Khảo sát phổ kế năng lượng- Thời gian sử dụng đầu dò bán dẫn HPGe

Khảo sát phổ kế năng lượng- Thời gian sử dụng đầu dò bán dẫn HPGe

Bộ GIáO DụC Và ĐàO TạO TRƯờNG ĐạI HọC SƯ PHạM TP Hồ CHí MINH

-

Nguyễn Văn Kim Trường

KHảO SáT PHổ Kế NĂNG LƯợNG - THờI GIAN Sử SụNG ĐầU Dò BáN DẫN HPGe

Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử, hạt nhân và năng lượng cao Mã số: 60 44 05

LUậN VĂN THạC Sĩ vật lý

NGƯờI HƯớNG DẫN KHOA HọC PGS TS : ĐINH Sỹ HIềN

Thành phố Hồ Chí Minh - 2010

Mở ĐầU Phương pháp ghi phổ năng lượng bức xạ gamma sử dụng đầu dò bán dẫn siêu tinh khiết (High Purity Germanium - HPGe) là phương pháp phổ biến để xác định hoạt độ nguồn, cường độ các bức xạ gamma phát ra cũng như nhận diện các nguyên tố, vì khả năng phân giải tốt của đầu dò Tuy nhiên, phổ năng lượng bức xạ gamma của các nguồn phóng xạ hay các đồng vị phóng xạ rất phức tạp như ngoài các đỉnh quang còn có nền Compton kèm theo Đặc biệt là các nguồn phóng xạ hoạt độ thấp, phát ra nhiều bức xạ gamma có năng lượng khác nhau thì các đỉnh năng lượng có cường độ bé sẽ không hiện ra rõ nét và

có trường hợp nó bị che khuất bởi nền Compton quá cao khi được ghi nhận bằng hệ phổ kế sử dụng các loại đầu dò chứa khí, đầu dò nhấp nháy, Điều đó dẫn đến sai số đáng kể trong phép đo

Vấn đề đặt ra là phải xây dựng hệ phổ kế sao cho phổ năng lượng ghi nhận được có các đỉnh năng lượng hiện ra rõ nét, nền Compton càng thấp càng tốt và độ phân giải tốt Đầu dò bán dẫn HPGe là lựa chọn tốt nhất để có được khả năng phân giải tối ưu Phương pháp trùng phùng là phương pháp sử dụng sự tương quan về thời gian giữa các bức xạ gamma trùng phùng (các bức xạ phát ra gần như đồng thời) để ghi phổ năng lượng gamma có tính chọn lọc nghĩa là nó chỉ ghi nhận các bức xạ gamma trùng phùng và loại bỏ các bức xạ gamma do tán xạ Compton Kết quả là thu được phổ năng lượng với các đỉnh năng lượng gamma đặc trưng hiện ra rõ nét trên nền Compton được hạ thấp Các nhà khoa học đã nghiên cứu xây dựng hệ phổ kế trùng phùng và thu phổ năng lượng bức xạ gamma khá tốt Tuy nhiên, việc hiểu biết và vận hành hệ phổ kế trùng phùng đặc biệt là hệ phổ kế năng lượng - thời gian sử dụng đầu dò bán dẫn HPGe để thu phổ năng lượng bức xạ gamma của các nguồn phóng xạ và đồng vị phóng xạ còn khá

xa lạ và chưa được phổ biến rộng trong nghiên cứu hạt nhân ở nước ta

Để giải quyết vấn đề trên, tác giả quyết định nghiên cứu đề tài: “khảo sát phổ kế năng lượng - thời gian sử dụng đầu dò bán dẫn HPGe” để phục vụ cho luận văn tốt nghiệp chuyên ngành Vật lý nguyên tử, hạt nhân và năng lượng cao, Khóa 18 (2007 - 2010) Trường Đại Học Sư Phạm T.P Hồ Chí Minh

Mục tiêu chính đặt ra của luận văn này là:

- Tìm hiểu những đặc trưng chung và nguyên tắc hoạt động cơ bản của các khối điện tử trong hệ phổ kế

- Tìm hiểu và thực hiện kết nối các khối điện tử của hệ phổ kế

- Tiến hành những thao tác trên các khối điện tử như lên cao thế cho đầu dò, chọn những thông số trên các khối điện tử và làm thí nghiệm với nguồn chuẩn như 60Co và 22Na

- Xử lý số liệu, ghi nhận phổ năng lượng và so sánh với phổ năng lượng ghi nhận được bằng hệ phổ kế thông thường (hệ phổ kế năng lượng sử dụng một đầu dò bán dẫn HPGe) Từ đó, chứng tỏ

ưu điểm của hệ phổ kế năng lượng - thời gian sử dụng đầu dò bán dẫn HPGe là: các đỉnh quang

được hiện rõ trên nền Compton thấp và tỷ số đỉnh trên Compton tăng lên

Cấu trúc luận văn gồm các phần chính sau:

Chương 1: Tổng quan về các hệ thống phổ kế năng lượng, thời gian sử dụng đầu dò bán dẫn siêu tinh khiết HPGe

Chương 2: Kỹ thuật trùng phùng và hệ thống xử lý xung thời gian

Chương 3: Thực nghiệm

Do thời gian và kiến thức còn hạn chế nên luận văn này không tránh khỏi thiếu sót, kính mong nhận

được sự góp ý của quý Thầy, Cô và các bạn đồng nghiệp để luận văn ngày càng hoàn thiện hơn

Chương 1: Tổng quan về các hệ thống phổ kế năng lượng, thời gian sử dụng

đầu dò bán dẫn siêu tinh khiết HPGe 1.1 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

1.1.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước [8]

Năm 1958, Hooenboom A.M đã đưa ra phác thảo đầu tiên về hệ phổ kế trùng phùng cộng biên

độ bằng đầu dò nhấp nháy

Từ năm 1981, Viện Liên Hợp Nghiên Cứu Hạt Nhân Dubna đưa ra vấn đề ghi nhận và xử lý số liệu trên máy tính bằng hệ đo cộng biên độ các xung trùng phùng với sơ đồ hệ đo như hình 1.1

1

7

I N T E R F A C E 1

2 Fast Amplifier: khối khuếch đại nhanh

3 Fast Discriminator: khối phân biệt ngưỡng nhanh

4 Spect Amplifier: khối khuếch đại phổ

5 Single Chanel Analyzer: máy phân tích đơn kênh

6 Fast Coincidence: khối trùng phùng nhanh

7 Slow Coincidence: khối trùng phùng chậm

8 Linear Gate: cổng tuyến tính

Hình 1.1 Sơ đồ hệ đo cộng biên độ các xung trùng phùng

Sau năm 2003, Cộng Hòa Séc thiết lập hệ đo trùng phùng dùng phương pháp cộng biên độ các xung trùng phùng có sơ đồ khối như hình 1.2

Timing Amplifier

Constant Fraction Discrimin.

Time to Pulse –Height Convert.

Constant Fraction Discrimin.

Timing Amplifier

HPGe

Active Amplifier

Analog to Digital Convert

Timing Discriminator CoincidenceSlow

Unit

Analog to Digital Convert Shaper

Shaper

Amplifier

Analog to Digital Convert

Active Amplifier

Timing Discriminator

Dual Sum Amplifier

Constant Fraction Discrimin.

Time to Pulse –Height Convert.

Constant Fraction Discrimin.

Timing Amplifier

HPGe

Active Amplifier

Analog to Digital Convert

Timing Discriminator CoincidenceSlow

Unit

Analog to Digital Convert Shaper

Shaper

Amplifier

Analog to Digital Convert

Active Amplifier

Timing Discriminator

Dual Sum Amplifier

Preamplifier: khối tiền khuếch đại

Amplifer: khối khuếch đại

Active Amplifier: khối khuếch đại chủ động

Dual Sum Amplifier: khối khuếch đại tổng

đôi

Timing Discriminator: khối phân biệt ngưỡng

thời gian

Shaper: khối tạo dạng xung

Timing Amplifier: khối khuếch đại thời gian

Hình 1.2 Hệ đo trùng phùng dùng phương pháp cộng biên độ các xung trùng phùng

1.1.2 Tình hình nghiên cứu trong nước [8]

Năm 1984, Đại Học Tổng Hợp Hà Nội đã thử nghiệm hệ đo cộng biên độ các xung trùng phùng

sử dụng đầu dò nhấp nháy NaI

Năm 1999, Trung Tâm Vật Lý Hạt Nhân thuộc Viện Khoa Học và Công Nghệ Quốc Gia đã nhận một hệ thiết bị để thiết lập một hệ đo theo phương pháp cộng biên độ các xung trùng phùng

Trong thời gian gần đây, Trung Tâm Hạt Nhân Thành phố Hồ Chí Minh đã thiết lập và sử dụng

hệ đo trùng phùng sử dụng đầu dò nhấp nháy NaI

Năm 2005, với sự hợp tác giữa Viện Năng Lượng Nguyên Tử Việt Nam và Đại Học Khoa Học

Tự Nhiên Đại Học Quốc Gia Hà Nội, trong khuôn khổ đề tài cấp bộ, tại lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt đã xây dựng thành công hệ phổ kế cộng biên độ các xung trùng phùng So với hệ đo tại Viện Nghiên Cứu Hạt Nhân Dubna vào những năm trước thì hệ đo tại Đà Lạt có những ưu điểm vượt trội như hiệu suất ghi cao hơn, tốc độ làm việc của hệ điện tử nhanh gấp nhiều lần, không sử dụng các đường dây trễ tập trung, độ tuyến tính và độ ổn định đều tốt hơn rất nhiều

1.2 Đầu dò bán dẫn siêu tinh khiết (High Purity Germanium - HPGe)

1.2.1 Cấu tạo của đầu dò bán dẫn HPGe

Đầu dò bán dẫn được chế tạo từ các tinh thể bán dẫn dưới dạng nguyên tố như Ge, Si (được sử dụng rộng rãi nhất) và các tinh thể bán dẫn pha tạp loại p, bán dẫn loại n Tùy thuộc vào yêu cầu cụ thể

mà đầu dò bán dẫn có hình dạng và cấu trúc khác nhau Chẳng hạn, đầu dò Si (Li) phẳng rãnh có tác dụng làm giảm dòng rò và do đó tăng khả năng phân giải năng lượng

Hình 1.3 cho thấy cấu trúc và dải năng lượng của từng loại đầu dò bán dẫn [2]

Đầu dò Ge điện cực đảo REGe và

đầu dò dải rộng XtRa

Đầu dò Ge điện cực đảo REGe và

đầu dò dải rộng XtRa

Ge giếng Well

E ( KeV)

Hình 1.3 Cấu trúc và dải năng lượng của từng loại đầu dò bán dẫn HPGe

Dưới đây là một số loại đầu dò bán dẫn HPGe thông dụng

1.2.1.1 Đầu dò bán dẫn HPGe đồng trục loại p

Lớp tiếp xúc dày ~ 600 μm Lớp tiếp xúc mỏng ~ 0.3 μm

~ 600 μm

Bức xạ

HPGe loại p

Hình 1 4 Đầu dò bán dẫn HPGe đồng trục loại p

Đầu dò bán dẫn HPGe dạng đồng trục loại p có cấu tạo như một điốt - bán dẫn loại p với một lớp tiếp xúc dày loại n ở mặt ngoài hình trụ và một lớp tiếp xúc mỏng loại p ở mặt trong của tinh thể

Ge Cấu trúc thông thường của đầu dò đồng trục hay đồng trục khép kín là lớp tiếp xúc dày hơn được

đặt ở bề mặt ngoài khối trụ bán dẫn loại p và lớp tiếp xúc mỏng hơn đặt ở mặt trong của khối trụ như

được chỉ trên hình 1.4 Các lớp tiếp xúc này được hình thành trong vật liệu bán dẫn loại p để tạo nên lớp chuyển tiếp điốt gần với lớp tiếp xúc ở mặt trong Việc hình thành lớp chuyển tiếp gần lớp tiếp xúc ở mặt trong tạo ra điện trường đều bên trong tinh thể và vì thế độ phân giải sẽ tốt nhất

Lớp tiếp xúc mặt ngoài có thể dày từ 600 đến 1000 μm Nó tùy thuộc vào nhà sản xuất và kích thước tinh thể Thông thường, độ dày của lớp tiếp xúc tăng theo kích thước của đầu dò Lớp tiếp xúc không hình thành tín hiệu từ các bức xạ gamma mà nó hấp thụ được gọi là lớp chết Lớp tiếp xúc mặt trong dày khoảng 0,3 μm Lớp tiếp xúc mặt ngoài hấp thụ hoàn toàn các lượng tử năng lượng thấp và hiệu suất của đầu dò tăng đến khi năng lượng lượng tử đạt một giá trị cực đại khoảng 120 keV

1.2.1.2 Đầu dò bán dẫn HPGe đồng trục loại n

Đối với đầu dò bán dẫn HPGe đồng trục loại n thì lớp tiếp xúc bị đảo ngược lại Nghĩa là lớp tiếp xúc mỏng được đặt ở mặt ngoài và lớp tiếp xúc dày đặt ở mặt trong

Lớp tiếp xúc dày ~ 600 μm Lớp tiếp xúc mỏng ~ 0.3 μm

HPGe

0.3μm

Lớp tiếp xúc dày ~ 600 μm Lớp tiếp xúc mỏng ~ 0.3 μm

HPGe

0.3μm

Hình 1.5 Cấu tạo của đầu dò bán dẫn HPGe đồng trục loại n

Đối với đầu dò loại này thì hiệu suất đối với các lượng tử có năng lượng thấp được cải thiện bởi vì bề dày của lớp chết được giảm đi Tuy nhiên, khả năng phân giải không tốt bằng đầu dò bán dẫn HPGe loại p

1.2.1.3 Đầu dò bán dẫn HPGe đồng trục loại p với lớp tiếp xúc mỏng mặt trước

Đầu dò bán dẫn HPGe đồng trục loại p với lớp tiếp xúc mỏng mặt trước có cấu trúc tương tự như đầu dò bán dẫn HPGe đồng trục loại p, chỉ khác ở chỗ mặt trước của đầu dò này được phủ một lớp mỏng bán dẫn loại n được chỉ trên hình 1.6

Lớp tiếp xúc dày ~ 600 μm

Lớp tiếp xúc mỏng ~ 0.3 μm Lớp tiếp xúc mặt trước ~ 10 μm

HPGe loại p

~ 600 μm

Bức xạ

Lớp tiếp xúc dày ~ 600 μm

Lớp tiếp xúc mỏng ~ 0.3 μm Lớp tiếp xúc mặt trước ~ 10 μm

HPGe loại p

~ 600 μm

Lớp tiếp xúc dày ~ 600 μm

Lớp tiếp xúc mỏng ~ 0.3 μm Lớp tiếp xúc mặt trước ~ 10 μm

HPGe loại p

~ 600 μm

Bức xạ

Hình 1.6 Đầu dò bán dẫn HPGe đồng trục loại p với lớp tiếp xúc mỏng mặt trước

Với lớp tiếp xúc này làm cho đầu dò tăng độ nhạy với các lượng tử năng lượng thấp như hầu hết các đầu dò bán dẫn loại n, trong khi vẫn giữ được khả năng phân giải tốt của các đầu dò bán dẫn loại p Hiệu suất năng lượng thấp ứng với các đầu dò này thích hợp với các ứng dụng với năng lượng thấp nhất khoảng trên 30 keV Lợi thế khác của đầu dò loại này là hiệu suất cao hơn tại giá trị năng lượng cao đối

với đầu dò có thể tích tinh thể lớn hơn và bán kính cực đại lớn hơn 8 cm, kết hợp với khả năng phân giải

và dạng đỉnh phổ tuyệt vời

1.2.1.4 Đầu dò bán dẫn HPGe đồng trục dải rộng XtRa [2]

Đầu dò XtRa là một đầu dò Ge đồng trục có một tiếp xúc cửa sổ mỏng duy nhất trên mặt trước

có tác dụng mở rộng dải năng lượng xuống tới 3 keV Đối với các đầu dò đồng trục Ge thông thường có lớp tiếp xúc khuếch tán Li với độ dày từ 0,5 đến 1,5 mm Lớp chết này dừng hầu hết các năng lượng dưới 40 keV Đầu dò loại này cho tất cả các ưu điểm của đầu dò đồng trục chuẩn thông thường như hiệu suất cao, khả năng phân giải tốt Cấu hình của đầu dò bán dẫn HPGe đồng trục XtRa được trình bày trên hình 1.7

Hình 1.7 Cấu hình đầu dò bán dẫn HPGe đồng trục dải rộng XtRa

1.2.1.5 Đầu dò bán dẫn HPGe giếng [2]

Đầu dò bán dẫn HPGe giếng cung cấp hiệu suất cao cho mẫu nhỏ gần như được bao quanh bằng vật liệu đầu dò Đầu dò bán dẫn HPGe giếng được chế tạo bằng một lỗ cụt để lại ít nhất 5mm độ dày đầu dò hoạt tại đáy của giếng Do đó, hình học đếm gần bằng 4 Cấu hình của đầu dò bán dẫn

Đường kính giếng

HPGe giếng được trình bày trên hình 1.8

Đầu dò bán dẫn HPGe giếng được chế tạo từ Ge có độ tinh khiết cao Do đó, nó có thể được vận chuyển và bảo quản tại nhiệt độ phòng mà không bị hỏng Vỏ chứa đầu dò và giếng được chế tạo bằng nhôm với độ dày 0,5 mm trong lận cận giếng Độ sâu giếng chuẩn là 40 mm cho tất cả các đầu dò

1.2.2 Nguyên tắc hoạt động của đầu dò bán dẫn HPGe

Khi bức xạ gamma tương tác với đầu dò thì bức xạ gamma sẽ truyền năng lượng cho đầu dò làm xuất hiện các điện tích Dưới thiên áp ở hai cực đầu dò, các điện tích này được tụ về các điện cực tạo ra thế (tín hiệu) Thế này được xử lý bởi các khối điện tử khác để hình thành xung Phần năng lượng truyền cho đầu dò được thực hiện theo các hiệu ứng tương tác sau:

- Đầu dò hấp thụ hoàn toàn năng lượng của lượng tử gamma theo hiệu ứng quang điện

- Đầu dò hấp thụ một phần năng lượng của lượng tử gamma theo hiệu ứng Compton

- Khi năng lượng lượng tử gamma lớn hơn 1500 keV (theo lý thuyết là 1022 keV) thì quá trình tạo cặp xuất hiện và sinh ra cặp electron - pozitron Năng lượng của electron nhanh chóng bị hấp thụ trong đầu dò (vì quãng chạy của hạt tích điện rất ngắn); còn pozitron sẽ nhanh chóng bị hủy cặp tạo hai lượng tử gamma 511 keV Nếu cả hai lượng tử gamma bị hấp thụ thì quá trình này tương đương với hấp thụ quang điện Nếu một trong hai lượng tử gamma bay ra ngoài thì phần năng lượng hấp thụ sẽ tạo nên đỉnh thoát đơn Nếu cả hai lượng tử gamma bay ra ngoài thì sẽ tạo nên đỉnh thoát kép

1.2.3 Ưu điểm của đầu dò HPGe

- Không phải bảo quản liên tục trong Nitơ lỏng

- Độ phân giải năng lượng và hiệu suất ghi hơn hẳn đầu dò bán dẫn khuếch tán có cùng thể tích Về cơ bản, ưu điểm khả năng phân giải có thể thuộc về lượng nhỏ năng lượng cần để tạo nên một phần tử mang điện và tín hiệu ra lớn đối với các loại đầu dò khác có cùng năng lượng photon tới Tại 3 eV/ cặp

điện tử - lỗ trống Số phần tử mang điện được sinh ra trong đầu dò bán dẫn Ge cao hơn cỡ một đến hai bậc độ lớn so với đầu dò nhấp nháy và đầu dò chứa khí tương ứng

1.3 Thiết bị điện tử để xử lý tín hiệu từ đầu dò hạt nhân

1.3.1 Những khối tiền khuếch đại (Preamplifier)

Khối tiền khuếch đại có chức năng chính là nhận và khuếch đại tín hiệu từ đầu dò mà không làm giảm đáng kể tỷ số tín hiệu/nhiễu Vì vậy, các khối tiền khuếch đại nằm càng gần đầu dò càng tốt để phát hiện và các mạch lối vào được thiết kế phù hợp với đặc tính của từng loại đầu dò

Có ba loại tiền khuếch đại cơ bản: tiền khuếch đại nhạy dòng, tiền khuếch đại nhạy thế và tiền khuếch đại nhạy điện tích

Trong đó, tiền khuếch đại nhạy dòng được sử dụng với các dụng cụ tín hiệu có trở kháng thấp

Do đó, tiền khuếch đại loại này rất ít được sử dụng với các đầu dò bức xạ (dụng cụ trở kháng cao) Chính vì vậy, tiền khuếch đại loại này không trình bày trong phạm vi của luận văn này

Tiền khuếch đại nhạy thế thông dụng hơn tiền khuếch đại nhạy dòng và tiền khuếch đại nhạy

điện tích Nó khuếch đại bất kỳ thế nào xuất hiện tại lối vào của nó Đầu dò bức xạ tạo ra các điện tích

từ những sự kiện hạt nhân tương tác với tinh thể đầu dò, các điện tích này được tụ lại trên các tụ của đầu

dò và hình thành nên thế Thế này xuất hiện qua tụ thuần cộng với các tụ ký sinh khác có thể có mặt ở lối vào tiền khuếch đại Do đó, tụ đầu dò phải được giữ ổn định trong khoảng thời gian làm việc Đây chính là trường hợp ống nhân quang điện, ống đếm tỷ lệ và ống đếm Geiger – Muller Còn đối với đầu

dò bán dẫn thì tụ riêng của đầu dò lại thay đổi theo nhiệt độ do dòng rò trong điốt bán dẫn phụ thuộc vào nhiệt độ Vì vậy, tiền khuếch đại loại này không nên dùng với đầu dò bán dẫn

Nhược điểm của tiền khuếch đại nhạy thế có thể tránh bằng cách sử dụng tiền khuếch đại nhạy

điện tích Trong khối khuếch đại nhạy điện tích, khi điện tích tới được tụ trên một tụ điện Sau đó, điện tích trên tụ điện này sẽ được lấy đi bằng cách phóng điện qua một mạch liên kết có thể là mạch liên kết phản hồi loại điện trở hay mạch liên kết phản hồi quang

- Nếu tụ phóng điện qua mạch liên kết phản hồi loại điện trở Rf (hình 1.10) có giá trị từ 100 M đến 2 G thì sự phóng điện này tạo nên xung đuôi dạng mũ như hình 1.11a Hằng số thời gian đặc trưng thay đổi rất dài cỡ 50 μs hoặc hơn. [2]

Sơ đồ và tín hiệu lối ra của tiền khuếch đại với mạch liên kết phản hồi quang được chỉ ra trên hình 1.12 Khi giới hạn đạt được, sự phóng điện âm lớn được nhận thấy và sau đó tụ của tiền khuếch đại bắt đầu nạp lại. [2]

Cấm Diser

Lối ra tín hiệu

Dòng đầu dò

Tín hiệu cấm Cấm

Diser

Lối ra tín hiệu

Dòng đầu dò

Tín hiệu cấm

1.3.1.3 Một số khối tiền khuếch đại nhạy điện tích

1.3.1.3.1 Tiền khuếch đại cho đầu dò hàng rào mặt Si 2003BT [2]

Tiền khuếch đại lối vào FET nhạy điện tích 2003BT được thiết kế cho đặc tính tối ưu với các

đầu dò hàng rào mặt Si (Silicon Surface Barrier – SSB) Tiền khuếch đại loại này làm việc như một bộ biến đổi điện tích thành thế Sau khi khuếch đại phần tử mang điện được tạo nên trong đầu dò trong khoảng thời gian mỗi sự kiện hạt nhân bị hấp thụ, ở lối ra của tiền khuếch đại cung cấp thế tỷ lệ thuận với điện tích tại tần số 0,45 V/pC Thế này được khuếch đại với hệ số khuếch đại 20 mV/MeV cho đầu

dò Si tại nhiệt độ phòng

Đối với đầu dò SSB được thiên áp dương, lối ra năng lượng hết sức tuyến tính cung cấp một xung phân cực dương lý tưởng cho phổ kế năng lượng Lối ra thời gian trùng phùng cung cấp xung vi phân nhanh phân cực âm lý tưởng để phân giải các sự kiện hạt nhân về thời gian

Sơ đồ chức năng của tiền khuếch đại cho đầu dò hàng rào mặt Si 2003BT được trình bày trên hình 1.13

Lối ra thời gian

Lối ra thời gian

Hình 1.13 Sơ đồ chức năng của tiền khuếch đại cho đầu dò hàng rào mặt Si 2003BT

Tiền khuếch đại nhạy điện tích 2003BT có những đặc trưng kỹ thuật cơ bản sau:

- Lối vào đầu dò: tiếp nhận xung điện tích từ đầu dò bán dẫn loại SSB

Hình 1.12 Sơ đồ và tín hiệu lối ra của tiền khuếch đại với mạch liên kết phản hồi quang

10 M

100 M

93 M

- Lối vào cao thế: cho phép thế thiên áp đầu dò lên tới ±2000V; trở thiên áp nối tiếp đầu dò là

+ Độ phi tuyến tích phân: < ±0,04% cho 10 V lối ra

+ Độ trôi hệ số khuếch đại: < ±0,005%/0C (± 50 ppm/0C)

+ Cách điện thiên áp đầu dò: ±2000 V DC

+ Độ nhạy điện tích: 0,45 V/pC + Độ nhạy năng lượng: 20 mV/MeV (Si)

1.3.1.3.2 Tiền khuếch đại cho đầu dò bán dẫn 2004 [2]

Bộ tiền khuếch đại lối vào FET nhạy điện tích 2004 được thiết kế để sử dụng với cả hai loại đầu

dò bán dẫn dung kháng thấp và cao Tiền khuếch đại biến đổi các phần tử mang điện thành xung thế hàm bước, biên độ của xung thế này tỷ lệ với điện tích tổng cộng được tích lũy trong mỗi sự kiện Lối ra cung cấp tín hiệu phân cực dương khi sử dụng với đầu dò thiên áp dương và phần tín hiệu suy giảm với hằng số thời gian 50 μs

Hình 1.14 trình bày sơ đồ chức năng của tiền khuếch đại 2004

Hình 1.14 Sơ đồ chức năng của tiền khuếch đại 2004

Những đặc trưng cơ bản của tiền khuếch đại nhạy điện tích 2004:

- Lối vào đầu dò: tiếp nhận xung điện tích từ đầu dò bán dẫn

100 M

10 M

- Lối vào kiểm tra: điện tích được nối với tiền khuếch đại tại 2,2 pC/V;

+ Độ phi tuyến tích phân: < ±0,02% cho 10 V lối ra

+ Độ trôi hệ số khuếch đại: < ±0,01%/0C (100 ppm/0C)

+ Cách điện thiên áp đầu dò: ±5000 V DC

+ Độ nhạy điện tích: 0,2 V/pC hay 1,0 V/pC

+ Độ nhạy năng lượng (Si): 9 mV/MeV hay 45 mV/MeV

1.3.2 Những khối khuếch đại (Amplifier)

1.3.2.1 Chức năng cơ bản của khối khuếch đại

Khối khuếch đại có hai chức năng cơ bản sau:

- Khuếch đại tín hiệu từ khối tiền khuếch đại

- Hình thành xung để có dạng thuận tiện cho việc xử lý tín hiệu của các khối điện tử tiếp theo

Đối với các khối khuếch đại phổ kế, một trong các hệ số quan trọng nhất là đặc trưng hình thành xung Xung tới từ khối tiền khuếch đại có thể có đặc trưng bằng đuôi dài dạng hàm mũ kéo dài từ vài μs

đến hàng trăm μs Biên độ xung thì tỷ lệ với năng lượng Nếu xung thứ hai tới trong khoảng thời gian  thì nó sẽ chồng lên đuôi của xung thứ nhất và biên độ của nó sẽ tăng lên Do đó, thông tin năng lượng chứa trong xung thứ hai sẽ bị méo đi Điều này được gọi là sự chồng chập xung Để tránh hiệu ứng này,

ta phải hạn chế tần số đếm bé hơn 1/ số đếm trên giây hoặc hình thành xung Tuy nhiên, phương pháp hình thành xung là sự lựa chọn tối ưu vì tỷ số tín hiệu trên tạp âm tăng [2]

Đối với khối khuếch đại nhanh, hệ số quan trọng nhất là giữ thời gian tăng nhanh của tín hiệu nghĩa là đảm bảo một dải rộng Do đó, các khối khuếch đại nhanh nói chung hình thành rất ít hoặc thậm chí không hình thành xung Bên cạnh đó, khối khuếch đại nhanh còn bị hạn chế hệ số khuếch đại (nhỏ hơn 100 lần) Để hệ số khuếch đại có thể tăng lên cao hơn, ta có thể nối nhiều tầng nhưng không yêu cầu hệ số khuếch đại ngoài 1000 lần. [2]

Trong những ứng dụng mà ở đó cả thông tin thời gian và thông tin biên độ được yêu cầu thì tồn tại sự mâu thuẫn giữa dạng thời gian và dạng tín hiệu trên tạp âm tốt nhất Trong nhhững trường hợp như thế thì cần có sự thỏa hiệp. [2]

1.3.2.2 Những mạch hình thành xung trong khối khuếch đại

1.3.2.2.1 Hình thành xung bằng đường làm chậm [2]

Các khối khuếch đại sử dụng hình thành xung bằng đường làm chậm rất thích hợp cho những yêu cầu của đầu dò nhấp nháy (vì tỷ số tín hiệu trên tạp âm của tập hợp khuếch đại, tiền khuếch đại là nghèo và hạn chế về khả năng phân giải năng lượng) Các đường làm chậm kết hợp với các mạch điện

tử để tạo nên xung ra vuông từ mỗi xung vào hàm bước Đối với các đầu dò không có các hệ số khuếch

đại nội, hình thành xung bằng đường làm chậm là không thích hợp vì tỷ số tín hiệu trên tạp âm của tiền khuếch đại với hình thành xung bằng đường làm chậm kém hơn so với hình thành xung chuẩn Gauss Các mạch hình thành xung bằng đường làm chậm được trình bày trênhình 1.15

1.3.2.2.2 Hình thành xung chuẩn Gauss [2]

Mạch tích phân RC

Mạch tích phân tích cực Mạch tích phân

Mạch tích phân RC

Mạch tích phân tích cực Mạch tích phân

Hình 1.16 Hình thành xung trong khối khuếch đại chuẩn Gauss

Bằng cách thay mạch tích phân RC đơn giản bằng một mạch tích phân tích cực thì tỷ số tín hiệu trên tạp âm của khối khuếch đại hình thành xung có thể tốt lên từ 17% đến 19% Điều này là quan trọng đối với đầu dò bán dẫn vì sự phân giải năng lượng và hằng số thời gian hình thành ngắn của nó bị hạn chế bằng tỷ số tín hiệu trên tạp âm Kết quả là xung ra của mạch hình thành xung này có dạng của một đường cong Gauss Ưu điểm của hình thành xung chuẩn Gauss là giảm độ rộng xung ra tại 0,1% biên độ xung Tại một hằng số thời gian, dạng xung Gauss có thể giảm độ rộng xung từ 22% đến 52%

so với bộ lọc CR-RC Điều này dẫn đến đặc trưng hồi phục đường không tốt, làm giảm thời gian chết của bộ khuếch đại

Dạng xung ra của bộ hình thành xung chuẩn Gauss được chỉ ra trên hình 1.17

1.3.3 Khối biến đổi tương tự thành số (Analog to Digital Converter - ADC)

1.3.3.1 Nguyên tắc hoạt động

ADC đo biên độ cực đại của một xung tương tự và biến đổi giá trị đó thành mã số Mã số tỷ lệ với biên độ tương tự tại lối vào ADC Đối với các xung tới liên tiếp, mã số từ ADC được dẫn đến bộ nhớ dành riêng hoặc máy tính và được phân loại bằng biểu đồ

Tín hiệu lối ra từ khối khuếch đại phổ được đưa đến lối vào của ADC, nếu tín hiệu nằm trong ngưỡng của ADC thì ADC sẽ biến đổi Sau khi biến đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số thì ADC sẽ gửi tín hiệu Data Ready đến card thu nhận dữ liệu (MCA hay Interface) báo cho card thu nhận dữ liệu biết sẵn sàng đọc dữ liệu Sau khi nhận được tín hiệu Data Ready, card thu nhận dữ liệu sẽ gửi tín hiệu Data Accept đến ADC để cho phép bắt đầu quá trình biến đổi mới và dữ liệu của phép biến đổi mới này

sẽ thay thế dữ liệu của phép biến đổi trước đó [4]

Trong quá trình biến đổi của ADC, dữ liệu lối vào có thể là Valid (các dữ liệu vào của ADC

được card thu nhận dữ liệu đọc và ghi) hoặc Invalid (các dữ liệu lối vào của ADC được card thu nhận dữ liệu đọc mà không ghi) [4]

Hình 1.18 Nguyên tắc hoạt động và cách ghép nối của ADC với Interface

1.3.3.2 Một số khối biến đổi tương tự thành số

1.3.3.2.1 ADC Wilkinson [2]

Hoạt động của ADC Wilkinson được minh họa như hình 1.19 Bộ phân biệt mức thấp được dùng để ghi nhận xung từ khối khuếch đại Ngưỡng của bộ phân biệt mức thấp thường được đặt trên mức tạp âm để ngăn ngừa ADC không mất thời gian phân tích tạp âm

Khi xung vào ADC cao hơn ngưỡng phân biệt mức thấp, cổng tuyến tính vào mở và tụ nạp được nối với lối vào Do đó, tụ được nạp tới biên độ của xung vào (hình 1.20a)

(d) Đồng hồ địa chỉ

(e) Chu trình nhớ

(f) Cổng tuyến tính

bị đóng (g) Cổng thời gian chết

(d) Đồng hồ địa chỉ

(e) Chu trình nhớ

(f) Cổng tuyến tính

bị đóng (g) Cổng thời gian chết

Hình 1.19 Tín hiệu thời gian của ADC Wilkinson trong khoảng thời gian xử lý xung

Đồng hồ

địa chỉ

Cổng tuyến tính

Bộ đếm

địa chỉ cổng tuyến tính

(a) Tụ nạp điện

Đồng hồ

địa chỉ

Cổng tuyến tính

Bộ đếm

địa chỉ I

(b) Tụ phóng điện

Đồng hồ

địa chỉ

Cổng tuyến tính

Bộ đếm

địa chỉ cổng tuyến tính

(a) Tụ nạp điện

Đồng hồ

địa chỉ

Cổng tuyến tính

Bộ đếm

địa chỉ I

(b) Tụ phóng điện

Đồng hồ

địa chỉ

Cổng tuyến tính

Bộ đếm

địa chỉ

(c) Chu trình nhớHình 1.20 Hoạt động của ADC Wilkinson trong khoảng thời gian ba trạng thái xung

Khi biên độ xung vào đạt tới cực đại và bắt đầu giảm (hình 1.20 b) thì cổng

tuyến tính bị đóng và tụ bị ngắt khỏi lối vào Khi đó, thế trên tụ bằng biên độ cực đại của xung vào Theo sự phát hiện biên độ đỉnh, một nguồn dòng không đổi được nối với tụ để tạo nên sự phóng điện tuyến tính của thế tụ Cùng lúc đó, đồng hồ địa chỉ được nối với bộ đếm địa chỉ và xung đồng hồ đếm trong khoảng thời gian phóng điện của tụ Khi thế trên tụ về zerô thì việc đếm xung của đồng hồ cũng dừng lại Vì thời gian cho phóng điện tuyến tính của tụ tỷ lệ với biên độ xung gốc cho nên số đếm Ncghi được trong bộ đếm địa chỉ cũng tỷ lệ với biên độ xung

Trong khoảng thời gian của chu trình nhớ, địa chỉ Nc được định vị trong bộ nhớ biểu đồ và một

số đếm được cộng vào nội dung của vị trí đó Giá trị Nc thường tương ứng với số kênh ADC thường có

số kênh thấp là 256 cho những ứng dụng phân giải thấp và có 16384 kênh cho những yêu cầu khả năng phân giải cao

Đối với ADC Wilkinson, thời gian đo của MCA đóng góp vào thời gian chết theo biểu thức (1.1)

Thời gian chết của MCA phụ thuộc vào tần số đồng hồ fc, số kênh Nc và thời gian chu trình nhớ

TMC Tần số đồng hồ trong dải từ 50 đến 400 Hz là điển hình và thời gian chu trình nhớ từ 0,5 đến 2 μs

là thông dụng Thời gian biến đổi cực đại đối với một ADC Wilkinson 8192 kênh kéo dài từ 20 đến 165

μs Ưu điểm của ADC Wilkinson là độ phi tuyến vi phân thấp (điển hình < 1%) Nhược điểm là thời gian biến đổi dài và phụ thuộc vào biên độ xung

1.3.3.2.2 ADC loại song song [2]

Nguyên tắc làm việc của ADC loại song song được chỉ ra trên hình 1.21 ADC loại song song

được cấu trúc bằng chồng một dãy các bộ so sánh sao cho mỗi ngưỡng của bộ so sánh là tăng không đổi một thế ΔV trên một ngưỡng cho trước ADC loại song song về nguyên tắc là một chồng các máy phân tích biên độ đơn kênh với độ rộng cửa sổ và ngưỡng được chia ra như nhau Khi tín hiệu lối vào tương

tự tại biên độ cực đại thì lối ra các bộ so sánh được chọn vào bộ mã lối ra số Hình 1.21 là ADC song song N = 4 kênh Để có N kênh cần N + 1 bộ so sánh Ưu điểm của ADC song song là thời gian biến

đổi ngắn trong dải nano giây Nhược điểm là độ phi tuyến vi phân lớn

V

RRR

R

Lối vàotương tự

Strobe

Bộ so sánh

Lối ra nhị phân

2 bit

Mã hóalối ra số

Strobe

+ _

+ _

+ _ + _

Hình 1.21 Nguyên tắc hoạt động của ADC loại song song

1.3.4 Khối phân tích biên độ nhiều kênh (Multi Channel Analyzer - MCA)

Bộ nhớ dữ liệu

Bộ vi xử lý

Bộ nhớ chương trình

Hình 1.22 Sơ đồ khối chức năng của hệ thống phân tích đa kênh

1.3.4.2 Chức năng của MCA

MCA có hai chức năng chủ yếu:

- Thứ nhất là thu nhận và lưu trữ số liệu được thực hiện bởi phần cứng MCB (bộ đệm đa kênh - sự kết hợp giữa ADC và bộ nhớ biểu đồ)

- Thứ hai là điều khiển và chỉ thị được thực hiện bằng phần mềm chạy trên máy tính cá nhân giao tiếp với MCB

Phần mềm của MCA có khả năng:

- Chuẩn năng lượng (chuẩn bậc nhất hoặc bậc hai theo đơn vị năng lượng hoặc theo đơn vị thời gian)

- Tìm đỉnh (tính toán vị trí tâm đỉnh cho phép phân tích tự động phổ chưa biết)

- Tính diện tích thực của đỉnh (số đếm tại đỉnh đã trừ phông)

- Chuẩn hóa phổ (tăng hoặc giảm phông bằng một hằng số)

- Sửa phổ (trừ phông hoặc trừ phổ phụ)

- Làm trơn phổ (làm trơn nhiều điểm đối với toàn phổ hoặc một phần phổ)

- Xác định loại đồng vị (so sánh các đỉnh trong phổ với thư viện đồng vị)

- Thực hiện chương trình tự động (xác lập hệ thống bằng một lệnh đơn)

1.3.5 Card thu nhận dữ liệu - Interface

1.3.5.1 Sơ đồ nguyên lý của card thu nhận dữ liệu - Interface

Hình 1.23 Sơ đồ nguyên lý của card thu nhận dữ liệu – Interface

1.3.5.2 Nguyên tắc hoạt động của card thu nhận dữ liệu - Interface [1]

Card thu nhận dữ liệu - Interface hoạt động theo hai nguyên tắc sau:

* Theo nguyên tắc trùng phùng

Khi có tín hiệu trùng phùng, card thu nhận sẽ phát tín hiệu điều khiển để cho phép các ADC thu nhận tín hiệu ở lối vào và bắt đầu biến đổi Khi đó, một trong ba khả năng sau sẽ xảy ra:

- Một hoặc cả hai tín hiệu lối vào không vượt ngưỡng của ADC, khi đó một hoặc cả hai ADC

sẽ không có tín hiệu Data Ready gửi đến Interface nên nó sẽ không phản ứng

- Một hoặc cả hai tín hiệu lối vào vượt ngưỡng của ADC, khi đó một hoặc cả hai ADC có tín hiệu Data Ready gửi đến Interface Trong trường hợp này, Interface chỉ đọc mà không ghi dữ liệu Tín hiệu cho phép hai ADC reset lại để thực hiện các phép biến đổi tiếp theo

- Khi cả hai tín hiệu nằm trong dải phân tích [LLD, ULD] của các ADC , cả hai ADC gửi tín hiệu Data Ready tới Interface Tín hiệu này cách nhau một khoảng thời gian không quá 1 μs thì Interface sẽ gửi tín hiệu Enable Data để đọc và ghi dữ liệu của xung lối vào từ ADC Sau khi ghi xong

Interface sẽ gửi tín hiệu Data Accept tới ADC và cho phép ADC reset lại để thực hiện phép biến đổi tiếp theo

Các ADC hoạt động ở chế độ non - overlap Trong trường hợp thứ ba, số liệu lối ra của ADC

sẽ được ghi dưới dạng event - event; còn các trường hợp còn lại thì số liệu sẽ không được ghi nhận Số liệu trùng phùng thu được sẽ gồm ba cột

- Cột I : ghi code năng lượng của tia gamma đến đầu dò thứ nhất

- Cột II : ghi code năng lượng của tia gamma đến đầu dò thứ hai

- Cột III : ghi giá trị tương ứng với độ chênh lệch thời gian xuất hiện của hai sự kiện ở hai đầu

dò

* Theo chế độ MCA

Trong chế độ MCA, khi ADC nào có tín hiệu Data Ready và tín hiệu được biến đổi nằm trong dải phân tích thì card thu nhận dữ liệu sẽ đọc số liệu từ ADC đó, nội dung của kênh tương ứng trong bộ nhớ sẽ tăng lên 1 Khi kết thúc thời gian đo, số liệu thu được sẽ lưu dưới dạng tập tin có phần mở rộng

*.spe để xử lý

1.4 Hệ phổ kế năng lượng

Trong lĩnh vực nghiên cứu hạt nhân và ứng dụng kỹ thuật hạt nhân vào các lĩnh vực khác nhau trong sản xuất cũng như đời sống thì việc xác định các đồng vị phóng xạ, năng lượng, cường độ các lượng tử phát ra từ các nguồn phóng xạ là rất quan trọng Do đó cần phải có hệ thống điện tử hạt nhân

để xác định phổ năng lượng của các nguồn phóng xạ và đồng vị phóng xạ Hệ thống đó được gọi là hệ thống phổ kế năng lượng Tùy thuộc vào mục đích nghiên cứu và điều kiện thiết bị mà người ta có thể thiết lập hệ thống phổ kế năng lượng có cấu hình khác nhau Dưới đây là một số hệ phổ kế năng lượng

đã được xây dựng và sử dụng để ghi nhận phổ năng lượng của các nguồn phóng xạ với các cấu hình khác nhau

1.4.1 Hệ phổ kế năng lượng sử dụng một đầu dò bán dẫn

Để ghi nhận các bức xạ phát ra từ các nguồn đồng vị phóng xạ, chúng ta có thể dùng các hệ phổ

kế đơn giản sử dụng một đầu dò bán dẫn như được trình bày trên hình 1.24 và hình 1.25

Ge or Si(Li) PC

Source

Bias Supply

Busy

Pur

Preamp: khối tiền khuếch đại Amplifier: khối khuếch đại phổ

Bias supply: nguồn cao thế MCB: bộ đệm đa kênh

PC: máy tính cá nhân

Hình 1.24 Phổ kế năng lượng với đầu dò Ge cho bức xạ gamma hoặc đầu dò Si (Li) cho tia X [2]

HPGe Detector

High Voltage

Source

ADC Amp

HPGe Detector

High Voltage

Source

ADC Amp

HPGe Detector: Đầu dò bán dẫn tinh khiết Ge

High Voltage: Cao thế

Amp: Khối khuếch đại (Amplifier)

ADC: Khối biến đổi tương tự thành số (Analog to Digital Converter)

MCA: Khối phân tích đa kênh (Multi Channel Analyzer)

PC: Máy tính cá nhân (Person Computer)

Hình 1.25 Phổ kế năng lượng sử dụng đầu dò bán dẫn HPGe

Khi đặt nguồn phóng xạ trước đầu dò bán dẫn thì trên lối ra của tiền khuếch đại sẽ xuất hiện các tín hiệu Các tín hiệu này sẽ được xử lý bởi các khối điện tử tiếp theo sau như khối khuếch đại, khối biến đổi tương tự thành số và khối phân tích đa kênh Tín hiệu sau khi đã được các khối điện tử xử lý sẽ

được lưu trữ trên máy tính và cho ra phổ nhờ các phần mềm chuyên dụng

1.4.2 Hệ phổ kế năng lượng sử dụng hai đầu dò bán dẫn

Để ghi nhận phổ năng lượng của các lượng tử gamma phát ra gần như đồng thời (trùng phùng)

từ các nguồn phóng xạ, các nhà khoa học đã xây dựng nên hệ thống phổ kế gamma - gamma như hình 1.26 Ưu điểm của hệ thống phổ kế này là phổ năng lượng thu được sẽ có nền Compton thấp hơn các phổ năng lượng do hai hệ phổ kế trên thu được Kết quả là tỷ số đỉnh trên Compton sẽ cao hơn, các đỉnh phổ hiện rõ trên nền Compton được hạ thấp Nguyên nhân chính là hệ phổ kế này sử dụng khối trùng phùng có tác dụng chỉ cho ghi nhận các sự kiện hạt nhân xảy ra trong hai đầu dò trong khoảng thời gian

rất ngắn (được xem là đồng thời hay gọi là trùng phùng) và không ghi các sự kiện hạt nhân xảy ra chênh lệch thời gian nhiều như tán xạ Compton, …

Detector Bias Supply

PULSER

AMPLIFIER

Detector Bias Supply

TIMING SCA

TIMING SCA

Detector Bias Supply

PULSER

AMPLIFIER

Detector Bias Supply

TIMING SCA

TIMING SCA

MCB PC

AMPLIFIER

COINCIDENCE

HPGe detector: đầu dò bán dẫn Ge siêu tinh khiết

Detector Bias Supply: nguồn cao thế cung cấp cho đầu dò

Pulser: máy tạo xung

Preamp: khối tiền khuếch đại

Amplifier: khối khuếch đại

thích hay nghiên cứu sơ đồ phân rã hạt nhân, … đòi hỏi phải có hệ thống điện tử làm việc ổn định và độ chính xác cao Để đo các đặc trưng thời gian của các lượng tử phát ra từ các nguồn phóng xạ, người ta

đã tiến hành xây dựng các hệ phổ kế thời gian có cấu hình khác nhau Sau đây là một số cấu hình phổ

kế thời gian thường dùng nhất được thực hiện trên các đầu dò khác nhau và phổ thời gian thu được từ các hệ phổ kế đó

1.5.1 Hệ phổ kế thời gian sử dụng đầu dò plastic và bán dẫn [2]

Preamp: khối tiền khuếch đại; CFD: khối phân biệt ngưỡng không đổi

Delay: khối làm chậm Time analyzer: khối phân tích thời gian

Multi Channel Analyzer: khối phân tích đa kênh

Hình 1.27 Hệ phổ kế thời gian sử dụng đầu dò plastic và bán dẫn

Nếu đặt nguồn phóng xạ chuẩn 60Co vào khoảng giữa hai đầu dò của hệ thống phổ kế thì trên lối ra của các tiền khuếch đại sẽ xuất hiện tín hiệu nhanh Những tín hiệu này đi qua các khối phân biệt ngưỡng không đổi 2126, khối làm chậm nano giây 2058 tới lối vào khởi phát và dừng tương ứng của khối TAC 2143 Kết quả là một xung lối ra hình chữ nhật với độ rộng vài micro giây và biên độ tỷ lệ với khoảng thời gian giữa các xung khởi phát và dừng Khi quá trình biến đổi và đo được lặp lại cho các xung khởi phát và dừng thì phổ thời gian tăng lên trong bộ nhớ của khối phân tích đa kênh Dạng phổ sẽ phụ thuộc vào tương quan thời gian giữa các xung khởi phát và dừng Hình 1.28 trình bày phổ thời gian thu được từ nguồn 60Co với độ phân giải thời gian là 1800 ps

NE 111 PREAMP

2107

CFD 2126

DELAY 2058

PREAMP 2111

CFD 2126

DELAY 2058

TIME – ANALYZER 2143

MCA START

STOP 10%

1.78 KeV

NE 111 PREAMP

2107

CFD 2126

DELAY 2058

PREAMP 2111

CFD 2126

DELAY 2058

TIME – ANALYZER 2143

MCA START

STOP 10%

1.78 KeV

Hình 1.28 Phổ thời gian nhận được của nguồn 60Co sử dụng đầu dò plastic - bán dẫn

1.5.2 Hệ phổ kế thời gian sử dụng đầu dò plastic và NaI [2]

CFD 2126

DELAY 2058

TIME – ANALYZER 2143

MCA START

CFD 2126

DELAY 2058

TIME – ANALYZER 2143

MCA START

STOP

2107

Hình 1.29 Hệ phổ kế thời gian sử dụng đầu dò plastic và NaI

Khi đặt nguồn chuẩn 60Co vào giữa hai đầu dò plastic và đầu dò nhấp nháy NaI của hệ phổ kế trên hình 1.29 thì tín hiệu từ hai đầu dò sẽ được xử lý qua các khối điện tử phía sau Kết quả cũng cho ra phổ thời gian như hình 1.30 với độ phân giải tốt hơn là 1000 ps

60Co

1000 psec FWHM

60Co

1000 psec FWHM

Hình 1.30 Phổ thời gian của 60Co sử dụng đầu dò plastic - NaI

1.5.3 Hệ phổ kế thời gian sử dụng hai đầu dò plastic [2]

CFD 2129

CFD 2129

DELAY 2058

TAC 2143

MCA START

STOP PREAMP

2107

PREAMP 2107

DELAY 2058

CFD 2129

DELAY 2058

TAC 2143

MCA START

STOP PREAMP

2107

PREAMP 2107

DELAY 2058

COINC

CFD 2129

CFD 2129

DELAY 2058

TAC 2143

MCA START

STOP PREAMP

2107

PREAMP 2107

DELAY 2058

MCA: khối phân tích đa kênh

TAC: khối biến đổi thời gian thành biên độ

Hình 1.31 Hệ phổ kế thời gian sử dụng hai đầu dò plastic

Khi đặt nguồn chuẩn 60Co vào giữa đầu dò nhấp nháy plastic nhanh và các ống nhân quang điện của hệ phổ kế trên hình 1.31 thì tín hiệu từ hai đầu dò sẽ được xử lý qua các khối điện tử phía sau Kết quả cũng cho ra phổ thời gian như hình 1.32 với độ phân giải tốt hơn là 400 ps

60 Co

200 psec FWHM

60 Co

200 psec FWHM

60 Co

200 psec FWHM

Hình 1.32 Phân giải thời gian của phổ kế thời gian sử dụng đầu dò plastic

Một hệ thống trùng phùng dùng xác định hai sự kiện hạt nhân xảy ra trong một khoảng thời gian ngắn nhất định Tuy nhiên, trong thực tế phương pháp này không thể phân tích các sự kiện trùng phùng này với độ chính xác 100% do tính chất thống kê và do các khối điện tử gây ra các sai số do nhiễu, tạp

âm và sai số bước Một mạch trùng phùng đơn giản giải quyết vấn đề này là cổng AND hai lối vào Nó hoạt động dựa trên nguyên tắc phủ trong độ rộng của xung vào và xác định trực tiếp thời gian phân giải của mạch trùng phùng Hình 2.1 minh họa nguyên tắc cơ bản của mạch trùng phùng [2]

TÍN HIỆU VÀO A

AND

A B

C

TÍN HIỆU RA

TÍN HIỆU VÀO

TÍN HIỆU RA

MỨC LOGIC 1 1

1 0 0 0

TÍN HIỆU VÀO A

AND

A B

C

TÍN HIỆU RA

TÍN HIỆU VÀO

TÍN HIỆU RA

MỨC LOGIC 1 1

1 0 0 0

Hình 2.1 Nguyên tắc cơ bản của mạch trùng phùng

Như trên hình 2.1, cổng AND phát lối ra “logic 1” chỉ khi các xung “logic 1” có mặt trên cả hai lối vào A và B Thực tế, lối ra chỉ sinh ra trong khoảng thời gian xung A và B phủ nhau Do đó, mạch này được gọi là trùng phùng phủ

Hầu hết các khối trùng phùng cung cấp nhiều lối vào (thường lên tới bốn) có thể được đóng ngắt một cách độc lập Khi chỉ một lối vào được đóng, mọi tín hiệu logic lối vào đều được đưa tới lối ra của khối trùng phùng Kiểu làm việc này cung cấp một cách thuận tiện để ghi tần số đơn trong bất cứ nhánh

vào nào Khi hai lối vào được đóng, khối hoạt động như một khối trùng phùng đơn giản hai lối vào, ba lối vào chuyển mạch dẫn đến trùng phùng ba lối vào,

2.1.2 Ưu điểm của kỹ thuật trùng phùng

- Đối với các hệ phổ kế năng lượng không sử dụng kỹ thuật trùng phùng thì phổ năng lượng thu

được sẽ có phông nền cao do tán xạ Compton Ngoài ra, phổ thu được sẽ có nhược điểm là các đỉnh năng lượng thấp, có cường độ nhỏ có thể bị che khuất bởi các đỉnh năng lượng cao và cường độ lớn hơn Thậm chí các đỉnh năng lượng còn bị nền Compton che khuất Kết quả, tỷ số đỉnh trên Compton sẽ thấp Nguyên nhân chính là do phổ kế này ghi nhận tất cả các sự kiện hạt nhân xảy ra trong quá trình ghi nhận

- Vấn đề trên sẽ được giải quyết khi áp dụng vào hệ phổ kế kỹ thuật trùng phùng bằng cách dùng các khối điện tử hạt nhân như khối trùng phùng hay khối biến đổi thời gian thành biên độ – TAC Khi

áp dụng kỹ thuật trùng phùng vào việc ghi nhận của hệ phổ kế năng lượng hay hệ phổ kế thời gian thì phổ năng lượng thu được sẽ có nền phông thấp vì đã loại bỏ các sự kiện hạt nhân không trùng phùng như các tán xạ Compton, các sự kiện hạt nhân ngẫu nhiên, chỉ ghi nhận các sự kiện hạt nhân được xem là trùng phùng (xảy ra gần như đồng thời) Kết quả là cải thiện được tỷ số đỉnh trên Compton đáng

kể Bên cạnh đó, sử dụng kỹ thuật trùng phùng ta có thể xác định khá chính xác thời gian chênh lệch giữa các sự kiện hạt nhân trùng phùng (chính xác cỡ pico giây) Do đó, có thể ứng dụng để nghiên cứu thời gian sống của pozitron, nghiên cứu sơ đồ phân rã hạt nhân, nghiên cứu mật độ mức năng lượng,…

2.2 Khối khuếch đại nhanh lọc thời gian (Time Filter Amplifier - TFA)

2.2.1 Nguyên tắc hoạt động cơ bản của khối TFA [6]

Khối TFA có nhiệm vụ tạo dạng xung và khuếch đại các tín hiệu vào để cho ra tín hiệu phù hợp với các khối điện tử phía sau Trong đó, nhiệm vụ tạo dạng xung đóng vai trò quan trọng

Về cơ bản, việc tạo dạng xung dựa trên các mạch lọc tần số cao - CR (mạch lọc cao tần) và mạch lọc tần số thấp - RC (mạch lọc hạ tần) Các mạch lọc này kết hợp với các linh kiện tích cực như khuếch đại thuật toán tạo thành mạch lọc tích cực

Trước tiên, tín hiệu qua mạch lọc tần số cao nhằm làm tăng tỷ số tín hiệu/nhiễu Vì mạch này có tác dụng loại bớt các tín hiệu có tần số thấp Các tín hiệu tần số thấp dễ bị các tín hiệu tần số khác ảnh hưởng lên nó và có nhiều tín hiệu nhỏ nên thường chứa nhiều nhiễu Thời hằng của xung ra được điều chỉnh qua việc lựa chọn hằng số vi phân d = CdRd, mạch này gọi là mạch vi phân

Hình 2.2 Mạch lọc tần số cao CR

Sau đó, tín hiệu đi qua mạch lọc tần số thấp Thời gian tăng của xung ra được điều chỉnh bằng hằng số tích phân i = CiRi , mạch này được gọi là mạch tích phân Mạch này có tác dụng làm giảm các nhiễu tần số cao nên cũng làm tăng tỷ số tín hiệu/nhiễu vì ở tần số cao dễ xảy ra cộng hưởng làm tăng hiện tượng phản xạ sóng ở đầu cáp

Khối TFA 474 do hãng ORTEC sản xuất Nguyên tắc hoạt động của TFA 474 về cơ bản giống như các khối TFA khác Tuy nhiên, khi sử dụng cần quan tâm những thông số sau:

- Thay đổi hệ số khuếch đại tín hiệu (gồm hai núm chỉnh Gain và Fine Gain)

- Thay đổi thời gian tăng của xung ( núm INT)

- Thay đổi thời gian giảm của xung (núm DIFF)

Hai chức năng chính của TFA 474 là khuếch đại và tạo dạng xung Nhưng bên cạnh đó, TFA

474 còn có các chức năng như điều chỉnh pole-zero, điều chỉnh cực tính của xung ở lối ra (chuyển mạch INVERT/NONINVERT: INVERT - đảo cực tính của xung, NONINVERT - không đảo cực tính của xung)

Từ khảo sát thực nghiệm cho thấy hằng số tích phân trong khối TFA thường được chọn sao cho thời gian tăng của xung ở lối ra đều được làm chậm hơn thời gian tăng của xung ở lối vào

Xung từ lối ra của khối tiền khuếch đại thay đổi trong khoảng thời gian khá rộng (phụ thuộc vào kích thước tinh thể của đầu dò và loại tiền khuếch đại được sử dụng) Xung lối ra này có mặt tăng nằm trong khoảng vài chục đến vài trăm nano giây, thời gian giảm của xung nằm trong khoảng vài chục đến vài trăm micro giây Do đó, chọn lựa các tham số của khối TFA là rất quan trọng Nếu chọn hằng số tích phân (mặt tăng xung) lớn quá sẽ làm cho độ phân giải thời gian kém (xuất hiện trùng phùng ngẫu nhiên) nhưng hiệu suất ghi tăng (số xung thu được tăng lên) Việc chọn hằng số vi phân chính là xác

định thời gian xung đến đường cơ bản và cho phép xung kế tiếp được quan sát, nếu dài quá sẽ xảy ra quá trình chồng chập xung

Xung lối ra của TFA 474 nằm trong khoảng 0 đến ±5 V, nếu xung lối vào nằm trong khoảng 0

đến 1 V thì sẽ được khuếch đại tuyến tính

2.3 Khối phân biệt ngưỡng không đổi (Constant Fraction Discriminator - CFD)

2.3.1 Các đặc trưng chung [6]

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

- Thứ nhất: đếm các xung nhỏ với tốc độ đếm cao

- Thứ hai: xác định thời gian xung đến với độ chính xác cao

Trong kênh thời gian, khối CFD có vai trò xác định thời điểm xung đến, tạo ra tín hiệu đầu vào

đưa đến khối trùng phùng CFD làm tăng độ phân giải thời gian, loại trừ nhiễu và ảnh hưởng của các tia gamma mềm Việc chọn giá trị ngưỡng là rất quan trọng, nếu chọn ngưỡng quá thấp thì sẽ xuất hiện trùng phùng với các gamma mềm hoặc gamma tán xạ giữa hai đầu dò; còn nếu chọn ngưỡng cao quá sẽ mất các chuyển dời gamma có năng lượng thấp

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

- Constant - Fraction (CF): chế độ CF dựa trên tỷ số cố định

- Slow Rise Time Reject (SRT): chế độ SRT chọn lựa để loại trừ các xung tăng chậm

- Leading Edge (LE): chế độ LE dựa trên phương pháp khởi phát mặt trước

Trong chế độ CF và SRT cần đến thời gian trễ (CF dùng trễ ngắn khoảng 2 ns) Thời gian trễ

được chọn phù hợp với từng ứng dụng cụ thể Thời gian trễ tổng cộng td được tính bằng tổng thời gian trễ bên trong của khối CFD (ttr) với thời gian trễ bên ngoài (tng) do khối trễ quyết định Thời gian trễ ngoài lấy từ khối trễ hoặc dây trễ Chiều dài của dây trễ được xác định bởi biểu thức (2.1):

- Hai lối ra xung logic âm, độ rộng 5 ns

- Một lối ra xung logic dương, lối này được nối với đầu vào của khối trùng phùng

- Một lối ra Blocking để tinh chỉnh

- Một lối ra time walk

Ngưỡng CFD 584 nằm trong dải - 5 mV tới -1 mV, còn ngưỡng ngoài (điều chỉnh bằng biến trở tinh chỉnh ngưỡng - threshold) nằm trong dải 0 mV tới 1 V Khi điều chỉnh biến trở Threshold ở 0 mV, ngưỡng cắt thực tế của khối CFD 584 là -1 mV

Khi dùng CFD, điều quan trọng là chọn được ngưỡng, thời gian trễ tối ưu nhất ứng với từng chế

độ và từng ứng dụng cụ thể Ta đi nghiên cứu chi tiết từng chế độ:

Lối ra phân cực dương Lối ra thời gian

CF: thường được dùng với các đầu dò (như đầu dò fast plastic) có các tín hiệu lối ra thỏa mãn: thời gian tăng ngắn và độ biến thiên thời gian tăng nhỏ Với CFD 584 có hệ số suy giảm f = 0,2 (có thể thay đổi nếu cần thiết) Chế độ này hoạt động theo phương pháp ARC (Amplitude and Risetime Compensation - kỹ thuật điều chỉnh biên độ và thời gian tăng) Do đó, thời gian trễ phải rất nhỏ

SRT: thường dùng các xung ra thỏa mãn điều kiện: độ biến thiên của thời gian tăng nằm trong dải rộng Chế độ này phù hợp với đầu dò bán dẫn Ge Khi hoạt động ở chế độ SRT thì ngưỡng CFD phải thấp Nếu đặt ngưỡng cao quá sẽ có nhiều tín hiệu lối vào bị loại vì có nhiều tín hiệu cắt ngưỡng sau thời điểm tcfd Ưu điểm của chế độ SRT là làm tăng độ phân giải thời gian nhưng có nhược điểm là làm giảm hiệu suất đếm

LE: thường dùng với đầu dò cho các xung ra nhanh, có biên độ hay thời gian tăng biến thiên nhỏ Khi ở chế độ này thì không dùng phương pháp tỷ số cố định Tín hiệu ra xuất hiện khi mặt trước của xung vào cắt ngưỡng CFD

2.4 Khối biến đổi thời gian thành biên độ (Time to Amplitude Converter - TAC)

2.4.1 Sơ đồ chức năng của TAC [2]

A = 1 A = 1

Constant – current source

I

Stop

Start

Converter Capacitor

Buffer Amplifier

Linear Gate

Output Amplifier

Output (to MCA)

A = 1 A = 1

Constant – current source

I

Stop

Start

Converter Capacitor

Buffer Amplifier

Linear Gate

Output Amplifier

Output (to MCA)

Constant current source: nguồn dòng không đổi

Converter capacitor: tụ của bộ biến đổi Buffer amplifier: bộ khuếch đại đệm

Linear gate: cổng tuyến tính Output amplifier: khuếch đại ra

Output (to MCA): lối ra ( tới MCA)

Hình 2.7 Sơ đồ chức năng của TAC

2.4.2 Nguyên tắc hoạt động của TAC

Có hai loại TAC: TAC sử dụng phương pháp phủ và TAC loại “Start – Stop”

2.4.2.1 TAC loại sử dụng phương pháp phủ