[論文レビュー] True Gaussian shaping for high count rate measurements of pulse amplitudes

M. Yu. Kantor, A. V. Sidorov|arXiv (Cornell University)|Sep 6, 2018

Medical Imaging Techniques and Applications参考文献 12被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、短い立ち上がり時間、長い尾ていの検出器パルスを、全波幅半最大（FWHM）が入力パルスの立ち上がり時間よりも著しく短い、狭く対称なガウス型パルスに変換するデジタル真正ガウス型整形器を提案する。立ち上がり時間未満のパルス幅を達成することで、エネルギー分解能を維持したまま、標準の台形整形器よりも数倍高い出力カウントレートを実現する。また、電荷収集時間のジャイタに起因する振幅変動も低減する。

ABSTRACT

A digital shaper for high-count-rate detection and amplitude measurement of pulses is proposed and analysed in this paper. The proposed shaper converts pulses with a short leading edge and a long exponential tail into a true Gaussian form. The width of Gaussian pulses can be several times smaller than the rise time of the input pulses, i.e. considerably shorter than the undistorted output pulses provided by standard shapers. Therefore, the proposed true Gaussian shaper resolves strongly overlapped pulses better and provides a higher output count rate. The capabilities of the proposed true Gaussian shaper are analysed with real and simulated output signals of a silicon drift detector of soft X-ray radiation, operating at a high count rate of the collected quanta. Our analysis shows that true Gaussian shapers can increase the count rate of spectrometer systems several times compared with the widely used trapezoidal shapers, while maintaining their amplitude resolution.

研究の動機と目的

• 最小パルス幅の制約により、高カウントレートでのパルス振幅測定において標準の整形器に見られる限界を解消すること。
• 従来のパルス整形技術を用いた分光計システムにおいて、カウントレートとエネルギー分解能のトレードオフを克服すること。
• 入力パルスの立ち上がり時間よりも著しく短いFWHMを持つ真正ガウス型出力パルスを生成するデジタル整形器を開発すること。
• 実際の検出器データを用いて、ノイズ、デッドタイム、分解能時間、エネルギー分解能の観点から真正ガウス型整形器の性能を評価すること。
• 真正ガウス型整形が、エネルギー分解能を保持したまま、標準の台形整形よりも顕著に高い出力カウントレートを実現できることを実証すること。

提案手法

• 所望のガウス型出力パルスのフーリエ変換と検出器システムの測定インパulse応答の比として得られる伝達関数を用いて、デジタル整形器を設計する。
• 整形の入力として、KETEK H7 VITUSシリコンドリフト検出器（SDD）を搭載したAXAS-D分光計から得た測定インパulse応答データを用いる。
• キャリブレーション済みのシステム特性に基づく数値モデリングを用い、さまざまなガウス型パルス幅におけるパルス整形性能をシミュレートする。
• ノイズ増幅、デッドタイム、分解能時間、および電荷収集時間の変動に伴う振幅安定性を分析することで、真正ガウス型整形器と標準の台形整形器を比較する。
• KETEKシステムの測定ノイズスペクトルを用いて、さまざまな整形器設定における信号対ノイズ比と効果的エネルギー分解能を推定する。
• 異なる積分時間とパルス幅におけるパルス振幅の変動をシミュレートすることで、SDDにおける電荷収集時間のジャイタに起因する振幅変動を分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 デジタル整形器は、入力パルスの立ち上がり時間よりも著しく短いFWHMを持つ真正ガウス型出力パルスを生成できるか？
• RQ2 高カウントレートにおける真正ガウス型整形器のノイズ増幅は、標準の台形整形器と比較してどの程度か？
• RQ3 真正ガウス型整形器を用いた分光計システムの実現可能な出力カウントレートは、標準の台形整形と比較してどの程度か？
• RQ4 高カウントレート下での電荷収集時間のジャイタに起因する振幅変動は、真正ガウス型パルスと台形パルスとでどのように異なるか？
• RQ5 SDDベースの分光計において、真正ガウス型整形が高カウントレートを実現しながら、エネルギー分解能をどの程度維持できるか？

主な発見

• 真正ガウス型整形器は、出力パルス幅（FWHM）を入力パルスの立ち上がり時間の20％まで短縮でき、これにより標準の整形器よりも著しく短い間隔のパルスを実現できる。
• 真正ガウス型整形器を用いた分光計システムの出力カウントレートは、標準の台形整形と比較して2〜3倍に向上し、5.895 keVで139 eVのFWHMエネルギー分解能を維持している。
• KETEK H7 VITUS SDDでは、電荷収集時間のジャイタに起因する真正ガウス型パルスの振幅変動は0.5％未満であり、システムの139 eVエネルギー分解能をはるかに下回っている。
• 高速SDD（AMPTEK XR100-SDD、面積が大きい）では、100 nsの積分時間で振幅変動が約20％に達するが、依然として短い台形パルスのそれよりも低い。
• 真正ガウス型整形器の分解能時間は、台形整形器よりも短く、強く重なり合うパルスの正確な振幅測定を可能にする。
• この整形器は、1/Ts以上の高周波成分を強く抑制しており、これにより、類似したパルス幅を持つ標準の整形器と異なり、過度なノイズ増幅を伴わずに狭いパルスを生成できる。