ĐIỆN TỬ CHO PHỔ KẾ GAMMA

Lối ra của đầu dò gamma, về cơ bản, cung cấp một lượng điện tích tỷ lệ với lượng năng lượng của tia gamma được đầu dò hấp thụ. Nhiệm vụ của hệ thống điện tử là thu thấp điện tích, xác định định lượng lượng điện tích thu được và lưu trữ thông tin. Trong chương này, tôi sẽ thảo luận về các vấn đề liên quan tới phép đo biên độ xung và sau đó đi tới việc xem xét một cách chi tiết chức năng và chế độ hoạt động của mỗi thành phần của hệ thống. Một vài khái niệm được nhắc tới trong các phần tiếp theo có thể mang tính toán học, tuy nhiên tôi sẽ giải thích chúng một cách đơn giản, không sử dụng các khái niệm toán học. Hệ thống điện tử cơ bản của một hệ phổ kế được đưa ra trong Hình 4.1. Hệ thống đầy đủ hơn có thể có thêm một máy phát xung. Bộ cấp cao thế cung cấp điện trường để quét các cặp electron – lỗ trống ra khỏi đầu dò, các điện tích này sau đó được thu thập bởi tiền khuếch đại. Trong các hệ phổ kế, điện tích sau khi được thu thập sẽ được biến đổi thành xung thế. Khuếch đại tuyến tính thay đổi dạng xung và tăng biên độ xung. Khối phân tích đa kênh (MCA) sắp xếp các xung theo độ cao xung và tích lũy số đếm. Mỗi khối chức năng riêng đều sẽ được giải thích đầy đủ trong các phần tiếp theo.Như ta thấy trong Chương 3, trong các hệ thống điện tử hiện đại, đầu dò và tiền khuếch đại được sản xuất như một đơn vị đơn (tức là tiền khuếch sẽ gắn kèm với tiền khuếch đại), tầng đầu tiên của tiền khuếch đại được gắn bên trong buồng chứa đầu dò. Cách bố trí này có ưu điểm là các thành phần quan trọng của tiền khuếch đại cũng được làm lạnh để làm giảm các đóng góp của nhiễu nhiệt. Theo truyền thống, các thành phần khác của hệ, đôi khi bao gồm cả MCA, được cung cấp theo chuẩn Nuclear Instrumentation Module (NIM) (ngoài ra còn có một số chuẩn môđun khác, như CAMAC, nhưng chúng thường ít được dùng trong các hệ phổ kế gamma). Trong thời gian gần đây, người ta có xu hướng ngừng sử dụng các khung NIM mà thay vào đó là gộp toàn bộ các khối điện tử vào bên trong một “hộp đen”. Mô hình này mặc dù không có tính linh hoạt cao bằng việc sử dụng các môđun đơn lẻ và khung NIM, nhưng lại giúp việc thiết lập và vận hành hệ trở nên đơn giản hơn rất nhiều. Trong thực tế, hệ thống xử lý tín hiệu số được mô tả trong phần 4.11 là một đơn vị độc lập và đa chức năng.Các môđun được thiết kế theo kích thước vật lý tiêu chuẩn, có thể lắp vào các bin của khung NIM và sử dụng nguồn điện của khung NIM thông qua giắc cắm chuẩn ở mặt sau. Chuẩn NIM cũng quy định các thông số xung và logic của tín hiệu khi truyền qua lại giữa các môđun. Bằng cách này, ta có thể sử dụng các môđun điện tử của các hãng khác nhau trên cùng một bin và chúng sẽ hoạt động cùng nhau như một phần của hệ hoàn chỉnh. Tuy nhiên, vẫn có những tình huống xảy ra mà trạng thái lý tưởng của hệ không thể đạt được. Ví dụ như khi tin hiệu đi vào và đi ra khỏi MCA, do sự khác nhau giữa các MCA khác nhau (tín hiệu của MCA tuy có cùng chuẩn về kích cỡ và phân cực, nhưng có thể có các mối quan hệ thời gian khác nhau với các xung khác trong hệ thống. Ưu điểm chính của hệ thống môđun là người sử dụng có thể dễ dàng thay đổi cấu hình của hệ đo bằng cách thêm, bớt, ghép nối các môđun. Ngoài ra trong trường hợp hỏng hóc, người dùng chỉ phải thay thế một hoặc một vài môđun bị lỗi mà không cần thay thế toàn bộ hệ thống (tuy nhiên, các phòng thí nghiệm nhiều người dùng với nhiều hệ phổ kế, sự linh hoạt khi thay đổi các môđun điện tử đôi khi lại là một nhược điểm, do các khối điện tử được tháo lắp thường xuyên, mượn từ hệ này để dùng cho hệ khác, … dẫn tới thiết bị nhanh bị hỏng và làm giảm tính ổn định).Hiện nay, một may tính cá nhân (PC) có thể được sử dụng để điều khiển sự thu thập số liệu, lưu số liệu và xử lý số liệu thành các thông tin hữu ích. Các hệ thống đầu dò gamma di động ghép nối với máy tính xách tay hoặc máy tính bảng cũng trở nên phổ biến.

CHƯƠNG 4 – ĐIỆN TỬ CHO PHỔ KẾ GAMMA

4.1 HỆ THỐNG ĐIỆN TỬ CHUNG

4.1.1 Giới thiệu

Lối ra của đầu dò gamma, về cơ bản, cung cấp một lượng điện tích tỷ lệ với lượngnăng lượng của tia gamma được đầu dò hấp thụ Nhiệm vụ của hệ thống điện tử là thuthấp điện tích, xác định định lượng lượng điện tích thu được và lưu trữ thông tin.Trong chương này, tôi sẽ thảo luận về các vấn đề liên quan tới phép đo biên độ xung

và sau đó đi tới việc xem xét một cách chi tiết chức năng và chế độ hoạt động của mỗithành phần của hệ thống Một vài khái niệm được nhắc tới trong các phần tiếp theo cóthể mang tính toán học, tuy nhiên tôi sẽ giải thích chúng một cách đơn giản, không sửdụng các khái niệm toán học

Hệ thống điện tử cơ bản của một hệ phổ kế được đưa ra trong Hình 4.1 Hệ thống đầy

đủ hơn có thể có thêm một máy phát xung Bộ cấp cao thế cung cấp điện trường để

quét các cặp electron – lỗ trống ra khỏi đầu dò, các điện tích này sau đó được thu thậpbởi tiền khuếch đại Trong các hệ phổ kế, điện tích sau khi được thu thập sẽ được biếnđổi thành xung thế Khuếch đại tuyến tính thay đổi dạng xung và tăng biên độ xung

Khối phân tích đa kênh (MCA) sắp xếp các xung theo độ cao xung và tích lũy số

đếm Mỗi khối chức năng riêng đều sẽ được giải thích đầy đủ trong các phần tiếp theo.Như ta thấy trong Chương 3, trong các hệ thống điện tử hiện đại, đầu dò và tiềnkhuếch đại được sản xuất như một đơn vị đơn (tức là tiền khuếch sẽ gắn kèm với tiềnkhuếch đại), tầng đầu tiên của tiền khuếch đại được gắn bên trong buồng chứa đầu dò.Cách bố trí này có ưu điểm là các thành phần quan trọng của tiền khuếch đại cũngđược làm lạnh để làm giảm các đóng góp của nhiễu nhiệt Theo truyền thống, các

thành phần khác của hệ, đôi khi bao gồm cả MCA, được cung cấp theo chuẩn Nuclear Instrumentation Module (NIM) (ngoài ra còn có một số chuẩn mô-đun khác, như

CAMAC, nhưng chúng thường ít được dùng trong các hệ phổ kế gamma) Trong thờigian gần đây, người ta có xu hướng ngừng sử dụng các khung NIM mà thay vào đó làgộp toàn bộ các khối điện tử vào bên trong một “hộp đen” Mô hình này mặc dù không

có tính linh hoạt cao bằng việc sử dụng các mô-đun đơn lẻ và khung NIM, nhưng lại

giúp việc thiết lập và vận hành hệ trở nên đơn giản hơn rất nhiều Trong thực tế, hệthống xử lý tín hiệu số được mô tả trong phần 4.11 là một đơn vị độc lập và đa chứcnăng.

Các mô-đun được thiết kế theo kích thước vật lý tiêu chuẩn, có thể lắp vào các bin củakhung NIM và sử dụng nguồn điện của khung NIM thông qua giắc cắm chuẩn ở mặtsau Chuẩn NIM cũng quy định các thông số xung và lo-gic của tín hiệu khi truyềnqua lại giữa các mô-đun Bằng cách này, ta có thể sử dụng các mô-đun điện tử của cáchãng khác nhau trên cùng một bin và chúng sẽ hoạt động cùng nhau như một phần của

hệ hoàn chỉnh Tuy nhiên, vẫn có những tình huống xảy ra mà trạng thái lý tưởng của

hệ không thể đạt được Ví dụ như khi tin hiệu đi vào và đi ra khỏi MCA, do sự khácnhau giữa các MCA khác nhau (tín hiệu của MCA tuy có cùng chuẩn về kích cỡ vàphân cực, nhưng có thể có các mối quan hệ thời gian khác nhau với các xung kháctrong hệ thống Ưu điểm chính của hệ thống mô-đun là người sử dụng có thể dễ dàngthay đổi cấu hình của hệ đo bằng cách thêm, bớt, ghép nối các mô-đun Ngoài ra trongtrường hợp hỏng hóc, người dùng chỉ phải thay thế một hoặc một vài mô-đun bị lỗi

mà không cần thay thế toàn bộ hệ thống (tuy nhiên, các phòng thí nghiệm nhiều ngườidùng với nhiều hệ phổ kế, sự linh hoạt khi thay đổi các mô-đun điện tử đôi khi lại làmột nhược điểm, do các khối điện tử được tháo lắp thường xuyên, mượn từ hệ này đểdùng cho hệ khác, … dẫn tới thiết bị nhanh bị hỏng và làm giảm tính ổn định)

Hiện nay, một may tính cá nhân (PC) có thể được sử dụng để điều khiển sự thu thập sốliệu, lưu số liệu và xử lý số liệu thành các thông tin hữu ích Các hệ thống đầu dògamma di động ghép nối với máy tính xách tay hoặc máy tính bảng cũng trở nên phổbiến

4.1.2 Nhiễu điện tử và tác động của nó lên độ phân giải của phổ

Nhiệm vụ của hệ thống điện tử là truyền tín hiệu từ đầu dò đến MCA với ít thay đổinhất có thể Cuối cùng, thông tin mang bởi các xung chính là lượng năng lượnggamma bị hấp thụ, sẽ được thu thập lại và tạo thành phổ gamma Chung ta muốn cácdỉnh trong phổ của chúng ta phải càng hẹp càng tốt Tôi đã giải thích trong Chương 1rằng độ tòe năng lượng tự nhiên của một chuyển dời gamma, hay nói cách là bất địnhnăng lượng của một tia gamma sẽ dựa trên thời gian sống của mức năng lượng mà từ

đó tia gamma được phát ra Bất định năng lượng này là rất nhỏ, nhỏ hơn nhiều so với 1

eV Độ rộng của đỉnh gamma mà ta thấy trong phổ gamma có nguồn gốc từ nhiềunguồn “nhiễu” hoặc bất định khác nhau trong quá trình tạo, thu thập, truyền, đo điệntích được sinh ra từ một sự kiện gamma đi vào đầu dò Mỗi thành phần bất định haynhiễu kể trên đều sẽ làm tăng độ rộng của đỉnh gamma trong phổ

Hình 4.1 Hệ thống điện tử đơn giản của phổ kế gamma

Trong Chương 6, tôi sẽ trình bày về việc làm thế nào để độ rộng toàn phần của đỉnh, ,được phân chia thành một số thành phần theo cách sau:

(4.1)Thành phần đại diện cho đóng góp của nhiễu điện tử Đối với nhiễu điện tử, chúng ta

có một vài kiểm soát nhất định Đây chính là vấn đề chính mà chúng ta sẽ cùng xemxét trong chương này Độ bất định do sự thu thập điện tích, sẽ được xem xét sau Vàthành phần cuối cùng, , độ bất định do sự tạo thành điện tích, sẽ được trình bày trongChương 6

Nhiễu được tạo ra theo nhiều cách từ một mạch điện tử Ngay các các thành phần bịđộng thông thường như điện trở cũng là một nguồn nhiễu lớn Xét một hệ đầudò/khuếch đại hoạt động khi không có tín hiệu bức xạ từ bên ngoài (nguồn hoặc phông

) Ở lối ra của khuếch đại, ta sẽ thấy một sự thay đổi ngẫu nhiên của mức điện thế docác nguồn nhiễu gây ra Hiện nay, mọi tín hiệu thực đi ra từ đầu dò và được đo(thường là đo điện thế) đều phải bị ảnh hưởng bởi nhiễu, hay nói cách khác là tín hiệu

ta đo được bao gồm hai thành phần không thể tách rời, thành phần tín hiệu thực vàthành phần nhiễu Tín hiệu thực so với mức nhiễu càng nhỏ, thì ảnh hưởng của nhiễulên kết quả đo cuối cùng càng rõ nét

Hình 4.2 (a) chiều cao

xung đo được với đường

cơ bản không biến thiên

(b) các giá trị độ cao

xung đo được khi có sự

xuất hiện của nhiễu điện

tử

Hình 4.2 minh họa hiệu ứng của nhiễu điện tử trong một quá trình đo Hình 4.2(a) chỉ

ra tình huống lý tưởng mà ở đó nhiễu điện tử không tồn tại, độ cao xung có thể xácđịnh bằng cách xác định tương quan đỉnh xung với đường cơ bản (nằm ở giá trị khôngđổi) Độ bất định duy nhất của độ cao xung này đến từ cách tiến hành đo độ cao xung.Hình 4.2(b) cũng là xung giống xung trong hình 4.1(a) nhưng nằm trên một nền phôngnhiễu Trong trường hợp đó độ cao xung sẽ được đo bằng cách so sánh đỉnh xung với

độ cao nhiễu, mà độ cao này không phải là một hằng số mà biến thiên liên tục, do đótạo ra một sự bất định trong kết quả đo, đóng góp vào độ rộng đỉnh trong phổ Do đó,

chúng ta luôn cố gắng giữ tỷ số đỉnh/nhiễu tốt khi truyền tín hiệu từ đầu dò tới MCA.

Điều này cũng chính là vấn đề mà chúng ta sẽ cùng xem xét trong toàn bộ Chương 4.Cần chú ý rằng nhiễu không làm thay đổi kích thước của tín hiệu, chỉ có độ chính xáccủa phép đo kích thước xung là bị ảnh hưởng bởi nhiễu

4.1.3 Các dạng xung trong các hệ phổ kế gamma

Trước khi xem xét các phần của hệ thống một cách chi tiết, ta sẽ cùng nhau phân tíchcác xung được truyền bên trong hệ thống Hình 4.3 đưa ra các dạng xung của ba thànhphần cơ bản bên trong hệ phổ kế:

Hình 4.3 Các dạng xung thường gặp trong các hệ phổ kế gamma

• Xung tuyến tính chứa thông tin trong kích thước của nó, tức là độ cao xunghoặc diện tích xung Các xung lối ra từ tiền khuếch đại và khuếch đại thuộc loạinày Độ tuyến tính các các xung tuyến tính là rất quan trọng và phần lớn chi phídùng cho một hệ phổ kế đến từ việc đảm bảo độ tuyến tính này Ví dụ, nếu ta

muốn đo một năng lượng khoảng 2000 keV với độ chính xác 0.2 keV hoặc tốt

hơn, chúng ta phải đảm bảo rằng hệ số khuếch đại của hệ thống sẽ không bị

lệch quá 0.01% trên toàn bộ thời gian đo (thông số độ tuyến tính tích phân của

các khối khuếch đại trong các phổ kế thông thường là tốt hơn 0.025%)

• Các xung lô-gic là các xung dùng để điều khiển quá trình bắt đầu – kết thúc

(start – stop), hoặc để thông báo sự xuất hiện của một xung được chấp nhận,

hoặc khởi động lại một mạch; thông tin bên trong sự xuất hiện hoặc vắng mặt

của một xung, xung bản thân nó có chiều cao và độ rộng tiêu chuẩn cố định Có

hai tiêu chuẩn cho xung lô-gic, dương chậm và âm nhanh, được sử dụng trong

các kiểu hệ khác nhau (“chậm” và “nhanh” ở đây được xét dựa trên mặt tăng

xung) Trong các phổ kết gamma thông thường, xung lô-gic thường là xung

dương chậm, tương thích trở kháng 93

• Xung mở cổng là xung có dạng giống xung lô-gic với độ cao xung cố định,

nhưng độ rộng xung có thể thay đổi được Điều này giúp cho cho xung có thể

điều khiển việc giữ mở hoặc giữ đóng của một cổng điện tử trong một khoảng

thời gian xác định Các tín hiệu loại này có thể được sử dụng để thông báo

khoảng thời gian mà một mô-đun điện tử đang bận (đang trong quá trình xử lý

tín hiệu, không tiếp nhận được tín hiệu khác)

4.1.4 Trở kháng – lối vào và lối ra

Khi lắp đặt một hệ phổ kế, ta sẽ thường xuyên gặp khái niệm trở kháng Ví dụ, lối ra

của khối khuếch đại có thể được chỉ rõ là trở kháng 93 và ta cần phải lưu ý ở bước này.Trở kháng của một mạch hoặc một thành phần thường được ký hiệu là , là tổ hợp củađiện trở, dung kháng và cảm kháng Đơn vị của trở kháng là ohm () và, với đa phầncác hệ phổ kế gamma thông dụng, trở kháng được coi như là một điện trở

Trong một vài trường hợp, ta cần tính tới giá trị trở kháng của nhiều phần khác nhaubên trong hệ thống Hình 4.4(a) đưa ra giản đồ của một mạch lối vào Thế nguồn, ,được truyền sang trở kháng lối ra, hoặc trở kháng nguồn , để nạp vào một mạch khác

có trở kháng Nếu bị giảm xuống trong quá trình truyền từ lối ra tới lối vào, thì tỷ sốtín hiệu/nhiễu sẽ bị suy giảm Thành phần nhiễu lớn hơn trong tín hiệu sẽ làm tồi độphân giải của phổ gamma Thế nạp, , có thể được tính như sau:

sẽ là cần thiết

Hình 4.4(b) là giản đồ mạch lối vào Thế nguồn được cung cấp cho lối vào với trởkháng, trở kháng này được nối song song với nguồn Trong trường hợp này, do trởkháng của phần chính của mạch thường cao, nếu nhỏ khi so với trở kháng phần chínhcủa mạch, thì khi đó một lần nữa tín hiệu sẽ “bị nạp” Dòng đáng kể sẽ chảy qua trởkháng lối vào và sẽ nhỏ hơn nhiều so với , dẫn tới tỷ số tín hiệu trên nhiễu tồi đi Nhưvậy, các trở kháng lối vào cần phải lớn Các giá trị thường thấy trong các khối khuếchđại là lớn hơn 1000 , (Trở kháng lối vào của dao động ký thường cao hơn, tới cỡ , cũng

vì lý do này)

4.1.5 Trở kháng của dây dẫn

Các xung được truyền giữa các mô-đun trong hệ phổ kế gamma thông qua các cápđồng trục Cáp dẫn tín hiệu này cũng có trở kháng (điện trở và dung kháng) Các cápđược đặc trưng bởi trở kháng đặc trưng của nó là một tham số lý thuyết được địnhnghĩa bởi tỷ số giữa thế với dòng khi thế được đặt vào một cáp dài vô cùng

Cáp nối, thường được nhìn nhận là thành phần ít gây ra lỗi cho hệ thống nhất, lại làmột trong các nguồn tiền ẩn có khả năng gây biến dạng và suy giảm tín hiệu Tác độngcủa cáp đến xung truyền qua sẽ biến đổi theo dạng của xung, và đặc biệt là theo thờigian tăng xung (thời gian tăng xung được định nghĩa là khoảng thời gian từ lúc độ caoxung tăng từ 10% đến 90% độ cao xung cực đại; xem Hình 4.7) Xung có mặt tăngngắn so với thời gian xung được truyền qua cáp được gọi là xung “nhanh” Nếu thờigian tăng xung lớn hơn nhiều so với thời gian xung truyền trong cáp, thì xung đượcgọi là xung “chậm” Tốc độ truyền của xung phụ thuộc vào loại vật liệu dùng để chếtạo cáp, tức là hằng số điện môi của chất cách điện giữa lõi và vỏ Trong các cáp đồngtrục thường được sử dụng trong các hệ phổ kế gamma, RG62, xung sẽ truyền qua vớitốc độ khoảng 4 nano giây mỗi mét Từ thông tin trên, ta sẽ đưa ra quy tắc sau:

(4.3)

Lý do ta cần xem xét một xung là chậm hay nhanh là do khi xung nhanh truyền trongcáp sẽ sinh ra hiện tượng phản xạ sóng Xét một xung dương nhảy bậc truyền qua mộtcáp dài tới một lối vào có trở kháng Hình 4.5 minh hoạt cho tình huống này

Hình 4.5 Sự phản xạ của

các xung truyền qua cáp

dài (các xung nhanh)

Khi xung đi tới đầu dây, một phần sẽ bị phản xạ ngược trở lại trên cáp với bậc tùythuộc vào mối quan hệ giữa trở kháng cuối và trở kháng đặc trưng của cáp Khi trởkháng cuối bằng vô cùng (nghĩa là cáp được nối vào một mạch mở) xung sẽ bị phản xạlại hoàn toàn Mặt khác, nếu cáp được nối với một mạch ngắn ( rất nhỏ) xung sẽ bịphản xạ lại nhưng ngược pha, tức là, xung âm Trong các tình huống khác, xung sẽ bịphản xạ nhưng bị suy giảm với bậc, và độ phân cực, phụ thuộc vào việc lớn hơn haynhỏ hơn với lượng nhiều hay ít Xung phản xạ ngược trở lại sẽ ảnh hưởng đến các

xung truyền qua cáp và gây ra các hiệu ứng không mong muốn trên phổ gamma Khihiệu ứng này xảy ra, độ phân giải gamma chắc chắn sẽ bị ảnh hưởng, và thậm chí đỉnhcòn có thể bị nhân đôi trong phổ

Điều kiện duy nhất để sự phản xạ không xảy ra và xung bị hấp thụ hoàn toàn là khi trởkháng cuối bằng với trở kháng đặc trưng của dây (tức là ) Trong thực tế, xung truyền

từ cáp vào lối vào mà không thông qua giao diện Việc ghép nối lối vào chính xác sẽtương đương với việc tín hiệu truyền qua cáp dài vô cùng Các dây cáp thường dùngtrong các hệ phổ kế gamma có trở kháng đặc trưng bằng 93 (thường là cáp RG62) vàcác khuếch đại thường có các lối ra có thể tùy chọn, hoặc đôi khi là cả các lối vào cũng

có thể tùy chọn để tương thích trở kháng Hiển nhiên, tín hiệu sẽ đạt chất lượng caonhất nếu cáp có đặc trưng trở kháng được ghép nối với lối vào có trở kháng 93 Trongthực tế, cáp 93 không phải là chuẩn duy nhất Một số nhà sản xuất đưa ra các thiết bịvới trở kháng lối vào 50 hoặc 75 để tương thích với các loại cáp tương ứng

4.1.6 Phối hợp trở kháng

Trong trường hợp lối vào của các khối điện tử trong hệ không tương thích với trởkháng của dây cáp, ta phải giải quyết vấn đề này bằng cách bổ sung một kết nối chữ T.Một đầu của kết nối chữ T sẽ được gắn với một điện trở thích hợp để phối hợp trởkháng với dây Việc ghép nối như trên sẽ tương đương với ghép nội một điện trở songsong với dây cáp lối vào Nếu tín hiệu sau khi ghép nối vẫn chưa tốt, thì khi đó ta cầnthay đổi điện trở lối vào của khối điện tử Một bộ phận chuyển mạch bên trong khốiđiện tử sẽ giúp người dùng thay đổi điện trở lối vào của khối

Việc ghép nối thông qua cáp nối chữ T cũng có một vài nhược điểm Như chúng ta đãthấy, nếu xung không được nạp vào lối vào, thì trở kháng lối vào cần phải lớn Lối vàoghép nối với cáp không thỏa mãn điều kiện này thì tín hiệu sẽ bị suy giảm khoảng hailần và kéo theo đó là sự tồi đi của tỷ số tín hiệu trên nhiễu Tuy nhiên, nếu tiến hànhphối hợp trở kháng bằng kết nối chữ T thì độ phân giải của hệ cũng bị tồi đi Như vậy,trừ trường hợp không có giải pháp nào thay thế, ta nên hạn chế việc ghép nối các khốiđiện tử của hệ thông qua đầu nối chữ T

Nếu ta xét một xung tiền khuếch đại với thời gian tăng xung 200 ns và xung đượctruyền trong một cáp dài 2 m, thì xung sẽ được gọi là xung chậm (2 m x 4/200 ns nhỏhơn nhiều so với 1) Nếu cáp dài 200 m, xung sẽ là xung nhanh và khi đó việc phốihợp trở kháng cần phải được chú ý Các xung lối ra khuếch đại có thời gian tăng xungdài hơn một vài micro giây và do vậy không gặp vấn đề nghiêm trọng ngay cả khitruyền qua cáp dài một vài trăm mét Có thế nói rằng, việc phối hợp trở kháng là mộtmôn nghệ thuật nhiều hơn là một môn khoa học, vì trong thực nghiệm, đôi khi một sốxung được dự đoán là xung chậm theo lý thuyết, lại hành xử như các xung nhanh Dovậy đôi khi bên cạnh tính toán lý thuyết, kinh nghiệm cũng rất quan trọng khi tiếnhành phối hợp trở kháng Nếu độ phân giải tốt không thể đạt được, và phần còn lại của

hệ thống đã được thiết lập chính xác, thì ta cần phải kiểm tra đến sự phối hợp trởkháng của các dây Các vấn đề khác gây ra bởi cáp nối sẽ được thảo luận trongChương 12, phần 12.4

4.2 NGUỒN CẤP CAO THẾ CHO ĐẦU DÒ

Bộ cấp cao thế cho đầu dò bán dẫn trong các hệ phổ kế gamma là khối điện tử ít quantrọng nhất Bộ cấp cao thế thường có khả năng cung cấp cao áp đến 5000 V, và thôngthường các đầu dò bán dẫn Ge được sử dụng với cao thế khoảng 3000 V Khi cao thế

áp vào đầu dò cao hơn giá trị cao thế ngưỡng (deleption voltage), sự thu thập điện tíchbên trong đầu dò không còn phụ thuộc nhiều vào sự thay đổi của cao thế, và do đó đốivới các đầu dò bán dẫn Ge, tính ổn định của bộ cấp cao thế không phải là một yếu tốquan trọng (trong các chương tiếp theo, ta sẽ được biết rằng thông số kỹ thuật của bộcấp cao thế của hệ phổ kế dùng đầu dò nhấp nháy sẽ được yêu cầu cao hơn) Trong quátrình sử dụng, cao thế đặt vào đầu dò cần được thay đổi một cách từ từ, do vậy, các bộcấp cao thế thường điều khiển sự thay đổi cao thế bằng núm vặn nhiều tầng Mặt trước

bộ cấp cao thế sẽ có nút gạt bật/tắt (on/off) và đèn báo phân cực Sự phân cực của caothế thường được điều khiển bởi nút gạt bên trong, do vậy để tiến hành điều chỉnh phâncực người dùng phải tiến hành mở khối cao thế Đèn báo cho phép người dùng kiểmtra phân cực của cao thế trước khi tiến hành bật cao thế

Mặc dù các khối điện tử hiện đại đều có tính năng tự bảo vệ khỏi sự thăng giáng độtngột của cao áp Tuy nhiên, người dùng vẫn nên thay đổi cao thế từ từ khi sử dụng Để

đảm bảo an toàn cho hệ phổ kế, người dùng cần phải tuân thủ một số quy tắc sau trướckhởi động hệ thống Trước hết cần phải chắc chắn rằng công tắc bật/tắt của khối caothế đang được đặt ở chế độ tắt, đảm bảo bảo rằng tất cả các núm vặn điều khiển caothế đều đã được vặn về 0 V Sau đó tiến hành bật công tắc tổng của hệ (công tắc nguồncủa khung NIM) Kiểm tra đèn báo phân cực của khối cao áp, để bảo đảm phân cựccủa cao thế tương thích với loại đầu dò đang sử dụng Sau đó chuyển công tắc bật/tắtcủa khối cao áp sang chế độ bật, và từ từ quay núm vặn để nâng cao thế

Trước đây, khi chỉ mới có các đầu dò dùng công nghệ trôi dạt Li, các đầu dò phải luônluôn được làm lạnh (không bao giờ được để đầu dò bị ấm đến nhiệt độ phòng) Ngàynay, các đầu dò độ tinh khiết cao có thể được lưu giữ ở nhiệt độ phòng, đặc biệt là các

hệ thống di động với bình chứa nitơ lỏng dung tích nhỏ Không may là nếu cao thếđược đưa vào đầu dò khi đầu dò chưa được làm lạnh, dòng lớn bên trong đầu dò sẽlàm đi qua tiền khuếch đại và làm hỏng tiền khuếch đại Tất các mô-đun cấp cao áphiện đại đều được trang bị tính năng tự động xuống cao thế khi nhiệt độ của đầu dòkhông đủ lạnh (điều này được thực hiện nhờ sự kết nối của mạch xuống cao thế vớimột cảm biến nhiệt độ đặt gần tinh thể đầu dò) Tôi không khuyến khích việc sử dụngphổ kế gamma HPGe mà không có mạch tự động xuống cao thế Trong một số trườnghợp, một mạch khóa cao thế có thể được gắn bên trong cryostat và không cho phép lêncao thế khi đầu dò chưa đủ lạnh Mạch chống lên cao thế của các khối cao áp sẽ khôngcho phép lên cao thế cho tới khi đầu dò đã đủ lạnh, dòng dò đủ nhỏ, và nút reset trênkhối cao áp được bấm bởi người dùng

Cao thế từ nguồn cấp cao thế được truyền dây cáp nối vào tiền khuếch đại vào sau đó

đi vào đầu dò Loại cáp 93 RG62 ở phía trên không được sử dụng để truyền cao thế.Thay vào đó, cáp RG59, được thiết kế để hoạt động với cao thế cao, là loại cáp thườngđược sử dụng để kết nối nguồn cấp cao thế với tiền khuếch đại Các đầu nối của lốivào và lối ra cao thế cũng khác so với đầu nối BNC chuẩn Các hệ thống hiện đại sửdụng đầu nối SHV để truyền cao thế Các mô-đun cũ hơn sử dụng các loại đầu nốikhác, chẳng hạn như MHV Do có sự tương đồng trong thiết kết giắc cắm, cáp BNC cóthể được ghép nối với ổ cắm MHV Để đảm bảo anh toàn và tránh nhầm lẫn, tôikhuyên độc giả nên thay các đầu nối MHV trong các thiết bị cũ thành các đầu nối SHV

4.3 TIỀN KHUẾCH ĐẠI

Điện tích được tạo ra bên trong đầu dò do các tương tác của bức xạ gamma được thuthập bởi tiền khuếch đại Nhiệm vụ chính của tiền khuếch đại không phải là khuếch đạixung, mà là để ghép nối giữa đầu dò với khối khuếch đại và thu thập điện tích tạo rabởi sự hấp thụ năng lượng tia gamma đi vào đầu dò Tiền khuếch đại cung cấp trởkháng nạp vào lớn cho đầu dò và nguồn trở kháng nhỏ cho tiền khuếch đại Các tiềnkhuếch đại, thông thường thường có nhiều chế độ hoạt động khác nhau: chế độ nhạydòng, chế độ nhạy thế và chế độ nhạy điện tích Chỉ có loại tiền khuếch đại nhạy điệntích là được sử dụng trong các phổ kế gamma năng lượng cao dùng đầu dò bán dẫn Vì

nó có ưu điểm về giảm nhiễu và hệ số khuếch đại không phụ thuộc vào dung khángcủa đầu dò

4.3.1 Các tiền khuếch đại phản hồi trở

Sơ đồ mạch đơn giản của tiền khuếch đại nhạy điện tích truyền thống được đưa ratrong Hình 4.6 Điện tích từ đầu dò được thu thập bằng cách tích vào tụ trong mộtkhoảng thời gian, tương đương với việc tích phân xung điện tích của đầu dò Do điệntích đã được thu thập, điện thế trên tụ (và cuối cùng là điện thế lối ra tiền khuếch đại)tăng lên, tạo ra sự thay đổi nhảy bậc của điện áp Tùy thuộc vào lượng điện tích thuthập được, điện áp trên tụ sẽ tăng đến một mức nào đó Để giải phóng điện áp ra khỏi

tụ và chuẩn bị để đón nhận điện tích của các xung tiếp theo từ đầu dò, ta sử dụng một

điện trở nối song song với tụ để xả điện tích Điện trở này được gọi là điện trở phản hồi Tiền khuếch đại loại này được gọi là tiền khuếch đại phản hồi trở

Hình 4.6 Sơ đồ mạch của tiền

khuếch đại phản hồi trở

Dạng xung lối ra được đặc trưng bởi thời gian tăng trưởng nhanh, 100 đến 700 ns,được xác định bởi đặc trưng thu thập điện tích của đầu dò, và thời gian phân rã dài(một vài chục micro giây) được xác định bởi hằng số thời gian của mạch phản hồi, Dạng của xung lối ra được đưa ra trong Hình 4.7

Như tôi đã giải thích chi tiết trong Chương 3, Phần 3.6.2, dạng xung chi tiết của mặttăng xung sẽ phụ thuộc vào vị trí xảy ra tương tác bên trong đầu dò Thời gian thu thậpđiện tích toàn phần sẽ phụ thuộc vào kích thước đầu dò, 300-400 ns với các đầu dòthông thường (hiệu suất ghi tương đối khoảng 50%) Thông tin chứa trong xung củatiền khuếch đại nằm ở mặt tăng xung của nó Một cách lý tưởng, chiều cao xung tỷ lệvới năng lượng gamma bị đầu dò hấp thụ

Tiền khuếch đại phản hồi trở có hai giới hạn chính:

• Đuôi xung kéo dài do thời gian phân rã lớn sẽ khiến cho tiền khuếch đại phảnhồi trở dễ bị chồng chập xung như trong Hình 4.8 Điều này là không thể tránhkhỏi Tuy nhiên ảnh hưởng của nó tới kết quả đo cũng không quá nghiêm trọng.Trong các phần sau chúng ta sẽ thấy rằng, khối khuếch đại có khả năng táchthông tin độ cao xung từ sườn tăng của mỗi xung Vấn đề nghiêm trọng hơn làkhi sử dụng tiền khuếch đại phản hổi trở trong các hệ đếm tốc độ cao, mức điệnthế DC trung bình ở lối vào sẽ tăng cao dẫn tới việc độ tuyến tính giữa độ caoxung và điện tích thu thập được không được bảo đảm (tồi đi), nói cách khác là

đã làm tồi dải động của tiền khuếch đại Sau cùng, ở tốc độ đếm cao hơn nữa,

mức điện thế DC sẽ tăng tới gần mức điện thế của nguồn cấp cho tiền khuếchđại (24 V), ở mức này các bóng bán dẫn bên trong tiền khuếch đại sẽ ngừnghoạt động; Chúng sẽ bị “quá tải” và không thể xử lý được xung Điều kiện nàyxảy ra khi tích của dòng đầu dò và điện trở phản hồi vượt quá dải động Cáctiền khuếch đại trong các phổ kế hiện đại thường được trang bị đèn LED cảnhbáo tốc độ đếm cao (Hình 4.9) Đèn báo sẽ nháy khi tốc độ đếm lối vào lớn hơn75% tốc độ cực đại Đèn cảnh báo tốc độ đếm là một ý tưởng tuyệt vời, tuynhiên trong thực tế, đặt trong cấu hình thí nghiệm xác định với hệ che chắn đikèm, đèn này thường bị mất tác dụng, do người dùng hầu như không thể nhìnthấy đèn báo hiệu do vướng các khối che chắn.

Hình 4.7 Dạng của xung lối

ra của tiền khuếch đại phản

hồi trở: (a) định nghĩa mặt

tăng xung và thời gian giảm

xung; (b) dạng mặt tăng xung

của đầu dò hiệu suất ghi tương

đối 45%

có thể xử lý được phụ thuộc vào biên độ trung bình của các xung Cụ thể hơn, tiềnkhuếch đại có thể bị bão hòa nếu số lượng xung đi vào ít, nhưng biên độ các xung lạicao Và ngược lại, tiền khuếch đại có thể không bị bão hòa ngay cả khi số lượng xung

đi vào lớn, do biên độ của các xung nhỏ Hiệu năng tốc độ đếm của tiền khuếch đại

được thể hiện qua giá trị Tốc độ biến đổi năng lượng – MeV s-1 Thông thường tốc độbiến đổi năng lượng của hệ thường lớn hơn MeV s-1 (ví dụ, tiền khuếch đại Canberra

2002 có thể xử lý xung phát ra từ nguồn 60Co Khi tiến hành đánh giá tốc độ xử lýxung của tiền khuếch đại, ta cần phải lưu ý đến hai vấn đề Thứ nhất, năng lượng trungbình bị hấp thụ bởi đầu dò sẽ nhỏ hơn năng lượng của tia gamma đi vào đầu dò, dokhông phải tia gamma nào đi vào tinh thể đầu dò cũng bị tiêu hao toàn bộ năng lượng(Xem Chương 2) Năng lượng trung bình phụ thuộc vào “dạng” phổ, nhưng thường sẽnhỏ hơn một phần ba năng lượng của gamma có năng lượng cao nhất và xuất hiệnnhiều nhất trong phổ Thứ hai, đó là tiền khuếch đại có khả năng xử lý xung tốc độ cao

là không đủ để đảm bảo cho toàn hệ thống có thể xử lý xung tốc độ cao Các giới hạntrong hệ đếm tốc độ cao sẽ được trình bày cụ thể trong Chương 14

Hình 4.9 Sơ đồ khối của tiền khuếch đại phản hồi trở Canberra 2002 kèm ghi chú

chi tiết về các chức năng của các giắc cắm và các đèn báo

• Giới hạn thứ hai của tiền khuếch đại phản hồi trở là điện trở phản hồi có nhiễunội (thường được gọi là nhiễu Johnson) và điều này có thể gây ra vấn đềnghiêm trọng với các xung có biên độ nhỏ Để giảm nhỏ nguồn nhiễu này, giátrị cần phải lớn Điều này sẽ khiến cho thời gian phân rã của xung lối ra lớn, dovậy xung sẽ bị kéo dài, và tăng xác xuất bị chồng chập Về nguyên lý, ta có thểgiảm hằng số thời gian bằng cách giảm điện dung của tụ tuy nhiên việc này sẽảnh hưởng xấu đến độ tuyến tính của tiền khuếch đại Chương 14, Phần 14.3.2,

sẽ trình bày về các yếu tố để lựa chọn giá trị , nhằm cân bằng giữa tốc độ xử lýxung và độ phân giải năng lượng

4.3.2 Tiền khuếch đại reset (xóa)

Một giải pháp cho cả hai vấn đề nói trên là thiết kế tiền khuếch đại không sử dụngtrở phản hồi Như ta đã biết, thông tin mang bởi xung là độ cao của các bước nhảybậc của điện thế và nhiệm vụ của trở phản hồi là đưa mức điện thế DC ở lối vào vềmức cơ bản để tiếp tục đón xung tiếp theo Nếu ta không sử dụng phản hồi mà chophép mà ghi chồng xung sau lên xung trước thì mức DC sẽ có dạng nhảy bậc Như

ta thấy trong hình 4.10, độ cao của các xung sẽ được thu trở lại ở tầng sau nhờ vào

bộ lọc của khuếch đại Hiển nhiên, sau một số sự kiện nhảy bậc nào đó (tùy vàobiên độ xung trung bình của các sự kiện), mức điện thế sẽ tiến tới giới hạn của độtuyến tính và ở điểm này, mức DC cần phải được đưa về 0 thật nhanh (tức là xóa(reset)) sau đó quá trình tích phân bậc thang có thể được tiếp tục Đó chính lànguyên lý cơ bản của tiền khuếch đại xóa tự động Ở mức giới hạn điện thế đãđược xác định trước, xung đang được lấy tích phân sẽ được cho phép tiếp tục quátrình đến toàn bộ chiều cao xung, và sau đó quá trình xóa sẽ được thực hiện để khôiphục mức lối ra về 0 Hiệu ứng sụt điện thế tạo ra bởi bước xóa có thể gây ra mộtvài hiệu ứng không mong muốn bên trong khuếch đại Tiền khuếch đại cần phảicung cấp một tín hiệu cổng (gating) để thông báo cho phần còn lại của hệ điện tửrằng mọi xung lối của khuếch đại trong thời gian xóa, là xung không có giá trị Cóhai cách để thực hiện quá trình xóa:

Hình 4.10 Dạng xung bên trong hệ tiền

khuếch đại dùng phương pháp xóa: (a)

lối ra của tiền khuếch đại; (b) lối ra của

khuếch đại tuyến tính; (c) tín hiệu báo

cấm từ tiền khuếch đại đến khuếch đại

• Trong các hệ phổ kế tia X năng lượng thấp, quá trình xóa sẽ phần lớn được thựchiện bởi công cụ quang học, trong đó một đèn LED sẽ phát ra xung ánh sáng đểđiều khiển quá trình xóa

• Với các năng lượng cao hơn ở tốc độ đếm cao hơn, mạch xóa bằng transitorđược sử dụng Tiền khuếch đại sử dụng mạch này trong các hệ phổ kế gamma

được gọi là Tiền khuếch đại xóa bằng transitor hoặc TRP.

Ưu điểm chính của loại tiền khuếch đại TRP là nó không bị thể bị bão hòa ngay cả khitốc độ đếm tăng lên rất cao Tuy nhiên, nó đòi hỏi một cấu hình thiết kế phức tạp hơn

để không cho phép khuếch đại xử lý các xung giả phát ra trong khoảng thời gian xóa.TRP cũng đồng thời làm tăng đáng kể thời gian chết của toàn hệ Trong thời gian thựchiện quá trình xóa, toàn hệ thống bị cấm hoạt động Khoảng thời gian này có thể bằng

từ hai đến ba lần độ rộng xung, tức khoảng vài chục micro giây mỗi xung Do đó đónggóp vào thời gian chết của hệ của TRP còn lớn hơn MCA Điều này dẫn tới giới hạn vềkhả năng xử lý xung của tiền khuếch đại Nếu năng lượng gamma lớn, thì tính trungbình, chỉ sau một vài xung là tiền khuếch đại lại phải tiến hành bước xóa, và điều nàylàm tăng số lần xóa mỗi giây, và do đó thời gian chết cũng tăng theo

4.3.3 Đóng góp của tạp âm (nhiễu) lên các tiền khuếch đại

Thông số kỹ thuật của tiền khuếch đại dùng trong các hệ phổ kế thường bao gồmthông tin về đặc trưng tạp âm của nó Nguồn gây ra tạp âm trong tiền khuếch đại vàhiệu ứng của nó đến độ phân giải chung của toàn hệ thống sẽ được trình bày trongChương 6 Nguồn tạp âm chính là điện dung bên ngoài, trong Hình 4.6 Ví dụ, hiệunăng của tiền khuếch đại Canberra 2002 được hãng công bố là 0.57 keV với dungkháng lối vào 0 pF và 2.2 keV với dung kháng lối vào 100 pF Hai con số trên đượccung cấp bởi vì đó là sự biến thiên liên tục của đóng góp của tạp âm với dung kháng,như biểu diễn trong Hình 4.11(a)

Hình 4.11 (a) Sự biến thiên của

nhiễu của tiền khuếch đại theo

dung kháng lối vào (b) Dung

kháng của đầu dò với các giá trị

cao thế khác nhau

Dung kháng ngoài có nguồn gốc từ chính đầu dò và các kết nối giữa đầu dò với lối vàocủa tiền khuếch đại Dung kháng của đầu dò phụ thuộc vào kích thước của lớp nghèo,như tôi đã giải thích trong Chương 3, Phần 3.5 Trong Phần 3.5 đầu dò được đưa ralàm ví dụ có dung kháng 31 pF và nếu ta sử dụng nó với tiền khuếch đại 2002, đónggóp của nhiễu sẽ vào khoảng 1 keV Bạn phải biết rằng, điện dung của đầu dò sẽ caohơn trừ khi đầu dò chưa được làm nghèo hoàn toàn (cao thế cấp cho đầu dò chưa đạtyêu cầu) Hình 4.11(b) biểu diễn dung kháng của đầu dò hiệu suất ghi 30% theo caothế Dễ thấy rằng, cao thế thấp sẽ gây ra hiệu xấu tới độ phân giải của hệ Chúng ta sẽgiải thích cách đo hiệu năng nhiễu của một tiền khuếch đại trong thực tế Trước hết, tacần phải xác định hệ số khuếch đại của hệ thống thông qua tỷ số thế lối ra trên eV lốivào Thủ tục được tiến hành như sau:

• Thiết lập hệ, tiến hành chuẩn năng lượng như bình thường, và sau đó loại bỏ tất

cả các nguồn xung quanh đầu dò

• Kết nối một máy phát xung nhảy bậc vào lối vào kiểm tra (test) của tiền khuếchđại và điều chỉnh biên độ xung sao cho xung xuất hiện ở năng lượng thích hợp

(dễ quan sát) trong phổ Đo năng lượng tương đương của các xung, sử dụngđường chuẩn năng lượng

• Dùng một dao động ký, đo độ cao của các xung, , ở lối ra của khuếch đại tuyếntính Hệ số khuếch đại của hệ thống sẽ là

• Tắt máy phát xung, và sử dụng dao động ký, đo thế tạp âm rms square), ở lối ra của khuếch đại tuyến tính

(root-mean-• Tạp âm của tiền khuếch đại sẽ được tính bởi phương trình sau:

Ta có thể sử dụng một nguồn đơn năng để thay thế cho máy phát xung, tuynhiên độ tòe của độ cao xung càng lớn thì việc đo độ cao xung càng khó

Một cách khác, đơn giản hơn, để đánh giá nhiễu điện tử có thể được thực hiện từđường chuẩn FWHM theo năng lượng (Chương 6, Phần 6.5) Phương trình (4.1)liên hệ giữa FWHM của một đỉnh với đóng góp của nhiều nguồn bất định khácnhau Ý nghĩa chung của phương trình cho ta biết rằng, nếu năng lượng của tiagamma bằng 0, độ bất định của sự tạo điện tích và của sự thu thập điện tích sẽ bằng

0 Do vậy, nếu ta ngoại suy đường chuẩn độ rộng đỉnh với giá trị năng lượng 0, ta

sẽ đánh giá được đóng góp của nhiễu điện tử

4.3.4 Thời gian tăng xung của các tiền khuếch đại

Trong thực tế, chúng ta luôn muốn thời gian thu thập điện tích của càng ngắn càngtốt Nếu thời gian tăng xung của tiền khuếch đại quá dài (dài hơn thời gian thu thậpđiện tích của đầu dò), thời gian thu thập điện tích của hệ sẽ được quyết định bởitiền khuếch đại Các thông số về thời gian tăng xung của tiền khuếch đại luôn đikèm với dung kháng lối vào tương ứng (ví dụ < 20 ns với dung kháng lối vào 30pF) Trong trường hợp thời gian tăng xung của tiền khuếch đại nhỏ hơn so với thờigian tăng xung của đầu dò, thời gian tăng xung hiệu dụng sẽ được xác định bởi đầu

dò

4.4 KHUẾCH ĐẠI PHỔ VÀ QUÁ TRÌNH XỬ LÝ XUNG

Trong phần này, tôi sẽ mô tả chức năng của các hệ xử lý xung tương tự Cho tới gầnđây, các hệ xử lý xung tương tự vẫn được coi là tiêu chuẩn Trong phiên bản trước của

cuốn sách này, các hệ kỹ thuật số đã được giới thiệu với nhiều ưu điểm Hiện nay,chúng đã thay thế rất tốt các hệ thống tương tự trong nhiều ứng dụng sử dung phổ kếgamma Tuy nhiên, tôi vẫn sẽ giải thích một cách chi tiết các quá trình xử lý xungtương tự, không chỉ vì các hệ này vẫn còn được sử dụng mà còn bời việc hiểu quátrình xử lý xung sẽ cung cấp cho chúng ta kiến thức cơ bản để hiểu cơ chế làm việccủa các hệ kỹ thuật số có chức năng tương tự

4.4.1 Các chức năng của khuếch đại phổ

Dạng xung của tín hiệu ở lối ra của tiền khuếch đại phản hồi trở truyền thống khôngthích hợp để đo trực tiếp biên độ xung (không tính tới các yếu tố phụ khác, xung thíchhợp để đo biên độ cần phải có biên độ tăng dần đều từ mức cơ bản đến giá trị cực đại,sau đó giảm về mức cơ bản nhanh nhất có thể) Quá trình chồng chập xung xảy ra (đây

là quá trình mà ta không thể tránh khỏi hoàn toàn, ngay cả với các hệ tốc độ đếm tốc

độ thấp) sẽ khiến việc đo biên độ xung dựa vào tương quan giữa độ cao xung với mứcthế cơ bản của khuếch đại gặp khó khăn Điều này được chứng minh trong Hình 4.12,trong đó các xung tới có biên độ giống nhau, tuy nhiên do sự chồng chập xung mà độcao đỉnh của các xung so với đường cơ bản được xác định không giống nhau Dễ thấy

là các xung có đỉnh hẹp hơn là dạng lý tưởng để giảm ảnh hưởng của hiệu ứng chồngchập xung Tôi sẽ nói về vấn đề dạng xung lý tưởng sau Ở đây, chúng ta sẽ tập trungvào vấn đề làm thế nào thể để khai thác thông tin từ biên độ của xung Chúng ta cầnnhớ lại rằng năng lượng của tia gamma bị hấp thụ tỷ lệ với sườn tăng của xung Trước

hết xung sẽ được đưa tới một bộ lọc, còn được gọi là bộ tạo dạng xung Tạo dạng

xung là một chức năng chính của khuếch đại Tuy nhiên xung sau khi được tạo dạngbởi các bộ lọc sẽ bị ảnh hưởng bởi một số hiệu ứng không mong muốn dẫn tới làm tồi

độ phân giải, do vậy khối khuếch đại của các hệ phổ kế độ phân giải cao thường đikèm theo với mạch triệt cực không (pole-zero) và mạch phục hồi đường cơ bản Cáckhuếch đại phổ còn có thể được trang bị tính năng loại bỏ xung chồng chập Tóm lại,tên gọi “Khuếch đại” không nói nên chức năng chính của khuếch đại phổ Trong thực

tế, “xử lý xung” có lẽ là tên gọi thích hợp hơn Sau đây tôi sẽ lần lượt giải thích cácchức năng của khuếch đại phổ

Hình 4.12 Lối ra của tiền

khuếch đại phản hồi trở bị

chồng chập xung và xung được

biến đổi một cách lý tưởng

Hình 4.13 cho ta thấy sự biến đổi của dạng xung khi đưa một xung nhảy bậc đi qua hai

bộ lọc cơ bản Tạm thời ta sẽ coi như mặt tăng xung của xung lối ra của tiền khuếch

đại sẽ tương đương với xung nhảy bậc Bộ vi phân, hay còn có tên gọi khác là bộ lọc tần số cao, chỉ cho phép các thành phần tần số cao của xung truyền qua, ngăn các

thành phần DC của xung nhảy bậc và tạo ra xung lối ra có dạng nhọn như trong hình4.13(a) Khoảng thời gian từ khi xung lối ra đạt biên độ cực đại đến khi giảm vể khôngđược quyết định bởi tích của R và C, và trong các phổ kế gamma, giá trị này thườngnằm trong khoảng từ 1 đến 12

Hình 4.13(b) là sơ đồ của bộ tích phân, với một điện trở mắc nối tiếp tiếp nối với một

tụ mắc song song với tín hiệu Bộ tích phân còn có tên gọi khác là bộ lọc tần số thấp – bộ lọc này chỉ cho phép các thành phần tần số thấp của xung đi qua Do đó, nó sẽ

biến đổi xung nhảy bậc thành xung có dạng như trong hình 4.13(b) với biên độ xungtăng chậm từ không đến giá trị cực đại Tốc độ tăng biên độ của xung một lần nữa lạiđược quyết định bởi giá trị RC của mạch Nếu ta lấy tín hiệu từ lối ra của bộ vi phân

và đưa vào lối vào của bộ tích phân, xung nhảy bậc sẽ được biến đổi thành xung khôngđối xứng, ngắn, như trong Hình 4.13(c) Xung tiền khuếch đại đi qua mạch tổ hợp nóitrên sẽ được biến đổi thành xung có dạng ngắn hơn (một vài micro giây so thay vì mộtvài trăm micro giây) và thích hợp hơn để đưa vào bộ đo biên độ xung (bộ biến đổi

tương tự sang số - ADCs) Dạng xung đơn giản này có tên gọi là dạng xung RC.

(Dạng xung RC đã được chứng minh dễ dàng trong thực nghiệm bằng các sử dụng cácmạch đơn giản như trong Hình 4.13 Các tụ 0.01 và các điện trở 100 cho giá trị hằng

số thời gian RC bằng Dùng máy phát xung, đưa tín hiệu xung vuông hoặc xung cóđuôi kéo dài, hoặc thậm chí lấy xung từ lối ra của tiền khuếch đại đưa vào tổ hợp mạch

vi phân tích phân, và sau đó quan sát tín hiệu lối ra trên dao động ký)

4.4.3 Dạng xung tối ưu

Nhiễu là một vấn đề lớn ảnh hưởng đến chất lượng của hệ phổ kế Tuy nhiên, bên cạnhnhiễu chúng ta còn phải giải quyết một số vấn đề khác của hệ Và do đó ở đây, chúng

ta sẽ cùng xem xét xem dạng xung nào là lý tưởng để sử dụng trong các hệ phổ kếgamma Hình 4.4 đưa ra một số dạng xung khác nhau, đi kèm với một thông số lýthuyết tương ứng, “nhiễu tương đối” Bỏ qua lý giải toán học, ở đây chúng ta chỉ cầnhiểu rằng nhiễu tương đối càng nhỏ, độ phân giải của hệ càng tốt Theo lý thuyết, dạngxung tối ưu sẽ phải là xung dạng chỏm (cusp) Nhiễu của xung dạng chỏm được lấylàm chuẩn để tính nhiễu tương đối của tất cả các dạng xung còn lại Trong thực tế,không có mạch điện nào có thể tạo ra xung hoàn toàn giống như xung dạng chỏm

Ngoài ra, dạng xung này cũng không phải là dạng xung thích hợp để đo biên độ bằngADCs Các mạch tương tự không có khả năng tạo ra bộ lọc xung dạng chỏm, nhưngcác hệ thống kỹ thuật số thì có thể do trong các hệ thống này bộ lọc được định nghĩabởi thuật toan số thay vì các cấu kiện điện tử (Xem phần 4.11).

RC của mạch vi phân và mạch tích phân được đặt giống nhau Trong các khối khuếchđại hiện đại, thời gian tạo dạng xung luôn được đặt giống nhau cho cả bộ vi phân và bộtích phân, do đó việc điều chỉnh hằng số tạo dạng xung của bộ vi phân và tích phânđược tích hợp vào một núm vặn duy nhất

Mạch tạo dạng RC bị động đơn giản sử dụng duy nhất một bộ tích phân có giá trịnhiễu tương đối bằng 1.36 Nếu ta bổ sung thêm một bộ tích phân vào mạch, nhiễutương đối sẽ giảm xuống 1.22 Theo lý thuyết, nhiễu tương đối của mạch sẽ đạt tới giátrị tốt nhất bằng 1.12 khi số tầng tích phân của mạch tiến tới vô cùng Giá trị này bằngvới nhiễu tương đối của mạch tạo dạng xung Gaus và chỉ thấp hơn một chút so với

mạch tạo dạng xung tam giác Bộ tạo dạng xung hoàn toàn Gaus không tồn tại trongthực tế, và tất các khuếch đại phổ của các hệ phổ kế gamma đều có xung lối ra dạng

“bán Gaus” Bộ tạo dạng bán Gaus tương đương với một mạch tổ hợp từ một mạch vi

phân nối tiếp với hai mạch tích phân Mạch tích phân ở đây là một mạch chủ động (sửdụng khuếch đại thuật toán), thay thế cho mạch tích phân RC đã mô tả ở trên Mạchtích phân loại này giúp nhiễu tương đối giảm xuống gần bằng giá trị nhiễu tương đốicủa một bộ tạo dạng xung Gaus lý tưởng Trên tiền khuếch đại, lối ra của loại tín hiệunày thường được ký hiệu là “UNI” hoặc “UNIPOLAR”

Độ rộng của xung lối ra đơn cực hiển nhiên sẽ phụ thuộc vào hằng số thời gian tạodạng xung nhưng dường như độ rộng xung bán gaus trong thực tế lại có vẻ có một sốđiểm không phù hợp với tính toán Để làm rõ vấn đề này, ta cùng xem xét thông tintrong Hình 4.15 và Bảng 4.1 Bảng 4.1 tổng hợp kết quả của một số phép đo được hiệnbởi John Hemingway John Hemingway đã tiến hành phép đo của mình với ba khuếchđại khác nhau (ORTEC 673, Canberra 2020 và Tennelec 244) với hằng số thời gianthay đổi từ 0.5 đến 12 và độ cao xung từ 0.5 đến 0.7 V Xung được tạo ra bằng cách

đo nguồn 60Co bằng hệ đầu dò tiêu chuẩn, ORTEC đồng trục loại n, hiệu suất ghi 23%

và độ phân giải 2 keV ở 1332.54 keV Tỷ lệ của các giá trị thời gian được định nghĩatrong Bảng 4.1 với hằng số thời gian tạo dạng xung, , không phụ thuộc vào hằng sốthời gian tạo dạng xung, độ cao xung và loại khuếch đại Chỉ có một ngoại lệ duy nhất

ở đây là khuếch đại Tennelec có nhỏ hơn so với hai loại khuếch đại còn lại: , so vớicủa hai loại khuếch đại còn lại Theo thông số đưa ra bởi nhà sản xuất, hệ số này vàokhoảng 8

Hình 14 Định nghĩa

của một số hệ số thời

gian khác nhau liên hệ

với dạng xung

Bảng 4.1 Các hệ số thời gian đo được của các xung lối ra dạng bán Gauss

Rise time: thời gian xung tăng từ 10% đến 90% biên độ cực đại

Peaking time: thời gian xung tăng từ ngưỡng đến biên độ cực đại

Linear gate time: thời gian xung tăng từ ngưỡng cho tới 90% biên độ xung ởsườn sau

Width: độ rộng của toàn bộ xung, từ khi xung tăng đến ngưỡng cho đến khixung giảm đến ngưỡng

Thời gian được chuẩn theo đơn vị hằng số thời gian tạo dạng

Ngưỡng được sử dụng ở đây, cần phải càng gần 0.1% biên độ cực đại của xungcàng tốt

Nếu một mạch vi phân được đưa thêm vào mạch tạo dạng xung, xung sẽ cắt đường cơbản và một phần xung âm sẽ được tạo ra Xung loại này được gọi tên là BIPOLAR(lưỡng cực) Hầu hết các khuếch đại đều có cả hai dạng xung lối ra: đơn cực và lưỡngcực Ta có thể thấy rằng, xung lưỡng cực có đóng góp nhiễu cao hơn so với xung bángaus và thường không được sử dụng trong các hệ phổ kế Tuy nhiên, ưu điểm của dạngxung lưỡng cực là nó ít làm dịch đường cơ bản, và do đó nó có thể được sử dụng trongcác hệ đếm (không cần xác định chính xác biên độ xung) Ngoài ra, sự chuyển đổi từxung dương sang xung âm của xung lưỡng cực là rất rõ ràng, do đó xung loại này cònthích hợp để xử lý xác định thời điểm

Một số khuếch đại hiện đại cung cấp lối ra với dạng xung tam giác (chính xác hơn là

dạng xung “gần như tam giác” do xung lối ra chỉ gần giống dạng tam giác) Dạng xungnày rất hữu dụng khi hệ phải hoạt động với thời gian tạo dạng xung nhỏ hơn thời gian

tạo dạng xung tối ưu Với cùng một thời gian tăng xung từ ngưỡng đến biên độ cực đại(thời gian đến đỉnh), độ rộng của xung tam giác sẽ hẹp hơn một chút so với xung bánGaus (độ rộng xung tam giác của khuếch đại Canberra 2025 là 2.7 x thời gian đếnđỉnh, còn của xung bán gaus là 2.9 x thời gian đến đỉnh) Với thời gian chết tính trênmỗi xung bằng nhau (liên hệ với độ rộng xung), dạng xung tam giác có nhiễu ít hơnkhoảng 8%

4.4.4 Hằng số thời gian tạo dạng xung cho dạng xung tối ưu

Trong phần 4.3.3, tôi đã chỉ ra rằng nhiễu điện tử ở lối vào của tiền khuếch đại sẽ ảnhhưởng đáng kể đến độ phân giải năng lượng của hệ thống đầu dò bán dẫn Nhiễu cóthể giảm xuống cực tiểu bằng cách lựa chọn hằng số thời gian tạo dạng của khuếch đạimột cách thích hợp Hình 4.16 chỉ ra rằng, sự biến thiên của nhiễu (biểu diễn bằng sựđóng góp vào độ phân giải năng lượng) là hàm của hằng số thời gian tạo dạng xung

Lý do tại sao đường cong trong Hình 4.16 có một cực tiểu sẽ được trình bày cụ thể

trong Chương 6 Ở đây, chúng ta chỉ cần biết rằng điểm cực tiểu, được gọi lại góc nhiễu (noise corner), tồn tại và khi thiết lập tham số cho khối khuếch đại, chúng ta

cần phải kiểm tra độ phân giải trên toàn bộ dải hẳng số thời gian tạo dạng để tìm đượccực tiểu này

Hình 4.16 Sự biến đổi

của nhiễu, biểu diễn

bởi sự đóng góp vào độ

phân giải chung của hệ,

theo hằng số thời gian

tạo dạng xung (giản

đồ)

Chúng ta không thể bỏ qua vai trò của các quá trình thu thập điện tích bên trong đầu

dò Như ta đã thấy trong Chương 3, thời gian thu thập điện tích của các đầu dò kích

thước lớn dài hơn các đầu dò kích thước nhỏ Mặc dù thời gian tăng xung của xung ởlối vào của khuếch đại nhỏ hơn 1 , thời gian tích phân điện tích phải lớn hơn giá trị đómột chút để đảm bảo thu thập hoàn toàn điện tích Sự thu thập không hoàn toàn điệntích sẽ làm biên độ xung bị giảm xuống và do đó dẫn tới sự hình thành đuôi nănglượng thấp trên đỉnh trong phổ gamma Đuôi năng lượng thấp này thường khó nhận rakhi quan sát phổ bằng mắt thường, nhưng sẽ có thể bị phát hiện khi đo tiến hành đo độrộng đỉnh Trong hình 4.16, hiệu ứng của sự thu thập không đầy đủ điện tích được bổsung vào hiệu ứng nhiễu nối tiếp khi hằng số thời gian tạo dạng xung nhỏ

Không kể đến các thông số về nhiễu điện tử, ta có thể xác định được giá trị hằng sốthời gian tạo dạng cực tiểu mà vẫn đảm bảo yêu cầu về thu thập điện tích Thời giantạo dạng xung thích hợp phải bằng một vài lần thời gian tăng xung dài nhất Một quytắc rút ra từ kinh nghiệm là, thời gian tạo dạng xung tối ưu của các đầu dò HPGe kíchthước nhỏ là từ 2 – 4 và với các đầu dò HPGe kích thước lớn là từ 4 – 10 Thời giantạo dạng xung dài hơn, xung lối ra của khuếch đại sẽ dài hơn (Xem hình 4.15) Xungdài hơn, đồng nghĩa với việc số xung có thể xử lý trong một giây sẽ ít hơn Do đó, ởđây sẽ tồn tại một mâu thuẫn nếu ta muốn sử dụng đầu dò kích thước lớn để đếm tốc

độ cao Dễ thấy là hằng số thời gian tạo dạng xung càng ngắn đầu dò càng có khả năng

xử lý nhiều xung trong cùng một khoảng thời gian hơn, tuy nhiên khi hằng số tạo dạngxung nhỏ hệ sẽ không thu thập được đầy đủ điện tích, và khi đó độ phân giải của hệ sẽ

bị tồi đi Ví dụ, khi giảm thời gian tạo dạng xung từ 3 về 2 , tốc độ xử lý xung tăng lên33% nhưng độ phân giải bị tồi đi một vài phần trăm

4.4.5 Khuếch đại tích phân cổng

Như đã được nhắc tới nhiều lần, sự thu thập đầy đủ điện tích là một bài toán cần tìmcách giải quyết để nâng cao chất lượng của hệ phổ kế Trong Hình 4.17 biểu diễn haiđường cong, đường cong phía trên là lối ra của mạch tạo dạng xung với hằng số thờigian tạo dạng xung lớn hơn mức cần thiết rất nhiều để có thể thu thập được toàn bộđiện tích Đường cong phía dưới là dạng xung thu được với hằng số thời gian được sử

dụng trong thực tế Sự khác biệt về chiều cao của hai xung được gọi là sự hụt đạn đạo (ballistic deficit) Nếu độ hụt chiều cao này là không đổi và tỷ lệ với chiều cao xung,

nó sẽ không gây ra vấn đề nghiêm trọng Nhưng không may là, độ hụt này lại phụ

thuộc vào thời gian tăng xung Như chúng ta đã biết, thời gian tăng xung của các xungtín hiệu của đầu dò bán dẫn là không giống nhau Độ hụt đạn đạo vì thế cũng bị thănggiáng, và do đó ảnh hưởng đến độ phân giải năng lượng trong phổ

Hình 4.17 Định nghĩa độ hụt đạn đạo

(ballistic deficit)

Mặc dù điện tích có thể không được thu thập toàn bộ trong thời gian tích phân hiệudụng của mạch tạo dạng xung, phần điện tích còn lại vẫn sẽ tiếp tục được thu thậptrong phần còn lại của chiều dài xung Do vậy, độ cao xung có thể không biểu diễn

được toàn bộ lượng điện tích đã được tạo ra bên trong đầu dò, nhưng diện tích của

xung thì có thể Đây cũng chính là cơ sở để thiết kế Khuếch đại tích phân cổng (GI).

Xung lối vào đã được tạo dạng được tích phân lên một tụ trong khoảng thời gian bằngvới độ rộng xung Khi kết thúc thời gian tích phân, các khóa sẽ cô lập lối vào vàchuyển điện thế lối ra về mức cơ bản nhanh nhất có thể Dạng xung lối ra khi đó sẽ códạng như xung phía trên trong Hình 4.18 Mặc dù dạng xung có vẻ không bình thường,nhưng nó vẫn là một xung tuyến tính và chiều cao xung tỷ lệ với năng lượng đã bị hấpthụ bên trong đầu dò

Hình 4.18 So sánh

xung lối ra của khuếch

đại bán Gaus và khuếch

đại tích phân cổng

Mạch tạo dạng xung trước khi đưa vào tích phân cổng được gọi là lọc trước filter), là một mạch tạo dạng xung RC chủ động nhưng không cần phải có khả năng

(pre-tạo được dạng xung bán Gaus Mạch (pre-tạo dạng xung chủ động cơ bản được sử dụng sẽ

cung cấp xung lối ra có dạng gần như hình thang Nhiễu tương đối của khuếch đại tích

phân cổng xấp xỉ bằng với nhiễu tương đối của dạng xung tam giác, tuy nhiên tỷ số tínhiệu trên tạp âm của tích phân cổng sẽ bị giảm do các giới hạn trong thực tế của tíchphân cổng Điều này có nghĩa là, khuếch đại tích phân cổng trong điều kiện hoạt độngbình thường sẽ có hiệu năng kém hơn một chút so với khuếch đại bán Gaus Tuynhiên, tích phân cổng sẽ đạt hiệu quả cao khi sử dụng trong các hệ phổ kế tốc độ đếmcao, với thời gian tạo dạng xung ngắn Vì lý do này, các khuếch đại tích phân cổngthương mại thường cung cấp cả lối ra bán Gaus và lối ra tích phân cổng Trong thực tế,rất nhiều vấn đề sẽ cần giải quyết khi xây dựng hệ phổ kế tốc độ đếm cao Chương 14

sẽ trình bày sâu về hệ phổ kế tốc độ đếm cao

4.4.6 Triệt cực không (Pole-zero cancellation)

Hình 4.13 đã cho ta thấy hiệu ứng của các mạch tạo dạng xung đơn giản khi xung lốivào là một xung nhảy bậc, với chu kỳ của xung tương ứng với sườn tăng xung của các

xung lối ra từ tiền khuếch đại Tuy nhiên, các tiền khuếch đại phản hồi trở thôngthường không cung cấp các xung hoàn toàn giống như xung nhảy bậc ở lối ra Thayvào đó, xung lối ra của tiền khuếch đại thường có đuôi kéo dài (sườn phải) Nếu quansát quá trình biến đổi xung qua các tầng của mạch tạo xung bằng dao động ký, ta sẽnhận ra một điểm khác nhau nhỏ giữa hai trường hợp xung lối vào là xung nhảy bậc vàxung lối vào là xung từ tiền khuếch đại Sự sai khác này xảy ra ở sau khi tín hiệu điqua tầng vi phân đầu tiên Tín hiệu lối vào là xung từ tiền khuếch đại sau khi đi quamạch vi phân đầu tiên sẽ xuất hiện một bướu âm ở đuôi xung Bướu âm này khôngxuất hiện trong trường hợp xung lối vào của mạch tạo dạng xung là xung nhảy bậc.(Hình 4.19)

Hình 4.19 Minh họa

vấn đề cực không

Khoảng thời từ lúc xung lối ra của mạch vi phân giảm xuống dưới mức cơ bản đến khixung quay trở lại mức cơ bản (tạo thành một bướu âm) đúng bằng hằng số thời giancủa mạch phản hồi của tiền khuếch đại Bướu âm này sau đó được truyền qua mạchtích phân và xuất hiện trong xung lối ra của bộ tạo dạng xung Khi phải xử lý nhiềuxung, các xung liên tiếp đi qua bộ tạo dạng xung trong khoảng thời gian gần nhau, sẽ

có khả năng xung tới sau bắt đầu ở phần bướu âm của xung trước và do đó bị giảm

biên độ Vấn đề này có thể được xử lý bằng một mạch triệt cực không (pole-zero

cancellation) (PZ) Khái niệm “cực không” liên hệ với biểu diễn toán học của hiệu

ứng và không có ý nghĩa phổ học Thực tế, sự bổ chính được tiến hành bằng cách gắnthêm một mạch vi phân để triệt phần bướu âm

Về nguyên lý, mạch sẽ có dạng như trong Hình 4.20 với điện trở có thể biến thiênđược được Giá trị điện trở được điều chỉnh thông qua núm vặn (thường là núm vặtbằng tô-vít hai cạnh) ở mặt trước của khối khuếch đại phổ Một số khối khuếch đại cóthể cung cấp hai núm vặn để điều chỉnh giá trị điện trở : một núm chỉnh thô và mộtnúm chỉnh tinh

Hình 4.20 Mạch triệt

cực không và các hiệu

ứng của sự triệt không

lên phần đuôi xung

Sự điều chỉnh giá trị thường được thực hiện bằng cách sử dụng dao động ký quan sátđuôi xung (thang hiển thị của dao động ký cần phải đặt lớn mới có thể quan sát được,thường cỡ 20 mV/vạch) Nếu xung chưa nằm trên đường cơ bản, sự bù trừ cần phảiđược thêm vào bằng cách vặn núm điều chỉnh theo chiều kim đồng hồ (thường là theochiều này), để đuôi xung dịch về gần đường cơ bản Nếu sự điều chỉnh bị quá, đuôixung sẽ lại bị dịch ra xa đường cơ bản, khi đó ta cần vặn núm điều chỉnh ngược chiềukim đồng hồ để bù lại Việc điều chỉnh được tiến hành cho tới khi đuôi xung gầnđường cơ bản nhất có thể Sự điều chỉnh tham số của mạch triệt cực không cần phải

được tiến hành khi ta tiến hành các thay đổi lớn các cấu hình tham số của khối khuếchđại Trong thực tế, hiệu quả của mạch triệt không cần phải được kiểm tra mỗi khi hằng

số thời gian tạo dạng xung bị thay đổi Một số cho rằng việc kiểm tra mạch triệt cựckhông cần phải tiến hành sau khi thay đổi hệ số khuếch đại Tuy nhiên, khi hệ sốkhuếch đại thay đổi nhỏ, sự kiểm tra này là không cần thiết Tham số mạch PZ khôngthích hợp sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến độ phân giải của phổ và là thành phần đầu tiêncần kiểm tra khi độ phân giải của phổ bị biến dạng Cần phải nhấn mạnh ở đây rằng,ảnh hưởng của sự lựa chọn tham số mạch triệt không không thích hợp sẽ chỉ được thấy

rõ khi các phần thích hợp của xung đã được kiểm tra một cách chi tiết

Một vài khối khuếch đại cao cấp có thể được trang bị tính năng tự động điều chỉnhtham số mạch triệt không Ví dụ, Khuếch đại phổ ORTEC 672 sẽ tự động đặt tham sốmạch triệt không bằng cách bấm một nút Một vài khối khuếch đại có thể có đèn LEDcảnh báo trên/dưới để hỗ trợ quá trình điều chỉnh Tuy nhiên, do tầm quan trọng củathiết lập này, tôi tán thành việc các phòng thí nghiệm sử dụng phổ kế gamma cần đượctrang bị dao động ký Theo kinh nghiệm, việc quan sát nhanh dạng xung ở lối ra củatiền khuếch đại hoặc khuếch đại là đủ để đánh giá tình trạng của hệ thống, qua đó đưa

ra giải pháp trong trường hợp có vấn đề nào đó xảy ra

Cần chú ý rằng tiền khuếch đại phản hồi trở cho lối ra là các xung nhảy bậc và do đó

nó không cần phải điều chỉnh PZ Nếu loại tiền khuếch đại này được sử dụng, núm vặnđiều chỉnh của mạch triệt cực không cần phải được vặn hết cỡ theo chiều ngược chiềukim đồng hồ (tương ứng với hằng số thời gian bằng vô cùng) Một vài khối khuếch đại

có sẵn nút gặt để vô hiệu hóa chức năng của mạch triệt cực không

4.4.7 Trôi đường cơ bản

Bộ vi phân trong mạch tạo dạng xung có chứa một tụ mắc song song với tín hiệu (Xem

Hình 4.13) Tụ điện sẽ không cho dòng DC đi qua và được gọi là AC coupling (ghép nối AC) Khi một xung truyền qua một tụ điện, và không có bổ chính nào được đưa

vào mạch, đường cơ bản sẽ bị thay đổi (dịch lên hoặc dịch xuống) để đảm bảo diệntích xung ở phía trên và phía dưới bằng nhau Sự trôi đường cơ bản đối với một xungđơn lẻ là không đáng kể, tuy nhiên, khi số lượng xung lớn hiệu ứng này sẽ trở nên rõ

tham chiếu (đường cơ bản) và do đó sự dịch đường cơ bản sẽ gây ra một sai số khi đo

độ cao xung

Xét một chuỗi các xung giống nhau đi vào hệ theo một chu kỳ tuần hoàn, sự dịchđường cơ bản sẽ là hằng số Tuy nhiên, khi xung đi vào hệ một cách ngẫu nhiên, sựdịch đường cơ bản sẽ biến thiên và sẽ phụ thuộc vào số lượng xung trung bình đi vào

hệ trong một đơn vị thời gian và kích thước của xung khi đi qua bộ lọc (hiệu ứng này

có thể được thấy một cách dễ dàng bằng cách quan sát các xung lối ra từ khối khuếchđại bằng dao động ký Xung trên màn hình sẽ được giữ đều khi chế độ ghép nối DCđược thiết lập Khi chuyển sang chế độ ghép nối AC, xung trên màn hình dao động ký

sẽ “nhảy” lên và xuống một cách ngẫu nhiên) Hiệu ứng của độ bất định ngẫu nhiênnày lên phổ là độ phân giải của phổ sẽ bị tồi đi Cần chý ý rằng, ta có thể tránh vấn đềnày bằng cách sử dụng lối ra lưỡng cực của khuếch đại phổ, vì hai nửa của xung lưỡngcực có ứng tự loại bỏ Tuy nhiên, khi sử dụng xung lưỡng cực, độ phân giải của phổ lại

bị tồi đi do một hiệu ứng khác Sự ảnh hưởng (xấu) lên độ phân giải của phổ do sửdụng xung lưỡng cực gấp hai lần do sự trôi đường cơ bản

Hình 4.21 Sự dịch đường cơ bản khi

một chuối xung giống nhau đi vào

hệ Diện tích toàn phần tạo bởi xung

ở trên và dưới đường cơ bản là bằng

nhau

Các khuếch đại của phổ kế chất lượng cao được tích hợp chức năng phục hồi đường

cơ bản (baseline retorer) (BLR) Mạch thực hiện chức năng phục hồi đường cơ bản

được đặt ở tần cuối của khuếch đại Kiểu phục hồi đường cơ bản hiệu quả nhất ở tốc

độ đếm cao là bộ phục hồi cổng Trong bộ phục hồi cổng, đường cơ bản được giữ ở thếđất trong suốt khoảng thời gian giữa hai xung Thông thường BLR sẽ có ít nhất mộttrong các tùy chọn hoạt động dưới đây:

• AUTO/MANUAL threshold (hoặc có thể được ký hiệu là AUTO/VAR) BộBLR cần phải phân biệt sự dịch đường cơ bản với độ lệch do nhiễu trên tín hiệulối vào BLR thực hiện điều này bằng cách thiết lập một giá trị ngưỡng, dướingưỡng này BLR sẽ không hoạt động Khi đặt ở chế độ AUTO, BLR sẽ đặtngưỡng gạt nhiễu tự động Khi đặt ở chế độ MANUAL, giá trị ngưỡng củaBLR sẽ đường thiết đặt bởi người dùng thông qua núm vặn

• HIGH/ LOW/AUTO(/PZ) rate Do BLR hoạt động trong khoảng thời gian giữacác xung, tốc độ phục hồi xung cần phải tăng lên khi tốc độ đếm tăng lên Nútgạt này cho phép người dùng tối ưu BLR với các điều kiện đếm khác nhau Nếuchọn chế độ AUTO, thiết bị sẽ điều chỉnh tự động theo tốc độ đếm lối vào.Chọn HIGH khi tốc độ đếm cao và LOW khi tốc độ đếm thấp Trong phần lớncác trường hợp, chế độ AUTO là chế độ thường được chọn Tuy nhiên, nếunhiễu tần số thấp là một vấn đề thì lựa chọn chế độ HIGH có thể giúp giải quyếtvấn đề Đôi khi, nút này còn có tùy chọn PZ Tùy chọn này đặt tốc độ phục hồiđường cơ bản thấp, và nên được sử dụng khi điều chỉnh tham số của mạch triệtcực không Chế độ này cũng có thể giúp cải thiện độ phân giải một chú khi đếm

ở tốc độ đếm thấp với hằng số thời gian tạo dạng xung lớn

Ở đây, tốc độ đếm cao được hiểu là khi duty cycle của khối khuếch đại lớn hơn

20% và tốc độ đếm thấp là khi duty cycle nhỏ hơn 5% Duty cycle là tỷ số giữa

thời gian mà khuếch đại bận với thời gian chết của tiền khuếch đại Giả sử rằngthời gian chết của tiền khuếch đại bằng 6 lần thời gian tạo dạng xung, ta có thểước lượng duty cycle theo công thức sau:

Ví dụ, tốc độ đếm lối ra bằng 288 pps với hằng số thời gian tạo dạng xung là 3

sẽ có duty cycle bằng khoảng 5%, trong khi nếu tốc độ đếm lối ra bằng 17000pps và thời gian tạo dạng xung bằng 2 , duty cycle sẽ có giá trị là 20%

• Chế độ hiệu chỉnh SYM/ASYM Chế độ đối xứng (SYM) có tốc độ hiệu chỉnhgiống nhau, không phụ thuộc vào việc đường cơ bản bị trôi lên hay trôi xuống.Chế độ bất đối xứng (ASYM) có tốc độ hiệu chỉnh cao hơn khi đường cơ bản bị

xứng thường được chọn, tuy nhiên hiệu chỉnh không đối xứng sẽ tốt hơn khiđường cơ bản bị trôi dịch do nhiễu ngoài hoặc nhiễu micro (dĩ nhiên, để đạtchất lượng tốt, ta cần phải loại bỏ các nguồn gây ảnh hưởng từ bên ngoài thay

vì lệ thuộc hoàn toàn vào bộ BLR)

Thiết lập thường gặp của BLR sẽ là AUTO threshold (tự động đặt ngưỡng), AUTOrate (tự động điều chỉnh tốc độ hiệu chỉnh đường cơ bản) và ASYM mode (chế độ bấtđối xứng) Trong trường hợp các thiết lập không đạt được độ phân giải yêu cầu, ta cầnphải hiệu chỉnh lại các tham số Tham số nào cần hiệu chỉnh và hiệu chỉnh ra sao đượcxác định dựa vào thực nghiệm

4.4.8 Loại bỏ chồng chập xung

Chồng chập xung còn được gọi là trùng phùng ngẫu nhiên hoặc tổng ngẫu nhiên, là

hệ quả của hiện tượng hai xung gamma hoặc (hoặc nhiều hơn) được ghi nhận gần nhưđồng thời Nếu chúng cùng đến trong khoảng độ rộng của xung lối ra của khuếch đại,chúng sẽ không thể được nhận biết như là các sự kiện độc lập Xung lối ra của khuếchđại khi đó sẽ có độ cao bằng độ cao của xung trước cộng với một phần chiều cao củaxung thứ hai, tùy theo tương quan thời gian giữa hai xung Tình huống này đượcchứng minh trong Hình 4.22 Hình 4.22 mô tả dạng xung lối ra của tiền khuếch đại vàkhuếch đại theo tính toán khi hai xung có cùng độ lớn tới lối vào của tiền khuếch đại(ở đây ta tính toán với mạch tạo dạng xung đơn giản vốn không được sử dụng trongthực tế, và các xung có độ rộng gấp đôi độ rộng xung bán gauss thông thường) Dạngxung lối ra được tính với nhiều mức tương quan thời gian (chênh lệch thời gian tới lốivào tiền khuếch đại của hai xung) Trên giản đồ ta thấy rằng, các sự kiện mà hai xungrất gần nhau (xuất hiện gần như cùng lúc) thì độ cao của xung lối ra sẽ bằng tổng độcao của hai xung thành phần, và do đó giá trị đo được của MCA sẽ là tổng độ cao củahai xung

Trùng phùng ngẫu nhiên là điều không mong muốn vì nó làm mất số đếm trong đỉnhnăng lượng toàn phần trong phổ Ta tưởng tượng rằng hai tia gamma cùng đi tới đầu

dò trong thời gian xử lý xung của khuếch đại đều được hấp thụ hoàn toàn, nếu không

có hiện tượng trùng phùng, hệ điện tử sẽ tạo ra hai xung độc lập và đóng góp số đếmvào các đỉnh hấp thụ toàn phần tương ứng Trong khi đó, do hiện tượng trùng phùng,

hai sự kiện được nhận biết là một sự kiện, do đó mỗi đỉnh năng lượng bị mất một sốđếm Số đếm mà hệ thu nhận được trong trường hợp này lại được tích lũy ở một kênhkhác Trong phổ ví dụ trong Hình 2.12, ta thấy rằng tất cả các số đếm ở phía trên (bênphải) của đỉnh hấp thụ toàn phần đều là kết quả của quá trình chồng chập xung Xácsuất xảy ra chồng chập xung tăng lên theo bình phương tốc độ đếm toàn phần và sẽđược thảo luận chi tiết trong Chương 7, Phần 7.6.8.

xử lý chồng chập xung của một hệ điện tử Tín hiệu sau khi đi qua tầng khuếch đạiđược chia thành hai, một tiếp tục đi vào mạch tạo xung thông thường và tạo ra xung lối

ra thông thường, đường còn lại được nối vào một khuếch đại tạo dạng xung nhanh (bộ

vi phân nhanh trong Hình 4.25 Sử dụng hằng số thời gian rất ngắn, khối khuếch đại

nhanh tạo ra một xung với thành phần nhiễu nối tiếp cao, có thời gian tăng xung càngnhanh càng tốt Xung này được sử dụng để chỉ thị rằng một xung đã được ghi nhận.Hiệu ứng của nhiễu sau đó sẽ được loại bỏ bằng cách sử dụng gạt ngưỡng để tạo raxung logic ngắn Xung lôgic này sau đó được dùng để khởi phát một khoảng thời gian

được gọi là thời gian có xung (inspection time), khoảng thời gian này bằng với chiều

dài dự kiến của xung Nếu một xung khác đi tới trong thời gian có xung (được ghinhận bởi xung tiền khuếch nhanh của nó), một xung cổng sẽ được tạo ra, và gửi tínhiệu cấm lưu xung gốc Các xung bị mất (không đóng góp vào trong phổ) có thể được

bù bằng cách tăng thời gian chết của MCA và điều này sẽ được thực hiện bằng một tínhiệu cổng báo thời gian chết từ khuếch đại

Hình 4.23 Nguyên lý của

hệ loại bỏ xung chồng chập

của khuếch đại phổ

Cách mà xung mở cổng được tạo ra phụ thuộc vào việc sự chồng chập xảy ra ở sườntăng hay sườn giảm của xung Vì lý do thống kê, xung cổng báo thời gian chết của sựkiện chồng chập xung trên sườn giảm của xung phải được kết thúc ở thời điểm xungtiếp theo được ghi nhận Ở tốc độ đếm thấp, điều này đôi khi sẽ tạo ra các xung báothời gian chết sai (xung kéo dài) Do vậy, nếu không cần thiết, ta không nên sử dụngmạch loại bỏ xung chồng chập khi hệ hoạt động ở tốc độ đếm thấp Một vài bộ loại bỏxung chồng chập xung có khả năng nhận biết các trường hợp mà xung báo thời gianchết sai, và do đó mở cồng thời gian chết sau một khoảng thời gian trễ

Như đã mô tả, ta không thể xử lý các xung đến cách nhau một khoảng nhỏ hơn độ rộngcủa một xung đơn, thường bằng 2.5 đến 3 lần peaking time (thời gian biên độ xungtăng từ ngưỡng đến cực đại), tùy thuộc vào dạng xung Tất cả các cặp xung có chênhlệch thời gian xuất hiện nhỏ hơn giá trị trên sẽ bị loại bỏ Cũng có những trường hợp

mà xung sau đến trước khi xung trước quay trở về mức cơ bản và hình thành đỉnh sau

đó Các xung này có biên độ xung nằm trong khoảng được chấp nhận nhưng cũng sẽ bịloại bỏ (xem xung bị trễ 10 trong Hình 4.22) Giảm thời gian phân giải bằng cách nhưvậy có thể làm giảm đáng kế các loại bỏ không cần thiết

Thiết lập tham số cho hệ thống loại bỏ xung chồng chập tiêu chuẩn bao gồm chỉnhngưỡng của gạt ngưỡng nhanh để loại bỏ các loại bỏ xung giả do nhiễu ở lối ra củakhuếch đại nhanh Thủ tục này khá đơn giản Khi không có nguồn, quay núm điềukhiển ngưỡng PUR ngược chiều kim đồng hồ cho tới khi PUR LED sáng liên tục (thôikhông nháy) Quay từ từ núm điều khiển ngưỡng PUR theo chiều kim đồng hồ cho tớikhi đèn LED chỉ nháy mỗi khi có xung lối vào (sự chuyển đổi từ sáng liên tục sangnháy diễn ra rất nhanh, chỉ sau khi điều chỉnh núm vặn một vài độ) Ở điểm này,ngưỡng PUR được đặt ngay phía trên mức nhiễu Trong thực tế, tôi thấy rằng sẽ tốthơn nếu từ trạng thái sáng liên tục ta quay núm điều khiển khoảng một phần ba vòngtheo chiều kim đồng hồ Sau khi đã đặt được ngưỡng, ta cần phải kiểm tra xem sự hiệuchỉnh đã đủ tốt chưa, bằng cách tăng tốc độ đếm đến cực đại, bằng phương pháp dichuyển nguồn được mô tả trong Chương 7, Phần 7.6.8

Hiệu quả của bộ loại bỏ xung chồng chập là rất đáng kể Hình 4.24 biểu diễn sự chồngchập trong phổ của 137Cs ở tốc độ đếm trung bình 3300 pps (số đếm trên giây) Dễ thấy

rằng bộ loại bỏ xung chồng chập không thể loại bỏ hoàn toàn (100%) các xung chồngchập (cần chú ý rằng Hình 4.24 được biểu diễn ở thang log) Đỉnh tổng ở 1323.3 keV

có nguồn gốc từ các sự kiện trùng phùng ngẫu nhiên của hai gamma 661.66 keV đếnđầu dò gần như cùng lúc và bị hấp thụ hoàn toàn Do các xung này đến trong thời gianphân giải của bộ loại bỏ xung chồng chập (có thể nhỏ hơn 250 ns), chúng không thể bịloại bỏ bằng phương pháp điện tử dựa trên dạng đỉnh Phương pháp số dùng để hiệuchỉnh trong trường hợp này sẽ chỉ cần đến trong các hệ tốc độ đếm rất cao, sẽ đượctrình bày trong Chương 7, Phần 7.6.8

Hình 4.24 Hiệu ứng của bộ loại bỏ xung chồng chập trên phổ 137Cs

4.4.9 Hệ số khuếch đại của khuếch đại phổ và tổng quan

Chúng ta không có quá nhiều điều để nói về chức năng khuếch đại của khối khuếchđại trong các hệ phổ kế Phần lớn các khuếch đại phổ đề có hai mức điều khiển hệ sốkhuếch đại: thô (thường ở dạng nút vặn nhiều nấc cho phép ta lựa chọn các giá trị hệ

số khuếch đại gián đoạn)và tinh (thường ở dạng núm xoay cho phép ta điều chỉnh hệ

số khuếch đại với lượng thay đổi nhỏ) Hệ số khuếch đại được điều chỉnh sao cho biên