JP2007163516A - デジタルベースの高速x線スペクトロメータについての方法と装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】高速信号処理システムは、検出器−プリアンプ20から入力データを受け、検出器を照射するX線の分光分析を行う。システムはデジタル化されたデータ・ストリーム内でX線信号の存在を検出しそれらの振幅のフィルタされた推定値を引き出す、組み合わせデジタル論理25で実現されたハードワイヤード・プロセッサと、フィルタされた振幅の推定値を精錬しそれらが所望の分光分析を生成するように結び付けるプログラマブル・デジタル信号処理コンピュータ28との間で、必要なデジタル信号処理ステップを分割することによって低コストで高スループットを達成する。ハードワイヤードプロセッサは2つの低速と高速の並列処理チャンネルを有する。
【選択図】図2
Description
合衆国政府はエネルギ省から与えられた契約No. DE-FG03-92ER81311 に準ずる本発明について権利を有する。
1:システムの概観
1.1.プリアンプの入力信号
具体的な実施例の本記述は、われわれが処理する、検出されたX線に対応した、電気パルスについての簡単な論議によって明らかにされるであろう。図1Aは、半導体検出ダイオード 10 、電圧供給源 12 、フィードバックキャパシタCf 15をつけた充電積分プリアンプ 13 、及びフィードバック要素 17 を備える一般的なX線検出器/プリアンプ回路を示す。ダイオード 10 に吸収されたエネルギEx のX線は、Ex /εに等しい電荷Qx を放つ。ここで、εはダイオードの材質に依存する。Qx は、図1Bに示すように、Cf 15で積分され、Qx /Cf あるいはEx /(ε/Cf )と等しい出力電圧ステップVx を生成する。本発明は、Vx の測定において、ノイズσを減らすことによって正確にEx を見積もるためのデジタルフィルタリングを使用している。
ADCの選択は、良好な重ね合せ拒絶と良好なエネルギ分解能両方を持つデジタルスペクトロメーターを実現するうえで重大である。重ね合せに関して:少なくとも20メガサンプル/秒(MSA)は200ns のパルス重ね合せ検査時間を実現するために必要である。
図2は本発明のデジタルスペクトロメータの基本的な構造を示す。従来の検出器−プリアンプ 20 からの入力は、図1Aにあるように、3つの機能ブロックを備えるデジタルスペクトロメータ 22 へ入力される。その3つの機能ブロックは、アナログ信号調整(ASC)とアナログデジタル変換器(ADC)のブロック 23 ,ハードワイヤードデジタルフィルタとピーク検出器と重ね合せ検査器(FiPPI)(a hardwired digital filter, peak detector and pileup inspecter) のブロック 25 ,及び具体的な実施例においては、信号精練、多チャンネル信号分析,ASC制御,及び入出力(I/O)機能のためのデジタル信号処理装置(DSP)であるプログラマブル・デジタル・コンピュータのブロック 27 である。デジタルスペクトロメーター 22 は汎用制御コンピュータとインターフェイス 28 に接続されており、それからパラメータ値と制御信号を受け取り、集められたスペクトラをそれらへ送る。ASC 23 の機能はデジタルスペクトロメータの各ブロック 25 ,27の動作には必要ないが、しかし我々の好適な実施例では設けられている。各ブロック 25 ,27の機能は、様々な回路を使って実現されるが、しかし我々の好適な実施例では以下に示された明細書によって実現されている。一般的用途の制御コンピュータとインターフェイス 28 は従来のものであり、様々な一般的な個人あるいは実験室のコンピュータとインターフェイスの基準のいずれも含む。DSPにコンピュータを接続する詳細は従来の当業者にとって公知である。
2.1.ASCの機能の概念
ASC 23 は入力信号のダイナミックレンジを縮めることと、式1 を満たすようにそのゲインを調整すること2つの主要な機能を持つ。ダイナミックレンジの縮小は、プリアンプの信号を2つの成分に分解することによって成し遂げられる。その2つの成分とは、広いダイナミックレンジの、“低周波数" 信号部分(LFF)と、さらにもっと狭いダイナミックレンジの“高周波数" 信号部分(HFF)であり、興味のある信号(SOI:図1Dを図1Eと比較)を搬送する。“低周波数" と“高周波数" の周期は記述的である。なぜなら、この用途では、LFFの基本周波数はHFFのSOIを搬送する周波数帯幅よりももっと小さいからである。重要な概念は、LFFの信号部分の妥当な複製は比較的小さい個数のパラメータによって記述され、それはたやすく入力信号から生成、減算され得る。残留信号部はそしてSOIを搬送するオリジナルのHFFに密接に近く、非常に縮小されたダイナミックレンジを持ち、非常に縮小されたビット数のADCを使ってデジタル化することを可能にする。
図3はASCと変換ブロック 23 の機能ブロック図である。アンプ 30 は、検出器−プリアンプからの入力信号と、プリアンプの信号を回路の他の部分で約ゼロに中心を置くようにするデジタルアナログ変換器(DAC)32のバイアスDACによってセットされる電圧レベルとの差を増幅する。減算器 33 は、アンプ 30 の出力からLFF生成器 35 の出力を減算する。LFF生成器 35 の出力波形は、オフセットDAC37、及びスロープDAC 38 及びDSP 27 からのリセット線 40 からの入力によって制御される。減算器 33 の出力は、可変ゲインがゲインDAC 43 で制御されるアンプ 42 に送られる。コンパレータ 44 は信号を検査し、もしそれがADCの入力限界を越えたなら割り込み線 45 でDSP 27 に警報を発する。ローパスフィルタ 47 は、それがADC 48 に達する前に、ADCのナイキスト限界を越えるどんな信号も取り除く。
DSP 27 の制御のもとでは、LFF生成器 35 は直流オフセットとともにリセットするランプ関数(ramp function) を生成する。CRプリアンプに対しては値Vavg の直流オフセットのみが使われる(図1C参照)。PRプリアンプに対しては、直流オフセットは値VLにセットされ、ランプの傾き(ramp's slope)は平均の傾きSavg と一致するように調整される(図1D参照)。ランプ減算(ramp's subtraction)、ゲイン調整、フィルタリングした後の、3つのPR出力信号の各例は図1Eに示される。準周期的なランプ構成を取り除いた後、個別X線パルスはそれらの到着時に変動を伴う垂直なステップとして現れる。トレースAは到着した場合の平均レートを示す。各トレースB,Cはその平均からの一時的な変動を示す。ランプ減算は各ステップ間の負の傾きを残すが、それらの振幅はこの手続きによって感知できるようには修正はされず、デジタルスペクトロメータによって復元される。
図4は、ASC 20 のアンプ 30 、減算器 33 、LFF生成器 35 、可変ゲインアンプ 42 の各ブロックの回路の概略である。本回路はアナログエレクトロニクスの当業者にとってはおそらく自明であり、少しの構造の説明のほかにそれ以上の論議は少しも必要としない。従来技術の当業者にとっては公知である回路の各詳細、例えば電力供給フィルタリングまたはオペアンプ補償は、示されていない。本実現は唯一ではなく、多くのほかの適切なアレンジは容易に工夫できる。
3.1.FiPPI設計の概念
発明の概要でも議論されているように、本発明のスペクトロメータは2ステージでデジタルフィルタリングを実行する。第1のステージは、FiPPIと称され、フィルタリング、ピーク検出、重ね合せ検査(Filtering, Peak detection and Pileup Inspection) を行うために、組合せ論理を使う。フィルタリング回路を最小化し、処理速度を最大化するために、加算と減算以上の複雑な演算はこのステージでは行われない。速度を最大限に利用するために、すべての演算は、1クロック周期(clock cycle) あたり1点で入力データを処理するようにパイプライン化される。すなわち、もしO(n,j)がデータサンプルnに必要とされるj番目の演算であるなら、そしてタイムステップiとすると、同時にO(n,1),O(n−1,2),O(n−2,3)などを実行する。
1つの具体的な実施例では、FiPPI論理はフィールド・プログラマブル・ゲート・ アレイ(FPGA)を使って実現される。これは小さなスペースでの高論理密度を可能にする。さらに、FiPPI論理は動作の前にファイルからダウンロードされるので、新しい各状態を満足したり設計改良を具体化することに対しても、容易に修正されることができる。より安いコストあるいはより速い動作速度が所望される他の各実施例では、FiPPIは、用途特定集積回路(ASIC)あるいは他の論理回路で実現される。
FiPPIの好適な実施例における分岐回路の実現と動作は、それら各々信号トレースを併せて図6A から13に回路の概略によって示されている。これらの各回路と各軌跡は、デジタルエレクトロニクスの従来技術の当事者にとっては大部分は自明のことであろう。次の段落では、主にそれらの機能について述べ、明らかにされていないあらゆる設計の議論を示す。
図6Aは、4でデシメイトするハードワイヤードされた具体的な実施例のデシメータであって、しかも図6Bに示された各信号を代表的な信号とする、デシメータ 97 の回路の概略である。それはクロック分周器 123とN値加算器 125を備え、それは10ビット入力線ADCBUS 50 からの4つの連続した値を加算し、10ビット線CS 147にその和を出力する。もしさらなる精度が所望されるならば、より多くのビットがCSに記憶される。同類の各技術を使えば、どんな任意のパラメータD_Facter 102によってデシメイトする回路は容易に構成される。
台形フィルタの機能は各時刻{i}のときの各データ{di }のストリームの{Ti }として、次の式で与えられる。
図8Aおよび8Bは、LS が3に等しいXilinx4000シリーズFPGAを使っている回路とFIFO148 の具体的な実現例の波形を示す。設計が別の各FIFOは同様に実現できる。10個の32ビットの深さの各メモリ(データビットあたり1)は周期アドレスカウンタ 185によって周期的にアドレスされる。周期アドレスカウンタ 185の出力QCはクロック 128と位相がずれている。そのXilinxメモリは、それゆえ、QCによって最初にアドレスされたとき、バッファ 188によって得られる蓄積されたデータO[9,0]をディスプレイする。そしてこれらの各値は、クロックが正に進むに連れて、C 147の新しい各値によって上書きされる。したがって読み出しと書き込みは、PA 152カウントによって入力から遅れた出力値とともに、1 クロック周期で達成される。
高速フィルタ 105は低速フィルタがそれ自身の各制御パラメータF _LengthとF _Gap 112 をもち、ADC 48 の10ビット出力 50 で直接動作すること以外は、低速フィルタと厳密に同じ方法で実現される。そのピーク時間とギャップ長は式4 から、“fast”を意味する添え字をfとして、L f ,G f として書かれる。
3.3.5.1重ね合せの意味
重ね合せ検査を理解するためには、連続する各入力パルス間の時間間隔の関数として、低速フィルタ98と高速フィルタ 105の各パルス出力がどのように変化するか理解すべきである。図9がこの情報を表わし、これらの図には、2つの入力パルス間の時間が減少するときの、高速フィルタ 192と低速フィルタ 193の各出力トレースの重畳が示されている。もし2 つのピークが適度に分離されている( 図9(A)〜9(C))のなら、低速フィルタのピークはX線のエネルギの測定を正確に維持する。より短い時間では、これらのピークは次第に変わり、拒絶(reject)されるべきである。最小許容分離は第1のピークがサンプルされてから1 クロック周期後に第2のパルスが始まる(パイプラインディレイに対して補正された)ときである。さもなければ2 つの各パルスは重ね合せされる。各パルスが連続して減少している間の間隔で、高速の各パルスはまた結果的に重ね合わさり、なおも重ね合せする( 図9(E)および9(F))。
第1 の議論はピーク検出器107 の関数であるパルスを検出することである。好適な実現は、タイミングジッタ(timing jitter) を持ちノイズフロアに近い振幅を持つパルスに対してはあまり良好に動作しない、従来の分別器(discriminators)を越えて改良された動作を提供する。ここで、図10Aおよび10Bの回路とトレースで示されているように、しきい値195 はパラメータPC207 で設定される。しかし、信号値FF205 は、少なくとも連続して最低の数min _width113(パラメータPD208 で設定される)の回数がしきい値を越えるときにピークとみなされるだけである。このような状態の下で信号REP 223とSFP 225は生成される。RFPはFFがしきい値を越え続けている限りは続く。しきい値195 とmin _width113両方の値は、ノイズフロアをはるかに越えて上昇はしないソフトX線パルスとともに動作するとき、ノイズ耐性が増えるように調節され得る。
第2 の議論は、図11Aおよび11Bの回路とトレースで示されるように、重ね合せ検査器 108のブロック 240の関数であるパルス到着時間を決定することである。ここで、高速のピークのロケーションは、しきい値 195とそれが交差することによってではなく、その最大値の時間T3 196 によって確定される。RFP 223がハイのときはいつも、このブロックは、FF 173をバッファ 250で前もって得られた最大値と比較し、新しい最大値が見つけられるごとにFTOP 255をハイにセットする。到着時間のロケーションTS 196は本質的に独立した振幅であり、大いにタイムジッタ(tims jitter) を減らして低速チャンネルのピーク振幅決定の歪みに依存するどんなエネルギも取り除く。
一度ピークが検査されると、FiPPIは、それが重ね合せと無関係かどうかを決定しなければならず、もしそうならば、低速チャンネルでその振幅を得る。実際の獲得は出力バッファ 100によって実行され、それは図11Aにおいてより詳細に示されており、信号PSAM 298によって起動される。低速ピーク振幅の獲得のタイミングは、図9(A)に示されるように、概念的には明確である。所望の獲得時間T4 198は台形の上辺の中点にある。高速低速両チャンネルのデジタル処理動作は数が固定されているので、T4 198は一定時間TS 194によって高速ピーク到着時間T3から分離され、それはD _Facter 102,S _LengthとS _Gap 103 ,F _LengthとF _Gap 112のようなFiPPI制御パラメータにのみに依存する。それゆえ、高速ピーク検査に続いて、カウンタは時間TS 194を測定することができ、転送された低速フィルタ98の出力をバッファ 100へ転送する。
FiPPIにデジタル的で実現された重ね合せ検査は、概念的にアナログ分光回路で一般に見られることと同じである。すなわち、連続した各パルスは、低速チャンネルのピーク時間の数倍だけ分離されていなければならないことを、必要とする。アナログ三角フィルタリングの場合では、1.5 から2.5 の倍数が一般に使われる。図9(A)が示すように、本当の台形フィルタリングでは、連続した各パルスは、単一の低速フィルタのピーク時間に上辺の時間の半分を足したものによってのみ分離される必要がある。アナログ“三角”パルスがピークが減衰した側で1 ピーク時間を越えて十分に拡大するテールを持っているという事実は、それらの拡大した検査時間の原因である。デジタル的に生成した各パルスは、図7Bに示されるように、きれいに消滅し、より短い重ね合せ検査時間が使われるようになる。2あるいはそれ以上のカウント・レートの可能性が増えるという結果になるということは証明されている。
第 1の高速重ね合せ試験は図11Aのブロック 242によって実現され、しきい値 195で高速パルスの幅を測定する。図9(E)から9(F)が示すように、もしこの値TWが最大値TM 200以上ならば、その時は高速チャンネルで重ね合せが起きているに違いなく、低速チャンネルのピーク値は無効であろう。この結果は、検出されたとき、フリップフロップ16 265に蓄積され、低速ピークの獲得を妨げる。パラメータPMとしきい値は共に1 件1 件基準に調整されることができるので、高速ピーク検出回路と結び付けるときこれはとても効果的な試験である。単色光X線とともに、XASにあるように、各パラメータは、従来のアナログ試験よりも大きさが3けたまで低くなり得る重ね合せレートに達することができるように調整される。
図12Aおよび12Bにおける回路と各トレースは、FIPPI 15 の入力カウント・ レートカウンタ 110(図5 参照)の実施例を表わす。本回路は、検出されたそれぞれの有効X線パルスに対して検出されたX線パルスの合計数を記録するために、高速パルス到着信号SFP 228とPass_Cut カウンタ 261の出力Q10[ 0] 270 を使っている。その出力NSFP 340は、それがバッファ 100を読み出すのと同時にDSP 27 によって読み出されることができる。
第2 の高速重ね合せ試験は図14Aおよび14Bに示される回路と各トレースによってさらに実現されることができる。本回路は、高速ピークの幅をその最大値の半分において測定する。別の各比は容易に置き換えられることができる。Half_Width カウンタ 357がピーク幅を最大限に許容された値PKと比較する間、Inspect _1 カウンタは検査期間PL 362をセットする。高速パルス信号FF 173は、Q7 251がその最大値に達する機会を得るまで、FIFO10 353によってPJ 358カウントが遅延させられる。もし高速ピークがこの試験について重ね合せられるのなら、出力MWID1 367は、低速ピークの獲得を妨げるために、フリップフロップFF16 265をセットするのに使われることができる。
本回路はこの具体的な実現に示されていないにもかかわらず、もっとも高いカウント・レートに設計されたシステムでは、われわれは、それぞれが強力ないくつかの獲得された値であり得る3つの出力バッファ 100を3つの短いFIFOによって取り替えることが好適であることを知った。本修正はDSP27が、どのようにそれがFiPPIから獲得されたピーク値を集めるかにおいて、より適応性を持たせる。示された好適な実施例では、ひとつが信号として送られるごとに、0.5 μs以下で獲得された値を取ってくる計算を休止する割込み制御の下でDSPは動作する。割り込みルーチンを提供する本システムは、より少ないFiPPI回路リソースを使うにもかかわらず、より多くのそして平均ではより遅いDSPコードを必要とする。任意のFIFO出力と共に、それがルーチンを処理し、けっして割り込みを受けない固定された点のデータに対してFiPPIを得ることができ、それはその平均処理速度を増加させる。本実現はしたがって非常に最高のデータ・レートが適応されなければならないときに好まれる。
4.1.DSPの概略
我々の設計の考え方に基づき、システムレベル動作を保つために、DSPは“事象ごとに”基づいたものであってもあるいはあまり頻繁でなくても必要とされるそれらの各タスク、各処理、各計算を実行する。図2 に示されるように、DSP27の主な各タスクは、汎用制御コンピュータとインターフェイス28との相互連携することと、ASC23を調整して制御することと、FiPPI25からのデータ値を収集,補正,ヒストグラム化することを含む。本発明の一般的な実行は、これらの機能は、プロセッサとメモリの広範な組み合わせによって満たされることができ、具体的な実施例のいずれの選択も、コスト,速度,大きさなどのような考え方に基づいた技術的な決断が主である。
NECμPD77016プロセッサが具体的な実施例では使用されている。高速で、低価格で、その制御プログラムとそのMCA機能を生成するスペクトラを保持する十分な内部メモリを持つ16ビットDSPなのでそれが選ばれた。その2.0KのXデータメモリは、MCAスペクトラ用にされ、スペクトラが、32ビット(あるいは40億カウント以上)の深さごとに1024箱(bin )ビンまでヒストグラム化されるようにする。その2.0KのYデータメモリはシステム動作を制御するのに必要な各変数と各定数、すなわちシステムの遂行を監視するためのデータ、MCA処理のためのFiPPI事象を一時的に蓄えるためのサーキュラーバッファ(circular buffer) を蓄える。内部メモリは本発明には必要はなく、全体のあわせた数とコストを減らし、より高速の動作を与える。外部から与えられたクロック周期の半分で各指示を実行するので、ADCサンプルごとに1 つ指示するという同期した動作を作るために、DSPはADCとFiPPIの比の厳密に倍でクロックされる。それは4つの外部割り込み線をもっているが、その外部割込み線はDSPがASC 23 ,FiPPI 25 ,外部制御コンピュータ 28 に応答するようにする。
4.3.1.監視制御プログラム
図15は、この具体的な実施例で使われた監視制御プログラムのハイレベルフローチャートを示す。太字体の矢印は、信号データ収集サイクルを通したプログラム制御の流れを描いている。動作はDSPプログラムのダウンロードと、各レジスタのセットアップとYデータメモリの定数を初期化することを含む初期化 380によって始まる。そしてそのプログラムはその主な制御ループである、CAMACモニタリングタスク 382にとりかかる。具体的な実施例では制御コンピュータインターフェイスはCAMACインターフェイス基準であるIEEE基準583-1975を使うように実現されており、本選択は本発明の機能には決定的ではない。CAMACモニタリングタスク 382においてはDSPは本質的にループの中にあり、割り込まれるのを待つ。
もし獲得タイプが試験/校正 390ならば、DSPは試験/校正各ルーチン 392を実行し、それは正しいシステム動作を確認し、ASCに対するDAC制御を校正する。それらは次を含む:
獲得割り込みのタイプがデータ393 のとき、データ獲得の準備をするために(リセット形プリアンプを想定している)、DSPはスタートデータ獲得ルーチン395 に進み、次のタスクを実行する。
もしこれらの処理のいずれかが失敗したときは、プログラムは中止し、さもなければデータ獲得タスク402 へ進む。このタスクは、500,000cpsまでの平均レートでデータを処理している間、2,000,000cps(最低0.5 μsの低速チャンネルピーク時間の逆数)までのデータ到着レートでのバーストに適用できるよう設計されている。これは、サーキュラーバッファへの到来データを蓄えることによって達成され、これは割込み制御の下での高速処理であり、さらに各割り込み間の間隔を有する安定レートでそれらを処理する。これは約4 のファクタによって平均処理レートを減少させ、安価なDSPが使用できるようにする。
図16は、データ獲得タスク 402の具体的実施例のフローチャートを示す。大部分については、本チャートは、制御コンピュータプログラミングの当事者にとって自明であろう。一般的な解説の他では、我々の議論は、本発明のスペクトロメータの機能について特有である各ステップに集中する。そのプログラムは、本質的には、試験NEVENTS=MAX? 463が真という理由から、あるいはRUNTASKSが試験RUN ENDED? 440で見つかるまで、サーキュラーバッファからのデータを処理するループである。一度ループの256 回すべてとADCの状態の独立の試験とが行われると、ベースラインの推定値はUPDATE BASELINE ESTIMATE(更新ベースライン推定値) 438に対して低速フィルタから集められ、これについてはさらに後で議論することにする。256 という数字は重要ではなく、変化する実験状態をたどることができるほどしばしば更新されるが、しかしデータ獲得タスク 402内で実質的な計算の負担とならないようにあまり更新されないように、ベースラインが選ばれている。
本発明のデジタルスペクトロメータシステムは、3つの接続された各モジュール、ASC 23 ,FiPPI25,DSP 27 を備えるので、今までにない新しいアルゴリズムで効率的にそれらを制御する必要がある。これらは次の各節で記述される。
本問題の本質は、入力カウント・レートの変動がASCアナログ小区分 23 の出力をもたらすことができ、その出力はADC 48 の入力電圧の範囲(例えば、図1EのLLからUKの範囲)外に一時的に落ちるためにプリアンプの入力とLFFの関数生成器 35 の間の増幅された差であるということである。これは図17(A)および17(B)によって図示される。図17(A)はもっとも一般的な場合を示し、ここで、一時的に高いレート(トレースB)あるいは低いレート( トレースC) は平均のレート( トレースA) に戻っている。X線の到着が本当にランダムなので、しかし各場合のいくつかの小さな部分は図17(B)で表れており、高( トレースD)あるいは低(トレースE)到着レートは、ADCの入力範囲LLからULを越えることができるほど十分に長く持続する。これは、FiPPI 25 のデータ・ストリームを無効にし、DSP 27 が正しい動作をするように要求する。ASCの出力信号がADCの入力範囲に戻るまで、各信号をLFF生成器 35 の各制御DAC 37 ,38を調節することによってそれが起こる。図17(C)および17(D)はDAC 37 が調整される2 つの例を示している。一般的に直面する変動のタイプは、プリアンプの各リセット、検出器における宇宙線の各事象,検出器へのX線の到着レートにおける統計的変動を含む。
スロープDAC 38 が正確に設定されたとき、平均して、範囲外への逸脱は、ハイとローの方向で均一に起こる傾向があるべきである。しかし、もし到来X線レートが変わるなら、そのときは、スロープDACは調整される必要があろう。したがって、プログラムが固定ADC範囲外状態 412ルーチンを呼び出すごとに、それが実際にはハイかローのどちらであるかを注意し、スロープDACの設定の調整が必要がある。
4.4.3.1.周期的なリセットのプリアンプの場合
計算のいくつかは、システムのエラーを持ち出さないで、FiPPI 25 の出力値PKVAL 117をX線エネルギへ変換する必要があり、その主な理由は、図1Bにあるように、ASC 23 出力のX線ステップの直前直後の各領域は平らではなく、図1Eにあるように、傾いている。それは周期的なリセットのプリアンプのこの傾きに対する2つの寄与があるからである。第1 は、ASC 23 がLFF生成器 35 によって生成される傾きを減じるからであり、第2 は、検出器かプリアンプの第1 のFETかのいずれかからの漏れ電流のためである。
CDプリアンプについは、図19(B)および20に示されているように、X線ステップの事象の両側の信号は、異なる平均の傾きで指数関数的に減衰している。この状態はそれゆえPRプリアンプよりもさらに複雑であり、式9に取って代わる修正されたアルゴリズムが必要である。しかし、スペクトロメータのハードウェアもFiPPIのファームウェアもどちらも変える必要はない。
ノイズ解析によって、式19は、K の値が小さくはない(例えば、フィルタの時間がプリアンプの減衰時間に達する)とき、過剰なノイズの被害を被ることが分かる。この理由は、フィルタ長が減少するにつれPKVALにおけるノイズが減少するからであるのと、フィルタにかけていない項UFVALの重みK が増加するからである。50μsという一般的なプリアンプの減衰時間において、20μsでノイズはだいたい90%増加するのに対して、4μsのフィルタリングにおける分解能は、数パーセントだけ減少する。
結論では、本発明は、検出器−プリアンプのシステムからのパルスの各信号を処理し、検出器に影響を与える放射線の完全なエネルギ分析を提供する、物理的にコンパクトで、低価格で、高速な方法と機器をもたらす。プログラムされたプロセッサがその事象のレートにおいてより精練された分析を実行するのに使われている間、組み合せ論理は、限定されてはいるがサンプリング・レートにおいて十分な量の処理を実行するのに使われる。本作業部分は発明が高パフォーマンスで低価格を達成するようにする。
12 電圧供給源
13 充電積分プリアンプ
15 フィードバックキャパシタ
17 フィードバック要素
22 デジタルスペクトロメータ
23 アナログ信号調整(ASC)およびアナログデジタル変換器(ADC)のブロック
25 ハードワイヤードデジタルフィルタおよびピーク検出器および重ね合せ検査器(FiPPI)のブロック
Claims (23)
- ステップ状パルスを含む電気信号を分析する高速でデジタルベースの方法で、平均レートRで到着し、前記ステップ状パルスの少なくともいくつかの各振幅を推定し、
アナログデジタル変換器(ADC)で前記電気信号をデジタル化し、Rより大きいサンプリング周波数Sで動作し、前記電気信号のデジタル化された入力信号として称されるデジタル表現を生成するステップと、表現と、
FiPPIとして称され、周波数Sあるいはその倍数のクロックで動作するデジタル組合せ論理を提供するステップと、
前記FiPPIに組み合わされるプログラマブル・デジタル計算素子(DSP)を提供するステップと、
前記FiPPIを使って、デジタル整形フィルタを前記デジタル化された入力信号に適用するステップと、
前記FiPPIを使って、前記デジタル化された入力信号における前記パルス信号の存在を検出するステップと、
前記FiPPIを使って、前記デジタルフィルタの出力から前記パルス信号の各振幅の各推定値を引き出すステップと、
前記FiPPIから前記DSPへ前記推定値を転送するステップと、
前記DSPを使って、前記デジタルフィルタを理想的ではない各ステップの各波形に適用した結果生じる各エラーに対して前記推定値を補償するステップとを備える方法。 - 請求項1の方法であって、前記DSPを使って実行され、前記推定値を箱に詰めることで、そのように補償され、前記検出されたパルスの前記振幅の分光表現を作るステップをさらに備える方法。
- 請求項1の方法であって、前記DSPを使うことによって実行され、電気信号のソースと前記ADCの前記入力の間での前記電気信号の取り扱いのための前記パルス振幅推定値を補正するステップをさらに備える方法。
- 請求項3の方法であって、前記デジタル化ステップの前に実行され、前記入力信号のダイナミックレンジを減らすようにパラメータのセットに従って前記電気信号を調整するステップをさらに有する方法。
- 請求項4の方法であって、
各パラメータの前記セットを前記DSPに伝えるステップと、
前記補正ステップにおいて前記セットの前記パラメータの値を使用するステップとをさらに備える方法。 - 請求項4の方法であって、
前記入力信号が前記ADCの前記入力範囲を越えるかどうかを検出するステップを備え、もしそうならば、
偽の可能性のあるフィルタを通された振幅の推定値を得ることを避けるように前記DSPに信号を送るステップと、
前記入力信号が前記ADC入力範囲へ戻るように前記パラメータのセットを調節するように前記DSPに信号を送るステップのうち少なくとも1つを実行する方法。 - 請求項1の方法であって、前記電気信号は高ダイナミックレンジを持つパラメータ的に表現できる(PD)部分と、さらに極端に狭いダイナミックレンジを持つsignal-of-interest(SOI)部分からなり、前記調整ステップは、
各パラメータの前記セットの各値によって前記PD部分の複製を生成するステップと、
差信号を形成するために前記電気信号から前記複製を引き算するステップとを備え、任意的に、
前記差信号の振幅を調整するためにゲインステージを使うステップ、あるいは、
前記ADCのナイキスト周波数以上の前記差信号の各周波数成分を取り除くフィルタを使うステップを備えるか、あるいは、
両ステップとも行う方法。 - 時定数τによって記述される指数関数的減衰を持つステップ状の各パルスを含むノイズのある入力信号にひとつあるいはそれ以上のパラメータのセットによって記述される整形フィルタを適用して、そららの間で該パルスの近辺で指数関数的減衰をする各成分の傾きの値に実質的に独立である前記パルスの各ステップ振幅の推定値を引き出す方法であって、
フィルタされた信号を生成するために、前記整形フィルタを前記入力信号に適用するステップと、
整形フィルタの各パラメータのセットの各値とτに依存する第1の定数によって前記フィルタされた信号を重み付けすることによって第1の重み付き信号を生成するステップと、
整形フィルタの各パラメータのセットの値とτに依存する第2の定数によって前記入力信号を重み付けすることによって第2の重み付き信号を生成するステップと、
該第1と第2の重み付き各関数を結合させることによって補償された信号、すなわち、前記ステップ状パルスの近辺で指数関数的に減衰する成分の傾きを補償するフィルタされた信号を表わす補償された信号を形成するステップを備える方法。 - 請求項8の方法であって、前記第1と第2の定数が、
具体的な整形フィルタに対して前記ステップ状パルスの振幅と該ステップ状パルスの近辺の指数関数的に減衰する成分の傾きの値の項で数学的に前記フィルタ出力振幅を表現するステップと、
前記入力信号振幅の項における前記傾き表現するために、指数関数的減衰の傾きとその瞬間的な振幅の間の比例を使うステップと、
前記フィルタ出力振幅と前記入力信号振幅の項における前記パルスステップ振幅についての前記表現を解くステップとによってを確定される方法。 - 請求項8の方法であって、第2の重み付き信号を生成する前記ステップの前に実行され、前記入力信号に別のフィルタを適用して前記第2の重み付き信号が前記別のフィルタの効果を含むようにするステップを更に備える方法。
- 請求項8の方法であって、第1及び第2の重み付き関数を生成する前記各ステップの前に、前記入力と該フィルタされた各信号の離散的な測定値がステップ状パルス振幅の推定値を生成するのに、
第1の時間間隔で前記ステップ状パルスの発生から分離され前記るフィルタを通された信号を瞬時に獲得するステップと、
第2の時間間隔で前記ステップ状のパルスの発生から分離される前記入力信号を瞬時に獲得するステップと、
前記第1及び第2重み付け各定数の値の確定における前記第1及び第2の時間間隔の値を有するステップと、
前記フィルタを通された信号及び入力を該方法の後に続くすべてのステップで同一の前記獲得された値で置き換えるステップとの付加ステップによって使用される方法。 - 時定数τによって記述される指数関数的減衰をする各ステップ状パルスを含むノイズのある入力電気信号を、それらの間で前記パルスの近辺における前記指数関数的減衰をする成分の傾きの値に対して実質的に独立である前記パルスのステップ振幅の推定値を引き出す分析をする方法であって、
一つあるいはそれ以上の各パラメータのセットによって記述されるフィルタを、前記入力信号にそのノイズ成分を減らすために適用するステップ、
第1の定数によって前記フィルタを通された信号を重み付けることによって第1の重み付けされた信号を生成するステップと、
第2の定数によって前記フィルタを通された信号の時間遅延されたヴァージョンを重み付けることによって第2の重み付き信号を生成するステップで、前記第1及び第2の各定数は、フィルタのパラメータのセットの前記値と、τと、前記時間遅延の値Δに依存するステップと、
ステップ状の各パルスそれぞれに対する最大値を持つ出力信号を形成するために前記第1と第2の重み付け各信号を結合するステップで、前記最大値は前記パルスの振幅に比例し、前記パルスの近辺の指数関数的減衰をする成分の前記傾きの値に対して実質的に独立であるステップとを備える方法。 - 請求項12の方法であって、前記第1及び第2の各定数は具体的なフィルタに対して
前記ステップ状パルス振幅の値と、前記ステップ状パルスの近辺で指数関数的減衰をする成分の減衰定数τ、時間遅延Δ、傾きのフィルタのパラメータの前記セットの値での前記フィルタされた信号そのものの値から時間遅延された該フィルタに通した信号の値を単純に減算した結果との間の差を数学的に表現するステップと、
指数関数的減衰の前記傾きはその振幅に直接比例するという原理を前記フィルタを通された信号値での前記傾きを表現することに適用するステップと、
前記フィルタの出力の振幅と前記時間遅延されたフィルタの出力の振幅での前記パルスステップ振幅に対する前記表現を解くステップとによって確定される方式。 - 平均入力レートRで到着するステップ状のパルスを含む電気信号のデジタル表現を分析して、前記ステップ状パルスの少なくともいくらかの振幅の推定値を提供し、前記表現はRより大きいサンプリング周波数Sで動作するアナログ−デジタル変換器(ADC) で前記電気信号をデジタル化することによって生成され、前記表現は前記デジタル化された入力信号と称され、前記回路は周波数Sあるいはその倍数でクロックされるデジタル組合せ論理回路であって、
デジタル化された入力信号を受け取り、フィルタされた前記信号と称される出力信号を提供するデジタル整形フィルタと、
前記デジタル化された入力信号を受け取り、前記デジタル化された入力信号のパルスの検出を表わす出力信号を提供するパルス検出器と、
前記デジタル整形フィルタに接続され、トリガー信号に応じて該フィルタされた信号の値を獲得するように動作する出力バッファと、
前記パルス検出器と前記出力バッファに接続され、パルスの検出に応じてトリガー信号を提供し、該トリガー信号が前記出力信号に対して、前記デジタル整形フィルタの少なくとも一つの特徴に依存する量だけ前記パルス検出器から遅延されるタイミング回路を備える前記回路。 - 請求項14の回路であって、ステップ状パルスを含む前記電気信号は入力が光子あるいは粒子検出器であるプリアンプから入力され、前記ステップ状パルスの前記振幅は前記検出器に吸収される前記光子あるいは粒子のエネルギを表現する回路。
- 請求項14の回路であって、
第1の該整形フィルタと称される前記デジタル整形フィルタは、少なくともひとつの時定数τS で特徴付けられ、前記パルス検出器は、τS より十分に小さい少なくともひとつの時定数τf を特徴とする第2のデジタル整形フィルタを備える回路。 - 請求項14の回路であって、前記出力バッファがFIFOメモリを有する回路。
- 請求項14の回路であって、前記パルス検出器が、
付加されたフィルタされた信号を生成する付加された整形フィルタと、
付加された該整形フィルタに接続されたピーク検出器を備える回路。 - 請求項14の回路であって、
前記パルス検出器と前記タイミング回路の間に接続され、前記パルス検出器からの信号の出力の連続する組の間の間隔を測定し、前記デジタル整形フィルタが関係するパルスの振幅の有効な推定値を生成できるようにするのに不十分なとき前記タイミング回路が前記トリガー信号を生成しないようにする“低速の”重ね合せ検査器をさらに備える回路。 - 請求項14の回路であって、前記パルス検出器と前記タイミング回路の間に接続され、前記パルス検出器の出力信号から到着したパルスの組が前記パルス検出器によって分離されたパルスとして分解できないほど接近しているかを確定し、前記タイミング回路が前記トリガー信号を生成しないようにする“高速の”重ね合せ検査器をさらに備える回路。
- 請求項20の回路であって、
前記パルス検出器が、付加されたフィルタを通した信号を生成する高速デジタルフィルタと、付加されたフィルタを通した信号を受け取るピーク検出器を備え、そして
前記高速重ね合せ検査器が、検出されたピークがプリセットされたしきい値以下に降下するまでクロック周期の数をカウントし、カウントしたクロック周期の数がプリセットされた値を越えるいずれの検出されたピークについても“重ね合せ”としてラベル付けをし、前記プリセットされた値は、高速デジタルフィルタの各パラメータと入力信号のリセットタイムの両方に基づく前もって決定された調節可能なパラメータである回路。 - 請求項20の回路であって、
前記パルス検出器が、付加されたフィルタされた信号を生成する高速デジタルフィルタと、該付加されたフィルタされた信号をを受け取るピーク検出器を備え、
前記高速重ね合せ検出器は、
前記付加されたフィルタされた信号の遅延された複製を生成するデジタル遅延要素と、
最大振幅の固定した部分を取り、検出された各ピークの最大振幅を獲得する手段と、
前記検出されたピークの遅延された複製がそれ自身の最大振幅の前記固定した部分を越えるクロック周期の数をカウントする手段と、
カウントされたクロック周期の数が、高速デジタルフィルタの、パラメータと入力信号の立ち上がり時間の両方に基づく所定の調節可能なプリセットされた値を越えるどんなピークも“重ね合せ”としてラベル付ける手段を有する回路。 - 請求項14の回路であって、前記出力バッファは外部素子に接続され、
該外部素子が前記出力バッファによって獲得された振幅の各推定値を受け入れることが可能なときのクロック周期をカウントすることによってシステムの“ライブタイム”を測定するカウンターを更に備える回路。
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