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Elektronikmodul für die 4π(LS)β-γ-Koinzidenzmethode

29.12.2011

Die 4πβ-γ-Koinzidenzmethode ist eine etablierte Methode zur Aktivitätsbestimmung, bei der durch Auswertung von Zählraten in einem β- und einem γ-Detektor und deren Koinzidenzen untereinander auf die Nachweiswahrscheinlichkeit und somit auf die Aktivität einer radioaktiven Probe geschlossen werden kann. Ersetzt man den üblicherweise als β-Detektor verwendeten Proportionalzähler durch ein Flüssigszintillationssystem (LS-System), ist hierfür eine deutlich aufwendigere Koinzidenzlogik erforderlich. Das inhärente, zeitlich veränderliche Rauschen der zur Detektion des Szintillationslichtes eingesetzten Photomultiplier muss durch Betrachtung von Zweifach- oder Dreifachkoinzidenzen im LS-System eliminiert und die auftretenden Nachimpulse müssen durch eine verlängernde Totzeit unterdrückt werden. Das Timing zwischen LS-System und gamma-Detektor erfordert weiterhin eine Verzögerung im Bereich von Mikrosekunden, um die zeitliche Koinzidenz zwischen beiden Detektorzweigen auswerten zu können.

Um diese Anforderungen zu realisieren wurde ein Elektronikmodul entwickelt, dessen Blockschaltbild in Abbildung 1 zu sehen ist. Ein Foto des Moduls ist in Abbildung 2 zu sehen.

Abbildung 1 : Blockschaltbild des Koinzidenzmoduls

Abbildung 2 : Fotografie des Koinzidenzmoduls

Über die oben skizzierte Anwendung hinaus ist dieses Gerät für Erweiterungen der Anwendungen offen und durch eine universale Programmiermöglichkeit und die Ausstattung mit den unterschiedlichsten Input- und Outputports auch für ganz andere Aufgaben verwendbar. Das Modul besitzt 5 Eingänge mit vorgeschalteten Komparatoren, deren Schaltschwelle zwischen -3 V und +3 V einstellbar ist. Zusätzlich gibt es zahlreiche digitale Leitungen, die als Ein- oder Ausgang konfigurierbar sind. Ein Mikrokontroller sorgt für die Kommunikation zwischen FPGA und Außenwelt. Zur Erzeugung von variablen Verzögerungszeiten dienen 9 programmierbare Delaylines.

Bei der oben beschriebenen Koinzidenzmethode startet der erste eintreffende Puls eines Photomultipliers ein Totzeitfenster, realisiert durch ein Monoflop mit 10 µs bis 100 µs Einschaltdauer sowie ein Koinzidenzfenster von typischerweise 10 ns bis 100 ns Dauer. Jedes in dieses Koinzidenzfenster fallende weitere Eingangssignal der beiden anderen Photomultiplier wird registriert. Pulse außerhalb dieses Fensters werden ignoriert und führen lediglich zum Retriggern des Totzeitmonoflops. Etwa 2,5 µs nach dem ersten Koinzidenzfenster wird das Zeitfenster für den Gammadetektor-Kanal für 100 ns geöffnet. Nach Ablauf dieser Zeit wird die Multiplizität der Koinzidenzen bestimmt und die entsprechenden Zähler werden inkrementiert.

Der gesamte Ablauf dieses Messprinzips wird durch den FPGA gesteuert. Das erste Koinzidenzfenster wird mit Hilfe einer programmierbaren Delayline erzeugt und kann mit einer Auflösung von 250 ps eingestellt werden. Das Totzeitmonoflop sowie die Verzögerungszeit und die Breite des Fensters für den Gammakanal können mit einer Auflösung von 5 ns eingestellt werden. Die Zeitbasis dazu kann entweder intern durch einen Quarz erzeugt werden oder durch eine extern eingespeiste Normalfrequenz von 10 MHz. Sämtliche Einstellungen der Fensterbreiten lassen sich über die serielle Schnittstelle vornehmen. Die Zählerstände der Koinzidenzzähler können durch den Mikrokontroller ausgelesen und gelöscht werden.

Auf Basis der gleichen Hardware konnte auch ein Modul für die Belichtungszeitsteuerung für ein Mehrkanal Neutronen-Imaging-System realisiert werden, bei dem 9 unabhängige Belichtungszeiten mit sub-Nanosekunden Einschaltgenauigkeit und mit 5 ns bis 40 s Expositionszeit gefordert wurden. Weitere Anwendungen lassen sich kurzfristig realisieren.