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具有数字信号处理的现代伽马射线谱仪

核谱测量涉及主要采用数字信号处理 (DSP) 的实验室仪器。

与传统的模拟设计相比,DSP 在所有应用中都具有高稳定性、更高的分辨率和更高的吞吐量。

以上所有优点都提高了频谱质量和分析结果。随着低功耗数字信号处理模块的发展,在便携式设备中实现 DSP 以及在标准 PC 板上构建分析仪方面取得了进展。

数字信号处理。

电离辐射光谱仪将探测器发出的电荷脉冲转换为电压脉冲,测量其振幅并将其作为直方图存储在光谱仪的内存中。通过软件分析脉冲振幅直方图,可以定性和定量测定样品中存在的同位素。

在模拟系统中,脉冲由模拟电子电路形成,其特性往往会根据温度和其他测量参数而变化。在数字系统中,脉冲由数字信号处理器形成,该处理器是一个非常大的集成电路,是一种高度稳定的光谱仪。数字系统最重要的优势之一是可用的脉冲形成参数组合数量几乎是无限的。这使得为每个特定探测器选择最佳操作模式成为可能,从而允许在该特定探测器上实现最佳分辨率和吞吐量。

比较模拟和数字光谱仪的框图时发现的唯一相似之处是输入端有一个射极跟随器,用于接收来自前置放大器的信号,输出端有一个用于与计算机通信的接口。在数字光谱仪中,输入跟随器之后,快速 ADC 将每个输入信号的形状数字化并将其转换为一串数字。数字滤波器使用特殊算法处理此信息。在数字滤波器之后,将执行基线恢复、增益微调和以数字精度和稳定性稳定频谱的功能。

数字滤波器。数字滤波器的形状如图所示。

具有数字信号处理的现代伽马射线谱仪

滤波器的形状为梯形,其侧面可以是凹的,顶部可以是倾斜的或宽度为零的平顶(此时梯形将重生为三角形)。传统的梯形滤波器用于同轴半导体探测器。对于弹道缺陷较大的探测器,可使用顶部倾斜的滤波器,以部分补偿缺陷。如果使用的是平面半导体探测器和闪烁探测器,则主要使用三角形滤波器形状或将平顶的宽度设为最小。在现代数字光谱仪发展的这个阶段,可以为每个滤波器参数设置几十个可能的值:上升时间、平顶宽度、梯形侧面的凹度、平顶的倾斜角度。大量的数字滤波器参数选择使得可以针对特定探测器对光谱仪进行微调。

数字和模拟设备的比较特性

模拟和数字光谱仪的首次比对在美国洛斯阿拉莫斯国家实验室进行。选择第一台批量生产的数字光谱仪DSPec(由美国ORTEC制造)和基于NIM模块的模拟系统进行比对;4002D电源(ORTEC)、3106D高压电源(由美国Canberra制造)、8077幅度数字转换器(Canberra)、8232数字稳定器(Canberra)、672光谱放大器(ORTEC)和4610多通道分析仪(Canberra)。本工作中使用了两个由Canberra制造的纯p型锗制成的同轴探测器,效率分别为23%和25%。

实验中使用了两种电离辐射源:57 Co 和60 Co,分别用于评估低能和高能范围内的器件。在 1、3、10 和 30 kHz 负载的输入端收集光谱,模拟的整形时间为 2、4、6 μs,DSPec 的上升时间为 4、8 和 12 μs。对于 50 kHz 负载,使用的整形时间为 2 μs,上升时间为 4 μs。

比较结果表明,在大多数实验中,数字光谱仪的性能优于模拟设备。特别是,DSP 的吞吐量比模拟系统更高,且分辨率相同。

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