DE2726840A1

DE2726840A1 - Verfahren zum messen der zerfallsrate eines beta-strahlen emittierenden radionuklids in einer fluessigen probe

Info

Publication number: DE2726840A1
Application number: DE19772726840
Authority: DE
Inventors: Donald L Horrocks
Original assignee: Beckman Instruments Inc
Current assignee: Beckman Coulter Inc
Priority date: 1976-06-14
Filing date: 1977-06-14
Publication date: 1977-12-15
Also published as: FR2355303A1; FR2355303B1; SE7706836L; BE855614A; SE414974B; GB1561405A; US4060728A; NL7706382A

Description

Patsntanwälte Did.-Ing. Curt Wallach DIpI.-Ing. Günther Koch Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach Dipl.-Ing. Rainer Feldkamp

0-8000 München 2 ■ Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 24 02 75 · Telex 5 29 5Ϊ3 wakai d

Datum: 1 4. JUHI 1977

/"· U Unser Zeichen: 15 907

Bezeichnung: Verfahren zum Messen der Zerfallsrate

eines Beta-Strahlen emittierenden Radionuklide in einer flüssigen Probe

Angelder: Beckman Instruments, INC.

2500 Harbor Boulevard, Pullerton,
Kalifornien / V.St.A.

Vertreter gen. § 16

PatG. Wallach, C, Dipl.-Ing.; Koch, G., Dipl,-

Ing.; Haibach, T., Dipl.-Phys.,Dr.rer.nat.;

Feldkamp, R., Dipl.-Ing.; Pat.-Anwälte,

8000 München

Erfinder: Donald L. Horrocks

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Die Erfindung betrifft allgemein Zählverfahren mit Flüssig-Szintillationszählern und insbesondere Verfahren zu« Messen der Zerfallsrate eines Beta-Strahlen emittierenden Radionuklide in einer flüssigen Probe.

Szintillationsverfahren mit flüssigen Szintillatoren wurden häufig dazu herangezogen, die Zählrate oder die Aktivität von Proben mit Radionukliden zu messen. Die radioaktive Probe, üblicherweise ein Beta-Strahler, wird durch Lösen oder Suspendieren der Probe in einem flüssigen Szintillatiormedium mit dieses in direkten Kontakt gebracht. Das flüssige Szintillatormedium umfaßt ein Lösungsmittel oder mehrere Lösungsmittel, normalerweise Toluol oder Dioxan, und einen gelösten Stoff oder gelöste Stoffe, die in einigen Gewichtsprozent in der Lösung enthalten sind. Eine flüssige Szintillatiorlösung, die aus dem Lösungsmittel bzw. den Lösungsmitteln, dem gelösten Stoff bzw. den gelösten Stoffen und der radioaktiven Probe bestehen, wird zur Messung der radioaktiven Emissionen innerhalb des flüssigen Szintillator in einen Probenbehälter bzw. ein Proben-Glasfläschchen gebracht. Der Theorie nach wird die meiste kinetische Energie, die durch die Kernzerfälle der radioaktiven Probe erzeugt wird, vom Lösungsmittel absorbiert und dann dem gelösten Stoff übertragen, der Photonen als sichtbare Lichtblitze oder Szintillationen abgibt. Die Menge des abgegebenen Lichts ist proportional der Menge der absorbierten Energie von den Zerfällen. Die Szintillationen werden mit einer Photovervielfacherröhre oder einer anderen lichtempfindlichen Einrichtung festgestellt, die die Energie jeder Szintillation in einen Spannungsimpuls mit einer Impulshöhe umsetzt, die proportional der Energie der festgestellten Szintillationen ist.

Um das Impulshöhenspektrum der Testprobe zu erhalten werden die elektrischen Ausgangssignale des Photovervielfachers verstärkt und in mehreren parallelen Zählkanälen gezählt. Jeder Kanal umfaßt üblicherweise einen Impulshöhenanalysator mit Diekriminato-

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ren, die einen Kanalzählausschnitt bzw. ein Kanalzähl-"Feneterⁿ mit einer oberen und einer unteren Impulshöhenbegrenzung festlegen. Jeder Zählkanal zählt daher die Gesamtzahl der erzeugten Impulse, deren Impulshöhen innerhalb der Fensterbegrenzungen des Kanals liegen. Durch die Einrichtung mehrerer Zählkanäle mit Fenstereinstellungen, die einen Impulshöhenbereich überdecken und durch das Auszählen der in den jeweiligen Kanal fallenden Impulse ergibt sich ein Impulshöhenspektrum für die vorliegende radioaktive Probe. Da die Ausgangsimpulshöhen des Photovervielfachers proportional der Energie der entsprechenden Szintillationen sind, entspricht das mit dem Spektrumanalysator erhaltene Impulehöhenspektrum dem EnergieSpektrum der Kernstrahlung, die von der Testprobe abgestrahlt wird.

Bekanntermaßen können die radioaktiven Proben oder die radioaktiven Materialien in einem Szintillationsmedium von dem Vorgang nachteilig beeinflußt werden, bei dem die Szintillationen erzeugt werden. Beispielsweise kann die Emission von Photonen verhindert, oder es können bereits emittierte Photonen absorbiert werden. Darüberhinaus können einige Ereignisse oder Zerfälle auf einen Wert verringert werden, der unterhalb dee unteren Grenznachweispegels des Photovervielfachers liegt. Solche Effekte werden üblicherweise als "Quench"-Effekte oder als "Quenchen" bezeichnet und sie führen immer zu einer Verringerung der Anzahl von Photonen, die mit dem Photovervielfacher festgestellt werden. Wenn der Quencheffekt eine Verringerung des Pegels einiger Ereignisse oder Zerfälle bis unter den Nachweispegel des Photovervielfachers zur Folge hat, ist die gemessene Zählrate geringer als die Zählrate, die von derselben Menge an Radionukliden in einer Probe ohne Quencheffekt bzw. in einer sogenannten ungequenchten Probe erzeugt werden. Dies wird normalerweise als Verringerung der "Zählausbeute" bezeichnet.

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Der Quencheffekt wirkt in gleicher Weise auf alle Ereignisse und Vorgänge, die von derselben Art von Erregerteilchen, beispielsweise von Elektronen (Beta-Strahlung), Alpha-Teilchen, Protonen usw. erzeugt bzw. ausgelöst werden. Wenn der Quencheffekt also so groß ist, daß er das Ansprechverhalten bei der Messung bzw. die gemessene Reaktion für einen Zerfallsvorgang bzw. für ein Zerfallsereignis um einen vorgegebenen Prozentsatz verringert, verringert er auch alle gegebenen Ansprechverhalten bei der Messung bzw. alle gemessenen Reaktionen um denselben Prozentsatz. Infolgedessen verschiebt sich die Energie oder das Impulshöhenspektrum zu kleineren Impulshöhenwerten hin, und dies wird üblicherweise als "Impulshöhenverschiebung" bezeichnet.

Es wurde insbesondere darauf Wert gelegt, Verfahren zu entwickeln, um den Quenchpegel festzustellen und um das gemessene Impulshohenansprechverhalten zu korrigieren, damit der Quencheffekt ausgeglichen werden kann, üblicherweise werden Eichkurven aufgestellt, bei denen die Zählausbeute über dem Quenchgrad aufgetragen ist. Die Zählausbeute wird definiert als die beobachteten bzw. ermittelten Probenzählungen, geteilt durch die tatsächlichen Zerfälle in der Probe. Nachdem eine unbekannte Probe gezählt und ihr Quenchgrad ermittelt worden ist, werden die Zerfälle in der Probe aus den zuvor erhaltenen Eichkurven berechnet.

Um eine Standardeichkurve, bei der die Zählausbeute über dem Quenchgrad aufgetragen ist, zu erhalten, muß eine Gruppe von Eichstandardkurven bzw. Eichstandards ausgezählt werden. Dieses Verfahren wird bei den momentan verwendeten Flüssigkristallzählern hoher Güte herangezogen, die so ausgebildet und ausgelegt sind, daß sie viele Proben auszählen können. Wenn eine große Anzahl von Proben ausgezählt werden soll, kann der Zeitraum zum Voreinstellen des Instrumentes und zum Durchführen der Eichverfahren bzw. zum Heranziehen der Eichstandardquellen relativ klein sein. Venn der Benutzer jedoch nur an der Auszählung von einer

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ff

oder von wenigen Proben interessiert ist, kann der zum Eineteilen und Eichen des Systems erforderliche Zeitraum unzulässig groS werden.

In Nature, London 202 78 (1964), in Progr. Nucl. Energy, Ser. 9, 2»21-110 (1966) und in Organic Scintillations and Liquid Scintillation Counting;, S. 687» Academic Press, New York, 1971 ist ein "Doppel-Extrapolations"-Verfahren zur Bestimmung der Zerfallerate eines Radionuklide in einer Probe beschrieben, ohne daß dabei eine Standardlösung des Radionuklide benötigt wird, um das Zählsystem zu eichen. Bei dem beschriebenen Verfahren wird eine Probe mit einem Beta-Strahlen bzw. Elektronen emittierenden Radionuklid nacheinander durch Hinzufügen von Quench-Mitteln zur Probenlösung, oder durch Verwendung von optischen Filtern zwischen der Probe und der einzigen im Zähler enthaltenen Photovervielfacherröhre "gequencht" bzw. einem Quencheffekt unterworfen. In beiden Fällen wird die Probe und die Version der Probe mit Quencheffekt mit einer Gamma-Strahlenquelle bestrahlt, um Impulsspektren der Compton-gestreuten Elektronen für die Proben in Anwesenheit der Quelle zu erzeugen. Danach wird der Impulshöhenwert bei einem halben Wert oder bei der Hälfte des Maximums bzw. des Peaks jedes Spektrums (d.h. die sogenannte "Halbwertshöhe") gemessen und die entsprechende Impulshöhe aufgezeichnet bzw. gemerkt. Nach Erzeugen jedes Impulsspektrums werden die Zählraten für die von der Probe hervorgerufenen Impulse ermittelt. Dies wird durch Auszählen der Probe bei verschiedenen Schwellwerten für die Impulehöhe und durch Extrapolieren auf einen Null-Schwellwert durchgeführt, um die Probenzählrate bei jedem Quenchwert zu erhalten. Danach wird der Logarithmus der extrapolierten Zählraten als Funktion der relativen Impulshöhe für die gemessenen Halbwertehöhen graphisch aufgetragen. Eine zweite Extrapolation wird dann durchgeführt, um die Größe der Zählrate und damit die Zerfalle rate beim Vert Null der relativen Impulshöhe xu ermitteln.

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In der zuvor beschriebenen Weise läßt sich die Zerfallsrate eines Radionuklide bestimmen. Dieses Verfahren weist jedoch zahlreiche Nachteile auf. Zunächst sind zwei recht zeitaufwendige Extrapolationen erforderlich, nämlich eine, um die Probenzählrate bei jedem Quenchwert, und eine andere, um die tatsächliche Zerfallsrate zu ermitteln. Darüberhinaus ist das Meβsen der sogenannten Halbwertshöhe des Compton-Spektrums ungenau und unzuverlässig. Um nämlich die Halbwertshöhe zu messen, ist es zunächst erforderlich, den Scheitelwert bzw. die Spitze oder den Peak des Compton-Spektrums zu messen. Je größer der Quencheffekt ist, umso ungenauer und Undefinierter ist der Scheitelwert bzw. der Peak und umso schwieriger ist eine genaue, zuverlässige Messung. Daher ist es erforderlich, eine ganze Reihe von nebeneinander liegenden, schmalen Zählfenstern vorzusehen, um den Scheitelwert bzw. den Peak zu suchen, und die Zählung muß während eines langen Zeitraums in jedem Fenster durchgeführt werden, um statistisch zuverlässige Daten für das Auftragen der den Peak festlegenden Punkte zu erhalten. Da die Halbwertshöhe nichts anderes als die Impulshöhe ist, die der Hälfte der Peakhöhe entspricht, so ist die Halbwertshöhe nicht genauer als der Peak selbst zu ermitteln.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Hessen der Zerfallsrate eines Beta-Strahlung bzw. Elektronen emittierenden Radionuklide in einer flüssigen Probe anzugeben, welches die Nachteile der herkömmlichen Verfahren nicht aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den in Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

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ErfindungsgemäS wird die Probe bei wenigstens zwei unterschiedlichen Quenchwerten ausgezählt. Bei jedem Quenchwert wird eine Null-Schwellwert-Impulszählrate während eines einzigen Auszählvorgangs durch Auszählen in einem Fenster mit einer Null-Impulshöhen-Schwellwertnachweisbegrenzung erhalten. Die Probe wird bei jedem Quenchwert auch einer radioaktiven Standardquelle ausgesetzt, um ein Impulshöhenspektrum zu erhalten, und ein einem besonderen Punkt im oder auf dem Spektrum entsprechender Impulshöhenwert PH wird ermittelt. Für die jeweiligen, gemessenen Impulshöhen PH bei jedem Quenchwert werden normalisierte Werte R abgeleitet, die mit den entsprechenden Impulszählraten CPM korreliert werden bzw. zu den entsprechenden Impulszählraten CPM in Beziehung gesetzt werden, um die Größe der Impulszählrate CPMq für einen normalisierten Impulshöhenwert R - Null (Rq) und damit die Zerfallsrate des Radionuklids zu bestimmen.

Die Erfindung gibt also ein Verfahren zum Messen der Zerfallsrate eines Beta-Strahlung emittierenden Radionuklids in einer flüssigen Probe an, bei dem wenigstens zwei unterschiedliche Versionen der Probe mit Quencheffekt bzw. wenigstens zwei unterschiedliche "gequenchte" Versionen der Probe ausgezählt werden. Bei jedem Auszählvorgang wird die Probe bei Vorhandensein und bei Nichtvorhandensein einer radioaktiven Standardquelle ausgezählt. Eine Impulshöhe (PH), die einen besonderen Punkt in dem bei Vorliegen der Standardquelle erzeugten Impulshöhenspektrum entspricht, wird ermittelt. Durch einmaliges Auszählen der Probe in einem Zählfeneter mit einer unteren Begrenzung mit dem Schwellwert Null wird eine Proben zählrate (CPM) für den Schwellwert Null bzw. eine NuIl-Schwellwert-Probenzählrate (CPM) ermittelt. Es werden normalisierte Werte der gemessenen Impulshöhen (PH) hergeleitet und zu den entsprechenden Impulszählraten (CPM) in Beziehung gesetzt, um die Impulszählrate für einen normalisierten Impulshöhenwert Null und damit die ProBenzerfallsrate zu bestimmen.

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Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen beispieleweise näher erläutert.

Figur 1 zeigt eine graphische Darstellung der Impulshöhen-Verteilungsspektren einer ein Radionuklid enthaltenden Probe bei drei unterschiedlichen Quenchwerten. Dabei sind die Zählungen pro Einheitszeitintervall und pro Impulshöhe (CPM) über der Impulshöhe (PH) aufgetragen. Das mit einer ausgezogenen Linie dargestellte Spektrum gibt die Verteilung der Compton-gestreuten Elektronen wieder, die vorliegt, wenn die Probe mit einer Standard-Gamma-Strahlungsquelle bestrahlt wird. Die gestrichelten Spektren geben die Impulshöhenverteilung bei Nichtvorhandensein der Standardquelle für die entsprechenden Quenchwerte wieder.

Figur 2 zeigt ein Blockdiagramm des Szintillationszähler mit flüssigem Szintillator zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und

Figur 3 gibt eine graphische Darstellung wieder, bei der der Logarithmus von CPM über den normalisierten Werten (R) der Impulshöhenwerte PH aufgetragen ist.

Figur 1 zeigt den Quencheffekt beim Impulshöhenspektrum für eine bestimmte Probe in einem flüssigen Szintillationsmedium. Die ausgezogenen Kurven, die jeweils für einen von drei Quenchwerten der Probe erhalten werden, geben ein ImpulshöhenSpektrum der Compton-gestreuten Elektronen wieder, welches durch Bestrahlen der Probe mit einer Standardquelle, beispielsweise einer Cäsium-137-Quelle vorliegt. Ersichtlich verschiebt sich das Compton-Spektrum zu kleineren Impulshöhenwerten (in Figur 1 nach links), wenn der Quenchgrad in der Probe größer wird. Das Maß, in dem eich das Compton-Spektrum verschiebt, gibt einen Hinweis auf den Quenchgrad in der Probe.

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Die gestrichelten Kurven in Figur 1 zeigen Impulshöhenspektren derselben Probe mit denselben Quenchwerten, wenn die Cäsium-137-Quelle in eine entfernte Lage von der Probe zurückgebracht wird, so daß diese Quelle nicht auf die Probe einwirken kann. Die gestrichelten Kurven geben also das Impulshöhenspektfum nur der Quelle wieder. Mit ansteigendem Quenchgrad wird das Probenimpulshöhenspektrum in derselben Weise wie das Compton-Spektrum zu niederen Impulshöhenwerten verschoben.

Die auf denselben Erfinder zurückgehende und vom selben Anmelder eingereichte US-Patentanmeldung 693 673 (P 27 25 750.7 ), die am 7. Juni 1976 eingereicht wurde und die Bezeichnung:"Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung des Quencheffektes bei Szintillationszählern mit flüssigem Szintillator" trägt, beschreibt Verfahren und Vorrichtungen zur Bestimmung des Quenchgrades in einer flüssigen Szintillationsprobe, in dem die Impulshöhenverschiebung eines bestimmten, besonderen bzw. einzigen Punktes des Compton-Spektrums gemessen wird. Wie im einzelnen in dieser Patentanmeldung beschrieben ist, wird vorzugsweise der Wendepunkt der Vorderflanke oder Vorderkante des Compton-Spektrums (üblicherweise Compton-Flanke oder bzw. -Kante genannt) in seiner Lage festgestellt, wobei der Wendepunkt die Stelle auf der Flanke ist, an der die zweite Ableitung Null ist. Der dem Wendepunkt entsprechende Impulshöhenwert wird ermittelt und mit dem in derselben Weise für eine Eich-Standardquelle ermittelten Impulshöhenwert verglichen. In Figur 1 werden die Wendepunkte auf der Compton-Flanke der drei Compton-Spektren mit den Bezugszeichen I,., Ip bzw. I, und die Impulshöhenwerte, die den drei Wendepunkten entsprechen, mit PH₁, PHp bzw. PH, bezeichnet.

Bei den in Figur 1 dargestellten Impulshöhenspektren sind die Zählungen pro Zeitintervall und pro Einheitsimpulshöhe (CPM) gegenüber der Impulshöhe (PH) aufgetragen. Die Impulshöhenachse ist mit Zählerfenstereinheiten willkürlich von Null bis 1000 eingeteilt. Die Zählerfenstereinheiteri entsprechend den Diskrimina- torunterteilungen, wie sie beispielsweise in einem Impulsanaly-

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sator verwendet werden, um die obere und untere Begrenzung eines Zählkanalfensters durch Verstellen der Diskriminatoreinstellungen des Analysators verwendet werden. Entsprechend der allgemeinen Praxis kann das Impulshöhenspektrum auch auf den Logarithmus der Energie bezogen werden, wobei dann der in Diskriminatorunterteilungen (D) ausgedrückte Impulshöhenwert eine Funktion des Logarithmus der Impulshöhe (FH), d.h. D =» a + b log PH ist.

Wenn der Quenchgrad in einer Probe beispielsweise durch Messen der Impulshöhenverschiebung des Wendepunkts auf der Compton-Planke in der Weise erhalten wurde, wie dies bei der zuvor erwähnten Patentanmeldung beschrieben ist, kann die Zerfallsrate der Probe in herkömmlicher Weise mit Standardeichkurven ermittelt werden, bei denen die Zählausbeute über dem Quenchgrad aufgetragen ist. Wenn der Quenchgrad ermittelt worden ist, wird die entsprechende Zählausbeute aus der Eichkurve ermittelt und die Zerfallsrate wird dadurch berechnet, daß die gemessene Zählrate durch die Zählausbeute geteilt wird.

Figur 2 zeigt einen Flüssig-Szintillations-Zähler, der die Z.erfallsratenmessungen für ein Elektronen emittierendes Radionuklid gemäß der vorliegenden Erfindung durchführt. Der Szintillationszähler ist so angeordnet, daß er die von einer Probe 10 ausgehende Radioaktivität mißt. In einer abgeschirmten Zählkammer befindet sich ein Glasfläschchen bzw. eine Phiole oder ganz allgemein ein Behälter, in dem bzw. in der die flüssige Szintillatorlösung samt Probe enthalten ist. Ein Koinzidenzzähler mit zwei Photovervielfacherrohren 12 und 14 stellt die Lichtblitze der Probe fest und setzt sie in Spannungsausgangsimpulse mit Amplituden um, die der Photonenenergie jedes festgestellten Lichtblitzes proportional sind. Jeder Lichtblitz der Probe wird von den Photovervielfacherrohren festgestellt, so daß für Jeden Licht blitz zwei koinzidente Ausgangsimpulse erzeugt werden.

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Das Ausgangssignal der jeweiligen Photovervielfacherröhre gelangt als Eingangssignal an eine aus einer Impulssummierungsstufe und einem Verstärker 16 bestehende Schaltung, die die Impulse für die Analyse im Impulshöhenanalysator 18 vorbereitet. Wenn das Impulshöhenspektrum im Bezug zum Logarithmus der Energie ermittelt werden soll, so ist der Verstärker 16 auch ein logarithmischer Verstärker, der so wirkt, daß er dem Analysator logarithmische Impulse bereitstellt. Durch Summierung der koinzidenten, von den beiden Photovervielfacherröhren kommenden Ausgangsimpulse und durch den dabei erhaltenen kombinierten Impuls, der größer ist als nur einer der beiden Ausgangsimpulse, wird der Nachweisschwellwert des Systems gesenkt, so daß mehr nachzuweisende Impulse festgestellt werden können, wodurch sich das Signal-Rausch-Verhältnis des Zählers verbessert. Darüberhinaus wird die Zählerauflösung verbessert, d.h. es wird die Gleichförmigkeit des Ansprechverhaltens zwischen zwei Ereignissen mit gleicher Energie verbessert.

Der Impulshöhenanalysator 18 erhält die summierten und verstärkten Impulse vom Verstärker 16 zugeleitet und wählt die Impulse innerhalb eines vorgegebenen Energiebereichs oder eines vorgegebenen Fensters zur Messung aus und unterdrückt alle anderen Impulse. Das Energiefenster des ImpulshÖhenanalysators wird durch Verstellen der Diskriminatoreinstellungen des Analysators in herkömmlicher Weise entweder von Hand oder automatisch eingestellt.

Das Ausgangssignal der jeweiligen Photovervielfacherröhre gelangt weiterhin jeweils als Eingangssignal an eine Koinzidenzschaltung 20, die bei Auftreten von koinzidenten Eingangsimpulsen ein Ausgangssignal bereitstellt. Das Ausgangssignal der Koinzidenzschaltung 20 gelangt als Steuereingangssignal an ein Verknüpfungsglied 22, das über einen Eingang die vom Impulshöhenanalysator 18 hindurchgelassenen Impulse zugeleitet erhält. Über den Ausgang des Verknüpfungsgliedes 22 gelangen diese Impulse dann für den Zählvorgang an eine Zählerstufe bzw. einen sogenannten Sealer 24. Wenn ein Nichtbild festgestellt wird, werden die sich ergebenden ko-

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inzidenten Impulse aufsummiert und im Verstärker 16 verstärkt und gelangen dann zum Impulshöhenanalysator 18. Die koinzidenten Impulse werden auch der Koinzidenzschaltung 20 zugeführt, die in Abhängigkeit davon ein Ausgangssignal bereitstellt, welches das Verknüpfungsglied 22 aufsteuert, so daß dieses die Impulse vom Impulshöhenanalysator zum Zähler 24 durchläßt, um im Zähler 24 gezählt zu werden.

Das Szintillationszählsysten wird von einer Steuereinrichtung 26 gesteuert. Die Steuereinrichtung 26 bringt die Probe 10 in der Zählkammer mit einer herkömmlichen Probenlageeinstelleinrichtung 28 in die richtige Lage. Die Steuereinrichtung steuert weiterhin eine herkömmliche Lageeinstelleinrichtung 30 für die externe Standardquelle, um diese, beispielsweise eine Cäsium-137-Quelle, wahlweise in die Arbeitsstellung zu bringen, um die Probe 10 zu bestrahlen. Die Steuereinrichtung 26 kann entweder automatisch oder von Hand arbeiten. Gewünschtenfalls kann die Probe 10 und die externe Standardquelle auch von Hand in die entsprechende Lage gebracht werden. Darüberhinaus kann auch die obere und die untere Fensterbegrenzung des Impulshöhenanalysators 18 in herkömmlicher Weise mit (nicht dargestellten) veränderlichen Widerständen bzw. Potentiometern von Hand eingestellt werden, die zur Durchführung der Analysator-Diskriminator-Einstellungen analoge Spannungssignale bereitstellen.

Bei dem zuvor beschriebenen Szintillationszähler gemäß Figur war ein einziger Zählkanal mit einem Impulshöhenanalysator 18, einem Verknüpfungsglied 22 und einer Zählstufe 24 vorgesehen, wobei die Fenstereinstellungen des Analysators zurückgesetzt werden, um Jeweils ein neues Fenster zu erhalten, in denen Impulse gezählt werden sollen. Bei besseren, aufwendigeren Systemen, die alle bereits bekannt sind, können eine größere Anzahl von zusätzlichen, parallelen Impulehöhenanalysatoren 18n, Verknüpfungsglieder 22n und Zählstufen 24n (die in Figur 2 strichliniert dargestellt sind) verwendet werden, um gleichzeitig mehr als ein Fenster auszuzählen. Ein solches System kann ein Standard-Viel-

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kanalanalysator mit beispielsweise 1OOO parallelen Kanälen sein, wobei jeder Kanal ein Fenster, welches eine Diskriminatorunterteilung breit ist, aufweist, um die gesamte Impulshöhenachse von 1000 Diskriminatorunterteilungen zu überdecken. Bei einem solchen System würde die Zählung dann in den 1000 Fenstern gleichzeitig durchgeführt.

Der Szintillationszähler gemäß Figur 2 weist weiterhin Anzeigen 32 und 34 herkömmlicher Bauart auf. Die Anzeige 32 zeigt die Zählrate an, die man in dem für den Impulshöhenanalysator 18 eingestellten Zählfenster erhält. Die Anzeige 34 zeigt den Impulshöhenwert PH entsprechend dem Wendepunkt I auf der Compton-Flanke an, der automatisch lokalisiert und entsprechend den in der zuvor erwähnten Patentanmeldung beschriebenen Verfahren ermittelt wird. Auf die Verfahren und Vorrichtungen der zuvor erwähnten Patentanmeldung wird hier Bezug genommen, und sie sind Teile einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Gemäß einem wesentlichen Aspekt der vorliegenden Erfindung und bei Verwendung des Systems gemäß Figur 2 wird die Zerfallsrate einer Probe dadurch ermittelt, daß die nur vom Radionuklid in der Probe erzeugten Zählimpulse für wenigstens zwei Werte des Probenquencheffekts (CPM- und CPMp) ermittelt und die Impulshöhenspektren für die beiden, unterschiedliche Quencheffekte aufweisenden Versionen der Probe analysiert werden, um die einem besonderen Punkt (dem Wendepunkt) zugeordneten Impulshöhenwerte (PH,. und PHp) in jedem der Spektren zu ermitteln. Es werden normierte Werte der gemessenen Impulshohen hergeleitet und mit den entsprechenden Zählraten CPM- und CPMp korreliert, um eine Zählrate (CPMq) bei einem normalisierten Impulshöhenwert Null zu erhalten. Der Wert CFMq gibt ein Maß für die Zerfallsrate der Probe.

Die Steuereinrichtung 26 wird dazu verwendet, die Arbeitsfolge für die Ermittlung der Zerfallsrate einer Probe entsprechend dem β rf indungsgemäßen Verfahren durchzuführen. Die Steuereinrichtung 26 steuert dabei die Probeneinstelleinrichtung 28 derart, daß die

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Probe 10 in der Zählkammer in der Nähe der Photovervielfacherröhren 12 und 14 zu liegen kommt. Wie bereits erwähnt, wird die Probe bei wenigstens zwei Quenchwerten gezählt. Beim ersten Zählvorgang braucht daher die Probe keinen Quencheffekt aufweisen (d.h. der Quenchwert kann Null sein). Danach wird der Quenchwert der Probe für den zweiten oder nachfolgenden Zählvorgang geändert. Natürlich kann die Erfindung auch bei einer Probe 10 angewendet werden, die zunächst einen Quenchwert zeigt, der nicht Null ist.

Wenn die Probe in der Zählkammer in die vorgesehene Lage gebracht wurde, wird die Einstellrichtung 30 für die externe Standardquelle von der Steuereinrichtung 26 betätigt, um die Standardquelle in die Lage nahe bei der Probe 10 zu bringen, um die Probe zu bestrahlen und um eine Verteilung der Compton-gestreuten Elektronen für die Probe in Anwesenheit der Standardquelle zu erzeugen. Die Steuereinrichtung 26 legt weiterhin die obere und untere Pensterbegrenzung für den Zählkanal der Impulshöhenanalysatoren 18-I8n fest. Die Steuereinrichtung 26 legt also die Zählfenster für die Prüfung des Compton-Spektrums, für die Festlegung und Lokalisierung des Wendepunktes I^ und für die Ermittlung des entsprechenden Impulshöhenwertes PH_x. für die erste gemessene Probe fest. Die zuvor erwähnte Patentanmeldung, auf die hier Bezug genommen wird, beschreibt im einzelnen insbesondere auch ein bevorzugtes Verfahren zum Ermitteln und Auffinden des Wendepunktes. Um das Verfahren im einzelnen verstehen zu können, wird daher insbesondere auf die genannte Patentanmeldung hingewiesen und Bezug genommen. Kurz zusammengefaßt wird der Wendepunkt durch Zählen in mehreren Fenstern entlang der Compton-Flanke und durch Berechnen der ersten Ableitung (d.h. der Flankensteigung) an voneinander beabstandeten Punkten entlang der Flanke durch Subtrahieren der Zählraten benachbarter Zählfenster ermittelt. Wenn eine Gruppe von drei voneinander beabstandeten Ableitungen erhalten wurde und die mittlere Ableitung größer als die äußeren beiden Ableitungen ist, so liegt der Wendepunkt also zwischen den Stellen der beiden äußeren Ableitungen. Danach werden herkömm-

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liehe Interpolationsverfahren verwendet, um die genaue Lage des Wendepunktes I^ zwischen den Ableitungswerten zu bestimmen. Wenn der Wendepunkt ermittelt worden ist, wird der entsprechende Impulshöhenwert PH. mit der Anzeigeeinrichtung JA angezeigt.

Nach Feststellung des Wertes PH₁ bleibt die Probe in der Zählkammer und die Steuereinrichtung 26 bewirkt, daß die Standardquelle in ihre nicht aktive Lage von der Zählkammer relativ weit entfernt zurückgeführt wird. Die Steuereinrichtung 26 stellt dann ein Impulshöhenfenster W im Impulshöhenanalysator 18 zur Auszählung der Probe allein ein. Wesentlich ist dabei, daß das Fenster W eine untere Begrenzung aufweist, die im wesentlichen beim Null-Nachweis schwell wert des Systems eingestellt wird (vgl. Figur 1). Dies ist ein wesentliches und wichtiges Merkmal der vorliegenden Erfindung, wodurch mit einem einzigen Zählvorgang die Null-Schwellwertzählrate des Radionuklide in der Probe festgestellt werden kann. Dies macht den ersten Extrapolationsschritt für das zuvor erläuterte "Doppel-Extrapolations"-Verfahren überflüssig. Infolgedessen ist es nicht mehr erforderlich, mehrere, zeitraubende Zählvorgänge an der Probe bei unterschiedlichen Schwellwertpegeln und bei unterschiedlichen Quenchwerten durchzuführen und die Ergebniese der Zählvorgänge auf den Schwellwert Null zu extrapolieren.

Die obere Begrenzung des Fensters W ist in einem ausreichenden Abstand auf der Impulshöhenachse nach außen eingestellt, so daß im Fenster W alle Impulse liegen, die von der Probe allein herrühren.

Die Steuereinrichtung 26 steuert den Zählvorgang der Probe im Fenster W, und die gemessene Zählrate (CPM^) wird an der Anzeigeanordnung 32 angezeigt.

Nach Durchführung des ersten Zählvorgangs an der Probe und nachdem die Werte PH^ und CPM^ erhalten worden sind, wird der Quenchwert der Probe geändert und ein zweiter Zählvorgang, der dem ersten Zählvorgang gleich ist, wird durchgeführt, um einen ent-

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sprechenden Impulshöhenwert PH2 der Compton-Flanke und eine entsprechende Probenzählrate CPMp zu erhalten. Diese Werte werden auch in derselben Weise mit den Anzeigeeinrichtungen 32 und 34· angezeigt.

Die unterschiedlichen Quenchwerte der Probe lassen sich durch einen Quencheffekt von inneren, eigenen Unreinheiten oder Fremdstoffen, durch einen inneren Farbquencheffekt oder durch einen äußeren optischen Quencheffekt erhalten. Das Verfahren, bei dem der Quencheffekt durch innere, in der Probe enthaltene Fremdstoffe hervorgerufen wird, wird dadurch durchgeführt, daß eine immer größere Menge eines chemischen Stoffes der Probe zugesetzt wird, so daß dadurch die Szintillationsausbeute abnimmt. Die Zusätze können nacheinander in die Probe oder in eine Reihe von Proben mit demselben Radionuklidgehalt gebracht werden. Bei dem Verfahren, bei dem der innere Farbquencheffekt ausgenutzt wird, wird ein Stoff oder eine Chemikalie zugesetzt, die im flüssigen Szintillator eine Farbe hervorruft, die durch die Menge des zugesetzten chemischen Stoffes verändert wird. Die Zusätze können derselben Probe nacheinander oder einer Reihe von Proben mit demselben Radionuklidgehalt zugefügt werden. Der externe optische Quencheffekt wird durch verschiedene Materialien oder Filter ausserhalb des die Probe enthaltenden Behälters hervorgerufen, wodurch ein Teil des aus dem Probenbehälter nach außen dringenden Lichte absorbiert wird.

Zu diesem Zeitpunkt kann die Probe zusätzlich ein oder mehrere Male zur Ermittlung zusätzlicher, unterschiedlicher Quenchwerte ausgezählt werden, und die dabei erhaltenen, entsprechenden PH- und CPM-Werte werden dann angezeigt.

Nachdem diese Gruppe von Impulshöhenwerten PH^-PH erhalten wurde, werden die Impulshöhenwerte dieser Gruppe durch Ermittlung von normalisierten Werten R^-R_n für die entsprechenden Impulshöhenwerte normalisiert. Die Normalisierung ist ein Vorgang, bei dem die relative Lage der Impulshöhenwerte bezüglich eines gemein-

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samen bzw. allgemeinen Impulshöhenwertes festgelegt wird. Daher ist

R * allgemeiner PH-Wert/gemessener PH-Wert.

Vorzugsweise ist der allgemeine Impulshöhenwert der erste gemessene Vert PH^. In diesem Falle ist dann R₁ « PH₁ZPH₁ ■ 1. In entsprechender Weise ist dann R₂ « PH₁ZPH₂. Weiter gilt R, - PH₁ZPH, und so weiter bis PH .

Obgleich PH₁ als der allgemeine Wert verwendet wird, der durch alle PH-Werte geteilt wird, muß der allgemeine Impulshöhenwert nicht notwendigerweise PH₁ sein, vielmehr kann auch irgendeiner der gemessenen PH-Werte dazu verwendet werden. Darüberhinaus kann der allgemeine PH-Wert auch irgendein anderer, nicht tatsächlich gemessener Impulshöhenwert sein, wenn dieser Wert nur innerhalb des Wertebereichs liegt, der vom System für dieselbe Probe ausgemessen werden kann.

Nach Ermittlung der normalisierten Impulshöhenwerte R₁, Rp, .·. R werden die Werte R zu den entsprechenden Impulszählraten CPM₁, CPMp, ... CPM in Korrelation gebracht. Dies kann durch Auftragen von CPM im logarithmischen Maßstab (oder gewünschtenfalls auch im linearen Maßstab) über R vorgenommen werden, wie dies in Figur 3 dargestellt ist. Wenn CPM im logarithmischen Maßstab aufgetragen wird, ist die Kurve eine gerade Linie.

Die Zerfallsrate der Probe wird durch Extrapolieren dieser Kurve bis zum Wert R-O ermittelt, wie dies durch die strichlinierte Verlängerung der Kurve in Figur 3 dargestellt ist. Der Schnittpunkt der Kurve mit der log CPM-Achse (d.h. der Punkt log CPMq) für R ■ O gibt den Logarithmus der Probenzerfallsrate wieder. Der Antilogarithmus dieses Wertes ist dann die Probenzerfallsrate. Wenn R bezüglich CPM und nicht bezüglich dem Logarithmus von CPM aufgetragen ist, so ist der Schnittpunkt der Kurve mit der CPM-Achse natürlich die Probenzerfallsrate.

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Die zuvor beschriebene Zerfallsratenbestimmung mit den vom Radionuklid in der Probe in einem Null-Impulshöhen-Schwellwertnachweisfenster erzeugten Zählimpulsen und durch Feststellen eines besonderen Punktes auf dem Compton-Impulshöhenspektrum für die Probe in Anwesenheit einer Standardquelle zur Ermittlung des entsprechenden Impulshöhenwertes ergibt ein neues« verbessertes und von den Nachteilen herkömmlicher Verfahren freies Verfahren zur Bestimmung der Zerfallsrate. Insbesondere ist beim vorliegenden Verfahren keine Extrapolation der gemessenen Zählrate auf den Schwellwert Null bei jedem Quenchpegel erforderlich. Infolgedessen ist es nicht erforderlich, mehrere aufeinanderfolgende Zählratenbestimmungen bei unterschiedlichen Schwellwerten für jeden Quenchwert durchzuführen. Darüberhinaus wird der Impulshöhenwert PH genau ermittelt, da die Bestimmung des Wendepunktes der Compton-Flanke einen sicheren, wahren, einmaligen und einzigen PH-Wert festlegt.

Bei der vorausgegangenen Beschreibung stand das Impulshöhenspektrum direkt mit den Energiewerten in Beziehung (Figur 1). Natürlich kann das Impulshöhenspektrum auch auf den Logarithmus der Energie bezogen werden. In diesem Falle weist der Verstärker eine logarithmische Funktion auf. Dann ist der in Diskriminatorunterteilungen D ausgedrückte Impulshöhenwert eine Funktion des Logarithmus der Impulshöhe PH, d.h. es ist D - a + b log PH. Hierbei ist a der Wert von D, bei dem der PH-Wert Eins ist, so daß der Ausdruck (b log PH) Null ist. b ist eine Konstante, die durch Messen des Impulshöhenverhaltens beim Minimum von zwei bekannten Energiewerten ermittelt wird.

Für das logarithmische Spektrum ist R durch folgende Gleichung festgelegt:

R_n - antilog (D₁ - D_Q)/b

Die Größe b kann durch Messen des Impulshöhenverhaltens einer bekannten Energieprobe bei einem Minimum von zwei bekannten Energie-

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werten bestimmt werden. Solche Proben können beispielsweise Tritium oder Kohlenstoff-14 sein. Im praktischen Falle wurde D^ für Tritium durch den Wendepunkt der Compton-Flanke bei 4-78 keV festgestellt. D₂ wurde am Endpunkt des Impulshöhenspektrums von Tritium bei 18,6 keV ermittelt. Die entsprechenden Diskriminatorunterteilungs-Einstellungen für diese Werte von D. und D₂ betrugen 791 bzw. 4-38. Bei diesem Beispiel ist also b - D₁ - D₂Z(IOg 478 - log 18,6) « 791 - 438/2,679 1,270 - 353/1,409 - 250.

Nachdem man die Größe b kennt, wird die Größe R für jede Version des Quencheffektes der Probe mit der zuvor angegebenen Gleichung berechnet. Danach wird der Logarithmus von CPM in der in Figur 3 dargestellten Weise über R aufgetragen und die Kurve wird bis zum Schnittpunkt mit der log CPM-Achse extrapoliert, so daß sich der Logarithmus der Probenzerfallsrate ergibt.

Bei einer praktischen Durchführung der vorliegenden Erfindung wurde eine Probe mit Tritium bei fünf unterschiedlichen Quenchwerten gemessen und für die entsprechenden Größen CPM und R ergaben sich folgende Werte:

Probe CPM R

1	98 111	1,086
2	86 582	1,343
3	75 341	1,614
4	60 666	2,032
5	50 626	2,421

Die Extrapolation der Kurve mit log CPM über R für die zuvor an gegebenen Werte ergibt einen Wert für den Schnittpunkt mit 5,22734 für log DPM. Der entsprechende Antilogarithmus ergibt dann für DPM der Tritium enthaltenden Probe den Wert 1,69 x 10 Zerfälle pro Minute.

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Es sei darauf hingewiesen, daß es nicht tatsächlich erforderlich ist, CPM oder log CPM über R aufzutragen, um den Schnittpunkt, mit dem DPM ermittelt wird, zu erhalten. Wenn die zuvor angegebenen Werte für CPM und R vorliegen, kann die Gleichung der Geraden für log CPM beispielsweise durch folgende Gleichung ausgedrückt werden:

log CPM - c + dR

Wenn dann die zuvor ermittelten Werte für CPM und R eingesetzt werden und die Methode des kleinsten Fehlerquadrats verwendet wird, geht die Gleichung für die Gerade für log CPM in folgende Gleichung über:

log CPM - 5,22734 - O,21696R.

In dieser Gleichung ist der Wert c = 5,2273^- der Wert des Schnittpunktes auf der log CPM-Achse und ergibt wie zuvor den Logarithmus der Zerfallsrate.

Die vorliegende Erfindung wurde anhand von besonderen Verfahren im einzelnen beschrieben. Abwandlungen und Ausgestaltungen dieser Verfahren sind jedoch ohne weiteres möglich, ohne daß dadurch der Erfindungsgedanke verlassen wird. Beispielsweise wurde bei den hier beschriebenen Verfahren eine Gamma-Quelle als Standardquelle zur Bestrahlung der Probe verwendet. Zu diesem Zwecke können Jedoch auch andere Quellen verwendet werden. Beispielsweise kann ein Alpha-Teilchen emittierendes Radionuklid, beispielsweise Uran-233, im Probenbehälter enthalten sein. Eine solche Alpha-Quelle erzeugt ein Impulshöhenspektrum mit einer scharfen Spitze oder einem scharfen Peak-Verhalten bei einem einzigen PH-Wert. Wenn also eine Alpha-Strahlenquelle anstelle einer Gamma-Strahlenquelle verwendet wird, kann der besondere Punkt auf dem Impulehöhenspektrum der Peak sein. Es liegt auch innerhalb des Erfindungsgedankens, daß unterschiedliche PH-Werte, die diesen Peaks bei unterschiedlichen Quenchpegeln entsprechen, normali-

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siert und mit den entsprechenden CPM-Werten in der zuvor beschriebenen Weise in Bezug gebracht werden können, um die Zerfall srate der Probe zu bestimmen.

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Claims

Patentansprüche

ί 1. Verfahren zum Messen der Zerfallsrate (DPM) eines Beta-Strahlen emittierenden Radionuklide in einer flüssigen Probe mit einem Szintillationszähler, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

(a) Aussetzen der Probe einer von einer Standardquelle abgegebenen Strahlung und Erzeugen eines Impulshöhenverteilungsspektrums für die Probe in Gegenwart der Standardquelle,

(b) Feststellen eines besonderen Punktes auf dem Spektrum und Messen des entsprechenden Impulshöhenwertes (PH.),

(c) Zählen der nur vom Radionuklid in der Probe erzeugten Impulse (CPM,.) in einem Fenster, das auf der einen Seite von einer Nullimpulshöhe-Schwellwertnachweisbegrenzung für den Szintillationszähler und auf der anderen Seite von einer Begrenzung eingegrenzt ist, deren Größe wenigstens alle vom Radionuklid in der Probe erzeugten Impulse umfaßt,

(d) Schaffen einer Version der Probe mit Quencheffekt,

(e) Aussetzen der Probe mit Quencheffekt einer von der Standardquelle abgegebenen Strahlung und Erzeugen eines Impulshöhenverteilungsspektrums für die Probe mit Quencheffekt in Gegenwart der Standardquelle,

(f) Feststellen des besonderen Punktes auf dem letztgenannten Spektrum und Messen des entsprechenden Impulshöhenwertes

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(g) Zählen der nur vom Radionuklid in der Probe mit Quencheffekt gezählten Impulse (CPMp) in diesem Fenster,

(h) Ermitteln der normalisierten Werte (R^, Rp) für die gemessenen Impulshöhen (PH^, PH₂) und

(i) in Beziehungsetzen der normalisierten Werte (R., Rp) mit den entsprechenden Impulszählraten (CPM., CPMp), um den Wert der Impulszählrate (CPMq) für einen normalisierten Impulshöhenwert Null (Rq) zu bestimmen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die normalisierten Impulshöhenwerte zu den Logarithmen der entsprechenden Impulszählraten in Beziehung gesetzt werden, um den Logarithmuswert der Impulszählrate (log CPMq) für einen normalisierten Impulshöhenwert Null (Rq) zu ermitteln, wobei dieser Logarithmuswert der Impulszählrate (log CPMq) in eine Größe der Zerfallsrate der Probe (DPM) umgesetzt wird.

3· Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die normalisierten Impulshohenwerte (R,., Rp) ^zu den ^en^~ sprechenden Logarithmuswerten der Impuls zähl rate η (log CPM,., log CPM₂) in Beziehung gesetzt werden, um log CPMq durch Auftragen von log CPM über R und durch Extrapolieren der Kurve zu einem Wert von log CPM, bei dem R gleich Null ist, zu ermitteln.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere zusätzliche Versionen der Probe mit Quencheffekt, bei unterschiedlichen Quenchgraden geschaffen werden und die Verfahrensschritte (e) bis (h) für die Version mit Quencheffekt wiederholt werden, um zusätzliche Punkte zu erhalten, die die der über R aufgetragenen Kurve log CPM festlegen.

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5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4·, dadurch gekennzeichnet, daß die Standardquelle ein Impulshöhenspektrum der Compton-gestreuten Elektronen erzeugt, welches am oberen Energieende eine Compton-Flanke aufweist, und bei dem der auf dem Impulshöhenspektrum festgelegte, besondere Punkt der Punkt ist, an dem die zweite Ableitung auf der Compton-Flanke Null ist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß der normalisierte Impulshöhenwert (R₂) für eine Version der Probe mit Quencheffekt aus dem Verhältnis der Impulshöhe PH₁ und der Impulshöhe PH₂ ermittelt wird, wobei der normalisierte Impulshöhenwert für die Probe Eine (1) ist.

7» Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die erzeugten Impulshöhenspektren logarithmische Impulshöhenspektren, die entsprechenden Impulshöhenwerte Funktionen von Logarithmen der Impulshöhen (D. » a + b log PH., D ■ a + b log FH_) und die normalisierten Impulshöhenwerte durch die Gleichung

D„ - D

R_n - antilog —- *—

ⁿ b

festgelegt sind.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7» dadurch gekennzeichnet, daß beim Verfahrensschritt, bei dem die Impulse gezählt werden, die Proben-Oszillationen mit ersten und zweiten Detektoren zur Ermittlung eines Paares von koinzidenten Impulsen für jede Szintillation festgestellt, die koinzidenten Impulβe summiert und die summierten Impulse gezählt werden.

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