Khảo sát phổ kế trùng phùng Gama sử dụng đầu dò bán dẫn HPGe

Khảo sát phổ kế trùng phùng Gama sử dụng đầu dò bán dẫn HPGe

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP HỒ CHÍ MINH

-

Huỳnh Minh Hiền

KHẢO SÁT PHỔ KẾ TRÙNG PHÙNG

GAMMA SỬ DỤNG ĐẦU DÒ BÁN DẪN HPGe

Chuyên ngành: Vật lí nguyên tử, hạt nhân và năng lượng cao

Lời cảm ơn

Em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô Khoa Vật Lí, cán bộ phòng Sau Đại Học - Trường Đại Học Sư Phạm TP Hồ Chí Minh đã tận tình giảng dạy và tạo điều kiện thuận lợi cho em trong suốt thời gian học tập tại trường

Xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến PGS TS Đinh Sỹ Hiền, người đã trực tiếp chỉ bảo em trong suốt quá trình thực hiện luận văn này Sự giúp đỡ tận tình của thầy chính là động lực và nền tảng để em hoàn thành được luận văn này

Em xin trân trọng gửi tới Viện Nghiên Cứu Hạt Nhân Đà Lạt lời cảm ơn chân thành vì sự giúp đỡ

và tạo điều kiện thuận lợi cho em được làm thực nghiệm tại Viện Xin trân trọng cảm ơn cán bộ Phòng Vật Lí Điện Tử Hạt Nhân, đặc biệt là anh Nguyễn Xuân Hải, anh Hồ Hữu Thắng đã giúp đỡ tận tình, hướng dẫn chi tiết và có những đóng góp quý báu cho em

Xin chân thành cảm ơn Ban Giám Hiệu và Tổ Vật Lí - KTC trường THPT Nam Hà - Biên Hòa -

Đồng Nai đã tạo mọi điều kiện thuận lợi để em hoàn thành khóa học tại Trường Đại Học Sư Phạm TP

Hồ Chí Minh

TP Hồ Chí Minh, tháng 8 năm 2010

Huỳnh Minh Hiền

Mở ĐầU Phổ năng lượng bức xạ gamma là phổ gián đoạn, có năng lượng hoàn toàn xác định đặc trưng cho mỗi nguyên tố, cường độ bức xạ gamma đặc trưng của mỗi nguyên tố phóng xạ tỉ lệ thuận với hàm lượng của nguyên tố đó Chính vì vậy, việc xác định chính xác phổ gamma của mỗi nguyên tố có ý nghĩa rất quan trọng trong các bài toán phân tích xác định các thành phần nguyên tố, phương pháp phân tích kích hoạt hạt nhân,…Tuy nhiên, phổ gamma đo được trong các phép phân tích thường khá phức tạp Hiện nay, việc ghi nhận phổ gamma bằng đầu dò bán dẫn thường có nền Compton cao cho nên một

số đỉnh năng lượng có cường độ thấp hiện lên không rõ nét, có khi bị nền Compton che lấp Do đó việc xác định các đỉnh này thường phạm sai số lớn làm ảnh hưởng nhiều đến độ chính xác của phép đo Mặt khác, độ nhạy phân tích chỉ có thể cải thiện trong điều kiện tỉ số diện tích đỉnh phổ trên nền Compton

là lớn Vì vậy, vấn đề đặt ra là làm sao hạ được nền Compton càng thấp càng tốt, từ đó mới có khả năng làm lộ rõ được các đỉnh năng lượng thấp

Như ta đã biết, khoảng thời gian phát các tia gamma nối tầng hoặc các tia gamma sinh ra trong quá trình hủy cặp electron - pozitron vào khoảng vài trăm picô giây nên ta có thể coi như chúng phát ra

đồng thời, đó là các tia gamma trùng phùng Tín hiệu trùng phùng đặc trưng cả về năng lượng và tương quan thời gian của hai bức xạ phát ra từ một hạt nhân nên nó có tính chọn lọc cao Vì vậy, ta có thể lợi dụng sự tương quan về thời gian của các tia gamma trùng phùng để ghi nhận chọn lọc các bức xạ gamma đặc trưng của mỗi hạt nhân phóng xạ, nghĩa là ta dùng thông số thời gian để điều khiển việc ghi nhận năng lượng phổ bức xạ gamma Nhờ đó, ta có thể giảm ảnh hưởng của các tia gamma tán xạ Compton và các dịch chuyển gamma không tương quan về thời gian giúp giảm đáng kể nền Compton, nâng cao chất lượng của phép đo

Trong trường hợp này, thông tin chính xác về thời gian tới của lượng tử bức xạ trong đầu dò là

đặc biệt quan trọng Sự chính xác về thời gian có thể được thực hiện phụ thuộc vào tính chất của đầu dò

được sử dụng để xử lý tín hiệu Đặc trưng thời gian tốt nhất nhận được đối với các đầu dò trong đó điện tích được thu góp nhanh nhất Đầu dò bán dẫn siêu tinh khiết HPGe là loại dầu dò có khả năng thu góp

điện tích nhanh và cung cấp khả năng phân giải năng lượng tốt nhất trong tất cả các loại đầu dò thông dụng cho nên nó rất thích hợp khi sử dụng trong các sơ đồ ghi nhận bức xạ gamma sử dụng kỹ thuật trùng phùng

Mục đích của luận văn là nhằm tìm hiểu về các khối điện tử cùng nguyên tắc hoạt động của hệ phổ kế trùng phùng gamma sử dụng đầu dò bán dẫn HPGe, tìm hiểu phương pháp trùng phùng thường

và phương pháp cộng biên độ các xung trùng phùng (còn gọi là trùng phùng sự kiện - sự kiện) để ghi nhận phổ năng lượng của bức xạ gamma, sử dụng hệ phổ kế trùng phùng gamma thu phổ năng lượng

của nguồn 60Co, 22Na nhằm khảo sát khả năng giảm phông của hệ phổ kế trùng phùng so với hệ phổ kế bán dẫn đơn tinh thể

Cấu trúc của luận văn bao gồm các phần chính sau :

Chương 1 : Tổng quan về các hệ phổ kế gamma Chương 2 : Tìm hiểu hệ phổ kế trùng phùng gamma sử dụng đầu dò bán dẫn HPGe Chương 3 : Thực nghiệm ghi phổ năng lượng của nguồn 60Co, 22Na bằng hệ phổ kế gamma bán dẫn đơn tinh thể và hệ phổ kế trùng phùng gamma, sử dụng đầu dò bán dẫn HPGe

Do thời gian thực hiện và kiến thức còn hạn chế nên chắc chắn trong phần nội dung của luận văn

sẽ có nhiều thiếu sót, kính mong nhận được sự góp ý của quý thầy cô cùng các đồng nghiệp để tác giả ngày càng hoàn thiện hơn về kiến thức

CHƯƠNG 1 : TổNG QUAN Về CáC Hệ PHổ Kế Gamma

1.1 Tương tác của bức xạ gamma với vật chất và sự hình thành phổ gamma

Bức xạ gamma là các lượng tử của sóng điện từ (các photon) Năng lượng của photon E tỉ lệ với tần

số sóng : E = h , xung lượng của photon được tính theo công thức p h

c



 Bức xạ gamma tương tác

với vật chất thông qua 3 quá trình cơ bản sau đây :

1.1.1 Hiệu ứng quang điện

Khi lượng tử gama va chạm với electron quỹ đạo của nguyên tử, gamma biến mất và năng lượng gamma được truyền toàn bộ cho electron quỹ đạo để nó bay ra khỏi nguyên tử Electron này được gọi là quang electron Quang electron nhận được động năng Ee, bằng hiệu số giữa năng lượng gamma vào E

và năng lượng liên kết lk của electron trên lớp vỏ

Ee = E - lk (1.1) Trong đó, lk = K đối với electron lớp K, lk = L đối với electron lớp L,

lk

 = M đối với electron lớp M và K > L > M

Hiệu ứng quang điện không thể xảy ra với các electron tự do vì không bảo đảm định luật bảo toàn năng lượng và động lượng Như vậy, muốn có hiệu ứng quang điện thì electron phải liên kết trong nguyên tử

Tiết diện hấp thụ của hiệu ứng quang điện phụ thuộc vào năng lượng gamma và loại nguyên tử

Cụ thể là tiết diện hấp thụ tỉ lệ với Z5 (Z là số nguyên tử), nghĩa là nó tăng rất nhanh với các nguyên tử nặng

1.1.2 Hiệu ứng Compton

Trong quá trình này, phôton tới nhường một phần năng lượng của mình cho một electron của nguyên tử Electron này sẽ bắn ra khỏi nguyên tử còn phôton sẽ bị tán xạ Phôton tán xạ có năng lượng nhỏ hơn năng lượng của phôton tới (h' h)

'

   lk  e

Trong đó Ee là động năng của electron bắn ra, lk là năng lượng liên kết của electron trên lớp vỏ

Hình 1.1 : Giản đồ biểu diễn tán xạ Compton.

Liên hệ giữa động năng của phôton tán xạ và góc tán xạ cho bởi hệ thức

2 0

'

h h

Trong đó : m0c2 là khối lượng nghỉ của electron (m0c2 = 0,511 MeV)

Hiệu ứng Compton là quá trình tương tác phôton - vật chất chủ yếu trong khoảng năng lượng một vài trăm keV đến vài MeV Hiệu ứng Compton có thể xảy ra đối với electron tự do (liên kết yếu với nguyên tử) hay với electron liên kết chặt với nguyên tử vì ở đây nhờ có phôton tán xạ mà có thể thỏa mãn đồng thời cả hai định luật bảo toàn năng lượng và xung lượng

1.1.3 Hiệu ứng tạo cặp electron - pozitron

Trong quá trình này, phôton biến thành một cặp electron - pozitron Theo định luật bảo toàn năng lượng và xung lượng thì năng lượng của phôton phải lớn hơn tổng năng lượng nghỉ của cặp e - - e+

(h 1, 022MeV) Sở dĩ phải lớn hơn vì theo định luật bảo toàn xung lượng, cặp e - - e+ phải có một

Quá trình tạo cặp đóng vai trò quan trọng đối với các phôton có năng lượng lớn hơn 1,022 MeV Với một nguyên tố cho trước, đóng góp của mỗi quá trình tương tác nói trên có thể được hình dung qua đồ thị biểu diễn các tiết diện của từng quá trình riêng lẻ và tiết diện tổng cộng theo năng lượng tới của phôton tới

Các quá trình tương tác nói trên dẫn tới sự hình thành các đặc trưng của phổ gamma như sau : + Hiệu ứng quang điện dẫn đến sự hấp thụ hoàn toàn năng lượng của phôton tới E h trên đầu

dò, do đó trong phổ gamma xuất hiện đỉnh hấp thụ toàn phần với năng lượng E

+ Trong quá trình tán xạ Compton, phôton tới chỉ mất một phần năng lượng, phần còn lại chuyển thành năng lượng phôton tán xạ Sự phân bố giữa hai phần này tùy thuộc vào góc tán xạ Do đó trên phổ gamma xuất hiện nền liên tục (nền Compton) trải dài từ giá trị E trở xuống Tia gamma sau khi tán xạ lần đầu có thể tiếp tục tán xạ nhiều lần, cuối cùng bị hấp thụ hoàn toàn trong đầu dò do hiệu ứng quang điện Quá trình tán xạ nhiều lần này cũng đóng góp vào đỉnh hấp thụ toàn phần, mức đóng góp tùy thuộc vào thể tích đầu dò

+ Hiệu ứng tạo cặp dẫn đến sự hình thành hai lượng tử gamma có năng lượng 0,511 MeV Tùy theo trường hợp cả hai lượng tử này bị hấp thụ hoặc một hoặc cả hai lượng tử bay ra khỏi đầu dò mà ta thấy xuất hiện các đỉnh sau đây :

- Cả hai lượng tử gamma hủy cặp đều bị hấp thụ hoàn toàn trong thể tích nhạy của đầu dò :

ta được đỉnh hấp thụ toàn phần E

- Một trong hai lượng tử gamma hủy cặp thoát khỏi vùng nhạy của đầu dò : ta được đỉnh thoát đơn E  0, 511 MeV

- Cả hai lượng tử gamma hủy cặp thoát khỏi đầu dò : ta được đỉnh thoát đôi ứng với năng lượng E  1, 022 MeV

1.2 Các thành phần cơ bản của một hệ phổ kế năng lượng, thời gian sử dụng đầu dò bán dẫn HPGe

1.2.1 Đầu dò bán dẫn HPGe

1.2.1.1 Cấu trúc của đầu dò bán dẫn

Để ghi phổ gamma, hiện nay người ta thường dùng hai loại đầu dò : đầu dò nhấp nháy với tinh thể NaI (Tl), đầu dò bán dẫn Germani siêu tinh khiết (HPGe) Giữa hai loại này thì đầu dò HPGe có khả năng ghi phổ gamma với chất lượng phổ tốt hơn Vì vậy, nội dung của đề tài chủ yếu là tìm hiểu về đầu

dò bán dẫn HPGe

Ta có thể phân biệt hai loại đầu dò Ge tuỳ theo xuất phát điểm ban đầu là chất bán dẫn loại p hay

n Ngoài ra, về mặt hình học còn có thể chia ra các loại : loại đồng trục, loại hình giếng hay loại phẳng (planar) Thông thường ta có các loại sau

Đầu dò HPGe loại p kiểu đồng trục : về cơ bản, chất bán dẫn xuất phát là loại p, đó là tinh thể

Ge hình trụ với lớp tiếp xúc loại n trên bề mặt ngoài và lớp tiếp xúc loại p trên mặt trong Cấu trúc đầu

dò đồng trục được trình bày trên hình 1.2

Germani có mức tạp chất cỡ 1010 nguyên tử /cm3 sao cho khi có điện áp ngược thích hợp đặt vào hai cực thì thể tích giữa hai điện cực được làm nghèo và điện trường mở rộng qua vùng này Người ta tạo ra một lớp tiếp xúc n+ dày khoảng 0,5 mm bằng phương pháp khuếch tán Li, lớp tiếp xúc p+ phía trong có độ dày cỡ 0,3 mm bằng phương pháp cấy ion B Khi sử dụng phải đặt cao thế dương khoảng 2 -

5 kV để kéo các cặp electron - lỗ trống tạo ra Loại này có hiệu suất giảm nhiều ở năng lượng tia gamma thấp (dưới 100 keV) vì sự hấp thụ trên lớp chết n+

Hình 1.2 : Cấu trúc đầu dò Ge đồng trục.

Vì Ge có độ rộng vùng cấm thấp nên khi sử dụng loại đầu dò này cần phải làm lạnh để giảm việc sinh ra phần tử mang điện do nhiệt nên giảm được dòng rò Nếu không, tạp âm do dòng rò gây ra sẽ làm tồi khả năng phân giải năng lượng của đầu dò Người ta thường dùng Nitơ lỏng có nhiệt độ 77 K làm môi trường làm lạnh cho các đầu dò loại này Đầu dò được lắp trong một buồng chân không được gắn hoặc đưa vào Dewar chứa Nitơ lỏng Do đó bề mặt nhạy của đầu dò được chống ẩm và không ngưng chất bẩn Cấu hình chuẩn của đầu dò bao gồm : ống làm lạnh (cryostat) thẳng đứng với Dewar 30 lít và tiền khuếch đại 2002C (đối với hãng Canberra) Cấu tạo của cryostat bằng Nitơ lỏng được giới thiệu trong hình 1.3

Dải năng lượng sử dụng của đầu dò Ge đồng trục là 50 keV đến 10 MeV Khả năng phân giải, dạng đỉnh là rất tốt Đường cong hiệu suất của đầu dò Ge đồng trục điển hình được trình bày trên hình 1.4

Hình 1.3 : Cấu tạo của cryostat cần đứng mẫu 7500SL.

Hình 1.4 : Đường cong hiệu suất tuyệt đối điển hình đối với đầu dò Ge

đồng trục (khoảng cách đầu dò tới nguồn là 2,5 cm).

Các mẫu đầu dò Ge đồng trục thường gặp được liệt kê trong bảng 1.1

Bảng 1.1 : Các mẫu đầu dò Ge đồng trục.[2]

Số mẫu CANBERR

A

Hiệu suất tương đối

Khả năng phân giải

Tỉ số P/C

FWHM (122 keV)

FWHM (1332 keV)

FWTM (1332 keV)

Đầu dò HPGe loại n kiểu đồng trục : chất bán dẫn xuất phát là là loại n Người ta tạo ra một lớp

p+ dày khoảng 0,3m bằng phương pháp cấy ion B Khi sử dụng, cần đặt điện áp âm So với loại trên thì loại này có hiệu suất ít bị giảm hơn ở năng lượng thấp vì lớp chết p+ mỏng hơn

Đầu dò HPGe hình giếng (hình 1.5) : loại này có hiệu suất hình học cao hơn nên thích hợp cho

các phép đo hoạt độ nhỏ Độ phân giải năng lượng có kém đôi chút do đặc điểm cấu tạo

Hình 1.5 : Cấu trúc đầu dò HPGe hình giếng

Đầu dò phẳng (planar) : có độ phân giải năng lượng tốt nhưng hiệu suất giảm nhanh ở năng lượng cao nên chỉ thích hợp để đo ở vùng năng lượng thấp

1.2.1.2 Nguyên lý làm việc

Nguyên lý chung của các loại đầu dò bán dẫn như sau : chất bán dẫn thường dùng hiện nay là

Si hoặc Ge (để ghi các lượng tử gamma người ta thường dùng đầu dò bán dẫn Ge) Khi lượng tử gamma bay vào chất bán dẫn, nó sẽ tạo nên electron tự do thông qua ba hiệu ứng chủ yếu với tinh thể bán dẫn Electron tự do di chuyển với động năng lớn sẽ làm kích thích các electron chuyển lên vùng dẫn và để lại

lỗ trống Như vậy thông qua các hiệu ứng tương tác, bức xạ gamma đã tạo nên một loạt các electron và

lỗ trống trong tinh thể bán dẫn Các cặp electron - lỗ trống được tạo ra trong vùng nghèo dọc theo quỹ

đạo của bức xạ tới, chúng sẽ được kéo về hai điện cực bởi điện trường do hiệu điện thế ngược áp vào

đầu dò : các electron sẽ chuyển động đến cực dương, các lỗ trống sẽ chuyển động về phía cực âm, kết quả là ta có một xung dòng điện ở lối ra Khi đó, ở mạch ngoài đầu dò xuất hiện một tín hiệu thế, xung thế này được ghi ở lối ra bởi hệ điện tử tiếp sau Đo và khảo sát tín hiệu xung ra từ đầu dò ta có thể biết

Độ phân giải năng lượng cho biết khả năng mà đầu dò có thể phân biệt các đỉnh có năng lượng

gần nhau trong phổ Đại lượng này xác định bằng độ rộng ở 1

2 độ cao của đỉnh hấp thụ toàn phần

(FWHM) hoặc đôi khi ở 1

10 độ cao của đỉnh hấp thụ toàn phần (FWTM)

Độ phân giải của đầu dò bán dẫn HPGe còn tuỳ thuộc vào loại đầu dò, thể tích đầu dò và năng lượng tia gamma Nói chung, hiện nay có thể đạt vào khoảng 1,8 keV (FWHM) ở đỉnh 1332 keV của

7 - 8 % ở đỉnh 1332 keV của 60Co, nghĩa là FWHM vào khoảng 100 keV

Khả năng phân giải là một ưu điểm nổi bật của đầu dò Ge so với đầu dò nhấp nháy NaI khiến nó

được sử dụng phổ biến hiện nay trong các phép đo phổ năng lượng gamma khi yêu cầu về độ phân giải năng lượng cần được đặt lên hàng đầu

 Hiệu suất ghi đỉnh quang điện

Hiệu suất ghi đỉnh quang điện cũng là một chỉ tiêu quan trọng của đầu dò, đặc biệt cần chú ý đến trong các phép đo hoạt độ nhỏ Hiệu suất ghi này phụ thuộc vào loại đầu dò, thể tích đầu dò và năng lượng tia gamma

Hiệu suất ghi đỉnh quang điện của một đầu dò thường được xác định với đỉnh 1332 keV của nguồn 60Co đặt cách đầu dò 25 cm (theo tiêu chuẩn ANSI/IEEE 325- 1971)

Hiệu suất tuyệt đối được xác định bằng cách lấy số đếm tổng cộng trong đỉnh 1332 keV chia cho tổng số lượng tử gamma phát ra từ nguồn trong cùng khoảng thời gian

 Tỉ số Peak/Compton (P/C)

Tỉ số này cho ta đánh giá khả năng của đầu dò có thể phân biệt được các đỉnh yếu, năng lượng thấp nằm trên nền Compton của các đỉnh năng lượng cao Đó là tỉ số giữa chiều cao của đỉnh hấp thụ toàn phần với chiều cao của nền Compton tương ứng (thường lấy ở rìa Compton)

Tỉ số này càng cao thì càng có lợi cho phép đo hoạt độ thấp và phổ gamma phức tạp

Tỉ số này phụ thuộc vào thể tích của đầu dò : các đầu dò lớn có tỉ số P/C lớn vì đóng góp của tán xạ Compton nhiều lần vào đỉnh hấp thụ toàn phần lớn Tỉ số P/C theo quy định thường

được tính bằng cách chia độ cao của đỉnh 1332 keV cho độ cao trung bình của nền Compton trong khoảng 1040 keV và 1096 keV [8]

Soỏ ủeỏm taùi ủổnh 1332 keVP/C =

Soỏ ủeỏm trung bỡnh cuỷa keõnh 1040 keV vaứ 1096 keV (1.4) 1.2.2 Khối tiền khuếch đại (Preamplifier)

Khối tiền khuếch đại được nối trực tiếp ngay sau đầu dò Nhiệm vụ của nó là khuếch đại sơ bộ tín hiệu rất nhỏ từ đầu dò mà vẫn đảm bảo mức tạp âm khả dĩ là nhỏ nhất (ta thường nói là đảm bảo tỉ

số tín hiệu/tạp âm (S /N) tối đa)

Khối tiền khuếch đại có ý nghĩa rất quan trọng đối với chất lượng của phổ kế, sau đầu dò, nó quyết định độ phân giải năng lượng của phổ kế Tuỳ loại đầu dò mà người ta sử dụng một trong loại tiền khuếch đại sau đây :

+ Tiền khuếch đại nhạy dòng

+ Tiền khuếch đại nhạy thế

+ Tiền khuếch đại nhạy điện tích

Hình 1.6 : Sơ đồ của một tiền khuếch đại nhạy thế (a)

và tiền khuếch đại nhạy điện tích (b)

Bộ tiền khuếch đại nhạy dòng thường được sử dụng với các dụng cụ có trở kháng thấp, do đó nó rất ít thông dụng với các đầu dò bức xạ vì chúng thường là dụng cụ trở kháng cao Tiền khuếch đại điện nhạy thế là tiền khuếch đại khá thông dụng Nó khuếch đại bất kì điện thế nào xuất hiện tại lối vào của

nó : vì các đầu dò bức xạ chủ yếu là các dụng cụ tạo nên điện tích cho nên điện thế này xuất hiện qua tụ thuần cộng với các tụ ký sinh khác có thể có mặt tại lối vào, tức là :

tot

Q V C

Do đó, để V ổn định thì cần giữ cho tụ đầu dò ổn định trong khoảng thời gian hoạt động Đối với các đầu dò bán dẫn, thường xuất hiện sự thay đổi riêng của tụ đầu dò khi xuất hiện sự thay đổi nhiệt độ

Sự thay đổi này là do dòng rò trong điốt bán dẫn phụ thuộc vào nhiệt độ Vì vậy, tiền khuếch đại nhạy

điện thế không thích hợp sử dụng với các đầu dò bán dẫn

Với đầu dò bán dẫn HPGe dùng cho mục đích đo phổ gamma, ta thường dùng loại khuếch đại nhạy điện tích nên sau đây ta chỉ nói về loại này

Đặc điểm quan trọng của khối tiền khuếch đại là nó không nhạy đối với sự biến đổi điện dung của đầu dò nhờ sự tích phân điện tích trên một tụ phản hồi Cf

Điện áp ở lối ra V0 tỉ lệ với điện tích tạo ra trên đầu dò Q :

V

f

Q C

Xung điện áp ở lối ra có thời gian tăng gần bằng độ rộng của xung dòng điện trên đầu dò và có hằng số thời gian phân rã cho bởi :

 = Cf Rf (1.7) Trong đó : Rf là điện trở phản hồi, Cf có giá trị cỡ 0,1 pF đến vài pF

Điện tích Q tạo ra trên đầu dò cho bởi :

6

.10

E e Q



Trong đó :

E là năng lượng phôton tới, có đơn vị là MeV

e là độ lớn điện tích của electron (e = 1,6.10-19 C)

 là năng lượng cần thiết (đơn vị đo là eV) để tạo ra một cặp electron - lỗ trống trong đầu dò Giá trị  ở 77 K đối với Si và Ge lần lượt là 3,61 eV và 2,98 eV

Hệ số 106 là hệ số để chuyển đổi đơn vị MeV ra eV

Từ phương trình (1.6) và (1.8), ta tính được điện áp ra gây bởi phôton có năng lượng E (MeV) là :

6 19 0

.10 1, 6.10

f

E V

Bảng 1.2 : Sự phụ thuộc của tạp âm tiền khuếch đại vào điện dung lối vào.[2]

Điện dung lối vào (pF) Tạp âm Q (C) FWHM của đầu dò Ge

Điện dung vào không những ảnh hưởng lên khả năng phân giải năng lượng của hệ phổ kế bằng cách bổ sung thêm tạp âm mà nó còn ảnh hưởng đến khả năng phân giải thời gian của hệ thống Nối tiền khuếch đại với đầu dò cũng bổ sung thêm điện dung vào Do đó, tiền khuếch đại có thể được lắp trực tiếp với đầu dò

Để đảm bảo mức tạp âm lối vào nhỏ, người ta thường dùng tranzito trường (FET) làm phần tử lối vào cho tiền khuếch đại Tranzito trường là linh kiện tạp âm thấp, có thể được tối ưu nhờ thiết kế mạch

Để đảm bảo mức tạp âm cực thấp, người ta làm lạnh tranzito trường ở lối vào bằng cách đặt nó ngay trong ống làm lạnh (cryostat), gắn trực tiếp vào đầu dò

Biên độ của xung điện áp ra giảm theo hàm mũ :

0

t

V V e (1.11) Hình dạng xung ra từ tiền khuếch đại được minh hoạ trong hình 1.7

Hình 1.7: Xung ra từ một tiền khuếch đại

Như vậy, điện tích vào được tích phân trong khối khuếch đại nhạy điện tích để thu được hai đại lượng : điện tích tổng cộng vào và thời gian thu điện tích nên tín hiệu được tách ra thành lối ra năng lượng E và thời gian T Vì vậy, khối tiền khuếch đại là rất hữu ích cho cả phổ kế thời gian và năng lượng

1.2.3 Khối khuếch đại tuyến tính (Amplifier - AMP)

Khối này có nhiệm vụ khuếch đại tiếp xung ra từ tiền khuếch đại (thông thường nhỏ hơn 1 V) lên đến khoảng giá trị thích hợp để có thể xử lý tiếp một cách dễ dàng và chính xác Ngoài ra trong khối này còn có tác dụng tạo dạng xung nhằm cải thiện tỉ số tín hiệu/tạp âm (S/N) và ngăn ngừa sự chồng chập xung Hai yêu cầu này thường mâu thuẫn nhau cho nên trong thiết kế thí nghiệm cần có sự thỏa hiệp nhất định

- Nếu yếu tố độ phân giải năng lượng là quan trọng hơn thì cần giữ tốc độ đếm ở giá trị thấp hợp

lý

- Nếu thực nghiệm đòi hỏi phải làm việc với tốc độ đếm cao thì để đảm bảo độ phân giải năng lượng không bị tồi đi nhiều thì cần lựa chọn các mạch tạo dạng xung thích hợp với hằng số thời gian thích hợp

Trong các loại mạch tạo dạng xung thì mạch CR - RC (vi phân - tích phân) thường được sử dụng nhiều nhất Mạch vi phân CR có tác dụng đối với phần đuôi của xung và có thể coi như một bộ lọc cho qua tần số cao và làm giảm thành phần tần số thấp Mạch tích phân RC có tác dụng lên phần đầu (phần tăng) của xung và có thể xem như một bộ lọc cho tần số thấp và làm giảm thành phần tần số cao Một mạch CR - RC điển hình được trình bày trên hình 1.8

CR vào tầng CR - RC để tạo nên mạch vi phân kép

Hình 1.9 : Mạch vi phõn xung kộp hỡnh thành xung CR – RC – RC

Hình 1.9 minh họa xung ra hai phân cực với tích bằng nhau, nó rất hữu ích trong việc giảm thiểu

sự dịch đường 0 với tần số đếm thay đổi Nó cũng thuận tiện với những ứng dụng thời gian cắt zêrô Nhược điểm của mạch vi phân kép so với mạch CR - RC là xung dài hơn và tỉ số tín hiệu trên tạp âm tồi hơn

Dạng xung mà ta có được sau bộ lọc CR - RC trên thực tế có một phần lọt xuống phía dưới

đường cơ bản (undershoot) Nếu có một xung thứ hai đến đúng vào vị trí undershoot thì nó sẽ được đo không đúng và nếu undershoot không được điều chỉnh thích hợp sẽ gây ra sự dịch chuyển đường cơ bản khiến cho phép đo biên độ không còn chính xác nữa Lý do gây ra undershoot là mạch liên kết CR (tạo

ra thêm một lần vi phân mới) Để khắc phục hiện tượng này, ta đưa vào mạch liên kết tầng thêm một

điện trở Rpz và ta được mạch theo kiểu bù trừ cực điểm bởi điểm 0 (pole zero cancellation - PZC)

Hình 1.10 minh họa mạch bù trừ cực zêrô và hiệu ứng của nó Tín hiệu khuếch đại được áp tới lối vào của mạch vi phân CR trong bộ khuếch đại, xung lối ra từ bộ vi phân thường có bứu âm không như mong muốn Điện trở Rpz được mắc song song với tụ C1 và được hiệu chỉnh để cắt bướu âm Kết quả là xung ra có dạng hàm mũ đơn giản, gần với đường cơ bản với hằng số thời gian vi phân thích hợp Thực tế, tất cả các bộ khuếch đại phổ kế đều có đặc trưng này với hiệu chỉnh bù trừ cực zêrô ở mặt trước Hiệu chỉnh chính xác cực zêrô sẽ cho phổ tốt và tin cậy Một số bộ khuếch đại phức tạp hơn sẽ

đơn giản hóa nhiệm vụ này bằng mạch hiệu chỉnh cực zêrô tự động

Hình 1.10 : Mạch bự trừ zêrô (a) và hiệu ứng của mạch bù trừ zêrô (b, c, d)

Trong các hệ thống đo phổ gamma làm việc ở tốc độ đếm cao, điều quan trọng là phải điều chỉnh thật chính xác mạch bù trừ cực zêrô vì điều chỉnh không đủ hoặc điều chỉnh quá mức (undershoot hoặc overshoot) đều khiến cho phép đo không chính xác Hình 1.11 cho thấy tác dụng của việc điều chỉnh cực điểm bởi điểm không nhằm phục hồi đường cơ bản : hình 1.11a tương ứng với điều chỉnh tốt, hình 1.11b ứng với điều chỉnh chưa hết (undershoot) và 1.11c là điều chỉnh quá mức (overshoot)

được làm tốt lên từ 17% đến 19%

Hình 1.12 : Mạch hình thành xung trong bộ khuếch đại chuẩn Gauss

Các bộ khuếch đại có những bộ lọc phức tạp hơn được gọi là những bộ khuếch đại hình thành xung chuẩn Gauss (hình 1.12) vì dạng xung ra của nó gần với dạng của một đường cong Gauss Một ưu

điểm khác của hình thành xung chuẩn Gauss là giảm độ rộng xung ra tại 0,1% của 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 Dạng xung ra của bộ hình thành xung chuẩn Gauss được trình bày trên hình 1.13

Hình 1.13 : Dạng xung ra của hỡnh thành xung

chuẩn Gauss với hằng số thời gian 2s

Để đảm bảo chất lượng khối khuếch đại khi làm việc ở tốc độ cao, người ta còn đưa vào các mạch phục hồi đường cơ bản (baseline restorer) và loại trừ chồng chất xung (pile up rejector) cho phép cải thiện độ phân giải năng lượng ở tốc độ đếm cao

Mạch khử chồng chập xung có nhiệm vụ tạo ra sau mỗi xung tới một giai đoạn kiểm tra kéo dài trong khoảng thời gian bận của lối ra Nếu có một sự kiện nào xuất hiện trong khoảng thời gian bận này

thì sẽ có một tín hiệu cấm được tạo ra để đóng cổng máy phân tích biên độ lại, nhờ vậy mà phổ thu

được không bị méo

Dạng xung ra sau khuếch đại tuyến tính được minh họa như hình 1.14

Hình 1.14 : Dạng xung ra sau khuếch đại tuyến tớnh

1.2.4 Bộ biến đổi tương tự thành số (Analog to Digital Converter - ADC)

Tín hiệu tương tự từ khối khuếch đại tuyến tính có biên độ V0 sẽ được đưa vào khối biến đổi tương tự thành số ADC Khối này đo biên độ cực đại của một xung tương tự và biến đổi giá trị đó thành mã số Mã số tỉ lệ với biên độ tương tự tại lối vào ADC Đối với các xung tới liên tiếp, mã số từ ADC

được dẫn tới bộ nhớ dành riêng hoặc máy tính và được phân loại bằng biểu đồ Biểu đồ này biểu diễn phổ của biên độ xung vào

Có nhiều kiểu biến đổi, sau đây ta chỉ xét kiểu biến đổi Wilkinson là kiểu biến đổi phổ biến nhất Hoạt động của ADC Wilkinson được minh hoạ trên hình 1.15

Bộ đếm

địa chỉ Đồng hồ

địa chỉ

Cổng tuyến tính

a) Tụ nạp điện

Bộ đếm

địa chỉ Đồng hồ

địa chỉ

Cổng tuyến tính

b) Tụ phóng điện

I

Bộ đếm

địa chỉ NcĐồng hồ

địa chỉ

Cổng tuyến tính

c) Chu trỡnh nhớ

Bộ đếm

địa chỉ Đồng hồ

địa chỉ

Cổng tuyến tính

a) Tụ nạp điện

Bộ đếm

địa chỉ Đồng hồ

địa chỉ

Cổng tuyến tính

b) Tụ phóng điện

I

Bộ đếm

địa chỉ NcĐồng hồ

địa chỉ

Cổng tuyến tính

c) Chu trỡnh nhớ

Hình 1.15 : Sơ đồ hoạt động của ADC Wilkinson

Bộ phân biệt mức thấp được dùng để ghi nhận xung tới từ bộ khuếch đại Thông thường ngưỡng của bộ phân biệt mức thấp được đặt trên mức tạp âm để ngăn ngừa ADC không mất thời gian phân tích tạp âm

Khi xung vào cao hơn mức ngưỡng phân biệt thấp, cổng tuyến tính vào mở và tụ nạp được nối với lối vào Khi biên độ xung vào đạt tới cực đại và bắt đầu giảm xuống thì cổng tuyến tính bị đóng và

tụ bị ngắt khỏi lối vào Tại điểm này, thế trên tụ bằng biên độ cực đại của xung vào Theo sau 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 trên tụ Đồng thời đồng hồ địa chỉ được nối với bộ đếm địa chỉ và xung đồng hồ được đếm trong khoảng thời gian phóng điện của tụ điện Khi thế trên tụ về zêrô thì việc đếm xung đồng hồ cũng dừng lại

Vì thời gian phóng điện tuyến tính của tụ tỉ lệ với biên độ xung gốc cho nên số đếm Nc ghi được trong bộ đếm địa chỉ cũng tỉ lệ với biên độ xung Trong khoảng thời gian 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

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

Như vậy, trình tự biến đổi trong ADC Wilkinson như sau :

- Biên độ tín hiệu vào V0 được so sánh với một điện áp tuyến tính Vr

- Khi nào Vr đạt tới V0 thì xuất hiện một xung mở cổng Độ rộng của xung này bằng thời gian cần thiết để Vr đạt giá trị V0

- Trong thời gian cổng mở, các xung đồng hồ tần số cao được đi qua cổng và được đếm bởi máy

Bảng 1.3 : Đặc trưng của một số loại ADC thương mại sử dụng cho phổ kế hạt nhân. [2]

Hãng Loại biến đổi Hệ số biến đổi

Độ phi tuyến tích phân

Độ phi tuyến

vi phân CANBERRA

ADC 8701

ADC 100 MHz Wilkinson

đổi 6 s)

1.2.5 Máy phân tích biên độ nhiều kênh (Multi Channel Analyzer - MCA)

Máy tính

Tín hiệu từ khối

Tín hiệu từ khối khuếch đại

Hình 1.16 : Sơ đồ khối của hệ thống phân tích đa kênh

Máy phân tích biên độ nhiều kênh bao gồm ADC, một bộ nhớ biểu đồ, bộ chỉ thị biểu đồ được ghi trong bộ nhớ Nếu các xung vào tới từ bộ khuếch đại phổ năng lượng thì biểu đồ tương ứng với phổ năng lượng được quan sát bằng đầu dò kèm theo Khi lối ra của bộ biến đổi thời gian thành biên độ

được nối với lối vào ADC thì biểu đồ biểu diễn phổ thời gian đo được bằng bộ biến đổi thời gian thành biên độ Kết hợp ADC, bộ nhớ biểu đồ và chỉ thị biểu đồ tạo nên máy phân tích đa kênh MCA Nếu máy tính được sử dụng để chỉ thị phổ, khi đó sự kết hợp của ADC và bộ nhớ biểu đồ gọi là bộ đệm đa kênh MCB Sơ đồ khối của MCA chỉ ra trên hình 1.16

Chức năng chủ yếu của MCA được chia làm hai phần :

- Thu nhận và tồn trữ số liệu được thực hiện bằng phần cứng gọi là MCB

- Chức năng điều khiển và chỉ thị được thực hiện bằng phần mềm chạy trên máy tính 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) (eV, keV, MeV hoặc tính theo đơn vị thời gian: s, ms, s)

+ 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 trừ phông)

+ Chuẩn hóa năng lượng (tăng hoặc giảm phổ bằng một hằng số)

+ 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)

+ Phần mềm ứng dụng (phần mềm chuyên dụng được thiết kế cho phổ alpha, gamma, huỳnh quang tia X, kích hoạt nơtron, đếm toàn thân, thải phóng xạ, phân tích các nguyên tố siêu uran và các ứng dụng khác)

Với các phổ kế tương tự truyền thống, tín hiệu đầu dò được xử lý, hình thành và lọc bằng bộ khuếch đại hình thành xung và được số hóa bằng ADC tại cuối dãy xử lý Trong nhiều năm cải tiến công nghệ tương tự này, người ta nhận thấy có hai hạn chế cơ bản: thứ nhất, có những hạn chế trong việc mở rộng các chức năng lọc tín hiệu ; thứ hai, linh kiện tương tự dễ cảm nhận đối với tạp âm và hiện tượng trôi có thể ảnh hưởng tới chất lượng tín hiệu và cuối cùng ảnh hưởng tới phổ thu nhận

Các loại MCA thông dụng được giới thiệu trong bảng 1.4

Bảng 1.4 : Một số MCA thông dụng của hãng Canberra.[2]

CANBERRA Accuspec Add on Card Genie 2000 BSS 2K, 4K, 8K

CANBERRA System 100 Add on Card Chương trình MCA

S100 trong Windows

16K

1.2.6 Các thiết bị để đo thời gian

1.2.6.1 Bộ khuếch đại nhanh

Khi yêu cầu thông tin thời gian cao hơn thì lối ra đầu dò thường được chọn là xung tuyến tính nhanh có thời gian ngắn Loại xung này thường cung cấp cho bộ khởi phát xung mặt trước để tạo tín hiệu thời gian nhanh Nếu biên độ của xung tuyến tính nhanh là không đủ để đạt tới một mức khởi phát thuận tiện trong bộ khởi phát thời gian thì cần phải cung cấp một sự khuếch đại nào đó trước Các bộ khuếch đại tuyến tính sẽ không thể dùng cho ứng dụng này vì mạch hình thành xung được thiết kế để hạn chế thành phần tần số cao trong tín hiệu để cho khả năng phân giải tối ưu

Để bảo toàn dạng xung tuyến tính nhanh, một bộ khuếch đại có đáp ứng tuyến tính với tần số càng cao càng tốt, có thể mở rộng đáp ứng tần số tới 0 Những bộ khuếch đại như thế được gọi là những

bộ khuếch đại dải rộng vì chúng không lọc cả tần số cao lẫn tần số thấp nên chúng không hình thành xung lối vào Khi áp dụng cho xử lý xung hạt nhân, chúng thường được gọi là các bộ khuếch đại nhanh Nhiệm vụ của chúng là tạo nên một xung lý tưởng, là bản sao trung thực của xung vào nhưng được khuếch đại

Bộ khuếch đại nhanh được thiết kế để có thời gian tăng lối ra trong dải ns Khi đạt thời gian tăng nhanh thường phải thỏa hiệp độ tuyến tính và ổn định nhiệt độ

Có 2 loại khuếch đại nhanh:

+ Bộ khuếch đại dải rộng : loại này ứng dụng về khả năng phân giải thời gian tốt khi thời gian tăng nhanh nhất được yêu cầu, không có điều khiển về thời gian tăng hay thời gian giảm của tín

hiệu, chúng được sử dụng điển hình trong ống quang điện và đầu dò hạt tích điện silic cho những ứng dụng về khả năng phân giải thời gian cao

+ Bộ khuếch đại lọc thời gian (Timming Filter Amplifier - TFA) : được cung cấp các bộ

vi phân CR và bộ tích phân RC để điều khiển dạng xung

Thời gian tăng của bộ khuếch đại quá nhanh nên tránh vì chúng dẫn đến tạp âm nhiều hơn và không cải thiện thời gian tăng tín hiệu Ta nên đặt tín hiệu đủ dài để tránh mất biên độ của tín hiệu

đối với thời gian truyền cho trước nhưng chúng có đặc trưng truyền tần số cao tương đối nghèo và sẽ làm méo các xung nhanh

Khi sử dụng với hình thành xung tuyến tính có các bộ lọc tần số cao, sự méo là không nghiêm trọng và đường làm chậm thụ động của các thiết kế khác nhau có thể cung cấp đường làm chậm điều khiển được lên tới  s Những bộ khuếch đại tuyến tính thường kết hợp một số đường làm chậm để cung cấp một lối ra thuận tiện trong việc xác lập những hệ thống xung thời gian

Trên thực tế, một số hãng đã chế tạo các hộp làm chậm cung cấp thời gian làm chậm có thể điều khiển được phép kéo dài hoặc rút ngắn đường dẫn điện trong các mạch trùng phùng Các hộp làm chậm nói chung bao gồm những độ dài cáp thay đổi được trong chuẩn NIM cho phép làm chậm trong khoảng

0 đến 64 ns Một số hộp có thể được nối tiếp với nhau để cho làm chậm lên tới 100 ns Thí dụ hãng canberra chế tạo hộp làm chậm trong chuẩn NIM 2058 cho phép làm chậm các xung tuyến tính và lôgic trong các bước 0,5 ns trong dải lên tới 64 ns theo các bước sau : 0,5 ; 1 ; 2 ; 4 ; 8 ; 16 hoặc 32 Khối làm chậm 2055 trong chuẩn NIM của Canberra có dải làm chậm có thể điều khiển liên tục từ 0,1 đến

110s Bảng 1.5 trình bày các bộ phận làm chậm và đặc trưng cơ bản của chúng

Bảng 1.5 : Đặc trưng của một số bộ làm chậm [2]

Hãng chế tạo Mẫu Dải làm chậm Bước làm chậm (ns) Làm chậm

cực tiểu (ns) CANBERRA 2058 0,5 - 64 ns 0,5; 1; 2; 4; 8; 16; 32 2

1.2.6.3 Bộ phân biệt ngưỡng không đổi (Constant Fraction Discriminator - CFD)

Khối CFD thường được chế tạo để phục vụ cho hai ứng dụng khác nhau :

- Một là : đếm các xung nhỏ với tốc độ đếm cao

- Hai là : 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 thấp quá sẽ xuất hiện trùng phùng với gamma mềm hoặc gamma tán xạ giữa hai đầu

dò, nếu chọn ngưỡng cao quá sẽ mất các chuyển dời gamma có năng lượng thấp [5, tr.24] Tất cả các khối CFD đều có chuyển mạch thay đổi ngưỡng Ngưỡng được chọn sao cho đủ cao

để loại được nhiễu Trong một số ứng dụng ngưỡng được đặt cao để cắt các xung biên độ bé nằm trong vùng năng lượng thấp có nhiều nhiễu

Khối CFD hoạt động theo ba chế độ (mode) tùy thuộc vào kiểu đầu dò :

- Constant-Fraction (CF) : chế độ CF dựa trên tỉ 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 sườn lên

Với thực nghiệm phải chọn lựa được mode phù hợp với hệ đo

1.2.6.4 Bộ trùng phùng

Nhiều khối trùng phùng thương mại hoạt động dựa trên nguyên tắc phủ trong độ rộng của xung vào xác định trực tiếp thời gian phân giải của mạch trùng phùng

Hình 1.17 : Nguyên tắc cơ bản của mạch trùng phùng.

Hình 1.17 minh họa nguyên tắc cơ bản của mạch trùng phùng Mạch trùng phùng đơn giản là cổng AND hai lối vào Như được chỉ ra bằng dạng sóng trong hình 1.17, cổng AND phát ra lôgic 1 chỉ khi các xung lôgic 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 Vì lý do này mà mạch 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 thì mọi tín hiệu lôgic 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 trùng phùng đơn giản hai lối vào, ba lối vào chuyển mạch dẫn đến trùng phùng ba lối vào, …

Khối trùng phùng thường cung cấp ít nhất một lối vào phản trùng phùng Những xung cung cấp

đối với lối vào này trong thời gian xác định cho trước sẽ có tác động cấm lối ra của khối trùng phùng

Đặc tính của một số bộ trùng phùng thương mại được giới thiệu trong bảng 1.6

1.3 Tổng quan về tình hình nghiên cứu các hệ phổ kế năng lượng, thời gian

Hiện nay, ở các phòng thí nghiệm về hạt nhân trong nước, các hệ phổ kế được sử dụng phổ biến là hệ phổ kế gamma đơn tinh thể với đầu dò HPGe, thường được dùng để đo mẫu môi trường, hệ phổ kế thời gian nhanh sử dụng hai đầu dò NaI được sử dụng rộng rãi trong thí nghiệm đo thời gian sống của pozitron

Đầu dò bán dẫn siêu tinh khiết HPGe có những ưu điểm rõ rệt là không phải bảo quản liên tục trong Nitơ lỏng, đồng thời độ phân giải năng lượng, hiệu suất ghi cũng hơn hẳn các đầu dò khác Việc sử dụng đầu dò bán dẫn trong hệ phổ kế gamma rất đơn giản Cấu hình chủ yếu của hệ đo được minh họa trên hình 1.18

Máytính

Máytính

Hình 1.18 : Sơ đồ khối của phổ kế gamma bán dẫn đơn tinh thể.

Đầu dò bán dẫn HPGe được ghép nối với khuếch đại phổ AMP Tín hiệu ở lối ra của đầu dò bán dẫn được AMP khuếch đại về biên độ và tạo dạng thích hợp cho ADC phân tích biên độ đỉnh xung Card thu nhận dữ liệu Interface sẽ thu nhận dữ liệu sau khi ADC biến đổi xong và xếp vào ô nhớ Dữ liệu này được truyền vào máy tính PC để xử lý và được lưu lại thành các file số liệu

Hình 1.19 : Hệ phổ kế gamma bán dẫn đơn tinh thể tại phòng thí nghiệm hạt nhân, khoa Vật lí, Trường Đại Học Sư Phạm TP.HCM.

Hiện nay, tại Trung Tâm Hạt Nhân TP.HCM và một số phòng thí nghiệm hạt nhân của một số trường đại học, người ta đã và đang dùng phổ kế gamma bán dẫn đơn tinh thể để đo các mẫu môi trường, dùng phổ kế thời gian nhanh sử dụng hai đầu dò NaI để nghiên cứu cấu trúc của vật liệu

Phổ gamma thường rất phức tạp, một số đỉnh phổ năng lượng thấp lại nằm trên phông phóng xạ

và nền compton của các tia gamma có năng lượng cao Do đó việc xác định diện tích các đỉnh phổ có thống kê thấp trên nền phông cao thường phạm sai số lớn Mặt khác độ nhạy phân tích chỉ có thể được cải thiện trong điều kiện tỉ số diện tích đỉnh phổ trên phông lớn Do đó, nhằm nâng cao chất lượng đo, trong nhiều trường hợp người ta đã sử dụng kỹ thuật trùng phùng Có hai phương pháp trùng phùng chính : trùng phùng kinh điển về thời gian và trùng phùng cộng biên độ

Năm 1958, Hoogenboom A.M đã đưa ra những phác thảo đầu tiên về hệ phổ kế cộng các biên độ các xung trùng phùng bằng các đầu dò nhấp nháy Hệ cộng biên độ xung từ hai

đầu dò được thực hiện bằng các khối điện tử cộng tương tự để cộng biên độ xung Các thiết

bị phân tích biên độ vào thời điểm đó là các máy phân tích biên độ 256 kênh Năm 1981, tại Viện Liên Hợp Nghiên Cứu Hạt Nhân Dubna đã đưa ra vấn đề ghi nhận, lưu trữ và xử lý số trên máy tính các thông tin thu được từ hệ đo cộng biên độ các xung trùng phùng Phương pháp này khác xa hẳn những nguyên tắc ban đầu do Hoogenboom A.M đưa ra Nó cho phép tiết kiệm thời gian thực hiện một nghiên cứu nhiều lần, độ chính xác cao hơn hẳn, loại trừ

được ảnh hưởng chênh lệch về thời điểm xuất hiện các xung từ đầu dò tương ứng với cặp chuyển dời nối tầng Phương pháp do Viện Liên Hợp Nghiên Cứu Hạt Nhân Dubna đưa ra có cấu hình như hệ phổ kế trùng phùng nhanh chậm hiện đại có lưu trữ và cộng bằng số [6, tr.14]

Năm 2005, Viện Năng Lượng Nguyên Tử Việt Nam và Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên thuộc Đại Học Quốc Gia Hà Nội đã xây dựng thành công hệ đo cộng biên độ các xung trùng phùng, lắp

đặt tại Viện Nghiên Cứu Hạt Nhân Đà Lạt So với hệ đo tại Viện Liên Hợp Nghiên Cứu Hạt Nhân Dubna vào những năm trước thì hệ đo tại Đà Lạt có những ưu điểm vượt trội hơn như : hiệu suất ghi cao hơn, tốc độ làm việc của hệ điện tử nhanh gấp nhiều lần, không phải sử dụng các đường dây trễ tập trung hoặc các khối khuếch đại trễ, độ tuyến tính và độ ổn định đều tốt hơn rất nhiều Hiện nay, các nghiên cứu phát triển hệ đo vẫn đang tiếp tục : chất lượng chùm bức xạ nơtron trên kênh số 3 và phông ngày càng được cải thiện, bổ sung thiết bị để thu thập và khai thác triệt để thông tin từ các thí nghiệm, thiết lập tham số để tối ưu trùng phùng về thời gian Đây là cơ sở để khẳng định các thí nghiệm nghiên cứu cấu trúc hạt nhân trên hệ đo tại Đà Lạt hoàn toàn đạt tới trình độ quốc tế Hệ phổ kế cộng biên độ các xung trùng phùng và một loạt các vấn đề liên quan như chùm nơtron trên kênh số 3, hệ che chắn giảm phông, hệ thống chương trình xử lý số liệu đã được hoàn thiện

Hiện nay, tại một số trung tâm nghiên cứu hạt nhân trong nước, mặc dù các thiết bị cần thiết cho một hệ phổ kế trùng phùng gamma tương đối đầy đủ nhưng do không giải quyết được vần đề ghép nối giữa các khối thiết bị, giữa toàn hệ với máy tính, lựa chọn thuật toán điều khiển, cũng như chưa tìm ra

được bộ tham số thích hợp cho các khối điện tử nên vẫn chưa xây dựng được hệ trùng phùng sử dụng

đầu dò bán dẫn HPGe Vì vậy, hệ phổ kế cộng biên độ các xung trùng phùng tại Viện Nghiên Cứu Hạt Nhân Đà Lạt là hệ đo duy nhất có trong nước tính tới thời điểm này

CHƯƠNG 2 : Tìm hiểu Hệ PHổ Kế TRùNG PHùNG GAMMA

Sử DụNG ĐầU Dò BáN DẫN HPGe

Do luận văn được thực hiện tại Viện Nghiên Cứu Hạt Nhân Đà Lạt nên hệ phổ kế phổ kế trùng phùng sử dụng đầu dò bán dẫn HPGe mà tác giả được khảo sát là hệ phổ kế cộng biên độ các xung trùng phùng, đặt tại kênh số 3 của lò phản ứng hạt nhân Chương 2 sẽ giới thiệu về các khối điện tử chính của hệ, sơ đồ khối, sơ đồ kết nối các khối, nguyên tắc hoạt động cùng với các vấn đề liên quan

Hình 2.2 : Sơ đồ khối của hệ phổ kế trùng phùng gamma sử dụng hai đầu dò bán dẫn

HPGe loại GC1518 và Inter Technique (trùng phùng bằng khối 414A).

Hệ thống phổ kế trùng phùng trên hình 2.2 được chia làm 2 kênh : kênh A (phía dưới) và kênh B (phía trên) bao gồm các thiết bị như sau :

- Hai đầu dò bán dẫn Ge siêu tinh khiết (HPGe) loại GC1518 của hãng Canberra và Inter - Technique

- Hai khuếch đại phổ 572A của hãng Ortec

- Hai bộ biến đổi tương tự thành số ADC 7072 của hãng Fast Comtec

- Hai khuếch đại lọc thời gian TFA 474 của hãng Ortec

- Hai khối phân biệt ngưỡng nhanh CFD 584 của hãng Ortec

- Ba khối dây trễ (Delay)

- Khối cao thế HV 660 của hãng Ortec

- Khối trùng phùng nhanh 414A của hãng Ortec

- Nguồn nuôi Model 4002D của hãng Ortec

- Card thu dữ liệu Interface NI7811R

- Máy tính PC

2.2 Kết nối các khối điện tử của hệ phổ kế trùng phùng gamma

Các khối A Các khối B

NI7811R Face NI7811R

Các khối A Các khối B

Hình 2.3: Sơ đồ kết nối các khối điện tử của hệ phổ kế trùng phùng gamma (mặt trước)

Face NI7811R

AMP (B) ẹầu dò HPGe (B) HV ADC

AMP (A) ẹầu dò HPGe (A) Interface

Face NI7811R

Inter Face NI7811R

AMP (B) ẹầu dò HPGe (B) HV ADC

AMP (A) ẹầu dò HPGe (A) Interface

- Dây nguồn 1 nối với phía sau của khuếch đại phổ AMP 572

- Dây Energy 2 có thể nối với phía trước cổng “input” hoặc phía sau cổng “in” của khối khuếch

đại AMP 572

- Dây Timming 3 nối vào “input” ở mặt trước hoặc mặt trước của TFA 474

- Dây cao áp HV 4 nối vào “0 5 kV” ở mặt sau cao áp

- Dây Inhibit 5 nối vào BIAS SHUTDOW

 Khuếch đại phổ AMP 572

- Lối ra UNI của AMP 572 nối với “ADC in”

- Cổng inhibit nhận dây nối từ interface

 ADC 7072

- Dây tín hiệu trùng phùng từ interface nối vào “Gate in” ở mặt trước của ADC

- Mặt sau, nối 2 cổng “data” của ADC với 2 cổng “data” của interface

 Khuếch đại nhanh TFA 474

Cổng “output” của TFA 474 nối với lối vào cổng “input” của khối phân biệt ngưỡng CFD 584

 Khối phân biệt ngưỡng CFD 584

- Hai cổng CF Delay được nối với 2 lối vào của khối làm trễ

- Cổng “output” của CFD 584 A nối với lối vào cổng “coinc A” của khối trùng phùng nhanh 414A

- Cổng “output” của CFD 584 B nối với lối với 1 cổng của khối làm trễ, cổng còn lại của khối làm trễ nối vào cổng “coinc B” của khối trùng phùng nhanh 414A

 Khối trùng phùng nhanh 414A

Cổng “output” của khối trùng phùng nhanh 414A nối tới Interface

 Card thu nhận số liệu Interface NI7811R

Cắm trên khe PCI của máy tính và nối với các ADC qua hộp connector

2.3 Các tham số của hệ phổ kế trùng phùng gamma sử dụng đầu dò bán dẫn HPGe

 Cao thế đôi HV 660

- Kênh A : 1750 V

- Kênh B : 2500 V

 Khuếch đại phổ AMP 572A

Bảng 2.1 : Các tham số của khối AMP 572A

Shapping time 3s 3s

 ADC 7072

- DEADTIME/LEVEL:  0/200

- RANGE/MODE: 8k/COIN

- ANALOG SIGNAL: PHA

 Khuếch đại nhanh TFA 474

Bảng 2.2 : Các tham số của khối TFA 474.

Do tương quan của hai tia gamma nối tầng đa phần là 1800 để bảo toàn xung lượng nên hai đầu

dò được bố trí đối diện nhau Mẫu đo được đặt sao cho các gamma phát ra đi đến hai đầu dò một cách

sử dụng để loại bỏ nhiễu, ảnh hưởng của tia  mềm và xác định thời điểm xuất hiện của xung Việc lựa chọn giá trị ngưỡng của khối CFD 584 là rất quan trọng, vì nếu thấp quá sẽ xuất hiện trùng phùng với phông  mềm, nếu quá cao thì sẽ mất dữ liệu có ích Tín hiệu ở lối ra của hai khối phân biệt ngưỡng CFD 584 sẽ được đưa đến hai lối vào của khối trùng phùng nhanh 414A Khối trùng phùng nhanh có độ

rộng cửa sổ thời gian tối thiểu là 10 ns và xác định điều kiện trùng phùng theo mặt tăng của xung Lối

ra của khối trùng phùng sẽ là xung dương và xung này được sử dụng để mở cổng Gate của hai ADC Như vậy, nếu có phân rã  nối tầng được ghi bởi cả hai đầu dò thì sẽ có một xung dương ở lối ra của khối trùng phùng nhanh 414A cho phép hai ADC biến đổi tín hiệu từ hai khối khuếch đại phổ 572A và

đưa vào máy tính nhờ cardInterface NI7811R Hệ ghi chỉ thu nhận thông tin khi cả hai đầu dò có xung

ra đồng thời (chính xác hơn 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)

Tín hiệu ở lối ra của các khối khuếch đại phổ trễ hơn so với tín hiệu lối vào một lượng thời gian tùy theo thời gian hình thành xung của bộ khuếch đại (cỡ s), trong khi tín hiệu ở lối ra của khối trùng phùng nhanh 414A trễ hơn so với tín hiệu ở lối ra T của đầu dò chỉ cỡ vài ns Như vậy, để có sự đồng

bộ, tín hiệu ở lối ra của khối trùng phùng phải được làm trễ đi một lượng tùy theo thời gian hình thành xung của bộ khuếch đại phổ

Sau khi máy tính ghi xong số liệu, hai ADC trở về trạng thái chờ xung trùng phùng tiếp theo Hai ADC sẽ không làm việc khi chưa có xung trùng phùng tác động vào cửa Gate cho

dù có xung tác động lối vào phân tích Số liệu thu được viết thành hai cột E1(n) và E2(n) tương ứng với biên độ của các cặp xung trùng phùng Trong đó, các giá trị E1(n) và E2(n) lần lượt là các code biên độ của hai xung tới từ các đầu dò 1 và đầu dò 2 tương ứng, n là số thứ

tự của các cặp sự kiện trùng phùng tính từ thời điểm bắt đầu đo Từ các số liệu (code biên

độ) thu được, sau khi sử dụng các chương trình xử lý số liệu ta sẽ thu được những thông tin cần thiết về năng lượng, cường độ chuyển dời và sơ đồ phân rã của hạt nhân được nghiên cứu [1, tr.10]

2.5 Khái quát về chương trình thu nhận số liệu dùng 7811R

Phần mềm để điều khiển hệ phổ kế cộng biên độ các xung trùng phùng đang khảo sát là chương trình thu nhận số liệu do nhóm nghiên cứu tại Viện Nghiên Cứu Hạt Nhân Đà Lạt viết cho card PCI7811R, nó được dùng để điều khiển hệ đo và thu nhận số liệu Chương trình gồm hai chế độ : MCA

và Event - Event, chọn chế độ bằng cách Click chuột vào Tab của chế độ cần đo

2.5.1 Chế độ MCA