spitzenbildung beim Spektrum von Szintillationssignalimpulsen einer gegebenen Summe im in Fig. 2 gezeigten Bereich der Gleichheit, wenn immer kleinere Summenimpulse geprüft werden, wobei die statistischen Fluktuationen der Ausgangssignale der einzelnen Multiplierröhren einen mit schwächer werdenden Lichtimpulsen ansteigenden Faktor darstellen.
Da das Tritiumspektrum eine wesentliche Komponente im Bereich von Lichtintensitäten aufweist, der die Schwelle der theoretischen Möglichkeit zur Erzeugung eines Elektrons aus jeder Fotokathode der am häufigsten erhältlichen Multiplier darstellt, sind die einzelnen Impulse, die durch eine gegebene Lichtintensität in diesem Bereich erzeugt werden gewöhnlich so in ihren Amplituden verteilt, dass die Gleichdichtekonturen des oberen Teils des zweivariablen Tritiumspektrums im allgemeinen in der Form von konzentrischen Kreisbögen erscheinen, von denen einer in Fig. 10 als die obere Grenze der schraffierten Aufnahmezone einer Tritiumzählanlage, die die Erfindung benutzt, gezeigt ist. (Die in Fig.
10 dargestellten Koordinatenskalen sind natürlich im Vergleich mit den in den Darstellungen für Kohlenstoff-14 verwendeten erheblich gestreckt.) Wenn angenommen wird, dass die dargestellte Schichtlinie mit dem äus- sersten oberen Ende des Tritiumspektrums übereinstimmt, so wird der Vorteil der Gestaltung der Aufnahmegrenze längs dieses Kreisbogens, verglichen mit einer schneidenden Sehne, die durch einen Summenpegel beschrieben wird, im Hinblick auf die hohe Rauschimpulsdichte bei niedrigen Pegeln offensichtlich. Eine solche Diskriminierungscharakteristik kann durch Analogberechnung der Summe der Quadrate der Ausgangssignale der einzelnen Multiplierröhren und Vergleichen dieser Summen mit einem festgesetzten maximalen Diskriminierungspegel erhalten werden, was durch die Beschriftung in der Figur angedeutet ist.
Die spezifischen Aspekte der so weit diskutierten Impulshöhenanalysenmethode können mehr oder weniger als eine Verbesserung der statistisch selektiven Diskriminierung gegen die Impulse der allgemeinen Eigenschaft angesehen werden, die von der Zählung bisher durch die Kriterien (oder die Einrichtungen) für Impulszählungsaufnahme ausgeschieden wurden. welche bei üblicher Fensterdiskriminierung allgemein als Koinzidenzschwelle und Summendiskrimination mit oberem Pegel bekannt sind. Eine weitere Verbesserung bei der Benutzung der Wahrscheinlichkeitsinformation der Ausgangssignale der einzelnen Multiplier wird durch eine wesentliche Änderung der Kriterien für die Aufnahme erhalten, die im allgemeinen als Diskrimination mit unterem Pegel bekannt ist, d.h. durch Veränderung der Kriterien für die Zurückweisung von Impulsen von zu geringer Summe.
Hierbei kann wieder die Differenz zwischen der Form der Gleichheitsverteilungskurven für die gewünschten und ungewünschten Impulse einer beliebig gegebenen Summe zur Verbesserung der bisher üblichen, lediglich aufgrund des unteren Pegels durchgeführten Summenzurückweisung benutzt werden, indem die Differenz als zusätzliches Aufnahmekriterium im Bereich der niedrigsten aufzunehmenden Amplituden miteingeschlossen wird.
Da koinzidente Rauschimpulse von beliebiger gegebener Summe eine relativ niedrige Wahrscheinlichkeit dafür haben, gleiche Amplituden zu haben (obgleich weit geringer als bei grossen Summenwerten), kann eine Diskriminierung mit niedrigem Pegel, welche das Zählen vom Impulsen ausschliesst, die eine grössere Differenz als eine für jeden Summenwert geeignet ausgewählte Maximaldifferenz haben, das Verhältnis des Untergrundes zu einem gewissen Grad vermindern, und zwar auch in Bereichen von so niedrigen Summen, dass die Spitze der Aufnahmewahrscheinlichkeitsverteilung für Signalimpulse bei Gleichheit letzterer sehr gering ist.
In diesem Falle bewirkt ein Zurückweisungskriterium mit niedrigem Pegel, welches anstatt eines wie bisher einzigen Summenpegels einen Bereich minimaler Summen einschliesst und welches die Grenzen zulässiger Differenzen von einem Minimalwert (oder Null) bei der Summe mit minimal zulässiger Amplitude anhebt, eine Verbesserung in der statistischen Trennung der Signale vom Rauschen, wozu das alleinige Summenkriterium völlig ungeeignet ist.
Wie in Fig. 10 durch die Beschriftung ersichtlich ist, kann die untere Diskriminierungsgrenze durch Analogmultiplikation der beiden Impulswerte und Vergleich des Produktes mit einem Minimalwert festgelegt werden. In diesem Fall existiert ein Bereich von Summen mit niedrigerem Pegel, in dem die zulässige Ungleichheit mit der Summe zunimmt, während bei der Diskriminierung des oberen Pegels das Umgekehrte der Fall ist.
Die Charakteristiken der Fig. 8 bis 10 sind nur Beispiele für eine grosse Zahl von Möglichkeiten, eine gegenüber der Summendiskriminierung verbesserte Rauschdiskriminierung.
In Fig. 11 ist eine Einschränkungscharakteristik für Impulsaufnahme dargestellt, in der Koinzidenzimpulse von der Zählung ausgeschlossen werden, wenn einer von ihnen einen festgelegten Wert überschreitet. Mit einer geeignet ausgewählten Grenze erzeugt diese Hinzufügung zu der üblichen Summenanlage nach Fig. 7 eine Rauschverminderung bei der Kohlenstoff-14-Zählung, die, obgleich geringer als in dem Fall der Differenzengrenzen von Fig. 8 und 9, beachtlich ist; eine solche Grenze darf natürlich nicht wirksam sein für Zählungen eines Isotops mit höherer Energie, als der, für die sie eingestellt wurde. Fig. 13 zeigt die Wechselwirkung solcher festgelegter einzelner Grenzen bei einem Summendiskriminator mit oberem Pegel.
Solche Diskriminierungskriterien stellen eine grobe Annäherung an die Gleichwahrscheinlichkeitscharakte- ristik des oberen Pegels von Tritiumimpulsen nach Fig. 10 dar; eine noch bessere Näherung erhält man durch Verkanten der einzelnen Impulsgrenzen, wie es in Fig. 12 gezeigt ist.
Eine exakte Optimierung der Diskriminierung gegen Störsignale auf der Basis der Wahrscheinlichkeit ist äusserst komplex, insbesondere im Bereich geringster aufgenommener Summenwerte. Theoretisch kann dort eine optimale Grenze zwischen Signalimpulsen und Störimpulsen definiert werden.
Bei einer solchen theoretischen optimalen Grenze liegt die maximale zulässige Differenz oder das maximal zulässige Verhältnis von X- und Y-Impulsen für jeden Summenwert an den Punkten, bei denen entweder eine Erweiterung oder eine Verringerung der Aufnahmezone den Gesamtgütefaktor verringern würde. Eine Bestimmung der theoretisch optimalen Trennungslinie zwischen Aufnahme und Zurückweisung von Impulsen kann prinzipiell für jedes Isotop mit jedem gegebenen System gemacht werden.
Das Festlegen der Grenzen der Aufnahmezone, die theoretisch optimal für eine gegebene Einstellung der Zählbedingungen ist, stellt eine erhebliche experimentelle Aufgabe dar, die nicht allgemein garantiert ist, da sowohl die Konstruktion einfach einstellbarer Diskriminatoranlagen, die in der Lage sind, komplex gestaltete Aufnahmebereiche in der X, Y-Ebene zu bilden, schwierig ist und weil der zusätzlich erhaltene Vorteil, verglichen mit einfacheren Ausführungsformen der Erfindung, die bereits beschrieben wurden und später beschrieben werden, relativ gering ist, insbesondere, wenn man beachtet, dass bei der praktischen Zählung Variable, wie z.B. der Löscheffekt, welche später erwähnt werden, auftreten.
Bisher wurde die Erfindung hauptsächlich in Verbindung mit der Diskriminierung zwischen Signalimpulsen und Störimpulsen behandelt. Die bereits beschriebenen Ausführungsformen sind jedoch auch nützlich bei der Wahrscheinlichkeitsdiskriminierung zwischen Isotopen, wie z.B. bei der Zählung von doppelt,namentlich mit Kohlenstoff-14 und Tritium markierten Proben. Ein wichtiger Grund für die Benutzung der Summierung von Impulsen in einer symmetrischen Koinzidenzanordnung bei modernen Flüssigkeits-Szintillationsanlagen war bisher der Glaube, dass Diskriminierung auf der Basis der Summe die beste Isotopentrennung, d.h. das höchstmögliche Verhältnis von Tritiumausbeute zu Kohlenstoff-14-Ausbeute in einem Tritiumzählkanal und das höchste Verhältnis von Kohlenstoff-14-Ausbeute in einem tritiumfreien Kohlenstoff14-Zählkanal liefert.
Wie durch die vorliegende Erfindung gezeigt wird, ist dies nicht der Fall. Obgleich Summendiskriminierung die Energiediskriminierung im Vergleich mit einem Einsignalbetrieb verschärft, zeigen die Wahrscheinlichkeitsbetrachtungen, die der Erfindung zugrunde liegen, dass wesentlich weitere Verbesserungen erreicht werden können.
Es wurde bereits in Verbindung mit Fig. 10 erläutert, dass die Gleichdichte-Schichtkurven für Tritium in der X, Y-Ebene angenähert Kreisbögen sind. Die Gleichdichte-Schichtkurven von Kohlenstoff-14 in diesem Bereich sehr kleiner Impulse (nicht gezeigt in den Kohlenstoff-14-Diagrammen, die früher beschrieben wurden, wegen der Differenz der Skala) sind von der gleichen allgemeinen (wenn auch nicht identischen) Gestalt. Unter diesen Bedingungen erzeugt die übliche Sum mendiskriminierung mit oberem Tritiumpegel (eine Diagonallinie. die in Fig. 10 nicht dargestellt ist) nur eine grobe Kompromisslösung zu optimalen Aufnahmekriterien. da der beste Summendiskriminierungspegel für angenähert gleiche X- und Y-Impulse höher ist, als der beste Summendiskriminierungspegel für sehr ungleiche Impulse.
Wenn der untere Diskriminierungspegel eines Kohlenstoff- 14-Zählkanals in Übereinstimmung mit der Gleichdichtekontur des Tritium gestaltet wird.
kann eine gegenüber einem blossen Summenpegeldiskriminator etwas höhere Ausbeute für Kohlenstoff-14 erhalten werden, während immer noch alle Tritiumimpulse ausgeschlossen werden. Das Verhältnis der Ausbeute des Tritium-Zählkanals für Tritium zu der für Kohlenstoff-14 kann ebenfalls etwas durch richtige Gestaltung des oberen Pegels dieses Kanals, wie später erwähnt. erhöht werden.
Die Grundlage einer Verbesserung der Isotopenunterscheidung durch Gestaltung der nebeneinander vorliegenden Grenzen der Diskriminierungscharakteristik oder des Aufnahmegebietes in der X. Y-Ehene zu geeigneten Kurven kann ebenfalls mit Vorteil bei der Unterscheidung von Kohlenstoff-14 von höherenergetischen Isotopen, wie z.B. Phosphor-32, oder für jede ähnliche Energiediskriminierung benutzt werden, obgleich die Verbesserung für den Fall von Tritium und Kohlenstoff am deutlichsten ist. Weiterhin kann eine solche Gestaltung an der obersten Summenamplitude auch bei einem einzelnen Isotop, wie z.B. Kohlenstoff-14 oder höherenergetischen Isotopen, eine Verbesserung der Messung bringen, was aus dem folgenden hervorgeht.
Die Verbesserung, die aus einer solchen Gestaltung der Grenzen erhalten wird, dass die Diskriminierungscharakteristik in dem Bereich der maximalen Impulshöhe spitz zuläuft.
ist am besten in Zusammenhang mit Fig. 1 zu erläutern. Der Bereich maximaler Summenimpulshöhen für Kohlenstoff- 14 liegt weit über den Amplituden, bei denen das Störsignal mit dem früher besprochenen Verteilungsmuster sehr bedeutend ist. Das Spektrum des gesamten Zählhintergrundes nimmt, obgleich es bei niedrigen Impulsen stark abfällt, danach nur sehr langsam ab. Dieser langsame Abfallbereich des Hintergrundes, der sich bis zu den höchsten durch Beta-Strahlen erzeugte Impulshöhen erstreckt, geht hauptsächlich auf den Szintillationshintergrund zurück, der von kosmischer Strahlung, zurückbleibender Strahlung in den Baumaterialien und von ähnlichen Quellen herrührt. Dieser Strahlenhintergrund kann auf zwei verschiedenen Wegen in das Nachweissystem gelangen.
Zuerst kann er direkt durch ein Multiplieraufbau verursacht sein, indem Impulse durch die Erzeugung von Elektronenemission gebildet werden. Eine solche Erscheinung wird hier als Rauschen angesehen. Die zweite Art, in das Nachweissystem einzutreten, geschieht durch Erzeugung von Lichtimpulsen in der szintillierenden Flüssigkeit. Wegen des Unterschiedes in der allgemeinen Art der Strahlungsenergie existieren Unterschiede in dem Mechanismus, durch den Energie in Licht umgewandelt wird; dies ist jedoch nicht entscheidend für die vorliegende Diskussion.
Für den vorliegenden Zweck wird als tatsächlicher Strahlenhintergrund ein relativ flaches Spektrum von Szintillationsintensitäten angesehen, welches sich über den gesamten Bereich der Beta-Energien erstreckt; eine einzelne Szintillation einer bestimmten Intensität wird die gleiche, ob sie von einem Hintergrundereignis oder einem Signalereignis erzeugt wurde. Diskriminierungen gegen diese Art von Hintergrund ist der Hauptzweck, der durch die Diskriminierung mit oberen Pegeln eines üblichen Zählfensters bei der Zählung von hochenergetischen Isotopen verfolgt wird.
Da eine Hintergrundszintillation einer gegebenen Intensität identisch ist mit einer Signalszintillation der gleichen Intensi tät, scheint es zunächst unmöglich, in der Nachweis- und Zähl anlage irgendeine Veränderung in dem Verhältnis von Signal impulsen zu tatsächlichen Hintergrundimpulsen zu erzeugen, die besser ist. als die, welche durch übliche Maximalsummendiskriminierung erreicht wird. Wenn dort bei jedem Szintillationsereignis exakte Entsprechung zwischen Lichtintensität und Impulssummen-Ausgangssignal gegeben wäre, wäre dies in der Tat unmöglich; wäre dies der Fall, so wäre jedes Verhältnis von Szintillationssignal zu Szintillationshintergrund, welches bei einem besonderen Summenwert erzeugt wird.
konstant für alle Werte der Differenz. Somit könnte für das Verhältnis von Signal zu Hintergrund nichts gewonnen werden, wenn die zulässige Differenz, sei es durch grobes Nachfolgen einer Gleichwahrscheinlichkeitskurve oder anders, begrenzt wird. Wie im - folgenden gezeigt wird, kann dieses Verhältnis aber tatsächlich verändert werden, und zwar durch Verringerung der zulässigen Differenz in dem Bereich, der dem oberen Ende des Spektrums des zu zählenden Isotops entspricht, wo das Amplitudenspektrum des Isotops (Kohlen stoff-lA in Fig. 1) rasch abnimmt, während das Amplitudenspektrum des Rauschens konstant oder flach über das gleiche Intervall ist.
Es sei zunächst der Grenzfall der maximalen Summenamplitude des Kohlenstoff-14-Spektrums von Fig. 1 betrachtet, d.h.
die Summe, bei welcher die Zählrate Null wird. Diese Impulse ergeben sich nicht aus Lichtszintillationen, die in der Lage sind. diese Summe als Mittelwertamplitude zu bilden, sondern stellen Maximalabweichungen in der gleichen Richtung in dem Ausgangssignal beider Multiplierröhren auf die Maximalintensitätsszintillation im Kohlenstoff-14-Spektrum dar. Ein Spektrum von Kohlenstoff-14-Impulsen, wie das in Fig. 2, würde für diese Summe nur als einzelne Spitze beim Zustand der Impulsgleichheit erscheinen. Dementsprechend schliesst ein schmales Summenfenster bei dieser Summe, wenn es auf die X, Y-Ebene transportiert wird, Bereiche von deutlicher Ver änderung in dem Verhältnis von Kohlenstoff-14- zu Hintergrundimpulsen ein. Hinzufügen einer kleinen maximalen Differenzgrenze erzeugt ein erheblich vergrössertes Verhältnis.
Eine solche Diskriminierungscharakteristik entspricht dem Rand einer weiter aussen liegenden (sehr niedrige Dichte) Kontur des Kohlenstoff-14-Spektrums. In diesem gleichen Bereich maximaler Summen von Kohlenstoff-14-Impulsen stellen die Gleichdichtekurven von Hintergrundimpulsen relativ parallele Linien auf beiden Seiten der X = Y-Linie dar.
Durch Erweiterung von dem gerade besprochenen Grenzfall wird klar. dass an jedem Punkt des Signalspektrums von Kohlenstoff-14 in Fig. 1 die Impulse der gegebenen Summe, die nominal einer gegebenen Grösse der Szintillationsintensität entspricht. tatsächlich durch Szintillationen eines Intensitätsbandes erzeugt werden. Wo der Häufigkeitsgradient als Funktion der Intensität gross ist, wie in dem Endteil des Kohlenstoff-14-Spektrums von Fig. 1, wird das Gleichheitsspektrum, dargestellt in Fig. 2. wesentlich verschärft für eine gegebene Summe im Vergleich zu dem Gleichheitsspektrum von Impul sen, welches bei der gleichen Summe durch Lichtimpulse gleichförmiger Intensitätsverteilung erzeugt wird.
Somit verbessert die Verengung der zulässigen Differenz mit zunehmender Summe, wenn sie in einer Weise durchgeführt wird, bei der die äusseren Ecken des schraffierten Aufnahmegebietes von Fig. 8 oder 9 ausgeschlossen werden, das Verhältnis der Aufnahme von Signalimpulsen zu der Aufnahme von Hintergrundimpulsen zusätzlich zu der geringen Verbesserung der Rauschzurückweisung.
Die beste Gestaltung der Aufnahmecharakteristik in dem oberen Amplitudenbereich des Isotops, welches gezählt werden soll. entspricht offensichtlich nicht einer Gleichdichtekontur. Ein solches Aufnahmegebiet würde besonders wünschenswert in einem Fall sein. wo alle Ereignisse, die zurückgewiesen werden sollen. keinen Dichtegradienten aufweisen, sondern ein gleichförmiges Feld in dem Bereich der Begrenzung bilden. Was das Rauschen anbetrifft, so trifft dieser Zustand vernünftigerweise zu; der Gradient als Funktion der Impulsungleichheit ist klein in dem Bereich angenähert gleicher Impulse der erheblich über dem Rauschbereich liegenden Summenwerte.
Was den Strahlenhintergrund anbetrifft, welcher selbst einen Wahrscheinlichkeitspeak bei Impulsgleichheit hat, so ist die Gestaltung des oberen Bereichs der zulässigen Summenamplituden mit der Aufnahmegrenze optimiert, die für gleiche Impulse bei einem wesentlich höheren Wert der Kohlenstoff-14-Dichte als für sehr ungleiche Impulse liegt, d.h. die beste Diskriminierungskurve spitzt sich von relativ weiten zu sehr engen Differenzgrenzen sehr viel schneller zu, als die Gleichdichtekurve des Isotops. Für diesen Zweck ist demgemäss die Gleichdichtekurve von besonderer Wichtigkeit nur als allgemeine Anleitung für den Bereich, in dem die beste Gestaltung für jede Art von Zählproblem experimentell bestimmt werden sollte.
Aus der vorhergehenden Erläuterung geht hervor, dass die Gestaltung des oberen Pegels des Kanals des Isotops mit niedrigerer Energie bei Mehrisotopzählung durch ähnliche allgemeine Prinzipien geregelt wird; der Mechanismus der Verbesserung in dem unteren Kanal ist ähnlich. Somit ist bei der Tritium-Kohlenstoff-Trennung, die vorstehend besprochen wurde, die wünschenswerteste obere Tritiumbegrenzung wesentlich flacher als die Gleichdichtetritiumkontur.
In dem Bereich mittlerer Amplituden hat eine Gleichdichtekurve von Kohlenstoff-14 eine Form, die allgemein bezeichnend für die Art der in Fig. 8 gezeigten Differenzengrenzen ist.
(Die Gestalt der verschiedenen Kohlenstoff-14-Schichtlinien in den Bereichen der untersten Amplituden variiert natürlich in beachtlichem Mass bei jedem Ereignis, aber ohne diese Näherung des durch Anwendung einer solchen Diskriminierungscharakteristik erzeugten Effektes zu beeinflussen.) Wie bereits festgestellt, variiert die beste konstante Differenzengrenze für die Diskriminierung des Störsignals mit der Maximalamplitude der zu zählenden Impulse.
Wenn dementsprechend die Begrenzung des Diskriminierungsgebietes derart eingestellt wird, dass sie der allgemeinen Gestalt einer Gleichdichtekurve entspricht, so wird durch Hinzunahme von Maximaldifferenzendiskriminierung zu einer üblichen Summenanlage die Verminderung des Störsignaleinflusses zusammen mit den weiteren Vorteilen, die durch die richtige Zuspitzung oder Abrundung des Aufnahmegebietes im Bereich der höchsten Amplituden, insbesondere bei Mehrisotopzählung. erhalten werden, erreicht.
Die Analysenmethode kann, sowohl ihren allgemeinen als auch ihren speziellen Aspekten nach, wie später erläutert wird, durch eine Vielzahl von besonderen Einrichtungen ausgeführt werden. Im Prinzip können alle vorstehend erwähnten Beispiele mit Einrichtungen, die an sich üblich sind. ausgeführt werden. So können z.B. die koinzidenten Impulspaare der einzelnen Multiplier einer üblichen mit Multiplierröhren ausgestatteten, jedoch keine zugeordnete Diskriminierungsschaltung enthaltenden Anlage zur Auswahl und zur Zurückwei sung von Zählungen einem geeignet programmierten Compu ter zugeführt werden, nachdem die Amplituden der Impulse in
Digitalform umgewandelt wurden. Eine andere Art einer bekannten Anlage, die benutzt werden kann, ist ein Vielkanal analysator grosser Kapazität.
Andererseits können die Aus gangssignale im Zählintervall grundsätzlich auch auf Band aufgenommen und nachfolgend in einer üblichen Koinzidenz summationsanlage in einer Reihe von Abspielungen gezählt werden, wobei jeweils die in aufeinanderfolgend von Hand eingestellten schmalen Summenbereichen liegenden Impulse gezählt werden und wobei ein entsprechender handbetriebs mässiger Anstieg der minimalen Koinzidenzaufnahmeampli tude für jede Röhre und für jeden aufeinanderfolgend höheren
Bereich von Summen oder andere relativ umständliche Mass nahmen verwendet werden.
Für die meisten Zwecke ist eine solche Praxis der Methode relativ unzweckmässig, und als weiterer Aspekt der Erfindung ist die Schaffung einer Impulsdiskriminierungseinrichtung vorgesehen, die sich speziell zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Messverfahrens, wie bereits erwähnt für den Fall der Erweiterung bekannter Anlagen durch Differenz- (oder Verhältnis-)Diskriminierung, eignet.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird die Summen- und Gleichheits-Information kombiniert und in völlig unabhängiger Weise verwendet, indem ein Impulssignal, dessen Amplitude eine komplexere Funktion der beiden koinzidenten Analogsignalamplituden ist, erzeugt, sowie eine Auswahl oder Zurückweisung koinzidenter Impulse auf der Basis der Amplitude dieses letzteren Impulses nach einer Weise durchgeführt wird, die allgemein derjenigen ähnlich ist, die bisher auf Summenimpulse angewendet wurde.
In der Praxis muss, wie bei bekannten Anlagen, Vorsorge für die kontinuierliche Veränderung des Diskriminierungspegels getroffen werden, damit dieser vom Benutzer für jede besondere Messung eingestellt werden kann. Für den Fall des gestalteten Aufnahmegebietes nach der Erfindung ist das grobe Äquivalent für den Betrieb der Veränderung der Diskriminatoren bekannter Art (in horizontaler Richtung in Fig. 1 oder 6 oder zum Ursprung hin oder von diesem weg in Fig. 5 oder 7) die Ausweitung oder Verringerung des Aufnahmegebietes durch simultane Veränderung der Gesamtbegrenzung.
Ein Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass die Auswahl der gewünschten Aufnahmebegrenzung durch den Benutzer der Anlage in einer Weise erreicht wird, die allgemein so einfach ist wie die bisherige Praxis beim analogen Betrieb der Einstellung oberer und unterer Pegel für die Zählfenster.
Wenn eine gegebene Diskriminierungsgrenze in der X, Y Ebene angenähert wird als mathematische Funktion von zwei Variablen, so kann der Wert dieser Funktion dann aus den Xund Y-Ausgängen jedes Impulses berechnet und mit einem festgelegten Diskriminierungspegel verglichen werden; dieser Vergleich wird durch einfache Impulshöhendiskriminierung ausgeführt, wie sie bisher bei einem Ausgang oder bei dem Summenimpuls angewendet wurde. Die Form der Kohlenstoff-14-Gleichdichtekurven kann angenähert werden als eine Familie von Ellipsensegmenten mit einer grossen Achse 2Z und einer kleinen Achse 2W, wobei Z der Impulssummenwert ist, dem die Kurve an ihrer Spitze tangential ist, und W ist die kleine Achse oder Breite , wenn die Kurve verlängert wird, um sich mit der 450-Linie, parallel zu den Summenlinien und durch den Ursprung führend, schneidet.
Die Gleichung einer solchen Ellipse ist: (X+Y)2 (X-Y)2 + =1 2Z2 2W2
Entsprechend können Ellipsen ähnlicher Form konstruiert werden, bei denen ihr spitzes Ende bei gleichen Impulsbeiträgen von X und Y, mit einem gegebenen Wert der Summe zusammenfallen. In Fig. 14 ist ein Aufnahmegebiet durch zwei Ellipsen einer Familie dargestellt, wobei Proportionalität zwischen den Parametern Z und W beibehalten wird, während Z variiert wird; in Fig. 15 ist eine Familie von Ellipsen gezeigt, welche dieselbe Gleichung erfüllen, bei denen W für alle Z Werte konstant gehalten ist.
Alle Ellipsen der gerade beschriebenen Ellipsenfamilien hängen untereinander zusammen, indem man Z als alleinigen unabhängigen Parameter behandelt, wobei W proportional zu Z in dem einen Fall und konstant in dem anderen Fall ist.
Offensichtlich kann eine unbegrenzte Menge von Ellipsengestalten erhalten werden, indem man W unabhängig von Z variiert. Zum Zwecke der Benutzung der Erfindung im Rahmen allgemeiner Gesichtspunkte, die die Benutzung solcher Ellipsen bei relativ komplexen Diskriminierungsverfahren einschliessen, können die Ellipsen-Parameter als gleich variabel angesehen werden. (Ferner soll erwähnt werden. dass durch Bewegung des Mittelpunktes der Familie entlang der 45k-Linie der Impulsgleichheit eine Verengung der zulässigen Differenz bei niedrigen Summenwerten erreicht werden kann.
was für die Flexibilität in bestimmten Fällen wünschenswert sein könnte.) Um jedoch die Einfachheit des Aufbaus und der Funktionsweise zu erhalten. die durch die engeren Aspekte der Erfindung vorgesehen ist, ist es jedoch wünschenswert, durch Schaffung der Beziehung einer Familie von Diskriminierungspegel -Kurven die einzige unabhängige Variable als Z anzusehen. wobei W entweder als abhängige Variable oder als Konstante angesehen wird. Auf diese Weise ist es unmöglich, die Gleichung nach Z aufzulösen und somit einen Ausdruck für Z ausgedrückt durch X und Y als einzige Variable zu erhalten.
Alle gegebenen koinzidenten X- und Y-Impulse können als auf der einen Kurve der Familie mit entsprechendem Z-Wert liegend identifiziert werden. Durch Vergleich des Z-Wertes mit einem Bezugsdiskriminierungswert kann der Impuls entweder zurückgewiesen oder zur Zählung durchgelassen werden.
Indem man den Ausdruck für die Identifizierung des Z- Wertes der entsprechenden Ellipse in einen einfachen Analogcomputer eingibt, der die X- und Y-Impulse als Eingänge und die Z-Wert-Impulse als Ausgang besitzt, kann jedes Paar von koinzidenten Impulsen in einen einzigen Impuls einer Amplitude entsprechend dem Z-Wert umgewandelt und aufgenommen oder zurückgewiesen werden durch die Benutzung der gebräuchlichen Anlage von Impulshöhendiskriminatoren für oberen und unteren Pegel (wobei der untere Pegel auf gleiche Weise so gestaltet ist) und Koinzidenzschaltungen. Ein Vergleich der Familien, die in Fig. 1A, 15 dargestellt sind, zeigt.
dass die letztere eine befriedigendere Näherung an die oberen Schichtlinien sowohl für Kohlenstoff- 14 als auch für Tritium.
als die erstere. liefert. Durch die Einstellung von W, um dem Tritiumwert von Z des oberen Pegels gleichzukommen, in dem Fall von Fig. 15 oder durch Herstellung der konstanten Einher für W in dem Fall von Fig. 14. kann ein kreisförmiger Bogen erhalten werden. der für die Benutzung als Tritiumbegrenzung des oberen Pegels geeignet ist. Wenn jedoch Zweiisotopenmessungen in Betracht gezogen werden. so sieht man, dass eine Familie, wie sie in Fig. 14 dargestellt ist. nicht einfach benutzt werden kann, um sowohl einen solchen kreisförmigen Bogen zu bilden als auch gleichzeitig die relativ langgezogene elliptische Gestalt der oberen Kohlenstoff-l4-Begrenzung anzunähern.
Für den Fall der Ellipsenfamilie konstanter Breite. die in Fig. 15 dargestellt ist, hat die oben gegebene Gleichung die folgende Lösung für Z:
EMI9.1
Obgleich die Analogberechnung in bekannter Weise auf einer Vielzahl von Wegen durchgeführt werden kann, wird zur Vervollständigung in Fig. 16 ein bevorzugter Aufbau dargestellt. der im folgenden beschrieben und erläutert wird.
Wie in Fig. 16 dargestellt ist, werden die X- und Y-Eingangs impulse dem Umkehreingang eines Funktionsverstärkers A zugeführt, der einen Ausgangsimpuls der Amplitude - (X + Y) erzeugt. Die jeweiligen Eingangswiderstände sind mit R1, R2 bezeichnet und der Rückkopplungswiderstand R3 ist für eine Verstärkung von 1 ausgelegt. (Die Stabilisierungswiderstände. die mit nicht umkehrenden Eingängen des Funktionsverstärkers verbunden sind, sind in der Zeichnung weggelassen.)
Der X-Eingang ist auch mit dem Eingangswiderstand R4 eines Umkehrverstärkers A4 verbunden, der einen Rückkopplungswiderstand Rs für eine Verstärkung von 1 aufweist.
Die Ausgangssignale des Verstärkers A4 werden den Y-Eingangssignalen mittels jeweiliger Eingangswiderstände R6 und R7 in einem Umkehrverstärker As hinzuaddiert, welcher einen Rückkopplungswiderstand R5 für eine Verstärkung von 1 besitzt. um eine Impulsamplitude X - Y zu bilden; ein in Reihe mit den Widerständen R6 und R7 geschaltetes Abgleichpotentiometer R2" erzeugt ein Nullausgangssignal bei einer Nulldifferenz. Mittels Dioden Dl und D2 wird dieses Ausgangssignal normalerweise entweder dem einen Eingangswiderstand RQ oder dem anderen Eingangswiderstand Rlo der nächsten Stufe zugeführt. Wenn Y grösser ist als X, wird das Signal über die Diode D, geführt.
Wenn X grösser ist als Y, wird das Signal dem Eingangswiderstand Rll eines Umkehrverstärkers A zugeführt. welcher ebenfalls einen Rückkopplungswiderstand R12 für eine Verstärkung von 1 aufweist.
Somit ist das Eingangssignal zu der nächsten Stufe A7 das Negative des absoluten Wertes der Amplitudendifferenz. Der Rückkopplungswiderstand Rl3 des Verstärkers A7 ist von Hand einstellbar und wird verwendet zur Voreinstellung der Ellipsenbreite 2W, um die halbe Breite W zu definieren, die experimentell als am nächsten dem Optimum für einen weiten Bereich von Messungen an Isotopen gefunden wurde. Eine gegenseitige Beeinflussung zwischen Multiplierverstärkung oder Verstärkerverstärkung und der Rechenschaltung lässt darüberhinaus eine Ausdehnung oder Zusammenziehung der X- und Y-Achsen von Fig. 15 zu, um die Flexibilität der Anlage beim Festlegen der Aufnahmegebiete in der X, Y Ebene zu erhöhen.
Durch Festlegen des Wertes des Widerstandes Rl als Bruchteil des Wertes der Widerstände R9 oder Ru" gleich dem Reziproken von W wird der Verstärker A7 zu einem Teiler. der als Ausgang einen Impuls einer Amplitude erzeugt. die repräsentativ für den absoluten Wert der Impulsdifferenz dividiert durch die Breite W ist. Dieser letzte Wert wird quadriert. indem der Impuls den beiden Eingängen eines Multiplizierers M3 zugeführt wird. Obgleich dieser als Multiplizierer mit zwei Eingängen dargestellt ist, kann M3 natürlich auch ein Quadrierelement sein. wie z.B. ein Dioden- oder FET-Quadrierer, wenn die Impulse bei Amplituden verarbeitet werden. die für den Arbeitsbereich solcher Einrichtungen geeignet sind.
Der quadrierte Ausgang bildet einen der beiden additiv verbundenen Eingänge eines Umkehrverstärkers A2 über einen Eingangswiderstand Rl4. Der zweite Eingangswiderstand Rls ist mit einer konstanten negativen 2-Einheiten Bezugsquelle verbunden. Das Rückkopplungsnetzwerk des Verstärkers A2, zusätzlich zu dem Rückkopplungswiderstand Rih, enthält einen Quadriermultiplizierer Mi, so dass der Ausgang des Verstärkers A2 die Quadratwurzel des Negativen der Summe der Eingänge ist.
Dieser Quadratwurzel ausgang bildet einen der Eingänge eines Multiplizierers M2 in dem Rückkopplungsnetzwerk eines weiteren Umkehrverstärkers A3. dessen Eingangswiderstand R17 angeschlossen ist, um den - (X t Y)-Impuls am Ausgang des Verstärkers Al, der oben erwähnt wurde. durchzulassen. Das Widerstandselement RlX des Rückkopplungsnetzwerkes des Verstärkers A3 hat wiederum einen Einheitsverstärkungswert.
Da das rückgekoppelte Signal des Verstärkers A. multipliziert wird mit dem Quadratwurzelwertausgangsimpuls des Verstärkers A2, dient der Umkehrverstärker As als Teiler, der am Ausgang der Gesamtschaltung einen Impuls einer Amplitude liefert, die die gewünschte Funktion der Amplitude der Eingangsimpulse, wie oben erwähnt, bildet.
Offensichtlich müssen die Analogschaltungen Verstärker und Multiplizierer verwenden, die in der Lage sind, die hohen Frequenzen, die in den Szintillationsimpulsen vorliegen, zu handhaben, um die Einzelimpulsauflösung zu erhalten, und müssen ausserdem geeignete Verzögerungen für richtige Synchronisation einführen.
Noch weitere Flexibilität kann hinzugefügt werden durch Ersetzen des Breiteneinstellungspotentiometers Rl3 durch z.B. einen Transistor oder ein ähnliches gesteuertes Impedanzelement, welches die effektive Ellipsenbreite W unterschiedlich für jeden Impuls durch deren Steuerung in Übereinstimmung mit z.B. dem Wert des Summensignals bestimmt, wobei der Zusammenhang durch eine Handsteuerung bestimmt wird, um eine Festlegung von Hand einer im wesentlichen unbegrenzten Vielfalt von ellipsenähnlichen Begrenzungsformen zuzulassen, die nicht mehr auf eine bestimmte tatsächliche mathematische Ellipse beschränkt sind.
Es soll erwähnt werden, dass der Teil der Schaltung von Fig. 16, der aus Verstärkern Al und A4 bis A7 besteht, zur Erzeugung der schiefwinkligen Differenzendiskriminierung von Fig. 9 durch einfache Veränderung verwendet werden kann. Wenn der variable Widerstandswert Ri3 durch den Standardwert ersetzt wird, der eine Einheitsverstärkung im Verstärker A7 erzeugt, und ein Bruchteil k des Ausganges des Verstärkers Al dem Ausgang des Verstärkers A addiert wird, so entsteht ein Ausgangsimpuls der Grösse Ix-YI-k (X+Y).
Die Zuführung dieses Signals zu einem einfachen Impulshöhendiskriminator, der als eine Antikoinzidenzsteuerung in der gleichen Weise wie ein Fensterdiskriminator mit oberem Pegel verwendet wird, erzeugt die schiefwinklige Differenzendiskriminierung, die in Fig. 9 als Zusatz zu einem üblichen Impulshöhenfenster dargestellt ist; sie ist aber auch verwendbar zusammen mit elliptischer Diskriminierung, wenn dies erwünscht ist.
Man sieht, dass, wenn eine solche Diskriminierung zusammen mit elliptischer Konturendiskriminierung verwendet wird, bei der Ellipse mit grösserer Breite als der enge Teil des schiefwinkligen Differenzenaufnahmegebietes das Gesamtaufnahmemuster oder -gebiet definiert wird durch die schiefwinkligen Differenzenlinien in dem unteren Bereich der Summen bis hinauf zu dem Schnittpunkt mit der Ellipse entsprechend der Einstellung des Diskriminators des oberen Pegels für die elliptische Funktion und durch die elliptische Grenze für Summenwerte höher als der Summenwert an dem Schnittpunkt.
Wie in dem Fall der ausgebesserten Gestaltung der Fig. 12 und 13, wo eine Vielzahl von Antikoinzidenz Torsteuerungsdiskriminatoren parallel verwendet werden, wird der Umfang des Aufnahmegebietes definiert durch die unterste Grenze zulässiger Differenz durch einen beliebigen der überlagerten Begrenzungsdiskriminatoren.
In Fig. 17 ist ein schematisches Diagramm eines Gesamt Drei-Kanal-Flüssigkeits-Szintillationszählers dargestellt, der die Erfindung benutzt. Die Anlage verwendet die üblichen abgeglichenen Multiplierröhren X und Y bei 50 und 52, die in der Zählkammer angeordnet sind und die Lichtszintillationen von der Probe 54 aufnehmen. Jeder der Ausgänge wird geeignet verstärkt (weggelassen aus den Zeichnungen zusammen mit den üblichen Verzögerungseinrichtungen, usw.) und den Eingängen der üblichen Schwellenwertkoinzidenzanlage zugeführt, die die Diskriminatoren enthält, die die üblichen Minimalschwellenwert-Werte festlegen.
Darüberhinaus werden die Ausgänge dem Funktionengenerator FG1 zugeführt, in diesem Fall der Analogrechenschaltung von Fig. 16, und der Ausgang dieses Funktionengenerators wird parallel zu drei Zählkanälen A, B und C geführt, von denen jeder mit den üblichen Verstärkungsstufen 58 und 60 und zwischengeschalteten Schwächungsgliedern 62 versehen sind, die eine Diskriminatorlogikschaltung 63 versorgen, die gleiche, wie sie bei üblichen Kanälen verwendet wird, wobei jede ein Fenster aufweist, welches nur innerhalb der eingestellten Grenzen liegende Impulse zur Zählung aufnimmt.
Die soweit beschriebene Anlage entspricht einer üblichen Summierungsanlage mit dem einzigen Unterschied, dass der Funktionengenerator FG1 den üblichen Impulsaddierer ersetzt durch die Funktion der beiden Variablen, welche die Ellipse identifiziert, die dem Tangenten-Summenwert in der X, Y Ebene entspricht und somit ein Aufnahmegebiet für jeden Kanal festlegt, in welchem Impulse jeder gegebenen Summe diskriminiert werden auf der Basis ihrer Differenz und ihrer Summe. Man sieht, dass mit dem durch die elliptische Funktion definierten unteren Pegel zwei symmetrische Bereiche zulässiger Differenzen für eine gegebene Summe existieren, wobei gleiche Impulse zurückgewiesen werden.
Aus der Fig. 15 ergibt sich, dass die Ellipse des unteren Pegels, die das Aufnahmegebiet für den untersten Kanal begrenzt, durch Einstellung der Breitensteuerung von Fig. 16, um W im wesentlichen grösser als Z zu machen, einer geraden Summenlinie angenähert werden kann; eine solche Diskriminierung kann wahlweise für die Diskriminierung des unteren Pegels bei Einzelisotopenzählung verwendet werden. Bessere Diskriminierung wird jedoch gegen Rauschen erreicht durch die Benutzung eines getrennten Funktionengenerators FG2 für die Diskriminierung des unteren Pegels. Eine Funktionenkontur für die Diskriminierung des unteren Pegels, erwähnt im Zusammenhang mit Fig. 10. ist ein konstantes Produkt-der einzelnen Impulsamplituden.
Eine solche Funktion ist natürlich weit entfernt von der möglichen optimalen Ausführung, kann aber wegen der Einfachheit der einzelnen erforderlichen Multiplizierer im Funktionengenerator FG2 benutzt werden.
Der berechnete Wert der Funktion wird einem dritten Diskriminator zugeführt, der der üblichen Koinzidenzanlage 56 hinzugefügt wird, welcher eine dreifache Koinzidenz zum Durchlass des Impulses erfordert. Diese Funktionserzeugungs Anlage vergrössert effektiv den Schwellenzählwert auf einen Maximalwert bei der Summe, die der minimal möglichen Aufnahmesumme entspricht, und vermindert allmählich den Schwellenwert, der von jeder Röhre bei höheren Summen erforderlich ist. Sie ist natürlich nur wirksam in einem Kanal, wo der Wert Z als Diskriminierungskriterium des unteren Pegels eliminiert ist durch Einstellung des unteren Pegels des Z-Fensters unter die Gleichimpulsschwelle, die durch FG2 festgelegt ist.
Obgleich die Benutzung eines Analogfunktionengenerators, der einen Impuls entsprechend dem Wert der beiden Variablen erzeugt, welcher sowohl ihre Differenz als auch ihre Summe in Rechnung stellt, und eines oder mehrerer Diskriminatoren eine bequeme und einfache Form einer Einrichtung zur Benutzung des erfindungsgemässen Verfahrens gibt, können andere Arten der Modifikation bei existierenden Anlagen über die bereits beschriebenen hinaus verwendet werden. Vom Standpunkt des Verfahrens aus gesehen kann die Festlegung von Maximalwerten elliptischer Funktionen der beiden Variablen auch beschrieben werden als Festlegung eines Schwellenwertes für jede Röhre in Übereinstimmung mit dem Wert des Impulses, der von der anderen Röhre aufgenommen wurde oder in Übereinstimmung mit der Summe.
In Fig. 18 ist eine Anwendung des Prinzips der Erfindung auf eine nicht summierende Koinzidenzanlage mit nur einer Signalröhre dargestellt. Wie hier gezeigt, enthält die Anlage das übliche Paar von Multipliern 72 und 74, jeder mit einem Minimalpegeldiskriminator 76 und 78, die einen Eingang zu einer Koinzidenzschaltung 80 bilden, der die Torsteuerung bei 81 der Arbeitsweise der Diskriminierungs- und Zählschaltung 82 eines einzigen Fensters steuert. Die einzige Veränderung der üblichen Anlage ist eine Vorkehrung für die Variation des minimalen Koinzidenzaufnahmepegels der Koinzidenzröhre 71 in Übereinstimmung mit dem Wert des Impulses von der Signalröhre 72.
Wo die Veränderung der Koinzidenzschwelle der Koinzidenzröhre eine lineare Funktion der Impulsamplitude der Signalröhre 72 ist, ist die Ausführungsform von Fig. 18 dem Wesen nach eine Eingliederung von Maximaldifferenzendiskriminierung in eine nicht summierende Anlage, und jede gewünschte Gestaltung kann experimentell durch Nichtlinearität der Beziehung erhalten werden.
In Fig. 19 ist eine abgeglichene Summierungsanlage dargestellt, welcher die Art der gerade erwähnten Schwellenveränderung symmetrisch hinzugefügt ist. Die Anlage ist allgemein ähnlich einer üblichen abgeglichenen Summendiskriminie rungsanlage. Es sind jedoch Querverbindungen 83 und 84 hinzugekommen, die die jeweiligen Signale koppeln. jedes, um die Schwelle des anderen, die für eine zulässige Koinzidenz erforderlich ist, zu variieren. Klipper 86 und 88 sind in diese Koppelverbindungen eingesetzt, um sie in niedrigsten Impulshöhenbereichen unwirksam zu machen. wie schematisch dargestellt ist. Wo die Schwellenwertveränderung linear ist, ist der Effekt identisch mit der Addition von Maximaldifferenzdiskriminierung zu einer üblichen Summenanlage.
Tatsächlich kann durch geeignete Gestaltung der Veränderungscharakteristik die Aufnahme des oberen Pegels in der X, Y-Ebene veranlasst werden, mit elliptischer oder anderer Gestalt übereinzustimmen. Wenn z.B. die Koinzidenzschwelle für jede Röhre weniger stens in dem oberen Summenbereich in einem Mass zunimmt.
die den erforderlichen Schwellenwert jeder Röhre schneller als um die Hälfte der Zunahme der Summe anhebt, so bilden die Schwellenwerte eine geschlossene Kurve. Obgleich eine solche Benutzung der weiteren Aspekte der Erfindung die Funktion der Diskriminierung des oberen Pegels in die Koinzidenzschwellenwertschaltungen aufnimmt, die eine Zählung aller Impulse zulässt, die Koinzidenz durch Steuerung erzeugen, und ausgedehnt werden kann auf inverse Gestaltung bei kleinsten Amplituden. um andere Formen der Diskriminierung des unteren Pegels zu ersetzen, leistet sie nicht die Flexibilität und Bequemlichkeit der bevorzugten Formen der Erfindung.
die oben beschrieben wurden, dient aber als weitere Illustration der grossen Vielfalt von Wegen, auf denen die Erfindung anwendbar ist.
Weitere Veränderung und Abwandlung kann auf einfache Weise vorgenommen werden. Ein Ungleichheitssignal kann z.B. benutzt werden, um den oberen (oder unteren) Diskriminierungspegel einer üblichen summierenden oder nicht summierenden Anlage zu variieren, anstatt von (oder zusätzlich zu) einer Veränderung der Koinzidenzschwelle wie in Fig. 19.
Wenn ein Ungleichheitssignal benutzt wird, um den oberen Aufnahmepegel der Summe mit zunehmender Differenz zu verringern, wird der obere Summenpegel von Fig. 8 oder 9 in der allgemeinen bereits beschriebenen Weise abgeschrägt und das Mass der Abschrägung wird auf einfache Weise verändert durch Abschwächung des Differenzsignals. Dies entspricht einer oberen Grenze für den Wert von X + Y - k, X - Y. in dem einfachen Fall linearer Subtraktion von einer Diskriminatorsperrvorspannung.
Wo grosse Flexibilität dem Benutzer einer Anlage in der Gestaltung der Aufnahmecharakteristik gegeben wird, wie eine Verwendung von mehrfachen mathematischen Funktionen bei der Bildung ihrer Begrenzungen, ist ein vergleichsweise grosser Aufwand an Experimenten erforderlich, um die richtigen Einstellungen für verschiedene Zählbedingungen zu erreichen. Ferner ist eine Sichtbarmachung der Bedeutung der Einstellungen der verschiedenen Steuerungen ausgedrückt durch ein Gesamtaufnahmemuster äusserst schwierig.
Wo demgemäss umfangreiche Vorkehrung für eine Mustergestaltung in einer erfindungsgemässen Zählanlage getroffen wird, ist eine gewisse Form sichtbarer Ausgabe normalerweise wün schenswert. Eine solche Form der Ausgabe ist eine Oszilloskopendarstellung einer Punktverteilung in der X, Y-Ebene, wie zuvor erwähnt, die als Teil der Zählanlage eingefügt und zum Betrachten des Diskriminierungsgebietes (nur gezählte Impulse werden wiedergegeben) oder des gesamten Feldes (alle koinzidenten Impulse werden wiedergegeben) verwendet werden. Wo die Zählraten ausreichend sind, können die Muster durch blosse Benutzung eines lang nachleuchtenden Schirmes beobachtet werden, es können aber kompliziertere Vorkehrungen getroffen werden, z.B. die Benutzung einer Speicherröhre, wenn die Anwendung fotografischer Technik für ungeeignet gehalten werden oder die Zählraten niedrig sind.
Als eine Variante. wahrscheinlich einfacher verständlich für das technische Bedienungspersonal, kann die Anzeige als rechtwinklige Koordinaten (Oszilloskopenablenkungseingänge) die Summen- und Differenzsignale benutzen; somit wird im wesentlichen ein Muster analog einer Faltung der symmetrischen X, Y-Ebenen-Muster der Zeichnung entlang der 45 -Linie von Impulsgleichheit erzeugt.
Es ist erwünscht. dass einige Regelungen nicht von dem Benutzer vorgenommen werden müssen. Die bereits erläuterten Prinzipien lassen den Aufbau von Schaltungen zu, in denen die vollen Vorteile der Erfindung automatisch für Proben erhalten werden können. die im wesentlichen nicht unterdrückt (unquenched) sind. aber die Vorteile der Gestaltung am oberen Ende von jeder Isotopenbegrenzung bei der Diskriminierung gegen Szintillationshintergrund (Hintergrundstrahlung oder höhere Isotope) gehen verloren für stark unterdrückte Proben, wenn nicht Vorkehrung getroffen wird für eine Wiederherstellung des Registers zwischen dem Diskriminierungsmuster und dem Probenspektrum in Abhängigkeit von einer vorher durchgeführten Quenchkorrekturmessung bei jeder Probe.
Veränderung der Fotomultiplierverstärkung wird in einigem Mass die gewünschte Beziehung wieder herstellen, aber nicht ganz.
Eine wesentliche Vereinfachung der Einregulierungserfor dernisse. von Hand oder automatisch, kann durch Verwendung einer Dauerregulierungsrauschunterdrückungsschaltung für den gesamten Instrumentenbereich erhalten werden, beginnend direkt unter dem oberen Ende des Tritiumspektrums, und Verwendung von einem oder mehreren Ellipsenfunktionsgeneratoren oder anderer geeigneter Schaltungen nur für die Gestaltung des oberen (und unteren, wo ein niedriger energetischer Isotop auch anwesend ist) Pegels .
Eine einzige Einstellung für die Maximalungleichheitsdiskriminierung von Fig. 9, welche die äusserste Ecke einer Gleichdichte-Kohlenstoffkontur abstreicht ( Skims ), die eine sehr niedrige Zählrate darstellt, ist im wesentlichen universal bei der Verbesserung einer Rauschunterdrückung für alle Isotope und Grade der Probenunterdrückung (quenching).
Wenn eine elliptische oder analoge Zurückweisungscharakteristik eingesetzt wird für blosse Summendiskriminierung bei der Festlegung des oberen und unteren Pegels von Fig. 9, ist die Gestalt der eingesetzten Charakteristik in Bereichen, die ausserhalb der schiefwinkligen Differenzendiskriminierungsgrenzen liegen, ohne Bedeutung. Eine erfindungsgemässe automatische Zählanlage für den Handel verwendet dementsprechend die Aufnahmecharakteristik von Fig. 9, ist aber angepasst für die Hinzufügung der Verfeinerungen des oberen und unteren Pegels in einem oder mehreren Zählkanälen, wenn diese weiter entwickelt sind für vollen vorteilhaften Gebrauch mit Proben weit schwankender Quencheigenschaften in einer automatischen Anlage und hat bestimmte weitere neue vorteilhafte Merkmale.
cher einer üblichen Diskriminatorschaltung (enthalten in Fig. 20 als Teil der Koinzidenzlogik) zugeführt wird. Jeder Ausdruck der Funktion enthält einen Multiplikator, der in einem Fall durch die Verstärkung und im anderen Fall durch die Schwächung eine Behandlung der ursprünglichen X- und Y-Signale bestimmt ist.
Für später noch zu erörternde Zwecke ist eine Ausgangsleitung, die das Differenzsignal - (X - Y) an der Verbindung der Dioden CR11 und CR12 trägt, mit der Basis eines Hilfsausgangsverstärkers Q21 verbunden.
Mit der so aufgebauten Schaltung ergibt sich eine Diskriminierungsanlage, die eine Zählung irgendwelcher koinzidenter Impulse zulässt, die nicht den Erfordernissen entsprechen, dass der absolute Wert der Differenz minus einer Konstante mal der Summe die gegebene Grenze nicht überschreitet. Wie aus Fig. 9 hervorgeht, bestimmt die Festlegung dieser Grenze die minimale Impulssumme, bei welcher dieser Teil der Diskriminierung wirksam wird (allgemein entsprechend, in den meisten Fällen, dem oberen Bereich des Tritiumspektrums) und das Verhältnis der Verstärkung, erzeugt für das absolute Differenzsignal, zu der Abschwächung, erzeugt für das Summensignal, am Eingang zu dem abschliessenden Summierverstärker bestimmt die Neigung oder die Schiefwinkligkeit der Differenzengrenze.
Es wird nicht für notwendig gehalten, irgendwelche Steuertafeleinregelungen mit geeigneter experimenteller Aufbauauswahl der Schaltungswerte für eine besondere Fotoelektronenröhrenanlage zu liefern. Die Verstärkung der Fotomultiplier kann einreguliert werden durch die üblicherweise vorgesehene Einregulierung der Hochspannung, um jede geringe Abweichung von der Wirkungsweise der Anlage von einem Isotop zu einem anderen zu korrigieren, wenn dies der Benutzer wünscht.
Ein Satz von Komponenten für die Schaltung nach Fig. 21, die ein hohes Mass an Verbesserung mit beliebigen, bei Flüssigkeits-Szintillationszählung gebräuchlichen Fotomultiplierarten erzeugen, ist: Transistoren: Q13, Q15, Q16, Q18 - Motorola MPS6523 Q14, Q17, Q19, Q20, Q21 - Motorola MPS 6521 Widerstände (ohm - Sternchen zeigen 1 % an): R22 4.99K R34 2.2K R45 10K R23 4.99kr R35 169 zu R46 6.2K R24 825* R36 1.5K R47 316* R25 825:
R37 12K R48 316* R27 4.7K R38 100 R49 1.2M R28 2.OK R39 169 < R50 100 R29 3.3K R40 1.5K R51 4.7K R30 2.0K* R41 6.34KR R52 1.0K R31 1.0K R42 3.3K R53 10K R32 12K R43 2.2K R60 4.99K* R33 6.34K R44 100 Kondensatoren (mf, ausgenommen, wo anders angegeben):
C3 0.47 C30 0.05
C4 0.47 C32 0.05
C11 500 pf. C33 0.47
C12 0.47 C35 0.1
C25 0.47 C37 0.47
C26 0.47 C38 5 pf.
C27 1.0 C39 0.47
C28 5-18 pf. C41 0.1
C29 0.47 C34 10 pf.
Dioden: 1N916 ausser CR14 (979).
Versorgung: 12 Volt, positiv und negativ.
Zusätzlich zu der gerade beschriebenen Ausführungsform der Erfindung wurde gefunden, dass dort eine Verbesserung in der Grössenordnung von 40% bei dem E2/B-Verhältnis bei der Zählung von Kohlenstoff-14 mit einer hochwertigen Summieranlage erreicht werden kann und mit geringerer aber dennoch beachtlicher Verbesserung bei der Zählung anderer Isotope. Mit einer Anlage war das beste erhältliche Verhältnis des Quadrates der Ausbeute (Prozentausbeute multipliziert mit 100) zu Untergrund (in Zählungen pro Minute) für Kohlenstoff-14 ohne die Verbesserung 350 und nach Hinzufügung der erfindungsgemässen Diskriminierungsanlage 520; diese Messungen wurden für ein Fenster im Bereich 20 bis 1 am Abgleichpunkt (dem Punkt mit gleichem Ausbeutegradienten an jedem Rand des Fensters, üblicherweise benutzt zur Verminderung des Einflusses geringer Verschiebungen) gemacht.
Wenn es erwünscht ist, kann das Hilfssignal von dem Transistor Q21 von Fig. 21 zusätzlich für weitere Hilfsverbesserungen benutzt werden. Bei der dargestellten Schaltung hat das Hilfsausgangssignal, welches das Signal am Startpunkt darstellt, eine Amplitude, die eine logarithmische Beziehung zu dem tatsächlichen Differenzsignal trägt, da es eine Charakteristik der Dioden CR11 und CR12 ist, dass der Spannungsabfall eine logarithmische Funktion des Stromes ist. Für viele Benutzungen ist die Umwandlung zur Linearität wünschenswert.
Wenn jedoch das logarithmische Signal vor der Umwandlung zur Linearität verdoppelt wird, so ist die resultierende Amplitude das Quadrat der Differenz, welches daraufhin bei der Erzeugung einer elliptischen Charakteristik in einem beliebigen von mehreren einzelnen Energiekanälen verwendet werden kann, welche bereits das Summensignal haben und so auf einfache Weise zu diesem Zweck verändert werden können.
Offensichtlich kann ein ähnlicher Abgang, wenn es erwünscht ist, linear gemacht werden durch geeignete Umkonstruktion.
Der Vergleich der einzelnen Amplituden zur Unterscheidung auf der Grundlage einer Wahrscheinlichkeit zwischen Ereignissen, die Impulse der gleichen Summe erzeugen, was das Wesen der Erfindung in ihren weiteren Aspekten ist, kann ebenfalls vorteilhaft in Verbindung mit einer Unterdrükkungs(quench)-Korrektur verwendet werden.
Eine bekannte Unzulänglichkeit heutiger Quenchkorrekturmessungen liegt in der Unmöglichkeit, zwischen Unterdrückungs(Quenching)
Ein Blockdiagramm dieser für den Handel bestimmten Anlage ist teilweise in Fig. 20 dargestellt: Teile der Anlage. die nicht wiedergegeben sind. sind im wesentlichen identisch mit entsprechenden Teilen des Diagramms von Fig. 17 mit Ausnahme der Hinzufügung eines Analogcomputers oder Funktionengenerators 90 und einer Veränderung der Koinzidenzlogik 92 zur Erzeugung eines Ausgangsimpulses nur dann, wenn der Ausgang des Funktionengenerators 90 niedriger als eine Grenze L (angezeigt durch die Logikbeschriftung X. Y.
L) ist: das Diagramm ist das einer üblichen Impulssummierungsanlage: die übliche Summierung für das Signal, welches in den jeweiligen Signalkanälen verstärkt und diskriminiert werden soll. ist bei 94 gezeigt. Mit Ausnahme des Funktionengenerators 90 sind alle Teile der Schaltung an sich bekannt.
Ein Schaltdiagramm des Funktionengenerators 90 der Fig. 20 ist in Fig. 21 gezeigt. Die negativen X- und Y-Eingange (von einem geeigneten Vorverstärker) werden der Schaltung auf zwei Wegen zugeführt. Der erste Eingangswert durch jeweilige Kondensatoren C3 und C25 und Widerstände R22 und R23 dargestellt, führt zu dem Teil der Schaltung, der einen Ausgangsimpuls proportional zu dem absoluten X-Y Wert der Differenz erzeugt: dies ist die Schaltung von Transistoren Q13 bis Q19, die jetzt beschrieben werden soll.
Der Y-Impuls wird verstärkt und in einem Zweistufen Negativ-Rückliopplungsverstärker geeignet in der Dauer gestreckt. wobei der Verstärker komplementäre Transistoren Ql6 und Q17 benutzt. Q16 ist ein PNP-Transistor mit geerdetem Emitter, dessen Basis-Vorspannung durch einen Widerstand R37 festgelegt ist, der mit der positiven Versorgung und einem negativen Rückkopplungswiderstand R4 1 verbunden ist. Der Kollektorwiderstand R42 ist mit der negativen Versorgung verbunden.
Der NPN-Transistor Q17 der zweiten Stufe hat seinen Kollektorwiderstand R10 angeschlossen an die positive Versorgung und seinen Emitterwiderstand R43 mit der negativen Versorgung verbunden. wobei die Basis direkt mit dem Kollektor des Transistors Q16 verbunden ist. Ein Hoehfrequenzbeipasskondensator C38 überbrückt den Rück- kopplungswiderstand R11. der zwischen den Emitter des Transistors Q17 und die Basis des Transistors Q16 geschaltet ist. um die Impulse zu verzögern. Der negative Impulsausgang des Verstärkers wird über den Kondensator C32 geführt, der mit dem Kollektor des Transistors Q17 verbunden ist.
Der Verstärker für das X-Signal hat Stufen Q14 und Q15, die im wesentlichen identisch mit den entsprechenden Stufen Q16 und Q17 sind, jedoch mit umgekehrten Polaritäten. Der sxmmetrische komplementäre Abgleich der Verstärker wird durchgehend aufrechterhalten, wobei der Kollektorwiderstand R29 und der Basisvorspannungswiderstand R32 des NPN Transistors QlA die gleichen Werte wie die entsprechenden Komponenten des PNP-Transistors Q16 haben. Auf ähnliche Weise sind die Werte und Verbindungen des Emitterwiderstandes R34, des Kollektorwiderstandes R36 und der Ausgangskapazität C30 des PNP-Transistors Q15 identisch mit denen des NPN-Transistors Q17.
Das Rückkopplungsnetzwerk R33 und C2S dieser Schaltung ist ebenfalls das gleiche mit der Ausnahme, dass der Kondensator C28 variabel ist, um eine Einstellung der Impulsverzögerung zuzulassen. Der negative Eingang ist nicht direkt zu dem Verstärker QlA geführt.
eine Umkehrstufe Q13 ist eingesetzt, um die Ausgänge sub traktivzu machen. Die Umkehrstufe Q13 ist ein PNP-Transistor. der mit geerdetem Emitter betrieben wird, und dessen Basis und Kollektor jeweils mit den Verbindungspunkten des Vorspannungswiderstandes R27, des Rückkopplungswiderstandes R28 und des Kollektorwiderstandes R31 verbunden ist, die zwischen die positive und negative Versorgung geschaltet sind. Der Ausgang der Einheitsverstärkungsumkehrstufe ist über eine Kapazität C26 und einen Widerstand R30 mit der Basis des Transistors Q l 4 verbunden.
Die positive und negative Versorgung ist mit Filtern R44 und C31 sowie R50 und C27 versehen, um die Verstärker von den folgenden Stufen zu isolieren. Der positive Impuls ausgang des Transistors Q15 führt über einen Kondensator C30, der mit dem Kondensator C32 verbunden ist, um einen Differenzstrom an der Verbindung zu erzeugen. Ein Abgleichnetzwerk, bestehend aus Kondensatoren C29 und C37, Widerständen R35 und R39 und einem Abgleichpotentiometer R38, dessen Abgriff geerdet ist, ist zwischen die Emitter der Transistoren Q15 und Q17 geschaltet. um jede verbleibende Unbalanz auszugleichen.
Die Schaltung wird abgeglichen durch Einregulierung des Potentiometers R38, um maximale Zählraten zu erzeugen. d.h. minimales Auslösen des Grenzdiskriminators, der die Koinzidenzanlage sperrt; auf diese Weise wird jede geringfügige Unbalanz einer Verstärker- oder Multiplierverstärkung einfach kompensiert durch Benutzung der innewoh nenden Eigenschaften der Anlage.
Der Nettostromausgang der Verstärker erscheint an der Verbindung entgegen gesetzt gepolter Dioden CR11 und Cm17. Wenn X kleiner als Y ist. führt die Leitung durch die Diode CR11, die am Eingang zu einem Stromumkehrverstärker liegt. der aus Transistoren Q18 und Q19 besteht, wiederum von komplementärem Aufbau. Der Stromeingang führt zu der Basis des Transistors Q18, dessen Emitter geerdet und dessen Kollektorwiderstand R51 mit der negativen Versorgung verbunden ist. Die Basis des Transistors Q19 ist direkt verbunden mit dem Kollektor des Transistors Q18 und sein Kollektor ist mit der positiven Versorgung verbunden, während sein Emitter mit der negativen Versorgung über den Emitterwiderstand R52 verbunden ist.
Der Emitter des Transistors Q19 ist an den Eingang zu der Basis des Transistors Q18 über einen Widerstand R47 und ein Parallelstreekungsnetzwerk R46 und C33 angeschlossen. wobei eine kleine Bypasskapazität C34 das Netzwerk überbrückt. Diese Elemente zusammen mit einem Widerstand R45, verbunden mit der positiven Versorgung, legen ebenfalls die Basisvorspannung des Transistors Q18 fest.
Der Ausgang des Transistors Q19 führt über einen Widerstand R48 und eine Kapazität C39 zu dem Emitter eines Summierschaltungstransistors Q?O. Wenn X grösser als Y ist, wird die Umkehrschaltung der Transistoren Q18 und Q19 inaktiv und der Differenzstrom von den X- und Y-Verstärkern fliesst über die Diode CR12 und den Kondensator C40 zu dem Summierschaltungseingang. Ein hochohmiger Widerstand R49, verbunden mit der negativen Versorgung, hält die Diode CR12 auf einem geeigneten Potential, um die Betriebsbedingungen der entgegengeschalteten Dioden CR11 und CR12 auszugleichen.
Man sieht, dass der Ausgang der bisher beschriebenen Schaltung ein Vielfaches der absoluten Differenz zwischen den X- und Y-Impulsen ist, wobei das Vorzeichen der Differenz bestimmt, ob der Ausgangsstrom über die Kapazität C39 oder die Kapazität C40 fliesst. Eine Diode CR14 leitet jede Komponente umgekehrter Polarität des Einganges zu dem Summierverstärker Q'0 ab.
Die einzelnen Impulse von X und Y werden auch dem Emitter des Summenverstärkers Q20 zugeführt über jeweilige Widerstände R24 und R25 und jeweilige Kapazitäten C4 und C12. Der Emitterwiderstand des NPN-Transistors Q20, der mit geerdeter Basis betrieben wird, ist mit der negativen Versorgung verbunden und eine kleine Kapazität C11 überbrückt den Emitter nach Erde. Der Kollektorwiderstand R60 ist mit der positiven Versorgung verbunden: der Kollektor ist auch über eine Diode CR47 an einen Abgriff an der positiven Versorgung angeschlossen.
Mit dieser Summierverstärkeranordnung werden die Ströme von den X- und Y-Eingängen und der Verstärkerdifferenzstrom. der durch den Eingang entsprechend dem Vorzeichen der Differenz erzeugt wird, addiert, und die gewünschte Funktion erscheint als Spannung über dem Widerstand R60, wel Effekten zu unterscheiden, die durch verschiedene Arten innerer Eigenschaften der Proben erzeugt werden. Die Genauigkeit der meisten üblichen Quenchkorrekturmessungen liegt in der Kenntnis des Benutzers der Faktoren, die die Unterdrückung erzeugen. Information relativer Impulshöhe kann als nützlich für die Erlangung solcher Unterscheidungen angesehen werden. Bestimmte Formen des Unterdrückens (Quenching) kann z.B. nur die Intensität des emittierten Lichtes beeinflussen durch Absorption der Beta-Strahlenenergie. ohne wesentliche Schwächung des erzeugten Lichtes hervorzurufen.
Eine andere Form der Unterdrückung (Quenching) ist die blosse Unklarheit der Flüssigkeit, die das Licht abschwächt.
Szintillationen, die in der Nähe der Wand eines Probengefässes auftreten, sollten, für eine gegebene Summe, eine wesentlich verschiedene Wahrscheinlichkeitsverteilung, wie die in Fig. 2, für den einen Typ der Unterdrückung als für den anderen Typ erzeugen. Im Falle der Lichtschwächung ist der Effekt der Unterdrückung (Quenching) das Abflachen des Peaks bei Gleichheit und kann in der Tat (um ein extremes Beispiel zum Zwecke der Erläuterung anzuführen) getrennte Peaks der Ungleichheit erzeugen. Durch Erweiterung einer Zählanlage mit Quenchkorrektur und durch die Vorsorge für eine Messung solcher Verschiebungen im Gleichheitsspektrum kann eine Trennung zwischen dem Unterdrücken (Quenching) erzeugt durch eine Ursache und eine Unterdrückung (Quenching) erzeugt durch eine andere Ursache hervorgerufen werden. Dies kann natürlich in einer grossen Vielzahl von Wegen verwirklicht werden.
Beispielsweise kann bei einer Anlage Vorkehrung getroffen werden für das getrennte Zählen der Impulse, die innerhalb und ausserhalb bestimmter Differenzgrenzen fallen. Das Verhältnis der so gebildeten Kanäle und ihr Zusammenhang mit der Gesamtunterdrückung (gross quench) kann verwendet werden zur Identifizierung, durch übliche Kalibrierungsverfahren, des Typs der Unterdrückung (Quench), die die Spektrumverschiebung hervorruft, die beispielsweise durch eine übliche Kanalverhältnis -Unterdrükkungsmessung gezeigt wird.
Die übliche Unterdrückungsmessung kann so kalibriert werden durch die Benutzung bekannter Proben, ausgedrückt durch die Quenchkorrektur, die für den besonderen Typ (oder Typen) der Unterdrückung angezeigt wird, die wiederum durch das Gleich-Ungleich -Verhältnis ausgedrückt wird, anstatt dann nur eine ursachenunabhängige universale Quenchkorrektur mit Proben unbekannter oder gemischter Quencheffekte anzuwenden. Die erforderliche Quenchkorrektur kann genauer durch Kombination der beiden Messungen als durch die übliche Quenchkorrekturmessung alleine angezeigt werden. Mit dem gleichen allgemeinen Effekt kann die Zählrate innerhalb einer engen Differenzgrenze bei Gleichheit verglichen werden mit der Gesamtzählrate zur Identifizierung des Quenchtyps; oder andere Varianten können angewendet werden.
Offensichtlich ist die Benutzung der Erfindung nicht beschränkt auf Zweiröhrenkoinzidenzanlagen, die zurzeit überall benutzt werden, sondern kann auch auf mehr als zwei Röhren angewendet werden, wenn es erwünscht ist, Anlagen zu bauen, die mehr als zwei Röhren zur Bildung von Koinzidenzen verwenden, was lange eine bekannte Art der Rauschunterdrückung gewesen ist.
In der Tat erhöht die Erfindung die Rauschunterdrückungsvorteile, die durch Hinzufügen weiterer Koinzidenzröhren erhalten werden, erheblich. Vor der Erfindung waren die Vorteile einer dritten Koinzidenzröhre eng begrenzt durch das Auftreten von dem, was als falsche koinzidente Rauschimpulse genannt werden kann, bei dem tatsächlich der Impuls in der einen Röhre durch ein Rauschereignis in der anderen verursacht wird. Die Hinzufügung einer weiteren Koinzidenzröhre brachte daher keinen Vorteil, was solche Impulse anbetrifft.
Mit der Diskriminierung der Relativwerte wird der Hauptanteil solcher Impulse von der Zählung auf jeden Fall ausgeschlossen und es wird möglich, die theoretischen Vorteile der Hinzufügung einer weiteren Röhre bei der Ausschaltung von Koinzidenzen zu nutzen, die von wirklich zufälligen Rauschimpulsen in jeder Röhre entstehen, wodurch eine weitere Erhöhung im Tritium- zu Rauschverhältnis möglich wird.