DE102009015586A1 - Sensorausleseschaltung, Sensor und Verfahren zum Auslesen eines Sensorelements - Google Patents

Abstract

Eine Sensorausleseschaltung (2) umfasst einen Eingangsanschluss (11) für ein Sensorelement (1) für elektromagnetische Strahlung, das ein elektrisches Sensorsignal erzeugt, einen Integrator (12) zum Integrieren des Sensorsignals, eine Rückstelleinrichtung (13) zum Rückstellen des Integrators und eine Steuerschaltung (14) zum wiederholten Betätigen der Rückstelleinrichtung nach einer Integrationsperiode. Ein Pufferkondensator (15) ist mit dem Eingangsanschluss verbunden. Eine Pufferschaltung (16) ist durch die Steuerschaltung betätigbar, um den Eingangsanschluss mit dem Integratoreingang innerhalb der Integrationsperiode zu verbinden und ihn von ihr während der Integratorrückstellung zu trennen.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Sensorausleseschaltung, einen Sensor und ein Verfahren zum Auslesen eines Sensorelements gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.
• Relevanter Stand der Technik ist das Hamamatsu-Datenblatt „Photosensor Modules H 7468 Series”. Die 4a und 4b der vorliegenden Erfindung zeigen den Inhalt des Hamamatsu-Datenblatts. Wie schematisch in 4a gezeigt ist, weist der Gesamtsensor im Wesentlichen eine Elektronenvervielfachungsröhre 1, eine Ausleseschaltung 2 und eine Ansteuerschaltung 3 auf. Die Komponenten sind untereinander verbunden. Die Ausleseschaltung 2 empfängt das elektrische Signal von der Elektronenvervielfachungsröhre. Die Elektronenvervielfachungsröhre wird von der Ansteuerschaltung angesteuert. Der Pfeil 4 steht für die gemessene einfallende Strahlung.
• 4b zeigt die Komponenten im Detail: 1 bezeichnet die Elektronenvervielfachungsröhre mit einer lichtempfindlichen Kathode 1a, einer Anode 1b und einer Dynodenserie 1c, entlang welcher ein Spannungsabfall zur Beschleunigung von Elektronen, die von der Kathode 1a emittiert werden, und ihrer Vervielfachung in Richtung der Anode 1b auftritt, wo sie als einzelne Lawinen für auf die Kathode einfallende Protonen erscheinen. Das Verbindungsschema ist wie in 4b gezeigt. Vorgesehen sind eine vielstufige Spannungsgleichrichterschaltung, eine Oszillatorschaltung und eine Stabilisierungsschaltung, die eine hohe Spannungsrückkopplung empfängt und einen Spannungssteuerungseingang aufweist. Der Vervielfacherausgang (d. h. der Anodenanschluss) ist mit einem Integratoreingang verbunden, so dass das Signal integriert wird. Der Integrator bzw. die Integrierschaltung weist im Rückkopplungszweig einen Operationsverstärker und einen Kondensator auf. Ein Kurzschlussschalter ist mit dem Kondensator parallel geschaltet. Der Integrator integriert das Signal von der Elektronenvervielfachungsröhre (PMT) auf übliche Weise und der Integrator wird wiederholt/periodisch rückgestellt, indem der Schalter geschlossen (leitend gemacht) wird. Es ist eine Mikrosteuerung vorgesehen, die das A/D-gewandelte Ausgangssignal des Integrators empfängt und den Schalter sowie die Ansteuerschaltung betätigt. Die minimale Totzeit des bekannten Moduls beträgt 10 μs (Mikrosekunden). Die minimale Integrierzeit beträgt 40 μs. Die Totzeit ist zum Abtasten des Ausgangssignals und zum Rückstellen des Integrators erforderlich.
• Der Nachteil dieser bekannten Vorgehensweise liegt darin, dass seine Messgenauigkeit systematisch begrenzt ist. In der Totzeit geht das PMT-Ausgangssignal systematisch verloren und wird somit nicht gemessen. Dieser Fehler wird umso bedeutender, je mehr die Totzeit mit der Integrierzeit vergleichbar wird, da dann der Anteil des „verlorenen Signals” relativ groß wird.
• Eine Lösung würde darin bestehen, relativ lange Integrierzeiten im Vergleich zur Rückstellzeit zu erzeugen, so dass das relative Ausmaß des „verlorenen Signals” abnimmt. Des Weiteren wird die frühzeitige Auflösung umso schlechter, je länger die Integrierzeit ist. Aber lange Integrierzeiten bedeuten ein Problem für hohe Sensorelementausgangssignale (d. h. hohe Integratoreingangssignale). Der Integrator erreicht dann rasch seine Sättigung und ist damit nichtlinear, so dass sein Ausgang nicht mehr für die gemessene Eingangmenge repräsentativ ist.
• Wenn der Sensor auf eine Sättigung hinausläuft, kann er durch die Ansteuerschaltung des Sensorelements neu eingestellt werden, so dass das Ausgangssignal der PMT für die gleiche Eingangsmenge 4 abnimmt, so dass eine Sättigung des Integrators vermieden wird. Dann müssen jedoch auch die Ansteuerbedingungen der Ansteuerschaltung 3 für die Auswertung des Integratorausgangs in Betracht gezogen werden. Im Übrigen kann das Einstellen der Ansteuerschaltung 3 Zeit erfordern, während der das Ausgangssignal nicht verwendet werden und sogar zu langsam sein kann, um sich rasch ändernden PMT-Ausgangssignalen zu folgen.
• Zum weiteren bekannten Stand der Technik gehören CN 1 221 812 , CN 1 621 812 A , FR 2 848 676 A1 , GB 2 350 187 A , JP 2001 004 445 , JP 2004 125 626 , JP 57 044 821 , JP 63 201 587 , US 2004 169 128 A1 , US 2006 202 126 A1 , US 5 773 816 A1 , US 5 920 199 A1 , US 6 384 401 B1 , US 6 501 322 B1 , US 6 642 501 B2 , US 7 339 153 B2 , US RE 395 27 E , WO 2006 037 248 A1 und US 6 166 365 .
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer Sensorausleseschaltung, eines Sensors und eines Ausleseverfahrens mit verbesserter Präzision über einen breiten Bereich der Eingangssignalintensität hinweg.
• Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Die abhängigen Ansprüche sind auf bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung gerichtet.
• Gemäß der Erfindung weist eine Ausleseschaltung für ein Sensorelement einen Pufferkondensator auf der Eingangsseite der Ausleseschaltung auf. Das Sensorelement erzeugt ein elektrisches Signal, das als elektrische Ladung eingesammelt werden kann. Der Pufferkondensator empfängt das Signal vom Sensorelement und speichert es während der Totzeit der Ausleseschaltung, in der der Pufferkondensator von der „stromabwärtigen” Ausleseschaltung getrennt ist. Nach der Totzeit ist der Pufferkondensator wieder mit der Auslese schaltung verbunden und sein Signal wird dort ausgewertet. Durch diese Maßnahme wird der Einfluss der Totzeit bedeutend reduziert, da der Signalverlust während der Totzeit bedeutend verringert, wenn nicht sogar auf Null gebracht wird. Dementsprechend können Zykluszeiten der Integration vergleichsweise kurz gemacht werden, ohne dass sich das Problem einer erhöhten Bedeutung des Signalverlusts während der Totzeit ergibt, da ein Signalverlust während der Totzeit unterdrückt wird. Aufgrund des kürzeren Integrationszyklus können auch hohe Ausgangssignale des Sensorelements gemessen werden, ohne die Einstellungen zu betätigen, so dass der vorstehend beschriebene Nachteil vermieden wird.
• Ein Sensor weist, wie oben erwähnt, ein Sensorelement und eine Ausleseschaltung auf. In einem solchen Sensor kann der Integrierzyklus (gesamte Beharrungsperiode) weniger als 30, 20, 15, 10 oder 5 μs betragen. Er kann höher als 100 ns, 200 ns, 500 ns, 1, 3 oder 5 Mikrosekunden sein. Ein bevorzugter Bereich ist derzeit 8 bis 12 μs, kann aber auch einen der vorstehend genannten Werte +/–20% davon betragen.
• Der Sensor kann ein Sensor für elektromagnetische Strahlung oder für Teilchen sein (die durch ein geeignetes Eingangsfenstermaterial in Strahlung umgewandelt werden können).
• Nachstehend werden Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, worin
• 1 eine Grundschaltung einer Ausleseschaltung gemäß der Erfindung ist,
• 2 Ansteuermuster im Verfahren zum Auslesen eines Sensorelements zeigt,
• 3 Kennlinien des Gesamtsensors zeigt, und
• 4 den Stand der Technik betrifft.
• Generell bezeichnen in dieser Beschreibung gleiche Bezugzeichen gleiche Merkmale. Merkmale in dieser Beschreibung sollen miteinander kombinierbar sein, selbst wenn dies nicht ausdrücklich erwähnt ist, soweit eine Kombination nicht aus technischen Gründen ausgeschlossen ist. Vorrichtungsmerkmale sollen auch als Offenbarung für einen Verfahrensschritt, der durch das Vorrichtungsmerkmal umgesetzt wird, und umgekehrt gelten, ein Verfahrensaspekt soll sich auch auf Einrichtungen zur Umsetzung des Verfahrensaspekts beziehen.
• In 1 weist die Ausleseschaltung 2 einen Eingangsanschluss 11 auf, mit dem ein Sensor verbunden oder verbindbar ist. Der Anschluss 11 kann explizit vorgesehen oder ein integraler Teil einer Art von Schaltungsanordnung sein. Das Sensorelement 1 kann eine Elektronenvervielfachungsröhre sein, die für Strahlung oder Teilchen empfindlich ist und bei Einfall von Strahlung oder Teilchen Elektronenlawinen erzeugt, wie durch den Pfeil 4 symbolisiert ist. Der Elektronenvervielfacher kann wie in US 6 166 365 beschrieben aufgebaut sein.
• Nahe der Eingangsseite der Ausleseschaltung 2 und vorzugsweise in Verbindung mit deren Eingangsanschluss 11 befindet sich ein Pufferkondensator 15, der mit seinem anderen Anschluss an einem festen Potenzial, beispielsweise Masse, angeschlossen sein kann. Ein Pufferschalter 16 ist vorgesehen, um die Eingangsseite/den Eingangsanschluss 11 und somit auch den Pufferkondensator 15, mit dem „stromabwärtigen” Teil der Ausleseschaltung 2 selektiv zu ver binden. Er umfasst einen Integrator 12, der durch einen analogen Verstärker 17 und einen Rückkopplungskondensator 18 aufgebaut sein kann, sowie eine analoge Signalformungs-/-auswertungsschaltung 14 „stromabwärts” des Integrators 12, beispielsweise zum Filtern und Amplitudenabgleich.
• Der Verstärker 17 kann ein betriebsbereiter Verstärker mit einem invertierenden Eingang und einem nicht invertierenden Eingang sein. Der nicht invertierende Eingang kann mit einem festen Potenzial, beispielsweise wieder Masse, verbunden sein.
• Der invertierende Eingang empfängt das Rückkopplungssignal vom Rückkopplungskondensator 18 und ist ebenfalls mit dem Pufferschalter 16 verbunden, so dass er das Signal vom Sensor oder Pufferkondensator 15 empfangen kann, wenn der Pufferschalter 16 geschlossen (leitend) ist. Der Ausgang des betriebsbereiten Verstärkers 17 ist mit dem Rückkopplungskondensator 18 und weiterhin mit einer geeigneten Signalformungs-/-auswertungsschaltung 14 verbunden, die auch Steuerzwecke für die Schaltung, insbesondere für die Ausleseschaltung, aber potenziell auch für die (nicht im Detail gezeigte) Sensoransteuerschaltung 3 haben kann. Die Auswertungsschaltung 14 kann eine Abtast-und-Halten-Schaltung und eine analoge Schaltung umfassen. Aber gleichermaßen kann sie einen Analog/Digital-Wandler 10 auf der Ausgangsseite des Integrators 12 und digitale Komponenten 19a, wie etwa digitales Abtasten in einer Abtastschaltung, und eine digitale Steuerung in einer Steuerschaltung 19b, umfassen.
• Zwischen dem Ausgang des Integrators und dem Eingang des Analog/Digital-Wandlers kann eine Art analoger Schaltungsanordnung, beispielsweise zum Anpassen des Ausgangssignals des Integrators an die Erfordernisse des Eingangs des Analog/Digital-Wandlers, vorhanden sein.
• Weiterhin ist eine Rückstelleinrichtung 13 vorgesehen, die ein Rückstellschalter, der unter der Steuerung der Steuerschaltung 19b betätigbar ist, sein kann. Der Schalter kann mit dem Kondensator 18, d. h. zwischen dem Eingang und dem invertierenden Ausgang des Verstärkers 17, parallel geschaltet sein. Sobald er geschlossen (leitend) ist, schließt der Rückstellschalter 13 den Kondensator 18 kurz und bringt somit den Ausgang des Integrators 17 rasch auf das Potenzial des nicht invertierenden Eingangs, der das feste Potenzial, beispielsweise Masse, wie vorstehend angegeben, sein kann.
• Ein sehr grundlegendes Operationsschema der vorstehenden Schaltung kann darin bestehen, dass während des Rückstellens (Rückstellschalter 13 geschlossen (leitend)) der Pufferschalter 16 offen (nicht-leitend) ist, so dass das elektrische Signal vom Sensorelement in den Pufferkondensator 15 geht, aber nicht kurzgeschlossen wird und somit nicht für eine anschließende Auswertung/Messung verloren ist. Wenn die Rückstellung beendet, d. h. der Rückstellschalter 13 wieder offen (nicht-leitend) ist, kann der Pufferschalter 16 geschlossen (leitend gemacht) werden, so dass die inzwischen angesammelte Ladung im Kondensator 15 auf die Eingangsseite des Integrators (mit dem Operationsverstärker 17) übertragen und dort integriert werden kann.
• Da die Eingangsspannung über die Eingangsanschlüsse des Operationsverstärkers 17 stets fast 0 ist, weist der invertierende Eingang fast das gleiche Potenzial wie der nicht invertierende Eingang auf. Somit wird die Spannung am Pufferkondensator zu mehr oder weniger der Spannung wie der nicht invertierende Eingang hin gezogen, die die gleiche sein kann wie diejenige am anderen Anschluss des Kondensators 15, so dass die Spannung über den Kondensator 15 schließlich fast Null sein kann, so dass sie entladen wird. Aber ihre Ladung ist durch den Integrator 17 korrekt integriert worden, der dann ein entsprechendes Signal an seinem Ausgang zeigt.
• Schließlich wird der Pufferschalter 16 wieder geöffnet (nicht-leitend gemacht), so dass sich Ladung vom Sensorelement 1 nur im Kondensator 15 sammelt, aber nicht zum Integrator 12 geleitet wird, der dann auf einem konstanten Wert bleibt, so dass ein Messzyklus beendet ist. Der „stromabwärtige Rest” der Ausleseschaltung ist für die Organisierung der anderen erforderlichen Operationen, wie etwa Abtasten, Halten, Rückstellen (durch Kurzschließen des Rückkopplungskondensators), Umwandeln, Bestimmen der Steuerparameter usw., frei.
• Die digitale Komponente 19a kann angepasst (zum Beispiel programmiert) werden, um verschiedene Auswertungsaufgaben, die später im Einzelnen beschrieben werden, wie etwa eine Integratorausgangsumwandlung, Rauschbestimmung und -beseitigung, Addition von Messzyklusergebnissen, Schwellenüberprüfung und Aufgaben höheren Niveaus, wie etwa Überwachen, Organisieren und Ausführen einer Kalibrierung, Modusumschaltung, Messzykluseingang und -entscheidung, Eingang/Ausgang-Organisation, interne Verwaltung und zeitliche Abstimmung, Schnittstelleineinrichtung zu Steuerungen höheren Niveaus, durchzuführen und/oder zu entscheiden. Die Komponente 19b kann zum Steuern der Ausleseschaltung (insbesondere zur Umsetzung von Schaltschemata) und zum Steuern der Sensorelement-Ansteuerschaltung 3 bereitgestellt sein. Sie kann digitale und/oder analoge Ausgänge aufweisen und mit der digitalen Schaltung 19a in Kontakt sein.
• 2 zeigt makroskopische und detaillierte Operationsschemata der Ausleseschaltung. Makroskopisch kann das Ansteuerungsschema einen Initiationszyklus 21, einen oder mehrere Messzyklen 22 variabler Länge und eine Folge von Messzyklen 23a, 23b fester Länge und folgende umfassen.
• Das Diagramm zeigt bei Linie 24 ein grundlegendes Operationssteuersignal, das von außen zugeführt werden kann, bei 25 die Betätigung des Pufferschalters 16, bei 26 die Betätigung des Rückstellschalters 13 und bei 27 Triggersignale. In den Diagrammen der 2 gibt ein hoher Pegel in den Linien 25 und 26 einen geschlossenen Schalter (leitend) an, während ein niedriger Pegel einen offenen Schalter (nicht-leitend) angibt.
• Der Initiationszyklus 21 ist eine Reihe von Öffnungen und Schließungen der Schalter 13 und 16 zum Löschen einer möglicherweise angesammelten Ladung. Der Zweck besteht darin, die Schaltung in einen definierten Zustand zu bringen, bevor die Messung beginnt.
• Der Zyklus 22 ist ein Messzyklus variabler Länge, der in seinem Grundoperationsschema der gleiche wie die nachfolgenden Messzyklen fester Länge sein kann, aber eine variable Länge und somit unterschiedliche Dauern bei mehreren seiner einzelnen Schritte aufweist. Damit können Gesamtmesszeiten frei eingestellt werden, und zwar wie folgt: Wenn eine feste Zykluslänge (des Messzyklus 23a und folgender) beispielsweise 10 μs beträgt, könnten mit diesem Merkmal allein Messzeiten von n·10 μs (d. h. 10, 20, 30, 40, ..., μs) implementiert werden. Es wird hier festgestellt, dass aufgrund der Integration die Messergebnisse der einzelnen Messzyklen 22, 23 in einer stromabwärtigen Stufe der Signalauswertung addiert werden können, um ein Messsignal demjenigen einer großen Messperiode, die sich aus mehreren Zyklen fester oder variabler Länge zusammensetzt, gleichwertig zu machen. Wenn zum Beispiel die Zyklen fester Länge eine Dauer von 10 Mikrosekunden haben, kann die Messperiode nur in Schritten von zehn Mikrosekunden eingestellt werden. Dabei hilft der Zyklus 22 variabler Länge beim Erhalt einer feineren Skalierung. Der Zyklus 22 variabler Länge kann beispielsweise in seiner Länge (zum Beispiel in Abhängigkeit von einem externen Steuersignal) zwischen 10 μs und 20 μs, etwa in Schritten von 0,1 Mikrosekunden, variabel sein.
• Es wird in diesem Kontext festgestellt, dass die derzeit vorliegenden Zeitkonstanten so sind, dass es schwierig ist, Gesamtmesszyklen unterhalb eines bestimmten Werts (der gegenwärtig im Bereich von einigen μs liegt) umzusetzen, um die gewünschte kurze Integrierzeit herzustellen, während es noch möglich ist, in einer vergleichsweise so kurzen Dauer auch die Organisationsschritte (Abtasten, Rückstellen, Ansteuereinstellungen ...), welche erforderlich sind, um den Gesamtsensor korrekt zu betreiben, auszuführen. Aber es ist gut möglich, einen einzelnen Zyklus durch Werte zu erhöhen, die viel kleiner als die minimale Zyklusdauer sind. Obwohl eine technische minimale Zyklusdauer beispielsweise einige wenige (zum Beispiel 3) μs betragen und eine Zyklusdauer fester Länge auf 5 oder 10 μs eingestellt sein kann, ist es daher gut möglich, die Zyklusdauer über den technischen Minimalwert in Schritten zu erhöhen, die viel kleiner als die technische minimale Zyklusdauer sind, beispielsweise in Schritten von 0,1 μs.
• Daher ist ein Benutzer mit dem Zyklus 22 variabler Länge imstande, die Gesamtmessdauer gemäß seinen Erfordernissen fein einzustellen. Statt dass nur der erste Zyklus in der Länge variabel ist, können alle von ihnen variabel sein und ihre Dauer kann nach Maßgabe eines Eingangssignals eingestellt werden. Wenn zum Beispiel aus irgendwelchen Gründen eine Messdauer von 27 μs erforderlich ist, kann der Benutzer seine Konfiguration so gestalten, dass für den Zyklus variabler Länge eine Dauer von 7 μs eingestellt wird, die zusammen mit dem Wert von zwei Zyklen fester Länge von jeweils 10 μs verwendet wird. Wenn eine Gesamtmessdauer von beispielsweise 41 Mikrosekunden benötigt wird, kann der Benutzer die Dauer des Zyklus 22 variabler Länge auf 11 μs einstellen und weiterhin zu dem aus diesem Zyklus erhaltenen Wert jene Werte addieren, die aus den folgenden drei Zyklen 23 fester Länge von jeweils 10 μs erhalten werden, so dass eine Gesamtmessdauer von 41 μs erhalten wird.
• Das Gesamtoperationsverfahren des Auslesens des Sensorelements kann den Schritt des Bestimmens der Länge der Messdauer, des Definierens der Länge und Anzahl eines Messzyklus variabler Länge und der Anzahl von Messzyklen fester Länge umfassen und kann weiterhin den Schritt des Addierens des Messergebnisses der definierten Zyklen, eventuell des Zyklus variabler Länge unter diesen, umfassen. Der Vorgang kann nach Maßgabe eines Startsignals, vorzugsweise von außen, beginnen, wie etwa der in Linie 24 gezeigten Abfallflanke.
• Für einen bedeutenden Teil des Messzyklus kann der Eingangabschnitt der Ausleseschaltung einschließlich des Pufferkondensators 15 mit dem Rest der Schaltung verbunden sein, d. h. wobei der Pufferschalter 16 geschlossen (leitend) ist. In dieser Periode werden das früher angesammelte Signal im Pufferkondensator 15 und das Sensorsignal zum Integrator weitergeleitet und dort integriert. Zur Verwaltung kann eine durch den Pufferschalter 16 implementierte Trennungsperiode verwendet werden.
• Die Einzelheiten der zeitlichen Abstimmungen in 2 sind wie folgt: Zumindest über einen Teil des Initiationszyklus 21 t1 können die Schalter 13 und 16 entgegengesetzt schalten (Zustände t5, t2, t3, t6 zum Beispiel jeweils von 1 auf 2 μs), d. h. der eine ist offen, während der andere geschlossen ist. Ein Zustand, in dem beide Schalter geschlossen (leitend) sind, kann vermieden werden, indem Zeitabstände t4, t7, 78 (von zum Beispiel jeweils 50 ns bis 100 ns (Nanosekunden)) vorgesehen werden. Diese Abfolge dient dazu, den Integrator 12 und den Pufferkondensator 15 auf mehr oder weniger 0 zu bringen.
• Der Messzyklus kann damit beginnen, dass der Pufferschalter 16 geöffnet (nicht-leitend gemacht) wird. Dies ist bei den Zyklen 22, 23 gezeigt, wobei der Pufferschalter 16 bei t9 und t13 beispielsweise 1 bis 2 μs bzw. 4 bis 6 μs lang offen ist. Dann sammelt sich das Signal im Pufferkondensator 15, wird aber nicht an den Integrator 12 weitergeleitet. Während dieser Zeiten ist die Schaltung für Verwaltungsaufgaben, insbesondere zum Auslesen und Auswerten des Signals vom vorherigen Zyklus, frei. Während t9 kann der Rückstellschalter 13, um t8 und t10 von früheren und späteren Pufferschalterschließungen t3, t12 beabstandet, t11 lang zur Signalrückstellung geschlossen werden.
• Während der Messung entweder im Messzyklus 22 oder 23 kann das Schaltschema so sein, dass der Rückstellschalter 13 lange genug geschlossen (leitend) ist, um eine korrekte Kondensatorentladung (d. h. Integratorrückstellung, t11, t15, zum Beispiel von 1 auf 2 μs) zu gestatten, und der Pufferschalter 16 nie geschlossen (leitend) ist, während der Rückstellschalter 13 geschlossen (leitend, t11, t15) ist, um den Verlust des Messsignals zu vermeiden. Dies kann durch Vorsehen von Zeitabständen t6, t10, t16 von zum Beispiel 50 bis 100 ns sichergestellt werden.
• Innerhalb von t12 und t17 ist der Pufferschalter 16 geschlossen, während der Rückstellschalter 13 offen ist. Das Signal, das sowohl inzwischen im Pufferkondensator angesammelt ist als auch direkt vom Sensorelement kommt, läuft somit direkt in den Integrator 12 und wird dort integriert. Die Periode t12 im Zyklus variabler Länge kann je nach Bedarf von einstellbarer variabler Länge sein, die durch ein externes Steuersignal eingestellt wird, wohingegen t17 eine feste Dauer von beispielsweise zwischen 3 und 7 μs aufweisen kann. Am Ende von t12 und t17 öffnet sich der Pufferschalter 16 wieder und ein Messzyklus ist beendet, da kein weiteres Signal den Integrator 12 erreicht, der somit eine konstante Ausgang zum Auslesen, zur Auswertung und späteren Rückstellung bereit hat.
• Innerhalb der Auswertungsperiode t14 (von zum Beispiel zwischen 2 und 4 μs) zwischen dem Ende der Ladungsübertragung (Pufferschalter 16 öffnet sich) und der Rückstellung (Rückstellschalter 13 schließt sich) kann der Integratorausgang (durch Halten und Abtasten, Speichern eines digitalen Werts oder dergleichen) ausgewertet werden. Diese kann durch Impulse von geeigneter zeitlicher Abstimmung und geeigneter Dauer ausgelöst werden. Zum Herausmitteln von Rauschen können mehrere Auswertungen des Integratorausgangs vorgenommen werden. 27 zeigt kurze Triggerimpulse t19 und t21 (zum Beispiel 50 bis 100 ns), die durch t20 (von beispielsweise 2 bis 3 μs) beabstandet sind, alle innerhalb t14 und vom Anfang bis zum Ende durch t18, t22 beabstandet, um zwei Auswertungen desselben konstanten Integratorausgangswerts auszulösen.
• Es wird bemerkt, dass die Auswertungsperiode t14 für den im vorherigen Messzyklus erreichten Wert parallel erfolgt, um wieder Ladung im Pufferkondensator 15 für den aktuellen Messzyklus anzusammeln. Der erste Messzyklus (22 in 2) benötigt keine Auswertungsperiode, da es nichts auszuwerten gibt.
• Insofern allgemein gesprochen, kann die Erfindung als Verfahren zum Auslesen eines Sensorelements mittels einer Ausleseschaltung beschrieben werden, das ein elektrisches Signal nach Maßgabe eines zu messenden Phänomens erzeugt, mit den Schritten des abwechselnden Betätigens der Ausleseschaltung in einer Erfassungsperiode und in einer Organisationsperiode. In der Organisationsperiode (zum Beispiel oberhalb t13) sind das Sensorelement und ein Signalpuffer von der Ausleseschaltung getrennt, die diese Periode für Organisationsaufgaben (wie etwa Lesen des Integrationswerts, Rückstellen des Integrators (Entladen des Kondensators 18) und andere) nutzen kann, und werden in einer anschließenden Erfassungsperiode (zum Beispiel oberhalb t17) zum Erfassen (Integrieren) der einstweiligen gepufferten und neu hereinkommenden Signalkomponenten mit der Ausleseschaltung wieder verbunden.
• Der aus dem Integrator ausgelesene Wert kann die Spannung am Ende eines Messzyklus sein, d. h. wenn der Pufferschalter geöffnet ist. Bevor er jedoch als Intensitätsmaß für die empfangene Eingangmenge ist, kann er für Rauschbeiträge kompensiert werden, zum Beispiel durch Subtrahieren eines früher bestimmten, von der elektronischen Schaltungsanordnung erzeugten Rauschmittelwerts. Die ausgelesenen Ergebnisse von mehreren Integrationszyklen (vor oder nach der Rauschkompensierung) können aufaddiert werden, bevor sie weiter ausgewertet werden.
• Nachstehend sind einige Werte oder Wertbereiche als Beispiel gegeben: Der Pufferkondensator kann einen Wert von unter 200 oder 100 oder 50 pF aufweisen. Eine Vor- bzw. Biasspannung von –2.000 Volt +/–50% davon kann an die Kathode eines Elektronenvervielfachers angelegt werden. Entlang des Kanals des Elektronenvervielfachers kann die Spannung zur Masse hin abfallen, aber mit einer bestimmten Spannungslücke (zum Beispiel zwischen 10 V und 100 V), die sowohl zur Anode als auch zur Kathode hin gehalten wird, so dass die Elektronenlawinen schließlich die Anode erreichen. Der Integrations kondensator kann weniger als 200, 100, 50 oder 20 pF aufweisen und seine Kapazität kann sich von derjenigen des Pufferkondensators unterscheiden und insbesondere niedriger als diese sein. Ein typischer fester Messzyklus 23a, 23b kann von einer Gesamtdauer von 5 bis 15 μs, vorzugsweise 8 bis 12 μs, sein. Ein variabler Messzyklus 22 kann minimal 2 bis 5 μs und maximal den minimalen Wert plus zumindest die Dauer des festen Messzyklus andauern.
• Das Sensorelement kann zur Messung elektromagnetischer Strahlung dienen. Es kann ein mehr oder weniger komplexes Sensorelement mit eingebauter Verstärkung sein, wie etwa ein Elektronenvervielfacher, im Allgemeinen vom Dynodentyp, insbesondere eine Elektronenvervielfachungsröhre, ein Kanalelektronenvervielfacher, ein Mikrokanalplatten-Elektronenvervielfacher, ein Halbleiter-Elektronenvervielfacher, eine Lawinenfotodiode oder ein Multipixel-Lawinen-Elektronenvervielfacher, jeweils mit einer Antriebsschaltung, die den Vervielfachungsfaktor bestimmt. Die Verstärkung kann durch eine Lawine sekundärer Elektronen verursacht werden, die durch frühere sekundäre Elektronen oder durch primäre Elektronen, die durch die einfallende Strahlung erzeugt werden, ausgelöst werden. Die Beschleunigung der Elektronen kann durch ein elektrisches Feld entlang ihres Wegs verursacht werden. Aber gleichermaßen können nicht-verstärkende Strahlungssensorelemente, wie etwa Fotodioden (PIN-Fotodioden) verwendet werden.
• 3a zeigt eine elektrische Ausgangskennlinie des Integrators der Ausleseschaltung. Die Abszisse kann die zu messende Menge, d. h. die Strahlungsintensität I, oder eine Menge, die für den Sensorelementausgang steht, darstellen, wohingegen die Ordinate einen Ausgang pro Messzyklus (d. h. an dessen Ende) darstellt, der mit Vorteil eine Spannung U sein kann. In einem Niedrigintensitätsbereich 31, 31' ist der Eingang zu schwach, um einen Ausgang über dem Rauschpegel N zu erzeugen. Das Rauschen kann vom Sensorelement 1 selbst oder von der Ausleseschaltung kommen. 32 und 32' ist ein monotoner und mehr oder weniger linearer Bereich, in dem der Ausgang dem Eingang folgt. 33 und 33' stellen eine Sättigung dar, bei der das Sensorelement 1 selbst und/oder die Ausleseschaltung, insbesondere deren Integrator, in eine Sättigung laufen.
• Für sehr schwache Intensitäten (nämlich maximal ein Photon pro Zyklus) könnte eine Kennlinie eines Ausgangs, der von einem Photon pro Messzyklus (Ordinate) über dem Sensorelementverstärkungsfaktor v (Abszisse) verursacht wird, gezogen werden. Sie würde qualitativ gleich wie in 3a aussehen, so dass sie kein zweites Mal gezeichnet wird. Wenn v bei Null startet und zunimmt, würde der durch das einzelne Photon (d. h. die von einem Photon verursachte Lawine) gleichermaßen zunehmen. Am Anfang (d. h. nahe dem Nullbereich 31) kann sie jedoch zu schwach sein, um aus dem Rauschpegel N (Sensorelementrauschen und Schaltungsrauschen) hinauszureichen. Bei weiterer Zunahme unterscheidet sie sich vom Rauschen und der Ausgang kann beinahe linear (Bereich 32, 32') sein. Eine weitere Erhöhung von v kann zur Sättigung führen, zum Beispiel erreicht der Integrator seine Grenzen angesichts der Ansteuerungsbedingungen (Bereich 33, 33').
• Das Auslesen kann drei verschiedene Modi aufweisen, nämlich einen ersten („Photonenzähl-”) Modus, einen zweiten („Schwellen-”) Modus und einen dritten („Integrations-”) Modus. Zur Vermeidung von Missverständnissen wird gleich hier darauf hingewiesen, dass alle Modi Schwellen und Integration verwenden können, obwohl ihre Benennung nahe legen kann, dass nur einer von ihnen dies jeweils tut.
• 3b zeigt teilweise Kennlinien 34–38 dieser Modi. Die Abszisse ist logarithmisch und zeigt die zu messende Intensität des Signals, wo hingegen die Ordinate ebenfalls logarithmisch sein kann und einen Ausgangswert zeigt. Für die Kurve 34 beträgt sie „cps” (Counts (Zählungen) pro Sekunde, die in dem gezeigten Beispiel von 0 bis ungefähr 10^5 reichen), wohingegen sie für 35 bis 38 das Integrationsergebnis von einem oder mehreren Messzyklen sein kann (ohne eine in 3b angegebene Einheit). Sie kann eine Spannung U oder eine elektrische Ladung Q oder ein elektrischer Strom I sein, der wiederum in dem jeweiligen Bereich proportional zu der empfangenen Intensität wäre. Er kann in eine der anderen erwähnten elektrischen Mengen (Q, I, U) oder in einen Zählwert oder Photonenzahlen oder eine Intensität oder einen digitalen Wert umgewandelt werden.
• Die Modi können selektiv durch Einstellen jeweiliger Sensorelement-Ansteuerungsbedingungen und Signalauswertungsbedingungen durch eine Steuerung verwendet werden. Die Modi können grundlegend verschiedenen Intensitäten hereinkommender Strahlung entsprechen. Der Integrationsmodus ist oben beschrieben worden. Die Gesamtschaltung oder zumindest deren analoger Teil kann für alle Modi die bzw. der gleiche sein und qualitativ auf dieselbe Weise angesteuert werden, wohingegen die Auswertung und Auslegung des Schaltungsausgangs (d. h. des Integratorausgangs) unter den Modi unterschiedlich sein kann.
• Der Photonzählmodus ist für die niedrigste Intensität, in der einzelne Photonen empfangen werden, die einzeln in einem Messzyklus erfasst werden können. Er entspricht der Kurve 34 in 3b. Dieses Verfahren kann verwendet werden, wenn die Intensität so niedrig ist, dass pro Messzyklus mit der oben angegebenen Schaltung maximal ein (d. h. ein oder null) Photon empfangen wird. Jeder Messzyklus, der ein Ausgangsergebnis oberhalb einer bestimmten Schwelle zeigt, wird als die Darstellung eines Photons genommen. Die Zahl von Messzyklen, die ein Ausgangsergebnis oberhalb der Schwelle zeigen, wird gezählt und steht für die Anzahl der empfangenen Photonen. Die Einstellungen (und insbesondere Verstärkung/der Verstärkungsfaktor v des Sensorelements 1) können so sein, dass ein Photon den Ausgang in einem Messzyklus über eine erste Schwelle T1 bringt, die angesichts des Rauschens und der Berücksichtigungen im Verhältnis zum Verstärkungsfaktor v bestimmt wird, der unter Bezugnahme auf die obige 3a erläutert wurde.
• Im Allgemeinen wird in diesem Modus ein Sensorsignal über eine bestimmte Zeitperiode hinweg integriert (Messzyklus 22, 23) und ein Zählwert wird modifiziert, vorzugsweise um eine feste Zahl, bevorzugt 1, inkrementiert, wenn das Integrationsergebnis in dem Messzyklus die Schwelle T1 überschreitet. Dies kann für mehrere Messzyklen wiederholt und über ein Zeitfenster von bestimmter Länge, zum Beispiel eine Sekunde, fortgesetzt werden, so dass eine Zählrate erhalten wird.
• Wie gesagt, kann bei dieser Art der Erfassung der Erfassungsschwelle T1 gemäß dem Rauschsignal der Schaltung und des Sensorelements gesetzt werden. Zum Bestimmen der Schwelle kann der Mittelwert des Rauschens und dessen Standardabweichung aus einer ausreichenden Anzahl unabhängiger Rauschsignalproben-Messzyklen bestimmt werden. Die Schwelle kann so ausgewählt werden, dass sie das n-Fache der Standardabweichung des Rauschens über dem Rauschmittelwert beträgt, wobei n zwischen 1 und 10, vorzugsweise zwischen 4 und 6 liegt und bevorzugt 5 ist. Anstelle eines Vielfachen der Standardabweichung kann ein Wert, der vom Maximum oder Durchschnitt oder einer ausreichenden Abweichung in einem Satz von Abtastwerten abhängig ist, genommen werden, zum Beispiel der Maximal- oder Durchschnitts- oder ein ausreichender Abweichungswert, zu dem ein bestimmter Wert addiert oder mit ihm multipliziert wird.
• Die Verstärkung/der Verstärkungsfaktor kann so ausgewählt werden, dass in Anbetracht der Schwelle kein Photon oder nur eine relativ kleine Anzahl Photonen (zum Beispiel 20% oder weniger, 10% oder weniger) der Erfassung entgeht. Während der Kalibrierung kann anfangs ein niedriger Verstärkungswert eingestellt werden, der erhöht werden kann, bis die Messung einer bekannten Intensität (mit maximal 1 Photon pro Zyklus) zeigt, dass alle Photonen einen Ausgang oberhalb der Schwelle verursachten (d. h. eine Erhöhung der Verstärkung führt nicht zu einer Erhöhung der Zählungen, da alle Ereignisse bereits über der Schwelle liegen).
• Wenn ein Messzyklus 10 μs beträgt, ist die maximale Zählung pro Sekunde in diesem Modus 100.000 (= 1 s/10 μs). Aber damit er eine ausreichende Präzision bei der vorstehenden Annahme (d. h. max. 1 Photon pro Zyklus) angesichts der statistischen Natur des Photoneneinfalls aufweist, kann dieser Modus nur für Zählraten angewendet werden, die niedriger als 100.000 pro Sekunde liegen, um mit ausreichender Zuversicht auszuschließen, dass zwei oder mehr Photonen pro Zyklus empfangen werden. Ein Faktor von 3 oder 5 oder 10 unter der theoretisch maximalen Zählrate kann eine realistische Obergrenze für den Photonenzählmodus sein, der 33.333 oder 20.000 oder 10.000 Zählungen pro Sekunde bei einem 10 μs-Messzyklus betragen würde, der als zweite Schwelle T2 als Obergrenze zur Verwendung des Photonenzählmodus genommen werden kann. Der Zählmodus kann dann einen Eingangsintensitätsbereich des Faktors 10^4 oder mehr abdecken. Aber gleichermaßen kann ein mit dem Ausgang von einem Messzyklus zu vergleichender Wert als zweite Schwelle T2 genommen werden. Wenn ein Photon einen bestimmten Ausgang erzeugt, kann ein Wert oberhalb des bestimmten Werts als zweite Schwelle T2 genommen werden. Wenn T2 von dem tatsächlichen Ausgang eines Messzyklus überschritten wird, kann dies ein Maß da für sein, dass zwei oder mehr Photonen empfangen worden sind, so dass der Photonenzählmodus nicht länger angemessen ist.
• Es ist anzumerken, dass der Zählmodus nur auf Sensorelemente mit einem internen Verstärkungsfaktor v, der hoch genug ist, um für ein einzelnes empfangenes Photon den Ausgang über den Rauschpegel zu bringen, anwendbar ist. Diese Sensoren können in allen drei Modi eingesetzt werden, wohingegen Sensoren mit kleiner oder keiner interner Verstärkung im Integrationsmodus verwendet werden können oder in einem gewissen Ausmaß im Schwellenmodus eingesetzt werden können. Der interne Verstärkungsfaktor v ist vorzugsweise einstellbar.
• Der Schwellenmodus kann auch für die vorstehend angegebenen niedrigsten Intensitäten, wie etwa die Erfassung einzelner Photonen pro Zyklus, eingesetzt werden, ist aber auch für höhere Intensitäten geeignet und kann auf einer Intensitätsskala dem Photonenzählmodus folgen. Er entspricht der Kurve 35 in 3b. Mehrere Photonen können in einem Messzyklus empfangen werden und das Sensorelement-Ausgangssignal, das von jedem dieser Photonen innerhalb eines Zyklus verursacht wird, wird durch die übliche Betätigung der Schaltung integriert. Der Verstärkungsfaktor des Sensorelements und die Schwelle der Elektronik können gleich dem Photonenzählmodus sein.
• Im Gegensatz zum Photonenzählmodus, bei dem der Ausgang jeder Anzeige 0 oder 1 Photon ist, wertet der Schwellenmodus den Wert (Strom, Ladung oder Spannung), der bei jedem Messzyklus ausgelesen wird, quantitativ aus. Diese Menge ist vom Rauschen beeinflusst. Zum Erhalt eines präziseren Ergebnisses kann der Rauschbeitrag zum Ausgangssignal, zum Beispiel der Rauschmittelwert, anfänglich im Schwellenmodus bestimmt und während der Messung vom In tegratorausgang abgezogen werden, bevor er weiter verwendet wird. Nur Anzeigen über einer gegebenen Schwelle können verwendet werden. Wenn die Anzeige in einem Messzyklus unter der gegebenen Schwelle liegt, kann die Anzeige als Null genommen werden. Wenn die Anzeige die gegebene Schwelle überschreitet, wird der Rauschbeitrag der Elektronik (Sensor, Schaltung) vollständig oder teilweise (30% bis 70%) von der gemessenen Anzeige abgezogen und das Ergebnis weiter verarbeitet. Dadurch wird der Rauschbeitrag in einem Bereich von noch relativ niedrigen Intensitäten eliminiert, so dass das erhaltene Ergebnis präziser ist.
• Der Ausgang am Ende des Messzyklus, der wie vorstehend angegeben für den Rauschbeitrag reduziert ist, kann durch mehrere Photonen verursacht sein und daher für diese stehen, und der erhaltene Wert kann unter Verwendung einer Umwandlungskonstante, die eine durchschnittliche elektrische Wirkung pro Photon unter den gegebenen Ansteuerungsbedingungen darstellt, in die Anzahl der empfangenen Photonen umgewandelt werden. Dies kann auf der digitalen Seite durch Berechnung oder auf der analogen Seite erfolgen. Das Ergebnis von diesem Modus kann nahtlos zu dem Ergebnis vom Photonenzählmodus (Kennlinien 34) passen.
• Im Allgemeinen wird im Schwellenmodus ein Sensorsignal über eine bestimmte Zeitperiode hinweg integriert, wie etwa einem vorstehend genannten Messzyklus, und sein Integrationsergebnis kann (unter Bezugnahme auf die Rauschdaten, wie oben angegeben) in eine Art Intensität oder Zählnummer umgewandelt werden. Für niedrige Intensitäten, insbesondere den Überlappungsbereich mit dem Zählmodus 34, müssen die Ausgänge der einzelnen Messzyklen über ein Zeitfenster (zum Beispiel 1 s), das viele Messzyklen abdeckt, hinweg addiert werden, um ein Ergebnis von Bedeutung zu erhalten. Dementsprechend wird mit dem aus dem kürzlichen Messzyklus erhalte nen Wert eine bereits existierende Intensität oder ein bereits existierender Zählwert modifiziert, bevorzugt durch Addieren des kürzlichen Werts zu dem existierenden Wert. Dies kann über ein Zeitfenster von beispielsweise einer Sekunde hinweg fortgesetzt werden, so dass eine integrierte Intensität oder eine Zählrate erhalten wird. Diese Art des Addierens von Ergebnissen aus vielen Messzyklen kann durch den gesamten für den Schwellenmodus geeigneten Intensitätsbereich durchgeführt werden. Je mehr Zyklusergebnisse addiert werden, desto geringer ist der Einfluss statistischer Schwankungen des Photoneneinfalls.
• Aber gleichermaßen können für höhere Intensitäten der Ausgang eines einzigen oder einiger weniger Messzyklen genommen und entsprechend verarbeitet, insbesondere addiert, werden. Im Integrationsmodus kann die zu addierende Anzahl der Zyklen nach Maßgabe einer definierten Methode von höheren für niedrige Intensitäten bis weiter unten bis 1 für hohe/höhere Intensitäten geändert werden. Die Umwandlung in eine andere oder finale Menge kann auch erfolgen, nachdem Zwischen- oder Rohwerte von mehreren Zyklen addiert wurden, zum Beispiel in dem oben angegebenen Zeitfenster.
• Die Elektronik (analoge Schaltung, Integrator) selbst kann einen linearen Bereich zwischen Rauschen und Sättigung von ungefähr 10^3 oder 10^4 aufweisen. Er stellt die oberen 3 oder 4 Größenordnungen in Kurve 35 in 3b dar, wohingegen in den Bereichen niedrigerer Intensität (insbesondere der Überlappung mit dem Zählmodus 34) der Ausgang in vielen Zyklen Null (kein Photon erfasst) oder knapp über dem Rauschpegel (ein oder wenige Photonen erfasst) sein kann.
• Der Schwellenmodus kann daher einen Eingangintensitätsbereich eines Faktors von ungefähr 10^8 oder mehr abdecken, wobei viel leicht 10^4 davon mit dem Zählmodus auf der Niedrigintensitätsseite des Bereichs überlappen.
• Der Integrationsmodus wird verwendet, wenn die Photonenintensität wieder höher ist. Er entspricht den Kurven 36 bis 38 in 3b. Er kann vom Photonenzählmodus und vom Schwellenmodus durch eine modifizierte (niedrigere) Verstärkungsfaktoreinstellung unterschieden werden. Ein mehr oder weniger stetiger Strom von Photonen wird empfangen. Die Integration erfolgt wie vorstehend beschrieben. Der Ausgang kann als eine Art quantitatives Maß Q gegeben sein. Er kann auch in cps umgewandelt werden, wenn dies als nützlich erachtet wird. Im Integrationsmodus können mehrere unterschiedliche Einstellungen zur Sensorelementansteuerung und Signalauswertung einstellbar sein, zum Beispiel nach Maßgabe der gemessenen Signalintensität oder des Operators oder eines anderen Eingangs, wobei die Einstellungen zu den unterschiedlichen Kurven 36 bis 38 führen, die sich durch verschiedene Verstärkungsfaktoreinstellungen oder hohe Spannungseinstellungen des Sensors oder Integrationsperioden (d. h. die Länge des Messzyklus 23 fester Länge) oder von Integrationskapazitäten unterscheiden. Für jede der Kurven 36 bis 38 kann eine bestimmte Umwandlungskonstante zum Umwandeln des erhaltenen Signals in eine gewünschte Quantität verwendet werden.
• Die drei Kennlinien 36, 37, 38 können verschiedenen Sätzen von Ansteuerungs- und Auswertungsbedingungen entsprechen. Beispielsweise kann der Sensorverstärkungsfaktor v für die Kurve 36 höher als für die Kurve 37 sein, für welche er wiederum höher als für die Kurve 38 ist. Gleichermaßen kann der Messzyklus eine abnehmende Länge aufweisen oder die Integrationskapazität kann zur Vermeidung einer Sättigung von 36 auf 38 ansteigen.
• Weiterhin kann in Abhängigkeit von Umständen jeder der Modi (Zählen, Schwelle, Integration) für sich allein in einer Sensorvorrichtung verwendet werden, oder es kann sein, dass einer der Modi nicht eingesetzt wird, während er dennoch den Eingangsintensitätsbereich mit den anderen Modi ununterbrochen abdeckt. Der Integrationsmodus kann dem Zählmodus ohne den Schwellenmodus dazwischen unmittelbar folgen, oder der Zählmodus kann ausgelassen werden und der Niedrigintensitätsbereich wird vom Schwellenmodus abgedeckt. Gleichermaßen kann der Schwellenmodus bis zu hohen Eingangssignalbereichen fortgesetzt werden, so dass der Integrationsmodus vermieden wird, eventuell mit unterschiedlichen Einstellungen, wie mit den Kurven 36 bis 38 für verschiedene Bereiche innerhalb des Integrationsmodus gezeigt ist.
• In allen angegebenen Modi können die Betätigung des analogen Schaltungsteils und/oder des Ansteuerungs- und Schaltschemas und das Auslesen der Schaltung dieselbe sein, zum Beispiel wie in 2 gezeigt. Aber die Auswertung des Auslesewerts, insbesondere auf der digitalen Seite in der Schaltung 19a, ist dann in den Modi unterschiedlich.
• Die Schwellen T2, T3, T4 und T5 können als Kriterien für ein Modusumschalten, wie gezeigt, verwendet werden. Es wird darauf hingewiesen, dass diese Schwellen auf der Abszisse der 3b gezeigt sind. Aber sie können durch Überwachen der Zählrate oder des Integrationsausgangs in einem Messzyklus implementiert und somit im Wesentlichen mit einem Zählerausgang oder mit dem Ordinatenwert der Kennlinien der 3a (beim Ausgang über die hereinkommende Intensität zu lesen) verglichen werden. Insofern zeigt 3b das Intensitätsäquivalent der verwendeten Schwellen auf der Abszisse, aber nicht notwendigerweise einen tatsächlich verwendeten Schwellwert. T3, T4 und T5 können denselben quantitativen Wert aufweisen (in der analogen Schaltung obere Schwelle in Richtung der Sättigung am Integrator oder untere Schwelle in Richtung des Rauschens in der analogen Schaltung), und ihre unterschiedliche Bedeutung stammt von den verschiedenen Sätzen von Ansteuerungs- und Auswertungsbedingungen her, in denen sie verwendet werden.
• Der Integrationsmodus/die Integrationsmodi kann/können zusammen einen Eingangsintensitätsbereich eines Faktors von ungefähr 10^6 oder mehr abdecken. Zusammen mit den anderen Modi wird somit ein Bereich von 10^12 (wegen des Überlappens) und mehr abgedeckt.
• Allgemein gesprochen, können die vorstehend erwähnte Umwandlungskonstante, der Rauschpegel, die Schwellen und die Sensorelementverstärkung des Sensorelements selbst und der Ausleseschaltung unter geeigneten oder bekannten Bedingungen, auch wiederholt oder periodisch oder durch einen Operator ausgelöst, bestimmt werden. Zum Bestimmen des Gesamtsensorrauschens kann der Sensorelementeingang schattiert bzw. abgedunkelt und das resultierende Signal ausgewertet werden. Zum Bestimmen des Schaltungsrauschens kann das Sensorelement von der Schaltung, der eine Sperrspannung zugeführt wird, getrennt oder torgesteuert werden und dann wird der Schaltungsausgang ausgewertet. Zum Bestimmen der Schaltungsverstärkung oder der Sensorelementverstärkung können eine oder mehrere Referenzintensitäten auf das Sensorelement angewendet werden, vorzugsweise durch eine eingebaute Referenzquelle, und das resultierende Signal wird ausgewertet.
• Das Umschalten zwischen den Modi kann während der Messung, insbesondere zwischen zwei Zyklen davon, erfolgen. Es kann automatisch durchgeführt werden. Das Moduseinstellen/-umschalten kann unter Bezugnahme auf bestimmte Schwellen nach Maßgabe von einer oder mehreren der Intensität der gemessenen Strahlung, der Integrationsausgang, einem Zählwert oder einer Zählrate erfolgen, so dass jeder Strahlungsintensitätsbereich einen entsprechenden Auslesemodus empfängt. Zum Modusumschalten können Hysterese-Kennlinien eingesetzt werden. Aber die Modusumschaltung kann auch nach Maßgabe eines externen Eingangs, beispielsweise von einer Art Steuerung höheren Niveaus oder von einem Operator, erfolgen.
• Das Ausleseverfahren kann auch das Steuern der Betriebsbedingungen der Ausleseschaltung (zum Beispiel Einstellen der Dauer eines Messzyklus 23 fester Länge auf einen geeigneten Wert, Festlegen der Integratorkapazität 18) und/oder der Ansteuerungsbedingungen des Sensorelements, insbesondere einer möglichen Verstärkung/eines möglichen Verstärkungsfaktor davon, erfordern. Die Ansteuerungsbedingungen können parallel zu oder nach Maßgabe des vorstehend angegebenen gewünschten Auslesemodus gesteuert werden. Das Modusumschalten kann insofern eine Änderung der Ansteuerungsbedingungen des Sensorelements beinhalten. Insbesondere kann der Verstärkungsfaktor des Sensorelements, eventuell nach Maßgabe des Modusumschaltens, umgeschaltet werden. Je höher die Intensität ist, desto niedriger kann der Verstärkungsfaktor eingestellt werden.
• Das Verstärkungsfaktorumschalten eines Kanal-Elektronenvervielfachers oder einer Elektronenvervielfachungsröhre oder einer Lawinen-Fotodiode kann durch Ändern der Kathodenspannung gegenüber der Anode oder Ändern der Spannung zwischen einem stromabwärtigen Bereich, insbesondere des stromabwärtigen Endes des Kanals (bzw. Dynodenstufen) und der Anode oder beiden erfolgen. Dies ist ein Aspekt der Erfindung (als Verstärkungsfaktorumschaltverfahren und als Sensorelement anzusehen), das auch unabhängig von den anderen bisherig und/oder nachstehend beschriebenen Merkmalen eingesetzt werden kann. Das Sensorelement umfasst eine Elektronen emittierende Kathode, einen Kanal, entlang welchem eine Spannung zur Erzeugung sekundärer Elektronen abfällt, und eine Annode zum Sammeln von Elektronen. Es sind spannungsanlegende Einrichtungen vorgesehen und an die Änderung der Spannung zwischen einem stromabwärtigen Bereich, insbesondere dem stromabwärtigen Ende, des Kanals und der Anode um einen Betrag angepasst, der sich von dem Betrag, um den die Spannung zwischen der Kathode und der Anode geändert wird, unterscheidet. Beispielsweise kann eine variable und einstellbare Spannungsquelle zwischen der Anode und dem stromabwärtigen Bereich verbunden sein, während die Spannung zwischen Anode und Kathode konstant gehalten wird oder unabhängig (unterschiedlich) einstellbar ist. Dadurch kann der Spannungsabfall entlang des Kanals eingestellt werden, indem das Potenzial des stromabwärtigen Bereichs/Endes im Verhältnis zur Kathode geändert wird, ohne eine Änderung des Kathodenpotenzials selbst zu erfordern.
• Das Modusumschalten der Gesamtschaltung kann auch das Ändern der Schaltungsparameter und/oder das Ändern von Schaltungsansteuerungsparametern beinhalten, insbesondere das Ändern der Rückkopplungskapazität des Integrators durch selektives Verbinden/Trennen paralleler Rückkopplungskapazitäten. Gleichermaßen kann die Integrationsperiode (Messzyklus) geändert, zum Beispiel verkürzt oder verlängert, werden, um das Ausgangssignal in einem vernünftigen und linearen Bereich zu halten.
• Das Modusumschalten kann auch eine Änderung des Auswertungsalgorithmus beinhalten, die auf der digitalen Seite erfolgen kann.
• Allgemein gesprochen, kann das Überlappen von Modi im Intensitätsbereich (Abszisse in 3b) zur Kalibrierung der Bereiche gegeneinander durch Vergleichen der von den überlappenden Modi erhal tenen Ergebnisse in einem Überlappungsbereich und Vornehmen von Einstellungen, um die Ergebnisse in Übereinstimmung zu bringen, verwendet werden. Die Auswertung eines bestimmten Messergebnisses während eines Messzyklus kann nach Maßgabe irgendeines der anwendbaren Modi erfolgen, insbesondere in der digitalen Komponente 19a. Daher kann das Ergebnis von den verschiedenen Auswertungen verglichen werden und Einstellungen auf der Auswertungsseite (proportionale Faktoren) und/oder der Ansteuerungsseite (Sensor Verstärkungsfaktor, Integrationsparameter) können geändert werden, um sie auszugleichen.
• Sehr niedrige Strahlungsintensitäten können für Kalibrierungszwecke mit guter Präzision eingestellt werden. Damit kann der Zählmodus (Kennlinien 34) präzise kalibriert werden. Von dort kann der Schwellenmodus (Kennlinien 35) unter Verwendung einer Intensität irgendwo in der Überlappung zwischen Zähl- und Schwellenmodus kalibriert werden, indem seine Ergebnisse mit kalibrierten Zählmodusergebnissen verglichen und Schwellenmoduseinstellungen so eingestellt werden, dass die Ergebnisse der beiden Modi übereinstimmen. Von dort kann der Integrationsmodus (Kennlinien 36) unter Verwendung einer Intensität irgendwo in der Überlappung zwischen Schwellen- und Integrationsmodus kalibriert werden, indem seine Ergebnisse mit kalibrierten Schwellenmodusergebnissen verglichen und Integrationsmoduseinstellungen so eingestellt werden, dass die Ergebnisse der beiden Modi übereinstimmen. Von dort kann der nächste Integrationsmodus (Kennlinien 37) unter Verwendung einer Intensität irgendwo in der Überlappung zwischen zwei Integrationsmodi mit unterschiedlichen Einstellungen kalibriert werden, indem seine Ergebnisse mit den bereits kalibrierten Integrationsmodusergebnissen verglichen und die anderen Integrationsmoduseinstellungen so eingestellt werden, dass die Ergebnisse von den beiden Modi übereinstimmen.
• Das Vorstehende beschreibt sehr niedrige Intensitäten als Startpunkt für die Kalibrierungskaskade. Aber jeglicher Startpunkt ist geeignet, an dem eine gut bekannte Strahlungsintensität eingestellt werden kann, und die Kaskade kann sowohl in Richtung höherer als auch in Richtung niedrigerer Intensitäten gehen.
• Beispielsweise kann das Niedrigintensitätsende der Kurve 35 und der Kurve 34 unterhalb einer Zählrate von 1e + 4 in 3b eingesetzt werden, um den Auslesewert der Schwellemethode mit der im Photonenzählmodus erhaltenen Zählrate zu kalibrieren. Der Photonenzählmodus und der Schwellenmodus können für jede Anzeige gleichzeitig und parallel ausgewertet werden. Für niedrige Intensitäten unterhalb 1000 cps kann der Photonzählmodus präziser sein, da die absolute Anzahl von Photonen gegeben ist.
• Insofern allgemein gesprochen, lehrt die Erfindung auch ein Verfahren zur Kalibrierung einer Ausleseschaltung, welche imstande ist, ein Sensorelement in mehreren Auslesemodi (wie etwa Photonenauslesemodus, Schwellenmodus, Integrationsmodus, wie vorstehend angegeben) auszulesen, wobei das Verfahren einen ersten Kalibrierungsschritt zum Kalibrieren der Schaltung in einem ersten Modus (zum Beispiel Zählen) und einen zweiten Kalibrierungsschritt zum Kalibrieren eines zweiten Modus der Schaltung (zum Beispiel Schwelle, Integration) unter Bezugnahme auf Ergebnisse im kalibrierten ersten Modus (zum Beispiel Zählen, Schwelle) umfasst.
• Der allererste Kalibrierungsschritt kann absolut sein, d. h. die Vornahme einer Kalibrierung unter Bezugnahme auf eine bekannte Eingangsmenge und Anpassung von Einstellungen, so dass der Ausgang in dem allerersten Modus zur bekannten Eingangsmenge passt. Die anschließenden Moduskalibrierungen können relativ sein, indem Einstellungen so vorgenommen werden, dass der Ausgang des zu kalibrierenden Modus zum Ausgang des bereits kalibrierten Modus passt.
• Die einzelnen Schritte von jedem der Auslesemodi stromabwärts des Integrators können auf der digitalen Seite nach einer A/D-Wandlung des Integratorausgangswerts am Ende eines Messzyklus erfolgen. Zwei oder mehrere der vorstehend angegebenen Auslesemodi können parallel auf der digitalen Seite erfolgen, um aus den parallel ablaufenden Modi parallele Ergebnisse zu erhalten, und nach Maßgabe vorgegebener Kriterien kann eines der erhaltenen Ergebnisse als Ausgang ausgewählt werden. Das Modusumschalten beinhaltet dann eine Auswahl aus mehreren möglichen Ausgängen.
• Der Begriff „Modus” wird insoweit nicht nur zur Unterscheidung qualitativ unterschiedlicher Vorgehensweisen (wie der obige Zähl-, Schwellen-, Integrationsmodus, Kennlinien 34, 35, 36), sondern auch zur Unterscheidung quantitativ unterschiedlicher Vorgehensweisen (wie etwa der vorstehende unterschiedliche Integrationsmodus 36, 37, 38) verwendet.
• Die Schaltung kann Selbstkalibrierungseinrichtungen aufweisen, darunter eine Strahlungsquelle und eine Steuereinrichtung zum Anpassen geeigneter Einstellungen während der Kalibrierung, zur Vornahme geeigneter Auswertungen und Bestimmung von Einstellungen für einen gewöhnlichen Messvorgang. Diese Einstellungen können einen oder mehrere Verstärkungsfaktoren des Sensors, Schwellen zum Modusumschalten, Schwellen für den Photonenzählmodus oder Schwellenmodus, Kriterien zur Änderung der Rückkopplungskapazität sein. Die Kalibrierung kann von Zeit zu Zeit automatisch oder extern ausgelöst erfolgen. Die neu erworbenen Einstellungen können ältere ersetzen.
• Verschiedene der vorstehend beschriebenen Verfahrensaspekte können auch mit einer konventionellen Ausleseschaltung verwendet werden. Für sie kann insbesondere eine Ausleseschaltung ohne einen Pufferkondensator 15 und/oder einen Pufferschalter 16 eingesetzt werden. Eine solche konventionelle Schaltung kann ansonsten wie in den 1 und 4b gezeigt und wie oben beschrieben gebaut sein. Die Verfahrensaspekte, die zusammen mit einer solchen konventionellen Schaltung verwendet werden können, sind die vorstehend beschriebenen Ausleseverfahren (Photonenzählmodus, Schwellenmodus, Integrationsmodus), die Art des Umschaltens zwischen den Modi und die Art des Kalibrierens der Modi gegeneinander. Die konventionellen Schaltungen zeigen, wie vorstehend erläutert, eine reduzierte Erfassungsgenauigkeit. Aber soweit diese ausreichend ist, zeigen die erwähnten Verfahrensaspekte immer noch ihre Vorteile, eine Erfassung mit einer einzigen Schaltung über einen breiten Bereich hinweg und gut angepasst an jeweilige Eingangsmengen zu gestatten und eine präzise Kalibrierung zu erlauben.
• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
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• - US 6166365 [0007, 0019]

Claims (29)

1. Sensorausleseschaltung (2) mit einem Eingangsanschluss (11) für ein Sensorelement (1), das ein elektrisches Sensorsignal erzeugt, einem Integrator (12) zum Integrieren des Sensorsignals, einer Rückstelleinrichtung (13) zum Rückstellen des Integrators, und einer Steuerschaltung (14) zum wiederholten Betätigen der Rückstelleinrichtung nach einer Integrationsperiode, dadurch gekennzeichnet, dass sie Folgendes umfasst: einen Pufferkondensator (15), der mit dem Eingangsanschluss verbunden ist, und dass sie einen Pufferschalter (16) umfasst, der durch die Steuerschaltung betätigbar ist, um den Eingangsanschluss mit dem Integratoreingang innerhalb der Integrationsperiode zu verbinden und ihn während der Integratorrückstellung von ihm zu trennen.
2. Sensorausleseschaltung (2), insbesondere nach Anspruch 1, mit einem Eingangsanschluss (11) für ein Sensorelement (1), das ein elektrisches Sensorsignal erzeugt, einem Integrator (12) zum Integrieren des Sensorsignals, einer Rückstelleinrichtung (13) zum Zurückstellen des Integrators, und einer Steuerschaltung (14) zum wiederholten Betätigen der Rückstelleinrichtung nach einer Integrationsperiode, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerschaltung zur Betätigung der Rückstelleinrichtung dazu ausgelegt ist, Integrationsperioden von höchstens 30 μs herzustellen.
3. Schaltung nach Anspruch 1, bei der der Integrator einen Operationsverstärker (17) und einen Rückkopplungskondensator (18) von vorzugsweise kleinerer Kapazität als die des Pufferkondensators umfasst und der Eingangsanschluss mit der Rückkopplungsschleife des Integrators verbunden ist.
4. Schaltung nach Anspruch 3, bei der die Rückstellungseinrichtung einen Rückstellschalter umfasst, der mit dem Rückkopplungskondensator parallel geschaltet ist.
5. Schaltung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Integrationsperiode höchstens 20 μs beträgt und vorzugsweise höher als 100 ns ist.
6. Schaltung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, mit einem A/D-Wandler (10) zum Umwandeln des Integratorausgangssignals oder eines davon abgeleiteten Signals in einen digitalen Wert, wobei die Steuerschaltung eine Auswertungsschaltung (19) zum Empfangen und Auswerten des A/D-Wandlerausgangssignals umfasst.
7. Schaltung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, ausgelegt für die Verbindung mit einem Sensor für elektromagnetische Strahlung, vorzugsweise mit einer inneren Verstärkung, vorzugsweise einer Elektronenvervielfachungsröhre (1), einem Kanalelektronenvervielfacher, einem Mikrokanalplatten-Elektronenvervielfacher, einer Lawinen-Fotodiode, einer Multipixel-Lawinen-Fotodiode, einem Halbleiter-Elektronenvervielfacher und/oder -Fotodiode, einer PIN-Diode.
8. Schaltung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Auswertungsschaltung (19) eine Abtastschaltung zum Abtasten des Integratorausgangs am Ende der Integrationsperiode vor der Rückstellung umfasst.
9. Sensor mit einem Sensorelement (1) und einer Ausleseschaltung (2) gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche.
10. Sensor nach Anspruch 9, mit einer Sensoransteuerschaltung (2), vorzugsweise von der Steuerschaltung der Ausleseschaltung gesteuert.
11. Sensor nach Anspruch 9 oder 10, wobei das Sensorelement eine Elektronenvervielfachungsröhre, ein Kanalelektronenvervielfacher, ein Mikrokanalplatten-Elektronenvervielfacher, eine Lawinen-Fotodiode, eine Multipixel-Lawinen-Fotodiode, ein Halbleiter-Elektronenvervielfacher und/oder -Fotodiode, eine PIN-Diode ist.
12. Verfahren zum Auslesen eines Sensorelements durch eine Ausleseschaltung, welches ein elektrisches Signal nach Maßgabe eines zu erfassenden Phänomens erzeugt, mit den Schritten des abwechselnden Betätigens der Ausleseschaltung in einer Erfassungsperiode und in einer Organisationsperiode, dadurch gekennzeichnet, dass in der Organisationsperiode das Sensorelement und ein Signalpuffer von der Ausleseschaltung getrennt und in einer nachfolgenden Erfassungsperiode wieder mit der Ausleseschaltung verbunden werden.
13. Verfahren nach Anspruch 12, mit dem Schritt des Integrierens der Signale von dem Sensorelement und von dem Signalpuffer in der Erfassungsperiode und Auswerten des Integrationsergebnisses und Rückstellen des Integrators in der Organisationsperiode.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, wobei die Ausleseperiode, die die Erfassungsperiode und die Organisationsperiode umfasst, weniger als 30 oder 20 μs beträgt.
15. Verfahren zum Betätigen eines Sensors mit den Schritten des Ermittelns mehrerer Sensormesszykluswerte in einer begrenzbaren Anzahl von Messzyklen, und Addieren der mehreren Zykluswerte zum Ermitteln eines Endwerts.
16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei die Zykluswerte durch das Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 12 bis 14 ermittelt werden.
17. Verfahren zum Betätigen eines Sensors, der in zwei, drei oder mehreren unterschiedlichen Modi betätigbar ist, wobei die Modi jeweils durch einen Satz von Sensoransteuereinstellungen und/oder von Sensorausleseeinstellungen definiert sind und das Verfahren folgende Schritte umfasst: Auswerten des Sensorausgangssignals, und Umschalten zwischen den Sensoransteuereinstellungen und/ oder den Sensorausleseeinstellungen, die für die verschiedenen Modi zu verwenden sind, nach Maßgabe eines Kriteriums, wobei das Kriterium vorzugsweise das Ergebnis einer Auswertung des Sensorausgangssignals ist.
18. Verfahren nach Anspruch 17, wobei einer der Betätigungsmodi das Ausleseverfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 12 bis 14 ist.
19. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, wobei einer der Betätigungsmodi das Integrieren eines Sensorsignals über eine bestimmte Zeitdauer hinweg und das Modifizieren eines Zählwerts ist, wenn das Integrationsergebnis in der Zeitdauer eine Schwelle überschreitet.
20. Verfahren nach Anspruch 17, 18 oder 19, wobei einer der Betätigungsmodi das Integrieren des Sensorsignals über einen Messzyklus hinweg und Auswerten des Ausgangs nur, wenn die Anzeige eine bestimmte Schwelle überschreitet, ist.
21. Verfahren nach Anspruch 20, wobei, wenn die Anzeige die gegebene Schwelle überschreitet, der Mittelwert des Rauschpegels von der gemessenen Anzeige subtrahiert wird.
22. Verfahren nach Anspruch 21, wobei die Schwelle bestimmt wird durch Messen des Mittelwerts des Rauschens und eines Abweichungswerts, vorzugsweise der Standardabweichung des Rauschens der Elektronik, und Bestimmen der Schwelle als ein Wert, der dem Mittelwert des Rauschens, addiert zur n-fachen Standardabweichung des Rauschens der Elektronik, ermittelt aus einer ausreichend hohen Anzahl von Messzyklen, entspricht, wobei n ein Wert zwischen 1 und 10 sein kann.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 22, wobei der Verstärkungswert des Sensors, vorzugsweise eines Elektronenvervielfachers, so eingestellt ist, dass angesichts der Schwelle kein Photon oder weniger als 20% der Photonen der Erfassung verloren geht/gehen.
24. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, wobei jeder Auslesewert vom Mittelwert des Rauschpegels der Elektronik für die gegebene Auslesezeit subtrahiert wird.
25. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 24, wobei einer der Betätigungsmodi das Integrieren eines Sensorsignals über eine bestimmte Zeitdauer hinweg, Umwandeln des Integrationsergebnisses in eine Zählzahl und Modifizieren eines Zählwerts nach Maßgabe der erhaltenen Zählzahl ist.
26. Verfahren zum Kalibrieren einer Ausleseschaltung, die ein Sensorelement in mehreren unterschiedlichen Auslesemodi Auslesen kann, mit einem ersten Kalibrierungsschritt des Kalibrierens der Anzeige der Ausleseschaltung in einem ersten Auslesemodus der Ausleseschaltung, und einem zweiten Kalibrierungsschritt des Kalibrierens der Anzeige der Ausleseschaltung in einem zweiten Auslesemodus der Ausleseschaltung unter Bezugnahme auf Ergebnisse in dem kalibrierten ersten Auslesemodus.
27. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 17 bis 26, wobei eine Ausleseschaltung verwendet wird, wie sie in einem der Ansprüche 1 bis 8 beschrieben ist, wobei die Ausleseschal tung den Pufferkondensator (15) aber nicht aufweist und vorzugsweise keinen Pufferschalter (16) hat.
28. Verfahren zum Verstärkungsfaktorumschalten eines Sensorelements mit einer Elektronen emittierenden Kathode, einem Kanal, entlang welchem eine Spannung zum Erzeugen sekundärer Elektronen abfällt, und einer Anode zum Sammeln von Elektronen, dadurch gekennzeichnet, dass es den Schritt des Änderns der Spannung zwischen einem stromabwärtigen Bereich des Kanals und der Anode um einen Betrag, der sich von dem Betrag unterscheidet, um den die Spannung zwischen der Kathode und der Anode geändert wird, umfasst.
29. Sensorelement mit einer Elektronen emittierenden Kathode, einem Kanal, längs dessen eine Spannung abfällt, um sekundäre Elektronen zu erzeugen, und einer Anode zum Sammeln von Elektronen, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Spannung anlegende Einrichtung umfasst, die dazu ausgelegt ist, um die Spannung zwischen einem stromabwärtigen Bereich des Kanals und der Anode um einen Betrag zu ändern, der sich von dem Betrag unterscheidet, um den die Spannung zwischen der Kathode und der Anode geändert wird.