DE1952283A1

DE1952283A1 - Einrichtung zur Bestimmung und Registrierung des Anteils und der Verteilung von digital anfallenden Messwerten

Info

Publication number: DE1952283A1
Application number: DE19691952283
Authority: DE
Inventors: Hubert Hoetzel; Kurt Dipl-Phys Toegel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1969-10-17
Filing date: 1969-10-17
Publication date: 1971-05-06
Also published as: FR2066081A5; CH516144A; DE1952283B2; DE1952283C3; US3694635A

Description

inrichtung zur Bestimmung und Registrierung des Anteils und der Verteilung v.o. η digital anfallenden Meßwerten

Die Erfindung "betrifft eine Einrichtung zur Bestimmung und Registrierung des Anteils und der Verteilung von durch Schwellen eingegrenzten, digital anfallenden Meßwerten einer sich ändernden Meßgröße mit statistischer Streuung, vorzugsweise als Inteusitätsdiskriminator zur Signalaufbereitung zwecks Aufzeichnung .von Konzentrationsverteilungen auf Probenflächen bei der Elektronenstrahl-Mikroanalyse.

Bei derartigen Einrichtungen ist es erforderlich, die von einem Aufnehmer digital gelieferten Meßwerte einem Integrationsglied zuzuführen. Beispielsweise seien die Meßwerte eine Folge von elektrischen Impulsen, deren Impulsrate (impulse pro Zeiteinheit) die Intensität einer physikalischen Meßgröße charakterisiert. Auch bei zeitlich konstanter Meßgröße liefert der Aufnehmer eine Polge von Impulsen, die mit einer statistischen Streuung behaftet ist. !Folglich tritt auch am Ausgang des Integrationsgliedes ein Signal als Maß für die Impulsrate auf, das in bezug auf seinen wahren Wert statistisch streut. Dieses Ausgangssignal muß mit wählbar gesetzten Schwellen in einem .Vergleichen verglichen werden. Dadurch erhält man eine Aussage, ob die Impulsrate und da^ mit die physikalische Meßgröße innerhalb oder außerhalb des eingestellten Grenzwertbereiches liegt. Die Grenzbereichsaussage wird an geeignete Ausgabe- oder Registriergeräte zur Aufzeichnung und Weiterverarbeitung abgegeben.

Mit Hilfe eines solchen Diskrlminators läßt sich bei zeitlicher Veränderung der Meßgröße der (zeitliche) Verlauf der Grenzbereichsaussagen aufzeichnen. Daraus können dann die

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zeitliche Dauer der einzelnen Anteile, die in den betrachteten Grenzwertbe'reich fallen, und -ihre Verteilung bestimmt werden. Durch, geeignete Schaltungsanordnung raaß trotz der statistischen Streuung sichergestellt sein, daß keine Verfälschungen im zeitlichen Verlauf dieser Grensbereichsaussagen auftreten, die durch die Einrichtung selbst bewirkt werden. "·".-.

Derartige Einrichtungen sind als Intensitätsdiskriminatoren in der.Elektronenstrahl-Mikroanalyse bekannt. Sie dienen zur Bestimmung des Anteils verschiedener Konzentrationen (Phasen) entlang bzw. in .den vom Elektronenstrahl eines Elektronen- w strahl-Mikroanalysators (Mikrosonde) mit bekannter und gleichförmiger Geschwindigkeit abgetasteten Geraden bzw. Flächen an den Oberflächen heterogen aufgebauter Pestkörper.

Eine bekannte Einrichtung dieser Art wurde in der Literatur beschrieben (H. Christian, 0. Schaaber, Microchimica Acta, Supplementum I, p. 11.9,. 1966). Danach werden die im Röntgenmeßkanal der Mikrosonde aufgenommenen Impulse einem Mittelwertmesser zugeführt. Das vom Mittelwertmesser ausgehende analoge Spannungssignal gelangt in einen voll-transistorisierten Schaltteil. Hier werden dem Signal zwei elektrische, kontinuierlich' regelbare Schwellen entgegengestellt. Nur ein \ unterhalb der einen, oberhalb der anderen oder innerhalb beider Schwellen liegendes Signal des Mittelwertmessers wird zur Registrierung an eine Bildröhre bzw. an einen Schreiber weitergegeben.

Eine weitere Beschreibung einer derartigen Einrichtung findet sich in der österreichischen Patentanmeldung Aktenzeichen: A 6449/65. Danach wird mit einem Spannungsdiskrimina-.tor am Röntgenimpulszähler ein Spannungsbereich ausgewählt, der für die zu analysierende Phase besonders charakteristisch ist. Ein elektronisches Schaltelement öffnet mit Hilfe dieses Spannungsbereiches einen sonst gesperrten Schaltkreis, und zwar für die Zeit, in welcher sich der Elektronenstrahl

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auf jener Pliase befindet, deren Fläolienanteil "bestimmt" λι/erden soll. Sie Impulse eines zu dienern Schaltkreis paralle.1-geschalteten, mit bekannter, konstanter Frequenz arbeitenden Qt'Hillators werden vom Schaltkreis so lange durchgelassen, v;ia sich der .^elektronenstrahl auf der au messenden Phase befindet. Ein Zahlwerk mißt die Anzahl dieser Impulse, so daß aus der Anzahl die. Gesamtverweilzeit des Elektronenstrahls auf der zu messenden Phase und aus dieser und der bekannten Gesamtabtastzeit T der gewählten Geraden bzw. Fläche der Anteil jener Phase ermittelt werden kann, auf deren durch eine charakteristische Phaseneigenschaft hervorgerufenen Spannungen der Diskriminator eingestellt ist.

Bei diesen bisher bekannten Intensitätsdiskriminatoren ist also dem Röntgenstrahlmeßkanal stets ein Mittelwertmesser (englisch: Ratemeter) nachgeschaltet, dessen analoges Ausgangssignal weiterverarbeitet wird. Die Benutzung von Mittelwertmessern und die analoge Signaldiskriminierung sind aber mit Nachteilen verbunden.

Das analoge Ausgangssignal eines Mittelwertmessers ist in seiner momentanen Amplitude nicht nur abhängig von der Impulsrate, sondern schwankt je nach der am Mittelwertmesser eingestellten Zeitkonstante. Figur 1 und 2 zeigen den Verlauf des Signals I in Abhängigkeit von der Zeit t bei konstanter Konzentrationsverteilung auf der Probe. In Figur 1 sind die statistischen Schwankungen bei kleiner Zeitkonstante dargestellt, in Figur 2 bei großer Zeitkonstante.

Wird die Zeitkonstante groß gewählt, um die Schwankungen des Au-sgangssignals am Mittelwertmesser klein zu halten, so tritt beim Durchlaufen einer Konzentrationsgrenze eine Verfälschung dadurch auf, daß die Signalamplitude verzögert der tatsächlichen Röntgenintensität folgt. Das ist in Figur grafisch dargestellt. Die gestrichelte Kurve gebe die tatsächliche Röntgenintensität einer in der Zeilenabtastzeit T

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durchlauf enery Koüzen.trationsverteilung in Abhängigkeit von der Zeit t wieder. Die Intensität springt während der Zeit T" in den von der unteren Schwelle S1 und der oberen Schwelle S2 eingegrenzten (schraffiert gezeichneten) Bereich. Die ausgezogene Kurve zeigt das Ausgangssignal I des Mittelwertmessers. Die Bereichsgrenze wird um ti verspätet durch-. laufen und die Konzentrationsgrenze auf der Kathodenstrahlröhre um ti verspätet angezeigt.

Wählt man die Zeitkonstante klein, dann ergibt sich eine zu starke AmplitudenSchwankung des Signals vom Mittelwertmesser. Mach Figur 4 bedeutet das, daß bei eng nebeneinanderliegenden Schwellen eine ständige Über- oder Untersteuerung . "der eingestellten Konzentrationsgrenzen und damit eine falsche Anzeige auf der Kathodenstrahlröhre in Kauf genommen werden muß. Werden die Schwellet). S1 und S2 dagegen genügend weit auseinander gelegt, können kleine Konzentrationsunterschiede nicht mehr diskriminiert werden.

Auch schon bei kleinen Zeitkonstanten tritt nach der herkömmlichen Meßmethode an Rändern von Probenbereichen gleicher Konzentration (Stufen), bei denen die Signalamplitude auf einen Wert oberhalb oder unterhalb des Grenzwertbereichs springt, ein Fehlsignal auf.-Das ist in Figur 5 dargestellt.

Die gestrichelte' Kurve gebe wiederum die Röntgenintensität einer während der Zeilenabtastzeit T durchlaufenen Konzentrationsverteilung in Abhängigkeit von der Zeit t wieder. Es seien vier Anteile A, B, C und D konstanter Intensität und damit konstanter Konzentration vorhanden, wobei nur der Anteil C in den zu untersuchenden Bereich zwischen den Schwellen 81 und S2 fällt. Die durchgezogene Kurve I zeigt das am Mittelwertmesser auftretende analoge Ausgangssignal. Offensichtlich wird in den Zeiten a und a^f am Diskriminator ein Signal ausgelöst und registriert, obwohl der während dieser Zeit abgetastete Probenbereich nicht in den einge-

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stellten Kon!?entrationsbereich fällt. Während der Zeit b wird, kein Signal registriert, obwohl die Konsentration in den zu untersuoliencien Bereich fällt.

Das Auftreten eines I?ehlsignals in der Zeit a und a¹ äußert sich, bei rasterförmiger Abtastung der Probe in dem Erscheinen von Aufhellungezonen auf dem Bildschirm, die fälschlicherweise auf Vorhandensein von Konzentrationen im zu untersuchenden Bereich deuten. Mit wachsender Zeitkonstante des Kittelwertmessers werden diese Zonen größer. Die Zeit a und damit auch die Zone wächst ersichtlich mit dem Aiiwachsen der Intensitätsdifferenz (B - A). Damit ist die Größe der Zonen von aen Amplituden A und B, d. h. also von den absoluten Konzentrationen an solchen Stufen abhängig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Mangel der analogen Irapulsdiskriminierung zu beheben.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei der eingangs geschilderten Einrichtung dadurch gelöst, daß der .momentane digitale Meßwert während eines jeden der an einem Zeitgenerator einstellbaren, periodisch sich wiederholenden Zeitintervalle an einen Zähler gelegt ist, daß der Ausgang des Zählers über einen Zwischenspeicher mit dem Eingang eines zur Einstellung von zwei Schwellen mit digital setzbaren G-renzwertstellern versehenen Vergleichers verbunden ist, daß ,zwei weitere Speicher zur sukzessiven Speicherung sowohl der im vorausgehenden als auch der im folgenden Zeitintervall aus dem Vergleicher resultierenden logischen Information, ein an die beiden Speicher angeschlossener Yergleicher zur UND-Verknüpfung beider gespeicherten Informationen und ein Ausgabe- oder Registriergerät am Ausgang des Vergleichers vorgesehen sind.

Nach der Erfindung wird also das digital anfallende Meßsignal (Impulsfolge) biß zur Registrierung digital- weiterverarbeltet. Ein Mittelwertmesser ist daher überflüssig.

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Me Zeilenabtastzeit T wird in n/Zeitintervalle der lange T/η geteilt, wobei η von der geforderten Auflösung abhängt. Die anfallenden Meßimpulse werden in einem ZVAiler gezählt und erst am Ende jedes Zeitintervalles mit den beiden wahlweise gesetzten, digital einstellbaren Grenzwerten "verglichen. Die Aussage, ob die Impulsrate innerhalb oder außerhalb des gesetzten Bereichs liegt, wird gespeichert und mit der Aussage des folgenden Zeitintervalle s- verglichen. Im nächsten Zeitintervall wird die Aussage des vorausgehenden Zeitintervalls zur Registrierung freigegeben. ITur wenn die Aussage des vorausgehenden und des folgenden Zeitintervalles innerhalb der gewählten Bereichsgrenzen liegen, wird die Aussage des vorausgehenden Bereichs als Ja-Aussage bewertet und abschließend registriert.

Fehlsignale wie bei der analogen Meßwertverarbeitung, z. B. das Auftreten von Aufhellungen beim Durchlaufen der gewählten Schwellen, werden nach der erfindungsgeraäßen Einrichtung vermieden. Die Einstellung der Zeitintervalle am Zeitgenerator ist einfach, Fehlermöglichkeiten durch Wahl einer falschen Zeitkonstanten entfallen. ■

Bei einer weiteren Ausbildungsform der Erfindung sind Mittel (z. B. elektronische Rechner) zur programmgesteuerten Einstellung der beiden digitalen Schwellen vorgesehen. Dadurch gelingt es, nacheinander oder bei Verwendung mehrerer Diskriminatoren gleichzeitig mehrere Grenzwertbereiche vollautomatisch zu untersuchen.

Eine Erweiterung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß zwei oder mehr Einrichtungen parallel zueinander angeordnet sind. Durch Parallelschalten mehrerer Diskriminatoren hinter dem Meßkanal lassen sich also mehrere Grenzwertbereiche gleichzeitig untersuchen..

Noch eine Weiterbildung der Erfindung ist dadurch gegeben, daß die über mehrere Meß lean rile anfallenden Meßwerte an ge-

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trennte jedoch von einem gemeinsamen Zeitgenerator angesteuerte Zähler, "Zwischenspeicher und Vergleiche!: gelegt Bind, irud daß die Ausginge der Vergieicher an einen gemeinsamen Koinzidenzkreis angeschlossen- sind. Dadurch können z. B. in der Mikroanalyse mehrere chemische Elemente simultan untersucht werde».

Die Erfindung wird anhand von vier Figuren eines Ausführungsbeispiels nliher erläutert. .

Figur 9 zeigt ein Blockschaltbild eines digitalen Impulsdiskriminatorß in Verbindung mit einer Mikrosonde; Figur 6 zeigt in einer grafischen Darstellung den zeitlichen Verlauf der vom Zahler 5-abgegebenen Impulsraten; Figur.7 zeigt in einer grafischen Darstellung den zu Figur 6 gehörenden zeitlichen Verlauf der vom Vergleicher 8 ausgegebenen logischen Werte;

Figur ti zeigt in einer grafischen Darstellung den zu Figur 7 gehörenden zeitlichen Verlauf der vom Vergleicher 14 nach der UHD-Verknüpfung ausgegebenen logischen Werte.

Nach Figur 9 trifft der Elektronenstrahl 1 einer Mikrosonde eine Stelle auf der Probe 2, die linien- oder rasterförmig abgetastet wird. Die Röntgenstrahlintensität wird im Aufnehmer 3 iü elektrische Impulse umgewandelt, die in dem Impulskanal 4 verstärkt werden. Der Zeitgenerator 6 unterteilt die Zeilenabtastzeit T in einstellbare Zeitintervalle und steuert alle !Funktionsgruppen des Impulsdiskriminatorε an. ITach jedem Zeitintervall unterbricht er periodisch die Impulszählung und schiebt die Irapulsrate von Zähler 5 in den Speicher 7. Die Zählerinformation von Speicher 7 wird im Vergleicher ö mit der am Grenzwertsteller 10 digital eingestellte"*], unteren Schwelle S1 und mit der am G-renzwertsteller 9 digital eingestellten oberen Schwelle S2 verglichen. Liegt die zu vergleichende Impulsrate zwischen unterer und oberer Schwelle, bo v?ird im Speicher 12 beispielsweise eine logische Eins (Ii) gespeichert. Ist das nicht der Fall, so erhalt Spei-

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eher 12 eine logische Hull (θ). - - -.-■"■

Ära .!Jude des folgenden Zeitintervalles wird die IniOrrnatioij von Speicher 12 in den Speieher 13 übertragen, und Speicher 12 wird gelöscht. Inzwischen ist nach obigem Schema die Impulszahl der «weiten Heßperiode verglichen worden, und der.entsprechende logische" V/ert wird in Speicher 12 abgespeichert. Run wird Speicher 13 mit Speicher 12 im Vergleicher 14 UlTD-verglich?«. Im Falle, daß beide V/er ce L sind,· wird dem Ausgabe— oder Registriergerät für den -während de β vorausgehenden Zeitintervalls- abgetasteten Probsnbereich eine L gemeldet. Geeignete Ausgabe- und Registriergeräte sind z.'B. ψ Kathodenstrahlrohr 15, lochstreifen 16; Magnetband 17 oder Digitalrechner 18.

Zwischen Vergleicher 8 und Speicher 12 kann ein Koinzidenz---; kreis 11 (in. Figur- 9 nicht eingezeichnet) geschaltet ,werden. Der Koinziaenskreis 11 gibt nur dann an Speicher 12 ein logisches Signal weiter, wenn ihm gleichseitig aus Vergleicher 8 und weiteren Vergleichern 8' positive Grenzbereichsaussagen gemeldet werden. Die Vergleicher 8^! diskriminieren, dabei die von weiteren Aufnehmern 3' weitergegebenen elektrischen Impulse . , ■

. Figur 6 zeigt wiederum gestrichelt die Röntgenintensitüt der aus Figur 5 bekannten,'während der Zeilenabtastzeit T durchlaufenen Konsentrationsverteilung in Abhängigkeit von der Zeit t. Der Zeitgenerator 6 teilt die Zeilenabtastzeit T in η Intervalle ein. Die vom Zahler. 5 während eines ,jeden Zeitintervalls registrierten Impulsraten I sind mit horizontalen Strichen in die Figur eingezeichnet. Die' einzelnen Impulsraten streuen statistisch um die wahre- Konzentration^verteilung. 51 und S2 sind wiederum die Schwellen des Grenzwertbereichs. ·

Figur 7 zeigt die vom Vergleicher 8 getroffenen logischen Aussagen für jede der in Figur 6 eingezeichneten ImpulPraten.

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Liegt ciio Inipulnrata eines Intervalles im G-renawertbereich zwischen rl^u beiden ί cav,¹ eil en SI und S2, so gibt der Vergleicher boiupielsvoino eine L, sonst eine 0 weiter. Auf cLlGte Wo ir: ο v/ird der Intensitäteanteil C, der nach .Figur 6 iiv;isolier) den beiden Schwellen liegt, erfaßt-. Zusätzlich, erhalt man nach die com Beispiel aus den Werten des Anteils A eine I im 3- Zeitintervall.

"j?igur ö zeigt den Verlauf der logischen Aussagen von .Figur für jede α Zeitintervall, nachdem im Vergleicher 14 die logirche Ausaage des vorhergehenden mit dem folgenden Zeitintervall verglichen wurde. Die durch statistische Streuung entstandene L im Intervall 3 ist verschwunden; Intensitätsan beil G wird deutlich registriert.

B^i der Einrichtung nach der Erfindung geht die Information in einera Zeitintervall, das entweder an die rechte oder linke Konsentratlonsg'renze grenzt, verloren. Damit diese Unscharfe klein bleibt, müssen die Zeitintervalle die Zeilenabtastzeit { eng unterteilen. Dies ist leicht zu erreichen, und die entstehenden Pehler bleiben weit unter denen analoger Impulsratendiskriminatoren.

Der mit der Erfindung erzielte Vorteil besteht insbesondere darin, daß statt einer analogen eine digitale Schalttechnik verwendet wird. Gemäß der Erfindung werden Fehldeutungen, die nach der herkömmlichen Technik auftreten, vermieden.

4 Patentansprüche
9 .Figuren

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Claims

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Pat en fcan spr ti ehe

M . !Einrichtung-SUi¹ Bestimmung und Registrierung des Anteils und der Verteilung von -durch Schwelle π einge-grenzten, digital anfallenden Meßwerten einer sich ändernden Meßgröße mit statistischer Streuung, vorzugsweise Infensitätsdisl-rriminator zur Signalaufbereitung zwecks Aufzeichnung von Konzentrafcionsvertoiluugen auf Probenflächen bei der Klektronenstrahl-Milcroaualyse , dadurch gekennzeichnet, daß der momentane digitale HeB-wert während eines jeden der an einem Zeiigenerator (6) einstellbaren, periodisch sich wiederholenden Zeit- ' Intervalle an einen Zähler (5) gelegt ist, daß der Ausgang des Zählers (5) über einen Zwischenspeicher (7) mit dem Eingang eines zur Einstellung von zwei Schwellen mit digital setzbaren Grenzwertstellern (9, 10) versehenen Vergleiehers (8) verbunden ist, daß zwei weitere Speicher (12, 13) zur sukzessiven S_peieherung sowohl der im vorausgehenden als auch der im folgenden Zeitintervall aus dem Vergleicher (8) resultierenden logischen Information, ein an die beiden Speicher an-• geschlossener Vergleicher (14) zur UND-Verknüpfung beider gespeicherten Informationen und ein Ausgabe- oder Registriergerät (15, 16, 17, 18) am Ausgang des Vergleichers (14) vorgesehen sind.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (z. B. elektronische Rechner) sur programmgesteuerten Einstellung der beiden digitalen Schwellen vorgesehen sind.
3. Einrichtung nach den Ansprüchen Ί und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehr Einrichtungen parallel zueinander angeordnet sind.

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•\ . Einrichtung nach den Ansprüchen 1, 2-und ;>, üaäurc-Ji iji~\i (Ji i u:> ei dme t. ei aiii- Q.Le über uonrerc Keukanale aaiXai-Icnue-j L-jLwcrüe an getrouute, ^edocu von ciiieu geisein-.sarii-ii ZcL tgeiieratcr (6) angest^uei te Zähler (5). Swii:ai.:oi)oj)i;iuiie?u (7) v.nä Verfiele her (o) gelebt siiid, ujid daß die Ausgänge der Vergleicher (3) an einen n Koir.aidenskreis (11) angescnlosseii sind*

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