DE2948738A1 - Proportionalzaehler - Google Patents

Description

4. Dezember 19 79 79-R-3799

United States Department of Energy, Washington, D.C. 20585, V.St.A.

Proportionalzähler

Die Erfindung bezieht sich auf einen positionsempfindlichen Proportionalzähler mit einer einen niedrigen Widerstandswert aufweisenden Metalldrahtanode. Allgemein bezieht sich die Erfindung auf positionsempfindliche Strahlungsdetektoren und insbesondere auf eine Impulsverarbeitungsschaltung zur Verwendung mit Ionisationsstrahlungsdetektorelementen, um eine räumliche Auflösung eines Ionisierungsereignisses entlang der Anode des Detektors zu erhalten, und zwar durch die Verwendung einer RC-Leitungscodierung.

Auf die folgenden Patentschriften bzw. Literaturstellen sei hingewiesen:

US Patent 3,48 3,377 vom 9. Dezember 1969, Casimer J. Borkowski und Manfred K. Kopp, "Position-Sensitive Radiation Detector".

US Patent 3,517,194 vom 23. Juni 1970, Casimer J. Borkowski und Manfred K. Kopp, "Improved Position-Sensitive Radiation Detector".

W. R. Kuhlmann et al in "Nuclear Instruments and Methods", Nr. 40, Seiten 118-120, 1966.

M.K. Kopp und J. A. Williams in "Rev.Sei.Instruments", Nr. 48, Seite 383, 1977.

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Es wurden bereits verschiedene Konstruktionen vorgeschlugen, die die Widerstands-Kapazitäts (RC)-Positionsinformationscodierung verwenden, um die Position eines Ereignisses längs der Detektoranode zu bestimmen. In einigen positionsempfindlichen Proportionalzähler (PSPC)-Systemen wird die Positionskoordinate jedes detektierten Photons durch die RC-Leitungseigenschaften des Zählers codiert, d.h. den verteilten Anodenwiderstand und die Anoden-zuKathoden-Kapazität, und Decodierung erfolgt entweder durch Impulsamplitudendifferenzmessungen oder Zeitdifferenzmessungen.

Die oben erwähnte Literaturstelle "Nuclear Instruments and Methods" bezieht sich auf ein typisches System für die Impulsamplitudendifferenzmessung zum Erhalt der Ionisationsereignis-Positionsinformation. Bei dieser Vorrichtung werden konventionelle spannungsempfindliche Vorverstärker mit beiden Enden des Sammel- oder Kollektordrahtes eines Proportionalzählers verbunden. Ein Ionisationsereignis entlang des Drahts bewirkt den Anstieg von energie-'abhängigen Lokalisierungsimpulsen, wobei die Amplitude proportional zur Energie des eintretenden Photons und der Position entlang des Drahtes ist. Diese Impulse werden durch die Vorverstärker abgefühlt und ferner verglichen, um ein energieunabhängiges Verhältnis zwischen den energieabhängigen Spannungen vorzusehen, die an jedem Endes des Drahts abgefühlt werden. Das Problem bei diesem Detektor besteht darin, daß Zähler mit einer größeren Länge als annähernd 30 cm ihre Linearität infolge der Ubertragungsleitungseffekte verlieren. Die Ubertragungsleitungseffekte erzeugen Impulse, deren AnstiegszeLten sich mit der Position längs des Drahtes ändern, wobei Fehler in den Impulsamplitudenmessungen erzeugt werden, was für die Messungen von Schaden ist.

DJe oben erwähnten Patente beschreiben Systeme, welche die Impulsanstiegszeit für die Positionscodierung verwenden. Diese Systeme verwenden einen hohen Widerstandswert besitzende Kollektoren (kohlenstoffüberzogene Quarzfaser), um Impulse zu erzeugen, deren Anstiegszeiten an den Kollektorenden proportional zur Stelle des Ereignisses von den entsprechenden Kollektorenden ist. Obwohl die oben genannten Patente Systeme beschreiben, die die Anstiegszeitinformation an einem Ende des Kollektors decodieren, besteht die üblichere Praxis darin, im wesentlichen die gleiche Decodierschaltung zu verwenden, die angeschaltet ist, um die Impulse an jedem Ende des Kollektors abzufühlen, wie dies in Pig. 1 der Anmeldung gezeigt ist. Die Positionskoordinate jedes detektierten Photons wird durch die RC-Leitungseigenschaften des positionsempfindlichen Zählers codiert, und die Decodierung erfolgt durch Zeitdifferenzmessungen. Ein Paar von eine hohe Eingangsimpedanz aufweisenden serienrückgeköppelten Vorverstärkern wird verwendet, um die RC-Leitung kapazitiv abzuschließen und linear die beiden Kollektorsignale eines detektierten Photons in die eine niedrige Eingangsimpedanz aufweisende Eingangssignalverarbeitungs-Schaltung zu übertragen. Da die Streukapazität eine Lastimpedanz ist, die das Signal-zu-Rausch-Verhältnis und die Signalverarbeitungszeit degradiert, werden die Vorverstärkerleiter so kurz als möglich gemacht, um die Streukapazität zu minimieren.

Die Impulsformungs- und Zeitdifferenz-Messung (an Stelle der Amplitudenmessung) wird verwendet, um die Positionskoordinaten des Ionisationsereignisses innerhalb des Zählers zu decodieren. Das Anoden-Kathoden-Netzwerk des Zählers (Fig. 1) wird als eine verteilte RC-Leitung der Länge L betrachtet, wobei R und C der Anodenwiderstand bzw. die Anoden-zu-Kathoden-Kapazität sind.

Bei diesem Decodierverfahren ist die Zählerratenfähigkeit direkt proportional zum Anodenwiderstand R . Schaltungsbetrachtungen, wie beispielsweise die Detektorauflösung, die Zählerratenfähigkeit, usw., machen es erwünscht, den

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Betriebsbereich des Anodenwiderstandes R höher zu ltnjen als den der Metalldrähte/ aber niedriger als den der Quarzfasern. Um die PSPC¹s in diesem mittleren Widerstandsbereich zu betreiben, ist die Anode normalerweise eine mit pyrolytischem Kohlenstoff überzogene Quarzfaser, die den gewünschten gleichförmigen Widerstandswert über die ganze Länge hinweg vorsieht.

Metalldrahtanodenzähler für die Positionsdetektierung wurden mit einigen Nachteilen hinsichtlich der Betriebsparameter gebaut, die dann auftreten, wenn die Anode kleiner als 40 cm Länge besitzt. Es gibt Anwendungsfälle, wie beispielsweise auf dem Gebiet der Kristallographie, wo die Merkmale kurzer Metalldrahtanoden geeignetere Merkmale sind, als Robustheit, leichte Handhabung und Stabilität bei hohen Zählerraten. Trotz dieser Tatsache haben mit Kohlenstoff überzogene Quarzanoden normalerweise vorgeherrscht.

Die Grundlage der vorliegenden Erfindung besteht in der Erkenntnis, daß beim RC-Leitungscodierverfahren in Wirklichkeit das Produkt aus dem Widerstandswert R und der Gesamtkapazität (C_p_ = C L+2C_T) die RC-Zeitkonstante des Zählers bestimmt, wobei C₁. die gesamte kapazitive Lastimpedanz repräsentiert, die mit den Zählerausgängen verbunden ist, und zwar zusammengesetzt aus Streu- und Vorverstärkereingangs-Kapazität. Infolgedessen kann das Erfordernis nach Empfindlichkeit vom Anodenwiderstand R zur Gesamtkapazität C_G„ verschoben werden. Die offensichtliche Lösungsmöglichkeit zur Einstellung der RC-Zeitkonstante durch Kapazitätsänderung und nicht durch Widerstandsänderung besteht darin, daß man körperliche Kapazitäten über den Ausgängen der RC-Leitung vorsieht. Das einfache Hinzufügen von Kapazität verschlechtert jedoch das Signal-zuRausch-Verhältnis und somit die Auflösung. Es besteht daher die Notwendigkeit für ein positionsempfindliches Proportionalzählersystem, welches die Verwendung von unempfindlichen und einen stabilen niedrigen Widerstandswert aufweisenden Metalldrahtanoden üblicher Proportionalzähler jedweder Länge für die RC-Ereignispositionscodierung ge-

stattet, und auch für die genaue empfindliche und ansprechende Zeitdifferenzdecodierung.

Zusammenfassung der Erfindung. Im Hinblick auf die obige Notwendigkeit besteht das Hauptziel der Erfindung darin, ein positionsempfindliches Strahlungsdetektorsystem vorzusehen, welches die RC-Leitungsereignispositions-Codierung mit einen niedrigen Widerstandswert aufweisenden Anodendrähten gestattet.

Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, das obige Detektorsystem derart vorzusehen, daß die einen niedrigen Widerstandswert besitzende Metalldrahtanode mit einer stabilisierten aktiven Kapazitätsladevorverstärkerschaltung kombiniert ist, um die RC-Zeitkonstantencodierung der Position eines Ionisationsereignisses längs der Anode zu erhalten. Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, ein positionsempfindliches Proportionalzähler-RC-Codiersystem vorzusehen, welches robust im Aufbau ist, leicht zusammenzubauen ist und bei hohen Zählerraten stabil bleibt.

Zusammenfassend sieht die Erfindung somit ein positionsempfindliches Strahlungsdetektorsystem vor, in dem die RC-Codierung der Ereignisposition in einem Ionisationsstrahlungsdetektorelement möglich gemacht wird, welches eine einen niedrigen Widerstandswert aufweisende Anode besitzt. Ein Paar von speziell konstruierten Aktiv-Kapazitäts-Eingangsvorverstärkern ist mit den entsprechenden Anodenenden verbunden, um die infolge eines lonisationsereignisses an einer Stelle längs der Anode erzeugten elektrischen Impulse abzufühlen. Jeder der Vorverstärker weist einen serienrückgekoppelten Verstärker auf und einen Shunt-Rückkoppelverstärker, der in Serie mit einem Kondensator in der Rückkopplungsschleife geschaltet ist, um eine hochstabilisierte aktive Kapazitäts-Last vorzusehen, um so eine genaue Positionsinformation aus den Anstiegszeiten der Impulse zu erhalten, die durch eine Impulszeitsteuervorrichtung verarbeitet werden, die mit dem Ausgang der Vorverstärker ver-

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bunden ist.

Weitere Vorteile, Ziele und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich insbesondere aus den Ansprüchen sowie aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung; in der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 ein vereinfachtes schematisches Schaltbild eines konventionellen RC-Codierdetektorsystems, verwendet mit einer Hochwiderstandsanoden-PSPC mit konventionellen kapazitiven Endimpedanzen;

Fig. 2 ein schematisches Blockdiagramm des erfindungsgemäßen PSPC-Detektorsystems;

Fig. 3 eine schematische Schaltung eines der Vorverstärker in Blockform gemäß Fig. 2;

Fig. 4 eine ins einzelne gehende Schaltung des Vorverstärkers der Fig. 3.

In Fig. 1 ist ein konventionelles PSPC-System mit einem Zähler 5 mit einer Widerstandsanode 7 dargestellt. Die Anodenenden sind durch körperliche oder aktive Kondensatoren C abgeschlossen und die Stromimpulse I₁ und I₂ werden abgefühltund bipolare Impulse (V.. und V-) geformt, und zwar durch übliche Doppeldifferentiationsverfahren in Filtern 9 bzw. 11. Die Null-Spannungs-Kreuzungszeiten der bipolaren Impulse sind direkt proportional zur Form der individuellen an den Anodenenden abgefühlten Stromimpulse. Das Zeitintervall (At) zwischen Null-Pegel-Kreuzungen dieser Impulse ist proportional zum Abstand (X_Q) des Ereignisses, erzeuyt durch den Eintritt eines Photons vom Bezugsanodenende. Ein

Zeitintervallanalysator 13, einschließlich eines Null-Kreuzungsdetektors, wird verwendet, um das Zeitintervall (At) zwischen den Null-Pegel-Kreuzungen der Impulse zu messen. Auf diese Weise ist At = Sx , wobei χ die gemessene Koordinate der Photonenauftreffposition X_Q ist; S ist die räumliche Empfindlichkeit des Systems. Die Selektion von <y >4C /(R C_GT2) , wobei C^_n, = C L+2C- ist und <j die Bandpaßmittenfrequenz des Formungsfilters ist, macht S * ^R _O ^C _GT praktisch unabhängig von der Position; sodann ist für die meisten kommerziellen Filter der thermische Rauschbeitrag (fwhm) der RC-Leitung X_n = (2,35/Q) (4kTL/*i_oR_o)¹/², wobei k die Boltzmann■ sehe Konstante ist, Q die infolge der Detektion eines Ereignisses erzeugte Ladung ist und T die absolute Temperatur der RC-Leitung ist (kT*4,1 χ 1O~²¹FV² bei T = 300°K) .

Praktische Begrenzungen hinsichtlich der Zeitauflösung von kommerziellen Kreuzungs(crossover)-Zeitsteuerschaltungen erfordern,dass S größer 100 Picosekunden/Auflösungslänge sein muß, und ω muß so groß wie möglich sein, um den thermischen Rauschbeitrag niedrig zu halten und die Signalverarbeitungszeit zu reduzieren. Wenn andererseits Metalldrahtanoden verwendet werden sollen, so ist R auf Werte von weniger als 10 Ohm/mm begrenzt.

Diese Beschränkungen und Bedingungen machen es nicht praktikabel, Einzeldraht-Metallanoden-PSPC¹S mit einer Länge (L) von mehr als 40 cm zu verwenden, wenn nicht eine aktive oder körperliche Kapazitätsbelastung zur Inkrementiorung von C_T verwendet wird. Eine aktive-Last-Kapazität wird deutlich bevorzugt, weil, eine ernst zu nehmende Verschlechterung des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses, hervorgerufen durch das Vorverstärker-Rauschen, dann auftritt, wenn ein körperlicher Kapazitätswert mit einem merklichen Wert (>10pF) verwendet wird. Da die Genauigkeit der Positionsmessung von der Stabilität der aktiven Last abhängt, ist das in Fig. 2 gezeigte erfindungsgemäße System vorge-

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sehen, welches speziell konstruierte Vorverstärker 21 und 23 verwendet, die mit den Anodenenden eines einen niedrigen Widerstandswert aufweisenden Anodenzählers 25 verbunden sind, und zwar durch Koppelkondensatoren 27 bzw. 29. Die Vorverstärker 21 und 23 wirken als stabilisierte aktive Kapazitätsbelastungen für die Anodenenden.

Der Rest der Schaltung 2, verbunden mit dem Ausgang der Vorverstärker 21 und 23, ist im wesentlichen identisch zur Impulsanstiegszeit-Decodierschaltung der Fig. 1, ist aber im einzelnen dargestellt. Die Vorverstärker 21 und 23 sind mit Formfiltern 31 bzw. 33 verbunden, die entsprechende bipolare Impulse mit Null-Pegel-Kreuzungszeiten erzeugen, welche den Anstiegszeiten der Impulse von den entsprechenden Vorverstärkern 21 und 2 3 entsprechen. Die Kreuzungszeiten werden durch die Kreuzungsdetektoren 35 und 37 detektiert, die jeweils einen Zeit-zu-Amplituden-Umwandler 39 starten bzw. stoppen. Das Stoppzeitsignal vom Detektor 37 wird um eine Zeit größer oder gleich LR C.-/2 durch eine eingebaute Verzögerungsschaltung verzögert, so daß das Zeitintervall zwischen den Start- und Stoppsignalen des Zeit-zu-Amplituden-Umwandlers größer oder gleich Null für alle Positionen zwischen 0 und L ist. Die Zeitdifferenz zwischen den entsprechenden Null-Pegel-Kreuzungen der Bipolarimpulse ist in der Form einer analogen Signalausgangsgröße vom Umwandler 39, die auf verschiedene übliche Weisen derart aufgezeichnet werden kann, daß die Signalamplitude die Position eines detektierten Ereignisses längs der Zähleranode angibt.

In Fig. 3 ist jeder Vorverstärker (21 und 23), bestehend aus einem serienrückgekoppelten Verstärker 41 mit niedrigem Rauschwert und einem Shunt-rückgekoppelten Verstärker 43 mit Einheitsverstärkung, dargestellt, wobei letzterer über einen Rückkoppelkondensator C_f mit der Gateelektrode des FET Q₁ des Verstärkers 41 verbunden ist. Es gibt drei Inversionen oder Umkehrungen des Signals durch die Rückkoppelschleife, um eine negative Rückkopplung (Gegenkopplung)

an dor Gateelektrode von Q1 zu erhalten. Die Ausgangsspannung V steht mit der Eingangsspannung V. gemäß dem Verhältnis der Widerstandswerte (R₂+!*..)/R.. in Verbindung, was die Gesamtverstärkung (G) bestimmt. Zusätzliche Einzelheiten des Verstärkers 41 können aus der oben erwähnten Literaturstelle "Rev. Sei. Instruments" entnommen werden. Der Shunt-Rückkoppelverstärker 43 kann ein Operationsverstärker sein, der als ein invertierender Verstärker geschaltet ist, wobei die Verstärkung durch das Verhältnis R₄ZR₃ in üblicher Weise gasteuert wird. Normalerweise sind R₄ und R, gleich, um die Einheitsverstärkung zu erhalten. Eine ins einzelne gehende Schaltung des Vorverstärkers ist in Fig. 4 gezeigt und eine Tabelle der Komponentenwerte gemäß Fig. 4 ist weiter unten angegeben.

Die aktive Kapazität an den Eingangsklemmen ist C C-(G+"!). Somit ist C_GT* C_QL + 2[c_f(G + 1) + cj , wobei Cs die Streukapazität an den Eingangsklemmen ist. Die Langzeitveränderung von C , die von der Stabilität von C_f und G abhängt, ist kleiner als 0,1% für vernünftige Änderungen hinsichtlich der Umgebungsbedingungen, d.h. für Temperaturen zwischen und 30°C. Cf ist vorzugsweise ein 1 pf-Keramikkondensator mit einem vernachlässigbaren Temperaturkoeffizienten.

Der stabilisierte aktive Eingangskapazitätsvorverstärker der Fig. 4 wurde in das System gemäß Fig. 2 eingeschaltet, um einen 12 cm langen experimentellen Proportionalzähler zu erhalten. Die Anode war ein 12 Mikrometer Durchmesser

Nichrom-Draht von ungefähr 17,4 Ohm/mm Widerstandswert.

-1 C_f war ungefähr 1 pF, G ungefähr 20 und C ungefähr 10 F/mm. Daher war die sich ergebende gesamte aktive Eingangskapazität C ungefähr 21 pF, die gesamte PSPC-Kapazität (C ) war ungefähr 47 pF und die Raumempfindlichkeit S war ungefähr 820 psec/mm. Die Filtermittenfrequenz (o> ) war ungefähr 4x10 Radian/sec (j ungefähr 25 nsec). Die räumliche Unsicherheit χ , hervorgerufen durch das thermische Rauschen, betrug ungefähr 0,2 mm (fwhm) für ungefähr 8 KeV Photonen. (Die Anodenvorspannung betrug un-

4 <|ΐϊ fiihr 850 Volt, die Gasvervielfachung war ungefähr 10

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COPY

ΛΛ

und die erzeugte Ladung betrug ungefähr 5 χ 10 Couloiub/I'hcjt on)

Im folgenden wird eine Liste der Vorverstärkerkomponententeile (Typen oder Werte) für die Fig. 4 angegeben, wobei die gleichen Bezugszeichen denjenigen gemäß Fig. 3 entsprechen.

COPY

Il

Komponente Type oder Wert Transistoren

Q₁. Q₁₀ + Q₁₃ FET 2N5245

Q₂, Q₅, Q₆ und Q_n NPN 2N5089 Q₃. Q₄, Q₇ und Q₁₂ PNP 2N5087

Q₈ NPN 2N3643

Q₉ PNP 2N3645

Dioden D₁ FD 700

De (Vier in Serie geschaltet) -IN 4446 Widerstände

(Ohm) R₁ 100 Meg.

R₁ 21.5

R₂, R₁₆ und R₁₉ 383

R₃, R₄ und R₆ - 1 K

R₅ 3.48 K

Widerstände

(Ohm) R₇ 14.7 K

^R8. ^R13 ⁵⁰⁰

Rg 4.6 K

R₁Q, R₂₅—■"— —-—-__—._—_____—_2.6 K

R₁₁, R₂₆ und F₂₇ — 2.37 K

R₁₂ 3.3 K

R₁₄ und R₁₅ 11 K

R₁₇, R₁₈, R₂₀ und R₂₂ 10

«21 93

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Komponente widerstände Type oder Wert

(Ohm)

R23 5.11 K

R₂4 13.3 K

R28 2.8 K

Kondensatoren

C_f 1 pf

C₁, C₅ und C₆ 2.2 uf

C₂, C₃, C₄, C₉ und C₁₀ 0.1 _Mf

Cj und Cg 33 yf

Claims (4)

1. Patentansprüche

   Positionsempfindliches Strahlungsfeststellsystem mit einem Ionisationsstrahlungsdetektorelement mit einer Anode, von der elektrische Impulse an deren entsprechenden Enden infolge eines Ionisationsereignisses entlang der Anodenlänge abgefühlt werden,und Impulszeitsteuermitteln mit ersten bzw. zweiten Eingängen, die auf unterschiedliche Anstiegszeiten der Impulse ansprechen, welche infolge der elektrischen Impulse erzeugt werden, die an den entsprechenden Anodenenden abgefühlt werden, um so die Position des Ionisationsereignisses längs der Anode zu bestimmen, gekennzeichnet durch ein Paar von Aktiv-Kapazitäts-Eingangsverstärkern, die jeweils geschaltet sind zwischen die Anodenenden und die ersten und zweiten Eingänge der Impulszeitsteuermittel, wobei jeder der Vorverstärker einen Serienrückkopplungsverstärker aufweist, der mit dem entsprechenden Anodenende des Detektorelements verbunden ist, wobei ferner ein Shunt-Rückkoppelverstärker mit einem Eingang und .einem Ausgang vorgesehen ist, wobei der Eingang des Shunt-Rückkoppelverstärkers mit dem Ausgang des Serienrückkoppelverstärkers in Verbindung steht, wobei schließlich ein Kondensator zwischen dem Ausgang des Shunt-Rückkoppelverstärkers und dem Eingang des Serienrückkoppelverstärkers liegt.
2. 2. Strahlungsdetektorsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ionisationsstrahlungsfeststellelement ein Proportionalzähler mit einer Metalldrähtanode ist.
3. 3. Strahlungsdetektorsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode aus Nichrom-Draht besteht.
4. 4. Strahlungsdetektorsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Detektorelement ein Proportionalzähler mit einer Metalldrahtanode ist, dessen Widerstandswert kleiner als 30 Ohm/Millimeter ist.

   .. ORIGINAL INSPECTED