DE19721323A1

DE19721323A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Gammaspektroskopie mit Unterscheidung von Einzel- und Mehrfachwechselwirkungen

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Publication number: DE19721323A1
Application number: DE1997121323
Authority: DE
Inventors: Joachim Dr Hellmig; Hans-Vol Klapdor-Kleingrothaus; Frank Dr Petry
Original assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Current assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Priority date: 1997-05-21
Filing date: 1997-05-21
Publication date: 1998-11-26
Anticipated expiration: 2017-05-22
Also published as: DE19721323C2

Description

Die Erfindung betrifft Meßverfahren und -vorrichtungen zur Gammaspektroskopie, insbesondere Verfahren und Schaltungs anordnungen zum Einsatz von Halbleiterdetektoren beim hoch empfindlichen, energieselektiven Nachweis von Gammastrahlen mit Unterscheidung von Einfach- und Mehrfachwechselwirkungen im Detektor.

Bei Halbleiterdetektoren (z. B. HPGe-Detektoren) erfolgt der Nachweis radioaktiver Strahlung durch Beobachtung von Ladungs trägern, die im Detektormaterial nach dessen Wechselwirkung mit der zu messenden Strahlung freigesetzt werden. Durch geeignete Dotierung wird ein Halbleiterdetektor als Diode mit einer Verarmungszone an der p-n-Grenzschicht gebildet. Die Verarmungszone wird durch eine Hochspannung auf das gesamte Detektormaterial ausgedehnt. Die bei der Wechselwirkung der Strahlung mit dem Detektormaterial deponierte Energie wird in Form von Elektronen-Loch-Paaren freigesetzt, die zu Detektor elektroden driften und dort mit einem ladungssensitiven Vor verstärker erfaßt werden.

Die Wechselwirkungen, die im Detektor zur Energiedeponierung führen, umfassen für geringe Energien (unterhalb von rd. 250 keV) den Photoeffekt, bei dem ein einzelnes Gamma-Photon an der Elektronenhülle eines Atoms absorbiert wird, bei mittleren Energien kombiniert eine Absorption und eine Compton-Streuung und bei Energien oberhalb der doppelten Ruhemasse des Elektrons Elektron-Positron-Paarerzeugungen, nach denen eine Energieabgabe durch Ionisation, Stöße und Abstrahlung weiterer Photonen (Zerstrahlung des Positrons) erfolgt.

Es besteht ein Interesse daran, bei der Strahlungsmessung zwischen sogenannten SSE- oder Einzel-Ereignissen (sogenannte "Single Site Event"-Ereignisse), bei denen nach einer Wechsel wirkung an einer Stelle im Detektor Energie deponiert wird, und MSE- oder Mehrfach-Ereignissen (sogenannte "Multiple Site Events"-Ergebnisse) zu unterscheiden, bei denen im Detektor simultan mehrere Wechselwirkungen stattfinden. Dies ist beispielsweise dann von Bedeutung, wenn Mehrfachwechsel wirkungen wie z. B. Photopeakereignisse mit Energien oberhalb 500 keV beobachtet oder bei einem strahlungsexponierten Detektor der Beta-Untergrund identifiziert werden sollen. Eine spezielle Anwendung ist die Suche nach dem neutrinolosen Doppelbetazerfall, der durch eine geringe Elektronenreichweite als sse-Ereignis erscheint, gegenüber dem mehrfachwechsel wirkende Ereignisse Untergrund darstellen.

Der vom Halbleiterdetektor bereitgestellte Ladungs- bzw. Strompuls läßt auf der Basis der Pulshöhe eine Aussage über die Energie der absorbierten Photonen und auf der Basis der ansteigenden Pulsflanke eine Aussage über die Art der Wechsel wirkung im Detektor zu.

Aus der Dissertation von F. Petry (Universität Heidelberg 1995) ist eine Methode zur Unterscheidung zwischen Einfach- und Mehrfachwechselwirkungen in Germaniumdetektoren bekannt, bei der die Pulsformen anhand von mehreren Parametern beurteilt werden. Die Fig. 6A und 6B zeigen jeweils entsprechend beispielhaft SSE- bzw. MSE-Pulsformen einer ²⁰⁸Th- bzw. ²¹²Bi-Quelle. Die SSE-Pulsformen entsprechend der sogenannten "double escape"-Linie bei 1592 keV und die MSE-Pulsformen Photopeaks bei 1620.5 keV (s. auch Fig. 3A, 3B). Die Parameter zur Pulsunterscheidung umfassen den "local"-Parameter, mit dem die größte Differenz zwischen zwei Amplituden eines Pulses angegeben wird, die "Beginn"- und "End"-Parameter, die die Symmetrie der Pulsform charakterisieren, und den "Broad"-Para meter zur Beschreibung der Breite des Pulsmaximums. Die auf der Grundlage der genannten Parameter durchgeführte digitale Pulsformanalyse (sogenannte DPFA) besitzt nur eine geringe Zuverlässigkeit, was beispielsweise aus der Dar stellung gemäß Fig. 7 ersichtlich ist.

Fig. 7 zeigt das volle Spektrum (offenes Histogramm) einer EuTh-Quelle und die Verteilung aller SSE-Ereignisse (schattiertes Histogramm), die nach dem bekannten Verfahren erkannt wurden. Zu niedrigen Energien hin zeigt sich ein fehlender Anstieg der SSE-Ereignisse, was der Tatsache wider spricht, daß unterhalb von 500 keV der Photoeffekt dominant wird und somit die Zahl der SSE-Ereignisse überwiegen müßte. Das bekannte Analyseverfahren ist somit nur in einem einge schränkten Energiebereich zuverlässig.

Neben der Unzuverlässigkeit der qualitativen DPFA ist darüber hinaus bisher keine quantitative Analyse der Strompulsformen möglich gewesen. Damit erlauben herkömmliche Meßanordnungen nicht, Aussagen über die Anzahl der SSE- bzw. MSE-Ereignisse zu liefern.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, verbesserte Verfahren zur Pulserfassung in der Gammaspektroskopie anzugeben, die insbesondere in Bezug auf die Unterscheidungsfähigkeit zwischen SSE- und MSE-Ereignissen unabhängig vom Energie bereich eine erhöhte Zuverlässigkeit besitzen und quantitative Aussagen über die tatsächlich aufgetretenen SSE- und MSE-Er eignisse zulassen. Die Aufgabe der Erfindung ist es ferner, Meßvorrichtungen zur Realisierung der Verfahren anzugeben.

Diese Aufgaben werden mit Meßverfahren bzw. Meßanordnungen gelöst, die die Merkmale gemäß den Patentansprüchen 1 oder 2 bzw. 12 oder 13 besitzen. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Der Erfindung liegt gemäß einer ersten Ausführungsform die Idee zugrunde, abweichend von der herkömmlichen Pulsform analyse mit einer Mehrzahl von Pulsparametern zu einer neuen, quantitativen Analyse überzugehen, bei der für jeden Puls ein Analyseparameter, der für die Breite der Pulsmaxima charak teristisch ist, durch Vergleich mit einem MSE-Kriterium zur Identifizierung von SSE- bzw. MSE-Ereignissen verwendet wird, wobei die tatsächlich aufgetretenen SSE- bzw. MSE-Ereignisse (Aktivität der Probe) aus den identifizierten Ereignissen und Identifizierungseffizienzen ermittelt werden. Als Analyse parameter wird vorzugsweise der an sich bekannte BROAD-Para meter verwendet. Die Identifizierungseffizienzen werden erfindungsgemäß durch eine Referenzmessung (Kalibrierungs vorgang) oder die Analyse bekannter Referenzwerte ermittelt. Vorzugsweise wird das MSE-Kriterium zur Identifizierung von SSE- bzw. MSE-Ereignissen so gewählt, daß die Identifizierungs effizienzen oder eine Gesamteffizienz maximal sind.

Im Unterschied zur herkömmlichen Pulsanalyse erfolgt somit erfindungsgemäß eine Verbindung der Pulsanalyse mit einem Kalibrierungsvorgang (Referenzmessung), mit dem die Iden tifizierungseffizienzen und das optimale MSE-Kriterium (Schwellwert) ermittelt werden.

Gemäß einer speziellen Ausführungsform wird vor der Puls analyse unter Berücksichtigung des Kalibrierungsverfahrens eine Pulsformung zur Erhöhung der Unterscheidungseffizienz und somit zur Steigerung der Sensitivität durchgeführt. Die Pulsformung umfaßt eine Verlängerung von Differentiations- bzw. Integrationszeiten bei der Auswertung von Strompulsen, die am Halbleiterdetektor abgenommen werden.

Der Erfindung liegt gemäß einer zweiten Ausführungsform die Idee zugrunde, die Aktivität einer Probe mit Zerfällen, bei denen Photonen emittiert werden, aus identifizierten MSE-Er eignissen und einer Detektionseffizienz zu ermitteln, wobei die Detektionseffizienz bei einem Kalibrierungsvorgang als Nachweiswahrscheinlichkeit für die Detektion von Zerfällen, die als MSE-Ereignisse im Detektor auftreten, mit einer Referenzquelle bekannter Aktivität (Eichpräparat) ermittelt und die nachfolgende Erfassung einer zu analysierenden, unbe kannten Probe unter unveränderten Einstellungen der Pulsanalyse durchgeführt wird. Dies bedeutet, daß die oben genannte Berück sichtigung der Identifizierungseffizienzen durch die Berück sichtigung der Detektionseffizienz ersetzt wird. Es ist jedoch möglich, die Verfahrensweisen gemäß der ersten und zweiten Ausführungsformen miteinander zu kombinieren. Die zweite Aus führungsform stellt eine vorteilhafte Vereinfachung dar, da mit der Ermittlung der Detektionseffizienz bei der Kalibrie rung ein Maß sowohl für die Nachweiswahrscheinlichkeit eines Zerfalls als auch für die Wahrscheinlichkeit der richtigen Ermittlung eines MSE-Ereignisses gewonnen wird. Somit kann in einfacher Weise aus der Ereigniszahl in den Linien eines MSE Spektrums die Aktivität einer Probe bestimmt werden, während zugleich der störende Untergrund einfach gestreuter Ereignisse unterdrückt ist.

Die Detektionseffizienz entspricht dem Verhältnis der Zahl der Zerfälle je Zeiteinheit in einem Eichpräparat zur Zahl identi fizierter MSE-Ereignisse je Zeiteinheit. Die Detektions effizienz ist vom Produkt aus Nachweiswahrscheinlichkeit im Detektor und Identifizierungswahrscheinlichkeit von MSE-Ereig nissen abhängig. Da die Nachweiswahrscheinlichkeit für Photonen in einem Halbleiterdetektor von der Energie der Photonen ab hängig ist, ist auch die Detektionseffizienz energieabhängig.

Die Aktivität einer zu untersuchenden Probe ergibt sich dann als Produkt aus der Detektionseffizienz und der Zahl identifi zierter MSE-Ereignisse.

Erfindungsgemäße Anordnungen zur Realisierung des Meß- oder Pulsanalyseverfahrens umfassen die Verbindung eines Halbleiterdetektors mit einer Auswertungsschaltung, die Mittel zur zeitdifferenzierten Pulsaufnahme, Mittel zur Ermittlung eines Analyseparameters, ggf. Vergleichermittel zum Vergleich des Analyseparameters mit einem MSE-Kriterium für jeden gemessenen Puls und zur Identifizierung von SSE- bzw. MSE-Ereignissen, Speichermittel zur Aufnahme des MSE-Kri teriums und von Identifizierungseffizienzen oder von Detektionseffizienzen, die aus einem Kalibrierungsverfahren ermittelt worden sind, und Mittel zur Berechnung von tat sächlich aufgetretenen SSE- bzw. MSE-Ereignissen enthält.

Die Erfindung besitzt die folgenden Vorteile. Die erfindungs gemäße Pulsformanalyse erlaubt erstmalig eine Erhöhung der Unterscheidungseffizienz bei der Diskriminierung von SSE- und MSE-Ereignissen auf über 70%. Ferner kann eine Höchstempfind lichkeits-Gammaspektroskopie realisiert werden, ohne daß Halbleiterdetektoren mit vergrößerten Sensorvolumen eingesetzt werden. Die Trennung von Meß- und Untergrundsignalen wird erheblich verbessert. Die Pulsanalyse wird vereinfacht, so daß in gleichen Meßzeiten größere Datenmengen verarbeitet werden können. Die Zuverlässigkeit der Trennung zwischen SSE- und MSE-Ereignissen wird stark vergrößert.

Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein Flußdiagramm zur Illustration eines ersten erfindungsgemäßen Meß- und Auswertungsverfahrens,

Fig. 2 ein Flußdiagramm zur Illustration eines Kalibrie rungsverfahrens,

Fig. 3A, 3B Gammaspektren von Referenzquellen, die bei der Realisierung des Kalibrierungsverfahrens gemäß Fig. 2 verwendet werden,

Fig. 4A, 4B Kurvendarstellungen der Abhängigkeit von Identi fizierungseffizienzen bzw. MSE- und SSE-Zahlen einer MSE-Bibliothek vom MSE-Kritierium,

Fig. 5 eine Blockdarstellung einer erfindungsgemäßen Meßanordnung,

Fig. 6A, 6B Kurvendarstellungen von SSE- bzw. MSE-Puls formen, und

Fig. 7 eine Kurvendarstellung mit einem EuTh-Spektrum und einem zugehörigen SSE-Spektrum gemäß einer herkömmlichen Pulsanalyse.

Die folgende Erläuterung bezieht sich beispielhaft auf eine Analyse mit dem Analyseparameter BROAD. Es ist dem Fachmann jedoch ersichtlich, daß die Erfindung auch mit anderen Analyseparametern realisierbar ist, die eine Unterscheidung zwischen SSE- und MSE-Ereignissen erlauben. Dabei werden vorzugsweise solche Analyseparameter eingesetzt, die über dem betrachteten Spektralbereich energieunabhängig sind. Es ist ferner möglich, anstelle einer digitalen Pulsformanalyse zur Ermittlung des Analyseparameters eine analoge Signalbearbeitung durchzuführen. Hierzu wird mit einem analogen Schaltkreis ein Signal erzeugt, dessen Amplitude proportional zur Breite der Pulsform ist und als Analyseparameter verwendet wird. Das Ausgangssignal des analogen Schaltkreises, der insbesondere Operationsverstärker zur Bestimmung von Zeitableitungen enthalten kann, kann dann direkt mit dem jeweiligen MSE-Kri terium verglichen werden.

Das erfindungsgemäße Meßverfahren umfaßt gemäß einer ersten Ausführungsform die Schritte Pulsformmessung (Schritt S11), Parameterberechnung (Schritt S12), Identifizierung bzw. Ereig niszählung (Schritt S13) und Berechnung tatsächlich aufge tretener Ereignisse (Schritt S14), die unter Bezug auf Fig. 1 beschrieben werden.

Die Pulsformmessung (S11) umfaßt die Aufnahme des Zeitver laufs eines am Halbleiterdetektor abgenommenen Strompulses. Die Implementierung der Pulsformmessung wird weiter unten unter Bezug auf Fig. 5 erläutert. Die Pulsformmessung kann gegebenenfalls mit einer Pulsformung verbunden sein, die unten gesondert beschrieben ist.

Für jeden gemessenen Puls wird der Analyseparameter berechnet (S12). Der Parameter BROAD ist definiert als der Quotient aus der Höhe des Pulsmaximums und der Krümmung des Pulsverlaufes im Maximum entsprechend der folgenden Gleichung.

BROAD = (max P)/|min (d²P/dt²)|

Das Pulsmaximum ist dabei die maximale Pulsamplitude, wobei deren Dimension wegen des nachfolgenden Vergleiches (S13) mit dem MSE-Kriterium unkritisch ist. Die Krümmung im Pulsmaximum ist gleichzeitig das Minimum der zweiten Zeitableitung des Pulses.

Beim Vergleichsschritt (S13) wird für jeden Puls der Parameter BROAD mit einem MSE-Kriterium verglichen. Das MSE-Kriterium ergibt sich aus dem Kalibrierungsverfahren, das unten unter Bezug auf Fig. 2 erläutert wird. Ist der Parameter BROAD größer als das MSE-Kriterium, so bedeutet dies, daß der gemessene Puls eine zeitliche Ausdehnung besitzt, die größer als der durch das MSE-Kriterium festgesetzte Schwellwert ist, so daß der Puls als MSE-Ereignis identifiziert wird. Ist der BROAD-Parameter kleiner als das MSE-Kriterium, so wird das Ereignis entsprechend als SSE-Ereignis identifiziert. Die Zählung der SSE- bzw. MSE-Ereignisse ergibt die identi fizierten SSE- bzw. MSE-Zahlen n_SSE bzw. n_MSE.

Beim letzten Schritt (S14) wird aus den identifizierten SSE- und MSE-Zahlen die Anzahl der tatsächlich aufgetretenen SSE- und MSE-Ereignisse N_SSE bzw. N_MSE unter Berücksichtigung von Identifizierungseffizienzen w_SSE bzw. w_MSE wie folgt ermittelt.

Die Identifizierungseffizienz w_SSE (im folgenden auch: w_SSE→SSE) ist die Wahrscheinlichkeit, daß ein SSE-Ereignis als solches richtig identifiziert wird. Dementsprechend ist die Identifizierungseffizienz w_MSE (im folgen auch: w_MSE→MSE) die Wahrscheinlichkeit, daß ein MSE-Ereignis als solches richtig identifiziert wird. Die Wahrscheinlichkeiten, daß ein SSE-Ereignis fälschlicherweise als ein MSE-Ereignis identifiziert wird (w_SSE→MSE) und umgekehrt, berechnen sich dann wie folgt:

w_SSE→MSE = 1 - w_SSE→SSE
w_MSE→SSE = 1 - w_MSE→MSE (1)

Die Zahlen der identifizierten Ereignisse n_SSE und n_MSE stehen dann mit den Zahlen der tatsächlich aufgetretenen Ereignisse N_SSE und N_MSE in folgendem Zusammenhang:

n_SSE = w_SSE→SSE.N_SSE + w_MSE→SSE.N_MSE
n_MSE = w_MSE→MSE.N_MSE + w_SSE→MSE.N_SSE (2)

Die Auflösung dieser Gleichungen nach den Zahlen der tatsächlich aufgetretenen SSE- und MSE-Ereignisse ergibt:

Ist die Anzahl der auftretenen Ereignisse genügend groß, lassen sich somit die Zahlen der tatsächlichen SSE- und MSE-Er eignisse aus den identifizierten SSE- und MSE-Ereignissen und den Identifizierungseffizienzen quantitativ bestimmen. Die Identifizierungseffizienzen werden mit dem erfindungsgemäßen Kalibrierungsvorgang ermittelt, das im folgenden unter Bezug auf Fig. 2 erläutert wird.

Die Identifizierungseffizienzen (oder auch: Nachweiswahr scheinlichkeiten) werden gemäß Fig. 2 aus der Analyse der Pulsform einer Referenzquelle ermittelt, die energetisch getrennte Emissionen aufweist, die jeweils im wesentlichen ausschließlich aus SSE-Ereignissen bzw. ausschließlich aus MSE-Ereignissen bestehen. Fig. 3A zeigt beispielhaft ein Spektrum mit einer im wesentlichen durch SSE-Ereignisse gebildeten Linie bei 1595.9 keV und einer im wesentlichen durch MSE-Ereignisse gebildeten Linie bei 1620.5 keV. Jeder Linie, die jeweils einem Ereignistyp entspricht, wird eine sogenannte Bibliothek (oder auch: Datensammlung) zugeordnet, die jeweils bekannte Pulsformen enthalten und somit aus den gemessenen Pulsformen mit einem bestimmten (gegebenenfalls optimierten) BROAD-Parameter die Berechnung der Identifizie rungseffizienzen erlauben. Für die sogenannte SSE-Bibliothek werden die Pulsformen aus einem Energieintervall von E_u ^SSB = 1589.1 keV bis E_o ^SSB = 1595.9 keV, für die sogenannte MSE-Bibli othek die Pulsformen aus dem Energieintervall von E_u ^MSB = 1617.1 keV bis E_o ^MSE = 1623.9 keV und für eine dritte, den gemeinsamen Untergrund beschreibende, sogenannte Unter grundsbibliothek Pulsformen im Energieintervall von E_u ^SSB = 1600 keV bis E_o ^SSB = 1615 keV benutzt. Der Quotient aus dem SSE-Energieintervall und dem Untergrundenergieintervall wird im folgenden mit dem Parameter a und der Quotient aus dem MSE-Energieintervall und dem Untergrundenergieintervall mit dem Parameter b abgekürzt.

Nach Messung der Pulsformen der Referenzquelle (Schritt S21) wird für jeden gemessenen Puls zunächst der Parameter BROAD berechnet und für den folgenden Ablauf zunächst ein MSE-Kri terium B₀ als Startwert vorgegeben (Schritt S22). An schließend werden bei Schritt S23 für alle Pulse die Parameter BROAD mit dem MSE-Kriterium verglichen und die Zahlen der SSE- bzw. MSE-Ereignisse n_SSE bzw. n_MSE bestimmt, wie es oben unter Bezug auf Schritt S13 (s. Fig. 1) genannt wurde.

Zur folgenden Berechnung der Identifizierngseffizienzen w_SSE, w_MSE (Schritt S24) lassen sich zunächst im Untergrundenergie intervall die tatsächlichen Zahlen der SSE-Ereignisse N^UB _SSE und der MSE-Ereignisse N^UB _MSE analog zu den obengenannten Gleichungen (3) aus den im Untergrundenergieintervall identifizierten SSE-Ereignisse (oder -Zählraten) n^UB _SSE und MSE-Ereignissen (oder -Zählraten) n^UB _MSE darstellen. Unter der Annahme einer konstanten Untergrundzählrate sind die Zahl der Untergrund-MSE-Ereignisse in der SSE-Bibliothek n^SSB _MSE und der Untergrund-SSE-Ereignisse in der MSE-Bibliothek n^MSB _MSE gemäß Gleichung (4) darstellbar.

n^SSB _MSE = a.N^UB _SSE
n^MSB _SSE = b.N^UB _MSE (4)

Unter der weiteren Annahme, daß die "SSE-Linie" (s. oben) nur SSE-Ereignisse und der MSE-Photopeak nur MSE-Ereignisse enthält, so lassen sich die absoluten Zahlen der SSE-Ereig nisse in der SSE-Bibliothek (N_SSE) bzw. der MSE-Ereignisse in der MSE-Bibliothek (N_MSE) gemäß Gleichung (5) darstellen.

N_SSE = N^SSB - b.N^UB _MSE
N_MSE = N^MSB - a.N^UB _SSE (5)

Da sich die Zahl der identifizierten SSE-Ereignisse in der SSE-Bibliothek aus den richtig identifizierten sse-Ereignissen und den fälschlich als SSE-Ereignisse identifizierten MSE- Ereignissen aus dem Untergrund zusammensetzen (entsprechendes gilt für die MSE-Bibliothek), ergibt die Gleichung (6)

n_SSE = N_SSE.w_SSE→SSE + b.N^UB _MSE.(1 - w_MSE→MSE)
n_MSE = N_MSE.w_MSE→MSE + a.N^UB _SSE.(1 - w_SSE→SSE) (6)

Bei Auflösung nach den Identifizierungseffizienzen bzw. Nachweiswahrscheinlichkeiten unter Berücksichtigung der Gleichung (5) ergeben sich die Ausdrücke entsprechend den Gleichungen (7):

In den Gleichungen (7) stehen somit nur noch die experimentell bestimmbaren Größen n_SSE, n^UB _SSE, N^SSB, n_MSE, n^UB _MSE, N^MSB und a, b. Die Gesamteffizienz wird gemäß Gleichung (8) definiert als:

∅ = (w_SSE→SSE.w_MSE→MSE)^1/2 (8)

Die so ermittelten detektorspezifischen Identifizierungs effizienzen könnten unmittelbar gespeichert und gemeinsam mit dem MSE-Kritierum B zur Realisierung des Verfahrens gemäß Fig. 1 herangezogen werden. Es ist ausreichend, den Kalibrierungs vorgang für einen bestimmten Detektor einmalig durchzuführen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann beim Kalibrierungsvorgang gemäß Fig. 2 jedoch eine Variation des MSE-Kriteriums derart erfolgen, daß die Identifizierungs effizienzen optimiert werden. Diese zusätzliche Optimierung wird in Fig. 2 durch die Schritte S25 und S27 dargestellt.

In Fig. 4A sind die Identifizierungseffizienzen für SSE- und MSE-Ereignisse und die Gesamteffizienz ∅ in Abhängigkeit vom MSE-Kriterium dargestellt. Da alle Ereignisse mit einem BROAD-Para meter unterhalb des mse-Kriteriums als SSE-Ereignisse gezählt werden, nimmt die Anzahl der SSE-Ereignisse in der SSE-Bibliothek (n_SSE) mit steigendem MSE-Kriterium und damit auch die zugehörige Identifizierungseffizienz oder Nachweis wahrscheinlichkeit zu. Dementsprechend nimmt umgekehrt die Nachweiswahrscheinlichkeit für die MSE-Ereignisse mit zunehmendem MSE-Kriterium ab. Da die Verteilungen der BROAD-Para meter in den SSE- und MSE-Bibliotheken unterschiedlich sind, liegt das Maximum der Gesamteffizienz ∅ nicht im Schnittpunkt der einzelnen Effizienzen. Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, daß die Identifizierungseffizienzen möglichst gut an bestimmte Zielwerte angenähert werden. Die Zielwerte können beispielsweise dadurch gekennzeichnet sein, daß die Gesamteffizienz besonders groß und die Einzeleffizienzen nicht zu gering sind. Gemäß Fig. 4A könnte dies beispielsweise bei einem MSE-Kriterium von 9.0 realisiert sein.

Die genannte Optimierung ist jedoch nicht zwingend erforder lich. Wie Fig. 4B zeigt, ergeben verschiedene MSE-Kriterien unter Berücksichtigung der verschiedenen Identifizierungs effizienzen gemäß Fig. 4A dennoch die erforderlichen konstanten Zahlen der tatsächlichen SSE-Ereignisse in der SSE-Bibliothek bzw. der tatsächlichen MSE-Ereignisse in der MSE-Bibliothek. Dies ergibt sich aus der Unabhängigkeit der entsprechenden Ereigniszahlen vom jeweiligen MSE-Kriterium.

Am Ende des Kalibrierungsverfahrens werden gemäß Fig. 2 die Identifizierungseffizienzen und das MSE-Kriterium gespeichert (Schritt S26).

Gemäß Fig. 5 umfaßt eine erfindungsgemäße Meßanordnung zur Realisierung der ersten Ausführungsform einen Halbleiter detektor 1 (z. B. einen Ge-Detektor), einen Vorverstärker 2, einen ersten Meßzweig 3 zur Ermittlung der Pulsamplituden (Energiebestimmung) und einen zweiten Meßzweig 4 zur Puls formanalyse. Der zweite Meßzweig 4 enthält einen TFA-Ver stärker 5 (Timing Filter Amplifier), mit dem Spannungssignale erzeugt werden,. die der Stromstärke der Signale des Detektors 1 proportional sind. Im TFA-Verstärker werden die Vorver stärkersignale mit Zeitkonstanten der Größenordnung 10 bis 20 ns differenziert. Die Pulsform (interessierender Zeitbereich: rund 200 ns bis 500 ns) wird anschließend mit dem FADC-Wandler 6 abgetastet. Der erste und zweite Meßzweig 3, 4 sind mit einem Datenbussystem 7 verbunden, das an eine Computerver arbeitung angeschlossen ist. Im unteren Teil von Fig. 5 sind beispielhaft der Zeitverlauf des Vorverstärkersignals (links) und des Ausgangssignals des TFA-Verstärkers (rechts) dar gestellt.

Falls der Analyseparameter durch eine analoge Signalformung gebildet wird, ist erfindungsgemäß vorzugsweise vorgesehen, den Vorverstärker mit einem entsprechenden analogen Schalt kreis zu erweitern. Damit können einfache Detektoren mit MSE- bzw. SSE-Unterscheidung realisiert werden, die mit herkömm lichen Meßsysteme kompatibel sind.

Erfindungsgemäß kann zur Erhöhung der Sensitivität eine analoge Pulsformung vorgesehen sein. Eine Pulsglättung durch Einführung einer Integrationszeit am TFA-Verstärker führt zur Erhöhung der Identifizierungseffizienzen. Bei einer Differentationszeit von 50 ns und einer Integrationszeit von 100 ns wurde eine SSE-Identifizierungseffizienz von 62% und eine MSE-Identifizierungseffizienz von 72% erreicht.

Die in den Fig. 3A und 3B dargestellten schattierten Histo gramme zeigen den Vorteil des erfindungsgemäßen Meßverfahrens. Gemäß Fig. 3A stellt das schattierte Histogramm das Spektrum der identifizierten SSE-Ereignisse dar. Nach Berechnung der tatsächlich aufgetretenen SSE-Ereignisse gemäß den Gleichungen (3) ergibt sich das Spektrum gemäß Fig. 3B, das erwartungs gemäß die SSE-Ereignisse nur noch im Bereich der SSE-Linie zeigt.

Das erfindungsgemäße Meßverfahren umfaßt gemäß einer zweiten, vereinfachten Ausführungsform einen gegenüber dem Flußdiagramm gemäß Fig. 1 modifizierten Ablauf, bei dem in Schritt S14 nicht die Identifizierungseffizienzen, sondern die Detektions effizienz berücksichtigt wird. In diesem Fall ist der Kali brierungsvorgang dahingehend modifiziert, daß eine Kalibrie rungsmessung einer Referenzquelle bekannter Gamma-Aktivität zur Ermittlung einer entsprechenden Detektionseffizienz, die die Nachweiswahrscheinlichkeit von Zerfällen mit dem konkret benutzten Detektor darstellt, durchgeführt wird.

Eine weitere Variation gegenüber Fig. 1 wird durch das oben erläuterte Ersetzen der Schritte S11 und S12 durch eine Ermittlung des Analyseparameters mit einem analogen Schalt kreis erzielt.

Gemäß einem besonderen Aspekt wird die Erfindung entsprechend den oben erläuterten Prinzipien bei strahlungsexponierten Halbleiterdetektoren zur Erfassung eines gegebenenfalls vor handenen Beta-Untergrunds verwendet.

Claims

1. Verfahren zur Erfassung von Gammastrahlung mit einem Halb leiterdetektor, wobei für jeden Detektorpuls ein Analyse parameter ermittelt, der Analyseparameter mit einem MSE-Kri terium verglichen und im Ergebnis des Vergleiches der Puls einem Einzel-Ereignis (SSE) oder einem Mehrfach- Ereignis (MSE) zugeordnet wird, um Zahlen n_SSE bzw. n_MSE der identifizierten SSE- bzw. MSE-Ereignisse zu erfassen, dadurch gekennzeichnet, daß aus Identifizierungseffizienzen w_SSE bzw. w_MSE, die bei einem Kalibrierungsvorgang ermittelte Nachweiswahrscheinlich keiten für die richtige Identifizierung von SSE- bzw. MSE-Er eignissen darstellen, und aus den identifizierten Zahlen n_SSE bzw. n_MSE die Zahlen N_SSE bzw. N_MSE der tatsächlich aufgetretenen SSE- bzw. MSE-Ereignisse ermittelt werden.

2. Verfahren zur Erfassung von Gammastrahlung mit einem Halb leiterdetektor, wobei für jeden Detektorpuls ein Analyse parameter ermittelt, der Analyseparameter mit einem MSE-Kriterium verglichen und im Ergebnis des Vergleiches der Puls einem Einzel-Ereignis (SSE) oder einem Mehrfach-Er eignis (MSE) zugeordnet wird, um Zahlen n_SSE bzw. n_MSE der identifizierten SSE- bzw. MSE-Ereignisse zu erfassen, dadurch gekennzeichnet, daß aus einer Detektionseffizienz, die eine bei einem Kalibrierungsvorgang ermittelte Nachweiswahrscheinlichkeit für die Detektion von Photonen aus Zerfällen in einer Probe als MSE-Ereignisse darstellt, und aus den identifizierten Zahlen n_MSE die Zahl der Zerfälle in der Probe und damit deren Aktivität ermittelt wird.

3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem der Analyse parameter ein energieunabhängiger Parameter ist, der für die Breite der Maxima der Detektorpulse charakteristisch ist.

4. Verfahren gemäß Anspruch 3, bei dem der Analyseparameter der BROAD-Parameter ist.

5. Verfahren gemäß Anspruch 3, bei der Analyseparameter ein Ausgangssignal eines analogen Schaltkreises ist, das zur Breite der Detektorpulse proportional ist.

6. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1, 3, 4 oder 5, bei dem der Kalibrierungsvorgang eine Referenzpulsanalyse umfaßt, bei der Detektorpulse von einer Referenzquelle, die mindestens eine Emission, die im wesentlichen SSE-Ereignisse umfaßt, und mindestens eine Emission besitzt, die im wesent lichen MSE-Ereignisse umfaßt, nach Vergleich mit dem MSE-Kriterium als SSE- bzw. MSE-Ereignisse identifiziert und gezählt werden und die Identifizierungseffizienzen w_SSE bzw. w_MSE aus den Zahlen der identifizierten SSE- bzw. MSE-Ereig nissen und entsprechenden Zahlen tatsächlicher SSE- bzw. MSE-Er eignisse der Referenzquelle ermittelt werden.

7. Verfahren gemäß Anspruch 6, bei dem der Analyseparameter zur Identifizierung der Detektorpulse derart gewählt wird, daß die Identifizierungseffizienzen w_SSE bzw. w_MSE vorbestimmten Zielwerten entsprechen.

8. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 2 bis 5, bei dem Identifizierungseffizienzen w_SSE bzw. w_MSE, die bei dem Kalibrierungsvorgang ermittelte Nachweiswahrscheinlichkeiten für die richtige Identifizierung von SSE- bzw. MSE-Ereignissen darstellen, zur Berechnung der Zahlen N_SSE bzw. N_MSE verwendet werden.

9. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die gemessenen Detektorpulse einer Pulsformung unterzogen werden.

10. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Ermittlung des Analyseparameters eine digitale Pulsformanalyse umfaßt.

11. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem die Ermittlung des Analyseparameters die Bildung eines Signals, das proportional zur Breite der Pulsform ist, mit einem analogen Schaltkreis umfaßt.

12. Meßanordnung zur Erfassung und Analyse von Gammastrahlen mit einem Halbleiterdetektor und einer Auswertungsschaltung, die Mittel zur zeitdifferenzierten Pulsaufnahme, Mittel zur Berechnung eines Analyseparameters, Vergleichermittel zum Vergleich des Analyseparameters mit einem MSE-Kriterium und zur Identifizierung von Einzel-Ereignissen (SSE) bzw. Mehr fach-Ereignissen (MSE) und erste Speichermittel zur Speiche rung des MSE-Kriteriums umfaßt, gekennzeichnet durch zweite Speichermittel zur Speicherung von Identifizierungs effizienzen w_SSE bzw. w_MSE, die detektorspezifische Nach weiswahrscheinlichkeiten für die richtige Identifizierung von SSE- bzw. MSE-Ereignissen darstellen.

13. Meßanordnung zur Erfassung und Analyse von Gammastrahlen mit einem Halbleiterdetektor und einer Auswertungsschaltung, die Mittel zur zeitdifferenzierten Pulsaufnahme, Mittel zur Berechnung eines Analyseparameters, Vergleichermittel zum Vergleich des Analyseparameters mit einem MSE-Kriterium und zur Identifizierung von Einzel-Ereignissen (SSE) bzw. Mehr fach-Ereignissen (MSE) und erste Speichermittel zur Speiche rung des MSE-Kriteriums umfaßt, gekennzeichnet durch zweite Speichermittel zur Speicherung einer Detektions effizienz, die eine detektorspezifische Nachweiswahrschein lichkeit für die Detektion von MSE-Ereignissen darstellt.

14. Meßanordnung gemäß Anspruch 7, bei der die Mittel zur zeitdifferenzierten Pulsaufnahme Mittel zur Einstellung von Differentations- bzw. Integrationszeiten enthalten, die zur Einstellung einer Pulsformung eingerichtet sind.