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Entwicklung eines neuen, optimierten Präzisions-Pulsgenerators für die Gammaspektrometrie

05.12.2016

1. Motivation:
Die Rückführung der Aktivitätseinheit Bq auf die Zeit erfolgt mittels der Messung der Anzahl der Zerfälle N pro Zeiteinheit. Die Anzahl der Zerfälle N liefern die Signale der Detektoren. Die Zeiteinheit s wird über Frequenzstandards realisiert, die mit dem PTB Zeitstandard DCF77 verglichen werden. Verbunden sind diese Frequenzstandards mit der Messung durch einen Präzisions-Pulsgenerator.

Der Frequenzstandard triggert den Pulsgenerator, der präzise Messsignale simuliert und dessen Signale in den Vorverstärker der Messkette eingespeist werden. Diese Signale dienen der präzisen Erfassung der Totzeit des Messsystems und somit der Bestimmung der effektiven Messzeit. Aktuell wird in der Gammaspektrometrie als Frequenzstandard ein PTB Eigenbau (PTB-Nummer 7401der Messmittelliste) sowie ein kommerziell erhältlicher Präzisions-Pulsgenerator (BNC BH-1) verwendet. Beide Geräte sind über 30 Jahre alt und beginnen zunehmend zu versagen. Die Störungen werden häufiger und die Reparaturen werden zeitlich und finanziell aufwendiger.  Aktuell verfügbarer digitaler Ersatz erreicht nicht die Anforderungen an die Signalqualität, die für die Gammaspektrometrie notwendig ist.

Um die unverzichtbare Rückführung in der Gammaspektrometrie zu gewährleisten, wurde in Zusammenarbeit der Arbeitsgruppe 6.52 und der Arbeitsgruppe 6.13 die Neuentwicklung sowohl des Frequenz­standards als auch des Präzisions-Pulsgenerators vereinbart.

2. Ziele:
Erkannte Schwachstellen der kommerziellen Produkte wie

  • große Platinen mit langen und verschlungenen Leiterbahnen, die empfindlich für elektromagnetische Einstrahlungen sind und selbst elektromagnetische Strahlung emittieren (EMV),
  • störanfällige mechanische Bauteile, z. B. offene Schalter mit silberbeschichteten Kontakten, die anfällig für Oxydation sind,
  • Leiterbahnführungen, die den Anforderungen für eine gute Signalführung nicht entsprechen,
  • ungeschirmte Gehäuse
  • Verwendung von Bauteilen mit großen Toleranzen

werden vermieden.

Besondere Anforderungen der Gammaspektrometrie werden bereits bei der Entwicklung berücksichtigt und integriert:

  • exakte und stabile Frequenz (1 Hz, 10 Hz, 50 Hz, 100 Hz, 1 kHz, 10 kHz),
  • langzeitstabile Amplitude und Pulsform,
  • wählbare Signalanstiegszeit, bis zu minimal 50 ns,
  • wählbare Signalabfallzeit, bis zu maximal 10 ms,
  • wählbare Pulsamplitude bis maximal 10 V,
  • EMV.

3. Status:
Die Entwicklung, die Optimierung und die Konstruktion eines Frequenzstandards für die Gammaspektrometrie als eigenständiges Gerät sind abgeschlossen.

Hierbei wurden zur Optimierung drei unterschiedliche Konzepte realisiert.

Erreicht wird eine, durch Vergleich mit dem DCF77 Standard bestimmte, im Vergleich zu dem bisherigen Standard, PTB-Nummer 7401, um einen Faktor 10 kleinere Frequenzschwankung.

Basis des optimierten Frequenzstandards ist ein temperaturstabilisierter Oszillator, der eine Frequenzstabilität von ± 0,14 ppm aufweist. Der Frequenzstandard wurde zur Verbesserung der EMV konsequent in SMD-Technik mit optimierter Leiterbahnführung ausgeführt. Er existiert als separates Gerät in einem einzelnen Gehäuse, mit externem Netzteil oder als geschirmtes Kompartiment für den Einsatz innerhalb eines PräzisionsPulsgenerators.

Als Einzelgerät ist der Frequenzstandard bereits in Kombination mit dem kommerziellen Präzisionspulsgenerator von BNC BH-1 bei der Arbeitsgruppe 6.13 im Einsatz.

Die Neuentwicklung des Präzisions-Pulsgenerators beinhaltet die nachgeschaltete Signalformung und Signalverstärkung. Auch hierbei wird zur Verbesserung der EMV konsequent miniaturisiert und die Leiterbahnführung sowie Abschirmung optimiert. Die Auswahl der verwendeten elektronischen Bauteile erfolgt mit Hinblick auf kleinste Toleranzen und höchste Stabilität, um systematische Fehler zu reduzieren. Diese Auswahlkriterien bedingen eine Mischkonstruktion aus konventionellen und SMD-Bauteilen. Um Kontaktoxydation auszuschließen, wurden für den ersten Prototyp gekapselte Drehschalter mit vergoldeten Kontakten verwendet. Darüber hinaus wird zur weiteren Verbesserung der Langzeitstabilität derzeit der Ersatz der mechanischen Schalter durch elektronische Relais vorbereitet.

Die störungsfreie Spannungsversorgung aller Komponenten wird nicht mehr durch eine NIM-Versorgungseinheit sichergestellt. Hier wurden Restwelligkeiten und hochfrequente Störungen festgestellt. Stattdessen wurde eine eigenständige Spannungs­versorgungseinheit entwickelt und so konstruiert, dass sie speziell auf die Anforderungen des Präzisions-Pulsgenerators abgestimmt ist.

Sowohl Präzisions-Pulsgenerator als auch Spannungsversorgungseinheit befinden sich im Entwicklungsstadium eines ersten Prototyps. Erste Funktionstests und Überprüfungen der generierten Signale am Oszilloskop zeigen die Funktionsfähigkeit der gesamten Signalkette. Messungen im realen Einsatz in der Gammaspektrometrie sind noch für November 2016 geplant.