[논문 리뷰] True Gaussian shaping for high count rate measurements of pulse amplitudes

M. Yu. Kantor, A. V. Sidorov|arXiv (Cornell University)|2018. 09. 06.

Medical Imaging Techniques and Applications참고 문헌 12인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 짧은 리즈 타임, 긴 꼬리가 있는 검출기 펄스를 풀 폭이 반으로 줄어든, 대칭적인 가우시안 펄스로 변환하는 디지털 진짜 가우시안 샤프닝기를 제안한다. 입력 펄스 리즈 타임보다 훨씬 짧은 전고도 반폭(FWHM)을 달성함으로써, 표준 삼각형 샤프닝기보다 몇 배 높은 출력 카운트 레이트를 가능하게 하면서도 에너지 해상도를 유지하고 전하 수확 시간 잡음에 의한 진폭 변동을 줄인다.

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.

연구 동기 및 목표

• 최소 펄스 폭 제약으로 인해 표준 샤프닝기의 고속 카운트 레이트 펄스 진폭 측정에서의 한계를 해결하기 위해.
• 기존 펄스 샤프닝 기법을 사용할 경우 카운트 레이트와 에너지 해상도 사이의 상충관계를 극복하기 위해.
• 입력 펄스 리즈 타임보다 훨씬 짧은 FWHM을 갖는 진짜 가우시안 형태의 출력 펄스를 생성하는 디지털 샤프닝기를 개발하기 위해.
• 실제 검출기 데이터를 사용하여 노이즈, 데드 타임, 해상도 시간, 에너지 해상도 측면에서 진짜 가우시안 샤프닝기의 성능을 평가하기 위해.
• 진짜 가우시안 샤프닝기가 표준 삼각형 샤프닝기보다 훨씬 높은 출력 카운트 레이트를 가능하게 하면서도 에너지 해상도를 유지할 수 있음을 입증하기 위해.

제안 방법

• 원하는 가우시안 출력 펄스의 푸리에 변환과 검출기 시스템의 측정된 임펄스 응답의 비율로 유도된 전송 함수를 사용하여 디지털 샤프닝기를 설계한다.
• AXAS-D 스펙트로미터와 KETEK H7 VITUS 실리콘 드프트 검출기(SDD)에서 확보한 측정된 임펄스 응답 데이터를 샤프닝의 입력으로 사용한다.
• 교정된 시스템 특성을 기반으로 한 수치 모델링을 통해 다양한 가우시안 펄스 폭에서의 펄스 샤프닝 성능을 시뮬레이션한다.
• 노이즈 증폭, 데드 타임, 해상도 시간, 전하 수확 시간 변화에 따른 진폭 안정성 측면에서 진짜 가우시안 샤프닝기와 표준 삼각형 샤프닝기를 비교 분석한다.
• KETEK 시스템의 측정된 노이즈 스펙트럼을 사용하여 다양한 샤프닝기 구성에서의 신호 대 노이즈 비율과 효과적 에너지 해상도를 추정한다.
• 다양한 통합 시간과 펄스 폭에서의 통합 시간 잡음에 의한 진폭 변동을 시뮬레이션하여 SDD에서의 전하 수확 시간 잡음에 의한 진폭 변동을 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 디지털 샤프닝기가 입력 펄스 리즈 타임보다 훨씬 짧은 FWHM을 갖는 진짜 가우시안 출력 펄스를 생성할 수 있는가?
• RQ2 고속 카운트 레이트에서 진짜 가우시안 샤프닝기의 노이즈 증폭은 표준 삼각형 샤프닝기와 비교해 어떻게 되는가?
• RQ3 진짜 가우시안 샤프닝기를 사용한 스펙트로미터 시스템의 구현 가능한 출력 카운트 레이트는 표준 삼각형 샤프닝기 대비 어떻게 되는가?
• RQ4 고속 카운트 레이트에서 전하 수확 시간 잡음에 의한 진폭 변동은 진짜 가우시안 펄스와 삼각형 펄스 간에 어떻게 다를까?
• RQ5 진짜 가우시안 샤프닝기가 SDD 기반 스펙트로미터에서 더 높은 카운트 레이트를 가능하게 하면서도 에너지 해상도를 얼마나 잘 유지하는가?

주요 결과

• 진짜 가우시안 샤프닝기는 출력 펄스 폭(FWHM)을 입력 펄스 리즈 타임의 20% 이하로까지 낮추어 표준 샤프닝기보다 훨씬 짧은 펄스 간격을 가능하게 한다.
• 진짜 가우시안 샤프닝기를 사용한 스펙트로미터 시스템의 출력 카운트 레이트는 표준 삼각형 샤프닝기 대비 2–3배 향상되었으며, 5.895 keV에서 139 eV FWHM의 에너지 해상도를 유지한다.
• KETEK H7 VITUS SDD에서 진짜 가우시안 펄스의 전하 수확 시간 잡음에 의한 진폭 변동은 0.5% 미만이며, 이는 시스템의 139 eV 에너지 해상도 이하로 유지된다.
• 빠른 SDD(AMPTEK XR100-SDD, 더 큰 면적)의 경우 100 ns 통합 시간에서 진폭 변동은 약 20%에 이르지만, 여전히 짧은 삼각형 펄스보다 낮은 수준을 유지한다.
• 진짜 가우시안 샤프닝기의 해상도 시간은 삼각형 샤프닝기보다 짧아, 강하게 겹쳐진 펄스의 정확한 진폭 측정이 가능하다.
• 이 샤프닝기는 1/Ts 이상의 고주파 성분을 강력하게 억제하여, 유사한 펄스 폭을 갖는 표준 샤프닝기와 달리 과도한 노이즈 증폭 없이 좁은 펄스를 생성할 수 있다.