Physik kontra Terrorgefahr - FLIR.com
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Miniaturisierte Digitale Gammaspektrometer zur<br />
Nuklididentifikation – <strong>Physik</strong> <strong>kontra</strong> <strong>Terrorgefahr</strong><br />
Guntram Pausch<br />
target systemelectronic gmbh, Solingen<br />
Beitrag AIW 1.2 zur DPG-Jahrestagung, München, 23. März 2006
target systemelectronic gmbh<br />
DPG-Jahrestagung, München, März 2006 © target systemelectronic gmbh<br />
• gegründet 1984<br />
von Jürgen Stein (GF)<br />
• Sitz in Solingen<br />
und Oak Ridge<br />
(target instruments, 2003)<br />
• Kerngeschäft<br />
• Gamma-Spektrometer:<br />
NaI, HPGe, CZT, …<br />
• Anwendungen:<br />
Forschung, Umwelt, Medizin,<br />
Industrie, Homeland<br />
Security<br />
• Digitale Signalverarbeitung<br />
• seit 2005 zu<br />
AIW 1.2 / Miniaturisierte tragbare Gammaspektrometer zur Nuklididentifikation – <strong>Physik</strong> <strong>kontra</strong> <strong>Terrorgefahr</strong><br />
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physik <strong>kontra</strong> terrorgefahr<br />
DPG-Jahrestagung, München, März 2006 © target systemelectronic gmbh<br />
am Beispiel des identiFINDER ® ultra<br />
• Strahlungsmesstechnik <strong>kontra</strong> <strong>Terrorgefahr</strong><br />
• Aufgaben<br />
• Anforderungen<br />
• Herausforderungen<br />
• <strong>Physik</strong> im identiFINDER<br />
• Digitale Signalverarbeitung<br />
• Spektrenanalyse<br />
• Detektorstabilisierung<br />
• Aufgabenfelder für <strong>Physik</strong>er<br />
AIW 1.2 / Miniaturisierte tragbare Gammaspektrometer zur Nuklididentifikation – <strong>Physik</strong> <strong>kontra</strong> <strong>Terrorgefahr</strong><br />
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physik <strong>kontra</strong> terrorgefahr<br />
DPG-Jahrestagung, München, März 2006 © target systemelectronic gmbh<br />
Feststellung<br />
• Radioaktives Material kann für terroristische<br />
Zwecke missbraucht werden<br />
• Kernwaffen<br />
Massenvernichtungswaffen<br />
• „Schmutzige Bomben“<br />
psychologische / ökonomische Wirkung!<br />
Aufgabe<br />
• Illegale Transporte radioaktiven Materials<br />
erkennen und verhindern<br />
• Grenzübergangsstellen, Flughäfen<br />
• Sensible Bereiche (öffentliche Gebäude,<br />
Veranstaltungsorte, Verkehrsmittel)<br />
• Großveranstaltungen (Fußball-WM)<br />
AIW 1.2 / Miniaturisierte tragbare Gammaspektrometer zur Nuklididentifikation – <strong>Physik</strong> <strong>kontra</strong> <strong>Terrorgefahr</strong><br />
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physik <strong>kontra</strong> terrorgefahr<br />
DPG-Jahrestagung, München, März 2006 © target systemelectronic gmbh<br />
Problem<br />
• Radioaktivität ist ein Phänomen des Alltags:<br />
• Natürliche radioaktive Substanzen<br />
• Radionuklide in industriellen Produkten<br />
http://www.orau.org<br />
• Medizinische Diagnostik und Therapie<br />
• Dosisleistung ≈ Gefahrenpotenzial<br />
• D legal<br />
≥ D threat<br />
möglich wenn<br />
D legal<br />
„legale“ Quelle<br />
abgeschirmte illegale Quelle<br />
D threat<br />
• Dosisleistungsmessung allein:<br />
False Alarm Rate nicht beherrschbar<br />
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physik <strong>kontra</strong> terrorgefahr<br />
DPG-Jahrestagung, München, März 2006 © target systemelectronic gmbh<br />
Lösungsansatz<br />
• Dosimetrie + Nuklid-Identifizierung<br />
• γ-Energiespektrum als „Finger Print“<br />
Strategie<br />
• Quelle finden Dosisleistung<br />
• Quelle identifizieren und kategorisieren<br />
• „Innocent Alarms“ schnell erkennen<br />
Schlüssel<br />
• Spektroskopische Messtechnik:<br />
• Portalmonitore<br />
• Handmessgeräte<br />
• Radiation Pager<br />
Fotos: Rolf Arlt, IAEA<br />
AIW 1.2 / Miniaturisierte tragbare Gammaspektrometer zur Nuklididentifikation – <strong>Physik</strong> <strong>kontra</strong> <strong>Terrorgefahr</strong><br />
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physik <strong>kontra</strong> terrorgefahr<br />
DPG-Jahrestagung, München, März 2006 © target systemelectronic gmbh<br />
Anforderungen<br />
• A. Beste Nuklid-ID Energieauflösung<br />
• HPGe<br />
• CZT<br />
• Szintillatoren<br />
• B. Feldtauglichkeit, Robustheit<br />
• Bedienung durch „Nicht-Experten“<br />
(Zollbeamte, Polizei, Feuerwehr, …)<br />
• „Einschalten & Messen“<br />
• Raue Umgebungsbedingungen<br />
(Temperatur, Feuchte, Schock, …)<br />
Herausforderung<br />
A<br />
• A&B @ lowest price (C)<br />
B<br />
C<br />
Fotos: Rolf Arlt, IAEA<br />
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der identiFINDER ® ultra<br />
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Handheld Radionuclide Identification Device (RID)<br />
• IAEA Technical / Functional Spec.s for<br />
Border Monitoring Equipment<br />
• ANSI N42.34-2005<br />
Aufgabe / Funktion<br />
• Suchen, Identifizieren, Kategorisieren<br />
von Strahlungsquellen<br />
• Unterscheiden zwischen<br />
• „Innocent Alarm“<br />
• Natürliche Radionuklide<br />
(NORM)<br />
• Medizinische Isotope<br />
• „Threat“<br />
• Illegale Quelle<br />
• Spaltbares Material<br />
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der identiFINDER ® ultra<br />
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Aufbau<br />
• NaI(Tl)-Detektor<br />
mit Photomultiplier<br />
• Zusatzdetektoren<br />
• GM-Tube Dosisleistung<br />
• 3 He-Tube Neutronen<br />
• Elektronik: ADC, DSP<br />
• Bedienelemente u.a.<br />
• Display und Tastatur<br />
• LEDs, Sound, Vibrator<br />
• Akkupack<br />
+ Software = Digitales NaI(Tl)-Spektrometer<br />
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physik im identiFINDER<br />
DPG-Jahrestagung, München, März 2006 © target systemelectronic gmbh<br />
• Digitale<br />
Signalverarbeitung<br />
1700 1800 1900 2000<br />
N<br />
M<br />
Time (ns)<br />
y<br />
n<br />
= ∑ cν<br />
x<br />
n − ν<br />
+ ∑ dν<br />
y<br />
n −ν<br />
ν = 0 ν = 1<br />
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analoge signalverarbeitung<br />
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γ<br />
Det<br />
PA<br />
Shaping<br />
Amp.<br />
Peak<br />
Sensing<br />
ADC<br />
Spektrum<br />
• Energiedeposition<br />
• Delta-Funktion<br />
• Detektorsignal<br />
• PA-Signal<br />
• Shaping<br />
• Spektrum<br />
• Lichtemission:<br />
Decay Time τ scint<br />
• Ladungsintegration<br />
• mehrmaliges Int./Diff.<br />
• Impulshöhenanalyse der<br />
geformten Signale<br />
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digitale signalverarbeitung<br />
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γ<br />
Det<br />
PA<br />
Flash<br />
ADC<br />
Clock<br />
…<br />
Sample [n-1]<br />
Sample [n]<br />
Sample [n+1]<br />
Sample [n+2]<br />
…<br />
• Energiedeposition<br />
• Sampling<br />
• Delta-Funktion<br />
• Detektorsignal<br />
• PA-Signal<br />
• Lichtemission:<br />
Decay Time τ scint<br />
• Ladungsintegration<br />
• komplette Signalform<br />
• “<strong>Physik</strong>alische” Signale<br />
rekonstruierbar:<br />
Deconvolution<br />
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digitale signalverarbeitung<br />
DPG-Jahrestagung, München, März 2006 © target systemelectronic gmbh<br />
Erläuterung am Beispiel:<br />
• Exponentielle Antwort auf ein Delta-Signal<br />
S<br />
= S ⋅δ<br />
• Szintillator-Response auf Energiedeposition (τ scint )<br />
• PA-Response auf Stromimpuls (RC)<br />
• Infinite Impulse Response (IIR)<br />
( t − )<br />
0<br />
t 0<br />
Analoges System<br />
• erzeugt immer IIR<br />
• “Tail” nicht vollständig<br />
eliminierbar<br />
• Nulllinie ⇔ Last<br />
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digitale signalverarbeitung<br />
DPG-Jahrestagung, München, März 2006 © target systemelectronic gmbh<br />
Erläuterung am Beispiel:<br />
• Exponentielle Antwort auf ein Delta-Signal<br />
• Szintillator-Response auf Energiedeposition (τ scint )<br />
• PA-Response auf Stromimpuls (RC)<br />
x n<br />
= y n<br />
–p*y n-1<br />
y n<br />
= x n<br />
+ p*y n-1<br />
p = e-∆t /τ<br />
• Infinite Impulse Response (IIR)<br />
S<br />
= S ⋅δ<br />
( t − )<br />
0<br />
t 0<br />
Digitales System<br />
• IIR (Detektor, PA)<br />
eliminierbar<br />
• Shaping ⇒ Finite Impulse<br />
Response (FIR)<br />
• Nulllinie bleibt erhalten<br />
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dsp im identiFINDER<br />
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Detector response (PA)<br />
First deconvolution<br />
Second deconvolution<br />
Final deconvolution<br />
Deconvolution of Digitized NaI(Tl) Signals<br />
1700 1800 1900 2000<br />
Time (ns)<br />
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dsp im identiFINDER<br />
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Deconvolved signals<br />
Integration<br />
Differentiation<br />
Integration<br />
Differentiation<br />
Construction of Bipolar Shaping<br />
E<br />
1700 1800 1900 2000<br />
Time (ns)<br />
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digitale signalverarbeitung<br />
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Vorteile<br />
• Originales physikalisches Signal rekonstruierbar:<br />
Energiedeposition E ⋅δ ( t − )<br />
• Endliche Response nach Filterung/Intergration<br />
• ideale Wiederherstellung der Nulllinie<br />
• Exzellente Spektroskopie bei extrem hoher Last (Zählrate)<br />
• Komplette Impulsform wird gemessen<br />
• viel Information ohne zusätzliche Hardware<br />
• Pulse Shape Discrimination (PSD) per Software<br />
t 0<br />
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physik im identiFINDER<br />
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Measured Counts<br />
100<br />
80<br />
60<br />
40<br />
20<br />
0<br />
• Nuklididentifikation<br />
(Spektrenanalyse)<br />
0 500 1.000 1.500<br />
Energy (keV)<br />
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spektrenanalyse<br />
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• Beispiel – Messung:<br />
• Schlackestein und KCl (Becher)<br />
• Messzeit 1 min<br />
• Resultat:<br />
Measured Counts<br />
100<br />
80<br />
60<br />
40<br />
20<br />
0<br />
0 500 1.000 1.500<br />
Energy (keV)<br />
• schlechte Statistik<br />
• Linien kaum zu<br />
erkennen<br />
• trotzdem gute (richtige)<br />
Identifikation!<br />
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spektrenanalyse<br />
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• Schlüssel: Template Matching<br />
statt Peaksuche und Linienkatalog<br />
• Prinzip: M = a*T A + b*T B + … M … Messspektrum<br />
T A , T B, … Templates<br />
Measured Counts<br />
100<br />
80<br />
60<br />
40<br />
20<br />
0<br />
-20<br />
Measured<br />
Tem plate K-40<br />
Template Ra-226<br />
0 500 1.000 1.500<br />
Energy (keV)<br />
Template Counts<br />
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spektrenanalyse – templates<br />
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GEANT-Simulation von Templates<br />
• Beispiel<br />
• Standard-Detektor im identiFINDER<br />
• Standard-Quelle ( 60 Co) in 5 cm Abstand<br />
• Grafische Ausgabe<br />
• einige Zerfälle von 60 Co<br />
• Rot: Elektronen<br />
• Grün: Gammas<br />
• Balken: Detektor<br />
Gehäuse<br />
Quelle<br />
(Grenzflächen)<br />
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spektrenanalyse – templates<br />
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GEANT-Simulation<br />
• Vergleich<br />
• simulierte Spektren<br />
• gemessene Spektren<br />
• Strukturen der Spektren<br />
werden gut reproduziert<br />
• Photopeaks<br />
• Compton<br />
• Backscatter<br />
Counts (measured)<br />
Counts (measured)<br />
1800<br />
1600<br />
1400<br />
1200<br />
1000<br />
800<br />
600<br />
400<br />
200<br />
0<br />
800<br />
700<br />
600<br />
500<br />
400<br />
300<br />
200<br />
100<br />
0<br />
Cs-137 / measured<br />
(backg. Subtracted)<br />
Cs-137 / GEANT<br />
simulation<br />
0 200 400 600 800 1000<br />
Energy (keV)<br />
0 250 500 750 1000 1250 1500<br />
Energy (keV)<br />
Na-22 / measured,<br />
source 1<br />
Na-22 / measured,<br />
source 2<br />
Na-22 / GEANT<br />
simulation<br />
3000<br />
2500<br />
2000<br />
1500<br />
1000<br />
500<br />
0<br />
80000<br />
60000<br />
40000<br />
20000<br />
0<br />
Counts (simulated)<br />
120000<br />
100000<br />
Counts (simulated)<br />
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spektrenanalyse<br />
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Vorteile des Template Matching gegenüber Peakanalyse<br />
• Identifizieren bei schlechter Statistik<br />
• Identifizieren bei mäßiger Energieauflösung<br />
• Templates können berechnet (simuliert) oder gemessen werden<br />
Anpassen an spezielle Probleme<br />
Voraussetzung<br />
• exakte Energieskale<br />
Linearisierung<br />
Kalibrierung<br />
Stabilisierung<br />
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physik im identiFINDER<br />
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• Detektorstabilisierung<br />
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detektorstabilisierung – warum?<br />
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Situation<br />
γ<br />
• Signal<br />
NaI(Tl)<br />
• Systemverstärkung<br />
S = G system * E g<br />
~<br />
G system LO scint (T)<br />
*<br />
PMT<br />
G PMT (T, Load, History)<br />
LO … Lichtausbeute des Szintillators<br />
G PMT … Verstärkung des Photomultipliers<br />
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detektorstabilisierung – warum?<br />
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• Betriebsbedingungen von RID<br />
• Spektrum<br />
• Temperatur T ≤ -15°C … ≥ +55°C<br />
• Zählrate (Last) 10 … ≥ 100.000 cps<br />
• Verstärkungsvariation ca. 30 … 50%<br />
Counts<br />
100000<br />
10000<br />
1000<br />
100<br />
10<br />
5%<br />
Th-232<br />
Cs-137<br />
Gain 1.00<br />
Gain 1.05<br />
0 100 200 300 400 500<br />
Channel<br />
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detektorstabilisierung – warum?<br />
DPG-Jahrestagung, München, März 2006 © target systemelectronic gmbh<br />
• Betriebsbedingungen von RID<br />
• Temperatur T ≤ -15°C … ≥ +55°C<br />
• Zählrate (Last) 10 … ≥ 100.000 cps<br />
• Verstärkungsvariation ca. 30 … 50%<br />
völlig unvereinbar mit einer zuverlässigen Nuklid-<br />
Identifizierung nach dem Template-Verfahren<br />
.<br />
AIW 1.2 / Miniaturisierte tragbare Gammaspektrometer zur Nuklididentifikation – <strong>Physik</strong> <strong>kontra</strong> <strong>Terrorgefahr</strong><br />
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detektorstabilisierung – wie?<br />
DPG-Jahrestagung, München, März 2006 © target systemelectronic gmbh<br />
Situation<br />
γ<br />
G system LO scint (T)<br />
*<br />
Idee<br />
~<br />
T scint<br />
NaI(Tl)<br />
G PMT (T, Load, History)<br />
• PMT-Stabilisierung mit einer gepulsten Lichtquelle (LED)<br />
• Numerische Korrektur für<br />
Temperatureffekte im Szintillator (T scint )<br />
PMT<br />
LED<br />
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detektorstabilisierung – wie?<br />
DPG-Jahrestagung, München, März 2006 © target systemelectronic gmbh<br />
Signale<br />
γ<br />
NaI(Tl)<br />
• LED-Signale<br />
• Regulär (feste Frequenz)<br />
• Rechteckform<br />
• Gamma-Signale<br />
• Irregulär (statistisch)<br />
• Exponentiell (Decay Time τ)<br />
PMT<br />
LED<br />
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detektorstabilisierung – wie?<br />
DPG-Jahrestagung, München, März 2006 © target systemelectronic gmbh<br />
γ<br />
T scint<br />
Probleme<br />
• Wie kann das Spektrometer die LED- von den Gamma-Signalen<br />
trennen? (ohne aufwändige zusätzliche Hardware)<br />
• Wie kann man die „wirkliche“ (effektive) Szintillatortemperatur messen?<br />
(schlechte Wärmeleitung kein Temperaturgleichgewicht!)<br />
Lösung<br />
NaI(Tl)<br />
• nutzt Vorteile digitaler Signalverarbeitung<br />
PMT<br />
LED<br />
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detektorstabilisierung – wie?<br />
DPG-Jahrestagung, München, März 2006 © target systemelectronic gmbh<br />
• Gamma-Signale (Szintillator) Decay Time τ (T)<br />
τ (T)<br />
Filter<br />
• LED-Signale Rechteckform<br />
Filter<br />
Impulsform kann genutzt werden zur<br />
• LED/Gamma-Diskriminierung<br />
• Messung der Szintillatortemperatur<br />
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detektorstabilisierung<br />
DPG-Jahrestagung, München, März 2006 © target systemelectronic gmbh<br />
Signalverarbeitung im identiFINDER: Digital (DSP).<br />
Sampling<br />
ADC<br />
DMA<br />
EFCOP<br />
DMA<br />
DSP<br />
Memory<br />
γ<br />
γ<br />
LED<br />
Digital<br />
Filter<br />
LED<br />
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detektorstabilisierung<br />
DPG-Jahrestagung, München, März 2006 © target systemelectronic gmbh<br />
Signalanalyse im identiFINDER<br />
• Durchsuche Buffer nach gültigen Signalen:<br />
Trigger Level TL überschritten?<br />
• Bestimme<br />
Amplitude a<br />
und<br />
Signalbreite w<br />
für jedes gültige<br />
Signal<br />
• Klassifiziere die<br />
Signale anhand<br />
der Signalbreite<br />
TTL<br />
w<br />
a<br />
Gamma<br />
Gamma<br />
LED<br />
LED<br />
AIW 1.2 / Miniaturisierte tragbare Gammaspektrometer zur Nuklididentifikation – <strong>Physik</strong> <strong>kontra</strong> <strong>Terrorgefahr</strong><br />
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detektorstabilisierung<br />
DPG-Jahrestagung, München, März 2006 © target systemelectronic gmbh<br />
Signalanalyse im identiFINDER<br />
• Durchsuche Buffer nach gültigen Signalen:<br />
Trigger Level TL überschritten?<br />
Gamma<br />
• Bestimme<br />
Amplitude a<br />
und<br />
Signalbreite w<br />
für jedes gültige<br />
Signal<br />
• Klassifiziere die<br />
Signale anhand<br />
der Signalbreite<br />
Counts<br />
1000000<br />
100000<br />
10000<br />
1000<br />
100<br />
10<br />
1<br />
Pulse Width<br />
Spectrum<br />
Noise<br />
LED<br />
0 200 400 600 800 1000<br />
Pulse Width [channels]<br />
1 kcps<br />
50 kcps<br />
Pileup<br />
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detektorstabilisierung<br />
DPG-Jahrestagung, München, März 2006 © target systemelectronic gmbh<br />
Signalanalyse im identiFINDER<br />
• LED-Signale:<br />
• Impulshöhenspektrum<br />
PMT-Stabilisierung:<br />
Halte LED-Peak<br />
auf Sollposition<br />
Counts<br />
LED<br />
Pulse Height<br />
Spectrum<br />
Pulse Height<br />
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detektorstabilisierung<br />
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Signalanalyse im identiFINDER<br />
• Gamma-Signale:<br />
• Peakosition<br />
effektive<br />
Szint.-Temp.<br />
Korrektur<br />
für LO(T)<br />
Counts<br />
1000000<br />
100000<br />
10000<br />
1000<br />
100<br />
10<br />
1<br />
Pulse Width<br />
Spectrum<br />
0 200 400 600 800 1000<br />
Pulse Width [channels]<br />
1 kcps<br />
50 kcps<br />
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detektorstabilisierung<br />
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Signalanalyse im identiFINDER<br />
• Gamma-Signale:<br />
• Impulshöhenspektrum<br />
= Messspektrum<br />
• Beispiel:<br />
Reaktor-Pu<br />
4s (!) Messzeit<br />
Counts<br />
100000<br />
10000<br />
1000<br />
100<br />
10<br />
1<br />
RGPu (with Am-241)<br />
Throughput 150.000 cps<br />
0 200 400 600 800 1000<br />
Energy [keV]<br />
Gamma<br />
Pulse Height<br />
Spectrum<br />
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detektorstabilisierung<br />
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Vorteile<br />
• exzellente Stabilität in allen Last- und Temperaturbereichen<br />
• typisch: 1%<br />
• keine zusätzliche Hardware (außer LED-Pulser)<br />
• exzellente Unterdrückung von Noise und Pileup<br />
• durch Signalform-Auswahl<br />
• niedrige Triggerschwelle<br />
• 15 … 20 keV Gammaenergie<br />
• hohe Last<br />
• Durchsatz bis 150.000 cps<br />
• exakte Totzeitmessung durch LED-Pulser<br />
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aufgabenfelder für physiker<br />
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Hard- und Software-Engineering<br />
• Hardware – Neu-/Weiterentwicklung<br />
• minimaler Aufwand<br />
• maximale Leistung<br />
• Hardwarenahe Programmierung (DSP)<br />
• Assembler<br />
• Hardware Software<br />
• Beispiel: LED-Stabilisierung<br />
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aufgabenfelder für physiker<br />
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Detektorphysik<br />
• Ziel<br />
• Gammaspektroskopie<br />
• Neutronennachweis<br />
• maximale Auflösung, Effektivität<br />
• minimale Abmessung, Preis<br />
Optimierung bewährter Lösungen<br />
neue Konzepte, Technologien, Materialien, …<br />
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aufgabenfelder für physiker<br />
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Theorie / Algorithmen<br />
• digitale Signalverarbeitung<br />
• Spektrenanalyse<br />
• Werkzeuge, Konzepte<br />
• Lineare Algebra<br />
• Filtertheorie (Funktechnik, Radar, Ultraschall, Raumfahrt)<br />
• Bild- und Spracherkennung ...<br />
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aufgabenfelder für physiker<br />
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Detektorphysik<br />
Detektorphysik<br />
Hard- und<br />
Software-<br />
Engineering<br />
Engineering<br />
Theorie und<br />
Algorithmen<br />
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project team<br />
DPG-Jahrestagung, München, März 2006 © target systemelectronic gmbh<br />
identiFINDER ® ultra f&e *)<br />
• Jürgen Stein (Konzept, <strong>Physik</strong>,<br />
Elektronik, Algorithmen, Software)<br />
• Achim Kreuels (<strong>Physik</strong>, Software)<br />
Martin Kreuels<br />
(Design)<br />
Ralf Lentering<br />
(Hard- und Software)<br />
Frank Lück<br />
(Hard- und Software)<br />
Guntram Pausch<br />
(<strong>Physik</strong>, Software)<br />
Frank Platte<br />
(<strong>Physik</strong>, Software)<br />
Katja Römer<br />
(<strong>Physik</strong>, Software)<br />
Karen Saucke<br />
(<strong>Physik</strong>, Software)<br />
Falko Scherwinski (<strong>Physik</strong>, Software)<br />
Nikolai Teofilov<br />
(<strong>Physik</strong>, Software)<br />
*)<br />
gefördert durch die Deutsche Bundesstiftung Umwelt<br />
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