HPGe伽玛能谱脉冲处理参数的优化

由于高纯锗探测器分辨率高，因此在需要同位素鉴定的情况下选择使用高纯锗探测器。在各种情况下，有必要在伽马射线通量高的区域进行伽马射线能谱测量，这意味着高计数率，例如核医学、放射化学、保障措施和中子活化分析。

在其他应用中，可能会遇到计数率的大动态范围，例如，在一个通常用于监测环境的系统上计算核事故后获得的样本。在实验室计数情况下，可以通过增加源探测器距离、屏蔽或准直，或减少样本量来降低计数率。然而，在实际情况下，可能不可能通过任何一种方法来降低计数率。所面临的挑战是在每一种测量情况下获得尽可能“最好”的数据。“最佳”是光谱质量(峰值、宽度和位置)和统计(计数数)考虑的一个广泛的计数率范围的组合。

多道分析器(MCA)的发展,通过数字信号处理(DSP)的探测器信号转换为数字信号的模拟信号直接从前置放大器输出,允许许多处理信号的新方法,而大多数的妥协和近似模拟信号需要处理¹．它产生了一个更广泛的数值范围的塑造时间(被称为平顶，上升时间和下降时间)。此外,探测器信号的处理可以用不同的方式来提高分辨率或宽屏在半峰(应用性能,通过测量前置放大器脉冲之后,使用数字滤波器的测量选择范围执行pulse-by-pulse调整前置放大器脉冲。

频谱峰值或净全能量峰值的半高宽取决于成形时间。长整形时间包括过多的信号噪声，短整形时间不包括所有前置放大器脉冲². 采用适合探测器前置放大器输出信号的整形时间，可以获得最佳和最小的半高宽。总脉冲处理时间随着整形时间的增加而直接增加。吞吐量定义为光谱中的脉冲与进入探测器的伽马射线总数的比率。脉冲处理时间基本上是死区时间或MCA无法采集下一个脉冲的时间。吞吐量与死区时间以及脉冲处理时间有关。虽然更长的整形时间通常产生更好的峰值分辨率，但它们意味着更大的死区时间和更低的吞吐量。

本文描述了如何测量两个HPGe探测器(相对效率为20%和95%)，以确定整个上升时间和平顶范围内的低能峰和高能峰的半宽时宽分辨率。这个范围比以前可用的模拟系统要宽得多，完全覆盖了HPGe探测器输出信号的范围。最新的ORTEC DSP MCA,dspec50用于收集数据。

核素和伽马射线

探测器和电子产品

低效HPGe探测器是直径为56mm、长度为34mm的GEM（p型）探测器，相对效率约为20%。高效HPGe探测器是直径为79mm、长度为77mm的GEM探测器，相对效率约为95%。低效和高效HPGe探测器均安装在水平低温恒温器中，并用液氮冷却。

使用相同的DSPEC 50，一次测量一个探测器。DSPEC 50提供低压电源、高压偏置、频谱存储器和DSP。该探测器通过以太网连接到控制计算机。

上升时间为0.8 ~ 23.0µs，平顶时间为0.3 ~ 2.4µs。图1显示了定义了上升时间和平顶的过滤器。

图1所示。上升时间和Flattop定义

虽然前置放大器的脉冲振幅与伽马射线能量成正比，但其形状，即振幅与时间的关系，取决于探测器的特性。较大的探测器可能比较小的探测器具有更长的总脉冲宽度。图2显示了两个探测器的前置放大器输出脉冲的比较。

图2。前置放大器脉冲来自20%和95% HPGe

来源

在这个小型探测器上使用的源是⁵⁷有限公司和⁶⁰对于大型探测器，¹⁰⁹Cd和⁶⁰有限公司。均为点源，在探测器前的轴线上放置一定距离，以达到合理的计数率，即距离端盖前端15 - 25厘米。每个检测器最长成型时间的死区时间约为15%。对于每个检测器的整个数据收集，源-检测器的几何形状仍然是稳定的。

方法

收集了从最小到最大的平顶时间和上升时间的数据。总的来说，使用了11个平顶和28次上升。GammaVision被用来自动化数据收集过程。小探测器峰面积不确定度约为0.4%，大探测器峰面积不确定度约为0.5%。每个峰的峰面积FW1/25M(最大25分之1的全宽)和FWHM是用IEEE 325测量的^3.方法应用于GammaVision⁴．确定背景区域的宽度选择相对较宽，以减少半宽时宽随计算宽度的变化。

图3显示了不同平顶和上升时间下小探测器的122kev峰值的比较。低振幅峰值为0.3µs的平顶，上升时间为0.8µs，为可能最短的时间。位于基线上的高峰为1.0µs的平顶和5.0µs的上升时间，是均匀分辨率区域的低端。中间峰为平顶2.4µs，上升时间23.0µs，两者均可达到最大值。

图3。比较不同整形时间的谱峰形状

结果

决议

20%探测器的122 keV峰的FW1/25M和FWHM如图4所示。两条曲线的形状遵循参考文献2中的预测，其中较长的整形时间被显示为包含更大比例的噪声。122kev伽马射线在晶体中只会有一次相互作用，因为电荷脉冲很短。FWHM只显示轻微的增加(~20%)，而FW1/25M显示更大的增加(~35%)，说明增加的并行噪声在振幅上很小。

图4。分辨率在122 keV与上升时间的许多平顶时间(FWHM和FW1/25M)为20% HPGe

图5显示了88 keV下95%探测器的相同数据。形状对时间的一般依赖性类似于较小的探测器，但最小值出现在较高的时间，这与较大晶体中较长的电荷收集时间完全一致。95%探测器的短平顶对于低振幅（低能伽马射线）探测器脉冲来说非常短，其上升时间较长。

图5。在88 keV分辨率与上升时间的许多平顶时间(FWHM和FW1/25M)的95% HPGe

20%探测器1.33 MeV峰值的分辨率数据如图6所示。1.33 MeV的伽玛射线在晶体中会有一些相互作用，从而沉积整个能量，并增加电荷收集时间。FWHM在短时间内显示出一些增加，特别是在最短的平顶，而FW1/25M在较短时间内显示出更多的增加。在1.0 μ s平顶以上，半宽和FW1/25M都有一定的提高。上升时间对~ 4µs以上半宽值的影响最小。FW1/25M在~4 ~ 5µs时表现最好，但从~ 13µs的上升时间开始，FW1/25M呈较小的稳定增长。

图6。在1.33 MeV分辨率和上升时间的许多平顶时间(FWHM和FW1/25M)的95% HPGe

图7显示了95%探测器的相同数据。未显示较短上升时间和平顶组合的FWHM数据，但显示了与该区域FW1/25M数据类似的趋势。对于这种电荷收集时间较长的探测器，对于较短的平顶时间（低于~1µs），FW1/25M和FWHM较大。在1µs的平顶时间以上，分辨率取决于上升时间。FW1/25M从5µs到23µs的变化小于7.5%，而FWHM从4µs到23µs的变化小于6%。在可接受分辨率区域的低端使用上升时间和平顶时间将减少每个脉冲的处理时间。减少的死区时间将提高吞吐量，并减少随机求和或堆积造成的信号损失。这表明，在几乎所有的计数情况下都可以使用较短的成形时间，因为生成的峰值形状几乎相同。

图7。在1.33 MeV分辨率与上升时间的许多平顶时间(FWHM和FW1/25M)为20% HPGe

吞吐量

的DSPEC 50的吞吐量是衡量“传统”的时机和保护时间的吞吐量值增强器模式的形成时间在可接受范围的低端(上升时间6.0µ和平顶1.0µ年代)和时间最短的形成可能的(上升时间0.8µ和平顶0.6µ年代)。

图8显示了吞吐量vs最短时间的输入计数率。保护时间更短的改进需要注意。图9显示了同一组参数的解析。此外，在大范围的死区时间内，FWHM与计数率或保护时间没有差异。

图8。不同保护时间的吞吐量是死区时间的函数，上升时间= 0.8，平顶时间= 0.6µs。

图9。不同死区时间和保护时间的1.33 MeV分辨率

在上升时间和可接受范围低端的平顶值(上升时间为6.0µs，平顶值为1.0µs)时，分辨率和吞吐量都是有用的。图10显示了吞吐量作为输入计数率的函数。值得注意的是，在输入计数率约为40 kcps(传统定时)和80 kcps(最小保护时间)时，最大吞吐量峰值。这在吞吐量上增加了约1.6。

图10。吞吐量和ICR

从最小到最大的几个脉冲处理时间的FWHM和FW1/25M分辨率如图11所示。FWHM和FW1/25M不受保护时间的影响。半宽直到死区时间达到95%时才开始增加，FW1/25M在80%左右开始增加。

图11。分辨率vs死时间不同的保护时间

死区时间与输入计数率的关系如图12所示。将图10和图11所示的结果与图12所示的结果进行比较，在最短保护时间内的最大吞吐量在FWHM和FW1/25M下都在较好的分辨率范围内。

图12。死区时间与各种保护时间的输入计数率

结论

根据IEEE 325标准，HPGe分辨率应在⁶⁰模拟整形时间为6µs，计数率低，相当于使用12µs数字滤波器的数字脉冲处理结果。

第一次发布于1971年的IEEE 325标准依赖于那个特定时代的技术。虽然这个规范是一个有效的措施对探测器的性能在试验条件下,是不足够的预测检测器的性能在其他操作条件,和6µ年代模拟成形时间规范可能是次优的任何应用程序现有的探测器和差异。为了获得适用于特定应用程序的系统，必须指定与应用程序相关的性能参数值，这些值可以与标准中规定的值不同。

分辨率数据显示DSP mca,脉冲整形时间（上升时间和平顶时间）的下限取决于伽马射线的能量和探测器的大小，通过它可以获得更好的峰值形状。与早期的模拟系统相比，这可以准确地确定。在小型探测器上，较长的整形时间可以增加峰值宽度，而在大型探测器上，整形时间对提高低速率性能几乎没有作用，但在高计数率下会降低系统的最大吞吐量。减少成形时间（可提供可接受的低计数率分辨率）可增加可实现的计数率的动态范围，并可通过使用吞吐量增强技术进一步增强最大吞吐量。

数据还表明，DSP MCAs具有更好的性能(良好的吞吐量和分辨率)，在广泛的整形时间和脉冲处理时间。这表明DSP MCAs可以设置在低和高计数率下运行，而不改变任何调整，也不降低分辨率性能或在任何计数率下的数据收集。

工具书类

Ronald Keyser, Timothy Twomey，和Russell Bingham，“基于数字信号处理的锗探测器伽马光谱仪的性能改进”，ANS秋季会议，华盛顿特区，2004年11月。

[2] Ron Jenkins, R. W. Gould，和Dale Gedcke，“定量x射线光谱法”，147页，1995,Marcel Dekker, Inc.，纽约

用于数字信号处理系统的锗伽马射线探测器IEEE标准测试程序，电气和电子工程师协会，纽约10017-2394

[4] GammaVision操作手册，ORTEC，橡树岭，TN

本信息来源、审查和改编自ORTEC提供的材料。亚博网站下载

有关此来源的更多信息，请访问ORTEC。