WO2024132550A1 - Radiometrischer detektor - Google Patents

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WO2024132550A1
WO2024132550A1 PCT/EP2023/084668 EP2023084668W WO2024132550A1 WO 2024132550 A1 WO2024132550 A1 WO 2024132550A1 EP 2023084668 W EP2023084668 W EP 2023084668W WO 2024132550 A1 WO2024132550 A1 WO 2024132550A1
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WO
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detector
photodiode
scintillator
encapsulation
container
Prior art date
Application number
PCT/EP2023/084668
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English (en)
French (fr)
Inventor
Gerd BECHTEL
Viraj Chitale
Markus Franzke
Original Assignee
Endress+Hauser SE+Co. KG
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F23/00—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm
    • G01F23/22—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water
    • G01F23/28—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring the variations of parameters of electromagnetic or acoustic waves applied directly to the liquid or fluent solid material
    • G01F23/284—Electromagnetic waves
    • G01F23/288—X-rays; Gamma rays or other forms of ionising radiation
    • G01F23/2885—X-rays; Gamma rays or other forms of ionising radiation for discrete levels
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F23/00—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm
    • G01F23/22—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water
    • G01F23/28—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring the variations of parameters of electromagnetic or acoustic waves applied directly to the liquid or fluent solid material
    • G01F23/284—Electromagnetic waves
    • G01F23/288—X-rays; Gamma rays or other forms of ionising radiation
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01T—MEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
    • G01T1/00—Measuring X-radiation, gamma radiation, corpuscular radiation, or cosmic radiation
    • G01T1/16—Measuring radiation intensity
    • G01T1/20—Measuring radiation intensity with scintillation detectors
    • G01T1/2018—Scintillation-photodiode combinations
    • G01T1/20181—Stacked detectors, e.g. for measuring energy and positional information

Definitions

  • the invention relates to a detector for radiometric measuring systems.
  • measuring devices or measuring systems are often used to record and/or influence process variables.
  • the process variables determined include the fill level, flow, pressure, temperature, pH value, redox potential or conductivity.
  • different measuring principles are implemented in the measuring device or measuring system. Actuators such as valves or pumps are used to influence process variables, which can be used to change the flow of a liquid in a pipe section or the fill level in a container.
  • Actuators such as valves or pumps are used to influence process variables, which can be used to change the flow of a liquid in a pipe section or the fill level in a container.
  • a large number of such measuring devices and measuring systems are manufactured and sold by the Endress + Hauser group of companies.
  • Radiometric measuring systems are used to measure fill levels, particularly in applications where other measuring principles such as radar fail due to harsh operating conditions.
  • radioactive radiation for example gamma radiation from a cesium or cobalt source
  • a radioactive radiation source in the measuring system and passed through the container with the relevant filling material.
  • the transmitted radiation intensity is recorded by a corresponding detector in the measuring system.
  • the detector is arranged on the container approximately opposite the radiation source. By determining the intensity or power of the signal received by the detector, the transmitted portion of the radiation emitted by the radiation source is determined.
  • the fill level of the filling material in the container is in turn determined on the basis of the transmitted portion.
  • the transmitted portion of the radioactive radiation power cannot be directly detected after passing through the container.
  • the radioactive radiation in the detector must first be converted into electromagnetic radiation in the optical spectral range by a suitable material. Only then can the radiation power within the detector be detected by a photoreceiver, such as a photomultiplier or a photodiode, in particular an avalanche photodiode or a silicon photomultiplier.
  • scintillating materials Materials that exhibit such scintillating properties are referred to as scintillating materials.
  • Organic scintillator materials such as polystyrene, polyvinyl toluene, or inorganic or crystalline forms such as thallium-doped sodium iodide and gadolinium aluminum gallium garnet (Gd 3 AI 2 Ga 3 0i 2 ) exhibit these properties. scintillating property.
  • measuring systems based on this radiometric measuring principle can, after appropriate calibration, also determine the density of the filling material as an alternative to the fill level. Radiometric fill level or density measuring systems are already known from the state of the art. The basic functional principle is described, for example, in the patent specification EP 2 208 031 B1.
  • Each radiometric measuring system must be individually adapted to the process or container to be observed. This applies in particular to the detector, since the vertical area of the container to be observed, whether for level or density measurement, must be completely covered by the detector's scintillator. However, depending on the process and container size, the area to be covered can vary greatly.
  • the invention is therefore based on the object of providing an individually adaptable measuring system in this regard.
  • the invention solves this problem by a radiometric detector for radiometric measuring systems, which comprises the following components:
  • a scintillator and one or a plurality of photodiodes which are optically connected to the scintillator in order to generate an electrical evaluation signal depending on the intensity of radioactive radiation entering the scintillator.
  • these can be arranged, for example, as an array, in particular on a common semiconductor component.
  • the photodiode(s) can be designed, for example, as a GaAs-based avalanche photodiode or as a silicon photomultiplier (“S/P/W”).
  • S/P/W silicon photomultiplier
  • the term “photodiode” is therefore also explicitly understood to mean silicon photomultipliers.
  • the at least one photodiode and the scintillator are so compactly dimensioned and coupled to one another that they can be encapsulated using microelectronic construction and connection techniques.
  • a corresponding joint encapsulation of the detector can also protect the scintillator and the photodiode from optical interference radiation if designed accordingly.
  • the evaluation signal of the detector can be tapped via an electrical output of the encapsulation.
  • the encapsulation or the output can be designed according to any type of IC package, such as
  • Multi-chip package with encapsulated circuit board.
  • the advantage of the detector according to the invention is that it can be handled as a conventionally assembled electronic component. This makes it possible to design radioactive measuring systems in a modular manner or to adapt them individually to the respective application area with little construction effort.
  • the structure of the detector according to the invention can be further simplified if the encapsulation is formed by the scintillator or vice versa. This can be achieved, for example, with organic scintillator materials that are cast as encapsulation by means of injection molding, for example.
  • the scintillator-based encapsulation in this design variant must be coated in an optically non-transparent manner.
  • the detector according to the invention can also be expanded in such a way that a signal processing unit is connected downstream of the at least one photodiode within the encapsulation, which can amplify, filter and/or digitize the evaluation signal.
  • a signal processing unit is connected downstream of the at least one photodiode within the encapsulation, which can amplify, filter and/or digitize the evaluation signal.
  • a high-voltage converter can also be integrated within the encapsulation to supply voltage to the photodiode.
  • the detector according to the invention can be encapsulated in a particularly compact manner - for example on the basis of a "chip-scale package" - provided that the signal processing unit, the high-voltage source or the temperature sensor are designed as an integral part of the semiconductor component which also comprises the photodiode(s).
  • the detector according to the invention can be used, for example, in computer tomographs or in radiometric measuring systems in industrial process measurement technology, for example to determine a density, a density profile and/or a fill level of a filling material in a container.
  • Measuring systems that can be used in this way are constructed as follows: A radioactive radiation source is mounted in relation to the container in such a way that radioactive radiation is emitted towards the container within a defined beam cone, at least one detector according to the invention according to one of the previously described embodiments is mounted on the container opposite the radiation source in such a way that the scintillator of the respective detector is at least partially located in the beam cone.
  • An evaluation unit connected to at least one detector uses the evaluation signal(s) to determine the density, density profile or fill level of the filling material in the container, depending on the design of the measuring system.
  • the term "unit" in the context of the invention refers in principle to any electronic circuits that are intended for the specific purpose, e.g. for measuring signal processing or as an interface.
  • the respective unit can therefore comprise corresponding analog circuits for generating or processing analog signals.
  • the unit can also comprise digital circuits such as FPGAs, microcontrollers or storage media in conjunction with corresponding programs.
  • the program is designed to carry out the necessary process steps or to apply the necessary computing operations.
  • different units within the meaning of the invention can potentially also access a common physical memory or be operated using the same physical digital circuit.
  • it is not relevant whether different electronic circuits within a unit are arranged on a common circuit board or on several interconnected circuit boards.
  • the measuring system comprises several cascaded detectors, which are arranged vertically next to one another on the container.
  • the detectors can either be fitted on a common circuit board. Or the detectors can each be arranged on a separate circuit board and housed in a separate housing so that they can individually supplement the measuring system as an independent module.
  • the detectors according to the invention are to be arranged as an array in accordance with the functional principle of tomography.
  • Fig. 1 A cross-sectional view of a detector according to the invention
  • Fig. 2 a cross-sectional view of the detector in a preferred embodiment
  • Fig. 3 a block diagram of a variant of the detector
  • Fig. 4 a radiometric measuring system based on detectors according to the invention on a container.
  • Fig. 1 shows the structural design of a detector 1 according to the invention for radiometric measuring systems that can be used, for example, for level measurement or in computer tomography.
  • the detector 1 comprises all the components required to generate an electrical evaluation signal s a based on incident radioactive radiation, which represents the power or intensity of the incident radiation. This can be used to draw conclusions about other physical quantities that are meaningful in the context of various measuring principles, such as computer tomography, among others.
  • a scintillator 11 of the detector 1 accordingly serves to convert incident radioactive radiation into optical radiation or radiation that is spectrally adjacent there.
  • the scintillator 11 can be based on organic scintillator materials such as polystyrene or polyvinyl toluene.
  • inorganic scintillator materials can be used which have corresponding scintillating properties, such as thallium-doped sodium iodide or gadolinium-aluminum-gallium garnet.
  • the radiation converted into optical radiation by the scintillator 11 is subsequently converted into an electrical current by a single photodiode 12 or an array of photodiodes 12, which represents the electrical evaluation signal s a at least in raw form.
  • the photodiode 12 is to be designed so that its band gap corresponds to the scintillator material or to the wavelength of the radiation converted into optical radiation.
  • the detector 1 is characterized in that it is encapsulated using construction and connection techniques known from semiconductor technology. This means that the detector 1 can be fitted onto circuit boards or laid out as a separate module, so that corresponding radiometric measuring systems can be designed to be compact and modular.
  • any type of IC encapsulation is suitable, such as THP ("Through Hole Package” or SMD ("Surface Mount Device”).
  • the dimensions of the scintillator 11 are selected in the order of magnitude of the semiconductor component which comprises the photodiode 12 or the array of photodiodes 12. This means that at a defined contact surface to the semiconductor component, the relevant edge lengths of the approximately cuboid-shaped scintillator 11 correspond at most to the edge length of the semiconductor component, as shown schematically in Fig. 1. It is essential In this embodiment, the scintillator 12 covers the area on the semiconductor surface which is formed by the photodiode/photodiodes 12. In the case of both organic and inorganic materials, the scintillator 11 can be attached to the photodiode(s) 12, for example by means of optically transparent adhesive, so that they are optically coupled to one another.
  • the height of the scintillator 11 protruding from the photodiode 12 in the embodiment shown in Fig. 1 is dimensioned such that it is not greater than the longest edge length of the semiconductor chip.
  • the encapsulation 14 of the detector 1 according to the invention can be designed as any type of IC package. The only important thing here is that the encapsulation material has an optical shielding effect and completely encloses the scintillator 11 and the semiconductor component so that the photodiode 12 is protected from external light.
  • any mold encapsulation known from the state of the art can be used for this purpose, with black-colored plastics being particularly advantageous for protection against external light.
  • the encapsulation 13 it is also conceivable to design the encapsulation 13 on a ceramic basis or as a metal housing (“metal can package”).
  • the detector 1 is encapsulated according to the THP type (“Through Hole Package”). Accordingly, the semiconductor component, which includes the photodiodes 12, is arranged on a lead frame 133 and connected accordingly using bonding wires. One of the pins 131 of the THP encapsulation functions as an electrical output for the evaluation signal s a .
  • Fig. 2 shows a further embodiment of the detector 1 according to the invention, which corresponds to the embodiment shown in Fig. 1 with the exception of the encapsulation 13 and the scintillator 11.
  • the encapsulation 13 is formed by the scintillator 11, or vice versa.
  • the photodiode(s) 12 are encapsulated with scintillator material, for example by means of injection molding or a comparable manufacturing process.
  • a suitable plastic such as polystyrene or polyvinyl toluene, is to be used as the scintillator material.
  • the advantage of this is that, in terms of manufacturing technology, the dedicated assembly of the scintillator 12 is not necessary.
  • Fig. 3 shows a possible block diagram of the semiconductor component which monolithically comprises the photodiode/photodiodes 12.
  • an analog low-pass filter 121 is connected downstream of the photodiode(s) 12 within the semiconductor component in order to filter high-frequency interference components from the evaluation signal s a before it is passed to the signal output 131.
  • a high-voltage source 123 is also monolithically integrated in the semiconductor component, the block diagram of which is shown in Fig. 4, in order to supply the photodiodes 12 with the required direct voltage of 20-95 V.
  • the high-voltage source 123 can be based on the “switched capacitor” principle, for example.
  • this also includes a chip-integrated temperature sensor 122.
  • the temperature value measured by the temperature sensor 122 can be tapped via a separate electrical output 136 on the semiconductor chip or at a corresponding connection of the detector 1 in order to supply the temperature value to the evaluation unit 6, for example.
  • the evaluation unit 6, if designed accordingly, can regulate the high-voltage source 123 in such a way that the temperature dependence of the output signal s a of the photodiode 12 is compensated.
  • the detector 1 includes, for example, on a corresponding pin, an electrical input 135 for controlling the high-voltage source 123, which in turn is controlled, for example, by the evaluation unit 6.
  • the power supply for the high-voltage source 123, the temperature sensor 122 and the low-pass filter 121 takes place chip-internally via a common power supply connection on the semiconductor chip or on the detector 1.
  • the block diagram shown in Fig. 4 can also be implemented using hybrid components on a common circuit board.
  • the entire circuit board must be encapsulated according to the "system in package” principle, according to which the circuit board is encapsulated together with the components 12, 121, 122, 133 located on it.
  • Fig. 4 illustrates a radiometric measuring system for industrial level measurement as a possible application of the detector 1 according to the invention.
  • Fig. 4 shows a container s of an industrial process plant.
  • the container 3 can contain, for example, crude oil as the filling material 2, which undergoes a refraction process there.
  • the filling level L of the filling material 2 is to be determine, whereby radiometric level measurement is used due to the harsh process conditions.
  • a radiation source 5 of the measuring system is arranged and aligned so that radioactive radiation emerges within a defined beam cone a towards the container 3.
  • the radiation source 5 is arranged at an upper end area of the container 3 and is inclined downwards by approximately 45°.
  • the detectors 1 are arranged opposite one another on the container 3 and are each aligned with their scintillator 11 towards the container 3, so that the detectors 1 are distributed vertically at the same distance in the beam cone a of the radiation source 5 or in the relevant height range for level measurement.
  • the detectors 1 are surrounded by a common housing 14, which protects against environmental influences such as optical radiation.
  • the detectors 1 can be arranged or electrically contacted within the housing 14, for example on a common circuit board.
  • the detectors 1 designed according to the invention enable a structurally simple adaptation of the measuring system to different container sizes, since the number of detectors 1 can be expanded modularly.
  • a further degree of freedom is the vertical distance between the detectors 1 on the container 3. Due to the vertical arrangement of the detectors 1 in the beam cone a of the radiation source 5, each detector 1 receives the radioactive radiation after it has passed through the filling material 2 or through the gas phase located above it in the interior of the container.
  • the respective intensity of the radiation received - in relation to the initial intensity at the radiation source 5 - depends essentially on the fill level L of the filling material 1 and on its density: If, depending on the fill level L, filling material 2 is in the beam path between the radiation source 5 and the respective detector 1, the intensity of the incident radiation is reduced accordingly significantly.
  • the radiation intensity is represented by the evaluation signal s a of the associated detector 1. The reason for this is that the incoming radioactive radiation within the detectors 1 is converted by means of the scintillators 11 into optical radiation in the visible or adjacent UV/IR range, and that the radiation converted into optical radiation by the respective scintillator 11 is converted by the photodiode 12 into the electrical evaluation signal s a .
  • the fill level L can also be calculated, for example, in the form of an analogue or relative value by adding the evaluation signals s a in terms of signal technology, whereby the added value can be assigned to an absolute or relative fill level value L, for example on the basis of a calibration.
  • each evaluation signal s a represents a density value of the filling material 2 (e.g. based on a calibration).
  • the evaluation signal s a of each detector 1 can be assigned a corresponding height on the container s (or at least a number in a height-dependent sequence 1 - 11), which results in the height-dependent density profile. If only a single density value is to be determined, the measuring system only needs to comprise a single detector 1, in contrast to the embodiment shown in Fig. 4.
  • the measuring system shown in Fig. 4 comprises a correspondingly designed evaluation unit 6, which is mechanically connected to the lowest detector 1 or to the corresponding end area of the housing 14 in an independent housing part.
  • the detectors 1 can be coupled to the evaluation unit 6, for example, serially or via a bus system, in order to transmit the evaluation signal s a or to supply the detectors 1 with power.
  • the evaluation unit 6 can be functionally designed in such a way that, on the one hand, the number of detectors 1 currently connected or their order (on the container 3) can be recorded.
  • the evaluation unit 6 automatically sets or adapts the height range over which the density profile is created or the fill level L is measured depending on the number of detectors 1 currently connected.
  • the radiation source 5 and the detectors 1 or the housing 14 can be mounted either directly on the container 3 or indirectly on corresponding free-standing stands.
  • the evaluation unit 6 of the measuring system for controlling the process can be connected to a higher-level unit 4, such as a local process control system or a decentralized server system, via a separate interface unit, such as "4-20 mA”, “PROFIBUS”, “HART", or "Ethernet”.
  • the measured density or fill level value L can be transmitted via this, for example to control heating elements or any supply lines on the container s. It Other information about the general operating status of the measuring system can also be communicated.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Detektor (1) für radiometrische Mess-Systeme, dessen Szintillator (11) und Photodiode (12) derart kompakt dimensioniert und optisch gekoppelt sind, so dass sie mittels mikroelektronischer Aufbau- und Verbindungstechniken optisch schirmend kapselbar sind. Eine entsprechende, gemeinsame Kapselung (13) für den Szintillator (11) und dasjenige Halbleiterbauteil, welches die zumindest eine Photodiode (12) umfasst, kann somit gemäß eines beliebigen IC-Package-Typs ausgelegt werden, wie zum Beispiel „Through Hole" oder „Surface Mount". Dementsprechend kann das Auswerte-Signal (sa), welches die Photodiode (12) in Abhängigkeit der am Szintillator (11) eingehenden, radioaktiven Strahlungs-Intensität erzeugt, bspw. über einen Ausgangs-Pin (131) der Kapselung (13) abgegriffen werden. Vorteilhaft an dem erfindungsgemäßen Detektor (1) ist hierdurch dessen Handhabbarkeit als konventionell bestückbares Elektronik-Bauteil. Dies ermöglicht es, radioaktive Mess- Systeme modular auszulegen bzw. mit geringem konstruktiven Aufwand individuell auf das jeweilige Anwendungsgebiet anzupassen.

Description

Radiometrischer Detektor
Die Erfindung betrifft einen Detektor für radiometrische Mess-Systeme.
In der Automatisierungstechnik, insbesondere in der Prozessautomatisierung werden vielfach Messgeräte bzw. Mess-Systeme eingesetzt, die zur Erfassung und/oder zur Beeinflussung von Prozessvariablen dienen. Dabei werden als Prozessvariablen unter anderem der Füllstand, der Durchfluss, der Druck, die Temperaturen, der pH-Wert, das Redoxpotential oder die Leitfähigkeit bestimmt. Dabei sind je nach Prozessvariable jeweils unterschiedliche Messprinzipien im Messgerät bzw. Mess-System implementiert. Zur Beeinflussung von Prozessvariablen dienen Aktoren, wie unter Anderem Ventile oder Pumpen, über die der Durchfluss einer Flüssigkeit in einem Rohrleitungsabschnitt bzw. der Füllstand in einem Behälter geändert werden kann. Eine Vielzahl solcher Messgeräte und Mess-Systeme wird von der Firmengruppe Endress + Hauser hergestellt und vertrieben.
Zur Füllstandsmessung werden vor allem bei solchen Anwendungen Radiometriebasierte Mess-Systeme eingesetzt, bei denen andere Messprinzipien wie bspw. Radar aufgrund von harschen Einsatzbedingungen versagen. Gemäß des radiometrischen Messprinzips wird radioaktive Strahlung (beispielsweise Gamma-Strahlung einer Cäsiumoder Kobalt-Quelle) genutzt, die von einer radioaktiven Strahlenquelle des Mess-Systems ausgesendet und durch den Behälter mit dem relevanten Füllgut geleitet wird. Nach Durchgang durch den Behälter wird die transmittierte Strahlungsintensität von einem entsprechenden Detektor des Mess-Systems erfasst. Hierzu ist der Detektor in Bezug zur Strahlenquelle in etwa gegenüberliegend am Behälter angeordnet. Durch die Bestimmung der Intensität bzw. Leistung des am Detektor eingehenden Signals wird der transmittierte Anteil der von der Strahlenquelle ausgesandten Strahlung bestimmt. Auf Basis des transmittierten Anteils wird wiederum auf den Füllstand des Füllgutes im Behälter geschlossen. Dabei kann der transmittierte Anteil der radioaktiven Strahlungsleistung nach Durchgang durch den Behälter nicht direkt detektiert werden. Hierzu muss die radioaktive Strahlung im Detektor durch ein hierfür geeignetes Material zunächst in elektromagnetische Strahlung im optischen Spektralbereich umgewandelt werden. Erst im Anschluss kann die Strahlungsleistung innerhalb des Detektors von einem Fotoempfänger, wie einem Photomultiplier oder einer Photodiode, insbesondere einer Avalanche-Photodiode oder einem Silicon-Photomultiplier detektiert werden.
Materialien, die solch szintillierende Eigenschaft aufweisen, werden als szintillierende Materialien bezeichnet. Unter anderem organische Szintillator-Materialien, wie Polystyrol, Polyvinyl-Toluene, oder anorganische bzw. kristalline Formen wie mit Thallium dotiertes Natrium-Iodid und Gadolinium-Aluminium-Gallium-Garnet (Gd3AI2Ga30i2) weisen diese szintillierende Eigenschaft jeweils auf. Neben dem Füllstand können Mess-Systeme, die auf diesem radiometrischen Messprinzip basieren, nach entsprechender Kalibration alternativ zum Füllstand auch die Dichte des Füllgutes bestimmen. Aus dem Stand der Technik sind radiometrische Füllstands- oder Dichtemess-Systeme bereits bekannt. Das grundlegende Funktionsprinzip ist beispielsweise in der Patentschrift EP 2 208 031 B1 beschrieben.
Jedes radiometrische Mess-System muss individuell an den jeweils zu beobachtenden Prozess bzw. den jeweiligen Behälter angepasst werden. Dies betrifft vor allem den Detektor, da der vertikal zu beobachtende Bereich am Behälter, sei es zur Füllstands - oder Dichtemessung, vom Szintillator des Detektors komplett abgedeckt werden muss. Je nach Prozess und Behälter-Größe kann der abzudeckende Bereich jedoch stark variieren. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, diesbezüglich ein individuell anpassbares Mess-System zu Verfügung zu stellen.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch einen radiometrischen Detektor für radiometrische Mess-Systeme, welcher folgende Komponenten umfasst:
Einen Szintillator, und eine oder eine Mehrzahl an Photodioden, welche optisch mit dem Szintillator verbunden ist, um in Abhängigkeit einer am Szintillator eingehenden, radioaktiven Strahlungs-Intensität ein elektrisches Auswerte-Signal zu generieren. Im Falle mehrerer Photodioden können diese beispielsweise als Array, insbesondere auf einem gemeinsamen Halbleiterbauteil angeordnet sein. Dabei können/kann die Photodiode(n) zum Beispiel als GaAs-basierte Avalanche-Photodiode oder als Silicon Photomultiplier („S/P/W“) ausgelegt werden. Im Rahmen der Erfindung werden unter dem Begriff „Photodiode“ also auch explizit Silicon Photomultiplier verstanden.
Erfindungsgemäß sind die zumindest eine Photodiode und der Szintillator derart kompakt dimensioniert und miteinander gekoppelt, so dass sie mittels mikroelektronischer Aufbau- und Verbindungstechniken kapselbar sind. Eine entsprechende gemeinsame Kapselung des Detektors kann den Szintillator und die Photodiode bei entsprechender Auslegung hierdurch zudem vor optischer Störstrahlung. Über einen elektrischen Ausgang der Kapselung, kann das Auswerte-Signal des Detektors abgegriffen werden. Dabei kann die Kapselung bzw. der Ausgang gemäß jeglichen Typs an IC-Package ausgelegt werden, wie beispielsweise
‘Through-Hole”
‘Surface-Mounted'
‘Chip Carrier” “Pin Grid Array”
“Flat Package”
“Small Outline Integrated Circuit”
“Chip-Scale Package”
“Ball Grid Array”
- „Multi-Chip Package“ mit vergossener Leiterplatte.
Vorteilhaft an dem erfindungsgemäßen Detektor ist dessen Handhabbarkeit als konventionell bestückbares Elektronik-Bauteil. Dies ermöglicht es, radioaktive Mess-Systeme modular auszulegen bzw. mit geringem konstruktiven Aufwand individuell auf das jeweilige Anwendungsgebiet anzupassen.
Der Aufbau des erfindungsgemäßen Detektors kann weiter vereinfacht werden, wenn die Kapselung durch den Szintillator ausgebildet wird bzw. umgekehrt. Realisierbar ist dies etwa bei organischen Szintillator-Materialien, die beispielsweise mittels Spritzguss als Kapselung vergossen werden. Um die zumindest eine Photodiode vor Lichteinflüssen zu schützen, welche die radiometrische Messung verfälschen, ist die Szintillator-basierte Kapselung bei dieser Auslegungsvariante optisch intransparent zu beschichten.
Der erfindungsgemäße Detektor kann außerdem in der Form erweitert werden, dass der zumindest einen Photodiode innerhalb der Kapselung eine Signalverarbeitungs-Einheit nachgeschaltet ist, die das Auswerte-Signal verstärken, filtern und/oder digitalisieren kann. Da je nach Photodioden-Typ eine DC-Spannungsversorgung zwischen 20 V und 95 V erforderlich ist, kann innerhalb der Kapselung weiterhin ein Hochspannungskonverter zur Spannungsversorgung der Photodiode integriert werden. In diesem Fall macht es Sinn, auch einen Temperatursensor innerhalb der Kapselung zu integrieren, so dass die Hochspannungsquelle entsprechend in Abhängigkeit der Temperatur gesteuert werden kann. Hierdurch ist es möglich, regelungstechnisch die Temperatur-Abhängigkeit der Photodiode zu kompensieren.
Dabei kann der erfindungsgemäße Detektor besonders kompakt gekapselt werden - bspw. auf Basis eines „Chip-Scale-Package“ - sofern die Signalverarbeitungs-Einheit, die Hochspannungsquelle, bzw. der Temperatursensor als integraler Bestandteil desjenigen Halbleiterbauteils ausgelegt werden/wird, welches auch die Photodiode(n) umfasst.
Eingesetzt werden kann der erfindungsgemäße Detektor beispielsweise in Computer- Tomographen oder in radiometrischen Mess-System der industriellen Prozessmesstechnik, um beispielsweise eine Dichte, ein Dichteprofil und/oder eine Füllstandes eines Füllgutes in einem Behälter zu bestimmen. Derart einsetzbare Mess- Systeme sind folgendermaßen aufgebaut: Eine radioaktive Strahlenquelle ist derart in Bezug zum Behälter angebracht, so dass radioaktive Strahlung innerhalb eines definierten Strahl-Kegels gen Behälter ausgesendet wird, zumindest ein erfindungsgemäßer Detektor gemäß einem der vorhergehend beschriebenen Ausführungsvarianten ist der Strahlenquelle derart gegenüberliegend am Behälter angeracht, dass sich der Szintillator des jeweiligen Detektors zumindest teilweise im Strahl-Kegel befindet.
Eine an den zumindest einen Detektor angeschlossene Auswerte-Einheit bestimmt anhand des Auswerte-Signals bzw. der Auswerte-Signale je nach Auslegung des Mess-Systems die Dichte, das Dichte-Profil oder den Füllstand des Füllgutes im Behälter.
Allgemein verstehen sich unter dem Begriff „Einheit“ im Rahmen der Erfindung prinzipiell jegliche elektronische Schaltungen, die für den konkreten Einsatzzweck, bspw. zur Messsignal-Verarbeitung oder als Schnittstelle vorgesehen sind. Die jeweilige Einheit kann also je nach Einsatzzweck entsprechende Analogschaltungen zur Erzeugung bzw. Verarbeitung analoger Signale umfassen. Die Einheit kann jedoch auch Digitalschaltungen, wie FPGAs, Microcontroller oder Speichermedien in Zusammenwirken mit entsprechenden Programmen umfassen. Dabei ist das Programm ausgelegt, die erforderlichen Verfahrensschritte durchzuführen bzw. die notwendigen Rechenoperationen anzuwenden. In diesem Kontext können verschiedene Einheit im Sinne der Erfindung potenziell auch auf einen gemeinsamen physikalischen Speicher zurückgreifen bzw. mittels derselben physikalischen Digitalschaltung betrieben werden. Andererseits ist es nicht relevant, ob verschiedene elektronische Schaltungen innerhalb einer Einheit auf einer gemeinsamen Leiterkarte oder auf mehreren, miteinander verbundenen Leiterkarten angeordnet sind.
Vor allem zur Füllstands- und zur Dichteprofil-Messung ist es vorteilhaft, wenn das Mess- System mehrere kaskadierte Detektoren umfasst, die insbesondere vertikal aneinander gereiht am Behälter angeordnet sind. Dabei können die Detektoren entweder auf einer gemeinsamen Leiterplatte bestückt werden. Oder die Detektoren jeweils auf einer separaten Leiterplatte angeordnet und in einem separaten Gehäuse untergebracht, so dass sie als eigenständiges Modul das Mess-System individuell ergänzen können. Im Falle eines Computer-Tomographen sind die erfindungsgemäßen Detektoren gemäß des Funktionsprinzips der Tomographie als Array anzuordnen.
Anhand der nachfolgenden Figuren wird die Erfindung näher erläutert. Gezeigt ist:
Fig. 1 : Eine Querschnittansicht eines erfindungsgemäßen Detektors Fig. 2: eine Querschnittansicht des Detektors in einer bevorzugten Ausführungsvariante,
Fig. 3: ein Blockschaltbild einer Ausführungsvariante des Detektors, und
Fig. 4: ein radiometrisches Mess-System, das auf erfindungsgemäßen Detektoren basiert, an einem Behälter.
Fig. 1 zeigt einen zeigt den strukturellen Aufbau eines erfindungsgemäßen Detektors 1 für radiometrische Mess-Systeme, die beispielsweise zur Füllstandsmessung oder in der Computer-Tomographie zum Einsatz kommen können. Vom Funktionsprinzip her umfasst der Detektor 1 alle nötigen Komponenten, um anhand einfallender, radioaktiver Strahlung ein elektrisches Auswerte-Signal sa zu erzeugen, welches die Leistung bzw. Intensität der einfallenden Strahlung repräsentiert. Hierdurch lässt sich auf weitere physikalische Größen schließen, die im Rahmen von verschiedenen Messprinzipien, wie unter anderem Computer-Tomographie entsprechend aussagekräftig sind. Ein Szintillator 11 des Detektors 1 dient dementsprechend dazu, einfallende, radioaktive Strahlung in optische bzw. dort spektral angrenzende Strahlung umzuwandeln. Hierzu kann der Szintillator 11 einerseits auf organischen Szintillator-Materialien, wie Polystyrol oder Polyvinyl-Toluene basieren. Anderseits können anorganische Szintillator-Materialien eingesetzt werden, die entsprechend szintillierende Eigenschaften aufweisen, wie Thallium-dotiertes Natrium- lodid oder Gadolinium-Aluminium-Gallium-Garnet. Die vom Szintillator 11 in Optische umgewandelte Strahlung wird durch eine einzelne Photodiode 12 oder ein Array an Photodioden 12 im Anschluss in einen elektrischen Strom umgewandelt, welcher das elektrische Auswerte-Signal sa zumindest in Rohform darstellt. Dabei ist die Photodiode 12 so auszulegen, dass deren Bandlücke zum Szintillatormaterial bzw. zur Wellenlänge der ins Optische umgewandelten Strahlung korrespondiert.
Der erfindungsgemäße Detektor 1 zeichnet sich dadurch aus, dass dieser mittels solchen Aufbau- und Verbindungstechniken, die aus der Halbleitertechnik bekannt sind, gekapselt ist. Hierdurch ist der Detektor 1 auf Leiterplatten bestückbar bzw. als separates Modul auslagebar, so dass entsprechende, radiometrische Mess-Systeme kompakt und modular ausgelegt werden können. Dabei ist prinzipiell jeglicher IC-Kapselungstyp geeignet, wie THP („Through Hole Package“ oder SMD („Surface Mount Device“).
Wie bei der Ausführungsvariante in Fig. 1 gezeigt ist, sind zur IC-konformen Kapselung einerseits die Abmessungen des Szintillators 11 in der Größenordnung desjenigen Halbleiterbauteils gewählt, welche die Photodiode 12 bzw. das Array an Photodioden 12 umfasst. Das heißt, an einer definierten Kontaktfläche zum Halbleiterbauteil entsprechen die betreffenden Kantenlängen des in etwa quaderförmigen Szintillators 11 maximal der Kantenlänge des Halbleiterbauteils, wie in Fig. 1 schematisch dargestellt ist. Essenziell ist bei dieser Ausführungsvariante, dass der Szintillator 12 denjenigen Bereich auf der Halbleiteroberfläche abdeckt, welcher durch die Photodiode/Photodioden 12 ausgebildet wird. Dabei kann der Szintillator 11 sowohl im Falle organischer, als auch anorganischer Materialien bspw. mittels optisch transparentem Klebstoff an der bzw. den Photodioden 12 befestigt werden, so dass diese optisch miteinander gekoppelt sind.
Andererseits ist die von der Photodiode 12 abstehende Höhe des Szintillators 11 bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsvariante so dimensioniert, dass sie nicht größer als die längste Kantenlänge des Halbleiterchips ist. Hierdurch kann der Detektor 1 mittels herkömmlicher Aufbau- und Verbindungstechniken gekapselt werden. Dementsprechend kann die Kapselung 14 des erfindungsgemäßen Detektors 1 als jeglicher Typ an IC- Package ausgelegt werden. Wesentlich ist hierbei lediglich, dass das Kapselungs- Material optisch schirmend wirkt und den Szintillator 11 sowie das Halbleiterbauteil komplett umschließt, damit die Fotodiode 12 vor Fremdlicht geschützt ist. Prinzipiell kann hierzu beispielsweise jeglicher nach dem Stand der Technik bekannter Mold-Verguss eingesetzt werden, wobei zum Schutz vor Fremdlicht insbesondere schwarz gefärbte Kunststoffe vorteilhaft sind. Denkbar ist jedoch auch, die Kapselung 13 auf keramischer Basis oder als Metallgehäuse („Metal Can Package“) auszulegen.
Bei den in Fig. 1 und Fig. 2 gezeigten Ausführungsvarianten ist der Detektor 1 gemäß des THP-Typs („Through Hole Package“) gekapselt. Dementsprechend ist das Halbleiterbauteil, welches die Photodioden 12 umfasst, auf einem Leadframe 133 angeordnet und per Bonddrähten entsprechend verschaltet. Dabei fungiert einer der Pins 131 der THP-Kapselung als elektrischer Ausgang für das Auswerte-Signal sa.
In Fig. 2 ist eine weitere Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Detektors 1 gezeigt, welcher mit Ausnahme der Kapselung 13 und dem Szintillator 11 der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsvariante entspricht. Allerdings wird die Kapselung 13 dort durch den Szintillator 11 ausgebildet, bzw. umgekehrt. Hierzu ist/sind die Photodiode/Photodioden 12 mit Szintillatormaterial vergossen, beispielsweise mittels Spritzgießen oder einem vergleichbaren Fertigungs-Verfahren. In diesem Fall ist als Szintillatormaterial ein entsprechender Kunststoff, wie bspw. Polystyrol oder Polyvinyl- Toluene einzusetzen. Vorteilhaft hieran ist einerseits, dass fertigungstechnisch das dezidierte Bestücken des Szintillators 12 entfällt. Andererseits ergibt sich durch Vergießen des Szintillator-Materials um das Halbleiterbauteil herum automatisch eine optische Kopplung zwischen der szintillierenden Kapselung 11 , 13 und dem Halbleiterbauteil, auf dem die Photodiode/Photodioden 12 angeordnet ist/sind. Zum Schutz der Photodiode 12 vor Licht muss die der Szintillator 11 bzw. die Kapselung 13 bei dieser Ausführungsvariante allerdings eine optisch intransparente Beschichtung 132 umfassen, bspw. in Form einer entsprechenden Lackierung. In Fig. 3 ist ein mögliches Blockschaltbild desjenigen Halbleiterbauteils dargestellt, welches die Photodiode/Photodioden 12 monolithisch umfasst. Einerseits ist der bzw. den Photodioden 12 innerhalb des Halbleiterbauteils ein analoger Tiefpass-Filter 121 nachgeschaltet, um hochfrequente Störanteile aus dem Auswerte-Signal sa zu filtern, bevor es auf den Signal-Ausgang 131 geleitet wird. In diesem Zusammenhang ist es außerdem denkbar, das Auswerte-Signal sa innerhalb des Halbleiterbauteils außerdem direkt zu verstärken oder zu digitalisieren. Andererseits ist in dem Halbleiterbauteil, dessen Blockschaltbild in Fig. 4 dargestellt ist, monolithisch außerdem eine Hochspannungs-Quelle 123 integriert, um die Photodioden 12 mit der erforderlichen Gleichspannung von 20-95 V zu versorgen. Hierzu kann die Hochspannungs-Quelle 123 beispielsweise auf dem „Switched-Capacitor“ Prinzip basieren.
Bei der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsvariante des Halbleiterbauteils umfasst dieses zudem einen chipintegrierten Temperatur-Sensor 122. Dabei kann der vom Temperatur- Sensor 122 gemessene Temperaturwert über einen separaten elektrischen Ausgang 136 am Halbleiterchip bzw. an einem entsprechenden Anschluss des Detektors 1 abgegriffen werden, um den Temperaturwert beispielsweise der Auswerte-Einheit 6 zuzuführen. Hierdurch kann die Auswerte-Einheit 6 bei entsprechender Auslegung die Hochspannungs-Quelle 123 derart regeln, so dass die Temperatur-Abhängigkeit des Ausgangs-Signals sa der Photodiode 12 kompensiert wird. Hierzu umfasst der Detektor 1 zum Beispiel an einem entsprechenden Pin einen elektrischen Eingang 135 zur Steuerung der Hochspannungs-Quelle 123, welcher bspw. wiederum durch die Auswerte- Einheit 6 angesteuert wird.
Die Spannungsversorgung der Hochspannungs-Quelle 123, des Temperatur-Sensors 122 und des Tiefpass-Filters 121 erfolgt chipintern über einen gemeinsamen Spannungsversorgungs-Anschluss am Halbleiterchip bzw. am Detektor 1. Alternativ zu einer monolithischen Integration der Hochspannungs-Quelle 123, des Temperatur- Sensors 121 , des Tiefpass-Filters 121 und der Photodioden 12 als gemeinsames Halbleiterbauteil kann das in Fig. 4 gezeigte Blockschaltbild auch mittels hybrider Bauteile auf einer gemeinsamen Leiterplatte realisiert werden. In diesem Fall ist zur Umsetzung der erfindungsgemäßen Idee die gesamte Leiterplatte gemäß des „System In Package“- Prinzips zu kapseln, wonach die Leiterplatte mitsamt den darauf befindlichen Bauteilen 12, 121 , 122, 133 vergossen wird.
Fig. 4 veranschaulicht als mögliche Applikation des erfindungsgemäßen Detektors 1 ein radiometrisches Mess-System zur industriellen Füllstandsmessung. Dementsprechend ist in Fig. 4 ein Behälter s einer industriellen Prozessanlage gezeigt. Dabei kann der Behälter 3 als Füllgut 2 bspw. Rohöl beinhalten, welches dort einen Refraktionierungs- Prozess unterläuft. Zur Steuerung des Prozesses ist der Füllstand L des Füllgutes 2 zu bestimmen, wobei aufgrund der harschen Prozessbedingungen radiometrische Füllstandsmessung zum Einsatz kommt. Hierzu ist eine Strahlenquelle 5 des Mess- Systems so angeordnet und ausgerichtet, dass radioaktive Strahlung innerhalb eines definierten Strahl-Kegels a gen Behälter 3 austritt. Dabei ist die Strahlenquelle 5 bei der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsvariante an einem oberen Endbereich des Behälters 3 angeordnet und um ca. 45° nach unten geneigt. Hierdurch ist sichergestellt, dass der Strahl-Kegel a den zur Füllstands- bzw. Dichteprofil-Messung wesentlichen Höhenbereich des Behälter-Inneren durchstrahlt. Je nach Höhe des Behälters 3 bzw. je nach ablaufendem Prozess kann dieser Höhenbereich unterschiedlich hoch ausfallen, weswegen das Mess-System hierauf prinzipiell individuell anpassbar sein muss.
In Bezug zur Strahlenquelle 5 sind gegenüberliegend am Behälter 3 elf Detektoren 11 derart angeordnet und mit ihrem Szintillator 11 jeweils gen Behälter 3 ausgerichtet, so dass sich die Detektoren 1 vertikal in gleichem Abstand verteilt im Strahl- Kegel a der Strahlenquelle 5 bzw. im relevanten Höhenbereich zur Füllstandsmessung befinden. Bei der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsvariante sind die Detektoren 1 durch ein gemeinsames Gehäuse 14 umgeben, welches vor Umwelteinflüssen, wie optischer Strahlung schützt. In diesem Fall können die Detektoren 1 innerhalb des Gehäuses 14 beispielsweise auf gemeinsamen einer Leiterkarte angeordnet bzw. elektrisch kontaktiert werden.
In Bezug zum Mess-System ermöglichen die erfindungsgemäß ausgelegten Detektoren 1 eine konstruktiv einfache Anpassung des Mess-Systems auf verschiedene Behältergrößen, da die Anzahl an Detektoren 1 modular erweitert werden kann. Als weiterer Freiheitsgrad ergibt sich der vertikale Abstand der Detektoren 1 zueinander am Behälter 3. Durch die vertikale Aufreihung der Detektoren 1 im Strahl-Kegel a der Strahlenquelle 5 empfängt jeder Detektor 1 die radioaktive Strahlung nach Durchgang durch das Füllgut 2 bzw. durch die oberhalb davon befindliche Gasphase im Behälter- Inneren. Hierdurch hängt die jeweilige Intensität der empfangenen Strahlung - in Bezug zur Ausgangs-Intensität an der Strahlenquelle 5 - im Wesentlichen vom Füllstand L des Füllgutes 1 sowie von dessen Dichte ab: Sofern sich, abhängig vom Füllstand L, Füllgut 2 im Strahlengang zwischen der Strahlenquelle 5 dem jeweiligen Detektor 1 befindet, so verringert sich die Intensität der einfallenden Strahlung entsprechend signifikant. Dabei wird die Strahlenintensität durch das Auswerte-Signal sa des zugehörigen Detektors 1 repräsentiert. Ursächlich hierfür ist, dass die eingehende, radioaktive Strahlung innerhalb der Detektoren 1 mittels der Szintillatoren 11 jeweils in optische Strahlung im sichtbaren bzw. angrenzenden UV-/IR-Bereich umgewandelt wird, und dass die vom jeweiligen Szintillator 11 ins Optische umgewandelte Strahlung durch die Photodiode 12 in das elektrische Auswerte-Signal sa überführt wird. Hierdurch kann anhand der Auswerte-Signale sa der Detektoren 1 bspw. quasi digital (jeder Detektor 1 c entspricht hierbei einem Digit) ermittelt werden, ab welchem Detektor 1 sich die eingehende Strahlenintensität in Bezug zur Behälter-Höhe signifikant erhöht, um hieraus den Füllstand L zu bestimmen. Alternativ kann der Füllstand L bspw. auch in Form eines analogen bzw. relativen Wertes berechnet werden, indem die Auswerte- Signale sa signaltechnisch addiert werden, wobei der addierte Wert einem absoluten oder relativen Füllstandswert L zuordbar ist, bspw. auf Basis einer Kalibration.
Anhand der Auswerte-Signale sa ist es bei der in Fig. 4 gezeigten Anordnung der Detektoren 1 darüber hinaus auch möglich, ein höhenabhängiges Dichteprofil des Füllgutes 2 zu bestimmen. In diesem Fall repräsentiert jedes Auswerte-Signal sa (bspw. auf Basis einer Kalibration) einen Dichte-Wert des Füllgutes 2. Dabei kann dem Auswerte-Signal sa jedes Detektors 1 eine entsprechende Höhe am Behälter s (bzw. zumindest eine Nummer einer höhenabhängigen Reihenfolge 1 - 11) zugeordnet werden, woraus das höhenabhängige Dichteprofil resultiert. Sofern lediglich ein einzelner Dichte- Wert zu bestimmen ist, muss das Mess-System im Gegensatz zu der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsvariante lediglich einen einzigen Detektor 1 umfassen.
Zur Bestimmung der Dichte, des Dichteprofils bzw. des Füllstandes L anhand der Auswert-Signale sa umfasst das in Fig. 4 gezeigte Mess-System eine entsprechend ausgelegte Auswerte-Einheit 6, die sich mechanisch in einem eigenständigen Gehäuseteil an den untersten Detektor 1 bzw. an den entsprechenden Endbereich des Gehäuses 14 anschließt. Dabei können die Detektoren 1 beispielsweise seriell oder über ein Bus-System an die Auswerte-Einheit 6 gekoppelt werden, um jeweils das Auswerte- Signal sa zu übertragen, bzw. um die Detektoren 1 jeweils mit Leistung zu versorgen. In diesem Zusammenhang kann die Auswerte-Einheit 6 funktionstechnisch derart ausgelegt werden, um einerseits die Anzahl an momentan angeschlossenen Detektoren 1 bzw. deren Reihenfolge (am Behälter 3) zu erfassen. Andererseits ist es in diesem Fall vorteilhaft, wenn die Auswerte-Einheit 6 den Höhenbereich, über den das Dichteprofil erstellt bzw. der Füllstand L gemessen wird, automatisch in Abhängigkeit der Anzahl an momentan angeschlossenen Detektoren 1 einstellt bzw. anpasst.
Insgesamt können die Strahlenquelle 5 und die Detektoren 1 bzw. das Gehäuse 14 entweder direkt am Behälter 3 montiert sein, oder indirekt an entsprechend freistehenden Stativen. Wie in Fig. 1 dargestellt ist, kann die Auswerte-Einheit 6 des Mess-Systems zur Regelung des Prozesses über eine separate Sch nittstellen-Einheit, wie etwa „4-20 mA“, „PROFIBUS“, „HART“, oder „Ethernet“ mit einer übergeordneten Einheit 4, wie z. B. einem lokalen Prozessleitsystem oder einem dezentralen Server-System verbunden werden. Hierüber kann der gemessene Dichte- bzw. Füllstandswert L übermittelt werden, beispielsweise um Heiz-Elemente oder etwaige Zuleitungen am Behälter s zu steuern. Es können aber auch anderweitige Informationen über den allgemeinen Betriebszustand des Mess-Systems kommuniziert werden.
Bezugszeichenliste
1 Detektor
2 Füllgut
3 Behälter
4 Übergeordnete Einheit
5 Radioaktive Strahlenquelle
6 Auswerte-Einheit
11 Szintillator
12 Photodiode
13 Kapselung
14 Gehäuse
121 Analoger Tiefpassfilter
122 Temperatur-Sensor
123 Hochspannungs-Quelle
131 Elektrischer Ausgang für das Auswerte-Signal
132 Optisch intransparente Beschichtung
133 Leadframe
134 Spannungsversorgungs-Anschluss
135 Elektrischer Eingang zur Steuerung der Hochspannungs-Quelle
136 Elektrischer Ausgang für den Wert des Temperatur-Sensors a Strahl-Kegel L Füllstand Sa Auswerte-Signal

Claims

Patentansprüche
1 . Radiometrischer Detektor (1) für ein radiometrisches Mess-System, folgende Komponenten umfassend:
Einen Szintillator (11),
Zumindest eine Photodiode (12), welche optisch derart mit dem Szintillator (11) verbunden ist, um in Abhängigkeit einer am Szintillator (11) eingehenden, radioaktiven Strahlungs-Intensität ein elektrisches Auswerte-Signal (sa) zu generieren, und eine optisch schirmende Kapselung (13), welches den Szintillator (11) und die Photodiode (12) schirmt, mit o zumindest einem elektrischen Ausgang (131 ) für das Auswerte-Signal (Sa).
2. Detektor nach Anspruch 1 , wobei die Kapselung (14) bzw. der Ausgang (131) als IC- Package ausgelegt ist.
3. Detektor nach Anspruch 1 oder 2, umfassend:
Eine Mehrzahl an Photodioden (12), die insbesondere als Array angeordnet sind.
4. Detektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kapselung (13) durch den Szintillator (11) ausgebildet wird, und wobei die Kapselung (13) eine optisch intransparente Beschichtung (132) aufweist.
5. Detektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Photodiode (12) als Avalanche-Photodiode oder als Silicon Photomultiplier ausgelegt ist.
6. Detektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zumindest einen Photodiode (12) innerhalb der Kapselung (13) eine Signalverarbeitungs-Einheit (121) nachgeschaltet ist, welche ausgelegt ist, das Auswerte-Signal (sa) zu verstärken, zu filtern und/oder zu digitalisieren.
7. Detektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei innerhalb der Kapselung (13) ein Hochspannungskonverter (123) zur Spannungsversorgung der Photodiode (12) angeordnet ist.
8. Detektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei innerhalb der Kapselung (13) ein Temperatursensor (122), insbesondere zur Regelung der Hochspannungsquelle (123), angeordnet ist.
9. Detektor nach Anspruch 6, 7 oder 8, wobei die Signalverarbeitungs-Einheit (121), die Hochspannungsquelle (123), und/oder der Temperatursensor (122) als integraler Bestandteil des Photodioden-Halbleiterchips (12) sind/ist.
10. Radiometrisches Mess-System, das zur Bestimmung einer Dichte und/oder eines Füllstandes (L) eines Füllgutes (2) in einem Behälter (3) dient, folgende Komponenten umfassend:
Eine radioaktive Strahlenquelle (5), welche derart in Bezug zum Behälter (3) anbringbar ist, so dass radioaktive Strahlung innerhalb eines definierten Strahl- Kegels (a) gen Behälter (3) ausgesendet wird, zumindest einen Detektor (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, welcher der Strahlenquelle (5) derart gegenüberliegend am Behälter (3) anbringbar ist, dass sich der Szintillator (11 ) zumindest teilweise im Strahl-Kegel (a) befindet, und eine an den zumindest einen Detektor (1) angeschlossene Auswerte-Einheit (6), welche ausgelegt ist, anhand des Auswerte-Signals (sa) eine Dichte, ein Dichte- Profil oder einen Füllstand (L) des Füllgutes (2) zu bestimmen.
11. Mess-System nach Anspruch 10, umfassend:
Eine Mehrzahl an Detektoren (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, die insbesondere vertikal aneinander gereiht am Behälter (3) angeordnet sind.
12. Computer-Tomograph, umfassend:
Ein Array an Detektoren (1) gemäß einem der Ansprüche 1-9.
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