DE19730679A1 - Energieauflösendes Strahlungsdetektionssysstem - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Strahlungsdetektionssystem, bei dem die Informationen über die spektrale Zusammensetzung der absorbierten Photonen dadurch erhalten werden, daß die infolge Absorption vieler Einzelphotonen in einem in diesem Strahlungsdetektionssystem enthaltenen Strahlungsdetektor gebildeten elektrischen Ladungen in bestimmten zeitlichen Abständen gemessen werden. Dazu wird nach Verstärkung der primär gebildeten Ladungen mit einem in diesem Strahlungsdetektionssystem enthaltenen schnellen Stromverstärker durch einen Analog-Digital-Converter aufgrund von Einzelmessungen deren statistische Verteilungsfunktion bestimmt. Diese statistische Verteilungsfunktion aller gemessenen Ereignisse wird hinsichtlich der Verteilungsfunktionen von Einzelereignissen durch einen mathematischen Algorithmus entfaltet. Damit ist es möglich z. B. den Beitrag des Untergrundsignales sowie des elektronischen Rauschens abzutrennen und hinsichtlich einzelner spektraler Komponenten aufzulösen. Die Erfindung weist besondere Vorteile bei hohen Photonenraten auf, sie kann für Detektoren eingesetzt werden, für die aufgrund des Verhältnisses zwischen elektronischem Rauschen und der primär gebildeten Ladungsmenge keine Einzelimpulsauswertung möglich ist.

Nach dem Stand der Technik sind verschiedene Prinzipien zur Verarbeitung der Signale von Strahlungsdetektoren mit dem Ziel einer Bestimmung der Energie der Photonen bei möglichst hohen Photonenraten bekannt. Aufgrund der großen Einsatzbreite von Strählungsdetektoren (v.a. Gas-Ionisations- und Halbleiter-Strahlungsdetektoren) in Industrie, Medizin und Forschung existiert ein breites Spektrum hinsichtlich der Auslegung entsprechender Systeme. Als Grundprinzipien nach dem Stand der Technik können aber folgende Module der Signal-Gewinnung und Verarbeitung gesehen werden:

• 1. Sammlung der gebildeten Ladungsträger und Impulsbildung in einem ladungsempfindlichen Vorverstärker,
• 2. Verstärkung des Vorverstärker-Ausgangssignals und Impulsformung in einem analogen Impulsverstärker (Spektroskopieverstarker) und Impulsverarbeitung und Analyse der Signalamplitude in einem Analog-Digital-Converter.

In der DE 42 26 175 A1 wird eine Schaltungsanordnung für die digitale Verarbeitung von Halbleiterdetektorsignalen beschrieben. Dabei werden die Signale aus einem, dem Detektor nachgeschalteten, ladungsempfindlichen Vorverstarker mit RC-Rückkopplung digital weiterverarbeitet. Im Ergebnis dieser Vorgehensweise wird die durch ein einzelnes Photon freigesetzte Gesamtladungsmenge aus der numerischen Entfaltung der im Eingangssignal mit der bekannten Vorverstärker-Übertragungsfunktion gefalteten Ladungsverteilungsfunktion des Ereignisses gewonnen. Wird diese Entfaltung für Werte, die zu Zeiten ohne Absorption eines Photons gemessen werden, durchgeführt, kann der Ladungsbeitrag des elektronischen Rauschens des Detektors ermittelt werden, womit dessen Einfluß korrigierbar wird. Mit dieser Anordnung lassen sich aufgrund der Umgehung der oben aufgeführten analogen Komponenten zur Signalverarbeitung bei vorausgesetzter Kenntnis der Vorverstärker- Übertragungsfunktion die sogenannten "ballistic deficit" Effekte (unterschiedliche Impulsformen des Vorverstärker-Ausgangssignals infolge unterschiedlicher Ladungsverteilungen für Photonen gleicher Energie) und "charge carrier trapping" Effekte (Verluste von Ladungsträgern) unterdrücken, es ergibt sich ein hohes Auflösung/Totzeit-Ver­ hältnis und eine gute Temperatur- und Langzeitstabilität. Aufgrund der Konzeption dieser Schaltung unter Einbeziehung eines Analog-Digital-Converters zur Abtastung und Digitalisierung des Vorverstärkersignals und einer vorausgesetzten seriellen Arbeitsweise (bzgl. Folge der Ladungspakete) ergibt sich bei gleicher Rauschunterdrückung wie bei konventionellen (komplett analogen) Systemen eine geschätzte Erhöhung der verarbeitbaren Raten um 120%, was für bestimmte Anwendungen nicht ausreichend ist. In der DE 196 33 301 A1 wird ein Strahlungsdetektionssystem beschrieben, das aus der durch Absorption eines Einzelquants in einem in diesem Detektionssystem enthaltenen Strahlungsdetektor gebildeten elektrischen Ladungsmenge die Bestimmung der Energie des absorbierten Strahlungsquants auch bei sehr hohen Photonenraten erlaubt, wobei an den Ausgang des Detektors ein schneller Stromverstärker angeschlossen ist, dessen Ausgangssignal kontinuierlich und in bekannter Weise dem Strom der im Detektor gebildeten Ladungsträger folgt. Dieses Ausgangssignal wird mit einem Wandler solcherart in die Frequenz einer elektrischen Größe transformiert, daß die Frequenz auf bekannte Weise auf den Strom der primär gebildeten Ladungsträger zurückgeführt werden kann. Der zeitliche Verlauf dieser Frequenz wird mit einer geeigneten Schaltung gemessen und nach Übertragung in einen Computer durch ein Computerprogramm hinsichtlich der charakteristischen Verläufe nach Grundfrequenzen (Fourieranalyse) oder nach Frequenzpaketen, die Einzelereignissen bestimmter Energie zugeordnet sind, zerlegt, wobei die numerischen Größen dieser Zerlegungen die Grundlage für die Bestimmung der Energien der Einzelereignisse bilden und ihre zeitliche Verteilung der Ereignisdichte zugeordnet ist.

Ziel weiterer technischer Entwicklungen bleibt es, Strahlungsdetektionssysteme zu schaffen, welche Informationen über die spektrale Zusammensetzung der absorbierten Photonen bei hohen Photonenraten ermöglichen und die auch bei Verwendung von Detektoren, die aufgrund des Verhältnisses zwischen dem elektronischen Rauschen und der primär gebildeten Ladungsmenge keine Einzelimpulsauswertung zulassen, einsetzbar sind.

Allgemein sind Ladungsträgerimpulse vom Untergrundsignal und dem elektronischen Rauschen überlagert, womit sich eine Faltung der statistischen Verteilungen der Ladungsträgerimpulse mit der des Untergrundsignales und des elektronischen Rauschens ergibt. Nach einer Einzelmessung des elektronischen Signales (Ladung) zu einer bestimmten Zeit (Stichprobe) kann deren Wert nicht auf einen Ladungsträgerimpuls zurückgeführt werden, wenn es eine signifikante Wahrscheinlichkeit für vergleichbare Amplituden infolge des elektronischen Rauschens gibt.

Gegenstand der Erfindung ist ein Strahlungsdetektionssystem, bei dem die Informationen über die spektrale Zusammensetzung der absorbierten Photonen durch die Messung der infolge Absorption von Einzelphotonen in einem in diesem Detektionssystem enthaltenen Strahlungsdetektor gebildeten elektrischen Ladungen in bestimmten zeitlichen Abständen und über ein bestimmtes Zeitintervall erhalten werden.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch gelöst, daß an den Ausgang des Strahlungsdetektors ein schneller Stromverstärker angeschlossen ist, dessen Ausgangssignal kontinuierlich und in bekannter Weise dem Strom der im Detektor gebildeten Ladungsträger folgt. Mit einem in dem Strahlungsdetektionssystem enthaltenen Analog-Digital-Converter wird in bestimmten zeitlichen Abständen dieses Ausgangssignal gemessen und daraus nach Zusammenfassung vieler Einzelmessungen eine statistische Verteilungsfunktion dieser Einzelmessungen innerhalb des Zeitintervalls (Wahrscheinlichkeiten für die Messung diskreter Ladungsbeträge innerhalb dieses Zeitintervalls) gebildet. Ist die Abbildung bestimmter Einzelereignisse (z. B. Photonen einer bestimmten Energie) bzw. des Untergrundsignales und elektronischen Rauschens auf gemessene statistische Verteilungsfunktionen bekannt (z. B. durch Messung oder mathematische Modellierung), können aus einer gemessenen statistischen Verteilungsfunktion die Einzelereignissen zugeordneten Verteilungsfunktionen (Wahrscheinlichkeiten für die Messung diskreter Ladungsbeträge infolge bestimmter Einzelereignisse bzw. des Untergrundes und elektronischen Rauschens) isoliert werden.

Grundlage für das erfindungsgemäße Strahlungsdetektionssystem ist, daß das Untergrundsignal und das elektronische Rauschen einer festen statistischen Verteilung folgen (dazu muß die Verteilungsfunktion des Untergrundsignales in bestimmten charakteristischen Zeiten stabil sein). Außerdem muß die Bildung von Ladungsträgerimpulsen im Detektor durch, für den betreffenden Detektor charakteristische statistische Verteilungen beschrieben werden können, die durch die Energie der Photonen festgelegt werden.

Vorteilhaft ist, daß eine Auswertung spektraler Einzelinformation für Detektoren und Einsatzgebiete möglich wird, für die bisher nur integrierende Messungen bekannt sind.

Das erfindungsgemäße Strahlungsdetektionssystem kann anhand des folgenden Ausführungsbeispiels näher erklärt werden (s. Fig. 1). Die in einem Strahlungsdetektor (1) gebildeten primären Ladungsträger driften in einem elektrischen Feld (z. B. infolge Diffusionsspannung (bei Halbleitern) i.a. aber durch äußere elektrische Spannung) zu den Elektroden und führen damit zu einem meßbaren Strom I (Ladungen pro Zeit). Ein an diese Elektroden geschalteter schneller Stromverstärker (2) bildet aus diesem primären Strom (der sich für das erfindungsgemäße Verfahren nicht signifikant vom elektronischen Rauschen abheben muß) eine elektrische Spannung, mit Amplituden, die eine einfache Weiterverarbeitung erlauben. Ein nachfolgender schneller Analog-Digital-Converter (3) mißt in bestimmten Zeitabständen diese Spannung und speichert die Meßwerte. Dieser Datensatz (Meßwerte in einem bestimmten Zeitintervall) wird in einen Computer übernommen und mit einem geeigneten Programm hinsichtlich der Einzelereignissen zugeordneten Verteilungsfunktionen (Wahrscheinlichkeiten für die Messung diskreter Ladungsbeträge infolge bestimmter Einzelereignisse bzw. des Untergrundes und elektronischen Rauschens) zerlegt. Erfolgt die Zerlegung nach gemessenen Normfunktionen, die alle möglichen Verteilungsfunktionen für absorbierte Photonen gleicher Energie enthalten, können Einflüsse von Abweichungen wie "ballistic deficit" Effekte auf das Ergebnis ausgeschlossen werden.

Wesentliche Parameter des Strahlungsdetektionssystems sind die zeitliche Stabilität der elektronischen Komponenten (Strahlungsdetektor, Stromverstärker, Analog-Digital-Converter), die Länge des Zeitintervalls in Wechselwirkung mit der Zahl der absorbierten Photonen unter Berücksichtigung der Zeitabstände der Einzelmessungen sowie die charakteristischen Zeiten des Stromverstärkers und für den Ladungsträgertransport im Strahlungsdetektor. Die Meßzeit des Analog-Digital-Converters muß diesen charakteristischen Zeiten angepaßt sein.

Claims (3)

1. Strahlungsdetektionssystem, das aus der durch Absorption von Photonen in einem in diesem Strahlungsdetektionssystem enthaltenen Strahlungsdetektor (1) gebildeten elektrischen Ladungsmenge die Bestimmung der Energie der absorbierten Photonen auch bei sehr hohen Photonenraten und für solche Strahlungsdetektoren, die aufgrund des Verhältnisses zwischen elektronischem Rauschen und der primär gebildeten Ladungsmenge pro absorbiertem Photon keine Einzelimpulsauswertung zulassen, erlaubt, wobei an den Ausgang des Strahlungsdetektors ein schneller Stromverstärker (2) angeschlossen ist, dessen Ausgangssignal kontinuierlich und in bekannter Weise dem Strom der im Detektor gebildeten Ladungsträger folgt und dieses Ausgangssignal mit einem Analog-Digital-Converter (3) in bestimmen Zeitabständen gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, daß nach Zusammenfassung vieler solcher Messungen innerhalb eines Zeitintervalls in einem Computer (4) eine statistische Verteilungsfunktion dieser Einzelmessungen gebildet und diese aufgrund der Kenntnis der statistischen Verteilungsfunktionen die sich infolge der Absorption von Photonen bestimmter Energien sowie des Untergrundsignales und des elektronischen Rauschens ergeben und auf Messungen oder mathematischen Modellierungen basieren können, hinsichtlich dieser Beiträge zerlegt und somit die spektrale Zusammensetzung der absorbierten Photonen bestimmt wird.

2. Strahlungsdetektionssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Zerlegung der gemessenen statistischen Verteilungsfunktion anstelle des Computers (4) eine geeignete elektronische Schaltung benutzt wird.

3. Strahlungsdetektionssystem nach Anspruch 1-2, dadurch gekennzeichnet, daß an Stelle des schnellen Stromverstärkers (2) und des Analog-Digital-Converters (3) ein geeignetes Elektrometer oder anderes Meßsystem für elektronische Größen, die sich infolge Photonenabsorption im Strahlungsdetektor (1) ändern, tritt.