Spektrometer sinar gamma modern dengan pemrosesan sinyal digital

Pengukuran spektrometri nuklir melibatkan instrumen laboratorium yang terutama menggunakan pemrosesan sinyal digital (DSP).

Dibandingkan dengan desain analog tradisional, DSP memungkinkan stabilitas tinggi, resolusi yang lebih baik, dan throughput yang lebih tinggi di semua aplikasi.

Semua keunggulan yang disebutkan di atas memberikan kualitas spektrum dan hasil analisis yang lebih baik. Sehubungan dengan pengembangan modul pemrosesan sinyal digital berdaya rendah, kemajuan telah dicapai dalam penerapan DSP pada perangkat portabel dan pembuatan alat analisis berdasarkan DSP pada papan PC standar.

Pemrosesan sinyal digital.

Spektrometer radiasi pengion mengubah pulsa muatan listrik dari detektor menjadi pulsa tegangan, yang amplitudonya diukur dan disimpan dalam memori spektrometer sebagai histogram. Histogram amplitudo pulsa ini dianalisis oleh perangkat lunak untuk penentuan kualitatif dan kuantitatif isotop yang ada dalam sampel.

Dalam sistem analog, pulsa dibentuk oleh sirkuit elektronik analog yang karakteristiknya cenderung berubah tergantung pada suhu dan parameter pengukuran lainnya. Dalam sistem digital, pulsa dibentuk oleh prosesor sinyal digital yang diimplementasikan sebagai sirkuit terpadu yang sangat besar, yang merupakan spektrometer yang sangat stabil. Salah satu keuntungan terpenting dari sistem digital adalah jumlah kombinasi parameter pembentukan pulsa yang tersedia yang hampir tak terbatas. Hal ini memungkinkan untuk memilih mode operasi terbaik untuk setiap detektor tertentu, yang akan memungkinkan tercapainya resolusi dan throughput terbaik pada detektor khusus ini.

Satu-satunya kesamaan yang terungkap saat membandingkan diagram blok spektrometer analog dan digital adalah keberadaan pengikut emitor pada input untuk menerima sinyal dari preamplifier, dan antarmuka untuk komunikasi dengan komputer pada output. Segera setelah pengikut input dalam spektrometer digital, ADC cepat mendigitalkan bentuk setiap sinyal input dan mengubahnya menjadi serangkaian angka. Filter digital memproses informasi ini menggunakan algoritma khusus. Setelah filter digital, fungsi pemulihan garis dasar, penyetelan halus penguatan, dan stabilisasi spektrum dengan akurasi dan stabilitas digital dilakukan.

Filter digital . Bentuk filter digital ditunjukkan pada gambar.

Filter berbentuk trapesium dengan sisi yang dapat cekung dan bagian atas datar yang dapat miring atau memiliki lebar nol (kemudian trapesium terlahir kembali sebagai segitiga). Filter trapesium tradisional digunakan untuk bekerja dengan detektor semikonduktor koaksial. Dengan volume detektor yang besar dengan defisit balistik, filter dengan bagian atas miring digunakan, yang memungkinkan kompensasi sebagian dari defisit. Jika kita berbicara tentang bekerja dengan detektor semikonduktor planar dan detektor sintilasi, maka dalam hal ini bentuk filter segitiga terutama digunakan atau lebar bagian atas datar dibuat minimal. Pada tahap pengembangan spektrometer digital modern ini, dimungkinkan untuk menetapkan beberapa lusin nilai yang mungkin untuk setiap parameter filter: waktu naik, lebar bagian atas datar, cekung sisi trapesium, sudut kemiringan bagian atas datar. Banyaknya pilihan parameter filter digital memungkinkan untuk menyempurnakan spektrometer untuk detektor tertentu yang digunakan.

Karakteristik komparatif perangkat digital dan analog

Perbandingan pertama spektrometer analog dan digital dilakukan di Laboratorium Nasional Los Alamos di AS. Spektrometer digital pertama yang diproduksi secara serial DSPec (diproduksi oleh ORTEC, AS) dan sistem analog berdasarkan blok NIM dipilih untuk perbandingan; catu daya 4002D (ORTEC), catu daya tegangan tinggi 3106D (diproduksi oleh Canberra, AS), konverter amplitudo-ke-digital 8077 (Canberra), penstabil digital 8232 (Canberra), penguat spektrometrik 672 (ORTEC), dan penganalisis multikanal 4610 (Canberra). Dua detektor koaksial yang terbuat dari germanium tipe-p murni yang diproduksi oleh Canberra dengan efisiensi masing-masing 23% dan 25%, digunakan dalam pekerjaan tersebut.

Dua sumber radiasi pengion digunakan dalam percobaan: ⁵⁷ Co dan ⁶⁰ Co untuk mengevaluasi perangkat dalam rentang energi rendah dan tinggi, masing-masing. Spektrum dikumpulkan pada input pada beban 1, 3, 10, dan 30 kHz dengan waktu pembentukan 2, 4, 6 μs untuk analog dan waktu kenaikan 4, 8, dan 12 μs untuk DSPec. Untuk beban 50 kHz, waktu pembentukan 2 μs dan waktu kenaikan 4 μs digunakan.

Sebagai hasil perbandingan, dapat dipastikan bahwa dalam sebagian besar percobaan, spektrometer digital menunjukkan karakteristik yang lebih baik dibandingkan dengan perangkat analog. Secara khusus, terungkap bahwa DSP memiliki throughput yang lebih tinggi dengan resolusi yang sama dengan sistem analog.