CÁC máy PHÂN TÍCH đa KÊNH MCA Kỹ thuật hạt nhân

PHẦN IV: CÁC MÁY PHÂN TÍCH ĐA KÊNHThí nghiêm 4.1: Pulse Schetcher – Bộ giãn xung ......................................... 163Thí nghiêm 4.2: ADC Wilkinson ................................................................ 167Thí nghiệm 4.3: ADC xấp xỉ gần đúng liên tiếp ............................................ 172Thí nghiệm 4.4: Hiệu chỉnh thang đo của ADC xấp xỉ gần đúng liên tiếp .... 176Thí nghiệm 4.5: Bộ biến đổi điện áp thành tần số ..................................179

PHẦN IV

CÁC MÁY PHÂN TÍCH ĐA KÊNH

GIỚI THIỆU VỀ MCA

Sự phát triển nhanh của công nghệ máy tính và sự bổ sung nó vào thiết bị đo đạc có ảnh hưởng rất lớn trong máy phân tích đa kênh Cách đây vài năm, chúng ta chỉ biết đến các máy MCA độc lập Nhưng ngày nay đã có một số

sự lựa chọn hấp dẫn: các ADC riêng biệt như các module NIM với một số bộ nhớ trung gian được kết nối với máy tính dường như là lựa chọn kinh tế hơn Cũng như nhiều thiết bị được thêm vào, việc chuyển đổi máy tính cá nhân thành MCA có thể tìm thấy trên thị trường

Các bộ biến đổi loại Willkinson vẫn còn chiếm ưu thế trên thị trường, sự biến đổi với tốc độ nhanh khoảng 450MHz Tuy nhiên, với bộ biến đổi 16.000 kênh, thời gian biến đổi không thể ngắn hơn 30s Do đó, các kỹ thuật mới như: bộ biến đổi xấp xỉ gần đúng liên tiếp và bộ biến đổi flash mà trước đây không sử dụng trong MCA được khảo sát kỹ càng Trong hai phương pháp này, bộ biến đổi xấp xỉ gần đúng liên tiếp chấp nhận sự không tuyến tính vi phân lớn hơn ít nhất 10 lần so với bộ biến đổi Willkinson Khiếm khuyết này được bù trừ bằng cách sử dụng mạch bù Trong tương lai công nghệ sẽ mang lại những cải tiến hơn nữa

Do dó, một vài kỹ thuật biến đổi được nghiên cứu trong phần IV Các thành quả được dùng trong thiết kế của bộ biến đổi Willkinson Bộ biến đổi này có thể trao đổi với máy chủ thông qua bộ liên kết ADC và máy tính Hai vấn đề cuối được trình bày trong phần VI của biên soạn do tính phức tạp của nó

Một số yêu cầu của PULSE STRETCHER là phải:

- Ghi nhận và giữ đỉnh của xung

- Báo cho ADC biết xung đến

- Tự ngắt nó ra khỏi nguồn xung

- Nhận một tín hiệu từ ADC và chỉ ra rằng sự biến đổi đã được thực hiện

- Xả điện của tụ đang giữ đỉnh

- Tự nối lại với nguồn xung để lặp lại quá trình

Hình 4.1.1: Pulse Strecher như một hộp đen

Hình 4.11 là một sơ đồ khối của mạch sẽ thực hiện đầy đủ các nhiệm vụ trên

Sơ đồ này cũng chỉ rõ các biểu đồ của dạng sóngtại các điểm quan tâm trong mạch Các biểu đồ này và các dạng sóng khác cũng xuất hiện trong Hình 4.1.3, trong một sơ đồ thời gian hoạt động của Pulse Stretcher

Hình 4.1.2: Sơ đồ khối của Pulse Strecher

Các hộp khác nhau trong Hình 4.1.2 sẽ được thảo luận chi tiết hơn Việc thảo luận sẽ dựa vào 6 nhiệm vụ đã được liệt kê ở trên

Nhiệm vụ thứ nhất là nhiệm vụ quan trọng và được thực hiện bởi máy ghi nhận biên độ đỉnh Tụ là một thiết bị tích điện mà qua đó điện áp đỉnh có mặt Khuếch đại thuật toán và diot là một bộ phân thế bổ sung, nó cho phép điện

nó ngăn chặn điện áp tụ giảm xuống khi điện áp xung giảm Rõ ràng khi xung đến lối vào (+) của khuếch đại thuật toán (S mở), mạch điện hoạt động như một bộ chia thế cấp dòng từ điot đến tụ C để đưa điện áp tăng đến điện áp của xung Tuy nhiên khi thế của xung giảm, diot sẽ ngăn dòng của C xả vào khuếch đại thuật toán Ở điều kiện này, lối vào (+) trở nên thấp hơn lối vào (-), khuếch đại thuật toán hoạt động như một bộ so sánh và điện áp lối vào của

nó giảm đến điện áp nguồn (-)

Hình 4.1.3: Dạng sóng

Dĩ nhiên, điot giữ cho tụ không xả điện, do đo thế của nó được duy trì tại thế đỉnh của xung Bộ chia thế chỉ là một thiết bị được đặt vào trong mạch điện

để ngăn chặn ADC và máy ghi nhận đỉnh khỏi việc nạp của tụ

Ghi nhận đỉnh là chìa khoá cho hai nhiệm vụ tiếp theo Khi điện áp lối vào từ

bộ phân thế (điện áp này bằng với điện áp qua tụ - điện áp đỉnh xung) lớn hơn thế lối ra của khuếch đại thuật toán thứ nhất (điện áp này sẽ xuống thấp khi đỉnh xung đã qua) thì điện áp lối ra của ghi nhận đỉnh giảm Việc giảm này thông báo thời điểm đến của đỉnh, báo cho ADC bắt đầu xác định đỉnh và báo cho mạch lật điều khiển công tắc đóng S1, vì vậy việc cô lập ADC khỏi nguồn xung bằng cách nối đất lối vào (+) của khuếch đại thuật toán thứ nhất Các mạch flip-flop điều khiển cùng nhận một tín hiệu từ ADC khi ADC đã hoàn thành công việc của mình, do đó thực hiện nhiệm vụ thứ 4 đã đề cập ở trên

Mạch flip-flop điều khiển xả điện bật nguồn dòng không đổi, nguồn dòng này

xả tụ - hoàn thành nhiệm vụ thứ 5

Bây giờ, mạch lật điều khiển công tắc mở công tắc S - kết thúc nhiệm vụ thứ

6 và Pulse Stretcher sẵn sàng nhận xung tiếp theo Khi xung này đến, bộ phân biệt ngưỡng thấp tìm ra thời điểm đến của nó thông qua mạch flip-flop điều khiển xả điện, tụ dòng không đổi và ngắt mạch xả tụ của nguồn dòng không đổi

Nếu hiểu biết tốt về điện tử hạt nhân ngay lập tức sẽ nhận ra một vải khó khăn trong mạch điện này Đó là vấn đề thời gian nhỏ Ngay khi S mở, để các xung có thể nhận tiếp, tụ vẫn chưa xả hết Do đó, mạch vẫn chưa thực sự sẵn sàng để nhận thêm xung Tuy nhiên không có tổn hại nào có thể xảy ra, bởi vì nếu xung quá nhỏ, nó sẽ bị bỏ qua bởi sự ghi nhận đỉnh và nếu nó đủ lớn, nó

sẽ được đo chính xác Hiệu ứng thực chỉ tăng ít trong khoảng thời gian chết Chúng ta không cần một mạch số phức tạp để giải quyết vấn đề này Tương

tự khuếch đại thuật toán lối vào bão hoà theo chiều âm Bất kì chất bán dẫn bão hoà nào đều đòi hỏi thời gian phục hồi tương đối dài Diot trong các ghi nhận biên độ xung có một dòng nghịch đảo hữu hạn, dòng này có khuynh hướng xả tụ C Công tắc và một số khối khác vẫn chưa thảo luận chi tiết Thử

vẽ bằng tay một mạch làm việc cho các khối này

Một phiên bản làm việc của Pulse Stretcher này bao gồm một vài cải tiến được cho trong Hình 4.1.4 với khối có trong Hình 4.1.3 Dễ ràng chỉ ra Q1với S1, Q3 với ghi nhận đỉnh, U4 với bộ phân biệt ngưỡng thấp và các transitor BC182 với nguồn dòng không đổi và các điều kiện của nó

Bộ chia thế đã được chia thành vòng phản hồi của khuếch đại thuận toán thứ nhất và một diot thêm vào để bù cho phần trở nghịch hữu hạn của các diot Diot D1 được thêm vào để ngăn U1 khỏi bão hoà theo chiều âm bằng cách chặn lối ra xuống dưới -0.7V Các điện trở R1 và R2, tụ C1 được thêm vào để ngăn chặn dao động Điện trỏ R là điện trở tách (decoupling)

III Thí nghiệm

Lắp rắp mạch điện và kiểm tra hoạt động của nó Thế được lưu trữ ổn định như thế nào? Độ ổn định thời gian có thể cải thiện bằng cách đưa vào tụ C2 với giá trị lớn hơn Tuy nhiên, bây giờ mạch không thể đáp ứng chính xác với các xung rất ngắn Đánh giá mối liên hệ giữa độ rộng xung và điện dung đối với giá trị cho phép việc ghi nhận biên độ xung

THÍ NGHIỆM 4.2

ADC WILLKINSON

I Mục đích

Nghiên cứu bộ biến đổi ADC Wilkinson cơ bản và thiết kế phiên bản thực tế

đã mô tả trong phần III như một dự án đặc biệt

II Tổng quan

Bộ biến đổi tương tự số (ADC) là cốt lõi của bộ phân tích đa kênh Chúng ta

sẽ nghiên cứu hoạt động của một phiên bản ADC Wilkinson đơn giản Công việc được minh hoạ trong Hình 4.2.1 Điện áp chưa biết Ux được nối với lối vào INP Khi thiết bị bị kích hoạt bởi một xung tại lối vào START, nó lấy tín hiệu mẫu của thế lối vào và tạo ra mã nhị phân tương đương của nó tại lối ra Đường dữ liệu lối ra 8-bit D0-D7 có giá trị sau khi có xung xuất hiện tại EOC (End of Conversion)

Hình 4.2.1: Hộp đen biểu diễn bộ biến đổi

Sơ đồ khối của ADC được chỉ ra trong Hình 4.2.2

Để thực hiện chuyển đổi, các hoạt động (Hình 4.2.3) được đưa ra;

1 Thông thường transitor Q1 dẫn bởi vì điện thế cao tại cực collector của transitor Q2 Khi có một xung dương cấp cho lối vào START, tín hiệu

từ lối vào INP xuất hiện tại lối vào không đảo của khuếch đại thuật toán U1 Thế qua tụ C là 0, do đó thế lối ra của khuếch đại thuật toán ở mức cao Dòng đi vào C cho đến khi điện thế tại lối vào đảo và không đảo bằng nhau Xung START phải đủ dài để nạp đầy tụ C

2 Xung START đã đảo Q2 và bộ đảo xoá dữ liệu bộ đếm

Hình 4.2.2: Sơ đồ khối của bộ biến đổi

Hình 4.2.3: Dạng sóng

4 Xung từ ONE SHOT kết thúc; mạch flip-flop RS đuợc thiết lập

a GATED CLOCK bắt đầu cấp xung cho COUNTER

b CONSTANT CURRENT SOURCE được kích hoạt Vì dòng không đổi sinh ra từ tụ C, điện thế qua C thì giảm tuyến tính Thời gian phóng điện của tụ sẽ tỉ lệ với điện thế ban đầu qua tụ

5 ZERO – DISCRIMINATOR: thông báo điện thế 0 ra tụ

a Xung sinh ra tại lối ra ZERO – DISCRIMINATOR sẽ thiết lập lại mạch lật Nguồn dòng không đổi bị ngắt, thế qua tụ bằng 0

b GATED CLOCK bị dừng Con số cuối cùng trong bộ đếm tỉ lệ với thời gian đếm và do đó tỉ lệ với điện áp đo được

6

6a Tại lối vào không đảo của khuếch đại thuật toán là một điện thế dương nhỏ từ Q1 Điện thế tại lối vào đảo (bằng điện thế qua tụ đã phóng điện) là 0 Do đó, điện thế lối ra của khuếch đại thuật toán sẽ cao và sẽ nạp cho tụ cho đến khi sự khác biệt giữa lối vào đảo và không đảo là 0 Điện trở

R1 mắc song song với tụ C sẽ cho qua một dòng nhỏ liên tục từ khuếch đại qua điot vào tụ Điện trở này ngăn nhiễu từ việc điều khiển điện thế âm trong

tụ Nghĩa là, khuếch đại giữ điện thế của C không quá 0; và R1 giữ điện thế không quá 0

6b Lối ra ZERO – DISCRIMINATOR sẽ thấp, mạch flip-flop RS có thể được kích hoạt lại nếu xung START sẽ xuất hiện

Bây giờ chúng ta định nghĩa các khối trong các hộp đen của sơ đồ khối (Hình 4.2.4)

Hình 4.2.4: Các khối cơ bản của bộ biến đổi

ZERO – DISCRIMINATOR phải có dòng lối vào nhỏ Chúng ta sử dụng vi mạch LF356, bộ khuếch đại thuật toán với các lối vào FET Một số các mạch phản hồi dương sẽ cải thiện thời gian đáp ứng Thế lối ra trong khoảng giữa 2 thế cấp vào Mạch này phải được giới hạn theo chiều âm để phù hợp với các mạch CMOS, vì thế xu hướng chúng ta là sử dụng trong mạch flip-flop RS và EOC

Khối EOC là một mạch ONE SHOT được khởi phát bởi sườn giảm của xung lối ra ZERO – DISCRIMINATOR Mạch CMOS4093 (1 cổng NAND tứ giác có tính trễ) tạo ra một ONE SHOT đơn giản

ONE SHOT phải được khởi phát từ cao xuống thấp Mạch điện được chỉ ra với khối EOC

GATED CLOCK là một bộ dao động phục hồi được làm bằng một vi mạch 4093 Nó dao động khi cổng ở mức cao

Các mạch lật RS được làm từ 2 cổng NOR 4001

Nguồn dòng không đổi GATED (GCS) trong một bài tập trước đây Hình 4.2.4 chỉ ra phiên bản đã chỉnh sửa có sử dụng tín hiệu CMOS cho mạch

Sơ đồ chi tiết được đưa ra trong hình 4.2.5

Hình 4.2.5: Sơ đồ kết nối của bộ biến đổi

III Thí nghiệm

Lắp ráp mạch và cố gắng thực hiện các thủ tục kiểm tra Cấp 1 thế không đổi, dương khoảng vài Volt cho lối vào INP và các xung TTL (1KHz) trong suốt 10s cho lối vào start

Kiểm tra lại hoạt động và đưa ra các chú ý đặc biệt Đưa ra các gợi ý như những gì nên được cải tiến để đạt được hiệu suất chuyên môn

Để một vài bit thêm vào có thể được thực thi, mạch mới này có đủ tốt không? Câu trả lời có thể nhận được từ việc nghiên cứu hiện trạng các kênh của chúng

Nối một điện thế lối vào tương ứng với toàn dải Tăng điện thế rất chậm và quan sát bit cuối cùng trên dao động ký Nó sẽ thấp trong khoảng điện thế không xác định, sau đó thì cao, vào sau đó lại thấp trở lại Trong trường hợp của ADC, chuyển tiếp này nên xảy ra tại một điện thế xác định chính xác như Hình 4.2.6 Tuy nhiên, trong trường hợp của chúng ta, sẽ có một chuyển tiếp phẳng từ thấp đến cao và sau đó từ cao xuống thấp

Hình 4.2.6: Sự xác định sườn nghiêng của xung

Có thể tìm thấy thế lối vào mà tại đó bit cuối cùng vẫn thấp tại mọi thời điểm (A trong phần thấp hơn của hình 4.2.6) Sau đó chúng ta có thể tìm thấy điện thế mà tại đó bít cuối cùng có một nửa thời gian là thấp (theo thứ tự ngẫu nhiên), và một nửa là cao (B trong cùng hình), và cuối cùng điện thế mà ở đó bít cuối cùng là cao tại mọi thời điểm (C) Sau đó lặp lại các thủ tục tương tự với sườn giảm, chúng ta thông tin theo kênh đó Sự rõ nét là các chuyển đổi giữa 2 lần đọc nhị phân liên tiếp, các bit cao hơn có thể được đưa ra

II Tổng quan

Có một số các điểm khác nhau giữa các tín hiệu số và tương tự Các tín hiệu

số thì dễ dàng lưu trữ và điều khiển Các tín hiệu tương tự là các tín hiệu sinh

ra bởi hầu hết các máy truyền sóng trong thế giới thực Một tín hiệu tương tự

có thể nhận một giá trị bất kỳ giữa 2 giới hạn hợp lý xác định Các tín hiệu số

có thể nhận chỉ một giá trị hữu hạn (phụ thuộc vào số các bit sẵn có) giữa các giới hạn tương tự Bộ chuyển đổi tương tự thành số (ADC) cho phép chúng ta chuyển đổi một tín hiệu từ dạng tương tự thành một tín hiệu số

Như VD: Xét một tín hiệu tương tự có thể nhận giá trị bất kỳ giữa 0 và 10V

Để chuyển đổi tín hiệu tương tự thành một tín hiệu số 3 bit Nghĩa là chúng ta tạo ra 23 hoặc 8 ô nhớ khác nhau; mỗi một ô được ký hiệu với một số nhị phân khác biệt Nhiệm của ADC là xem xét rằng tín hiệu tương tự được đưa vào các ô nhớ tương đương Tất nhiên, số ô nhớ phụ thuộc vào số bit (n) trong các số theo một mối liên hệ; số ô nhớ bằng 2n

Trường hợp của chúng ta được minh hoạ trong Hình 4.3.1

Hình 4.3.1: Mối liên hệ giữa tín hiệu tương tự và số

Ở đây khoảng 0 – 10V của tín hiệu tương tự được chia thành 8 ô nhớ với các phép chia gắn với các bit đặc trưng Nếu chỉ 2 bit được sử dụng, các đường chấm chấm gắn với các bit có ý nghĩa ít nhất sẽ bị xoá bằng cách bỏ đi 4 ô nhớ (22) Nếu 1 bit khác đã có sẵn, mỗi ô nhớ đang tồn tại được chia làm 2 tạo thành 16 ô nhớ (24) Rõ ràng nhiều ô nhớ sẽ cho độ phân giải tốt hơn nhưng khó chuyển đổi hơn

Sơ đồ khối cho 1 ADC đơn giản được chỉ ra trong hình 4.3.2

Hình 4.3.2: Sơ đồ khối của ADC đơn giản

Chi tiết của các khối logic phụ thuộc mạnh mẽ vào từng loại ADC, nhưng trong nhiều trường hợp nó phụ thuộc vào lối ra của bộ so sánh và sinh ra bộ 3

số Số này được cấp cho ADC Một lần nữa DAC có thể nhận một số dạng nhưng tất cả đều tạo ra tại lối ra 1 tín hiệu tương tự tương ứng với số lượng con số Các tín hiệu đó được so sánh với tín hiệu gốc trong bộ so sánh với kết quả trả về cho các khối logic để kiểm tra tiếp, vì thế hệ lặp lại chính nó cho đến khi số lượng các con số đúng được tìm thấy

Các mạch ADC khác chẳng hạn như cái mà đã nghiên cứu trong thí nghiệm 2.2 có thể được sử dụng, nhưng mạch này có ưu điểm thụ động: cho một lối

là một khối quan trọng trong mạch Tính hữu dụng của ADC phụ thuộc vào

độ chính xác mà ADC xác định các tín hiệu trong các ô nhớ

Khối logic được sử dụng bao gồm chủ yếu là 3 công tắc, 1 EPROM và logic điều khiển: Xem Hình 4.3.5

III Thí nghiệm

Xây dựng mạch như hình 4.3 6

Hình 4.3.5: Khối ADC logic

Lập tức bạn sẽ nhận ra tất cả các khối chúng ta đã thảo luận và bạn sẽ thấy không có các chi tiết nào của EPROM được đưa ra Điều đó là bởi vì bạn sẽ

là một EPROM, và bây giờ bạn sẽ được lập trình

Bắt đầu với tất cả các công tắc được nối đất: nghĩa là ở trạng thái 0 hoặc thấp Đặt một điện thế cho lối vào Bộ so sánh đèn LED màu xanh sẽ được chỉ ra rằng tín hiệu cao hơn tín hiệu số Thay đổi trạng thái của bit quan trọng nhất bằng cách bật/ tắt D2

Hình 4.3.6: Sơ đồ mạch ADC xấp xỉ gần đúng liên tiếp

Hoạt động đó thiết lập bắt đầu từ ô nhớ tương ứng với 5V đến 1/2 của điện áp lớn nhất (10V) (Hình 4.3.1) Việc tiếp theo của bạn phụ thuộc vào hoặc là đèn LED được duy trì hoặc là tắt

Nếu đèn LED của bộ so sánh vẫn còn bật, bạn biết rằng thế tương tự lớn hơn tín hiệu số và msb được thiết lập chính xác Bây giờ tập trung đến bit thứ 2 Tuy nhiên nếu LED thứ 2 màu xanh tắt, bạn biết rằng điện thế tương tự thấp hơn tín hiệu số và nghĩa là msb (theo sách) quá cao Tắt trạng thái đúng của

nó và tập trung vào bit thứ 2 như trước đó, lặp lại cho đến tận khi tất cả các bit được thiết lập đúng Chú ý rằng, thủ tục này sẽ cung cấp ít nhất việc đặt các công tắc khả dĩ

Chuyển đổi một vài thế tương tự khác nhau thành số Xác định cẩn thận mỗi tín hiệu ô nhớ Có phải tất cả các ô nhớ được đặt đúng vị trí của nó hay không? Có phải tất cả chúng có cùng độ rộng không? Từ đó giải thích vì sao? Đưa ra một thủ tục để tạo một mạch giống hệt mạch biến đổi tương tự thành

số bằng cách tăng số bước So sánh số công tắc thay đổi trong phương pháp này và phương pháp trước đó Chú ý rằng số công tắc trung bình thay đổi trong phương pháp này tăng tỉ lệ với số bit trong ADC Việc tăng trong ADC

mạch này giống như 1 ADC (ADC tracking) Trong các trường hợp nào, thủ tục mới này tốt hơn các thủ tục trước

Trong thực tế, khối logic sẽ nhận một tín hiệu để bắt đầu quá trình chuyển đổi, và sẽ gửi một tín hiệu ra khi nó đã thực hiện một chuyển đổi Tín hiệu lối vào sẽ được lấy từ mạch điện giống như xung mở rộng đã nghiên cứu ở phần đầu của chương Tất nhiên, trong thực tế các sự tắt bật của công tắc sẽ thực hiện tự động và logic

Hình 4.3.7: ADC xấp xỉ gần đúng liên tiếp 4 bit

Sơ đồ mạch có thể thực hiện sự tắt bật tự động được chỉ ra trên Hình 4.3.7 mạch điện này thực tế là một ADC xấp xỉ gần đúng liên tiếp 4 bit hoàn chỉnh Xác định vị trí các phần phụ mà bạn đã nghiên cứu, bộ so sánh ở bên trái, các con trỏ DAC ở trên đỉnh IC 42 cung cấp các xung làm hoạt động các mạch flip-flop JK (mỗi mạch flip-flop cho một con số) Ở giữa, đặt các bit của nó sau đó kiểm tra bộ so sánh để xem nó có duy trì việc đặt không Phần này của mạch sẽ tự động thực hiện những gì bạn đã làm với các công tắc trong mạch Mạch khóa cung cấp tín hiệu kết thúc việc biến đổi (EOC) đã thảo luận trong thí nghiệm 4.1 Mạch cụ thể này không hỗ trợ cho việc nhận tín hiệu START,

nó hoạt động liên tục Một mạch flip-flop RS tại lối vào clock sẽ cấp tín hiệu START

THÍ NGHIỆM 4.4

HIỂU CHỈNH THANG ĐO CỦA ADC XẤP XỈ GẦN ĐÚNG LIÊN TIẾP

I Mục đích

Mục đích của thí nghiệm là chứng minh tầm quan trọng của việc hiệu chỉnh thang đo trong ADC xấp xỉ gần đúng liên tiếp và để chứng minh các nguyên tắc thiết kế của một mạch ADC phù hợp cho thay thế sự hiệu chỉnh

II Tổng quan

Các ADC xấp xỉ gần đúng liên tiếp đã xây dựng trong dạng tích hợp là các ADC tương đối nhanh, chính xác, không đắt và dễ dàng sử dụng Tuy nhiên, trong các ứng dụng đo phổ, một yêu cầu thiết yếu là độ rộng kênh phải giống nhau, và đặc trưng này của hệ thống được thể hiện qua độ tuyến tính vi phân

Sự giống nhau này của các kênh là một đặc trưng của ADC loại Wilkinson, ở

đó độ rộng của mọi kênh được xác định bằng các thành phần vật lý tương tự Trong các ADC xấp xỉ gần đúng liên tiếp (trong loại ADC flash) độ rộng của các kênh khác nhau được xác định bằng tổ hợp vi phân của một bộ các thành phần vật lí, chẳng hạn như nhóm các mạng điện trở kết nối bậc thang có ý nghĩa cho một giá trị của bộ hiệu chỉnh xấp xỉ gần đúng liên tiếp Kết quả là

độ rộng kênh không giống nhau nhiều, nếu không có sự hiệu chỉnh phù hợp không thể sử dụng nó trong các ứng dụng đo phổ Vấn đề này được thảo luận trong TECDOC 363 và sẽ không được mô tả chi tiết ở đây Một thủ tục hiệu chỉnh phù hợp cộng vào mỗi xung lối vào một sự hiệu chỉnh biên độ tương ứng với hệ số nhân đã cho của độ rộng w kênh trung bình Để biết điều này, giả sử rằng biên độ xung lối vào tương ứng với kênh c và rằng thế cộng vào –

v tương ứng với n kênh trung bình (v = n x w) Một ADC lý tưởng sẽ cho một giá trị biến đổi c+n, và kết quả hiệu chỉnh thu được bằng việc lấy các giá trị chuyển đổi trừ cho n Nếu n kênh đã cộng thay đổi ngẫu nhiên giữa 0 và N cho mỗi xung mới có biên độ c, ảnh hưởng của độ rộng kênh kết hợp với các xung này là các độ rộng trung bình của tất cả các xung từ c đến c+N Do đó,

ảnh hưởng về độ rộng các kênh không giống nhau bị suy giảm mạnh (Xem thảo luận chi tiết trong TECDOC 363)

Thế hiệu chỉnh: v = n x w thật dễ dàng thu được từ một bộ biến đổi số thành tín hiệu tương tự (DAC), độ chính xác tương đương với ADC, nhưng chỉ sử dụng một bộ số bít có ý nghĩa nhất Điện thế này – thang chia tỉ lệ được cộng vào xung đến và ứng với giá trị của n là một số đã được trừ từ kết quả chuyển đổi

Sơ đồ khối của một mạch hiệu chỉnh trên được chỉ ra trong Hình 4.4.1

Hình 4.4.1: Sơ đồ khối của mạch hiệu chỉnh thang chia

Trước khi thảo luận chung chung về mạch chi tiết, chúng ta nên có lời chú giải Một bộ đếm 5 bít mà số đếm được cộng vào khi kết thúc chuyển đổi điều khiển DAC, do đó, thế hiệu chỉnh - v theo một mô hình xác định khi thực hiện từ chuyển đổi này đến chuuyển đổi tiếp theo Thủ tục này không phải là lần lượt nếu nếu chúng ta đang phân tích các xung từ một máy ghi nhận Như đã thảo luận trong TECDOC 363, nó không phù hợp với các ramp

- máy phát hoặc các thiết bị khác mà các xung lối ra của các thiết bị này cho phép một mô hình xác định (một máy phát xung chuẩn ngẫu nhiên được thảo luận như một ứng dụng của các máy ghi nhận độ trôi trong thí nghiệm 3.8) Một mạch thay thế cho sơ đồ khối ở trên được chỉ ra trong Hình 4.4.2 Nó sử dụng một ADC 8 bít (256 kênh) và một máy hiệu chỉnh thế 5 bít (32 kênh)

Do đó ADC hiệu chỉnh thang chia có 224 kênh

Bây giờ chúng ta tạo một vài câu lệnh cho sơ đồ, bỏ qua sự giải thích chi tiết của nó như một bài tập Phép trừ được thực hiện trong hai bộ cộng 83 mà

dùng phần bù của 2 của số đã bị trừ Phần bù này thu được nhờ việc đảo tất

cả các bít (phần bù của chúng) và rồi cộng với 1 để được số này (Thông qua lối vào cộng của bộ cộng trọng số thấp nhất) Lối ra dữ liệu của ADC thường xuyên cho phép, mach ba trạng thái rất cần cho việc kết nối tới bus dữ liệu hai chiều được cấp bởi mạch lật bát phân 574 Một tín hiệu RD bị đảo để khoá kết quả chuyển đổi đã hiệu chỉnh vào trong 574 và việc kích hoạt

RDcho phép bộ đệm lối ra ba trạng thái

III Thí nghiệm

Bạn phải lắp ráp bảng mạch đã chuẩn bị và thử nó với tín hiệu từ đầu dò NaI Các công tắc chỉ ra trong sơ đồ Hình 4.4.2 sẽ cho phép bạn so sánh dễ dàng các kết quả thu được với một ADC xấp xỉ gần đúng liên tiếp chưa hiệu chỉnh với các kết quả thu được từ sự hiệu chỉnh thang chia Các kết quả được hiện thị trong máy tính và chúng liên kết với nhau Sự hiệu chỉnh chi tiết được thảo luận trong dự án kết nối ADC- máy tính trong phần VI của biên soạn này

Hình 4.4.2: Sơ đồ của mạch hiệu chỉnh thang đo

II Tổng quan

Các bộ biến đổi A/D sử dụng trong máy phân tích xung theo biên độ thuộc loại Wilkinson hoặc loại ADC xấp xỉ gần đúng liên tiếp với mạch hiệu chỉnh phù hợp cho độ rộng kênh không đồng nhất Các bộ biến đổi A/D loại Flash được sử dụng trong các thí nghiệm mà ở đó chúng ta chủ yếu quan tâm tới tốc độ biến đổi cao và độ phi tuyến vi phân lớn có thể xảy ra của bộ biến Tất

cả các loại này của bộ biến đổi hoạt động dựa trên sự lấy mẫu tức thời của các tín hiệu vào Chúng là các bộ chuyển đổi không tích phân

Trong các thí nghiệm liên quan tới các ứng dụng hạt nhân, các bộ biến đổi A/D loại tích hợp cũng rất cần thiết VD: trường hợp để đo tổng chùm hạt tích điện trong một thí nghiệm của máy gia tốc Chùm hạt tích điện thu được bằng việc tích luỹ dòng điện tích Với các IC hiện đại, điều này có thể đạt được một cách chính xác mà không quá khó khăn Trong thí nghiệm này, chúng ta thảo luận một mạch được thiết kế xung quanh vi mạch LM331; một

bộ biến đổi tích phân điện áp thành tần số mà có thể đạt tới độ chính xác 0,01% (cách đánh giá tương đương với ½ LSB trong ADC 12bit)

III Thí nghiệm

Trong hình 4.5.1, chúng ta mô tả một sơ đồ minh họa nguyên tắc hoạt động của mạch điện đã thiết kế và chú ý đến các thành phần bên ngoài vi mạch LM331 Dòng lối vào Ii được chia nhỏ trong tụ C thông qua hoạt động của khuếch đại thuật toán Bộ so sánh bên trong vi mạch 331 khởi phát ONE – SHOT mà ONE – SHOT này bật hoặc tắt công tắc Một dòng không đổi Irefphân cực ngược với Ii sau đó sẽ nạp vào tụ tích phân C trong một khoảng thời gian T được xác định bởi ONE – SHOT Điện tích được dẫn bởi dòng Ii trong suốt thời gian này phải nhỏ hơn Iref x T (ngược lại hệ thống sẽ không hoạt động, như bạn có thể hiểu được từ thảo luận này) Do đó, bộ so sánh trở lại trạng thái ban đầu và một chu trình mới bắt đầu Một xung lối ra được tạo ra mỗi lần ONE- SHOT khởi phát Tần số của các xung này tỉ lệ với dòng lối vào trong hình, tổng số đếm xung thì tỉ lệ với tổng điện tích được truyền dẫn bởi dòng lối vào

Ảnh hưởng của các thành phần bên ngoài tới độ chính xác của mạch được đánh dấu trong sơ đồ đơn giản với số lượng của chúng trong sơ đồ chi tiết trong hình 4.5.2 Thế so sánh Vcomp không ảnh hưởng: nó cũng không ảnh hưởng tới ngưỡng mà tại ngưỡng đó dòng cân bằng Iref được bật lên Thế

Vcomp thu được từ điện áp cấp thông qua một mạng chia Trở R4 xác định dòng Iref; R11 và C2 xác định thời gian τ trong khi Iref đi qua tụ tích phân Do

đó, các thành phần này ảnh hưởng đến độ chính xác của phép đo Tụ phải là một loại polistinen hoặc một loại chất lượng cao Các điện trở phải là các màng kim loại và cảm biến nhiệt Trên thực tế, nếu R11 tăng, trong suốt thời gian truyền Iref tăng; nhưng nếu R4 cũng tăng thì dòng cân bằng sẽ giảm để

bù thời gian tăng Tất nhiên, yêu cầu đối với khuếch đại thuật toán này là dòng bias có thể bỏ qua Thế lối vào Offset trở nên không quan trọng nếu dòng Ii được cấp từ một nguồn dòng, nhưng nếu Ii đến từ 1 nguồn thế thông

qua Ri thì thế offset của khuếch đại là hệ số giới hạn chính cho độ chính xác

và khoảng thay đổi

Bây giờ chúng ta đề cập đến sơ đồ mạch điện chi tiết Sơ đồ này tương tự với một trong những sơ đồ đã thảo luận trong (Biên soạn các ứng dụng) Linear Application handbook of National Semiconductor Vi mạch 331 sử dụng một nguồn cấp riêng và các chân không được điều khiển bởi thế âm Điot D4 và D5 bảo vệ chân số 7 khỏi bất kỳ thế âm có thể nào nằm trong khoảng thế lối

ra của khuếch đại thuật toán Dòng đảo của các điot được trở lại nối đất bởi R16, vì vậy không làm nhiễu phép đo Thế Vcomp đến bộ so sánh 331 thu được từ nguồn cấp nhờ bộ chia R9-R10 Các điot D1-D3 cùng với R1-R2 bù cho các thay đổi theo nhiệt độ, điện trở tổng cộng thường khoảng 450K R6 đóng góp một cải tiến nhỏ về độ tuyến tính Phân thế P3 được sử dụng để xóa thế offset của khuếch đại Việc xóa này quan trọng trong các trường hợp mà

ở đó dòng cấp cho lối vào của bộ đảo 356 đến từ một nguồn thế thông qua 1 điện trở Để nhấn mạnh điểm này, chúng ta lắp vào sơ đồ này một bộ chuyển đổi dòng thành thế mà ở đó không có sự hiệu chỉnh nào về thế offset của khuếch đại thuật toán được sử dụng (khuếch đại lối vào có một dòng trôi khoảng 1pA và có thể được sử dụng với các điện trở rất lớn)

Phân thế P2 được sử dụng để điều chỉnh hệ số cân bằng bằng cách điều chỉnh

Iref Pot và R3 cùng với R3 xác định Iref (không chỉ R4) Với các thành phần đã chỉ ra, độ rộng xung ONE – SHOT vào khoảng 80 µs (=1.1 x R11 x C2) Dòng vào10 µA sẽ tạo ra một tần số 1KHz với một dòng Iref khoảng 130 µA

Hình 4.5.2: Sơ đồ mạch của bộ biến đổi

Hình 4.5.3 Khuếch đại điện áp độ trôi nhỏ

Nếu chúng ta quan tâm đến việc tích hợp một thế nhỏ thì một khuếch đại độ trôi offset thấp được sử dụng VD: khuếch đại thuật toán OP-07 là 1 khuếch đại thuật toán thích hợp cho hầu hết các ứng dụng này Hình 4.5.3 là mạch có hệ số khuếch đại điện áp có thể điều chỉnh được từ 102 đến 103

Trong mạch này, mạch in làm sẵn luôn được chuẩn bị Mạch này phải được điều chỉnh và kiểm tra với các tần số ra từ 10Hz đến 10KHz

xử lý tín hiệu được chia thành các bước nhỏ một cách logic, đường truyền dẫn tín hiệu được ghi nhận trong hệ thống và các tín hiệu vào/ra được kiểm tra hoạt động theo quy tắc của mỗi thành phần hoặc của mỗi linh kiện thiết bị Bởi vì hướng dẫn này được chuẩn bị trước cho một khóa học điện tử, nên chỉ

có lượng thời gian được định sẵn để giảng giải các phép đo hạt nhân Và cũng

vì sự thay đổi lớn của các ứng dụng và giá thành của các dụng cụ hạt nhân khác nhau, nên không thể giảng giải tất cả các hệ thống và kĩ thuật xử lý mà các sinh viên sẽ gặp sau khoá học Do đó, chỉ với một vài thí nghiệm đã được lựa chọn cho khoá này đều đưa ra việc kết hợp hoặc chứng minh một điểm

Các thí nghiệm trong chương này có những khác biệt rất lớn từ sự thiết lập các thí nghiệm thông thường được tìm thấy trong nhiều phòng thí nghiệm vật

lý và kỹ thuật hạt nhân Hơn nữa, tập trung vào các tính chất của bức xạ hạt nhân, các thí nghiệm này sẽ cố gắng giải thích hoạt động của các hệ thống đầu dò, một vài phương pháp cải tiến việc xử lý các tín hiệu đầu dò, các phương pháp phân tích tín hiệu, và các phương pháp kiểm tra các đặc trưng của nhà sản xuất đối với các chế độ hoạt động và các hệ thống riêng biệt

Quá trình ion hoá hoặc kích thích là quá trình thống kê tự nhiên Nó bao gồm các tương tác giữa một hạt điện tích và các điện tử của nguyên tử và mặc dù năng lượng trung bình trên một cặp điện tử - lố trống hoặc điện tử – ion có thể được xác định khá chính xác, tổng số cặp điện tích sẽ thay đổi từ sự kiện này đến sự kiện khác ngay cả khi các bức xạ đến có thể là đơn năng và giải phóng cùng lượng năng lượng tại mỗi thời điểm Tuy nhiên, bức xạ đến có thể không giải phóng tất cả năng lượng trong đầu dò: ví dụ: các photon (tia gamma và tia X) tương tác với vật chất bằng 3 cơ chế khác nhau: quang điện, tán xạ compton và hiệu ứng tạo cặp Trong các sự kiện quang điện, photon truyền tất cả năng lượng cho một điện tử nguyên tử Photon đánh bật điện tử

ra khỏi nguyên tử, và truyền cho nó một động năng Sau đó electron quang liên tục mất năng lượng bằng việc ion hoá hoặc kích thích các nguyên tử khác Nếu sự kiện xảy ra gần cạnh đầu dò, electon quang có thể chỉ mất một phần năng lượng của nó trong vùng hoạt động và dừng lại ở các thành của đầu dò Kết quả là: chỉ 1 phần năng lượng của photon tới tạo ra sự ion hoá kích thích trong đầu dò Tán xạ compton xảy ra khi photon chỉ truyền 1 phần năng lượng của nó cho điện tử nguyên tử và một photon tán xạ năng lượng thấp được phát ra Photon thứ cấp có thể thoát ra khỏi đầu dò Do đó, chỉ một phần năng lượng của photon ban đầu được giải phóng trong đầu dò để tạo ra ion hoá/ kích thích Tương tự, hiệu ứng tạo cặp (có thể xảy ra nếu photon đến

có năng lượng lớn hơn 1MeV) cũng có thể giải phóng chỉ một phần năng lượng của nó trong đầu dò

A PHỔ NĂNG LƯỢNG

Phổ năng lượng là các đồ thị đơn giản của số các sự kiện theo năng lượng của các sự kiện Trong phổ hạt nhân, 2 loại phổ quan trọng: phổ nguồn và phổ ghi nhận hay phổ đo Phổ nguồn là đồ thị của số bức xạ phát ra từ nguồn: giống như là một hàm theo năng lượng của bức xạ

Hình 5.1: Phổ đặc trưng

Đối với nguồn anpha, gamma và tia X đặc trưng và một vài nguồn khác, phổ nguồn sẽ bao gồm một nhóm các đường vì các bức xạ này là đơn năng Với các nguồn khác, chẳng hạn như nguồn beta, phổ nguồn có thể là phổ phân bố liên tục từ năng lượng 0 đến năng lượng lớn nhất của nó, hoặc trong trường hợp phổ beta là năng lượng cuối của phân rã hạt nhân

Phổ đo đạc hoặc phổ ghi nhận là số đo số sự kiện xảy ra trong đầu dò, được

vẽ như một hàm của biên độ xung (chú ý rằng biên độ xung thường tỉ lệ với năng lượng bức xạ mất đi trong đầu dò) Không có đầu dò hoặc hệ thống điện

tử nào hoàn hảo, và chúng có các nhiễu, và trong trường hợp các biến đổi thống kê của các đầu dò hạt nhân tác động vào tín hiệu được ghi nhận Bởi vì các bức xạ tương tác với vật chất theo các cách khác nhau nên đôi khi phổ đo được ít giống với phổ nguồn

Một phổ nguồn điển hình đối với tia gamma phát ra từ nguồn Cs-137 được chỉ ra trong phần a của Hình 5.1 Phần b là phổ ghi nhận tương ứng với thế lối ra Vo tương ứng với năng lượng của tia gamma đơn năng Chú ý: độ nhoè của đỉnh là do các quá trình thống kê ngẫu nhiên và nhiễu trong đầu dò và hệ điện tử Cũng chú ý rằng phần kéo dài năng lượng thấp ứng với các sự kiện năng lượng dư khi chỉ một phần năng lượng của tia gamma bị mất đi trong đầu dò

Bài toán trong phổ hạt nhân là để suy ra phổ nguồn từ phổ đo đạc Để làm điều này, chúng ta phải hiểu tất cả các yếu tố bao gồm các tương tác bức xạ, các đặc trưng của đầu dò, quá trình xử lý tín hiệu và việc phân tích phổ được thực hiện bằng các chương trình tính toán và phân tích

B ĐỘ PHÂN GIẢI

Một trong các thông số quan trọng thường sử dụng để đánh giá chất lượng của các đầu dò là độ phân giải Các hạt anpha và hầu hết các photon (các tia gamma và tia X đặc trưng) là đơn năng Điều này có nghĩa là trong một đồ thị biểu diễn số bức xạ theo năng lượng, đồ thị này một đường thẳng như hình 5.1 Tuy nhiên, vì bản chất thống kê của các quá trình ion hoá/ kích thích và tương tác của bức xạ trong vật chất như đã thảo luận trong phần trước, đỉnh phổ sẽ bị nhoè Thêm vào đó, nhiễu điện tử từ việc khuếch đại xung và các hệ thống xử lý cũng sẽ đóng góp vào độ nhoè của đỉnh Do đó, kết quả không thể trông giống như phổ đo trong hình 5.1

Hình 5.2: Độ phân giải của đỉnh

Độ phân giải của đầu dò là số đo độ rộng của đỉnh Nó được định nghĩa như độ rộng toàn phần của đỉnh tại một nửa chiều cao cực đại của đỉnh (FWHM – full width at half maximum hight) FWHM được đưa ra, hoặc là theo nămg lượng, hoặc là khi chia cho năng lượng của đỉnh và nhân với 100% thì được gọi là độ phân giải tương đối Quá trình xác định độ phân giải

có thể sẽ phức tạp nếu đỉnh nằm trên phông do phông bức xạ hoặc tán xạ

chiều cao của đỉnh phổ được xác định bằng cách lấy xấp xỉ dưới đường nền bằng một đường thẳng và độ cao là khoảng cách từ đường thẳng này tới điểm cao nhất của đỉnh Xem Hình 5.2, có thể thấy rằng độ phân giải là số đo khả năng của đầu dò và hệ để xác định sự khác nhau về mặt năng lượng giữa hai đỉnh Do đó, khi cố gắng chỉ ra các đồng vị khác nhau bằng cách đo năng lượng của bức xạ phát ra, độ phân giải của hệ thống trở nên rất quan trọng Các yếu tố xác định độ phân giải của đầu dò bao gồm:

C HIỆU SUẤT ĐẦU DÒ

Ba loại hiệu suất đầu dò thường được sử dụng là: hiệu suất tuyệt đối, hiệu suất tương đối, và hiệu suất thực Hiệu suất tương đối được xác định là số sự kiện ghi nhận được chia cho số bức xạ phát ra từ nguồn Trong trường hợp này, số sự kiện ghi nhận được là tổng của tất cả các xung từ đầu dò có biên

độ từ 0 đến biên độ lớn nhất Chú ý rằng việc xác định này phụ thuộc vào góc khối mà đầu dò đối diện với nguồn và phụ thuộc mạnh vào khoảng cách từ nguồn tới đầu dò, đặc biệt khi nguồn đặt sát đầu dò

Hiệu suất thực được định nghĩa là số sự kiện ghi nhận được chia cho số bức

xạ đến đầu dò Chúng ta có thể hiểu rằng hiệu suất thực độc lập với hình học nguồn, nhưng nếu chúng ta định nghĩa đầu dò như bao phủ bên ngoài nguồn thì hiệu suất này vẫn phụ thuộc vào sự tách biệtgiữa nguồn và đầu dò

Hiệu suất đỉnh được xác định là số sự kiện ghi nhận được trong đỉnh so với tổng số sự kiện ghi nhận được Hiệu suất đỉnh thường liên quan tới hiệu suất tuyệt đối mà hiệu suất đỉnh tuyệt đối được xác định bằng số sự kiện ghi nhận được trong đỉnh chia cho số bức xạ phát ra của nguồn Chú ý rằng, ở đây, hiệu suất đỉnh liên kết với tổng số sự kiện trong đỉnh hay diện tích đỉnh chứ không chỉ chiều cao đỉnh Trong trường hợp đơn giản: các đỉnh đối xứng, diện tích của đỉnh được xác định chỉ bằng tổng số đếm trong tất cả các kênh

tại đỉnh Trong thực tế, vì các đỉnh có thể nằm trên nền phông hoặc các sự kiện năng lượng dư từ các bức xạ năng lượng cao hơn, nền này phải được xác định và được trừ ra khỏi tổng số đếm trong đỉnh Một lần nữa, phương pháp đơn giản này chỉ vẽ một đường thẳng biểu diễn nền dưới đỉnh, xác định số đếm dưới đường này và lấy tổng trừ đi số đếm này Xem Hình 5.3 Quá trình xác định diện tích đỉnh có thể trở nên rất phức tạp, đặc biệt nếu hai hoặc nhiều đỉnh chồng chập lên nhau

Hình 5.3: Diện tích đỉnh

Hiệu suất của đầu dò không chỉ phụ thuộc kích thước đầu dò mà còn phụ thuộc vào năng lượng bức xạ Hiệu suất của năng lượng thấp thường được xác định bằng sự hấp thụ bức xạ trong vật chất đầu dò hoặc vật chất giữa nguồn và vùng làm việc của đầu dò Hiệu suất của năng lượng cao thường được xác định bởi độ dày và kích thước đầu dò các photon năng lượng cao có thể đi qua đầu dò mà không tương tác Hiệu suất của hệ thống thường là một trong những thông số quan trọng sử dụng để định giá hệ thống và thường phải đo đạc, đặc biệt là trong các thí nghiệm mà số sự kiện tuyệt đối phải được xác định

D THỜI GIAN CHẾT

Thời gian chết (đôi khi được gọi là thời gian phân giải) của hệ thống là khoảng thời gian tối thiểu mà hệ thống nhận định được là của hai sự kiện độc lập Một số đầu dò chẳng hạn: đầu dò Geiger-Muller không phân biệt được bất kỳ sự kiện nào đến trong thời gian chết của đầu dò, nghĩa là sẽ không có tín hiệu ra của đầu dò cho sự kiện thứ hai Trong hầu hết các hệ thống đầu dò tuyến tính khác, nếu khoảng thời gian xuất hiện giữa hai sự kiện nhỏ hơn thời gian chết, hai sự kiện sẽ đơn giản cộng vào trong đầu dò để cho ra một xung

vì đầu dò không hiểu năng lượng đến từ một hay hai sự kiện Trong trường hợp này, độ cao của xung ra sẽ ứng với tổng năng lượng giải phóng của hai

sự kiện riêng biệt Tổng các sự kiện này có thể tăng thêm đỉnh phổ như là bóp méo dạng đỉnh Với các hệ đơn giản bao gồm: một đầu dò, một khuếch đại, một bộ đếm, thời gian chết thường được xác định bởi đầu dò và bộ phận chậm nhất thường là MCA Trong nhiều hệ phức tạp hơn, tín hiệu đầu dò có thể được xử lý bằng các tiền khuếch đại phản hồi quang học và/hoặc các bộ chống chồng chập, mỗi thành phần khác nhau đều có thể đóng góp vào thời gian chết của hệ

E THỜI GIAN CLOCK (THỰC)/THỜI GIAN SỐNG

Thời gian clock hoặc thời gian thực là thời gian mà hệ hoạt động được xác định bởi một đồng hồ độc lập, chẳng hạn đồng hồ treo tường hoặc đồng hồ đeo tay Tuy nhiên, hệ không phải luôn sẵn sàng cho việc ghi nhận và phân tích sự kiện vì tồn tại thời gian chết của đầu dò hoặc thời gian chết trong hệ thống xử lý tín hiệu Tầng đầu tiên của một ADC là một cổng được đóng ngay khi ADC bắt đầu xử lý tín hiệu Tầng này sẽ chặn xung thứ hai nếu nó đến ngay sau xung thứ nhất, vì đang phân tích xung thứ nhất nên xung thứ hai sẽ bị mất (tức là nó sẽ không được phân tích và ghi nhận) Thời gian mà

hệ thống thực sự sẵn sàng chấp nhận một sự kiện (cổng lối vào mở) được gọi

là thời gian sống Hầu hết các hệ MCA có thể được đặt trước hoặc theo một đồng hồ cho trước hoặc là theo thời gian sống Thêm vào đó, nhiều hệ MCA

có lối vào đặc trưng cho các tín hiệu từ các chế độ xử lý tín hiệu, chẳng hạn như: bộ chống chồng chập và sẽ hiệu chỉnh thời gian chết đưa vào hệ thống này

F BỘ CHỐNG CHỒNG CHẬP

Xung chống chồng chập có thể xảy ra nếu hai sự kiện gần nhau kết hợp tạo thành một xung méo Các bộ chống chồng chập (PUR) kiểm tra dạng của

xung và loại bỏ các xung mà dạng của chúng bị bóp méo do chồng chập Bộ chống chồng chập trở nên rất quan trọng trong các hệ với tốc độ đếm cao Các bộ chống chồng chập cải thiện rất lớn các dạng đỉnh trong phổ ghi nhận

có tốc độ đếm cao, nhưng cũng đóng góp vào thời gian chết của hệ thống Sự hiệu chỉnh cho điều này làm tăng thời gian chết được thảo luận trong mục E

THÍ NGHIỆM 5.1

PHỔ HẠT TÍCH ĐIỆN

I Mục đích

Nghiên cứu các đặc trưng quan trọng của phổ hạt tích điện của một số đầu dò

Si khác nhau như: sự phụ thuộc vào độ phân giải và điện thế sẽ được nghiên cứu cũng như ảnh hưởng của hệ điện tử lên chất lượng phổ

- Quãng chạy của các hạt mang điện trong chất rắn rất ngắn, vì thế các hạt có thể giải phóng tất cả năng lượng của chúng trong vùng làm việc của đầu dò

Đầu dò hạt tích điện Si là một lớp mỏng Si có bề mặt tiếp xúc hình thành một chuyển tiếp p-n Các bề mặt tiếp xúc này có thể rất mỏng chẳng hạn như bề mặt chắn (SB) của đầu dò, vật chất khuếch tán bên trong Si để hình thành một vùng chuyển tiếp (khuếch tán vùng chuyển tiếp đầu dò, DJ), hoặc bị thụ động hoá hoặc vùng chuyển tiếp được cấy các ion vào chẳng hạn đầu dò Si phẳng được cấy thụ động (PIRS)

Thế bias ngược (thế hiệu dịch ngược) được đặt lên các vùng chuyển tiếp để hình thành vùng nghèo không có các hạt điện tích tự do Khi bức xạ tương tác trong vùng nghèo, tạo ra các cặp điện tử - lỗ trống, điện trường của thế bias ngược sẽ dẫn các điện tử tới một cực và lỗ trống đến cực kia hình thành nên một xung điện, sau đó xung điện lối ra được tích hợp và được khuếch đại trong tiền khuếch đại nhạy điện tích để tạo ra một xung điện áp

Bề dày của vùng nghèo phụ thuộc vào thế bias Thế cao hơn thì vùng nghèo

sẽ dày hơn và hạt giải phóng năng lượng nhiều hơn trước khi ra khỏi vùng làm việc hoặc vùng nghèo Thông thường, điều này không quan trọng đối với việc ghi nhận các hạt alpha, nhưng trở nên quan trọng khi cố ghi các hạt ion nhỏ: beta hoặc các hạt năng lượng rất cao từ các máy gia tốc Do đó, cũng phụ thuộc trực tiếp vào các bias: thế cao hơn thì dòng dò lớn hơn Vì vậy, thế tối ưu là thế tạo ra hiệu quả của việc thu điện tích, bề dày lớn nhất của vùng nghèo, nhưng không làm tăng dòng dò

Nhiễu tiền khuếch đại phụ thuộc mạnh vào điện dung lối vào Đầu dò có thể được xem như các tụ phẳng song song, do đó diện tích lớn hơn của đầu dò lớn hoặc vùng nghèo mỏng hơn thì điện dung đầu dò lớn hơn và gây nên nhiễu nhiều hơn Mặc dù, thiết kế tiền khuếch đại có thể tối ưu cho một điện dung lối vào, giá trị điện dung lối vào nhỏ hơn thì tốt hơn (nhiễu sẽ nhỏ hơn

và cùng một lượng điện tích sẽ gây nên một điện áp lớn hơn nếu điện dung nhỏ hơn) Phải luôn nhớ những điều này, và rõ ràng rằng tiền khuếch đại nên được đặt gần đầu dò như có thể để giảm thiểu điện dung do cáp đồng trục gây

ra Hãng ORTEC khuyến cáo: độ dài của cáp lớn nhất là 50cm đối với tiền khuếch đại và sẽ được sử dụng trong thí nghiệm này

Cảnh báo:

Bất cứ khi nào bạn bơm khí vào hoặc để buồng ion hoá tiếp xúc với không khí, bắt buộc bạn phải tắt thế bias Hầu hết các đầu dò đều nhạy với ánh

sáng, do đó thế bias không bao giờ được cấp cho đầu dò trừ khi hệ thống chân không của bạn là kín sáng

Ngắt điện hoàn toàn mạch bias của đầu dò trước khi kết nối bất kỳ cái gì với

bộ nối lối vào của đầu dò trên tiền khuyếch đại Để ngắt mạch bias của đầu

dò, nên đoản mạch lối vào bias của đầu dò trên tiền khuếch đại để nối đất ít nhất 20s hoặc nếu sử dụng một nguồn cấp có thể biến đổi được,vặn nút điều khiển thế và đưa thế về 0 rồi giữ nguyên trong 20s Không đoản mạch lối vào đầu dò với đất

Cẩn thận khi chạm vào bề mặt đầu dò Một số đầu dò có lớp bao bọc dày hoặc được chế tạo theo cách gọn gàng, dễ làm sạch, nhưng nhiều đầu dò hàng rào mặt sẽ bị hỏng ngay lần chạm đầu tiên vào bề mặt

Nếu phải mở tiền khuếch đại, bạn phải rất cẩn thận để không chạm vào cả hai điện trở cao thế Mồ hôi từ các ngón tay của bạn sẽ làm tăng dòng dò trên bề mặt Nếu đúng phải được lau chùi thì chỉ sử dụng methanol

214 được đặt tại kênh 3500 Ghi phổ sau ít nhất 1000s Am-241 có 5 đỉnh trong phổ Phổ Am-241 dưới dạng đồ thị bán log được chỉ ra trên hình 5.1.2

Bạn thấy được bao nhiêu đỉnh trong phổ của bạn? Xét một vùng quan tâm (Region of Interest-ROI), xác định tổng số sự kiện ghi được trong phổ Ghi lại con số này Dùng đỉnh lớn nhất 5.486 và 5.443 MeV xác định việc chuẩn năng lượng của hệ thống Đây không phải là cách chuẩn tốt vì hai điểm này

có năng lượng gần nhau, việc chuẩn sẽ tốt hơn nếu có nhiều điểm chuẩn trải dài trên khoảng năng lượng quan tâm