JP4083802B2 - 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 - Google Patents

Description

政府の権利
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。
発明の背景
本発明は一般的には、吸収された放射能に応答する検出システムで生成されたパルスをデジタル的に処理するシステム、特に、低コスト、高分解能、高レートなＸ線やγ線のためのスペクトロメータでそのようなパルスを処理することに関する。
特に、シンクロトロン放射能研究では、低コスト、高速度のＸ線スペクトロメータのアレイが必要である。データ取得を最大限に利用するために、そのようなスペクトロメータは、重ね合せ拒絶（pileup rejection）を持つ良好なエネルギ分解能、高カウント・レート能力を持ち、コストが十分低いので３０あるいはそれ以上の検出器のアレイが予期されることができる。全多チャンネル分析（full multichannel analysis）（ＭＣＡ）能力はかなり適用の範囲を広くするであろう。全てのスペクトロメータの機能の完全なコンピュータ制御はまた、別のやり方による検出アレイのセットアップならびに構成を行うとアレイの大きさが大きくなるにつれてかなりやっかいになるので、非常に重要である。スペクトロメータの物理的な大きさもまたコンパクトになって好ましい。
現在のエレクトロニクスによると多チャンネル分析を装備しない方法では検出器1台当たりでも約６０００ドルのコストがかかるとともに、１３要素検出器（13 element detector）で格子棚全てを満たしてしまうので、所期の目的は達成できない。それゆえ、３０要素検出器を取り付けるのは非現実的となり、さらに１００要素となると基本的には不可能である。多くの利用に対し、低価格ＭＣＡは十分に速くはなく一方高速のＭＣＡは高価なので、多重チャンネル分析は、検出器アレイと共にはあまり利用されない。重ね合せ検査（pileup inspection）は散発的に実行され、しかし、だいたいは８ｋｅＶ以上のエネルギに対してのみ効果的である。少ないモジュールはスペクトロメータの機能の部分的なコンピュータ制御は可能とするが、しかしだいたいはコンピュータインターフェイスなしのモジュールの約２倍のコストがかかる。単一のスペクトロメーターのチャンネルを調整するのにはほんの数分必要であるが、この取組みは要素の数だけ増倍され、１０要素あるいはそれ以上のアレイではかなりの負担になる。
これらシンクロトロンの用途、そして他の多くにとってもまた、高カウント・レートでかつ良好なエネルギ分解能をもって完全エネルギ分析が可能な、低価格，小容量の分光測定装置を備えて、コンピュータシステムとインターフェイスすることがさらに可能となる。必要なチューニング操作を、適当なプログラムによって、自動的に行うことができる点も有利であろう。
発明の概要
本発明は、検出器−プリアンプシステムからのパルス信号を処理し、検出器に吸収されたＸ線又はγ線のエネルギを解析する方法及び装置を提供する。具体的な実施例では、それは、小型であって、低コストであって、高速に、重ね合わせ検査を実行し、コンピュータに容易に接続できるようにデジタルインターフェースを有する。きわめて一般的なプリアンプで効果的に動作することができる。
本発明は、検出器−プリアンプ入力パルスを解析するデジタル信号処理技術を使用する。この方法では、低コストで高速のアナログ−デジタル変換器（ＡＤＣｓ）及びデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰｓ）を使用して、所望の性能基準（performannce criteria）に合致するようにする。本発明は、エネルギ分解能を複製し、従来技術のアナログスペクロメータ（分光器）の重ね合わせ拒絶（pileup rejection）性能を凌駕し、以前はＳＣＡシステムだけの特徴であった非常に高いカウント・レートでの完全な出力スペクトラを生成する。デジタル処理は、商用のアナログ回路に比べて、全体のコストと物理的な容量がそれぞれ４及び１０のファクタで低減されることを可能にする。すべての分光（spectrometory）チューニング機能は、デジタル的に実現され、外部のコンピュータ制御の下で自動的に取り扱われる。
意図した応用では、低コストでの高いデータスループットは最適なエネルギ分解能よりも更に重要である。このような目標を達成するため、本発明はデジタルパルス処理を、２つのステージ（stage）で実行する。第１のステージは、“ハードワイヤード”（hardwired）デジタル複合論理を使用して、時間不変フィルタリングを実現し、第２のステージは、プログラマブルＤＳＰを使用して、時間依存のパラメータに基づいて第１のステージの出力を調整して補正する。この処理の分割が、本発明の成功にとっての限界点である。
具体的な実施例では、ハードワイヤード論理ステージは、従来の適応形フィルタリング（adaptive filtering）、尖頭状重み付け（cusp-like weighting）、又はデコンボルーション（deconvolution）手法を回避する。このような手法は、乗算や重み付け機能のためのルックアップテーブルや時間変動処理（time variant processing）及びプロセス間（interprocess）同期の双方のためのデータセットのバッファリングなどを、含む複雑なデータ演算を必要とする。その代わりに、本発明は、加算と減算だけを必要とするアルゴリズムを使用して、低速と高速の両方のチャンネルで、簡単な整形（shaping）フィルタ（台形が好ましい）だけを使用する。従来技術で普通に行われているように、高速チャンネルの出力は重ね合わせ検査と低速のピーク獲得（capture）に使用され、低速チャンネルのフィルタリングは良好なエネルギフィルタリングを実行するのに必要な雑音（ノイズ）の低減を行う。例えば、GouldingとLandisの設計によるアナログスペクトロメータ（ＵＳ特許第4,658,216号）を参照のこと。すべてのパルスを同様に処理し、すべての複雑なデータ演算を除いて、第１のステージの設計を単純化することにより、それを単一媒体サイズのフィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（FPGA）で容易に実現でき、それでも処理は500,000回／秒（cps）以上である。比較をすれば、Mott et al.（ＵＳ特許第5,349,193号）に示された適応形デジタルフィルタリングスペクトロメータは、制御データフローに必要なステートマシンを実現するためだけに同様の大きさのFPGAを必要とする。
しかしながら、従来技術でより複雑な手法の開発が行われた理由が高性能の実現であったにもかかわらず、単純なフィルタだけを使用したのでは、既存のアナログ装置に比べて許容できる分光性能を実現できない。従って、本発明は、プログラマブル・コンピュータを使用した第２の処理ステージを、対等な性能を実現するのに必要な時間変動補正（correction）に適用する。これらの補正は、容易に数10MHzにもなるシステムのサンプリング速度では実行できず、１０倍から１００倍も遅い平均信号パルス・レート（rate）で、高価でないＤＳＰを使用して相対的に複雑な補正を実現する。更に、全ての可能な補正を同時に行う必要はない。ハードウエアによる解決策に比べて、検出器−プリアンプの組による補正だけが、システムのスタートアップ時に、ＤＳＰにダウンロードされる。具体的な実施例では、例えば、上記の500,000cpsのデータ・レートは、４０＄のＤＳＰチップだけで処理できる。
このように、本発明は、Ｘ線及びγ線スペクトロメータにおいてパルスをデジタル的に処理するようにこれまで工夫された、データの流れに（data stream）おけるパルスの同定及び時間依存の補正と最適化とを伴った振幅の導出に必要なすべての演算がハードワイヤード論理を使用して実行される“ハードワイヤード”クラスと、これらの全ての演算がソフトウエア制御の下に実行される“コンピュータ解析”のクラスの解決策とは区別される。前者のクラスは、Koeman（ＵＳ特許第3,872,287号）、Lakatos et al.（ＵＳ特許第5,005,146号）、Georgiev et al.（IEEE Trans. Nucl. Sci. 41（1994）1116-1124）、Mott et al., Jordanov and Knoll（IEEE Trans. Nucl. Sci. 42（1995）683-685）、及びFarrow et al.（Rev. Sci. Instr. 66（1995）2307-2309）の装置を含む。Georgiev et al. とMott et al., Jordanov and Knollの装置の商用化は、Target, Inc.、Princeton Gamma-tech, Inc.、及びAmptek, Inc.によってそれぞれ試みられている。後者のクラスの例は、Takahashi et al.（IEEETrans. Nucl. Sci. 40（1993）626-629）、Al-Haddad et al.（IEEETrans. Nucl. Sci. 41（1994）1765-1769）によって報告されている。後者のクラスは現在のところ商用化されておらず、その原因は有用なデータ・レートの処理に十分な速さのプロセッサが非常に高コストであるからだと思われる。本発明は、このように新しい“ハイブリッド”クラスを定義し、デジタルフィルタリングを、ハードワイヤードのプリプロセッサ（前処理プロセッサ）とプログラムされた信号補正器との間で分配する。
分光フィルタリング処理の第２のステージにおける、ＤＳＰの補正的な使用は、検出器に見られる光子・エネルギのスペクトルの生成に使用されるＭＣＡステップと混同しないようにする必要がある。フィルタされた（filtered）パルス振幅のソーティング（sorting）とビニング（binning）は、また、専用のデジタルコンピュータによって共通に処理されるが、これらの機能は概念的にはフィルタリング処理の一部ではない。従って、従来技術の多くのシステムがデジタル・フィルタリング・ステージに続いてＭＣＡを行うＤＳＰを有する類似の物理的な構成を有していても、本発明におけるＤＳＰの革新的な使用は、上記及び以下に説明されるように、まったく異なるものである。
具体的な実施例では、単一のＤＳＰが、発明性あるフィルタリング機能、ＭＣＡ機能、アナログ調整フロントエンド（analog conditioning front end）の制御、及びシステム制御コンピュータに対するデータ入出力の取扱の４つの論理的に分離した機能を実現するのに実際に使用される。
この具体例では、本発明は、入力データ・ストリームからランプ状（ramp-like）成分を除去して、システムのＡＤＣで必要な精度のビット数を低減するために、アナログ信号調整（ASC:Analog Signal Conditioning）フロントエンドと共に使用される。このＡＳＣの入力制御パラメータは、ＤＳＰによってデジタル的にセットされ、調整した信号がＡＤＣの入力範囲（input range）内に保持されるように調整される。デジタル化後、パルス・ストリームは上記のハードワイヤード論理ユニットで処理され、それはパルスを検出し、三角フィルタリングを行い、重ね合わせ検査を実行する。更に、良好なピークとベースライン（baseline）の値が獲得され、更なる処理のためにＤＳＰに送られる。ＤＳＰは、ピーク値を正確なエネルギ値に変換する演算と補正を行い、その結果を、ＭＣＡスペクトラを生成するように、箱に入れる（bin）。ＡＳＣの動作はハードワイヤード・フィルタリング方法に歪を生じるが、ＤＳＰは、ＡＳＣの制御パラメータとフィルタされていない信号値の両方を適当に使用して、適当な補正を行える。ピーク間のベースライン値を獲得することにより、ＤＳＰは各種の原因で生じるシステム的な変動を少なくするように、ピークの高さを補正できる。
本発明においては、ハードワイヤードデジタル処理ステージは、それが「フィルタリング・ピーク検出・重ね合わせ検査」″Filtering, Peak detection, and Pileup Inspection″を実現するため、ＦｉＰＰＩと呼ぶことにする。ＦｉＰＰＩ処理は各データ・サンプルを処理するが、入力データ・ストリームにおけるＸ線パルスの部分的な（local）振幅を検出して正確に獲得するために必要な、フィルタリングと検査機能との少数の組だけを実行する。正確なＸ線エネルギ値を生成するには、これらの獲得ピーク振幅を処理するのに、より複雑なＤＳＰ演算が必要であるが、実際の事象を検出するときに行うだけでよい。この分割は、必要な高価な高速論理の量と必要なＤＳＰの速度（すなわちコスト）の両方を最小にするので、有利である。その結果、各解決策を単独で使用するのに比べて、よりコストを下げられ、性能を高くできる。
１つ又は他の具体例にて現われるＦｉＰＰＩ機能は、デシメータ（decimator）、低速台形フィルタ（slow trapezoidal filter）、高速台形フィルタ（fast trapezoidal filter）、ピーク検出器（peak detector）、重ね合わせ検査器（pileup checker）、出力バッファ、及び入力カウント・レート（input count rate（ICR））カウンタを備える。ＦｉＰＰＩ演算は、スペクトロメータシステムが動作を開始する前に、ＦｉＰＰＩにロードされるいくつかのデジタルパラメータによって制御される。
Ｎによる除算機能は、ＡＤＣからの入力をＮ値の連続したブロックに分解し、入力データ・ストリームの周波数の１／Ｎで各ブロックの平均値を出力する。調整可能なパラメータＮは、２の累乗であり、１、２、４、８などをとり得る。デシメータの第１の機能は、ＦｉＰＰＩ低速フィルタにおける長いフィルタリング時間を必要とする先入れ・先出し（FIFO）メモリの量を低減することである。
低速と高速の両方のフィルタは対称な台形で、そのピーク時間（peaking times）τ_pと上辺の長さτ_gは外部からロードされるパラメータである。台形のピーク値は検出されたＸ線のエネルギの測定値を構成する。これらの機能は、２つの遅延オフセット差の間の差の移動平均によって形成されるものでありＦＩＦＯの機能を使用して実現される。高速フィルタは、低速フィルタよりはるかに短く、通常、クロック速度の速度で進行する。低速フィルタは、クロック速度の１／Ｎでデシメータ出力と共に働き、３２ワードだけの深さ（deep）のＦＩＦＯを使用して、数μｓ以上のピーク時間を有する。
ピーク検出回路は、信号パルスに対する高速フィルタの出力を監視して、あるしきい値レベルＴを越えたＭ以上連続した値を探し、そのような値の組（セット）を見つけた時に、そのセット内の最大信号値の到着時間を獲得する。この時間が、以後関係する信号パルス到着時間として定義される。外部からロードされたパラメータＴとＭは、ノイズによるトリガに対して適当な不感性を維持しながら、低い信号レベルに対する感度を最適化するように調整される。
重ね合わせ検査器は、低速フィルタ台形が上辺の中央でサンプルされることを保証して、このサンプリングが良好なピーク（good peak）に対してだけ起きることを保証する。許容できる時間間隔で前者と後者を分離するパルスが、良好なピークになる。
重ね合わせ検査は、いくつかのテストからなる。これらのうちの２つは、高速フィルタ出力の各ピークを分離するのと同様に、分解するには接近しすぎている「高速の重ね合わせ」パルス用のものである。時間ｄで分離された重ね合わされた高速パルスの組は、高速フィルタの単一パルス出力の期間をＤからＤ＋ｄに伸ばすので、第１の高速重ね合わせテストは、しきい値Ｔにおける高速パルス幅を、Ｄより若干長い値にセットされたパラメータＷと比較する。
第１の高速重ね合わせテストは、しきい値Ｔにおける高速のピークの幅をテスト値と比較するが、第２の高速重ね合わせテストは、その半値幅を、理想的な高速パルスの半値幅より若干大きくセットしたテスト値と比較する。このテストは、パルスの振幅には無関係であり、実現するのはより複雑であるが、大きくしきい値を越えることはなく、従って固定の振幅しきい値以上の期間が振幅に大きく依存する非常に低い振幅の高速パルスに対して、精度を向上させることができる。
低速のチャンネルにおける重ね合わせは、高速パルスが検出される毎にリセットされるカウンタを使用して検査される。もしこのカウンタがリセットされることなく外部パラメータの値Ｓに到達すれば、低速フィルタの出力値はその瞬間に出力バッファに、ＦｉＰＰＩのフィルタされていない入力値として獲得される。もし、カウンタが第２の外部パラメータの値Ｎに到達し続けたら、このパルスは後縁が重ならない。もし記憶されたフラグ値が前縁も重ならないことを示していれば、ピーク値は良好で、ＤＳＰ割り込みフラグがその獲得を指示するように上昇する。Ｎの値は典型的には、τ_spにτ_sg/2と小さな余裕期間とを加えたのに等しい。Ｓの値はタイミングオフセットを調整されたＮである。
良好な事象値が獲得された後、第２の試みが行われＮをカウントする。もし成功すれば、低速フィルタの出力はそのベースライン・レベルに戻り、正規化補正で使用するためのＤＳＰの要求で値が獲得される。
ＩＣＲカウンタは、重ね合っているかいないかにかかわらず、Ｘ線が検出された時には何時でも増加される。この値は、読み取られ、時間毎にゼロにされ、部分的な重ね合わせレートの統計が集められ、量的に正確な結果が必要な時に、正確なデッドタイムの補正を行うことを可能にする。
この同じ実施例では、ＤＳＰはその機能のすべてがソフトウエアで実現された商用のデジタル信号処理回路である。これらの機能は、ＡＳＣの制御、獲得したＦｉＰＰＩのデータ値をピーク高さ評価の精度に最適化する補正、スペクトラを生成するマルチチャンネル解析の実行、及びシステムと外部との間のデータ及びパラメータの入力／出力（Ｉ／Ｏ）転送の４つの一般的なカテゴリィに入る。Ｉ／Ｐ回路とソフトウエアは当業者であれば容易に実現できる。
ＤＳＰは、ＡＳＣのランプ発生器（ramp generator）におけるオフセットとスロープＤＡＣに初期値をまず設定することによりＡＳＣを制御し、要求に応じてランプ発生器をリセットする。最初のＤＡＣのセッティングは、動作を開始する前に評価される。スロープＤＡＣセッティング評価は、時間毎に更新され、検出器へのＸ線の到着レートにおける変動を補償する。もしＡＳＣの出力がＡＤＣの入力範囲外になれば、オフセットＤＡＣはそれを記憶するように、調整される。
ＤＳＰは、ＦｉＰＰＩレジスタからの獲得ピーク値を、割り込み制御の下で検索しそのピーク値とＩＣＲカウンタ値とを、フィルタされなていないＦｉＰＰＩ入力値と獲得した事象を特徴付けるすべての他の値と含むレジスタを読み取る。ＤＳＰの設計により、割り込み応答（interrupt response）は、最小の低速フィルタピーク時間より小さく、従ってこの読み取りはシステム全体の応答にいかなる無効なデッドタイムをも与えない。良好なピーク値は、エネルギ値に変換され、そのような補正が許容できる精度を実現できるように行われる。次に、それが選択されたスペクトルエネルギ範囲内にあれば、ＭＣＡがその結果を集められたスペクトルに入れる。
更に、ＤＳＰは、良好なピーク値を読んだのと同様の方法でＦｉＰＰＩベースライン値を次々に獲得する。″set baseline″フラグがこの２つのケースを識別する。ベースライン値は、定義ではエネルギがゼロの事象に対応し、ＦｉＰＰＩのゼロオフセットを確立するのに使用される。ベースライン統計も集めることができ、スペクトロメータのエネルギ分解能を監視（モニタ）など診断の目的で使用できる。
もし補正されていなければ、ＡＳＣでのプリアンプの入力信号からのランプ波形（ramp waveform）の減算がスペクトルの歪を生じる。ＤＳＰがＡＳＣのランプ発生器を制御するので、それは元の信号の振幅を演算でき、適当な補正を行うアルゴリズムが実現できる。ＤＳＰは、これらの補正の後平均のベースライン値を監視し、それがゼロでなければこの値を良好なピークエネルギから減算して、例えば検出器漏れ電流から生じるいかなる残留誤差も補償する。
本発明の特質及び利点は、明細書の後述の部分と図面を参照することにより、更に理解できる。
図面の説明
図１Ａは、本発明にパルスを供給する典型的な検出器−プリアンプの回路の概略である。
図１Ｂは、本検出器で単一Ｘ線の吸収の結果として生ずる典型的な検出器−プリアンプの出力信号の図である。
図１Ｃは、多重のＸ線のコースに亘る連続的な放電検出器−プリアンプからの典型的な出力を示す。
図１Ｄは、多重のＸ線のコースに亘る周期的なリセット検出器−プリアンプからの典型的な出力を示す。
図１Ｅは、ＡＳＣが信号のリセット−ランプ部分を取り除いた後の３つの共通Ｘ線パルス到着パターンを示す。
図２は、本発明のおもな部分と他の装置との本発明の接続を示すブロック図である。
図３は、アナログ信号調整（ＡＳＣ）と図２のＡからＤのハードウェア部のブロック図である。
図４は、図３のそれぞれのブロックの典型的な実施例の回路の概略である。
図５は、図２のハードワイヤードデジタル信号プロセッサのハードウェアブロックのブロック図である。
図６Ａは、図５のデシメータハードウェアブロックの典型的な実施例の回路の概略である。
図６Ｂは、図６Ａの回路の働きを図解したタイミングダイヤグラムである。
図７Ａは、図５の低速フィルタハードウェアブロックの典型的な実施例の回路の概略である。
図７Ｂは、図７Ａの回路の働きを図解したタイミングダイヤグラムである。
図８Ａは、図６ＡのＦＩＦＯ１０ハードウェアブロックの典型的な実施例の回路の概略である。
図８Ｂは、図８Ａの回路の働きを図解したタイミングダイヤグラムである。
図９Ａから９Ｇは、図５の高速と低速のフィルタによって出力される対応したパルス間の関係を表示し、図５のピーク検出器と重ね合せ検査器ブロックの機能を図解した一連のタイミングダイアグラムである。
図１０Ａは、図５のピーク検出器のハードウェアブロックの典型的な実施例の回路の概略である。
図１０Ｂは、図１０Ａの回路の働きを図解したタイミングダイヤグラムである。
図11Ａは、図５の重ね合せ検査器のハードウェアブロックの典型的な実施例の回路の概略である。
図１１Ｂは、図１１Ａの回路の働きを図解したタイミングダイヤグラムである。
図１２Ａは、図５の入力カウント・レート（ＩＣＲ）カウンタのハードウェアブロックの典型的な実施例の回路の概略である。
図１２Ｂは、図１２Ａの回路の働きを図解したタイミングダイヤグラムである。
図１３は、図５のライブタイムカウンタの典型的な実施例の回路の概略である。
図１４Ａは、半分の高さの速いピーク幅を計る重ね合せ検査器の典型的な実施例の回路の概略である。
図１４Ｂは、図１４Ａの回路の働きを図解したタイミングダイヤグラムである。
図１５は、ＤＳＰ制御プログラムの主な特徴を示したフローダイアグラムである。
図１６は、ＤＳＰ制御プログラムのデータ取得タスクの特徴のフローダイアグラムである。そして、
図１７Ａから１７Ｄは、Ｘ線の到着レートにおける時間変動の影響を示すＡＳＣの発明の具体的な実施例の出力のオシロスコープの結果である。
図１８は、ＡＳＣの入力範囲内でＡＳＣの出力を保つのに使われる制御手順のブロック図である。
図１９Ａから１９Ｂは、プリアンプの２つのタイプのパルス高補正期間の必要を示している略図である。
図２０は、連続放電型プリアンプのためのパルス高補正期間を導き出すのに使われる期間を定義する略図である。
図２１Ａは、図４の低速フィルタのハードウェアブロックの別の実施例の回路の概略である。
図２１Ｂは、図２１Ａの回路の働きを図解したタイミングダイヤグラムである。そして、
図２２はアナログフィルタリングを使った別の低速フィルタの実施例を示す。
具体的な実施例の説明
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Ｃ_f15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Ｅ_xのＸ線は、Ｅ_x／εに等しい電荷Ｑ_xを放つ。ここで、εはダイオードの材質に依存する。Ｑ_xは、図1Bに示すように、Ｃ_f15で積分され、Ｑ_x／Ｃ_fあるいはＥ_x／（ε／Ｃ_f）と等しい出力電圧ステップＶ_xを生成する。本発明は、Ｖ_xの測定において、ノイズσを減らすことによって正確にＥ_x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。
機能的には、２つの基本的なタイプのプリアンプがある。第１のタイプでは、抵抗によるのと同様に要素17はキャパシタ15を連続的に放電（continuously discharges）する（“ＣＤ″の場合）。図1Cは、それぞれの間で指数関数形減衰をする一連の信号ステップ（図1Bにより）を備える典型的なＣＤプリアンプ出力を示す。平均出力電圧Ｖ_avgは、入力ダイオード電流Ｉ_inに要素17の抵抗値をかけたものに等しい。
第２のプリアンプのタイプでは、要素17は、プリアンプ13の出力電圧が上位リセット電圧ＶＵに達したときに周期的に閉じて、プリセット下位限界Ｖｌが達せられたとき再び開くスイッチである。これは、周期リセット（“ＰＲ″）（periodic reset）の場合の一般的な出力を示す図で、図1Dがその代表的な出力を示し、ＶＵに応じて立ち上がる電圧ステップの勾配を備え、リセットがおきて電圧ＶＬにもどり、処理が再び始まる。ランプの平均の傾きＳ_avgはＩ_in／Ｃ_fに等しい。平均の傾きについての典型的な信号変動は図1Eに示される。
１．２．ダイナミックレンジとデジタル化レートの議論
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。
エネルギ分解能に関して：経験的に、良好なエネルギ分解能を得るためには、ノイズレンジσ（図1B参照）はＡＤＣの最下位ビットΔＶ１の約４倍でなければならない。これはＡＤＣの前のアンプステージのゲイン（ボルト／ビット）をセットする。

与えられたΔＶ１に対して、ＡＤＣは０からＶ_maxの範囲を全部カバーするのに十分なビットＮ_Bを持たなければならない。

Ｎ_Bの一般的な値は14である。
２０ＭＳＡで動作する14ビットＡＤＣは存在するが、しかし我々が置換したいアナログエレクトロニクスのコストと比較して高価である。高速の8から10ビットのＡＤＣは、しかし、デジタル通信におけるその広い用途のおかげで高価ではない。本発明では、我々はこれらのより安価な装置が使用できるようにプリアンプ信号のダイナミックレンジを十分減らす。14-15ビットから8-9ビットへの減少はまた、より短い語は処理のためのエレクトロニクスを少なくし、所定のデータ・レートで処理をするためのパワーを少なくするという両方の点で有利である。
１．３．機能の構成
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。ＡＳＣ23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：ＡＳＣ：アナログ信号処理とＡＤ変換ブロック
２．１．ＡＳＣの機能の概念
ＡＳＣ23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。
ＤＳＰ27によるパラメータの制御の下では、ＡＳＣ23は従ってＬＦＦ複製を生成し、入力信号からそれを減算し、式1に合うように残留ＨＦＦ複製（remaining HFF replica）の振幅を調整する。ＡＤＣビットを少なくする以外にも、この方法は３つの付加的な有利性を有する。第１に、ＤＳＰ27はＡＳＣの制御パラメータがわかり、それが収集しているエネルギスペクトラムを精製するのにそれらパラメータを使うことができる。第２に、ＨＦＦ部分のＸ線パルスはＡＤＣの入力範囲にわたってほとんどランダムに（身震いされて）降下することになるので、スペクトロメータ22の精度と線形性はＡＤＣの微分積分非線形性に対して比較的に鋭敏ではなく、どんな直流オフセット電圧に対しても完全に鋭敏でない。第３は、プリアンプの入力の異なった各タイプは単にパラメータの調節によって調整することができる。ＣＤプリアンプに対しては、ＬＦＦは、図1Cに示されるように、単に値Ｖ_avgにセットされる定数に過ぎない。ＰＲプリアンプに対しては、ＬＦＦは図1Dに示すように、交互の傾きＳ_avgのランプとリセットを備える、のこぎり波の機能である。
２．２．ＡＳＣのハイレベルに関する説明
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ＤＡＣ38及びＤＳＰ27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ＤＡＣ43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ＤＳＰ27に警報を発する。ローパスフィルタ47は、それがＡＤＣ48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。
ＡＤＣの出力は、デジタルＡＤＣの出力バス50を経由して直接的にＦｉＰＰＩブロック25に接続され、バスバッファ52を経由して間接的にＤＳＰブロック27に接続されている。バッファ52は双方向ＤＳＰデータバス53、ＤＳＰアドレス線54、リセット線40に接続されており、ＤＳＰ27が各ＤＡＣ32，37，38，43へデジタル入力値をロードするようにし、ＡＤＣ出力バス50上の所望のＡＤＣ出力データ・ストリームをサンプルする。このようにＤＳＰ27は直接ＡＳＣ23の全機能を制御し、また直接ＡＤＣ出力50においてその効果を測定することもできる。適切な制御ソフトウェアによって、これはＤＳＰ27がまずＡＳＣ23に好適な動作量を最初にセットし、そしてＬＦＦ生成器35の動作もまた動的に制御することを可能にする。各インターフェイスバッファを使用することの詳細は、デジタルエレクトロニクスの従来技術に関する当業者にとっては公知であり、さらには記述しない。
２．３．ＡＳＣブロックの出力信号
ＤＳＰ27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Ｖ_avg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Ｓ_avg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。
ＣＲプリアンプに対しては、垂直の目盛りがＡＤＣの全体の入力範囲を満たすように調整されることを除いて、ＡＳＣの出力はだいたい図1Cのようになる。この場合、各Ｘ線パルス間の範囲は、プリアンプと同じ指数関数形減衰の傾きを持つ。
２．４．ＡＳＣの具体的な実施例
図４は、ＡＳＣ20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。
入力信号をＡＳＣ回路の範囲で中心に持っていくことのほかに、アンプ30の主要な機能は、入力からＡＳＣを保護し、約３つのファクタによって入力を増幅することにより回路の他の部分のノイズの要求事項を低減する。したがって適当な周波数帯幅のとても低いノイズのオペアンプを使うことが実現されるべきである。
ＬＦＦ生成器35はリセット可能な電流積分器であり、オフセット電圧Ｖ_offを有しリセットに５μｓ以下の整定時間で低ノイズ、高精度な各ランプを生成するように設計されている。抵抗68はＤＡＣ37の電流を電圧Ｖ_offに変換する。キャパシタ72はＤＡＣ38からの電流を、スイッチ75によってリセットされるまで積分する。抵抗77はＦＥＴオペアンプ65のスルーレイトが限界を越えないように保証する。オペアンプ78とスイッチ85は、ＬＦＦ生成器35の出力の振幅と符号が入力と一致するようにする。ＤＡＣ37は、一般に、ＬＦＦ生成器35の出力とアンプ30からの信号がプリアンプのリセットの後すぐに一致するように調整される。
可変ゲインステージ42は、粗いゲインを精密なゲインのための電圧制御、可変ゲインオペアンプであるアナログ・デバイゼス社製ＡＤ６０３92の100Ωに固定された入力インピーダンスにするスイッチ88と抵抗90を備える。ノイズを最小限にするために、固定出力ノイズがオペアンプ92は約12dBの細かいゲイン調整に対してのみ使用される。
ＡＳＣ部20の残された各ブロック、コンパレーター44とローパスフィルタ47は、直列に接続されている。コンパレータは、図1Eを参照すると、変動によって、ＡＳＣの出力信号がＡＤＣの入力範囲に位置するＬＬからＵＬの範囲を越える、どんな場合も検出することが求められる。
ローパスフィルタ47は、ＡＳＣの出力信号の周波数帯幅を、ＡＤＣ48のサンプリング周波数の半分であるナイキスト周波数ｆ_N以下に制限する。なぜなら、より高周波数の全ノイズは、デジタル化された出力信号に“偽信号化″されて、余計にノイズを増やすからである。この具体的な実施例では、ＡＤＣは20MHz、すなわちｆ_Nが10MHzで動作する。さまざなフィルタ設計が使用できるにもかかわらず、４極のバターワースフィルタが具体的な実施例で使われる。なぜなら、それは周波数における速いロールオフと、最小のピーク時間を持ち、４つの受動部品だけを必要とするからである。ナイキスト判別法が満たされたときスペクトロメータエネルギ分解能はサンプリング・レートに独立であることを、我々は実験的に確認した。2,5,10,25MSAで動作し、各々1,2.5,5,12,5MHzの各ローパスフィルタを有する実施例は、集められたデータサンプル数が、2MSAにおける8から25MSAにおける100に変化するにもかかわらず、２μｓのピーク時間をもつ三角フィルタリングに対してすべて同一のエネルギ分解能を作り出した。サンプリング・レートを増やしてエネルギ分解能の改善を報告した様々な著者はナイキスト判別法を満足させることに明らかに失敗している。従ってサンプリング・レートを選ぶことは、主として、良好パルスの組の分解能を実現するためにサンプリング・レートを上げることと、デジタル処理のコストを下げるようにサンプリング・レートを下げることとのトレードオフである。
３．ＦｉＰＰＩ：フィルタ、ピーク検出、重ね合せ検査回路
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。
この方法には重大な限界がある。なぜなら、補償調整はパルスの具体的な状態のもとでは行われることができず、加算あるいは減算のみを使うフィルタは正確ではないので我々の分光動作の目的を満たさない。それゆえ、発明の概要で言及したように、第２のフィルタリングステージでは、所望の精度を実現するのに必要な具体的な補正（プリアンプの形式に基づいたり、小域的な各動作状態など）を行うようにＤＳＰが使用される。
この方法は様々な理由で有利である。第１に、ＦｉＰＰＩはとても安くかつとても速くなり得る。例えば、好適な実施例では、20MSAのＡＤＣと動作させても単一のＦＰＧＡで実現される。第２に、第２ステップでの機能は、ＡＤＣのサンプリング・レート（例えば、20MSAと比較して500,000cps）よりもずっと低いＸ線信号事象の平均到着レートでのみ実行される。必要とされる精度は典型的に簡単な各法則であるので、現在の技術で実施されているように、得られたピーク値だけにそれらを適用することは、データ・ストリーム自体に（プリコンディショニングやデコンボルーションを通して）適用するより、より簡単かつ速くなる。同様の実施例では、20MIPのＤＳＰのみが第２のステージの処理に必要とされる。
具体的な実施例でのＦｉＰＰＩはそれゆえ、部分集合として三角フィルタリングを含む台形フィルタリングのみ備える。この選択は、実現されようとしている高カウント・レート・レジーム（high count rate regime）でのスペクトロメータのエネルギ分解能を下げない。なぜなら、Revista del Nuovo Cimento（1986）Vol.9(1),pp.1-146で発表された“Processing the Signals from Solid State Detectors in Elementary-Particle Physics”と題される論文でGattiとManfrediが示したように、三角フィルタリングは、実際には、連続した白色雑音が支配する短い整形時間レジームでは理想的な固定された整形の形式であるからである。より長い整形時間であっても、三角整形はなおもとても効果的である。核原子物理学の年間評論３８（1988）,pp.217-277で発表された“Low Noise Techniques in Detectors”と題された論文で、ラデカ（Radeka）は、最大限のエネルギ分解能に対してさえ、三角フィルタの分解能は理想的な尖頭フィルタよりも8%だけ悪いことを示した。
３．２．ＦｉＰＰＩの具体的な実施例、ハイレベルに関する考察
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。
具体的な実施例におけるＦｉＰＰＩ25の微細構成は図5に示される。データ・ストリームはＡＤＣ出力バス50に入り、低，高速信号両チャンネルに流れ込む。第１の低速チャンネル回路、デシメータ97は、プリセット・ファクタによって到来信号データ・レートを減らす。その出力は、デジタル的に台形フィルタリングするように備えられた低速フィルタ98によって処理される。低速フィルタ98の信号出力のピーク最大値は検出されたＸ線のエネルギに一致し、出力バッファ１００によって得られることができる。低速チャンネルの動作はＤＳＰ27からＦｉＰＰＩ25にロードされる３つのパラメータ、デシメーション・ファクタ102と低速フィルタの長さと各ギャップ値103によって制御される。
高速信号チャンネルのもっとも重要な機能は、低速フィルタ98から適切な値を得るためにデータ入力ストリーム50とトリガー出力バッファ100を検査することである。第１の高速チャンネル回路は高速フィルタ105であり、それはまたデジタル的に台形フィルタリングを実現するが、しかし低速チャンネルにおけるよりももっと短い時定数である。ピーク検出器107は、少なくとも設定した連続する数のサンプルについて設定されたしきい値を越える各ピークについてその出力を検査し、そしてこれらのピークの到着時間の最大値を得る。これらの各到着時間は関連するＸ線事象到着時間を定義し、出力バッファ100へのトリガーのタイミングに使用される。ピーク検出器からの各出力パルスは、低速フィルタ98で最大値が一部重なり合う（重ね合せ）各事象を拒絶する重ね合せ検査器108によって検査される。重ね合せ検査器108が良好なピークを検査するごとに、第２のステージの処理に対してＤＳＰ27へ送る低速フィルタ98の出力値を獲得するために出力バッファ100を起動させる。各ピーク検出器107の出力パルスはまた入力カウント・レート（ＩＣＲ）カウンタ110を進める。低速チャンネルにおけるのように、高速チャンネルの動作はＤＳＰ27からロードされた各パラメータによって制御される。すなわち、高速フィルタの長さとギャップ112、ピーク検出器のしきい値と最小ピーク幅各試験値113と、重ね合せ検出器に必要な、ピーク相互の間隔，高速ピーク最大幅，タイミングオフセット値115である。
出力バッファ100が起動されるごとに、それはまた、ＩＣＲカウンタ110の値とどんな形式の低速フィルタの値が得られたのかを印すフラグの、２つの別の各値を得る。そのバッファはしたがってＤＳＰ27に４つの各値を出力する。すなわち、２つの得られた低速フィルタの各値ＰＫＶＡＬ117，ＵＦＶＡＬ118と、最後の出力からのＸ線ＰＬＯＵＴ119の数と、ＰＫＶＡＬ117はＸ線の振幅か規格化を目的とするベースラインの値かどうかを指示するＢＬＦＬＧ120のフラグである。
ＦｉＰＰＩの最終の回路は、デジタルスペクトロメータがデータを集めるのにかかる正確な時間であるＴＩＭＥ122を測定するライブタイムカウンタ121である。これは２つの理由で有用である。第1は、制御コンピュータ28によってソフトウェア制御の下でスタートしたデータ習得処理を正確に計測することは、別のやり方では難しいことである。第２は、多重検出器システムにおいては、各スペクトロメータが、そのカウント・レートを正確に測定できるようにそれ自身のライブタイムを正確に測定できることは重要である。
３．３．ＦｉＰＰＩの具体的な実施例における分岐回路の動作
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6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。
３．３．１．デシメータ
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ＡＤＣＢＵＳ50からの４つの連続した値を加算し、10ビット線ＣＳ147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＿Ｆａｃｔｅｒ102によってデシメイトする回路は容易に構成される。
３．３．２．低速フィルタモジュール
台形フィルタの機能は各時刻｛ｉ｝のときの各データ｛ｄ_i｝のストリームの｛Ｔ_i｝として、次の式で与えられる。

ここでＬとＧは低速フィルタの間隔長Ｌ_Sとギャップ間隔Ｇ_Sで、パラメータ103として本モジュールに入れている。Ｇ_Sがゼロのとき、三角フィルタの機能は得られる。両形式はアナログスペクトロメータの論文で広く議論されている。台形関数の振幅は、もしギャップＧ_Sが十分に長いならば、電荷収集時間と独立にされることができ、したがって弾道欠損の現象が避けられる。しかし短い整形時間に対するノイズ比のその信号は、三角関数のものほどは良くない。本場合においては、選択はパラメータＳ＿ＬｅｎｇｔｈとＳ＿Ｇａｐ103によって定められる。
極端なＦＰＧＡの実体能力を消費する長い合計を避け、またゆっくり動作するために、式３は次のように計算し直され得る。

部分和（ｄ_i-L-G−ｄ_i-2L-G）はちょうど、タイムステップＬ_s＋Ｇ_sで以前に算出された部分和（ｄ_i−ｄ_i-L）であるので、先入れ・先出し（ＦＩＦＯ）メモリを２つだけを使って、式４に基づきＴ_iを生成することができることがわかる。ここに１つのＬ_sビット深さによって、項（ｄ_i−ｄ_i-L）を生成する値を保持し、また１つの（Ｌ_s＋Ｇ_s）ビット深さによって式４を実現する値を保持する。
図7Aの回路の概略と図7Bの各波形は、10ビット入力について、式４に基づき、Ｔ_iの値を生成する低速フィルタモジュール98の実現について述べている。そのフィルタ内の全構成要素の幅は、デシメーションの各ビットについて１ビットだけ、拡張するであろう。デシメータ97からの入力CS［9:0］は、漏れ電流検出器の効果及び／またはＡＳＣ23の動作を表わす一般的なパルスの前及び後の両方に、わずかな傾きを有する。
ＦＩＦＯメモリ148と減算器150は、項（ｄ_i−ｄ_i-L）を生成する。ここで、ＬはパラメータPA［4:0］152によって設定される。ＦＩＦＯメモリ158と減算器160は項（ｄ_i−ｄ_i-L）−（ｄ_i-L-G＋ｄ_i-2L-G）を生成する。ここで、Ｌ+ＧはパラメータPB［4:0］162によって設定される。そしてアキュムレータ168は式４の各値Ｔ_iを生成し、ラインFS［11,0］173に出力する。３クロック周期の各パイプラインディレイが生成される。アキュムレータ168で12ビットを使用することは、Ｘ線の狭い領域が予期され、ひとつのＸ線ステップはＡＤＣ入力範囲の約5％であるようにＡＳＣゲインが最適に設定されることができるＸＡＳ機器に対する技術的なトレードオフである。より一般的な設計では、アキュムレータの増加するビット数は有利なことである。
したがって、C［9:0］F［11:0］のステップ関数は、立ち上がり，立ち下がり時間175，177が両方とも“ピーク時間”ＴＰＫに等しくてＬに等しい台形パルスになる。その上辺178は持続時間ＴＧＰを持ち、その“ギャップ時間”はＰＡ152とＰＢ153の差Ｇに等しい。図７ＢのトレースＦＳ［１１：０］の黒い点は、もしそのピークが重ね合わされてなければ重ね合せ検査器はバッファ１００に出力するためにＦＳ［１１：０］を得るような時間ｔ_mを示す。ＣＳ［９：０］がまた得られたときは、これはパイプラインディレイが占めるよりも３クロック周期早くなる。
出力ＦＳ［１１：０］173は信号ＣＳ［９：０］147の傾きに比例するゼロでないベースラインを持つ。したがって、ピークの各振幅はベースラインに対して計られ、それはしたがってまた正確に決定される。また、ＣＳ［９：０］の傾きが時間で一定でないとき（直流プリアンプに関しては）、そのベースラインは検出された各Ｘ線パルスに対して部分的に測定されるべきである。
デシメータ97と低速フィルタ98の組み合せは、32深さ（deep）だけの各ＦＩＦＯと12ビットアキュムレータとを使った400サンプル（20MSA ADCについて20μｓ）までのピーク時間を許容する。だが一方で直接的に実現するには400深さの各ＦＩＦＯと18ビットアキュムレータとが必要であろう。これがより少ないＦＰＧＡゲートを必要とするだけでなく、より短いワードの長さが、別の方式よりもより安い程度（grade）のＦＰＧＡを使っても回路が十分早く動くようにする。
３．３．３．ＦＩＦＯの具体的な実現例
図8Aと８B8、Ｌ_s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、Ｃ147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、ＰＡ152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。
３．３．４．高速フィルタ
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、ＡＤＣ48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．重ね合せ検査
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9A〜9G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9A〜9C）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9Eから9F）。
３．３．５．２．ピーク検出
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から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ＲＥＰ223とＳＦＰ225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。
３．３．５．３．到着時間の確定
第2の議論は、図11Ａから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。ＲＦＰ223がハイのときはいつも、このブロックは、ＦＦ173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ＦＴＯＰ255をハイにセットする。到着時間のロケーションＴＳ194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。
３．３．５．４低速ピーク振幅の獲得
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ＰＳＡＭ298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9A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Ｔ４198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、Ｔ４198は一定時間ＴＳ194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ＴＳ194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。
３．３．５．５．低速チャンネルの重ね合せ検査
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9A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。
立ち下がり重ね合せ検査は、図11Bで示されるトレースで図11Aで示される回路のブロック243によって実行され、信号ＦＴＯＰ255の隣接した各終端の間の時間間隔を測定する。高速ピーク最大値、そしてその到着時間に印をつける降下するＦＴＯＰ信号は、Interval＿1カウンタ260をスタートさせ、重ね合せ検査期間のパラメータＰＦ268と共にロードされる。もしカウンタが首尾よくオーバーフローしＦＦ１６265に蓄積された値がパルスが立ち上がり重ね合せエッジを持っていないことを表わすならば、信号は低速チャンネルのピークが得られる時間ＴＳ194をカウントするのを終える第2のインターバルカウンタブロック245について発せられる。Interval＿2カウンタは、低速フィルタのパイプラインディレイを適合させる必要があり、10進クロックと共に動作しているであろう。
Interval＿1カウンタ260がオーバーフローしたとき、それは再スタートさせられ、Pass＿Cutカウンタ261は減少する。もしInterval＿1カウンタ260が2度オーバーフローしたならば、それは低速フィルタの出力がベースラインに戻ることができるほどパルス間の期間がとても長いことを意味する。このような条件の下では、もしＤＳＰ27がフラグＢＬＣＯＬ315をセットするならば、Interval＿2カウンタ245はベースライン獲得を初期化するよう起動させられる。ビットＢＬ278は、この状態を意味するために、出力値ＢＬＦＬＧ120としてバッファ100によって得られる。
ピークが立ち上がり重ね合せエッジと関係するか否かは、フリップフロップＦＦ１６265によって決定され、このＦＦ１６265は、新しい高速パルスが検出されるごとに、信号ＳＦＰ228を受けて、Pass＿Cutカウンタ261の値を蓄える。もしこの値が1ならば、最後のパルスから少なくともＰＦ268の時間が経っていることになる。
フィルタを通していない出力ＣＳ（図7B参照）が必要なときは、時間Ｔ４198の前の３低速クロック周期が得られなければならず、それは、Interval＿1カウンタが実際にそのピークが有効かどうかを確定してしまう前である。この時間はそれゆえコンパレータＣＭＰ２３262によって確定され、ＣＳの適切な値が、もしそのピークが有効ならば出力バッファ100へ転送されることができる中間バッファ307で得られる。
３．３．５．６．高速重ね合せ試験
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9Eから9Fが示すように、もしこの値ＴＷが最大値ＴＭ200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１６265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。
３．３．５．７入力カウント・レートカウンタとタイマー
図12Aから12Bにおける回路と各トレースは、ＦＩＰＰＩ15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ＳＦＰ228とPass＿Cutカウンタ261の出力Ｑ１０［０］270を使っている。その出力ＮＳＦＰ340は、それがバッファ100を読み出すのと同時にＤＳＰ27によって読み出されることができる。
図13の回路は、ＦｉＰＰＩ15のライブタイムカウンタ121（図5参照）の実施例を表わす。本回路は、ＤＳＰ27がC＿Enable 273を経由して信号を送るとき、すなわちデータを収集するモードにおけるときははいつも、分割クロック信号をカウントする。
３．３．５．８．任意の高速重ね合せ試験
第2の高速重ね合せ試験は図14Aから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ＦＦ173は、Ｑ７251がその最大値に達する機会を得るまで、ＦＩＦＯ１０353によってＰＪ358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ＭＷＩＤ１367は、低速ピークの獲得を妨げるために、フリップフロップＦＦ１６265をセットするのに使われることができる。
広い範囲の振幅を持つパルスが示されるとき本試験はとくによく動作し、しきい値がピーク振幅のかなり大きな部分となる低い振幅のパルスに対して、高速パルスと重ね合せ試験が最大限に利用されることを防ぐ。この場合、２つの低い振幅パルスが重ね合せでき、まだ基本幅の重ね合せ試験値より小さいこれら2つの幅の和をもつ、とても広い時間の範囲が存在する。
３．３．６．任意の出力バッファリング
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、0.5μｓ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。
我々は本動作をモデル化しており、ＤＳＰ27が、各事象を処理するごとに少なくとも一度はＤＳＰＦＬＡＧ302を得て、それらの平均レートで事象を処理できるほど速いならば、本バッファは、すべての事象の大多数を得る約４つの事象の深さだけ必要であることがわかっている。
４．ＤＳＰ：デジタル信号処理装置と論理
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。
４．２．ＤＳＰハードウェアの実施
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ＡＳＣ23，ＦｉＰＰＩ25，外部制御コンピュータ28に応答するようにする。
マイクロプロセッサやＤＳＰをプログラミングしたり割り込んだりすることに関係する一般的な議論は、従来技術の当業者にとっては公知であり、細い説明は行われない。各制御プログラムの一般的な各フローチャートは示されており、所望の機器機能を得るように発明された具体的なアルゴリズムに注目が集中する。
４．３．ＤＳＰハイレベルソフトウェアの説明
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。
ＤＳＰへの及びそれからのデータ転送は、そのデジタルスペクトロメータ22のインターフェイスを通して制御コンピュータ28によって起動される。そのようなインターフェイスの実現の詳細はその技術の当業者によって公知である。データ転送のこれらの要求は、インターフェイスがＤＳＰに対して転送割り込み383を発生するようにする。このような転送割り込み383を受けたとき、ＤＳＰはＤＳＰへ／からの転送データ385を移動させる。ここで、それはインターフェイス28の２つの状態レジスタを読み込み、データワードをＤＳＰメモリロケーションへインターフェイスレジスタから転送するかあるいはその逆にするかを決めるために使う。ＤＳＰは要求された転送をさせ、そしてデータワードをＣＡＭＡＣモニタリングタスク382に送る。多重ワードデータ転送は２MBytes/ｓまでのレートのＤＳＰのブロックのデータ転送モードを使うよう実現したのと類似している。
デジタルスペクトロメータ22が効率的に制御され得る前に、それは、制御コンピュータ28からダウンロードされたり（たとえばＦｉＰＰＩ25のフィルタ長）、システムを較正することによって経験的に決められたり（たとえばスロープＤＳＰ38の推定値）しなければならない、色々な定数と制御パラメータの数値が必要である。特に注目すべきは制御ワードＲＵＮＴＡＳＫＳであり、これはＤＳＰプログラムを制御するフラッグの組である。獲得割り込み387が受け取られたとき、獲得タイプ388はＲＵＮＴＡＳＫＳを試験することによって確定される。
４．３．１．１．各試験／校正ルーチン
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：
１）ＡＳＣ23の動作点をセットするために、バイアス32，オフセット37，スロープ38，ゲイン43の各ＤＡＣへ書き込む。
２）第1にスペクトロメータ22に対して入力を分離し、バイアスＤＡＣ32を使ってオペアンプ30に印加された連続した電圧値についてＡＤＣ48の出力を記録することによってシステム全体のゲインを測定する。結果にぴったりあったときは、ボルト入力あたりのＡＤＣ単位を生じ、それはまさにデジタルスペクトロメータのゲインである。これは、eVあたりのＡＤＣの各ステージの全体のシステムゲインを得るために、Ｘ線エネルギのeVあたりの電圧であるプリアンプのゲインによって倍にされることができる。もしプリアンプのゲインがわからなければ、この定数を求めるべく既知のＸ線エネルギを測定することができる。
３）１つのステップごとにＡＤＣの出力を変えるのに必要なオフセットＤＡＣのステップの数である、規格化した定数ＤＡＣ／ＡＤＣを得るために、上のルーチン２）の時と同じ処理によって、ＡＤＣのオフセットＤＡＣ37を校正する。
４）スロープＤＡＣ38へ既知の各値をセットすることと、生成された信号がＡＤＣ入力範囲を越えるのに必要な時間を測定することによって傾き生成器を校正する。傾きはスロープＤＡＣ38からの電流入力と、積分キャパシタ72の大きさとにだけ依存し、それによってＤＡＣ／ＡＤＣ値の良好な第2の試験が与えられる。
５）制御された入力波形としてＡＳＣの傾き生成器を使ってＡＤＣの微分積分非線形性を試験する。
６）スペクトラムデータなしでＡＳＣ割り込みを監視する。
７）ＤＳＰでＡＤＣの出力信号トレースを得る。このモードは、ＡＤＣ−ＤＳＰの組み合わせが本質的に簡単なデジタルオシロスコープとして動作するモードで、信号トレースを獲得することによって検出器の問題をデバッグするのに特に有効となり得る。
８）ＦｉＰＰＩのデシメータの各出力値Ｃ［9:0］147を獲得する。これはルーチンＮｏ．７と同じ有効性を持っているが、より低速なデシメータの出力で動作する。
９）入力Ｘ線信号をシミュレーションするために、まずスペクトロメータ22の入力を分離し、そしてバイアスＤＡＣ32によって電圧の各ステップの出力を使ってスペクトラムを集めることによって全部のスペクトロメータの正しい動作を確認する。出力スペクトラムは全体のシステムゲインの直接測定する場所を持ち、スペクトロメータのノイズを測定する幅を持つ、単一の狭いピークであるべきである。本試験は、完全な計器は選ばれたデジタルフィルタのパラメータで正確に動作していることの数値的な診断である。
これらの試験は、本発明のデジタルスペクトロメータが自己試験と自己校正をしていてまた製造するときの品質コントロール試験に有効であるようにする。普通の動作では、制御コンピュータ28はデータを集めようとすることより先にスペクトロメータが正確に動作しているか確かめるために、これらのプログラムの試験一式を走らせる。
４．３．１．２．データ獲得
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。
１）Ｘ線のエネルギ範囲、プリアンプの特性、初期速度推定値によって確定される各値を指定するために、ＡＳＣのバイアスＤＡＣ32、オフセットＤＡＣ37，スロープＤＡＣ38，ゲインＤＡＣ43をセットする。
２）ＭＣＡデータと統計値をゼロにリセットする。
３）低速フィルタ長と各ギャップ値103，高速フィルタ長とギャップ112，ピーク検出器試験値113，ＦｉＰＰＩに対する重ね合せ検査器の値115の、各制御パラメータのデシメーション要素102を書き込み、ＦｉＰＰＩの動作を再起動する。
４）傾き生成器を非活性化（disable）しながら、時間に対するＡＤＣの各値を観察することによってＡＳＣモニタリングを始める。プリアンプの信号のランプの傾きを推定し、スロープＤＡＣ38の値がそれと一致するように計算する。そしてリセット値をオフセットＤＡＣ37へロードし、傾き生成器35を活性化する（enable）。
５）もしＡＳＣ28の出力の信号がＡＤＣ48の入力範囲を超えたとき、ＤＳＰに割り込みをするために、ＡＳＣコンパレータ割り込みを割込み可能にする。
６）低速フィルタのベースラインの各値の最初の一組を集め、ベースラインの平均値と分散量を計算する。
７）ＦｉＰＰＩデータの受領の準備のために、ポインタの各値をＤＳＰのＹデータメモリのサーキュラー事象ループバッファへセットアップする。
８）ＦｉＰＰＩが有効なピーク振幅を獲得したとき、ＦｉＰＰＩがＤＳＰに信号を送るように、ＦｉＰＰＩの割り込み信号ＤＳＰＦＬＡＧ302をイネーブルにする。
４．３．１．３．データ獲得タスク
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0.5μｓ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。
獲得ＦｉＰＰＩデータルーチン405は、データ獲得ステップを実行する。ここでＤＳＰは、各値ＰＫＶＡＬ117，ＵＦＶＡＬ118，ＢＬＦＬＧ120，ＰＬＯＵＴ119を含むＦｉＰＰＩから２つの16ビットワードを読み込む。そしてそれはこれら2つのワードをサーキュラーバッファに書き込み、それらのアドレスに対してポインタを増加させる。これらの動作は5あるいは6のクロック周期だけを必要とする。次にサーキュラーバッファに残っているいずれのデータも処理するために、制御はデータ獲得タスク402へ戻る。これは、プリセットの事象の最大限の数が処理されるまで、あるいはストップデータ獲得407が起きるまで続く。いずれのケースでも、プログラムは終了データ獲得408へ進み、その主な機能は、ＡＳＣコンパレータ割り込み45を割込み禁止にすること，ＦｉＰＰＩの割り込み302を割込み禁止にすること，サーキュラーバッファに残っているいずれのデータの処理も終わらせること，ライブタイムカウンタ121の値を記録することである。プログラムはその後ＣＡＭＡＣモニタリングタスク382へ戻るが、ここでは集められたデータはロードされないようにできる。
データ獲得タスク402はまた、ＡＳＣ23の出力がＡＤＣ48への入力の範囲を越えるどんなときでもＡＳＣ割り込み410によって割り込まれることができ、以下に記述するように、固定ＡＤＣ範囲外状態412ルーチンのブランチへ押し込む。一度正しいＡＳＣ動作が復活すると、プログラムはサーキュラーバッファのデータ処理へ戻る。
４．３．２．データ獲得タスクソフトウェア
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。
処理ループでは、一旦良好な事象からのデータがバッファ452から読み込まれると、全事象数は、値ＰＬＯＵＴ119を使って453で増加する。全カウント数は、正確な到来カウント・レート推定値を得るために、記録されたライブタイムで割る。ＰＬＯＵＴ値の統計量も集めることができ、過剰な流量のような不正確な各実験状態に対して監視するように使われる。その後ＤＳＰは、ＡＳＣ23からのひずみに対してやその他、獲得された低速フィルタの各値ＰＫＶＡＬ117とＵＫＶＡＬ118から正確なＸ線エネルギ455を計算するのに必要である計算と修正を行う。選択されたアルゴリズムは、本発明のスペクトロメータが接続された検出器−プリアンプの組み合わせに充当される。これは発明されたステップであり、さらに後で記述される。一度エネルギが見つかると、多チャンネル分析（ＭＣＡ）ビン（bin）458を計算するためにそれは測定されて、そしてそのビンは、その分野の当業者にとって公知である各技術を使って、検出されたＸ線スペクトラムのヒストグラムを生成するために増加する。
４．４．スペクトロメータ制御と計算アルゴリズム
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、ＡＳＣ23，ＦｉＰＰＩ25，ＤＳＰ27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。
４．４．１．ＡＤＣの範囲外状態の固定
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ＡＤＣ４８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17Ａと17Ｂによって図示される。図17Ａ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17Ｂ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、ＦｉＰＰＩ25のデータ・ストリームを無効にし、ＤＳＰ27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ＤＡＣ37，38を調節することによってそれが起こる。図17Ｃと17ＤはＤＡＣ37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。
図18に示されるアルゴリズムは、高速で効率的な方法でこれらの場面を扱うように設計されており、好適な実現では、一般に約2μｓ以内で適切な動作に回復する。以下のいくつかの説明で、このアルゴリズムはコンピュータプログラミングの分野の当業者にとって明確になるであろう。この動作箱（action boxes）“Ｍｏｖｅ Ｄｏｗｎ１”495と“ＭｏｖｅＵｐ１”504は、ＤＡＣ37による調整を委ね、“単位”ステップは、図17Ｃと17Ｄに示されるように、ＡＤＣ入力範囲を交差する半分の動作に必要なＤＡＣビットの数である。“リセット”箱498は、プリアンプのリセットが検出されており、スイッチ75を使うことと、ＤＡＣ37がその基準値に戻ることによってＬＦＦ生成器35もリセットされるように要求していることを意味する。箱“もしＡＢＣ（フラグ）が１ならば、トラッカーを更新する”511は、図17Ｂで示されるように、範囲外の単純なドリフトが検出され、次のセクションで記述される傾きを追跡するアルゴリズムが実施されなければならないことを意味する。
４．４．２．推定値をセットするスロープＤＡＣ38の更新
スロープＤＡＣ38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。
したがって、“トラッカーを更新する”511が呼び出されるごとに、具体的な実施例においては、次式によって過去の範囲外の状態の指数関数的に減衰するメモリの持つ重みＷは更新され、式によると

ここでV_i＝＋１に等しいときハイ、−１に等しいときロー範囲外である。その後W_iが試験されて、もしそれが試験値Vを越えるなら、それはゼロにされ、スロープ38は適切な方向の1ビットによって調整される。その他の点では何もされず、そのプログラムは進む。移動平均のような他の式は、W_iを計算するのに使うことができるが、式５は最小のメモリや計算だけが求められるときに有効である。
４．４．３．パルスの高さの振幅のエネルギの計算
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、ＦｉＰＰＩ25の出力値ＰＫＶＡＬ117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、ＡＳＣ23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、ＡＳＣ23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。
ＦｉＰＰＩ25のこの傾いた信号に対する応答は図19Ａ（ＰＲプリアンプの場合に対して）に示される。振幅Ａが所望されるにもかかわらず、ＦｉＰＰＩは値Ｈを生成し、それは端の上方と下方の2つの各領域の間の差である。計算ではしたがって測定された値ＨからＡを取り戻す必要がある。図19Ａはそれを示し、G_Sのギャップ時間とともに低速フィルタの長さL_Sに対して：

ここで、V₁とV₂はフィルタ領域を越える平均電圧であり、Sは生成した傾きS_Gと漏れ傾きS₁の間の差である。したがって：

我々はそれゆえ、第２の期間の正確な推定値を得ることを望む、そうしないとスペクトロメータのエネルギ分解能を下げる。L_SとG_Sはパラメータであり、厳密に知られており、生成された傾きS_gである。S₁は測定されなければならず、Aが0に等しいとき、Ｘ線の各事象がフィルタ内のいずれの場所でも存在しているとき、式７によって長さを使ってなされる。いま、Hが−（S_g−S₁）（L_s+G_s）に等しく、三角パルスの間の“ベースライン”であるとする。多くの測定をすることによって、われわれは任意の精度で中間のベースラインの値Bを推定することができる。

ここで、ＰＫＶＡＬ_Bは、これより前で述べられているように、フラグＢＫＣＯＬ315が１にセットされたときに、ＦｉＰＰＩから得られたＰＫＶＡＬ117の値である。与えられたBで、われわれは次からＸ線エネルギを計算することができる。

ここでGはシステムのゲインで、ＰＫＶＡＬの通常の値、すなわちフラグＢＫＣＯＬ315を０にセットした値である。
ベースラインＢは、スペクトロメータの分解能に影響しないよう十分正確に決定されなければならない。式9において、ガウス分布エラーであるとみなして、ＰＫＶＡＬの各分散量σ_P，σ_BとBを直角位相で足し算するので、σ_Bはしたがってσ_Pの1/10の次数であり、BはＰＫＶＡＬ_Bのおおよそ100の測定量の平均から決定される。
好適な実施例でのBの決定は、2つのステップで進む。第1は、スタートデータ獲得ルーチン395のタスクNo.6で、ＰＫＶＡＬ_Bの100の測定がなされ、そしてそれらの平均Bと分散σ_Bが計算される。これは正確なBのスタート値を供給する。第2に、データ獲得タスク402（図16）で、UPDATE BASELINE ESTIMATE 438の手順における全256ループのたびに、Bは更新される。Bの様々な移動平均をとる計算がされるとき、具体的な実施例では、

は指数関数的に減衰する過去の履歴を実現するように作られている。ここでb_iは、ＰＫＶＡＬ_B＋S_B（L_S+G_S）の現在の測定された値である。Bの現在の値だけ蓄えられ、もし比が2の累乗ならばシフト構造を使った固定点ＤＳＰでかなり速く実行することができるので効率的である。実験は、かなり速いBの変化でさえ、この技術によって正確に追跡できることを示す。もしBが非常に速く変化するのが予想されるのなら、ＮＬＯＯＰ Ｍｏｄｕｌｏ２５６＝０ＴＥＳＴ428の値２５６をベースラインをさらに頻繁にサンプルすべく、減少させることができる。
４．４．３．２．連続した放電をするプリアンプの場合
ＣＤプリアンプについは、図19Ｂ，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。
図20はこの状態を示す。われわれは、振幅Ａを所望するが、しかし、パルスの後の0.5（L_S+G_S）で得られた移動平均<V₂>とパルスの前の0.5（L_S+G_S）で得られた<V₁>との差である値Hを得る。S₁，S₂は2つの測定点での信号の傾きであり、V_eはＸ線の事象の直前の時間t_eにおけるその値であり、V₀は指数関数的に減衰する値である。われわれは、K=(L_S+G_S)/2τによって一定値Kを定義するが、ここでτはプリアンプの指数関数的な減衰時間である。
それゆえ指数関数的減衰は：t<t_eに対して

t>t_eに対して

われわれは次式によってＨを近似することができる：

傾きS₁とS₂は、同じ精度に対して：

式13に代入して次式が与えられる。

ここで、V_eとV₀はともに測定された変数ではない。われわれは、いずれの点においても瞬間的な電圧を測定することによってV_eの推定値を得ることができる。数学的に簡単にするために、われわれは、時間(L_S+G_S)/2において、点V₂を選ぶ。ここで、

式15に代入すると次式が得られる。：

ここでHとV₂は測定された量で、V₀は一般に一定である。Aはちょうど式9のようにしてＸ線エネルギを得るシステムのゲインGによって測定できる。2KV₀の推定値は、Ｘ線が存在しないときAの値を測定することによって得られる。2KV₀は、式9でベースラインBがするように式18でAの値を計算する厳密に同じ役割をし、同じアルゴリズムは正確にその値を推定するのに使うことができる。検出器の漏れ電流から生じるあらゆる線形の傾きの項はまたこの項に分類される。
ＣＤプリアンプの校正を実現すること、したがってＤＳＰ27の符号を実現することは、式9は次式によって置き換えられて：

<V₀>の計算に使われるV₀の個別の各値は次式からわかる。

４．４．３．３．一つおきの連続した放電をするプリアンプの場合
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。
議論は、そして、式18を使ってV₂の申し分なくより正確な値を得ることである。<V₂>はわれわれが作ることができるもっとも正確な測定量V₂であることを認識し、Hはちょうど<V₂>−<V₁>であることに注目することによって、われわれは、Hについて式12から式13へ、S₂とS₁を置き換えることによって交互の補正を引き出すことができる。H=<V₂>−<V₁>であることに注意すると：

<V₂>及び<V₁>の双方を、平均のフィルタを通した平均値<V₂>と<V₁>によって置き換え、再び整理して次式が得られる。

これは式18の置き換えであり、ここで、いま全項は可能な限り統計的に正確である。
式21Ａと式21Ｂにおける概略とトレースによって示されるように、式22を満たすには修正されたＦｉＰＰＩの低速フィルタの設計が必要であり、図7Aと図7Bと比較されるべきである。本回路は移動平均V₂を生成し、その後V₁を生成するためにＦＩＦＯを使うが、それは適切に減衰した信号とちょうど同じである。４ビットでのデシメーションは一般に興味のある長い整形時間に必要とされているので、入力信号ＣＳ［13:0］527はいま14ビット幅である。ＦＩＦＯ528の長さは、L_sであるパラメータＰＡ［13:0］152によって設定される。Ｄ532は、Ｘ線パルスがＡＤＣの入力範囲の1/8を越えないという推定のもとに12ビットだけ持つ。その他の点では、Ｄと、続いている各ステージにおけるビットの数は増加するかもしれない。V₂とV₁の間の遅れはL_s+G_sに等しく、ＦＩＦＯ537へのパラメータＰＢ［4:0］162によって設定される。V₂とV₁は、Ｖ２［16:0］535の出力はＰＫＶＡＬ117として、Ｖ１［16:0］538の出力はＰＫＶＡＬ118として、上で記述されたように正確に重ね合せ検査器108の動作によって出力バッファ100で得られる。
ＦｉＰＰＩは、好適な具体例ではフィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）において実現されるので、式18と式22のうちから選ぶことは、物理的にスペクトロメータを変えるのではなく、ＦＰＧＡのダウロードされたファイルとＤＳＰのソフトウェアを変えるだけである。
式18と式22は、減衰する各指数曲線と独立に提案されたデジタルの実施例の内容に単に基づいて導き出されたので、それらはまたアナログ方式で実施されることができる。したがってＣＤプリアンプを三角波整形とベースライン補正をするアナログ分光アンプをDC接続し、式18のHとしてアンプの出力を、V₂としてアンプの入力の遅れ時間の複製を使うことによって、そして指数関数形減衰をする信号に起因する瞬時のベースラインシフトに校正される信号が生成され、AC接続されたシステムで要求であるゼロ極補償の必要を取り除く。
式22はまた、図22で大まかに示されているように、アナログ回路を使うことで実現されることができる。本回路は、アナログエレクトロニクスの従来技術の当業者にとっては明確であるだろうが、図21Aに示されるデジタル回路の直接アナログ変換を備え、V₂とV₂の合計を実現するオペアンプ合計回路（op-amp summing circuit）522と接続される。V₀の校正は、従来技術の当業者にとっては公知であるように、ベースライン復元回路を回路の出力に付加することによって実際には提供される。本回路は、特にアナログ遅延回路が簡単に実現される時間期間内で、各方法の存在を越えて高入力レートと短い波形整正時間が所望されたとき、実質的な有利な点を提供する。
５．結論
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。
上記が本発明の具体的な実施例の完全な記述であるにもかかわらず、各種の変形例、別の構成、等価物が使われ得る。第1の例としては、具体的な実施例では、必要とするＡＤＣのビット数を減らすために、信号処理フロントエンド（signal conditoning front end）を使っているにもかかわらず、本発明の他の動作は本装置に従属ではない。もし、より安く、より速いより多くのビットを持つ各ＡＤＣが利用できるならば、この部分は取り除かれるかもしれない。さらに、本発明に必要な様々な計算を実行するために単一のデジタル信号処理装置を使うのに効果的なコストであるにもかかわらず、これらの計算は多重マイクロプロセッサ間で分配され、具体的な各機器に（例えばより高い総合カウント・レート能力が必要なとき）おいてはこれはより効果的になるかもしれない。したがって、上の記述は、付属の各請求項によって定義された本発明の範囲を制限するものとして受けとめられるべきではない。

Claims (6)

1. 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あって、平均レートで前記電気信号が到着し、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する方法において、
   前記平均レートより大きいサンプリング周波数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し、デジタル化された入力信号を生成するステップと、
   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の組合せ論理回路を提供するステップと、
   前記組合せ論理回路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、
   前記組合せ論理回路を使って、デジタル整形フィルタに前記デジタル化された入力信号を入力するステップと、
   前記組合せ論理回路を使って、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、
   前記組合せ論理回路を使って、前記デジタル整形フィルタの出力から前記パルス信号の各振幅の推定値を引き出すステップと、
   前記組合せ論理回路から前記ＤＳＰへ前記推定値を転送するステップと、
   前記ＤＳＰを使って、前記推定値を修正するステップとを備える方法。
2. 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、エネルギ範囲の配列のうちいずれか１つのエネルギ範囲に割り振ることで、前記修正されたパルスの前記振幅のスペクトラムを作るステップをさらに備える方法。
3. 請求項１の方法であって、アナログ信号処理回路によって実行される、前記ＡＤＣに入力される前までのアナログ電気信号をアナログ信号処理するステップをさらに備える方法。
4. 請求項１の方法であって、前記デジタル化された入力信号を生成するステップの前に実行されるステップであって、前記入力信号のダイナミックレンジよりも小さいダイナミックレンジを有する入力信号を生成するために選択されたパラメータのセットに従って前記入力信号を調整するステップをさらに有する方法。
5. 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に伝えるステップをさらに備え、
   前記推定値を修正するステップにおいて前記ＤＳＰが前記パラメータのセットの値を使用する方法。
6. 請求項４の方法であって、
   前記調整された入力信号が前記ＡＤＣの入力範囲を越えるかどうかを検出するステップを備え、
   もし前記調整された入力信号が前記ＡＤＣの入力範囲を越えるならば、前記ＤＳＰの動作に割り込みをかけるステップと、前記入力信号が前記ＡＤＣの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と、のうち少なくとも１つを実行する方法。

Images