Luận án nghiên cứu thiết kế và chế tạo thiết bị ghi đo bức xạ hiện trường sử dụng kỹ thuật xử lý tín hiệu số (dsp) vào mảng các phần tử logic lập trình (fpga)

Chương 2: Thiết kế, chế tạo detector nhấp nháy sử dụng PIN photodiode và hệ thống xử lý số tín hiệu dựa trên mảng linh kiện lập trình: Cơ sở khoa học của việc lựa chọn, tính toán và thiế

Để làm chủ trong lĩnh vực nghiên cứu thiết kế, chế tạo các hệ thống trinh sát phóng

xạ trang bị cho Quân đội, đề tài nghiên cứu: “Nghiên cứu thiết kế và chế tạo thiết bị

ghi đo bức xạ hiện trường sử dụng kỹ thuật xử lý tín hiệu số (DSP) vào mảng các phần tử logic lập trình (FPGA)” được NCS chọn lựa

2 Mục tiêu của luận án

Mục tiêu luận án là nghiên cứu chế tạo hệ phân tích phổ gamma - thành phần chính của hệ trinh sát phát hiện phóng xạ Như vậy, các việc cần làm là:

i) Chế tạo detector nhấp nháy tiêu thụ ít năng lượng và nhỏ gọn;

ii) Chế tạo hệ phân tích phổ trên cơ sở DPP

Cụ thể là:

- Thiết kế, chế tạo detector nhấp nháy sử dụng APD thay cho PMT để giảm khối lượng, kích thước của detector Trong detector chứa tinh thể nhấp nháy loại CsI(Tl) hoặc LaBr3(Ce), APD, tiền khuếch đại, khuếch đại và khối nguồn nuôi

- Nghiên cứu, xây dựng phương pháp nhằm áp dụng detector trong điều kiện hiện trường (outdoor) với điều kiện nhiệt độ và độ ẩm thay đổi mạnh, cường độ sóng điện,

từ trường lớn

- Thiết kế, chế tạo hệ phân tích phổ đa kênh sử dụng kỹ thuật xử lý số

3 Nội dung cần thực hiện

Với mục tiêu tổng quát nêu trên, luận án cần giải quyết các nội dung sau:

2

1 Lựa chọn các loại vật liệu nhấp nháy, tính toán và thiết kế các hệ detector với các tinh thể nhấp nháy loại CsI(Tl) và LaBr3(Ce), sử dụng APD thay cho PMT truyền thống

2 Thiết kế các thuật toán cho DMCA dựa trên FPGA Thử nghiệm các hàm lọc số bằng các ngôn ngữ lập trình khác nhau như VDHL, C++, MATLAB và LabView,… để lựa chọn firmware cài đặt Các chương trình có thể được thử nghiệm trên hệ mô phỏng với bộ xung mẫu (dựng bằng kỹ thuật mô phỏng và thu thập từ một loại detector cụ thể)

3 Thiết kế phần cứng của hệ detector và hệ điện tử theo yêu cầu của bài toán đo

4 Xây dựng phương pháp hiệu chỉnh phổ cho detector nhấp nháy với hệ điện tử được thiết kế

5 Đánh giá các đặc trưng kỹ thuật của các thiết bị được chế tạo

4 Ý nghĩa khoa học của luận án

385 V, điện trở bias 100 MΩ và hằng số thời gian tạo dạng 8 µs

- Hệ detector nhấp nháy bao gồm tinh thể LaBr3(Ce) + S8664-1010 + eV 5093, độ phân giải đạt được là 4,02% với nguồn 137Cs với các tham số được thiết lập: Điện áp bias là 345 V, điện trở bias 200 MΩ và hằng số thời gian tạo dạng 1 µs

3

Về hệ thống DMCA:

Đã chế tạo loại DMCA có hiệu năng cao và điều chỉnh tùy biến phụ thuộc vào mục đích sử dụng Tất cả các thuật toán phân tích xung kết hợp với bộ lọc FIR và CR đều được tích hợp trong FPGA

Về hệ thống ổn định phổ:

Phương pháp ổn định phổ cho kết quả rất khả quan, sai số tương đối giữa vị trí đỉnh sau khi hiệu chỉnh và vị trí đỉnh tại nhiệt độ tham chiếu < 2% trong toàn bộ dải nhiệt độ khảo sát từ 0,4℃ đến 45℃

5 Giá trị thực tiễn của luận án

- Đảm bảo khả năng nội địa hóa, chủ động chế tạo với khả năng sản xuất nhanh và

ổn định, bảo trì và bảo dưỡng hệ phân tích phổ

- Khả năng cung cấp cho thị trường nội địa không chỉ trong phạm vi sản phẩm quốc phòng mà còn có cả tiềm năng phát triển thiết bị ghi đo phóng xạ, hạt nhân trong lĩnh vực y tế và đào tạo

6 Bố cục của luận án

Luận án gồm phần Mở đầu, 3 Chương chính và phần Kết luận bao gồm:

Chương 1: Nhu cầu thực tiễn và tình hình nghiên cứu thiết kế chế tạo trang thiết

bị trinh sát phát hiện phóng xạ: Tổng quan tình hình và kết luận về các kết quả nghiên cứu đã có trên thế giới và trong nước Lựa chọn các mục tiêu cụ thể và phương hướng chế tạo trang thiết bị trinh sát phát hiện phóng xạ hiện trường

Chương 2: Thiết kế, chế tạo detector nhấp nháy sử dụng PIN photodiode và hệ thống xử lý số tín hiệu dựa trên mảng linh kiện lập trình: Cơ sở khoa học của việc lựa chọn, tính toán và thiết kế hệ detector nhấp nháy sử dụng PIN photodiode; Giải quyết vấn đề chế tạo bộ phân tích đa kênh kỹ thuật số dựa trên cơ sở các bộ giải thuật xung số; Phương thức giải quyết vấn đề dịch chuyển phổ bức xạ gamma của detector nhấp nháy (thay đổi vị trí và độ rộng đỉnh),

Chương 3: Các kết quả chế tạo trang thiết bị trinh sát phát hiện phóng xạ và thảo luận

4

Kết luận

Kiến nghị

Danh mục các công trình công bố liên quan đến luận án

Tài liệu tham khảo

Phụ lục

xạ và máy đo phổ (nếu lấy tổng diện tích phổ thì cung cấp được thông tin như máy đếm tia bức xạ - thông qua phương pháp chuyển phổ thành liều) Số liệu thu được có thể là

số đếm, tốc độ đếm hoặc phổ tia bức xạ (phân bố số đếm theo năng lượng), cũng có thể được chuyển sang liều bức xạ hoặc suất liều bức xạ Các máy đếm tia bức xạ nói chung

có cấu trúc đơn giản, thường là 1 ống đếm GM kết hợp với bộ đếm xung và hiển thị Các máy đo phổ thì phức tạp hơn về detector, tiền khuếch đại, khuếch đại phổ và hệ thống phân tích phổ biên độ xung và lưu trữ

Ngày nay các thiết bị trinh sát phát hiện phóng xạ, hạt nhân được sử dụng phổ biến

ở các quốc gia trên thế giới, kể cả các nước chưa có cơ sở hạ tầng hạt nhân, đặc biệt là các hệ thống quan trắc phóng xạ môi trường (ERMSs) Hiện nay có rất nhiều các cấu hình của thiết bị trinh sát phát hiện phóng xạ, hạt nhân được phát triển trên thế giới [1-7] Ví dụ, Tachimori Ohba và các cộng sự đã thiết kế thuật toán và mạch chuyển đổi suất liều chiếu từ detector sử dụng tinh thể NaI(Tl) thành hệ thống đo suất liều chiếu sử dụng trong lò phản ứng nước nhẹ [1] Trong khi đó, các công trình [2, 3] phát triển thiết

bị quan trắc cầm tay kết nối mạng đo theo thời gian thực, thiết bị này sử dụng đường thuê bao kỹ thuật số (DSL) và các kỹ thuật định dạng internet di động (IP) Sau sự cố tại nhà máy điện hạt nhân Fukushima Daiichi, để giảm chi phí sản xuất và dễ dàng trong vận hành, thao tác trong khi vẫn thu thập được các số liệu suất liều gamma môi trường chính xác cho các ERMSs, Yang Ishigaki và các cộng sự đã phát triển thiết bị đo phóng

xạ môi trường bằng việc sử dụng detector p-i-n photodiode kết nối với điện thoại di động thông minh qua cáp microphone và phần mềm chạy trên nền tảng iOS [4] Hiện nay, một số cấu hình ERMSs của các hãng thương mại đã được bảo hộ thông qua các sáng chế [5, 6, 7] Tuy nhiên, sử dụng các thiết bị trên không những có giá thành cao mà

6

còn khó khăn trong vận hành, sửa chữa và bảo dưỡng định kỳ Hơn nữa, cơ chế, thuật toán báo động, một vấn đề quan trọng, hiếm khi được đề cập đầy đủ trong các tài liệu kèm theo của các hãng thương mại

Cùng với sự phát triển của các kỹ thuật điện tử và công nghệ vật liệu, hiện nay các loại thiết bị trinh sát phát hiện phóng xạ, hạt nhân vẫn được phát triển và nghiên cứu cải tiến không ngừng Trong các kỹ thuật tiên tiến hiện nay, mảng các phần tử logic khả dĩ lập trình (FPGA) và kỹ thuật xử lý xung số (DSP) được ứng dụng rộng rãi trong việc phát triển các loại thiết bị trinh sát phát hiện phóng xạ, hạt nhân [8 ,9] Kỹ thuật này cho phép thiết kế các thiết bị đo thế hệ mới có ưu điểm vượt trội là: giá thành thấp, dễ sử dụng, nhỏ gọn và tiêu hao ít năng lượng Hơn nữa, các thuật toán thông, minh ứng dụng trí tuệ nhân tạo, máy học tiếp tục được hoàn thiện để đưa ra các số liệu chính xác, chi tiết

và tin cậy hơn

1.1.Nhu cầu thực tiễn

1.1.1 Tình hình sử dụng các trang thiết bị trinh sát bức xạ trên thế giới

Theo thống kê [10], từ năm 1980 đến 2013, thế giới xảy ra 634 vụ tai nạn bức xạ

và hạt nhân, trong đó, có hơn 100 sự cố và tai nạn bức xạ và hạt nhân nghiêm trọng điển hình là các vụ Chernobyl (1986), Fukushima (2011),… Khi sự cố hạt nhân hoặc vụ thử hạt nhân xảy ra, thì việc quan trọng nhất là xác định được vị trí và đặc tính của sự việc

để đánh giá hậu quả và đưa ra các hành động thích hợp nhằm tránh những hậu quả ảnh hưởng lâu dài đến con người và môi trường sinh thái Ngoài ra, trước sự xuất hiện và gia tăng các vụ thử vũ khí hạt nhân công suất thấp, việc xây dựng ồ ạt các nhà máy điện hạt nhân ở nhiều quốc gia và các thách thức an ninh phi truyền thống đã đòi hỏi phải nghiên cứu chế tạo và phát triển các trang thiết bị trinh sát phóng xạ mà thành phần chính của nó là hệ ghi đo bức xạ Hơn nữa, với sự phát triển của kinh tế, hầu hết các quốc gia trên thế giới đều cần có các thiết bị ghi đo bức xạ để sử dụng trong đào tạo, y học hạt nhân, kiểm soát các cửa khẩu và trong nhiều ứng dụng khác

Đối với các thiết bị ở dạng kết nối mạng quan trắc liên tục phóng xạ 24/24h, các nước phát triển như Phần Lan, Canada, Đức, Pháp, Mỹ,… đều được trang bị hệ thống quan trắc phóng xạ trực tuyến (gọi tắt là các trạm) Các trạm này thường hoạt động ở

7

trạng thái cố định hoặc di động Đối với các lực lượng kiểm soát phóng xạ, hạt nhân như: hải quan, biên phòng, các lực lượng ứng phó, thanh sát,… thì các trang thiết bị cầm tay gọn, nhẹ để kiểm soát phóng xạ là không thể thiếu

1.1.2.Nhu cầu trong quan trắc môi trường, phục vụ đào tạo của Việt Nam

Ngày nay, số lượng nhà máy điện hạt nhân ngày càng tăng nhanh ở nước láng giềng Trung Quốc Chiến lược phát triển điện hạt nhân của quốc gia này là mở rộng xuống phía Nam và phát triển nhà máy điện hạt nhân nổi trên Biển Đông, trong khi Việt Nam là quốc gia nằm trong khu vực dễ bị ảnh hưởng nhất do ở phía dưới các luồng không khí vận chuyển trong các mùa Thu, Đông và Xuân Thêm vào đó, sự hoạt động khai khoáng của các mỏ quặng chứa phóng xạ và các nhà máy nhiệt điện thải vào môi trường các xỉ than có chứa phóng xạ cũng là một vấn đề quan trọng cần được giám sát, theo dõi Ngoài ra, các thiết bị ghi đo bức xạ cũng được sử dụng trong đào tạo đại học,

y học và xạ trị hạt nhân, kiểm soát an ninh bức xạ tại các cửa khẩu và trong nhiều ứng dụng kinh tế kỹ thuật khác

1.1.3 Các hệ đo hướng tới gọn nhẹ và tiết kiệm năng lượng

Theo sự phát triển của công nghệ, các hệ đo phóng xạ nói chung cũng như các hệ trinh sát phóng xạ nói riêng đều hướng tới gọn, nhỏ và tiết kiệm năng lượng Các hệ trinh sát phóng xạ cũng như các hệ điện tử đã chuyển từ các giai đoạn lắp ráp bằng bóng đèn điện tử, bóng bán dẫn, mạch tích hợp (IC) sang mạch tích hợp với vi điều khiển và hiện nay là mảng linh kiện tích hợp bậc cao như FPGA kết hợp với các Flash ADC Hiện tại, các hệ đo loại mới này xử lý tín hiệu số bằng những chương trình nhúng (firmware) do người thiết kế tạo nên Đi kèm với sự phát triển của công nghệ linh kiện, các phần mềm gốc cũng rất phong phú và có hỗ trợ trong quá trình thiết kế [11] [12]

1.1.4 Yêu cầu về làm chủ công nghệ

Một trong những yêu cầu rất khắt khe của công nghiệp quốc phòng là phải đảm bảo luôn sẵn sàng chiến đấu kể cả số lượng lẫn chất lượng Do đó, các phương tiện và trang thiết bị phải được chủ động sửa chữa, lắp ráp và bảo dưỡng (cho dù các phương tiện trinh sát phóng xạ chiếm một tỷ lệ rất nhỏ trong chi phí quốc phòng) Việc mua trọn

8

vẹn thiết bị trinh sát phóng xạ từ nước ngoài chỉ giúp chúng ta nhanh có được phương tiện sử dụng Mỗi khi có trục trặc, hỏng hóc thì lại phải gửi đi sửa chữa rất tốn kém kinh phí, thời gian chờ đợi và không có phương tiện sử dụng trong khoảng thời gian đó Vì

lẽ như vậy, cần thiết có nghiên cứu chế tạo các thiết bị trinh sát phóng xạ để làm chủ trong sản xuất, bảo dưỡng, sửa chữa và thay thế, giảm lệ thuộc bảo trì, bảo dưỡng vào nước ngoài

1.1.5 Khả năng chế tạo nhanh, chất lượng ổn định và nguồn linh kiện vật tư

Từ ngày hình thành đến nay, ngành hạt nhân Việt Nam đã có nhiều đề tài, luận án [13, 14] nghiên cứu chế tạo thiết bị quan trắc và trinh sát phóng xạ, đo liều bức xạ và cả

đo phổ bức xạ Tuy nhiên, hầu hết các nghiên cứu đó đều dừng ở việc chế tạo ra một vài mẫu máy theo kinh phí đề tài Một lý do lớn là chế tạo các hệ đo phóng xạ bằng linh kiện rời, thuộc loại hệ tương tự đòi hỏi mất nhiều thời gian để hiệu chỉnh, trong khi các điều kiện kỹ thuật như mạch in, thiết bị kiểm tra các thông số của linh kiện chưa được đáp ứng Việc số hóa hệ đo cho phép chế tạo hàng loạt, nhanh và chất lượng ổn định sau khi nghiên cứu xong Đề tài cấp Bộ Quốc phòng: “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo thiết bị quan trắc liên tục bức xạ gamma môi trường dùng cho trạm cố định sử dụng kỹ thuật truyền dữ liệu vệ tinh” thuộc Chương trình KHCN cấp Bộ Quốc phòng: “Nghiên cứu

kỹ thuật, an toàn hạt nhân đảm bảo sẵn sàng chiến đấu cho Quân đội giai đoạn

2016-2020 và định hướng tới những năm tiếp theo”, mã số KC.AT [15] chính là một ví dụ cho đánh giá trên

1.2 Tình hình nghiên cứu và chế tạo trên thế giới

1.2.1 Tổng quan nghiên cứu và chế tạo detector nhấp nháy không dùng PMT trên thế giới

Những ý tưởng chế tạo detector nhấp nháy không dùng PMT mà dùng PIN photodiode để biến chùm photon do chất nhấp nháy phát ra thành tín hiệu điện đã được bắt đầu từ những nghiên cứu ghi đo bức xạ trên máy gia tốc trong những năm 1960 do loại đầu đo này tiêu thụ năng lượng ít, gọn nhẹ và có độ bền cao và đặc biệt là không ảnh hưởng bởi từ trường [16] Sau đó, các tác giả [17, 18] đã ghép nối tinh thể nhấp

Rõ ràng là, với APD có diện tích lớn hơn, tạp âm sẽ lớn hơn (Hình 1.1b) Lý do đơn giản là APD có diện tích lớn hơn sẽ có điện dung lớn hơn và như vậy, tiếng ồn ở lối ra tiền khuếch đại sẽ cao hơn Kết quả là ngưỡng cắt phổ trên Hình 1.1b cao hơn ngưỡng cắt phổ trên Hình 1.1a Tất nhiên độ phân giải năng lượng của đỉnh ứng với hệ có APD kích thước nhỏ hơn sẽ tốt hơn độ phân giải của hệ có APD với kích thước lớn hơn

Hình 1.1 Phổ 137 Cs, đỉnh năng lượng 662 keV thu được khi gắn APD với NaI(Tl) [21]

a SiAPD có đường kính 2,5 cm, FWHM = 8,5%

b SiAPD có đường kính 3,7 cm, FWHM = 10,5%

Năm 1992, M Suffert đã tổng kết lại tình hình nghiên cứu chế tạo detector nhấp nháy không sử dụng PMT [20] từ những năm 1962 đến 1992 Trong công bố này, M Suffert đã chỉ ra khả năng phát triển mạnh mẽ các ứng dụng sử dụng các detector nhấp

10

nháy không sử dụng PMT Ngoài các lý do như khả năng làm việc trong từ trường mạnh, tiết kiệm năng lượng và có độ bền cao, việc sử dụng phương thức ghép nhấp nháy với APD còn có một lợi thế rất lớn nữa là có thể chế tạo các hệ detector nhạy vị trí, có kích thước với tiết diện cỡ mm2 - điều không thể đạt được với các detector nhấp nháy sử dụng PMT thông thường

Cũng từ [21], cho thấy xuất hiện 2 vấn đề như sau:

- Thứ nhất, bản thân APD cũng là một detector bán dẫn thuộc loại Si nên có khả năng ghi các lượng tử gamma mềm và tia X Trong trường hợp này, điện tích được tạo ra

ví dụ với photon có năng lượng 100 keV vào cỡ (chưa tính đến sự khuếch đại) 28.000 cặp electron-lỗ trống Trong khi đó, tia gamma có năng lượng 511 keV tương tác với tinh thể nhấp nháy NaI(Tl) tạo ra các photon đi đến APD để có thể tạo ra khoảng 16.000 cặp electron-lỗ trống Như vậy, cần lưu ý điều này trong quá trình thiết kế detector với tinh thể nhấp nháy có độ dày đủ lớn nhằm giảm gamma mềm đi đến APD (tính toán nói trên được nêu trong Phụ lục 1) Hoặc có thể sử dụng loại APD có độ dày rất nhỏ và có bộ phản

xạ ngược ánh sáng để hấp thụ hết các photon sáng từ tinh thể nhấp nháy, điển hình là loại photodiode S12497 của hãng Hamamatsu

- Thứ hai, vấn đề sử dụng APD với kích thước lớn đồng nghĩa với điện dung lối vào của tiền khuếch đại lớn, và như vậy, kéo theo tiếng ồn ở lối ra của tiền khuếch đại tăng lên, dẫn đến độ phân giải năng lượng của hệ tồi đi Nếu tăng điện áp bias đặt lên APD thì điện dung APD giảm đi nhưng lại làm tăng khả năng ghi gamma mềm Hơn nữa, dòng rò của APD tăng lên lại làm tiếng ồn tăng Ngoài ra, khi tăng điện áp bias thì

hệ số khuếch đại tăng, tất nhiên việc tăng này làm cho cả hệ càng nhạy cảm với nhiệt độ của môi trường đo [22]

Theo đánh giá của F Knoll [24], các quang đi-ốt mang đến những lợi thế về hiệu suất lượng tử cao hơn, do đó có khả năng cho độ phân giải năng lượng tốt hơn, tiêu thụ năng lượng thấp hơn, kích thước nhỏ gọn hơn, và độ bền cơ học được cải thiện so với các ống PMT khi được sử dụng trong detector nhấp nháy Các quang đi-ốt cũng gần như không nhạy với từ trường và do đó, có thể được thay thế trong các thí nghiệm mà ở đó trường từ mạnh ngăn cản việc sử dụng các ống PMT

11

Cũng theo Knoll, trong quang đi-ốt cổ điển do không có sự khuếch đại nội nên tín

hiệu có cường độ rất nhỏ Trong một sự kiện nhấp nháy thông thường, chỉ có vài nghìn lượng tử khả kiến được sinh ra, cho nên độ lớn của xung điện tích luôn nhỏ hơn số photon nói trên nhân với điện tích của một electron Do biên độ tín hiệu nhỏ nên tiếng

ồn từ các thăng giáng do các phần tử mang điện được tạo ra bởi dòng điện tối (cường

độ tăng khi nhiệt độ tăng) là vấn đề chủ yếu đối với các đầu đo có diện tích lớn và các bức xạ có năng lượng thấp Vì vậy, hệ thống nhấp nháy gắn quang đi-ốt cổ điển có độ phân giải năng lượng không cao và tiếng ồn từ quang đi-ốt có thể giảm mạnh khi được làm lạnh Những ứng dụng thành công cho đến nay chủ yếu là đo các bức xạ có năng lượng cao [25, 26, 27] và/hoặc các quang đi-ốt đường kính nhỏ có dòng điện tối và điện dung nhỏ

Nhiều vật liệu bán dẫn khác nhau có thể được sử dụng làm các quang đi-ốt cổ điển như Si, Ge, Hg [28, 29] là một ví dụ về chất bán dẫn có vùng cấm rộng, các loại quang đi-ốt này đạt được dòng điện tối rất thấp ở nhiệt độ phòng thí nghiệm Mặt khác, đáp ứng phổ của chúng cũng rất rộng, hiệu suất lượng tử có thể đạt đến 90% trong vùng bước sóng 380 và 550 nm Do đó, độ phân giải năng lượng là rất tốt, và người ta đã đo được [30] quang đi-ốt HgI2 đường kính 2,54 cm ghép nối với chất nhấp nháy CsI(Tl) có giá trị độ phân giải vào cỡ 5% tại 662 keV

Có thể làm tăng lượng điện tích từ một sự kiện nhấp nháy điển hình thông qua quá

trình thác lũ xảy ra trong một loại chất bán dẫn ở các giá trị điện áp nuôi cao Những

phần tử mang điện tích được gia tốc đủ mạnh giữa các va chạm để tạo ra thêm các cặp điện tử-lỗ trống dọc theo quãng chạy thu hồi, theo cách tương tự như sự nhân điện tích xảy ra trong ống đếm tỷ lệ Độ khuếch đại nội giúp kéo tín hiệu vượt lên khỏi mức nhiễu

và cho phép thu được độ phân giải năng lượng tốt ở chế độ hoạt động xung với năng lượng bức xạ thấp hơn so với khi sử dụng các quang đi-ốt thông thường Do hệ số khuếch đại rất nhạy với điện áp nuôi nên để có hoạt động ổn định, các quang đi-ốt thác lũ đòi hỏi cung cấp cao áp với mức ổn định cao (nhưng không đòi hỏi công suất lớn như PMT) Trong những năm gần đây, việc nghiên cứu chế tạo các detector nhấp nháy gắn APD hoặc quang đi-ốt cổ điển được rộng mở theo các hướng như:

- Thử nghiệm với các loại nhấp nháy với các loại quang đi-ốt khác nhau

Một trong những nghiên cứu điển hình đã được công bố năm 2008 bởi Martin Gascon và các cộng sự [31], trong đó quang đi-ốt thác lũ là S8664-1010 của hãng Hamamatsu được ghép với tinh thể nhấp nháy CsI(Tl) Các tinh thể nhấp nháy có tiết diện 1x1 cm2 và có chiều dài 1,5 và 10 cm Nguồn phóng xạ dùng để thử nghiệm là đồng

vị 137Cs Các tác giả đã có những kết quả về độ phân giải năng lượng tương ứng với lớp bọc tinh thể CsI(Tl) được thể hiện ở Bảng 1.1 (trước khi tối ưu các thông số khác):

Bảng 1.1 Lớp vỏ bọc và độ phân giải năng lượng của detector

Vật liệu Độ phân giải năng lượng (%)

ở Hình 1.2

13

Hình 1.2 Phổ của 137 Cs đo với CsI(Tl) ghép cùng APD S8664-1010 [31]

Với ý tưởng thiết kế vỏ bọc cần được tính mô phỏng trước khi triển khai thực hiện, năm

2011, các tác giả Jin Hyoung Bai và Joo Ho Whang đã công bố kết quả nghiên cứu “The Optimization of CsI(Tl)-PIN Photodiode for High-Energy Gamma-Ray Detection” [32]

Hình 1.3 Các phổ thu được đo với 22 Na và 60 Co [32]

So với các kết quả đo 137Cs của các tác giả trong [31] thì độ phân giải năng lượng của hệ này kém hơn, đó là vì quang đi-ốt cổ điển được sử dụng thay cho quang đi-ốt thác lũ Các kỹ thuật xử lý tinh thể CsI(Tl) sau khi mài để thu được chất lượng phổ cũng được các tác giả trong [33] đề cập đến

14

Việc đánh giá tạp âm và tín hiệu, độ phân giải năng lượng của detector nhấp nháy CsI(Tl) ghép với quang đi-ốt cũng đã được xem xét trong [34] Các tác giả đã sử dụng tinh thể CsI(Tl) diện tích bề mặt 1 × 1 cm2 ghép nối với quang đi-ốt do Viện Electronics and Telecommunications Research (ETR) thiết kế và so sánh với hệ ghép với quang đi-ốt S3590-01 của hãng Hamamatsu Tiền khuếch đại được sử dụng trong thí nghiệm này là eV-

5093, đây là loại tiền khuếch đại thuộc loại có độ nhạy cao nhất (3,6 V/pF) trong các loại tiền khuếch đại của hãng Kromek Quang đi ốt S3590-01 có điện dung cỡ khoảng 70 pF Kết quả đo đối với nguồn 60Co được đưa ra trên Hình 1.4 [34]

Hình 1.4 Kết quả đo với quang đi-ốt Viện ETR và S-3590-01[34]

Tất cả các hướng nghiên cứu nêu trên nhằm vào bài toán đo năng lượng cao của photon Để chuyển thành các phổ kế gamma năng lượng thấp thì các hệ đo như vậy cũng

có thể sử dụng được Một xu hướng thứ 3 cho hệ phổ kế có chất lượng tốt hơn hẳn là kết hợp chất nhấp nháy LaBr3(Ce) kết hợp với APD S8664-1010 do hãng Hamamatsu sản xuất, với tiền khuếch đại nhạy điện tích có độ nhạy cao như eV-5093 Chất nhấp nháy LaBr3(Ce) có độ ra sáng 65.000 photon/MeV, gấp 1,65 lần độ ra sáng của NaI(Tl),

độ ra sáng này không bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ Hằng số thời gian suy giảm của cường

độ chớp sáng của LaBr3(Ce) là 16 ns Khối lượng riêng của LaBr3(Ce) là 5,08g/cm3 Như vậy, đầu đo nhấp nháy sử dụng LaBr3(Ce) có hiệu suất ghi và độ phân giải năng lượng cao và sẽ cho kết quả rất tốt trong các hệ xử lý, đo khoảng thời gian Các tác giả trong [35] đã thu được những kết quả rất tốt Ví dụ như về độ phân giải năng lượng như

Công bố“Si-APD Readout for LaBr3:Ce Scintillator” trên Nuclear Instruments and

Methods in Physics Research A V.571 (2007) [36] trước đó chỉ 2 năm lại có kết quả hơi khác: độ phân giải năng lượng đo với 662 keV ở [36] lớn gấp đôi ở [35] Hình 1.6 là độ nháy LaBr3(Ce) gắn với quang đi-ốt thác lũ S8664-1010 có độ rộng nửa chiều cao ở đỉnh lớn hơn so với nhấp nháy ghép với APD (7,3% so với 3,1%) Có lẽ nguyên nhân ở chỗ giá trị điện áp bias cho APD được đặt tối ưu hơn hoặc có những xử lý đặc biệt trong việc thiết lập hệ thống giảm nhiễu cho tiền khuếch đại, mà đáng tiếc là trong [36] không

có thông tin về vấn đề này

Hình 1.5 Phổ đo của hệ sử dụng LaBr 3 (Ce)với 137 Cs [35]

16

Hình 1.6 Kết quả so sánh độ phân giải năng lượng đo với nguồn 137 Cs [36]

Các hệ thống nhấp nháy ghép với quang đi-ốt đã được sử dụng để đo bức xạ ở các thí nghiệm trên máy gia tốc, đo trong chụp ảnh phóng xạ chẩn đoán hình ảnh trong y học hạt nhân,… Việc đưa ra ngoài môi trường tự nhiên để giám sát môi trường phóng

xạ chưa được nhắc đến Có thể dự đoán lý do chủ yếu là hệ số khuếch đại và một số thông số khác của hệ đo chưa đủ ổn định, chưa phù hợp để đảm bảo chất lượng các phép

đo ngoài môi trường – nơi nhiệt độ biến thiên nhanh và rộng

Như vậy, trên thế giới hiện nay, để lắp ráp detector nhấp nháy với quang đi-ốt, có những phương hướng như sau:

- Loại chất nhấp nháy chủ yếu gồm LaBr 3 (Ce), để dùng trong hệ phân tích thời gian và đo phổ gamma tới; CsI(Tl) - dùng để đo phổ bức xạ gamma

- Các quang đi-ốt cổ điển (ví dụ như S3590-01) và các quang đi-ốt thác lũ (như S8664-1010) có thể sử dụng với 2 loại tinh thể nói trên

- Cần phải có ổn định phổ hoặc hiệu chỉnh phổ (hoặc cả hai) thì mới có thể triển khai ứng dụng hiệu quả detector nhấp nháy dùng quang đi-ốt cho các phép đo hiện trường và các phép đo có thời gian kéo dài do ảnh hưởng của nhiệt độ đến dòng rò, tiếng ồn và hệ số khuếch đại của quang đi-ốt.

17

1.2.2 Nghiên cứu và chế tạo hệ thống xử lý tín hiệu số

Từ những năm đầu thập niên 90, sự phát triển của bộ chuyển đổi tương tự - số (ADC) với tốc độ và khả năng phân giải cao đã mở ra triển vọng xử lý số các xung ra từ detector Hiện nay, nhiều hệ phổ kế sử dụng phương pháp xử lý số đã chứng tỏ được những lợi thế quan trọng hơn hẳn hệ phổ kế kinh điển Cho đến thời điểm hiện tại, kỹ thuật xử lý xung số DPP (Digital Pulse Processing) đã được áp dụng rộng rãi vào lĩnh vực ghi đo bức xạ, hạt nhân DPP là kỹ thuật xử lý số các tín hiệu được số hóa trực tiếp từ tiền khuếch đại của detector để cho ra các thông tin về năng lượng, thời gian đến, của bức xạ Có nhiều giải thuật DPP như: Phân tích độ cao xung cho thông tin năng lượng (Pulse-Height Analysis); Tích phân điện tích cho thông tin vị trí đỉnh và điện tích (Charge Integration); Đo thời gian cho thông tin thời gian đến (Time Measurement),

a) Hệ đo phổ kinh điển và hệ đo xử lý số tín hiệu bức xạ

Các hệ đo phổ kinh điển là các hệ phổ kế có sử dụng các khuếch đại phổ và các MCA thường gắn liền với máy tính và có phần mềm được cài đặt để xử lý số liệu, lưu trữ và lấy ra các thông tin cần thiết Có thể tóm tắt quá trình xử lý xung như sau: Detector biến đổi năng lượng tia bức xạ thành tín hiệu điện và tín hiệu này từ tiền khuếch đại được đưa vào bộ khuếch đại hình thành xung để khuếch đại và tạo dạng thích hợp cho ADC – các ADC làm việc ở chế độ PHA (Pulse-Height Analysis)

Khác với hệ phổ kế truyền thống như ở trên, các hệ đo xử lý tín hiệu số có cấu trúc như ở Hình 1.10 Trong các phổ kế loại này, tín hiệu từ lối ra của tiền khuếch đại được

số hóa bằng Flash ADC ở chế độ lấy mẫu (Sample) và với bộ dữ liệu số, quá trình xử lý được thực hiện bằng chương trình nạp vào mảng các phần tử logic FPGA

Hình 1.7 Sơ đồ khối của một hệ phổ kế xử lý số

18

So với việc chế tạo các khối khuếch đại và MCA bằng các linh kiện rời (khá tốn thời gian và kỹ năng để lắp ráp và hiệu chỉnh), việc chế tạo các linh kiện logic có khả năng nạp chương trình điều khiển dễ dàng hơn rất nhiều Khi đã có chương trình xử lý tối ưu, việc biên dịch ra ngôn ngữ máy và nạp vào mảng linh kiện lập trình nhanh chóng cho phép chế tạo hàng loạt hệ đo trong một thời gian ngắn Vấn đề chỉnh sửa các thông

số của hệ đo như thay đổi các tham số của hàm lọc,… sẽ dễ dàng được thực hiện bằng chỉnh sửa phần mềm và cài đặt lại

Trên thế giới, hệ thống xử lý số tín hiệu bức xạ đã được nghiên cứu và phát triển

từ những năm 1990 [37, 38, 39] Trong [37], các tác giả đã xây dựng một phương pháp mới cho hệ phổ kế gamma độ phân giải cao bằng cách đưa ra sơ đồ mô tả quá trình xử

lý xung số như ở Hình 1.8 Các thử nghiệm được thực hiện trên hệ thống detector bán dẫn HPGe, ADC 12 bit lấy mẫu với với tần số 25 MSPS, cửa sổ động (MWD) có kích thước 125 giá trị mẫu Các kết quả thực nghiệm cho thấy hệ DPP có các ưu điểm:

- Sự mất số đếm là thấp nhất (khi so sánh với hệ kinh điển dùng xung dạng Gauss

và xung từ cổng tích phân GI)

- Có được độ phân giải năng lượng tốt nhất (1,88; 2,06 và 2,92 keV – tương ứng DPP, GI và Gauss)

Hình 1.8 Sơ đồ thuật toán DPP b) Quá trình phát triển giải thuật số DPP

Năm 1994, T Giocđanov và F Knoll đã xây dựng các hàm lọc số để khi tổng hợp với xung số (dạng có đuôi là hàm e mũ) sẽ cho ra các xung số dạng hình thang, tam giác

19

[38] Các phép toán trong điều kiện rời rạc hóa biến thành các phép cộng, trừ và điều này cho phép tính toán nhanh các kết quả Kết quả sẽ tính ra được biên độ xung vào ADC tốt hơn, nhanh hơn và dễ thực hiện hơn hẳn so với hệ phổ kế kinh điển Các thực nghiệm đã được tiến hành với detector HPGe loại p và detector p-i-n Si đo tia X và cho các kết quả như các tác giả đã dự đoán về tỷ số tín hiệu trên tạp âm Trên Hình 1.9 là lưu đồ thuật toán mà Giocđanov đã đề ra [38]:

Hình 1.9 Lưu đồ thuật toán Kí hiệu chức năng các khối: - adder/subtracter; ACC -

accumulator, X - multiplier; DELAY - delay pipeline [38]

Trong [39], Arcos cùng cộng sự đã thử nghiệm sử dụng máy tính cá nhân tạo thiết

bị làm khớp các giá trị mẫu biên độ từ ADC lấy mẫu với tốc độ 100 MSPS với hơn 100

bộ mẫu từ detector Ge(Li) đo 60Co So sánh hai kết quả phổ phân bố biên độ xung như Hình 1.10 [39] thì có thể nhận xét là phương thức cho kết quả chưa được như các phổ

kế truyền thống

Hình 1.10 So sánh các kết quả phổ phân bố biên độ xung [39]

20

DPP cũng đã được áp dụng cho các phép đo với gamma năng lượng thấp và các tác giả trong [40] đã đưa ra các gợi ý xử lý cửa sổ động (MWD) phục hồi đường cơ sở, điều kiện để các phép lọc số trở nên có chất lượng và một số vấn đề khác như lọc cực 0, chồng chập xung

Việc xuất hiện phương pháp xử lý số xung điện từ các detector ghi đo bức xạ đã đặt ra vấn đề phát triển các hệ thống phần mềm tương ứng Một trong các phát triển đó được công bố trên tạp chí Nuclear Instruments and Methods in Physics Research của Xiao và các cộng sự [51] Các tác giả đã dựa trên ngôn ngữ lập trình MATLAB để dựng

hệ thống mô phỏng các phổ kế Hệ thống này cho phép thử nghiệm các hàm lọc với các

bộ mẫu xung thu từ thực tế để làm nền tảng cho thiết kế các hệ phổ kế Trong [51], lưu

đồ thuật toán xử lý xung số được biểu diễn trên Hình 1.11 Dựa vào lưu đồ này, có thể thấy kết quả cuối cùng được quan tâm chủ yếu là phổ biên độ xung Tất nhiên có thể thấy ngay là vấn đề chồng chập xung chưa được quan tâm ở hệ thống mô phỏng này

Hình 1.11 Lưu đồ thuật toán xử lý xung số [51]

21

Trong tình hình hệ thống xử lý số phát triển mạnh mẽ, IAEA đã xuất bản tuyển tập TECDOC1076 năm 2010 với tiêu đề “Instrumentation for Digital Nuclear Spectroscopy” [46] nhằm hệ thống lại và cung cấp bức tranh, phương thức phát triển để trợ giúp cho tất

cả các phòng thí nghiệm hạt nhân và các hãng chế tạo thiết bị ghi đo bức xạ Trong TECDOC này, đã cung cấp các bức tranh gồm những vấn đề như sau:

- Thiết lập hệ phổ kế xử lý số (DMCA) cho detector bán dẫn HPGe trong trường gamma mạnh

- Xung số cho hệ phổ kế xử lý số

- Phương pháp xử lý số để tối ưu độ phân giải năng lượng trong phổ kế gamma

- Thiết lập xử lý số cho hệ phổ kế đo hủy cặp positron

Ngoài ra, [46] còn đề cập đến nhiều vấn đề liên quan khác để phục vụ các bài toán khác nhau trong ghi đo bức xạ

Các hãng chế tạo thiết bị ghi đo bức xạ hạt nhân cũng tham gia lĩnh vực số hóa thiết bị hạt nhân hết sức mạnh mẽ như Canberra, Ortec… Trong số đó, CAEN (Costruzioni Apparecchiature Elettroniche Nucleari) đã xuất bản tài liệu hệ thống kiến thức [43] về DPP

Tài liệu [43] đã mô tả lại hệ phổ kế kinh điển với các chức năng chính là đo biên

độ và xác định thời điểm xảy ra tương tác của bức xạ với detector Một cách đầy đủ nhất, cần hình dung quá trình đó như trên Hình 1.12

Hình 1.12 Mô tả cấu trúc một hệ phổ kế kinh điển [43]

Quá trình xử lý xung được thể hiện như ở Hình 1.13, như sau:

22

Hình 1.13 Quá trình xử lý xung trong hệ phổ kế kinh điển [43]

Với sự phát triển của công nghệ chế tạo linh kiện bán dẫn, hệ thống xử lý số đã trở nên có chất lượng tăng nhanh dựa trên tốc độ lấy mẫu và chất lượng của ADC (tốc độ lấy mẫu đạt đến 500 MSPS hoặc cao hơn và độ phân giải đạt 12 – 16 bit) Về nguyên tắc, hệ xử lý số sẽ lưu lại số liệu về xung khi hệ báo có xung khởi phát và các giá trị của các mẫu (trong cửa sổ) sẽ được lưu lại ở bộ nhớ đệm - tương tự như dao động ký số Quá trình lấy mẫu xung được mô tả trên Hình 1.14 [43]

Với hệ thống này, có những điểm rất quan trọng và đặc trưng như sau:

- Hệ thống nhớ (Multi Event Memory) cho phép giảm thời gian chết đi rất nhỏ và hạn chế được sự tràn các ô nhớ;

- Cho phép đồng bộ được hệ thống phân tích và hệ thống kênh truyền, có thể phát triển từ một hoặc vài kênh lên hàng ngàn kênh với các chức năng khác nhau;

- Băng truyền dữ liệu cao;

- Có hệ thống FPGA và DSP cho phép xử lý và rút gọn dữ liệu theo thời gian thực (online)

23

Hình 1.14 Mô tả xung số [43]

Như vậy, cấu trúc nguyên lý của hệ đo xử lý xung số được mô tả như Hình 1.15 [43]

Hình 1.15 Cấu trúc nguyên lý của hệ đo xử lý xung số [43]

Trong tài liệu [43] đã đưa ra các ưu điểm của việc xử lý số tín hiệu như sau:

- Bằng một mảng linh kiện (board), cũng phân tích và thu thập được các thông tin về năng lượng, thời điểm xuất hiện và dạng xung – tính kinh tế cao và dễ thực hiện;

- Các dữ liệu được số hóa nên có độ ổn định tốt, độ tuyến tính cao và có thể tái xử lý

do lưu giữ được toàn bộ hình ảnh về xung;

- Dải động lớn và phân tích được cả ngoài dải động;

- Cho phép chính xác sự chồng chập xung, hụt đạn đạo và thăng giáng đường cơ sở;

- Giữ được nhiều kênh đồng bộ và tương quan, thực hiện phép đo trùng phùng/đối trùng khi phép đo thực nghiệm đã kết thúc;

- Thời gian chết rất thấp nên có tốc độ thu thập dữ liệu cao;

- Thuận tiện thay đổi thuật toán (xóa chương trình cũ, nạp chương trình mới);

- Hiệu chỉnh và chuẩn hệ đo dễ hơn, tự động và nhanh chóng

Đồng thời, trong tài liệu [43] cũng đánh giá 2 khó khăn cho việc phát triển DPP là:

- Cần hiểu sâu về thuật toán và nhiều vấn đề liên quan nên cần hiểu biết tốt các

24

quá trình vật lý và thời gian đào tạo;

- Cần có kiến thức và kỹ năng lập trình tốt với các ngôn ngữ lập trình bậc cao như VHDL, Verilog hoặc cần có trợ giúp của các lập trình viên

Liên quan đến việc trích xuất và xử lý dữ liệu ra, có 3 cách để thực hiện DPP như sau [43]:

- Mode dao động ký: chuyển dữ liệu từ cửa sổ vào buffer Như biểu diễn trên Hình

1.16, mỗi khi có phát hiện xung, hệ thống số hóa sẽ ghi các giá trị mẫu trong cửa sổ vào một buffer Cách này thường được sử dụng để quan sát tín hiệu, thiết lập các thông số

hệ đo, đánh giá các bộ lọc số… Với mode này, có thể sử dụng các thuật toán off-line viết bằng C, MATLAB…để xử lý Phương thức này rất phù hợp để phát triển thuật toán

và thử nghiệm

Hình 1.16 Mode dao động ký trong trích xuất và xử lý dữ liệu [43]

- Mode liệt kê: Ở mode này, DPP được thực hiện dựa vào các dữ liệu về các mẫu

được đưa ra liên tục Mỗi khi phát hiện xung, biên độ (hoặc các thông tin khác) được tính toán và ghi vào một bộ nhớ khác Các dữ liệu về biên độ xung sẽ được đọc ra khi

có yêu cầu hoặc khi cần thiết trong khi các giá trị mẫu vẫn liên tục được đưa ra và ghi vào bộ nhớ khác Với cách làm này, có thể coi là thời gian chết “bằng 0” Vì vậy, hệ đo

sử dụng mode này có thể ghi đo bức xạ với tốc độ rất cao

- Mode “trộn”: Ở phương thức làm việc này, bộ số hóa sẽ cung cấp cả các thông

số về xung (năng lượng, thời điểm…) lẫn bộ giá trị các mẫu thu được Lượng dữ liệu mẫu trong trường hợp này thấp hơn ở Mode liệt kê do hệ chỉ đọc và ghi một phần của tín hiệu khi nhận thông tin về năng lượng/thời gian hoặc thông tin nào đó theo ý muốn của người đo Ví dụ như chỉ cần đọc một vài giá trị mẫu quanh giá trị ngưỡng (hoặc điểm 0) để làm tăng độ phân giải thời gian và đánh dấu thời điểm xung xuất hiện Ngoài

25

ra, cũng có thể cần đọc một đoạn xung vào để phân tích off-line Phương thức này được

thể hiện trên Hình 1.17 [43]

Hình 1.17 Mode trộn trong trích xuất và xử lý dữ liệu [43]

Vấn đề các thuật toán xử lý xung số cũng được trình bày trong [43]:

- Đánh dấu thời điểm và các hàm lọc thời gian: Thông thường, hệ đánh dấu thời điểm sẽ khởi phát khi tín hiệu vượt ngưỡng (bằng hệ triger) Tuy nhiên trong thực tế, do các quá trình thăng giáng của đường cơ sở, chồng chập xung và tạp âm của hệ đo nên thời điểm đánh dấu không chuẩn xác Điều này dẫn tới mất dữ liệu - những sự kiện quan trọng cần được ghi đo và ghi những dữ liệu không cần thiết Do vậy, việc tách lấy các

“xung tốt” khỏi ảnh hưởng của thăng giáng đường cơ sở, chồng chập xung tạp âm hoặc các hiệu ứng không mong muốn khác là rất quan trọng Trên Hình 1.18 thể hiện việc khởi phát đánh dấu thời điểm trước và sau hàm lọc thời gian [43]

Hình 1.18 Khởi phát đánh dấu thời điểm trước và sau lọc thời gian [43]

Với các bộ lọc sử dụng tổ hợp các linh kiện như R, L và C như các hệ đo kinh điển, khả năng giải quyết vấn đề trên kém hơn các bộ lọc số Trong [43] đã giới thiệu nguyên

26

lý chung về các bộ lọc số để loại bỏ thành phần tần số cao, hồi phục đường cơ sở và loại

bỏ thăng giáng của thành phần tần số thấp Với kỹ thuật cắt đường 0, hệ đo sẽ cho độ phân giải thời gian tốt hơn (về mặt lý thuyết), bảo đảm không mất các sự kiện quan trọng và ghi nhận dữ liệu xấu Nguyên tắc được trình bày trên Hình 1.19 [43]

Hình 1.19 Kỹ thuật cắt đường 0 sử dụng các bộ lọc số [43]

- Phân tích độ cao xung: Năng lượng của tia bức xạ mà detector thu được (biên độ xung) được tính theo giá trị trung bình của đỉnh khi sử dụng bộ lọc hình thang Xung số hình thang có thời gian kéo dài ngắn hơn nhiều lần so với xung dạng đuôi e mũ từ tiền khuếch đại nhạy điện tích và có độ cao đỉnh tỷ lệ với biên độ xung vào Chúng ta biết rằng ở hệ đo kinh điển, sau tiền khuếch đại phải xử lý tối ưu cho hai vấn đề (bỏ qua việc khuếch đại biên độ) là hằng số thời gian shaping time và loại bỏ cực 0 Nếu shaping time càng dài – lọc tần số cao càng nhiều - thì độ phân giải năng lượng càng tốt (FWHM nhỏ), nhưng khả năng chồng chập xung lại càng lớn Mặt khác, những sai lệch do thăng giáng ở tần số thấp lại cao lên và ảnh hưởng tới đường cơ sở (cho dù có ghép nối AC giữa các tầng cũng không giải quyết được) Việc chuyển sang sử dụng bộ lọc hình thang với xử lý số cho phép giải quyết trọn vẹn vấn đề nói trên bằng các lệnh của chương trình máy tính Việc xác lập các tham số của bộ lọc hình thang giống như thay đổi biến trở của hệ shaping time trong hệ đo kinh điển Sơ đồ nguyên lý của hệ như trên Hình 1.20 [43]

Trong [43] còn trình bày những vấn đề rất thú vị như hệ đo tích phân điện tích xử

lý số, hệ tách xung nơtron - gamma xử lý số và hệ đo khoảng thời gian giữa hai sự kiện hạt nhân xử lý số Tuy nhiên, các vấn đề nói trên có phần đi xa mục tiêu xây dựng hệ trinh sát bức xạ nên sẽ không được trình bày ở luận án này

27

Hình 1.20 Sơ đồ khối của hệ xử lý số bằng đo biên độ xung [43]

Có thể nói [43] là một tổng kết giới thiệu hướng đi và nền móng vững chắc cho những người bắt đầu với công việc thiết kế hệ đo do tính đơn giản, dễ hiểu của nó Tuy nhiên, để thực hiện được công việc này thì còn hai khâu quan trọng là: i) Xây dựng các hàm lọc với cơ sở toán học; và ii) Nắm bắt được ngôn ngữ lập trình để dựng các firmware (phần việc thứ hai này không thuộc khuôn khổ của luận án này) Tiếp theo công trình [38], Giocđanov có một công trình quan trọng trong việc phát triển kỹ thuật xử lý số, đó

là công trình [53] Chủ đề của công trình [53] là kỹ thuật phân tách – tổng hợp để xử lý xung số Tác giả đã đưa ra hệ thống cơ sở tính toán mô tả quá trình phân tách – tổng hợp của hệ hai tín hiệu điện trên cơ sở số hóa, coi mỗi điểm (mẫu) với giá trị biên độ f(t) ở thời điểm t là tích số w.(t) với w là trọng số, (t) có giá trị bằng 1 ở t, bằng 0 ở các điểm còn lại Như vậy, dễ dàng phân tách – tổng hợp tín hiệu bằng các phép toán giao hoán, chuyển vị, phân phối, kết hợp và dịch chuyển (làm trễ) Đồng thời, các phép tích phân, vi phân, cộng, trừ và lấy trung bình cũng dễ dàng được thực hiện Trên cơ sở toán học như vậy (mấu chốt là f(t) = w.(t)), dễ dàng chuyển đổi xung có dạng là hàm e mũ (xung ra từ tiền khuếch đại nhạy điện tích) với biểu diễn hT(t) = exp(-t/) thành dạng

hN(n) = an với a = exp(-T/) – tất nhiên là T<< Như vậy, với phương pháp này, có thể tính tổng của hai tín hiệu hàm e mũ khác nhau (tương đồng với xung có đuôi là tổ hợp của hai hàm e mũ có hằng số suy giảm khác nhau) Kết cục, từ một xung có thời gian tăng ngắn và thời gian suy giảm dài, có thể tạo được các xung số để dễ dàng đánh dấu mốc thời điểm xuất hiện xung và đánh giá được biên độ xung theo dạng hình tam

28

giác (Hình 1.22) [53]

Hình 1.21 Mô hình kỹ thuật phân tách – tổng hợp để xử lý xung số [53]

Việc thử nghiệm trên detector Si đo tia X với ADC lấy mẫu đạt tốc độ 80 MSPS cho kết quả như trên Hình 1.25 [53]

29

Các nghiên cứu về các bộ lọc số vẫn được tiếp tục nhằm mục đích tối ưu cho từng loại detector khác nhau Cho tới nay, có một số công bố đáng lưu ý nhất để xử lý các vấn đề độ phân giải năng lượng, chồng chập xung, đánh dấu thời điểm xuất hiện xung như [41, 42, 44, 48, 50 và 52]

Bộ lọc thông thấp Salen-Key (S-K) được sử dụng phổ cập trong các hệ đo kinh điển

là một gợi mở cho nhóm tác giả trong [50] Trong công trình này, các tác giả đã phân tích

số và sử dụng phương pháp vi phân số, mô phỏng và đánh giá sai số thực nghiệm trên bộ mẫu xung số hóa có đuôi dạng hàm e mũ Dạng hàm lọc số Gauss cũng được thử nghiệm trên tính toán mô phỏng Việc thử nghiệm với xung số có đuôi là hàm e mũ (hằng số thời gian là 100 ns), nếu ở mạch vào, tỷ số tín hiệu trên tạp âm là 10 dB thì ở lối ra, tỷ số tín hiệu trên tạp âm là 40 dB Mô tả kết quả này trên Hình 1.23 [50]

Hình 1.23 Kết quả thử nghiệm tính toán mô phỏng bộ lọc Gauss [50]

Các tác giả [52] đã sử dụng khả năng chống nhiễu của ADA4937 để giảm tạp âm, tăng độ phân giải của hệ đo và tăng tốc độ thu thập dữ liệu ADA4937 được lắp phía trước hệ số hóa như Hình 1.24 Các kết quả cơ bản trong [52] là độ phân giải năng lượng

< 8,6%, độ phi tuyến tích phân  0,8%; độ phi tuyến vi phân  1,4% và ngưỡng đếm xung > 200 kCPS khi sử dụng detector NaI(Tl) Φ 75 × 75 mm đo phổ gamma của đồng

vị 137Cs

30

Hình 1.24 Sơ đồ nhờ mạch lối vào giảm tạp âm [52]

Trong [44], hệ mảng mạch linh kiện lập trình họ Spartan3 XC3S400 FPGA của hãng Xilinx đã được sử dụng thử nghiệm với các loại detector HPGe GEM-40190 và NaI(Tl) (Amcrys, loại SDN.31) Các phin lọc RC được sử dụng để rút ngắn dạng xung

và giảm thành phần nhiễu cao tần FPGA làm việc với tần số xung nhịp 130 MHz còn ADC lấy mẫu ở tốc độ 65 MHz Cấu trúc hệ đo thử nghiệm như ở Hình 1.25

Hình 1.25 Sơ đồ khối chức năng của hệ đo xử lý số sử dụng FPGA [44]

Trên mảng mạch FPGA đã hình thành kênh nhanh và kênh chậm cho các mục đích khác nhau Kết quả đo phổ gamma của đồng vị 60Co với detector bán dẫn HPGe

và NaI(Tl) được thể hiện trên Hình 1.26 [44]

31

Hình 1.26 Kết quả thu phổ 60 Co với detector bán dẫn (a) và NaI(Tl) (b) [44]

Cũng với xu hướng dùng bộ lọc tương tự trước khi số hóa và xử lý số, các tác giả trong [45] đã sử dụng hàm lọc bằng thiết kế cấu hình trong FPGA của hãng Xilinx và ngôn ngữ lập trình VDHL Nhìn chung, ý tưởng phối hợp xử lý số với các bộ tiền lọc tương tự là ý tưởng tốt, nó cho phép giảm thiểu việc viết chương trình, chiếm dụng dung lượng FPGA và thay đổi các hàm lọc bằng hệ lọc RC đơn giản cho các loại detector khác nhau

Hình 1.27.Sơ đồ khối hệ xử lý số sử dụng phối hợp các bộ lọc tương tự

Một hướng nghiên cứu xây dựng các hàm lọc là nhằm nâng cao khả năng chống chồng chập xung Việc nâng cao khả năng chống chập xung của hệ xử lý số cho phép tăng tốc độ thu thập dữ liệu và điều này đỏi hỏi xác định chính xác thời điểm xuất hiện xung để khởi phát việc ghi dữ liệu [41, 42, 47, 48 và 49] Năm 2014 có nghiên cứu mô

32

phỏng bằng MATLAB [48] đã so sánh và rút ra việc chống chồng chập nếu dùng hàm lọc hình thang có hai hằng số suy giảm của xung sẽ khả quan hơn so với hàm lọc một hằng số suy giảm; đồng thời, số mẫu của sườn trái và sườn phải hình thang nên lớn hơn

20, số mẫu của đỉnh hình thang nên lớn hơn 10 Nếu số mẫu của một xung số lớn hơn

35 thì hệ dễ dàng phân tách được quá trình chồng chập (nên các tác giả của [48] đề nghị 40), nếu số mẫu của xung số nhỏ hơn 35 thì hệ khó phân tách Như vậy, có thể tính toán tốc độ của ADC lấy mẫu và chuẩn bị tần số lấy mẫu để tối đa khả năng chống chồng chập xung mà không bị mất dữ liệu Cũng có thể sử dụng việc đánh giá khả năng chồng chập xung như một tham số dữ liệu đầu vào để thiết kế hệ đo xử lý số từ kết luận của [49] được thể hiện trên Hình 1.28 Trong [49], tác giả đã đánh giá khả năng chồng chập xung tùy theo độ rộng xung (Hình 1.36) và đề ra giải pháp hàm lọc thích hợp dạng Gauss

và lựa chọn độ rộng xung

Hình 1.28 Mức độ chồng chập xung phụ thuộc độ rộng xung và tốc độ đếm [49]

Việc đảm bảo chất lượng hệ đo (độ phân giải năng lượng và mức độ loại bỏ chồng chập xung) ở tốc độ đếm cao được giải quyết khá toàn diện ở [47] trên cơ sở kế thừa và

sử dụng các nghiên cứu về hàm lọc số Sallen-Key (S-K), bộ lọc số RC-CR2, sự suy giảm của xung từ tiền khuếch đại theo hàm e mũ với hai thành phần Vì thời gian tăng của xung ra từ tiền khuếch đại trong khoảng 200 – 300 ns nên cửa sổ thời gian để phân tích được lựa chọn là 600 ns tính từ khi có khởi phát báo có xung Việc khởi phát báo có

xung khi giá trị bộ lọc thời gian vượt ngưỡng Th mà giá trị Th này được lựa chọn sao

cho không có ảnh hưởng của tạp âm theo các giá trị mẫu mô tả đường cơ sở Hơn nữa,

33

việc báo thời điểm có xung chỉ thực hiện trong khoảng cửa sổ phân tích 600 ns nếu như

có phát hiện có xung Rõ ràng là việc phân tích độ cao của xung và đánh dấu thời điểm

có xung, độ rộng xung và mức độ chồng chập luôn gắn bó với nhau Chỉ có thể đánh giá chính xác biên độ xung sau nếu xác định được giá trị của đường cơ sở, còn giá trị đường

cơ sở được tính từ các giá trị mẫu trước thời điểm báo có xung Nếu có chồng chập, tức

là 2 lần báo có xung liên tiếp với khoảng thời gian dưới 600 ns, giá trị đường cơ sở được tính lại và thay thế giá trị ở thời điểm trước khi báo có xung (lưu ý là thời gian tăng và giảm của xung hình thang là A, thời gian ở đỉnh là B thì báo có xung sẽ ở thời điểm A + B/4) Bộ lọc Sallen-Key (S-K) (nhằm loại bỏ tạp âm tần số cao) có ảnh hưởng lớn đến việc xác định đường cơ sở như trên Hình 1.29 [47]

Hình 1.29 Chồng chập xung ở tốc độ 10 kcps và vai trò bộ lọc S-K [47]

Sơ đồ khối hệ phân tích biên độ tốc độ đếm cao được thể hiện trên Hình 1.30 [47] Kết quả thử nghiệm phổ gamma của đồng vị 60Co cho thấy, khi tốc độ đếm thay đổi 10 lần từ 10 kcps lên 100 kcps, độ phân giải năng lượng ở đỉnh tăng từ 1,86 keV lên 2,09 keV – điều không thể thấy được ở các hệ đo phổ kinh điển Trên Hình 1.31 là biểu diễn kết quả này [47]

34

Hình 1.30 Sơ đồ chức năng của hệ đo với tốc độ đếm cao [47]

Hình 1.31 Kết quả đo với 60 Co, trong cửa sổ nhỏ là đỉnh 1332 keV [47]

Trong năm 2018, có hai nghiên cứu được công bố [41, 42] về phát triển hệ xử lý số Trong [41] đã đưa ra hàm lọc chuyển xung có đuôi e mũ sang xung có dạng mũ Mexico Việc áp dụng hàm lọc loại mới này cho phép tác giả thu được phổ đo thử nghiệm (bằng detector nhấp nháy NaI(Tl)) có chất lượng cao hơn: Độ phân giải và tỷ số diện tích đỉnh trên Compton khi đo với đồng vị 137Cs là 7,9% và 29,9 sang 6,8% và 43,1 (ở chế độ được tác giả lựa chọn) tương ứng – tuy nhiên, độ cao của đỉnh quang điện 661 keV nhỏ hơn 1,8 lần(!) – tức là hiệu suất ghi của detector giảm đi rất nhiều Còn trong [42] thay vì sử dụng hệ DPP có 1 lối vào, các tác giả đã sử dụng hệ MMI-DSP có nhiều lối vào để xây dựng hệ phổ kế Việc áp dụng này cho phép mở rộng dải đo về phía năng lượng thấp (sử dụng hệ MMI-DSP cho phép phân tích, đánh giá đường cơ sở tốt hơn, độc lập với nhau)

35

Kết quả chất lượng thu phổ của [42] được so sánh với các MCA khác nhau trên Hình 1.32

Hình 1.32 Kết quả mở rộng dải đo về phía năng lượng thấp [42]

d) Tình hình phát triển hệ đo xử lý số ở Việt Nam

Việc phát triển hệ đo xử lý số nhằm ghi nhận bức xạ, hạt nhân ở Việt Nam nói chung còn ở chặng sơ khai Luận án đầu tiên của NCS Đặng Lành (2014) đã xây dựng được hệ đo xử lý số với các kết quả chính như sau [54]:

- Đã thiết kế-chế tạo và đưa vào ứng dụng thực tiễn các khối thiết bị: MCA8K, DSP-MCA1K, DSP-MCA8K và hệ phổ kế đa kênh hợp bộ khi kết hợp các khối HV 5kV-NRI, AMP-NRI kiểu tam giác Tất cả các khối thiết bị đều kết nối được máy tính qua các cổng giao diện có sẵn dùng LPT, RS232, USB nhờ µC dòng PIC hoặc EZ-USB

FPGA Đã phát triển các chương trình ứng dụng thu dữ liệu gồm MCANRI (theo VC++), MCADSP (theo LabView); chương trình vi điểu khiển giao tiếp; chương trình số hóa tín hiệu trong FPGA bằng ngôn ngữ mô tả phần cứng mạch tích hợp tốc độ rất cao (VHDL) trong môi trường phần mềm tích hợp ISEXilinx và thiết kế dự án trong FPGA bằng phương pháp liên kết logic trong môi trường tích hợp Max+plusII-Altera

Luận án của NCS Phan Văn Chuân (2018) đã thiết kế, chế tạo hệ đo neutron và gamma có hiệu suất và độ chính xác cao sử dụng detector nhấp nháy và kỹ thuật xử lý tín hiệu số trên cơ sở FPGA nhằm thu gọn kích thước và giảm giá thành thiết bị Một trong các điểm nổi bật của luận án là đã phát triển một phương pháp mới về phân biệt

36

dạng xung để tách xung neutron và gamma bằng kỹ thuật số, nhằm cải thiện khả năng phân biệt xung neutron và gamma trong vùng năng lượng thấp cho hệ đo sử dụng detector nhấp nháy lỏng EJ-301 tự chế tạo, kết nối với ống nhân quang R9420 của Hamamatsu

Một công bố quan trọng khác của Việt Nam liên quan đến kỹ thuật xử lý số dựa trên FPGA trong phát triển các hệ phổ kế gamma là công trình [85] Trong đó, nhóm của TS Võ Hồng Hải đã phát triển hệ đo tích phân điện tích - xử lý số (DPP-CI), với Flash-ADC 250 MHz-8bits và FPGA Cyclone II EP2C8O208C7, detector sử dụng là NaI(Tl) kích thước 3 × 3 inch Kết quả hệ đo tương đối khả quan với độ phân giải năng lượng FWHM cho vùng 1 MeV là 5 ÷ 6% Hệ đo tích phân điện tích thường được sử dụng với các detector có tín hiệu lối ra đủ lớn để đưa trực tiếp vào bộ đọc số và được áp dụng trong các trường hợp quan tâm là xác định năng lượng hạt cùng với thời gian tới của hạt trong detector

Ngoài ra, trong khuôn khổ của các đề tài, nhiệm vụ nghiên cứu do Viện Nghiên cứu hạt nhân là cơ quan chủ trì, đã xây dựng các hệ đo để phục vu nghiên cứu và đào tạo được lắp đặt tại các kênh dẫn dòng neutron của Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt, chẳng hạn:

- Đề tài cấp Nhà nước “Nghiên cứu phản ứng hạt nhân (n, n’) và (n, 2γ) sử dụng các chùm nơtron trên Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt”, 2013-2015 thuộc Chương trình KC-

05 đã thiết kế, chế tạo Hệ phổ kế trùng phùng bằng kỹ thuật số, có cao thế và nguồn nuôi tích hợp, kết nối với 2 detector bán dẫn HPGe Khối phân tích biên độ đa kênh kỹ thuật

số sử dụng loại Spartan-6 FPGA XC6SLX16-CS324-2C của Xilinx Chương trình thu nhận và xử lý số liệu về phổ năng lượng, phổ thời gian được viết bằng LabView 8.5, kết nối các thiết bị ngoại vi với PC qua cổng nối tiếp USB Chế độ đo trùng phùng “sự kiện – sự kiện” được sử dụng để phân tích nguyên tố trong các mẫu sinh học và môi trường

- Nhiệm vụ cấp Bộ “Nâng cao năng lực giảng dạy thực hành tại Viện Nghiên cứu hạt nhân phục vụ đào tạo nhân lực cho Ngành Năng lượng nguyên tử”, 2015-2016 đã thiết kế, chế tạo Hệ máy phân tích biên độ đa kênh kỹ thuật số trên cơ sở FPGA (D-MCA CPE-NRI003) có chức năng phân tích phổ hoặc đếm tổng, có thể ghép nối với detector nhấp nháy hoặc bán dẫn Lối vào của D-MCA thích hợp với các xung đuôi hoặc

37

bậc thang từ các tiền khuếch đại có biên độ từ vài chục mV đến 1100 mV Hệ phân tích

có chức năng chống chồng chập xung, phục hồi đường cơ bản và hiệu chỉnh thời gian chết Tóm tắt lại, về vấn đề xây dựng hệ đo xử lý số, dựa trên sự xuất hiện của các ADC lấy mẫu ở tần số cao và các mảng linh kiện lập trình FPGA, các hướng nghiên cứu chính hiện nay là:

- Phát triển các hàm lọc số bằng các ngôn ngữ lập trình khác nhau như VHDL, Verilog, C#, MATLAB và LabView… Các chương trình có thể được thử nghiệm trên hệ

mô phỏng với bộ xung mẫu (dựng bằng kỹ thuật mô phỏng hoặc thu thập từ một loại detector cụ thể)

- Tổ chức phần cứng theo yêu cầu của bài toán đo cụ thể

Kết luận Chương 1

Từ việc xem xét yêu cầu thực tế, xu hướng phát triển các hệ ghi đo trong lĩnh vực hạt nhân, các nghiên cứu triển khai đã được công bố và cơ sở thực nghiệm để chuẩn bị luận án, các mục tiêu cụ thể của luận án được xác định như sau:

- Thiết kế, chế tạo detector nhấp nháy sử dụng APD thay cho PMT để giảm khối lượng, kích thước của detector Trong detector chứa tinh thể nhấp nháy CsI(Tl) hoặc LaBr3(Ce), ADP, tiền khuếch đại, khuếch đại, nguồn nuôi

- Nghiên cứu xây dựng phương pháp để sử dụng detector làm việc ngoài hiện trường, trong điều kiện nhiệt độ và độ ẩm thay đổi mạnh

- Thiết kế, chế tạo một DMCA, kích thước nhỏ sử dụng hàm lọc tạo dạng xung số hình thang Tổ hợp với detector thành hệ ghi đo bức xạ làm cốt lõi cho một trạm trinh sát/quan trắc hoạt động ngoài môi trường

38

CHƯƠNG II THIẾT KẾ, CHẾ TẠO DETECTOR NHẤP NHÁY SỬ DỤNG QUANG ĐI-ỐT VÀ HỆ THỐNG XỬ LÝ SỐ TÍN HIỆU DỰA

TRÊN MẢNG LINH KIỆN LẬP TRÌNH FPGA

Chương này trình bày về vật liệu nhấp nháy và lựa chọn loại tinh thể nhấp nháy phù hợp để sử dụng trong tính toán và thiết kế detector nhấp nháy sử dụng với quang đi-

ốt, đồng thời lựa chọn tiền khuếch đại và khuếch đại dải rộng để phù hợp với từng loại tinh thể nhấp nháy khác nhau Các thuật toán thiết kế khối phân tích đa kênh xử lý tín hiệu số (DMCA), bao gồm các bộ lọc số, các khối chức năng của DMCA được nghiên cứu và giới thiệu Một phần quan trọng khác là xây dựng phương pháp ổn định và xử lý phổ từ detector nhấp nháy cũng được nghiên cứu và trình bày trong chương này

2.1 Lựa chọn, tính toán và thiết kế hệ detector nhấp nháy sử dụng quang đi-ốt

2.1.1 Lựa chọn tinh thể nhấp nháy

a) Loại vật liệu nhấp nháy:

Theo [24], vật liệu nhấp nháy lý tưởng cần phải có các tính chất sau:

- Chuyển đổi được động năng của các hạt mang điện thành ánh sáng có thể ghi nhận với hiệu suất phát nháy sáng lớn;

- Sự chuyển đổi nói trên phải là tuyến tính, tức là suất lượng phát nháy sáng phải

tỷ lệ với năng lượng truyền cho vật liệu trên một phạm vi rộng nhất có thể;

- Môi trường cần phải trong suốt đối với bước sóng do chính nó phát ra để đảm bảo thu hồi ánh sáng tốt nhất;

- Thời gian phân rã của quá trình phát sáng được sinh ra phải ngắn để có thể tạo ra các tín hiệu thời gian nhanh;

- Vật liệu phải có chất lượng quang tốt và dễ sản xuất ở các kích thước đủ lớn thích hợp cho một đầu đo trong thực tế;

- Chiết suất phải gần với thủy tinh (~ 1,5) để cho phép kết hợp hiệu quả nháy sáng với bộ biến đổi quang điện

Có hai loại nhấp nháy là vô cơ và hữu cơ, trong đó nhấp nháy vô cơ rất phù hợp

39

với việc đo phổ năng lượng gamma do độ ra sáng tỷ lệ tuyến tính với năng lượng hấp thụ được cho dù thời gian chớp sáng kéo dài hơn nhấp nháy hữu cơ Xem xét theo

phương diện tiết diện tương tác của gamma với vật chất, các nhấp nháy vô cơ có số Z

cao và mật độ lớn được ưu tiên lựa chọn cho phổ kế tia gamma (detector có hiệu suất ghi cao) Các đặc trưng của các loại nhấp nháy vô cơ được sản xuất và thương mại hóa rộng rãi, chi tiết theo tài liệu [55] (Phụ lục 1)

Từ số liệu theo [55], xét theo tiêu chí có độ ra sáng cao, số photon/MeV lớn, mật

độ lớn (phục vụ mục tiêu xây dựng hệ đo phổ có hiệu suất ghi cao và độ tuyến tính tốt)

và nhất là có độ ổn định độ ra sáng khi nhiệt độ môi trường thay đổi (phục vụ các phép

đo ngoài trời) thì các chất nhấp nháy LaBr3(Ce/Sr+Ce) và CsI(Tl) là tối ưu nhất Đồng thời, detector nhấp nháy NaI(Tl) cũng sẽ được lựa chọn để phục vụ các thử nghiệm đối chiếu, cung cấp xung để có thể tiến hành các nghiên cứu về phương pháp ổn định phổ, chế tạo DMCA trong khi chưa chế tạo xong các detector nhấp nháy CsI(Tl) và LaBr3

Độ ra sáng của tinh thể nhấp nháy LaBr3 không thay đổi theo nhiệt độ ở vùng 15℃÷ 50℃, độ ra sáng cao nhất tính trên 1 MeV năng lượng hấp thụ được (nên có độ phân giải năng lượng cao nhất trong số các detector nhấp nháy) nhưng giá cả cao gấp nhiều lần nhấp nháy CsI(Tl), nên nhấp nháy CsI(Tl) có phần được ưu tiên hơn trong việc chế tạo các thiết bị trinh sát phóng xạ Ngoài ra, tinh thể nhấp nháy CsI(Tl) là vật liệu không dễ

vỡ như NaI(Tl) nên nó có thể chịu được các điều kiện sốc nhiệt và rung động khắc nghiệt hơn Còn nếu ưu tiên chế tạo thiết bị trinh sát chất lượng cao, gọn nhẹ, hiệu quả thì LaBr3

nên được ưu tiên do độ phân giải năng lượng của loại detector này tốt hơn khoảng 2 lần

so với detector sử dụng CsI(Tl)

Như vậy, trong các thực nghiệm lắp ráp các detector của luận án, sẽ sử dụng các tinh thể nhấp nháy LaBr 3 (Ce) và CsI(Tl) Còn detector NaI(Tl) do độ ra sáng thay đổi mạnh theo nhiệt độ sẽ được sử dụng để xây dựng phương pháp ổn định phổ theo nhiệt

độ và kiểm tra, thử nghiệm hệ DMCA

b) Kích thước tinh thể nhấp nháy:

Chiều dài hấp thụ một nửa đối với gamma 662 keV do đồng vị 137Cs phát ra của

40

LaBr3 là 1,8 cm; của CsI(Tl) là 2 cm trong khi chiều dài hấp thụ một nửa của NaI(Tl) là 2,5 cm Trong phạm vi thực nghiệm của luận án, các tinh thể nhấp nháy LaBr3 và CsI(Tl) được lựa chọn có độ dài 3 cm Độ dài 3,0 cm này là tương đương 4 cm của NaI(Tl) – một kích thước phổ biến trong các phép đo môi trường Tuy nhiên, việc lựa chọn tiết diện tinh thể lại phụ thuộc vào diện tích bề mặt hệ chuyển đổi chớp sáng sang dòng điện Các ống nhân quang điện có tiết diện lớn nên có thể sử dụng tinh thể có tiết diện lớn, còn các quang đi-ốt thường có tiết diện cỡ cm2 nên tiết diện tinh thể được chọn cỡ cm2 Trong phạm vi sử dụng các quang đi-ốt thương mại, nói chung không nên chọn tiết diện lớn hơn vì điện dung của quang đi-ốt sẽ lớn, tiếng ồn điện tích tương đương lớn dẫn đến

tỷ số tín hiệu trên nhiễu giảm và độ phân giải năng lượng của hệ đo sẽ kém đi Thông thường, với quang đi-ốt có độ dày 200 m, điện dung cỡ 70 pF/cm2 [20], còn hệ số tiếng

ồn điện tích tương đương vào khoảng 4 electron RMS/pF [56] – như với tiền khuếch đại nhạy điện tích CR110-R2 Hơn nữa, sau khi ghép quang đi-ốt, do dòng rò của quang đi-

ốt tăng lên nên tiếng ồn ở lối ra của tiền khuếch đại cũng tăng [34] Trong các thực nghiệm của luận án, các tinh thể LaBr3(Ce) và CsI(Tl) có tiết diện 1 cm2 đã được sử dụng Ngoài ra, cũng sẽ thử nghiệm tinh thể CsI(Tl) có tiết diện 2×2 cm2 ghép với quang đi-ốt có kích thước 2×2 cm2

c) Hình dạng và cấu trúc tinh thể nhấp nháy

Tinh thể nhấp nháy được lựa chọn có dạng hình hộp chữ nhật có tiết diện là hình vuông để phù hợp và thuận tiện ghép nối với các quang đi-ốt Tinh thể nhấp nháy được đặt trong hộp nhôm kín dày 0,5 mm và giữa chất nhấp nháy và vỏ nhôm (5 mặt) là lớp bột MgO Mặt thứ 6 của nhấp nháy gắn với cửa sổ quang học làm bằng thủy tinh hữu

cơ, là loại vật liệu thường được sử dụng để làm cửa sổ của tinh thể nhấp nháy Để truyền ánh sáng từ tinh thể nhấp nháy sang bộ phận biến đổi quang điện, đã sử dụng keo gắn silicon hai thành phần có chiết suất 1,5

2.1.2 Lựa chọn quang đi-ốt

a) Lựa chọn quang đi-ốt

Các loại quang đi-ốt được sử dụng để biến chớp sáng từ tinh thể nhấp nháy phát ra thành xung điện là do hãng Hamamatsu chế tạo Trong các nghiên cứu của luận án, các