Medida del espectro de amplitudes Analizadores multicanal

Los impulsos que proceden de un detector de radiación nuclear pueden presentar una gran diversidad de amplitudes. En ocasiones la razón principal de este hecho es que la fuente radiactiva que se está observando emite partículas con un espectro continuo de energías, como es

y γ). Sin embargo, aun en el caso de que el emisor sea rigurosamente monoenergético, los mecanismos de detección introducen efectos secundarios que contribuyen a esa variedad de amplitudes que se ha mencionado.

Un análisis preciso de las características de la radiación requiere, en estos casos, que la cadena de detección pueda funcionar selectivamente totalizando únicamente los impulsos cuyas amplitudes estén comprendidas entre límites bien definidos que puedan ser fijados por el operador. El selector de amplitudes más sencillo que se utiliza en la instrumentación nuclear es el llamado analizador monocanal. Estos dispositivos emplean simultáneamente dos discriminadores fijados a distinto nivel de discriminación para obtener por diferencia entre los resultados de ambos en un mismo intervalo de tiempo, el número de impulsos de amplitud comprendida entre los dos niveles. Al intervalo energético definido por los dos niveles de discriminación se le denomina canal. La anchura del canal (ventana) suele ser variable de forma que se puedan obtener espectros más finos o más groseros, además para poder medir en todo el espectro de amplitudes debe ser posible poder variar la situación (centro) del canal. Mediante un analizador de este tipo variando la posición del canal se obtiene la curva diferencial de distribución de amplitudes. La mayor o menor resolución del espectro dependerá de la anchura del canal que se seleccione. Evidentemente cuanto menor sea la anchura del canal mayor será la resolución un mayor el número de medidas que será necesario realizar.

Las salidas de los discriminadores que definen el canal suelen enviarse a un dispositivo de anticoincidencia de forma que a la salida del mismo, y mediante una escala de recuento, se obtiene directamente el número de impulsos de amplitud comprendida dentro de un canal. Existen analizadores de un canal automáticos, en los que la situación de la ventana recorre muy despacio y a velocidad constante la zona a explorar.

El inconveniente que presenta este tipo de analizador de amplitudes es que al trazar con ellos un espectro completo de energías y mientras se cuentan los impulsos de amplitud correspondientes a una determinada posición del canal, se ignoran todos los demás impulsos que está suministrando el detector. En muchos casos, esta considerable pérdida de información es inadmisible. Así, cuando la muestra a analizar es de actividad muy débil el tiempo de recuento en cada posición del canal debe ser muy grande para poder conseguir una precisión estadística aceptable. De forma que la medida de todo el espectro precisará muchas horas sobre todo si la resolución requerida exige una pequeña anchura del canal. Otro ejemplo, aún más evidente, se tiene cuando la actividad de la muestra no puede considerarse constante durante la duración de la medida, sino que decae con un período relativamente corto. Se deberá entonces medir simultánea y continuamente, con otro detector, la actividad relativa de la muestra y normalizar respecto de dicha actividad las medias obtenidas en cada posición del canal. De lo expuesto se deduce que, en múltiples ocasiones, será necesario registrar al mismo tiempo los impulsos correspondientes a todos los canales en los que se desea dividir el espectro total a analizar, aprovechando así al

máximo la información proporcionada por el detector. Esta posibilidad la ofrecen los llamados analizadores multicanal de amplitud de impulsos.

Los primeros analizadores multicanal estaban constituidos por una agrupación conveniente de analizadores monocanal ya que de la misma forma que dos discriminadores definen un canal, n+1 discriminadores polarizados de forma oportuna, definirán n canales. En la práctica, este tipo de analizadores adolece de algunos defectos importantes, entre los que destaca la dificultad de mantener constantes los umbrales preajustados de un gran número de discriminadores durante largos intervalos de tiempo. Este efecto, inevitable en la práctica, conduce a distorsiones importantes en los espectros medidos. Estas desventajas, unidas a las ventajas el tratamiento informático para el procesado y almacenamiento de información, han dado lugar al desarrollo de un nuevo tipo de analizador multicanal basado en la conversión analógico – digital de los impulsos analógicos recibido por el detector en trenes de impulsos lógicos cuya longitud es proporcional a la amplitud del impulso de detección y su posterior recuento por un sistema informatizado. Este es el tipo de equipo utilizado en la actualidad por la mayoría de los sistemas y en este trabajo de Tesis Doctoral.

Los analizadores multicanal actuales (MCA por su siglas en inglés) son dispositivos multifuncionales. Recolectan y ordenan los pulsos procedentes del amplificador (mediante una tarjeta de conversión analógico-digital o ADC por su sigla en inglés), almacenan y ordenan datos, los muestran e incluso pueden realizar análisis de los datos y preparar los resultados para distintos tipos de salida. El diagrama de bloques de un MCA típico se muestra en la figura 2.16.

Figura 2.16 Diagrama funcional de bloques de un analizador multicanal (MCA).

Entre las características principales que definen a un MCA se pueden destacar las siguientes:

a) Linealidad. En un MCA ideal debería haber una relación lineal entre la altura del pulso de entrada y el número del canal al que se asigna el contaje correspondiente al pulso. La relación de linealidad normalmente presenta un pequeño “offset” en cero (hay una cierta amplitud mínima a la que no se asigna ningún canal) que es ajustable en el ADC de forma que se asegure que los pulsos pequeños de ruido no se procesan. En los

MCA reales se producen desviaciones del comportamiento ideal causadas por fluctuaciones en la ganancia del amplificador debido a variaciones en la temperatura o de la tensión de alimentación de los equipos (entre otras causas) que puede provocar un desplazamiento de los picos del espectro en varios canales.

En las especificaciones de los sistemas de espectrometría el fabricante proporciona su grado de linealidad indicando bien la no-linealidad integral o la no-linealidad

diferencial. La no-linealidad integral mide la desviación respecto a la respuesta ideal

del sistema que por lo general se especifica en porcentaje sobre el rango de medida (por ejemplo <±0,05% sobre el 99% del rango). Las desviaciones suelen ser mayores en los extremos del rango. Un valor aceptable puede ser <±0,05% (que correspondería a 2 canales en un espectro de 4000 canales). Por otra parte, la no-

linealidad diferencial mide la constancia de la anchura de los canales, al ser una

medida más sensible que la lineal un valor de <±1% es bastante aceptable.

b) Número de canales. Los sistemas actuales se fabrican con un gran número de canales (típicamente entre 2000 y 16000), pero un buen sistema de espectrometría debe trabajar con un número óptimo de canales, no siendo necesario utilizar todos los disponibles. Si se utiliza un gran número de canales, es evidente que las cuentas por canal disminuirán, perdiéndose los detalles del espectro debido a una excesiva “rugosidad” del continuo que aumenta la incertidumbre de las medidas. El número óptimo de canales dependerá de la resolución del detector y del rango de energías

que se desea estudiar. Un criterio frecuente es realizar la asignación FWHM1=4

canales. Relacionado con el número de canales hay varios términos que suelen utilizarse: el rango de conversión es el rango de altura de pulsos que el MCA puede aceptar (típicamente de 0 a ±10V), la resolución del sistema ADC es el número total de canales disponibles (típicamente 16384, 8192 o 4096) y por último, la ganancia de

conversión ADC que es el número real de canales que se utilizan en una aplicación

concreta.

2.4.5 Respuesta de los detectores de semiconductor a la radiación