quả nghiên cứu, thiết kế và chế tạo máy phân tích biên độ đa kênh (MCA) cho thiết bị quan trắc cảnh báo phóng xạ môi trường

Các kĩ thuật ghi đo bức xạ được phát triển không ngừng kể từ khi hiện tượngphóng xạ được phát hiện bởi Becquerel vào năm 1896 đến nay. Vấn đề ghi đobức xạ cực kì quan trong trong các lĩnh vực liên quan đến hạt nhân. Các đầudò phóng xạ sẽ ghi nhận các tia phóng xạ từ môi trường bên ngoài. Nên chúngta cần một thiết bị để xử lý các tín hiệu mà đầu dò ghi được để có thể xác địnhđược phổ năng lượng bức xạ. Vì vậy máy đo phổ biên độ được ra đời để giảiquyết việc xử lý tín hiệu bức xạ.Các thiết bị ghi đo bức xạ được phát triển không ngừng. Ban đầu để đophổ vi phân ta sử dụng máy phân tích biên độ đơn kênh (SingleChannelAnalyzer – SCA). Tuy nhiên, nhược điểm của SCA là tốn rất nhiều thời gian.Hệ phân tích biên độ đa kênh (MultiChannel Analyzer – MCA) ra đời đã khắcphục được nhược điểm của SCA. Hệ phân tích biên độ đa kênh cho phép tathu được hình ảnh phổ bức xạ gamma một cách trực quan và nhanh chóng.Nhờ những ưu điểm vượt trội trong việc phân tích phổ bức xạ, MCA được coilà thiết bị chủ lực trong việc nghiên cứu và thí nghiệm về vật lý hạt nhân.Trong khuôn khổ đồ án tốt nghiệp của mình, Tôi sẽ đi vào nghiên cứu,thiết kế và chế tạo một máy phân tích biên độ phổ đa kênh sử dụng trong quantrắc cảnh báo phóng xạ môi trường. Thiết bị sau khi được hoàn thiện sẽ dùngđể phân tích bức xạ, phóng xạ môi trường.Trong đồ án của mình tôi xin trình bày kiết quả nghiên cứu, thiết kế và chếtạo máy phân tích biên độ đa kênh (MCA) cho thiết bị quan trắc cảnh báophóng xạ môi trường. Nội dung của đồ án bao gồm:Chương I: Tổng quan về hệ phân tích biên độ đa kênh (MCA).Chương II: Thiết kế và chế tạo hệ phân tích biên độ đa kênh.Chương III: Viết phần mềm sử dụng trong hệ phân tích biên độ đa kênh.

Trang 1

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN KĨ THUẬT HẠT NHÂN

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 1

LỜI CẢM ƠN

Hoàn thành đồ án này, em đã được sự giúp đỡ, chỉ dạy, tạo điều kiện

từ các thầy, cô ở nhà trường, từ TS Đặng Quang Thiệu và Ks Nguyễn Văn Sỹ cùng toàn thể ban lãnh đạo, nhân viên tại trung tâm chiếu xạ Hà Nội – Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam cùng sự động viên to lớn của người thân

Trước tiên, em xin cảm ơn TS Đặng Quang Thiệu và Ks Nguyễn Văn

Sỹ Hai thầy đã trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ tận tình em trong quá trình thực tập và nghiên cứu đề tài này

Em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy, các cô trong viện Kỹ thuật Hạt nhân & Vật lý Môi trường đã tận tình giảng dạy, chỉ bảo trong mấy năm học qua, đã giúp cho chúng em có những nền tảng kiến thức vững chắc để chúng em có thể hoàn thành nghiên cứu thật tốt, không những thế đây còn là nền móng vững chắc cho cho công việc và tương lai của chúng em sau này

Em gửi lời cảm ơn tới toàn thể các thầy, cô, tập thể cán bộ trong trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã luôn cổ vũ, động viên từ khi em bỡ ngỡ đặt những bước chân đầu tiên vào cổng trường đại học cho đến tận ngày hôm nay, cho em môi trường học tập tốt, tiếp thu được nhiều kiến thức không chỉ trong sách vở

Cuối cùng em cũng xin cảm ơn toàn thể ban lãnh đạo và nhân viên tại trung tâm chiếu xạ Hà Nội – Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam đã luôn tạo điều kiện tốt nhất, giúp đỡ cho em trong quá trình làm đồ án này

Hà Nội, tháng 6 năm 2014

Sinh viên NguyễnTuấn Anh

Trang 2

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

Converter

Bộ biến đổi tương tự

thành số

MCA Multichannel analysers Phân tích biên độ đa

kênh

RAM Random access memory Bộ nhớ tạm thời

SCA Single channel analyser Máy phân tích đơn kênh

Trang 3

MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN 1

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT 2

MỤC LỤC 3

DANH MỤC HÌNH ẢNH VÀ BẢNG BIỂU 7

NỘI DUNG 11

CHƯƠNG I 11

TỔNG QUAN VỀ HỆ PHÂN TÍCH BIÊN ĐỘ ĐA KÊNH 11

1 Hệ phân tích đa kênh (MCA) là gì 11

2 Hệ phân tích biên độ đa kênh dùng làm gì 11

3 Các kiểu MCA thường dùng 11

3.1 MCA phân tích biên độ 11

3.2 MCA phân tích thời gian 13

4 Cấu trúc cơ bản của MCA 14

5 Các đặc trưng cơ bản của MCA 15

5.1 Số kênh mã hoá (độ rộng kênh) 15

5.2 Độ phi tuyến tích phân 15

5.3 Độ phi tuyến vi phân 15

6 Đánh giá chất lượng của MCA 16

6.1 Độ phân giải của MCA 16

6.2 Thời gian biến đổi 17

6.3 Độ phi tuyến tích phân 17

Trang 4

6.4 Độ phi tuyến vi phân 18

7 Các thế hệ phân tích máy biên độ đa kênh 19

8 Cấu tạo MCA sử dụng bộ nhớ 22

9 Chức năng và cấu tạo của các khối chính trong MCA 23

9.1 Khối ADC: 23

9.1.1 Chức năng: 23

9.1.2 Các kiểu ADC: 23

9.1.3 Cấu tạo ADC Wilkinson 24

9.2 Chức năng vào cấu tạo của bộ nhớ 25

9.2.1 Chức năng: 25

9.2.2 Cấu tạo: 25

9.2.3 Tìm hiểu về bộ nhớ trong MCA Canberra series 30 26

9.3 Khối hiển thị 30

CHƯƠNG II 33

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY PHÂN TÍCH BIÊN ĐỘ ĐA KÊNH 33

1 Mục tiêu : 33

2 Giải pháp : 33

3 Sơ đồ khối máy phân tích biên độ đa kênh 35

3.1 Thiết kế bộ khuếch đại phổ cho MCA 35

3.1.1 Yêu cầu thiết kế của bộ khuếch đại phổ 35

3.1.2 Cấu tạo và sơ đồ nguyên lý của khuếch đại phổ 36

3.2 Thiết kế bộ biến đổi ADC trong MCA 46

3.2.1 Yêu cầu thiết kế của bộ biến đổi ADC 46

Trang 5

3.2.2 Sơ đồ khối của ADC 47

3.2.3 Chức năng chính của từng khối 48

3.2.4 Nguyên lí hoạt động của bộ biến đổi ADC 49

3.2.4.1 Sơ đồ nguyên lí bộ biến đổi ADC 49

3.2.4.2 Sơ đồ nguyên lí hoạt động của mạch so sánh ngưỡng 50

3.3 Cấu tạo của bộ vi xử lí trong MCA 56

3.3.1 Mục tiêu lựa chọn chip vi xử lý phù hợp 56

3.3.4 Sơ đồ khối của MCA dùng chip vi xử lý EZUSB AN2131 58

3.3.5 Sơ đồ nguyên lí bộ vi xử lý trong MCA 60

4.1 Sơ đồ nguyên lí của MCA hoàn chỉnh 61

4.2 Thiết kế mạch in 63

4.3 Lắp ráp mạch 64

5 Kiểm tra sản phẩm 67

5.1 Kiểm tra bộ khuếch đại phổ 67

5.2 Kiểm tra bộ biến đổi ADC 70

5.2.1 Khảo sát hoạt động của so sánh ngưỡng của bộ biến đổi ADC 70

5.2.2 Khảo sát độ phi tuyến tích phân của bộ biến đổi ADC 70

5.2.3 Độ phi tuyến vi phân của bộ biến đổi ADC 75

5.3 Thông số đầu đầu ra ở các khối của MCA 76

5.3.1 Thông số đầu ra của bộ khuếch đại 76

5.3.2 Thông số đầu ra của bộ biến đổi ADC 77

Chương III 78

VIẾT PHẦN MỀM CHO MCA 78

Trang 6

1 Phần mềm giao diện với máy tính của MCA sử dụng labView 78

1.1 Sơ lược về phần mềm labView 78

1.2 Các thành phần của labview ứng dụng 79

1.3 Các hàm cơ bản của Labview 79

1.4 Phần mềm ngôn ngữ labView sử dụng trong MCA 84

KẾT LUẬN 86

TÀI LIỆU THAM KHẢO 87

Trang 7

DANH MỤC HÌNH ẢNH VÀ BẢNG BIỂU Hình 1.1 Thiết bị phân tích biên độ trong chế độ PHA 12

Hình 1.2 Thiết bị phân tích thời gian trong chế độ MCS 13

Hình 1.3 Sơ đồ khối của MCA 14

Hình 1.4 Hệ biên độ xác định thời gian xử lý tín hiệu 17

Hình 1.5 Hệ xác định độ phi tuyến tích phân 18

Hình 1.6 Hệ thiết bị xác định độ phi tuyến vi phân 19

Hình 1.7 Máy phân tích biên độ đa kênh MCA series 40 của CANBERRA 20

Hình 1.8 Card MCA ASA-100 cắm vào slot máy vi tính của CANBERRA 20 Hình 1.9 InSpector 2000 – Máy phân tích đa kênh ghép với máy vi tính dựa trên công nghệ DSP 21

Hình 1.10 Sơ đồ khối của MCA sử dụng bộ nhớ 22

Hình 1.11 Sơ đồ khối và giản đồ thời gian của ADC Wilkinson 24

Hình 1.12 Tổ chức bộ nhớ 1024 kênh, 10 6 số đếm trên một kênh 25

Hình 1.13 Sơ đồ khối tổ chức bộ nhớ trong MCA Canberra Series 30 26

Hình 1.14 Tổ chức bộ nhớ MCA Canberra C30 28

Hình 1.15 Tổ chức bộ nhớ của digit D8 29

Hình 1.16 Màn hình hiển thị 30

Hình 1.17 Hiển thị nội dung nhớ 30

Hình 1.18 Ma trận hiển thị kí tự: a) Ma trận cơ bản 7 hàng 5 cột, b) Tín hiệu video cho cột đầu tiên, c) Hiển thị ký tự 2 31

Hình 1.19 Bộ phát ký tự 31

Hình 2.1 Sơ đồ khối của máy phân tích biên độ đa kênh 35

Hình 2.2 Sơ đồ khối khuếch đại phổ 36

Trang 8

Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lí mạch khuếch đại 38

Hình 2.4 Dạng xung vào của mạch khuếch đại 39

Hình 2.5 Mạch vi phân tín hiệu vào và khử điểm không 40

Hình 2.6 Dạng xung qua mạch vi phân tín hiệu và khử điểm không 40

Hình 2.7 Mạch khuếch đại điều chỉnh hệ số bằng biến trở 41

Hình 2.8 Dạng xung qua khối khuếch đại đảo pha 42

Hình 2.9 Dạng xung đi qua mạch khuếch đại không đảo pha 42

Hình 2.10 Mạch tạo dạng tín hiệu 43

Hình 2.11 Dạng xung đi qua mạch tạo dạng 44

Hình 2.12 Mạch khuếch đại số 45

Hình 2.13 Dạng xung đi qua mạch khuếch đại số 45

Hình 2.14 Sơ đồ khối của ADC 47

Hình 2.15 Sơ đồ nguyên lí ADC 49

Hình 2.16 Sơ đồ nguyên lý mạch so sánh ngưỡng 50

Hình 2.17 Dạng xung vào để phân tích 51

Hình 2.18 Dạng xung của ngưỡng thấp 52

Hình 2.19 Dạng xung của ngưỡng cao 53

Hình 2.20 Dạng xung cổng GATE ở mức thấp 54

Hình 2.21 Dạng xung giữ đỉnh 54

Hình 2.22 Mạch điều khiển logic và ADC 55

Hình 2.23 Sơ đồ chân của AD7472 56

Hình 2.24 Sơ đồ khối MCA sử dụng vi xử lý EZUSB AN2131 58

Hình 2.25 Sơ đồ nguyên lí của bộ vi xử lý 60

Hình 2.26 Sơ đồ nguyên lí MCA 62

Hình 2.27 Sơ đồ mạch in 63

Hình 2.28 Sơ đồ lắp ráp MCA 65

Hình 2.29 Mạch MCA hoàn thiện 66

Trang 9

Hình 2.30 Vi phân lối vào và khử điểm không 67

Hình 2.31 Tầng khuếch đại thứ nhất và dạng xung 68

Hình 2.32 Tầng khuếch đại thứ hai và dạng xung 68

Hình 2.33 Mạch tạo dạng xung Gauss 69

Hình 2.34 Tầng khuếch đại điều khiển số 69

Hình 2.35 Tạo đường cơ sở và tăng công suất lối ra 69

Hình 2.36 Đồ thị phi tuyến tích phân 71

Hình 2.37 Khảo sát độ phi tuyến tích phân 72

Hình 2.38 Tính toán độ phi tuyến tích phân 74

Hình 2.39 Độ phi tuyến vi phân 75

Hình 2.40 Đồ thị phi tuyến vi phân 76

Hình 3.1 Bảng các hàm chức năng 80

Hình 3.2 Bảng các hàm file-I/O 81

Hình 3 3 Bảng các hàm Time & Dialog 81

Hình 3.4 Bảng của hàm String 82

Hình 3.5 Bảng của hàm Analyze 83

Hình 3.6 Phần mềm labView điều khiển MCA 84

Bảng 1.1 Chức năng của kênh 27

Bảng 1.2 Bảng lựa chọn các dòng MD4, MD2 và MD1 27

Bảng 2.1 Thông số các chip ADC 34

Bảng 2.2 Thông số giữa biên độ xung đầu vào và số kênh 71

Bảng 2 3 Thống số tương quan giữa số kênh thực tế và kênh lý tưởng 73

Trang 10

MỞ ĐẦU

Các kĩ thuật ghi đo bức xạ được phát triển không ngừng kể từ khi hiện tượng phóng xạ được phát hiện bởi Becquerel vào năm 1896 đến nay Vấn đề ghi đo bức xạ cực kì quan trong trong các lĩnh vực liên quan đến hạt nhân Các đầu

dò phóng xạ sẽ ghi nhận các tia phóng xạ từ môi trường bên ngoài Nên chúng

ta cần một thiết bị để xử lý các tín hiệu mà đầu dò ghi được để có thể xác định được phổ năng lượng bức xạ Vì vậy máy đo phổ biên độ được ra đời để giải quyết việc xử lý tín hiệu bức xạ

Các thiết bị ghi đo bức xạ được phát triển không ngừng Ban đầu để đo phổ vi phân ta sử dụng máy phân tích biên độ đơn kênh (Single-Channel Analyzer – SCA) Tuy nhiên, nhược điểm của SCA là tốn rất nhiều thời gian

Hệ phân tích biên độ đa kênh (MultiChannel Analyzer – MCA) ra đời đã khắc phục được nhược điểm của SCA Hệ phân tích biên độ đa kênh cho phép ta thu được hình ảnh phổ bức xạ gamma một cách trực quan và nhanh chóng Nhờ những ưu điểm vượt trội trong việc phân tích phổ bức xạ, MCA được coi

là thiết bị chủ lực trong việc nghiên cứu và thí nghiệm về vật lý hạt nhân Trong khuôn khổ đồ án tốt nghiệp của mình, Tôi sẽ đi vào nghiên cứu, thiết kế và chế tạo một máy phân tích biên độ phổ đa kênh sử dụng trong quan trắc cảnh báo phóng xạ môi trường Thiết bị sau khi được hoàn thiện sẽ dùng

để phân tích bức xạ, phóng xạ môi trường

Trong đồ án của mình tôi xin trình bày kiết quả nghiên cứu, thiết kế và chế tạo máy phân tích biên độ đa kênh (MCA) cho thiết bị quan trắc cảnh báo phóng xạ môi trường Nội dung của đồ án bao gồm:

Chương I: Tổng quan về hệ phân tích biên độ đa kênh (MCA)

Chương II: Thiết kế và chế tạo hệ phân tích biên độ đa kênh

Chương III: Viết phần mềm sử dụng trong hệ phân tích biên độ đa kênh

Trang 11

NỘI DUNG

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ HỆ PHÂN TÍCH BIÊN ĐỘ ĐA

KÊNH

1 Hệ phân tích đa kênh (MCA) là gì

Hệ phân tích đa kênh (MCA) là một hệ tích luỹ và xử lý số liệu hạt nhân,

nó cung cấp phương pháp nhanh và kinh tế để phân tích và biểu diễn phổ biên

độ xung (Trục Y là trục đếm, trục X là năng lượng) cho các nguyên tố phóng

xạ

2 Hệ phân tích biên độ đa kênh dùng làm gì

Hệ phân tích biên độ đa kênh dùng để xác định phổ năng lượng của một loại bức xạ nào đó không chỉ cho phép ứng dụng tia bức xạ đó mà còn cho phép hiểu biết bản chất của các bức xạ, nguồn gốc của tia và cấu trúc vật chất

mà tia đi qua

Để nghiên cứu phân bố năng lượng của các nguồn đơn năng lượng ta có thể dùng thiết bị phân tích tích phân hoặc thiết bị phân tích đơn kênh (SCA), còn đối với các nguồn đa năng lượng nên dùng các thiết bị đa kênh (MCA)

3 Các kiểu MCA thường dùng

MCA có hai chế độ làm việc: Kiểu PHA (The pulse height analysis) được

sử dụng rộng rãi trong năng phổ hạt nhân (Trục Y là số đếm, trục X là năng lượng), kiểu thứ hai là đếm thời gian (Multichannel scaling-MCS)

3.1 MCA phân tích biên độ

Phân tích biên độ xung (PHA) được sử dụng rộng rãi trong năng phổ hạt nhân (Trục Y là số đếm, trục X là năng lượng), khối nhớ chứa n từ (n là số

Trang 12

kênh ADC), w là độ dài từ, số đếm có thể của mỗi một kênh trong biểu diễn nhị phân là ( 2w-1) và w/4 số thập phân trong biểu diễn BCD thông thường đến triệu số đếm

Sau khi biến đổi, lối ra số của ADC như là địa chỉ của bộ nhớ, nội dung của ô nhớ này được gọi ra thanh ghi số học, nội dung thanh ghi tăng thêm một (+1) và được ghi ngay vào ô nhớ vừa được đọc ra, kết thúc chu trình tích lũy; trong chu trình biểu diễn thanh ghi địa chỉ ô nhớ được quét tăng dần (+1) bắt đầu từ không, nội dung thanh ghi địa chỉ đồng thời chỉ địa chỉ ô nhớ và đưa đến bộ DAC điều khiển làm lệch trục X của màn hình chỉ thị, nội dung ô nhớ được đọc ra thanh ghi số học và DAC tạo tín hiệu làm lệch trục Y của màn hình chỉ thị

Hình 1.1 Thiết bị phân tích biên độ trong chế độ PHA

Trang 13

3.2 MCA phân tích thời gian

MCA đếm thời gian (Multichannel scaling-MCS) được sử dụng để xác

định thời gian sống của các đồng vị phóng xạ có thời gian sống ngắn, khi đó

sử dụng lối ra SCA của ADC, mỗi kênh dành cho một đoạn thời gian, trong

các khe thời gian này ô nhớ như một bộ đếm tích lũy các xung từ SCA Các

kênh nhớ được cho phép đếm liên tục bắt đầu từ kênh thấp lên kênh cao Khi

chỉ thị số đếm trong ô nhớ đến bản lệch Y qua DAC (trục Y), trục X tương

ứng với thời gian Sơ đồ khối trình bày trên hình sau:

Hình 1.2 Thiết bị phân tích thời gian trong chế độ MCS

Trang 14

4 Cấu trúc cơ bản của MCA

Hình 1.3 Sơ đồ khối của MCA

Gồm mạch lối vào (các mạch phân biệt ngưỡng, mạch căng xung), ADC (có thể ADC Wilkinson, ADC Flash, ADC xấp xỉ liên tiếp), mạch điều khiển trung tâm CPU (có thể logic cứng, có thể trên mạch vi xử lý), có bộ nhớ RAM, ROM cho hoạt động của CPU, có bàn phím điều khiển, ghép nối với vi tính PC (có thể song song hoặc nối tiếp RS232 hoặc USB), bộ nhớ phổ (có thể dành riêng cho phổ hoặc sử dụng bộ nhớ RAM chung, mạch biểu diễn trên màn hình)

Trang 15

5 Các đặc trưng cơ bản của MCA

5.1 Số kênh mã hoá (độ rộng kênh)

Thông thường lối vào tương tự của các ADC khoảng từ giá trị min vài trăm mv đến giá trị max hàng chục von; lối ra số N từ 1K đến 8K; độ rộng kênh (đơn vị số hóa- lượng tử hóa) được tính như sau:

ΔU = ( U max - U min )/ N

5.2 Độ phi tuyến tích phân

Trong thực tế đường biến đổi không tuyến tính ( Hàm số tương quan giữa thế vào và số kênh ra không tuyến tính) N = f (U) không phải là hàm bậc nhất đơn giản Sự sai khác này gây ra độ phi tuyến tích phân, độ phi tuyến tích phân cho phép biến đổi từng kênh được tính theo công thức sau:

ηtp= (Ui – U’i )/ Ui

Ui: là giá trị biên độ lý tưởng, biến đổi tuyệt đối tuyến tính

U’i : là giá trị biên độ biến đổi thực

Độ phi tuyến tích phân của toàn phổ được lấy giá trị max của giá trị lệch từng kênh, và được tính theo công thức sau:

ηtpmax = (Ui – U’i ) max/ Ui

Độ phi tuyến tích phân của các ADC ηtp thông thường có giá trị từ 0,5% đến 0,05%

5.3 Độ phi tuyến vi phân

Độ phi tuyến vi phân đánh giá độ đồng nhất của độ rộng các cửa sổ năng lượng (độ rộng kênh), được tính theo công thức sau:

ηvpmax = ( ΔUimax – ΔUo)/ ΔUo

ở đây ΔUi max là độ rộng kênh lớn nhất tìm thấy, ΔUo là độ rộng kênh trung bình của phép biến đổi

Tham số này rất quan trọng trong các bài toán xác định hoạt độ các đồng vị phóng xạ qua bài toán phân tích phổ năng lượng

Trang 16

Độ phi tuyến vi phân của các ADC ηvp thông thường có giá trị từ 0.2% đến 2%

5.4 Thời gian biến đổi

Tham số này rất quan trọng khi lựa chọn loại ADC cho các bài toán khác nhau, nó có giá trị từ vài chục ns đến vài trăm μs tùy theo loại ADC

Đối với Ramp ADC (Wilkinson ADC thời gian biến đổi tính theo công thức sau tbđ= N.T ở đây N là số kênh biến đổi, T là chu kỳ máy phát nhịp)

Đối với ADC gần đúng liên tiếp tùy theo số bit của ADC ví dụ như ADC 4K là 12 bit có thời gian biến đổi theo công thức sau:

Tbđ= P.T ở đây P là số bit, T là chu kỳ máy phát nhịp

Đối với ADC biến đổi trực tiếp (Flash ADC) thời gian biến đổi không phụ thuộc số kênh, số bit biến đổi mà tùy thuộc độ phản ứng của vi mạch cấu tạo ADC

6 Đánh giá chất lượng của MCA

6.1 Độ phân giải của MCA

Độ phân giải (lưu ý đây không phải là độ phân giải của phổ năng lượng của toàn hệ gồm cả đầu dò mà ở đây chỉ riêng hệ điện tử MCA), nên ở đây độ phân giải chính là số kênh của MCA Để đánh giá nó sử dụng tín hiệu từ máy phát xung biên độ chính xác, trên phổ biên độ chỉ có một kênh được ghi, cùng lắm là hai kênh (trong trường hợp biên độ máy phát xung chính xác nằm ở đường ranh giới hai kênh), nếu có 3 kênh trở lên thì MCA có độ phân giải 2K,

ta tiếp tục giảm hệ số biến đổi để nhận được phổ chỉ nhỏ hơn hai kênh đó chính là độ phân giải của MCA

Trang 17

6.2 Thời gian biến đổi

Thời gian biến đổi của MCA là thời gian xử lý tín hiệu bao gồm thời gian biến đổi của ADC (đối với ADC xấp xỉ liên tiếp là cố định, đối với ADC Wilkinson phụ thuộc biên độ xung vào) và thời gian chuyển số liệu vào bộ nhớ phổ Thông thường giá trị bé hơn 100 μs Để đo thời gian này sử dụng cấu hình sau:

Hình 1.4 Hệ biên độ xác định thời gian xử lý tín hiệu

Máy phát xung kép TTL khoảng cách 2 xung có thể thay đổi từ khoảng

200 μs, tần số lặp lại xung kép 1.000 Hz Xung kép này khởi phát máy phát xung hạt nhân, tín hiệu này tiếp tục được khuếch đại và tạo dạng qua khối khuếch đại phổ độ rộng xung tạo dạng khoảng 1μs, biên độ bằng tín hiệu max của ADC Trong quá trình kiểm tra từng bước giảm khoảng cách hai xung kép chừng nào MCA coi xung kép như một xung thì dừng lại, khoảng cách hai xung kép chính là thời gian xử lý của MCA

6.3 Độ phi tuyến tích phân

Độ phi tuyến tích phân biểu hiện sự thay đổi tương đối giữa giá trị biên

độ đo được và giá trị biến đổi lý tưởng, biểu diễn bởi công thức sau:

ηtp= ( Ui-U’i )/ Ui

Ở đây Ui là biên độ lý tưởng còn Ui’ là giá trị đo đươc Thông thường giá trị này nhỏ hơn 0,1 %

Trang 18

Hình 1.5 Hệ xác định độ phi tuyến tích phân

Để xác định độ phi tuyến tích phân sử dụng hệ thiết bị như hình trên

gồm máy phát biên độ chính xác, khuếch đại phổ và hệ MCA Quá trình đánh giá như sau:

Đặt chuyển mạch thô của máy phát vị trí số 9, tần số phát 1000 HZ, xác lập MCA chế độ 4 K, tạo dạng xung 10μs, thay đổi hệ số khuếch đại để peak rơi vào kênh khoảng 90% toàn thang, đo trong 10s, chuyển mạch xuống vị trí

số 8 đo trong 10s, cứ tiếp tục như vậy đến vị trí 0 ta thu được 10 peak Ta thấy rằng khoảng cách các peak sẽ không đồng đều vì độ phi tuyến tích phân Đánh giá phi tuyến tích phân theo công thức sau:

ηtp= (Δd max/d) 100%

Δd max: Là độ lệch cực đại khoảng cách các peak

d: Là tổng số kênh trong MCA

6.4 Độ phi tuyến vi phân

Độ phi tuyến vi phân chỉ ra độ lệch tương đối của độ rộng kênh xác định theo biểu thức sau:

ηvp = (ΔUi-ΔUo)max/(ΔUo) 100%

Ở đây ΔUi là độ rộng kênh thứ i, ΔUo là độ rộng kênh trung bình Giá trị ηvp thông thường từ 0,5 đến 2% Để xác định độ phi tuyến vi phân sử dụng

hệ thiết bị như sau:

Trang 19

Hình 1.6 Hệ thiết bị xác định độ phi tuyến vi phân

Máy phát xung RAMP đưa vào lối REF của máy phát biên độ chính xác, máy phát biên độ chính xác phát tần số 10.000 Hz, khuếch đại tạo dạng cho xung ra độ rộng 3μs, biên độ lựa chon để có thể quét từ 10% phổ đến 90% phổ, tích lũy số liệu để cho nội dung mỗi một kênh khoảng 50.000 số đếm để bảo đảm sai số thống kê bé, độ phi tuyến vi phân được tính theo công thức sau:

ηvp = ((Nm-Na)/Na) 100%

Ở đây Nm số đếm cực đại hay cực tiểu trong một kênh, Na là số đếm trung bình trong các kênh

7 Các thế hệ phân tích máy biên độ đa kênh

Máy phân tích biên độ đa kênh đã trải qua nhiều thế hệ khác nhau, đầu tiên là các MCA sử dụng bộ nhớ, ví dụ như MCA serries 30, 40 của CANBERRA

Trang 20

Hình 1.7 Máy phân tích biên độ đa kênh MCA series 40 của CANBERRA

Sau đó MCA được sản xuất ở dạng các card, các khối ghép với máy vi tính Card MCA ghép với máy vi tính qua các cổng giao tiếp như cổng song song, cổng nối tiếp, cổng USB

Hình 1.8 Card MCA ASA-100 cắm vào slot máy vi tính của CANBERRA

Trang 21

Cuối cùng là thế hệ máy phân tích đa kênh tiên tiến dựa trên công nghệ DSP (Digital Signal Processing) Tín hiệu từ tiền khuếch đại được xử lý bằng phương pháp số (DSP), tính không ổn định của phương pháp tương tự được loại bỏ Độ trôi các thông số theo nhiệt độ và thời gian bị loại bỏ, các thông số

đó như là hệ số khuếch đại, đường cơ bản InSpector 2000 của Canberra là một máy phân tích biên độ đa kênh dựa trên công nghệ DSP

Hình 1.9 InSpector 2000 – Máy phân tích đa kênh ghép với máy vi tính

dựa trên công nghệ DSP

Trang 22

8 Cấu tạo MCA sử dụng bộ nhớ

Sơ đồ khối và mô tả sơ lược hoạt động của MCA:

Hình 1.10 Sơ đồ khối của MCA sử dụng bộ nhớ

 Các khối chính trong MCA:

 Khối nguồn nuôi

 Khối logic điều khiển

 Sơ lược hoạt dộng của MCA sử dụng bộ nhớ:

 Xung vào MCA thường được lấy từ khối khuếch đại với biên độ U được khối ADC biến đổi thành tin tức số

 Tin tức số này được ghi nhớ ở thanh ghi địa chỉ (AS) và một ô nhớ i (hàng, cột) được chọn lựa

 Từ ô nhớ AS sẽ chỉ ra ô nhớ i (hàng, cột)

 Đọc nội dung của ô nhớ i đa có ra khối đếm

Trang 23

 Cộng thêm 1 vào nội dung ô nhớ vừa đọc

 Ghi nội dung mới từ khối đếm cộng 1 trở lại ô nhớ i

 Các khối DACx biến đổi tin tức số từ than ghi địa chỉ hiển thị các kênh của MCA, khối DACy biến đổi tin tức số về số đếm của kênh để hiển thị xung

 Khối logic điều khiển sẽ điều khiển toàn bộ hoạt động của MCA

 Khối nguồn nuôi cung cấp các mức điện áp thấp cho các khối

Quá trình này được lặp lại nhiều lần Khi kết thúc, bộ nhớ của MCA chứa thông tin theo xác suất rơi vào các kênh của xung Nếu biên độ xung tỉ lệ với năng lượng của bức xạ, bộ nhớ sẽ chứa phổ năng lượng Sau đó tín hiệu sẽ được đưa ra khối hiển thị

9 Chức năng và cấu tạo của các khối chính trong MCA

ADC có 3 kiểu cấu tạo chính là:

 ADC biến đổi trực tiếp (Flash ADC)

 Ramp ADC (Wilkinson ADC)

 ADC xấp xỉliên tiếp (Successive Approximation ADC)

Trong đó ADC Wilkinson là loại ADC được sử dụng rộng rãi nhất trong vật lý hạt nhân thực nghiệm vì những đặc trưng của nó khá tốt so với các loại ADC khác, tuy nhiên ADC này có thời gian biến đổi khá lớn, khó có khả năng rút ngắn vì tốc độ giới hạn của các vi mạch

Trong các máy phân tích biên độ đa kênh thì ADC wilkinson được sử dụng rộng rãi nhất

Trang 24

9.1.3 Cấu tạo ADC Wilkinson

Trên hình sau là sơ đồ khối của ADC Wilkinson

Hình 1.11 Sơ đồ khối và giản đồ thời gian của ADC Wilkinson

Hoạt động: Bộ phân biệt ngưỡng dưới và trên của vùng phân tích, bộ điều khiển cổng vào, bộ ghi và nhớ biên độ tín hiệu vào, bộ nhận biết đỉnh xung

Trang 25

vào, bộ phóng điện tuyến tính biến đổi biên độ tín hiệu vào A thành khoảng thời gian T, máy phát xung nhịp bằng thạch anh, bộ đếm, bộ so sánh mức tín hiệu trên tụ nhớ và mức không để kết thúc quá trình phóng điện tuyến tính 9.2 Chức năng vào cấu tạo của bộ nhớ

Ta sẽ tìm hiểu về một bộ nhớ của MCA có 1024 kênh

Hình 1.12 Tổ chức bộ nhớ 1024 kênh, 10 6 số đếm trên một kênh

Trên hình, 1 bộ nhớ với 1024 kênh, số đếm tối đa mỗi kênh là 2k = 106

Từ đó ta tính được k = 20, ta cần sử dụng 20 chip RAM loại (1K x 1) (vì 1K = 1024)

Trang 26

9.2.3 Tìm hiểu về bộ nhớ trong MCA Canberra series 30

Bộ nhớ có dung lượng lên tới 1024 kênh với 6 BCD digit (số đếm tối

đa 1 kênh là 106) Một bit được thêm vào để dự trữ cho mỗi kênh Bit đặc biệt này được sử dụng để xác định xem khi nào thì kênh được lựa chọn là ROI (vùng diện tích quan tâm)

Không phải tất cả các địa chỉ nhớ được sử dụng để lưu trữ số đếm trên một kênh Một số được sử dụng cho những mục đích đặc biệt Ví dụ, địa chỉ

bộ nhớ tương ứng với kênh 0 được sử dụng để lưu trữ thời gian sống, tức là thời gian trôi qua kể từ khi chu kỳ tích lũy bắt đầu, trừ đi thời gian chết

Kênh 1022 và 1023 được sử dụng để lưu trữ giá trị tổng, ví dụ tổng nội dung nhớ trong 1 vùng ROI Giám sát số đếm tổng đó cần phải có một dung lượng lớn hơn nội dung của kênh Vì lý do đó, kênh tích phân có dung lượng

là 108

Hình 1.13 Sơ đồ khối tổ chức bộ nhớ trong MCA Canberra Series 30

Trang 27

1024 kênh được sử dụng có những mục đích như sau:

Bảng 1.1 Chức năng của kênh

1 tới 1021 Đếm bình thường 6 BCD + 1 ROI digit

Dòng địa chỉ từ A0 đến A9 xác định số kênh

Dữ liệu vào đi qua 4 dòng mã BCD Các digit được đưa vào liên tục

Sự lựa chọn số được hoàn thành với các dòng MD4, MD2 và MD1 dựa theo bảng sau

Dữ liệu cũng được truyền ra output thông qua 4 dòng BCD và được lựa chọn giống với bảng ở trên

Một ví dụ, hãy giả thiết rằng ADC chuyển 1 xung ở kênh 324 Một số đếm được thêm vào nội dung kênh 324 hiện thời Dòng ADC output được kết nối thông qua bộ dồn kênh (multiplexer), từ các dòng địa chỉ A0 đến A9, theo đoạn mã sau:

Trang 28

mũ 10 có ý nghĩa thấp nhất (100) Giá trị này sẽ đi tới 1 mạch đặc biệt gọi là

bộ logic cộng 1 và kết quả sẽ được viết ngược trở lại vào địa chỉ nhớ Nếu nội dung trước đó là mức 9, một tín hiệu sẽ được phát ra và một mức 0 được viết vào digit và bit routing tăng thêm 1, lựa chọn mũ 10 tiếp theo là 101

Bộ nhớ sử dụng loại chip 4K x 1 CMOS RAM 8 chip được sử dụng và nối liền với nhau như hình dưới

Hình 1.14 Tổ chức bộ nhớ MCA Canberra C30

Quan sát khối nhớ cơ bản gồm 2 chip cùng chia sẻ chân input và chân output Chip nào hoạt động tùy thuộc vào trạng thái của chân được lựa chọn

Trang 29

Mỗi chíp nhớ có 12 dòng địa chỉ để lựa chọn 1 trong số 4K địa chỉ nhớ

9 dòng đầu tiên được kết nối trực tiếp từ A0 đến A8 tới từ thiết bị chứa địa chỉ (ví dụ như ADC) Dòng input thứ 10 (A9) được sử dụng để lựa chọn 1 trong 2 chip trong khối chip cơ bản

Sơ đồ bộ nhớ của một bank nhớ tương ứng với bit D8 của một số BCD được cho

Hình 1.15 Tổ chức bộ nhớ của digit D8

Việc ghi địa chỉ của bộ nhớ có thể đến từ nhiều nguồn khác nhau phụ thuộc vào các chỉ thị được thực thi Một bộ dồn kênh sẽ lựa chọn nguồn có thể là ADC hoặc các thanh ghi mà liên quan đến dữ liệu cần hiển thị (ROI, con trỏ)

Trang 30

Bộ phận hiển thị bao gồm bộ đếm địa chỉ đảm trách việc định vị

đồng bộ với phần hiển thị đó Tần số xung nhịp 25 MHz đ

đếm nhị phân, xuất số liệu ra theo m

BCD với dữ liệu ra từ bộ nhớ; khi so

gửi tới bộ khuếch đại vid

Các kí tự hiển thị tr

điện đặc thù dựa trên b

C BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN KĨ THU

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ối hiển thị

ối hiển thị của MCA thường được dùng màn hình TV

Hình 1.16 Màn hình hiển thị

ộ phận hiển thị bao gồm bộ đếm địa chỉ đảm trách việc định vị

ồng bộ với phần hiển thị đó Tần số xung nhịp 25 MHz đ

ếm nhị phân, xuất số liệu ra theo mã BCD Bộ so sánh có nhiệm vụ so các số

ới dữ liệu ra từ bộ nhớ; khi so sánh bằng, một tín hiệu xung sẽ đ

ửi tới bộ khuếch đại video, sinh ra điểm chấm dot trên màn hình

Hình 1.17 Hiển thị nội dung nhớ

ự hiển thị trên màn hình được phát ra nhờ việc sử dụng mạch

ên màn hình

ợc phát ra nhờ việc sử dụng mạch

Trang 31

Các kí tự được biểu diễn nhờ việc sử dụng mà trận 7 hàng 5 cột Mỗi cột được gán cho một đường hiển thị, và có thể hiển thị 7 dot bằng cách điều khiển mạch video với 7 xung ngắn

Hình 1.18 Ma trận hiển thị kí tự: a) Ma trận cơ bản 7 hàng 5 cột, b) Tín

hiệu video cho cột đầu tiên, c) Hiển thị ký tự 2

Mọi kí tự đều có thể biểu diễn đủ chính xác qua ma trận 7 hàng 5 cột Trên hình 14 dot tương ứng với logic “1”, khoảng trắng tương ứng với logic

“0”, kí tự 2 được hình thành qua việc tập hợp các dot thích hợp

Về cơ bản, mạch hình thành ký tự bao gồm ROM và bộ dồn kênh ROM chứa các kiểu 0 và 1 để đặc trưng cho mọi ký tự

Hình 1.19 Bộ phát ký tự

Trang 32

Ta hãy xem biểu diễn các sự kiện dẫn tới cách biểu diễn chữ số 2 trên màn hình Đầu tiên, dữ liệu nhị phân được áp tới các đường địa chỉ A3, A4, A5, A6 của ROM Tiếp đến, mạch điều khiển các đường A7, A8 thông báo một chữ số nào đó được hiển thị, giả sử là 0 hay 1 Như vậy các trạng thái tương ứng với các đường địa chỉ trên là 100010xxx Các đường địa chỉ này chọn vùng nhớ trong đó ROM chiếm 8 vị trí Trong các vị trí này, các kiểu bit biểu diễn kí tự 2 được lưu trữ

Trang 33

CHƯƠNG II THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY PHÂN TÍCH BIÊN ĐỘ

ĐA KÊNH

1 Mục tiêu :

- Xây dựng được một bộ biến đổi tương tự - số (ADC) phù hợp với điều kiện thực tế như độ ổn định cao, thời gian cho một biến đổi nhanh làm giảm thời gian chết của hệ phân tích, và mức tiêu thụ năng lượng thấp

- Kích thước nhỏ gọn, có khả năng kết nối nhanh với máy tính qua USB tạo ra bộ phân tích phổ đa kênh (MCA)

- Để có được thời gian chết của hệ thấp không chỉ đòi hỏi ADC phải có thời gian biến đổi nhanh mà thời gian đưa dữ liệu ra cho vi xử lý đọc cũng phải nhanh, nên ta không lựa chọn những ADC mà đưa dữ liệu ra kiểu nối tiếp mà ta chọn ADC đưa dữ liệu ra song song sẽ giúp ta giải quyết vấn đề tốt hơn

2 Giải pháp :

- Trên thị trường hiện nay có rất nhiều các vi mạch biến đổi tương tự - số với các thông số khác nhau về thời gian biến đổi, độ ổn định, mức tiêu thụ năng lượng … để phục vụ cho các ứng dụng khác nhau

- Với mục đích thiết kế một bộ biến đổi tương tự - số phục vụ cho việc phân tích đa kênh đòi hỏi ta phải lựa chọn ADC có độ phân giải cao, thời gian biến đổi nhanh và độ ổn định cao

- Để có được thời gian chết của hệ thấp không chỉ đòi hỏi ADC phải có thời gian biến đổi nhanh mà thời gian đưa dữ liệu ra cho vi xử lý đọc cung phải nhanh, nên ta không lựa chọn những ADC mà đưa dữ liệu ra kiểu nối tiếp mà ta chọn dữ liệu ra song song sẽ giúp ta giải quyết vấn đề tốt hơn

Trang 34

Bảng 2.1 Thông số các chip ADC

Tên chip Thời gian

BĐ(uS)

Tần số lấy mẫu

Nguồn nuôi Phi tuyến

Vi phân

Phi tuyến tích phân AD9224 0.025 40MSPS 5V 415mW ±1LSB ±2,5LSB

Trang 35

3 Sơ đồ khối máy phân tích biên độ đa kênh

Hình 2.1 Sơ đồ khối của máy phân tích biên độ đa kênh

Hoạt động:

Xung vào sẽ được lấy từ khối khuếch đại Xung vào tới biên độ Ui

được khối ADC biến đổi thành tin tức số Tin tức này được ghi ở thanh ghi

địa chỉ Bộ nhớ được cấu trúc từ các chip RAM Số lượng ô nhớ tương ứng

với số kênh của MCA Nội dung của ô nhớ sẽ là tin tức số k bit

Xung có biên độ Ui được ghi nhận vào ô nhớ i theo trình tự như sau:

- Từ khối thanh địa chỉ trong ADC sẽ chỉ ra ô nhớ i (hàng , cột)

- Đọc nội dung của ô nhớ i đã có ra khối đếm cộng 1

- Cộng thêm 1 vào nội dung ô nhớ i vừa đọc ra

- Ghi nội dung mới từ khối đếm cộng 1 trở lại ô nhớ i

- Biến đổi tin tức số về số đếm để hiển thị xung

Khối điều khiển logic sẽ điều khiển toàn bộ hoạt động của MCA

3.1 Thiết kế bộ khuếch đại phổ cho MCA

3.1.1 Yêu cầu thiết kế của bộ khuếch đại phổ

Do tín hiệu được ghi nhận từ đầu dò có xung biên độ bé và dạng xung không đồng đều nên nếu đưa luôn tín hiệu vào bộ biến đổi ADC thì ADC không thể phân tích được Vì vậy ta cần chế tạo một bộ khuếch đại phổ, sao

Trang 36

cho tín hiệu sau khi đi qua bộ khuếch đại thì tín hiệu xung từ vài trăm milivôn thành xung dạng Gauss độ rộng 6μS, biên độ xung từ 0 đến 10 V

3.1.2 Cấu tạo và sơ đồ nguyên lý của khuếch đại phổ

Từ những yêu cầu trên thì bộ khuếch đại phổ được thiết kế gồm các mạch khuếch đại sử dụng khuếch đại thuật toán, tạo dạng, ghim mức không lối ra Đặc biệt bộ khuếch đại có hệ số khuếch đại ngoài việc thay đổi hệ số khuếch đại từ các mạch khuếch đại thuật toán, còn thay đổi được bằng phần mềm từ

vi xử lý trong khoảng từ 0% đến 50% hệ số khuếch đại trong dải làm việc tương ứng Ưu điểm của khuếch đại dung bộ khuếch đại bằng số là mạch có thể tự động ổn đinh phổ và tự động chuẩn thiết bị Bằng cách thông qua đỉnh phổ chuẩn vi xử lý sẽ tăng hay giảm hệ số khuếch đại tuy thuộc vào độ trôi của đỉnh phổ chuẩn cho đến khi đỉnh phổ chuẩn rơi vào đúng vị trí đã định sẵn Khi đó ta sẽ thiết lập được sơ đồ khối của bộ khuếch đại phổ như hình 2.2

Hình 2.2 Sơ đồ khối khuếch đại phổ

Nguyên lí hoạt động của sơ đồ khối này là:

Khi tín hiệu từ đầu dò vào sẽ được đưa qua mạch vi phân tín hiệu để cắt đuôi xung tín hiệu, loại bỏ phần DC trong tiền khuếch đại nhạy điện tích Đồng thời tín hiệu sẽ được đưa qua mạch khử không để cho xung tín hiệu

Trang 37

thành xung đơn cực và không có bướu âm Sau đó tín hiệu sẽ được đưa qua hai mạch khuếch đại tín hiệu sử dụng khuếch đại thuật toán Khi tín hiệu được khuếch đại lên thì cần phải được tạo dạng tín hiệu và tín hiệu sẽ được đưa qua một mạch tạo dạng tín hiệu Tín hiệu đi qua mạch tạo dạng sẽ có dạng xung gần giống dạng xung mà ta yêu cầu Khi đó tín hiệu sẽ được đưa qua một tầng khuếch đại số để khuếch đại tín hiệu lên Sau khi tín hiệu được khuếch đại biện độ lên phù hợp với xung vào của ADC thì tín hiệu sẽ được đưa qua mạch hồi phục đường cơ sở để hồi phục đường cơ sở về mức không

Trang 38

Trang 39

Nguyên lí hoạt động của mạch khuếch đại:

 Các tín hiệu bức xạ được lấy từ đầu dò sẽ đưa vào mạch vi phân tín hiệu đầu vào và lại bỏ bướu âm để tín hiệu có độ rộng xung nhỏ bớt lại và xung sẽ trở thành xung đơn cực và không còn bướu âm Hình dạng tín hiệu xung vào sẽ như hình 2.4

Hình 2.4 Dạng xung vào của mạch khuếch đại

Như hình 2.4 thì ta thấy tín hiệu xung vào sẽ là xung âm và biên độ tín hiệu xung vào sẽ là 0.26V Sơ đồ nguyên lí của mạch vi phân tín hiệu và khử bướu âm sẽ như hình 2.5

Trang 40

Hình 2.5 Mạch vi phân tín hiệu vào và khử điểm không

 Sau khi tín hiệu xung vào đi vào mạch vi phân tín hiệu vào và khử điểm không thì tín hiệu sẽ trở thành tín hiệu tín hiệu xung đơn cực và không

có bướu âm Ngoài ra trong mạch vi phân tín hiệu vào và khử điểm không cũng đông thời là mạch khuếch đại thuật toán đảo pha, khi đó tín hiệu ra khỏi mạch vi phân tín hiệu vào và khử điểm không sẽ thành xung dương và khuếch đại thành tín hiệu xung có biên độ là 0.6V Hình dạng tín hiệu xung đi qua đi qua mạch vi phân tín hiệu và khử điểm không như hình 2.6

Hình 2.6 Dạng xung qua mạch vi phân tín hiệu và khử điểm không

Định dạng
Số trang	87
Dung lượng	4,83 MB