Luận văn Khảo sát phổ kế năng lượng - Thời gian sử sụng đầu dò bán dẫn hpge

Bộ GIáO DụC Và ĐàO TạO TRƯờNG ĐạI HọC SƯ PHạM TP. Hồ CHí MINH ------------------------- Nguyễn Văn Kim Trường KHảO SáT PHổ Kế NĂNG LƯợNG - THờI GIAN Sử SụNG ĐầU Dò BáN DẫN HPGe Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử, hạt nhân và năng lượng cao Mã số: 60 44 05 LUậN VĂN THạC Sĩ vật lý NGƯờI HƯớNG DẫN KHOA HọC PGS. TS : ĐINH Sỹ HIềN Thành phố Hồ Chí Minh - 2010 Mở ĐầU Phương pháp ghi phổ năng lượng bức xạ gamma sử dụng đầu dò bán dẫn siêu tinh khiết (High Purity Germanium - HPGe) là phương pháp phổ biến để xác định hoạt độ nguồn, cường độ các bức xạ gamma phát ra cũng như nhận diện các nguyên tố, vì khả năng phân giải tốt của đầu dò. Tuy nhiên, phổ năng lượng bức xạ gamma của các nguồn phóng xạ hay các đồng vị phóng xạ rất phức tạp như ngoài các đỉnh quang còn có nền Compton kèm theo. Đặc biệt là các nguồn phóng xạ hoạt độ thấp, phát ra nhiều bức xạ gamma có năng lượng khác nhau thì các đỉnh năng lượng có cường độ bé sẽ không hiện ra rõ nét và có trường hợp nó bị che khuất bởi nền Compton quá cao khi được ghi nhận bằng hệ phổ kế sử dụng các loại đầu dò chứa khí, đầu dò nhấp nháy,.... Điều đó dẫn đến sai số đáng kể trong phép đo. Vấn đề đặt ra là phải xây dựng hệ phổ kế sao cho phổ năng lượng ghi nhận được có các đỉnh năng lượng hiện ra rõ nét, nền Compton càng thấp càng tốt và độ phân giải tốt. Đầu dò bán dẫn HPGe là lựa chọn tốt nhất để có được khả năng phân giải tối ưu. Phương pháp trùng phùng là phương pháp sử dụng sự tương quan về thời gian giữa các bức xạ gamma trùng phùng (các bức xạ phát ra gần như đồng thời) để ghi phổ năng lượng gamma có tính chọn lọc nghĩa là nó chỉ ghi nhận các bức xạ gamma trùng phùng và loại bỏ các bức xạ gamma do tán xạ Compton. Kết quả là thu được phổ năng lượng với các đỉnh năng lượng gamma đặc trưng hiện ra rõ nét trên nền Compton được hạ thấp. Các nhà khoa học đã nghiên cứu xây dựng hệ phổ kế trùng phùng và thu phổ năng lượng bức xạ gamma khá tốt. Tuy nhiên, việc hiểu biết và vận hành hệ phổ kế trùng phùng đặc biệt là hệ phổ kế năng lượng - thời gian sử dụng đầu dò bán dẫn HPGe để thu phổ năng lượng bức xạ gamma của các nguồn phóng xạ và đồng vị phóng xạ còn khá xa lạ và chưa được phổ biến rộng trong nghiên cứu hạt nhân ở nước ta. Để giải quyết vấn đề trên, tác giả quyết định nghiên cứu đề tài: “khảo sát phổ kế năng lượng - thời gian sử dụng đầu dò bán dẫn HPGe” để phục vụ cho luận văn tốt nghiệp chuyên ngành Vật lý nguyên tử, hạt nhân và năng lượng cao, Khóa 18 (2007 - 2010) Trường Đại Học Sư Phạm T.P Hồ Chí Minh. Mục tiêu chính đặt ra của luận văn này là: - Tìm hiểu những đặc trưng chung và nguyên tắc hoạt động cơ bản của các khối điện tử trong hệ phổ kế. - Tìm hiểu và thực hiện kết nối các khối điện tử của hệ phổ kế. - Tiến hành những thao tác trên các khối điện tử như lên cao thế cho đầu dò, chọn những thông số trên các khối điện tử và làm thí nghiệm với nguồn chuẩn như 60Co và 22Na. - Xử lý số liệu, ghi nhận phổ năng lượng và so sánh với phổ năng lượng ghi nhận được bằng hệ phổ kế thông thường (hệ phổ kế năng lượng sử dụng một đầu dò bán dẫn HPGe). Từ đó, chứng tỏ ưu điểm của hệ phổ kế năng lượng - thời gian sử dụng đầu dò bán dẫn HPGe là: các đỉnh quang được hiện rõ trên nền Compton thấp và tỷ số đỉnh trên Compton tăng lên. Cấu trúc luận văn gồm các phần chính sau: Chương 1: Tổng quan về các hệ thống phổ kế năng lượng, thời gian sử dụng đầu dò bán dẫn siêu tinh khiết HPGe. Chương 2: Kỹ thuật trùng phùng và hệ thống xử lý xung thời gian. Chương 3: Thực nghiệm. Do thời gian và kiến thức còn hạn chế nên luận văn này không tránh khỏi thiếu sót, kính mong nhận được sự góp ý của quý Thầy, Cô và các bạn đồng nghiệp để luận văn ngày càng hoàn thiện hơn. Chương 1: Tổng quan về các hệ thống phổ kế năng lượng, thời gian sử dụng đầu dò bán dẫn siêu tinh khiết HPGe 1.1. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 1.1.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước [8] Năm 1958, Hooenboom A.M đã đưa ra phác thảo đầu tiên về hệ phổ kế trùng phùng cộng biên độ bằng đầu dò nhấp nháy. Từ năm 1981, Viện Liên Hợp Nghiên Cứu Hạt Nhân Dubna đưa ra vấn đề ghi nhận và xử lý số liệu trên máy tính bằng hệ đo cộng biên độ các xung trùng phùng với sơ đồ hệ đo như hình 1.1. 1 7 I N T E R F A C E 1 2 3 2 3 6 4 8 5 ADC 4 8 ADC 5 1. Detector 2. Fast Amplifier 3. Fast Discriminator 4. Spect. Amplifier 5. Single Chanel Analyzer 6. Fast Coincidence 7. Slow Coincidence 8. Linear Gate E T E T 1. Detector: đầu dò. 2. Fast Amplifier: khối khuếch đại nhanh. 3. Fast Discriminator: khối phân biệt ngưỡng nhanh. 4. Spect. Amplifier: khối khuếch đại phổ. 5. Single Chanel Analyzer: máy phân tích đơn kênh . 6. Fast Coincidence: khối trùng phùng nhanh. 7. Slow Coincidence: khối trùng phùng chậm. 8. Linear Gate: cổng tuyến tính. Hình 1.1. Sơ đồ hệ đo cộng biên độ các xung trùng phùng. Sau năm 2003, Cộng Hòa Séc thiết lập hệ đo trùng phùng dùng phương pháp cộng biên độ các xung trùng phùng có sơ đồ khối như hình 1.2. Timing Amplifier Constant Fraction Discrimin. Time to Pulse –Height Convert. Constant Fraction Discrimin. Timing Amplifier HPGe Ge (Li ) Preamplifier Amplifier Active Amplifier Analog to Digital Convert Timing Discriminator Slow Coincidence Unit Analog to Digital ConvertShaper Shaper Amplifier Analog to Digital Convert Active Amplifier Timing Discriminator Dual Sum Amplifier Interface Preamplifier Delay Gate Gate Gate PC Preamplifier: khối tiền khuếch đại . Amplifer: khối khuếch đại. Active Amplifier: khối khuếch đại chủ động. Dual Sum Amplifier: khối khuếch đại tổng đôi. Timing Discriminator: khối phân biệt ngưỡng thời gian. Shaper: khối tạo dạng xung. Timing Amplifier: khối khuếch đại thời gian. Delay: khối làm chậm. Constant Fraction Discrimin: khối phân biệt ngưỡng không đổi. Time to Pulse – Height Convert: khối biến đổi thời gian thành xung. Analog to Digital Convert: khối biến đổi tương tự thành số. Slow Coincidence Unit: khối trùng phùng chậm. Interface: card thu nhận dữ liệu (card giao diện). Hình 1.2. Hệ đo trùng phùng dùng phương pháp cộng biên độ các xung trùng phùng. 1.1.2. Tình hình nghiên cứu trong nước [8] Năm 1984, Đại Học Tổng Hợp Hà Nội đã thử nghiệm hệ đo cộng biên độ các xung trùng phùng sử dụng đầu dò nhấp nháy NaI. Năm 1999, Trung Tâm Vật Lý Hạt Nhân thuộc Viện Khoa Học và Công Nghệ Quốc Gia đã nhận một hệ thiết bị để thiết lập một hệ đo theo phương pháp cộng biên độ các xung trùng phùng. Trong thời gian gần đây, Trung Tâm Hạt Nhân Thành phố Hồ Chí Minh đã thiết lập và sử dụng hệ đo trùng phùng sử dụng đầu dò nhấp nháy NaI. Năm 2005, với sự hợp tác giữa Viện Năng Lượng Nguyên Tử Việt Nam và Đại Học Khoa Học Tự Nhiên Đại Học Quốc Gia Hà Nội, trong khuôn khổ đề tài cấp bộ, tại lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt đã xây dựng thành công hệ phổ kế cộng biên độ các xung trùng phùng. So với hệ đo tại Viện Nghiên Cứu Hạt Nhân Dubna vào những năm trước thì hệ đo tại Đà Lạt có những ưu điểm vượt trội như hiệu suất ghi cao hơn, tốc độ làm việc của hệ điện tử nhanh gấp nhiều lần, không sử dụng các đường dây trễ tập trung, độ tuyến tính và độ ổn định đều tốt hơn rất nhiều. 1.2. Đầu dò bán dẫn siêu tinh khiết (High Purity Germanium - HPGe) 1.2.1. Cấu tạo của đầu dò bán dẫn HPGe Đầu dò bán dẫn được chế tạo từ các tinh thể bán dẫn dưới dạng nguyên tố như Ge, Si (được sử dụng rộng rãi nhất) và các tinh thể bán dẫn pha tạp loại p, bán dẫn loại n. Tùy thuộc vào yêu cầu cụ thể mà đầu dò bán dẫn có hình dạng và cấu trúc khác nhau. Chẳng hạn, đầu dò Si (Li) phẳng rãnh có tác dụng làm giảm dòng rò và do đó tăng khả năng phân giải năng lượng. Hình 1.3 cho thấy cấu trúc và dải năng lượng của từng loại đầu dò bán dẫn [2]. Ký hiệu Vùng hoạt Tiếp xúc n Tiếp xúc p Mặt thụ động 0 1 10 100 1000 10000 Loại đầu dò Ge năng lượng cực thấp ULEGe Ge năng lượng thấp LEGe Ge đồng trục CGe Đầu dò Ge điện cực đảo REGe và đầu dò dải rộng XtRa Ge giếng Well ULEGe LEGe CGe XtRa REGe Well E ( KeV) Hình 1.3. Cấu trúc và dải năng lượng của từng loại đầu dò bán dẫn HPGe. Dưới đây là một số loại đầu dò bán dẫn HPGe thông dụng. 1.2.1.1. Đầu dò bán dẫn HPGe đồng trục loại p Lớp tiếp xúc dày ~ 600 μm Lớp tiếp xúc mỏng ~ 0.3 μm ~ 600 μm Bức xạ HPGe loại p Hình 1. 4. Đầu dò bán dẫn HPGe đồng trục loại p. Đầu dò bán dẫn HPGe dạng đồng trục loại p có cấu tạo như một điốt - bán dẫn loại p với một lớp tiếp xúc dày loại n ở mặt ngoài hình trụ và một lớp tiếp xúc mỏng loại p ở mặt trong của tinh thể Ge. Cấu trúc thông thường của đầu dò đồng trục hay đồng trục khép kín là lớp tiếp xúc dày hơn được đặt ở bề mặt ngoài khối trụ bán dẫn loại p và lớp tiếp xúc mỏng hơn đặt ở mặt trong của khối trụ như được chỉ trên hình 1.4. Các lớp tiếp xúc này được hình thành trong vật liệu bán dẫn loại p để tạo nên lớp chuyển tiếp điốt gần với lớp tiếp xúc ở mặt trong. Việc hình thành lớp chuyển tiếp gần lớp tiếp xúc ở mặt trong tạo ra điện trường đều bên trong tinh thể và vì thế độ phân giải sẽ tốt nhất. Lớp tiếp xúc mặt ngoài có thể dày từ 600 đến 1000 μm. Nó tùy thuộc vào nhà sản xuất và kích thước tinh thể. Thông thường, độ dày của lớp tiếp xúc tăng theo kích thước của đầu dò. Lớp tiếp xúc không hình thành tín hiệu từ các bức xạ gamma mà nó hấp thụ được gọi là lớp chết. Lớp tiếp xúc mặt trong dày khoảng 0,3 μm. Lớp tiếp xúc mặt ngoài hấp thụ hoàn toàn các lượng tử năng lượng thấp và hiệu suất của đầu dò tăng đến khi năng lượng lượng tử đạt một giá trị cực đại khoảng 120 keV. 1.2.1.2. Đầu dò bán dẫn HPGe đồng trục loại n Đối với đầu dò bán dẫn HPGe đồng trục loại n thì lớp tiếp xúc bị đảo ngược lại. Nghĩa là lớp tiếp xúc mỏng được đặt ở mặt ngoài và lớp tiếp xúc dày đặt ở mặt trong. Lớp tiếp xúc dày ~ 600 μm Lớp tiếp xúc mỏng ~ 0.3 μm HPGe loại n Bức xạ 0.3μm Hình 1.5. Cấu tạo của đầu dò bán dẫn HPGe đồng trục loại n. Đối với đầu dò loại này thì hiệu suất đối với các lượng tử có năng lượng thấp được cải thiện bởi vì bề dày của lớp chết được giảm đi. Tuy nhiên, khả năng phân giải không tốt bằng đầu dò bán dẫn HPGe loại p. 1.2.1.3. Đầu dò bán dẫn HPGe đồng trục loại p với lớp tiếp xúc mỏng mặt trước Đầu dò bán dẫn HPGe đồng trục loại p với lớp tiếp xúc mỏng mặt trước có cấu trúc tương tự như đầu dò bán dẫn HPGe đồng trục loại p, chỉ khác ở chỗ mặt trước của đầu dò này được phủ một lớp mỏng bán dẫn loại n được chỉ trên hình 1.6. Lớp tiếp xúc dày ~ 600 μm Lớp tiếp xúc mỏng ~ 0.3 μm Lớp tiếp xúc mặt trước ~ 10 μm HPGe loại p ~ 600 μm Bức xạ Hình 1.6. Đầu dò bán dẫn HPGe đồng trục loại p với lớp tiếp xúc mỏng mặt trước. Với lớp tiếp xúc này làm cho đầu dò tăng độ nhạy với các lượng tử năng lượng thấp như hầu hết các đầu dò bán dẫn loại n, trong khi vẫn giữ được khả năng phân giải tốt của các đầu dò bán dẫn loại p. Hiệu suất năng lượng thấp ứng với các đầu dò này thích hợp với các ứng dụng với năng lượng thấp nhất khoảng trên 30 keV. Lợi thế khác của đầu dò loại này là hiệu suất cao hơn tại giá trị năng lượng cao đối với đầu dò có thể tích tinh thể lớn hơn và bán kính cực đại lớn hơn 8 cm, kết hợp với khả năng phân giải và dạng đỉnh phổ tuyệt vời. 1.2.1.4. Đầu dò bán dẫn HPGe đồng trục dải rộng XtRa [2] Đầu dò XtRa là một đầu dò Ge đồng trục có một tiếp xúc cửa sổ mỏng duy nhất trên mặt trước có tác dụng mở rộng dải năng lượng xuống tới 3 keV. Đối với các đầu dò đồng trục Ge thông thường có lớp tiếp xúc khuếch tán Li với độ dày từ 0,5 đến 1,5 mm. Lớp chết này dừng hầu hết các năng lượng dưới 40 keV. Đầu dò loại này cho tất cả các ưu điểm của đầu dò đồng trục chuẩn thông thường như hiệu suất cao, khả năng phân giải tốt. Cấu hình của đầu dò bán dẫn HPGe đồng trục XtRa được trình bày trên hình 1.7. ~ ~ Cửa sổ Be ( 0,5 mm) Tiếp xúc n Tiếp xúc p Hình 1.7. Cấu hình đầu dò bán dẫn HPGe đồng trục dải rộng XtRa. 1.2.1.5. Đầu dò bán dẫn HPGe giếng [2] Đầu dò bán dẫn HPGe giếng cung cấp hiệu suất cao cho mẫu nhỏ gần như được bao quanh bằng vật liệu đầu dò. Đầu dò bán dẫn HPGe giếng được chế tạo bằng một lỗ cụt để lại ít nhất 5mm độ dày đầu dò hoạt tại đáy của giếng. Do đó, hình học đếm gần bằng 4 . Cấu hình của đầu dò bán dẫn ~ ~ Đường kính giếng HPGe giếng được trình bày trên hình 1.8. Đầu dò bán dẫn HPGe giếng được chế tạo từ Ge có độ tinh khiết cao. Do đó, nó có thể được vận chuyển và bảo quản tại nhiệt độ phòng mà không bị hỏng. Vỏ chứa đầu dò và giếng được chế tạo bằng nhôm với độ dày 0,5 mm trong lận cận giếng. Độ sâu giếng chuẩn là 40 mm cho tất cả các đầu dò. 1.2.2. Nguyên tắc hoạt động của đầu dò bán dẫn HPGe Khi bức xạ gamma tương tác với đầu dò thì bức xạ gamma sẽ truyền năng lượng cho đầu dò làm xuất hiện các điện tích. Dưới thiên áp ở hai cực đầu dò, các điện tích này được tụ về các điện cực tạo ra thế (tín hiệu). Thế này được xử lý bởi các khối điện tử khác để hình thành xung. Phần năng lượng truyền cho đầu dò được thực hiện theo các hiệu ứng tương tác sau: - Đầu dò hấp thụ hoàn toàn năng lượng của lượng tử gamma theo hiệu ứng quang điện. - Đầu dò hấp thụ một phần năng lượng của lượng tử gamma theo hiệu ứng Compton. - Khi năng lượng lượng tử gamma lớn hơn 1500 keV (theo lý thuyết là 1022 keV) thì quá trình tạo cặp xuất hiện và sinh ra cặp electron - pozitron. Năng lượng của electron nhanh chóng bị hấp thụ trong đầu dò (vì quãng chạy của hạt tích điện rất ngắn); còn pozitron sẽ nhanh chóng bị hủy cặp tạo hai lượng tử gamma 511 keV. Nếu cả hai lượng tử gamma bị hấp thụ thì quá trình này tương đương với hấp thụ quang điện. Nếu một trong hai lượng tử gamma bay ra ngoài thì phần năng lượng hấp thụ sẽ tạo nên đỉnh thoát đơn. Nếu cả hai lượng tử gamma bay ra ngoài thì sẽ tạo nên đỉnh thoát kép. 1.2.3. Ưu điểm của đầu dò HPGe - Không phải bảo quản liên tục trong Nitơ lỏng. - Độ phân giải năng lượng và hiệu suất ghi hơn hẳn đầu dò bán dẫn khuếch tán có cùng thể tích. Về cơ bản, ưu điểm khả năng phân giải có thể thuộc về lượng nhỏ năng lượng cần để tạo nên một phần tử mang điện và tín hiệu ra lớn đối với các loại đầu dò khác có cùng năng lượng photon tới. Tại 3 eV/ cặp điện tử - lỗ trống. Số phần tử mang điện được sinh ra trong đầu dò bán dẫn Ge cao hơn cỡ một đến hai bậc độ lớn so với đầu dò nhấp nháy và đầu dò chứa khí tương ứng. 1.3. Thiết bị điện tử để xử lý tín hiệu từ đầu dò hạt nhân 1.3.1. Những khối tiền khuếch đại (Preamplifier) Khối tiền khuếch đại có chức năng chính là nhận và khuếch đại tín hiệu từ đầu dò mà không làm giảm đáng kể tỷ số tín hiệu/nhiễu. Vì vậy, các khối tiền khuếch đại nằm càng gần đầu dò càng tốt để phát hiện và các mạch lối vào được thiết kế phù hợp với đặc tính của từng loại đầu dò. Có ba loại tiền khuếch đại cơ bản: tiền khuếch đại nhạy dòng, tiền khuếch đại nhạy thế và tiền khuếch đại nhạy điện tích. Trong đó, tiền khuếch đại nhạy dòng được sử dụng với các dụng cụ tín hiệu có trở kháng thấp. Do đó, tiền khuếch đại loại này rất ít được sử dụng với các đầu dò bức xạ (dụng cụ trở kháng cao). Chính vì vậy, tiền khuếch đại loại này không trình bày trong phạm vi của luận văn này. 1.3.1.1. Cấu tạo Tiền khuếch đại nhạy điện tích và tiền khuếch đại nhạy thế có thiết kế cơ bản như hình 1.9. [2] R1 V0 R2 Vin Cf Cd V0 a) b) -A -A Hình 1.9. Sơ đồ của một tiền khuếch đại: a) nhạy thế ; b) nhạy điện tích. 1.3.1.2. Nguyên tắc hoạt động Tiền khuếch đại nhạy thế thông dụng hơn tiền khuếch đại nhạy dòng và tiền khuếch đại nhạy điện tích. Nó khuếch đại bất kỳ thế nào xuất hiện tại lối vào của nó. Đầu dò bức xạ tạo ra các điện tích từ những sự kiện hạt nhân tương tác với tinh thể đầu dò, các điện tích này được tụ lại trên các tụ của đầu dò và hình thành nên thế. Thế này xuất hiện qua tụ thuần cộng với các tụ ký sinh khác có thể có mặt ở lối vào tiền khuếch đại. Do đó, tụ đầu dò phải được giữ ổn định trong khoảng thời gian làm việc. Đây chính là trường hợp ống nhân quang điện, ống đếm tỷ lệ và ống đếm Geiger – Muller. Còn đối với đầu dò bán dẫn thì tụ riêng của đầu dò lại thay đổi theo nhiệt độ do dòng rò trong điốt bán dẫn phụ thuộc vào nhiệt độ. Vì vậy, tiền khuếch đại loại này không nên dùng với đầu dò bán dẫn. Nhược điểm của tiền khuếch đại nhạy thế có thể tránh bằng cách sử dụng tiền khuếch đại nhạy điện tích. Trong khối khuếch đại nhạy điện tích, khi điện tích tới được tụ trên một tụ điện. Sau đó, điện tích trên tụ điện này sẽ được lấy đi bằng cách phóng điện qua một mạch liên kết có thể là mạch liên kết phản hồi loại điện trở hay mạch liên kết phản hồi quang. - Nếu tụ phóng điện qua mạch liên kết phản hồi loại điện trở Rf (hình 1.10) có giá trị từ 100 M đến 2 G thì sự phóng điện này tạo nên xung đuôi dạng mũ như hình 1.11a. Hằng số thời gian đặc trưng thay đổi rất dài cỡ 50 μs hoặc hơn. [2] Cf Cd V0 Rf -A Hình 1.10. Tiền khuếch đại nhạy điện tích loại liên kết điện trở. a) b) Hình 1.11. a) Xung đuôi từ một tiền khuếch đại, b) sự chồng chập xung: xung thứ hai chồng lên xung thứ nhất. - Nếu thay mạch liên kết phản hồi loại điện trở Rf bằng mạch liên kết phản hồi quang học thì phổ kế sẽ làm việc chính xác hơn: tạp âm giảm và dải rộng tăng lên. Trong khối tiền khuếch đại này, điện tích từ đầu dò được nạp liên tục vào tụ và được giữ cho tới một giới hạn xác định (thường là một vài Vôn). Khi đó, xung dòng phát ra có dấu ngược lại được khởi phát và tụ được phóng điện. Trong quá trình này, một xung âm lớn được phát ra trong dãy khuếch đại. Để ngăn ngừa việc phân tích xung phóng điện này, một tín hiệu cấm phụ thuộc được phát ra để cấm các xung này trong các mạch điện tử tiếp theo sau. Sơ đồ và tín hiệu lối ra của tiền khuếch đại với mạch liên kết phản hồi quang được chỉ ra trên hình 1.12. Khi giới hạn đạt được, sự phóng điện âm lớn được nhận thấy và sau đó tụ của tiền khuếch đại bắt đầu nạp lại. [2] Cấm Diser Lối ra tín hiệu Đầu dò FET Đèn Giới hạn trên Lối ra tiền khuếch đại Dòng đầu dò Tín hiệu cấm 1.3.1.3. Một số khối tiền khuếch đại nhạy điện tích 1.3.1.3.1. Tiền khuếch đại cho đầu dò hàng rào mặt Si 2003BT [2] Tiền khuếch đại lối vào FET nhạy điện tích 2003BT được thiết kế cho đặc tính tối ưu với các đầu dò hàng rào mặt Si (Silicon Surface Barrier – SSB). Tiền khuếch đại loại này làm việc như một bộ biến đổi điện tích thành thế. Sau khi khuếch đại phần tử mang điện được tạo nên trong đầu dò trong khoảng thời gian mỗi sự kiện hạt nhân bị hấp thụ, ở lối ra của tiền khuếch đại cung cấp thế tỷ lệ thuận với điện tích tại tần số 0,45 V/pC. Thế này được khuếch đại với hệ số khuếch đại 20 mV/MeV cho đầu dò Si tại nhiệt độ phòng. Đối với đầu dò SSB được thiên áp dương, lối ra năng lượng hết sức tuyến tính cung cấp một xung phân cực dương lý tưởng cho phổ kế năng lượng. Lối ra thời gian trùng phùng cung cấp xung vi phân nhanh phân cực âm lý tưởng để phân giải các sự kiện hạt nhân về thời gian. Sơ đồ chức năng của tiền khuếch đại cho đầu dò hàng rào mặt Si 2003BT được trình bày trên hình 1.13. Rf Cf 10 M 100 M 93 M BNC BNC Lối ra năng lượng Lối ra thời gian Lối vào đầu dò Lối vào HV SHV Mạch tích phân Mạch đệm Hình 1.13. Sơ đồ chức năng của tiền khuếch đại cho đầu dò hàng rào mặt Si 2003BT. Tiền khuếch đại nhạy điện tích 2003BT có những đặc trưng kỹ thuật cơ bản sau: - Lối vào đầu dò: tiếp nhận xung điện tích từ đầu dò bán dẫn loại SSB. Hình 1.12. Sơ đồ và tín hiệu lối ra của tiền khuếch đại với mạch liên kết phản hồi quang. 10 100 M 93 M - Lối vào cao thế: cho phép thế thiên áp đầu dò lên tới ±2000V; trở thiên áp nối tiếp đầu dò là 110 M. - Lối vào kiểm tra: điện tích được nối với tiền khuếch đại tại 1 pC/V; có sẵn tại đầu cáp của tiền khuếch đại. - Lối ra năng lượng: bị đảo với hằng số thời gian xung đuôi 250 μs và biên độ lên tới ±10 V; Zout=93 . - Lối ra thời gian: (chỉ với đầu dò thiên áp dương) – không đảo, xung bị vi phân nhanh. - Đặc tính: + Độ phi tuyến tích phân: < ±0,04% cho 10 V lối ra. + Độ trôi hệ số khuếch đại: < ±0,005%/0C (± 50 ppm/0C). + Cách điện thiên áp đầu dò: ±2000 V DC. + Độ nhạy điện tích: 0,45 V/pC . + Độ nhạy năng lượng: 20 mV/MeV (Si). 1.3.1.3.2. Tiền khuếch đại cho đầu dò bán dẫn 2004 [2] Bộ tiền khuếch đại lối vào FET nhạy điện tích 2004 được thiết kế để sử dụng với cả hai loại đầu dò bán dẫn dung kháng thấp và cao. Tiền khuếch đại biến đổi các phần tử mang điện thành xung thế hàm bước, biên độ của xung thế này tỷ lệ với điện tích tổng cộng được tích lũy trong mỗi sự kiện. Lối ra cung cấp tín hiệu phân cực dương khi sử dụng với đầu dò thiên áp dương và phần tín hiệu suy giảm với hằng số thời gian 50 μs. Hình 1.14 trình bày sơ đồ chức năng của tiền khuếch đại 2004. 10 M 100 M Lối ra năng lượng Khuếch đại Lối vào đầu dò Lối vào HV Mạch tích phân P/Z Lối vào thử đệm Chỉnh P/Z Triệt P/Z Hình 1.14. Sơ đồ chức năng của tiền khuếch đại 2004. Những đặc trưng cơ bản của tiền khuếch đại nhạy điện tích 2004: - Lối vào đầu dò: tiếp nhận xung điện tích từ đầu dò bán dẫn. 1 0 M 10 M - Lối vào kiểm tra: điện tích được nối với tiền khuếch đại tại 2,2 pC/V; Zin = 93 . - Lối vào cao thế: cho phép thiên áp đầu dò lên tới ±2000 V; trở thiên áp nối tiếp đầu dò là 110 M. - Lối ra năng lượng: xung đuôi bị đảo, hằng số thời gian giảm 50 μs. - Đặc tính: + Độ phi tuyến tích phân: < ±0,02% cho 10 V lối ra. + Độ trôi hệ số khuếch đại: < ±0,01%/0C (100 ppm/0C). + Cách điện thiên áp đầu dò: ±5000 V DC. + Độ nhạy điện tích: 0,2 V/pC hay 1,0 V/pC. + Độ nhạy năng lượng (Si): 9 mV/MeV hay 45 mV/MeV. 1.3.2. Những khối khuếch đại (Amplifier) 1.3.2.1. Chức năng cơ bản của khối khuếch đại Khối khuếch đại có hai chức năng cơ bản sau: - Khuếch đại tín hiệu từ khối tiền khuếch đại. - Hình thành xung để có dạng thuận tiện cho việc xử lý tín hiệu của các khối điện tử tiếp theo. Đối với các khối khuếch đại phổ kế, một trong các hệ số quan trọng nhất là đặc trưng hình thành xung. Xung tới từ khối tiền khuếch đại có thể có đặc trưng bằng đuôi dài dạng hàm mũ kéo dài từ vài μs đến hàng trăm μs. Biên độ xung thì tỷ lệ với năng lượng. Nếu xung thứ hai tới trong khoảng thời gian  thì nó sẽ chồng lên đuôi của xung thứ nhất và biên độ của nó sẽ tăng lên. Do đó, thông tin năng lượng chứa trong xung thứ hai sẽ bị méo đi. Điều này được gọi là sự chồng chập xung. Để tránh hiệu ứng này, ta phải hạn chế tần số đếm bé hơn 1/ số đếm trên giây hoặc hình thành xung. Tuy nhiên, phương pháp hình thành xung là sự lựa chọn tối ưu vì tỷ số tín hiệu trên tạp âm tăng. [2] Đối với khối khuếch đại nhanh, hệ số quan trọng nhất là giữ thời gian tăng nhanh của tín hiệu nghĩa là đảm bảo một dải rộng. Do đó, các khối khuếch đại nhanh nói chung hình thành rất ít hoặc thậm chí không hình thành xung. Bên cạnh đó, khối khuếch đại nhanh còn bị hạn chế hệ số khuếch đại (nhỏ hơn 100 lần). Để hệ số khuếch đại có thể tăng lên cao hơn, ta có thể nối nhiều tầng nhưng không yêu cầu hệ số khuếch đại ngoài 1000 lần. [2] Trong những ứng dụng mà ở đó cả thông tin thời gian và thông tin biên độ được yêu cầu thì tồn tại sự mâu thuẫn giữa dạng thời gian và dạng tín hiệu trên tạp âm tốt nhất. Trong nhhững trường hợp như thế thì cần có sự thỏa hiệp. [2] 1.3.2.2. Những mạch hình thành xung trong khối khuếch đại 1.3.2.2.1. Hình thành xung bằng đường làm chậm [2] Các khối khuếch đại sử dụng hình thành xung bằng đường làm chậm rất thích hợp cho những yêu cầu của đầu dò nhấp nháy (vì tỷ số tín hiệu trên tạp âm của tập hợp khuếch đại, tiền khuếch đại là nghèo và hạn chế về khả năng phân giải năng lượng). Các đường làm chậm kết hợp với các mạch điện tử để tạo nên xung ra vuông từ mỗi xung vào hàm bước. Đối với các đầu dò không có các hệ số khuếch đại nội, hình thành xung bằng đường làm chậm là không thích hợp vì tỷ số tín hiệu trên tạp âm của tiền khuếch đại với hình thành xung bằng đường làm chậm kém hơn so với hình thành xung chuẩn Gauss. Các mạch hình thành xung bằng đường làm chậm được trình bày trên hình 1.15. 2RD RD ΔT ΔTRD  - 1 1 2RD RD ΔT ΔT RD  - 1 1 a) 2RD RD ΔT RD  - 1 1 b) 2ΔT Hình 1.15. a) Hình thành xung bằng đường làm chậm đơn. b) Hình thành xung bằng đường làm chậm kép. Xung bước từ tiền khuếch đại bị đảo, được làm chậm và cộng với xung bước gốc. Kết quả là tạo ra một xung ra vuông góc với độ rộng bằng thời gian làm chậm của đường làm chậm. Nếu nối tiếp một bộ hình thành xung đơn thứ hai ta sẽ có mạch hình thành xung làm chậm vi phân kép (hình 1.15b). Kết quả là xung ra có hai phân cực dương - âm với biên độ và độ rộng bằng nhau. 1.3.2.2.2. Hình thành xung chuẩn Gauss [2] Lối vào từ tiền khuếch đại Bộ hồi phục đường cơ bản Mạch vi phân và khử cực zero Mạch tích phân RC Mạch tích phân tích cực Mạch tích phân 2 3 4 A1 A2 A-1 A-1 1 R2 R R1 C C Hình 1.16. Hình thành xung trong khối khuếch đại chuẩn Gauss. Bằng cách thay mạch tích phân RC đơn giản bằng một mạch tích phân tích cực thì tỷ số tín hiệu trên tạp âm của khối khuếch đại hình thành xung có thể tốt lên từ 17% đến 19%. Điều này là quan trọng đối với đầu dò bán dẫn vì sự phân giải năng lượng và hằng số thời gian hình thành ngắn của nó bị hạn chế bằng tỷ số tín hiệu trên tạp âm. Kết quả là xung ra của mạch hình thành xung này có dạng của một đường cong Gauss. Ưu điểm của hình thành xung chuẩn Gauss là giảm độ rộng xung ra tại 0,1% biên độ xung. Tại một hằng số thời gian, dạng xung Gauss có thể giảm độ rộng xung từ 22% đến 52% so với bộ lọc CR-RC. Điều này dẫn đến đặc trưng hồi phục đường không tốt, làm giảm thời gian chết của bộ khuếch đại. Dạng xung ra của bộ hình thành xung chuẩn Gauss được chỉ ra trên hình 1.17. 2 μs 2 V Lối ra đơn cực 2V/cm, 2 μs/cm Hình 1.17. Dạng xung ra của hình thành xung chuẩn Gauss với hằng số thời gian 2 μs. 1.3.3. Khối biến đổi tương tự thành số (Analog to Digital Converter - ADC) 1.3.3.1. Nguyên tắc hoạt động ADC đo biên độ cực đại của một xung tương tự và biến đổi giá trị đó thành mã số. Mã số tỷ lệ với biên độ tương tự tại lối vào ADC. Đối với các xung tới liên tiếp, mã số từ ADC được dẫn đến bộ nhớ dành riêng hoặc máy tính và được phân loại bằng biểu đồ. Tín hiệu lối ra từ khối khuếch đại phổ được đưa đến lối vào của ADC, nếu tín hiệu nằm trong ngưỡng của ADC thì ADC sẽ biến đổi. Sau khi biến đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số thì ADC sẽ gửi tín hiệu Data Ready đến card thu nhận dữ liệu (MCA hay Interface) báo cho card thu nhận dữ liệu biết sẵn sàng đọc dữ liệu. Sau khi nhận được tín hiệu Data Ready, card thu nhận dữ liệu sẽ gửi tín hiệu Data Accept đến ADC để cho phép bắt đầu quá trình biến đổi mới và dữ liệu của phép biến đổi mới này sẽ thay thế dữ liệu của phép biến đổi trước đó. [4] Trong quá trình biến đổi của ADC, dữ liệu lối vào có thể là Valid (các dữ liệu vào của ADC được card thu nhận dữ liệu đọc và ghi) hoặc Invalid (các dữ liệu lối vào của ADC được card thu nhận dữ liệu đọc mà không ghi). [4] ADC IN T E R F A C E Data Ready Enable Data Dead Time Data Accept IN T E R F A C E Hình 1.18. Nguyên tắc hoạt động và cách ghép nối của ADC với Interface. 1.3.3.2. Một số khối biến đổi tương tự thành số 1.3.3.2.1. ADC Wilkinson [2] Hoạt động của ADC Wilkinson được minh họa như hình 1.19. Bộ phân biệt mức thấp được dùng để ghi nhận xung từ khối khuếch đại. Ngưỡng của bộ phân biệt mức thấp thường được đặt trên mức tạp âm để ngăn ngừa ADC không mất thời gian phân tích tạp âm. Khi xung vào ADC cao hơn ngưỡng phân biệt mức thấp, cổng tuyến tính vào mở và tụ nạp được nối với lối vào. Do đó, tụ được nạp tới biên độ của xung vào (hình 1.20a). Th ế Thời gian (a) Xung lối ra bộ khuếchđại Bộ phân biệt mức thấp (b) Lối ra bộ phân biệt mức thấp (c) Tín hiệu tụ giảm dần (d) Đồng hồ địa chỉ (e) Chu trình nhớ (f) Cổng tuyến tính bị đóng (g) Cổng thời gian chết Th ế Hình 1.19. Tín hiệu thời gian của ADC Wilkinson trong khoảng thời gian xử lý xung. Đồng hồ địa chỉ Cổng tuyến tính Bộ đếm địa chỉ cổng tuyến tính (a) Tụ nạp điện Đồng hồ địa chỉ Cổng tuyến tính Bộ đếm địa chỉ I (b) Tụ phóng điện Đồng hồ địa chỉ Cổng tuyến tính Bộ đếm địa chỉ (c) Chu trình nhớ Hình 1.20. Hoạt động của ADC Wilkinson trong khoảng thời gian ba trạng thái xung. Khi biên độ xung vào đạt tới cực đại và bắt đầu giảm (hình 1.20 b) thì cổng tuyến tính bị đóng và tụ bị ngắt khỏi lối vào. Khi đó, thế trên tụ bằng biên độ cực đại của xung vào. Theo sự phát hiện biên độ đỉnh, một nguồn dòng không đổi được nối với tụ để tạo nên sự phóng điện tuyến tính của thế tụ. Cùng lúc đó, đồng hồ địa chỉ được nối với bộ đếm địa chỉ và xung đồng hồ đếm trong khoảng thời gian phóng điện của tụ. Khi thế trên tụ về zerô thì việc đếm xung của đồng hồ cũng dừng lại. Vì thời gian cho phóng điện tuyến tính của tụ tỷ lệ với biên độ xung gốc cho nên số đếm Nc ghi được trong bộ đếm địa chỉ cũng tỷ lệ với biên độ xung. Trong khoảng thời gian của chu trình nhớ, địa chỉ Nc được định vị trong bộ nhớ biểu đồ và một số đếm được cộng vào nội dung của vị trí đó. Giá trị Nc thường tương ứng với số kênh. ADC thường có số kênh thấp là 256 cho những ứng dụng phân giải thấp và có 16384 kênh cho những yêu cầu khả năng phân giải cao. Đối với ADC Wilkinson, thời gian đo của MCA đóng góp vào thời gian chết theo biểu thức (1.1). c M MC c N T T f   (1.1) Thời gian chết của MCA phụ thuộc vào tần số đồng hồ fc, số kênh Nc và thời gian chu trình nhớ TMC. Tần số đồng hồ trong dải từ 50 đến 400 Hz là điển hình và thời gian chu trình nhớ từ 0,5 đến 2 μs là thông dụng. Thời gian biến đổi cực đại đối với một ADC Wilkinson 8192 kênh kéo dài từ 20 đến 165 μs. Ưu điểm của ADC Wilkinson là độ phi tuyến vi phân thấp (điển hình < 1%). Nhược điểm là thời gian biến đổi dài và phụ thuộc vào biên độ xung. 1.3.3.2.2. ADC loại song song [2] Nguyên tắc làm việc của ADC loại song song được chỉ ra trên hình 1.21. ADC loại song song được cấu trúc bằng chồng một dãy các bộ so sánh sao cho mỗi ngưỡng của bộ so sánh là tăng không đổi một thế ΔV trên một ngưỡng cho trước. ADC loại song song về nguyên tắc là một chồng các máy phân tích biên độ đơn kênh với độ rộng cửa sổ và ngưỡng được chia ra như nhau. Khi tín hiệu lối vào tương tự tại biên độ cực đại thì lối ra các bộ so sánh được chọn vào bộ mã lối ra số. Hình 1.21 là ADC song song N = 4 kênh. Để có N kênh cần N + 1 bộ so sánh. Ưu điểm của ADC song song là thời gian biến đổi ngắn trong dải nano giây. Nhược điểm là độ phi tuyến vi phân lớn. V 4 3 2 1 0 + _ V R R R R Lối vào tương tự Strobe Bộ so sánh Lối ra nhị phân 2 bit Mã hóa lối ra số Strobe + _ + _ + _ + _ Hình 1.21. Nguyên tắc hoạt động của ADC loại song song. 1.3.4. Khối phân tích biên độ nhiều kênh (Multi Channel Analyzer - MCA) 1.3.4.1. Cấu tạo Khối phân tích biên độ nhiều kênh bao gồm ADC, một bộ nhớ biểu đồ, bộ chỉ thị biểu đồ được ghi trong bộ nhớ. [2] ADC Bộ nhớ dữ liệu Bộ vi xử lý Bộ nhớ chương trình Các MCB khác PC Máy tính cá nhân Tín hiệu trực tiếp hay đa hợp Hình 1.22. Sơ đồ khối chức năng của hệ thống phân tích đa kênh. 1.3.4.2. Chức năng của MCA MCA có hai chức năng chủ yếu: - Thứ nhất là thu nhận và lưu trữ số liệu được thực hiện bởi phần cứng MCB (bộ đệm đa kênh - sự kết hợp giữa ADC và bộ nhớ biểu đồ). - Thứ hai là điều khiển và chỉ thị được thực hiện bằng phần mềm chạy trên máy tính cá nhân giao tiếp với MCB. Phần mềm của MCA có khả năng: - Chuẩn năng lượng (chuẩn bậc nhất hoặc bậc hai theo đơn vị năng lượng hoặc theo đơn vị thời gian). - Tìm đỉnh (tính toán vị trí tâm đỉnh cho phép phân tích tự động phổ chưa biết). - Tính diện tích thực của đỉnh (số đếm tại đỉnh đã trừ phông). - Chuẩn hóa phổ (tăng hoặc giảm phông bằng một hằng số). - Sửa phổ (trừ phông hoặc trừ phổ phụ). - Làm trơn phổ (làm trơn nhiều điểm đối với toàn phổ hoặc một phần phổ). - Xác định loại đồng vị (so sánh các đỉnh trong phổ với thư viện đồng vị). - Thực hiện chương trình tự động (xác lập hệ thống bằng một lệnh đơn). 1.3.5. Card thu nhận dữ liệu - Interface 1.3.5.1. Sơ đồ nguyên lý của card thu nhận dữ liệu - Interface Hình 1.23. Sơ đồ nguyên lý của card thu nhận dữ liệu – Interface. 1.3.5.2. Nguyên tắc hoạt động của card thu nhận dữ liệu - Interface [1] Card thu nhận dữ liệu - Interface hoạt động theo hai nguyên tắc sau: * Theo nguyên tắc trùng phùng Khi có tín hiệu trùng phùng, card thu nhận sẽ phát tín hiệu điều khiển để cho phép các ADC thu nhận tín hiệu ở lối vào và bắt đầu biến đổi. Khi đó, một trong ba khả năng sau sẽ xảy ra: - Một hoặc cả hai tín hiệu lối vào không vượt ngưỡng của ADC, khi đó một hoặc cả hai ADC sẽ không có tín hiệu Data Ready gửi đến Interface nên nó sẽ không phản ứng. - Một hoặc cả hai tín hiệu lối vào vượt ngưỡng của ADC, khi đó một hoặc cả hai ADC có tín hiệu Data Ready gửi đến Interface. Trong trường hợp này, Interface chỉ đọc mà không ghi dữ liệu. Tín hiệu cho phép hai ADC reset lại để thực hiện các phép biến đổi tiếp theo. - Khi cả hai tín hiệu nằm trong dải phân tích [LLD, ULD] của các ADC , cả hai ADC gửi tín hiệu Data Ready tới Interface. Tín hiệu này cách nhau một khoảng thời gian không quá 1 μs thì Interface sẽ gửi tín hiệu Enable Data để đọc và ghi dữ liệu của xung lối vào từ ADC. Sau khi ghi xong Interface sẽ gửi tín hiệu Data Accept tới ADC và cho phép ADC reset lại để thực hiện phép biến đổi tiếp theo. Các ADC hoạt động ở chế độ non - overlap. Trong trường hợp thứ ba, số liệu lối ra của ADC sẽ được ghi dưới dạng event - event; còn các trường hợp còn lại thì số liệu sẽ không được ghi nhận. Số liệu trùng phùng thu được sẽ gồm ba cột. - Cột I : ghi code năng lượng của tia gamma đến đầu dò thứ nhất. - Cột II : ghi code năng lượng của tia gamma đến đầu dò thứ hai. - Cột III : ghi giá trị tương ứng với độ chênh lệch thời gian xuất hiện của hai sự kiện ở hai đầu dò. * Theo chế độ MCA Trong chế độ MCA, khi ADC nào có tín hiệu Data Ready và tín hiệu được biến đổi nằm trong dải phân tích thì card thu nhận dữ liệu sẽ đọc số liệu từ ADC đó, nội dung của kênh tương ứng trong bộ nhớ sẽ tăng lên 1. Khi kết thúc thời gian đo, số liệu thu được sẽ lưu dưới dạng tập tin có phần mở rộng *.spe để xử lý. 1.4. Hệ phổ kế năng lượng Trong lĩnh vực nghiên cứu hạt nhân và ứng dụng kỹ thuật hạt nhân vào các lĩnh vực khác nhau trong sản xuất cũng như đời sống thì việc xác định các đồng vị phóng xạ, năng lượng, cường độ các lượng tử phát ra từ các nguồn phóng xạ là rất quan trọng. Do đó cần phải có hệ thống điện tử hạt nhân để xác định phổ năng lượng của các nguồn phóng xạ và đồng vị phóng xạ. Hệ thống đó được gọi là hệ thống phổ kế năng lượng. Tùy thuộc vào mục đích nghiên cứu và điều kiện thiết bị mà người ta có thể thiết lập hệ thống phổ kế năng lượng có cấu hình khác nhau. Dưới đây là một số hệ phổ kế năng lượng đã được xây dựng và sử dụng để ghi nhận phổ năng lượng của các nguồn phóng xạ với các cấu hình khác nhau. 1.4.1. Hệ phổ kế năng lượng sử dụng một đầu dò bán dẫn Để ghi nhận các bức xạ phát ra từ các nguồn đồng vị phóng xạ, chúng ta có thể dùng các hệ phổ kế đơn giản sử dụng một đầu dò bán dẫn như được trình bày trên hình 1.24 và hình 1.25. Ge or Si(Li) PC Source Bias Supply Preamp Amplifer MCB Unipolar Busy Pur Unipolar: đơn cực. Busy: bận. Preamp: khối tiền khuếch đại. Amplifier: khối khuếch đại phổ. Bias supply: nguồn cao thế. MCB: bộ đệm đa kênh. PC: máy tính cá nhân. Hình 1.24. Phổ kế năng lượng với đầu dò Ge cho bức xạ gamma hoặc đầu dò Si (Li) cho tia X. [2] HPGe Detector High Voltage MCA PC Source ADCAmp HPGe Detector: Đầu dò bán dẫn tinh khiết Ge . High Voltage: Cao thế. Amp: Khối khuếch đại (Amplifier). ADC: Khối biến đổi tương tự thành số (Analog to Digital Converter). MCA: Khối phân tích đa kênh (Multi Channel Analyzer) PC: Máy tính cá nhân (Person Computer). Hình 1.25. Phổ kế năng lượng sử dụng đầu dò bán dẫn HPGe. Khi đặt nguồn phóng xạ trước đầu dò bán dẫn thì trên lối ra của tiền khuếch đại sẽ xuất hiện các tín hiệu. Các tín hiệu này sẽ được xử lý bởi các khối điện tử tiếp theo sau như khối khuếch đại, khối biến đổi tương tự thành số và khối phân tích đa kênh. Tín hiệu sau khi đã được các khối điện tử xử lý sẽ được lưu trữ trên máy tính và cho ra phổ nhờ các phần mềm chuyên dụng. 1.4.2. Hệ phổ kế năng lượng sử dụng hai đầu dò bán dẫn Để ghi nhận phổ năng lượng của các lượng tử gamma phát ra gần như đồng thời (trùng phùng) từ các nguồn phóng xạ, các nhà khoa học đã xây dựng nên hệ thống phổ kế gamma - gamma như hình 1.26. Ưu điểm của hệ thống phổ kế này là phổ năng lượng thu được sẽ có nền Compton thấp hơn các phổ năng lượng do hai hệ phổ kế trên thu được. Kết quả là tỷ số đỉnh trên Compton sẽ cao hơn, các đỉnh phổ hiện rõ trên nền Compton được hạ thấp. Nguyên nhân chính là hệ phổ kế này sử dụng khối trùng phùng có tác dụng chỉ cho ghi nhận các sự kiện hạt nhân xảy ra trong hai đầu dò trong khoảng thời gian rất ngắn (được xem là đồng thời hay gọi là trùng phùng) và không ghi các sự kiện hạt nhân xảy ra chênh lệch thời gian nhiều như tán xạ Compton, … HPGE Detector A Pre Amp HPGE Detector A Pre Amp DELAY AMPLIFIER Detector Bias Supply PULSER AMPLIFIER Detector Bias Supply TIMING SCA TIMING SCA MCB PC AMPLIFIER COINCIDENCE HPGe detector: đầu dò bán dẫn Ge siêu tinh khiết. Detector Bias Supply: nguồn cao thế cung cấp cho đầu dò. Pulser: máy tạo xung . Preamp: khối tiền khuếch đại. Amplifier: khối khuếch đại. Coincidence: khối trùng phùng. Timing SCA: máy phân tích đơn kênh loại thời gian. MCB: khối đệm đa kênh. PC: máy tính cá nhân. Hình 1.26. Hệ thống phổ kế trùng phùng gamma - gamma đối với phổ năng lượng được thực hiện trên hai đầu dò HPGe. [2] 1.5. Hệ phổ kế thời gian Để xác định các đặc trưng thời gian của các bức xạ gamma nối tầng phát ra từ các nguồn phóng xạ phục vụ cho việc nghiên cứu thời gian sống của các pozitron, thời gian sống của các trạng thái kích thích hay nghiên cứu sơ đồ phân rã hạt nhân, … đòi hỏi phải có hệ thống điện tử làm việc ổn định và độ chính xác cao. Để đo các đặc trưng thời gian của các lượng tử phát ra từ các nguồn phóng xạ, người ta đã tiến hành xây dựng các hệ phổ kế thời gian có cấu hình khác nhau. Sau đây là một số cấu hình phổ kế thời gian thường dùng nhất được thực hiện trên các đầu dò khác nhau và phổ thời gian thu được từ các hệ phổ kế đó. 1.5.1. Hệ phổ kế thời gian sử dụng đầu dò plastic và bán dẫn [2] Preamp: khối tiền khuếch đại; CFD: khối phân biệt ngưỡng không đổi. Delay: khối làm chậm. Time analyzer: khối phân tích thời gian. Multi Channel Analyzer: khối phân tích đa kênh. Hình 1.27. Hệ phổ kế thời gian sử dụng đầu dò plastic và bán dẫn. Nếu đặt nguồn phóng xạ chuẩn 60Co vào khoảng giữa hai đầu dò của hệ thống phổ kế thì trên lối ra của các tiền khuếch đại sẽ xuất hiện tín hiệu nhanh. Những tín hiệu này đi qua các khối phân biệt ngưỡng không đổi 2126, khối làm chậm nano giây 2058 tới lối vào khởi phát và dừng tương ứng của khối TAC 2143. Kết quả là một xung lối ra hình chữ nhật với độ rộng vài micro giây và biên độ tỷ lệ với khoảng thời gian giữa các xung khởi phát và dừng. Khi quá trình biến đổi và đo được lặp lại cho các xung khởi phát và dừng thì phổ thời gian tăng lên trong bộ nhớ của khối phân tích đa kênh. Dạng phổ sẽ phụ thuộc vào tương quan thời gian giữa các xung khởi phát và dừng. Hình 1.28 trình bày phổ thời gian thu được từ nguồn 60Co với độ phân giải thời gian là 1800 ps. NE 111 PREAMP 2107 CFD 2126 DELAY 2058 PREAMP 2111 CFD 2126 DELAY 2058 TIME – ANALYZER 2143 MCA START STOP 10% 1.78 KeV Hình 1.28. Phổ thời gian nhận được của nguồn 60Co sử dụng đầu dò plastic - bán dẫn. 1.5.2. Hệ phổ kế thời gian sử dụng đầu dò plastic và NaI [2] NaI 802-4 PREAMP 2007 CFD 2126 CFD 2126 DELAY 2058 TIME – ANALYZER 2143 MCA START STOP NE111 PREAMP 2107 Hình 1.29. Hệ phổ kế thời gian sử dụng đầu dò plastic và NaI. Khi đặt nguồn chuẩn 60Co vào giữa hai đầu dò plastic và đầu dò nhấp nháy NaI của hệ phổ kế trên hình 1.29 thì tín hiệu từ hai đầu dò sẽ được xử lý qua các khối điện tử phía sau. Kết quả cũng cho ra phổ thời gian như hình 1.30 với độ phân giải tốt hơn là 1000 ps. 102 104 C U O N T S CHANNEL 1800 psec FWTM 60Co 1000 psec FWHM C U O N T S Hình 1.30. Phổ thời gian của 60Co sử dụng đầu dò plastic - NaI. 1.5.3. Hệ phổ kế thời gian sử dụng hai đầu dò plastic [2] 102 104 C U O N T S CHANNEL 60Co 1800 psec FWHM C U O N T S CFD 2129 CFD 2129 DELAY 2058 TAC 2143 MCA START STOP PREAMP 2107 PREAMP 2107 DELAY 2058 COINC 2144 GATE Fast Plastic Scintilation Detectors and PMTs Fast Plastic Scintillation Detectors and PMTs: đầu dò nhấp nháy plastic nhanh và các ống nhân quang điện. Coinc: khối trùng phùng. MCA: khối phân tích đa kênh. TAC: khối biến đổi thời gian thành biên độ. Hình 1.31. Hệ phổ kế thời gian sử dụng hai đầu dò plastic. Khi đặt nguồn chuẩn 60Co vào giữa đầu dò nhấp nháy plastic nhanh và các ống nhân quang điện của hệ phổ kế trên hình 1.31 thì tín hiệu từ hai đầu dò sẽ được xử lý qua các khối điện tử phía sau. Kết quả cũng cho ra phổ thời gian như hình 1.32 với độ phân giải tốt hơn là 400 ps. 102 104 C U O N T S CHANNEL 400 psec FWTM 60Co 200 psec FWHM C U O N T S C U O N T S Hình 1.32. Phân giải thời gian của phổ kế thời gian sử dụng đầu dò plastic. Chương 2: Kỹ thuật trùng phùng và hệ thống xử lý xung thời gian 2.1. Kỹ thuật trùng phùng và ưu điểm của kỹ thuật đó 2.1.1. Kỹ thuật trùng phùng Có nhiều ứng dụng trong lĩnh vực nghiên cứu hạt nhân đòi hỏi sự đo lường các sự kiện hạt nhân xảy ra gần như đồng thời (có thể gọi là trùng phùng) trong hai đầu dò trong một khoảng thời gian ngắn nhất định hoặc xác định thời gian chênh lệch giữa hai sự kiện hạt nhân đó. Hai phương pháp được sử dụng trong việc đo lường các sự kiện trùng phùng gamma - gamma, nghiên cứu sơ đồ phân rã hạt nhân, nghiên cứu thời gian sống của pozitron, … là trùng phùng và đo thời gian. Một hệ thống trùng phùng dùng xác định hai sự kiện hạt nhân xảy ra trong một khoảng thời gian ngắn nhất định. Tuy nhiên, trong thực tế phương pháp này không thể phân tích các sự kiện trùng phùng này với độ chính xác 100% do tính chất thống kê và do các khối điện tử gây ra các sai số do nhiễu, tạp âm và sai số bước. Một mạch trùng phùng đơn giản giải quyết vấn đề này là cổng AND hai lối vào. Nó hoạt động dựa trên nguyên tắc phủ trong độ rộng của xung vào và xác định trực tiếp thời gian phân giải của mạch trùng phùng. Hình 2.1 minh họa nguyên tắc cơ bản của mạch trùng phùng. [2] TÍN HIỆU VÀO A B C AND A B C TÍN HIỆU RA TÍN HIỆU VÀO TÍN HIỆU RA MỨC LOGIC 1 1 1 0 0 0 Hình 2.1. Nguyên tắc cơ bản của mạch trùng phùng. Như trên hình 2.1, cổng AND phát lối ra “logic 1” chỉ khi các xung “logic 1” có mặt trên cả hai lối vào A và B. Thực tế, lối ra chỉ sinh ra trong khoảng thời gian xung A và B phủ nhau. Do đó, mạch này được gọi là trùng phùng phủ. Hầu hết các khối trùng phùng cung cấp nhiều lối vào (thường lên tới bốn) có thể được đóng ngắt một cách độc lập. Khi chỉ một lối vào được đóng, mọi tín hiệu logic lối vào đều được đưa tới lối ra của khối trùng phùng. Kiểu làm việc này cung cấp một cách thuận tiện để ghi tần số đơn trong bất cứ nhánh vào nào. Khi hai lối vào được đóng, khối hoạt động như một khối trùng phùng đơn giản hai lối vào, ba lối vào chuyển mạch dẫn đến trùng phùng ba lối vào, . . . 2.1.2. Ưu điểm của kỹ thuật trùng phùng - Đối với các hệ phổ kế năng lượng không sử dụng kỹ thuật trùng phùng thì phổ năng lượng thu được sẽ có phông nền cao do tán xạ Compton. Ngoài ra, phổ thu được sẽ có nhược điểm là các đỉnh năng lượng thấp, có cường độ nhỏ có thể bị che khuất bởi các đỉnh năng lượng cao và cường độ lớn hơn. Thậm chí các đỉnh năng lượng còn bị nền Compton che khuất. Kết quả, tỷ số đỉnh trên Compton sẽ thấp. Nguyên nhân chính là do phổ kế này ghi nhận tất cả các sự kiện hạt nhân xảy ra trong quá trình ghi nhận. - Vấn đề trên sẽ được giải quyết khi áp dụng vào hệ phổ kế kỹ thuật trùng phùng bằng cách dùng các khối điện tử hạt nhân như khối trùng phùng hay khối biến đổi thời gian thành biên độ – TAC. Khi áp dụng kỹ thuật trùng phùng vào việc ghi nhận của hệ phổ kế năng lượng hay hệ phổ kế thời gian thì phổ năng lượng thu được sẽ có nền phông thấp vì đã loại bỏ các sự kiện hạt nhân không trùng phùng như các tán xạ Compton, các sự kiện hạt nhân ngẫu nhiên, . . . chỉ ghi nhận các sự kiện hạt nhân được xem là trùng phùng (xảy ra gần như đồng thời). Kết quả là cải thiện được tỷ số đỉnh trên Compton đáng kể. Bên cạnh đó, sử dụng kỹ thuật trùng phùng ta có thể xác định khá chính xác thời gian chênh lệch giữa các sự kiện hạt nhân trùng phùng (chính xác cỡ pico giây). Do đó, có thể ứng dụng để nghiên cứu thời gian sống của pozitron, nghiên cứu sơ đồ phân rã hạt nhân, nghiên cứu mật độ mức năng lượng,…. 2.2. Khối khuếch đại nhanh lọc thời gian (Time Filter Amplifier - TFA) 2.2.1. Nguyên tắc hoạt động cơ bản của khối TFA [6] Khối TFA có nhiệm vụ tạo dạng xung và khuếch đại các tín hiệu vào để cho ra tín hiệu phù hợp với các khối điện tử phía sau. Trong đó, nhiệm vụ tạo dạng xung đóng vai trò quan trọng. Về cơ bản, việc tạo dạng xung dựa trên các mạch lọc tần số cao - CR (mạch lọc cao tần) và mạch lọc tần số thấp - RC (mạch lọc hạ tần). Các mạch lọc này kết hợp với các linh kiện tích cực như khuếch đại thuật toán tạo thành mạch lọc tích cực. Trước tiên, tín hiệu qua mạch lọc tần số cao nhằm làm tăng tỷ số tín hiệu/nhiễu. Vì mạch này có tác dụng loại bớt các tín hiệu có tần số thấp. Các tín hiệu tần số thấp dễ bị các tín hiệu tần số khác ảnh hưởng lên nó và có nhiều tín hiệu nhỏ nên thường chứa nhiều nhiễu. Thời hằng của xung ra được điều chỉnh qua việc lựa chọn hằng số vi phân d = CdRd, mạch này gọi là mạch vi phân. Hình 2.2. Mạch lọc tần số cao CR. Sau đó, tín hiệu đi qua mạch lọc tần số thấp. Thời gian tăng của xung ra được điều chỉnh bằng hằng số tích phân i = CiRi , mạch này được gọi là mạch tích phân. Mạch này có tác dụng làm giảm các nhiễu tần số cao nên cũng làm tăng tỷ số tín hiệu/nhiễu vì ở tần số cao dễ xảy ra cộng hưởng làm tăng hiện tượng phản xạ sóng ở đầu cáp. Kết hợp hai mạch vi phân CR và mạch tích phân RC ta được mạch tạo dạng xung đơn giản. Rd Cd Ri Ci IN OUT Hình 2.4. Cấu tạo cơ bản của mạch tạo dang xung CR-RC. 2.2.2. Khối TFA 474 Hình 2.5. Mặt trước của khối TFA 474. Rd Cd Ri Ci Chuyển mạch chọn hệ số khuếch đại Chuyển mạch chọn thay đổi thời hằng mạch tích phân Chuyển mạch chọn thay đổi thời hằng mạch vi phân Lối vào từ tiền khuếch đại Lối ra Hình 2.3. Mạch lọc tần số thấp RC. Khối TFA 474 do hãng ORTEC sản xuất. Nguyên tắc hoạt động của TFA 474 về cơ bản giống như các khối TFA khác. Tuy nhiên, khi sử dụng cần quan tâm những thông số sau: - Thay đổi hệ số khuếch đại tín hiệu (gồm hai núm chỉnh Gain và Fine Gain). - Thay đổi thời gian tăng của xung ( núm INT). - Thay đổi thời gian giảm của xung (núm DIFF). Hai chức năng chính của TFA 474 là khuếch đại và tạo dạng xung. Nhưng bên cạnh đó, TFA 474 còn có các chức năng như điều chỉnh pole-zero, điều chỉnh cực tính của xung ở lối ra (chuyển mạch INVERT/NONINVERT: INVERT - đảo cực tính của xung, NONINVERT - không đảo cực tính của xung). Từ khảo sát thực nghiệm cho thấy hằng số tích phân trong khối TFA thường được chọn sao cho thời gian tăng của xung ở lối ra đều được làm chậm hơn thời gian tăng của xung ở lối vào. Xung từ lối ra của khối tiền khuếch đại thay đổi trong khoảng thời gian khá rộng (phụ thuộc vào kích thước tinh thể của đầu dò và loại tiền khuếch đại được sử dụng). Xung lối ra này có mặt tăng nằm trong khoảng vài chục đến vài trăm nano giây, thời gian giảm của xung nằm trong khoảng vài chục đến vài trăm micro giây. Do đó, chọn lựa các tham số của khối TFA là rất quan trọng. Nếu chọn hằng số tích phân (mặt tăng xung) lớn quá sẽ làm cho độ phân giải thời gian kém (xuất hiện trùng phùng ngẫu nhiên) nhưng hiệu suất ghi tăng (số xung thu được tăng lên). Việc chọn hằng số vi phân chính là xác định thời gian xung đến đường cơ bản và cho phép xung kế tiếp được quan sát, nếu dài quá sẽ xảy ra quá trình chồng chập xung. Xung lối ra của TFA 474 nằm trong khoảng 0 đến ±5 V, nếu xung lối vào nằm trong khoảng 0 đến 1 V thì sẽ được khuếch đại tuyến tính. 2.3. Khối phân biệt ngưỡng không đổi (Constant Fraction Discriminator - CFD) 2.3.1. Các đặc trưng chung [6] Khối CFD thường được chế tạo để phục vụ cho hai ứng dụng khác nhau: - Thứ nhất: đếm các xung nhỏ với tốc độ đếm cao. - Thứ hai: xác định thời gian xung đến với độ chính xác cao. Trong kênh thời gian, khối CFD có vai trò xác định thời điểm xung đến, tạo ra tín hiệu đầu vào đưa đến khối trùng phùng. CFD làm tăng độ phân giải thời gian, loại trừ nhiễu và ảnh hưởng của các tia gamma mềm. Việc chọn giá trị ngưỡng là rất quan trọng, nếu chọn ngưỡng quá thấp thì sẽ xuất hiện trùng phùng với các gamma mềm hoặc gamma tán xạ giữa hai đầu dò; còn nếu chọn ngưỡng cao quá sẽ mất các chuyển dời gamma có năng lượng thấp. Khối CFD hoạt động theo ba chế độ (mode) tùy thuộc vào kiểu đầu dò. - Constant - Fraction (CF): chế độ CF dựa trên tỷ số cố định. - Slow Rise Time Reject (SRT): chế độ SRT chọn lựa để loại trừ các xung tăng chậm. - Leading Edge (LE): chế độ LE dựa trên phương pháp khởi phát mặt trước. Trong chế độ CF và SRT cần đến thời gian trễ (CF dùng trễ ngắn khoảng 2 ns). Thời gian trễ được chọn phù hợp với từng ứng dụng cụ thể. Thời gian trễ tổng cộng td được tính bằng tổng thời gian trễ bên trong của khối CFD (ttr) với thời gian trễ bên ngoài (tng) do khối trễ quyết định. Thời gian trễ ngoài lấy từ khối trễ hoặc dây trễ. Chiều dài của dây trễ được xác định bởi biểu thức (2.1): ng d tr t t t l      (2.1) Trong đó, l là chiều dài dây trễ,  là thời gian trễ của tín hiệu trên 1m dây trễ. 2.3.2. Khối CFD 584 Hình 2.6. Mặt trước của khối CFD 584. Khối CFD 584 cho độ phân giải thời gian tốt với hầu hết các đầu dò thường dùng như HPGe, NaI(Tl), ….Nó hoạt động như một thiết bị phân biệt ngưỡng tích phân, chỉ khi tín hiệu vào vượt ngưỡng đặt trước thì mới cho tín hiệu lối ra. Xung lối vào CFD 584 nằm trong khoảng - 5 đến 0 V. CFD 584 cho bốn lối ra: - Hai lối ra xung logic âm, độ rộng 5 ns. - Một lối ra xung logic dương, lối này được nối với đầu vào của khối trùng phùng. - Một lối ra Blocking để tinh chỉnh. - Một lối ra time walk. Ngưỡng CFD 584 nằm trong dải - 5 mV tới -1 mV, còn ngưỡng ngoài (điều chỉnh bằng biến trở tinh chỉnh ngưỡng - threshold) nằm trong dải 0 mV tới 1 V. Khi điều chỉnh biến trở Threshold ở 0 mV, ngưỡng cắt thực tế của khối CFD 584 là -1 mV. Khi dùng CFD, điều quan trọng là chọn được ngưỡng, thời gian trễ tối ưu nhất ứng với từng chế độ và từng ứng dụng cụ thể. Ta đi nghiên cứu chi tiết từng chế độ: Biến trở điều chỉnh ngưỡng Chuyển mạch chọn các chế độ CF, SRT, LE Lối vào Lối test chọn walk và width thích hợp Lối ra phân cực dương Lối ra thời gian CF: thường được dùng với các đầu dò (như đầu dò fast plastic) có các tín hiệu lối ra thỏa mãn: thời gian tăng ngắn và độ biến thiên thời gian tăng nhỏ. Với CFD 584 có hệ số suy giảm f = 0,2 (có thể thay đổi nếu cần thiết). Chế độ này hoạt động theo phương pháp ARC (Amplitude and Risetime Compensation - kỹ thuật điều chỉnh biên độ và thời gian tăng). Do đó, thời gian trễ phải rất nhỏ. SRT: thường dùng các xung ra thỏa mãn điều kiện: độ biến thiên của thời gian tăng nằm trong dải rộng. Chế độ này phù hợp với đầu dò bán dẫn Ge. Khi hoạt động ở chế độ SRT thì ngưỡng CFD phải thấp. Nếu đặt ngưỡng cao quá sẽ có nhiều tín hiệu lối vào bị loại vì có nhiều tín hiệu cắt ngưỡng sau thời điểm tcfd. Ưu điểm của chế độ SRT là làm tăng độ phân giải thời gian nhưng có nhược điểm là làm giảm hiệu suất đếm. LE: thường dùng với đầu dò cho các xung ra nhanh, có biên độ hay thời gian tăng biến thiên nhỏ. Khi ở chế độ này thì không dùng phương pháp tỷ số cố định. Tín hiệu ra xuất hiện khi mặt trước của xung vào cắt ngưỡng CFD. 2.4. Khối biến đổi thời gian thành biên độ (Time to Amplitude Converter - TAC) 2.4.1. Sơ đồ chức năng của TAC [2] A = 1 A = 1 v v Constant – current source I Stop Start Converter Capacitor Buffer Amplifier Linear Gate Output Amplifier Output (to MCA) Constant current source: nguồn dòng không đổi. Converter capacitor: tụ của bộ biến đổi. Buffer amplifier: bộ khuếch đại đệm. Linear gate: cổng tuyến tính. Output amplifier: khuếch đại ra. Output (to MCA): lối ra ( tới MCA). Hình 2.7. Sơ đồ chức năng của TAC. 2.4.2. Nguyên tắc hoạt động của TAC Có hai loại TAC: TAC sử dụng phương pháp phủ và TAC loại “Start – Stop”. 2.4.2.1. TAC loại sử dụng phương pháp phủ Phương pháp phủ dựa trên việc cung cấp các xung “start” và “stop” có dạng vuông góc chuẩn cho bộ biến đổi và đo diện tích phủ giữa hai xung. Nếu hai xung là trùng phùng, chồng nhau hoàn toàn, trong khi đó nếu chúng được tách biệt nhau bằng biên độ xung thì không chồng nhau. Do đó, nếu xung ra được phát ra có biên độ liên quan với diện tích chồng nhau thì biến đổi thời gian thành biên độ được thực hiện. Về cơ bản sơ đồ phủ là rất nhanh so với các phương pháp khác. Tuy nhiên, TAC loại này có đặc trưng tuyến tính và độ chính xác tồi. Do đó, TAC loại này chỉ được sử dụng chủ yếu trong các ứng dụng ở đó tần số đếm cực đại được quan tâm. 2.4.2.2. TAC loại "Start - Stop" Xung “Start” bắt đầu hoạt động mạch như nạp cho một tụ nhờ một nguồn dòng không đổi. Tác động này tiếp tục cho đến khi bị dừng bằng xung “stop”. Dòng không đổi phát ra một thế răng cưa, nó bị dừng lại tại một biên độ trong khoảng thời gian giữa các xung “start” và “stop”. TAC loại này có đặc trưng tuyến tính tốt hơn so với loại sử dụng phương pháp phủ. Do đó, TAC loại này được sử dụng phổ biến trong các phép đo thời gian thông thường. Hơn thế nữa, TAC loại này có thể đạt độ chính xác cao vì nó sử dụng kỹ thuật tương tự để biến các khoảng thời gian nhỏ thành biên độ xung. Chính vì vậy, TAC này được sử dụng trong ứng dụng thời gian yêu cầu độ chính xác pico giây. Chương 3: Thực nghiệm 3.1. Khái quát chương trình thu nhận số liệu dùng 7811R và chương trình xử lý phổ OriginPro 7.5 3.1.1. Chương trình thu nhận số liệu dùng 7811R Chương trình hoạt động theo hai chế độ đo: - Chế độ MCA - Chế độ Event-Event Để chọn chế độ đo, ta Click chuột vào tab của chế độ đó. Hình 3.1. Tab chọn chế độ MCA hay Event-Event. 3.1.1.1. Chế độ MCA Chế độ này cho phép đo và hiển thị đồng thời nhiều phổ. Để phân biệt các phổ giữa các kênh khác nhau, ta có thể chọn màu cho từng phổ qua công cụ chọn màu ở góc trên bên phải của chương trình. Hình 3.2. Giao diện của chương trình trong chế độ MCA. Các thành phần trên giao diện của chương trình trong chế độ MCA - Các nút lệnh để lưu và mở phổ: Hộp đường dẫn và tên phổ Nút lưu phổ Nút mở phổ Hình 3.3. Các nút lưu và mở phổ. - Các nút chức năng để xóa phổ: Hình 3.4. Các nút để xóa phổ. - Các nút chức năng để bật tắt chế độ MCA và chọn kênh bắt đầu đo: Hình 3.5. Các nút khởi động đo. - Hộp đặt thời gian đo (đơn vị là giây): Hình3.6. Textbox đặt thời gian đo. - Hộp hiển thị sự thay đổi các tham số của kênh ADC1, ADC2 gồm dead time (thời gian chết), count rate (tốc độ đếm), live time (thời gian thực), total count (tổng số đếm). Hình 3.7. Textbox hiển thị sự thay đổi các tham số. - Các nút lệnh dùng để phóng to và thu nhỏ phổ, thay đổi vùng hiển thị: Nút bật / tắt chế độ MCA Nút bắt đầu đo cho từng kênh Hình 3.8. Các nút chức năng phóng to và thu nhỏ phổ. - Vùng hiển thị của phổ: Hình 3.9. Vùng hiển thị phổ. 3.1.1.2. Chế độ Event-Event Hình 3.10. Cửa sổ chương trình trong chế độ Event-Event. Các thành phần trên giao diện của chương trình trong chế độ Event-Event - Các nút khởi động và thoát chế độ đo: Hình 3.11. Các nút điều khiển. - Hộp textbox cho phép ghi thời gian làm chậm (Delay Time (μs)) và độ rộng xung (Pulse Width (ns)): Hình 3.12. Hộp textbox cho phép đặt thời gian làm chậm và độ rộng xung. - Hộp textbox cho phép đặt thời gian đồng hồ các ADC: Hình 3.13. Hộp textbox cho phép đặt thời gian đồng hồ các ADC. - Hộp thoại cho phép gõ đường dẫn lưu số liệu và tên file dữ liệu hiện hành: Hình 3.14. Hộp thoại lưu trữ dữ liệu. - Hộp thoại hiển thị các giá trị của ADC hiện hành trong quá trình đo: Hình 3.15. Hộp hiển thị các giá trị ADC. - Hộp hiển thị các tín hiệu, nếu đèn xanh sáng lên ở dưới TAC cho biết có TAC, còn đèn xanh sáng lên ở dưới DATA là báo cho biết có dữ liệu. Hình 3.16. Hộp thoại hiển thị tín hiệu. - Vùng hiển thị phổ tổng: Hình 3.17. Đồ thị hiển thị phổ tổng. 3.1.2. Chương trình xử lý phổ OriginPro 7.5 OriginPro 7.5 là chương trình cho phép thực hiện các công việc trong lĩnh vực phổ học, thiết kế và các lĩnh vực khác. Trong đó, công việc quan trọng là vẽ phổ và phân tích các đỉnh của phổ thu được. OriginPro 7.5 cung cấp các công cụ cần thiết để phân tích đỉnh như: - Thống kê số liệu và vẽ phổ. - Chuẩn năng lượng. - Lọc số liệu. - Tự động hay bằng tay tìm đường phông hoặc xác định đỉnh. - Khớp đỉnh bằng các hàm khớp đã thiết kế sẵn. - Xuất các đại lượng đặc trưng như độ cao đỉnh, diện tích đỉnh, độ phân giải, . . . Cửa sổ làm việc của chương trình được chỉ ra trên hình 3.18. Hình 3.18. Giao diện của chương trình OriginPro 7.5. Thanh Menu cung cấp các lệnh cho phép các thao tác trong cửa sổ như mở hay lưu một tập tin, nhập số liệu, thống kê và vẽ đồ thị, v.v… Hình 3.19. Thanh menu khi cửa sổ số liệu được chọn. Hình 3.20. Thanh menu khi cửa sổ đồ thị được chọn. Thanh công cụ và các chức năng của một số công cụ cơ bản được chỉ ra trên hình 3.21 Hình 3.21. Thanh công cụ. Để xem các đặc trưng của phổ như hình dạng, độ cao, diện tích, … của phổ hay ghi chú thích, vẽ các các hình học cơ bản thì OriginPro cung cấp thêm thanh công cụ Tools như hình 3.22. Phóng to phổ Thu nhỏ phổ Đọc độ cao đỉnh phổ Chọn vùng quan tâm của phổ để khớp Đánh văn bản Vẽ đường thẳng Vẽ mũi tên Hình 3.22. Thanh công cụ Tools. * Cách vẽ và xử lý một phổ bằng chương trình OriginPro 7.5 - Bước một: Mở chương trình OriginPro 7.5 bằng cách click đôi vào biểu tượng chương trình sau khi đã cài đặt. - Bước hai: Nhập số liệu thu được từ chương trình thu nhận số liệu dùng 7811R bằng cách click vào các nút công cụ nhập số liệu (cụ thể là nút Import ASCII ) rồi chọn tập tin cần nhập vào. - Bước ba: Thống kê các số liệu đã nhập từ bảng số liệu DATA bằng cách click chọn cột A(X) hay B(Y) rồi vào Statistics từ thanh menu, chọn Descriptive  Frequency Count… chọn From Minimum: 0 và Step Size :1  OK. Ta sẽ được một bảng thống kê COUNT. Mở một project mới Mở một trang làm việc mới Mở một trang excel mới Vẽ đồ thị mới Mở ma trận mới Các nút mở và lưu tập tin Các nút nhập số liệu Phóng to, thu nhỏ phổ - Bước bốn: Chọn cột BinCtr(X) và Count(Y) từ bảng COUNT  Plot (hay click phải và chọn Plot)  chọn các kiểu đồ thị muốn vẽ (Line: đường, scatter: điểm, …) Ta sẽ được một đồ thị biểu diễn phổ. - Bước năm: dùng các công cụ trong thanh công cụ Tools để biết các đặc trưng của phổ (nếu các số liệu đã chuẩn). + Dùng công cụ Zoom In để phóng to phần phổ cần quan sát rồi click chọn công cụ Screen Reader để xem độ cao của một vị trí bất kì nào đó. + Dùng công cụ Data Selector để chọn một vùng của phổ (đỉnh phổ). Sau đó, khớp đỉnh phổ để nhận các thông tin của nó như độ cao của đỉnh phổ, diện tích đỉnh, độ phân giải, … bằng cách chọn đỉnh phổ bằng công cụ Data Selector  Analysis từ thanh Menu  chọn hàm cần để khớp (nếu đỉnh phổ có dạng Gauss thì chọn Fit Gaussian). Ta sẽ được một đồ thị với một đỉnh phổ đã khớp lại với các thông số nêu trên. 3.2. Sơ đồ khối và nguyên lý hoạt động của phổ kế thời gian sử dụng đầu dò bán dẫn HPGe đo bức xạ gamma của nguồn 60Co 3.2.1. Sơ đồ khối GC 1518 HV 660 TFA 474 CFD 584 TAC 566 ADC 8713 I N T E R F A C E PC Inter Tech- nique 60Co TFA 474 Delay ADC 7072 CFD 584 ADC 7072 HV 660 AMP 572A AMP 572A Hình 3.23. Sơ đồ phổ kế thời gian sử dụng đầu dò bán dẫn HPGe 3.2.2. Nguyên lý hoạt động Các bức xạ gamma phát ra từ mẫu đo đến tương tác với hai đầu dò được đặt đối diện nhau. Kết quả, tại lối ra của hai đầu dò cho ra tín hiệu. Hai tín hiệu ở lối ra T (Timing) sẽ được đưa đến khối khuếch đại nhanh lọc thời gian TFA 474. Khối điện tử này sẽ có nhiệm vụ khuếch đại và tạo dạng xung cần thiết rồi đưa đến lối vào khối phân biệt ngưỡng không đổi CFD 584. Khối CFD 584 có nhiệm vụ loại trừ nhiễu, ảnh hưởng của các gamma mềm và lựa chọn thời điểm xuất hiện của các xung trùng phùng. Do đó, việc chọn lựa giá trị ngưỡng của khối CFD 584 là rất quan trọng, vì nếu thấp quá sẽ xuất hiện trùng phùng với phông gamma mềm hoặc gamma tán xạ giữ hai đầu dò, nếu cao quá thì sẽ mất các chuyển dời có năng lượng thấp. Để cho tín hiệu lối ra ở hai khối CFD 584 có sự đồng bộ thì tín hiệu trên một nhánh sẽ được làm chậm bằng khối làm chậm Delay với thời gian trễ là 40 ns rồi mới đưa đến khối biến đổi thời gian thành biến độ TAC 566. Thời gian trễ của TAC được đặt ở thang 500 ns. Với thang thời gian này thì chỉ có các sự kiện hạt nhân lệch nhau trong khoảng này thì khối TAC sẽ cho tín hiệu đến ADC 8713 và thực hiện biến đổi. Sau đó, tín hiệu được lưu trữ vào máy tính cá nhân qua card thu nhận dữ liệu Interface (Interface-NI7811R). 3.2.3. Thí nghiệm và kết quả 3.2.3.1. Mô tả thí nghiệm - Bố trí và lắp đặt hệ phổ kế thời gian như hình 3.23. - Lên cao áp cho đầu dò bán dẫn HPGe GC 1518 và Inter - Technique (1750 V và 2500 V) và chuẩn hệ đo. - Đặt nguồn 60Co hoạt độ 2,65 μCi giữa hai đầu dò. - Khởi động chương trình đo và thu nhận số liệu. - Chuẩn năng lượng cho từng kênh đo. - Xử lý: tính toán, vẽ phổ thời gian và các tham số thu được bằng chương trình OriginPro 7.5. 3.2.3.2. Kết quả S ố đ ế m Thời gian (ns) 45 nsS ố đ ế m 3.3. Sơ đồ khối và nguyên lý hoạt động của phổ kế năng lượng sử dụng đầu dò bán dẫn HPGe đo bức xạ gamma của nguồn 60Co và 22Na 3.3.1. Sơ đồ khối HPGe Detector HV 660 INTERFACE PC 60Co ADC 7072 AMP 572A Hình 3.25. Sơ đồ hệ phổ kế năng lượng sử dụng đầu dò HPGe. 3.3.2. Nguyên lý hoạt động Tín hiệu từ đầu dò HPGe GC 1518 hay Inter - Technique được đưa tới khối khuếch đại AMP 572A để khuếch đại và tạo dạng xung thích hợp cho các khối điện tử sau xử lý. Tín hiệu ra khỏi khối khuếch đại AMP 572A được đưa vào khối biến đổi tương tự thành số ADC 7072. ADC được nối với Card thu nhận dữ liệu (Interface-NI7811R) để lưu trữ và hiển thị trên máy tính cá nhân. 3.3.3. Thí nghiệm và kết quả 3.3.3.1. Mô tả thí nghiệm - Bố trí và lắp đặt hệ phổ kế năng lượng như hình 3.25. Hình 3.24. Phổ thời gian của nguồn 60Co (hoạt độ 2,65 μCi) được ghi bằng phổ kế thời gian sử dụng hai đầu dò bán dẫn HPGe với thời gian đo 113 phút, độ phân giải thời gian 45 ns. - Lên cao áp cho đầu dò bán dẫn HPGe GC 1518 hay Inter - Technique (1750 V hay 2500 V) và chuẩn hệ đo. - Đặt nguồn 60Co hay 22Na (hoạt độ 60Co 2,65 μCi hay 22Na 0,0056 μCi) trước đầu dò bán dẫn. - Khởi động chương trình đo và thu nhận số liệu. - Chuẩn năng lượng cho từng kênh đo. - Xử lý: tính toán, vẽ phổ năng lượng và các tham số thu được bằng chương trình OriginPro 7.5. 3.3.3.2. Kết quả  Nguồn 60Co hoạt độ 2,65 μCi, thời gian đo là 27 phút 32 giây. 1173 1332 Năng lượng (keV) S ố đ ế m S ố đ ế m Hình 3.26. Phổ năng lượng của nguồn 60Co (hoạt độ 2,65 μCi) được ghi bằng phổ kế năng lượng thông thường sử dụng một đầu dò bán dẫn HPGe với thời gian đo 27 phút 32 giây. 1173 Năng lượng (keV) S ố đ ế m S ố đ ế m 1332 Năng lượng (keV) S ố đ ế m S ố đ ế m Hình 3.28. Đỉnh quang 1332 keV của nguồn 60Co (hoạt độ 2,65 μCi) được ghi bằng phổ kế năng lượng thông thường sử dụng một đầu dò bán dẫn HPGe với thời gian đo 27 phút 32 giây. Bảng 3.1. Các tham số thu được từ phổ năng lượng của nguồn 60Co (hoạt độ 2,65 μCi) được ghi bằng phổ kế năng lượng thông thường sử dụng một đầu dò bán dẫn HPGe với thời gian đo 27 phút 32 giây. Năng lượng 1173 (keV) 1332(keV) Diện tích đỉnh 667576 ± 7196 602491 ± 6944 Hình 3.27. Đỉnh quang 1173 keV của nguồn 60Co (hoạt độ 2,65 μCi) được ghi bằng phổ kế năng lượng thông thường sử dụng một đầu dò bán dẫn HPGe với thời gian đo 27 phút 32 giây. Độ phân giải FWHM 3,25 ± 0,01 3,25 ± 0,01 Độ cao đỉnh 125820 112900 Tỷ số đỉnh/Compton 13,5  Nguồn 22Na hoạt độ 0,0056 μCi, thời gian đo là 52 phút 35 giây. 511 Năng lượng (keV) S ố đ ế m 1274 S ố đ ế m Hình 3.29. Phổ năng lượng của nguồn 22Na (hoạt độ 0,0056 μCi) được ghi bằng phổ kế năng lượng thông thường sử dụng một đầu dò bán dẫn HPGe với thời gian đo 52 phút 35 giây. 511 Năng lượng (keV) S ố đ ếm S ố đ ếm Hình 3.30. Đỉnh quang 511 keV của nguồn 22Na (hoạt độ 0,0056 μCi) được ghi bằng phổ kế năng lượng thông thường sử dụng một đầu dò bán dẫn HPGe với thời gian đo 52 phút 35 giây. 1274 Năng lượng (keV) S ố đ ế m S ố đ ế m Hình 3.31. Đỉnh quang 1274 keV của nguồn 22Na (hoạt độ 0,0056 μCi) được ghi bằng phổ kế năng lượng thông thường sử dụng một đầu dò bán dẫn HPGe với thời gian đo 52 phút 35 giây. Bảng 3.2. Các tham số thu được từ phổ năng lượng của nguồn 22Na (hoạt độ 0,0056 μCi) được ghi bằng phổ kế năng lượng thông thường sử dụng một đầu dò bán dẫn HPGe với thời gian đo 52 phút 35 giây. Năng lượng 511 (keV) 1274(keV) Diện tích đỉnh 5742 ± 113 1866 ± 37 Độ phân giải FWHM 3,25 ± 0,03 3,25 ± 0,03 Độ cao đỉnh 960 311 3.4. Sơ đồ khối và nguyên lý hoạt động của phổ kế năng lượng - thời gian sử dụng đầu dò bán dẫn HPGe đo bức xạ gamma của nguồn 60Co và 22Na 3.4.1. Sơ đồ khối GC 1518 HV 660 TFA 474 CFD 584 TAC 566 ADC 8713 I N T E R F A C E PC Inter Tech- nique 60Co TFA 474 Delay ADC 7072 CFD 584 ADC 7072 HV 660 AMP 572A AMP 572A Hình 3.32. Sơ đồ hệ phổ kế năng lượng - thời gian sử dụng đầu dò bán dẫn HPGe. 3.4.2. Nguyên lý hoạt động Tín hiệu từ lối ra năng lượng của hai đầu dò bán dẫn GC1518 và Inter - Technique được truyền đến lối vào của hai khối khuếch đại phổ AMP 572A. Cùng lúc đó, tín hiệu từ lối ra thời gian của hai đầu dò bán dẫn HPGe được truyền đến lối vào của hai khối khuếch đại thời gian có lọc TFA 474. Tín hiệu sau khi được hai khối khuếch đại TFA 474 khuếch đại sẽ được đưa đến lối vào của hai khối phân biệt ngưỡng không đổi CFD 584. Tín hiệu của lối ra của hai khối CFD 584 sẽ đưa đến hai lối vào của khối TAC 566 (cổng Start và cổng Stop). Tuy nhiên, trong hai đường tín hiệu trên thì có một đường tín hiệu được làm chậm bằng cách cho qua khối Delay (với thời gian làm chậm là 40 ns) trước khi vào khối TAC 566 để hai tín hiệu lệch nhau một khoảng thời gian (trong khoảng 500 ns). Trong khi đó, tín hiệu ra từ hai khối khuếch đại phổ AMP 572A được dẫn đến lối vào của hai khối ADC 7072. Cổng ra của khối TAC 566 được nối với khối ADC 8713 để truyền tín hiệu khi TAC đã biến đổi tín hiệu thời gian. Lối ra của ba ADC đều được nối với card thu nhận dữ liệu Interface. Lối ra Valid ST được nối với card thu nhận dữ liệu Interface (Interface-NI7811R) để tác động vào Gate của ba ADC cho phép quá trình biến đổi (khi hình thành xung dương TTL có độ rộng thay đổi từ 5 đến 20 μs); cho phép các ADC thực hiện phép biến đổi mới nếu có xung vào ADC (khi hình thành xung âm TTL có độ rộng 250 ns) và khởi phát chu trình đọc ghi. Sau đó, các tín hiệu sẽ được truyền đến máy tính cá nhân để lưu trữ thông qua khối thu nhận dữ liệu Interface. 3.4.3. Thí nghiệm và kết quả 3.4.3.1. Mô tả thí nghiệm - Bố trí và lắp đặt hệ phổ kế năng lượng - thời gian như hình 3.32. - Lên cao áp cho đầu dò bán dẫn HPGe GC 1518 và Inter - Technique (1750 V và 2500 V) và chuẩn hệ đo. - Đặt nguồn 60Co hay 22Na (hoạt độ 60Co 2,65 μCi hay 22Na 0,0056 μCi) giữa hai đầu dò bán dẫn. - Khởi động chương trình đo và thu nhận số liệu. - Chuẩn năng lượng cho từng kênh đo. - Xử lý: tính toán, vẽ phổ năng lượng và các tham số thu được bằng chương trình OriginPro 7.5. 3.4.3.2. Kết quả 3.4.3.2.1. Kết quả thí nghiệm ghi phổ năng lượng gamma của nguồn 60Co và 22Na bằng phổ kế năng lượng - thời gian sử dụng đầu dò HPGe với phương pháp trùng phùng thường  Đối với 60Co hoạt độ là 2,65 μCi, thời gian đo 113 phút. S ố đ ế m Năng lượng (keV) 1173 1332 S ố đ ế m Hình 3.33. Phổ năng lượng của nguồn 60Co (hoạt độ 2,65 μCi) được ghi bằng phổ kế năng lượng - thời gian sử dụng đầu dò bán dẫn HPGe GC 1518, Inter-Technique và khối TAC 566 với thời gian đo 113 phút. S ố đ ế m Năng lượng (keV) 1332 S ố đ ế m Hình 3.35. Đỉnh quang 1332 keV của nguồn 60Co (hoạt độ 2,65 μCi) được ghi bằng phổ kế năng lượng - thời gian sử dụng đầu dò bán dẫn HPGe GC 1518, Inter-Technique và khối TAC 566 với thời gian đo 113 phút. Bảng3.3. Các tham số thu được từ phổ năng lượng của nguồn 60Co (hoạt độ 2,65 μCi) được ghi bằng phổ kế năng lượng - thời gian sử dụng đầu dò bán dẫn HPGe GC 1518, Inter-Technique và khối TAC 566 với thời gian đo 113 phút. S ố đ ế m Năng lượng (keV) 1173 S ố đ ế m Hình 3.34. Đỉnh quang 1173 keV của nguồn 60Co (hoạt độ 2,65 μCi) được ghi bằng phổ kế năng lượng - thời gian sử dụng đầu dò bán dẫn HPGe GC 1518, Inter- Technique và khối TAC 566 với thời gian đo 113 phút. Năng lượng 1173 (keV) 1332 (keV) Diện tích đỉnh 23492 ± 792 21040 ± 1305 Độ phân giải FWHM 2,84 ± 0,08 2,84 ± 0,02 Độ cao đỉnh 6914 5709 Tỷ số đỉnh/Compton 38,3  Đối với 22Na hoạt độ 0,0056 μCi, thời gian đo 13 giờ 28 phút. S ố đ ế m Năng lượng (KeV) 511 1274 S ố đ ế m Năng lượng (keV) 511 1274 S ố đ ế m S ố đ ế m S ố đ ế m Hình 3.36. Phổ năng lượng của nguồn 22Na (hoạt độ 0,0056 μCi) được ghi bằng phổ kế năng lượng - thời gian sử dụng đầu dò bán dẫn HPGe GC 1518, Inter-Technique và khối TAC 566 với thời gian đo 13 giờ 28 phút. Bảng 3.4. Các tham số thu được từ phổ năng lượng của nguồn 22Na (hoạt độ 0,0056 μCi) được ghi bằng phổ kế năng lượng - thời gian sử dụng đầu dò bán dẫn HPGe GC 1518, Inter-Technique và khối TAC 566 với thời gian đo 13 giờ 28 phút. Năng lượng (keV) 511 (keV) 1274 (keV) Diện tích đỉnh 12674± 231 329 ± 58 Độ phân giải FWHM 2,84 ± 0,07 2,84 ± 0,05 Độ cao đỉnh 2393 115 3.4.3.2.2. Kết quả thí nghiệm ghi phổ năng lượng gamma của nguồn 60Co và 22Na bằng phổ kế năng lượng - thời gian sử dụng đầu dò HPGe với phương pháp cộng biên độ các xung trùng phùng Với cấu hình đo và thời gian đo như nhau, bằng phương pháp cộng biên độ các xung trùng phùng thì phổ năng lượng của nguồn 60Co và 22Na thu được có nền Compton được hạ xuống rất thấp. Kết quả, tỷ số đỉnh/Compton đạt giá trị rất cao.  Đối với 60Co hoạt độ 2,65 μCi, thời gian đo 113 phút. S ố đ ế m Năng lượng (keV) 1173 1332 S ố đ ế m Hình 3.39. Phổ năng lượng của nguồn 60Co (hoạt độ 2,65 μCi) được ghi bằng phổ kế năng lượng - thời gian sử dụng đầu dò bán dẫn HPGe GC 1518, Inter-Technique và khối TAC 566 với thời gian đo 113 phút (dùng phương pháp cộng biên độ các xung trùng phùng). S ố đ ế m Năng lượng (keV) 1173 S ố đ ế m Hình 3.40. Đỉnh quang 1173 keV của nguồn 60Co (hoạt độ 2,65 μCi) được ghi bằng phổ kế năng lượng - thời gian sử dụng đầu dò bán dẫn HPGe GC 1518, Inter-Technique và khối TAC 566 với thời gian đo 113 phút (dùng phương pháp cộng biên độ các xung trùng phùng). S ố đ ế m Năng lượng (keV) 1332 Bảng 3.5. Các tham số thu được từ phổ năng lượng của nguồn 60Co (hoạt độ 2,65 μCi) được ghi bằng phổ kế năng lượng - thời gian sử dụng đầu dò bán dẫn HPGe GC 1518, Inter-Technique và khối TAC 566 với thời gian đo 113 phút (dùng phương pháp cộng biên độ các xung trùng phùng). Năng lượng (keV) 1173 (keV) 1332 (keV) Diện tích đỉnh 2300± 132 3626 ± 65 Hình 3.41. Đỉnh quang 1332 keV của nguồn 60Co (hoạt độ 2,65 μCi) được ghi bằng phổ kế năng lượng - thời gian sử dụng đầu dò bán dẫn HPGe GC 1518, Inter-Technique và khối TAC 566 với thời gian đo 113 phút (dùng phương pháp cộng biên độ các xung trùng phùng). Độ phân giải FWHM 2,84 ± 0,09 2,84 ± 0,05 Độ cao đỉnh 1562 804 Tỷ số đỉnh/Compton 4542  Đối với 22Na hoạt độ 0,0056 μCi, thời gian đo 13 giờ 28 phút . S ố đ ế m Năng lượng (keV) 511 1274 S ố đ ế m S ố đ ế m Năng lượng (keV) 511 Hình 3.42. Phổ năng lượng của nguồn 22Na (hoạt độ 0,0056 μCi) được ghi bằng phổ kế năng lượng - thời gian sử dụng đầu dò bán dẫn HPGe GC 1518, Inter- Technique và khối TAC 566 với thời gian đo 13 giờ 28 phút (dùng phương pháp cộng biên độ các xung trùng phùng). Hình 3.43. Đỉnh quang 511 keV của nguồn 22Na (hoạt độ 0,0056 μCi) được ghi bằng phổ kế năng lượng - thời gian sử dụng đầu dò bán dẫn HPGe GC 1518, Inter-Technique và khối TAC 566 với thời gian đo 13 giờ 28 phút (dùng phương pháp cộng biên độ các xung trùng phùng). S ố đ ế m Năng lượng (keV) 1274 S ố đ ế m Bảng 3.6. Các tham số thu được từ phổ năng lượng của nguồn 22Na (hoạt độ 0,0056 μCi) được ghi bằng phổ kế năng lượng - thời gian sử dụng đầu dò bán dẫn HPGe GC 1518, Inter-Technique và khối TAC 566 với thời gian đo 13 giờ 28 phút (dùng phương pháp cộng biên độ các xung trùng phùng). Năng lượng (keV) 511 (keV) 1274 (keV) Diện tích đỉnh 9374± 101 300 ± 13 Độ phân giải FWHM 2,84 ± 0,03 2,84 ± 0,09 Độ cao đỉnh 1882 101 3.5. So sánh phổ năng lượng từ phổ kế năng lượng thường và phổ năng lượng từ phổ kế năng lượng - thời gian sử dụng đầu dò bán dẫn HPGe 3.5.1. So sánh phổ năng lượng từ phổ kế năng lượng sử dụng một đầu dò bán dẫn HPGe và phổ năng lượng từ phổ kế năng lượng - thời gian (sử dụng phương pháp trùng phùng thường) Hình 3.44. Đỉnh quang 1274 keV của nguồn 22Na (hoạt độ 0,0056 μCi) được ghi bằng phổ kế năng lượng - thời gian sử dụng đầu dò bán dẫn HPGe GC 1518, Inter-Technique và khối TAC 566 với thời gian đo 13 giờ 28 phút (dùng phương pháp cộng biên độ các xung trùng phùng). 800 1000 1200 1400 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 11000 12000 13000 S o de m Nang luong (keV) Năng lượng ( keV) Số đế m 2 1 1173 1332 S o de m Số đế m Từ hình 3.45, bảng 3.1 và bảng 3.3 ta nhận thấy với phổ kế năng lượng - thời gian thì phổ năng lượng thu được có nền Compton hạ thấp hơn đáng kể. Cụ thể, tỷ số đỉnh trên Compton đối với phổ năng lượng thu được bằng phổ kế năng lượng thường dùng một đầu dò bán dẫn HPGe là 13,5 còn phổ năng lượng thu được bằng phổ kế năng lượng - thời gian đạt 38,3. Tuy nhiên, thời gian đo bằng hệ phổ kế năng lượng - thời gian lâu hơn khi đo bằng hệ phổ kế năng lượng thông thường dùng một đầu dò bán dẫn HPGe vì hệ phổ kế này đã loại bỏ các sự kiện không trùng phùng và sự kiện trùng phùng ngẫu nhiên. 3.5.2. So sánh phổ năng lượng từ phổ kế năng lượng - thời gian sử dụng phương pháp trùng phùng thường và phổ năng lượng từ phổ kế năng lượng - thời gian sử dụng phương pháp cộng biên độ các xung trùng phùng Hình 3.45. Phổ năng lượng của nguồn 60Co (hoạt độ 2,65 μCi) được ghi bằng phổ kế năng lượng thường dùng một đầu dò bán dẫn HPGe (1) và phổ kế năng lượng - thời gian sử dụng phương pháp trùng phùng thông thường (2). 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 Năng lượng ( keV) Số đế m 2 3 1173 1332 Số đế m Từ hình 3.46, bảng 3.3 và bảng 3.5 ta có nhận xét: khi ghi phổ năng lượng của nguồn 60Co với thời gian đo và cấu hình hệ đo là như nhau nhưng sử dụng hai phương pháp khác nhau thì với phương pháp cộng biên độ các xung trùng phùng cho phổ năng lượng có nền Compton gần như không còn và các đỉnh quang được hiện ra rất rõ trên nền Compton rất thấp. Do đó, tỷ số đỉnh trên Compton đạt giá trị rất lớn. Cụ thể, tỷ số đỉnh trên Compton đối với phương pháp cộng biên độ các xung trùng phùng đạt 4542, trong khi đó với phương pháp trùng phùng thông thường chỉ đạt 38,3. Như vậy, tỷ số đỉnh trên Compton khi ghi bằng phổ kế năng lượng - thời gian sử dụng phương pháp cộng biên độ các xung trùng phùng lớn hơn tỷ số đỉnh trên Compton khi ghi bằng phổ kế năng lượng - thời gian sử dụng phương pháp trùng phùng thường là 118,6 lần. Điều đó cho thấy ưu điểm rất lớn của phương pháp cộng biên độ các xung trùng phùng khi ghi nhận bằng hệ phổ kế năng lượng - thời gian sử dụng đầu dò bán dẫn HPGe và việc phổ biến hệ phổ kế này là cần thiết. Hình 3.46. Phổ năng lượng của nguồn 60Co (hoạt độ 2,65 μCi) được ghi bằng phổ kế năng lượng - thời gian dùng hai đầu dò bán dẫn HPGe sử dụng phương pháp trùng phùng thông thường (2) và phương pháp cộng biên độ các xung trùng phùng (3). Kết luận Qua quá trình khảo sát và tiến hành các thí nghiệm trên hệ phổ kế năng lượng - thời gian sử dụng đầu dò bán dẫn HPGe tại Viện Nghiên Cứu Hạt Nhân Đà Lạt, tác giả đã tìm hiểu và nắm được những vấn đề sau: - Nắm được các nguyên tắc cơ bản về an toàn bức xạ khi làm việc với các nguồn phóng xạ. - Tìm hiểu và biết được nguyên tắc hoạt động cơ bản cũng như những chức năng chính của các khối điện tử trong hệ phổ kế năng lượng - thời gian sử dụng đầu dò bán dẫn HPGe. - Biết được cách kết nối các khối điện tử trong hệ phổ kế năng lượng - thời gian sử dụng đầu dò bán dẫn HPGe. - Biết cách lên cao thế cho các đầu dò bán dẫn, khởi động cũng như chọn các thông số thích hợp cho các khối điện tử. - Tìm hiểu và nắm được cách sử dụng các phần mềm thu nhận số liệu và phần mềm xử lý số liệu ở Viện Nghiên Cứu Hạt Nhân Đà Lạt. - Tìm hiểu và nắm được phương pháp trùng phùng và phương pháp cộng biên độ các xung trùng phùng để hạ thấp nền Compton trong phổ năng lượng ghi nhận được. - Sự cần thiết của việc khảo sát hệ phổ kế năng lượng - thời gian sử dụng đầu dò bán dẫn HPGe. Vì hệ phổ kế này có những ưu điểm sau: + Ghi phổ năng lượng có tính chọn lọc dựa vào tương quan thời gian giữa các bức xạ gamma trùng phùng (chỉ ghi nhận các bức xạ gamma trùng phùng). Kết quả là nền Compton được hạ thấp và làm các đỉnh quang được hiện ra rõ nét trên nền Compton đó. + Với số liệu ghi nhận được bằng hệ phổ kế năng lượng - thời gian sử dụng đầu dò bán dẫn HPGe được xử lý bằng phương pháp cộng biên độ các xung trùng phùng thì phổ năng lượng sẽ được cải thiện. Cụ thể là nền Compton sẽ được hạ thấp rất nhiều so với phương pháp trùng phùng thông thường. + Ngoài việc ghi nhận phổ năng lượng, hệ phổ kế năng lượng - thời gian sử dụng đầu dò bán dẫn HPGe còn ghi nhận được phổ thời gian của các bức xạ gamma trùng phùng. Tuy nhiên, phân giải năng lượng của phổ thời gian là không tốt lắm. Vì ở đây tác giả đang quan tâm đến việc ghi nhận năng lượng là chính (tức là đòi hỏi phân giải năng lượng phải tốt). Trong khi đó, giữa năng lượng và thời gian cần có sự thỏa hiệp nghĩa là nếu phân giải năng lượng tốt thì phân giải thời gian là tồi và ngược lại. Từ đó, chúng ta thấy được sự cần thiết của việc khảo sát hệ phổ kế năng lượng - thời gian sử dụng đầu dò bán dẫn HPGe vì việc kết nối, vận hành và chọn các thông số cho hệ đo là rất quan trọng. Qua luận văn này, tác giả hy vọng có thể đóng góp một phần vào việc phổ biến cách sử dụng hệ phổ kế năng lượng - thời gian sử dụng đầu dò bán dẫn HPGe cho những người nghiên cứu trong lĩnh vực hạt nhân hay ứng dụng kỹ thuật hạt nhân vào các lĩnh vực khác. Cuối cùng, tác giả chân thành cảm ơn PGS. TS Đinh Sỹ Hiền, các cán bộ của phòng Vật Lý và Điện Tử Hạt Nhân - Viện Nghiên Cứu Hạt Nhân Đà Lạt đã giúp đỡ tác giả hoàn thành luận văn này. TàI LIệU THAM KHảO [1]. Nguyễn Xuân Hải và các cộng sự (12/2006), Nghiên cứu thiết kế chế tạo card thu nhận số liệu cho hệ phổ kế cộng biên độ các xung trùng phùng, Báo cáo tổng kết đề tài khoa học công nghệ cấp cơ sở năm 2006, Đà Lạt. [2]. Đinh Sỹ Hiền (2005), Điện tử hạt nhân: Đầu dò bán dẫn và xử lý tín hiệu, Đại Học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh, Đại Học Khoa Học Tự Nhiên Tp Hồ Chí Minh. [3]. Phạm Đình Khang và Nguyễn Xuân Hải (2007), Hướng dẫn cho người bắt đầu xử lý số liệu với Origin, Đà Lạt. [4]. Nguyễn Xuân Kiên (2006), Một số kết quả nghiên cứu phân rã gamma nối tầng của hạt nhân Cl36 bằng phương pháp cộng biên độ các xung trùng phùng, Hà Nội. [5]. Trương Văn Minh (2008), Phản ứng 35Cl(n,2)36Cl và một số vấn đề liên quan đến mật độ mức của 36Cl, Đà Lạt. [6]. Nguyễn Hoàng Xuân Phúc (2009), Một số vấn đề về hệ thống xử lý thời gian của hệ đo cộng biên độ các xung trùng phùng tại lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt, Đà Lạt. [7]. Vương Hữu Tấn và các cộng sự (12/2009), Nghiên cứu phát triển hệ thống phổ kế hạt nhân đo trên chùm nơtron phục vụ nghiên cứu chuyển dời gamma nối tầng, đo đạc số liệu hạt nhân và các ứng dụng liên quan, Báo cáo tổng kết đề tài khoa học công nghệ cấp bộ năm 2007 - 2009, Đà Lạt. [8]. Vương Hữu Tấn và các cộng sự (12/2006), Nghiên cứu cường độ chuyển dời gamma nối tầng và sơ đồ mức kích thích vùng năng lượng trung gian của các hạt nhân 135Sm, 182Ta, 59Ni và 239U bằng phương pháp cộng biên độ các xung trùng phùng, Báo cáo tổng kết đề tài khoa học công nghệ cấp bộ năm 2005 - 2006, Đà Lạt. [9]. Canberra (2006), Timing and Coincidence Counting Systems. [10]. EG & Ortec Catalog (1995), Modular Pulse Processing Electrics and Semiconductor radiation detectors, USA. [11]. Ortec (2002), Constant-Fraction Discriminator operating and service manual - 584, USA. PHụ LụC 1. Sơ đồ kết nối các khối điện tử của hệ phổ kế năng lượng - thời gian sử dụng đầu dò bán dẫn HPGe Sơ đồ kết nối các khối điện tử (mặt sau). Chú ý: Các khối điện tử đều được cung cấp nguồn nuôi riêng. 1 2 3 4 5 Detector 1 2 3 4 5 DetectorInterface PC Delay box In Out 1 2 3 4 5 Detector C á p C á p Nguồn Interface 1 2 3 4 5 Detector 2. Các thông số setup của hệ phổ kế năng lượng - thời gian sử dụng đầu dò bán dẫn HPGe tại lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt Cao thế cho hai đầu dò bán dẫn GC 1518 và Inter-Technique là 1750V và 2500 V. Khối TFA 474 (thứ nhất) Khối TFA 474 (thứ hai) + Coarse Gain: x1 x6 + Fine Gain : 12,5 ns 6,25 ns + Intergrate : Out Out + Diff : 200 ns 200 ns + Input : Inv Non - Inv Khối CFD 584 (thứ nhất) Khối CFD 584 (thứ hai) + Threshold: 0,6 0,6 + Mode : SRT SRT + CF Delay : 40 ns 40 ns + Timing Output : nối với Start của TAC nối với Stop của TAC Khối TAC 566 + Range : 50 ns + Multiplier: 10 + Mode : Int + TAC Output: nối với ADC 8713 Khối ADC 8713 : Gain/Range 1K - 4K , Deadtime = 0. Khối Amp 572A (thứ nhất) Khối Amp 572A (thứ hai) + Gain : 12.26 3.75 + Coarse Gain : 20 100 + Shaping Time: 3 μs 3 μs + Input : POS NEG +UNI : nối với ADC 7072 nối với ADC 7072 3. Số liệu thu được từ hệ phổ kế năng lượng - thời gian sử dụng hai đầu dò bán dẫn HPGe (ghi phổ năng lượng gamma trùng phùng và phổ thời gian của 60Co) Các khối điện tử và kết nối của hệ phổ kế năng lượng - thời gian sử dụng đầu dò bán dẫn HPGe ở lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt. 4. Phương pháp cộng biên độ các xung trùng phùng Phương pháp cộng biên độ các xung trùng phùng là biến tướng của phương pháp trùng phùng gamma – gamma. Phương pháp trùng phùng gamma – gamma để nghiên cứu phân rã gamma nối tầng ban đầu được sử dụng với các đầu dò nhấp nháy, sau đó các đầu dò nhấp nháy được thay thế bởi đầu dò bán dẫn HPGe. Phương pháp trùng phùng cộng biên độ hiện nay đã được cải tiến và có sự khác biệt là dữ liệu được lưu trữ, xử lý bằng máy tính, phương pháp cho phép làm tốt độ phân giải năng lượng của phổ kế lên đến 2 lần mà không làm giảm hiệu suất ghi trùng phùng. Cơ sở của phương pháp cộng biên độ các xung trùng phùng là ở chỗ đầu dò bán dẫn HPGe biến đổi tuyến tính năng lượng bức xạ gamma thành biên độ tín hiệu đo. Tổng năng lượng E1 và E2 của hai dịch chuyển gamma liên tiếp E1 + E2 = Ei – Ef được xác định chỉ bởi các năng lượng Ei và Ef của mức phân rã (i) và mức tạo thành sau dịch chuyển nối tầng hai gamma (f), nó không phụ thuộc vào năng lượng của trạng thái kích thích trung gian. Khi đó, các trường hợp ghi dịch chuyển nối tầng mà xảy ra sự hấp thụ đồng thời toàn bộ năng lượng hai tia gamma ở cả hai đầu dò sẽ dẫn đến xuất hiện các đỉnh tổng biên độ các xung trùng phùng. Sự hấp thụ không hoàn toàn năng lượng dù là của một trong các lượng tử gamma sẽ làm dịch chuyển đỉnh tổng biên độ về miền năng lượng thấp hơn và tạo nên phân bố liên tục Năng lượng 1 Năng lượng 2 Thời gian Năng lượng 1 Năng lượng 2 Thời gian Năng lượng 1 Năng lượng 2 Thời gian 1154 843 0 1196 1098 0 1307 764 172 1313 578 0 550 1109 0 839 1019 173 928 490 0 985 1018 0 445 1315 0 881 1167 0 934 1133 0 1022 399 0 1153 965 0 1115 1153 0 795 338 0 615 1050 0 1148 611 0 804 1313 0 1102 688 0 927 912 0 891 1017 0 1275 951 0 1183 1152 0 1151 540 0 866 1155 0 816 982 178 1151 611 0 1155 1029 214 977 971 0 1079 949 0 925 724 0 436 1150 0 877 422 0 865 1129 0 1152 1107 171 1196 1153 167 827 1154 0 1143 1153 0 1313 550 0 1021 523 0 725 1104 0 944 331 0 838 1314 0 1146 1157 183 1583 693 0 869 485 0 567 1310 0 1314 679 0 577 1005 217 663 956 0 914 956 0 933 724 0 1315 1153 157 1006 900 0 657 863 0 875 983 0 750 313 426 1506 448 0 941 1155 0 1152 1021 0 1156 810 0 1151 631 0 996 1153 0 1152 1310 0 651 852 0 1100 1136 0 1008 1312 0 947 561 0 ….. ….. ….. tương ứng. Vì vậy, ta có thể dễ dàng tách ra từ tập hợp các trùng phùng gamma – gamma chỉ những trường hợp khi mà toàn bộ năng lượng của dịch chuyển nối tầng bị hấp thụ hoàn toàn trong hai đầu dò. Về cơ bản, phương pháp trùng phùng cộng biên độ vẫn dựa trên phương pháp trùng phùng gamma – gamma là một trong những phương pháp kinh điển của vật lý hạt nhân thực nghiệm. Hệ ghi chỉ ghi nhận thông tin khi cả hai đầu dò có xung ra đồng thời (chính xác là thời điểm xuất hiện của hai xung lệch nhau một khoảng thời gian nhỏ hơn khoảng thời gian định trước của hệ đo - được gọi là cửa sổ thời gian của hệ trùng phùng). Nguyên lý của phương pháp này như sau : Giả sử tồn tại sơ đồ phân rã như hình bên. Trong nghiên cứu thực nghiệm rõ ràng là có khả năng tồn tại trùng phùng giữa A và B, còn khả năng trùng phùng giữa A và C hoặc giữa B và C là rất khó có thể xảy ra. Những hạn chế của phương pháp trùng phùng như trên : - Hiệu suất ghi trùng phùng thấp. - Không có khả năng xác định thứ bậc chuyển dời. - Do quá trình tán xạ, huỷ cặp của những chuyển dời có năng lượng lớn và tỷ số diện tích đỉnh trên diện tích phông nhỏ, nên độ tin cậy giảm đi. 5. Cách dùng Origin Pro 7.5 để chuẩn số liệu, tạo phổ tổng và phổ vi phân nối tầng bậc hai Bước 1 : FileImportSimple Single ASCII Chọn tập số liệu cần mở để nhập số liệu vào bảng. Bước 2 : Chọn cột số liệu thứ nhất chọn StatisticsDescriptive StatisticsFrequency count để mở hộp thoại Count. A B C 1 2 3 2 1 0 γ1 γ1 γ2 γ3 Bước 3 : Trong hộp thoại Count gõ Step size 2 sau đó bấm OK. Bước 4 : Chọn Cột Count(Y và vẽ đồ thị bằng cách chọn Plot->Line. Bước 5 : Chọn Tools PickPeaks để mở hộp thoại Pick Peak thay đổi các tham số trong hộp thoại để tìm các đỉnh trong phổ. Bước 6 : Mở cửa sổ Peak vừa tìm được và chọn cột PkType gõ các giá trị năng lượng chuẩn vào các vị trí tương ứng với các đỉnh trong bảng. Bước 7 : Chọn cột PkType(YChọn ColumnSet as Y. Bước 8 : Chọn cột Pkx(XChọn ColumnSet as X. Bước 9 : Vẽ đồ thị hai cột trên bằng cách chọn hai cột PlotScatter. Bước 10 : Chọn AnalysisFit Polynominal để khớp và xem hàm khớp. Bước 11 : Sử dụng hàm chuẩn vừa tìm được cho kênh thứ nhất và hiệu chỉnh lại các giá trị code trong cột thứ nhất (giá trị để vào cột thứ 3. Bước 12 : Lặp lại các bước trên cho cột thứ hai. Bước 13 : Sau khi đã có hai cột số liệu hiệu chỉnh, cộng các cặp số liệu trong hai cột đã hiệu chỉnh sau đó dùng công cụ thống kê để vẽ phổ tổng. Bước 14 : Từ phổ tổng ta lấy giá trị Et tại đỉnh tổng và ΔE chính là giá trị nữa độ cao của đỉnh tổng bằng công cụ Green reader. Bước 15 : Lọc các giá trị E1i và E2i với E1i + E2i = Et ± ΔE trong hai cột đã hiệu chỉnh và ghép các giá trị E1i và E2i đã lọc thành một cột. Bước 16 : Thống kê các giá trị đã lọc và vẽ phổ vi phân nối tầng bậc hai.