DE60122713T2

DE60122713T2 - Strahlungsidentifizierung mit hilfe eines proportionalgaszählers

Info

Publication number: DE60122713T2
Application number: DE60122713T
Authority: DE
Inventors: J. E. Council Cent.Lab. Res. Council Daresbury BATEMAN; Daresbury DERBYSHIRE G. Council Cen. Lab. Res.
Original assignee: Council for the Central Laboratory of the Research Councils
Current assignee: Science And Technology Facilities Council Gb
Priority date: 2000-06-09
Filing date: 2001-03-26
Publication date: 2007-09-20
Anticipated expiration: 2021-03-27
Also published as: WO2001094977A2; US20030007600A1; EP1287382A2; GB0014096D0; ATE338283T1; JP2003536078A; WO2001094977A3; US20050161612A1; DE60122713D1; EP1287382B1; AU2001242575A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Verbesserungen in Proportionalgaszählern wie z.B. Gas-Mikrostreifen-Detektoren (GMSD). Die Erfindung betrifft insbesondere, aber nicht ausschließlich, Verbesserungen im Hinblick auf die Energieauflösung der Daten, die von Gaszählern erhalten werden, die bei XRF-(Röntgenfluoreszenz)- und XAFS-(X-Ray Absorption Fine Structure)-Messungen verwendet werden.
Der Proportionalgaszähler ist ein gut bekannter gasgefüllter Detektortyp, der auf dem Phänomen der Gasverstärkung beruht, um eine Ladung zu verstärken, die durch Ionenpaare repräsentiert werden, die von den/der erfassten Partikeln oder Strahlung in dem Gas erzeugt werden. Eine wichtige Anwendung von Proportionalzählern ist die Erfassung von energiearmen Röntgenstrahlen beispielsweise in XRF- und XAFS-Messungen.
In XRF und XAFS treten die erfassten, von einer Probe emittierten Röntgenstrahlen als getrennte Linien auf, wobei jedes Element sein eigenes separates Röntgenspektrum hat. Die Identität der Energie der Röntgenstrahlen gibt somit qualitative Informationen über die Zusammensetzung der Probe, während die Ermittlung des Röntgenstrahlenflusses quantitative Informationen gibt. Die mit herkömmlichen Gaszählern erzielte Energieauflösung reicht nicht aus, um zwischen nahe beieinander liegenden Röntgenstrahlenenergielinien zu unterscheiden und daher wurden dort, wo eine hohe Energieauflösung in Materialanalysesystemen benötigt wird, Gaszähler weitgehend von Festkörpergeräten wie Kryohalbleiter-(Ge oder Si)-Detektoren abgelöst. Solche Halbleitergeräte sind jedoch relativ komplex und kostspielig zu betreiben. Aufgrund dieser Nachteile, zusammen mit der Betriebsflexibilität von Gaszählern, sind in einigen Anwendungen, bei denen keine hohe Energieauflösung benötigt wird, Gaszähler weiterhin von Nutzen. Ferner haben kürzliche Entwicklungen von GMSDs die Anwendungen von Gaszählern erweitert.
Der GMSD wurde zum ersten Mal von A.OED des Institut Laue-Langerin in Frankreich vorgeschlagen (siehe Artikel „Position Sensitive Detector with Microstrip Anode for Electron Multiplication with Gases", Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A263 (1988) 351-359) und umfasst im Wesentlichen eine Anordnung von feinen metallischen Linien, die auf einem halbleitenden Glassubstrat mit Mikrolithografieprozessen erzeugt wurden, die die Kathoden und die Drahtanode von herkömmlichen Gaszählern ersetzen. Das heißt, an die metallischen Linien werden abwechselnd hohe elektrische Potentiale angelegt, um eine Anordnung von verschachtelten Anoden und Kathoden zu bilden. Wo ein geeignetes Potential (typischerweise von etwa 700 V) zwischen den Anoden- und Kathodenstreifen (oder Gruppen von Anoden- und Kathodenstreifen) in einem geeigneten Gas hergestellt wird, da dienen die Metallstreifen als Verstärker von freien Elektronen, die in dem Gas um sie herum gebildet werden. Eine Driftkathode in einem geeigneten Abstand von der Elektrodenanordnung (gewöhnlich etwa 10 mm) definiert das aktive Gasvolumen. Zum Beispiel, bei der Verwendung zum Erfassen von Röntgenstrahlen ermöglichen Gasverstärkungen von bis zu 5000 die Erfassung individueller Röntgenstrahlen als einen Impuls in einem Verstärker, der mit einem einzelnen Elektrodenstreifen oder mit einer Gruppe von Streifen verbunden ist.
Der GMSD hat eine Reihe von Vorteilen gegenüber traditionellen leitungsgebundenen Zählern. Alle verstärkungsdefinierenden Hochauflösungselemente befinden sich auf dem Halbleitersubstrat, das eine einfache Komponente ist, die sich leicht reinigen und handhaben und sehr leicht elektrisch anschließen lässt. Die planare Geometrie vereinfacht ferner den Betrieb dadurch, dass die Abhängigkeit der Gasverstärkung von der Position der Driftelektrode gering ist. Der GMSD kann auch mit sehr hoher Geschwindigkeit zählen (es sind Zählratendichten von etwa 10 MHz/cm² erreichbar), was beispielsweise dann notwendig ist, wenn die Röntgenstrahlenquelle der von einer Synchrotron-Strahlungsquelle erzeugte intensive Strahl ist.
So haben Proportionalgaszähler, und besonders GMSDs, eine Reihe nützlicher Anwendungen. Der Einsatz solcher Detektoren ist jedoch durch die relativ schlechte Energieauflösung beschränkt, die bisher der von Halbleiterdetektoren unterlegen ist. Die beste relative Impulshöhenauflösung (FWHM/Peak-Höhe) ist für alle Proportionalgaszählertypen mit etwa 14,5% für 5,9 keV Röntgenstrahlen in einem standardmäßigen Gasgemisch bemerkenswert konstant.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die obigen Nachteile abzustellen oder zu mindern.
Gemäß der vorliegenden Erfindung, die in den beiliegenden Ansprüchen definiert ist, kann der Ausgang eines Gaszählers (wie z.B. eines GMSD), der in einem wandlosen Modus mit stabiler Ansprechfunktion betrieben wird, so manipuliert werden, dass er eine explizite Vergrößerung der erfassten Spektren bietet, so dass eine Energieauflösung erzielt wird, die mit der von Silicium- oder Germanium-Kryodetektoren vergleichbar ist. Die Transformationsgleichung u = x^1/2 (wobei x z.B. die Kanalzahl des Impulshöhenanalysators des Gaszählers sein kann) ergibt ein Spektrum, das im Wesentlichen eine Gaußsche Verteilung hat und über einen breiten Bereich von erfassten Strahlungsenergien gleichförmig ist. Dies ermöglicht dann die Anwendung eines herkömmlichen spektrumvergrößernden Algorithmus, um das Spektrum im u-Raum zu entfalten, von dem die Energie und die Intensität der ursprünglichen Strahlung ermittelt werden kann. Ferner bietet die Erfindung eine sehr gute Energieauflösung, wo die ursprüngliche Detektorstrahlung mehr als eine Komponente mit unterschiedlichen Energien umfasst. Zum Beispiel, bei einem Einsatz zum Erfassen von Röntgenstrahlenlinien kann die vorliegende Erfindung benutzt werden, um die Energieauflösung eines Gaszählers genügend zu verbessern, um zwischen Röntgenlinien zu unterscheiden, die von benachbarten Elementen der periodischen Tabelle erzeugt wurden, während mit herkömmlichen Zählern nicht zwischen Elementen mit einer Trennung von weniger als etwa 5 Atomzahlen unterschieden werden kann.
Eine Anwendung der Erfindung ist die Erfassung von Röntgenstrahlen beispielsweise in XRF- und XAFS-Messungen. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die Erkennung von Röntgenstrahlen begrenzt und der oben und in den beiliegenden Ansprüchen verwendete Begriff „Strahlung" ist im weiten Sinne so zu interpretieren, dass er auch andere Strahlung innerhalb des elektromagnetischen Spektrums sowie Strahlen von Partikeln wie Neutronen beinhaltet. Mit anderen Worten, die Erfindung kann in jeder Anwendung zum Einsatz kommen, in der ein Proportionalgaszähler verwendet wird.
Der Verweis auf einen „wandlosen" Zähler wird von der Fachperson gut verstanden und wird nachfolgend erörtert. Auch die Produktion eines stabilen Impulshöhenspektrums und die praktischen Maßnahmen, die zum Erzeugen eines stabilen Ansprechverhaltens getroffen werden müssen (wie z.B. Stabilhalten der Verstärkung und Sauberhalten des Gases), werden von der Fachperson leicht verstanden. Die Fachperson wird auch erkennen, dass andere Faktoren wie z.B. das jeweils verwendete Gas, das Driftelektrodenpotential und der Spalt zwischen der Driftelektrode und dem Design der Elektrodenplatte, alle die Stabilität des Impulshöhenspektrums beeinflussen können, und ferner, dass diese Faktoren in einem gewissen Maß voneinander abhängig sind und dass die optimalen Betriebsbedingungen für einen bestimmten Zähler empirisch bestimmt werden könnten.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wurde ermittelt, dass die Punktverteilungsfunktion des Impulshöhenspektrums des wandlosen Detektors mit einer Log-Normal-Verteilung mit einem hohen Genauigkeitsgrad modelliert werden kann. Dies erlaubt eine sehr gute Energieauflösung und Quantifizierung der erfassten Strahlung. Außerdem erlaubt dieser Aspekt der Erfindung, wenn die erfasste Strahlung zwei oder mehr Komponenten mit unterschiedlichen Energien hat, ein Anpassen von Amplitude und Position der durch Komponenten mit nahe beieinander liegenden Energien erzeugten überlappenden Impulshöhenverteilungen (wie z.B. dicht beabstandete Röntgenstrahlenlinien). Wie beim ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung, kann das Log-Normal-Fitting auf den Ausgang jedes wandlosen Gaszählers angewendet werden und kann somit in jeder Anwendung zum Einsatz kommen, bei der ein Gaszähler verwendet werden kann, und der Verweis auf Strahlung ist dementsprechend zu interpretieren.
Die Erfindung ist besonders in XAFS-Messungen nützlich, wo die qualitative Zusammensetzung der zu erfassenden Probe bekannt ist, so dass die Anpassungsroutine relativ einfach ist und die angepassten Funktionen zum Erzielen einer genauen quantitativen Analyse der Probe verwendet werden kann. Dieser Aspekt der Erfindung ist auch in XRF-Systemen nützlich, bei denen eine einzelne Messung zum Identifizieren einer Reihe von Röntgenstrahlenlinien verwendet werden kann, die dann quantifiziert werden können, was mit existierenden XRF-Geräten auf der Basis von Propotionalgaszählern nicht möglich ist (es sein denn, die erfassten Röntgenstrahlenlinien sind gut getrennt oder es werden Filter verwendet und separate Messungen zum Erfassen unterschiedlicher Linien durchgeführt).
Die Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung haben einen relativ hohen Statistikbedarf. GMSDs haben jedoch wie oben erwähnt die Fähigkeit, mit sehr hoher Geschwindigkeit zu zählen und können den hohen Statistikbedarf daher leicht decken. Der Detektor gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine neue Form von GMSD, die so gestaltet ist, dass sie den wandlosen Betrieb ermöglicht, der für die Methoden gemäß der vorliegenden Erfindung benötigt wird, ist aber nicht auf die Anwendung in solchen Methoden begrenzt.
Weitere Aspekte der vorliegenden Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung hervor, in der verschiedene Beispiele und Ausgestaltungen der Erfindung, jedoch nur beispielhaft, mit Bezug auf die Begleitzeichnungen beschrieben werden. Dabei zeigt:
1 das Impulshöhenspektrum für 5,9 keV MnK_α-Röntgenstrahlen, die mit einem herkömmlichen, mit Argon gefüllten GMSD produziert werden;
2 das Impulshöhenspektrum für 5,9 keV MnK_α-Röntgenstrahlen, die mit einem GMSD erzeugt werden, der für einen wandlosen Betrieb gemäß der vorliegenden Erfindung adaptiert ist;
3 eine schematische Illustration eines GMSD gemäß der vorliegenden Erfindung;
4 das Impulshöhenspektrum der MnK-Röntgenstrahlen, die von der ⁵⁵Fe Quelle erzeugt werden, die in einem wandlosen, mit Argon gefüllten GMSD gemäß der vorliegenden Erfindung gemessen wird, mit den Log-Normal-Fits;
5 einen Plot, der die Genauigkeit eines Log-Normal-Fits am Spektrum von 4 gemäß der vorliegenden Erfindung beim Auflösen der Energien der MnK-Linien illustriert;
6 einen Plot, der die Fähigkeit eines Log-Normal-Fittingprozesses gemäß der vorliegenden Erfindung demonstriert, zwischen dicht beabstandeten Röntgenlinien zu unterscheiden;
7 das Spektrum, das durch Transformieren der Ergebnisse von 4 in den u-Raum gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung erhalten wird;
8 der Quadrate der Mittelwerte von Gaußschen Verteilungen, angepasst an das Spektrum von 7 gegenüber den Röntgenstrahlenlinienenergien, um die Genauigkeit dieses Aspekts der Erfindung beim Auflösen der Energien der MnK-Röntgenstrahlenlinien zu demonstrieren;
9 das Spektrum von 7, gemäß der vorliegenden Erfindung vergrößert, um die MnK-Röntgenstrahlen- und Argon-Escape-Linien aufzulösen;
10 eine glatte Version des vergrößerten Spektrums von 9 im Vergleich zu den Rohdaten von 4;
11 einen Plot, der die durch die Peaks in 10 identifizierten Röntgenstrahlenlinienenergien mit den bekannten Linienenergien vergleicht;
12 die u-Transformation des mit auf eine Aluminiumprobe scheinenden Mn-Röntgenstrahlenlinien erhaltenen Impulsspektrums, die sich im aktiven Volumen eines GMSD gemäß der vorliegenden Erfindung befindet;
13 eine simulierte Impulshöhenverteilung von 0,7 keV, 1,5 keV, 3 keV und 6,0 keV Röntgenstrahlenlinien; und
14 eine u-Transformation der Daten von 13.
Die verschiedenen Aspekte der vorliegenden Erfindung werden nun unter besonderer Bezugnahme auf die Erfassung von Röntgenstrahlen mit einem GMSD beschrieben. Es muss jedoch verstanden werden, dass die Erfindung nicht auf die Erkennung von Röntgenstrahlen oder auf irgendeine besondere Form von Gaszähler begrenzt ist.
Die Grundprozesse der Röntgenstrahlenumwandlung und der Lawinenverstärkung im GMSD sind im Wesentlichen dieselben wie im traditionellen zylindrischen Einzeldraht-Proportionalzähler.
Der Ausgang eines GMSD ist eine Reihe von elektrischen Impulsen, deren Größen proportional zur Energie der erfassten Röntgenstrahlen sind, die mit einem geeigneten Impulshöhenanalysator (PHA) ermittelt werden können. Die erfassten Impulse ergeben ein Impulshöhenspektrum (ein Histogramm der Impulszahlen gegenüber Energie (Kanalzahl des PHA)). 1 zeigt beispielsweise das Impulshöhenspektrum von 5,9 keV MnK_α-Röntgenstrahlen in einem herkömmlichen GMSD mit einer Gasfüllung von Argon plus 25% Isobutan. Der in diesem Fall verwendete GMSD hatte eine Einzelsektionsdetektorplatte (6 mm breit), die eine verschachtelte Anordnung von Anoden und Kathoden hatte, wobei die Anoden eine Breite von 10 μm und die Kathoden eine Breite von 90 μm mit einem Anoden-Kathoden-Spalt von 100 μm hatten. Die Spannung über die Anoden- und Kathodenpaare betrug 619 V (Vc in 1) und die Driftspannung betrug 2 kV (Vd in 1).
Aus 1 ist ersichtlich, dass das Ansprechverhalten des GMSD zwei Peaks hat: den Vollenergie-Peak der K_α-Röntgenstrahlen und einen kleineren Argon-Escape-Peak (die Erzeugung von „Escape-Peaks" in Proportionalzählern ist vom verwendeten Gas abhängig und ist gut verstanden). Das FWHM (Vollbreiten-Halbmaximum) des Vollenergie-Peak liegt bei etwa 14,5%, was der typische Wert für einen gut konstruierten Zähler wie oben erwähnt ist.
Zusätzlich zu den Vollenergie- und Escape-Peaks hat das Ansprechverhalten des Detektors einen Niederenergie-Schweif, der bis zu Null-Energie zurückgeht und für alle Gaszähler charakteristisch ist. Die Erzeugung dieses Schweifs ist das Ergebnis von „Wandeffekten" und ist gut verstanden. Im Wesentlichen kann ein Teil der Elektronenwolke eines Events durch Kollisionen mit der Wand des Detektors oder durch Verluste vom eingefangenen Volumen des Detektors verloren gehen, was die Größe des entsprechenden erfassten Impulses reduziert.
Es ist möglich, die Wandeffekte durch Adaptieren eines Gaszählers für einen so genannten „wandlosen" Betrieb mit dem Effekt zu unterdrücken, dass das Niederenergie-Schweif stark reduziert oder ganz eliminiert wird. 2 illustriert den Effekt des wandlosen Betriebs. Man kann zwar erwarten, dass der resultierende Vollenergie-Peak weitaus sauberer ist als der, den man sonst erhalten würde, aber es wurden keine signifikanten FWHM-Verbesserungen beobachtet. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es jedoch möglich, die Energieauflösung eines wandlosen Detektors effektiv zu verbessern, wie nachfolgend exemplifiziert wird.
Zusätzlich zu neuen Methoden zum Analysieren der von wandlosen Zählern erhaltenen Daten stellt die vorliegende Erfindung auch einen neuen GMSD bereit, der für einen wandlosen Betrieb geeignet ist. 3 ist eine schematische Darstellung eines GMSD gemäß der vorliegenden Erfindung. Der illustrierte GMSD ist effektiv eine Modifikation eines herkömmlichen GMSD, dessen Grundelemente oben beschrieben wurden. Demgemäß wird keine ausführliche Beschreibung der Grundstruktur des GSMD gegeben (die durchaus stark variieren kann). Stattdessen werden die Modifikationen zum Anpassen des GMSD an einen wandlosen Betrieb gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Der illustrierte GMSD umfasst eine lithografisch auf einem Substrat 1 erzeugte Elektrodenarray. Die Elektrodenarray liegt in drei Sektionen vor: einer mittleren Erfassungssektion 2, die von zwei Schutzsektionen 3 begrenzt wird. Eine Driftelektrode 4 ist parallel zur Elektrodenarray in einem Abstand von etwa 10 mm wie konventionell angeordnet. Der GMSD ist so ausgelegt, dass er Einfallsstrahlung parallel zur Elektrodenarray durch ein(e) Seitenfenster oder -öffnung 5 empfängt. Die Unterdrückung von Wandeffekten wird mit zwei Maßnahmen erzielt: ein seitlicher Eintritt der Einfallsstrahlung parallel zur Elektrodenarray und die Bereitstellung der Schutzsektionen 3 und eines zugehörigen Anti-Koinzidenz-Schaltkomplexes 6.
Durch der Konstruktion des GMSD für einen seitlichen Eintritt von Eingangsstrahlung und durch ausreichendes Bündeln der Einfallsstrahlung ist es möglich, das Gasvolumen, in dem die Ionisierung stattfindet, sorgfältig zu regulieren, um sicherzustellen, dass sie nicht sehr nahe (z.B. innerhalb 1 mm) an der Elektrodenarray oder der Driftelektrode liegt. Dadurch werden die Effekte einer durch Ionisierung in dem Gas erzeugten Elektronenwolke unterdrückt, die einen Teil der Ladung an die Elektroden verliert.
Die Schutzsektionen 3 und der zugehörige Anti-Koinzidenz-Schaltkomplex sind als Gegenmaßnahme gegen Events vorgesehen, bei denen Ladung von der Haupterfassungselektrodensektion 2 und den Schutzsektionen 3 infolge von Diffusion der Elektronenwolke bei ihrem Treiben zur Elektrodenarray hin gemeinsam genutzt wurde. Der Anti-Koinzidenz-Schaltkomplex beinhaltet zwei Diskriminatoren 7, die verhindern, dass gemeinsame Events den PHA 8 (der ansonsten konventionell sein kann) erreicht. Da Events, die der Haupterfassungssektion 2 der Elektrodenarray und einer der Schutzsektionen 3 gemeinsam sind, dieselbe Zeitstruktur haben, kann der Anti-Koinzidenz-Vorgang innerhalb eines engen Zeitrahmens (ein paar dutzend Nanosekunden) erfolgen, ohne signifikante zusätzliche Totzeit in der Zählerschaltung zu induzieren. Die niedrigere Diskriminatorschwelle in den Anti-Koinzidenz-Schutzsektionen 3 der Elektrodenarray bestimmt, wie gut das erfasste Impulshöhenspektrum (PHS) bereinigt wird. Die in 2 geplotteten Ergebnisse beziehen sich auf einen GMSD gemäß der vorliegenden Erfindung, der Mn-Röntgenstrahlung mit einer auf 590 eV eingestellten Diskriminatorschwelle erfasst (10% der Haupt-Peak-Energie). Somit ermöglichen die Anti-Koinzidenz-Maßnahmen der vorliegenden Erfindung das Ausschließen von Verlusten am Rand der Haupterfassungssektion der Elektrodenarray, indem gemeinsame Events zurückgewiesen werden.
Die niedrigere Diskriminatorschwelle sollte typischerweisenicht mehr als etwa 20% der Haupt-Peak-Energie betragen. Für die Mn-Röntgenstrahlung ergibt kaum eine Verbesserung, wenn die untere Schwelle weit unter 20% der Haupt-Peak-Energie abfällt.
Wie eingangs zur vorliegenden Beschreibung erwähnt wurde, müssen zur Erzielung guter Ergebnisse herkömmliche gute Praktiken angewendet werden, um eine stabile Ansprechfunktion zu gewährleisten. So werden beispielsweise mit einer Ausgestaltung einer GMSD-Konstruktion wie oben beschrieben die stabilen Ergebnisse mittels Argon mit 25% Isobutan als Gas und einer Driftelektrodenspannung zwischen 1300 und 1400 V erhalten.
Der oben beschriebene GMSD hat zwar nur eine einzelne Erfassungssektion, die von zwei Schutzsektionen begrenzt wird, aber der Detektor könnte eine Reihe separater Erfassungssektionen beinhalten, die von Gruppen von zusammengefassten Anoden/Kathoden gebildet werden. In diesem Fall könnten die Schutzsektionen auf beiden Seiten jeder Erfassungssektion platziert werden, um Gemeinschaftsevents zu unterbinden.
Beispiele für die Methoden zum Verbessern der effektiven Auflösung eines für einen wandlosen Betrieb ausgelegten Gaszählers werden nun mit Bezug auf einen GMSD gemäß der Erfindung wie oben umrissen beschrieben. Es ist jedoch zu verstehen, dass die nachfolgend beschriebenen Methoden nicht auf die oben beschriebenen besonderen Anordnungen begrenzt sind, sondern auf jeden GMSD oder sonstigen Proportionalgaszähler anwendbar sind, der für einen wandlosen Betrieb adaptiert wurde, um die Niederenergieschweif-Charakteristik von Gaszählern zu unterdrücken und ein sauberes, stabiles Ansprechverhalten zu erzielen.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung werden Identifikation und Quantifizierung von Röntgenstrahlenlinien in einem wandlosen Zähler stark verbessert, indem die gemessene Peak-Verteilungsfunktion (PSF) mit einer Standard-PSF oder einer Reihe von Standard-PSFs angepasst wird. Insbesondere, während die PSF eines Gaszählers nach dem herkömmlichen Verständnis eine normale Gaußsche Verteilung ist, haben die Erfinder festgestellt, dass die PSF eines wandlosen Zählers in der Tat eine positive Schrägung hat (aufgrund der Effekte von Lawinenstatistiken von Elektronenverlusten an die Bildung negativer Ionen im Drift und Nichthomogenität im Elektronenfeld) und darüber hinaus, dass eine gute Passung für die PSF durch eine Log-Normal-Verteilung erzielt wird. Die Log-Normal-Verteilung hat die Eigenschaft, dass sie eine positive Schrägung nur in Abhängigkeit von der Standardabweichung (σ_R) der logarithmischen Transformationsgleichung des Impulshöhenspektrums erzeugt. In Bezug auf das Impulshöhenspektrum des Zählers repräsentiert σ_R die relative Auflösung (Standardabweichung/Peak-Impulshöhe) der PSF, wobei ein FWHM von 14,5% beispielsweise σ_R = 0,061 entspricht. In der Tat haben umfangreiche Tests gezeigt, dass die Log-Normal-Verteilung eine stabile Repräsentation der PSF über einen praktischen Bereich von Bias-Bedingungen eines typischen GMSD zu ergeben scheint.
Die Grundsätze der Anpassung einer Kurve an experimentelle Ergebnisse sind der Fachperson sehr gut bekannt und es sind eine Reihe kommerzieller Fitting-Systeme erhältlich. Für ein effektives und praktisches Fitting ist im Allgemeinen ein gewisses Maß an Vorkenntnis über das untersuchte System nötig, aber die vorliegende Erfindung ermöglicht ein solches Fitting durch Erkennen (und Eliminieren) der Auswirkungen des Niederenergie-Schweifs (besonders dort, wo mehr als eine Röntgenstrahlenlinie zum Schweif beiträgt) auf potentielles Fitting und durch Ermitteln der korrekten Fitting-Funktion, d.h. Log-Normal.
Ein Beispiel für die Wirksamkeit des Fitting-Vorgangs wird nun in Bezug auf die Erkennung von MnK_α- und MnK_β-Röntgenstrahlenlinien gegeben, um die verbesserte Energieauflösung zu demonstrieren, die mit der vorliegenden Erfindung erzielbar ist. Die Messungen erfolgen mit einem GMSD, der für einen wandlosen Betrieb in der oben beschriebenen Weise adaptiert wurde, aber man wird erkennen, dass die allgemeinen Grundsätze auf mit einem beliebigen wandlosen Gaszähler gemachten Messungen anwendbar sind.
Die radioaktive (interne Umwandlung) Röntgenstrahlenquelle ⁵⁵Fe ergibt MnK_α- und MnK_β-Röntgenstrahlen jeweils mit 5,9 keV und 6,49 keV. Die MnK-Linien von dieser Quelle werden routinemäßig als praktischer Teststimulus für Röntgenstrahlendetektoren verwendet. Die relative Intensität der beiden Linien kann je nach dem Effekt der Differentialabsorption in der Quelle, dem Detektorfenster und dem Detektorvolumen variieren, aber es wurde im Allgemeinen gefunden, dass der K_β etwa 20% der Gesamtrate beträgt. In einem mit Argon gefüllten Detektor erscheinen zwei Escape-Peaks jeweils mit 2,9 keV und 3,49 keV aufgrund des Entweichens von Argon-K-Röntgenstrahlen aus dem Zählervolumen ohne Umwandlung. Dies ergibt somit einen nützlichen Satz von vier Röntgenstrahlenlinien zum Demonstrieren des Nutzens der vorliegenden Erfindung.
Bei einer Erfassung in einem für wandlosen Betrieb adaptierten GMSD reicht die Grundenergieauflösung des Detektors nicht aus, um die beiden Vollenergie-Peaks oder die beiden Escape-Peaks zu unterscheiden. Zum Beispiel, das mit einem wandlosen GMSD (das Argon mit 25% Isobutan enthält) erreichte Ansprechverhalten mit einer auf 10% der Haupt-Peak-Höhe eingestellter unterer Anti-Koinzidenz-Schwelle ist wie in 4 gezeigt (die Energieauflösung des GMSD ist dabei etwa 855 eV FWHM im Vergleich zur 590 eV Trennung in den K_β- und K_α-Energie-Peaks). Die Summe von zwei Standard-PSFs in Form von zwei Log-Normal-Kurven passt jedoch sehr gut zu den erhaltenen Daten für die Vollenergie-Peaks und ein weiteres Paar Log-Normal-Verteilungen passt ebenso gut zu den Escape-Peaks.
Die parametrische Form der Log-Normal-Verteilung lautet wie folgt:
Eine Spektrallinie hat von Natur aus nur zwei Eigenschaften, ihre Amplitude und ihre Energieposition, die in der obigen Formel durch die Parameter a und c repräsentiert sind. Somit ist in dem obigen Ausdruck x die PHA-Kanalzahl und ln(c) ist der Mittelwert der ln(x)-Verteilung. Die Standardabweichung der ln(x)-Verteilung wird durch den Parameter b repräsentiert (der sowohl die Breite als auch die Schrägung der PSF bestimmt).
5 plottet die von den in 4 gezeigten Passungen erhaltenen Positionen gegenüber den bekannten Energien von Mn-Linien. Die K_α-Peaks haben die besten Statistiken, daher werden sie zum Erzeugen eines Geraden-Fit verwendet. Es ist ersichtlich, dass das Fitting sehr genau ist und alle vier Punkte nahe am Geraden-Fit liegen, wobei die angepassten Peak-Kanäle genau linear mit den bekannten Röntgenstrahlenlinien-Energien sind. Es wurde angenommen, dass die relative Standardabweichung der LRF über die Energiespanne der K_α- und K_β-Linien (0,59 keV) konstant ist. Es kann zwar zugelassen werden, dass der Parameter b separat zur K_β-Linie passt, aber daraus ergibt sich keine signifikante Verbesserung. Für die K_α-Linie ist in diesem Beispiel b = 0,0606, was einen FWHM von 14,3% ergibt. Bei den Escape-Peaks ist b = 0,091, was einen FWHM von 21,5% ergibt, der die typische Erhöhung der relativen PSF-Breite mit abnehmender Energie zeigt.
Die durch statistisches Rauschen bedingten Fehler wurden mit der Marquart-Levenburg-Fitting-Routine beurteilt, die beispielsweise in der Implementation im kommerziellen EasyPlot-Paket (von Spiral Software hergestellt) verwendet wird. Es wurde gefunden, dass die Positionsfehler 0,097 Kanäle (2,2 eV) in den K_α- und 0,28 Kanäle (6,4 eV) in den K_β-Linien sind. Es wurde gefunden, dass die Amplitudenfehler 2183 (in 3,63 × 10⁵) Signale für die K_α-Linie und 1972 (in 99439) Signale in der K_β-Linie sind.
Aus den angepassten Parametern treten zwei Punkte hervor: die Positionsfehler (d.h. Energieauflösungsfehler) sind sehr gering, während die Zahl der Amplitudenfehler im Vergleich zu den von den Amplituden erwarteten Poisson-Fehlern hoch sind, d.h. 602 für K_α und 100 für K_β (√N, wobei N die gezählten Signale in der Linie ist). Die Erhöhung der Standardabweichung der angepassten K_α-Linie um einen Faktor von 3,63 bedeutet, dass 13,1 (3,63²) mal die gezählte Signalzahl gesammelt werden muss, um dieselbe Amplitudenauflösung wie die zu erzielen, die mit einer gegebenen Anzahl von Events im Peak bei Erfassung mit einem idealen Detektor erzielt würden. Der entsprechende Faktor im K_β-Fall ist 389.
Das Verhältnis der beobachteten Varianz in der angepassten Signalzahl zum Poisson-Wert (d.h. σ_N ²/N) ist Zusätzrauschfaktor (F) bekannt und repräsentiert den Faktor, um den die Zählzeit erweitert werden muss, um dieselbe Signalauflösung zu erzielen, die mit einem idealen Detektor erzielt würde, der N Events zählt. Der Zusätzrauschfaktor variiert mit dem Partitionsbruchteil zwischen den beiden benachbarten Linien und auch mit dem Verhältnis zwischen Linienauflösung und Linienabstand und nimmt mit abnehmendem Bruchteil der Signale im studierten Peak und abnehmender Trennung der Linien von eins zu. Somit kann der Fitting-Prozess effektiv so betrachtet werden, dass er das Positionsrauschen des Anfangsspektrums in Amplitudenrauschen in den angepassten Parametern überträgt.
Die Tatsache, dass die Fehler in K_α und K_β ähnlich sind, reflektiert das bekannte Problem des Rauschens in einem kleinen (stochastischen) Signal, das durch Subtraktion von einem großen erhalten wurde, nämlich, dass der tatsächliche Fehler im kleinen Signal im Wesentlichen der des großen Signals ist. Somit bleibt der Fehler (für eine gegebene Zählstatistik) mit abnehmendem Bruchteil des kleineren Signals konstant, aber das Signal-Rausch-Verhältnis im kleineren Signal klingt pro rata ab. Die statistischen Rauschvervielfacher, d.h. der oben erwähnte zusätzliche Rauschfaktor (F), sind eine steile Funktion von σ_E/ΔE, (σ_E ist die Energieauflösung der PSF in keV an der Mittellinienposition, ΔE der Energieabstand zwischen den Linien in keV) und setzen eine Grenze dafür, wie eng Peaks realistisch aufgelöst werden können.
Der Log-Normal-Fittingprozess macht es sehr leicht, das Verhalten der Energieauflösung in Abhängigkeit von der Röntgenstrahlenenergie zu quantifizieren. FWHM-Messungen, die auf diese Weise über eine Reihe von Röntgenstrahlenenergien von den MnK-Linien und den fluoreszenten K-Linien von Rb, Mo und Ag im selben oben benutzten Detektor abgeleitet wurden, ergaben die folgende Beziehung:
In dem obigen Ausdruck ist E_x die Röntgenstrahlenlinienenergie in keV, wobei der Term E_x ^–1/2 durch Ionisierungsstatistiken diktiert wird. Ein konstanter Term von 5,14% ist auf die Verstärkungsvariation des Zählers über den Arbeitsbereich zurückzuführen. Die Kalibrierung der PSF-Breite kann entweder zum Erzielen des Anfangswertes eines Drei-Parameter-Fits zu jedem Peak oder zum Beseitigen eines Parameters und Anpassen nur der Position und der Amplitude verwendet werden.
Die obige Analyse stellt im Wesentlichen fest, dass über einen nützlichen Bereich von Situationen die überlappenden Impulshöhenverteilungen von benachbarten Röntgenstrahlenlinien durch Anpassen von Log-Normal-PSFs an die experimentellen Daten getrennt werden können, die von einem wandlosen Zähler erhalten wurden, dass aber die zusätzliche Energieauflösung auf Kosten eines höheren Statistikbedarfs erhalten wird. Statistische Vervielfacher zwischen 10 und 1000 sollten ausreichen, um Linien zu unterscheiden, wobei eine Linie wenigstens 10% ihres Nachbars beträgt und die Linientrennung nicht weniger als 70% des FWHM der Detektor-PSF mit einer Energieauflösung von < 10 eV ist. Mit GMSDs ist die höhere Geschwindigkeitskapazität mehr als ausreichend, um den Bedarf an zusätzlichen Statistiken im Datensatz zu erfüllen.
Somit kann gemäß der vorliegenden Erfindung die PSF eines Proportionalzählers mit einem hohen Maß an Genauigkeit durch eine Log-Normal-Verteilung modelliert werden, die ein Anpassen von Amplitude und Position von überlappenden Impulshöhenverteilungen zulässt, die durch dicht beabstandete Röntgenstrahlenlinien erzeugt wurden. Ein Beispiel für die mögliche Anwendung dieser Technik ist eine Röntgenstrahlenfluoreszenzanalyse (XFA), in der die letztendliche Anforderung gewöhnlich darin besteht, die K-Linien benachbarter Elemente aufzulösen. Eine Untersuchung der Trennung zwischen den K_α-Energien (E_k, E_k+1) benachbarter Elemente (unter Vernachlässigung der Anwesenheit der K_β-Linien) zeigt, dass die Trennung etwa wie E_k ^1/2 zunimmt. Die Energiebreite der PSF (σ_E) hat eine ähnliche Abhängigkeit von E_x, so dass im Falle von benachbarten K-Linien der Parameter α = σ_E/Δ_E, der die „Trennbarkeit" von Linien bestimmt, etwa konstant ist. 6 plottet Δ_E gegenüber Röntgenstrahlenenergie für eine Reihe von Elementen und zeigt, dass im Falle von benachbarten Elementen die Ergebnisse genau auf die Linie (Δ_E gegenüber E) fallen, was in diesem Fall α = 0,7 entspricht. Wenn man den statistischen Vervielfacher der K_α in MnK-Linien als Richtlinie nimmt, dann deutet dies an, dass eine um einen Faktor 56 größere Zahl (als die Poisson-Zahl) nötig ist, um die Poisson-Genauigkeit zu erhalten. Die zweite Linie in 6 zeigt, dass für Elemente mit einem Abstand von zwei Atomeinheiten der Statistikbedarf auf einen Faktor 2,6 zurückgeht.
Für die Fachperson werden viele weitere Anwendungen offensichtlich sein, in denen der Fittingprozess gemäß dem obigen Aspekt der vorliegenden Erfindung benutzt werden kann, um die Energieauflösung für viele verschiedene Umstände ausreichend zu verbessern. In Situationen, in denen das erfasste Spektrum nicht hauptsächlich aus Linien besteht, oder wenn die Linien völlig unbekannt sind, wird ein Fitting jedoch schwierig, wenn nicht gar unmöglich. Die Erfinder haben jedoch festgestellt, dass die stabile PSF eines wandlosen Detektors allgemeiner in einem Erweiterungsalgorithmus zur Anwendung kommen kann, der das gemessene Impulshöhenspektrum verarbeiten und das äquivalente Spektrum eines Pseudo-Detektors mit verbesserter Energieauflösung im Vergleich zu der derzeitiger Festkörperdetektoren verarbeiten kann. Die Erfinder haben z.B. ein Verfahren zum Identifizieren unbekannter Röntgenstrahlenlinien festgestellt, die dann bei Bedarf genau quantifiziert werden können, indem dann Log-Normal-Verteilungen auf die Rohdaten in der oben beschriebenen Weise angepasst werden.
Ein Versuch, herkömmliche Spektrumvergrößerungsmethoden und -algorithmen auf – selbst von einem wandlosen Zähler erhaltenen – Rohdaten anzuwenden, ist unpraktisch. Das Hauptproblem ist, dass die PSF einer Röntgenstrahlenlinie in einem Zähler wie einem GMSD von der Linienenergie abhängig ist. Dies ist dort nicht besonders problematisch, wo ein einfaches Fitting wie oben beschrieben versucht wird, bedeutet aber einen unpraktischen Rechenbedarf für einen Spektrumsvergrößerungsalgorithmus.
So können gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung die von einem wandlosen Zähler erhaltenen Daten nach einer Anfangstransformation der Rohdaten zum Erzeugen einer PSF, die im Wesentlichen positionsstabil ist, erweitert werden. Das heißt, die Energie (oder Kanalzahl des PHA), die eine unabhängige Variable ist, wird in u = x^1/2 umgewandelt (wobei x die Energie oder Kanalzahl ist). Dies wird als U-Transformation bezeichnet. Die Normalisierung der Linienverteilungen wird dadurch gewährleistet, dass die Transformation der Ordinaten des Impulshöhenspektrums gemäß der Beziehung dn/du (= 2udn/dx) vorgenommen wird. Die resultierende transformierte PSF ist von der Linienposition im Wesentlichen unabhängig und kann zum Vergrößern des Spektrums entfaltet werden.
Insbesondere haben die Erfinder festgestellt, dass die Fittingfunktion für die Kurven im u-Raum normale Gaußsche Kurven anstatt Log-Normal-Kurven sind. Dies ist eine Folge der Eigenschaften der ursprünglichen Log-Normal-Kurve unter U-Transformation, wobei sich die anfängliche Log-Normal-Kurve einfach in eine andere Log-Normal-Kurve mit einfach halbierter Breite ändert. Es lässt sich leicht zeigen, dass sich eine Log-Normal-Kurve asymptotisch einer normalen Form nähert, wenn die Breite zu 0 tendiert (da Schrägung und Breite einer Log-Normal-Kurve durch denselben Parameter vorgegeben werden). Somit symmetrisiert die U-Transformation die PSF automatisch.
Es folgen nun Beispiele, um den Nutzen der U-Transformation zu demonstrieren.
Es ist jetzt möglich, die Mn-Röntgenstrahlenlinien mit Gaußschen PSFs wie in 7 gezeigt anzupassen. Die für die K_α- und K_β-Linien erhaltenen Amplituden stimmen sehr gut (innerhalb von 1%) mit denen überein, die im x-Raum mit Log-Normal-Fit (unter Anwendung der oben beschriebenen Prozedur) erhalten wurden. Wenn die Quadrate der Mittelwerte der an die U-Transformation angepassten Gaußschen Verteilungen gegenüber den bekannten Röntgenstrahlenlinienenergien geplottet werden, dann wird wie in 8 gezeigt eine ausgezeichnete Gerade erhalten.
7 zeigt die Daten von 4 im u-Raum geplottet. Nachdem das Spektrum auf eine konstante Gaußsche Funktion reduziert wurde, wird die Aufgabe, sie zu entfalten, um das darunterliegende Spektrum zu entdecken, weitaus leichter. Es sind im Handel viele verschiedene Spektrumsvergrößerungsalgorithmen auf der Basis einer Reihe verschiedener Techniken erhältlich, wie z.B. Maximum-Entropie, Maximum-Likelihood und simuliertes Glühen. Diese werden der Fachperson gut bekannt sein. In diesem Beispiel erfolgte die Entfaltung mit einem leicht erhältlichen simulierten Glühalgorithmus (mit gleichförmiger normaler PSF).
Der simulierte Glühalgorithmus wurde in diesem Beispiel einfach deshalb verwendet, weil die relevante Software verfügbar war. Der Algorithmus wird von den Ideen abgeleitet, die in dem Artikel in Science 220 (1983) auf den Seiten 671-680 von S. Kirkpatrick, CD Gelatt und M P Vecci entwickelt wurden. Eine Zielverteilung (die Endlösung) wird durch Addieren oder Subtrahieren eines kleinen „Korns" zufallsmäßig über das Feld erzeugt. Das Korn wird so gewählt, dass es einen geringen Bruchteil der maximalen Amplitude in der Eingangsverteilung (d.h. den Rohdaten) hat, typischerweise 1%. Nach jeder Addition wird die Zielverteilung mit der bekannten Röntgenlinien-Ansprechfunktion gefaltet und es wird ein „Potential" von der Summe der Quadrate der Differenzen zwischen der gefalteten Zielverteilung und der Eingangsverteilung erzeugt. Eine Minimierung dieses Potentials ergibt eine Zielverteilung, die, wenn sie mit der Linienansprechfunktion gefaltet wird, den Rohdaten entspricht. Im Idealfall würde dieser Vorgang eine Reihe von Delta-Funktionen für jedes gegebene Röntgenstrahlenlinien-Impulshöhenspektrum ergeben.
Die Minimierung des Potentials wird durch Ausfiltern jedes Korns erzielt, das seinen Wert erhöht. Da der Vorgang leicht in einem lokalen Minimum eingefangen werden kann (besonders in den frühen Phasen), werden positive Ausschläge des Potentials auf Zufallsbasis zugelassen, reguliert durch einen Boltzman-Faktor, der durch eine „Temperatur" charakterisiert ist. Wenn Körner addiert (und verworfen) werden, wird diese „Temperatur" periodisch reduziert, um die positiven Ausschläge zu beschränken. Dies ist das „Glüh"-Konzept, das ein glattes Abklingen des Potentials und die Umwandlung der Zielverteilung in eine stabile Lösung gewährleistet. Die Konvergenz wird weiter dadurch unterstützt, dass die Korngröße mit fortschreitendem Prozess reduziert wird. (Für die studierten Röntgenstrahlenspektren beträgt die verwendete Körnerzahl typischerweise 10⁶ oder mehr. Das Programm wurde in Complied BASIC geschrieben und fährt 10⁶ Körner in etwa 1 Minute auf einem Celeron 433 MHz PC).
Der erweiterte Ausgang des simulierten Glühprogramms als Reaktion auf das in 7 gezeigte u-Spektrum (d.h. die Anwendung der von dem Fit in 7 abgeleiteten Gaußschen Ansprechfunktionen) ist in 9 dargestellt. Die vier Linien der MnK-Strahlung in einem mit Argon gefüllten Detektor sind deutlich aufgelöst. Die Zahl der Körner ist 10⁶ und die Anfangs-„Temperatur" ist 3 × 10^–5. Das hochfrequente statistische Rauschen in den Peaks ist ein Artefakt, das durch das „Einfrieren" der schlechten Statistiken zu Beginn des Glühprozesses verursacht wurde. Dies unterscheidet sich bei jedem Lauf und wird durch Mitteln der Ergebnisse über eine Reihe von Läufen stark reduziert (so scheinen z.B. acht Replikate sehr gut zu funktionieren). Alternativ könnten die Daten, da die Frequenz des Rauschens hoch ist, mit einer Gaußschen Verteilung von etwa der Hälfte der Breite der erweiterten Peaks geglättet werden. Dies ergibt rauschfreie Daten mit wenig Auflösungseinbußen.
10 zeigt die geglättete Version von 9, in den x-Raum (d.h. PHA-Kanäle) zurücktransformiert und mit den Rohdaten von 4 verglichen. Die Energieauflösung der durch den Algorithmus erzeugten Linien ist 239 eV (FWHM), im Vergleich zu 842 eV für die K_α-Linie In den ursprünglichen Daten. Eine weitere Verbesserung ist, dass im erweiterten Spektrum die Breite der Peaks im Wesentlichen von Energie unabhängig ist. Wenn man die durch die Peaks in 10 identifizierten Linienpositionen mit den bekannten Linienenergien vergleicht, dann sieht man, dass sie proportional sind und gut mit den von den Log-Normal-Fits gemäß 11 erhaltenen Werten übereinstimmen.
12 zeigt die U-Transformation des Impulshöhenspektrums, das durch scheinende Mn-Röntgenstrahlen auf eine im aktiven Volumen des Detektors untergebrachte Aluminiumprobe erhalten wurde. Die vorhandenen Linien sind die MnK-Röntgenstrahlen und die AlK-Röntgenstrahlen. Das Zahlenplateau entsteht aus der Erfassung der Fotoelektronen und Auger-Effekte von der Al-Oberfläche. Anhand der obigen Analysen sollte die Breite des Al-Peaks von der Transformation etwa 50% der Breite des Mn-Peaks betragen. 12 zeigt jedoch, dass die Peaks nach der U-Transformation nur eine Breitendifferenz von 10% haben. Die Diskrepanz von 10% kann auf die Plattenverstärkungsvariation zurückzuführen sein, die die ideale Energieabhängigkeit der Standardabweichung der Punktverteilungsfunktion stört.
13 zeigt diese simulierten Impulshöhenverteilungen eines GMSD als Reaktion auf Röntgenstrahlenlinien bei 0,75 keV, 1,5 keV, 3 keV und 6,0 keV. Die Simulation erfolgte mit einem Monte Carlo Programm, das 10⁴ Events in jeder Linie gibt. Die Energieauflösung des Detektors wird durch das Verhältnis FWHM = 39,3 E_x ^–1/2% ermittelt, was für Gaszähler typisch ist. Dies setzt sich um in σ_R = 0,166 E_X ^–1/2 (b in der oben gegebenen Log-Normal-Gleichung) und σ_X = 0,166 E_X ^–1/2 keV. Dies zeigt wiederum den Effekt der Energieabhängigkeit der Auflösung, indem veranlasst wird, dass die Röntgenstrahlenlinien derselben Intensität sehr unterschiedlich aussehen. Eine U-Transformation dieser Daten ist in 14 dargestellt, aus der ersichtlich ist, dass die Linienverteilungen im u-Raum im Wesentlichen dieselbe Breite und Amplitude haben. Indem die Transformation zur Variable u = x^1/2 gemacht wird, wird festgestellt, dass ein Schritt im u-Raum du = ½ x^1/2 dx ist. Wenn dx die Breite des Röntgenstrahlen-Impulshöhenspektrums ist, dann ist ersichtlich, dass σ_u = ½ x^1/2 σ_x ist. Es ist jedoch σ_x = k x^1/2 (wobei k eine Konstante ist), so dass σ_u = k/2 und von der Röntgenstrahlenenergie unabhängig ist. Wiederum wird die Normalisierung der Linienverteilung gewährleistet, indem die Transformation der Ordinaten des Impulshöhenspektrums gemäß dem Verhältnis dn/du = 2udn/du gemacht wird.
Wie in den obigen Beispielen, können die transformierten Peaks durch eine Gaußsche Funktion von konstanter Breite Stark angenähert werden, so dass ein Spektrumvergrößerungsalgorithmus angewendet werden kann. Eine Anpassung der vier Peaks von 14 an eine Summe von vier Gaußschen Funktionen mit derselben Standardabweichung ergibt eine sehr enge Passung mit Peak-Bereichen, die zu 10⁴ Signalen passen, mit Fehlern von weniger als 1%. Wenn Quadrate der Mittelwerte der angepassten Verteilungsmittel anhand der Eingangsenergie geplottet werden, dann wird eine perfekte Gerade erhalten.

Claims

Verfahren zum Identifizieren von Strahlung, die in einem wandlosen Proportionalgaszähler erfasst wird, der ein stabiles Impulshöhenspektrum erzeugt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: i) Korrigieren des Effekts einer positiven Schrägung des erfassten Impulshöhenspektrums; und ii) Ermitteln der Energie(n) und/oder Intensität(en) der erfassten Strahlung.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Korrektur Folgendes beinhaltet: i) Transformieren des erfassten Impulshöhenspektrums (dn/dx) in Übereinstimmung mit der Transformationsgleichung u = x^1/2, wobei x die Energie der erfassten Impulse im ursprünglichen Impulshöhenspektrum repräsentiert; ii) Erzeugen eines normalisierten Spektrums im u-Raum, das eine Repräsentation von dn/du in Abhängigkeit von u umfasst, wobei n die erfasste Impulszahl in Abhängigkeit von x ist; und iii) Entfalten des normalisierten Spektrums im u-Raum zum Vergrößern des Spektrums; wobei die Energie(n) und/oder Intensität(en) der erfassten Strahlung von dem vergrößerten Spektrum aus ermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei für den Schritt des Entfaltens des Spektrums im u-Raum das Spektrum als normale Gaußsche Verteilung behandelt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Entfalten mit einer aus einer Reihe herkömmlicher Spektrumsvergrößerungsmethoden einschließlich eines simulierten Glühens, einer Maximum-Entropie und einer Maximum-Wahrscheinlichkeit ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Korrektur Folgendes beinhaltet: i) Transformieren des erfassten Impulshöhenspektrums mit der Transformationsgleichung u = x^1/2, wobei x die Energie der erfassten Impulse im ursprünglichen Impulshöhenspektrum repräsentiert; ii) Erzeugen eines normalisierten Spektrums im u-Raum, das eine Darstellung von dn/du in Abhängigkeit von u umfasst, wobei n die erfasste Impulszahl in Abhängigkeit von x ist; und iii) Modellieren des normalisierten Spektrums im u-Raum durch Anpassen einer oder mehrerer Standardverteilungsfunktion(en) (oder der Summe von mehr als einer Standardverteilungsfunktion) an das Spektrum; wobei die Energie(n) und/oder Intensität(en) der erfassten Strahlung von der Best-Fit-Verteilung(en) aus ermittelt wird/werden.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Standardverteilungen normale Gaußsche Verteilungen sind.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die zum Modellieren des Spektrums verwendeten Standardverteilungen Log-Normal-Verteilungen sind.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Korrektur Folgendes beinhaltet: i) Anpassen einer Log-Normal-Verteilungsfunktion (oder der Summe von mehr als einer Log-Normal-Funktion) an das vom Zähler produzierte Impulshöhenspektrum, wobei die Energie(n) und/oder Intensität(en) der erfassten Strahlung von der Best-Fit-Log-Normal-Verteilung(en) aus ermittelt wird/werden.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die parametrische Form der Log-Normal-Verteilung gemäß der folgenden Formel verwendet wird:
wobei: dn/dx das Histogramm von Impulszahlen in Abhängigkeit von x ist; x die Energie jedes erkannten Impulses repräsentiert; ln(c) das Mittel der ln(x) Verteilung ist; und b die Standardabweichung der ln(x) Verteilung repräsentiert.
Verfahren zum Erfassen von Röntgenstrahlen, wobei das Verfahren die Verwendung eines wandlosen Proportionalgaszählers zum Erfassen der Röntgenstrahlen und das Produzieren eines Impulshöhenspektrums, das für die erfassten Strahlungsenergien und -intensitäten repräsentativ ist, und das Auflösen des Spektrums zum Identifizieren der Energie(n) und/oder Intensität(en) der erfassten Strahlung mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 beinhaltet.
Verfahren zum Durchführen von Röntgenfluoreszenzmessungen, wobei Röntgenstrahlung mit dem Verfahren nach Anspruch 10 erfasst wird.
Vorrichtung zum Erkennen von Strahlung, die einen Proportionalgaszähler umfasst, der für einen wandlosen Betrieb und die Produktion eines für die erfasste Strahlung repräsentativen stabilen Impulshöhenspektrums geeignet ist, und die ferner Mittel zum Ausführen des/der Schritte(s) eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11 umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei der Proportionalgaszähler ein Gas-Mikrostreifen-Detektor ist, der Folgendes umfasst: eine Anordnung von verschachtelten Anoden und Kathoden, die auf einem im Wesentlichen flachen Substrat definiert sind, wodurch sich eine im Wesentlichen planare Detektorplatte bildet; eine im Wesentlichen planare Driftelektrode (4) parallel zu der Erfassungsplatte, wobei die Driftelektrode (4) und die Erfassungsplatte so voneinander beabstandet sind, dass ein Gasvolumen dazwischen definiert wird; eine Öffnung oder ein Fenster (5) zum Einlassen von einfallender Strahlung in das Gasvolumen in einer Richtung parallel zu der Erfassungsplatte; wobei die Erfassungsplatte in wenigstens einen Detektorteil, der von einem jeweiligen Schutzteil (3) auf jeder Seite des Detektorteils in der Strahlungseinfallsrichtung begrenzt wird, und Elektronikmittel (6, 7, 8) in Verbindung mit dem Schutzteil unterteilt ist, um Events auszuschließen, die dem Detektorteil und jedem der Schutzteile gemeinsam sind.
Detektor nach Anspruch 13, wobei das Mittel zum Ausschließen gemeinsamer Events eine Unterscheidungsschaltung (7) umfasst, die Schutzteilevents unterhalb einer vorbestimmten Schwellenenergie ausschließt.
Detektor nach Anspruch 14, wobei die Schwellenenergie als ein Energieanteil der Spitzenenergie der erfassten Strahlung ermittelt wird.
Detektor nach Anspruch 15, wobei die Schwellenenergie gleich oder kleiner als 20% der Spitzenenergie der erfassten Strahlung ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, die für das Erfassen von Röntgenstrahlen zum Durchführen von Röntgenfluoreszenz- oder Röntgenfeinstrukturmessungen geeignet ist.