題為"DEVICEANDMETHODFOR TWO-D頂ENSIONALDETECTIONOFPARTICLESORELECTROMAGNETICRADIATION[粒子或電磁 輻射的二維檢測的裝置與方法]"，將其披露內(nèi)容通過引用全部結(jié)合在此。
[0083] 回到圖4的基本的陽極結(jié)構(gòu)，從放大器414及模擬到數(shù)字電路（ADC) 418和/或電 荷積分器（未示出）產(chǎn)生的信號最后可以被導(dǎo)向一個現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA)422,這是通 過例如一個串聯(lián)LVDS(低電壓差分信令）高速數(shù)字接口 420,該數(shù)字接口是一個針對本發(fā)明 的數(shù)據(jù)率的低功率消耗和高抗擾度而設(shè)計的部件。FPGA422由于能夠作為計算機處理裝 置426的可配置共處理器而是有益的，如圖4中所示，這允許它作為一個專用硬件加速器運 行而用于本發(fā)明的高計算強度的任務(wù)。作為一個這樣的示例性非限制性安排，具有84個輸 入、85個輸出LVDS1/0通道的商業(yè)ArriaFPGA以及具有至少一個x4通道的PCI高速采 集系統(tǒng)的集成PCI高速硬件424 (用四個雙向箭頭表示）（用于標準數(shù)據(jù)處理裝置426,例如 計算機、PC等），可以與統(tǒng)一計算架構(gòu)（CUDA)并行處理的圖像處理單元（GPU)子系統(tǒng)一起 使用。
[0084] 圖5示出了另一種有益的時間和位置離子檢測系統(tǒng)，現(xiàn)在總體上用參考號500表 示，該系統(tǒng)實施了圖4中討論的構(gòu)型的延遲線陽極變體?？傮w上，該時間和位置離子檢測系 統(tǒng)500包括一個前端微通道板（MCP)堆疊502、一個光導(dǎo)管508、一個延遲線檢測系統(tǒng)518、 以及提供必須的偏置電壓的一個高電壓電源514。作為離子到光子的轉(zhuǎn)化過程的一部分， 具有所希望射束直徑的所希望的進入離子I(通過所附箭頭表示方向）被該前端微通道板 (MCP)組件502 (例如，人字形或V堆疊或三元組（Z堆疊））接收。在這種安排中，此類微通 道板（MCP) 502配置有一個偏壓安排（當配置用于負離子時是+10kV至約+15kV，并且當配 置應(yīng)于接收正離子時是-10kV至約-15kV，其中第二表面浮動至例如+12kV和-8kV)，以便 再次使得每個單獨的板能夠具有對本發(fā)明的要求而言足夠的增益。
[0085] 為了提供用于時間和位置檢測的光子，將一個光學(xué)部件，例如但不限于磷光體涂 覆的光纖板504,配置在MCP堆疊502后方，以便將信號電子轉(zhuǎn)化成與從MCP堆疊502接收到 的電子的量成比例的光子。此后，將一個光導(dǎo)管508,通常是楔形的光纖束，聯(lián)接至該磷光體 涂覆的光纖板504上，以便將圖像尺寸擴大至在X-Y尺寸的至少一個上是最大約80mm(例 如，40_)從而提供不受該四極裝置限制的分辨率。該光導(dǎo)管，通常是楔形的光導(dǎo)管，可以由 圓形、方形和六邊形的形式來配置并且能以幾乎任何規(guī)則形狀的多邊形的形式來制造。
[0086] 在圖5所示的構(gòu)型中，這些被導(dǎo)向的光子接著被一個商業(yè)的或定制的延遲線系統(tǒng) 518接收。作為一個示例性構(gòu)型來展示而不限制此處這些構(gòu)型，該延遲線系統(tǒng)518可以是一 種商業(yè)的RoentDek延遲線3維光敏檢測器，包裹在一個密封的管式殼體中。這樣一個系統(tǒng) 通常配置有低噪光陰極（未示出），該光陰極聯(lián)接至一個光纖窗口（同樣未示出）上，該光 纖窗口被設(shè)計成將從光導(dǎo)管508接收的光子轉(zhuǎn)化為成比例的電子。此后，一個人字形或Z 形堆疊微通道板（MCP) 502'接收并放大所轉(zhuǎn)化的電子并將一個生成的電子云引導(dǎo)至正交的 延遲線陽極（總體上表示為512)。因此這些陽極512的導(dǎo)線連接到一個位于該密封環(huán)境之 外的電路板（未示出）上，其中該電路板可以包括五個恒比鑒別器（CFD)(未示出）以及時 間至數(shù)字轉(zhuǎn)換器（TDC)(同樣未示出），它們被設(shè)計用于對每個單一離子事件寄存高達約五 個精確時間戳，這些最終被提供至PCI接口和數(shù)據(jù)處理裝置（未示出），如以上討論的。由 于圖5中所示的安排，因此離子事件I容易被轉(zhuǎn)換成各個以及每個離子的X和Y坐標以及 抵達時間的三維表示，只要抵達速率不超過計數(shù)系統(tǒng)的典型脈沖累積極限。
[0087]如以上類似地討論的，也可以用不同的延遲線陽極設(shè)計（例如，交叉連線的延遲 線陽極、螺旋柵極等等）來替換圖5中所示的陽極結(jié)構(gòu)512,S卩，通過例如在美國專利號 6,661，013(通過引用結(jié)合）中出現(xiàn)的替換結(jié)構(gòu)。此外，作為1? 〇61^4提出的1?^讀出概念 的一部分，本發(fā)明也可以配置有被安裝在該密封環(huán)境之外的延遲線讀出陽極。在這樣的安 排中，將一個鍺電阻層直接沉積在該增強器的輸出窗口（玻璃或陶瓷）上，替換常規(guī)圖像增 強器的熒光屏。通過專用的拾取式延遲線電極（陽極）以及安裝在密封件之外并與窗口緊 密接觸的、聯(lián)接的讀取板來獲得位置信息。在管內(nèi)部與分離的讀出電極外部的行進電荷云 之間的間距造成了感應(yīng)信號在讀出板上的幾何鋪展。這是有益的，因為這允許使用相當粗 糙的讀出結(jié)構(gòu)，例如具有幾毫米節(jié)距的條帶用于延遲線讀出。
[0088] 圖6示出了另一個所希望的時間和位置離子檢測器系統(tǒng)，現(xiàn)在總體上用參考號 600表示。在這種構(gòu)型中，該時間和位置離子檢測器系統(tǒng)600還包括一個前端微通道板 (MCP)堆疊602、一個光導(dǎo)管608、采集電子設(shè)備618 (例如但不限于類似于以上討論的構(gòu)型 的CPU和GPU處理器）、并且在這種新穎的安排中包括一個光檢測器612,例如多種2維像 素檢測器中的任何一種，例如但不限于能夠被并入本發(fā)明的構(gòu)型中的電荷注入器件（CID) 檢測器。關(guān)于一個具體的CID，此類檢測器可以被配置成例如但不限于具有2的多次方個 像素的一個方形陣列，例如64乘64。在一種示例性運行模式中，每一列的所有64個像素 都可以作為單一讀數(shù)來讀出，其中各自是在每個RF周期一次的最小值處讀出，該周期至少 約1.0MHz或是按希望更高的以便增大亞RF周期的特異性。在另一種運行模式中，每一列 中的每個像素可以單獨讀出。例如，第1行的所有像素可以在RF周期1中讀出，而另外的 信號積分在其他63行上累積。在64個RF周期之后，每個已經(jīng)被讀取一次，但不必是同時 進行的。讀數(shù)是64個交錯RF周期的累積信號的積分。在又一種示例性運行模式中，可以 在例如2秒內(nèi)讀取多行以在32個RF周期中得到整體讀數(shù)。
[0089] 因此，所希望的進入離子I(通過所附箭頭表示方向）被該前端微通道板（MCP)組 件602接收，如以上關(guān)于圖5類似地討論的。為了提供用于時間和位置檢測的光子，再次將 一個光學(xué)部件，例如但不限于磷光體涂覆的光纖板604,配置在MCP堆疊602后方幾毫米，以 便將信號電子轉(zhuǎn)化成與從MCP堆疊602接收到的電子的量成比例的光子。此后，將一個管 導(dǎo)管608,例如但不限于楔形的光纖束，聯(lián)接至該磷光體涂覆的光纖板604上以便放大和/ 或縮小所產(chǎn)生的圖像從而與光檢測器612 (例如CID)的尺寸相匹配。同前面一樣，該光導(dǎo) 管可以由圓形、方形和六邊形的形式來配置并且能以幾乎任何規(guī)則形狀的多邊形的形式來 制造。
[0090]在希望提高質(zhì)量分辨能力的那些示例性情況中，該系統(tǒng)可以被配置成用于以可管 理的方式來提供所檢測到的信息。例如，在去卷積過程中，可以將該算法的點積部分（如以 下詳述的）進行流水線處理。所觀察到的信號與參考信號系列之間的點積可以通過將讀出 像素時來自每個像素值的每個點積的貢獻因素進行累積而即時計算。像素值在它們對點積 的貢獻因素已經(jīng)被記錄之后不需要進行儲存，從而減小了對大的存儲器緩存的需要。用圖 4的FPGA作為例子，一個64乘64的陣列可以作為64行讀出，并且因此64列僅是代表該 4096個像素的陣列中大部分特有信息的128個總讀數(shù)。如果還降低采集速率，則可以將多 個RF周期平均以便減小計算負擔而不顯著犧牲質(zhì)量分辨能力。作為另一個替代方案，一個 多通道分析儀可以用每個像素進行配置以便將該四極裝置的RF周期拆分為多個子周期區(qū) 段（bins)，其中該RF是通過（例如）圖4的FPGA或圖6的光檢測器來追蹤或者由它產(chǎn)生。 每個子周期區(qū)段可以在所需的持續(xù)時間上進行信號積分并且然后被讀出。因此，總數(shù)據(jù)率 是所有一直活動的分量的一個連續(xù)轉(zhuǎn)化過程。
[0091]采集電極618內(nèi)的計算機處理裝置（未示出），也提供了在圖4和圖5的構(gòu)型中， 通常包括一個圖形處理單元（GPU)，該圖形處理單元是本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的，是可以提供 一定水平的大規(guī)模并行計算（這曾經(jīng)只是超級計算機的特性）的處理裝置。作為這些構(gòu)型 的一部分，如在此使用的圖形處理單元（GPU)能以多種形式提供，例如以處理器、電路、專 用集成電路、數(shù)字信號處理器、視頻卡、或其組合，或其他現(xiàn)在已知的或?qū)黹_發(fā)用于圖形 處理的裝置的形式。舉例而言，該GPU可以包括由ATI、Matrox或nVIDIA提供的圖形處理 器或視頻卡，使用OpenCL和CUDA的應(yīng)用程序界面（API)、或其他現(xiàn)在已知的或?qū)頃_發(fā) 的API。在此使用的此類GPU還可以包括一個或多個端點處理器以及一個或多個片段處理 器。其他模擬的或數(shù)字的裝置也可以包括在內(nèi)，例如光柵化和內(nèi)插電路。也可以提供一個 或多個幀緩存器用于將數(shù)據(jù)輸出至顯示器。
[0092] 因此，聯(lián)接至上述構(gòu)型上的GPU有利地被用來接收一種或多種格式的、代表不同 物體的數(shù)據(jù)以及相關(guān)的空間關(guān)系。此外，該GPU進而有益地基于該數(shù)據(jù)來產(chǎn)生2維或3維 的圖像，例如通過進行紋理映射或其他2維或3維的渲染。該GPU還可操作來確定該數(shù)據(jù) 的相對定位并且產(chǎn)生代表了從特定查看方面可見的數(shù)據(jù)的片段。作為在此使用的GPU構(gòu)架 的一部分，這樣的并入式GPU單元還包括視頻存儲器，例如像隨機存取存儲器，被配置成儲 存所希望的量的信息，即，64、128、256或其他千字節(jié)數(shù)目的的、從上游裝置接收的信息，該 上游裝置是例如但不限于圖4所示的FPGA422。因此運行中的GPU對按照如用數(shù)據(jù)處理裝 置（如個人計算機（PC))配置的應(yīng)用程序界面（API)訪問來自圖形處理的視頻存儲器的信 息。
[0093] 去卷積討稈的討論
[0094] 去卷積過程是從特定質(zhì)譜分析儀（例如四極桿）和檢測器采集的圖像數(shù)據(jù)的一種 數(shù)值變換。所有質(zhì)譜法都提供了一系列質(zhì)量以及這些質(zhì)量的強度。將一種方法區(qū)別于另一 種的是該方法是如何完成的以及所產(chǎn)生的質(zhì)量-強度清單的特征。確切地說，在質(zhì)量之間 進行區(qū)分的分析儀一直在質(zhì)量分辨能力上受到限制，并且該質(zhì)量分辨能力建立了在所報告 的質(zhì)量和強度兩方面的特異性和準確性。術(shù)語豐度靈敏度（即，定量靈敏度）自此用來描 述分析儀測量在干擾物種附近的強度的能力。因此，本發(fā)明利用一個去卷積方法來在這樣 的干擾信號附近實質(zhì)性提取信號強度。
[0095] 多單同位素物種的儀器響應(yīng)可以描述為堆疊的一系列二維圖像，并且這些圖像以 集合形式出現(xiàn)，這些集合可以分組為三維數(shù)據(jù)包，在此描述為體素。每個數(shù)據(jù)點事實上是一 個短的圖像序列。雖然有可能在體素內(nèi)使用像素至像素的接近性，但在此將該數(shù)據(jù)視為二 維的，其中一個維度是質(zhì)量軸而另一個是由一系列扁平的圖像構(gòu)成的向量，描述了在特定 質(zhì)量處的儀器響應(yīng)。這種儀器響應(yīng)具有有限的范圍并且在別處是零。這個范圍被稱為峰寬 度并且以原子質(zhì)量單位（AMU)表示。在典型的四極質(zhì)譜儀中，將這設(shè)定為一，并且儀器響應(yīng) 本身被用作對質(zhì)譜儀的質(zhì)量分辨能力和特異性的限定。然而在儀器響應(yīng)內(nèi)，存在額外的信 息并且實際的質(zhì)量分辨能力極限要高得多，雖然存在與采集弱離子信號時固有的統(tǒng)計方差 的量相關(guān)的其他限制條件。
[0096] 雖然儀器響應(yīng)在該系統(tǒng)的整個質(zhì)量范圍上不是完全均勻的，但它在任何局部都是 恒定的。因此，有一個或多個模型儀器響應(yīng)向量可以描述該系統(tǒng)在整個質(zhì)量范圍上的響應(yīng)。 所采集的數(shù)據(jù)包括卷積的儀器響應(yīng)。因此本發(fā)明的這個數(shù)學(xué)過程將所采集的數(shù)據(jù)（即，圖 像）去卷積而產(chǎn)生一系列準確的觀察到的質(zhì)量位置和強度。
[0097] 因此，本發(fā)明的去卷積方法有益地用于從通常包含四極裝置的質(zhì)量分析儀采集的 數(shù)據(jù)，該四極裝置具有低的離子密度，如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的。由于這種低的離子密 度，在該裝置中所得的離子-離子相互作用是小到可忽略的，從而有效地使得每個離子軌 跡都能夠基本上是獨立的。此外，由于在運行中的四極桿中離子電流是線性的，因此由穿過 該四極桿的離子混合體產(chǎn)生的信號基本上等于（N)穿過四極桿的每個離子在被接收到例 如檢測器陣列（如上所述）時所產(chǎn)生的信號的疊加合。
[0098] 本發(fā)明通過檢測到的數(shù)據(jù)的一種模型來利用上述疊加效應(yīng)，作為已知信號的線性 組合，這可以被細分為以下順次的階段：
[0099] 1)產(chǎn)生質(zhì)譜，在這N個信號通過單位時間偏移（例如，Toeplitz系統(tǒng)）而重疊的 限制條件下進行強度估算；并且
[0100] 2)選擇上述信號的一個具有顯著不同于零的強度的子集，并隨后對其強度進行精 化以便產(chǎn)生一個質(zhì)量清單。
[0101] 因此，以下討論從一個經(jīng)配置的四極桿產(chǎn)生的一個或多個捕獲圖像的去卷積過 程，例如通過一個聯(lián)接的計算機所進行的。開始時用數(shù)據(jù)向量X= (Xi，X2, ???&)表示J個 觀察值的集合。用yj表示具有對應(yīng)于測量值)^的獨立變量的值的向量。例如，在本申請中 這些獨立變量是離開截面中的位置和時間；因此 7]是描述可以測量X]的條件的三個值的向 量。
[0102]對N個已知信號的最佳強度標宙的理論估筧
[0103] 在對N個已知信號的線性疊加進行去卷積的一般情況下：假定具有N個已知信號 UpU2、…UN，其中每個信號是具有J個分量的一個向量。在該數(shù)據(jù)向量的J個分量與每個 信號向量的J個分量之間存在一對一的對應(yīng)關(guān)系。例如，針對第n個信號向量Un= (Unl， Un2，…UN:) :Un]代表第n個信號的值，如果是在y,處"測量"的。
[0104] 可以通過選擇一系列強度Ii、]^、…IN、標定每個信號向量Up U2、…[^并且將它 們加在一起以形成模型向量S，如方程1表示的。
[0105]
[0106] 該模型向量S具有J個分量，就像每個信號向量Up U2、…UN，這些分量與數(shù)據(jù)向 量X的分量之間存在一對一的對應(yīng)關(guān)系。
[0107] 用e表示用S近似X時的"誤差"并且接著尋找值Ii、12、…IN的一個集合，將e 最小化。e的選擇多少是任意的。如在此披露的，將e定義為數(shù)據(jù)向量X的分量與模型向量 S的分量之間的平方根差之和，如方程2所示的。
[0108]
[0109] 這種記數(shù)法明確顯示了模型和模型中的誤差對這N個選定強度值的依賴性。
[0110] 通過定義一個強度向量1(方程3)、定義一個差向量A(方程4)并且使用內(nèi)積算 子（方程5)來簡化方程2。
[0111] I= (I!，12，…IN) (3)
[0112] A(Ip12，…IN)=Sd12，…IN)_X(4)
[0113]
[0114] 在方程5中，a和