[论文解读] 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 4

一句话总结

本文提出一种数字真实高斯整形器，可将短上升时间、长尾部的探测器脉冲转换为窄而对称的高斯脉冲，其全宽半高（FWHM）显著短于输入脉冲的上升时间。通过实现亚上升时间脉冲宽度，该整形器使输出计数率显著提高——是标准梯形整形器的数倍，同时保持能量分辨率并减少因电荷收集时间抖动引起的幅度变化。

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.

研究动机与目标

• 解决标准整形器在高计数率脉冲幅度测量中因最小脉冲宽度限制而带来的局限性。
• 克服传统脉冲整形技术在光谱仪系统中计数率与能量分辨率之间的权衡。
• 开发一种产生真实高斯形输出脉冲的数字整形器，其FWHM显著低于输入脉冲上升时间。
• 利用真实探测器数据，评估真实高斯整形器在噪声、死时间、分辨时间及能量分辨率方面的性能。
• 证明真实高斯整形可使SDD基光谱仪的输出计数率显著高于标准梯形整形，同时保持能量分辨率。

提出的方法

• 使用作为所需高斯输出脉冲傅里叶变换与探测器系统实测脉冲响应之比推导出的传输函数设计数字整形器。
• 以AXAS-D光谱仪搭配KETEK H7 VITUS硅漂移探测器（SDD）测得的脉冲响应数据作为整形输入。
• 基于校准的系统特性进行数值建模，模拟不同高斯脉冲宽度下的脉冲整形性能。
• 通过分析噪声放大、死时间、分辨时间及电荷收集时间变化下的幅度稳定性，将真实高斯整形器与标准梯形整形器进行比较。
• 利用KETEK系统的实测噪声谱，估算不同整形器配置下的信噪比与有效能量分辨率。
• 通过模拟不同积分时间与脉冲宽度下的脉冲幅度，分析SDD中因电荷收集时间抖动引起的幅度变化。

实验结果

研究问题

• RQ1 数字整形器能否产生FWHM显著短于输入脉冲上升时间的真实高斯形输出脉冲？
• RQ2 在高计数率下，真实高斯整形器的噪声放大特性与标准梯形整形器相比如何？
• RQ3 与标准梯形整形相比，使用真实高斯整形器的光谱仪系统可实现的输出计数率是多少？
• RQ4 在高计数率下，真实高斯脉冲与梯形脉冲因电荷收集时间抖动引起的幅度变化有何差异？
• RQ5 真实高斯整形器在SDD基光谱仪中实现更高计数率的同时，其能量分辨率保持程度如何？

主要发现

• 真实高斯整形器实现的输出脉冲宽度（FWHM）可低至输入脉冲上升时间的20%，从而显著缩短脉冲间隔，优于标准整形器。
• 采用真实高斯整形器的光谱仪系统输出计数率比标准梯形整形提高2–3倍，同时在5.895 keV能量下保持139 eV FWHM能量分辨率。
• 对于KETEK H7 VITUS SDD，真实高斯脉冲因电荷收集时间抖动引起的幅度变化小于0.5%，远低于系统的139 eV能量分辨率。
• 对于面积更大的快速SDD（AMPTEK XR100-SDD），在100 ns积分时间下，幅度变化达约20%，但仍低于短梯形脉冲的幅度变化。
• 真实高斯整形器的分辨时间短于梯形整形器，可准确测量严重重叠脉冲的幅度。
• 该整形器对高频分量（≥1/Ts）具有强抑制作用，从而在生成窄脉冲时不会引起过度噪声放大，这与具有类似脉冲宽度的常规整形器不同。