DE9417845U1

DE9417845U1 - Anlage zur Messung ultraschwacher Photonenemission (Photonenmeßsystem)

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Publication number: DE9417845U1
Application number: DE9417845U
Authority: DE
Original assignee: POPP FRITZ ALBERT DR
Current assignee: POPP FRITZ ALBERT DR
Priority date: 1994-11-08
Filing date: 1994-11-08
Publication date: 1995-04-20
Anticipated expiration: 2004-11-09

Description

- 1. BESCHREIBUNG

Anlage zur Messung ultraschwacher Photonenemission (Photonenmeßsystem PMS)

Bisher wurden bei der Messung "ultraschwacher Photonenemission" (= Licht im Spektralbereich von 200 bis 800 nm und Intensitäten in der Größenordnung von 10~¹⁸ bis 10 ~¹³ Watt, entsprechend einigen wenigen bis zu mehreren hunderttausend Photonen/(s cm²)) die Meßanlagen auf den jeweiligen Verwendungszweck zugeschnitten. So entstanden ausnahmslos Meßgeräte, die mit einem Photomultiplier in einem möglichst geringen Abstand zum Objekt in einem möglichst kleinen Meßvolumen mit weiteren bekannten Bauelementen (Verstärker, Diskriminator, Kühlung, Spannungsversorgung und Datenerfassung) ausgestattet waren. Eine solche Anlage ist beispielsweise der von Showa Denko K. K. vertriebene Chemilumineszenz-Zähler Shonic CL, TD-7. Ein einheitliches System, das für alle Verwendungszwecke, so zum Beispiel auch für die Messung der Photonenemission der menschlichen Haut in einem lichtdicht abgedunkelten Raum, verwendet werden konnte, gab es nicht. Die Erfindung beruht darauf, daß weiterhin mit bekannten Bauelementen, aber auch mit eigens angefertigten Bauteilen auf Grund langjähriger Erfahrung ein Meßsystem konstruiert und aufgebaut wurde, das unter anderem (l) sich für alle Meßzwecke einschließlich der Messung der Haut am ganzen Körper anwenden läßt, (2) das mit einer Sensitivität von mindestens 10~¹⁷ Watt arbeitet, (3) das eine genügend hohe Langzeitstabilität {weniger als 10% Abweichung der Meßwerte pro Jahr) arbeitet, (4) das gleichzeitig die Messung der ultraschwachen Photonenemission kurze Zeit (< 100 ms) nach vorheriger Anregung des Objekts mit Licht oder anderen Anregungsquellen einschließlich chemisch induzierter Anregung erlaubt, (5) das durch Koinzidenzmessung das Dunkelrauschen weitgehend unterdrücken läßt, (6) das Korrelationen der Photonenemission am Objekt (Fig.1.2) zu registrieren gestattet, und (7) das benutzerfreundlich ausgelegt ist. Die

- systematische Zusammenstellung der Einzelkomponenten, bei der es sich erwies, daß Detektorsystem (Fig.1.4), Anregungssystem (Fig.l.l), Steuersystem (Fig.1.3) und Datenerfassungssytem (Fig.1.5) in bestimmter flexibler Kopplung aufeinander abgestimmt werden müssen, führt zu einer Vielzweckanlage, mit der man beispielsweise gleichzeitig die "Qualität" von Lebensmitteln, den Zustand der Haut oder die Leitfähigkeit von Flüssigkeiten mit höchster Präzision schnell, sicher und ganzheitlich" in nicht-invasiver weise erfassen kann. Mit den in den Schutzansprüchen 1 bis 15 dargestellten Merkmalen werden die Probleme, die den bisherigen Ausführungsformen zugrundelagen, gelöst. Die Ausführungsform nach Schutzanspruch 1 ergibt sich im Prinzip aus Figur 1. Eine Ausführungsform nach Schutzanspruch 3 ist im Prinzip in Figur 2 dargestellt. Vorteilhafte Ausführungsformen der Anordnung sind in den Figuren 3 und 4 beschrieben.

AUSFÜHRUNGSBEISPIEL 1 (siehe Fig. 3)

1) Die Probenmesskammer (Fig.3.3) faßt 4 Küvettenhalterungen (Fig.3.9) für runde Quarzglasküvetten (Fig.3.8) für maximal 50ml Meßvolumen. Ihr Durchmesser beträgt 50mm und entspricht damit dem Durchmesser der Photokathode (Fig.3.7).

Die Messkammer läßt sich über Kammerboden (Fig. 3.10) temperieren; der angeschlossenen Umlauf-Temperatür-Stabilisator (Fig.3.4) sorgt für eine gleichbleibende Messkammertemperatur. Sie ist am Thermostatkopf stufenlos einstellbar.

Zur Messung werden alle 1-4 Küvetten in die Messkammer gestellt und anschließend der Reihe nach unter den Photomultiplier gedreht. Da die Lichtanregungsposition dieselbe ist wie die Messposition, kann die Emissionsmessung 5 unmittelbar nach der Bestrahlung erfolgen.

Zur Tischdrehung befindet sich im Kammerinneren ein bipolarer Schrittmotor, der über ein Zahnriemen den Tisch positioniert.

Die exakte Nullposition wird zu Anfang einer Messung durch, einen Näherungsinitiator ermittelt und zur Kalibrierung des Tisches verwendet.
5

Zur Messung der Kammer - und der Probentemperatur befinden sich Temperatursensoren am Küvettenrondel. Die Temperaturwerte werden über einen 8-bit AD-Wandler vom Computer (Fig.3.5) erfasst und auch während der Messung ständig am Bildschirm angezeigt.

2) Die Photomultiplier-Kühlkammer (Fig.3.1) beinhaltet ein lichtdichtes Multipliergehäuse mit Spannungsteiler (Fig.3.12) und Vorverstärker (Fig.3.13), einen Flüssigkeitswärmetauscher (Fig.3.14) mit Peltierelementen (Fig.3.15), einen stabilisierten Hochspannungswandler (Fig.3.16), sowie ein evakuiertes Doppelglasfenster aus Quarzglas (Fig.3.17) mit angebauter Fensterheizung. Der Kühlkammeraufbau ist lichtdicht auf dem Gehäusedeckel der Probenmesskammer aufgeschraubt. Der PM-Shutter (Fig.3.18) im Inneren der Messkammer verhindert die Belichtung der Photokathode bei offenem Kammerdeckel sowie während der Bestrahlung der Proben.

Der Head-On-Photomultiplier wird an seinem vorderen Ende mit zwei großflächigen Peltierelementen (Fig.3.15) auf -20⁰C gekühlt. Auf der jeweils warmen Seite der Peltierelemente dient ein Flüssigwärmetauscher (Fig.3.14) dazu, die entstehende Wärme aus der Kühlkammer zu transportieren. Es wird dabei derselbe Flüssigkeitkreislauf verwendet, der bereits zur Temperierung der Messkammer dient. Die entstehende Abwärme kann somit, falls gewünscht, gleichzeitig die Messkammer mit aufheizen.

Spannungsteiler (Fig.3.12) und Vorverstärker (Fig.3.13) sind rauscharm und mit hoher Verstärkung speziell für den Einsatz in der Low-Level-Luminescence-Messtechnik entwickelt worden.

Der Hochspannungwandler {Fig.3.16) ist stabilisiert und von 80 0 bis 1600 Volt regelbar. Hochspannung und Diskriminator sind hinsichtlich ihrer Werte auf ein optimales Signal-Rauschverhältnis einjustiert worden.

Die Fensterheizung (Fig.3.17) ist um die vorderer Quarzglasscheibe herum angeordnet und verhindert bei eingeschaltetet Kühlung ein Beschlagen der Scheibe.

3) In dem Gehäuse für Steuerung-und Lichtanregung {Fig.3.2) befinden sich die jeweiligen Spannungsversorgungen für die Peltierkühlung, für die Messkammersteuerplatine sowie für das Lichtanregungssystem.

Zur Versorgung der beiden Peltierelemente dient ein regelbares und stabilisiertes Linearnetzteil mit 250W Leistung. Über einen Temperatursensor direkt am Photomultiplier wird die jeweils erreichte Kühltemperatur gemessen und auf einen Sollwert geregelt und stabilgehalten.

Die Leistung der Halogenlichtquelle (Fig.3.6) wird ebenfalls über eine Photodiode vor dem Belichtungsshutter gemessen und an das Schaltnetzteil rückgekoppelt.

Zur Synchronisierung von Lichtanregung und Photomultipliermessung befindet sich hinter den beiden Bestrahlshuttern ein Phototransistor, der ab einem genau definierten Dunkelschwellwert den Photomultipliershutter freigibt und die eigentliche Messung startet.

Die eigentliche Messkammersteuerung ist auf einer einzelnen, doppelseitigen Steuerplatine (Fig.3.19) zusammengefasst; über eine getaktete Parallelschnittstelle werden die Temperaturmesswerte des AD-Wandlers zum Computer sowie sämtliche Steuersignale vom Computer übertragen.

Die im Gehäuse entstehenden Wärme wir über jeweils einen Lüfter an Front- und Rückseite abgeführt.

4) Der Vielkanalzähler (Fig.3.11) ist zusammen mit dem Diskriminator und einer Parallelschnittstelle zur Steuerung auf einem einzelnen Einsteckboard in einem IBM-AT-Computer untergebracht.

AUSFÜHRUNGSBEISPIEL 2 (siehe Fig. 4)

1) Meßkopf und Meßobjekt befinden sich in einer hermetisch abgedunkelten Kammerm (Dunkelkammer Fig.4.1).

2) Der Meßkopf wird über Schrittmotoren angetrieben und vom Computer (Fig.4.10) gesteuert; er wird exakt an die entsprechenden Körperteile bzw. Meßobjekte (Fig.4.12) bewegt und liegt dort mit einer Gummikappe auf. Die Steuerung erfolgt über eine separate Leistungsansteuerung (Fig.4.3) und den Computer.

Der Photomultiplier (Fig.4.2) wird mit Peltierelementen auf 20⁰C gekühlt. Die Abwärme wird über eine Flüssigumlaufkühlung nach außen geführt.

3) Um den Aufnahmekopf herum ist der Flüssiglichtleiter

(Fig.4.13) angebracht, der kurzzeitig ein genau definiertes Areal auf der Hautoberfläche bzw. der Meßprobe bestrahlt.

Die Lichtanregung (Fig.4.4) ist für verschiedene Entladungslampen ausgelegt und gestattet somit den Einsatz in einem breiten Spektralbereich. Eine Halterung für 0 Farbglasfilter vor der Lichtleitereintrittöffnung ist vorgesehen.

4) Das Hochspannungsnetzgerät (HV-Netzgerät (Fig.4.5) versorgt den Photomultiplier mit Hochspannung. Ein weiteres Netzgerät (NV-Netzgerät (Fig.4.6) versorgt Vorverstärker (Fig.4.8) und Diskriminator (Fig.4.9) gleichermaßen.

5) Das Meßsignal wird über einen Vorverstärker (Fig.4.8) verstärkt und über den nachfolgenden Diskriminator {Fig.4.9) digitalisiert.

6) Die Meßdatenerfassung geschieht mit einem umschaltbaren Vielkanalzähler (Fig.4.10), die Meßauswertung mit selbsterstellten Auswerteprogrammen.

BEZUGSZEICHENLISTE:

Fig. 1)

1. Anregungssystem 2. Obj ekt

3. Steuerungssystem

4. Detektorsystem

5. Datenerfassungssystem

Pig. 2)

,1. Detektor 1

2. Detektor 2

3. Objekt

4. Semitransparenter Spiegel 5. Koinzidenz

Fig. 3)

1. PM-Kühlkammer

2. Steuerung und Lichtanregung

3. Temperaturstabilisierte MeSkammer

4. Umlaufkühler

5. PC-AT-Computer

6. Lichtquelle

7. Photomultiplier 8. Probe

9. Probenkarussel

10. Temperaturstabilisierter Kammerboden

11. Diskriminator, Zähler- und Steuerkarte

12. Spannungsteiler 13. Vorverstärker

14. Flüssigwärmetauscher

15. Peltierelemente

16. Hochspannungswandler

17. Evakuiertes Doppelglasquarzfenster 18. Photomultiplier-Shutter

19. Steuerplatine

4)

1. Dunkelkammer

2. Detektorkopf

3. Motorsteuerung 4. Lichtanregung

5. HV-Netzgerät

6. NV-Netzgerät

7. Umlaufkühlung

8. Vorverstärker 9. Diskriminator

10. AT-Computer mit Vielkanalzähler

11. Monitor

12. Liege mit Meßperson

13. Flüssiglichtleiter

Claims

2. SCHÜTZANSPRUCHE

1. Anlage zur Messung der ultraschwachen Photonenemission, dadurch gekennzeichnet, daß Detektorsystem, Anregungssystem, Steuersystem und Datenerfassungssystem in flexibler Kopplung zueinander aufgebaut werden (Fig. 1).

2. Anlage nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß für das Detektorsystem mindestens ein Photomultiplier eingesetzt wird, der gekühlt , wird.

3. Anlage nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß für das Detektorsystem zwei oder mehrere Photomultiplier eingesetzt werden, die Koinzidenzen der einfallenden Photonen messen können, beispielsweise durch eine Anordnung nach Fig. 2.

4. Anlage nach Anspruch l bis 3,

dadurch gekennzeichnet, daß der {oder die) Photomultiplier in einer Vorrichtung untergebracht ist (sind), in der mindestens eine Vorkühlung der Kathode(&eegr;), beispielsweise mithilfe eines Peltierelements, erfolgt.

5. Anlage nach Anspruch 1 bis 4,

dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkreislauf für den (die) Photomultiplier zusätzlich einen Umlaufkühler enthält.

6. Anlage nach Anspruch 1 bis 5,

0 dadurch gekennzeichnet, daß ein Vorverstärker die Signale des Photomultipliers über eine einstellbare Schwelle anhebt.

7. Anlage nach Anspruch l bis 6,

dadurch gekennzeichnet, daß ein Diskriminator die vom Vorverstärker gelieferten Signale vom Grundrauschen trennt.

8. Anlage nach Anspruch 1 bis 7,

dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Photomultiplier mindestens ein Shutter angebracht ist, der ein schnelles Öffnen und Schließen des Lichteingangs des Photomultipliers gestattet. Die Öffnungszeit ist kleiner als 50 ms.

9. Anlage nach Anspruch 1 bis 7,

dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Photomultiplier eine Filtervorrichtung mit auswechselbaren Filtern angebracht . ist.

10. Anlage nach Anspruch l,

dadurch gekennzeichnet, daß ein Anregungssystem das Objekt unmittelbar vor der Messung in einer vorgebbaren Zeit anregt.

11. Anlage nach Anspruch l und 10,

dadurch gekennzeichnet, daß das Anregungssystem mit Licht 0 anregt.

12. Anlage nach Anspruch l, 10 und 11,

dadurch gekennzeichnet, daß das Anregungssystem mit verschiedenen Wellenlängen anregt. 25

13. Anlage nach Anspruch 1 bis 12,

dadurch gekennzeichnet, daß sie in einer lichtdichten Kammer untergebracht ist, so daß sie für die Messung der ultraschwachen Photonenemission, zum Beispiel für die 0 Prüfung der Qualität von Objekten (Fig. 3) einsetzbar wird.

14. Anlage nach Anspruch 1 bis 13,

dadurch gekennzeichnet, daß sie in einem lichtdichten Dunkelraum einer Größe von mindestens 1.80 m &khgr; Im &khgr; 1.80 m und einer Restlichtintensität von weniger als 50 counts/(s cm²) untergebracht ist so daß sie für die Messung der ultraschwachen Photonenemission der

menschlichen Haut eingesetzt werden kann (Fig. 4).

15. Anlage nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Detektorsystem relativ zum Körper des Probanden bewegt werden kann, so daß die Photonenemission jeder Stelle der Haut gemessen werden kann.