專利名稱：能量色散輻射光譜測量系統(tǒng)中的堆積排除的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及能量色散輻射光譜(energy-dispersiveradiationspectrometry)系統(tǒng)，如X射線光譜測量系統(tǒng)或伽馬射線光譜測量系統(tǒng)，并且尤其涉及用于改善能量色散輻 射光譜測量系統(tǒng)中的堆積排除的方法。
背景技術：
能量色散輻射光譜測量系統(tǒng)，例如(但非限制的)X射線光譜測量系統(tǒng)或伽馬射線 光譜測量系統(tǒng)，被用于檢測、測量和分析來自例如掃描電子顯微鏡(SEM)的輻射發(fā)射(如X 射線發(fā)射或伽馬射線發(fā)射)。典型的能量色散輻射光譜測量系統(tǒng)包括以下四個主要部件 (1)檢測器，⑵前置放大器，⑶脈沖處理器，以及⑷基于計算機的分析器。僅是為了方 便而不是限制的目的，以下說明將涉及X射線光譜測量系統(tǒng)和X射線形式的光子(與例如 在伽馬射線光譜測量系統(tǒng)中檢測到的伽馬射線形式的光子相對比)。通常采用某種類型的半導體傳感器的形式的該檢測器將進入的X射線轉換為典 型的大約具有幾十至幾百納秒持續(xù)時間的大約幾萬個電子量級的非常小的電流脈沖。每個 電流脈沖的幅度與X射線的能量成比例。該前置放大器放大由該檢測器輸出的電流脈沖并且典型地將其轉換為幾十毫伏 至幾百毫伏范圍內的電壓信號。有兩種主要類型的前置放大器“拖尾脈沖(tail-pulse)” 或RC耦合前置放大器，以及脈沖復位前置放大器。在本文中別處描述的主題適用于這兩種 前置放大器。在脈沖復位型前置放大器中，在傳感器中產生的電荷聚集在反饋電容器中，使得 所得到的電壓以變化的高度和間隔的逐步增大，直到其達到上限。當達到該上限時，施加 “復位”脈沖，該“復位”脈沖使累積的電荷從反饋電容器排出，使前置放大器在短時間內(典 型地為幾微秒)恢復到接近其最小輸出電壓。然后，由X射線與檢測器的相互作用產生的 電荷再次累積在反饋電容器上，并且重復該循環(huán)。相反，拖尾脈沖前置放大器對檢測器輸出 的電壓階躍信號起到高通濾波器的作用，指數(shù)返回到基線，其時間常數(shù)與前置放大器的反 饋電容器中的電荷聚集時間相比較長。該脈沖處理器接收前置放大器信號并通過積分處理產生X射線能量的數(shù)值表示。 在較早的能量色散輻射光譜測量系統(tǒng)中，脈沖處理器包括兩個分開的部件，即“整形放大 器”和模擬-數(shù)字轉換器。另一方面，現(xiàn)代的能量色散輻射光譜測量系統(tǒng)典型地結合了這些 功能，最新的設計直接將前置放大器信號數(shù)字化并使用數(shù)字信號處理執(zhí)行所有的脈沖檢測 和濾波功能。
該基于計算機的分析器將脈沖處理器輸出的X射線能量累積為檢測到的X射線數(shù) 量相對于它們的能量的光譜或曲線圖。該光譜被分成某種程度任意數(shù)量的小范圍，其被稱 為“通道”或“區(qū)間(bin)”。在較早的系統(tǒng)中，由稱為多通道分析器(MCA)的硬件部件進行 將X射線向光譜通道的累積并且由計算機讀取累積結果。在現(xiàn)代的系統(tǒng)中，通過計算機或 者甚至在脈沖處理器內由軟件處理MCA功能。若干個因素使得脈沖處理器的工作更加復雜。例如，電子噪聲疊加在從前置放大器接收到的基本(underlying)信號上。對于接近最低可檢測能量水平的X射線，前置放大 器輸出的階躍高度可能顯著小于電子噪聲的峰-峰偏移。在這種情況下，只能通過在該階 躍前后的相對長的時間段過濾該信號以平均掉噪聲的貢獻來檢測X射線。這種噪聲平均的 量是所有脈沖處理器的基本操作參數(shù)。在本領域中將該平均時間不同地稱為“整形時間”或 “峰化時間”。另外，前置放大器輸出中的階躍不是瞬時的。在沒有噪聲時，該信號會是S形曲 線。這起因于帶寬限制、裝置電容以及X射線產生的全部電子到達傳感器的陽極所需的時 間而導致的。這些電子可以看作是在半導體傳感器內的偏壓電場的影響下穿過傳感器材料 向陽極移動的小團簇或云。對于拖尾脈沖前置放大器，信號的初始上升是相同的S形的形 式，然后是指數(shù)衰減，其時間常數(shù)可以隨設計而不同，但是與初始上升相比總是較長的。在稱為鋰漂移硅或Si (Li)檢測器的每個面上具有簡單的平面電極的傳統(tǒng)檢測器 中，偏置電場線是直的(對于第一近似，忽略邊沿效應)和往返進行(rim front-to-back)。 結果，電子云收集時間近似為常數(shù)，并且由于裝置的電容相對較大，前置放大器信號的“上 升時間”(S形階躍的寬度)由帶寬限制決定。近年來開發(fā)出一種稱為硅漂移檢測器(SDD)的新型傳感器。其顯著的新穎特征是 在偏置電極中蝕刻的同心圖案，當稍微變化的電壓施加到該圖案中的各個環(huán)時，其使得傳 感器材料內的偏置電場被整形，使得電子集中到非常小的陽極點。這具有將有效的裝置電 容減小大約四個數(shù)量級的效果。來自X射線交互作用的電子云根據(jù)它行進到達陽極的路 徑長度隨著漂移時間在一定程度上或大或小地展開。因為裝置電容被減小，所以云聚集時 間對前置放大器信號的上升時間的貢獻更大，與Si(Li)檢測器情況中的百分之幾相比，在 SDD中可以以大約2的因子改變(盡管SDD的上升時間的范圍的較長端由于總電容減少而 可能仍比傳統(tǒng)的平面電極傳感器(Si(Li)檢測器)更快)。本領域中已知的“脈沖堆積(pulse pile-up)”現(xiàn)象是由于連續(xù)到達的X射線靠 得太近以至于不能單獨測量它們的能量而造成的。如果無法檢測到，則對于兩個X射線，根 據(jù)該系統(tǒng)的脈沖整形濾波器的細節(jié)及X射線之間的時間間隔，只在該對中較高能量的X射 線的能量和這兩個X射線能量和之間的某個位置測得一個能量。因此，脈沖處理器需要能 夠有效地檢測堆積的出現(xiàn)，當檢測到時，將與其相關的能量測量結果丟棄(稱為堆積排除 (pile up rejection))。無論是自然出現(xiàn)的輻射還是受某種形式的激發(fā)誘導的輻射都是隨機過程。無論平 均發(fā)射率多高或多低，兩個發(fā)射的X射線之間的時間間隔都可能以某個非零的幾率任意地 短。在任一時間間隔t內得到第二 X射線的幾率是P=(I-e-(rt))其中e是自然對數(shù)的底，r是平均X射線到達率。
仍可以被識別為不同事件的兩個X射線之間的最小時間間隔在本領域中被稱為 “脈沖對分辨時間”，它是能量的強逆函數(shù)。換句話說，檢測小(低能量)脈沖之間的接近重 合比檢測大脈沖之間的接近重合困難得多。因為所有的脈沖處理器的峰檢測濾波器都對高 能X射線響應強烈，所以最難檢測的情況是緊密跟隨的低能X射線。傳統(tǒng)的堆積檢測方法一般地可被描述為一個或多個并行濾波器，與主能量測量處 理路徑(稱為“主通道”)的整形時間相比，其具有固定的但非常短的整形時間。它們被不 同地稱作“快通道”或“堆積排除通道”。每個通道(主通道和快通道)具有被稱為死時間 (deadtime)的參數(shù)，它是該通道準確且明確地測得單個X射線的能量所用的時間量。因為 快通道死時間Df比主通道的死時間D短得多，所以對于在時間上靠近在一起到達的X射線， 快通道更可能產生明顯的脈沖。在快通道中使用的(模擬或數(shù)字)濾波器一般是用于能量 測量(主通道)的同一類型，只是脈沖寬度小得多。然而，因為快通道整形時間過短，所以它們在平均掉電子噪聲時不是很有效。任何 脈沖處理通道的整形時間決定可以在該通道中檢測到的最低能量X射線。如果其檢測閾值 被設置得較低，則該處理通道將由于前置放大器輸出信號中的隨機噪聲波動而產生過多的 錯誤觸發(fā)?，F(xiàn)有技術的X射線光譜測量系統(tǒng)典型地能夠區(qū)分大約100-200電子伏特m 的X射線與主測量通道中的噪聲，但是快通道的閾值能量必須高得多。定義了高能X射線 的最佳脈沖對分辨時間的最快堆積排除通道，典型地具有1000-2000eV之間的閾值。一些 現(xiàn)有的脈沖處理器具有多達三個堆積排除通道以提高在低于IOOOeV范圍中的堆積排除性 能。在具有多于一個的堆積排除通道的系統(tǒng)中，中間通道的整形時間被選擇為使得能夠對 特定的發(fā)射線(如在525eV處的氧或在277eV處的碳)靈敏。由于在期望的能量檢測閾值 中的每個階躍下降(st印down)，對較長整形時間的需要使脈沖對分辨時間劣化。脈沖對分辨時間由該對中較低能量的X射線決定。這是重要的，因為低能堆積 檢測失敗不僅影響低能峰，而且也影響光譜中的所有峰。沒有檢測到的低能X射線的堆 積可能將任何峰以外的計數(shù)移動到從其預期位置延伸兩峰能量和那么遠的寬的平坦部分 (broad shelf)中。在 P. J. Statham，Microchim. Acta 155，289-294(2006)中可以找到堆 疊效應對能量的依賴的充分說明。此外，在SDD情況中，依賴于與吸收X射線的電荷收集陽極相距多遠的單個有效 X射線脈沖的高度可變的上升時間，在即使最快的常規(guī)堆積通道也只產生單個輸出脈沖的 情況下，對檢測時間上非?？拷闹睾系膫鹘y(tǒng)方法提出最大挑戰(zhàn)。例如在Warburton等的 5684850號美國專利中描述的經(jīng)典技術是脈沖寬度測試。數(shù)字三角或梯形濾波器被最普遍 地用于所有數(shù)字脈沖處理系統(tǒng)，因為它們相對容易構建并且計算上效率高。還有在本領域 中已知的有限脈沖響應(Finitelmpulse Response, FIR)濾波器，意思是保證該濾波器的響 應在由濾波器的非零權重系數(shù)的程度定義的有限時間范圍之外是零。相反，傳統(tǒng)的半高斯 模擬脈沖整形引入指數(shù)時間常數(shù)，其響應在原理上持續(xù)到永遠，但是實際上在可合理預見 (雖然稍依賴于能量)的時間內輸出衰減到閾值噪聲下。FIR濾波器的脈沖寬度即使在原理上也不是依賴能量的，但是它依賴于前置放大 器階躍的上升時間，該上升時間又依賴于SDD中的可變的電荷收集時間。因此，為了避免有 效脈沖從單個X射線中錯誤地排除，必須將固定脈沖寬度測試設置得足夠長，以接受由SDD 中的最長漂移路徑長度產生的最大上升時間。
因此，具有一種不依賴于上升時間的堆積檢測方法是有利的，因為這樣的方法將提高采用SDD的系統(tǒng)(其中上升時間高度可變)的性能。

發(fā)明內容
在一個實施例中，提供一種從例如X射線光譜測量系統(tǒng)或伽馬射線光譜測量系統(tǒng) 的能量色散輻射光譜測量系統(tǒng)的前置放大器的輸出信號檢測代表光子的邊沿的方法，其中 所述前置放大器輸出信號的每個點具有與其相關的幅度值。該方法包括識別所述前置放 大器輸出信號的第一部分，其中所述第一部分中的每個部分具有帶有第一極性的瞬時傾斜 度；識別所述前置放大器輸出信號的緊挨在所述第一部分之后的第二部分，其中所述第二 部分中的每個部分具有帶有與第一極性相反的第二極性的瞬時傾斜度；以及識別所述前置 放大器輸出信號的緊挨在所述第二部分之后的第三部分，其中所述第三部分中的每個部分 具有帶有第一極性的瞬時傾斜度。所述方法還包括確定和所述第二段的終點相關聯(lián)的幅 度值與和所述第二段的起點相關聯(lián)的幅度值之間的第一差；確定和所述第三段的終點相關 聯(lián)的幅度值與和所述第一段的起點相關聯(lián)的幅度值之間的第二差；以及如果(i)所述第一 差超過預定閾值以及(ii)所述第二差超過所述預定閾值的預定比例，則確定邊沿存在。優(yōu)選地，該方法包括產生所述前置放大器輸出信號的數(shù)字形式，所述前置放大器 輸出信號的數(shù)字形式包括各自具有一個數(shù)字值的多個連續(xù)的數(shù)字樣本。在該實施例中，所 述第一部分包括所述連續(xù)的數(shù)字樣本中的一個或多個第一對，每個第一對中的數(shù)字樣本的 數(shù)字值之間的差代表對瞬時傾斜度的數(shù)字估計，并且所述識別所述第一部分包括確定每個 第一對中的數(shù)字樣本的數(shù)字值之間的差具有所述第一極性。此外，在該實施例中，所述第二 部分包括所述連續(xù)的數(shù)字樣本中的一個或多個第二對，每個第二對中的數(shù)字樣本的數(shù)字值 之間的差代表對瞬時傾斜度的數(shù)字估計，并且所述識別所述第二部分包括確定每個第二對 中的數(shù)字樣本的數(shù)字值之間的差具有所述第二極性。此外，所述第三部分包括所述連續(xù)的 數(shù)字樣本中的一個或多個第三對，每個第三對中的數(shù)字樣本的數(shù)字值之間的差代表對瞬時 傾斜度的數(shù)字估計，并且所述識別所述第三部分包括確定每個第三對中的數(shù)字樣本的數(shù)字 值之間的差具有所述第一極性。在另一個特定實施例中，該方法包括產生所述前置放大器輸出信號的數(shù)字形式， 所述前置放大器輸出信號的數(shù)字形式包括各自具有一個數(shù)字值的多個連續(xù)的數(shù)字樣本，其 中與所述第二段的所述終點相關聯(lián)的幅度值包括所述數(shù)字樣本中的第一個數(shù)字樣本的數(shù) 字值；其中與所述第二段的起點相關聯(lián)的幅度值包括所述數(shù)字樣本中的第二個數(shù)字樣本的 數(shù)字值；其中與所述第三段的終點相關聯(lián)的幅度值包括所述數(shù)字樣本中的第三個數(shù)字樣本 的數(shù)字值；并且其中與所述第一段的起點相關聯(lián)的幅度值包括所述數(shù)字樣本中的第四個數(shù) 字樣本的數(shù)字值。在另一個特定實施例中，所述能量色散輻射光譜測量系統(tǒng)包括峰檢測濾波器，該 峰檢測濾波器適于響應于由所述前置放大器輸出信號和高于閾值信號指示的光子產生一 個或多個脈沖，而所述一個或多個脈沖中的任何一個都高于所述峰檢測濾波器的最小可檢 測閾值能量。在該實施例中，所述方法包括響應于所述確定出邊沿存在而產生邊沿信號，接 收所述邊沿信號，確定是否接收到所述邊沿信號和第二邊沿信號同時也接收到所述高于閾 值信號，以及如果確定接收到所述邊沿信號和第二邊沿信號同時也接收到所述高于閾值信號，則宣布有效堆積。在又一個特定實施例中，所述能量色散輻射光譜測量系統(tǒng)包括峰檢測濾波器，該 峰檢測濾波器適于響應于由所述前置放大器輸出信號和高于閾值信號指示的光子產生一 個或多個脈沖，而所述一個或多個脈沖中的任何一個都高于所述峰檢測濾波器的最小可檢 測閾值能量。在該實施例中，所述方法包括響應于所述確定堆積已經(jīng)出現(xiàn)而產生邊沿信號， 接收所述邊沿信號，確定是否接收到所述邊沿信號同時也接收到所述高于閾值信號，以及 如果確定接收到所述邊沿信號同時還未接收到所述高于閾值信號，則忽略所述邊沿信號。在另一個實施例中，提供一種脈沖處理器，該脈沖處理器適于進行如上所述的方 法。在又一個實施例中，提供一種能量色散輻射光譜測量系統(tǒng)，如X射線光譜測量系統(tǒng)或伽 馬射線光譜測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括檢測器，其用于將進入的光子轉換為包括電流脈沖的輸 出；前置放大器，其用于將所述檢測器的輸出轉換為包括電壓信號的前置放大器輸出信號； 以及脈沖處理器。所述脈沖處理器適于通過執(zhí)行上述方法的各種實施例而從所述前置放大 器輸出信號檢測代表光子的邊沿。在另一個特定實施例中，提供一種能量色散輻射光譜測量系統(tǒng)，如X射線光譜測 量系統(tǒng)或伽馬射線光譜測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括檢測器，其用于將進入的光子轉換為包括電 流脈沖的輸出；前置放大器，其用于將所述檢測器的輸出轉換為包括電壓信號的前置放大 器輸出信號；以及脈沖處理器。所述脈沖處理器適于通過將所述前置放大器輸出信號轉 換為多個連續(xù)的數(shù)字樣本而產生所述前置放大器輸出信號的第一數(shù)字形式；通過將多組 連續(xù)的數(shù)字樣本相加以產生多條合計數(shù)據(jù)從而產生所述前置放大器輸出信號的第二數(shù)字 形式，所述第二數(shù)字形式包括所述多條合計數(shù)據(jù)；使用所述第一數(shù)字形式識別所述前置放 大器輸出信號的第一部分，其中所述第一部分中的每個部分具有帶有第一極性的瞬時傾斜 度；使用所述第一數(shù)字形式識別所述前置放大器輸出信號的緊挨在所述第一部分之后的第 二部分，其中所述第二部分中的每個部分具有帶有與所述第一極性相反的第二極性的瞬時 傾斜度；使用所述第一數(shù)字形式識別所述前置放大器輸出信號的緊挨在所述第二部分之后 的第三部分，其中所述第三部分中的每個部分具有帶有第一極性的瞬時傾斜度；使用所述 第一數(shù)字形式確定和所述第二段的終點相關聯(lián)的幅度值與和所述第二段的起點相關聯(lián)的 幅度值之間的第一差；使用所述第一數(shù)字形式確定和所述第三段的終點相關聯(lián)的幅度值與 和所述第一段的起點相關聯(lián)的幅度值之間的第二差；以及使用所述第一數(shù)字形式在(i)所 述第一差超過預定閾值以及(ii)所述第二差超過所述預定閾值的預定比例的情況下，確 定邊沿存在。所述脈沖處理器還適于使用所述第一數(shù)字形式識別所述前置放大器輸出信 號的第一部分，其中所述第一部分中的每個部分具有帶有第一極性的瞬時傾斜度；使用所 述第二數(shù)字形式識別所述前置放大器輸出信號的緊挨在所述第一部分之后的第二部分，其 中所述第二部分中的每個部分具有帶有與所述第一極性相反的第二極性的瞬時傾斜度；使 用所述第二數(shù)字形式識別所述前置放大器輸出信號的緊挨在所述第二部分之后的第三部 分，其中所述第三部分中的每個部分具有帶有第一極性的瞬時傾斜度；使用所述第二數(shù)字 形式確定和所述第二段的終點相關聯(lián)的幅度值與和所述第二段的起點相關聯(lián)的幅度值之 間的第一差；使用所述第二數(shù)字形式確定和所述第三段的終點相關聯(lián)的幅度值與和所述第 一段的起點相關聯(lián)的幅度值之間的第二差；以及使用所述第二數(shù)字形式在(i)所述第一差 超過預定閾值以及(ii)所述第二差超過所述預定閾值的預定比例的情況下，確定邊沿存在。因此，現(xiàn)在應該清楚，本發(fā)明基本實現(xiàn)了所有上述方面和優(yōu)點。本發(fā)明的其它方面 和優(yōu)點將在以下說明中給出，并且部分方面和優(yōu)點將通過說明而顯而易見，或者可以通過 實施本發(fā)明而了解。此外，可以通過所附權利要求中特別指出的手段和組合實現(xiàn)和獲得本 發(fā)明的各方面和優(yōu)點。



附圖示出本發(fā)明的當前優(yōu)選實施例，并且與上面給出的一般描述和下面給出的詳 細描述一起用于解釋本發(fā)明的原理。如在所有附圖中所示出的，相同附圖標號表示相同或 對應的部分。圖1是可以實現(xiàn)本發(fā)明的一個具體的但非限制性的實施例的X射線光譜測量系統(tǒng) 的總框圖；圖2是一般的梯形FIR數(shù)字濾波器的框圖；圖3A至圖3D包括了源代碼，該源代碼可用于根據(jù)一個具體的但非限制性的實施 例實現(xiàn)本發(fā)明；圖4A和圖4B分別是從可用于設計本發(fā)明的FPGA實施例的圖3A至圖3D的程序 邏輯中提取的狀態(tài)圖；圖5A示出圖1中所示的峰檢測濾波器對兩個不同能量的低能X射線的理想化梯 形響應，第三條線示出檢測閾值能量；圖5B示出圖1中所示的峰檢測濾波器的來自400eV能量的兩個X射線的輸出的 理想化表示；圖6A、圖6B和圖6C示出可以使用本發(fā)明的一個實施例處理以檢測邊沿的上升和 局部極值的三種可能模式；圖7A和圖7B示出來自SDD的實際波形的兩個曲線；以及圖8是總結具有典型脈沖對分辨時間和特定SDD的能量檢測閾值的圖1的系統(tǒng)的 預期堆積性能的示意圖。
具體實施例方式正如本發(fā)明的背景技術中指出的，本文中描述的主題適用于拖尾脈沖前置放大器 和脈沖復位前置放大器二者。然而，為了圖解和描述的方便，將結合采用脈沖復位型前置放 大器的實施例描述本發(fā)明。正如本發(fā)明的背景技術中所討論的，檢測器電壓階躍信號的上 升部分相對無變化地通過拖尾脈沖型前置放大器。因此，從對脈沖復位實施例的描述中將 了解到，在本文中描述的發(fā)明可容易應用于拖尾脈沖前置放大器實施例。另外，在本文中描 述的主題一般適用于能量色散輻射光譜測量系統(tǒng)。然而，為了圖解和描述的方便，將結合采 用X射線光譜測量系統(tǒng)的實施例描述本發(fā)明。這并不認為是限制性的，并且應該理解，可以 結合其它類型的能量色散輻射光譜測量系統(tǒng)(例如但不限制于伽馬射線光譜測量系統(tǒng))應 用本發(fā)明。在本文中描述的改進不依賴于上升時間，相反，在一個實施例中只依賴于檢測器 中電荷收集的預期S形模式，并且在另一個實施例中，依賴于具有單調(在依賴于噪聲的限度內)上升信號，后面有一短時間段，其中隨機噪聲確定該信號的方向(局部一階導數(shù)的符 號，上升或下降)。因此，本文中描述的改進可以更快地響應于具有短上升時間的X射線階 躍，并且適當?shù)?、更慢地響應于具有較長上升時間的脈沖而不會錯誤地排除后者。在一個實 施例中，假定來自單個有效X射線的電壓信號具有單調增加的一階導數(shù)(在噪聲限度內) 直到某個最大值，之后單調減小。如本文中更詳細描述的，所公開的根據(jù)實施例的方法直接 數(shù)字化前置放大器輸出，并且連續(xù)的數(shù)字化ADC樣本之間的差給出了一階導數(shù)的瞬時值的 最佳可用估計。在另一個實施例中，假定來自單個有效X射線的電壓信號上升到高于局部 峰-峰噪聲帶，然后最終停止上升，并且如通過該上升之前的局部最大值和其后的局部最小值測得的，該噪聲帶在該上升前后顯著漂移。本實施例中的系統(tǒng)直接數(shù)字化前置放大器 輸出，并且以數(shù)字化的信號測量局部極值。數(shù)字化ADC的轉換速度應該與上升時間的預期范圍適當匹配。該速度應該足夠 快，使得在最短的預期上升時間，波形在上升期間將被采樣若干次。使本發(fā)明充分有效的上 升時間內的最小樣本數(shù)優(yōu)選為4或5。在優(yōu)選實施例中，對于大約50nS的最短預期上升時 間，ADC的采樣速率是100MHz，使得在最小上升時間內出現(xiàn)5個樣本，并且在最長上升時間 內出現(xiàn)大約10個樣本。如果采樣速率太高，使得比方說40或50個樣本落入上升時間內，則在單個采樣間 隔內波形移動不足以使得從隨機噪聲波動中容易地辨別上升階躍。如本文中另外描述的， 通過向下劃分采樣速率，將呈獻給實現(xiàn)本發(fā)明的電路的某個數(shù)量的ADC樣本的每個值相加 以在最快上升中實現(xiàn)最佳的4至8個樣本，容易解決這種情況。本發(fā)明實施例的主要目的是通過利用基本信號的平滑S形本質，并使用對傳感器 /前置放大器組合的噪聲特性和上升時間中的變化自己進行自動調節(jié)的自適應階躍檢測方 法，來減小半導體輻射傳感器的輸出信號中產生的電壓階躍的平均脈沖對分辨時間。結果 是在能譜中未檢測到的脈沖堆積的水平較低，并且因此減小了本領域中稱為“和峰”的錯誤 假象的相對大小，該假象以譜中大發(fā)射峰的能量的兩倍或任意兩個大發(fā)射峰的合計能量的 兩倍出現(xiàn)。本文中描述的方法是基于數(shù)字的，并且需要由模擬-數(shù)字轉換器(ADC)將前置放 大器信號數(shù)字化。如上所述，最佳轉換速率取決于從前置放大器預期的最快上升時間。以下描述假定檢測X射線時采用正向前置放大器輸出，但是本領域的技術人員應 該認識到，對于整個信號鏈信號極性可以翻轉并且該方法是同樣有效的。還假定采用基于 硅的傳感器和低X射線能量范圍中的輻射，但是同樣本領域的技術人員也應該理解，所描 述的方法適用于由其它半導體(例如鍺)制成的傳感器，并且適用于較高能量X射線或伽 馬射線。圖1是根據(jù)可以實施本發(fā)明的一個特定實施例的X射線光譜測量系統(tǒng)1的總框 圖。如圖1中所示，X射線光譜測量系統(tǒng)1包括作為其主要部件的數(shù)字脈沖處理器(DPP)2， 其由點線邊界示出，在其中實現(xiàn)本文中描述的本發(fā)明。另外，X射線光譜測量系統(tǒng)1還包括 硅漂移檢測器(silicon drift detector，SDD) 100和脈沖復位型前置放大器101。在操作中，X射線沖擊SDD 100并且被轉換為電子_空穴對，電子的數(shù)量與X射線 的能量成比例。由所有這些電子組成的小電荷累積在前置放大器101中的電容器上并且被 轉換為所示出的形式的輸出電壓信號，其中出現(xiàn)疊加在噪聲上的具有變化的幅度和間隔的小S形階躍。該電壓信號由于SDD 100中的漏電流而具有整體上正的傾斜度，并且具有周 期性復位，即從反饋電容器中排出電荷并使輸出迅速達到其下限，結果導致圖1中所示的 鋸齒狀波形。在本領域中這種一般方法已經(jīng)知道很多年了。
通過作為DPP 2的一部分提供的高速模擬-數(shù)字轉換器(ADC) 102將前置放大 器101的輸出數(shù)字化。在優(yōu)選實施例中，ADC 102是由Analog Devices制造的lOOMhz， 16位部件，如AD9446系列。使用由Analog Devices為該裝置提供的開發(fā)板(型號是 AD9446-100LVDS/PCB)開發(fā)本發(fā)明，該開發(fā)板被修改以接受DC耦合輸入信號并且連接到具 有板上存儲器和對于PC的標準USB接口的接口板(型號是HSC-ADC-EVALB-DC)，以從安裝 在掃描電子顯微鏡(SEM)上的SDD捕獲前置放大器波形的數(shù)千個短片段(2. 62毫秒)，合計 為達到幾秒的實時數(shù)據(jù)，存儲在盤文件中。下面描述的后續(xù)數(shù)字功能首先以稱為Python的 腳本語言編寫的后處理軟件實現(xiàn)。該軟件的源代碼包括在2007年8月3日提交的標題為 "IMPROVED EDS PILEUPREJECTION FOR LOW ENERGIES AT HIGH COUNT RATES”的60/963，320 號美國臨時申請中。在本文中再現(xiàn)了選擇的功能。Python程序然后作為使用現(xiàn)場可編程門 陣列(FPGA)邏輯和為TexasInstruments 320C-6414數(shù)字信號處理(DSP)芯片編寫的軟件 的組合的實時實施例的規(guī)范。圖1中所示的優(yōu)選實施例將下面更詳細地命名和描述的邏輯 塊103至119設置在FPGA邏輯中，并將下面同樣更詳細地命名和描述的邏輯塊120至121 設置在DSP芯片軟件中。ADC 102的輸出包括來自前置放大器電壓波形的數(shù)字樣本和定義圖1中所有后續(xù) 塊的定時的時鐘。為了簡化圖1，該時鐘沒有分別示出，但是應該理解，如下文所述，所有功 能塊都通過ADC 102的時鐘或其的某個因數(shù)來同步。ADC 102的輸出及其時鐘通過檢測器匹配平均器103，檢測器匹配平均器103可選 地對一定數(shù)量的ADC樣本求和并且將原始ADC時鐘除以該數(shù)量。檢測器匹配平均器103的 目的是相對于連接到DPP 2的SDD 100的上升時間優(yōu)化有效的采樣間隔。優(yōu)選地保留該和 中的所有位，以避免最終的X射線光譜中對于非常短的濾波時間的量化錯誤，所以隨著處 理在DPP 2中繼續(xù)，該數(shù)據(jù)路徑變得越來越寬。如果從SDD 100預期的平均上升時間小于大約150nS，則檢測器匹配平均器103 被禁用并且使用全部IOOMhz速率以獲得最佳可能的定時精度。然而，如果慢得多的檢測器 (如具有平面電極的所謂鋰漂移硅或Si (Li)檢測器)連接到DPP 2，并且平均上升時間是 幾百nS，則希望將有效采樣速率減小到在該平均上升時間內產生小于大約16個樣本。來自檢測器匹配平均器103的(可能合計的)數(shù)據(jù)和時鐘通過兩個并行的路徑。 一個路徑通往具有兩個子部分的快堆積邏輯塊104。第一子部分被稱為單階躍邏輯塊，它 是一個實施例的主題并且在本文中被更詳細的描述。另一個子部分被稱為行進(rim)邏輯 塊，它是包括基于連續(xù)數(shù)據(jù)樣本的單調行進的長度和模式的數(shù)字方法的另一個實施例的主 題，并且在本文中也被更詳細的描述。在此使用的“單調”不嚴格意味著數(shù)學意義上的單調。 在該方法中采用的比較器被輕微地負偏置，使得如果樣本-樣本差與峰-峰噪聲波動相比 很小時，進行容忍負的樣本-樣本差的正的行進的檢測。在單階躍邏輯塊能夠檢測適度的 高能量X射線的單次連續(xù)上升內的堆積的情況下，行進邏輯塊被設計為在噪聲約束內盡快 檢測由于低能X射線引起的連續(xù)上升的結束。第二路徑通向濾波器平均器105。濾波器平均器105將少量個連續(xù)ADC樣本(優(yōu)選為4個)相加以減小噪聲(從樣本到樣本的隨機波動)并且還減小隨后的數(shù)字處理步驟 中所需的速度。4個相加的數(shù)據(jù)和除以4的時鐘被傳遞到慢堆積邏輯塊106。慢堆積邏輯 塊106功能上與快堆積邏輯塊104相同，但是具有較低的噪聲和較慢的數(shù)據(jù)。當以來自濾 波器平均器105的較慢樣本速率操作時，本發(fā)明將不具有同樣好的分辨時間，但是將在關 于噪聲的錯誤觸發(fā)過多之前達到低能量檢測閾值。
來自濾波器平均器105的輸出也并行通過峰檢測濾波器107 (主通道)和多個梯 形FIR數(shù)字濾波器108、109、110(快通道)。所有這些濾波器都是常規(guī)的梯形類型，在本領 域中已經(jīng)公用了至少15年。圖2中示出一般的梯形FIR數(shù)字濾波器的框圖。如圖2中所 示，ADC樣本通過被稱為上升FIFO 201、間隙FIFO 202和下降FIFO 203的三個長度可變的 FIFO。上升FIFO 201是FIR濾波器的初始積分時間。當與階躍邊沿卷積時，隨著該邊沿通 過FIFO，它在最終FIR和中給出線性上升(忽略噪聲波動)。間隙FIFO 202是零權重的時 間段，其向作為對階躍邊沿的三角形響應提供“平頂”。之所以希望平頂是因為如果檢測器 的上升時間是可變的，那么純三角脈沖形狀(無間隙)對于高度相同但上升時間不同的無 噪聲階躍邊沿將具有不同的最大輸出。如果該間隙長得足以覆蓋最長的預期上升時間，則 最大輸出和將是相同的(忽略輸入信號中的噪聲和任何背景傾斜度)。下降FIFO 203在與 上升FIFO 201相同的時間段上但以相反的極性對樣本進行積分，使得在上升FIFO 201中 加到總和N次的任意樣本在下降FIFO 203中最后被從其中減去N次，其中N是兩個FIFO 的長度。三角形(或梯形)濾波器形狀是普遍的，因為計算它們所需的電路簡單。對于任 意總長度的FIR濾波器每個FIFO時鐘周期只需要四個計算。進入和離開上升FIFO 201的 樣本分別加到運行和中以及從運行和中減去。進入和離開下降FIFO 203的樣本分別加到 運行和中以及從運行和中減去。在算術邏輯單元(ALU) 204中計算一階差，并且在ALU 205 中計算二階差。在累積器206中將這兩個ALU的輸出加到先前的總FIR輸出。在輸入信號的S形上升完全包含在間隙FIFO 202內時FIR輸出和的最大值將出 現(xiàn)，并且與引起上升的X射線的能量成比例。峰檢測濾波器107與測量X射線的能量無關，但是與檢測所有的X射線有關，即使 這些X射線能量非常低并且在時間上盡可能準確地定位，也是如此。使其上升和下降FIFO 的寬度盡可能短，同時仍可靠地檢測所收集的光譜中的最低能量的X射線發(fā)射線。對于安 裝在電子顯微鏡上的X射線分析器，該發(fā)射線通常是277電子伏特(eV)的碳發(fā)射線。因 此,在上面提到的2007年8月3日提交的標題為“IMPROVED EDS PILEUP REJECTION FOR LOW ENERGIES ATHIGH COUNT RATES”的60/963，320號美國臨時申請中經(jīng)常將峰檢測濾波 器107稱為“碳濾波器”。對于在低能時效率很差的用于X射線熒光(XRF)激發(fā)的檢測器， 最小目標發(fā)射線在能量上可以較低(硼或鈹)或較高。XFR檢測器通常在傳感器前面裝配 有鈹窗，其基本上阻擋了低于大約700eV的所有X射線。在此情況下，可以使峰檢測濾波器 107較窄而不必擔心失去大量的X射線，這提高了其堆積檢測性能。峰檢測濾波器107產生通常的FIR和以及兩個其它信號在最大響應時的脈沖，和 表示其響應超過閾值能量的時間的邏輯信號。稍后將說明這些信號的詳細使用。用于測量X射線能量水平的FIR濾波器108、109、110、峰檢測濾波器107、慢堆積 邏輯塊106以及快堆積邏輯塊105都連接到適當大小的可編程長度的對準延遲FIFO 111、112、113、114、115、116，使得對于能量足夠觸發(fā)所有邊沿(事件)檢測器的無噪聲的單個 X射線脈沖，來自快和慢堆積邏輯塊104、106的邊沿(事件)位置(時間)、峰檢測濾波器 107的最大值和對應于所有能量測量FIR濾波器108、109、110的間隙中心的輸出數(shù)據(jù)都在 同一時間(在由濾波器平均器105的時鐘分割造成的時間量化限度內)到達脈沖確認邏輯 塊117、基線傾斜度測量邏輯塊118和濾波器鎖存邏輯塊119。濾波器鎖存邏輯塊119捕獲與峰檢測濾波器107的對準的最大輸出時間相對應的 所有FIR濾波器的輸出。它在功能上等同于經(jīng)典模擬脈沖處理的采樣和保持電路。其輸出 被延遲了與能量濾波器組中最長FIR濾波器的FIR脈沖寬度(下降時間加上半個間隙時 間)的一半相對應的附加時間段，以允許在觸發(fā)該鎖存器的邊沿之后有用于檢測堆積的時 間。濾波器鎖存邏輯塊119還包含定時器，其用于測量從當前的選通信號到前一個和 后一個選通信號(來自峰檢測濾波器107的最大輸出脈沖)，以允許選擇FIR組(如果有的 話)中最長的濾波器，其可以根據(jù)Koeman的3872287號美國專利和Mott的5393982號美 國專利中公開的方法使用而沒有堆積。所有短于該最大值的濾波器的輸出還可以與不同的 權重結合以再次根據(jù)Koeman的3872287號美國專利中教導的方法實現(xiàn)對X射線能量的更 好估計?；€傾斜度測量邏輯塊118在X射線到達而不存在S形階躍時測量前置放大器 101的電壓信號的由于漏電流導致的正傾斜度。梯形FIR濾波器對依賴于濾波器積分時間 和間隙的寬度的線性傾斜度具有恒定的響應，這在本領域中是公知的。必須從濾波器的輸 出中減去該傾斜度響應以獲得對X射線能量的準確測量。在2007年8月3日提交的標題 為"DIGITAL PULSE PROCESSOR SLOPE CORRECTION”的 60/963，312 號美國臨時申請中描述 了用于估計接近S形階躍的傾斜度的優(yōu)選方法的細節(jié)，其公開內容通過引用包含于此。脈沖確認邏輯塊117結合來自快堆積邏輯塊104、慢堆積邏輯塊106和峰檢測濾波 器107的信號以確定在來自峰檢測濾波器107的單個輸出脈沖內是否已經(jīng)出現(xiàn)堆積。如果 已經(jīng)出現(xiàn)這種堆積(由于峰檢測濾波器107只產生一個最大輸出脈沖，所以濾波器鎖存邏 輯塊119將檢測不到該堆積)，則產生禁止脈沖并且適當延遲該禁止脈沖以使其在濾波器 鎖存邏輯塊119的輸出到達傾斜度修正和校準邏輯塊120的同時到達。在脈沖確認邏輯塊117中進行以下測試。如果在來自峰檢測濾波器107的“高于 閾值”邏輯信號有效的同時從快堆積邏輯塊105或慢堆積邏輯塊106接收到直接堆積檢測 脈沖，則宣布堆積，并且產生該禁止信號。如果在“高于閾值”邏輯信號有效的同時從快堆 積邏輯塊105或慢堆積邏輯塊106接收到兩個或更多個邊沿檢測脈沖，則也宣布堆積并且 產生該禁止信號。當“高于閾值”信號無效時從快堆積邏輯塊105或慢堆積邏輯塊106產生的邊沿 檢測信號和堆積檢測信號作為錯誤觸發(fā)被忽略。這防止了計數(shù)由于短暫的噪聲尖峰而造成 的錯誤觸發(fā)，該短暫的噪聲尖峰被平均掉以低于峰檢測濾波器107中的能量閾值，并且允 許兩個堆積邏輯塊具有比在其它方面必須的檢測閾值低的檢測閾值。如Mott的5，349，193號美國專利中所公開的，還測試峰檢測濾波器107的輸出的 脈沖寬度和脈沖對稱性，以檢測在一個或二個X射線的能量太低以至于不能觸發(fā)快堆積邏 輯塊105或慢堆積邏輯塊106情況下的堆積。
進行附加的類對稱性測試，其用于檢查在快堆積邏輯塊104和慢堆積邏輯塊106 中檢測到的邊沿是否處于峰檢測濾波器107的高于閾值的時間的中心。在本文中另外描述 的基于軟件的實施方式中，這是通過獲取由快堆積邏輯塊104和慢堆積邏輯塊106報告的 邊沿位置與峰檢測濾波器107的最大響應的絕對時間差來進行的，對于單個X射線來說，該 最大響應預期在高于閾值的時間的中心。然而，在圖1中所示的FPGA邏輯實施方式中使用 圖5B中所示的定時器代替時間戳的絕對差更方便。這些定時器將被稱為事件延遲定時器。 在“高于閾值”信號開始時啟動一個事件延遲定時器。當從快堆積邏輯塊104或慢堆積邏 輯塊106接收到邊沿信號時，針對從峰檢測濾波器107的已知上升和間隙時間加上對于單 個事件的檢測器最長預期上升時間的一半加上對于噪聲和時間量化誤差導致的變化的小 預留量計算出的限度值檢查該定時器。如果該定時器超過該限度，就認為已經(jīng)出現(xiàn)對于低 能X射線的堆積。當從快堆積邏輯塊104或慢堆積邏輯塊106接收到任何邊沿時啟動第二事件延遲 定時器，并且在“高于閾值”信號走低時針對同一限度檢查第二事件延遲定時器。在圖5B中 這兩個定時器被標注為“事件延遲1”和“事件延遲2”。本領域的普通技術人員將明白，該 對定時器將邊沿信號約束在峰檢測濾波器107的高于閾值的時間的中心范圍。這在功能上 等同于假設峰檢測濾波器107的最大響應正常接近于高于閾值的時間中心的軟件時間戳 方法。通過任何濾波機構的邊沿檢測都不具有高于某個值的所有X射線都被檢測到而 低于該值的所有X射線都檢測不到的銳截止。相反，如PJ. Statham,Microchim. Acta 155， 289-294(2006)中描述的，由于邊沿附近的隨機噪聲波動，檢測效率從某一能量之上的 100%平穩(wěn)滑到某一較低能量之下的零。該出版物中的圖2示出檢測效率曲線的形狀，盡管 該圖涉及Si(Li)檢測器并且常數(shù)和能量范圍與SDD的很不相同。假定兩個X射線的堆積， 其能量使得慢堆積邏輯塊106以50%的概率檢測到它們。在該時間的一半，將只檢測到一 個X射線。圖5a示出來自峰檢測濾波器107的對不同能量的兩個低能X射線的理想梯形響 應，第三條線示出檢測閾值能量。在實際應用中該特定能量可能隨著濾波器寬度和所使用 的特定SDD/前置放大器而不同，但是所給出的值對于目前的SDD是合理的。上面480eV的虛線代表在其以上慢堆積邏輯塊106接近100%有效的能量。中間 280eV的虛線接近碳X射線能量。下面160eV的虛線可以是檢測閾值的典型設置并且低到 足以檢測元素硼(183eV)。標注為“G+R+N”的中心時間是針對峰檢測濾波器107的間隙時間G、從該檢測器預 期的最長上升時間R以及噪聲和時間量化誤差的安全系數(shù)N預留量。其在濾波器輸出中產 生平坦區(qū)。輸出中的上升和下降段是峰檢測濾波器107的前導和拖尾積分時間。在此情況下的“高能”可意味著高達20至30千eV(keV)，比檢測閾值高100倍以上。如圖所示，分別對于480eV和280eV的X射線所示出的脈沖寬度較短，因為該檢測閾值 是能量低于IKeV的X射線的愈加明顯的閾值。圖5B示出對于兩個能量為400eV的X射線的峰檢測濾波器107的輸出的理想表 示。400eV太低，以至于不能可靠地觸發(fā)慢堆積邏輯塊106，并且假定在此能量檢測效率為 50%。用十字線勾勒出的梯形示出對400eV的單個居中X射線的響應。點線和點劃線梯形分別示出向左偏移時間Xl和向右偏移時間X2的兩個這種X射線。總響應是上面的實線，其始終是點線和點劃線的和。括號中的數(shù)字示出輸出響應的傾斜度改變的時間。因為假定 堆積的X射線能量相等，所以該輸出形狀是其最大值落在(3)和(4)之間的窄平坦區(qū)中的 某個地方的對稱形狀。由于小的隨機噪聲波動，實際最大值可以是該區(qū)域中的任何地方，所 以5，349，193號美國專利中描述的對稱檢查不能檢測該堆積。峰檢測濾波器107中的脈沖同樣可以通過整個脈沖寬度檢查。如圖5A中所示，與 對于高能量的最大寬度相比，單個低能量X射線的脈沖寬度被減小，并且如果通過小于該 減小量來分離低能堆積事件，則如圖5B中所示，脈沖寬度測試是無效的(范圍p-p小于A)。 然而，如圖5B中所示，上面描述的定時器中的一個將整個脈沖間隔時間與對于給定X射線 的高于閾值的平均脈沖上升時間相加。因此，測試這些定時器增加了在只有一個X射線觸 發(fā)所述堆積邏輯塊中的至少一個情況下檢測到堆積的概率。固定的EvenLag限度不能低于峰檢測濾波器107的積分時間加上上述“G+R+N”時 間，或者單個高能X射線可能作為堆積被錯誤地丟棄。該限度越低，可檢測的時間間隔越 低，所以選擇具有最快可能上升時間R和最慢可能噪聲N的SDD是有利的?；氐綀D1，傾斜度修正和校準邏輯塊120接收來自基線傾斜度測量邏輯塊118的 當前傾斜度估計、所有能量測量FIR濾波器108、109、110的輸出以及來自脈沖確認邏輯塊 117的可能的禁止信號，所有信號的時間適當對準。在優(yōu)選實施例中，由于這些事件以比 ADC采樣速率低得多的峰檢測濾波器107的脈沖速率出現(xiàn)，所以在例如Texaslnstruments 的TMS320C6414的數(shù)字信號處理芯片中以軟件實施這些功能。在沒有禁止信號的情況下，該邏輯塊以本領域中公知的方式從ADC 102中減去由 于該信號中的基線傾斜度導致的誤差，并且加權FIR濾波器108、109、110中的一個或多個 的原始輸出，以產生生成階躍邊沿的X射線的校準后的能量估計。這些測得的能量再次以本領域中公知的方式存儲在多通道分析器(MCA) 121的存 儲器中。在MCA 121中收集的光譜被傳遞到主PC122用于分析。在此詳細描述圖1中標注為“單階躍”和“行進(rim) ”的快堆積邏輯塊105和慢堆 積邏輯塊106的各部分。之所以稱之為“單階躍”，是因為它對來自ADC 102的樣本之間的 連續(xù)的差進行操作，樣本可以在檢測器匹配平均器103和濾波器平均器104中如上文所描 述的被平均。之所以稱之為“行進”，是因為它追蹤來自ADC 102的樣本的正向運行和負向 行進，樣本可以在檢測器匹配平均器103和濾波器平均器104中如上文所描述的被平均。圖 3A至圖3D提供根據(jù)本文中其他部分描述的用作單階躍方法和行進方法的FPGA實施例的規(guī) 范的一個實施例的實現(xiàn)快堆積邏輯塊105和慢堆積邏輯塊106的“單階躍”部分和“行進” 部分二者的功能的程序源代碼的列表。圖4A和圖4B是從用于設計單階躍方法和行進方法 的FPGA實施例的程序邏輯中提取的狀態(tài)圖。圖6A、圖6B和圖6C示出上升和局部極值的一 些可能模式的草圖，并且示出了在一個實施例中本發(fā)明如何處理它們。在圖6A至圖6C中 四個連續(xù)的局部極值被分別標注為“A”、“B”、“C”和“D”。從局部最小值“B”到局部最大值 “C”的中間上升行進好比是觸發(fā)水平，在本文中描述的Python代碼中它是變量“bigtrig”。 在優(yōu)選實施例中采用的重要加強是在“D”處的上升之后的局部最小值和“Α”處的上升之前 的局部最大值之間的附加檢查。圖7A和圖7B示出使用與優(yōu)選實施例相同的ADC如上文所 述從SDD獲取的實際數(shù)據(jù)中的兩個脈沖的曲線。一個脈沖是兩個X射線的堆積，一個脈沖是具有類似上升時間的單個事件。下面詳細解釋這些圖。 在下面的討論中，將涉及“ADC樣本”。應該理解，這意味著提供給所討論的邏輯塊 的連續(xù)數(shù)據(jù)樣本，根據(jù)檢測器匹配平均器103和濾波器平均器104的設置，每個樣本可以是 來自ADC 102的多個原始樣本的和或平均。在圖3A至圖3D的代碼(在本文中的其它部分被描述為Python代碼)中以及圖 4的狀態(tài)圖中將出現(xiàn)一些常數(shù)，這些常數(shù)設置用于平均噪聲或測量基線傾斜度的FIFO的長 度、平均的和非平均的數(shù)據(jù)的閾值的比率等等。在FPGA實施例(圖)中，這些常數(shù)是可編 程的寄存器值。本領域中的普通技術人員將認識到，在不偏離本發(fā)明的基本特性的情況下， 所使用的具體值可以改變，以匹配特定的檢測器或檢測器類型。一般來說，該軟件通過從三個邏輯塊快堆積邏輯塊105、慢堆積邏輯塊106和在 Python代碼中被稱為“碳濾波器”的峰檢測濾波器107報告的邊沿位置獲取時間差來進行 操作。對于FPGA實施方式，使用峰檢測濾波器107的高于閾值邏輯輸出比對與其最大信號 相關的時間戳進行運算以確定由快堆積邏輯塊105或慢堆積邏輯塊106報告的邊沿是否落 入來自峰檢測濾波器107的脈沖內更方便，但是本領域的普通技術人員將認識到，這些方 法在功能上是等同的。Python語言語法不包括行編號。然而，為了方便下面的說明與代碼列表匹配，圖 3A至圖3D中的可執(zhí)行(非注釋)行在最后具有行編號注釋。這些行編號以301開始并且 以417結束。在2007 年 8 月 3 日提交的標題為 “IMPROVED EDS PILEUPREJECTION FOR LOW ENERGIES AT HIGH COUNT RATES”的60/963，320號美國臨時申請中提供了該代碼的一個版 本。在圖3A至圖3D的代碼中，與該臨時申請中的代碼相比，一些注釋行被去掉或改變。此 夕卜，一些調試輸出行、不再使用的代碼或不執(zhí)行的“死代碼”已經(jīng)從包括在該臨時申請中的 代碼版本中去除，以縮短該源列表并提高清晰性。在圖3A至圖3D中提供的對本發(fā)明的功 能重要的可執(zhí)行代碼等同于在該臨時申請中提供的可執(zhí)行代碼。稱作“拐點”的注釋已經(jīng)被改為稱作“局部最大值/最小值”或“局部極值”，以符 合正確的數(shù)學使用。實際操作通過該可執(zhí)行代碼而清楚。在本文中和圖3A至圖3D的代碼 中使用的這些術語將在連續(xù)的ADC樣本的值停止增加并開始減小，或停止減小并開始增加 之處采樣。應該指出，圖3A至圖3D和圖4中所示的快堆積邏輯塊105的整個邏輯塊被復制 用于慢堆積邏輯塊106，但是由于濾波器平均器104而處于較低的有效ADC采樣速率。在圖3A中，行301定義根據(jù)一個特定實施例實現(xiàn)本發(fā)明的功能。自變量 “trace”是來自ADC 102的進入數(shù)據(jù)，其可以如上文中所述從其原始數(shù)據(jù)速率向下求和。 “Tracestart”是不再使用?！癈alib”是能量校準系數(shù)，它是5895eV的Mn K-α X射線中 ADC最低有效位(LSB)的個數(shù)?！癉ebug”是打開各種診斷輸出的標志?！癈edges”是保持由 峰檢測濾波器107檢測到的X射線的邊沿(時間戳)的陣列，在該軟件中它被稱為“carbon filter”，即該陣列名。行302包含全局參數(shù)；只有閾值乘法器“tfactor”被使用。行302允許為下面討 論的臨界觸發(fā)值“trig”和“bigtrig”設置外部固定值(加載到FPGA實施例(圖1)的寄 存器中)。
行304-328初始化一些變量和陣列。將在描述使用它們的代碼行時根據(jù)需要描述 它們的含義。特別地，陣列“fastpileups”將包含由本發(fā)明的一個實施例檢測到的邊沿位 置。在“fastpileups”陣列中寫入項目等同于輸入圖4中的“堆積”狀態(tài)405，并且從FPGA 實施例(圖1)中的快堆積邏輯塊105產生“P”信號。陣列“edges”存儲等同于來自FPGA 實施例(圖1)中的快堆積邏輯塊105的“E”信號的邊沿(事件)位置。在本文中描述的 另一個實施例中，不直接產生堆積信號。相反，該實施例為可以與其相鄰邊沿隔離的每個邊 沿產生“E”信號。如上所述，如果脈沖確認邏輯塊117在“高于閾值”脈沖期間從峰檢測濾 波器107接收到兩個或更多個這種“E”信號，則識別為堆積。根據(jù)硬件標志“Hflag”是否被設置而在行333或336中設置的變量“trig”是用 于通過單個ADC樣本差檢測邊沿的觸發(fā)值。在行333中，設定為最后16個負向單ADC樣本 差的平均值乘以作為全局參數(shù)設置的閾值因數(shù)“tfactor”。在FPGA實施例中，如行336中 那樣，將“trig”直接設置為寄存器值。變量“bigtrig” (行334或行337，作為獨立于FPGA 實施例(圖1)中的“trig”的寄存器值)是保持在變量“posrum”中的ADC樣本之間的連 續(xù)正差序列的總積分的觸發(fā)值。正如其名稱所暗示的，“bigtrig”通常比“trig”大。行328開始用于處理所有剩余樣本的主循環(huán)。在行308-309中初始化的間隔為1 的兩個并行的索引變量“i”和“j”選擇當前的一對ADC樣本。該循環(huán)在行415和416結束， 這兩行將遞增這些陣列索引。在行331中設置的并且在圖4的大多數(shù)狀態(tài)轉換中涉及的狀態(tài)變量“diff”是兩 個連續(xù)ADC樣本之間的單個樣本差(處于通過任何一個先前的平均定義的時間標度)并且 代表前置放大器信號(即，由FPGA實施例(圖1)中的前置放大器101輸出的信號)的瞬 時傾斜度的最佳可利用的數(shù)字估計。行330將“diff”的先前值保持在變量“l(fā)astdiff”中 以檢查傾斜度的二階導數(shù)(變化率)。該傾斜度的二階導數(shù)(變化率)預期為正(diff> lastdiff)，同時該信號在從X射線得到的S形模式的前半段上升(圖4A中的“向上”狀態(tài) 404)，然后在從X射線得到的S形模式的后半段穩(wěn)定或下降(圖4A中的“向下”狀態(tài)407) 時。行329將由“i”索引的該對中的拖尾ADC樣本的最新值存儲在變量“l(fā)astval”中。該 值用于確認脈沖和記錄傾斜度改變符號時的點，通過定義該點是局部最大或最小。圖3A至圖3D的循環(huán)在圖4的“空閑”狀態(tài)402開始。如下文所述，行338-359和 386-389管理本文中描述的各實施例的狀態(tài)轉變，在連續(xù)增加或減小行進之間切換并進行 最后的邊沿判斷。將會馬上清楚，無論該系統(tǒng)在圖4A的狀態(tài)圖中的那里操作，信號必須在圖4B中的 “正(POS) ”狀態(tài)408和“負(NEG) ”狀態(tài)409之間改變(將沒有改變的值聚集到“正”狀態(tài) 408中)，并且這兩個狀態(tài)之間的轉變必定出現(xiàn)在“正”狀態(tài)408至“負”狀態(tài)409轉變的局 部最大值處以及相反情況下的局部最小值處。在這些轉換點，必須保持一些狀態(tài)變量以便 隨后使用，其中有在當前的局部最大值“neginf ”和在最后的局部最大值“ Iastneginf ”處 ADC樣本的值。對應于狀態(tài)“清除正(CLR P0S) ”狀態(tài)410的行338-340在開始負向行進時清除 正向行進的高度。在圖3A至圖3D中所示的代碼版本中，對于“P0S”狀態(tài)408的每次迭代， 經(jīng)過“清除正”狀態(tài)410狀態(tài)。這不是必須的，但是無害的。重要的是從“負”狀態(tài)409到 “正”狀態(tài)408的轉換，它測試“posrim”是否為零以確定該過程是否處于局部最小值并且是新正向行進的開始，并在“xraydone”被設定的情況下由此判斷是否進入“有效邊沿(VALID EDGE) ”狀態(tài)412。注意，在Python語法中，對于數(shù)值變量，零值測試“偽”，任何非零值測試 “直”行341-343進行“清除負”狀態(tài)411的對應功能，清除負行進“negrim”的高度。 “negrim”變量的清除后的情形被用于標記從“負”狀態(tài)409到“正”狀態(tài)408的轉換，它確定 局部最大值。先前的兩個局部最大值的ADC樣本值被保存在變量“neginf”和“ Iastneginf ” 中。行344是用于確定過程是處于“正”狀態(tài)408還是處于“負”狀態(tài)409的狀態(tài)測試。在優(yōu)選實施例中，比較限度略低于零。其目的是將該測試略微偏置以有利于上升行進。對 于每個ADC樣本，存在一定程度的隨機噪聲，這在由低能X射線引起的上升期間可能使樣 本-樣本差成為負的。如上面解釋的，變量“trig”代表預期的由隨機噪聲導致的樣本-樣 本差的大小的上限。因此負向差需要大于終止上升之前的“trig”中的某一小部分，這使得 能夠檢測比在需要嚴格單調上升情況下的可能的能量低的X射線。此外，由于需要用于終 止上升的負差的最小幅度，在負向隨機噪聲波動在中間斷開比平均上升時間慢的有效邊沿 情況下錯誤地識別堆積的危險被最小化。由“bigtrig”代表的能量檢測閾值必須足夠大， 以防止這種將有效X射線作為堆積被錯誤排除的數(shù)量變得顯著。根據(jù)經(jīng)驗，發(fā)現(xiàn)在行334 和344中使用的5比4的bigtrig/trig比率和(_trig/8)的狀態(tài)切換閾值組合起來是很 適用的，從而在沒有顯著錯誤排除的情況下實現(xiàn)了低檢測閾值，但是在不偏離本發(fā)明的精 神的情況下可以使用其他值。行345測試從“負”狀態(tài)409到“正”狀態(tài)408的轉換。在該轉換，如果標志 “xraydone”已經(jīng)從“向下”狀態(tài)407設置或直接設置在“向上”狀態(tài)404 (圖4A)，則進入“有 效邊沿”狀態(tài)412，該狀態(tài)與“有效脈沖”狀態(tài)406相同。行346保存將利用結束時間進行 平均以估計弱邊沿的最終時間戳的當前索引(時間戳)，它的最大“diff”值不是可靠的定 位器。如果標志“xraydone”被設定，則行348將其清除。行349設置10樣本禁止時間，在 該期間內“diff”的負值不被平均為如上所述的用于噪聲觸發(fā)“trig”的動態(tài)計算的噪聲估 計。這避免了在噪聲估計中計數(shù)來自邊沿的任何過沖的負向恢復時間段。行350進行通過消除許多可能由單行進高度測試導致錯誤觸發(fā)的模式而使本實 施例優(yōu)于現(xiàn)有技術方法的測試。圖6A至圖6C示出所測試的上升(從局部最小值B到局部 最大值C)近似相同的三個波形的草圖。為了簡化，該波形的上升部分和下降部分被繪制為 直線段，但是如上面指出的，上升段可以包含小的負尖頭信號并且由于噪聲波動上升段和 下降段一般不是直的。在行350，變量“l(fā)astval”包含當前局部最小值的點D處的ADC樣本。變量 "lastneginf"包含所測試的上升之前的局部最大值的點A處的ADC樣本值。該上升本身 已經(jīng)被確定為超過閾值‘‘bigtrig”。然后檢查從‘‘lastval” (圖6的繪制的所有點D)至 “l(fā)astneginf"(圖6繪出的所有點A)的差。如果該差大于噪聲觸發(fā)水平‘‘trig”的一半， 則該邊沿作為有效的而被接受。為了計算方便系數(shù)被選擇為1/2，并且在不偏離本發(fā)明范 圍的情況下該系數(shù)可以改變。然而，期望具有噪聲帶已經(jīng)偏移了噪聲觸發(fā)水平的很大一部 分的一些證據(jù)。D-A具有合理大的最小值還防止作為一系列Z字形上下的段出現(xiàn)的非常弱 或慢的邊沿被錯誤地作為分開的邊沿檢測并且由此錯誤地作為堆積排除。該檢查使得對于C-B的檢測閾值“bigtrig”只略大于單階躍觸發(fā)“trig”。圖6A示出C-B邊沿從非常大的負向噪聲偏移恢復的情況。在該邊沿之前和之后的噪聲帶的平均是相同的。因為D-A差實際上是負的，所以該上升將被排除。圖6C示出正向尖峰信號，也在之前和之后具有不變的平均噪聲帶。同樣，D-A測試也失敗并且該邊沿被忽略。圖6B示出成功的邊沿檢測。所測試的邊沿之后的噪聲帶從該邊沿之前的其峰-峰范圍顯著偏移，并且D-A差正好比單階躍噪聲觸發(fā)水平“trig”高一半，所以該邊沿檢測作 為有效的被接受。本領域的普通技術人員將清楚，多數(shù)所測試的邊沿之前和之后的局部最小值和最大值可以以模擬方式使用，以驗證峰-峰噪聲帶實際上在所測試的邊沿漂移。還將清楚，本 發(fā)明的方法不依賴于任何固定的時間段，并且因此像SDD的情況那樣動態(tài)響應于其上升時 間大幅變動的邊沿。行351存儲邊沿的時間戳(從圖1中的快堆積邏輯塊105或慢堆積邏輯塊106產生“E”信號)。行352保持正行進的累積高度。行353設置標志“clearneg”以進入圖4B 中的“清除負”狀態(tài)411。該行還可以位于“if not postrim”邏輯塊內并且只每次轉變執(zhí) 行一次。行354是處理負行進的邏輯的開始。盡管行358保持該負行進的高度，但是它不 在當前使用。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)該D-A差檢查足以檢測有效邊沿。行355-357檢測局部最大值的出現(xiàn)并且保持當前(點C)和先前(點A)的最大值。 行359設置標志“clearpos”以強行進入“清除正”狀態(tài)410，但是在“if not negrim”塊內 進行該功能是等效的。圖4A中示出的狀態(tài)由行360-417來處理。應該指出，Python編程語言中的“el if” 語句使多個狀態(tài)互不相容，所以條件被滿足的從行360開始的“if. . . elif. . . elif”測試鏈 中的第一個將被執(zhí)行。因此，與圖4中的時序過程相比，在圖3A至圖3D的代碼中以相反的 順序呈現(xiàn)這些狀態(tài)。行360-369示出當該系統(tǒng)處于圖4的“向下”狀態(tài)407時的處理。這是在返回到 主循環(huán)前的最后的有效狀態(tài)。它具有兩個可能的退出路徑在連續(xù)上升期間直接檢測堆積 (“堆積”狀態(tài)405)或者前進到“有效脈沖？ ”狀態(tài)406中的隨后脈沖有效性檢查。在“向下”狀態(tài)407中，行361測試當前的樣本-樣本差是否已經(jīng)降到噪聲觸 發(fā)水平“trig”以下。如果是，則前置放大器信號的變化率現(xiàn)在處于噪聲帶內，所以在行 362-363中退出“向下”狀態(tài)407，并且設置導致進入圖4A中的“有效脈沖？ ”狀態(tài)406的標 志“xraydone”，該狀態(tài)也是圖4B中的“有效邊沿？ ”狀態(tài)412。行364進行臨界檢查，其確定是否檢測到直接堆積。在圖3A至圖3D中提供的實 施例中，一個重要特征是當前差“diff ”必須超出先前差“ Iastdiff ”噪聲觸發(fā)水平“trif” 以上。如果該測試不是以“trig”為條件，那么可能如下將有效的X射線錯誤地識別為堆 積。注意，SDD上升時間可以大幅變動，考慮相對慢的上升時間，其中三個連續(xù)的差在上升 的中心附近并且具有類似的傾斜度。由于噪聲在每個樣本值上添加小的隨機移位，所以中 間的差可能相對于緊挨在前面的差和緊挨在后面的差略降，如果不要求連續(xù)的差超過噪聲 水平，則可能導致錯誤的堆積信號。
圖7A和圖7B示出來自SDD的兩個實際波形圖。水平軸的比例是每單位 IOnSdOOMhz ADC的采樣時間)；編號是2. 62毫秒的實際時間的256k樣本的文件中的索引 (時間戳)。垂直比例是ADC的最低有效位，對于ADC單位標注為“adu”。對于這兩個圖，垂 直比例是每刻度IOOadu。圖7A示出來自單個X射線的平滑但相對慢的上升，在SDD中其漂移路徑比平均值 長。加框區(qū)覆蓋了 7個樣本或70nS。還要指出，在該加框區(qū)之前有大約30adu的峰-峰噪 聲偏移。如果設想在時間74440的數(shù)據(jù)點向上移位類似的30adu，那么這可能使樣本74441 和樣本74440之間的差小于樣本74440和74439之間或樣本74442和74441之間的差，匹 配堆積模式，但完全是由于噪聲造成的。圖7B示出被成功檢測為堆積的噪聲，盡管其總上升時間和幅度與圖7A的有效脈 沖很類似，意味著各X射線的上升時間必須相當短。中間加框區(qū)的傾斜度明顯低于左下加 框區(qū)的傾斜度，使得過程從圖4中的“向上”狀態(tài)404移動到“向下”狀態(tài)407。然后，右上 加框區(qū)的傾斜度從73adu/樣本到142adu/樣本(或者說69adu)的增加是圖7A中所示的 30adu樣本-樣本噪聲波動的兩倍以上，因此高度不類似于由于噪聲造成的情況?，F(xiàn)有技術 的方法不能將這兩個脈沖區(qū)分為一個是堆積而另一個是有效的。應該特別指出，圖7B中的 兩個堆積X射線的中心(最大傾斜度的點)分開了 50nS，小于圖7A的總上升時間。圖3C的行364至369處理存儲堆積的時間戳或者從快堆積邏輯塊105或 慢堆積邏輯塊106產生“P”信號以及將狀態(tài)變量改回到“向上”狀態(tài)404的內務操作 (housekeeping)。圖3C的行370-381負責“向上”狀態(tài)404的處理。變量“maxdiff ”保持在當前上 升S形前置放大器邊沿期間遇到的當前最大單樣本差(瞬時傾斜度)。行371-373保持該 最大值并使與該邊沿相關聯(lián)的時間戳保持指向該最大值。有兩個可能的從“向上”狀態(tài)404的退出路徑，其中只有一個(下面描述的后者) 與本發(fā)明相關。如果當前的傾斜度(單樣本差)降到噪聲觸發(fā)水平一半以下，則行374-376 退出到“有效脈沖？ ”狀態(tài)406。不進行單階躍堆積檢查。設置如上文所述的“xraydone” 標志，其意味著處于從“負”狀態(tài)409到“正”狀態(tài)408的下一次轉換。進行結合圖6A至圖 6C描述的D-A有效性檢查。行377-379是實現(xiàn)本發(fā)明的一對測試中的另一部分(以及第二退出路徑)。該測 試部分確定狀態(tài)何時從“向上”狀態(tài)404改變到“向下”狀態(tài)407。在該測試中，在上升期間 遇到的單階躍傾斜度從最大值的下降必須大于噪聲觸發(fā)“trig”。注意，行374暗示除非我 們已經(jīng)具有至少1.5倍于“trig”的最大差，否則不能到達該退出路徑，而將采用(上文描 述的)第一退出路徑。到達“向下”狀態(tài)407以及由此能夠根據(jù)本發(fā)明實現(xiàn)檢測堆積的可 能性的唯一辦法是首先滿足該條件。確切的系數(shù)1.5不是關鍵的，但它在計算上方便。要 點是如上所述只有相對高能量的X射線是這些測試的適當候選而沒有錯誤肯定的風險。低 能X射線可以呈現(xiàn)相同的模式但不是真的堆積。捕獲圖7A和圖7B的波形的樣品是Ni-Al 合金。圖7々中所示的乂射線可以是接近7500^的鎳1(-0 ；圖7B中的兩個X射線可以是 接近1500eV的Ni K- α和鋁K- α。行378和379處理從“向上”狀態(tài)404到“向下”狀態(tài)407的狀態(tài)改變。如果沒有 一個退出路徑條件被滿足，則行380-381不作為，而當前的差不是新的最大值。
行382是觸發(fā)從“空閑”狀態(tài)402進入到“向上”狀態(tài)404的測試。必須滿足兩個 條件。第一，當前的差必須超過噪聲觸發(fā)水平“trig”。第二，測試確保該對中較高的ADC樣 本超過先前的局部最大值。這不是必須的，但是通過消除對從負向噪聲尖峰信號恢復的錯 誤觸發(fā)提高了性能。行383-385初始化“向上”狀態(tài)404并將最大差設置為當前的差。特別指出的是， 這意味著“maxdiff”可能不會低于其第一次使用之后的噪聲觸發(fā)水平“trig”。行386-389觸發(fā)“向上弱”狀態(tài)403。如果正行進的累積高度(如本文中另外說明的)超過“bigtrig”，則這導致進入“向上”狀態(tài)404，而不需要單階躍差大于噪聲觸發(fā) “trig”。對本發(fā)明重要的行是行389，其將“maxdiff”復位為等于噪聲觸發(fā)“trig”。這防 止“向上”狀態(tài)404進入“向下”狀態(tài)407，因此通過利用等于“trig”的“maxdiff ”滿足行 371中的測試，可以根據(jù)本發(fā)明進行堆積檢測(除非單階躍差表現(xiàn)為超過“trig”)。這樣， 防止了本文中描述的連續(xù)行進實施例和單階躍觸發(fā)的實施例相互干擾。行390-400檢測前置放大器101中復位的出現(xiàn)。這導致輸出迅速下降，使得負單 樣本差超過觸發(fā)水平“trig”的10倍。行391-393禁止復位期間和之后的特定時間段的處 理。行394-400重新初始化狀態(tài)變量。行404-414保持除了接近復位或檢測到的邊沿的特定時間段以外的ADC數(shù)據(jù)中的 負單樣本差的16輸入運行和，作為類似于Mott的5，393，982號美國專利中教導的方法的 動態(tài)估計噪聲的手段。特別地，在沒有復位和來自X射線的邊沿的情況下，負偏移和正偏 移在統(tǒng)計上是相等的，但是未檢測到的非常低能量的X射線可能使正偏移的平均值向上偏置。行415和416并行通過從前置放大器101捕獲的波形中的所有樣本。在FPGA實 施例中，不需要在文件段的開始和結束時處理邊界條件，因為處理循環(huán)實時連續(xù)操作，只在 加電時初始化。圖8總結了用于SDD的具有典型脈沖對分辨時間和能量檢測閾值的整個系統(tǒng)的預 期堆禾只性會邑，如 P· Lechner 等在〃 Silicon drift detectorsfor high resolution room temperature X-ray spectroscopy"，Nuc1. Instr. and Meth. 1996 ；A 377，pp.346-351 中 描述的，其具有以下特征(i)大約10平方毫米的有效面積，以及(ii)前置放大器101的第 一場效應晶體管(FET)級通過光刻技術包含在傳感器上。所引用的具體數(shù)字不是通用的， 而是隨著不同的檢測器類型和配置變化的。然而，它們合理地代表了在檢測器的小樣本上 測得的實際性能。上面的波形跡線是來自前置放大器101的波形片段的理想化表示，其示出了幾個 堆積情況。最右邊是非常低能量的X射線階躍的擴展圖。箭頭示出各階躍的位置。最大的 階躍是如圖7B中所示的來自單個X射線的階躍的上升時間范圍內的緊密堆積，其只能由本 發(fā)明的方法來檢測。該波形跡線的下面依次是來自各堆積和邊沿檢測累積塊的預期檢測信號，這些邏 輯塊的脈沖對分辨時間和能量閾值具有預期的范圍。峰檢測濾波器107檢測除了時間“S” 處的尖峰信號以外的所有邊沿，該尖峰信號被快堆積邏輯塊105錯誤地報告，但因為峰檢 測濾波器107的輸出不在閾值之上而被排除。對于200eV的最小可檢測能量，對于非常低 的能量的X射線的最佳分辨時間可能是大約350-400nS。如果需要更低的檢測閾值，例如對于185eV的硼或者甚至109eV的鈹，積分時間需要更長并且分辨時間會實質性增加。然而， 它檢測被所有其它邏輯塊漏掉的最右處的非常低的能量的X射線。根據(jù)檢測器的上升時間，快堆積邏輯塊105具有50至IOOnS的最佳分辨時間。本中中描述的單階躍方法在大約2. 5keV能量以上有效，而本文中描述的連續(xù)行進方法可以 達到大約600-900eV。它遺漏時間“L”處的低能X射線。與快堆積邏輯塊105相同但是在濾波器平均器104中平均的數(shù)據(jù)上以更低有效速 率操作的慢堆積106成功檢測到L處的中度低能X射線，但是具有大約兩倍長的最佳分辨 時間，80-200nS。其單階躍方法可以檢測低到僅2keV以下的X射線，并且其連續(xù)行進方法 能夠以良好的效率檢測500eV的氧X射線?？偟膩碚f，根據(jù)所考慮的能量對，這些結果比使用現(xiàn)有技術的方法由現(xiàn)有系統(tǒng)展 示出的分辨時間好大約2到5倍。盡管以上描述和示出了本發(fā)明的優(yōu)選實施例，但是應該理解，這些是本發(fā)明的例 子并且不認為是限制性的。在不偏離本發(fā)明的精神或范圍的情況下可以進行添加、刪除、替 換以及其它修改。因此，不認為本發(fā)明受上述說明限制，而只是由所附權利要求的范圍限 制。
權利要求
一種從能量色散輻射光譜測量系統(tǒng)的前置放大器輸出信號檢測代表光子的邊沿的方法，所述前置放大器輸出信號的每個點具有與之相關聯(lián)的幅度值，所述方法包括識別所述前置放大器輸出信號的第一部分，其中所述第一部分中的每個部分具有帶有第一極性的瞬時傾斜度；識別所述前置放大器輸出信號的緊挨在所述第一部分之后的第二部分，其中所述第二部分中的每個部分具有帶有與所述第一極性相反的第二極性的瞬時傾斜度；識別所述前置放大器輸出信號的緊挨在所述第二部分之后的第三部分，其中所述第三部分中的每個部分具有帶有所述第一極性的瞬時傾斜度；確定和所述第二段的終點相關聯(lián)的幅度值與和所述第二段的起點相關聯(lián)的幅度值之間的第一差；確定和所述第三段的終點相關聯(lián)的幅度值與和所述第一段的起點相關聯(lián)的幅度值之間的第二差；以及如果(i)所述第一差超過預定閾值以及(ii)所述第二差超過所述預定閾值的預定比例，則確定邊沿存在。
2.如權利要求1所述的方法，還包括產生所述前置放大器輸出信號的數(shù)字形式，所述 前置放大器輸出信號的數(shù)字形式包括各自具有一個數(shù)字值的多個連續(xù)的數(shù)字樣本；其中所述第一部分包括所述連續(xù)的數(shù)字樣本中的一個或多個第一對，其中每個第一對 中的數(shù)字樣本的數(shù)字值之間的差代表對瞬時傾斜度的數(shù)字估計，并且其中所述識別所述第 一部分包括確定每個第一對中的數(shù)字樣本的數(shù)字值之間的差具有所述第一極性；其中所述第二部分包括所述連續(xù)的數(shù)字樣本中的一個或多個第二對，其中每個第二對 中的數(shù)字樣本的數(shù)字值之間的差代表對瞬時傾斜度的數(shù)字估計，并且其中所述識別所述第 二部分包括確定每個第二對中的數(shù)字樣本的數(shù)字值之間的差具有所述第二極性；以及其中所述第三部分包括所述連續(xù)的數(shù)字樣本中的一個或多個第三對，其中每個第三對 中的數(shù)字樣本的數(shù)字值之間的差代表對瞬時傾斜度的數(shù)字估計，并且其中所述識別所述第 三部分包括確定每個第三對中的數(shù)字樣本的數(shù)字值之間的差具有所述第一極性。
3.如權利要求1所述的方法，還包括產生所述前置放大器輸出信號的數(shù)字形式，所述 前置放大器輸出信號的數(shù)字形式包括各自具有一個數(shù)字值的多個連續(xù)的數(shù)字樣本，其中與 所述第二段的所述終點相關聯(lián)的幅度值包括所述數(shù)字樣本中的第一個數(shù)字樣本的數(shù)字值； 其中與所述第二段的起點相關聯(lián)的幅度值包括所述數(shù)字樣本中的第二個數(shù)字樣本的數(shù)字 值；其中與所述第三段的終點相關聯(lián)的幅度值包括所述數(shù)字樣本中的第三個數(shù)字樣本的數(shù) 字值；并且其中與所述第一段的起點相關聯(lián)的幅度值包括所述數(shù)字樣本中的第四個數(shù)字樣 本的數(shù)字值。
4.如權利要求1所述的方法，其中所述第一極性為正，而所述第二極性為負。
5.如權利要求1所述的方法，其中所述比例為0.5。
6.如權利要求1所述的方法，其中所述能量色散輻射光譜測量系統(tǒng)是X射線光譜測量 系統(tǒng)。
7.如權利要求1所述的方法，其中所述能量色散輻射光譜測量系統(tǒng)是伽馬射線光譜測量系統(tǒng)。
8.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中所述能量色散輻射光譜測量系統(tǒng)包括峰檢測濾波器，該峰檢測濾波器適于響應于由所述前置放大器輸出信號和高于閾值信號指示的光子 而產生一個或多個脈沖，而所述一個或多個脈沖中的任何一個都高于所述峰檢測濾波器的 最小可檢測閾值能量，所述方法包括響應于所述確定出邊沿存在而產生邊沿信號，接收所 述邊沿信號，確定是否接收到所述邊沿信號和第二邊沿信號同時也接收到所述高于閾值信 號，以及如果確定接收到所述邊沿信號和所述第二邊沿信號同時也接收到所述高于閾值信 號，則宣布有效堆積。
9.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中所述能量色散輻射光譜測量系統(tǒng)包括峰檢測濾波 器，該峰檢測濾波器適于響應于由所述前置放大器輸出信號和高于閾值信號指示的光子而 產生一個或多個脈沖，而所述一個或多個脈沖中的任何一個都高于所述峰檢測濾波器的最 小可檢測閾值能量，所述方法包括響應于所述確定堆積已經(jīng)出現(xiàn)而產生邊沿信號，接收所 述邊沿信號，確定是否接收到所述邊沿信號同時也接收到所述高于閾值信號，以及如果確 定接收到所述邊沿信號同時還未接收到所述高于閾值信號，則忽略所述邊沿信號。
10.一種適于進行根據(jù)權利要求1的方法的脈沖處理器。
11.一種能量色散輻射光譜測量系統(tǒng)，包括檢測器，其用于將進入的光子轉換為包括電流脈沖的輸出；前置放大器，其用于將所述檢測器的輸出轉換為包括電壓信號的前置放大器輸出信 號；以及脈沖處理器，其適于通過以下操作從所述前置放大器輸出信號檢測代表光子的邊沿識別所述前置放大器輸出信號的第一部分，其中所述第一部分中的每個部分具有帶有 第一極性的瞬時傾斜度；識別所述前置放大器輸出信號的緊挨在所述第一部分之后的第二部分，其中所述第二 部分中的每個部分具有帶有與所述第一極性相反的第二極性的瞬時傾斜度；識別所述前置放大器輸出信號的緊挨在所述第二部分之后的第三部分，其中所述第三 部分中的每個部分具有帶有所述第一極性的瞬時傾斜度；確定和所述第二段的終點相關聯(lián)的幅度值與和所述第二段的起點相關聯(lián)的幅度值之 間的第一差；確定和所述第三段的終點相關聯(lián)的幅度值與和所述第一段的起點相關聯(lián)的幅度值之 間的第二差；以及如果(i)所述第一差超過預定閾值以及(ii)所述第二差超過所述預定閾值的預定比 例，則確定邊沿存在。
12.如權利要求11所述的能量色散輻射光譜測量系統(tǒng)，其中所述脈沖處理器適于產生 所述前置放大器輸出信號的數(shù)字形式，所述前置放大器輸出信號的數(shù)字形式包括各自具有 一個數(shù)字值的多個連續(xù)的數(shù)字樣本；其中所述第一部分包括所述連續(xù)的數(shù)字樣本中的一個或多個第一對，其中每個第一對 中的數(shù)字樣本的數(shù)字值之間的差代表對瞬時傾斜度的數(shù)字估計，并且其中所述識別所述第 一部分包括確定每個第一對中的數(shù)字樣本的數(shù)字值之間的差具有所述第一極性；其中所述第二部分包括所述連續(xù)的數(shù)字樣本中的一個或多個第二對，并且其中每個第 二對中的數(shù)字樣本的數(shù)字值之間的差代表對瞬時傾斜度的數(shù)字估計，其中所述識別所述第 二部分包括確定每個第二對中的數(shù)字樣本的數(shù)字值之間的差具有所述第二極性；以及其中所述第三部分包括所述連續(xù)的數(shù)字樣本中的一個或多個第三對，其中每個第三對 中的數(shù)字樣本的數(shù)字值之間的差代表對瞬時傾斜度的數(shù)字估計，并且其中所述識別所述第 三部分包括確定每個第三對中的數(shù)字樣本的數(shù)字值之間的差具有所述第一極性。
13.如權利要求11所述的能量色散輻射光譜測量系統(tǒng)，所述脈沖處理器適于產生所述 前置放大器輸出信號的數(shù)字形式，所述前置放大器輸出信號的數(shù)字形式包括各自具有一個 數(shù)字值的多個連續(xù)的數(shù)字樣本，其中與所述第二段的所述終點相關聯(lián)的幅度值包括所述數(shù) 字樣本中的第一個數(shù)字樣本的數(shù)字值；其中與所述第二段的起點相關聯(lián)的幅度值包括所述 數(shù)字樣本中的第二個數(shù)字樣本的數(shù)字值；其中與所述第三段的終點相關聯(lián)的幅度值包括所 述數(shù)字樣本中的第三個數(shù)字樣本的數(shù)字值；并且其中與所述第一段的起點相關聯(lián)的幅度值 包括所述數(shù)字樣本中的第四個數(shù)字樣本的數(shù)字值。
14.如權利要求11所述的能量色散輻射光譜測量系統(tǒng)，其中所述第一極性為正，而所 述第二極性為負。
15.如權利要求11所述的能量色散輻射光譜測量系統(tǒng)，其中所述比例為0.5。
16.如權利要求11所述的能量色散輻射光譜測量系統(tǒng)，其中所述能量色散輻射光譜測 量系統(tǒng)是X射線光譜測量系統(tǒng)。
17.如權利要求11所述的能量色散輻射光譜測量系統(tǒng)，其中所述能量色散輻射光譜測 量系統(tǒng)是伽馬射線光譜測量系統(tǒng)。
18.根據(jù)權利要求11所述的能量色散輻射光譜測量系統(tǒng)，其中所述脈沖處理器包括峰 檢測濾波器，該峰檢測濾波器適于響應于由所述前置放大器輸出信號和高于閾值信號指示 的光子而產生一個或多個脈沖，而所述一個或多個脈沖中的任何一個都高于所述峰檢測濾 波器的最小可檢測閾值能量，并且其中所述脈沖處理器適于響應于所述確定出邊沿存在而 產生邊沿信號，接收所述邊沿信號，確定是否接收到所述邊沿信號和第二邊沿信號同時也 接收到所述高于閾值信號，以及如果確定接收到所述邊沿信號和所述第二邊沿信號同時也 接收到所述高于閾值信號，則宣布有效堆積。
19.根據(jù)權利要求11所述的能量色散輻射光譜測量系統(tǒng)，其中所述脈沖處理器包括峰 檢測濾波器，該峰檢測濾波器適于響應于由所述前置放大器輸出信號和高于閾值信號指示 的光子而產生一個或多個脈沖，而所述一個或多個脈沖中的任何一個都高于所述峰檢測濾 波器的最小可檢測閾值能量，并且其中所述脈沖處理器適于響應于所述確定出堆積已經(jīng)出 現(xiàn)而產生邊沿信號，接收所述邊沿信號，確定是否接收到所述邊沿信號同時也接收到所述 高于閾值信號，以及如果確定接收到所述邊沿信號同時還未接收到所述高于閾值信號，則 忽略所述邊沿信號。
20.一種能量色散輻射光譜測量系統(tǒng)，包括檢測器，其用于將進入的光子轉換為包括電流脈沖的輸出；前置放大器，其用于將所述檢測器的輸出轉換為包括電壓信號的前置放大器輸出信 號；以及脈沖處理器，其適于通過將所述前置放大器輸出信號轉換為多個連續(xù)的數(shù)字樣本而產生所述前置放大器 輸出信號的第一數(shù)字形式；通過將多組連續(xù)的數(shù)字樣本相加以產生多條合計數(shù)據(jù)從而產生所述前置放大器輸出信號的第二數(shù)字形式，所述第二數(shù)字形式包括所述多條合計數(shù)據(jù)；使用所述第一數(shù)字形式識別所述前置放大器輸出信號的第一部分，其中所述第一部分 中的每個部分具有帶有第一極性的瞬時傾斜度；使用所述第一數(shù)字形式識別所述前置放大器輸出信號的緊挨在所述第一部分之后的 第二部分，其中所述第二部分中的每個部分具有帶有與所述第一極性相反的第二極性的瞬 時傾斜度；使用所述第一數(shù)字形式識別所述前置放大器輸出信號的緊挨在所述第二部分之后的 第三部分，其中所述第三部分中的每個部分具有帶有所述第一極性的瞬時傾斜度；使用所述第一數(shù)字形式確定和所述第二段的終點相關聯(lián)的幅度值與和所述第二段的 起點相關聯(lián)的幅度值之間的第一差；使用所述第一數(shù)字形式確定和所述第三段的終點相關聯(lián)的幅度值與和所述第一段的 起點相關聯(lián)的幅度值之間的第二差；使用所述第一數(shù)字形式在(i)所述第一差超過預定閾值以及(ii)所述第二差超過所 述預定閾值的預定比例的情況下，確定邊沿存在；使用所述第一數(shù)字形式識別所述前置放大器輸出信號的第一部分，其中所述第一部分 中的每個部分具有帶有第一極性的瞬時傾斜度；使用所述第二數(shù)字形式識別所述前置放大器輸出信號的緊挨在所述第一部分之后的 第二部分，其中所述第二部分中的每個部分具有帶有與所述第一極性相反的第二極性的瞬 時傾斜度；使用所述第二數(shù)字形式識別所述前置放大器輸出信號的緊挨在所述第二部分之后的 第三部分，其中所述第三部分中的每個部分具有帶有所述第一極性的瞬時傾斜度；使用所述第二數(shù)字形式確定和所述第二段的終點相關聯(lián)的幅度值與和所述第二段的 起點相關聯(lián)的幅度值之間的第一差；使用所述第二數(shù)字形式確定和所述第三段的終點相關聯(lián)的幅度值與和所述第一段的 起點相關聯(lián)的幅度值之間的第二差；以及使用所述第二數(shù)字形式在(i)所述第一差超過預定閾值以及(ii)所述第二差超過所述預定閾值的預定比例的情況下，確定邊沿存在。
全文摘要
一種從前置放大器信號檢測邊沿的方法，包括識別所述信號的第一部分，其中所述第一部分中的每個部分具有帶有第一極性的瞬時傾斜度；識別緊挨在所述第一部分之后的第二部分，其中所述第二部分中的每個部分具有帶有第二相反極性的瞬時傾斜度；以及識別緊挨在所述第二部分之后的第三部分，其中所述第三部分中的每個部分具有帶有第一極性的瞬時傾斜度。所述方法還包括確定和第二段的終點和起點相關聯(lián)的幅度與和第二段的起點相關聯(lián)的幅度之間的第一差；確定和第三段的終點相關聯(lián)的幅度與和第一段的起點相關聯(lián)的幅度之間的第二差；以及如果(i)所述第一差超過閾值以及(ii)所述第二差超過所述閾值的一個比例，則確定邊沿存在。
文檔編號G01N23/06GK101809435SQ200880109347
公開日2010年8月18日 申請日期2008年8月1日 優(yōu)先權日2007年8月3日
發(fā)明者R·B·莫特 申請人:普爾斯特有限責任公司