Proceedings of the 1st Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 29th Linear Accelerator Meeting in Japan (August 4 - 6, 2004, Funabashi Japan)

DEVELOPMENT OF FAST WAVEFORM ACQUISITION AND ANALYSISSYSTEM AT KEK SLOW POSITRON FACILITY
S.Kusano1,A), T.KuriharaB), K.FurukawaB), M.SatohB)
A)
Mitsubishi Electric System & Service Co.,Ltd.
2-8-8 Umezono, Tsukuba, Ibaraki 305-0045
B)High Energy Accelerator Research Organization (KEK)
1-1 Oho, Tsukuba, Ibaraki, 305-0801
Abstract
The surface physics experiments with the positronium time-to-flight spectroscopy have been performed at the KEK
slow positron facility since several years ago. Before, the time-to-flight signal was analyzed using general purpose NIM
modules. In order to improve the measurement a new system was developed and it acquires signal as digital data using
a oscilloscope. In this paper, we report the design of the new time-to-flight measurement system with digital
oscilloscope and fast waveform acquisition system via standard network, which improved the time resolution.

KEK低速陽電子施設における高速波形収集及び解析システムの開発
クに対応したデジタルオシロスコープ(LeCroy社製
WavePro960)と測定用PCとはネットワークで相互接KEK低速陽電子施設では、2001年に移設が終了し、 続された構成になっている。測定用PCのOSは、実2003年から本格的にポジトロニウム飛行時間分光法
験ユーザーが不特定であるため誰でも簡単に操作でシステム（Ps TOF）による実験が行われている[1][2]。 きることを考慮してMS Windows2000を採用していポジトロニウム飛行実験法は物質表面から再放出しる。
たオルソポジトロニウム（陽電子と電子のスピンが50Hz繰り返しの陽電子ビームを試料に照射し試料互いに平行な陽電子、電子の束縛状態）のエネルから出た消滅γ線は、プラスチックシンチレータとギーを測定する手法である。この方法によりポジト光電子倍増管（PMT）を組み合わせたシステムにロニウムと物質表面との相互作用や表面近傍の微細よって検出される。光電子倍増管の出力は、加速器構造に関する情報を得ることができる。これまでのからの信号をトリガとし、シーケンスモード（50セPs TOFは、汎用NIMモジュールを用いてハード的にグメント、サンプル数1000：シーケンスモードにつ時間差解析を行っていた。しかし、ハードによる測いては後に説明する。）でデジタルオシロスコープ
定では個々のポジトロニウムがさまざまな時間で消に取り込み、波形データとしてPCに転送される。
滅するため、Ps TOFでは試料表面から放出されたポジトロニウムのごく一部しか検出されない。このたPMT
めデータはノイズの影響を受けやすく、またポジトロニウムの放出量が少ない試料については定量的な測定を行うことが困難であった。
最近、デジタルオシロスコープによる陽電子消滅寿命計測システムが開発された[3]。検出器の信号e+をデジタルデータ化しPCに取り込むことでソフトPs的に解析を行う方法である。このシステムをPs TOFに応用することにより、測定システムの安定性及び検出器信号の時間の分解能向上が期待できる。また、ハードによる逐次解析と異なり、様々なパラメータを用いた再解析が可能となる。
SamplePMT

１．はじめに

２．Ps TOF システム
2.1 システム概要

PC

Ps TOFシステムの構成を図1に示す。ネットワー
1Network

WavePro960

図1. Ps TOFシステムの構成

E-mail: skusa@post.kek.jp543

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2.2 データ収集ソフトウェア
データ収集ソフトウェア(図2)の開発では、開発時
間 短 縮 の た め LeCroy 社 が 提 供 す る
ActiveDSO(ActiveX) を 使 用 し た 。 ActiveDSO は 、LeCroy社製のデジタルオシロスコープとPC間の通信部の開発を容易にするActiveXのコンポーネントの1つでVisual BasicやVisual C++などをサポートしている。本システムの開発では少しでも波形データの転送速度を早くするためVisual C++で開発を行った。
PMTで検出された信号の波形データは、約60000ポイントで、データにはデジタルオシロスコープの設定情報などが含まれている。転送された波形デー
タは、PC上のハードディスクに記録され別のソフトウェアによって解析がなされる。

図4. 解析結果のグラフ

３．考察
3.1 データ転送速度
50Hz の 信 号 を 送 出 す る SGを デ ジ タ ル オ シ ロ ス
コープのチャンネル1に接続し、デジタルオシロスコープとPC間のActiveDSOを利用した波形データの転送速度の測定を行った。測定には、WavePro960、
図2．データ収集ソフトウェア
WavePro950、WavePro7100の3機種を使用した。測2.3 データ解析ソフトウェア
定方法は、1チャンネルの波形データの送受信
データ解析ソフトウェア(図3)の開発は、データ収（Normal）と信号の捕捉を保証する波形データの送集ソフトウェアと同様C++で行った。データ解析ソ
受信（ARM）と本システムで使用しているシーケ
フトウェアは、PCのハードディスク上に記録されンスモードでの波形データの送受信の測定を行った。
た波形データを用いて解析を行う。データの解析は、シーケンスモードとは、間欠的に発生する信号を効波形データに含まれている信号検出時におけるオシ率よく捕捉するために、オシロスコープのメモリをロスコープの設定などを基に波高による弁別や必要セグメント数だけ分割し、トリガ毎にセグメントをに応じてスムージング処理を行い、ピーク検出時刻更新しながら補足波形を高速にオシロスコープ内のの頻度分布を抽出することでスペクトルの測定をメモリにストアするモードである。なお、速度を算行っている。解析されたデータは、Excel等でグラ出するため、データ送受信を100回繰り返しその平フ化ができるようにCSV形式でPCのディスクに記録均時間を速度とした。
される。一例として、図4に解析されたデータをグサンプリング数10000ポイント以下の波形データラフ化したもの示す。の送受信と50000ポイント以下のシーケンスモードでの波形データの送受信の測定結果を表1、サンプ
リング数10〜40000ポイントのデータの送受信を図5、サンプリング数10〜40000ポイントのシーケンスモードでのデータ送受信を図6に示す。
NormalARM
シーケンス<10000<10000<50000
Wavepro960
約28ms
約90ms
約1100ms
Wavepro950
約33ms
約100ms
約1100ms
Wavepro7100 約150ms
約163ms約1170ms
表1．データ送受信の結果異なるシステムではあるが、ActiveDSOを用いずにソケット通信でLinux PCとWavePro950間の波形
図3. データ解析ソフトウェア
544

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シロと測定用PC間のデータ転送速度が高速になったことで多くの実験データの蓄積が可能となった。
また、ソフトウェアによる解析を行うことで検出信号をバックグランドノイズに起因する信号と弁別す
3.2 将来性ることが可能となり収集した実験データの信頼度を高めることが可能となった。今後更に改良、改善を
WavePro960/950では50Hzのデータ収集も可能であったが、WavePro 900 シリーズは生産中止となり、 進め実験データの精度を高めていきたい。
Windows OSが組み込まれているデジタルオシロス
参考文献コープ(例えば、WavePro7100)に変わりつつある。
ActiveDSO は す べ て LeCroy社 の デ ジ タ ル オ シ ロ ス[1] T.Kurihara, et al., “専用リニアックからのビームを用いコープで利用できるので、ソースコードの書き換えth
た 陽 電 子 利 用 実 験 ”, Proceedings of the 26 Linear
をしなくてもソフトウェアが利用可能である。しかAccelerator Meeting in Japan, Tsukuba, Aug, 2001, P.306-308.
し、上記の単純なデータの送受信の速度測定結果か[2] T.Oogoe, et al., “低 速 陽 電 子 用 リ ニ ア ッ ク の 移 設”,らWavePro7100のデータ転送速度は約150msと速度
thProceedings of the 26 Linear Accelerator Meeting in Japan,としては遅い部類になる。これは、組み込まれていTsukuba, Aug, 2001, P.335-337.
るWindows OSが、オーバーヘッドになっているこ[3] H.Saito, Y.Nagashima, T.Kurihara and T.Hyodo. “A Newとが原因と思われる。現在のこの問題について、Positron Lifetime Spectrometer using a Fast Digital
メーカーと対策を検討中である。
Oscilloscope and BaF2 Scintillators”, Nucl. Instrum. Meth.

データ転送速度が20ms（約50Hz）という結果が得られているので、今後ソケット通信の利用も考えている[4]。

A487(2002) p.612-617.
[4] M.Satoh, et al., “非破壊型ビームエネルギー広がりモニ

４．まとめ
KEK低速陽電子施設において、データ収集ソフトウェア及び解析ソフトウェアの開発を行った。検出器信号をデジタルデータ化することでシステムの安定性及び時間の分解能が向上し、更にはデジタルオ

タ の高速データ収集システム”, Proceedings of the 28th
Linear Accelerator Meeting in Japan, Tokai, Aug, 2003, P.419421.

データ転送速度測定
1200

WavePro950

1000

WavePro7100

800

WavePro960(ARM)

600

WavePro950(ARM)

400

WavePro7100(ARM)

200
0
10

100

1000

10000

1000001000000

サンプル数

図5.

データ転送速度測定

データ転送速度測定（シーケンスモード）

時間(ms)

時間（ms)

WavePro960

2400
2200
2000
1800
1600
1400
1200
1000
1000

WavePro960
WavePro950
WavePro7100

10000

100000

サンプル数

図6．データ転送速度測定（シーケンスモード）

545

1000000