Tiểu luận: Phương pháp dự thao tỷ số không đổi của độ cao xung (Constant Fraction – CF) ppt

Trong hệ phổ kế hạt nhân, đặc biệt là các hệ phổ kế sử dụng nhiều đầu dò ghi nhận trong các cấu hình đo trùng phùng, đối trùng, đo phổ thời gian, phép đo tương quan góc…luôn đòi hỏi phải



ĐỀ TÀI

“Phương pháp dự thao tỷ số không đổi của độ

cao xung (Constant Fraction – CF)”

Giáo viên th c hi n ực hiện ện : Ts Nguy n ễn Đức Hòa Đức Hòa c Hòa Sinh viên th c hi n ực hiện ện :

ĐỀ TÀI 1

LỜI MỞ ĐẦU 3

I Đặt vấn đề 4

1.1 Vai trò của bộ khởi phát thời gian trong các hệ phổ kế hạt nhân 4

1.2 Các phương pháp khởi phát thời gian 5

II Bộ khởi phát thời gian bằng phương pháp tỷ số không đổi của độ cao xung (constant – fraction) 7

2.1 Sơ đồ khối: 7

2.2 Sơ đồ chi tiết và lựa chọn linh kiện 12

KẾT LUẬN 16

TÀI LIỆU THAM KHẢO 17

LỜI MỞ ĐẦU

Sự phát triển nhanh trong hiểu biết của nhân loại về cấu trúc của hạt nhân trong nữa đầu thế kỷ 20 đã chỉ ra cho chúng ta một loạt các lý thuyết về cấu trúc hạt nhân, phản ứng hạt nhân, song song với đó thì các phương pháp đo và các hệ phổ kế

đo hạt nhân cũng được phát triển rất nhanh chóng Từ các hệ đo đơn giản đến những

hệ đo phức tạp nhiều đầu dò hiện nay, trong các hệ phổ kế dùng nhiều đầu dò (Hệ trùng phùng, hệ đối trùng, hệ phổ kế đo thời gian, hệ phổ kế đo tán xạ cộng hưởng proton…) thì một vấn đề rất quan trọng là xác định được móc thời gian của các bức

xạ tương tác với đầu dò để từ sử dụng tín hiệu này điều khiển các quá trình thu nhận thông tin của các khối điện tử khác nhau trong chính hệ đo Mạch điện tử thực hiện

chức năng này gọi là “Bộ khởi phát thời gian đo”.

Bộ khởi phát thời gian có thể được xây dựng trên nhiều phương pháp khác nhau, xong yêu cầu xung điều khiển lối ra (xung khởi phát) là luôn cố định về mặt thời gian Tính chất của các xung điện được biến đổi từ các đầu dò bức xạ là ngẫu nhiên về mặt biên độ xung hay nói khác đi là biên độ xung thay đổi một cách ngẫu nhiên ứng với thời gian tăng không đổi Vì lý do đó các bộ khởi phát phải được xây dựng sao cho xung khởi phát luôn được “gim” tại một vị trí Mục đích của tiểu luận

này là trình bày “Phương pháp dự thao tỷ số không đổi của độ cao xung

(Constant Fraction – CF)”

I Đặt vấn đề

1.1 Vai trò của bộ khởi phát thời gian trong các hệ phổ kế hạt nhân.

Trong các phép đo của vật lý hạt nhân thì các phương pháp đo trùng phùng đóng một vai trò quan trọng Tùy theo bài toán thực tế mà cấu trúc đo có thể thay đổi cùng với khối chức năng khác nhau

Đối với các phép đo tương quan góc cũng như trong các hệ đo để giảm thiểu phông Compton luôn đòi hỏi phải đánh dấu thời gian xuất hiện xung cho hệ trùng phùng, hay nói cách khác thời điểm xung này xuất hiện tương ứng với thời điểm khởi phát cho hệ thống đo thực hiện phép đo Mạch chỉ thực hiện chức năng đó gọi

là bộ khởi phát thời gian đo

Bộ khởi phát thời gian là một bộ đánh dấu thời điểm xuất hiện xung để hình thành xung logic lối ra (xung khởi phát thời gian) để khởi phát thời gian đo Do tính chất của bức xạ mang tính ngẫu nhiên về biên độ, do đó với một nguồn bức xạ biên độ xung ra từ detector cũng mang tính ngẫu nhiên mặc dù thời gian tăng là như nhau Vì vậy nhiệm vụ của bộ khởi phát thời gian là phải đưa ra các xung đánh dấu không đổi dù các xung có các mặt tăng khác nhau

Trong hệ phổ kế hạt nhân, đặc biệt là các hệ phổ kế sử dụng nhiều đầu dò ghi nhận trong các cấu hình đo trùng phùng, đối trùng, đo phổ thời gian, phép đo tương quan góc…luôn đòi hỏi phải đánh dấu thời điểm xuất hiện tín hiệu (xung) của khối điện tử chức năng và sử dụng tín hiệu này để điều khiển quá trình đọc ghi dữ liệu của ADC (khối biến đổi tín hiệu sang số) hay nói cách khác đây cũng chính là điều khiển quá trình đọc ghi của hệ phổ kế hạt nhân

Bức xạ hạt nhân tương tác với đầu dò ghi nhận sẽ tạo nên tín hiệu (xung), tín hiệu này được đưa qua mạch vi phân (RC) để hình thành xung lưỡng cực Bộ khởi phát thời gian sử dụng xung lưỡng cực, phát hiện điểm không để hình thành một tín hiệu và tín hiệu này sẽ được sử dụng để điều khiển quá trình ghi đọc cho các khối điện tử chức năng khác

Quá trình điều khiển ghi đọc không đúng sẽ làm cho kết quả thu nhận sai, chẳng hạn đối vớihệ phổ kế trùng phùng thì sẽ dẫn đến quá trình đọc sai kết quả đó hoặc hệ phổ kế sẽ đọc cả bức xạ không phải của quá trình trùng phùng (trùng phùng

phông hay còn gọi là trùng phùng ngẫu nhiên) hoặc hệ phổ kế sẽ ghi đọc bị thiếu dữ liệu

1.2 Các phương pháp khởi phát thời gian.

Biến đổi thời gian thành biên độ là biến đổi tuyến tính khoảng thời gian giữa hai sự kiện hạt nhân thành một xung biên độ ở lối ra

Giả sử khoảng thòi gian được xác định bởi hai sự kiện hạt nhân Bộ biến đổi khoảng thời gian thành biên độ (Time to Amplitude Covertor – TAC) là một mạch điện tử dùng để biến đổi khoảng thời gian giữa hai sự kiện thành một xung biên độ tương ứng, biên độ tương ứng này được chuyển đổi thành dạng số nhờ vào bộ biến đổi tương tự thành số

Bộ biến đổi khoảng thời gian thành biên độ là bước đầu tiên để hình thành việc số hóa thời gian, việc này được sử dụng trong khoảng thời gian xác định với biên độ nhỏ, còn độ phân giải được đòi hỏi rất cao, đòi hỏi này không thể đáp ứng được đối với các bộ biến đổi khoảng thời gian thành biên độ trực tiếp thông thường

vì cần phải có một đồng hồ có tần số rất lớn Hơn nữa, bộ biến đổi khoảng thời gian thành biên độ còn có thể sử dụng được cả trong các trường hợp mà hệ số hóa biến đổi được mở rộng, vì thế việc hệ số hóa biên độ giữa các khoảng thời gian là các biên độ tín hiệu được sử dụng trực tiếp việc số hóa thời gian

Trong phép đo khoảng thời gian có nguyên tắc: Xung đến sớm hơn được xác định là tín hiệu START, còn xung đến trể hơn là tín hệu STOP Bộ biến đổi khoảng thời gian thành biên độ tuân theo quy tắc này Máy phát xung (RAMP) tuyến tính bắt đầu ngay từ khi nhận tín iệu START Xung tuyến tính dừng ngay khi nhận tín hiệu STOP và các giá trị được trải rộng ra để đủ thời gian để biến đổi tương tự thành số

Nguyên tắc hoạt động của bộ biến đổi khoảng thời gian thành biên độ được

mô tả ở giản đồ thời gian như hình 1.1

Hình 1.1: Giản đồ thời gian

Với nhiệm vụ đưa ra các xung đánh dấu không đổi dù biên độ xung vào không đổi Trên nguyên tắc đó, người ta xây dựng các bộ khởi phát thời gian đo theo nhiều cách khác nhau:

nhận tín hiệu đánh dấu

xung lưỡng cực để tạo tín hiệu đánh dấu

fraction)

Bộ khởi phát thời gian có thể xây dựng trên nhiều phương pháp khác nhau, xong yêu cầu xung điều khiển lối ra (xung khởi phát) là luôn cố định về mặt thời gian Tính chất của các xung điện được biến đổi từ các đầu dò bức xạ là ngẫu nhiên vầ mặt biên độ xung hay nói cách khác là biên độ xung thay đổi một cách ngẫu nhiên ứng với thời gian tăng không đổi Vì lý do đó, các bộ khởi phát phải được xây dựng sao cho xung khởi phát luôn được “gim” tại một vị trí Mục đích của tiểu luận này

là trình bày về “tỷ số không đổi của độ cao xung (constant – fraction)”

II Bộ khởi phát thời gian bằng phương pháp tỷ số không đổi của độ cao xung (constant – fraction).

2.1 Sơ đồ khối:

Bộ phân biệt cắt không là bộ phân biệt thời gian, chọn thời điểm tương ứng với điểm cắt không của xung lưỡng cực để đánh dấu vị trí thời gian của xung Do một điểm cắt không của xung lưỡng cực nên bộ phân biệt cắt không đã khắc phục được các nhược điểm cơ bản của bộ phân biệt theo mặt tăng là thời gian đánh dấu của bộ cắt không phụ thuộc vào biên độ xung vào

Mặc dù bộ phân biệt khác không được sử dụng khá rộng rãi, song nó cũng có nhược điểm là: Nếu dạng xung detector biến đổi, như trong trường hợp dùng detector nhấp nháy với những xung có dải biên độ hẹp thì tính thống kê của dạng xung từ detector cũng như sự sai lệch điểm cắt không sẽ cho sự biến động thời gian trong mạch phân biệt theo thời gian tăng

Vấn đề đặt ra là đối với detector nhấp nháy, thì thời điểm đánh dấu ở sườn trước theo yêu cầu nào là tối ưu nhất

Bộ phân biệt CF được xây dựng dựa trên phương pháp đánh dấu thời gian theo tỷ số không đổi của biên độ xung sẽ giải quyết được vấn đề trên

Nguyên lý chung của phương pháp này như sau: Với những xung có cùng mặt tăng nhưng biên độ khác nhau có thời điểm ứng cùng với một tỉ số f tính theo biên độ thì thời điểm đánh dấu xung sẽ trùng nhau Tỷ số f được chọn sao cho độ phân giải thời gian đạt thời gian đạt được là tốt nhất

Sau đây là sơ đồ của một bộ phân biệt CF điển hình:

Hình 2.1: Sơ đồ chức năng của bộ phân biệt CF.

Nguyên lý hoạt động chung của sơ đồ này như sau:

Tín hiệu sau tiền khuyếch đại được đưa tới hai lối vào của mạch tổng Một lối vào của mạch tổng nhận tín hiệu vào qua mạch đảo pha tín hiệu và làm suy giảm biên

độ với hệ số f, lối vào còn lại của nó lấy tín hiệu qua mạch làm trễ xung lưỡng cực được tạo thành và điểm cắt không xuất hiện, sườn tăng của xung này được sử dụng

để kích bộ trigger tạo ra xung logic Việc sử dụng bộ phân biệt ở sườn trước cung cấp khả năng chọn lựa mức ănng lượng và chống lại sự nhạy cảm đối với tạp âm của bộ phận cắt không từ sự khởi phát trên mức cơ bản của CF Việc sử dụng bộ phân biệt ở sườn trước cung cấp khả năng chọn lựa mức năng lượng và chống lại sự nhạy cảm đối với tạp âm của bộ phận cắt không từ sự khởi phát trên mức cơ bản của CF

Hình 2.2: Sự tạo thành tín hiệu lưỡng cực ở bộ phận CFD

a, Trường hợp CF thực (TCF); b, Trường hợp ARC

Thừa số suy giảm là tỷ số tính theo độ cao của xung, thời điểm tương ứng với tỷ số đó chính là thời điểm đánh dấu xung

Với kỹ thuật đánh dấu thời gian theo phương pháp tỷ số không đổi từ sự phụ thuộc của tín hiệu đánh dấu vào biện độ (walk time) cho đến thời gian tăng và sự biến đổi biên độ của tín hiệu vào được giảm đến mức tối thiểu bằng cách lựa chọn thích hợp

chọn thích hợp thừa số suy giảm f cho mỗi detector

Với bộ phân biệt CF người ta đưa ra hai trường hợp: đó là trường hợp CF thực (TCF) và trường hợp bù biên độ và thời gian tăng (ARC) Trong trường hợp này thời điểm cắt không xuất hiện trong khi tín hiệu vào đã bị suy giảm đến mức thấp nhất

Điều kiện này cho phép tín hiệu đánh dấu thời gian được xuất hiện ở cùng một tỷ số f tính theo độ cao của xung vào (không phụ thuộc vào biên độ)

Hình 2.3: Sự phụ thuộc của thời điểm cắt không vào thời điểm gia tăng.

Ở hình 2.3a minh họa sự không phụ thuộc của biên độ và thời điểm cắt

nhau Từ hai tín hiệu B và C ta thấy cắt không trong trường hợp này không phụ thuộc vào thời gian tăng của tínhiệu vào

Phương pháp đánh dấu thời gian trong trường hợp TCF có hiệu quả cao nhất nếu sử dụng với tín hiệu vào có dải biên độ rộng nhưng thời gian tăng nhỏ và độ rộng xung hẹp Những giới hạn đối với xung vào đã làm thuận lợi cho việc sử dụng TCF với detector nhấp nháy

Với phương pháp đánh dấu thời gian trong trường hợp ARC, thời điểm cắt không xuất hiện trước khi tín hiệu vào bị suy giảm đến mức thấp nhất Điều kiện này đã loại trừ được sự phụ thuộc của thời gian tăng vào thời điểm cắt không như hạn chế khi áp dụng kỹ thuật TCF vừa xét ở phấn trên Hình 2.2b minh họa sự hình thành tín hiệu vào tuyến tính Thời gian tăng không phụ thuộc vào thời điểm cắt

gian tăng khác nhau

Bộ phận CF ở trường hợp ARC có hiệu quả cao nhất khi sử dụng với các tín hiệu vào có dải biên độ rộng, thời gian tăng lớn, độ rộng xung bất kì giới hạn này rất thích hợp cho việc sử dụng những detector Ge có thể tích lớn cho xung có thời gian tăng hay thay đổi gây nên sự phụ thuộc của tín hiệu đánh dấu vào biên độ Bộ

phân biệt này cung cấp một sự hiệu chỉnh theo thứ tự cho cả biên độ và thời gian tăng phụ thuộc vào time walk

Tóm lại, ở một mức độ nào đó, bộ phân biệt CFD có cả những ưu điểm của

cả hai bộ phân biệt theo mặt tăng và cắt không

Bộ phân biệt này sử dụng bộ so sánh để so sánh tín hiệu vào bị đảo và bị làm trể

thời gian không phụ thuộc vào biên độ sẽ nhận được khi bộ so sánh chuyển mạch ở thời điểm mà cả tín hiệu có biên độ như nhau

Sơ đồ khối của bộ phân biệt này được trình bày ở hình vẽ 2.4 Thừa số suy giảm f

Bằng thực tiễn, người ta đã đưa ra một số điều kiện sau đây để bộ phân biệt CFD này hoạt động tối ưu

loại trừ những xung được tạo thành từ những tín hiệu có mặt tăng quá dài

Hình 2.4: Sơ đồ nguyên lý bộ tạo dạng với phương pháp CF.

Bộ phân biệt thời gian theo mặt tăng có thể sử dụng bằng trigger D như là hệ thống khóa để đảm bảo sự truyền tín hiệu đánh dấu thời gian chính xác

2.2 Sơ đồ chi tiết và lựa chọn linh kiện.

Trên hình 2.4 chỉ ra sơ đồ khối của bộ khởi phát thời gian dùng phương pháp cắt không – tỷ số không đổi trong đó, tín hiệu lối vào được đưa đến mạch tổng qua một mạch trễ với thời gian trễ từ 20ns đến 40ns Lối vào còn lại của mạch tổng sẽ là tín hiệu sau khi đã làm đảo tín hiệu vào và làm suy giảm với hệ số khoảng 0<f<1

Hình: 2.5 Giản đồ xung KPTG cắt không – tỷ số không đổi.

Tín hiệu sau mạch cộng được đưa tới lối vào CLK của FF-D, lối vào D của FF-D được nối với mạch ngưỡng đóng vai trò mạch tạo điện áp logic “1”

R 2 1

-+

U 1

L M 3 1 1

2

3 7

4 1

+ 5 V

C 4

C 6

R 3

IN P U T

-5 V

R 5

C 2

P 2

L 1

6 0 u s

+ 5 V

R 1

C 3

- +

U 4

L M 7 4 1

7

1 4 5

C 5

-+

U 2

L F 3 5 6

3

2 6

7 1

4 5

R 6

C 7

R 2 3

C 1

R 2 2

R 4

+ 5 V

R 2

R 1 4

D 1

D I O D E Z E N E R

C 9

-5 V

P 1

C 1 0

U 3 A

7 4 7 4

2 3

5

6

D

C L K Q

Q

+ 5 V

C 8

C A P

O U T P U T

Hình 2.5: Sơ đồ chi tiết.

 Giải thích nguyên lý hoạt động:

Theo cách mắc như trên thì U1 (LM311) sẽ làm chức năng so sánh (comparator), chiết áp P1 xác định điện áp tham chiếu (reference) hay là điện áp

3

a

p



dẫn đến V2 tăng lên, cho đến khi vượt ngưỡng quy định của P1 Nếu V2 > V3 thì lối ra 7 sẽ cho một xung ( ) đưa vào lối 2 (lối vào D) của 7474 Thời điểm

để 7474 chuyển mạch là thời điểm có xung ( ) đưa vào CLK từ U2(LF356) Xét U2, tín hiệu vào được làm chậm và đưa vào lối vào không đảo 3 Do không có trở phản hồi nên hệ số khuyếch đại là k và trể đi một lượng do thiết lập

ở dây trể (trong mạch này thì lượng trể là 60ns) Xung vào lối 2 của U2 không

R k





Vậy tín hiệu ra sẽ là tổ hợp của tín hiệu dương k lần của tín hiệu vào và bị trể

đi một lượng với tín hiệu âm không bị trể có biên độ 0.3k Do hệ số k lớn (khi không có trở phản hồi) nên khi tín hiệu vừa vượt mức thấp là nhảy lên mức cao ngay Như vậy với cách mắc của U2 trong sơ đồ sẽ làm 4 chức năng: Khuếch đại đảo, khuếch đại không đảo, cộng và khuếch đại lần cuối Biến trở P2 làm nhiệm

vụ xác định điểm 0 cho lối ra của U2 (biến trở P2 làm nhiệm vụ offset mức nền ban đầu so với điểm 0 khi lối vào không có tín hiệu hay là nối đất)

Khuếch đại thuật toán U4 (LM741) làm nhiệm vụ thiết lập trạng thái cho

thuật toán Lối ra 6 của khuếch đại thuật toán U4 sẽ cho mức logic thấp Trigger

7474 sẽ xác lập lại trạng thái khi có xung ở mức logic thấp đưa vào lối vào 1

KẾT LUẬN

Các bộ khởi phát thời gian đóng vai trò rất quan trọng trong các hệ phổ kế hạt nhân, đặc biệt là các hệ phổ kế sử dụng nhiều đầu dò bức xạ Các bộ khởi phát

sẽ đóng vai trò điều khển quá trình ghi nhận của cả hệ phổ kế

Bộ khởi phát thời gian theo tỷ số không đổi có cả những ưu điểm của cả hai

bộ phân biệt theo mặt tăng và cắt không

Sự ứng dụng phương pháp đánh dấu thời gian theo tỷ số không đổi cho những tín hiệu nhanh đã gặp phải một số khó khăn sau:

đầu ra của bộ so sánh bằng thời gian chuyển mạch của bộ so sánh, do đó về nguyên tắc, phương pháp này không thực hiện được

Trong trường hợp ứng dụng trigger D, đôi lúc sự trùng khớp về mặt thời gian của tín hiệu lưỡng cực ở đầu vào C với tín hiệu vào D chưa đủ để đồng bộ trigger D (đặc biệt đối với những tín hiệu gần mức ngưỡng)

Với bộ phân biệt này, cần lưu ý đến hai hiệu ứng ảnh hưởng đến mạch: do giá trị hệ số khuyếch đại và ngưỡng cho qua của bộ so sánh là hữu hạn nên có sự phụ thuộc của tín hiệu đánh dấu thời gian vào biên độ của tín hiệu vào (time walk) Ngoài ra do tạp âm của bộ so sánh làm xuất hiện sự thăng giáng của thời gian ở tín hiệu ra (time jitter)