DE102019122115B4 - Detector unit for a scintillation counter, radiometric measuring device with such a detector unit, method for operating such a detector unit and computer program code - Google Patents

Abstract

Detektoreinheit (10) für einen Szintillationszähler (1),mit wenigstens zwei parallelen Signalpfaden, wobei ein erster Signalpfad mit einem ersten Ausgangssignal einen ersten Silizium-Photomultiplier (5.1) und ein zweiter Signalpfad mit einem zweiten Ausgangssignal einen zweiten Silizium-Photomultiplier (5.2) aufweist, und wobei die Ausgangssignale der Signalpfade einer Koinzidenzeinheit (9) zugeführt sind, dadurch gekennzeichnet, dassdie Detektoreinheit (10) wenigstens eine Einheit zur Pulsformanalyse (11) aufweist, geeignet ausgebildet ist, anhand eines zugeführten Signals ein Ausgangssignal zur Unterscheidung eines Dunkelpulses von einer Detektion eines γ-Quants auszugeben unddie Einheit zur Pulsformanalyse (11) wenigstens einen Integrator zur Integration des zugeführten Signals aufweist, wobei ein erstes Integral über einen ersten Teil eines Signalpulses und ein zweites Integral über den gesamten Signalpuls gebildet, und ein Entscheidungskriterium aus einem Quotienten aus einerseits der Differenz des zweiten Integrals und des ersten Integrals und andererseits dem zweiten Integral gebildet wird.Detector unit (10) for a scintillation counter (1), with at least two parallel signal paths, a first signal path with a first output signal having a first silicon photomultiplier (5.1) and a second signal path with a second output signal having a second silicon photomultiplier (5.2). , and wherein the output signals of the signal paths are supplied to a coincidence unit (9), characterized in that the detector unit (10) has at least one unit for pulse shape analysis (11), which is suitably designed to produce an output signal for distinguishing a dark pulse from a detection based on a supplied signal to output a γ quantum and the unit for pulse shape analysis (11) has at least one integrator for integrating the supplied signal, a first integral being formed over a first part of a signal pulse and a second integral being formed over the entire signal pulse, and a decision criterion from a quotient on the one hand the difference between the second integral and the first integral and on the other hand the second integral is formed.

Description

Die Erfindung betrifft eine Detektoreinheit für einen Szintillationszähler eines radiometrischen Messgeräts zur Füllstandmessung, Grenzstandmessung, Dichtemessung oder Durchflussmessung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, ein radiometrisches Messgerät mit einem solchen Detektor, ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Detektors gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 7 sowie Computerprogrammcode gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 8.The invention relates to a detector unit for a scintillation counter of a radiometric measuring device for level measurement, limit level measurement, density measurement or flow measurement according to the preamble of claim 1, a radiometric measuring device with such a detector, a method for operating such a detector according to the preamble of claim 7 and computer program code according to the preamble of claim 8.

Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl radiometrischer Messgeräte mit sogenannten Szintillationszählern bekannt. Der grundlegende Aufbau und die Funktionsweise eines solchen radiometrischen Messgeräts sind in Zusammenhang mit 6 dargestellt und werden nachfolgend erläutert.A large number of radiometric measuring devices with so-called scintillation counters are known from the prior art. The basic structure and functionality of such a radiometric measuring device are related to 6 shown and are explained below.

6 zeigt den schematischen Aufbau eines Szintillationszählers 1, wie aus dem Stand der Technik bekannt ist. Der Szintillationszähler 1 weist einen Szintillator 3 als für ionisierende Strahlung sensitives Material auf. Der Szintillator 3 wird bspw. durch γ-Strahlung angeregt, wobei die Anregungsenergie aus den Stoßvorgängen in Form von Licht wieder abgegeben wird. Durch Messung der Lichtmenge kann auf die im Szintillator 3 durch die Strahlung deponierte Energie und durch Messung der Anzahl der Lichtblitze pro Zeiteinheit (Zählrate) auf die Intensität der Strahlung zurück geschlossen werden. 6 shows the schematic structure of a scintillation counter 1, as is known from the prior art. The scintillation counter 1 has a scintillator 3 as a material sensitive to ionizing radiation. The scintillator 3 is excited, for example, by γ-radiation, with the excitation energy from the impact processes being released again in the form of light. By measuring the amount of light, it is possible to draw conclusions about the energy deposited in the scintillator 3 by the radiation and by measuring the number of light flashes per unit of time (count rate) about the intensity of the radiation.

Hierfür weist der Szintillationszähler 1 eine dem Szintillator 3 nachgeschaltete Photomultiplier-Röhre 20, kurz Photomultiplier, auf. In dem Photomultiplier 20 lösen aus dem Szintillator 3 eintreffende Photonen Elektronen aus der Oberfläche einer Photokathode, die dann in einem Elektronenvervielfacher in einem elektrischen Feld zwischen mehreren Elektroden mehrfach beschleunigt und vervielfacht werden bis ein messbares elektrisches Signal am Ende des Elektronenvervielfachers anliegt. In einem dem Photomultiplier 20 nachgeschalteten Zähler 13 wird die Anzahl und wahlweise auch die Amplitude der so erzeugten elektrischen Signale erfasst und kann in einer vorliegend nicht näher dargestellten Elektronik weiterverarbeitet werden.For this purpose, the scintillation counter 1 has a photomultiplier tube 20, or photomultiplier for short, connected downstream of the scintillator 3. In the photomultiplier 20, photons arriving from the scintillator 3 release electrons from the surface of a photocathode, which are then accelerated and multiplied several times in an electron multiplier in an electric field between several electrodes until a measurable electrical signal is present at the end of the electron multiplier. In a counter 13 connected downstream of the photomultiplier 20, the number and optionally also the amplitude of the electrical signals generated in this way are recorded and can be further processed in electronics, not shown in detail here.

Messgeräte im industriellen Umfeld und insbesondere radiometrische Messgeräte zur Füllstandmessung, Grenzstandmessung, Dichtemessung oder Durchflussmessung können einem stark schwankenden Temperaturbereich ausgesetzt sein. Um eine Beschädigung des Messgeräts zu vermeiden, können robuste und gut isolierende Gehäuse eingesetzt werden. Diese sind jedoch aufwändig in der Herstellung und weisen ein erhöhtes Gewicht auf.Measuring devices in an industrial environment and in particular radiometric measuring devices for level measurement, point level measurement, density measurement or flow measurement can be exposed to a strongly fluctuating temperature range. To avoid damage to the measuring device, robust and well-insulating housings can be used. However, these are complex to produce and have an increased weight.

In der DE 10 2017 205 738 A1 wird daher ein radiometrisches Füllstandmessgerät mit einem Szintillator und einem Photodetektor, der über ein aktives Kühlelement innerhalb des Messgeräts bedarfsweise gekühlt oder erwärmt wird, vorgeschlagen. Hierdurch lässt sich der Einsatzbereich des radiometrischen Messgeräts ausweiten und der Aufwand für die Herstellung des Gehäuses verringern.In the DE 10 2017 205 738 A1 A radiometric level measuring device with a scintillator and a photodetector, which is cooled or heated as necessary via an active cooling element within the measuring device, is therefore proposed. This allows the area of application of the radiometric measuring device to be expanded and the effort required to produce the housing to be reduced.

Im Stand der Technik sind außerdem sog. Silizium-Photomultiplier bekannt, die als Ersatz für die bislang üblichen Photomultiplier-Röhren dienen sollen.So-called silicon photomultipliers are also known in the prior art, which are intended to serve as a replacement for the photomultiplier tubes that were previously common.

Ein Silizium-Photomultiplier ist eine Anordnung aus mehreren Lawinenphotodioden (engl. Avalanche Photo Diode, APD). Die typische Größe liegt bei wenigen Quadratmillimetern, auf denen mehrere hundert Lawinenphotodioden untergebracht sind. Diese werden in diesem Zusammenhang auch als Pixel bezeichnet.A silicon photomultiplier is an arrangement of several avalanche photo diodes (APD). The typical size is a few square millimeters, which accommodate several hundred avalanche photodiodes. In this context, these are also referred to as pixels.

Unter einem Silizium-Photomultiplier sollen in der vorliegenden Anmeldung auch Photodetektoren mit Lawinen-Photodioden als sensitive Elemente verstanden werden, die auf Basis anderer Substrate hergestellt werden, bspw. auf Basis von Germanium oder anderen geeigneten Substraten.In the present application, a silicon photomultiplier should also be understood to mean photodetectors with avalanche photodiodes as sensitive elements that are manufactured based on other substrates, for example based on germanium or other suitable substrates.

Die in einem Silizium-Photomultiplier verwendeten Lawinenphotodioden werden im Geigerbereich betrieben. Sie erreichen eine kurzzeitige Verstärkung von bis zu 10⁸, da ein durch ein einzelnes Photon erzeugtes Elektron-Loch-Paar aufgrund der Beschleunigung in der Multiplikationszone, hervorgerufen durch die hohe elektrische Feldstärke, mehrere Millionen Ladungsträger erzeugen kann.The avalanche photodiodes used in a silicon photomultiplier are operated in the Geiger range. They achieve a short-term amplification of up to 10 ⁸ , since an electron-hole pair generated by a single photon can generate several million charge carriers due to the acceleration in the multiplication zone caused by the high electric field strength.

Da eine im Geigerbereich betriebene Lawinenphotodiode Pulse mit fester Höhe liefert, ist die Signalhöhe eines Silizium-Photomultipliers proportional zur Zahl der ausgelösten Pixel. Die Signalhöhe kann in pe (Pixel Equivalent) angegeben werden. Ein pe entspricht der Signalamplitude eines einzelnen Pixels. Im Vergleich zu herkömmlichen Photomultiplier-Röhren bieten Silizium-Photomultiplier einige Vorteile.Since an avalanche photodiode operating in the Geiger range delivers pulses with a fixed height, the signal height of a silicon photomultiplier is proportional to the number of pixels triggered. The signal height can be specified in pe (pixel equivalent). One pe corresponds to the signal amplitude of a single pixel. Compared to traditional photomultiplier tubes, silicon photomultipliers offer several advantages.

Silizium-Photomultiplier sind kostengünstig, platzsparend und mechanisch relativ unempfindlich. Außerdem benötigen sie eine wesentlich kleinere Versorgungsspannung als Photomultiplier-Röhren. Silizium-Photomultiplier werden nicht von Magnetfeldern beeinflusst, was ein weiterer Vorteil für die Verwendung in großen Detektoren ist.Silicon photomultipliers are inexpensive, space-saving and relatively mechanically insensitive. They also require a much lower supply voltage than photomultiplier tubes. Silicon photomultipliers are not affected by magnetic fields, which is another advantage for use in large detectors.

Ein großer Nachteil ist die starke Temperaturabhängigkeit der Silizium-Photomultiplier. Die in einem Silizium-Photomultiplier eingesetzten Photodioden weisen oft einen verhältnismäßig geringen Temperaturbereich auf, in welchem sie gute Messergebnisse liefern können, und neigen dazu, bei zu hohen Temperaturen einen Dunkelstrom zu erzeugen, der sich negativ auf die Messwertgenauigkeit des radiometrischen Messgeräts auswirken kann. Aufgrund der starken Temperaturabhängigkeit des thermischen Rauschens von Halbleiterphotodioden und damit Silizium-Photomultipliern gestaltet sich deren Verwendung in Kombination mit einem Szintillator in einem radiometrischen Messgerät bei höheren Temperaturen, bspw. 60 °C, schwierig. Das Dunkelrauschen eines Silizium-Photomultipliers verdoppelt sich etwa alle 10 K. Somit ist das Dunkelrauschen bei 60 °C ca. 16 mal höher als bei 20 °C.A major disadvantage is the strong temperature dependence of silicon photomultipliers. The photodiodes used in a silicon photomultiplier often have a relatively low Temperature range in which they can deliver good measurement results and tend to generate a dark current when temperatures are too high, which can have a negative effect on the measurement accuracy of the radiometric measuring device. Due to the strong temperature dependence of the thermal noise of semiconductor photodiodes and thus silicon photomultipliers, their use in combination with a scintillator in a radiometric measuring device at higher temperatures, for example 60 ° C, is difficult. The dark noise of a silicon photomultiplier doubles approximately every 10 K. This means that the dark noise at 60 °C is approximately 16 times higher than at 20 °C.

Mit höherer Temperatur steigt auch die Durchbruchspannung der Lawinenphotodioden, der Verstärkungsfaktor nimmt daher ab. Gleichzeitig steigt dabei die Dunkelrate, d. h. die Anzahl der Pulse pro Zeiteinheit, die ohne optische Anregung entstehen. Als Dunkelstrom bezeichnet man in diesem Zusammenhang die spontane Bildung von freien Ladungsträgern durch Wärme in einem lichtempfindlichen Halbleiter, beispielsweise einer Photodiode.As the temperature increases, the breakdown voltage of the avalanche photodiodes also increases, and the amplification factor therefore decreases. At the same time, the dark rate increases, i.e. H. the number of pulses per unit of time that occur without optical excitation. In this context, dark current refers to the spontaneous formation of free charge carriers due to heat in a light-sensitive semiconductor, for example a photodiode.

Silizium-Photomultiplier bestehen aus einer Vielzahl an Mikrozellen (Pixeln). Die Signalamplitude, die eine Mikrozelle aufgrund der Absorption eines Photons generiert ist definiert als 1 pe. Ein Summensignal, welches der Silizium-Photomultiplier aufgrund der parallel geschalteten Mikrozellen liefert, ist somit proportional zu der Anzahl der angeregten Zellen. Statistisch gesehen ist es möglich, dass m Mikrozellen gleichzeitig aufgrund des thermischen Rauschens ein erstes Signal S1 als Dunkelstrom liefern, wobei $$\text{S1}=\text{m}\times \text{pe}$$

Silicon photomultipliers consist of a large number of microcells (pixels). The signal amplitude that a microcell generates due to the absorption of a photon is defined as 1 pe. A sum signal that the silicon photomultiplier delivers due to the microcells connected in parallel is therefore proportional to the number of excited cells. Statistically speaking, it is possible that m microcells simultaneously deliver a first signal S1 as a dark current due to the thermal noise, where $$\text{S1}=\text{m}\times \text{pe}$$

Eine weitere charakteristische Eigenschaft von Silizium-Photomultipliern ist der sogenannte Cross-Talk. Dabei rekombinieren Elektron-Loch-Paare in einer Lawinenphotodiode und die dabei entstehenden Photonen können in benachbarten Pixeln ein Signal erzeugen. Dieses optische Übersprechen einer Mikrozelle zu n benachbarten Zellen kann ein zweites Signal S2 bedingen, wobei $$\text{S2}=\left(\text{n}+1\right)\times \text{pe}$$

Another characteristic property of silicon photomultipliers is the so-called cross-talk. Electron-hole pairs recombine in an avalanche photodiode and the resulting photons can generate a signal in neighboring pixels. This optical crosstalk from a microcell to n neighboring cells can cause a second signal S2, where $$\text{S2}=\left(\text{n}+1\right)\times \text{pe}$$

Somit kann ein Silizium-Photomultiplier ohne optische Anregung Pulse mit Amplituden von mehreren pe liefern. Durch den Anstieg des Dunkelstroms mit der Temperatur nimmt die Anzahl der Dunkelpulse pro Zeiteinheit, sowie deren Amplitude zu. Da Dunkelpulse mit großer Amplitude nur anhand ihrer Amplitude nicht von einem zu zählenden Event unterscheidbar sind, kann sich die Zählrate eines solchen Photodetektors signifikant mit der Temperatur verändern.Thus, a silicon photomultiplier can deliver pulses with amplitudes of several pe without optical excitation. As the dark current increases with temperature, the number of dark pulses per unit of time and their amplitude increase. Since dark pulses with a large amplitude cannot be distinguished from an event to be counted based solely on their amplitude, the counting rate of such a photodetector can change significantly with temperature.

Durch Kombination der Messsignale mindestens zweier Silizium-Photomultiplier und einer geeigneten Signalerfassung/Signalauswertung kann das Dunkelrauschen signifikant reduziert bzw. eliminiert werden, so dass eine Verfälschung (Erhöhung) der Zählrate aufgrund der Zunahme von Dunkelpulsen bei höheren Temperaturen verringert wird. Dies kann durch die Erfassung von innerhalb eines festlegbaren Zeitintervalls auftretenden Signalen, welche mittels beiden Halbleiterphotodioden zeitgleich, d. h koinzident, erfasst werden, gelöst werden. Somit tragen statistisch verteilte Dunkelpulse nur noch in geringem Maße zu der zu messenden Zählrate bei.By combining the measurement signals from at least two silicon photomultipliers and suitable signal acquisition/signal evaluation, the dark noise can be significantly reduced or eliminated, so that a falsification (increase) of the count rate due to the increase in dark pulses at higher temperatures is reduced. This can be done by detecting signals occurring within a definable time interval, which are transmitted simultaneously using both semiconductor photodiodes, i.e. h coincident, detected, solved. Statistically distributed dark pulses therefore only contribute to a small extent to the count rate to be measured.

Die Silizium-Photomultiplier sind idealerweise direkt benachbart bspw. in einem Array an einem Ende eines Szintillators angeordnet. Hierdurch wird sichergestellt, dass die durch γ-Quanten oder Teilchen im Szintillatormaterial erzeugten Lichtpulse elektrische Signale vergleichbarer Amplitude erzeugen, deren Amplitude bzw. Signalform nicht durch Absorption im Szintillatormaterial aufgrund unterschiedlicher Signallaufstrecken verfälscht wird. Durch die örtliche Nähe der mindestens zwei Halbleiterphotodetektoren weisen diese auch annährend die gleiche Temperatur auf, so dass sich deren Dunkelrauschen im Betrieb in vergleichbarem Maße mit dieser ändert.The silicon photomultipliers are ideally arranged directly next to each other, for example in an array at one end of a scintillator. This ensures that the light pulses generated by γ quanta or particles in the scintillator material generate electrical signals of comparable amplitude, the amplitude or signal shape of which is not distorted by absorption in the scintillator material due to different signal travel distances. Due to the local proximity of the at least two semiconductor photodetectors, they also have approximately the same temperature, so that their dark noise changes to a comparable extent during operation.

Durch diese Maßnahmen lassen sich jedoch nicht sämtliche Dunkelpulse eliminieren.However, these measures cannot eliminate all dark pulses.

Weiterer Stand der Technik ist aus den Druckschriften DE 10 2017 217 538 A1 , DE 20 2015 103 673 U1 , US 5 298 756 A und US 6 525 323 B1 bekannt.Further state of the art is from the publications DE 10 2017 217 538 A1 , DE 20 2015 103 673 U1 , US 5,298,756 A and US 6,525,323 B1 known.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung die bekannten Vorrichtungen und Verfahren so zu verbessern, dass die Messergebnisse weniger aufgrund von Dunkelpulsen verfälscht werden.It is the object of the present invention to improve the known devices and methods so that the measurement results are less distorted due to dark pulses.

Eine erfindungsgemäße Detektoreinheit für einen Szintillationszähler, mit wenigstens zwei parallelen Signalpfaden, wobei ein erster Signalpfad mit einem ersten Ausgangssignal einen ersten Silizium-Photomultiplier und ein zweiter Signalpfad mit einem zweiten Ausgangssignal einen zweiten Silizium-Photomultiplier aufweist, und wobei die Ausgangssignale der Signalpfade einer Koinzidenzeinheit zugeführt sind, zeichnet sich dadurch aus, dass die Detektoreinheit wenigstens eine Einheit zur Pulsformanalyse aufweist.A detector unit according to the invention for a scintillation counter, with at least two parallel signal paths, wherein a first signal path with a first output signal has a first silicon photomultiplier and a second signal path with a second output signal has a second silicon photomultiplier, and wherein the output signals of the signal paths are fed to a coincidence unit are characterized in that the detector unit has at least one unit for pulse shape analysis.

Dadurch, dass in der erfindungsgemäßen Detektoreinheit zwei parallel geschaltete Silizium-Photomultiplier in zwei parallelen Signalpfaden zum Einsatz kommen, können in der nachgeschalteten Signalverarbeitung die aufgrund eines im Szintillator erzeugten Lichtblitzes erzeugten Pulse von Dunkelpulsen unterschieden werden.The fact that in the detector unit according to the invention there are two silicon photomultipliers connected in parallel in two parallel signal paths When used, the pulses generated by a flash of light generated in the scintillator can be distinguished from dark pulses in the downstream signal processing.

Der Koinzidenzeinheit werden die Ausgangssignale beider Signalpfade zugeführt. Am Ausgang der Koinzidenzeinheit werden nur die Signalpulse ausgegeben, die auf beiden Signalpfaden gleichzeitig auftreten. Statistisch verteilte Pulse, die nicht in beiden Signalpfaden gleichzeitig auftreten können so ausgefiltert werden.The output signals of both signal paths are fed to the coincidence unit. Only the signal pulses that occur simultaneously on both signal paths are output at the output of the coincidence unit. Statistically distributed pulses that do not occur in both signal paths at the same time can be filtered out in this way.

Dadurch, dass die durch Szintillationsprozesse im Szintillator erzeugten Lichtpulse ein anderes zeitliches Abklingverhalten aufweisen, als die in der Halbleiterphotodiode erzeugten Dunkelpulse, lassen sich diese durch eine Pulsformanalyse voneinander unterscheiden. Auf diese Weise ist es möglich, nicht nur die zufällig verteilten Dunkelpulse, die nicht koinzident in beiden Silizium-Photomultipliern Auftreten von einer Impulszählung im Szintillationszähler auszunehmen, sondern es können aufgrund der Pulsformanalyse auch diejenigen Dunkelpulse von der Zählung ausgeschlossen werden, die koinzident auftreten. Diese Aufgabe wird durch eine Detektoreinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein radiometrisches Messgerät mit den Merkmalen des Anspruchs 6, ein Verfahren zur Signalauswertung mit den Merkmalen des Anspruchs 7 sowie Computerprogrammcode gemäß Anspruch 8 gelöst.Because the light pulses generated by scintillation processes in the scintillator have a different decay time behavior than the dark pulses generated in the semiconductor photodiode, they can be distinguished from each other by pulse shape analysis. In this way, it is possible not only to exclude the randomly distributed dark pulses that do not occur coincidently in both silicon photomultipliers from a pulse count in the scintillation counter, but also those dark pulses that occur coincidently can be excluded from the count based on the pulse shape analysis. This object is achieved by a detector unit with the features of claim 1, a radiometric measuring device with the features of claim 6, a method for signal evaluation with the features of claim 7 and computer program code according to claim 8.

In einer bevorzugten Ausgestaltungsform ist der Einheit zur Pulsformanalyse der Koinzidenzeinheit nachgeschaltet, d. h. dass nur für die Pulse, die tatsächlich auf beiden Signalpfaden gleichzeitig auftreten eine Analyse der Pulsform erfolgt.In a preferred embodiment, the coincidence unit is connected downstream of the pulse shape analysis unit, i.e. H. that the pulse shape is only analyzed for the pulses that actually occur on both signal paths at the same time.

Den Silizium-Photomultipliern kann jeweils eine Diskriminatoreinheit nachgeschaltet sein, die nur diejenigen Pulse an ihrem Ausgang weiterleitet, die einen vorgegebenen oder vorgebbaren Schwellenwert überschreiten. Durch die Diskriminatoreinheit werden die Dunkelpulse unterhalb eines Schwellenwertes ausgefiltert. Der Diskriminator ist in der Regel als Amplitudendiskriminator ausgebildet und filtert damit Pulse unterhalb einer bestimmten, im Diskriminator vorgegebenen Schwelle. Auf diese Weise werden Dunkelpulse von geringer Amplitude ggf. schon vor der weiteren Signalverarbeitung ausgefiltert und die Koinzidenzeinheit sowie die Pulsformanalyse müssen nur noch auf eine reduzierte Anzahl von Pulsen angewendet werden, was eine Einsparung an Rechenleistung und damit Energie bedeutet.A discriminator unit can be connected downstream of the silicon photomultipliers, which only forwards those pulses at its output that exceed a predetermined or predeterminable threshold value. The discriminator unit filters out the dark pulses below a threshold value. The discriminator is usually designed as an amplitude discriminator and thus filters pulses below a certain threshold specified in the discriminator. In this way, dark pulses of low amplitude are possibly filtered out before further signal processing and the coincidence unit and the pulse shape analysis only have to be applied to a reduced number of pulses, which means a saving in computing power and thus energy.

Die Einheit zur Pulsformanalyse ist erfindungsgemäß geeignet ausgebildet, anhand eines zugeführten Signals ein Ausgangssignal zur Unterscheidung eines Dunkelpulses von einem Lichtpuls aufgrund einer Detektion eines γ-Quants oder dem Durchgang eines geladenen Teilchens, bspw. eines Protons oder Myons auszugeben. Durch ein unterschiedliches Abklingverhalten von Pulsen eines Dunkelpulses, eines durch ein γ-Quant, oder allgemeiner eines durch ein strahlendes Ereignis ausgelösten Pulses in dem Silizium-Photomultiplier kann anhand der Pulsform eine Unterscheidung der physikalischen Herkunft des jeweiligen Pulses erkannt und ein geeignetes Ausgangssignal bereitgestellt werden. Das Ausgangssignal kann bspw. derart sein, dass nur aufgrund strahlender Ereignisse erzeugte Pulse durchgelassen werden, oder dass ein Ausgangssignal an eine Durchlassschaltung, der die Pulse ebenfalls zugeführt sind, gegeben wird, sodass diese die gewünschten Pulse, d. h. vorliegend die Pulse, die auf einem strahlenden Ereignis beruhen, durchlässt.According to the invention, the unit for pulse shape analysis is designed to output an output signal for distinguishing a dark pulse from a light pulse based on a detection of a γ-quantum or the passage of a charged particle, for example a proton or muon, based on a supplied signal. Due to a different decay behavior of pulses of a dark pulse, a pulse triggered by a γ-quant, or more generally a pulse triggered by a radiant event in the silicon photomultiplier, a distinction between the physical origin of the respective pulse can be recognized based on the pulse shape and a suitable output signal can be provided. The output signal can, for example, be such that only pulses generated due to radiating events are passed through, or that an output signal is given to a pass circuit to which the pulses are also supplied, so that they produce the desired pulses, i.e. H. In this case, the pulses that are based on a radiating event pass through.

Die Einheit zur Pulsformanalyse weist erfindungsgemäß wenigstens einen Integrator zur Integration zugeführte Signalpulse auf, wobei ein erstes Integral über einen ersten Teil des zugeführten Signals und ein zweites Integral über das gesamte zugeführte Signal gebildet, und ein Entscheidungskriterium aus einem Quotienten aus einerseits der Differenz des zweiten Integrals und des ersten Integrals und andererseits dem zweiten Integral gebildet wird. Anhand des Entscheidungskriteriums kann dann entschieden werden, welchen physikalischen Ursprung der untersuchte Puls hat, und entsprechend verfahren werden, d. h. bspw. der als auf einem strahlenden Ereignis beruhende Puls durchgelassen werden.According to the invention, the unit for pulse shape analysis has at least one integrator for integrating supplied signal pulses, a first integral being formed over a first part of the supplied signal and a second integral being formed over the entire supplied signal, and a decision criterion consisting of a quotient of, on the one hand, the difference of the second integral and the first integral and on the other hand the second integral is formed. Based on the decision criterion, it can then be decided what physical origin the examined pulse has and proceed accordingly, i.e. H. for example, the pulse that is based on a radiating event can be allowed through.

Die Unterscheidung der Pulse unterschiedlichen physikalischen Ursprungs kann dabei mittels Signalintegration in entsprechenden Zeitfenstern relativ zu einer zeitlichen Trigger-Marke des Pulses mittels eines PSD-Parameters erfolgen. Der PSD-Parameter ermittelt sich zu: $$PSD=\frac{Q_{\text{lang}}-Q_{\text{kurz}}}{Q_{\text{lang}}}$$

The distinction between the pulses of different physical origins can be done by means of signal integration in corresponding time windows relative to a temporal trigger mark of the pulse using a PSD parameter. The PSD parameter is determined as: $$PSD=\frac{Q_{\text{long}}-Q_{\text{short}}}{Q_{\text{long}}}$$

Wobei der Parameter Q_kurz durch Signalintegration in einem Zeitfenster um die Signalflanke des Pulses, welches anhand des Zeitstempels der Diskriminiatoreinheit positioniert wird, erzeugt wird und Q_lang durch eine Integration über den kompletten Puls. Hierdurch ist der Parameter Q_lang proportional zur Gesamtenergie des Ereignisses und Q_kurz ermittelt die Energie des Pulses in dem Zeitfenster um die steigende Flanke. Werden die Zeitfenster zur Integration zur Ermittlung des PSD-Parameters entsprechend gewählt, ist der PSD-Parameter für eine Art eines physikalischen Ereignisses, bspw. die Detektion eines γ-Quants, weitestgehend unabhängig von der Energie.The parameter Q _short is generated by signal integration in a time window around the signal edge of the pulse, which is positioned based on the time stamp of the discriminator unit, and Q _long by integration over the entire pulse. As a result, the parameter Q _long is proportional to the total energy of the event and Q _short determines the energy of the pulse in the time window around the rising edge. If the time windows for integration to determine the PSD parameter are selected accordingly, the PSD parameter for a type of physical event, for example the detection of a γ-quanta, is largely independent of the energy.

Als Trigger-Marke des Pulses wird bspw. das Überschreiten eines vorgegebenen Schwellwertes der ansteigenden Flanke des Pulses verwendet. Dieser einfache Schwellwertdiskriminator ist jedoch für eine exakte Ermittlung einer zeitlichen Trigger-Marke meist nicht brauchbar, da bei ihm der Auslösezeitpunkt von der Gesamtpulshöhe abhängt (sog. time walk-Effekt). Alternativ kann die Trigger-Marke aus dem Signal eines Constant Fraction Discriminators abgeleitet werden. Hierbei wird das Eingangssignal in zwei parallelen Signalpfaden verarbeitet. In dem einen Pfad wird es um einen festen Zeitbetrag verzögert, der kleiner als die Anstiegszeit des Signals ist. Im anderen Pfad wird das Signal invertiert und mit einem festen Faktor multipliziert. Die beiden so behandelten Signale werden wieder addiert. Der erste Nulldurchgang des Summensignals kann als Trigger-Marke verwendet werden.For example, the exceeding of a predetermined threshold value of the rising edge of the pulse is used as the trigger mark of the pulse. However, this simple threshold value discriminator is usually not usable for an exact determination of a temporal trigger mark, since the trigger time depends on the total pulse height (so-called time walk effect). Alternatively, the trigger mark can be derived from the signal of a constant fraction discriminator. The input signal is processed in two parallel signal paths. In one path it is delayed by a fixed amount of time that is less than the rise time of the signal. In the other path, the signal is inverted and multiplied by a fixed factor. The two signals treated in this way are added together again. The first zero crossing of the sum signal can be used as a trigger mark.

Die Zeitfenster für die Integration Q_kurz und Q_lang werden idealerweise relativ zur zeitlichen Trigger-Marke des Ereignisses, welches, beispielsweise mittels eines Constant Fraction Discriminators bestimmt worden ist, positioniert.The time windows for the integration Q _short and Q _long are ideally positioned relative to the temporal trigger mark of the event, which was determined, for example, using a constant fraction discriminator.

Trotz des stark von der Temperatur abhängigen Dunkelrauschens ist die Verwendung von Halbleiterphotodioden bzw. Silizium-Photomultipliern vorteilhaft, da diese sehr viel niedrigere Betriebsspannungen als herkömmliche Photomultiplier-Röhren benötigen, sodass der Betrieb in einer 4-20 mA Stromschleife möglich wird. In einer bevorzugten Ausgestaltungsform wird das radiometrische Messgerät und damit die Detektoreinheit in einer 4-20 mA Stromschleife betrieben und vorzugsweise vollständig über diese mit Energie versorgt.Despite the dark noise, which is strongly dependent on the temperature, the use of semiconductor photodiodes or silicon photomultipliers is advantageous because they require much lower operating voltages than conventional photomultiplier tubes, so that operation in a 4-20 mA current loop is possible. In a preferred embodiment, the radiometric measuring device and thus the detector unit is operated in a 4-20 mA current loop and is preferably completely supplied with energy via this.

Des Weiteren werden unter anderem aufgrund der geringeren Betriebsspannung die erforderlichen baulichen Maßnahmen für den Betrieb in explosionsgefährlichen Atmosphären erheblich vereinfacht. Ferner sind Silizium-Photomultiplier im Gegensatz zu einer Photomultiplier-Röhre unempfindlich gegenüber starken, äußeren Magnetfeldern und können daher vielfältiger eingesetzt werden.Furthermore, due to the lower operating voltage, among other things, the necessary structural measures for operation in explosive atmospheres are significantly simplified. Furthermore, in contrast to a photomultiplier tube, silicon photomultipliers are insensitive to strong external magnetic fields and can therefore be used in a variety of ways.

Des Weiteren werden die Silizium-Photomultiplier idealerweise mittels einer temperatur-kompensierten Spannungsversorgung betriebenen, damit deren Verstärkung über der Temperatur konstant bleibt und somit vergleichbare Ereignisse bei unterschiedlichen Temperaturen vergleichbare Signalamplituden liefern.Furthermore, the silicon photomultipliers are ideally operated using a temperature-compensated power supply so that their gain remains constant over the temperature and thus comparable events at different temperatures deliver comparable signal amplitudes.

Wie oben dargestellt weisen die in einem Silizium-Photomultiplier eingesetzten Photodioden oft einen verhältnismäßig geringen Temperaturbereich auf, in welchem sie gute Messergebnisse liefern können, und neigen dazu, bei zu hohen Temperaturen einen Dunkelstrom zu erzeugen, der sich negativ auf die Messwertgenauigkeit des radiometrischen Messgeräts auswirken kann. Die Auswirkungen des Dunkelstroms können mit der vorliegenden Erfindung reduziert werden. Zusätzlich kann der Silizium-Photomultiplier gekühlt werden, damit sich die Temperatur in einem Bereich bewegt, in dem der Dunkelstrom keine Auswirkungen oder zumindest keine signifikanten Auswirkungen auf die Messung hat.As shown above, the photodiodes used in a silicon photomultiplier often have a relatively small temperature range in which they can deliver good measurement results, and tend to generate a dark current when the temperature is too high, which has a negative effect on the measurement accuracy of the radiometric measuring device can. The effects of dark current can be reduced with the present invention. Additionally, the silicon photomultiplier can be cooled so that the temperature is in a range where the dark current has no effect or at least no significant effect on the measurement.

Daher ist es vorteilhaft, wenn das radiometrische Messgerät ein aktives Kühlelement zur Regelung der Temperatur der Detektoreinheit aufweist. Beispielsweise kann das Kühlelement als Peltier-Element ausgeführt und in der Lage sein, die die Detektoreinheit und insbesondere die Silizium-Photomultiplier aktiv zu kühlen oder zu erwärmen, je nach Bedarf.It is therefore advantageous if the radiometric measuring device has an active cooling element for regulating the temperature of the detector unit. For example, the cooling element can be designed as a Peltier element and be able to actively cool or heat the detector unit and in particular the silicon photomultiplier, as required.

Insbesondere können so auch Photodioden bzw. Silizium-Photomultiplier eingesetzt werden, die nur bis zu einer Temperatur von beispielsweise minus 20° C zugelassen sind, und welche durch das Peltier-Element bei Unterschreiten dieser Temperatur geheizt werden. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn der Einsatzbereich des radiometrischen Füllstandmessgeräts auch unterhalb dieser Temperatur liegt.In particular, photodiodes or silicon photomultipliers can also be used that are only permitted up to a temperature of, for example, minus 20 ° C, and which are heated by the Peltier element when the temperature falls below this temperature. This is particularly advantageous if the area of application of the radiometric level measuring device is also below this temperature.

Durch die Verringerung des Dunkelstroms mittels einer Temperaturregelung kann die Empfindlichkeit des Messgeräts gesteigert werden. Hierdurch werden die Genauigkeit und die Stabilität der Messung verbessert.By reducing the dark current using temperature control, the sensitivity of the measuring device can be increased. This improves the accuracy and stability of the measurement.

Das radiometrische Messgerät kann insbesondere zur Anbindung an eine Zweileiterschleife (z. B. 4-20mA, Feldbus: HART, PA, FF) eingerichtet sein, über welche es mit der zu seinem Betrieb erforderlichen Leistung versorgt wird und welche optional auch zum Datenaustausch verwendet wird. In diesem Fall kann vorgesehen sein, dass das aktive Kühlelement separat mit Energie versorgt wird, seine Energie also nicht über die Zweileiterschleife bezieht. Auch kann vorgesehen sein, dass das Messgerät einen Energiespeicher aufweist, der Energie aus der Zweileiterschleife speichert und für die Energieversorgung des aktiven Kühlelements zuständig ist.The radiometric measuring device can in particular be set up for connection to a two-wire loop (e.g. 4-20mA, fieldbus: HART, PA, FF), via which it is supplied with the power required for its operation and which is optionally also used for data exchange . In this case, it can be provided that the active cooling element is supplied with energy separately, i.e. does not draw its energy via the two-wire loop. It can also be provided that the measuring device has an energy storage device that stores energy from the two-wire loop and is responsible for supplying energy to the active cooling element.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Signalauswertung einer Detektoreinheit für einen Szintillationszähler, mit wenigstens zwei parallelen Signalpfaden, wobei ein erster Signalpfad mit einem ersten Ausgangssignal einen ersten Silizium-Photomultiplier und ein zweiter Signalpfad mit einem zweiten Ausgangssignal einen zweiten Silizium-Photomultiplier aufweist, wobei dem Verfahren die Signale aus beiden Signalpfaden zugeführt werden, weist folgende Schritte auf:

• - Ermitteln von Signalen, die eine Amplitude aufweisen, die größer ist, als ein vorgebbarer Schwellenwert,
• - Ermitteln koinzidenter Signale oberhalb des Schwellenwerts in den Signalpfaden;

A method according to the invention for signal evaluation of a detector unit for a scintillation counter, with at least two parallel signal paths, a first signal path with a first output signal having a first silicon photomultiplier and a second signal path with a second output signal having a second silicon photomultiplier, the method having the signals from both signal paths has the following steps:

• - Determining signals that have an amplitude that is greater than a predeterminable threshold value,
• - Determining coincident signals above the threshold in the signal paths;

Das Verfahren zeichnet sich durch folgende Schritte aus:

• - Analysieren der Signalform der Signale und Ausgeben der Signalen, die einem vorgebbaren Unterscheidungskriterium entsprechen,
• - Zählen der koinzidenten Signale oberhalb des Schwellenwertes, die das Unterscheidungskriterium erfüllen. Die einzelnen Verfahrensschritte können seriell oder ganz oder teilweise parallel ausgeführt werden.

The procedure is characterized by the following steps:

• - Analyzing the signal shape of the signals and outputting the signals that correspond to a predeterminable differentiation criterion,
• - Counting the coincident signals above the threshold that meet the discrimination criterion. The individual process steps can be carried out serially or completely or partially in parallel.

In den beiden Signalpfaden werden also zunächst die Signale ermittelt, die eine Amplitude oder Energie aufweisen, die oberhalb eines vorgebbaren Schwellenwerts liegt. Aus diesen Signalen werden die Signale ermittelt, die koinzident, d. h. gleichzeitig auftreten und damit mit hoher Wahrscheinlichkeit aufgrund eines strahlenden Ereignisses aufgetreten sind. Die Pulse aufgrund eines strahlenden Ereignisses werden aus dem Szintillatormaterial direkt oder über einen Lichtleiter auf die Silizium-Photomultiplier eingekoppelt und erzeugen daher koinzidente elektrische Pulse.In the two signal paths, the signals are first determined that have an amplitude or energy that is above a predeterminable threshold value. These signals are used to determine the signals that are coincident, i.e. H. occur simultaneously and are therefore very likely to have occurred due to a radiant event. The pulses due to a radiating event are coupled from the scintillator material directly or via a light guide to the silicon photomultipliers and therefore generate coincident electrical pulses.

Da mit geringer Wahrscheinlichkeit auch Dunkelpulse mit ausreichender Amplitude koinzident auf beiden Signalpfaden auftreten können, wird anschließend mittels einer Analyse der Signalform ein Unterscheidungskriterium für diejenigen Pulse ermittelt, die tatsächlich auf ein strahlendes Ereignis zurückführbar sind.Since it is very unlikely that dark pulses with sufficient amplitude can occur coincidentally on both signal paths, an analysis of the signal shape is then used to determine a distinguishing criterion for those pulses that can actually be traced back to a radiant event.

Die so ermittelten Pulse werden ausgegeben und in geeigneter Art und Weise gezählt, um anhand der Anzahl und ggf. Intensität der ermittelten Pulse eine Aussage über die Strahlungsintensität am Ort des Szintillatormaterials und damit über Füllstand, Grenzstand, Dichte oder Durchfluss treffen zu können.The pulses determined in this way are output and counted in a suitable manner in order to be able to make a statement about the radiation intensity at the location of the scintillator material and thus about the fill level, limit level, density or flow based on the number and, if applicable, intensity of the determined pulses.

Erfindungsgemäß wird das Unterscheidungskriterium durch Bildung eines ersten Integrals über einen ersten Teil des zugeführten Signals und eines zweiten Integrals über das gesamte zugeführte Signal sowie die Bildung eines Quotienten aus einerseits der Differenz des zweiten Integrals und des ersten Integrals und andererseits dem zweiten Integral berechnet.According to the invention, the differentiation criterion is calculated by forming a first integral over a first part of the supplied signal and a second integral over the entire supplied signal as well as forming a quotient from, on the one hand, the difference between the second integral and the first integral and, on the other hand, the second integral.

Die vorliegende Erfindung kann ferner als Computerprogrammcode implementiert werden, der, wenn er von einer Recheneinheit eines Szintillationszählers der Ausgangssignale einer Detektoreinheit mit wenigstens zwei parallelen Signalpfaden zugeführt sind, wobei ein erster Signalpfad mit einem ersten Ausgangssignal einen ersten Silizium-Photomultiplier und ein zweiter Signalpfad mit einem zweiten Signalpfad einen zweiten Silizium-Photomultiplier aufweist, ausgeführt wird, diese Recheneinheit dazu veranlasst folgende Schritte auszuführen:

• - Ermitteln von Signalen, die eine Amplitude aufweisen, die größer ist, als ein vorgebbarer Schwellenwert,
• - Ermitteln koinzidenter Signale oberhalb des Schwellenwerts in den Signalpfaden, erfindungsgemäß wird die Recheneinheit dazu veranlasst, folgende Schritte auszuführen:
• - Analysieren der Signalform der Signale und Ausgeben der Signalen, die einem vorgebbaren Unterscheidungskriterium entsprechen,
• - Zählen der koinzidenten Signale oberhalb des Schwellenwertes, die das Unterscheidungskriterium erfüllen.

The present invention can further be implemented as computer program code which, when supplied from a computing unit of a scintillation counter, output signals to a detector unit with at least two parallel signal paths, a first signal path with a first output signal being a first silicon photomultiplier and a second signal path with a second signal path has a second silicon photomultiplier, is executed, causing this computing unit to carry out the following steps:

• - Determining signals that have an amplitude that is greater than a predeterminable threshold value,
• - Determining coincident signals above the threshold value in the signal paths; according to the invention, the computing unit is caused to carry out the following steps:
• - Analyzing the signal shape of the signals and outputting the signals that correspond to a predeterminable differentiation criterion,
• - Counting the coincident signals above the threshold that meet the discrimination criterion.

Der Computerprogrammcode beinhaltet ferner Bestandteile, die die Recheneinheit dazu veranlassen, zur Ermittlung des Unterscheidungskriteriums ein erstes Integral über einen ersten Teil des zugeführten Signals und ein zweites Integral über das gesamte zugeführte Signal zu bilden, und das Unterscheidungskriterium aus einem Quotienten aus einerseits der Differenz des zweiten Integrals und des ersten Integrals und andererseits dem zweiten Integral zu bilden.The computer program code further contains components that cause the computing unit to form a first integral over a first part of the supplied signal and a second integral over the entire supplied signal in order to determine the differentiation criterion, and the differentiation criterion from a quotient of the difference of the second Integral and the first integral and on the other hand the second integral.

Erfindungsgemäß ist somit ein Verfahren zum Betrieb eines radiometrischen Füllstandsensors bei erhöhten Betriebstemperaturen mit mindestens zwei HalbleiterPhotodetektoren, bspw. Silizium-Photomultipliern, mit temperaturkompensierter Spannungsversorgung, wobei zu der Zählrate, welche zur Bestimmung des Füllstandes herangezogen wird, nur koinzidente, d. h. zeitgleiche Ereignisse der beiden Photodetektoren beitragen, welche erstens vergleichbare Amplituden und/oder Signalformen und/oder Energien aufweisen und zweitens größer als ein vorgegebener Schwellwert sind.According to the invention, there is therefore a method for operating a radiometric level sensor at elevated operating temperatures with at least two semiconductor photodetectors, for example silicon photomultipliers, with a temperature-compensated power supply, with only coincident, i.e. H. simultaneous events of the two photodetectors contribute, which firstly have comparable amplitudes and / or signal shapes and / or energies and secondly are greater than a predetermined threshold value.

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren eingehend erläutert. Es zeigen:

• 1 ein Blockschaltbild eines Szintillationszählers mit einer Detektoreinheit gemäß der vorliegenden Anmeldung,
• 2 Signalverläufe an den in 1 gekennzeichneten Stellen der Detektorei n heit,
• 3 den Ablauf eines Verfahrens zur Signalauswertung einer Detektoreinheit für einen Szintillationszähler gemäß der vorliegenden Anmeldung,
• 4a) ein Blockschaltbild eines Szintillationszählers mit einer Detektoreinheit mit digitaler Signalverarbeitung,
• 4b) eine Variante zur Analog-Digitalwandlung der Signale,
• 5 eine vergrößerte Darstellung eines Signalverlaufs eines strahlenden Ereignisses, die daraus ermittelte Triggermarke sowie die zur Auswertung verwendeten Integrationsfenster und
• 6 schematisch den Aufbau eines Szintillationszählers gemäß dem Stand der Technik (schon behandelt).

The present invention is explained in detail below using exemplary embodiments with reference to the attached figures. Show it:

• 1 a block diagram of a scintillation counter with a detector unit according to the present application,
• 2 Signal curves on the in 1 marked points of the detector unit,
• 3 the sequence of a method for signal evaluation of a detector unit for one Scintillation counter according to the present application,
• 4a) a block diagram of a scintillation counter with a detector unit with digital signal processing,
• 4b) a variant for analog-digital conversion of signals,
• 5 an enlarged representation of a signal curve of a radiating event, the trigger mark determined from it and the integration windows used for the evaluation and
• 6 schematically the structure of a scintillation counter according to the state of the art (already discussed).

In den Figuren bezeichnen - soweit nicht anders angegeben - gleiche Bezugszeichen gleiche Komponenten mit gleicher Funktion.In the figures - unless otherwise stated - the same reference numbers designate the same components with the same function.

1 zeigt ein Blockschaltbild eines Szintillationszählers 1 mit einer Detektoreinheit 10 gemäß der vorliegenden Anmeldung. 1 shows a block diagram of a scintillation counter 1 with a detector unit 10 according to the present application.

Der Szintillationszähler 1 weist einen Szintillator 3 als für ionisierende Strahlung sensitives Element auf, in dem aufgrund der eintreffenden Strahlung Lichtblitze erzeugt werden. Dem Szintillator 3 sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein erster Silizium-Photomultiplier 5.1 und ein zweiter Silizium-Photomultiplier 5.2 nachgeschaltet. Der erste Silizium-Photomultiplier 5.1 und der zweite Silizium-Photomultiplier 5.2 sind parallel zueinander angeordnet und in räumlicher Nähe zueinander derart angeordnet, dass in dem Szintillator 3 erzeugten Lichtblitze sowohl von dem ersten Silizium-Photomultiplier 5.1 als auch von dem zweiten Silizium-Photomultiplier 5.2 erfasst werden.The scintillation counter 1 has a scintillator 3 as an element sensitive to ionizing radiation, in which flashes of light are generated due to the incoming radiation. In the present exemplary embodiment, the scintillator 3 is followed by a first silicon photomultiplier 5.1 and a second silicon photomultiplier 5.2. The first silicon photomultiplier 5.1 and the second silicon photomultiplier 5.2 are arranged parallel to one another and arranged in spatial proximity to one another in such a way that flashes of light generated in the scintillator 3 are detected by both the first silicon photomultiplier 5.1 and the second silicon photomultiplier 5.2 become.

Dem ersten Silizium-Photomultiplier 5.1 ist nach einer ersten Verstärkerschaltung ein erster Analog-Digital-Wandler nachgeschaltet und dem zweiten Silizium-Photomultiplier 5.2 nach einer zweiten Verstärkerschaltung ein zweiter Analog-Digital-Wandler nachgeschaltet. Bei der Verstärkerschaltung kann es sich bspw. um einen Verstärker mit programmierbarer Verstärkung (PGA - Programmable Gain Amplifier) und/oder um einen Operationsverstärker handeln. Bei dem Analog-Digital-Wandler kann es sich bspw. auch um einen Analog-Digital-Wandler mit mehreren parallelen Eingängen handeln, dem das Signal beider Silizium-Photomultiplier 5.1/5.2 zugeführt wird, so dass die Daten parallel verarbeitet werden können.The first silicon photomultiplier 5.1 is followed by a first analog-digital converter after a first amplifier circuit and the second silicon photomultiplier 5.2 is followed by a second analog-digital converter after a second amplifier circuit. The amplifier circuit can be, for example, an amplifier with programmable gain (PGA) and/or an operational amplifier. The analog-digital converter can, for example, also be an analog-digital converter with several parallel inputs, to which the signal from both silicon photomultipliers 5.1/5.2 is fed so that the data can be processed in parallel.

Dem ersten Silizium-Photomultiplier 5.1 ist eine erste Diskriminatoreinheit 7.1 und dem zweiten Silizium-Photomultiplier 5.2 eine zweite Diskriminatoreinheit 7.2 nachgeschaltet. Auf diese Weise sind zwei parallele Signalzweige die jeweils aus einem Silizium-Photomultiplier 5.1, 5.2 sowie einer Diskriminatoreinheit 7.1, 7.2 bestehen, gebildet.The first silicon photomultiplier 5.1 is followed by a first discriminator unit 7.1 and the second silicon photomultiplier 5.2 by a second discriminator unit 7.2. In this way, two parallel signal branches are formed, each consisting of a silicon photomultiplier 5.1, 5.2 and a discriminator unit 7.1, 7.2.

In den Silizium-Photomultipliern 5.1, 5.2 werden die Lichtblitze aus dem Szintillator 3 in elektrische Signale umgewandelt und der jeweils nachgeschalteten Diskriminatoreinheit 7.1, 7.2 zugeführt. Die Diskriminatoreinheiten 7.1, 7.2 sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Amplituden-Diskriminatoreinheit ausgebildet und filtert aus dem zugeführten Signal jeweils die Signale heraus, die einen vorgegebenen Schwellenwert, im vorliegenden Fall eine vorgegebene Amplitude A_min, 150, 151 nicht überschreiten und damit mit hoher Wahrscheinlichkeit nicht auf einen Lichtblitz aufgrund eines strahlenden Ereignisses, d. h. aufgrund auf den Szintillator 3 treffender Strahlung, zurückzuführen sind. In anderen Worten werden also lediglich die Signale ausgangsseitig an den Diskriminatoreinheiten 7.1, 7.2 zur Verfügung gestellt, die die minimale Amplitude A_min, 150, 151 übersteigen.In the silicon photomultipliers 5.1, 5.2, the light flashes from the scintillator 3 are converted into electrical signals and fed to the downstream discriminator unit 7.1, 7.2. In the present exemplary embodiment, the discriminator units 7.1, 7.2 are designed as an amplitude discriminator unit and filter out the signals from the supplied signal that do not exceed a predetermined threshold value, in the present case a predetermined amplitude A _min , 150, 151 and therefore with a high degree of probability can be attributed to a flash of light due to a radiant event, ie due to radiation hitting the scintillator 3. In other words, only the signals that exceed the minimum amplitude A _min , 150, 151 are made available on the output side of the discriminator units 7.1, 7.2.

Die ausgangsseitig an den Diskriminatoreinheiten 7.1, 7.2 abgreifbaren Signale sind einer Koinzidenzeinheit 9 zugeführt, die aus den ihr zugeführten Signalen koinzident, d. h. gleichzeitig auftretende Pulse ermittelt. Liegt also an den Diskriminatoreinheiten 7.1, 7.2 gleichzeitig ein die minimale Amplitude A_min, 150, 151 übersteigendes Signal an, so wird dies durch die Koinzidenzeinheit 9 ausgangsseitig zur Verfügung gestellt. Signale, die zwar die minimale Amplitude A-_min, 150, 151 übersteigen, jedoch nicht gleichzeitig auftreten, d. h., dass beispielsweise nur an einer der Diskriminatoreinheiten 7.1, 7.2 ausgangsseitig ein Signal anliegt, werden durch die Koinzidenzeinheit 9 ausgefiltert.The signals that can be tapped on the output side of the discriminator units 7.1, 7.2 are fed to a coincidence unit 9, which determines coincident, ie simultaneously occurring, pulses from the signals fed to it. If a signal exceeding the minimum amplitude A _min , 150, 151 is present at the discriminator units 7.1, 7.2 at the same time, this is made available on the output side by the coincidence unit 9. Signals that exceed the minimum amplitude _Amin , 150, 151 but do not occur simultaneously, that is, for example, that only one of the discriminator units 7.1, 7.2 has a signal on the output side, are filtered out by the coincidence unit 9.

Die so ermittelten, die minimale Amplitude A_min, 150, 151 übersteigenden und koinzident auftretenden Signale sind einer der Koinzidenzeinheit 9 nachgeschalteten Einheit zur Pulsformanalyse 11 zugeführt. Die Einheit zur Pulsformanalyse 11 analysiert den Signalverlauf der ihr zugeführten Signale, wobei anhand eines Parameters PSD eine Unterscheidung der Pulse unterschiedlichen physikalischen Ursprung getroffen werden kann. Der Parameter PSD berechnet sich im vorliegenden Ausführungsbeispiel gemäß der nachfolgenden Formel: $$PSD=\frac{Q_{\text{lang}}-Q_{\text{kurz}}}{Q_{\text{lang}}}$$

The signals determined in this way, which exceed the minimum amplitude A _min , 150, 151 and occur coincidentally, are fed to a pulse shape analysis unit 11 connected downstream of the coincidence unit 9. The pulse shape analysis unit 11 analyzes the signal curve of the signals supplied to it, whereby a distinction between the pulses of different physical origins can be made using a parameter PSD. In the present exemplary embodiment, the parameter PSD is calculated according to the following formula: $$PSD=\frac{Q_{\text{long}}-Q_{\text{short}}}{Q_{\text{long}}}$$

Wobei der Parameter Q_kurz durch Signalintegration in einem Zeitfenster um die Signalflanke des Pulses erzeugt wird und Q_lang durch eine Integration über den kompletten Puls. Hierdurch ist der Parameter Q_lang proportional zur Gesamtenergie des Ereignisses. Werden die Zeitfenster zur Integration zur Ermittlung des PSD-Parameters entsprechend gewählt, ist der PSD-Parameter für eine Art eines physikalischen Ereignisses, bspw. die Detektion eines γ-Quants, weitestgehend unabhängig von der Energie.The parameter Q _short is generated by signal integration in a time window around the signal edge of the pulse and Q _long by integration over the entire pulse. As a result, the parameter Q _long is proportional to the total energy of the event. If the time windows for integration to determine the PSD parameter are selected accordingly, the PSD parameter for a type of physical event, for example the detection of a γ-quanta, is largely independent of the energy.

Abhängig von den Parameter PSD kann so eine Unterscheidung erfolgen, ob ein der Einheit zur Pulsformanalyse 11 zugeführtes Signal auf einen Lichtblitz aufgrund eines strahlenden Ereignisses, beispielsweise eines γ-Quants, zurückzuführen ist, oder auf ein statistisches Ereignis zurückgeht, das durch thermisches Rauschen oder optisches Übersprechen einzelner Zellen der Silizium-Photomultipliers entstanden ist.Depending on the parameters PSD, a distinction can be made as to whether a signal supplied to the pulse shape analysis unit 11 is due to a flash of light due to a radiant event, for example a γ-quant, or to a statistical event caused by thermal noise or optical Crosstalk of individual cells of the silicon photomultipliers arose.

Die so identifizierten Pulse, die auf strahlende Ereignisse zurückgehen werden ausgangsseitig der Einheit zur Pulsformanalyse 11 zur Verfügung gestellt und können beispielsweise über einen der Einheit zur Pulsformanalyse 11 nachgeschalteten Zähler 13 gezählt werden. Auf diese Weise kann durch Messung der Anzahl und Intensität der Lichtblitze pro Zeiteinheit auf die Intensität der Strahlung zurück geschlossen werden wobei gleichzeitig ein thermisches Rauschen der Silizium-Photomultiplier 5.1, 5.2 sowie der in den Silizium-Photomultipliern 5.1, 5.2 auftretende Crosstalk weitestgehend unterdrückt werden können.The pulses identified in this way, which are based on radiating events, are made available on the output side of the pulse shape analysis unit 11 and can be counted, for example, via a counter 13 connected downstream of the pulse shape analysis unit 11. In this way, the intensity of the radiation can be deduced by measuring the number and intensity of the light flashes per unit of time, while at the same time thermal noise from the silicon photomultipliers 5.1, 5.2 and the crosstalk occurring in the silicon photomultipliers 5.1, 5.2 can be largely suppressed .

Sowohl die Diskriminatoreinheiten als auch die Koinzidenzeinheiten und die Einheiten zur Pulsformanalyse können jeweils als diskrete Schaltung, als FPGA oder als Softwareblock implementiert sein. Die Software kann auf einem Controller oder Mikroprozessor ablaufen und die entsprechende Funktionalität realisieren.Both the discriminator units and the coincidence units and the pulse shape analysis units can each be implemented as a discrete circuit, as an FPGA or as a software block. The software can run on a controller or microprocessor and implement the corresponding functionality.

2 zeigt beispielhaft Signalverläufe an den in 1 gekennzeichneten Stellen an einem Ausgang 100 des ersten Silizium-Photomultipliers 5.1, an einem Ausgang 101 des zweiten Silizium-Photomultiplier 5.2, an einem Ausgang 160 der Koinzidenzeinheit 9 sowie an einem Ausgang 170 der Einheit zur Pulsformanalyse 11. 2 shows example signal curves at the in 1 marked points at an output 100 of the first silicon photomultiplier 5.1, at an output 101 of the second silicon photomultiplier 5.2, at an output 160 of the coincidence unit 9 and at an output 170 of the pulse shape analysis unit 11.

Die in 2 dargestellten und mit 100 und 101 gekennzeichneten Signalverläufe zeigen neben einem zu zählenden Ereignis, das mit 110 und 111 gekennzeichnet ist auch zahlreiche statistisch verteilte Dunkelpulse unterschiedlicher Amplitude. Diese Dunkelpulse sind in der Regel antikoinzident. Beispielhaft hierfür ist der Puls 120 gekennzeichnet, aus dem hervorgeht, dass zwischen den beiden Silizium-Photomultipliern 5.1, 5.2 kein korreliertes Rauschen vorhanden ist. Statistisch gesehen sind mit einer geringen Wahrscheinlichkeit jedoch auch gleichzeitige, sprich koinzidente Dunkelpulse 130, 131, 140, 141 möglich. Koinzidente Dunkelpulse mit großer Amplitude sind hierbei deutlich seltener als Pulse mit einer geringen Amplitude. Somit ist es sehr unwahrscheinlich, dass Dunkelpulse mit großer und annährend gleicher Amplitude zeitgleich detektiert werden, was aber dennoch vorkommen kann und mit 140 und 141 gekennzeichnet ist. In the 2 The signal curves shown and marked with 100 and 101 show, in addition to an event to be counted, which is marked with 110 and 111, also numerous statistically distributed dark pulses of different amplitudes. These dark pulses are usually anti-coincident. As an example of this, pulse 120 is marked, which shows that there is no correlated noise between the two silicon photomultipliers 5.1, 5.2. Statistically speaking, however, simultaneous, i.e. coincident, dark pulses 130, 131, 140, 141 are also possible with a low probability. Coincident dark pulses with a large amplitude are significantly rarer than pulses with a low amplitude. It is therefore very unlikely that dark pulses with large and approximately the same amplitude will be detected at the same time, but this can still occur and is marked with 140 and 141.

Durch Unterdrückung von Signalen, welche kleiner als eine vorgegebene minimale Amplitude A_min als Schwellwert 150, 151 sind in den Diskriminatoreinheiten 7.1, 7.2, und von antikoinzidenten Signale, welche nicht gleichzeitig auf allen Messkanälen detektiert werden in der Koinzidenzeinheit 9 wird der mit 160 gekennzeichnete Signalverlauf erreicht, der jedoch noch die Anteile des Dunkelrauschens enthält, die koinzident mit ausreichender Amplitude auftreten. Durch eine Analyse der in diesem Signalverlauf 160 noch enthaltenen Signale hinsichtlich deren Puls-Form und/oder Amplitude und/oder Energie können aufgrund der starken Unterschiede hierin Signale, die auf andere Ursachen als auf ein strahlendes Ereignis zurückzuführen sind, annähernd vollständig eliminiert werden. Die Unterscheidung der unterschiedlichen Puls-Formen kann bspw. über den PSD Parameter erfolgen. Unterschiedliche Energien lassen sich durch Signalintegration über den kompletten Puls oder alternativ über die Pulsamplitude unterscheiden.By suppressing signals that are smaller than a predetermined minimum amplitude A _min as a threshold value 150, 151 in the discriminator units 7.1, 7.2, and of anti-coincident signals that are not detected simultaneously on all measuring channels in the coincidence unit 9, the signal curve marked 160 becomes achieved, which, however, still contains the parts of the dark noise that occur coincidentally with sufficient amplitude. By analyzing the signals still contained in this signal curve 160 with regard to their pulse shape and/or amplitude and/or energy, signals that can be traced back to causes other than a radiating event can be almost completely eliminated due to the strong differences therein. The different pulse shapes can be differentiated using the PSD parameter, for example. Different energies can be distinguished by signal integration over the entire pulse or alternatively via the pulse amplitude.

3 beschreibt beispielhaft den Ablauf eines Verfahrens zur Signalauswertung einer Detektoreinheit für einen Szintillationszähler gemäß der vorliegenden Anmeldung. 3 describes, by way of example, the sequence of a method for signal evaluation of a detector unit for a scintillation counter according to the present application.

Die Detektoreinheit 10 weist dazu wenigstens zwei Signalpfade mit parallel und in räumlicher Nähe zueinander angeordnete, einem Szintillator 3 nachgeschaltete Photodetektoren, die als Silizium-Photomultiplier 5.1, 5.2 ausgebildet sind, auf.For this purpose, the detector unit 10 has at least two signal paths with photodetectors arranged parallel and in spatial proximity to one another, which are arranged downstream of a scintillator 3 and are designed as silicon photomultipliers 5.1, 5.2.

In einem ersten Schritt 301 werden die von den Silizium-Photomultiplier 5.1, 5.2 ausgangsseitig zur Verfügung gestellten Signale ausgelesen und es werden in einem zweiten Schritt 302 jeweils Signale ermittelt, die eine minimale Amplitude A_min, 150, 151 überschreiten. In einem dritten Schritt 303 werden aus den beiden Signalpfaden koinzidente Signale, d. h. Signale die gleichzeitig auftreten ermittelt und in einem vierten Schritt 304 einer Pulsformanalyse unterzogen. Die Pulsformanalyse stellt ausgangsseitig die Signale bereit, die eindeutig auf einen Lichtblitz aufgrund eines strahlenden Ereignisses zurückführbar sind. In einem fünften Schritt 305 werden die zur Verfügung gestellten Signale erfasst und ausgewertet, was beispielsweise eine Zählung der ermittelten Signale und/oder eine Analyse der Signalenergie bedeuten kann.In a first step 301, the signals provided on the output side of the silicon photomultipliers 5.1, 5.2 are read out and, in a second step 302, signals are determined that exceed a minimum amplitude A _min , 150, 151. In a third step 303, coincident signals, ie signals that occur simultaneously, are determined from the two signal paths and subjected to a pulse shape analysis in a fourth step 304. The pulse shape analysis provides the signals on the output side that can be clearly traced back to a flash of light due to a radiating event. In a fifth step 305, the signals provided are recorded and evaluated, which can mean, for example, counting the signals determined and/or analyzing the signal energy.

Mit dem vorgeschlagenen Verfahren lässt sich somit auch niederenergetische Strahlung unabhängig von der Temperatur erfassen, deren Zählrate sonst sehr stark von einem entsprechenden Dunkelrauschen bei höheren Temperaturen beeinflusst werden würde.The proposed method can therefore also be used to eliminate low-energy radiation depending on the temperature, the counting rate of which would otherwise be very strongly influenced by corresponding dark noise at higher temperatures.

4a) zeigt ein Blockschaltbild eines Szintillationszählers mit einer Detektoreinheit mit digitaler Signalverarbeitung. Dem Szintillator 3 ist dazu, wie auch in der Ausgestaltung gemäß 1 eine Parallelschaltung aus zwei Silizium-Photomultipliern 5.1, 5.2 nachgeschaltet. Das Ausgangssignal des ersten Silizium-Photmulitpliers 5.1 ist einem ersten Verstärker 6.1 und das Ausgangssignal des zweiten Silizium-Photomultipliers 5.2 ist einem zweiten Verstärker 6.2 zugeführt. Die Verstärker 6.1, 6.2 sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Programmable Gain Amplifier ausgebildet, könne aber auch durch Operationsverstärker, bspw. als Transimpedanzverstärker, ausgebildet sein. 4a) shows a block diagram of a scintillation counter with a detector unit with digital signal processing. The scintillator 3 is corresponding to this, as is the design 1 a parallel connection of two silicon photomultipliers 5.1, 5.2 is connected downstream. The output signal of the first silicon photomultiplier 5.1 is fed to a first amplifier 6.1 and the output signal of the second silicon photomultiplier 5.2 is fed to a second amplifier 6.2. In the present exemplary embodiment, the amplifiers 6.1, 6.2 are designed as programmable gain amplifiers, but could also be designed as operational amplifiers, for example as transimpedance amplifiers.

Dem ersten Verstärker 6.1 ist ein erster Analog-Digital-Wandler 8.1 und dem zweiten Verstärker 6.2 ist ein zweiter Analog-Digital-Wandler 8.2 nachgeschaltet, die beide mit einem identischen Takt T betrieben werden. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die Signale auf den beiden Signalpfaden mit einem synchronen Taktsignal abgetastet und somit die die Triggermarken direkt miteinander verglichen werden könnenThe first amplifier 6.1 is followed by a first analog-digital converter 8.1 and the second amplifier 6.2 is followed by a second analog-digital converter 8.2, both of which are operated with an identical clock T. This ensures that the signals on the two signal paths are sampled with a synchronous clock signal and that the trigger marks can therefore be compared directly with one another

Die Ausgangssignale der Analog-Digital-Wandler 8.1, 8.2 sind einer digitalen Verarbeitungseinheit 99 zugeführt, die das oben beschriebene Verfahren zur Signalauswertung durchführt. Die Verarbeitungseinheit 99 kann bspw. als FPGA ausgebildet sein, oder, wie im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Microcontroller, auf dem ein Computerprogrammcode ausgeführt wird, sodass der Microcontroller die entsprechenden Verfahrensschritte ausführt.The output signals of the analog-digital converters 8.1, 8.2 are fed to a digital processing unit 99, which carries out the signal evaluation method described above. The processing unit 99 can be designed, for example, as an FPGA, or, as in the present exemplary embodiment, as a microcontroller on which a computer program code is executed so that the microcontroller carries out the corresponding procedural steps.

Insbesondere ist es bei einer digitalen Signalverarbeitung möglich, dass die Verfahrensschritte des Ermittelns von Signalen, die eine bestimmte Signalamplitude oder Signalenergie übersteigen, des Ermittelns koinzidenter Signale, sowie die Pulsformanalyse teilweise oder vollständig parallel, d.h. gleichzeitig ablaufen können und anschließend aufgrund der zeitlich parallelen Abtastung die Ergebnisse zusammengeführt werden können. Auf diese Weise kann eine deutliche Zeitersparnis bei der Signalauswertung erreicht werden. In particular, with digital signal processing, it is possible for the method steps of determining signals that exceed a certain signal amplitude or signal energy, of determining coincident signals, as well as the pulse shape analysis to be carried out partially or completely in parallel, i.e. simultaneously, and then due to the temporally parallel sampling Results can be merged. In this way, significant time savings can be achieved when evaluating signals.

4b) zeigt eine Variante zur Analog-Digitalwandlung der Signale, wie sie in 4a) beschrieben ist. In 4b) ist ein mehrkanaliger Analog-Digital-Wandler 8 dargestellt, dem die Ausgangssignale der Verstärker 6.1, 6.2 parallel zugeführt sind. Durch diese Ausgestaltung wird eine Abtastung und Analog-Digital-Wandlung der zugführten Signale mit einem synchronen Takt T erreicht. Falls es sich um einen mehrkanaligen Analog-Digitalwandler, dessen Eingänge mittels eines Multiplexers abgetastet werden, kann der bekannte zeitliche Versatz zwischen den einzelnen Kanälen in der Auswertung berücksichtigt werden. Die so abgetasteten Signale werden der Auswertungseinheit 99 seriell zugeführt. Aufgrund der Digitalisierung der Signale können diese wie zuvor beschrieben in der Auswertungseinheit 99 parallel verarbeitet werden. 4b) shows a variant for the analogue-digital conversion of the signals, as shown in 4a) is described. In 4b) A multi-channel analog-digital converter 8 is shown, to which the output signals of the amplifiers 6.1, 6.2 are fed in parallel. This configuration achieves sampling and analog-digital conversion of the supplied signals with a synchronous clock T. If it is a multi-channel analog-digital converter whose inputs are sampled using a multiplexer, the known time offset between the individual channels can be taken into account in the evaluation. The signals sampled in this way are fed serially to the evaluation unit 99. Due to the digitization of the signals, they can be processed in parallel in the evaluation unit 99 as described above.

5 zeigt eine vergrößerte Darstellung eines Signalverlaufs eines zu zählenden Ereignisses 110, 111, also eines Signalpulses der auf ein strahlendes Ereignis zurück geht, die daraus ermittelte Triggermarke Tr sowie die zur Auswertung verwendeten Integrationsfenster Q_kurz und Q_lang. Die Triggermarke Tr wird bspw. durch einen Constant Fraction Discriminator, d.h. durch Verarbeitung des Eingangssignals in zwei parallelen Signalpfaden gewonnen. In dem einen Pfad wird es um einen festen Zeitbetrag verzögert, der kleiner als die Anstiegszeit des Signalpulses ist. Im anderen Pfad wird das Signal invertiert und mit einem festen Faktor multipliziert. Die beiden so behandelten Signale werden wieder addiert. Der erste Nulldurchgang des Summensignals wird dann als Trigger-Marke verwendet. 5 shows an enlarged representation of a signal curve of an event 110, 111 to be counted, i.e. a signal pulse that goes back to a radiating event, the trigger mark Tr determined from this and the integration windows Q _short and Q _long used for the evaluation. The trigger mark Tr is obtained, for example, by a constant fraction discriminator, ie by processing the input signal in two parallel signal paths. In one path it is delayed by a fixed amount of time that is less than the rise time of the signal pulse. In the other path, the signal is inverted and multiplied by a fixed factor. The two signals treated in this way are added together again. The first zero crossing of the sum signal is then used as a trigger mark.

Die Integrationsfenster werden relativ zur zeitlichen Trigger-Marke, welches mittels eines Constant Fraction Discriminators bestimmt worden ist mit gleichem Beginn der Integrationsfenster, positioniert.The integration windows are positioned relative to the temporal trigger mark, which was determined using a constant fraction discriminator with the same start of the integration windows.

BezugszeichenlisteReference symbol list

11

Szintillationszähler Scintillation counter

33

Szintillator scintillator

5.15.1

erster Silizium-Photomultiplierfirst silicon photomultiplier

5.25.2

zweiter Silizium-Photomultipliersecond silicon photomultiplier

6.16.1

erster Verstärkerfirst amplifier

6.26.2

zweiter Verstärkersecond amplifier

7.17.1

erster Diskriminatorfirst discriminator

7.27.2

zweiter Diskriminatorsecond discriminator

88th

mehrkanaliger Analog-Digital-Wandlermulti-channel analog-digital converter

8.18.1

erster Analog-Digital-Wandlerfirst analog-to-digital converter

8.28.2

zweiter Analog-Digital-Wandlersecond analogue-digital converter

99

KoinzidenzeinheitCoincidence unit

1010

DetektoreinheitDetector unit

1111

Einheit zur Pulsformanalyse Pulse shape analysis unit

1313

Zähler counter

2020

Photomultiplier-Röhre Photomultiplier tube

PSDPSD

Parameterparameter

S1S1

erstes Signalfirst signal

S2S2

zweites Signal second signal

301-305301-305

VerfahrensschritteProcedural steps

9999

AuswerteeinheitEvaluation unit

100100

SignalverlaufSignal history

101101

SignalverlaufSignal history

160160

SignalverlaufSignal history

170170

Signalverlauf Signal history

110110

Pulse/SignalpulsPulses/signal pulse

111111

Pulse/SignalpulsPulses/signal pulse

130130

Pulse/SignalpulsPulses/signal pulse

131131

Pulse/SignalpulsPulses/signal pulse

140140

Pulse/SignalpulsPulses/signal pulse

141141

Pulse/SignalpulsPulses/signal pulse

150150

minimale Amplitudeminimum amplitude

151151

minimale Amplitudeminimum amplitude

Claims (8)

Detektoreinheit (10) für einen Szintillationszähler (1), mit wenigstens zwei parallelen Signalpfaden, wobei ein erster Signalpfad mit einem ersten Ausgangssignal einen ersten Silizium-Photomultiplier (5.1) und ein zweiter Signalpfad mit einem zweiten Ausgangssignal einen zweiten Silizium-Photomultiplier (5.2) aufweist, und wobei die Ausgangssignale der Signalpfade einer Koinzidenzeinheit (9) zugeführt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektoreinheit (10) wenigstens eine Einheit zur Pulsformanalyse (11) aufweist, geeignet ausgebildet ist, anhand eines zugeführten Signals ein Ausgangssignal zur Unterscheidung eines Dunkelpulses von einer Detektion eines γ-Quants auszugeben und die Einheit zur Pulsformanalyse (11) wenigstens einen Integrator zur Integration des zugeführten Signals aufweist, wobei ein erstes Integral über einen ersten Teil eines Signalpulses und ein zweites Integral über den gesamten Signalpuls gebildet, und ein Entscheidungskriterium aus einem Quotienten aus einerseits der Differenz des zweiten Integrals und des ersten Integrals und andererseits dem zweiten Integral gebildet wird.Detector unit (10) for a scintillation counter (1), with at least two parallel signal paths, a first signal path with a first output signal having a first silicon photomultiplier (5.1) and a second signal path with a second output signal having a second silicon photomultiplier (5.2). , and wherein the output signals of the signal paths are fed to a coincidence unit (9), characterized in that the detector unit (10) has at least one unit for pulse shape analysis (11), is suitably designed to use a supplied signal to produce an output signal for distinguishing a dark pulse from a Detection of a γ-quanta and the unit for pulse shape analysis (11) has at least one integrator for integrating the supplied signal, a first integral being formed over a first part of a signal pulse and a second integral being formed over the entire signal pulse, and a decision criterion from a quotient is formed from, on the one hand, the difference between the second integral and the first integral and, on the other hand, the second integral. Detektoreinheit (10) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einheit zur Pulsformanalyse (11) der Koinzidenzeinheit (9) nachgeschaltet ist.Detector unit (10) according to Claim 1 , characterized in that the unit for pulse shape analysis (11) is connected downstream of the coincidence unit (9). Detektoreinheit (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass den Silizium-Photomultipliern (5.1, 5.2) jeweils eine Diskriminatoreinheit (7.1, 7.2) nachgeschaltet ist.Detector unit (10) according to one of the preceding claims, characterized in that a discriminator unit (7.1, 7.2) is connected downstream of the silicon photomultipliers (5.1, 5.2). Detektoreinheit (10) gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Koinzidenzeinheit (9) eine Diskriminatoreinheit (7.1, 7.2) nachgeschaltet ist.Detector unit (10) according to one of Claims 1 or 2 , characterized in that the coincidence unit (9) is followed by a discriminator unit (7.1, 7.2). Detektoreinheit (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieversorgung der Detektoreinheit mittels einer 4-20 mA Schnittstelle erfolgt.Detector unit (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the detector unit is supplied with energy by means of a 4-20 mA interface. Radiometrisches Messgerät mit einem Szintillationszähler (1), dadurch gekennzeichnet, dass die Detektoreinheit (10) gemäß einem der vorgeordneten Patentansprüche ausgebildet ist.Radiometric measuring device with a scintillation counter (1), characterized in that the detector unit (10) is designed according to one of the preceding patent claims. Verfahren zur Signalauswertung einer Detektoreinheit (10) für einen Szintillationszähler (1), mit wenigstens zwei parallelen Signalpfaden, wobei ein erster Signalpfad mit einem ersten Ausgangssignal einen ersten Silizium-Photomultiplier (5.1) und ein zweiter Signalpfad mit einem zweiten Ausgangssignal einen zweiten Silizium-Photomultiplier (5.2) aufweist, wobei dem Verfahren die Signale aus den Signalpfaden zugeführt werden und das Verfahren folgende Schritte aufweist: - Ermitteln von Signalen, die eine Signaleigenschaft mit einer Größe aufweisen, die größer ist, als ein vorgebbarer Schwellenwert, - Ermitteln koinzidenter Signalanteile oberhalb des Schwellenwerts in den Signalpfaden, gekennzeichnet durch den Schritt: - Analysieren der Signalform der koinzidenten Signalanteile und Ausgeben der Signalanteile, die einem vorgebbaren Unterscheidungskriterium entsprechen - Zählen der koinzidenten Signalanteile oberhalb des Schwellenwertes, die das Unterscheidungskriterium erfüllen, wobei - zur Ermittlung des Unterscheidungskriteriums ein erstes Integral über einen ersten Teil eines Signalpulses in den zugeführten Signal und ein zweites Integral über den gesamten Signalpuls gebildet, und das Ausgangssignal aus einem Quotienten aus einerseits der Differenz des zweiten Integrals und des ersten Integrals und andererseits dem zweiten Integral gebildet wird. Method for signal evaluation of a detector unit (10) for a scintillation counter (1), with at least two parallel signal paths, a first signal path with a first output signal being a first silicon photomultiplier (5.1) and a second signal path with a second output signal being a second silicon photomultiplier (5.2), wherein the signals from the signal paths are supplied to the method and the method has the following steps: - determining signals that have a signal property with a size that is greater than a predeterminable threshold value, - determining coincident signal components above the Threshold value in the signal paths, characterized by the step: - analyzing the signal shape of the coincident signal components and outputting the signal components that correspond to a predeterminable differentiation criterion - counting the coincident signal components above the threshold value that meet the differentiation criterion, whereby - a first integral is used to determine the differentiation criterion via a first part of a signal pulse in the supplied signal and a second integral over the entire signal pulse, and the output signal is formed from a quotient of, on the one hand, the difference of the second integral and the first integral and, on the other hand, the second integral. Computerprogrammcode, der, wenn er von einer Recheneinheit eines Szintillationszählers (1) der Ausgangssignale einer Detektoreinheit (10) mit wenigstens zwei parallelen Signalpfaden zugeführt sind, wobei ein erster Signalpfad mit einem ersten Ausgangssignal einen ersten Silizium-Photomultiplier (5.1) und ein zweiter Signalpfad mit einem zweiten Signalpfad einen zweiten Silizium-Photomultiplier (5.2) aufweist, ausgeführt wird, diese dazu veranlasst folgende Schritte auszuführen: - Ermitteln von Signalen, die eine Signaleigenschaft mit einer Größe aufweisen, die größer ist, als ein vorgebbarer Schwellenwert, - Ermitteln koinzidenter Signalanteile oberhalb des Schwellenwerts in den Signalpfaden, gekennzeichnet durch den Schritt: - Analysieren der Signalform der koinzidenten Signalanteile und Ausgeben der Signale, die einem vorgebbaren Unterscheidungskriterium entsprechen - Zählen der koinzidenten Signalanteile oberhalb des Schwellenwertes, die das Unterscheidungskriterium erfüllen, wobei zur Ermittlung des Unterscheidungskriteriums ein erstes Integral über einen ersten Teil eines Signalpulses in dem zugeführten Signal und ein zweites Integral über den gesamten Signalpuls gebildet, und das Ausgangssignal aus einem Quotienten aus einerseits der Differenz des zweiten Integrals und des ersten Integrals und andererseits dem zweiten Integral gebildet wird.Computer program code which, when fed from a computing unit of a scintillation counter (1), of the output signals to a detector unit (10) with at least two parallel signal paths, a first signal path with a first output signal having a first silicon photomultiplier (5.1) and a second signal path having one two th signal path has a second silicon photomultiplier (5.2), which causes the following steps to be carried out: - determining signals that have a signal property with a size that is larger than a predeterminable threshold value, - determining coincident signal components above the Threshold value in the signal paths, characterized by the step: - Analyzing the signal shape of the coincident signal components and outputting the signals that correspond to a predeterminable differentiation criterion - Counting the coincident signal components above the threshold value that meet the differentiation criterion, a first integral being used to determine the differentiation criterion a first part of a signal pulse in the supplied signal and a second integral is formed over the entire signal pulse, and the output signal is formed from a quotient of, on the one hand, the difference of the second integral and the first integral and, on the other hand, the second integral.

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