DE69816552T2

DE69816552T2 - Vorrichtung zum Messen der Aufsteigszeit von verrauschten Signalen von Gamma- oder Röntgendetektoren

Info

Publication number: DE69816552T2
Application number: DE69816552T
Authority: DE
Inventors: Jean-Paul Bonnefoy; Olivier Monnet; Jean-Pierre Rostaing
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1997-10-01
Filing date: 1998-09-29
Publication date: 2004-04-15
Anticipated expiration: 2018-09-30
Also published as: FR2769099B1; DE69816552D1; US6211664B1; EP0907086A1; FR2769099A1; EP0907086B1

Description

Erfindungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen der Aufsteigzeit von rauschgestörten Signalen, die von Halbleiterdetektoren stammen, die für Gamma- und Röntgenstrahlungen verwendet werden.
Die Erfindung findet Anwendungen auf dem Gebiet der Einzelphoton-Spektrometrie, nämlich dem der Gammastrahlen- oder Röntgenstrahlen-Spektrometrie, wenn der Röntgenstrahlenfluss ausreichend schwach ist, um eine Detektion eines einzelnen Photons zu ermöglichen. Insbesondere kann die erfindungsgemäße Vorrichtung integriert werden in die in der französischen Patentanmeldung Nr. RF-A-2 738 919 beschriebene Vorrichtung zur Korrektur von spektrometrischen Messungen
Stand der Technik
Der Fachmann kennt zahlreiche Typen von Detektoren, die bestimmt sind zur Messung von Gammastrahlungen oder Röntgenstrahlungen mit schwachem Fluss. Insbesondere sind die Detektoren auf der Basis von Halbleitem (CdTe oder CdZnTe) dem Fachmann bestens bekannt.
Obwohl diese Detektoren vor allem an die Detektion der Gammaphotonen angepasst sind, ermöglichen sie auch die Detektion von Röntgenstrahlen, wenn der Strahlungsfluss schwach ist. Es wird in der Folge der Beschreibung nur der Fall der Gammastrahlungen beschrieben, wobei es sich dabei aber auch um Röntgenstrahlungen mit schwachem Fluss handeln könnte.
Die CdTe- oder CdZnTe-Halbleiterdetektoren haben den Vorteil, die Energieumwandlung der Gammastrahlung in dem Halbleitermaterial direkt zu realisieren, ohne Zwischenschritte wie die Emission sichtbarer Photonen im Falle der Szintillatoren zu durchlaufen. Auf diese Weise macht man sich frei von den Kopplungsproblemen, die gleichbedeutend sind mit Leistungs- bzw. Wirkungsgradverlusten. Die zum Erzeugen eines Elektron-Loch-Paars in einem Halbleiter nötige Energie ist sehr viel geringer als in einem Gas oder in einem Szintillator (ungefähr 4 eV in den Halbleitem gegen 30 eV in den Gasen und 300 eV in den Szintillator-Photovervielfacher-Systemen). Infolgedessen ist die Anzahl der pro detektiertes Photon erzeugten freien Ladungen größer, was ermöglicht, bessere Energieauflösungen zu erhalten. Zudem ermöglichen die Atomnummer und die hohe Dichte der Halbleitermaterialien, Detektionsvolumina zu benutzen, die deutlich kleiner sind als diejenigen der Gasdetektoren oder der Szintillatoren, und dabei dieselbe Quantendetektionseffizienz zu erzielen.
Die Verwendung dieser Halbleitermaterialien als Röntgen- oder Gammastrahlungsdetektoren setzt das Abscheiden von zwei elektrischen Kontakten an der Oberfläche des Materials voraus, an deren Anschlüsse eine Polarisationsspannung bzw. Vorspannung angelegt wird. Die Ladungsträger, das heißt die Elektron-Loch-Paare, erzeugt durch die Wechselwirkung des Gammaphotons mit dem Material, trennen sich unter der Wirkung des elektrischen Feldes, wobei die Elektronen zu der positiven Elektrode wandern und die Löcher zu der negativen Elektrode. Die Fähigkeit dieser Ladungsträger, zu den Elektroden zu wandern, ohne sich durch in dem Halbleitermaterial vorhandene Defekte einfangen zu lassen, bedingt die Energieauflösung des gemessenen Spektrums. Diese Fähigkeit, auch Ladungsträger-Transporteigenschaft genannt, wird durch die Mobilität und Lebensdauer der Elektronen und der Löcher gemessen.
Wenn das Produkt aus Mobilität und Lebensdauer vergleichbar ist oder kleiner ist als die Wanderzeit der Ladungsträger zur Elektrode, ist die Energieauflösung mittelmäßig.
Es wurden zahlreiche Methoden erdacht, um das Einfangen der Löcher zu begrenzen, entweder auf einem elektrischen Feldeffekt oder einem geometrischen Feldeffekt beruhend, oder auch noch auf einer Amplitude-Aufsteigzeit-Korrelationsmessung, wobei das detektierte Signal dann die Summe der Ladung des Lochs und der des Elektrons ist.
Außerdem beschreibt die französische Patentanmeldung FR-A-2 738 919 ein Auswertungsverfahren eines durch einen Halbleiterdetektor gelieferten Signals, das ermöglicht, sich frei zu machen von den schlechten Transporteigenschaften der Löcher, indem ein Signal erzeugt wird, das repräsentativ ist für die Aufsteigzeit der elektronischen Komponente des durch den Detektor gelieferten Signals, das heißt der Komponente des Gesamtsignals, die dem Sammeln der Elektronen entspricht, die von der Wechselwirkung jedes Gammaphotons mit dem Halbleitermaterial stammen.
Dieses Dokument beschreibt auch eine Vorrichtung zur Durchführung dieser Signalauswertung.
Diese Vorrichtung umfasst verschiedene Einrichtungen zur analogen Verarbeitung der von dem Detektor stammenden Signale, darunter einen Spitzendetektor, mit dessen Ausgang eine Diskriminatorschaltung für das Aufsteigen zur Signalspitze verbunden ist. Diese Diskriminatorschaltung wird mit Hilfe eines Transistors realisiert, der einen Kondensator bis auf das Spitzenniveau des Signals auflädt. Der Ausgang dieser Diskriminatorschaltung ist mit Einrichtungen zur Bestimmung des Zeitpunkts des Endes des Aufsteigens verbunden.
Bei dieser Vorrichtung dient ein Hochpassfilter, angeordnet vor dem Spitzendetektor, dazu, die Übertragung des Eingangssignals sicherzustellen. Dieses Hochpassfilter muss folglich eine Grenzfrequenz fc haben, die niedriger ist als ½πt, wo t die maximale Aufsteigzeit der elektronischen Komponente des Signals ist.
Im Sinne einer guten Effizienz der elektronischen Korrektur, muss man Aufsteigzeiten messen, die 3- bis 10-mal kleiner sind als die maximale Aufsteigzeit.
Das Messen der Aufsteigzeit mit einem Spitzendetektor ist sehr empfindlich für Störsignale, was keinen Nachteil darstellt, wenn der Rauschabstand gut ist, was aber sehr störend sein kann in dem häufigen Fall, wo dieser Rauschabstand mittelmäßig ist, das heißt wenn die zu messenden Signale durch das elektronische Geräusch gestört werden.
Außerdem beschreibt eine Patentanmeldung mit der Nummer FR-A-2 738 693 eine Verarbeitungsvorrichtung von Informationen bzw. Daten, die von der Wechselwirkung eines Gammateilchens mit einem CdTe-Detektor stammen, der eine Amplitudenschaltung umfasst, die ermöglicht, den Anfangszeitpunkt der Messung der Aufsteigzeit eines Impulses zu bestimmen, und eine Zeitschaltung, die ermöglicht, das Ende der Aufsteigzeit des Impulses zu detektieren.
Diese Vorrichtung ist jedoch nur in dem Fall effizient, wo das Eingangssignal relativ langsam aufsteigt und sehr wenig gestört ist.
Nun sind aber in der Praxis die Signale am Ausgang der Detektoren sehr schwach (ungefähr 10^–15 bis 10^–19 Coulomb) und die Störgeräusche liegen von derselben oder sogar einer höheren Größenordnung (diese Geräusche können durch ein Filtern abgeschwächt werden).
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung ist genau das Beseitigen der Nachteile der oben beschriebenen Vorrichtungen, indem sie eine Vorrichtung vorschlägt, die ermöglicht, die Aufsteigzeit von durch elektronische Geräusche gestörte Signale mit mittelmäßigem Rauschabstand genauer zu messen als die Vorrichtung nach dem Stand der Technik.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht, sich frei zu machen von Störgeräuschen durch eine Frequenzfilterung, gefolgt von einer angepassten Zeitfilterung, das heißt einer Filterung, bei der die Verstärkung der Verstärkungskette angepasst ist an die zeitlichen Charakteristika des zu messenden Signals und die die Dauer der Aufsteigzeit des zu messenden Signals angibt.
Noch genauer betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Messen der Aufsteigzeit der elektronischen Komponente eines Störsignals durch elektronische Geräusche, wie definiert in dem Anspruch 1.
Nach einer Ausführungsart der Erfindung umfasst die Diskriminatorsschaltung eine Verschiebungsspannungsquelle, verbunden mit dem negativen Anschluss des Komparators, wobei an den positiven Anschluss dieses Komparators das am Ausgang der Differenzierschaltung erhaltene Signal angelegt wird.
Nach einer anderen Ausführungsart der Erfindung:

– umfasst die Diskriminatorschaltung eine Bezugsspannungsquelle, die in Serie geschaltet ist mit einem Dämpfungswiderstand und selbst mit dem negativen Anschluss des Komparators verbunden ist;
– resultiert die Differenzierschaltung aus der Verbindung des Ausgangs einer RC-Tiefpassschaltung mit dem negativen Anschluss des Komparators und der Einspeisung des direkt von dem Detektor stammenden Signals in den positiven Anschluss des Komparators.

Kurzbeschreibung der Figuren
Die 1A und 1B stellen schematisch zwei der ersten Ausführungsart entsprechende Varianten des Verkabelungsplans der Aufsteigzeit-Messvorrichtung dar;
die 2 zeigt das Chronogramm der durch die Vorrichtung der 1 erhaltenen Signale;
die 3A und 3B zeigen schematisch zwei der zweiten Ausführungsvariante entsprechende Varianten des Verkabelungsplans der Aufsteigzeit-Messvorrichtung; und
die 4 zeigt das Chronogramm der durch die Vorrichtung der 2 erhaltenen Signale.
Detaillierte Beschreibung von Ausführungsarten
Die Vorrichtung zur Messung der Aufsteigzeit der elektronischen Komponente eines von einem Halbleiterdetektor stammenden Signals umfasst Einrichtungen zur Frequenzfilterung dieser elektronischen Komponente, und Einrichtungen zum Durchführen einer Zeitfilterung, angepasst an die besagte Komponente.
Die Frequenzfiltereinrichtungen bestehen aus einer in den 1A, 1B, 3A und 3B jeweils mit C11 und C12 bezeichneten Differenzierschaltung. Die angepassten Zeitfiltereinrichtungen bestehen aus einer in den 1A, 1B, 3A und 3B jeweils mit C21 und C22 bezeichneten Diskriminatorschaltung. Die Aufsteigdiskrimination erfolgt durch Vergleichen der zeitlichen Spannungsänderung mit einer festen Spannung, Schwellenspannung genannt, festgelegt aufgrund der Änderungsneigung der zu messenden Spannung und der Spannung des Störgeräusches. Die Schwellenspannung wird justiert ohne auf den polarisierten bzw. vorgespannten Detektor einfallende Strahlung, um nur ein "akzeptables" Störsignal-Minimum zu erhalten.
Die Differenzierschaltung (C11 oder C12) filtert die Niederfrequenz-Störsignale des von dem Detektor stammenden Signals. Dazu umfasst sie wenigstens einen Widerstand r und einen Kondensator c zur Realisierung eines Hochpassfilters.
Dieses Hochpassfilter ermöglicht eine Störgeräuschdämpfung bis zu der Grenzfrequenz:
wo τ eine Verzögerungszeit ist (in der Folge genauer beschrieben), die niedriger ist als die minimale Aufsteigzeit des Signals. Die Dämpfung des Niederfrequenz-Störgeräusches wird bis zu der Frequenz
realisiert. Bei der früheren Realisierung des Dokuments FR-A-2 738 919 geht die Dämpfung des Niederfrequenz-Störgeräusches bis
. Da aber t_max > t_min > τ, ist die Dämpfung des Niederfrequenz-Stärgeräusches der erfindungsgemäßen Vorrichtung größer als diejenige der Vorrichtung nach dem Stand der Technik.
In den 1A und 1 B ist eine Differenzierschaltung 1. Ordnung dargestellt, das heißt eine, die nur eine einzige r/c-Schaltung umfasst. Jedoch kann im Falle der 3A und 3B diese Schaltung mittels mehrerer r/c-Stufen oder einer Verzögerungsleitung (allgemeiner Verzögerungsnetzwerke genannt) realisiert werden.
Die Diskriminatorschaltung (C21 oder C22) ermäglicht, ein Eingangssignal zeitlich verschoben (um eine Zeit τ) mit diesem selben Signal bzw. mit sich selbst zu vergleichen.
In der 1A ist eine erste Ausführungart der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Bei dieser Ausführungsart umfasst die Diskriminatorschaltung C21 einen Komparator k, der als Eingang an seinem positiven Anschluss (+) das Ausgangssignal der Differenzierschaltung C11 empfängt, und an seinem negativen Anschluss (-) eine positive Verschiebungsspannung V_dec.
Die Differenzierschaltung C11 umfasst einen Widerstand r und einen Kondensator c, verbunden in Form eines Hochpassfilters mit dem positiven Anschluss (+) des Komparators k der Diskriminatorschaltung. Das Eingangssignal v_θ, vom Detektor stammend aber in der Figur symbolisiert durch die Quelle S1, wird durch das r/c-Filter gefiltert. So wird nur die zeitliche Veränderung der Eingangsspannung v_θ (die die Ableitung des Eingangssignals über der Zeit τ ist und deren Niederfrequenzgeräusche unterdrückt worden sind) zum Vergleich in die Diskriminatorschaltung eingespeist.
Die Differenzierschaltung ist angepasst:

– einerseits derart, dass sie keine Messungen an dem Störsignal bei Fehlen von Strahlung verursacht; und
– andererseits an die zeitliche Entwicklung des Nutzsignals und an die Unterdrückung Störsignals während der Messung der Aufsteigzeit.

Der Ausgang v_s des Komparators k gibt die Aufsteigzeit der elektronischen Komponente des von dem Detektor stammenden Signals an.
Die Verschiebungsspannung v_dec, erzeugt durch die Spannungsquelle S2, ist angepasst an die Amplitude des Störgeräusches des zu verarbeitenden Signals. Mit anderen Worten ist sie so gewählt, dass das Geräusch alleine den Komparator k nicht auslöst. Noch genauer: je höher das Störgeräusch ist, um so höher wählt man durch die Quelle S2 ausgegebene Verschiebungsspannung.
Diese Verschiebungsspannung v_dec wird verglichen mit der Ableitung der Eingangsspannung
der um eine Zeit τ verzögerten Vorrichtung (auch Verzögerung τ genannt).
Bei den Anwendungen der Erfindung beträgt diese Verzögerung τ ungefähr 1/10e der maximalen Aufsteigzeit der Elektronen. Für die Detektion eines Gammaphotons mit der Energie 150 keV ist die Migrationszeit der Elektronen in dem Detektor enthalten zwischen 1 μs und 0,2 μs. An dem Ausgang v_s misst die Differenz tf - td diese Migrationszeit (s. 4).
Mit anderen Worten sind die Verzögerungen τ_d und τ_f durch diese Differenzierschaltung an td und tf erzeugt, vergleichbar und in der Größenordnung von r × c. In erster Annäherung wird rd durch rf kompensiert.
Die 1B zeigt eine Variante der Schaltung der 1A, bei der der positive Anschluss (+) des Komparators k eine negative Spannung V_ref erhält; ein Widerstand R ist dann zwischen dem positive Anschluss (+) des Komparators k und der Spannungsquelle V_ref geschaltet.
In der 2 sieht man die zeitliche Entwicklung der in der Vorrichtung der 1 erhaltenen Signale. Noch genauer zeigt dieses Chronogramm die Eingangsspannung v_θ der Vorrichtung, die Spannungen v⁺ und v^– an den Anschlüssen + und – des Komparators und die Ausgangsspannung v_s der Vorrichtung:

– die Spannung v_θ entspricht der elektronischen Komponente des von dem Detektor stammenden Signals;
– die Spannung v^– ist die von der Quelle S2 ausgegebene Spannung v_dec;
– die Spannung v⁺ ist die am Ausgang des durch r/c realisierten Filters erhaltene Spannung; und
– die Spannung v_s entspricht dem Signal, das man nach dem Vergleich des Signals v⁺ mit dem Signal v^– erhält; dieses Signal v_s hat zum Zeitpunkt td eine aufsteigende Flanke, die dem Anfangszeitpunkt der Aufsteigzeit entspricht, und zum Zeitpunkt tf eine absteigende Flanke, die dem Endzeitpunkt der Aufsteigzeit des Signals v_θ entspricht.

Die 3A zeigt eine zweite Ausführungsart der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Bei dieser Ausführungsart umfasst die Diskriminatorschaltung C22 einen Komparator k, dessen positiver Anschluss (+) das Eingangssignal v_θ(t) empfängt und der negative Anschluss (-) ein v^– genanntes Signal gemäß folgender Gleichung empfängt: v^– = v_θ(t - τ) + v_dec.
Noch genauer empfängt der negative Anschluss (-) des Komparators k einerseits die Bezugsspannung v_ref, die von der Spannungsquelle S3 stammt und von dem Dämpfungswiderstand R gedämpft wird, und andererseits die Spannung, die man an einem der beiden Ausgänge der Differenzierschaltung C12 erhält, das heißt das Eingangssignal v_θ(t -τ), verzögert um τ in Bezug auf das Eingangssignal v_θ(t).
Bei dieser Ausführungsart wird die Verschiebungsspannung mittels der Bezugsspannung v_ref geregelt, mit
mit R >> r.
Die Differenzierschaltung C12 umfasst einen Widerstand r und einen Widerstand r und einen Kondensator c, als Tiefpassfilter geschaltet und angeschlossen an den negativen Anschluss (-) des Komparators k. In der Praxis ist einer der Ausgänge der Differenzierschaltung C12 mit dem Ausgang des Dämpfungswiderstands R verbunden, und der andere Ausgang ist mit dem negativen Anschluss der Diskriminatorschaltung verbunden.
Bei dieser zweiten Ausführungsart wird der Einfluss des Störgeräusches verringert, indem man die Verzögerung τ reduziert.
Die 3B zeigt eine Variante der Schaltung der 3A, nach der die Spannung v_ref negativ ist und in den positiven Anschluss (+) des Komparators k eingespeist wird; ein Widerstand r ist dann zwischen der Spannungsquelle v_θ und diesem positiven Anschluss geschaltet.
Bei den beiden Ausführungsarten der Erfindung (Figuren 1A/B und Figuren 3A/B) ist die durch den Komparator k beobachtete Spannung die Spannung an den Anschlüssen des Widerstands r. bei der ersten Ausführungsart wird diese Spannung direkt beobachtet, während sie bei der zweiten Ausführungsart von dem Komparator differential beobachtet wird.
Bei beiden Ausführungsarten wurde die Differenzierschaltung mittels einer einzigen r/c-Stufe realisiert; jedoch kann sie bei der zweiten Ausführungsart, dargestellt in den 3, mittels zwei oder mehr r/c-Stufen realisiert werden, oder mittels einer Verzögerungsleitung, charakterisiert durch ihre Verzögerung τ.
In der 4 ist die zeitliche Entwicklung der verschiedenen Spannungen dargestellt, die diese Vorrichtung durchlaufen. Noch genauer sind dargestellt:

– die Spannung v⁺ am positiven Anschluss des Komparators k: v⁺ = v_θ(t);
– die Spannung v^– am negativen Anschluss des Komparators k v = v_θ(t - τ) + v^dec ;
– die Spannung v_dec, die die Spannungsverschiebung zwischen v⁺ und v^– (v⁺ – v^–) bei Fehlen des Eingangssignals ausdrückt;
– die Spannung (v⁺) – (v^–); und
– die Spannung v_s, die man am Ausgang des Komparators k erhält. Dieses Signal v_s umfasst eine aufsteigende und eine absteigende Flanke, die jeweils den Aufsteiganfangs- und -endzeitpunkten der elektronischen Komponente des von dem Detektor stammenden Signals entsprechen.

Claims

Vorrichtung zum Messen der Aufsteigzeit der elektronischen Komponente eines durch elektronische Geräusche verrauschten Signals, erhalten am Ausgang eines Halbleiterdetektors als Reaktion auf die Wechselwirkung eines Photons mit dem Halbleitermatenal des Detektors, wobei die Messvorrichtung eine Differenzierschaltung (C11, C12), die ein Hochpassfilter enthält, um die Störgeräusche niederer Frequenz des von dem Detektor stammenden Signals zu filtern, und eine Diskriminatorschaltung (C21, C22) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Diskriminatorschaltung (C21, C22) einen Komparator (k) enthält, um einen Vergleich durchzuführen zwischen dem von der Differenzierschaltung stammenden gefilterten Signal und einer Verschiebungsspannung, gewählt in Abhängigkeit von dem Störgeräuschpegel des von dem Detektor stammenden Signals, so dass das am Ausgang des Komparators erhaltene Spannungssignal eine aufsteigende Front und eine absteigende Front hat, die jeweils den Aufsteiganfangs- und -endzeitpunkten der elektronischen Komponente des von dem Detektor stammenden Signals entsprechen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Diskriminatorschaltung (C21) eine Verschiebungsspannungsquelle (S2) umfasst, verbunden mit dem negativen Anschluss des Komparators, wobei an den positive Anschluss des genannten Komparators das am Ausgang der Differenzierschaltung (C11) erhaltene Signal angelegt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet: – dass die Diskriminatorschaltung (C22) eine Bezugsspannungsquelle (S3) umfasst, in Reihe geschaltet mit einem Dämpfungswiderstand (R), der mit dem negativen Anschluss des Komparators verbunden ist; – dass die Differenzierschaltung (C12) mit den Eingängen der Diskriminatorschaltung (C22) verbunden ist; – dass der positive Anschluss des Komparators das von dem Detektor stammende Signal direkt erhält; und – dass der negative Anschluss des Komparators ein durch ein Verzögerungsnetz (der Verzögerung τ) verzögertes Signal erhält.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Hochpassfilter wenigstens einen Widerstand (r) und einen Kondensator (C) umfasst.