Современные спектрометры гамма-излучения с цифровой обработкой сиганала

   При проведении измерений в ядерной спектрометрии используются лабораторные приборы, в которых в основном используется цифровая обработка сигналов (DSP).

   По сравнению с традиционными аналоговыми конструкциями DSP позволяет обеспечивать высокую стабильность, улучшенное разрешение и более высокую пропускную способность во всех приложениях.

   Все преимущества, приведенные выше, обеспечивают улучшенное качество спектра и результатов анализа. В связи с развитием создания модулей цифровой обработки сигналов с малым энергопотреблением наметился прогресс внедрения DSP в портативные устройства и  построения на их основе анализаторов в стандартные платы ПК.

   Цифровая обработка сигналов.

   Спектрометр ионизирующего излучения преобразует импульсы электрического заряда от детектора в импульсы напряжения, амплитуда которых измеряется и запоминается в памяти спектрометра в виде гистограммы. Данная гистограмма амплитуд импульсов анализируется программным обеспечением для качественного и количественного определения присутствующих в образце изотопов.

   В аналоговой системе импульс формируется аналоговыми электронными цепями, характеристики которых имеют свойство меняться в зависимости от температуры и других параметров измерения. В цифровой системе импульс формируется с помощью цифрового процессора сигналов, реализованным в виде сверхбольшой интегральной схемы, представляющей собой высокостабильный спектрометр. Одним из важнейших преимуществ цифровой системы является практически бесконечное количество комбинаций доступных параметров формирования импульса. Это дает возможность для каждого конкретного детектора подобрать наилучший режим работы, который позволил бы достичь на данном конкретном детекторе наилучшего разрешения и пропускной способности.

   Единственным сходством, выявляемым при сравнении блочных схем аналогового и цифрового спектрометра, является наличие на входе эмиттерного повторителя для приема сигнала от предусилителя, а на выходе - интерфейс для связи с компьютером. Сразу за входным повторителем в цифровом спектрометре быстрый АЦП оцифровывает форму каждого входного сигнала и превращает его в строку чисел. Цифровой фильтр обрабатывает эту информацию по специальному алгоритму. После цифрового фильтра исполняются функции восстановления базовой линии, тонкой настройки усиления и стабилизации спектра с цифровой точностью и стабильностью.

   Цифровые фильтры. Форма цифрового фильтра представлена на рисунке .

   Фильтр имеет вид трапеции с боковыми сторонами, которые могут быть вогнуты, и плоской вершиной, которая может быть наклонена или быть нулевой ширины (тогда трапеция перерождается в треугольник). Традиционный трапециевидный фильтр применяется для работы с коаксиальными полупроводниковыми детекторами. При большом объеме детекторов с наличием баллистического дефицита используют фильтры с наклоном вершины, что позволяет частично компенсировать дефицит. Если идет речь о работе с планарными полупроводниковыми детекторами и сцинтилляционными детекторами, то в этом случае в основном применяют треугольную форму фильтра или же ширину плоской вершины делают минимальной. На данном этапе развития современных цифровых спектрометров существует возможность устанавливать по нескольку десятков возможных величин для каждого параметра фильтра: времени нарастания, ширины плоской вершины, вогнутости стороны трапеции, угла наклона плоской вершины. Большой выбор параметров цифрового фильтра дает возможность точной настройки спектрометра на конкретный используемый детектор.

   Сравнительная характеристика цифровых и аналоговых приборов

   Первые сравнения аналогового и цифрового спектрометров были проведены в Лос-Аламосской национальной лаборатории США. Для сравнения были выбраны первый серийно выпускаемый цифровой спектрометр DSPec (производство фирмы ORTEC, США) и аналоговая система на основе блоков NIM; источник питания 4002D (ORTEC), высоковольтное питание 3106D (производство фирмы Canberra, США), амплитудно-цифровой преобразователь 8077 (Canberra), цифровой стабилизатор 8232 (Canberra), спектрометрический усилитель 672 (ORTEC), многоканальный анализатор 4610 (Canberra). В работе были использованы два коаксиальных детектора из чистого германия p-типа производства и Canberra с эффективностями 23 % и 25% ответственно.

   При проведении эксперимента использовались два источника ионизирующего излучения: 57Со и 60Со для оценки приборов в области низких и высоких энергий соответственно. Спектры набирались при входе на загрузках 1, 3, 10 и 30 кГц с временами формирования 2, 4, 6 мкс для аналогового и временами нарастания 4, 8 и 12 мкс для DSPec. Для загрузки 50 кГц применялось время формирования 2 мкс и время нарастания 4 мкс.

   В результате сравнения удалось установить, что в большинстве экспериментов цифровой спектрометр показал лучшие характеристики по сравнению с аналоговым прибором. В частности выявлено, что DSP обладает более высокой пропускной способностью при том же разрешении что и аналоговая система.


Анализатор импульсов DP5