DE1905941A1

DE1905941A1 - Energieabtastvorrichtung

Info

Publication number: DE1905941A1
Application number: DE19691905941
Authority: DE
Inventors: Mcghee John Dopp; Tabeling Raymond William
Original assignee: EI Du Pont de Nemours and Co
Current assignee: EIDP Inc
Priority date: 1968-02-09
Filing date: 1969-02-06
Publication date: 1969-09-25
Also published as: US3514209A; NL6901870A; FR2001668A1; SE356129B; CA924812A; JPS4738836B1; GB1251754A

Description

PATENTANWÄLTE
DR. CLAUS REINLÄNDER 1 90 59 41

DIPL.-ING. KLAUS BERNHARDT

D-8 MÖNCHEN 60

BXCKERSTRASSEi

84/30

E. I. du Pont de Nemours

and Company

Wilmington, Delaware 19898

U.S.A.

Eneifgieabtastvorrictitung

Priorität? 9. Februar 1968 USA 704 445

Die Erfindung betrifft eine Energieabtastvorriehtung und insbesondere eine Vorrichtung zum Hessen der maximalen Intensität eines Energieimpulses.

Gemäß der Erfindung enthält die Torrichtung zum Hessen der maximalen Intensität eines Energieimpulses eine Vandlereinriehtung zum Erzeugen eines elektrischen Signales, das der Energie proportional ist, eine Verstärkungseinrichtung, die mit der Wandlereinrichtung zum Verstärken des elektrischen Signales verbunden ist, eine Einrichtung zur Bereichsänderung, die im Wege einer Rückkopplung mit der Verstärkungseinrichtung verbunden ist und die in der Lage 1st, automatisch das verstärkte Signal um einen vorbestimmten Betrag zu dämpfen, wenn das verstärkte Signal wenigstens einen

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vorherbestimmten Wart aufgrund des Energieimpulses erreicht, eine erste Anseigeeinrichtung, die mit der Einrichtung zur Bereichsänäerung verbunden ist, um anzuzeigen, wenn das verstärkte Signal wenigstens einen der vorbestimmten Werte erreicht, eine Gedächtniseinrichtung, die mit dem Ausgang der Yer« stärloangseinrichtung verbunden ist und die in der.Lage ist, die maximale Amplitude des verstärkten Signales nach der letzten Dämpfung aufrechtzuerhalten-, und eine zweite Anzeigeeinrichtung, die mit der Gedächtniseinrichtung zum Anzeigen der GröBe des verstärkten Signales verbunden ist.

Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt, und zwar sind

fig. 1 ein Blockschaltbild einer-AusfÜhrung&form :.der

Erfindung und
Fig. 2 ©in Schaltbild einer bevorzugten Ausiührungs'form*.":

der Erfindung.

G-eraäß Hg. -1 wandelt der Wandler 1.d©n Energieimpuls 2. in ein proportionales elektrisches Signal um. J)I®s@e . Signal wird dann durch den Verstärker 3 verstärkt ₉ der. eine Schaltung 4 zur Bereiehsänderuiig aufweist,- die. .; zwischen den Ausgang und den Eingang, des Verstärkers ge·= staltet ist« Wenn das dem Verstärker 3 zugefütote elektrische Signal ansteigt, dämpft die Sohaltrag 4 %ws- ' Bereichsänderung automatisch stufenweise den-Ausgang:'des. Verstärkers, vorzugsweise in .Zehnerpot@nz@:a₉' $®&mwaX₉ ^: ---_ wenn -der Ausgang einen vorbestimmten Wert erreicht» D®r / Grad der Dämpfung wird durch die Anzeigeeinrichtimg 5 angezeigt, die mit der Schaltung 4 zur Bereichsänderung

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verbunden ist. Das Gedächtnis 6, das mit dem Ausgang des Verstärkers 3 verbunden ist, hält die maximale Amplitude des Verstärkerausganges nach der letzten Dämpfung fest. Dieser Wert wird dann abgetastet und durch die Anzeigeeinrichtung 7 angezeigt, die z.B. ein Voltmeter oder ein digitaler Zähler sein kann.

Bei der bevorzugten Ausführungsform nach Fig. 2 wird die Erfindung angewendet, um die Spitze eines Lichtimpulses zu messen. Die Vorrichtung 1st insbesondere zum Messen von Licht geeignet, das durch chemilumlneszente Reaktionen ausgesendet wird. Der Lichtimpuls 8 ist einfach als glatter, symmetrischer Lichtimpuls dargestellt. Bei einer chemilumineszenten Reaktion würde der Lichtimpuls im allgemeinen eine kurze Anstiegszeit mit einem exponentiellen Abfall haben· Da das Licht durch die Emission von Photonen erzeugt wird, enthält der Lichtimpuls tatsächlich eine Anzahl scharfer Spitzen,die eine glatte Kurve bilden, wenn man sie mittelt. Eine Photovervielfacherröhre 9 1st so angeordnet, daß der Lichtimpuls 8 auf ihre Photokathode einfällt. Bekanntlich enthält eine übliche Photovervielfacherröhre eine Photokathode, die ein Elektron für jedes Photon aussendet, das auf ihre Fläche auftrift, eine Reihe von Dynoden, welche diesen "Elektronenstrom" vervielfachen,und letztlich eine Anode, die mit der Last verbunden 1st, welche den erzeugten Strom aufnimmt. Bei der dargestellten Ausführungsform sind die Dynoden durch ein hohes negatives Gleichspannungspotentlal vorgespannt, das durch die Spajutungsquelle erzeugt wird, die vorzugsweise mit einer üblichen Netzwechselspannungssteckdose verbunden ist.

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Der Anodenstrom oder der Ausgang der Photovervielfacherröhre 9 enthält eine Dunkelstromkomponente und eine Komponente, die direkt proportional dem. . auf die Photokathode einfallenden Licht ist. Hierbei ist zu betonen, daß eine Photovervielfacherröhre als Stromquelle wirkt. Ihr Ausgang 1st deshalb im wesentlichen unabhängig τοη der Lastimpedanz. Um einen glatten impulsförmigen Strom zu erhalten, ist

* die Anode der Photovervielfaoherröhre 9 mit dem Filter 11 verbunden, das aus einem geerdeten Kondensator 12, Widerständen 13» 14 und 15 und Transistoren 16, 17 und 18 besteht. An den Pegeln mit geringem Strom fließt der Anodenstrom von der Photovervielfaoherröhre 9 über die Widerstände 15 und 14 zum Eingang des Verstärkers 19. Wenn der Strom ansteigt, schaltet der Transistor 16 den Parallelwiderstand 13 ein, wodurch der Widerstand des Jilters 11 abnimmt. Bei einem weiteren Stromanstieg schalten der Transistor 17 und schließlich der Transistor 18 ein, wodurch jeweils die Widerstände 14 und 15 nebengeschlossen werden. Sie gesamte Wirkung besteht darin, den Widerstand bei einem Stromanstieg

t zu verringern, während die gewünschte Filterwirkung aufrechterhalten wird. Das Problem der Erzeugung eines hohen Spannungsabfalles an dem Filter 11 bei hohen Strompegeln ist damit ausgeschaltet.

Der Verstärker 19 ist vorzugsweise ein Funktionsverstärker, zu dessen Anschlüssen der Widerstand 20 parallel geschaltet ist. Wegen der großen Verstärkung eines üblichen Funktlonsverstärkers befindet sich der Eingang des Verstärkers 19 auf oder nahe Erdpotential.

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Die Spannung an dem Ausgang des Verstärkers 19 ist deshalb gleich dem erzeugten Anodeastrom mal dem Widerstandswert des Widerstandes 20.

Sie Wirkung des erwähnten Dunkelstroms wird durch eine geeignete Rückkopplung über die Dunkelstromkompensierschaltung 21 ausgeschaltet. Bine Beschreibung einer geeigneten Sunkelstromkompensierschaltung befindet sich in einer farallelanmeldung mit gleichem Anmeldetag. Kurz gesagt wird bei Abwesenheit von auf die BiotovervielfacherrShre 9 einfallendem Liclit der Ausgang des Verstärkers 19 durch die Dunkels tr omkompensiersohaltung 21 abgetastet. Es wird dann ein geeigneter Rückkopplungsstrom durch die Schaltung zu dem Eingang des Verstärkers erseugt, wodurch die Ausgangsspannung su dem Eingangspegel auf Bull eingestellt wird. Wenn die Ehotovervielfaeherröhre 9 dem Mehtimpuls 8 ausgesetzt wird, ist die Dunkelstromkompensierschal tung 21 in der lage, die Rückkopplung desselben Stromes wie vorher fortzusetzen. Die Spannung an dem Ausgang des Verstärkers ist somit direkt proportional dem Lichtiapula 8 (in seiner geglätteten Form).

Da eine Anzahl von Liehtimpulsen 8 eine gsto&e Änderung der Spitzenamplituden ergeben kann, ist es erwünscht, eine Mehrzahl von Serelchen vorzusehen, indem der Ausgang des Verstärkers 19 stufenweise gedämpft wird, wenn der Anodenstrom der Photovervielfacherruhre 9 ansteigt. Dies wird dadurch ausgeführt, daS zwischen den Eingang und den Ausgang des Verstärkers 19 eine Schaltung 22 zur

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automatischen Bereicfcsänderung geschaltet wird, die vorzugsweise einen !»pulsgenerator 23, eine logische Schaltung 24 uad ©Ine Schaltung 25 mit veränderbarem Widerstand enthält· Die Sohaltung 22 sur. automatischen Bereiehsäaderu&g wird vorzugsweise so eissgestellt, daß die Ausgangsspaxmazig des Verstärkers 19 um eine Zehner» poteas ,jedesmal gedämpft wird» wenn sie auf eisen voreiliges teilten Wert ansteigt« Wenn dieser voreingestellte Wert erreicht ist, liefert der Impulsgenerator einen Spazmungsispuls au der logischen Schaltung 24» die wiederum den Viderstandswert der Schaltung 25 mit veränderbarem Widerstand ändert. Bei einer ssehnfaohen Verringerung des gesamten Rüekkoppltmge»id@rstandee an dem Verstärker 19 wird die Ausgangsspaismung um eine Zehnexpotenz gedämpft* Es ist notwendig, daS die Schaltung-22 mac automatischen BereichsSs^ierung auf ihren ursprunglichen ungedämpften Zustand surttokgeatellt -wir&^ bevor die fhoto¥er7lelfaoherröhr@ 9 einem lichtsignal^ ausgesetet wird· Der (Krad der Dämpfung ist dursh die An« Zeigeeinrichtung 26 zu sehen, die ss«B» ®in@ Eelh@ ¥©a Neon-Berelchslampen sein kann, J3in@ haTormigte Schaltmsg zur automatischen Bereicheänderung ist la>-einer w<@it@rsB farallelanmeldung mit gleiohem Anmeldetag ^esohriebsa»

Der Ausgang des Verstärkers 19 wird auch über die Diode 27 au der Sedächtniskapazltät 23 gegeben, die auf den Ausgangsspannungspegel vorgespannt ist. Jedesmal wenn der vorstehend erwähnte Toreinstell<-Spannungspegel erreicht 1st, liefert der Impulsgenerator 23 auch einen

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Impuls zur Basis des Transistors 291 der dann leitet, wodurch die Kapazität 28 schnell entladen wird. Durch Schließen des Schalters 30 kann die Kapazität 28 nach Erde über den Widerstand 31 entladen werden, bevor.die Spitzenamplitude eines nachfolgenden Lichtimpulses gemessen wird.

Der Verstärker 32 und die Anzeigeeinrichtung 33 sind in Reihe mit dem nicht geerdeten Anschluß der Kapazität 28 verbunden. Der Verstärker 32 enthält vorzugsweise einen Feldeffekttransistor in seiner Eingangsverstärkungsstufe· Da ein solcher !Transistor im wesentlichen keinen Strom benötigt, wird die Vorspannung an l'^f- der Kapazität 28 gehalten, während die Anzeigeeinrichtung 33 entweder eine analoge oder eine digitale Ablesung der Torspannung ergibt. Um eine genaue Ablesung zu erhalten, ist es notwendig, daß die Vorrichtung gemäß der Erfindung in geeigneter Weise geeicht wird. Ein brauchbares Verfahren zum Eichen besteht darin, daß die Photovervielfacherröhre 9 einer bekannten radioaktiven Quelle ausgesetzt wird und daß die Spannungsquelle 10 eingestellt wird, bis die Anzeigeeinrichtung die genaue Ablesung ergibt. Beim Eichen für die Auffindung von ATP hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, die Photovervielfacherröhre 9 einer bekannten Menge von AXP auszusetzen. Die Ausgänge der Anzeigeeinrichtungen 26 und 33 werden aufgezeichnet. Eine Eichlampe wird eingeschaltet und eingestellt, bis der aufgezeichnete Wert erreicht ist. Wenn diese lampe eingeschaltet ist, wird die Verstärkung der Photovervielfacherröhre nach oben über die Spannungsquelle 10 eingestellt,

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bis der Ausgang den genauen Wert für das bekannte ASP-Huster anzeigt.

Um die grundlegende Arbeitsweise der Vorrichtung nach der Erfindung zu beschreiben» wird angenommen, daß 1) die Einrichtung 22 zur automatischen Bereichsänderung in der Lage ist, den Spannungsauegang des Verstärkers 19 um eine Zehnerpotenz jedesmal zu dämpfen, wenn der Ausgang 10 V erreicht, daß 2) die Schaltung 22 für die automatische Bereicheänderung auf ihren anfänglichen, ungedämpften Zustand eingestellt wird, daß 3) der Wert des Wideretandes 20 500 Megohm beträgt, daß 4) die Vorspannung an der Kapazität 28 gleich der Spannung am Ausgang des Verstärkers 19 ist und dafl 5) der Lichtimpuls 8 in fieiner Spitze einen proportionalen Strom im Anodenkreis der Photovervielfacherröhre 9 von 1yUÄ erzeugt. Wenn der Lichtimpuls 8 der fhotoverrielfacherruhre 9 zugeführt wird, steigt die Ausgangsepannung des Verstärkere 19 an· Wenn die proportionale Komponente des Anodenstromes 20 nA erreioht, wird die Spannung am Ausgang des Verstärkers 19 und demgemäß die Vorspannung an der Kapazität 28 gleich 10 V. Der Impulsgenerator 23 sendet dann einen Impuls «up logischen Schaltung 24, die den gesamten Rüokkopplungewiäerstand am Verstärker über die Schaltung 25 mit veränderbares Widerstand um eine Sehnerpotenz verringert. Gleichzeitig wird die Kapazität 28 über den Transistor 29 nach Brde entladen· Die Spannung am Ausgang und der Kapazität 28 (über die Diode 27) ist nun 1V. Die Anaeigeeinriohtussg 26 zeigt

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an, daß der Ausgang einmal gedämpft worden ist. Sie Spannung an dem Ausgang des Verstärkers 19 ist als nächstes gleich 10V, wenn die proportionale Komponente des Anodenstromes auf 200 nA ansteigt. Wiederum wird der Ausgang gedämpft und die Kapazität 28 auf 1? entladen· Wenn die proportionale Komponente des Anodenstromes ihre Spitze von 1/uA erreicht, ist die Spannung am Ausgang des Verstärkers 19 und der Kapazität 28 gleich 5V. Dieser Wert wird abgetastet und über die Anzeigeeinrichtung 33 angezeigt. Um die tatsächliche Ablesung zu erhalten, wird der durch die Anzeigeeinrichtung 33 gezeigte Wert mit 10 multipliziert und nun durch die Anzeigeeinrichtung angezeigt.

Es ist zu bemerken, daß verschiedene Änderungen bei den vorstehend beschriebenen Einzelheiten, Materialien, Verfahrensstufen und Anordnungen der Seile möglich sind.

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Claims

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Patentansprüche

( !,Vorrichtung zum Hessen der maximalen Intensität eines Energieimpulses, gekennzeichnet durch eine Wandlereinrichtung (1» 9) zum Erzeugen eines elektrischen Signales proportional zu der Energie, durch eine Verstärkungseinrichtung (3, 19), die mit der Wandlereinrichtung zum Verstärken des elektrischen Signales verbunden ist, durch eine Einrichtung (4, 22) zur Bereichsänderung, die über einen Rückkopplungsweg mit der Verstärkungseinrichtung gekoppelt ist und in der Lage ist, automatisch das verstärkte Signal um einen vorbestimmten Betrag zu dämpfen, wenn das verstärkte Signal wenigstens einen vorher bestimmten Wert aufgrund des Energieimpulses erreicht, durch eine erste Anzeigeeinrichtung (5, 26),die mit der Einrichtung zur Bereichsänderung verbunden ist, um anzuzeigen, wenn das verstärkte Signal wenigstens einen der vorher bestimmten Werte erreicht, durch eine Gedächtniseinrichtung (6, 28),die mit der Verstärkungseinrichtung verbunden und in der lage 1st, die maximale Amplitude des verstärkten Signalee nach der letzten Dämpfung des verstärkten Signales zu halten, und durch eine zweite Anzeigeeinrichtung (7 t 33), die mit der Gedäohtnisein~ riohtung zum Anzeigen der Größe des verstärkten verbunden ist.

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2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Kompensiereinrichtung (21), die über einen Rückkopplungsweg mit der Verstärkungseinrichtung (19) sum unterdrücken doB Dunkelstromanteiles an dem elektrischen Signal verbunden 1st·

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2» dadurch gekennzeichnet, daß die Wandlereinrichtung (9) einen Gleichstrom proportional eu der Energie erzeugt, wobei dieser Strom la wesentlichen unabhängig von der lastimpedanz ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch ein Filter (11), das zwischen der Wandlereinriohtung (9) und der Veretärkungseinrichtung (19) angeordnet und in der Lage ist, den GleichßtromauBgang der Wandlerelnriohtung au glätten.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4» dadurch gekennzeichnet, daß die Wandlerelnriohtung (9) eine Shotovervielfacherröhre ist und AaB die Verstärkungseinrichtung (19) ein Punktlonsverstärker ist»

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis S₉ dadurch gekennzeichnet, daß das PiIter (11) eine Kapazität (12) enthält, deren einer Anschluß mit der Photovervieliaeherröhre und deren anderen Anschluß mit Erde verbunden sind, daß eine Mehrzahl von in Reihe geschalteten Widerständen (13* 14, 1S) vorgesehen ist, die zwischen den nicht geerdeten Anschluß der Kapazität und den Punktione verstärkern (19) ge» sohaltet sind, und daß eine Hehrzahl von transistoren (16, 17, 18) vorgesehen ist, die parallel zu den Wider*

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ständen geschaltet und in der Lage sind, die Widerstände fortschreitend kurzzuschließen, ; ' wenn der Gleichetromausgang der Photovervielfacherröhre ansteigt.

7. Torrichtung nach einem der Ansprüche! bis 6, dadurch gekennzeichnet» daß die Gedächtniseinrichtung (28) eine Kapazität ist, die in der Lage ist, geladen zu werden, wenn der Spannungsausgang des PunktionsVerstärkers (19) ansteigt, und die in der Lage ist, schnell entladen zu werden, wenn die Ausgangsspannung des Funktionsverstärkers gedämpft ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Anzeigeeinrichtung (33) einenPeldeffekttransistor-Veratärker (32) und ein Voltmeter enthält» das mit dem Ausgang des Feldeffekttransistor-Verstärkers verbunden ist-.

9- Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7» dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Anzeigeeinrichtung (33) einen Feldeffekttransistor-Verstärker (32) und einen digitalen Zähler enthält, der mit dem Ausgang des Peldeffekttransistorverstärkers verbunden ist.

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