DE2248882A1 - Verfahren und vorrichtung zum nachweisen bzw. messen einer relativ schwachen energiequelle - Google Patents

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DR.-ING. RICHARD GLAWE

MÜNCHEN

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DIPL-ING. KLAUS DELFS · DIPL-PHYS. DR. WALTER MOLL

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SSR Instruments Co. Santa Monica, Kalifornien / USA

Verfahren und Vorrichtung zum Nachweisen bzw. Messen einer relativ schwachen Energiequelle

Die Erfindung betrifft das Messen von "schwachen" Strahlungsquellen. Die Erfindung betrifft insbesondere verbesserte Verfahren bzw. Vorrichtungen zum Messen der Größe einer relativ schwachen Strahlungsquelle in einem Rauschhintergrund.

Es ist bekannt, relativ schwache Strahlungsquellen nachzuweisen und zu messen, indem man einen Photomultiplier verwendet, mit welchem man versucht, die Photonen individuell zu zählen. Die dabei allgemein befolgte Arbeitsweise besteht daraus, daß man den Photomultiplier auf die Strahlungsquelle

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richtet und die einfallende Strahlung während einer erheblichen Zeitspanne mißt. Die Größe der akkumulierten Strahlung wird gespeichert, und zwar entweder in einem Zähler, wobei registrierte Signale einzelne Photonen bedeuten, oder als Spannungsniveau, das sich bei der Integration der Signalabgabe der Röhre des Photomultipliers ergibt.

Danach wird ein benachbartes Gebiet im Baum, das keine Strahlungsquelle enthält, für ein vergleichbares Intervall abgetastet und man mißt und speichert ebenfalls die Größe der einfallenden Strahlung. Die Differenz der beiden Messungen gibt dann die Größe der Quelle an, da man davon ausgeht, daß die Hintergrundstrahlung und das Bauschen des Instrumentes im wesentlichen konstant und in beiden benachbarten Gebieten, die abgetastet werden, während der Meßdauer gleich sind.

In den letzten Jahren sind verbesserte Systeme angewendet worden, bei denen ein Photomultiplier in Kombination mit einem externen Zerhacker verwendet wird. Gemäß einer Ausführungsform wird die Strahlung alternativ durch den Zerhacker zugeführt und unterbrochen. Dieses System zeigte die Tendenz, das Bauschen innerhalb des Zählerschaltkreises zu kompensieren, wobei angenommen wurde, daß in der Hintergrundstrahlung wenig oder gar kein Bauschen auftritt. Dementsprechend wurde die Zerhackermethode so modifiziert, daß bei einer mechanischen Zerhacker-Abtaster-Vorrichtung der Photomultiplier alternierend auf die Strahlungsquelle und auf ein benachbartes, die Strahlungsquelle

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nicht einschließendes Gebiet "blickt". Auch das Zerhacker-Verfahren liefert ein Signal, das als Y/eehselstromsignal angesehen werden kann, welches gegenüber Maßnahmen mittels elektronischer Verfahren empfänglicher ist, die eine Verstärkung, Modulation und eine Zählung durch synchrone Verfahren gestatten.

Ein mit den oben beschriebenen Meßtechniken untrennbar verbundenes Problem liegt in der Grundannähme begründet, daß die Hintergrundstrahlung im wesentlichen während der gesamten Messung-konstant bleibt. Diese Annahme ist dann unbedenklich, wenn es sich um relativ "helle" Strahlungsquellen handelt. ::enxi man jedoch bei niedrigen Strahlungsniveaus arbeitet, bei denen Messungen während einer erheblichen Zeitspanne vorgenommen werden müssen, und die Hintergrundstrahlung mit der Größe der Strahlungsquelle vergleichbar ist, kann jede Änderung in der Hintergrundstrahlung die Messung der Größe der Strahlungsquelle stören bzw. verfälschen.

Es erscheint daher als wünschenswert, eine Zerhackertechnik bei einer relativ hohen Frequenz zu verwenden, bei der das Abtastintervall relativ kurz ist, obwohl innerhalb eines bestimmten Zeitraumes im wesentlichen die eine Hälfte der Beobachtung in Bezug auf die Quelle und die andere Hälfte in Bezug auf ein die Quelle nicht einschließendes Gebiet durchgeführt wird.

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Mechanische und elektromechanische Zerhacker sind in bezug auf die erreichbare Frequenz begrenzt und bei Verwendung eines optischen Systems zum alternierenden,Abtasten von nebeneinanderliegenden bzw. benachbarten Bereichen ist ein gewisser Strahlungsverlust in dem optischen System gegeben. Es hat sich daher gezeigt, daß eine Vereinfachung der die Strahlung sammelnden Anordnung im weitestmöglichen Ausmaß erwünscht ist.

Seit vielen Jahren sind ablenkbare Lichtsensoren, z.B. Büdzerlegungsröhren, in Gebrauch, die eine Photokathode sowie eine Deflektorschaltung einschließen, welche ermöglicht, daß Teilbereiche der Photokathode "abgetastet¹¹ werden können. Bildzerleger können ablenkbare Photomultiplierröhren einschließen, wie beispielsweise in der USA-Patentschrift 3 149 235, herausgegeben am 15· September 1964 (John R. Clark), beschrieben ist.

Ähnliche Vorrichtungen sind in der USA-Patentschrift 3 320 423, herausgegeben am 16. Mai 1967 (Frank Blitzer u.a.), beschrieben. Diese Veröffentlichungen betreffen Bildzerlegungs-PhotomuBiplierröhren, welche von Natur aus zur Photonenzählung geeignet sind. Es gibt weiterhin handelsübliche Photomultiplierröhren der ITT unter der Serienbezeichnung FW-130, die seit einiger Zeit im Handel erhältlich sind und deren Arbeitsparameter und Zuverlässigkeiten bekannt und dokumentiert sind.

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Es wurde nun gefunden, daß ein Bildzerleger und Photomultiplier für eine Arbeitsweise verwendet werden kann, gemäß welcher zwei ausgewählte Teilbereiche der Photokathode alternierend abgetastet werden können. Wenn die Röhre auf ein optisches System ausgerichtet ist, so daß eine Strahlungsquelle in einem räumlichen Gebiet auf eine der Teilflächen und ein benachbartes Raumgebiet ohne Strahlungsquelle auf die andere Teilfläche der Photokathode auf trifft, kann die Detektorschaltung verwendet werden, um alternierend die zwei Flächen der Photokathode zu untersuchen, und zwar mit einer Geschwindigkeit, die die Zerhackergeschwindigkeit, welche mit elektromechanischen Zerhackern erreichbar ist, ganz erheblich übersteigen kann. Dabei tritt keines der Probleme auf, das mit der Verwendung von elektromechanischen Komponenten verbunden ist, z.B. Reibung, Trägheit, Vibration u. dgl.

Ein einstellbarer Oszillator kann eine beliebige Zerhackerfrequenz erzeugen und die gleiche Schaltung kann dazu verwendet werden, die Photomultiplierabgabe in geeignete Zähl- und Speicherschaltungen zu leiten (to gate). In einem vollelektronischen System ist es einfach, digitale Techniken zur Zählung und Speicherung in getrennten Zählern zu verwenden, wobei die Signale den Strahlungseingang auf jedem der Teilbereiche der Photokathode angeben. Weiterhin ist es durch Computertechniken möglich, die Zeitspanne, während der die Beobachtung durchgeführt wird, je nach Wunsch des Beobachters kurz oder.lang einzustellen, während man zwischen den zwei Bereichen der Photo-

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kathode bei ziemlich hohen Repetitionsgeschwindigkeiten umschaltet.

Demgemäß kann eine ablenkbare Bildzerlegungsröhre als Detektor für eine "schwache" Strahlungsquelle verwendet werden, indem man alternierend die Quelle und ein benachbartes, nicht strahlendes Gebiet beobachtet. Die Deflektorschaltkreise werden von einer Zeitschaltung mit relativ hoher Frequenz während eines vorbestimmten Intervalls angetrieben bzw. betätigt. Jedes gemessene Photon wird in einem Paar von Zählern gespeichert, welche jeweils dem Gebiet, das abgetastet wird, entsprechen. Am Ende des Intervalls gibt die Differenz zwischen den gespeicherten Zählungen die "Helligkeit" der Quelle an.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird eine FW-13O Photomultiplierröhre in Verbindung mit einem Oszillator sowie Frequenztrennschaltungen verwendet, so daß eine Anzahl von Frequenzbereichen für das Abtasten ausgewählt werden kann. Der Oszillator wird zur Betätigung bzw. zum Antreiben der Detektorschaltung verwendet, welche gemäß der bevorzugten Ausführungsform Teilbereiche abtastet, die auf gegenüberliegenden Seiten der optischen Achse der Röhre in gleicher Weise versetzt angeordnet sind. Die Signale, die die Deflektorschaltungen steuern, werden nach einer begrenzten Verzögerungszeit auch verwendet, um Photomultipliersignale auf ein Paar von Zählern zu leiten, die den Teilbereichen der Photokathode, welche abgetastet wird, entsprechen.

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Am Schluß einer Beobachtung wird der Inhalt eines Zählers, der dem "dunklen" Gebiet entspricht, von dem Inhalt des' der Strahlungsquelle entsprechenden Zählers abgezogen. Die Differenz gibt die Größenordnung der Strahlungsquelle wieder.

Gemäß weiteren vorteilhaften Ausführungsformen kann die Genauigkeit des Systems verbessert werden, indem man das System auf Grund der tatsächlichen Parameter einer speziellen Photomultiplier röhre "eicht". Die Röhre kann beispielsweise vor einer Messung geeicht werden, indem man zunächst Licht von beiden Teilbereichen der Photokathode ausschließt und das System für eine sehr lange Zeitspanne arbeiten läßt. Die relative Zählwirksamkeit der Teilbereiche der Photokathode und nachfolgende Beobachtungen können somit bestimmt bzw. korrigiert werden.

Alternativ kann die Photokathode einer hochkollimierten Strahlungsquelle während eines sehr langen Zeitintervalls ausgesetzt werden, um irgendwelche Unterschiede in der Zählwirksamkeit der Kathode zu bestimmen. Beim Abschluß eines derartigen Eiehexperiments ist es möglich, jegliche Unterschiede in der Wirksamkeit der Photokathode zu korrigieren.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird die Zählwirksamkeit der Photokathode wie oben beschrieben bestimmt. Ein spannungskontrollierter Oszillator kann in Verbindung mit einer einstellbaren Vorspannungsquelle verwendet werden, so daß

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das Teilzeitintervall der Abtastung geändert werden kann. Wenn beispielsweise ein 1 #iger Unterschied in der Zählwirksamkeit der zwei Teilbereiche der Photokathode vorliegt, unterscheidet eich die Frequenz des Zeitgebers während der Abtastung eines Gebiets von der Frequenz des Zeitgebers während der Abtastung des anderen Gebiets um dieses eine Prozent. Anders gesagt wird die Abtastzelt des wirksameren Gebiete relativ zu der Abtastzeit des weniger wirksamen Gebiets verkürzt werden, und zwar im Ausmaß des Unterschieds der Wirksamkeit.

Gemäß einer v/eiteren vorteilhaften Ausführungsform kann die gesamte Photokathode "aufgezeichnet" und die relative Wirksamkeit eines jeglichen Teilgebiets gemessen und "erinnert" werden, wenn ein Digitalcomputer mit erheblicher Gedächtniskapazität zur Verfügung steht. Dies bedeutet, daß für jeden "X-Y"-Ort der Photokathode eine Mengenangabe gespeichert werden kann, die die Zählwirksamkeit dieses Gebietes angibt. Im Gebrauch kann der X-Y-Ort der zwei ausgewählten Teilbereiche verwendet werden, um automatisch das Abtastintervall für jeden Teilbereich zu ändern, um jegliche Unterschiede der Zählwirksamkeit zu korrigieren. Alternativ können zwei Teilbereiche der Photokathode ausgewählt werden, welche identische Zählwirksamkeiten aufweisen.

Die Erfindung ist daher auf die Schaffung eines verbesserten synchronen Strahlungsdetektors für Lichtquellen mit niedrigem Strahlungsniveau gerichtet, wobei ein ablenkbarer Photodetektor

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und ein elektronisches "Zerhacken" zwischen der Quelle und einem Gebiet des Hintergrunds ohne die Quelle verwendet werden.

Die Erfindung ist weiterhin auf die Verwendung von elektronischen Umschalttechniken hoher Geschwindigkeit und digitalen Zähltechniken gerichtet, um die Größe einer Strahlungsquelle niedrigen Energieniveaus in einem Rauschhintergrund zu messen.

Die Erfindung ist weiterhin auf die Verbesserung der Wirksamkeit eines Bildzerlegungs-Photomultipliers gerichtet, indem man die Zählwirksamkeit von verschiedenen Teilbereichen, der Photokathode bestimmt und derartige Unterschiede bezüglich der Zählwirksamkeit bei den Ergebnissen kompensiert.

Die Erfindung ist weiterhin auf die Verwendung eines BiIdzerlegungs-Photomultipliers zum Nachweisen bzw. Messen von Licht niedrigen Energieniveaus gerichtet, wobei Unterschiede in der Zählwirksamkeit von.verschiedenen Teilbereichen der Photokathode in Rechnung gestellt werden, indem man für jeden Teilbereich ungleiche Abtastintervalle vorsieht, um derartige Unterschiede bezüglich der Zählwirksamkeit zu kompensieren.

Die Erfindung ist weiterhin auf ein verbessertes Detektorsystem für Licht niedrigen Energieniveaus gerichtet, bei welchem ein Bildzerlegungs-Photomultiplier geeicht wird, indem man die gesamte Photokathode "aufzeichnet", um die Zählwirksamkeit jedes '.Teilgebiets derselben zu bestimmen, und die Ergebnisse

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einer derartigen Aufzeichnung verwendet, um alle in jedem Teilbereich der Photokathode durchgeführten Messungen zu kompensieren.

Die die Erfindung kennzeichnenden Merkmale sowohl bezüglich der Organisation als auch des Arbeitsverfahrens ergeben sich zusammen mit weiteren Zielen und Vorteilen aus der folgenden Beschreibung, wobei auf die Zeichnungen Bezug genommen Wird, in welchen einige bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung in beispielhafter Weise gezeigt v/erden. Die Zeichnungen sind dabei nicht im Sinne einer Einschränkung zu verstehen.

Pig. 1 zeigt eine schematische Vorderansicht einer Photokathode eines Bildzerlegungs-Photomultipliers, der für die erfindungsgemäße Verwendung geeignet ist}

Fig. 2 zeigt ein schematisches Sohaltdiagramm eines erfindungsgemäßen Detektorsystems für Licht niedrigen Bnergieniveausj

Fig. 3 zeigt ein Schaltdiagramm einer Korrekturschaltung zur erfindungsgemäßen Verwendung zur Kompensation von Schwankungen der Zählwirksamkeit in verschiedenen Gebieten der Photokathode; und

Fig. 4 zeigt ein Schaltdiagramm einer anderen vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung, wobei ein digitaler Computer

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verwendet wird, um den Bildzerlegungs-Photomultiplier zu steuern und die erforderlichen Daten aufzunehmen und zu verarbeiten.

Fig. 1 zeigt eine Frontplatten-(face plate)-Photokathode eines Bildzerlegungs-Photomultipliers, "beispielsweise aus der FW-130-Serie von von ITT hergestellten Photomultipliern. Ein Bildzerlegungs-Photomultiplier 12 weist eine optische Achse auf, welche durch das Kreuzsymbol am Zentrum der Prontplatte 10 dargestellt ist. Bin erstes Teilgebiet der Photokathode A und ein zweites Teilgebiet B 18 sind auf gegenüberliegenden Seiten der Achse 14 angeordnet und sind gemäß der bevorzugten Ausführungsform von der Achse um die jeweiligen Entfernungen d1 und d2 gleichmäßig versetzt.

Setzt man voraus, daß die Photokathode 10 durch ein orthogonales Koordinatensystem definiert werden kann, dessen Zentrum die optische Achse 14 ist, und wenn man weiterhin voraussetzt, daß, wie gezeigt, die horizontalen und vertikalen Achsen die X- und Y-Achsen sind, weiche sieh jeweils an der optischen Achse 14 schneiden, ist der Teilbereich A 16 bei X=O, Y = d1 und der Teilbereich B 18 bei X ~ 0, Y = -d2 = -d1 angeordnet. Dann wird eine elektronische Detektorschaltung verwendet, um in den Bereichen A 16 und B 18 erzeugte Elektronen alternierend auf die Bildöffnung zu richten, welche den Eingang für den Photomultiplierteil der Röhre darstellen»

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In Fig. 2 ist der Bildzerlegungs-Photomultiplier 2 in Kombination mit einem optischen System 20 und einer entfernten Strahlungsquelle 22 gezeigt. Wie ersichtlich, richtet das optische System 20 das Bild der entfernten Strahlungsquelle 22 auf einen Punkt der Photokathode 10, welcher in diesem Beispiel dem Teilbereich A 16 entspricht.

Es kann mit guter Sicherheit vorausgesetzt werden, daß keine Strahlungsquelle in dem Raumbereich existiert, den das optische System 20 auf dem Bereich B 18 der Photokathode 10 abbildet. Eine einstellbare X-ablenkende Schaltung 24 ist mit den X-Deflektorschaltungen der Photomultiplierröhre 12 verbunden. Wenn der X-Ort einmal bestimmt ist, wird er im allgemeinen während des Verlaufs einer Beobachtung nicht geändert. Die Signalabgabe der Photomultiplierröhre 12 wird auf ein Zählerspeichersystem 26 geleitet, welches von einem elektronischen Zerhackersystem 28 gesteuert wird.

Das elektronischer Zerhackersystem 28 schließt einen einstellbaren Oszillator 30 ein, welcher ein Signal von einer Frequenz erzeugt, die im weitesten Sinne der Erfindung im Bereich zwischen der Gleichspannung bis 500 KHz liegt. Der Frequenzbereich hängt in großem Ausmaß von der Empfindlichkeit der Photokathode 10 und der Intensität der in dem Raumvolumen, das abgetastet wird und nicht die Strahlungsquelle 22 enthält, vorhandenen Hintergrundstrahlung ab. Ein Probensteuerblock 32 (sample control block) ist vorgesehen, der

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eine Zeitschaltung sein kann und in einstellbarer Weise das Zeitintervall bestimmt, in welchem eine vollständige Messung vorgenommen wird. Der Probenkontrollblock 32 kann einen einstellbaren Zähler einschließen, welcher durch den Oszillator 30 betätigt bzw. angetrieben wird. Wenn eine vorbestimmte Zählung erreicht ist, können die Zeitgebersignale vom Rest der Schaltung abgeschnitten werden. Die dies herbeiführenden Zähltechniken sind bekannt.

Der Ausgang des Probensteuerblocks 32 wird auf einen auslösbaren Flip-Flop 34 geleitet, dessen Ausgänge auf einen Y-Deflektionsblock 36 geleitet werden. Der Y-Deflektionsblock 36 ist so angeordnet, daß mit einer ersten Abgabe des Flip-Flop 34 eine erste Größe eines Vorspannungssignals auf die Y-Deflektorschaltung geleitet wird. Wenn die Abgabe des anderen Flip-Flop 34 betätigt wird, wird ein gleiches, jedoch entgegengesetzt polarisiertes Vorspannungssignal auf die Y-Deflektorschaltung geleitet. In alternierenden Stadien des Flip-Flop 34 wird die Y-Deflektorschaltung durch eine Vorspannung betrieben, welche einer gleichen, jedoch entgegengesetzten Verschiebung in der Y-Richtung der optischen Achse 14 entspricht.

Die Ausgänge des Flip-Flop 34 werden jeweils auf Verzögerungsschaltungen 38 und 40 geleitet. Die Ausgänge der Verzögerer 38, 40 werden jeweils in Endgattern 42, 44 mit den nicht verzögerten Ausgängen des Flip-Flop 34

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kombiniert, so daß geeignete Gattersignale an das Zählspeichersyatem geliefert werden können. Als V/irkung hiervon wird der Ausgang des Photomultipliers 12 auf einen Zähler lediglich während eines begrenzten Intervalls, welches nach der Änderung der Vorspannung beginnt, geleitet. Der Ausgang wird dem gleichen Zähler zugeführt, bis sich der Zustand des Flip-Flop 54 ändert.

Das Zählspeichersystem 26 schließt einen ersten oder A-Zähler 46 ein, welcher dem Ausgang des Photomultipliers 12, der die auf die A-Teilflache 16 der Photokathode 10 auftreffende Strahlung wiedergibt, entspricht bzw. denselben zählt. In ähnlicher Weise speichert ein zweiter oder B-Zähler 48 eine Zählung, welche der auf das B-Gebiet 18 der Photokathode 10 auftreffenden Strahlung entspricht.

Der Ausgang der Photomultiplierröhre 12 wird auf ein Faar von Gattern 50, 52 geleitet, welche mit den A- bzw. B-Zählern 46, 48 gekoppelt sind. Das A-Gatter 50 wird durch das von dem ersten Ausgang des Flip-Flop 34 abgeleitete Gattersignal betätigt. Das B-Gatter 52 wird von einem Ausgang betätigt, welcher von dem alternativen Ausgang des Flip-Flop 54 abgeleitet ist. Es ist ersichtlich, daß, wenn der Zustand.des Flip-Flop sich ändert, der A-Zähler 46 und der B-Zähler 48 alternierend betätigt werden, und zwar entsprechend der Umschaltung der Abtastung der Frontplatte von dem A-Gebiet 16 zu dem B-Gebiet

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Bei der Betätigung ist eine schwache Strahlungsquelle 22 beispielsweise auf das A-Gebiet 16 gerichtet, und zwar bei der Zerhackerfrequenz, die von dem Oszillator 30 ausgewählt wird. Ein Proben- bzw. Meßintervall wird ebenfalls ausgewählt und wird in den Probensteuerblock 32 eingebracht. Der Ausgang des Oszillators 30 wird dann auf den auslösbaren Flip-Flop 34 geleitet, welcher auf den Ausgang des Oszillators anspricht, indem er eine sinusartige in eine rechteckige Welle umformt. Die zwei Ausgangsendpunkte des Flip-Flop 34 werden alternierend betätigt und der Y-Deflektionsblock 36 leitet alternierend emittierte Elektronen von dem A-Gebiet 16 und dem B-Gebiet 18 auf die Eintrittsöffnuhg des Photomultipliers 12.

Wenn ein "Photon" an der Photokathode 10 gemessen wird, und zwar in dem Teilgebiet, das von der Y-Deflekti ons schaltung abgetastet wird, werden die freigesetzten Photoelektronen direkt durch die, Öffnung in den Photomultiplier geleitet und die Höhere 12 liefert einen Ausgangsimpuls, Dieser Ausgaaagsimpuls wird auf das Zählspeichersystem 26 geleitet. Wenn das A-Gebiet 16 "abgetastet" wird und das dem zugeordneten Verzögerer 38 entsprechende Intervall verstrichen ist, wird dieser Impuls durch das A-Gatter 50 gesendet und als Zählung in dem A-Zähler 46 registriert. In ähnlicher Weise wird ein Ausgangsimpuls der Röhre 12, der während des Abtastens des B-Gebietes 18 auftritt, in dem B-Zähler 48 gespeichert.

Nachdem das vorbestimmte Beobachtungsintervall verstrichen ist, trennt der Probenkontrollblock 32 den Zeitgeber von dem

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Flip-Plop 34 und der Inhalt der A- und B-Zähler 46, 48 kann festgestellt werden. In der einfachsten Ausführungsform der Erfindung können die gespeicherten Zählungen der Zähler 46, 48 abgelesen und subtrahiert werden. Die Differenz gibt die Größe der entfernten Strahlungsquelle 22 an. Infolge der Zerhackertechniken kann davon ausgegangen werden, daß der Inhalt des B-Zählers 48 ausschließlich die Eauschkomponente wiedergibt, die in der in dem A-Zähler 46 gespeicherten Zählung enthalten ist.

'..'egen der Inhomogenitäten der Konstruktion einer Vorrichtung wie eines Photomultipliers mit einer Photokathode ist es möglich, die Röhre vor jeder Messung zu "eichen". Diese Eichung kann erreicht werden, indem man die Schaltungen gemäß der Pig. verwendet, und zwar entweder zusammen mit einer hochkollimierten Lichtquelle bekannter Intensität anstelle der Strahlungsquelle 22 oder in Abwesenheit, jeglicher Strahlung.

Wenn man zuläßt, daß die eine Bedingung oder die andere während eines sehr langen Beobachtungsintervalls eingehalten wird, dann bedeuten jegliche Unterschiede der Größe der gespeicherten Zählungen eine differentielle Zählwirksamkeit des entsprechenden Teilgebietes der Phctokathode. Wenn eine derartige Eichung vorgenommen worden ist, ist es möglich, die Ergebnisse von der Beobachtung einer wirklichen Quelle mathematisch zu korrigieren. Es ist auch möglich, derartige Differenzen zu kompensieren, indem man eine Korrekturschaltung vorsieht.

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Fig. 3 zeigt eine Schaltung, welche zur Kompensation von differentiellen Zählwirksamkeiten von verschiedenen Teilgebieten einer Photokathode geeignet ist. Wenn ein erstes Teilgebiet einer Photokathode eine Zählwirksamkeit aufweist, die von der eines zweiten'Teilgebiets in einem prozentual ausdrückbaren Ausmaß abweicht, ist es möglich, das jedem Teilgebiet zugeordnete relative Abtastintervall so einzustellen, daß der Unterschied bezüglich der Wirksamkeit kompensiert wird.

In Fig. 3 wird ein spannungsgesteuerter Oszillator 60 als grundsätzlicher Zeitgeber für die Zerhackungs- und Zählauswahl verwendet. Eine erste oder Α-einstellbare Vorspannungsquelle 62 ist ebenso wie eine zweite oder B-einstellbare Vorspannungsquelle 64 vorgesehen. Der Ausgang des spannungsgesteuerten Oszillators 60 nach der Konditionierung des Signals wird schließlich auf einen Q-Flip-Flop 34' geleitet, welcher die Y-Deflektions-Vorspannung und den zu verwendenden Zähler auswählt. Ein Paar von geeigneten Toren, einschließlich eines A-Vorspannungstors 66 und eines B-Vorspannungstors 68, ist zwischen den A- und B-Vorspannungsquellen 62, 64 und dem spannungsgesteurten Oszillator 60 angeordnet. Die A- und B-Tore 66, 68 werden jeweils von dem Ausgang des Flip-Flop 34' gesteuert und werden alternierend betätigt, so daß lediglich eine Vorspannung in jedem Zeitpunkt auf den spannungsgesteuerten Oszillator geleitet wird.

'ffenn ein B-Bereich der Kathode eine Zählwirksamkeit aufweist, die von einem Α-Gebiet um z.B. 1 </o abweicht, können un-

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terschiedliche Vorspannungen auf den spannungsgesteuerten Oszillator 60 während der A- und B-Abtastungen geleitet werden. Das effektive Abtastintervall, das dem wirksameren Teilbereich zugeordnet ist, kann vermindert werden, oder das dem weniger wirksamen Teilbereich zugeordnete Abtastintervall kann vergrößert werden, um die Auswirkungen der unterschiedlichen Zählwirksamkeiten auszugleichen.

Es ist ersichtlich, daß das Abtastintervall vermindert wird, wenn die Frequenz des spannungsgesteuerten Oszillators 60 verstärkt wird, während das Abtastintervall ausgedehnt wird, wenn sich, die Frequenz verringert. Es ist daher möglich, während eines Eichvorgangs die Vorspannungen so einzustellen, daß bei gleicher, auf die zwei Teilgebiete der Photokathode auftreffender Strahlung die gespeicherten Zählungen in den Zählern einander gleich sind, und zwar innerhalb einer beliebigen akzeptablen Fehlergrenze. Alternativ, wenn eine Strahlungsquelle bekannter Größe auf einen der Teilbereiche geleitet wird, können die Vorspannungen des spannungsgesteuerten Oszillators so eingestellt werden, daß die die Größe der bekannten Strählung angebende Zählung am Ende einer Versuchsbeobachtung in dem geeigneten Zähler gefunden wird.

Bisher wurde gezeigt, daß ein Bildzerlegungs-Photomultiplier für vorbestimmte Teilbereiche der Photokathode erneut geeicht werden kann. Da praktisch alle handelsüblichen Bohren mit Fertigungstoleranzen hergestellt werden, kann eine Inde-

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rung der Zählwirksamkeit über die gesamte Photokathode auftreten. Es kann erwünscht sein, die gesamte Photokathode aufzuzeichnen bzw. zu "kartographieren", so daß für jeden X-Y- · Ort die relative Zählwirksamkeit bestimmt werden kann.

Alternativ können Bereiche der Photokathode ausgewählt werden, die im wesentlichen identische Zählwirksamkeiten bei der Verwendung gemäß den Ausführungsformen der Erfindung aufweisen. Ein derartiger Aufzeichnungsprozeß wird jedoch mit Hilfe eines digitalen Computers mit einer erheblichen Gedächtniskapazität am wirksamsten durchgeführt. Zur wirkungsvollen Ausnützung der Ergebnisse einer derartigen Aufzeichnung ist die Möglichkeit erwünscht, daß man zwischen einem X~Y-Ort und einem zweiten X-Y-Ort umschalten bzw. "zerhacken" kann, und zwar ähnlich in der vorstehend in Verbindung mit Pig. 2 beschriebenen Weise, welche lediglich auf die Umschaltung der Y-Deflektionen begrenzt war.

Dementsprechend ist, wie aus Pig. 4 ersichtlich, ein Digitalcomputer 70 mit einem Bildzerlegungs-Photomultiplier 72 verbunden. Der Computer 70 empfängt als Eingabe von der Röhre ein Signal, das das Auftreffen eines Photons auf denjenigen Teil der Photokathode wiedergibt, welcher von den von dem Computer 70 betätigten X- und Y-Deflektionsschaltungen angesprochen worden ist.

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Wie aus der Zeichnung ersichtlich, richtet ein optisches System 74 das Bild bzvv. Abbild einer entfernten Strahlungsquelle 76 auf den gewünschten Bereich der Photokathode der Röhre. Benachbarte Raumvolumina, die keine Strahlungsquelle enthalten, treffen auf dem Rest der Photokathode auf.

Wie bereits beschrieben wurde, kann der Digitalcomputer 70 die erforderlichen Zeitgeberschaltungen einschließen, welche die Zerhackergeschwindigkeit bestimmen. Der Computer 70 weist weiterhin die notwendigen Zähler und arithmetischen Schaltungen auf, um den Inhalt eines Zählers von dem des anderen zu subtrahieren und die Größe der auftreffenden Strahlung zu bestimmen. Der Digitalcomputer 70 schließt auch die erforderlichen Gatter- und Verzögerungsschaltungen ein, um das jedem Teilbereich der Photokathode zur Verfügung zu stellende Abtastintervall zu bestimmen und Unterschiede bezüglich der Zählwirksamkeit jedes Teilgebietes zu kompensieren.

Es liegt auch innerhalb des durchschnittlichen Fachwissens sowie der Fähigkeit gegenwärtig verwendeter Digitalcomputer im Gedächtnisspeicher eine zahlenmäßige Angabe bezüglich einer besseren oder schlechteren Wirksamkeit für jeden Koordinatenort der Photokathode, welcher von der X- und Y-Deflektionsschaltung angesprochen wird, zurückzuhalten. Diese Zahlengröße kann von dem Gedächtnisspeicher abgerufen werden, um das dem betreffenden Teilbereich zugeordnete Abtastintervall auszudehnen oder zu verkürzen. Die Anpassung des Abtastinter-

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valls kompensiert jegliche Unterschiede bezüglich der Zählwirksamkeit zwischen ausgewählten Bereichen der Photokathode.

Somit ist vorstehend anhand von verschiedenen vorteilhaften Ausführungsformen ein verbessertes Verfahren sowie eine Vorrichtung für das synchrone Nachweisen bzw. Messen von Signalen mit außerordentlich niedrigem Energieniveau gezeigt und beschrieben worden. Ein Bildzerlegungs-Photomultiplier kann als Photonendetektor verwendet werden und eine entfernte Strahlungsquelle wird auf ein Teilgebiet der Photokathode eines derartigen Photomultipliers abgebildet. Ein benachbartes Teilgebiet kann ausgewählt werden, das kein darauf gerichtetes Strahlungsabbild aufweist, und ein geeigneter Zeitgeber- oder Oszillatorschaltkreis kann verwendet werden, um alternierend die beiden Teilgebiete abzutasten. Der jedem Gebiet entsprechende Ausgang des Photomultipliers kann in jeweils dazugehörigen Zählern gespeichert werden.

Die Zerhacker- oder Umschaltfrequenz kann das jedem Abtastintervall zugeordnete Zeitintervall bestimmen, und eine Gesamtbeobachtungszeit kann ausgewählt werden, während der die Ergebnisse akkumuliert werden. Am Ende eines derartigen Beobachtungsintervalls gibt die Differenz des Inhalts der Zähler die Größe der entfernten Strahlungsquelle an.

In alternativen Ausführungsformen können die Teilbereiche der Photokathode, die zur Verwendung bei der Beobachtung aus-

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gewählt werden, in Bezug auf die Zählwirksamkeit geeicht werden, und zwar entweder mit einer Lichtquelle bekannter Größe oder in einer "dunklen" Umgebung. Wenn das Eichintervall von ausreichender länge ist, können jegliche Unterschiede bezüglich der Zählwirksamkeit anhand des Inhalts der Zähler festgestellt v/erden. Diese Differenz zahl kann zur Anpassung jeglicher Ergebnisse verwendet werden.

Gemäß anderen alternativen Ausführungsformen können jegliche Unterschiede bezüglich der Zählwirksamkeiten der Teilgebieteder Photokathode automatisch kompensiert werden, indem man das Zeitintervall für die Abtastung eines jeden Teilgebiets ändert. Dies bedeutet, daß, wenn die Zählwirksamkeit um 3 °/o differiert, die Frequenz des Zerhackens differentiell so eingestellt werden kann, daß entweder der weniger wirksame Bereich der Photokathode mit einem längeren Abtastintervall oder der wirksamere Bereich mit einem kürzeren AbtastIntervall versehen wird.

Gemäß einer v/eiteren vorteilhaften Ausführungsform wird ein Digitalcomputer verwendet, um die gesamte Operation zu automatisieren. Der Computer kann in Gegenwart entweder von Dunkelstrahlung oder von Strahlung bekannter Intensität die gesamte Photokathode aufzeichnen bzw. "kartographieren" und jedem Meßort eine der Zählwirksamkeit entsprechende Zahl zuordnen. Bei der Verwendung kann für jedes besondere Gebiet der Photokathode die gespeicherte Größe dazu verwendet werden, die für die Ab-

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tastung dieses Intervalls zugemessene Zeit zu verändern.

Es ist zu "beachten, daß die vorstehend "beschriebene Arbeitsweise zur Verwendung in jedem beliebigen ablenkbaren Photosensor verwendet werden kann. Weiterhin ist die fhotonenzähltechnik nicht wesentlich, obwohl sich gezeigt hat, daß ihr für diese Anwendungen der Vorzug zu geben ist. Mit den Arbeitsweisen gemäß der Erfindung können andere Photomeßsysteme verwendet werden, wobei vergleichbare Eesultate erhalten werden.

Die Arbeitsweise gemäß der vorliegenden Erfindung kann ebenso zum Nachweisen und zum Messen einer beliebigen schwachen Strahlungsquelle verwendet werden, wobei deren Ort bekannt oder unbekannt sein kann. Z.B. kann eine bekannte, jedoch schwache elektromagnetische Strahlungsquelle unter Verwendung der vorliegenden Erfindung gemessen werden, wenn man eine elektronisch gesteuerte Antennenanordnung verwendet. Die Antenne "blickt" dann alternierend auf die Quelle und auf ein benachbartes Eaumvolumen, und zwar in der gleichen Weise wie die vorstehend beschriebenen ablenkbaren Photosensoren.

Erfindungsgemäß ist es auch möglich, schwache Strahlungsquellen zu orten, ohne daß die diesbezügliche Vorrichtung oder Arbeitsweise geändert werden muß. Dies kann erreicht werden, indem man mit -dem Detektor in einem vorbestimmten Suchmuster ortet bzw. abtastet und an jedem Punkt des Musters alternierend auf zwei voneinander getrennte Eaumvolumina "sieht". Wenn beispielsweise ein optischer Detektor verwendet wird, kann er

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so programmiert werden, daß er mit dem Abtasten bei einer -X,Y-Position beginnt, wobei X=O, Y = 0 an der optischen Achse sein soll. Alternativ blickt der Detektor auf Gebiete, die von der Horizontalen (X-Achse) um Entfernungen y und y-Ay versetzt sind. Die Abtastung kann dann aus einer üblichen Rasterabtastung oder aus irgendeiner der übrigen bekannten Abtastungen, z.B. der rosettenförmigen, bestehen.

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Claims (18)

1. ar

   Patentansprüche

   j Vorrichtung zum Nachweis bzw. Messen einer relativ schwachen Energiequelle in einem Eauschhintergrund, g e kennzeichne t durch die Kombination von

   a) Detektoreinrichtungen mit einem vorbestimmten Gesichtsfeld einschließlich Einrichtungen zum Auswählen eines beliebigen Heils aus demselben, wobei die Detektoreinriehtungen ein Ausgangssignal in Abhängigkeit von Energie, die von einer schwachen Energiequelle her auf den ausgewählten Heil des Gesichtsfeldes einwirkt, erzeugen,

   b) mit den Detektoreinrichtungen gekoppelte Steuereinrichtungen zum alternierenden Auswählen eines ersten und eines zweiten Teils aus dem Gesichtsfeld,

   c) mit den Detektoreinrichtungen und Steuereinrichtungen gekoppelte Vergleichseinrichtungen zum Erzeugen eines den Unterschied zwischen dem Ausgangssignal des ersten und des zweiten Signals angebenden resultierenden Signals, wobei das resultierende Signal je nach Vorzeichen und/oder Größe gegebenenfalls das Vorhandensein der Energiequelle in einem der ausgewählten Teile des Gesichtsfeldes angibt.

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2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Steuereinrichtungen die Teile des Gesichtsfeldes mit einer Geschwindigkeit im Bereich von 100 Hz und 500 KHz alternierend auswählen.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß mit den Steuereinrichtungen Zeitmeßeinrichtungen gekoppelt sind, um die Beobachtung nach einer vorbestimmten Zahl von Auswahlvorgangen zu beenden.
4. 4* Zum Nachweis und zur Messung der Größe einer relativ schwachen energetischen Strahlungsquelle geeignete Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Detektoreinrichtungen ablenkbare optische Detektoreinrichtungen mit einem photosensitiven Bereich zum Erzeugen eines Signals infolge von einwirkender Strahlungsenergie der Strahlungsquelle, die auf einen durch Deflektorantriebseinrichtungen auswählbaren Teil des photosensitiven Bereiches auftrifft, sowie Einrichtungen zum Ausrichten der !Detektoreinrichtungen in Bezug auf ein die Strahlungsquelle einschließendes entferntes Raumvolumen umfassen, die Kontrolleinrichtungen Deflektorantriebseinrichtungen einschließen, welche mit den Detektoreinrichtungen zur alternierenden Auswahl eines zum Energieempfang von der Energiequelle ausgerichteten Teils des photosensitiven Bereiches und eines zum Energieempfang aus einem ähnlichen Raumvolumen ohne Energiequelle ausgerichteten Teils gekoppelt sind, die Vorrichtung

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   weiterhin Speichereinrichtungen zum Speichern von von dem Raumvolumen ohne Strahlungsquelle herrührenden Detektorausgangssignalen und von von der Strahlungsquelle herrührenden Detektorausgangssignalen umfaßt, und daß die Vergleichseinrichtungen Einrichtungen zum Subtrahieren der von dem Raumvolumen ohne Strahlungsquelle stammenden gespeicherten Signale von denen der von der Strahlungsquelle herrührenden einschließen, um das resultierende Signal zu erhalten, das die Größenordnung der von der Strahlungsquelle herrührenden Energie angibt.
5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 4> dadurch gekennzeichnet , daß die ablenkbaren optischen Detektoreinrichtungen eine Bildzerlegungsröhre einschließen und die · Deflektorantriebseinrichtungen Schaltmittel zur alternierenden Auswahl der ersten und zweiten Teile der photosensitiven Bereiche bzw. zum Empfang der Energie von der Strahlungsquelle und von einem benachbarten Raumvolumen ohne Strahlungsquelle umfassen.
6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Bildzerlegungsröhre eine optische Achse aufweist, die Deflektorantriebseinrichtungen Deflektorschal tkreise zur Auswahl eines (Teils des photosensitiven Bereiches zum Einwirken von Photoelektronen auf eine Detektoreinrichtung einschließen und die Richteinrichtungen die optische Achse auf ein die Strahlungsquelle umfassendes Raumvolumen von vorbestimmten Ausmaß ausrichten,

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7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Speichereinrichtungen mindestens ein Paar von Zähleinrichtungen umfassen, welche jeweils zum Ansprechen auf einwirkende Signale vorbestimmter Größe zur Registrierung eines ZählVorganges vorgesehen sind, und daß die Deflektorantriebseinrichtungen mit den Speichereinrichtungen gekoppelte Gattereinrichtungen aufweisen, um der Strahlungsquelle entsprechende Detektorausgangssignale auf die eine Zähleinrichtung und dem Raumvolumen ohne Strahlungsquelle entsprechende Signale auf die andere des Zählerpaares zu leiten.
8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 4, , dadurch gekennzeichnet , daß die Deflektorantriebseinrichtungen einstellbare Oszillatoreinrichtungen umfassen, um das jedem Teil des photosensitiven Bereiches zugemeosene Abtastintervall selektiv zu bestimmen.
9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß die einstellbaren Oszillatoreinrichtungen einem ersten Teil des photosensitiven Bereiches entsprechende erste Vorspannungseinrichtungen und einem zweiten Teil des photosensitiven Bereiches entsprechende zweite Vorspannungseinrichtungen sowie die ersten und zweiten Vorspannungseinrichtungen mit den einstellbaren Oszillatoreinrichtungen zur Einwirkung des Ausgangs derselben auf die Oszillatoreinrichtungen koppelnde Gattereinrichtungen einschließen, wobei die

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   Oszillatoreinriclitungen "bei einer ersten und einer zweiten frequenz arbeiten bzw. den Abtastungen des ersten und des zweiten Seils des photosensitiven Bereiches entsprechen, wodurch Unterschiede in der Empfind Ii chice it baw. Wirksamice it des ersten und zweiten Teils durch eine Anpassung der Yorspannungseinrichtungen, die das jedem Teil zugemessene Abtastintervall steuern, ausgeglichen werden können.
10. 10. System zum Erkennen der Gegenwart einer Energiequelle in einem Rauschhintergrund, gekennzeichnet durch Letektoreinrichtungen mit gegebenem Gesichtsfeld, Einrichtungen zum Auswählen eines ersten und eines zweiten Ausschnittes aus dem Gesichtsfeld bei einer Auswahlgeschwindigkeit von mehr als 4 KHz, an die Detektoreinrichtungen gekoppelte Einrichtungen zum Erfassen und Anzeigen des Energieniveaus in dem ersten und dem zweiten Ausschnitt und Einrichtungen zum Vergleichen des dem Energieniveau des ersten Ausschnitts entsprechenden Ausgangssignals mit dem des zweiten zum Erkennen der Gegenwart einer Energiequelle in einem der beiden Gesichtsfeldabschnitte.
11. 11. System nach Anspruch iO, dadurch gekennzeichnet , daß das Gesichtsfeld in zwei annähernd gleiche Abschnitte zum Nachweisen bzw. Messen von Energiequellen, deren Anwesenheit anzunehmen ist, unterteilt ist.

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12. 12. Verfahren zum Erfassen einer relativ schwachen Energiequelle in einem Rauschhintergrund, gekennzeichnet durch die Schritte eines alternierenden Peststeilens von von benachbarten ersten und zweiten Raumvolumina ausgehender Strahlung, wobei ein Raumvolumen die Energiequelle enthält, bei einer Umachaltgeschwindigkeit im Bereich zwischen 1 und 500 000 Abtastungen jedes Volumens pro Sekunde, und eines Vergleichs der Größen der in dem ersten Volumen erfaßten Signale mit der der Signale des zweiten Volumens, so daß ein resultierendes Signal, das eine vorbestimmte Größenordnung übersteigt, die Gegenwart der Energiequelle anzeigt und das Vorzeichen des Signals angibt, in welchem der Raumvolumina die Energiequelle aufgefunden worden ist.
13. 13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , daß die Umschaltgeschwindigkeit des Meßschrittes mehr als 4000 Abtastungen pro Sekunde beträgt.
14. 14· Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Vergleichsschritt zwischen aufeinanderfolgenden Abtastungen durchgeführt wird und zusätzlich einen Speicherungsschritt zum Akkumulieren und Darstellen der Größe des resultierenden Signals sowie zum Identifizieren des entsprechenden Raumvolumens umfaßt.
15. 15· Verfahren nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch einen weiteren Schritt des Akkumulierens und

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    Speicherns der ersten, der Strahlung aus dem ersten Raumvolumen sowie der zweiten, der Strahlung des zweiten Raumvolumens entsprechenden Signale, wobei im Vergleichsschritt eines der akkumulierten Signale unter Bildung des resultierenden Signals von dem anderen Signal subtrahiert wird.
16. 16. Verfahren nach Anspruch 15> dadurch gekennzeichnet , daß ein Zeitmessungsschritt eingeschlossen wird, um eine Beobachtung nach einer vorbestimmten Anzahl von Abtastungen zu beenden.

    r-
17. 17· Vorrichtung zum Nachweisen bzw. Messen einer relativ schwachen Energiequelle in einem Rauschhintergrund, gekennzeichnet durch die Kombination von

    a) Detektoreinrichtungen mit einem vorbestimmten Gesichtsfeld einschließlich Einrichtungen zum Auswählen eines beliebigen Teils aus demselben, wobei die Detektoreinrichtungen ein Ausgangssignal in Abhängigkeit von Energie, die von einer schwachen Energiequelle her auf den ausgewählten Teil des Gesichtsfeldes einwirkt, erzeugen,

    b) mit den Detektoreinrichtungen gekoppelte Steuereinrichtungen zum alternierenden Auswählen- eines ersten und eines zweiten Teils aus dem Gesichtsfelds

    c) mit den Detektoreinrichtungen und Steuereinrichtungen gekoppelte Vergleichseinrichtungen zum Erzeugen von den Aus-

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    gangssignalen des ersten und des zweiten Teils entsprechenden resultierenden Signalen, wobei die resultierenden Signale entsprechend dem größeren derselben gegebenenfalls die Anwesenheit der entfernten relativ schwachen Energiequelle,innerhalb des einen ausgewählten Teils des Gesichtsfeldes anzeigen.
18. 18. Vorrichtung zum Messen der Größe einer energetischen Strahlungsquelle in einem Hintergrund, g e k e η η zeichnet durch die Kombination von

    a) Detektoreinrichtungen mit einem vorbestimmten Gesichtsfeld einschließlich Einrichtungen zum Auswählen eines beliebigen Teils desselben, wobei die Detektoreinrichtungen ein Ausgangssignal in Abhängigkeit von einer auf den ausgewählten Teil einwirkenden Strahlungsenergie erzeugen,

    b) mit den Detektoreinrichtungen gekoppelte Steuereinrichtungen zum alternativen Auswählen eines ersten Teil und eines zweiten Teils des Gesichtsfeldes, und

    e) mit den Detektoreinriohtungen und Steuereinrichtungen gekoppelte Vergleichseinrichtungen zur Lieferung eines die Differenz zwischen den den ersten und den zweiten ausgewählten Teilen entsprechenden Ausgangssignalen angebenden resultierenden Signals, welches die Größe einer energetischen Strahlungsquelle in einem der ausgewählten Teile des Gesichtsfeldes angibt.

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    INSPECTED