DE3328256C2

DE3328256C2 - Verfahren und Anordnung zur automatischen Stabilisierung eines Szintillationsdetektors

Info

Publication number: DE3328256C2
Application number: DE3328256A
Authority: DE
Inventors: Frank Dipl.-Ing. Seibert (FH), 7888 Rheinfelden; Gustav Dipl.-Ing. Wetzel (FH), 7850 Lörrach
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 1983-08-04
Filing date: 1983-08-04
Publication date: 1986-08-28
Also published as: IT8422146A0; SE457669B; US4611117A; FR2550339B1; SE8403846L; CH665291A5; NL8402292A; JPS60185187A; SE8403846D0; DE3328256A1; IT1176515B; JPH0374957B2; GB2147696B; FR2550339A1; GB2147696A; GB8419672D0

Abstract

Ein Plastik-Szintillationsdetektor (14) erzeugt aufgrund der von einer Strahlenquelle (16) kommenden ionisierenden Strahlung Lichtblitze, die durch einen photoelektrischen Wandler (20), beispielsweise einen Sekundärelektronenvervielfacher, in elektrische Ausgangsimpulse umgewandelt werden. Eine Auswerteschaltung (22) zählt die Ausgangsimpulse als Maß für die Strahlungsstärke. Zur automatischen Stabilisierung des Szintillationsdetektors wird eine Lichtquelle (24) von einer Ansteuerungsschaltung (26) so gesteuert, daß sie Lichtimpulse aussendet, deren Intensität nach einer vorgegebenen periodischen Funktion, beispielsweise einer Sägezahnfunktion, moduliert ist. Die modulierten Lichtimpulse werden ebenfalls von dem photoelektrischen Wandler (20) aufgefangen und von diesem in elektrische Referenzimpulse umgewandelt. Eine Kontrollschaltung (28) ermittelt in jeder Modulationsperiode die Anzahl der Referenzimpulse, deren Amplitude einen im Modulationsintervall liegenden vorgegebenen Referenz-Schwellenwert übersteigt. Die ermittelte Impulszahl wird zur Stabilisierung des Szintillationsdetektors verwendet, entweder durch Regelung der Verstärkung im Sinne einer Aufrechterhaltung einer vorgegebenen Impulszahl oder durch entsprechende Korrektur des von der Auswerteschaltung gelieferten Meßergebnisses.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie auf eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.

In der Zeitschrift »Nuclear Instruments and Methods«, Band 124, 1975, S. 235-241, ist ein solches Verfahren zur automatische Stabilisierung eines Szintillatiosdetektors beschrieben, bei welchem eine impulsförmig betriebene Lichtquelle, vorzugsweise eine Leuchtdiode, so angeordnet ist, daß die von ihr erzeugten Lichtimpulse auf den Photoelektronen-Vervielfacher des Szintillationsdetektors fallen. Der Photovervielfacher erzeugt daher zusätzlich zu den den Szintillations-Lichtblitzen entsprechenden elektrischen Ausgangsimpulsen elektrische Referenzimpulse, die den Lichtimpulsen entsprechen und zur Stabilisierung des Photovervielfachers verwendet werden. Zu diesem Zweck werden alle Referenzimpulse, deren Amplitude einen vorgegebenen Referenz-Schwellenwert übersteigt, dem einen Zähleingang eines Vorwärts-Rückwärts-Zählers zugeführt, der am anderen Eingang jeweils dann einen der Aussendung eines Lichtimpulses entsprechenden Zählimpuls empfängt, wenn der zugehörige Referenzimpuls den Referenz-Schwellenwert nicht übersteigt. Der Zählerstand des Vorwärts-Rückwärts-Zählers wird fortlaufend durch einen Digital-Analog-Wandler in ein Analogsignal umgesetzt, das entweder unmittelbar zur Verstärkungsregelung des Photoelektronen-Vervielfachers verwendet wird oder zur stufenweisen Veränderung einer Spannung dient, von welcher der Referenz-Schwellenwert sowie zwei weitere, zu beiden Seiten des Referenz-Schwellenwerts liegende Schwellenwerte abgeleitet werden. Bei diesem bekannten Verfahren erfolgt keine eigentliche Zählung der den Referenz-Schwellen-

wert übersteigenden Referenzimpulse, sondern der Vorwärts-Rückwärts-Zähler dient als digitaler Dauer-Integrator, der fortlaufend die Differenz zwischen den in den beiden Zählrichtungen zugeführten Impulszahlen integriert und speichert Dadurch soll der Nachteil der begrenzten Integrationszeiten von Analog-Integratoren vermieden werden. Der das Integral der Regelabweichung darstellende Inhalt des Vorwärts-Rückwärts-Zählers kann jedoch nur zur Beseitigung der Regelabweichung mittels einer Regelschleife verwendet warden, was auch zwingend erforderlich ist, denn bei bleibender Regelabweichung würde der Zählerinhalt ständig zunehmen. Da die Regelzeitkonstante im Hinblick auf die erforderliche Stabilität der Regelung nicht beliebig klein gemacht werden kann, ist die Regelung verhältnismäßig langsam, so daß sie insbesondere plötzliche Änderungen nicht oder nur mit Verzögerung berücksichtigen kann.

Aus der Zeitschrift »Nuclear Instruments and Methods«, Band 147, 1977, S. 513—518, ist es auch bereits bekannt, das gleiche Prinzip zur Stabilisierung eines PIastik-Szintillationsdetektors anzuwenden und die Lichtquelle dabei so anzuordnen, daß die Lichtimpulse durch den Plastik-Szintillator hindurchgehen, bevor sie auf den Photoelektronen-Vervielfacher treffen. Diese Veröffentlichung beschreibt auch bereits die Maßnahme, sowohl die zur Auswertung der Szintillationsimpulse als auch die zur Stabilisierung erforderliche digitale Datenverarbeitung durch einen Computer durchführen zu lassen. Das angewendete Stabilisierungsverfahren bleibt aber das gleiche wie in der zuvor erwähnten Veröffentlichung, nämlich die Verwendung der Zählratendifferenz bezüglich eines stabilen Photo-Peaks zur Regelung der Verstärkung des Sekundärelektronen-Vervielfachers mittels einer Regelschleife.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens, das eine sehr schnelle automatische Stabilisierung eines Szintillationsdetektors durch digitale Zählung von Referepzimpulsen ermöglicht und somit auch plötzliche Änderungen schnell korrigieren kann.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Bei dem Verfah/ren nach der Erfindung drückt die in jeder Modulationsperiode erhaltene Impulszahl unmittelbar den quantitativen Zusammenhang zwischen der Intensität der Lichtimpulse und den Amplituden der davon stammenden elektrischen Ausgangsimpulse des photoelektrischen Wandlers aus. Für einen bestimmten Zustand des Szintillationsdetektors hat diese impulszahl einen bestimmten Sollwert, der durch die Wahl des Referenz-Schwellenwerts eingestellt werden kann. Wenn sich der Zustand des Szintillationsdetektors aufgrund irgendwelcher Einflüsse ändert, ändert sich auch die in jeder Modulationsperiode erhaltene Impulszahl, wobei der Unterschied zu der ursprünglichen Impuiszahl direkt die Verstärkungskorrektur ausdrückt, die erforderlich ist, um den dem ursprünglichen Zustand entsprechenden Sollwert des quantitativen Zusammenhangs zwischen der Lichtintensität und der Amplitude der elektrischen Impulse wiederherzustellen. Diese Korrektur kann in herkömmlicher Weise durch Veränderung der Verstärkung des Photoelektronen-Vervielfachers geschehen, was jedoch aufgrund der erhaltenen Impulszahl, welche unmittelbar die Abweichung vom Sollwert ausdrückt, praktisch verzögerungsfrei erfolgen kann. Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht jedoch darin, daft die die Abweichung vom Sollwert ausdrückende ImDulszahl unmittelbar zur Korrektur des von der Auswerteschultung des Szintillationsdetektors gelieferten digitalen Meßergebnisses verwendet werden kann, ohne daß eine Kompensation der Einflüsse erforderlich ist, die zu einer Veränderung der Impulsrate geführt haben. Diese Möglichkeit bietet sich insbesondere dann an, wenn die Auswertung des digitalen Meßergebnisses durch einen Mikrocomputer erfolgt, da die Korrekturgröße in Form einer Zahl vorliegt, die unmittelbar zur Verarbeitung ini Mikrocomputer geeignet ist.

Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie eine bevorzugte Anordnung zur Durchführung des Verfahrens sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden an Hand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 eine schernatische Darstellung einer Anordnung zur Messung des Füllstands in einem Behälter mit Hilfe eines Plastik-Szintillationsdetektors,

Fig.2 das Zeitdiagramm von Impulsen, die in der Anordnung von F i g. I verwendet werden,

F i g. 3 das Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels der Auswerteschaltung und der Kontrollschaltung von F i g. 1 in näheren Einzelheiten,

Fig.4 das Blockschaltbild eines anderen Ausführungsbeispiels der Auswerteschaltung und der Kontrollschaltung von F i g. 1 und

Fig.5 das Schaltbild eines Ausführungsbeispiels der Ansteuerungsschaltung von F i g. 1,3 und 4.

Fig. 1 zeigt als Anwendungsbeispiel für einen PIastik-Szintillationsdetektor 10 die Messung des Füllstands in einem Behälter 12. Auf der einen Seite des Behälters 12 ist ein Plastik-Szintillator 14 angeordnet, der sich über die ganze Höhe des zu erfassenden Füllstands erstreckt. Auf der entgegengesetzten Seite des Behälters 12 ist eine Gammastrahlenquelle 16 angebracht, deren Strahlung durch den Behälter 12 und das darin befindliche Füllgut 18 hindurch auf den Plastik-Szintillator 14 gerichtet ist. Die Gammastrahlung wird vom Füllgut 18 stärker absorbiert als von der über dem Füllgut befindlichen Luft, so daß die Intensität der auf den Plastik-Szintillator 14 auftreffenden Gammastrahlung vom Füllstand im Behälter abhängig ist. Demzufolge ist auch die Anzahl und die Intensität der im Plastik-Szintillator 14 durch die Gammastrahlung erzeugten Lichtblitze vom Füllstand im Behälter 12 abhängig.

Zur Erfassung und Auswertung der im Plastik-Szintillator 14 erzeugten Lichtblitze ist in üblicher Weise am einen Ende des Plastik-Szintillators ein photoelektrischer Wandler 20 angebracht, üblicherweise ein Photoelektronen-Vervielfacher, der jeden auftreffenden Lichtblitz in einen elektrischen Impuls umwandelt. Der Ausgang des Photoelektronen-Vervielfachers 20 ist mit einer elektronischen Auswerteschaltung 22 verbunden, in der die elektrischen Impulse gezählt werden, deren Amplitude eine vorgegebene Diskriminatorschwelle überschreitet. Das Zählergebnis wird zur Anzeige des Füllstands im Behälter 12 verwertet.

Es besteht die Notwendigkeit der Stabilisierung und Selbstüberwachung des Plastik-Szintillationsdetektors um Einflüsse zu erkennen und zu kompensieren, die die Messung beeinträchtigen. Durch Veränderungen am Plastik-Szintillator (Trübung, Verringerung der Lichtausb^ute) und Abfall der Verstärkung des Photoelektronen-Vervielfachers fallen im Laufe der Zeit immer mehr Impulse unter die Diskriminatorschwelle, so daß sie im Zähler der Auswerteschaltung nicht mehr gezählt werden. Bei dem Plastik-Szintillationsdetektor von

Fig. 1 sind Maßnahmen getroffen, um diese Erscheinung zu kompensieren und dadurch den Betrieb des Plastik-Szintillators zu stabilisieren.

Zu diesem Zweck ist an dem dem Photoelektronen-Vervielfacher 20 entgegengesetzten Ende des Plastik-Szintillator 14 eine Referenz-Lichtquelle 24 angeordnet, die durch eine Ansteuerungsschaltung 26 so gesteuert wird, daß sie kurze Referenz-Lichtimpulse aussendet, die durch den Plastik-Szintillator hindurch auf den Photoelektronen-Vervielfacher 20 auftreffen. Mit dem Ausgang des Photoelekronen-Vervielfachers 20 ist außer der Auswerteschaltung 22 eine Kontrollschaltung 28 verbunden, die so ausgebildet ist, daß sie auf die Ausgangsimpulse des Photoelektronen-Vervielfachers 20 anspricht, die von den Lichtimpulsen der Lichtquelle 24 stammen, nicht dagegen auf die Ausgangsirnpulse, die von den durch die Gammastrahlung erzeugten Szintillations-Lichtblitzen stammen.

Die Besonderheit der in Fig. 1 dargestellten Stabilisierungsanordnung besteht darin, daß die Intensität der von der Lichtquelle 24 emittierten Lichtimpulse nicht konstant ist, sondern durch die Ansteuerungsschaltung 26 in Abhängigkeit von der Zeit nach einer Sägezahnfunktion periodisch moduliert wird. F i g. 2 zeigt die Intensität / der Lichtimpulse als Funktion der Zeit t für den Fall, daß die Modulation mit der Modulationsperiode Tm erfolgt. Die Modulationsperiode Tm ist groß gegen die Folgeperiode Ti der Lichtimpulse, so daß in jeder Modulationsperiode Tm eine große Zahl von Lichtimpulsen enthalten ist Bei dem später beschriebenen Ausführungsbeispiel der Ansteuerungsschaltung 26 beträgt die Modulationsperiode Tm = 16 s, und die Lichtimpulse werden mit einer Folgefrequenz von 32 Hz emittiert, so daß sie die Folgeperiode Ti = 31,25 ms haben. In jede Modulationsperiode T_M fallen somit 512 Lichtimpulse. Die Dauer jedes Lichtimpulses ist wiederum sehr klein gegen die Folgeperiode Tr, sie beträgt beispielsweise 200 ns.

In jeder Modulationsperiode Tm nimmt die Intensität der Lichtimpulse von einem Größtwert I_max zu einem Kleinstwert i_mm linear ab, und sie springt am Beginn der nächsten Modulationsperiode wieder auf den Größtwert Im,- Zwischen den beiden Grenzwerten I_max und !mm liegt das Modulationsintervall.

Die Referenz-Lichtqueiie 24 ist vorzugsweise eine Leuchtdiode, da diese für die Aussendung kurzer, amplitudenmodulierter Lichtimpulse besonders gut geeignet ist. Dies wird in der folgenden Beschreibung angenommen.

Die von den Referenz-Lichtimpulsen stammenden elektrischen Ausgangsimpuise des Photoelektronen-Vervielfachers 20 sind den Lichtimpulsen proportional, so daß das Diagramm von F i g. 2 auch den zeitlichen Verlauf dieser Ausgangsimpulse darstellt, die Referenz-Impulse genannt werden.

F i g. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Kontrollschaltung 28, welche die Auswertung der in F i g. 2 dargestellten Lichtimpuise zum Zweck der Stabilisierung des Plastik-Szintillatordetektors ermöglicht.

In F i g. 3 sind wieder der Plastik-Szintillatordetektor 10 mit dem Plastik-Szintillator 14 und dem Photoelektronen-Vervielfacher 20 sowie die impulsweise betriebene Leuchtdiode 24 und ihre Ansteuerungsschaltung 26 von F i g. 1 dargestellt. Der Aufbau der Auswerteschaltung 22 ist in näheren Einzelheiten gezeigt Sie enthält einen Amplitudendiskriminator 30 und einen Meßzähler 32. Der Eingang des Amplitudendiskriminators 30 ist über einen Trennkondensator 34, der unerwünschte Gleichspannungsanteile fernhält, mit dem Ausgang des Photoelektronen-Vervielfachers 20 verbunden. Der Amplitudendiskriminator läßt von den Ausgangsimpulsen des Photoelektronen-Vervielfachers 20 nur diejenigen durch, die einen vorgegebenen Schwellenwert überschreiten, der beispielsweise 0,2 V beträgt. Der Ausgang des Amplitudendiskriminators 30 ist über eine Torschaltung 31 mit dem Zähleingang des Meßzählers 32 verbunden, so daß der Meßzähler alle Ausgangsimpulse des Photoelektronen-Vervielfachers 20 zählt, deren Amplitude größer als 0,2 V ist. Da die von den Szintillations-Lichtblitzen stammenden Impulse eine sehr kurze Dauer haben, die in der Größenordnung von etwa 10 ns liegt, muß für den Meßzähler 32 ein schneller Zähler verwendet werden, der auf so kurze Impulse anspricht. Hierfür eignet sich beispielsweise ein TTL-Zähler.

Der Plastik-Szintillationsdetektor 10 bildet in Verbindung mit der Auswerteschaltung 22 einen Szintillationszähler herkömmlicher Bauart, dessen Meßergebnis, das durch den in einer vorgegebenen Zeiteinheit erreichten Zählerstand des Zählers 32 dargestellt ist, in der üblichen Weise verwertet werden kann.

Die Kontrollschaltung 28 enthält in ähnlicher Weise einen Amplitudendiskriminator 36 und einen Referenzzähler 38. Der Eingang des Amplitudendiskriminators 36 ist über einen Trennkondensator 40, der unerwünschte Gleichspannungsanteile fernhält, mit dem Ausgang des Photoelektronen-Vervielfachers 20 verbunden. Der Ausgang des Amplitudendiskriminators 36 ist einerseits über eine Torschaltung 37 mit dem Zähleingang des Referenzzählers 38 und andrerseits mit dem Steuereingang der Torschaltung 31 verbunden. Der Steuereingang der Torschaltung 37 ist an einen Ausgang 26a der Ansteuerungsschaltung 26 angeschlossen. Somit zählt der Referenzzähler 38 diejenigen Ausgangsimpulse des Photoelektronen-Vervielfachers 20, deren Amplitude die Diskriminatorschwelle des Amplitudendiskriminators 36 übersteigt und die von der Torschaltung 37 durchgelassen werden. Die Diskriminatorschwelle des Amplitudendiskriminators 36 ist mit Hilfe eines Schwellenwertgebers 44 einstellbar. Diese Diskriminatorschwelle wird als Referenz-Schwellenwert Sr bezeichnet.

Die Torschaltung 37 isi normalerweise geschlossen und wird kurzzeitig durch Impulse geöffnet, die vom Ausgang 26a der Ansteuerungsschaltung 26 geliefert werden. Die Torschaltung 31 ist normalerweise offen, und sie wird durch jeden Ausgangsimpuls des Amplitudendiskriminators 36 kurzzeitig geschlossen.

Die Stufenausgänge des Referenzzählers 38 sind mit den Eingängen eines Registers 48 verbunden. Ein weiterer Ausgang 26b der Ansteuerungsschaltung 26 ist mit einem Rückstelleingang des Referenzzählers 38 und mit einem Auslöseeingang des Registers 48 verbunden. Wenn vom Ausgang 26b der Ansteuerungsschaltung 26 ein Impuls abgegeben wird, wird der Zählerstand des Referenzzählers 38 in das Register 48 übertragen und gleichzeitig der Referenzzähler 38 auf Null rückgestellt. Der gleiche Impuls kann auch an den Rückstelleingang des Meßzählers 32 angelegt werden, wenn dieser die gleiche Zählperiode wie der Referenzzähler 38 haben soll.

Wenn angenommen wird, daß die in F i g. 2 dargestellten Impulse die vom Photoelektronen-Vervielfacher 20 abgegebenen Referenzimpulse sind, wird der Referenz-Schwellenwert Sn durch den Schwellenwertgeber 44 so eingestellt, daß er in dem Modulationsinter-

vail zwischen der größten Impulsamplitude /_maA und der kleinsten Impulsamplitude /_m,„ der sägezahnmodulierten Impulse liegt. Dieser Referenz-Schwellenwert Sr liegt sehr viel höher als die Diskriminatorschwelle des Amplitudendiskriminators 30; er kann beispielsweise 4 V betragen. Aus Fig.2 ist zu erkennen, daß dann in jeder Modulationsperiode Tm eine bestimmte Anzahl von Impulsen den Referenz-Schwellenwert 5« überschreitet, während die übrigen Impulse unter dem Referenz-Schwellenwert bleiben. Der Referenzzähler 38 zählt nur diejenigen Referenzimpulse, deren Amplitude den Referenz-Schwellenwert Sr überschreitet. Die Ansteuerungsschaltung 26 gibt am Ende jeder Modulationsperiode Tm am Ausgang 26b einen Impuls ab, der die Übertragung des Zählerstands des Referenzzählers 38 in das Register 48 auslöst und den Referenzzähler 38 auf Null zurückstellt, so daß er in der nächsten Modulationsperiode wieder von vorn zu zählen beginnt. Somit steht am Ende jeder Modulationsperiode im Register 48 eine Zahl, welche die Anzahl der Referenzimpulse anzeigt, die in dieser Modulationsperiode den Referenz-Schwellenwert Sr überschritten. Diese Zahl ist ein Kriterium dafür, ob der Plastik-Szintillationsdetektor 10 unverändert arbeitet. Wenn nämlich die von der Gammastrahlung erzeugten Lichtblitze infolge einer Trübung oder sonstigen Änderung des Plastik-Szintillators 14 abgeschwächt werden, oder wenn die Verstärkung des Photoelektronen-Vervielfachers 20 absinkt, wirken sich diese Erscheinungen in gleicher Weise auch auf die von der Leuchtdiode 24 erzeugten Lichtimpulse aus. Dadurch wird die Anzahl der Referenzimpulse, welche den Referenz-Schwellenwert Sr überschreiten, kleiner, und demzufolge steht am Ende jeder Modulationsperiode T_M eine kleinere Zahl im Register 48. Diese Wirkung kann zur Stabilisierung des Plastik-Szintillationsdetektors 10 benutzt werden.

Bei dem in F i g. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt die Stabilisierung des Plastik-Szintillationsdetektors 10 dadurch, daß die Verstärkung des Photoelektronen-Vervielfachers 20 mit Hilfe eines Regelkreises, in welchem die Kontrollschaltung 28 liegt, so geregelt wird, daß die am Ende jeder Modulationsperiode Tm in das Register 48 eingebrachte Zahl auf einem konstanten Wert gehalten wird. Zu diese Zweck ist der Ausgang des Registers 48 mit einem Spannungsregler 50 verbunden, der auf den Hochspannungserzeuger 52 des Photoelektronen-Vervielfachers einwirkt. Wenn die in das Register 48 eingebrachte Zahl unter den vorgegebenen Sollwert fällt, erhöht der Spannungsregler 50 die Hochspannung des Photoelektronen-Vervielfachers 20, bis die Anzahl der in jeder Modulationsperiode gezählten Referenzimpulse wieder den Sollwert erreicht. Dann haben die Referenzimpulse wieder die vorgeschriebene Amplitude in bezug auf den Referenz-Schwellenwert Sr. Die Alterungserscheinungen des Plastik-Szintillators 14 und/oder des Photoelektronen-Vervielfachers 20 sind dann durch eine erhöhte Verstärkung des Photoelektronen-Vervielfachers 20 kompensiert Diese Kompensation wirkt sich in gleicher Weise auf die Szintillationsimpulse aus, so daß auch das von der Auswerteschaltung 22 gelieferte Meßergebnis berichtigt ist

Wenn der Spannungsregler 50 ein digitaler Spannungsregler ist, kann er das digitale Ausgangssignal des Registers 48 unmittelbar verwerten. Bei Verwendung eines Analog-Spannungsreglers wird ein geeigneter Digital-Analog-Wandler zwischen das Register 48 und den Spannungsregler 50 eingefügt.

Anstatt auf die Hochspannung des Photoelektronen-Vervielfachers 20 einzuwirken, kann die Verstärkungsregelung auch auf andere Weise erfolgen, beispielsweise durch Veränderung des Verstärkungsfaktors eines dem Photoelektronen-Vervielfacher 20 nachgeschalteten Verstärkers oder durch Veränderung eines oder mehrerer der Spannungsteiler« iderstände des Photoelektronen-Vervielfachers.

Damit die zuvor beschriebene Stabilisierung des PIastik-Szintillationsdetektors mit Hilfe der Kontroilschaltung 28 richtig funktioniert, ist es wichtig, daß der Referenzzähler 38 nur auf die von den Lichtimpulsen der Leuchtdiode 24 stammenden Referenzimpulse anspricht, nicht dagegen auf die durch die Gammastrahlung erzeugten Szintillationsimpulse oder auf Störimpulse, wie sie insbesondere durch kosmische Strahlung erzeugt werden.

Zur Unterscheidung der Referenzimpulse von den Szintillationsimpulsen und von Störimpulsen können verschiedene Kriterien ausgenutzt werden. Ein erstes Kriterium ist die Impulsamplitude. Wenn die Intensität der von der Leuchtdiode 24 emittierten Lichtimpulse so groß gewählt wird, daß sie immer über der Intensität der im Plastik-Szintillator 14 erzeugten Lichtblitze ist, kann der Referenz-Schwellenwert Sr des Amplitudendiskriminators 36 so hoch gelegt werden, daß alle Szintillationsimpulse vom Amplitudendiskriminator 36 unterdrückt werden. Diese Unterscheidungsmöglichkeit ist jedoch beträchtlichen Einschränkungen unterworfen, weil die Amplituden der Szintillationsimpulse in einem breiten Bereich schwanken. Ferner besteht immer die Möglichkeit des Auftretens von Störimpulsen, deren Amplitude den Referenz-Schwellenwert übersteigt.

Ein weiteres Kriterium zur Unterscheidung der Referenzimpulse von den Szintillationsimpulsen und von Störimpulsen ist die unterschiedliche Impulsdauer. Wie zuvor erwähnt wurde, liegt die Dauer der Szintillationsimpulse in der Größenordnung von 10 ns, und auch die vorkommenden Störimpulse, insbesondere solche von großer Amplitude, haben eine ähnlich kurze Dauer.

Wenn die Dauer der von der Leuchtdiode 24 emittierten Lichtimpulse um Größenordnungen länger gemacht wird, beispielsweise 200 ns, ist es möglich, die Referenzimpulse von den Szintillationsimpulsen und von Störimpulsen durch die unterschiedliche Impulsdauer zu unterscheiden. Zu diesem Zweck könnte dem Referenzzähler 38 ein Impulsdauer-Diskriminator vorgeschaltet werden. Eine einfachere Lösung besteht jedoch darin, für den Referenzzähler 38 einen Zähler zu verwenden, dessen Ansprechzeit so groß ist, daß er zwar auf die Referenzimpulse anspricht, nicht dagegen auf die kurzen Szintillationsimpulse und Störimpulse. Diese Bedingung wird insbesondere von CMOS-Zählern erfüllt.

Schließlich ist es noch möglich, die Referenzimpulse aufgrund der Tatsache auszusondern, daß die Zeitpunkte ihres Auftretens genau bekannt sind. Diese Tatsache wird bei der Anordnung von F i g. 3 mit Hilfe der Torschaltung 37 ausgenutzt. Die Ansteuerungsschaltung 25 gibt am Ausgang 26a jedesmal dann einen Impuls ab, wenn die Leuchtdiode 24 zur Emission eines Lichtimpulses angeregt wird. Durch jeden dieser Impulse wird die Torschaltung 37 für die Zeitdauer geöffnet, in der ein Referenzimpuls empfangen werden kann. In den Pausen zwischen den Referenzimpulsen bleibt die Torschaltung 37 gesperrt, so daß Szintillationsimpulse und Störimpulse, selbst wenn sie vom Amplitudendiskriminator 36 übertragen werden, nicht zum Referenzzähler 38 gelangen können.
Wenn keine besonderen Maßnahmen getroffen wer-

den, werden außer den Szintillationsimpulsen auch alle Referenzimpulse und Störimpulse von dem Meßzähler 32 in der Auswerteschaltung 22 gezählt. Die Zählung der Referenzimpulse wäre unschädlich, da deren Anzahl genau bekannt ist und bei der Berechnung des Füllstands aus dem Zählerstand des Zählers 32 berücksichtigt werden kann. Dies gilt jedoch nicht für die Störimpulse, die unregelmäßig auftreten. Um die Zählung solcher Störimpulse im Meßzähler 32 zu verhindern, ist bei dem Ausführungsbeispiel von F i g. 3 zwischen den Amplitudendiskriminator30 und den Meßzähler 32 die Torschaltung 31 eingefügt, die durch jeden Ausgangsimpuls des Amplitudendiskriminators 36 gesperrt wird, so daß die Übertragung des entsprechenden Impulses vom Ausgang des Amplitudendiskriminators 30 zum Meßzähler 32 verhindert wird. Dadurch wird die Zählung aller impulse, deren Amplitude den Referenzschwelienwert 5« überschreitet, im Meßzähler 32 verhindert. Dies sind im wesentlichen alle durch kosmische Strahlung erzeugten Impulse sowie ein Teil der Referenzimpulse. Diejenigen Referenzimpulse, deren Amplitude den Referenzschwellenwert Sh nicht erreicht, werden dagegen im Meßzähler 32 gezählt. Infolge der beim Ausführungsbeispiel von F i g. 3 durchgeführten Regelung wird jedoch die Anzahl dieser gezählten Referenzimpulse stets auf dem gleichen konstanten Wert gehalten, so daß der vom Meßzähler 32 in jeder Zählperiode gelieferte Zählwert entsprechend korrigiert werden kann.

Anstatt das durch die Zählung der Referenzimpulse in der Kontrollschaltung 28 erhaltene Meßergebnis zur Regelung der Verstärkung des Photoelektronen-Vervielfachers zu verwenden, wie bei dem Ausführungsbeispiel von F i g. 3, ist es auch möglich, dieses Ergebnis unmittelbar zur Korrektur des von der Auswerteschaltung 22 gelieferten Meßergebnisses zu verwenden. Diese Möglichkeit bietet sich insbesondere dann an, wenn das Meßergebnis, d. h. der Füllstand im Behälter 12, aus dem Zählerstand des Meßzählers 32 durch einen Mikrocomputer berechnet wird. F i g. 4 zeigt eine Abänderung der Anordnung von F i g. 3, bei der von dieser Möglichkeit Gebrauch gemacht wird.

Die Bestandteile der Anordnung von F i g. 4 stimmen mit denjenigen der Anordnung von F i g. 3 bis zu den Ausgängen des Meßzählers 32 und des Referenzzählers 38 überein. Diese übereinstimmenden Schaltungsteüe haben die gleichen Funktionen wie im Fall von F i g. 3 und werden daher nicht nochmals beschrieben. Es fehlt jedoch der Regelkreis mit dem Spannungsregler 50. Dem Meßzähler 32 und dem Referenzzähler 38 ist jeweils ein Schieberegister 56 bzw. 58 nachgeschaltet, in das der Zählerstand des zugeordneten Zählers am Ende jeder Modulationsperiode aufgrund des vom Ausgang 26b der Ansteuerungsschaltung 26 abgegebenen Impulses parallel übertragen wird, während gleichzeitig der Zähler auf Null zurückgestellt wird. Anschließend werden die Inhalte der beiden Schieberegister 56 und 58 seriell in einen Mikrocomputer 60 eingegeben, der daraus den Füllstand des Behälters 12 berechnet und auch die Korrektur der Meßwerte durch das Zählergebnis des Referenzzählers vornimmt.

Bei dieser Ausführungsform erfolgt keine Kompensation der Alterungserscheinungen des Plastik-Szintillators 14 und/oder des Photoelektronen-Vervielfachers 20, die zu einem Absinken der Impulsrate der gezählten Szintillationsimpulse führen. Infolge der Amplitudenmodulation der Referenzimpulse verringert sich jedoch die Anzahl der in jeder Modulationsperiode gezählten Referenzimpulse im gleichen Verhältnis, und diese Tat-

sache kann im Mikrocomputer 60 zur Korrektur des Meßergebnisses benutzt werden. Die Modulation nach einer linearen Sägezahnfunktion ist in diesem Fall besonders vorteilhaft, weil dadurch die Änderung der Impulszahl der Verringerung der Impulsampiitude direkt proportional ist.

Es ist jedoch keineswegs zwingend erforderlich, eine lineare Sägezahnmodulation vorzunehmen. Die Amplitudenmodulation der Referenzimpulse kann auch nach ίο einer nichtlinearen Funktion erfolgen. Dies kann beispielsweise günstig sein, wenn man bei der in F i g. 3 dargestellten Verstärkungsregelung eine besonders große Empfindlichkeit in der Umgebung des durch den Referenz-Schwellenwert Sr bestimmten Sollwerts erreichen will.

Fig.5 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Ansteuerungsschaltung 26 für den Fall einer linearen Sägezahnmodulation, wobei die Sägezahnspannung digital erzeugt wird. Ferner bewirkt die Ansteuerungsschaltung von F i g. 5 eine Kompensation der Temperaturabhängigkeit der Leuchtdiode 24.

Zur Erzeugung der Sägezahnspannung dient ein Binärzähler 70 in Verbindung mit einem Digital-Analog-Wandler 71. Der Binärzähler 70 hat eine Zählkapazität von 2¹⁰ = 1024, wofür zehn binäre Zählerstufen benötigt werden. Als Beispiel ist angenommen, daß ein Binärzähler mit einer größeren Stufenzahl verwendet wird, beispielsweise ein 12stufiger CMOS-Zähler, bei welchem der Ausgang Q11 der elften Stufe mit dem Rück-Stelleingang R verbunden ist, so daß der Binärzähler jeweils nach Erreichen des Zählerstands 1024 auf Null zurückgestellt wird und von vorn zu zählen beginnt. Der Ausgang Q11 kann zugleich den Ausgang 26b der Ansteuerungsschaltung bilden. Die Stufenausgänge Ql... Q10 der zehn ersten Zählerstufen sind mit den entsprechenden Eingängen des Digital-Analog-Umsetzers 71 verbunden, der an seinem Ausgang 71a eine Spannung abgibt, die in jedem Zeitpunkt dem Zählerstand des Binärzählers 70 proportional ist.

Der Takteingang des Binärzählers 70 ist mit dem Ausgang eines Taktgebers 74 verbunden, der Taktimpulse mit einer Folgefrequenz von 64 Hz abgibt. Die Zählperiode des Binärzählers 70 beträgt somit 1024/64 = 16 s. Am Ausgang 71a des Digital-Analog-Umsetzers 71 erscheint somit eine treppenförmig ansteigende Spannung, die jeweils nach 16 s auf Null zurückgeht und in jeder Periode von 16 s 1024 Treppenstufen gleicher Größe aufweist. Diese Spannung kann somit näherungsweise einer Sägezahnspannung gleichgesetzt werden, die mit großer Genauigkeit linear ansteigt.

Der Ausgang 71a des Digital-Analog-Umsetzers 71 ist mit dem invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 75 verbunden, der über einen Widerstand 78 an Masse liegt. Der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers 75 empfängt den Spannungsabfall an einer Zenerdiode 76, die in Reihe mit einem Widerstand 77 zwischen der positiven Versorgungsspannungsklemme +U_b und Masse angeschlossen ist. Im Rückkopplungskreis des Operationsverstärkers 75 liegt ein Widerstand 79. Die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 75 liegt am nichtinvertisrenden Eingang eines weiteren Operationsverstärkers 80 an, dessen Ausgang mit der Basis eines npn-Transistors 83 verbunden ist. Der Emitter des Transistors 83 und der invertierende Eingang des Operationsverstärkers 80 sind miteinander verbunden und über einen den Strom bestimmenden Widerstand 82 an Masse angeschlossen. Der Operationsverstärker 80 bildet zusammen mit dem

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Transistor 83 und dem Widerstand 82 eine spannungs- stärkers 75 wird über einen Widerstand 89 die Ausgesteuerte Stromquelle bekannter Art. gangsspannung eines weiteren Operationsverstärkers

Die Leuchtdiode 24 liegt parallel zur Emitter-Kollek- 90 zugeführt, in dessen Rückkopplungskreis ein Widertor-Strecke eines pnp-Schalttransistors 84 im Lastkreis stand 91 liegt. Der invertierende Eingang des Operader spannungsgesteuerten Stromquelle zwischen der 5 tionsverstärkers 90 ist über einen Widerstand 92 mit Spannungsklemme + Ub und dem Kollektor des Transi- dem Abgriff eines Spannungsteilers verbunden, der aus stors 83. Die Basis des Transistors 84 ist über einen zwei Festwiderständen 93, 94 besteht und parallel zur Widerstand 85, dem ein Kondensator 86 parallelge- Zenerdiode 76 geschaltet ist. Somit liegt am invertierenschaltet ist, an den Ausgang eines Monoflops 87 ange- den Eingang des Operationsverstärkers 90 ein durch das schlossen. Ein an den Ausgang des Taktgebers 74 ange- io Spannungsteilerverhältnis bestimmter fester Bruchteil sch'ossener Frequenzteiler 88 mit dem Teilerverhältnis der von der Zenerdiode 76 stabilisierten Spannung an. 1 :2 liefert Impulse mit einer Folgefrequenz von 32 Hz Der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärzum Auslöseeingang des Monoflops 87. Der Schalttran- kers 90 ist über einen Widerstand 95 mit dem Abgriff sistor 84 ist normalerweise geöffnet. Wenn das Mono- eines Spannungsteilers verbunden, der ebenfalls parallel flop 87 durch einen Impuls des Frequenzteilers 88 aus- 15 zur Zenerdiode 76 geschaltet ist. gelöst wird, gibt es am Ausgang einen impuls von 200 ns Dieser Spannungsteiler besteht aus einem Festwider-

Dauer ab, der den Transistor 84 für diese Dauer sperrt. stand 96 und einem temperaturabhängigen Widerstand Der Ausgang des Frequenzteilers 88 kann zugleich den 97, beispielsweise vom Typ PT 100. Somit gibt der Ope-Ausgang 26a der Ansteuerungsschaltung bilden. rationsverstärker 90 eine Spannung ab, die von der Um-

Die bisher beschriebene Schaltung ergibt die folgen- 20 gebungstemperatur abhängt. Diese Spannung wird de Wirkungsweise: durch den Operationsverstärker 75 der zuvor erläuter-

Der Operationsverstärker 75 arbeitet als Differenz- ten sägezahnförmigen Modulationsspannung überlaverstärker, der am Ausgang eine Spannung abgibt, die gert. Die Spannungsteilerverhältnisse der Spannungsder Differenz zwischen der Klemmenspannung der Ze- teiler 93,94 und 96,97 sowie der Verstärkungsfaktor des nerdiode 76 und der Sägezahnausgangsspannung des 25 Operationsverstärkers 90 sind so bemessen, daß diese Digital-Analog-Umsetzers 71 mit einem durch den in- temperaturabhängige Spannung den über die Leuchtditernen Widerstand des Digital-Analog-Umsetzers 71 ode 24 fließenden Strom so beeinflußt, daß dadurch die und den Rückkopplungswiderstand 79 bestimmten Ver- Temperaturabhängigkeit der Leuchtdiode 24 gerade Stärkungsfaktor entspricht. Diese Ausgangsspannung, kompensiert wird.

die am nichtinvertierenden Eingang des Operationsver- 30

stärkers 80 anliegt, besteht somit aus einer Gleichspan- Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

nung mit überlagerter Sägezahnkurve und hat den zeitliehen Verlauf der Hüllkurve der Impulse von F i g. 2. In dieser Spannung bestimmt die Klemmenspannung der Zenerdiode 76 (beispielsweise 5 V) den Startpunkt jedes Sägezahns.

Die aus dem Operationsverstärker 80, dem Transistor 83 und dem Widerstand 82 bestehende spannungsgesteuerte Stromquelle erzwingt in dem Stromkreis, der von der Spannungsklemme + Ub über den normalerweise stromführenden Schalttransistor 84, den Transistor

83 und den Widerstand 82 nach Masse verläuft, einen der Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 75 genau proportionalen Strom. Wenn der Schalttransistor

84 stromführend ist, ist die Leuchtdiode 24 praktisch kurzgeschlossen, so daß sie keinen Strom führt Auf jeden vom Frequenzteiler 88 abgegebenen Impuls hin wird der Schalttransistor 84 gesperrt, so daß der von der spannungsgesteuerten Stromquelle erzwungene Strom über die Leuchtdiode 24 fließen muß. Die Leuchtdiode 24 gibt somit Lichtimpulse mit einer Dauer von 200 ns und einer Folgeperiode von 32 Hz ab. Da die Intensität des von einer Leuchtdiode emittierten Lichtes dem über die Leuchtdiode fließenden Strom proportional ist, ändert sich die Intensität der von der Leuchtdiode 24 abgegebenen Lichtimpulse als Funktion der Zeit proportional zu der am Eingang des Operationsverstärkers 80 anliegenden Spannung. Die Intensität der Lichtimpulse ändert sich somit entsprechend dem Diagramm von F i g. 2.

Bekanntlich hängt die Intensität des von einer Leuchtdiode emittierten Lichtes nicht nur von dem über die Leuchtdiode fließenden Strom ab, sondern auch von der Temperatur. In der Ansteuerungsschaltung von F i g. 5 sind zusätzliche Maßnahmen zur Kompensation dieser Temperaturabhängigkeit der Leuchtdiode 24 getroffen.

Dem nichtinvertierenden Eingang des Operationsver-

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur automatischen Stabilisierung eines Szintillationsdetektors mit Hilfe einer impulsweise betriebenen Lichtquelle, deren Lichtimpulse von dem photoelektrischen Wandler des Szintillationsdetektors aufgefangen werden, und einer Stabilisierungsschaltung, die auf durch die Lichtimpulse am Ausgang des photoelektrischen Wandlers erzeugte Referenzimpulse anspricht, wobei die Anzahl der Referenzimpulse, deren Amplitude einen vorgegebenen Referenz-Schwellenwert übersteigt, ermittelt und zur Stabilisierung verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplituden der Lichtimpulse nach einer periodischen Sägezahnfunktioii, deren Periode (Tm) groß gegen die Folgeperiode (T/) der Lichtimpulse ist, moduliert werden, und daß die Anzahl der Referenzimpulse, deren Amplitude den im Modulationsintervall (l_msx — /„,,„) liegenden Referenz-Schwellenwert (Sr) übersteigt, in jeder Modulationsperiode ermittelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ermittelte Impulszahl zur Korrektur des Meßergebnisses des Szintillationsdetektors (10) verwendet wird (Fig. 4).

3. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, mit einem Szintillator, in welchem durch eine einfallende ionisierende Strahlung Lichtblitze erzeugt werden, einem photoelektrischen Wandler, der so angeordnet ist, daß er die im Szintillator erzeugten Lichtblitze empfängt und in elektrische Ausgangssignale umwandelt, einer an den Ausgang des photoelektrischen Wandlers angeschlossenen Auswerteschaltung für die aufgrund der Lichtblitze erzeugten Ausgangssignale des photoelektrischen Wandlers, einer impulsweise betriebenen Lichtquelle, die so angeordnet ist, daß die von ihr erzeugten Lichtimpulse von dem photoelektrischen Wandler aufgefangen werden, einer Ansteuerungsschaltung für die Lichtquelle und mit einer an den Ausgang des photoelektrischen Wandlers angeschlossenen Kontrollschaltung, die auf die durch die Lichtimpulse der Lichtquelle am Ausgang des photoelektrischen Wandlers erzeugten elektrischen Referenzimpulse anspricht und einen Referenzzähler enthält, der die Referenzimpulse zählt, deren Amplitude den vorgegebenen Referenzschwellenwert übersteigt, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerungsschaltung (26) für die Lichtquelle (24) so ausgebildet ist, daß sie die intensität der Lichtimpulse nach der periodischen Sägezahnfunktion moduliert, daß mit den Ausgängen des Referenzzählers (38) ein Register (48,58) verbunden ist, und daß eine Steuerschaltung (26, 2%b) vorgesehen ist, die nach jeder Periode der Sägezahnfunktion die Übertragung des Inhalts des Referenzzählers (38) in das Register (48,58) und die Rückstellung des Referenzzählers (38) in einen vorgegebenen Anfangszustand auslöst.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer der Lichtimpulse größer als die Dauer der Szintillations-Lichtblitze ist und daß die Kontrollschaltung (28) einen Impulsdauer-Diskriminator enthält.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Referenzzähler (38) ein Zähler verwendet wird, dessen Ansprechzeit so groß ist, daß er auf Impulse mit der Dauer der Lichtimpulse anspricht, dagegen auf Impulse mit der Dauer der Szintillations-Lichtblitze nicht anspricht.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Referenzzähler ein in CMOS-Technologie hergestellter integrierter Zähler ist.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerschal cung (26) einen Sägezahngenerator (70, 71, 74), einen die

ίο Lichtquelle (24) steuernden Impulsgenerator (74,88, 87) und einen vom Sägezahngenerator (70, 71, 74) gesteuerten Pulsamplitudenmodulator (75, 80) enthält

8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Sägezahngenerator durch einen von einem Taktgeber (74) angesteuerten Zähler (70) mit nachgeschaltetem Digital-Analog-Umsetzer (71) gebildet ist.

9. Anordnung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (24) eine Leuchtdiode ist, die im Lastkreis einer durch den Pulsamplitudenmodulator (75, 80) gesteuerten Stromquelle (80, 83) liegt und daß der Leuchtdiode (24) ein Schalter (84) parallelgeschaltet ist, der durch die Ausgangsimpulse des Impulsgenerators (74, 88, 87) gesperrt wird.

10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Pulsamplitudenmodulator (75, 80) eine temperaturabhängige Schaltung (90 bis 97) zur Kompensation der Temperaturabhängigkeit der Leuchtdiode (24) verbunden ist.