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Die
vorliegende Erfindung betrifft die Analyse eines Teilchenstroms,
der während
eines vorgegebenen Zeitraums von einem Teilchendetektor insbesondere
mit dem Ziel empfangen wird, die entsprechende einfallende Energie
zu messen.
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Die
Detektoren, die bei der vorliegenden Erfindung betrachtet werden,
sind bekannte Detektoren, wobei sie entweder vom Einzel- oder Matrixtyp sind
und wobei die Materialien, aus denen sie aufgebaut sind, entweder
Halbleiter oder andere Materialien sind. Das Dokument US 2002/0
154 729 A1 offenbart einen solchen Detektor. Es kann sich beispielsweise
um einen Detektor unter Verwendung eines CdZnTe-Materials handeln,
der Röntgenstrahlen ausgesetzt
wird. Die von diesen Detektoren ausgesendeten Signale können entweder
elektrische Ströme
sein, oder aber von einer physikalischen Wesensart sein, die auf
bekannte Weise in einen elektrischen Strom umgewandelt werden kann.
Es wird einfach vorausgesetzt, dass der Empfang eines Teilchens durch
den Empfänger
ein Ausgangssignal auslöst, das
die Form eines Impulses mit einer bestimmten Länge hat, wobei seine Maximalamplitude
repräsentativ
für die
Energie dieses Teilchens ist.
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Außerdem betrifft
die Erfindung die integrierenden Messsysteme, mit deren Hilfe die
Gesamtenergie der von dem Detektor während einer vorgegebenen Dauer
empfangenen Strahlung gemessen wird, indem der vom Detektor kommende
Strom über diese
Dauer integriert wird.
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Die
Erfindung findet auf jedes Gebiet Anwendung, in dem die Analyse
eines Teilchenstroms zweckdienlich sein kann, beispielsweise in
dem Fall, in dem diese Teilchen Photonen sind, in der Radiologie,
in der Fluoroskopie oder in der Bildgebung. Sie ist insbesondere
für Gebiete
ausgelegt, in denen ein Verfahren zur Verarbeitung des Signals angestrebt wird,
welches, obwohl es von hoher Güte
ist (in dem Sinne, dass das Verfahren sehr genaue Messungen des
Teilchenstroms ermöglicht),
dazu eine wenig Raum beanspruchende Vorrichtung verwendet, was insbesondere
der Fall ist, wenn diese Vorrichtung nicht aus einem einzigen Detektor
(Pixel), sondern aus einer Pixelmatrix aufgebaut ist, denn die Größe der verwendeten
Elektronik ist dann durch den Pixelabstand begrenzt.
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In
der weiteren Beschreibung wird, um die Ideen festzuhalten, von einer "Photonendetektion" die Rede sein (d.
h. von der Messung von Eigenschaften einer elektro magnetischen Strahlung),
es ist jedoch selbstverständlich,
dass die Erfindung völlig unabhängig von
der Art der detektierten Teilchen ist.
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Eine
wichtige Ursache für
die Beschränkung der
Verarbeitungsgüte
des Signals ist das Hintergrundrauschen, das immer in dem vom Detektor
abgegebenen Strom vorhanden ist. Dieses Hintergrundrauschen umfasst
wenigstens zwei Komponenten. Die erste Komponente ist der "Dunkelstrom", d. h. der schwankende
Strom thermischen Ursprungs, der vom Detektor auch dann abgegeben
wird, wenn er keine Photonen empfängt. Die Stärke dieses Stroms hängt von
der Temperatur des Detektors und seinem Polarisationszustand ab.
Die zweite Komponente ist der "Nachwirkungsstrom", d. h. der schwankende
Strom, der sich während
einer bestimmten Zeit nach dem Empfang eines Photons durch den Detektor
zeigt. Bei den Detektoren, die Halbleitermaterialien verwenden,
ist der Nachwirkungsstrom hauptsächlich
auf Kristalldefekte dieser Materialien zurückzuführen.
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Es
werden die Folgen dieses Hintergrundrauschens auf die Exaktheit
der Messungen untersucht, die mit Hilfe von bekannten Vorrichtungen,
die integrierend arbeiten, durchgeführt werden.
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In
diesen Vorrichtungen wird direkt der aus dem Detektor kommende Strom
integriert, und anschließend
wird von der auf diese Weise berechneten Ladung eine Größe subtrahiert,
von der angenommen wird, dass sie die Wirkung des Hintergrundrauschens
repräsentiert,
um den Wert zu erhalten, der für
die eigentliche einfallende Energie repräsentativ ist. Diese herkömmliche
Vorgehensweise ist wahrscheinlich durch das Bestreben begründet, die Gesamtheit
der einfallenden Energie, einschließlich geringer Werte, zu vermelden,
was das Nichtvorhandensein einer Vorrichtung zur Bearbeitung des Stroms
vor dem Integrator erklärt.
Wie oben erläutert kann
jedoch dem Hintergrundrauschen kein genauer Wert zugeschrieben werden,
insbesondere wegen der thermischer Driften, der thermischer Schwankungen
und der Nachwirkungen. Deshalb sind die Messungen der einfallenden
Energie nach Stand der Technik mit Fehlern behaftet, deren Größe außerdem schwer
zu beurteilen ist.
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Die
Erfindung hat folglich verhältnismäßig kompakte
Vorrichtungen zum Gegenstand, die imstande sind, bei den Messungen
von Teilchenströmen,
den Teil zu vermindern, der auf Driften und auf Schwankungen des
Hintergrundrauschens, die in den von einem Detektor kommenden Signalen
vorhanden sind, zurückzuführen ist,
insbesondere wenn dieser Teilchenstrom relativ schwach ist.
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Die
Erfindung betrifft deshalb erstens eine Vorrichtung für die Bearbeitung
des Signals (i), das von einem Teilchendetektor stammt, wobei die
Vorrichtung einen Integrator umfasst, der dazu bestimmt ist, die
Gesamtladung zu messen, die von einem Signal (i2)
transportiert wird, das den Integrator während einer vorgegebenen Zeit
speist. Gemäß der Erfindung
umfasst diese Vorrichtung außerdem
eine Gesamtheit von Einheiten, die dazu bestimmt ist, das von dem
Detektor kommende Signal (i) entgegenzunehmen, das in diesem Signal
(i) vorhandene Hintergrundrauschen zu verringern und das Signal
(i2) zu erzeugen.
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Die
Autoren der vorliegenden Erfindung sind sich nämlich darüber klar geworden, dass die
modernen Mittel zur Detektion des Signals an sich nicht genau und
rauscharm genug sind, um in Betracht ziehen zu können, Einrichtungen zur Korrektur
des Signals in Signalflussrichtung vor den Integrator und eben nicht
dahinter anzuordnen, ohne deswegen einen wesentlichen Teil der in
diesem Signal enthaltenen Informationen zu verlieren oder eine bedeutende Störkomponente
in diesem Signal zu erzeugen. Es ist dann möglich, entsprechende Einrichtungen
zu wählen,
um die eine oder andere Komponente des Signals, die dem Hintergrundrauschen
zuzurechnen ist, zu dämpfen,
ja sogar zu unterdrücken.
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Gemäß besonderen
Merkmalen der Erfindung ist eine der Einheiten dazu bestimmt, die Gleichkomponente
des Hintergrundrauschens zu unterdrücken. Diese Komponente besteht
im Wesentlichen aus dem Dunkelstrom, dessen thermische Drift als
langsam genug angenommen wird, um den Dunkelstrom entsprechend als
Gleichkomponente ansehen zu können.
Diese Einheit wird beispielsweise einen Reihenkondensator umfassen
können.
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Gemäß weiteren
besonderen Merkmalen der Erfindung ist eine der Einheiten dazu bestimmt,
die Schwankungskomponente des Hintergrundrauschens zu verringern.
Diese Komponente besteht im Wesentlichen aus den Schwankungen des
Dunkelstroms und aus dem Nachwirkungsstrom.
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Gemäß noch spezielleren
Merkmalen umfasst die Einheit, die dazu bestimmt ist, die Schwankungskomponente
des Hintergrundrauschens zu verringern:
- – einen
Umsetzer, der einem Eingangsstrom eine Ausgangsspannung (e) zuordnet,
gefolgt von
- – einem
Schwellenauslöser,
der den Strom durchlässt,
wenn die Spannung (e) einen ersten vorgegebenen Schwellenwert (ε1) übersteigt,
und den Stromdurchgang sperrt, wenn die Spannung (e) unter einen
zweiten vorgegebenen Schwellenwert (ε2) absinkt,
gefolgt von
- – einem
Umsetzer, der einer Eingangsspannung einen Ausgangsstrom zuordnet.
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Es
wird hier angenommen, um die Ideen festzuhalten, dass der Spannungsstoß e(t) positive Werte
annimmt; dem Leser wird es ein Leichtes sein, die Merkmale der Erfindung
auf den Fall zu übertragen,
in dem negative Werte beobachtet werden.
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Die
Vorrichtung gemäß der Erfindung
befreit sich folglich völlig
von der elektrischen Ladung, die zwischen den Impulsen von dem Signal
transportiert wird, so dass die Wirkung der Schwankungen des Hintergrundrauschens
nur während
der kurzen Dauer dieser Impulse erfahren wird, während der die Messungen durchgeführt werden.
Dies hat eine spürbare
Verbesserung der Qualität
der Messungen im Vergleich zu herkömmlichen Vorrichtungen zur
Folge.
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Die
Erfindung betrifft außerdem,
zweitens, eine Vorrichtung für
die Verarbeitung von Signalen, die von einer Gesamtheit von Teilchendetektoren
erzeugt werden, wobei an der Vorrichtung bemerkenswert ist, dass
wenigstens eines dieser Signale mittels einer Vorrichtung wie oben
knapp beschrieben verarbeitet wird.
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Es
wird angemerkt, dass die verschiedenen Vorrichtungen gemäß der Erfindung
mittels herkömmlicher
miniaturisierter Halbleiterbauelemente leicht verwirklicht werden
können,
wie in der nachstehenden ausführlichen
Beschreibung gezeigt wird, wodurch sich der geringe Raumbedarf dieser
Vorrichtungen sowie niedrige Ausführungskosten ergeben.
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Schließlich zielt
die Erfindung auf verschiedene Gerätschaften zur Analyse eines
Teilchenstroms ab, die wenigstens eine Vorrichtung wie oben knapp
beschrieben umfassen.
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Weitere
Aspekte und Vorteile der Erfindung werden deutlich bei Lesen der
folgenden ausführlichen
Beschreibung besonderer Ausführungsformen, die
als nicht beschränkende
Beispiele gegeben sind. Diese Beschreibung bezieht sich auf die
beigefügte Zeichnung,
worin
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1 eine
herkömmliche
Vorrichtung für
die Bearbeitung des von einem Teilchendetektor kommenden Signals
zeigt;
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2 eine
Vorrichtung für
die Bearbeitung des von einem Teilchendetektor kommenden Signals gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung zeigt;
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3 eine
Ausführungsform
der Einheit von 2 zeigt, die dazu bestimmt ist,
die Schwankungskomponente des Hintergrundrauschens zu verringern;
und
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4 zeigt,
wie sich das von dem Integrator kommende Signal in Abhängigkeit
von der Zeit ändert,
wenn die in 3 dargestellte Einheit verwendet
wird.
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1 zeigt
eine herkömmliche
Vorrichtung für
die Bearbeitung des Signals, das von einem Teilchendetektor 1 kommt,
der beispielsweise ein CdZnTe-Material verwenden kann, von einer
Hochspannungsquelle HT gespeist sein kann und zur Messung einer
Röntgenstrahlung
dienen kann.
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Der
Detektor 1 gibt als Reaktion auf die Ankunft eines Photons
auf seiner Empfangsfläche
einen Stromimpuls i ab. Der Strom i wird dann von einem Integrator 2 verarbeitet,
um ein Ausgangssignal s abzugeben, das die während der Zeit t vom Strom
i transportierte elektrische Gesamtladung repräsentiert.
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Der
Integrator 2 kann beispielsweise einen Verstärker A2 und parallel dazu einen Kondensator C2 umfassen. Außerdem startet ein Schalter
SW2, gesteuert von einer Logikeinheit 3,
den Integrationsvorgang bei vorgegebenen Intervallen T neu.
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2 zeigt,
gemäß einer
Ausführungsform der
Erfindung, eine Vorrichtung 100 für die Bearbeitung des Signals,
das von einem Teilchendetektor 1 kommt. Der Detektor 1 ist
jenem von 1 ähnlich. Diese Vorrichtung 100 umfasst
einen Integrator 2 und eine Logikeinheit 3, die
ebenfalls den entsprechenden Einrichtungen in 1 ähnlich sind.
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Gemäß der Erfindung
sind zwischen den Detektor 1 und den Integrator 2 Einheiten 4 und 5 eingefügt worden,
die dazu bestimmt sind, den vom Detektor 1 kommenden Strom
i entgegenzunehmen, das in diesem Strom i vorhandene Hintergrundrauschen
zu verringern und das Signal i2 zu erzeugen,
das den Integrator 2 speist.
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In
dieser Ausführungsform
ist zwischen den Detektor 1 und die Hochspannungsquelle
HT ein Polarisationswiderstand Rp eingefügt worden,
um die Ausgangsspannung des Detektors 1 zu stabilisieren.
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Der
aus dem Detektor 1 kommende Strom i gelangt in die Einheit 4,
die dazu bestimmt ist, die Gleichkomponente des Hintergrundrauschens
zu unterdrücken.
In dieser Ausführungsform
ist diese Einheit 4 einfach aus einem Kondensator C1 gebildet.
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Der
die Einheit 4 verlassende Strom i1 gelangt
dann in eine Einheit 5, die dazu bestimmt ist, die Schwankungskomponente
des Hintergrundrauschens zu verringern.
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Schließlich speist
der Strom i2, der diese Einheit 5 verlässt, den
Integrator 2, den schließlich das erfindungsgemäß "korrigierte" Signal s(t) verlässt.
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3 stellt
eine Ausführungsform
der Einheit 5 von 2 dar.
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In
dieser Ausführungsform
wird das von der Einheit 4 kommende Stromsignal i1(t) in dem Umsetzer 6 in ein Spannungssignal
e(t) umgesetzt. In dieser Ausführungsform
ist der Umsetzer 6 aus einem Verstärker A1 in
Parallelschaltung mit einem Widerstand R1 gebildet.
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In
einer Variante könnte
ein zusätzliches
parallel geschaltetes Element hinzugefügt werden, das von einem (nicht
gezeigten) Kondensator gebildet ist, wodurch es möglich ist,
den Stromverstärker
A1 in einen Verstärker der vom Detektor 1 kommenden
elektrischen Ladungen zu überführen. Es
muss dann in Reihe zu dieser Gesamtheit ein (nicht dargestelltes) Bandpassfilter
hinzugefügt
werden, wodurch es möglich
ist, auf eine Spannung zurückzukommen,
die das Abbild des vom Detektor 1 kommenden Stroms ist. Diese
Ausführungsvariante
ermöglicht
wie die oben angegebene Ausführungsform
den Anteil des Hintergrundrauschens in den Messungen zu verringern,
jedoch mit einem besseren Signal-Rausch-Verhältnis bei einer etwas komplizierteren
Konfiguration.
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Die
Einheit 5 umfasst schließlich einen Schwellenauslöser 7,
hier schematisch in Form eines Schalters SW1 dargestellt,
der durch eine Logikeinheit 8 gesteuert ist und in der
Praxis beispielsweise einen Komparator enthalten kann.
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Der
Schwellenauslöser 7 lässt den
Strom durch, wenn die Spannung e(t) einen ersten vorgegebenen Schwellenwert ε1 übersteigt,
und sperrt den Stromdurchgang, wenn die Spannung e(t) unter einen
zweiten vorgegebenen Schwellenwert ε2 absinkt. Die
Schwellen ε1 und ε2 werden entsprechend der vorgesehenen Anwendung
so angepasst, dass ihr Wert niedrig genug ist, um den größten Teil
des Stroms während
der Impulse, die aus dem Auftreffen eines Teilchens auf den Empfänger resultieren, durchzulassen,
und so, dass er hoch genug ist, um den Strom nicht durchzulassen,
wenn dieser Letztere nur Schwankungen des Dunkelstroms und/oder
des Nachwirkungsstroms enthält.
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Die
Einheit 5 umfasst schließlich einen Umsetzer 9,
der dem Spannungssignal am Ausgang des Schwellenauslösers 7 einen
Strom i2 zuordnet. In dieser Ausführungsform
ist der Umsetzer 9 einfach aus einem Widerstand R2 gebildet.
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4 veranschaulicht
das Verhalten des Signals e bzw. s als
Funktion der Zeit t.
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Die
Funktion e(t) zeigt eine Impulsfolge oberhalb der Ruhespannung (hier
als Null angenommen) zwischen t = t0 und
t = t1, dann zwischen t = t2 und
t = t3 usw., diese Impulse sind selbstverständlich die durch
die Einheiten 4 und 6 erfolgende Wiedergabe der
im Strom i vorhandenen Impulse. Die in 4 veranschaulichte
Spannungskurve e(t) zeigt die Unregelmäßigkeiten, die auf thermische
Schwankungen und auf Nachwirkungen zurückzuführen sind, wobei jedoch in
der Praxis die relative Amplitude dieser Unregelmäßigkeiten
im Allgemeinen nicht so groß wie jene
ist, die hier dargestellt ist, um die Erfindung besser zu erläutern.
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In
dieser Ausführungsform
ist für
die Auslöseschwelle
des Schwellenauslösers 7 ε1 = ε2 ≡ ε genommen
worden.
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Die
Kurve, die das Signal s(t)
repräsentiert, das
die Vorrichtung 100 gemäß der Erfindung
verlässt,
weist folglich die Integration der Ladungen, die von dem Strom i
transportiert werden, vermindert um insbesondere die Gleichkomponente
des Hintergrundrauschens auf.
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Es
ist festzustellen, dass dieses Signal s(t)
in den Perioden, wie etwa dem Intervall zwischen t = t1 und
t = t2, die sich zwischen den Impulsen befinden, die
durch das Auftreffen eines Photons auf den Detektor erzeugt werden,
konstant bleibt. Folglich ist durch die Erfindung die gemessene
Gesamtladung völlig
frei von Hintergrundrauschen, das während der Perioden zwischen
den Impulsen wirkt.
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Andererseits
weist das Signal s(t) in den
Perioden, wie etwa dem Intervall zwischen t = t0 und
t = t1 oder zwischen t = t2 und
t = t3 ansteigende Abschnitte auf, die dem
Auftreffen eines Photons auf den Detektor entsprechen. Die gemessene
Gesamtladung ist frei von der Gleichkomponente des Hintergrundrauschens,
das während
der Impulsperioden wie in den Perioden zwischen den Impulsen wirkt. Wenn
es stimmt, dass die Vorrichtung gemäß der Erfindung während der
Impulsperioden die elektrische Ladung, die auf die Schwankungskomponente
des Hintergrundrauschens zurückzuführen ist,
nicht unterdrückt,
wird ohne weiteres klar, dass dieser Beitrag zur Gesamtladung desto
geringer ist, umso kürzer die
Gesamtdauer der Impulse im Vergleich zur Gesamtdauer der Messung
T ist. Die Erfindung ist folglich desto vorteilhafter, umso schwächer der
Teilchenstrom ist. Jedoch ist außerdem festzustellen, dass
dann, wenn der betrachtete Teilchenstrom stark ist, die gemessene
Gesamtladung groß ist
und die Schwankungskomponente des vom Detektor kommenden Stroms
dann auf jeden Fall vernachlässigbar
ist.
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Die
vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen
beschränkt;
im Grunde genommen wird der Fachmann verschiedene Varianten der
Erfindung umsetzen können
und dabei innerhalb des Schutzbereiches der beigefügten Ansprüche bleiben.
Beispielsweise ist ohne weiteres einzusehen, dass statt zwischen
dem Detektor 1 und dem Integrator 2 die Einheit 4 vor
der Einheit 5 anzuordnen, diese auch, bei einer entsprechenden
Einstellung der Schwellen ε1 und ε2, in der umgekehrten Reihenfolge angeordnet
werden können.