DE2404819C3

DE2404819C3 - Verfahren zur Verringerung der Unterdrückung von relevanten Impulsen bei Pulshbhenanalysatoren

Info

Publication number: DE2404819C3
Application number: DE19742404819
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl.-Ing. 3300 Braunschweig Schwartz
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1974-02-01
Filing date: 1974-02-01
Publication date: 1980-02-28
Also published as: DE2404819B2; DE2404819A1

Description

Anwendungsgebiet

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verringerung der Unterdrückung von relevanten Ereignisimpulsen bei Pulshöhenanalysatoren.

Pulshöhenanalysatoren werden benötigt, um eine zeitliche Folge von Impulsen entsprechend ihren Maximalamplituden A_miu in Amplitudenbereiche zu klassifizieren, wie z. B. bei der Messung mit Proportionaldetektoren in der Nuklearphysik. Unter relevanten Impulsen sollen nur die Impulse verstanden werden, die im Pulshöhenanalysator verarbeitet werden sollen.

Zweck

Damit vom Pulshöhenanalysator zwei zeitlich benachbarte Impulse noch einzeln hintereinander verarbeitet werden können, muß der zeitliche Abstand zwischen diesen beiden Impulsen größer oder gleich der Totzeit des Pulshöhenanalysators sein. Diese Totzeit setzt sich u. a. zusammen aus

Td. max (der Zeitverzögerung vom Auftreten des Impulsmaximums bis zur Erkennung),

Td,ADC (der Zeitdauer zur Analog-Digital-Wandlung des Impulsmaximums),

To, kias (der Zeitdauer zur Amplitudenklassifikation) und

Td, mg (der Zeitdauer zum Ansprechen der nachfolgenden Schaltung).

Wird dieser minimale Impulsabstand nicht eingehalten, so werden die während der Totzeit auftretenden Impulse falsch oder gar nicht verarbeitet.

Stand der Technik

Bekannt bei Pulshöhenanalysatoren sind Verfahren nach dem Sample-and-Hold-Prinzip. Hierbei wird die Impulsamplitude analog bzw. digital gespeichert.

Das Vorhandensein eines Impulses am Eingang des Pulshöhendiskriminators wird dadurch angezeigt, daß am Eingang eine Minimalamplitude A_min überschritten wird. Nach dem Eintreffen eines Impulses wird der Speichereingang verriegelt und erst nach Ablauf der Totzeit, d. h. nach der Amplitudenauswertung, wieder geöffnet. Der Beginn der Verriegelung wird festgelegt

— durch eine feste Zeitdauer nach dem Impulsbeginn oder

— durch Unterschreiten der Minimalamplitude A_mj„ am Eingang des Pulshöhenanalysators.

Die Auswertung erfolgt erst nach dem Beginn der Verriegelung.

Zwischenzeitlich eintreffende Impulse können nicht verarbeitet werden. Durch parallelgeschaltete Amplituden-Speicher kann auch noch eine begrenzte Anzahl von zwischenzeitlich eintreffenden Impulsen für die Amplitudenauswertung gepuffert werden. Um die Totzeit zu verringern, wird die Analog-Digital-Wandlung des Impulses auch im Echtzeit-Betrieb durchgeführt. Damit wird der Anteil T^adc an der Totzeit minimal. Bei Messungen mit nur einem Amplitudenbe-

reich wird die Totzeit zur Ansteuerung der nachfolgenden Schaltung Td. mg dadurch überbrückt, daß während der Totzeit ein zusätzlicher Zähler Hie Impulse registriert

Kritik

Die Abstände zwischen den einzelnen Eingangsimpulsen können nicht stets als konstant angenommen werden. So ergibt sich z. B. bei der Messung von nuklearen Zerfallsprozessen eine Poisson-Verteilung für die statistische Verteilung der Ereignisabstände.

Bei zeitlich poissonverteilten Impulsen gibt es keinen Mindestabstand zwischen zwei Ereignissen, so daß das Eintreffen von Impulsen während der Totzeit eine endlich große Wahrscheinlichkeit besitzt Diese Wahrscheinlichkeit nimmt zu

— mit der Dauer der Totzeit und

— mit der mittleren Rate der Impulse.

Die während der Totzeit eintreffenden Impulse werden vom Pulshöhenanalysator nicht verarbeitet und können deshalb auch nicht den entsprechenden Amplitudenbereichen zugeordnet werden. Es ergeben sich also Meßverfälschungen (z. B. Zählverluste). Ein Beispiel wird in Bild la gezeigt. Im oberen Teil wird eine statistisch verteilte Impulsfolge dargestellt. Darunter werden die zugehörigen Totzeiten aufgetragen, die hier als konstant angenommen werden. Deutlich zu sehen ist, daß der Impuls D in die Totzeit des Impulses C fällt und deshalb nicht verarbeitet werden kann, wie es im unteren Teil des Bildes gezeigt wird.

Falls auch sehr kleine Impulsamplituden vom Pulshöhenanalysator gemessen werden sollen, liegt die Schwelle A_mi„ im Bereich der Rausch-Amplitude, so daß auch Rausch-Impulse den Analysator starten und dadurch Totzeiten erzeugen können. Wenn die Wahrscheinlichkeit groß wird, daß die Rauschamplituden den Schwellwert Amr überschreiten, so wird der Pulshöhenanalysator fast ständig durch Rauschimpulse gestartet und für jeweils eine Totzeit gesperrt. Deshalb nimmt die Wahrscheinlichkeit zu, daß Ereignisimpulse auf den gesperrten Analysatoreingang treffen. In B i 1 d Ib wird dies an einem Beispiel gezeigt. Die Rauschimpulse können durch die dünne Strichstärke von den Ereignisimpulsen unterschieden werden. Durch die Rauschimpulse werden die Ereignisimpulse B, C und D unterdrückt

Durch parallelgeschaltete Amplituden-Speicher kann nur eine begrenzte Zahl von den während der Totzeit eintreffenden Impulsen gepuffert werden, so daß auch hierbei Ereignisimpulse unterdrückt werden können. Im Hinblick auf die Rauschimpulse tritt keine Verbesserung ein.

Aufgabe

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei Pulshöhenanalysatoren durch Verfahren die Totzeit zu verringern und die Zählverluste infolge von nichtrelevanten Impulsen zM vermeiden.

Lösung

Diese Aufgabe Wirt erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruches 1 gelöst. Bei Pulshöhenanalysatoren mit Echtzeit-Analog-Digital-Wandlung wird zur Verarbeitung eines Impulses nur für den klassifizierten Amplitudenbereich eine Totzeit benötigt

Jeder Amplitudenbereich besitzt seine eigene Ablauf-

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65 Steuerung. Durch eine Klassifizierung des Impulses wird die zugehörige Bereichssteuerung gestartet

Verfahren 1

In Bild 2 wird eine Schaltung dargestellt Zur Erläuterung der Funktion soll ein Impuls dem Amplitudenbereich OUT2 zugeordnet werden. Mit •dem Ansteigen des Eingangsimpulses sprechen hintereinander die Diskriminatorschwellen für DO, D1 und D 2 zn. Mit den Vorderflanken der Diskriminatorsignale werden die zugehörigen Amplitudenbereich-FF's gesetzt Durch das Setzen eines FF wird das nächstniedrigere FF wieder gelöscht, so daß nach dem Erreichen des Maximums nur das FF des höchsten erreichten Amplitudenbereiches gesetzt bleibt In diesem Falle ist es Q 2. Mit der Rückflanke der Diskriminatorsignale werden die gespeicherten Informationen der jeweiligen FF's ausgewertet, d. h. direkt nach dem impulsrnaximum. In diesem Falle wird mit der Rückflanke von D 2 der Pulsverlängerer OUT2 angestoßen und das Flip-Flop <?2 zurückgesetzt, d.h. nur der Amplitudenbereich 2 benötigt eine Totzeit zur Verarbeitung. Durch den Pulsverlängerer wird die Verarbeitungszeit des Analysators um die Ausgangspulslänge verkürzt

Als Kennzeichen der Rückflanke kann das Rückwärtszählen des Echtzeit-Analog-Digital-Wandlers um mehrere Amplitudenstufen dienen, deren Anzahl außerdem abhängig von der Maximalamplitude des Impulses gezählt werden kann.

Der Pulsverlängerer kann zusätzlich zum Pufferspeicher für mehrere Impulse ausgebaut werden, so daß die zeitlich statistisch verteilten Ausgangsimpulse eines Amplitudenbereichs der maximal zulässigen Eingangsrate der nachfolgenden Schaltung angepaßt werden.

Oft wird die zu untersuchende Impulsfolge eines Detektors zeitlich verknüpft mit einer Vergleichs-Impulsfolge, z. B. mit einer Impulsfolge eines anderen Detektors. Die zeitliche Koinzidenz zwischen diesen beiden Größen entscheidet darüber, ob der Eingangsimpuls im Pulshöhenanalysator ausgewertet werden soll oder nicht. Wenn die Impulse, die miteinander auf Koinzidenz hin untersucht werden, gleichzeitig ihr Maximum erreichen, kann als Vergleichszeitpunkt der Zeitpunkt des Maximums benutzt werden.

Verfahren 2

Bei Echtzeit-Analog-Digital-Wandlung kann der Zeitpunkt des Maximums durch den Zeitbereich ersetzt werden, in dem der Ereignisimpuls die höchste erreichte Amplitudenschwelle überschritten hat. In Bild 3 wird eine mögliche Schaltung dargestellt, bei der eine Auswertung nur erfolgt, wenn keine Koinzidenz auftrat. Die Schaltung zur Pulshöhenanalyse entspricht der von Bild 2. Zusätzlich können die FF's zurückgesetzt werden durch das Diskriminatorsignal des Vergleichsimpulses DV, wenn das zum FF zugehörige Diskriminatorsignal eingeschaltet ist, d. h., wenn der Ereignisimpuls die zugehörige Amplitudenschwelle überschritten hat.

Statt der höchsten erreichten Amplitudenschwelle kann auch eine kleinere Amplitudenschwelle den Zeitbereich des Maximums bestimmen.

Die den Zeitbereich bestimmende Amplitudenschv/dle kann abhängig von der höchsten erreichten Amplitudenscliwelle festgelegt werden.

Die zu untersuchenden Ereignis-Impulse besitzen eine endliche Breite und können sich deshalb bei genügend kleinem Abstand überlappen (Pileup). Nur wenn die Überlappung eine Veränderung in der

Maximalamplitude bewirkt, können Pileup-Effekte zu einer Einordnung in einen falschen Amplitudenbereich führen.

Verfahren 3

Wenn zwei Ereignisimpulse nicht gleichzeitig auftreten, aber sich zeitlich so überlappen, daß die Maximalamplituden verändert werden, muß bei symmetrischen Impulsen im Bereich des Maximums die Steigung der Vorderflanke sich gegenüber der der Rückflanke unterscheiden.

Bei Echtzeit-Analog-Digital-Wandlung ist die Flankensteilheit eines Impulses proportional dem zeitlichen Abstand der Ansprechzeitpunkte zweier benachbarter Schwellspannungen. In Bild 4a wird eine mögliche Schaltung zur Unterdrückung von Pileup-verfälschten Impulsen dargestellt. Die Schaltung zur Pulshöhenanalyse entspricht der von Bild 2. Zusätzlich können die FF's durch die zugehörigen Pileup-Impulse PUR, zurückgesetzt werden.

In B i 1 d 4b wird eine Schaltung für die Pileup-Erkennung dargestellt Der zeitliche Abstand zwischen den Vorderflanken der beiden Diskriminatorimpulse D,+ i und D₁₊2 (A t_v) wird vom Zeitmesser addiert, während der zeitliche Abstand zwischen den zugehörigen Rückflanken (A ^subtrahiert wird. Bei einem ungestörten, symmetrischen Impuls heben sich die beiden Zeiten auf. Wenn die Zeiten sich nicht aufheben, wird mit der Rückflanke von D,+ i das FF für die Pileup-Erkennung PURi+2 gesetzt. Nach dem Zurücksetzen des entsprechenden Amplitudenbereichs-FF wird dann auch das PUR-FF gelöscht. Diese Schaltung mißt also die Steigungen aus; dem Amplitudenbereich, der direkt unter dem jeweiligen auszuwertenden Amplitudenbereich liegt, d. h., beim Maximum v/erden im Bereich des Maximums die Steigungen gemessen. Die gespeicherten Informationen der Amplitudenbereichs-FF's werden mit der Rückflanke derjenigen Diskriminatorsignale ausgewertet, die zu dem um jeweils zwei Stufen niedrigeren Amplitudenbereich gehören, nachdem das zugehörige PUR-FF gelöscht worden ist. Die Auswertung eines Impulses erfolgt also ebenfalls kurz nach dem Erreichen des Maximums. In Bild 5 wird der zeitliche Ablauf der Verarbeitung skizziert für einen Impuls, der in den Amplitudenbereich (7+2) fällt und dessen Maximum durch Überlappung verfälscht ist. Die zeitliche Lage des unterdrückten Ausgangsimpulses OUTj+2 ist gestrichelt gezeichnet.

Die Messung der Flankensteilheit kann auch über mehrere Amplitudenstufen durchgeführt werden.

Die oberste Amplitudenschwelle zum Messen kann auch unterhalb der höchsten erreichten Amplitudenschwelle liegen.

Unabhängig von der Anzahl der Amplitudenbereiche können die für die Pileup-Erkennung notwendigen Zeitmessungen mit drei Zeitmessern durchgeführt werden. Im Rhythmus, in dem der Ereignisimpuls die Amplitudenbereiche durchläuft, vertauschen dann die Zeitmesser zyklisch die folgenden Aufgaben

— Messen der Zeit,

— Speichern der Zeit,

— Löschen des Zeitspeichers.

Durch Änderung der oben vorgeschlagenen Ansteuerung sind statt der drei Zeitmesser nur noch ein Zeitmesser und zwei Zeitspeicher erforderlich, die die beiden vorhergehenden Zeitmessungen speichern.

Ist die Impulsform unsymmetrisch, so kann dies ausgeglichen werden durch eine entsprechend unterschiedliche Gewichtung der beiden Flankensteilheiten im Zeitmesser.

Vorteile

Die mit dieser Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen besonders darin, daß

1) die Totzeit auf die notwendige Dauer beschränkt wird,

2) während der Totzeit nur im ausgewählten Amplitudenbereich Ereignis-Impulse unterdrückt werden können,

3) Rauschimpulse nur die Statistik der angesprochenen Amplitudenbereiche verfälschen können,

4) die Auswertung von Koinzidenz und Pileup gezielt im Bereich des Maximums erfolgen kann und

5) die Realisierungen mit geringem Aufwand durchgeführt werden können.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Verringerung der Unterdrückung von relevanten Ereignisimpulsen bei Pulshöhenanalysatoren, dadurch gekennzeichnet, daß bei Pulshöhenanalysatoren mit Echtzeit-Analog-Digital-Wandlung schritthaltend bei jedem Übergang des Wandelergebnisses von einem niedrigeren in einen höheren Amplitudenbereich durch Setzen der Maximumsmarke im höheren Bereich bei gleichzeitigem Löschen der Maximumsmarke im niedrigeren Bereich die Klassifizierung des Pulses schrittweise mit seinem Anstieg erfolgt und gespeichert wird, daß mit einem Koinzidenz-Signal die Maximumsmarken '5 vor dem Beginn der Auswertung gelöscht werden können, daß mit einem Pileup-Signal die Maximumsmarken vor dem Beginn der Auswertung gelöscht werden können, daß mit dem Übergang des Wandelergebnisses in einen niedrigeren Amplitudenbereich die Auswertung der übergeordneten Maximumsmarken freigegeben werden, daß zur Auswertung des Klassifizierungsergebnisses jede gesetzte Maximumsmarke unabhängig voneinander einen eigenen Steuerimpuls zum Ansprechen der nachfolgenden Schaltung erzeugt und sich anschließend sofort löscht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertung eines Impulses mit der rückläufigen Amplitude gestartet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die rückläufige Amplitude durch das Rückwärtszählen des Analog-Digital-Wandlers festgestellt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Rückwärts-Zählschritte zur Kennzeichnung der rückläufigen Amplitude in Abhängigkeit von der Maximalamplitude des Impulses gewählt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nur der klassifizierte Amplitudenbereich nach der Erkennung des Maximums gespeichert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verkürzung der Totzeit den Ausgängen der Pulshöhenanalysatoren Pulsverlängerer nachgeschaltet sind, die auch mehrere Impulse Zwischenspeichern können.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Koinzidenzen nur im Zeitbereich ^5Ü der höchsten erreichten Amplitudenschwelle ausgewertet werden.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb eines Amplitudenbereiches die Steigung der Pulsvorderflanke mit der der Pulsrückflanke verglichen wird und die Abweichung vom ungestörten Differenzenwert zur Erkennung des Pileup-Falles dient.

9. Verfahren nach Anspruch 2 oder Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß es durch Zwischenspeicherung des Wandelergebnisses und durch Vergleich mit dem nachfolgenden Ergebnis auch für Pulshöhenanalysatoren gilt, deren Analog-Digital-Wandlung nicht kontinuierliche Wandelergebnisse liefert.

10. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitudenschwelle für den Koinziderizbereich in Abhängigkeit von der hochsten erreichten Amplitudenschwelle festgelegt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßbereich für die Steigungen nach Lage und Größe von dem höchsten erreichten Amplitudenbereich bestimmt wird.