ラボ実験6：エレクトロニクスを用いたデジタル信号による信号処理
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目的：
- デジタル信号プロセッサーにおける信号処理のさまざまなステップを表示します。
- デジタルオシロスコープの使用法を提示します。
必要な機器：
理論の概要：
検出器とアンプの機能
荷電粒子、ガンマ線、X線の検出と分析は、ほとんど同じです。検出器とは、基本的に粒子や光子が入ると信号を生成するセンサーです。半導体デバイスの場合、検出器には通常、検出器容積内で生成された電荷を収集するために電界を提供するバイアス電圧が必要です。シンチレーター検出器では、光電子増倍管を作動させるにはバイアス電圧が必要です。スペクトロスコピーに使用される検出器では、検出器に蓄積された光子のエネルギーに比例した信号を生成します。このパルスは非常に弱いため、増幅して分析装置に合わせる必要があります。増幅は、通常、前増幅段階と一次増幅段階の2段階で行われます。
プリアンプは通常、検出器の非常に近くに設置されますが、一般的に、マルチチャネルアナライザー（MCA）を使用して行う一次増幅は、検出器からある程度離れた場所、場合によっては何メートルも離れた場所に設置されることもあります。検出器の種類によって必要なプリアンプの種類は異なりますが、基本的な動作原理は通常、同じです。
プリアンプは、検出器の電荷パルスを取り入れて、立ち上がり時間が検出器の応答時間（通常は10～200ナノ秒）と一致する電圧パルスを生成します。その後、数マイクロ秒から何マイクロ秒もの長い減衰時間が続きますが、これはプリアンプフィードバックループの放電を表し、次のパルスのためにシステムをリセットするように設計されています。トランジスターリセットプリアンプは、イベントごとに放電されるのではなく、数ボルトが収集された後にのみ放電され、数十個の個別イベントを表します。プリアンプの放電に差異があるかもしれませんが、パルスによって誘起される電圧量は、入射放射線によって検出器に注入される電離エネルギー量に比例するという基本原理は依然として適用されます。
プリアンプは、微弱な検出器信号を即座に増幅し、システムをリセットするように設計されていますが、この信号は通常、パルスの信頼性の高いエネルギー信号を抽出するには不十分です。電圧の最も正確な測定値を取得できるようパルスをさらに絞り込むには、一次増幅または整形増幅段階が依然として必要です。従来のアナログ整形では、プリアンプパルスは微分（CR）および積分（RC）フィルターを通って送られ、アナログ-デジタル変換器でデジタル化に適した半ガウシアン形状のパルス信号を生成します。
現代の信号処理技術では、プリアンプ段階の出力から直接信号をデジタル化します。このデジタル化されたパルスをデジタル処理することで、最も正確なパルス高を抽出することができます。デジタルパルス処理（DPP）では、従来のアナログ処理では不可能だったフィルタリング機能の構築が可能になります。また、DPPはデジタル化の初期段階のため、一般的にアナログ処理よりも環境、温度、湿度の変化に対して安定しており、高速処理が可能です。
最適なエネルギー分解能を提供する一般的なDPP実装フィルタリング機能の1つが、台形フィルターです。台形フィルターの基本原理では、デジタル化された入力信号から決められたチャネル数の2つのローリング平均値が考慮されます。1つ目の平均値は、台形の「立ち上がり時間」によって決定される時間範囲をカバーします。2つ目の平均値は、同じ立ち上がり時間を考慮しますが、台形の「フラットトップ」で定義されるように、立ち上がり時間の終了後に開始します。
これら2つの時間範囲を図6-1の左パネルに示します。この図の右パネルに示すように、フィルタリングされた信号は、これら2つの信号の差となります。台形フィルターは、次式で表すことができます。
ここでは、
そして、
これらの方程式では、以下を示します。
Vinはフィルターへの電圧入力。
Voutはフィルターによる電圧出力。
RTはユーザー定義の立ち上がり時間。
FTはユーザー定義のフラットトップ。
図6-1：左パネルに台形フィルターのパラメーターを示し、右パネルにはフィルターの出力結果を表示しています。青色のトレースは入力信号を、赤色のトレースは整形信号を表しています。
この立ち上がり時間のパラメーターは、入力信号を平滑化し、エネルギー信号の抽出に影響を与える高周波ノイズをフィルタリングするためのフィルターを表していることが確認できます。フラットトップパラメーターは、通常、検出器の電荷収集時間よりも大きく設定されます。立ち上がり時間とフラットトップは、必要なエネルギー分解能やスループットを実現するように最適化できます。
上記の例では、純粋なステップ関数が使用されていることにも注意する必要があります。これは、プリアンプ入力パルスの良好な近似（信号の立ち上がり時間のスケールで）ですが、パルスの減衰時間は考慮されておらず、これは極零補正によって相殺されます。
一旦エネルギー信号が決定されると、この信号を利用する方法には以下に示すいくつかの選択肢が利用できます。
シングルチャネル解析（SCA）：エネルギー信号が、下位弁別装置（LLD）と上位弁別装置（ULD）の範囲によって指定されたチャネル範囲の間にある場合、デジタル信号を出力します。通常、1秒あたりのカウント数が表示されます。
マルチチャネルスケーリング（MCS）：SCAモードと似ていますが、データは連続計数率を記録する時間ヒストグラムに記録します。
パルス高分析（PHA）：パルス高をチャネルごとに分類し、各チャンネルの数値が、特定のパルス高を所定の測定時間内に記録した回数を表すエネルギーヒストグラムにエネルギーを記録します。
マルチスペクトルスケーリング（MSS）：これはPHAモードに似ていますが、エネルギーヒストグラムは、システム滞留時間で定義された短い時間間隔で保存されます。
タイムスタンプ付きリストモード（TLIST）：このモードでは、イベントの発生時間をそのイベントのエネルギーとともに100ns以内に記録します。これらのデータは、時間-エネルギーの対のリストとして保存され、後で上記4種類のデータのいずれかに処理することができます。これは最も一般的なデータ保存オプションですが、最大限のメモリ量も使用します。
実験6の手引き：
立ち上がり時間とフラットトップの効果
1. NaI(Tl)検出器を2007Pプリアンプ経由でLynx II DSAに接続し、Lynx II DSAを直接またはローカルネットワーク経由でPCに接続します。図6-2を参照してください。
2. 137Cs線源を検出器の前に設置します。
3. ProSpectガンマ分光ソフトウェアを起動して、Lynx II DSAに接続します。
4. 実験1の推奨事項に従ってMCAの設定を行います。
5. ソフトウェアを使用して、推奨される検出器バイアスをNaI(Tl)検出器に適用します。
6. MCA設定タブで、ProSpectソフトウェアのデジタルオシロスコープ（DSO）機能を起動し、アナログ入力信号を表示します。
7. アナログトレースをADCに設定して、アナログ入力信号を表示します。
8. 信号が最大値まで上昇するのにかかる時間と、その後元のベースラインに戻すのにかかる時間を記録します。
9. DSOを用いて、アナログトレースを「エネルギー」に設定して、デジタル台形図を表示します。
10. DSOでRTとFTを測定します。
11. フィルター設定の下にあるMCA設定タブで、RTとFTを読み取ります。これらの値がステップ10の値と一致することを確認します。
12. RT設定を変更します。DSOに実際の立ち上がり時間を記録します。
13. FT設定を変更します。DSOに実際のフラットトップを記録します。
14. RTとFTを元の値に戻します。
立ち上がり時間とフラットトップ設定を最適化する効果
1. ProSpectソフトウェアの取得設定タブで、取得モードをPHAモードに設定します。
2. 全エネルギーピークがスペクトルの中心近くになるように粗利得と微利得を設定します。
3. 光電ピークが約662keVになるようにエネルギー校正を調整します。実験のこのセクションでは、スペクトルがエネルギー校正からずれることがあるため、報告された値を慎重に検討する必要があります。
4. フィルター設定のMCA設定タブで、RTを0.6µs、FTを0.1µsに設定します。
5. スペクトルをクリアします。
6. 1分間スペクトルを取得します（ピーク時のカウント数が3,000未満の場合は、さらに長くカウント）。
7. 全エネルギーピークの周りに関心領域（ROI）を作成します。ツールチップを使用して、ピークのFWHM、FWTM、重心を記録します。
8. RTを0.6µsから3.0µsまで0.6µsずつ変更し、ステップ5～7を繰り返します。
9. FTを0.1µsから1.1µsまで0.2µsずつ変更し、ステップ5～8を繰り返します。
10. 各フラットトップの設定について、立ち上がり時間に対するエネルギー分解能をパーセントで（FWHM/重心*100）プロットします。これは、エネルギー校正から依存関係を取り除くもので、シンチレーター検出器のエネルギー分解能を報告する標準的な方法です。
11. どのRTとFTの組み合わせが最低（つまり最善の）エネルギー分解能を生成するか判断します。RTとFTをこれらの設定値に設定します。
図6-2：ケーブル接続
シングルチャネルアナライザー（SCA）
1. ProSpectソフトウェアの取得設定タブで、取得モードをPHAモードに設定します。
2. 全エネルギーピークがスペクトルの中心近くになるようにアンプゲインを設定します。
3. スペクトルをクリアします。
4. 1分間スペクトルを取得します（ピーク時のカウント数が3,000未満の場合は、さらに長くカウント）。
5. ピークの周りに関心領域（ROI）を作成します。
6. ピーク面積、ピーク総計数、ライブ時間を記録します。ROIの下部チャネルと上部チャネルも記録します。
7. MCA設定オプションメニューの「シングルチャネルアナライザー」を選択します。
8. 下部ROIチャネルを全チャネル範囲（2048）で割り、100を掛けてLLDを計算します。これにより、下部ROIチャネルが必要なLLD入力値であるフルレンジのパーセンテージに変換されます。LLDをこの値に設定します。
9. ステップ8と同様の方法でULDを計算し、設定しますが、上部ROIチャネルを使用して設定します。
10. 「有効」チェックボックスを選択して、SCAの取得を開始します。MCA設定タブから時系列ビューアーを開き、SCA計数率（カウント/秒）を記録します。計数率は、統計ボックスに平均値として表示されます。
11. この計数率をステップ6のPHA分析における総ピーク計数率と比較します。
12. 続行する前には、SCAダイアログの「有効」チェックボックスの選択を必ず解除しておきます。
マルチチャネルスケーラー（MCS）
1. ProSpectソフトウェアの取得設定タブで、取得モードをPHAモードに設定します。
2. ProSpectソフトウェアのMCA設定タブで、標準変換ゲインをMCAで許容される最大値に設定します。
3. ProSpectソフトウェアのMCA設定タブで、「MCS変換ゲイン」を「標準変換ゲイン」と同じ値に変更します。
4. ProSpectソフトウェアのMCA設定タブで、全エネルギーピークがスペクトルの中心近くになるように、「粗利得」と「微利得」を調整します。
5. スペクトルをクリアします。注：一度設定したゲインは変更しないでください。
6. ProSpectソフトウェアの取得設定タブで、プリセットライブ時間を60秒に設定します。
7. 「スタート」を押してスペクトルを取得します。全エネルギーピークのカウント数が3,000以上であることを確認します。全エネルギーピークのカウント数が3,000未満の場合は、プリセットライブ時間を調整します。
8. スペクトルの総カウント数を記録するか、デッドタイムバーにカーソルを合わせてツールチップを表示するか、またはフルスペクトルのROIを作成します。
9. スペクトルをクリアします。
10. ProSpectソフトウェアの取得タブで、取得モードをPHAからMCSに変更します。
11. 取得タブで、各メモリ位置（チャネル）の計数時間である滞留時間を入力します。総取得時間がステップ6の取得時間に相当するように、滞留時間を選択します。MCSモードの総取得時間は、総チャネル数（MCS変換ゲイン設定によって示される）に、滞留時間（1回のスイープを想定）をかけたものに等しいことを念頭に置いておいてください。
12. 「プリセットオプション」で「スイープ」を選択します。1までのスイープのプリセット制限値を入力します。
13. ディスクモードで、「MCS高速弁別装置」を選択します。
14. 「スタート」を押してスペクトルを取得します。
15. MCSスペクトルの総カウント数を記録します。
16. MCSカウント数をステップ7のPHAカウントの総数と比較します。カウント時間に相違がある場合は必ず補正すること。
マルチスペクトルスケーリング（MSS）
1. ProSpectソフトウェアの取得設定タブで、取得モードをPHAモードに設定します。
2. ProSpectソフトウェアのMCA設定タブで、標準粗利得をMCAで許容される最大値に設定します。
3. ProSpectソフトウェアのMCA設定タブで、全エネルギーピークがスペクトルの中心近くになるように、粗利得と微利得を調整します。
4. スペクトルをクリアします。注：一度設定したゲインは変更しないでください。
5. ProSpectソフトウェアの取得設定タブに移動し、プリセットライブ時間を60秒に設定します。
6. 「スタート」を押してスペクトルを取得します。全エネルギーピークのカウント数が3,000以上であることを確認します。全エネルギーピークのカウント数が3,000未満の場合は、プリセットライブ時間を調整します。
7. ピークの周りに関心領域（ROI）を作成します。
8. 正味ピークエリアと総ピークエリアを記録します。ROIの下部チャネルと上部チャネルも記録します。
9. スペクトルをクリアします。
10. ProSpectソフトウェアの取得タブに移動し、取得モードをPHAからMSSに変更します。プリセットを「ライブ」に設定し、プリセット制限値には10秒を入力します。
11. [スペクトログラム]タブに移動し、「表示データ」をMSSバッファに、「データセット数」を8に設定します。
12. 取得を開始し、総取得時間がステップ6のPHAスペクトルと同じになるまでカウントを続けます。MSSの総取得時間は、測定されたデータセット数にプリセットライブ時間をかけたものに等しくなります。
13. ProSpectソフトウェアの[スペクトログラム]タブで、マウスを使用して、スペクトログラムのプロットをクリックしてドラッグし、MSSスペクトルをそれぞれ移動します。
14. 各MSSスペクトルで、PHA分析と同じROIのピークカウント数を記録します。
15. すべてのMSSスペクトルからピーク計数を合計して記録します。
16. MSSピーク計数の合計とPHAピーク計数を比較します。
