DE102019122115A1 - Detector unit for a scintillation counter, radiometric measuring device with such a detector unit, method for operating such a detector unit and computer program code - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Detektoreinheit für einen Szintillationszähler, mit wenigstens zwei parallelen Signalpfaden, wobei ein erster Signalpfad einen ersten Silizium-Photomultiplier und ein zweiter Signalpfad mit einem zweiten Ausgangssignal einen zweiten Silizium-Photomultiplier aufweist, und wobei die Ausgangssignale der Signalpfade einer Koinzidenzeinheit zugeführt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektoreinheit wenigstens eine Einheit zur Pulsformanalyse aufweist.The present invention relates to a detector unit for a scintillation counter, with at least two parallel signal paths, a first signal path having a first silicon photomultiplier and a second signal path with a second output signal having a second silicon photomultiplier, and the output signals of the signal paths being fed to a coincidence unit , characterized in that the detector unit has at least one unit for pulse shape analysis.
Description
Die Erfindung betrifft eine Detektoreinheit für einen Szintillationszähler eines radiometrischen Messgeräts zur Füllstandmessung, Grenzstandmessung, Dichtemessung oder Durchflussmessung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, ein radiometrisches Messgerät mit einem solchen Detektor, ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Detektors gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 9 sowie Computerprogrammcode gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 11.The invention relates to a detector unit for a scintillation counter of a radiometric measuring device for level measurement, limit level measurement, density measurement or flow measurement according to the preamble of
Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl radiometrischer Messgeräte mit sogenannten Szintillationszählern bekannt. Der grundlegende Aufbau und die Funktionsweise eines solchen radiometrischen Messgeräts sind in Zusammenhang mit
Hierfür weist der Szintillationszähler
Messgeräte im industriellen Umfeld und insbesondere radiometrische Messgeräte zur Füllstandmessung, Grenzstandmessung, Dichtemessung oder Durchflussmessung können einem stark schwankenden Temperaturbereich ausgesetzt sein. Um eine Beschädigung des Messgeräts zu vermeiden, können robuste und gut isolierende Gehäuse eingesetzt werden. Diese sind jedoch aufwändig in der Herstellung und weisen ein erhöhtes Gewicht auf.Measuring devices in the industrial environment and in particular radiometric measuring devices for level measurement, limit level measurement, density measurement or flow measurement can be exposed to a strongly fluctuating temperature range. In order to avoid damage to the measuring device, robust and well-insulating housings can be used. However, these are complex to manufacture and have increased weight.
In der
Im Stand der Technik sind außerdem sog. Silizium-Photomultiplier bekannt, die als Ersatz für die bislang üblichen Photomultiplier-Röhren dienen sollen.In the prior art, so-called silicon photomultipliers are also known, which are intended to serve as a replacement for the previously customary photomultiplier tubes.
Ein Silizium-Photomultiplier ist eine Anordnung aus mehreren Lawinenphotodioden (engl. Avalanche Photo Diode, APD). Die typische Größe liegt bei wenigen Quadratmillimetern, auf denen mehrere hundert Lawinenphotodioden untergebracht sind. Diese werden in diesem Zusammenhang auch als Pixel bezeichnet.A silicon photomultiplier is an arrangement of several avalanche photo diodes (APD). The typical size is a few square millimeters, on which several hundred avalanche photo diodes are housed. In this context, these are also referred to as pixels.
Unter einem Silizium-Photomultiplier sollen in der vorliegenden Anmeldung auch Photodetektoren mit Lawinen-Photodioden als sensitive Elemente verstanden werden, die auf Basis anderer Substrate hergestellt werden, bspw. auf Basis von Germanium oder anderen geeigneten Substraten.In the present application, a silicon photomultiplier should also be understood to mean photodetectors with avalanche photodiodes as sensitive elements that are produced on the basis of other substrates, for example on the basis of germanium or other suitable substrates.
Die in einem Silizium-Photomultiplier verwendeten Lawinenphotodioden werden im Geigerbereich betrieben. Sie erreichen eine kurzzeitige Verstärkung von bis zu 108, da ein durch ein einzelnes Photon erzeugtes Elektron-Loch-Paar aufgrund der Beschleunigung in der Multiplikationszone, hervorgerufen durch die hohe elektrische Feldstärke, mehrere Millionen Ladungsträger erzeugen kann.The avalanche photodiodes used in a silicon photomultiplier are operated in the Geiger range. They achieve a short-term gain of up to 10 8 , since an electron-hole pair generated by a single photon can generate several million charge carriers due to the acceleration in the multiplication zone caused by the high electric field strength.
Da eine im Geigerbereich betriebene Lawinenphotodiode Pulse mit fester Höhe liefert, ist die Signalhöhe eines Silizium-Photomultipliers proportional zur Zahl der ausgelösten Pixel. Die Signalhöhe kann in pe (Pixel Equivalent) angegeben werden. Ein pe entspricht der Signalamplitude eines einzelnen Pixels. Im Vergleich zu herkömmlichen Photomultiplier-Röhren bieten Silizium-Photomultiplier einige Vorteile.Since an avalanche photodiode operated in the Geiger area supplies pulses with a fixed height, the signal height of a silicon photomultiplier is proportional to the number of pixels triggered. The signal level can be specified in pe (pixel equivalent). A pe corresponds to the signal amplitude of a single pixel. Compared to conventional photomultiplier tubes, silicon photomultipliers offer several advantages.
Silizium-Photomultiplier sind kostengünstig, platzsparend und mechanisch relativ unempfindlich. Außerdem benötigen sie eine wesentlich kleinere Versorgungsspannung als Photomultiplier-Röhren. Silizium-Photomultiplier werden nicht von Magnetfeldern beeinflusst, was ein weiterer Vorteil für die Verwendung in großen Detektoren ist.Silicon photomultipliers are inexpensive, space-saving and mechanically relatively insensitive. They also require a much lower supply voltage than photomultiplier tubes. Silicon photomultipliers are not affected by magnetic fields, which is another advantage for use in large detectors.
Ein großer Nachteil ist die starke Temperaturabhängigkeit der Silizium-Photomultiplier. Die in einem Silizium-Photomultiplier eingesetzten Photodioden weisen oft einen verhältnismäßig geringen Temperaturbereich auf, in welchem sie gute Messergebnisse liefern können, und neigen dazu, bei zu hohen Temperaturen einen Dunkelstrom zu erzeugen, der sich negativ auf die Messwertgenauigkeit des radiometrischen Messgeräts auswirken kann. Aufgrund der starken Temperaturabhängigkeit des thermischen Rauschens von Halbleiterphotodioden und damit Silizium-Photomultipliern gestaltet sich deren Verwendung in Kombination mit einem Szintillator in einem radiometrischen Messgerät bei höheren Temperaturen, bspw. 60 °C, schwierig. Das Dunkelrauschen eines Silizium-Photomultipliers verdoppelt sich etwa alle 10 K. Somit ist das Dunkelrauschen bei 60 °C ca. 16 mal höher als bei 20 °C.A major disadvantage is the strong temperature dependence of the silicon photomultiplier. The photodiodes used in a silicon photomultiplier often have a relatively small amount Temperature range in which they can deliver good measurement results, and tend to generate a dark current at excessively high temperatures, which can have a negative effect on the measurement accuracy of the radiometric measuring device. Due to the strong temperature dependence of the thermal noise of semiconductor photodiodes and thus silicon photomultipliers, their use in combination with a scintillator in a radiometric measuring device at higher temperatures, for example 60 ° C., is difficult. The dark noise of a silicon photomultiplier doubles approximately every 10 K. Thus, the dark noise at 60 ° C is approx. 16 times higher than at 20 ° C.
Mit höherer Temperatur steigt auch die Durchbruchspannung der Lawinenphotodioden, der Verstärkungsfaktor nimmt daher ab. Gleichzeitig steigt dabei die Dunkelrate, d. h. die Anzahl der Pulse pro Zeiteinheit, die ohne optische Anregung entstehen. Als Dunkelstrom bezeichnet man in diesem Zusammenhang die spontane Bildung von freien Ladungsträgern durch Wärme in einem lichtempfindlichen Halbleiter, beispielsweise einer Photodiode.The breakdown voltage of the avalanche photodiodes also increases as the temperature increases, and the gain factor therefore decreases. At the same time, the dark rate increases, i. H. the number of pulses per unit of time that occur without optical excitation. In this context, dark current refers to the spontaneous formation of free charge carriers due to heat in a light-sensitive semiconductor, for example a photodiode.
Silizium-Photomultiplier bestehen aus einer Vielzahl an Mikrozellen (Pixeln). Die Signalamplitude, die eine Mikrozelle aufgrund der Absorption eines Photons generiert ist definiert als 1 pe. Ein Summensignal, welches der Silizium-Photomultiplier aufgrund der parallel geschalteten Mikrozellen liefert, ist somit proportional zu der Anzahl der angeregten Zellen. Statistisch gesehen ist es möglich, dass m Mikrozellen gleichzeitig aufgrund des thermischen Rauschens ein erstes Signal S1 als Dunkelstrom liefern, wobei
Eine weitere charakteristische Eigenschaft von Silizium-Photomultipliern ist der sogenannte Cross-Talk. Dabei rekombinieren Elektron-Loch-Paare in einer Lawinenphotodiode und die dabei entstehenden Photonen können in benachbarten Pixeln ein Signal erzeugen. Dieses optische Übersprechen einer Mikrozelle zu n benachbarten Zellen kann ein zweites Signal S2 bedingen, wobei
Somit kann ein Silizium-Photomultiplier ohne optische Anregung Pulse mit Amplituden von mehreren pe liefern. Durch den Anstieg des Dunkelstroms mit der Temperatur nimmt die Anzahl der Dunkelpulse pro Zeiteinheit, sowie deren Amplitude zu. Da Dunkelpulse mit großer Amplitude nur anhand ihrer Amplitude nicht von einem zu zählenden Event unterscheidbar sind, kann sich die Zählrate eines solchen Photodetektors signifikant mit der Temperatur verändern.A silicon photomultiplier can thus deliver pulses with amplitudes of several pe without optical excitation. As the dark current increases with temperature, the number of dark pulses per unit of time and their amplitude increases. Since dark pulses with a large amplitude cannot be distinguished from an event to be counted only on the basis of their amplitude, the counting rate of such a photodetector can change significantly with temperature.
Durch Kombination der Messsignale mindestens zweier Silizium-Photomultiplier und einer geeigneten Signalerfassung/Signalauswertung kann das Dunkelrauschen signifikant reduziert bzw. eliminiert werden, so dass eine Verfälschung (Erhöhung) der Zählrate aufgrund der Zunahme von Dunkelpulsen bei höheren Temperaturen verringert wird. Dies kann durch die Erfassung von innerhalb eines festlegbaren Zeitintervalls auftretenden Signalen, welche mittels beiden Halbleiterphotodioden zeitgleich, d. h koinzident, erfasst werden, gelöst werden. Somit tragen statistisch verteilte Dunkelpulse nur noch in geringem Maße zu der zu messenden Zählrate bei.By combining the measurement signals of at least two silicon photomultipliers and a suitable signal acquisition / signal evaluation, the dark noise can be significantly reduced or eliminated, so that a falsification (increase) of the count rate due to the increase in dark pulses at higher temperatures is reduced. This can be done through the detection of signals occurring within a definable time interval, which are generated simultaneously by means of two semiconductor photodiodes, i.e. h coincident, to be detected, to be solved. Thus, statistically distributed dark pulses contribute only to a small extent to the count rate to be measured.
Die Silizium-Photomultiplier sind idealerweise direkt benachbart bspw. in einem Array an einem Ende eines Szintillators angeordnet. Hierdurch wird sichergestellt, dass die durch γ-Quanten oder Teilchen im Szintillatormaterial erzeugten Lichtpulse elektrische Signale vergleichbarer Amplitude erzeugen, deren Amplitude bzw. Signalform nicht durch Absorption im Szintillatormaterial aufgrund unterschiedlicher Signallaufstrecken verfälscht wird. Durch die örtliche Nähe der mindestens zwei Halbleiterphotodetektoren weisen diese auch annährend die gleiche Temperatur auf, so dass sich deren Dunkelrauschen im Betrieb in vergleichbarem Maße mit dieser ändert.The silicon photomultipliers are ideally arranged directly adjacent, for example in an array at one end of a scintillator. This ensures that the light pulses generated by γ quanta or particles in the scintillator material generate electrical signals of comparable amplitude, the amplitude or signal shape of which is not falsified by absorption in the scintillator material due to different signal paths. Due to the local proximity of the at least two semiconductor photodetectors, they also have approximately the same temperature, so that their dark noise changes to a comparable extent with this during operation.
Durch diese Maßnahmen lassen sich jedoch nicht sämtliche Dunkelpulse eliminieren.However, these measures cannot eliminate all dark pulses.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung die bekannten Vorrichtungen und Verfahren so zu verbessern, dass die Messergebnisse weniger aufgrund von Dunkelpulsen verfälscht werden.It is the object of the present invention to improve the known devices and methods in such a way that the measurement results are less falsified due to dark pulses.
Eine erfindungsgemäße Detektoreinheit für einen Szintillationszähler, mit wenigstens zwei parallelen Signalpfaden, wobei ein erster Signalpfad mit einem ersten Ausgangssignal einen ersten Silizium-Photomultiplier und ein zweiter Signalpfad mit einem zweiten Ausgangssignal einen zweiten Silizium-Photomultiplier aufweist, und wobei die Ausgangssignale der Signalpfade einer Koinzidenzeinheit zugeführt sind, zeichnet sich dadurch aus, dass die Detektoreinheit wenigstens eine Einheit zur Pulsformanalyse aufweist.A detector unit according to the invention for a scintillation counter, with at least two parallel signal paths, wherein a first signal path with a first output signal has a first silicon photomultiplier and a second signal path with a second output signal has a second silicon photomultiplier, and the output signals of the signal paths are fed to a coincidence unit is characterized in that the detector unit has at least one unit for pulse shape analysis.
Dadurch, dass in der erfindungsgemäßen Detektoreinheit zwei parallel geschaltete Silizium-Photomultiplier in zwei parallelen Signalpfaden zum Einsatz kommen, können in der nachgeschalteten Signalverarbeitung die aufgrund eines im Szintillator erzeugten Lichtblitzes erzeugten Pulse von Dunkelpulsen unterschieden werden.Because two silicon photomultipliers connected in parallel are used in two parallel signal paths in the detector unit according to the invention, the pulses generated on the basis of a light flash generated in the scintillator can be distinguished from dark pulses in the downstream signal processing.
Der Koinzidenzeinheit werden die Ausgangssignale beider Signalpfade zugeführt. Am Ausgang der Koinzidenzeinheit werden nur die Signalpulse ausgegeben, die auf beiden Signalpfaden gleichzeitig auftreten. Statistisch verteilte Pulse, die nicht in beiden Signalpfaden gleichzeitig auftreten können so ausgefiltert werden.The output signals of both signal paths are fed to the coincidence unit. At the output of the coincidence unit, only the signal pulses that occur simultaneously on both signal paths are output. Statistically distributed pulses that cannot occur in both signal paths at the same time can be filtered out.
Dadurch, dass die durch Szintillationsprozesse im Szintillator erzeugten Lichtpulse ein anderes zeitliches Abklingverhalten aufweisen, als die in der Halbleiterphotodiode erzeugten Dunkelpulse, lassen sich diese durch eine Pulsformanalyse voneinander unterscheiden. Auf diese Weise ist es möglich, nicht nur die zufällig verteilten Dunkelpulse, die nicht koinzident in beiden Silizium-Photomultipliern Auftreten von einer Impulszählung im Szintillationszähler auszunehmen, sondern es können aufgrund der Pulsformanalyse auch diejenigen Dunkelpulse von der Zählung ausgeschlossen werden, die koinzident auftreten. Diese Aufgabe wird durch eine Detektoreinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein radiometrisches Messgerät mit den Merkmalen des Anspruchs 8, ein Verfahren zur Signalauswertung mit den Merkmalen des Anspruchs 9 sowie Computerprogrammcode gemäß Anspruch 11 gelöst.Because the light pulses generated by scintillation processes in the scintillator have a different time decay behavior than the dark pulses generated in the semiconductor photodiode, they can be distinguished from one another by a pulse shape analysis. In this way it is not only possible to exclude the randomly distributed dark pulses that do not occur coincidentally in the two silicon photomultipliers from pulse counting in the scintillation counter, but also those dark pulses that occur coincidentally can be excluded from the count due to the pulse shape analysis. This object is achieved by a detector unit with the features of
In einer bevorzugten Ausgestaltungsform ist der Einheit zur Pulsformanalyse der Koinzidenzeinheit nachgeschaltet, d. h. dass nur für die Pulse, die tatsächlich auf beiden Signalpfaden gleichzeitig auftreten eine Analyse der Pulsform erfolgt.In a preferred embodiment, the unit for pulse shape analysis is connected downstream of the coincidence unit; H. that the pulse shape is only analyzed for the pulses that actually occur on both signal paths at the same time.
Den Silizium-Photomultipliern kann jeweils eine Diskriminatoreinheit nachgeschaltet sein, die nur diejenigen Pulse an ihrem Ausgang weiterleitet, die einen vorgegebenen oder vorgebbaren Schwellenwert überschreiten. Durch die Diskriminatoreinheit werden die Dunkelpulse unterhalb eines Schwellenwertes ausgefiltert. Der Diskriminator ist in der Regel als Amplitudendiskriminator ausgebildet und filtert damit Pulse unterhalb einer bestimmten, im Diskriminator vorgegebenen Schwelle. Auf diese Weise werden Dunkelpulse von geringer Amplitude ggf. schon vor der weiteren Signalverarbeitung ausgefiltert und die Koinzidenzeinheit sowie die Pulsformanalyse müssen nur noch auf eine reduzierte Anzahl von Pulsen angewendet werden, was eine Einsparung an Rechenleistung und damit Energie bedeutet.The silicon photomultipliers can each be followed by a discriminator unit which only forwards those pulses at its output which exceed a predefined or predefinable threshold value. The dark pulses below a threshold value are filtered out by the discriminator unit. The discriminator is usually designed as an amplitude discriminator and thus filters pulses below a specific threshold specified in the discriminator. In this way, dark pulses of low amplitude are filtered out even before further signal processing and the coincidence unit and the pulse shape analysis only need to be applied to a reduced number of pulses, which means a saving in computing power and thus energy.
Die Einheit zur Pulsformanalyse ist vorteilhafterweise geeignet ausgebildet, anhand eines zugeführten Signals ein Ausgangssignal zur Unterscheidung eines Dunkelpulses von einem Lichtpuls aufgrund einer Detektion eines γ-Quants oder dem Durchgang eines geladenen Teilchens, bspw. eines Protons oder Myons auszugeben. Durch ein unterschiedliches Abklingverhalten von Pulsen eines Dunkelpulses, eines durch ein γ-Quant, oder allgemeiner eines durch ein strahlendes Ereignis ausgelösten Pulses in dem Silizium-Photomultiplier kann anhand der Pulsform eine Unterscheidung der physikalischen Herkunft des jeweiligen Pulses erkannt und ein geeignetes Ausgangssignal bereitgestellt werden. Das Ausgangssignal kann bspw. derart sein, dass nur aufgrund strahlender Ereignisse erzeugte Pulse durchgelassen werden, oder dass ein Ausgangssignal an eine Durchlassschaltung, der die Pulse ebenfalls zugeführt sind, gegeben wird, sodass diese die gewünschten Pulse, d. h. vorliegend die Pulse, die auf einem strahlenden Ereignis beruhen, durchlässt.The unit for pulse shape analysis is advantageously designed to use a supplied signal to output an output signal to distinguish a dark pulse from a light pulse on the basis of a detection of a γ quant or the passage of a charged particle, for example a proton or muon. Due to a different decay behavior of pulses of a dark pulse, one by a γ-quantum, or more generally by a pulse triggered by a radiating event in the silicon photomultiplier, a distinction of the physical origin of the respective pulse can be recognized based on the pulse shape and a suitable output signal can be provided. The output signal can, for example, be such that only pulses generated due to radiative events are allowed to pass through, or that an output signal is given to a pass-through circuit to which the pulses are also fed, so that the desired pulses, i.e. H. in the present case, the pulses that are based on a radiating event let through.
Die Einheit zur Pulsformanalyse kann dazu wenigstens einen Integrator zur Integration zugeführte Signalpulse aufweisen, wobei ein erstes Integral über einen ersten Teil des zugeführten Signals und ein zweites Integral über das gesamte zugeführte Signal gebildet, und ein Entscheidungskriterium aus einem Quotienten aus einerseits der Differenz des zweiten Integrals und des ersten Integrals und andererseits dem zweiten Integral gebildet wird. Anhand des Entscheidungskriteriums kann dann entschieden werden, welchen physikalischen Ursprung der untersuchte Puls hat, und entsprechend verfahren werden, d. h. bspw. der als auf einem strahlenden Ereignis beruhende Puls durchgelassen werden.The unit for pulse shape analysis can have at least one integrator for integrating supplied signal pulses, with a first integral formed over a first part of the supplied signal and a second integral formed over the entire supplied signal, and a decision criterion from a quotient of the difference of the second integral and the first integral and on the other hand the second integral is formed. On the basis of the decision criterion, it can then be decided which physical origin the examined pulse has, and the procedure can be carried out accordingly, i. H. For example, the pulse based on a radiating event can be let through.
Die Unterscheidung der Pulse unterschiedlichen physikalischen Ursprungs kann dabei mittels Signalintegration in entsprechenden Zeitfenstern relativ zu einer zeitlichen Trigger-Marke des Pulses mittels eines
Wobei der Parameter Qkurz durch Signalintegration in einem Zeitfenster um die Signalflanke des Pulses, welches anhand des Zeitstempels der Diskriminiatoreinheit positioniert wird, erzeugt wird und Qlang durch eine Integration über den kompletten Puls. Hierdurch ist der Parameter Qlang proportional zur Gesamtenergie des Ereignisses und Qkurz ermittelt die Energie des Pulses in dem Zeitfenster um die steigende Flanke. Werden die Zeitfenster zur Integration zur Ermittlung des
Als Trigger-Marke des Pulses wird bspw. das Überschreiten eines vorgegebenen Schwellwertes der ansteigenden Flanke des Pulses verwendet. Dieser einfache Schwellwertdiskriminator ist jedoch für eine exakte Ermittlung einer zeitlichen Trigger-Marke meist nicht brauchbar, da bei ihm der Auslösezeitpunkt von der Gesamtpulshöhe abhängt (sog. time walk-Effekt). Alternativ kann die Trigger-Marke aus dem Signal eines Constant Fraction Discriminators abgeleitet werden. The trigger mark for the pulse is, for example, when a predetermined threshold value is exceeded on the rising edge of the pulse. However, this simple threshold value discriminator is usually not usable for an exact determination of a time trigger mark, since the trigger time depends on the total pulse height (so-called time walk effect). Alternatively, the trigger mark can be derived from the signal from a constant fraction discriminator.
Hierbei wird das Eingangssignal in zwei parallelen Signalpfaden verarbeitet. In dem einen Pfad wird es um einen festen Zeitbetrag verzögert, der kleiner als die Anstiegszeit des Signals ist. Im anderen Pfad wird das Signal invertiert und mit einem festen Faktor multipliziert. Die beiden so behandelten Signale werden wieder addiert. Der erste Nulldurchgang des Summensignals kann als Trigger-Marke verwendet werden.The input signal is processed in two parallel signal paths. In one path, it is delayed by a fixed amount of time that is less than the rise time of the signal. In the other path, the signal is inverted and multiplied by a fixed factor. The two signals treated in this way are added again. The first zero crossing of the sum signal can be used as a trigger mark.
Die Zeitfenster für die Integration Qkurz und Qlang werden idealerweise relativ zur zeitlichen Trigger-Marke des Ereignisses, welches, beispielsweise mittels eines Constant Fraction Discriminators bestimmt worden ist, positioniert.The time windows for the integration Q short and Q long are ideally positioned relative to the temporal trigger mark of the event, which has been determined, for example, by means of a constant fraction discriminator.
Trotz des stark von der Temperatur abhängigen Dunkelrauschens ist die Verwendung von Halbleiterphotodioden bzw. Silizium-Photomultipliern vorteilhaft, da diese sehr viel niedrigere Betriebsspannungen als herkömmliche Photomultiplier-Röhren benötigen, sodass der Betrieb in einer 4-20 mA Stromschleife möglich wird. In einer bevorzugten Ausgestaltungsform wird das radiometrische Messgerät und damit die Detektoreinheit in einer 4-20 mA Stromschleife betrieben und vorzugsweise vollständig über diese mit Energie versorgt.Despite the dark noise, which is strongly dependent on the temperature, the use of semiconductor photodiodes or silicon photomultipliers is advantageous, as these require much lower operating voltages than conventional photomultiplier tubes, so that operation in a 4-20 mA current loop is possible. In a preferred embodiment, the radiometric measuring device and thus the detector unit are operated in a 4-20 mA current loop and are preferably completely supplied with energy via this.
Des Weiteren werden unter anderem aufgrund der geringeren Betriebsspannung die erforderlichen baulichen Maßnahmen für den Betrieb in explosionsgefährlichen Atmosphären erheblich vereinfacht. Ferner sind Silizium-Photomultiplier im Gegensatz zu einer Photomultiplier-Röhre unempfindlich gegenüber starken, äußeren Magnetfeldern und können daher vielfältiger eingesetzt werden.Furthermore, due to the lower operating voltage, among other things, the structural measures required for operation in potentially explosive atmospheres are considerably simplified. Furthermore, in contrast to a photomultiplier tube, silicon photomultipliers are insensitive to strong, external magnetic fields and can therefore be used in a variety of ways.
Des Weiteren werden die Silizium-Photomultiplier idealerweise mittels einer temperatur-kompensierten Spannungsversorgung betriebenen, damit deren Verstärkung über der Temperatur konstant bleibt und somit vergleichbare Ereignisse bei unterschiedlichen Temperaturen vergleichbare Signalamplituden liefern.Furthermore, the silicon photomultipliers are ideally operated by means of a temperature-compensated voltage supply so that their gain remains constant over temperature and thus comparable events deliver comparable signal amplitudes at different temperatures.
Wie oben dargestellt weisen die in einem Silizium-Photomultiplier eingesetzten Photodioden oft einen verhältnismäßig geringen Temperaturbereich auf, in welchem sie gute Messergebnisse liefern können, und neigen dazu, bei zu hohen Temperaturen einen Dunkelstrom zu erzeugen, der sich negativ auf die Messwertgenauigkeit des radiometrischen Messgeräts auswirken kann. Die Auswirkungen des Dunkelstroms können mit der vorliegenden Erfindung reduziert werden. Zusätzlich kann der Silizium-Photomultiplier gekühlt werden, damit sich die Temperatur in einem Bereich bewegt, in dem der Dunkelstrom keine Auswirkungen oder zumindest keine signifikanten Auswirkungen auf die Messung hat.As shown above, the photodiodes used in a silicon photomultiplier often have a relatively low temperature range in which they can deliver good measurement results, and tend to generate a dark current at too high temperatures, which has a negative effect on the measurement accuracy of the radiometric measuring device can. The effects of the dark current can be reduced with the present invention. In addition, the silicon photomultiplier can be cooled so that the temperature moves in a range in which the dark current has no effect or at least no significant effect on the measurement.
Daher ist es vorteilhaft, wenn das radiometrische Messgerät ein aktives Kühlelement zur Regelung der Temperatur der Detektoreinheit aufweist. Beispielsweise kann das Kühlelement als Peltier-Element ausgeführt und in der Lage sein, die die Detektoreinheit und insbesondere die Silizium-Photomultiplier aktiv zu kühlen oder zu erwärmen, je nach Bedarf.It is therefore advantageous if the radiometric measuring device has an active cooling element for regulating the temperature of the detector unit. For example, the cooling element can be designed as a Peltier element and be able to actively cool or heat the detector unit and in particular the silicon photomultiplier, as required.
Insbesondere können so auch Photodioden bzw. Silizium-Photomultiplier eingesetzt werden, die nur bis zu einer Temperatur von beispielsweise minus 20° C zugelassen sind, und welche durch das Peltier-Element bei Unterschreiten dieser Temperatur geheizt werden. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn der Einsatzbereich des radiometrischen Füllstandmessgeräts auch unterhalb dieser Temperatur liegt.In particular, photodiodes or silicon photomultipliers can also be used, which are only permitted up to a temperature of, for example, minus 20 ° C., and which are heated by the Peltier element when the temperature falls below this. This is particularly advantageous when the area of application of the radiometric level measuring device is also below this temperature.
Durch die Verringerung des Dunkelstroms mittels einer Temperaturregelung kann die Empfindlichkeit des Messgeräts gesteigert werden. Hierdurch werden die Genauigkeit und die Stabilität der Messung verbessert.By reducing the dark current by means of temperature control, the sensitivity of the measuring device can be increased. This improves the accuracy and the stability of the measurement.
Das radiometrische Messgerät kann insbesondere zur Anbindung an eine Zweileiterschleife (z. B. 4-20mA, Feldbus: HART, PA, FF) eingerichtet sein, über welche es mit der zu seinem Betrieb erforderlichen Leistung versorgt wird und welche optional auch zum Datenaustausch verwendet wird. In diesem Fall kann vorgesehen sein, dass das aktive Kühlelement separat mit Energie versorgt wird, seine Energie also nicht über die Zweileiterschleife bezieht. Auch kann vorgesehen sein, dass das Messgerät einen Energiespeicher aufweist, der Energie aus der Zweileiterschleife speichert und für die Energieversorgung des aktiven Kühlelements zuständig ist.The radiometric measuring device can in particular be set up for connection to a two-wire loop (e.g. 4-20mA, fieldbus: HART, PA, FF), via which it is supplied with the power required for its operation and which is optionally also used for data exchange . In this case it can be provided that the active cooling element is supplied with energy separately, that is to say does not draw its energy via the two-wire loop. It can also be provided that the measuring device has an energy store, which stores energy from the two-wire loop and is responsible for supplying energy to the active cooling element.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Signalauswertung einer Detektoreinheit für einen Szintillationszähler, mit wenigstens zwei parallelen Signalpfaden, wobei ein erster Signalpfad mit einem ersten Ausgangssignal einen ersten Silizium-Photomultiplier und ein zweiter Signalpfad mit einem zweiten Ausgangssignal einen zweiten Silizium-Photomultiplier aufweist, wobei dem Verfahren die Signale aus beiden Signalpfaden zugeführt werden, weist folgende Schritte auf:
- - Ermitteln von Signalen, die eine Amplitude aufweisen, die größer ist, als ein vorgebbarer Schwellenwert,
- - Ermitteln koinzidenter Signale oberhalb des Schwellenwerts in den Signalpfaden;
- - Determination of signals that have an amplitude that is greater than a predefinable threshold value,
- Determining coincident signals above the threshold value in the signal paths;
Das Verfahren zeichnet sich durch folgende Schritte aus:
- - Analysieren der Signalform der Signale und Ausgeben der Signalen, die einem vorgebbaren Unterscheidungskriterium entsprechen,
- - Zählen der koinzidenten Signale oberhalb des Schwellenwertes, die das Unterscheidungskriterium erfüllen. Die einzelnen Verfahrensschritte können seriell oder ganz oder teilweise parallel ausgeführt werden.
- - Analyzing the signal shape of the signals and outputting the signals that correspond to a predefinable differentiation criterion,
- - Counting the coincident signals above the threshold value which meet the distinguishing criterion. The individual process steps can be carried out in series or completely or partially in parallel.
In den beiden Signalpfaden werden also zunächst die Signale ermittelt, die eine Amplitude oder Energie aufweisen, die oberhalb eines vorgebbaren Schwellenwerts liegt. Aus diesen Signalen werden die Signale ermittelt, die koinzident, d. h. gleichzeitig auftreten und damit mit hoher Wahrscheinlichkeit aufgrund eines strahlenden Ereignisses aufgetreten sind. Die Pulse aufgrund eines strahlenden Ereignisses werden aus dem Szintillatormaterial direkt oder über einen Lichtleiter auf die Silizium-Photomultiplier eingekoppelt und erzeugen daher koinzidente elektrische Pulse.In the two signal paths, the signals are first determined that have an amplitude or energy that is above a predeterminable threshold value. From these signals the signals are determined which are coincident, i.e. H. occur at the same time and are therefore very likely to have occurred due to a radiating event. The pulses due to a radiating event are coupled to the silicon photomultiplier directly from the scintillator material or via a light guide and therefore generate coincident electrical pulses.
Da mit geringer Wahrscheinlichkeit auch Dunkelpulse mit ausreichender Amplitude koinzident auf beiden Signalpfaden auftreten können, wird anschließend mittels einer Analyse der Signalform ein Unterscheidungskriterium für diejenigen Pulse ermittelt, die tatsächlich auf ein strahlendes Ereignis zurückführbar sind.Since there is a low probability that dark pulses with sufficient amplitude can occur coincidentally on both signal paths, a criterion for distinguishing between those pulses that can actually be traced back to a radiating event is then determined by analyzing the signal shape.
Die so ermittelten Pulse werden ausgegeben und in geeigneter Art und Weise gezählt, um anhand der Anzahl und ggf. Intensität der ermittelten Pulse eine Aussage über die Strahlungsintensität am Ort des Szintillatormaterials und damit über Füllstand, Grenzstand, Dichte oder Durchfluss treffen zu können.The pulses determined in this way are output and counted in a suitable manner in order to be able to make a statement about the radiation intensity at the location of the scintillator material and thus about the level, limit level, density or flow rate based on the number and, if necessary, intensity of the determined pulses.
Das Unterscheidungskriterium kann bspw. durch Bildung eines ersten Integrals über einen ersten Teil des zugeführten Signals und eines zweiten Integrals über das gesamte zugeführte Signal sowie die Bildung eines Quotienten aus einerseits der Differenz des zweiten Integrals und des ersten Integrals und andererseits dem zweiten Integral berechnet werden.The differentiation criterion can be calculated, for example, by forming a first integral over a first part of the supplied signal and a second integral over the entire supplied signal and forming a quotient from the difference between the second integral and the first integral on the one hand and the second integral on the other.
Die vorliegende Erfindung kann ferner als Computerprogrammcode implementiert werden, der, wenn er von einer Recheneinheit eines Szintillationszählers der Ausgangssignale einer Detektoreinheit mit wenigstens zwei parallelen Signalpfaden zugeführt sind, wobei ein erster Signalpfad mit einem ersten Ausgangssignal einen ersten Silizium-Photomultiplier und ein zweiter Signalpfad mit einem zweiten Signalpfad einen zweiten Silizium-Photomultiplier aufweist, ausgeführt wird, diese Recheneinheit dazu veranlasst folgende Schritte auszuführen:
- - Ermitteln von Signalen, die eine Amplitude aufweisen, die größer ist, als ein vorgebbarer Schwellenwert,
- - Ermitteln koinzidenter Signale oberhalb des Schwellenwerts in den Signalpfaden, erfindungsgemäß wird die Recheneinheit dazu veranlasst, folgende Schritte auszuführen:
- - Analysieren der Signalform der Signale und Ausgeben der Signalen, die einem vorgebbaren Unterscheidungskriterium entsprechen,
- - Zählen der koinzidenten Signale oberhalb des Schwellenwertes, die das Unterscheidungskriterium erfüllen.
- - Determination of signals that have an amplitude that is greater than a predefinable threshold value,
- Determination of coincident signals above the threshold value in the signal paths; according to the invention, the computing unit is prompted to carry out the following steps:
- - Analyzing the signal shape of the signals and outputting the signals that correspond to a predefinable differentiation criterion,
- - Counting the coincident signals above the threshold value which meet the distinguishing criterion.
Der Computerprogrammcode kann ferner Bestandteile enthalten, die die Recheneinheit dazu veranlassen, zur Ermittlung des Unterscheidungskriteriums ein erstes Integral über einen ersten Teil des zugeführten Signals und ein zweites Integral über das gesamte zugeführte Signal zu bilden, und das Unterscheidungskriterium aus einem Quotienten aus einerseits der Differenz des zweiten Integrals und des ersten Integrals und andererseits dem zweiten Integral zu bilden.The computer program code can also contain components that cause the computing unit to form a first integral over a first part of the supplied signal and a second integral over the entire supplied signal in order to determine the differentiation criterion, and the differentiation criterion from a quotient of, on the one hand, the difference of the to form the second integral and the first integral and on the other hand the second integral.
Erfindungsgemäß ist somit ein Verfahren zum Betrieb eines radiometrischen Füllstandsensors bei erhöhten Betriebstemperaturen mit mindestens zwei HalbleiterPhotodetektoren, bspw. Silizium-Photomultipliern, mit temperaturkompensierter Spannungsversorgung, wobei zu der Zählrate, welche zur Bestimmung des Füllstandes herangezogen wird, nur koinzidente, d. h. zeitgleiche Ereignisse der beiden Photodetektoren beitragen, welche erstens vergleichbare Amplituden und/oder Signalformen und/oder Energien aufweisen und zweitens größer als ein vorgegebener Schwellwert sind.According to the invention, there is thus a method for operating a radiometric level sensor at elevated operating temperatures with at least two semiconductor photodetectors, e.g. silicon photomultipliers, with temperature-compensated voltage supply, with only coincident, i.e. coincident, counting rates for the counting rate used to determine the level. H. simultaneous events of the two photodetectors contribute, which firstly have comparable amplitudes and / or signal shapes and / or energies and secondly are greater than a predetermined threshold value.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren eingehend erläutert. Es zeigen:
-
1 ein Blockschaltbild eines Szintillationszählers mit einer Detektoreinheit gemäß der vorliegenden Anmeldung, -
2 Signalverläufe an den in1 gekennzeichneten Stellen der Detektoreinheit, -
3 den Ablauf eines Verfahrens zur Signalauswertung einer Detektoreinheit für einen Szintillationszähler gemäß der vorliegenden Anmeldung, -
4a) ein Blockschaltbild eines Szintillationszählers mit einer Detektoreinheit mit digitaler Signalverarbeitung, -
4b) eine Variante zur Analog-Digitalwandlung der Signale, -
5 eine vergrößerte Darstellung eines Signalverlaufs eines strahlenden Ereignisses, die daraus ermittelte Triggermarke sowie die zur Auswertung verwendeten Integrationsfenster und -
6 schematisch den Aufbau eines Szintillationszählers gemäß dem Stand der Technik (schon behandelt).
-
1 a block diagram of a scintillation counter with a detector unit according to the present application, -
2 Signal curves on the in1 marked points of the detector unit, -
3 the sequence of a method for signal evaluation of a detector unit for a scintillation counter according to the present application, -
4a) a block diagram of a scintillation counter with a detector unit with digital signal processing, -
4b) a variant for analog-digital conversion of the signals, -
5 an enlarged representation of a signal curve of a radiant event, the trigger mark determined therefrom and the integration windows used for evaluation and -
6th schematically the structure of a scintillation counter according to the prior art (already dealt with).
In den Figuren bezeichnen - soweit nicht anders angegeben - gleiche Bezugszeichen gleiche Komponenten mit gleicher Funktion.In the figures, unless otherwise stated, the same reference symbols denote the same components with the same function.
Der Szintillationszähler
Dem ersten Silizium-Photomultiplier
Dem ersten Silizium-Photomultiplier
In den Silizium-Photomultipliern
Die ausgangsseitig an den Diskriminatoreinheiten
Die so ermittelten, die minimale Amplitude Amin,
Wobei der Parameter Qkurz durch Signalintegration in einem Zeitfenster um die Signalflanke des Pulses erzeugt wird und Qlang durch eine Integration über den kompletten Puls. Hierdurch ist der Parameter Qlang proportional zur Gesamtenergie des Ereignisses. Werden die Zeitfenster zur Integration zur Ermittlung des
Abhängig von den Parameter
Die so identifizierten Pulse, die auf strahlende Ereignisse zurückgehen werden ausgangsseitig der Einheit zur Pulsformanalyse
Sowohl die Diskriminatoreinheiten als auch die Koinzidenzeinheiten und die Einheiten zur Pulsformanalyse können jeweils als diskrete Schaltung, als FPGA oder als Softwareblock implementiert sein. Die Software kann auf einem Controller oder Mikroprozessor ablaufen und die entsprechende Funktionalität realisieren.Both the discriminator units and the coincidence units and the units for pulse shape analysis can each be implemented as a discrete circuit, as an FPGA or as a software block. The software can run on a controller or microprocessor and implement the corresponding functionality.
Die in
Durch Unterdrückung von Signalen, welche kleiner als eine vorgegebene minimale Amplitude Amin als Schwellwert
Die Detektoreinheit
In einem ersten Schritt
Mit dem vorgeschlagenen Verfahren lässt sich somit auch niederenergetische Strahlung unabhängig von der Temperatur erfassen, deren Zählrate sonst sehr stark von einem entsprechenden Dunkelrauschen bei höheren Temperaturen beeinflusst werden würde.With the proposed method, low-energy radiation can thus also be recorded independently of the temperature, the count rate of which would otherwise be very strongly influenced by a corresponding dark noise at higher temperatures.
Dem ersten Verstärker
Die Ausgangssignale der Analog-Digital-Wandler
Insbesondere ist es bei einer digitalen Signalverarbeitung möglich, dass die Verfahrensschritte des Ermittelns von Signalen, die eine bestimmte Signalamplitude oder Signalenergie übersteigen, des Ermittelns koinzidenter Signale, sowie die Pulsformanalyse teilweise oder vollständig parallel, d.h. gleichzeitig ablaufen können und anschließend aufgrund der zeitlich parallelen Abtastung die Ergebnisse zusammengeführt werden können. Auf diese Weise kann eine deutliche Zeitersparnis bei der Signalauswertung erreicht werden.In particular, with digital signal processing it is possible that the process steps of determining signals that exceed a certain signal amplitude or signal energy, determining coincident signals, and the pulse shape analysis can run partially or completely in parallel, that is to say at the same time, and then due to the temporally parallel sampling the Results can be merged. In this way, significant time savings can be achieved in signal evaluation.
Die Integrationsfenster werden relativ zur zeitlichen Trigger-Marke, welches mittels eines Constant Fraction Discriminators bestimmt worden ist mit gleichem Beginn der Integrationsfenster, positioniert.The integration windows are positioned relative to the temporal trigger mark, which has been determined by means of a constant fraction discriminator with the same start of the integration windows.
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- Szintillationszähler Scintillation counter
- 33
- Szintillator Scintillator
- 5.15.1
- erster Silizium-Photomultiplierfirst silicon photomultiplier
- 5.25.2
- zweiter Silizium-Photomultipliersecond silicon photomultiplier
- 6.16.1
- erster Verstärkerfirst amplifier
- 6.26.2
- zweiter Verstärkersecond amplifier
- 7.17.1
- erster Diskriminatorfirst discriminator
- 7.27.2
- zweiter Diskriminatorsecond discriminator
- 88th
- mehrkanaliger Analog-Digital-Wandlermulti-channel analog-digital converter
- 8.18.1
- erster Analog-Digital-Wandlerfirst analog-to-digital converter
- 8.28.2
- zweiter Analog-Digital-Wandlersecond analog-to-digital converter
- 99
- KoinzidenzeinheitCoincidence unit
- 1010
- DetektoreinheitDetector unit
- 1111
- Einheit zur Pulsformanalyse Pulse shape analysis unit
- 1313
- Zähler counter
- 2020th
- Photomultiplier-Röhre Photomultiplier tube
- PSDPsd
- Parameterparameter
- S1 S 1
- erstes Signalfirst signal
- S2 S 2
- zweites Signal second signal
- 301-305301-305
- VerfahrensschritteProcedural steps
- 9999
- AuswerteeinheitEvaluation unit
- 100100
- SignalverlaufWaveform
- 101101
- SignalverlaufWaveform
- 160160
- SignalverlaufWaveform
- 170170
- Signalverlauf Waveform
- 110110
- Pulse/SignalpulsPulse / signal pulse
- 111111
- Pulse/SignalpulsPulse / signal pulse
- 130130
- Pulse/SignalpulsPulse / signal pulse
- 131131
- Pulse/SignalpulsPulse / signal pulse
- 140140
- Pulse/SignalpulsPulse / signal pulse
- 141141
- Pulse/SignalpulsPulse / signal pulse
- 150150
- minimale Amplitudeminimum amplitude
- 151151
- minimale Amplitudeminimum amplitude
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
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