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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer Strahlungsintensität
mit einem Detektor mit zählenden Detektorelementen, wobei
in den Detektorelementen absorbierte oder teilabsorbierte Photonen
einer Strahlung elektrische Signale in Pulsform erzeugen, deren
Pulsanzahl und Pulshöhe mit der auftreffenden Strahlungsintensität
auf dem Detektorelement korrelieren, und durch Zählen der Pulse
die Strahlungsintensität bestimmt wird. Weiterhin betrifft
die Erfindung auch eine Schaltungsanordung zur Bestimmung der Strahlungsintensität
mit einem Detektor mit zählenden Detektorelementen, wobei
in den Detektorelementen durch absorbierte oder teilabsorbierte
Photonen einer Strahlung elektrische Signale in Pulsform erzeugt
werden, deren Anzahl und gegebenenfalls Höhe mit einer
auftreffenden Strahlungsintensität korrelieren und durch
Zählen der Signale die auftreffende Strahlungsintensität
geschätzt werden kann.
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Im
Bereich der Computertomographie (CT) wird damit begonnen zählende
Detektorkonzepte zu entwickeln. Ein Problem besteht hierbei darin,
die hohen Photonenflüsse zu verarbeiten, die in der CT
auftreten.
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Eine
Detektionsmethode verwendet hierzu direkt konvertierende Halbleitermaterialien.
In diesen erzeugt ein absorbiertes Photon freie Ladungen, die mittels
eines angelegten elektrischen Feldes zur Elektrode abgesaugt werden,
so dass ein Strompuls entsteht. Die Fläche – und
näherungsweise auch die Höhe – dieses
Pulses sind proportional zur Menge der Ladung und damit zur Energie
des absorbierten Photons. Die korrekte Abtastung und Digitalisierung der
entstehenden Strompulse, insbesondere die Auflösung der
auftretenden Pulse in Anzahl und Höhe, ist dabei nicht
trivial.
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In
der nicht vorveröffentlichten Patentanmeldung mit Aktenzeichen
DE 10 2007 034 982.5 wird eine
Möglichkeit zur Steigerung der Robustheit gegenüber
einer Variation der Pulsbreite bei einer getakteten Signalabtastung
dargestellt, indem die Abtastrate so hoch eingestellt wird, dass
dadurch der zeitliche Abtastabstand höher als die mittlere
zu erwartende Pulsbreite ist. Nicht gelöst ist bei diesem
Verfahren allerdings eine optimale Energieauflösung bei niedrigen
Photonenflüssen am Detektor.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, ein weiter verbessertes Verfahren und
eine verbesserte Schaltungsanordnung zur Bestimmung der Strahlungsintensität
mit zählenden Detektorelementen vorzustellen, welche in
der Lage sind, auch bei hohen Photonenflussraten ausreichend genaue
Werte auszugeben.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche
gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind
Gegenstand untergeordneter Ansprüche.
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Die
Erfinder haben Folgendes erkannt:
Ein Ansatz zur Bestimmung
der Strahlungsintensität mit zählenden Detektormaterialien
ist die Verwendung eines kontinuierlichen Pulshöhendiskriminators.
Bei diesem wird zu jedem Zeitpunkt, an dem das Signal eine eingestellte
Schwelle überschreitet, ein Zählereignis generiert.
Dieser kontinuierliche Pulshöhendiskriminator hat den Vorteil,
dass er die Höhe der Signale über eine Variation
einer oder mehrerer Schwellenhöhen sehr genau bestimmen
kann und dabei unabhängig von einer variierenden Pulsbreite die
Zählrate bestimmt. Allerdings setzt dieses Verfahren eine
relativ niedrige Flussrate an Photonen, also nicht überlappende
Signalpulse voraus. Für sehr hohe Flüsse liefert
das Konzept stark unterschätzte Zählerstände
bis hin zu einem paralysierenden Verhalten. Diese Eigenschaft liegt
darin begründet, dass der kontinuierliche Pulshöhendiskriminator
immer auf eine Flanke des Signals bei der eingestellten Schwelle
reagiert. Da sich bei hohen Photonenflusswerten die Pulse so überlagern,
dass zwischen mehreren Pulsen das Signal nicht mehr unter den Schwellwert fällt,
können die Pulse nicht aufgelöst und gezählt werden.
Die Zählrate nimmt also bei zunehmendem Photonenfluss ab.
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Ein
zweiter Ansatz ist die Verwendung eines getakteten Pulshöhendiskriminators,
der zu bestimmten Zeitpunkten die Signalhöhe mit einer Schwelle
vergleicht und bei Überschreitung des Schwellwerts ein
Zählereignis generiert. Dieses Konzept hat die Eigenschaft,
dass es bei hohen Flüssen – ebenso wie der kontinuierlich
arbeitende Pulshöhendiskriminator – zwar die korrekte
Anzahl der Pulse unterschätzt, aber kein paralysierendes
Verhalten zeigt. Für niedrige Flusswerte ist die Zählrate
direkt abhängig von der mittleren Pulsbreite, so dass Schwankungen
dieser problematisch sein können. Außerdem wird
durch die gegenüber einer gegebenen Pulsform zeitlich zufällige
Abtastung dieses Signals, die Pulshöhe meist nicht im Maximum
abgetastet, so dass sich ein verschlechtertes Energieübertragungsverhalten
ergibt.
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Diese
methodenspezifischen Probleme können durch eine logische
Auswertung zeitkontinuierlicher und zeitdiskreter Komparatorentscheidungen gelöst
werden.
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Werden
die von einem Detektor mit direkt konvertierenden Halbleitermaterialien
als Sensoren stammenden Signale mit beiden Diskriminatorkonzepten
gleichzeitig untersucht und die Ausgangssignale der beiden Diskriminatoren
von einer Logik ausgewertet, so kann bei niedrigen Flüssen
der Vorteil der korrekten Energiediskriminierung der Signale durch
einen kontinuierlichen Pulshöhendiskriminator und bei hohen
Flüssen mit dem getakteten Pulshöhendiskriminator
eine zu starke Unterschätzung der Zählrate vermieden
werden. Hierzu können mit einer Logikverknüpfung
die Zählereignisse für eine Zählelektronik
generiert werden, wobei mit der Logikverknüpfung dafür gesorgt
wird, dass keine Über- oder Unterbewertung der von dem
Pulshöhendiskriminator kommenden Zählsignale stattfindet.
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Werden
beide Pulshöhendiskriminatoren parallel betrieben, wobei
jeder Pulshöhendiskriminator seine Zählsignale
an einen gemeinsamen Zähler abgibt, kann zur Vermeidung
von ständig doppelt – und somit falsch – detektierten
Signalen zwischen dem Zähler und kontinuierlichem beziehungsweise
getaktetem Pulshöhendiskriminator eine Logikschaltung angeordnet
werden, welche das erste Ereignis des getakteten Pulshöhendiskriminators
nach einer Überschreitung der Schwelle – also
einem Zählereignis des kontinuierliche Pulshöhendiskriminators – ignoriert.
Weiterhin sollte hierbei die Frequenz des getakteten Pulshöhendiskriminators
an die maximal zu erwartende Pulsbreite justiert werden, so dass
ohne Überlagerung von Pulsen keine Doppeldetektion zustande
kommt. Im Rahmen der Erfindung kann diese Vorgehensweise auch logisch
entsprechend für ein Durchschreiten eines Schwellwertes
von oben nach unten, also mit negativem Gradienten der Signalstärke,
durchgeführt werden.
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Vorteilhaft
ist es auch, wenn für eine sehr breite Verteilung von Pulsbreiten – also
ein breites Energiespektrum der detektierten Strahlung – die
Abtastfrequenz abhängig vom erwarteten Energiespektrum
der gemessenen Strahlung gewählt wird. So kann zum Beispiel
für Messungen im Rahmen der CT mit Photonenenergien im
Bereich von ca. 100 keV eine relativ hohe Abtastrate und im Bereich
von PET-Messungen mit 511 keV – Strahlungsenergie eine
wesentlich niedrigere Abtastrate verwendet werden.
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Die
Vorteile dieses erfindungsgemäßen Konzepts sind
eine bessere Signalhöhenübertragung und damit
Energieübertragung als bei Verwendung nur eines getakteten
Pulshöhendiskriminators bei deutlich geringeren Zählrateneinbußen
bei hohen Flüssen im Vergleich zum kontinuierlichen Pulshöhendiskriminator.
Dieses Verfahren zeigt kein paralysierendes Verhalten. Wei terhin
ist die zu bestimmende Zählrate für eine Variationsbreite
die im Bereich eines Taktzyklus abläuft nicht von der Variation
der Pulsbreite abhängig.
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Entsprechend
diesem oben geschilderten Grundgedanken schlagen die Erfinder ein
Verfahren zur Bestimmung einer Strahlungsintensität mit
einem Detektor mit zählenden Detektorelementen vor, wobei
in den Detektorelementen absorbierte oder teilabsorbierte Photonen
einer Strahlung elektrische Signale in Pulsform erzeugen, deren
Pulsanzahl und Pulshöhe mit der auftreffenden Strahlungsintensität auf
dem Detektorelement korrelieren und durch Zählen der Pulse
die Strahlungsintensität bestimmt wird. Erfindungsgemäß werden
nun die anfallenden Signalpulse in mindestens einem Detektorelement gleichzeitig
mit mindestens einem kontinuierlich arbeitenden Pulshöhendiskriminator
und mit mindestens einem getaktet arbeitenden Pulshöhendiskriminator
detektiert, wobei mit Hilfe dieser beiden Detektionsinformationen
die Anzahl der angefallenen Signalpulse bestimmt wird.
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In
einer vorteilhaften Ausführung weisen der getaktete und
der kontinuierliche Pulshöhendiskriminator einen Ausgang
zur Ausgabe seiner detektierten Signalinformationen auf, wobei durch
logische Verknüpfung der Ausgänge des mindestens
einen kontinuierlich arbeitenden Pulshöhendiskriminators
und des mindestens einen getaktet arbeitenden Pulshöhendiskriminators
bei Übersättigung des kontinuierlich arbeitenden
Pulshöhendiskriminators eine fortschreitende Pulszählung
durch den getaktet arbeitenden Pulshöhendiskriminator stattfindet.
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Gemäß einer
ersten Ausführungsvariante, die auf die positive Flanke
der Detektorsignale abstellt, kann zwischen dem Ausgang des kontinuierlich arbeitenden
Pulshöhendiskriminators und dem Ausgang des getaktet arbeitenden
Pulshöhendiskriminators eine logische Verknüpfung
derart geschaltet sein, dass nach jedem Überschreiten eines
unteren Schwellwertes am kontinuierlich arbeitenden Pulshöhendiskriminators,
der ein po sitives Zählereignis für den kontinuierlich
arbeitenden Pulshöhendiskriminators darstellt, ein erstes
Zählereignis beim getaktet arbeitenden Pulshöhendiskriminators
nicht gezählt wird, während alle anderen Zählsignale
beider Pulshöhendiskriminatoren gezählt werden.
Dabei kann der mindestens eine kontinuierlich arbeitende Pulshöhendiskriminator
zusätzlich zu seinem Zählsignal ein Positiv-Flanken-Signal
bei Durchlaufen eines Schwellwertes mit positivem Gradienten ausgeben. Die
logische Verknüpfung der Zählsignale des kontinuierlich
arbeitenden Pulshöhendiskriminators und des getaktet arbeitenden
Pulshöhendiskriminators werden in dieser Variante aufsummiert,
wobei jeweils ein auf ein Positiv-Flanken-Signal folgendes Zählsignal
des getaktet arbeitenden Pulshöhendiskriminators ignoriert
wird.
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Eine ähnliche
alternative Ausführungsvariante berücksichtigt
die negative Flanke der Detektorsignale, wobei zwischen dem Ausgang
des kontinuierlich arbeitenden Pulshöhendiskriminators
und dem Ausgang des getaktet arbeitenden Pulshöhendiskriminators
eine logische Verknüpfung derart verwendet wird, dass nach
jedem Unterschreiten eines unteren Schwellwertes am kontinuierlich
arbeitenden Pulshöhendiskriminators ein Zählereignis
beim getaktet arbeitenden Pulshöhendiskriminators storniert wird,
während alle anderen Zählsignale beider Pulshöhendiskriminatoren
gezählt werden. Bei dieser Variante ist es auch günstig,
wenn der mindestens eine kontinuierlich arbeitende Pulshöhendiskriminator
zusätzlich zu seinem Zählsignal ein Negativ-Flanken-Signal
bei Durchlaufen eines Schwellwertes mit negativem Gradienten ausgeben
kann. Hierbei können durch die logische Verknüpfung
die Zählsignale des kontinuierlich arbeitenden Pulshöhendiskriminators
und des getaktet arbeitenden Pulshöhendiskriminators aufsummiert
werden, wobei jeweils nach einem Negativ-Flanken-Signal ein früheres
Zählsignal des getaktet arbeitenden Pulshöhendiskriminators storniert
wird.
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Ergänzend
zu den oben dargestellten Ausführungen kann durch den kontinuierlich
arbeitenden Pulshöhendiskriminator zumindest auch die Pulshöhe
bestimmt werden. Somit kann mit der Pulshöhenmessung die
spektrale Verteilung der detektierten Strahlung bestimmt werden.
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Neben
dem erfindungsgemäßen Verfahren schlagen die Erfinder
auch eine Schaltungsanordung zur Bestimmung der Strahlungsintensität
mit einem Detektor mit zählenden Detektorelementen vor,
wobei in den Detektorelementen durch absorbierte oder teilabsorbierte
Photonen einer Strahlung elektrische Signale in Pulsform erzeugt
werden, deren Anzahl und gegebenenfalls Höhe mit einer
auftreffenden Strahlungsintensität korrelieren und durch
Zählen der Signalpulse die auftreffende Strahlungsintensität
geschätzt werden kann. Erfindungsgemäß sind
hierbei an einem Ausgang des Detektorelements parallel ein kontinuierlich
arbeitender Pulshöhendiskriminator und ein getaktet arbeitender
Pulshöhendiskriminator angeschlossen, jeder Pulshöhendiskriminator
weist einen Ausgang auf, und die Ausgänge des mindestens
einen kontinuierlich arbeitenden Pulshöhendiskriminators
und des mindestens einen getaktet arbeitenden Pulshöhendiskriminators
sind über eine Logikschaltung mit einem Zähler
verbunden.
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Bei
einer solchen Schaltungsanordnung kann der Ausgang des kontinuierlich
arbeitenden Pulshöhendiskriminators ein Positiv-Flanken-Signal, wenn
ein Schwellwert mit positivem Gradienten, und/oder ein Negativ-Flanken-Signal,
wenn ein Schwellwert mit negativem Gradienten durchlaufen wird,
abgeben.
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Die
Logikschaltung kann einerseits derart ausgestaltet werden, dass
bei Anfallen eines Positiv-Flanken-Signals das nächste
Zählsignal des getaktet arbeitenden Pulshöhendiskriminators
nicht gezählt wird. Andererseits kann die Logikschaltung auch
so ausgeführt sein, dass bei Anfallen eines Negativ-Flanken-Signals
ein Zählsignal des getaktet arbeitenden Pulshöhendiskriminators
nicht gezählt wird.
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In
einer alternativen Ausführung kann der Ausgang des kontinuierlich
arbeitenden Pulshöhendiskriminators mit einem Schalter
verbunden sein, der nur im positiven Zählfall des kontinuierlich
arbeitenden Pulshöhendiskriminators eine Verbindung zwischen
dem getaktet arbeitenden Pulshöhendiskriminator und einem
Zähler frei gibt.
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Auch
mit dieser Variante werden paralysierte Zustände vermieden,
wobei zusätzlich und bei nicht zu großem Photonenfluss über
den kontinuierlich arbeitenden Pulshöhendiskriminator die
Pulshöhenverteilung beziehungsweise die Energieverteilung
des Photonenflusses detektiert werden kann.
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Dem
Fachmann ist es dabei bekannt, dass solche logischen Schaltungen
entweder hardware-basierend oder durch entsprechende Programmierung
ausgeführt werden können
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand der bevorzugten Ausführungsbeispiele
mit Hilfe der Figuren näher beschrieben, wobei nur die
zum Verständnis der Erfindung notwendigen Merkmale dargestellt sind.
Hierbei werden die folgenden Bezugszeichen verwendet: 1:
CT-System, 2: erste Röntgenröhre, 3: erster
Detektor, 3.m.n: Detektorelement in Spalte m und Zeile
m, 4: zweite Röntgenröhre (optional), 5: zweiter
Detektor (optional), 6: Gantry-Gehäuse, 7: Patient, 8:
Patientenliege, 9: Systemachse, 10: Steuer- und
Recheneinheit, 11: Signal, 12: Verstärker, 13: kontinuierlicher
Pulshöhendiskriminator (KD), 14: getakteter Pulshöhendiskriminator
(GD), 15: Logikschaltung, 16: summierender Zähler, 17:
Schwellwert, 18: Signalverlauf, 19: Taktereignis
des getakteten Pulshöhendiskriminators, 20: Verhalten
des kontinuierlichen Pulshöhendiskriminators; I/b.E.: Signalhöhe
in beliebigen Einheiten, P1–P7: Ausgangsereignisse an den
Pulshöhendiskriminatoren, Prg1– Prgn: Computerprogramme, S1–S4: Stadien
der Logikschaltung, t/b.E.: Zeit in beliebigen Einheiten.
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Es
zeigen im Einzelnen:
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1:
CT-System mit erfindungsgemäßem Detektor;
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2:
Detektor mit Detektorelementen mit direkt konvertierendem Halbleiter
und erfindungsgemäßem Zählschaltkreis
mit Logikschaltung;
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3:
Detektorsignal einer einfachen Photonenabsorption mit Auswertung
im kontinuierlichen und im getakteten Pulshöhendiskriminator;
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4:
Detektorsignal einer einfachen Photonenabsorption mit Auswertung
im kontinuierlichen und im getakteten Pulshöhendiskriminator;
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5:
schematische Darstellung einer Logikschaltung aus 2 als „Zustandsautomat"
bzw. „state machine";
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6:
Detektor mit Detektorelementen mit direkt konvertierendem Halbleiter
und einem alternativen erfindungsgemäßen Zählschaltkreis
mit gesteuertem Schalter.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße
Schaltungsanordnung kann in Verbindung mit beliebigen Detektoren
mit zählenden Detektorelementen, beispielsweise direkt
konvertierenden Halbleitermaterialien, eingesetzt werden. Lediglich
beispielhaft wird hier in der 1 ein Computertomographie-System
mit erfindungsgemäß ausgestalteten Detektoren
dargestellt. Dieses CT-System 1 weist ein Gantrygehäuse 6 auf,
in dem sich eine Gantry mit einer Strahlungsquelle 2 befindet,
die zusammen mit einem gegenüberliegenden Detektor 3 um eine
Systemachse 9 rotiert. Optional kann mindestens eine zweite
Strahlungsquelle 4 und ein gegenüberliegender
Detektor 5 auf der Gantry angeordnet werden. Hierdurch
kann je nach Ausstattung die Abtastrate erhöht oder eine
andere Abtastmethode, z. B. Phasenkontrastabtastung, erreicht werden.
Zur Abtastung wird zum Beispiel ein Patient 7 auf einer Patientenliege 8 durch
das Messfeld geschoben, während die Strahlungs quellen 2, 4 und
Detektoren 3, 5 auf der Gantry um die Systemachse 9 rotieren.
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Die
vom Detektor 3 und/oder 5 detektierten Signale
können direkt in erfindungsgemäßer Weise in
einer Detektorelektronik verarbeitet werden oder entsprechend verstärkt
in einer zentralen Rechenstation 10 verarbeitet werden.
Dort können auch Computerprogramme Prg1–Prgn hinterlegt sein, welche im Betrieb unter
anderem das erfindungsgemäße Verfahren durchführen.
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Es
wird darauf hingewiesen, dass das erfindungsgemäße
Verfahren und die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
nicht auf tomographische Anwendungen beschränkt ist, sondern
mit jedem teilchen- oder photonendetektierenden Detektor mit zählenden
Detektorelementen anwendbar ist.
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Eine
erste und bevorzugte Variante einer Schaltungsanordnung ist in der 2 schematisch dargestellt.
Diese zeigt den Detektor 3 mit einer Vielzahl von schachbrettartig
angeordneten Detektorelementen 3.m.n. die jeweils ihre
Signale 11 an einen Verstärker 12 weitergeben.
Im Verstärker 12 werden die Stromsignale 11 verstärkt
und an den kontinuierlich betriebenen Pulshöhendiskriminator 13 und
den parallel dazu geschalteten und getaktet betriebenen Pulshöhendiskriminator 14 weitergeleitet.
In den Pulshöhendiskriminatoren 13 und 14 werden
entsprechend dem empfangenen Signal und entsprechend der jeweiligen
Arbeitsweise Zählsignale erzeugt, die dann zu der nachgeordneten
Logikschaltung 15 übertragen werden. Entsprechend
der erfindungsgemäßen Logikschaltung werden die
Zählsignale an den Zähler 16 weitergeleitet.
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Die
Logikschaltung ist in diesem Falle so ausgelegt, dass nach jedem Überschreiten
eines unteren Schwellwertes am kontinuierlich arbeitenden Pulshöhendiskriminator 13,
der ein positives Zählereignis für den kontinuierlich
arbeitenden Pulshöhendiskriminator darstellt, ein erstes
Zählereignis beim getaktet arbeitenden Pulshöhendiskriminator 14 nicht
gezählt wird, während alle anderen Zählsignale beider
Pulshöhendiskriminatoren 13 und 14 weitergeleitet
werden.
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Das
Verhalten des Algorithmus bei der Detektion eines Pulses ist in
der 3 gezeigt. Oben ist ein Diagramm mit dem Verlauf 18 des
Detektorsignals zu erkennen, das mit dem detektierten Strom I/b.E.
gegenüber der Zeit t/b.E. aufgetragen ist. Die Kreise 19 stellen
das Verhalten des getakteten Pulshöhendiskriminators 14 dar,
wobei unten liegende Kreise Takte ohne Zählung und oben
liegende Kreise Takte mit positiver Zählung bedeuten. Die
Linie 20 zeigt das Verhalten des kontinuierlich arbeitenden Pulshöhendiskriminators 13,
der mit Überschreiten des Detektorsignals 18 über
den Schwellwert 17 ein Positiv-Flanken-Signal bei P3 ausgibt
und mit Unterschreiten des Schwellwertes 17 ein Negativ-Flanken-Signal
bei P5 ausgibt.
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Diese
Situation ist in der unterhalb des Diagramms angeordneten Tabelle
dargestellt. Hier sind in der ersten Spalte die Ereignispositionen
P1 bis P6 eingetragen; die zweite Spalte enthält die Positiv-Flanken-Signale
des kontinuierlich arbeitenden Pulshöhendiskriminators – hier
die Bits 0 oder 1 –; die dritte Spalte zeigt entsprechend
die Negativ-Flanken-Signale; die vierte Spalte enthält
die Signale des getaktet arbeitenden Pulshöhendiskriminators
und in der letzten Spalte sind die von der Logikschaltung an den
Zähler ausgegebenen Zählsignale dargestellt.
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Aufgrund
der geschilderten Logik wird in diesem Beispiel, das einen einzigen
Strompuls zeigt, tatsächlich nur das eine Zählsignal
des kontinuierlich arbeitenden Pulshöhendiskriminators
gewertet, während das erste – und hier einzige – Zählsignal
des getakteten Pulshöhendiskriminators ignoriert wird.
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Während
in der 3 ein Pulsereignis dargestellt ist, zeigt die 4 in
gleicher Weise das Auftreten zweier leicht überlappender
Pulsereignisse, die sich hier durch die dicht beieinander liegende Peaks
im Signalverlauf 18 darstellen. Entsprechend der zuvor
geschilderten Zähllogik wird auch hier wieder das erste – und
einzige – Zählereignis des kontinuierlich arbeitenden
Pulshöhendiskriminators gewertet. Da der Signalpegel zwischen
den beiden Scheitelwerten bzw. Peaks nicht unter den Schwellwert
fällt entsteht kein weiteres Zählsignal vom kontinuierlich
arbeitenden Pulshöhendiskriminator, obwohl ein weiteres
Signal folgt. Würden zeitlich dicht gedrängt weitere
Pulsereignisse folgen, so wären auch diese durch den kontinuierlich
arbeitenden Pulshöhendiskriminator nicht auflösbar.
Dieses Problem wird nun erfindungsgemäß dadurch
umgangen, dass nachfolgend alle Zählsignale des getaktet
arbeitenden Pulshöhendiskriminators, hier das Zählsignal an
der Position P5, gezählt werden. Auf diese Weise wird einerseits
eine Paralyse der Pulszählung bei zeitlich dicht auftretenden
Pulsereignissen vermieden, wobei trotzdem bei zeitlich ausreichend
auseinander liegenden Pulsereignissen – also niedrigen Strahlungsintensitäten – die
Vorteile eines kontinuierlich arbeitenden Pulshöhendiskriminators
genutzt werden können und eine spektrale Auflösung
der gemessenen Strahlung durch einen kontinuierlich arbeitenden
Pulshöhendiskriminator ermöglicht wird.
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Die
geschilderte Logik bei dem doppelten Pulsereignis ist in der unterhalb
des Diagramms angeordneten Tabelle nochmals dargestellt. Hier sind
in der ersten Spalte die Ereignispositionen P1 bis P7 eingetragen;
die zweite Spalte enthält die Positiv-Flanken-Signale des
kontinuierlich arbeitenden Pulshöhendiskriminators – hier
die Bits 0 oder 1 –; die dritte Spalte zeigt entsprechend
die Negativ-Flanken-Signale; die vierte Spalte enthält
die Signale des getaktet arbeitenden Pulshöhendiskriminators
und in der letzten Spalte sind die von der Logikschaltung an den
Zähler ausgegebenen Zählsignale dargestellt. Im
gezeigten Beispiel werden also entsprechend dem tatsächlichen
Ereignis auch zwei Zählsignale ausgegeben.
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Die
oben geschilderte Logik ist in der 5 nochmals
in Form eines Zustandsübergangsdiagramms eines „Zustandsautomats"
bzw. „state machine" oder eines „endlichen Zustandsautomats" bzw. „finite
state machine" wiedergegeben.
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Dieses
Diagramm zeigt die logischen Zustände S1 bis S4 der Logikschaltung.
Die Bewegung des Systems zwischen den unterschiedlichen Zuständen
S1–S4 wird durch die Ereignisse „positive Flanke", „negative
Flanke" und „Taktereignis" gesteuert. Zusätzlich
existiert eine Zustandsvariable „arm", die speichert, ob
Signale des getakteten Pulshöhendiskriminators gezählt
werden.
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Im
Fall, dass kein Signal über einem Schwellwert liegt, ist
das System im Zustand S1. Diesen Zustand verlässt das System
in den Zustand S2, wenn das Ereignis „positive Flanke"
des kontinuierlichen Pulshöhendiskriminators eintritt.
Bei diesem Übergang wird außerdem ein Zählsignal „Zähler
++" ausgelöst und die Variable „arm" auf „0"
gesetzt.
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Tritt
im Zustand S2 das Ereignis „negative Flanke" vom kontinuierlichen
Pulshöhendiskriminator ein, geht das System wieder in den
Zustand S1 zurück.
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Tritt
im Zustand S2 das Ereignis „Taktereignis" vom getakteten
Pulshöhendiskriminator ein, so geht das System über
den Zwischenzustand S3 in den Zustand S4 über, wobei die
Variable „arm" auf „1" gesetzt wird.
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Tritt
im Zustand S4 das Ereignis „Taktereignis" vom getakteten
Pulshöhendiskriminator ein, so bleibt das System im Zustand
S4, es wird jedoch ein Zählsignal „Zähler
++" ausgelöst.
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Tritt
im Zustand S4 das Ereignis „negative Flanke" vom kontinuierlichen
Pulshöhendiskriminator ein, so geht das System in den Zustand
S1 über, wobei außerdem die Variable „arm"
auf „0" gesetzt wird.
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Hierbei
ist die Variable „arm" nötig, um zu entscheiden,
ob „Taktereignis" bei „arm" = "1" gezählt wird
oder bei „arm" = "0" nicht gezählt wird. Hierdurch wird
erreicht, dass das erste „Taktereignis" nach einem Positiv-Flanken-Signal
nicht gezählt wird. Weiterhin bedeuten in diesem Diagramm „tief":
kein ist Ereignis über der Schwelle, „hoch": Signal
ist über der Schwelle, „arm1": Variable „arm"
= "1" und „arm0": Variable „arm„ = „0”
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Eine
andere alternative Variante zum parallelen Betrieb eines kontinuierlich
arbeitenden Pulshöhendiskriminators und eines getaktet
arbeitenden Pulshöhendiskriminators ist in der 6 beschrieben.
Grundsätzlich kann hier der gleiche Aufbau der Schaltungsanordnung
wie in 2 verwendet werden, allerdings wird als Logikschaltung 15 ein
durch das Zählsignal des kontinuierlich arbeitenden Pulshöhendiskriminators 13 gesteuerter
Schalter verwendet, der nur dann Zählsignale des getaktet
arbeitenden Pulshöhendiskriminators 14 zum Zähler 16 durchlässt,
wenn ein positives Zählsignal anliegt. Die Steuerung des
Schalters kann auch derart erfolgen, dass das ausgegebene Bit für
ein Positiv-Flanken-Signal den Schalter in der Logikschaltung 15 auf Durchgang
stellt, während ein Negativ-Flanken-Signal den Schalter öffnet.
Hiermit kann durch Einstellen des Schwellwertes die Empfindlichkeit
der Schaltungsanordnung variiert werden, es kann parallel am kontinuierlich
arbeitenden Pulshöhendiskriminator die spektrale Strahlungsverteilung
gemessen werden und es besteht keine Gefahr einer Paralyse der Schaltungsanordnung
durch zu hohe Strahlungsintensitäten.
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Ergänzend
kann der getaktete Pulshöhendiskriminator auch dazu genutzt
werden, die Zeitdauer des Stromsignals über der vorgegebenen
Schwelle zu bestimmen. Hierfür kann die Taktrate des getakteten
Pulshöhendiskriminators deutlich höher sein, als
die maximale Pulsbreite der gemessenen Strahlung dies ergeben würde. Über
statistische Betrachtungen kann aus der oben genannten Zeitdauer
die Anzahl der Impulse geschätzt und somit ein Unterschätzen
der Zählrate weitgehend vermieden werden.
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Es
versteht sich, dass die vorstehend genannten Merkmale der Erfindung
nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen
Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen
der Erfindung zu verlassen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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