Espectómetros de rayos gamma modernos con procesamiento de señales digitales
Las mediciones de espectrometría nuclear involucran instrumentos de laboratorio que emplean principalmente procesamiento de señales digitales (DSP).
En comparación con los diseños analógicos tradicionales, el DSP permite una alta estabilidad, una resolución mejorada y un mayor rendimiento en todas las aplicaciones.
Todas las ventajas mencionadas anteriormente permiten mejorar la calidad del espectro y los resultados de los análisis. En relación con el desarrollo de módulos de procesamiento de señales digitales de bajo consumo, se ha avanzado en la implementación de DSP en dispositivos portátiles y en la construcción de analizadores basados en ellos en placas de circuito impreso estándar.
Procesamiento de señales digitales.
El espectrómetro de radiación ionizante convierte los pulsos de carga eléctrica del detector en pulsos de tensión, cuya amplitud se mide y se almacena en la memoria del espectrómetro en forma de histograma. Este histograma de amplitudes de pulso se analiza mediante un software para la determinación cualitativa y cuantitativa de los isótopos presentes en la muestra.
En un sistema analógico, el pulso se forma mediante circuitos electrónicos analógicos cuyas características tienden a cambiar en función de la temperatura y otros parámetros de medición. En un sistema digital, el pulso se forma mediante un procesador de señal digital implementado como un circuito integrado de gran tamaño, que es un espectrómetro de alta estabilidad. Una de las ventajas más importantes de un sistema digital es el número prácticamente infinito de combinaciones de parámetros de formación de pulsos disponibles. Esto permite seleccionar el mejor modo de funcionamiento para cada detector específico, lo que permitiría lograr la mejor resolución y rendimiento en este detector específico.
La única similitud que se revela al comparar los diagramas de bloques de un espectrómetro analógico y digital es la presencia de un seguidor de emisor en la entrada para recibir una señal del preamplificador y una interfaz para la comunicación con una computadora en la salida. Inmediatamente después del seguidor de entrada en el espectrómetro digital, un convertidor analógico-digital rápido digitaliza la forma de cada señal de entrada y la convierte en una cadena de números. Un filtro digital procesa esta información utilizando un algoritmo especial. Después del filtro digital, se realizan las funciones de restauración de la línea base, ajuste fino de la ganancia y estabilización del espectro con precisión y estabilidad digitales.
Filtros digitales . La forma de un filtro digital se muestra en la figura.
El filtro tiene forma de trapezoide con lados que pueden ser cóncavos y una parte superior plana que puede estar inclinada o tener un ancho cero (entonces el trapezoide renace como un triángulo). El filtro trapezoidal tradicional se utiliza para trabajar con detectores de semiconductores coaxiales. Con un gran volumen de detectores con un déficit balístico, se utilizan filtros con una parte superior inclinada, lo que permite una compensación parcial del déficit. Si hablamos de trabajar con detectores de semiconductores planares y detectores de centelleo, entonces en este caso se utiliza principalmente una forma de filtro triangular o se minimiza el ancho de la parte superior plana. En esta etapa de desarrollo de los espectrómetros digitales modernos, es posible establecer varias docenas de valores posibles para cada parámetro del filtro: tiempo de subida, ancho de la parte superior plana, concavidad del lado trapezoidal, ángulo de inclinación de la parte superior plana. Una gran selección de parámetros de filtro digital permite ajustar con precisión el espectrómetro para un detector específico utilizado.
Características comparativas de dispositivos digitales y analógicos
Las primeras comparaciones entre espectrómetros analógicos y digitales se llevaron a cabo en el Laboratorio Nacional de Los Álamos, en los EE. UU. Para la comparación se seleccionaron el primer espectrómetro digital producido en serie, el DSPec (fabricado por ORTEC, EE. UU.) y un sistema analógico basado en bloques NIM; una fuente de alimentación 4002D (ORTEC), una fuente de alimentación de alto voltaje 3106D (fabricada por Canberra, EE. UU.), un convertidor de amplitud a digital 8077 (Canberra), un estabilizador digital 8232 (Canberra), un amplificador espectrométrico 672 (ORTEC) y un analizador multicanal 4610 (Canberra). En el trabajo se utilizaron dos detectores coaxiales fabricados con germanio puro de tipo p fabricados por Canberra con eficiencias del 23 % y 25 %, respectivamente.
En el experimento se utilizaron dos fuentes de radiación ionizante: 57 Co y 60 Co para evaluar los dispositivos en los rangos de energía baja y alta, respectivamente. Los espectros se recogieron en la entrada a cargas de 1, 3, 10 y 30 kHz con tiempos de modelado de 2, 4 y 6 μs para el analógico y tiempos de subida de 4, 8 y 12 μs para el DSPec. Para la carga de 50 kHz, se utilizó un tiempo de modelado de 2 μs y un tiempo de subida de 4 μs.
Como resultado de la comparación, fue posible establecer que en la mayoría de los experimentos el espectrómetro digital mostró mejores características en comparación con el dispositivo analógico. En particular, se reveló que el DSP tiene un mayor rendimiento con la misma resolución que el sistema analógico.
