Thiết kế, chế tạo hệ tách xung nơtron và gamma sử dụng kỹ thuật xử lý tín hiệu số

1.2 Loại trừ ảnh hưởng của gamma trong các phổ đo nơtron 13 1.3 Một số phương pháp phân biệt xung nơtron/gamma trong đetectơ 1.3.1 Kỹ thuật phân biệt dựa vào thời gian vượt ngưỡng 18 1

BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ VIỆT NAM

PHAN VĂN CHUÂN

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ TÁCH XUNG NƠTRON VÀ

GAMMA SỬ DỤNG KỸ THUẬT XỬ LÝ TÍN HIỆU SỐ

LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ

Đà Lạt - 2019

BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ VIỆT NAM

PHAN VĂN CHUÂN

i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS TS Nguyễn Đức Hòa và TS Nguyễn Xuân Hải Bên cạnh đó, tôi cũng nhận được sự tham gia hỗ trợ của các thành viên trong nhóm nghiên cứu Các số liệu thực nghiệm và kết quả nghiên cứu nêu trong luận án được tổng hợp từ các công trình nghiên cứu đã đăng tải trên các tạp chí, kỷ yếu hội nghị khoa học – công nghệ và không sao chép bất cứ công trình nào

Tác giả

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn tới TS Nguyễn Xuân Hải đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tôi rất nhiều trong suốt quá trình thực hiện luận án, đặc biệt là những kiến thức trong thực nghiệm và các công bố khoa học

Xin trân trọng cảm ơn đến Ban Giám hiệu Trường Đại học Đà Lạt, Ban Chủ nhiệm Khoa Vật lý – Trường Đại học Đà Lạt đã luôn ủng hộ, động viên, tạo điều kiện để nghiên cứu sinh hoàn thành nhiệm vụ

Tôi xin chân thành cảm ơn đến các Anh/Chị tại Trung tâm đào tạo, Viện Nghiên cứu Hạt nhân Đà Lạt đã tạo điều kiện, tận tình giúp đỡ rất nhiều trong quá trình thực nghiệm

Tôi xin chân thành cảm ơn TS Phạm Ngọc Sơn và TS Trần Tuấn Anh – Viện Nghiên cứu Hạt nhân Đà Lạt về việc giúp đỡ bố trí các thí nghiệm đo trên kênh và những trao đổi chuyên môn rất bổ ích cho luận án

Cuối cùng, tôi xin cảm ơn đến người thân, bạn hữu xa, gần về những chia sẻ giúp đỡ trong suốt quá trình thực hiện luận án

Nghiên cứu sinh

Phan Văn Chuân

1.2 Loại trừ ảnh hưởng của gamma trong các phổ đo nơtron 13

1.3 Một số phương pháp phân biệt xung nơtron/gamma trong đetectơ

1.3.1 Kỹ thuật phân biệt dựa vào thời gian vượt ngưỡng 18

1.3.4 Phương pháp phân biệt dựa vào khớp với xung chuẩn 21

1.4 Đánh giá hiệu quả phân biệt dạng xung của các phương pháp 26 1.5 Kỹ thuật DSP và công nghệ FPGA trong thiết kế, chế tạo hệ đo

iv

2.3 Xây dựng các thuật toán phân biệt dạng xung nơtron/gamma 57

2.4 Phương pháp phân biệt dạng xung dựa vào xung tham khảo 63

3.1 Kết quả thiết kế và chế tạo đetectơ EJ-301 đo nơtron-gamma 82

3.1.6 Kết quả sử dụng các phương pháp phân biệt dạng xung

3.2 Kết quả đạt được của phương pháp xung tham khảo trên đetectơ

3.3 Kết quả thực hiện trên hệ đo nơtron nhanh và gamma 94

3.3.3 So sánh phổ nơtron/gamma đo được với một số nghiên cứu khác 104

DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN

v

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

ADC Analog-to-Digital Converter Bộ chuyển đổi tương tự thành số

CFD Constant Fraction Discriminator Bộ phát hiện ngưỡng

CPR Correlation Pattern Recognition Phương pháp nhận dạng mẫu

quantum clustering

Phân biệt dựa trên phân cụm lượng

tử

DCI Digital Charge Integration Phương pháp tích phân xung

DFTM Discrete Fourier Transform

Method

Phương pháp biến đổi Fourier rời rạc

DSP Digital Signal Processing Xử lý tín hiệu số

DWT Discrete Wavelets Transform Biến đổi wavelet rời rạc

EEPROM Electrically Erasable ROM Bộ nhớ ROM xóa được bằng điện ENOB Effective number of bits Số bit hiệu dụng

FPGA Field-Programmable Gate Array Mảng cổng lập trình được

FWHM Full Width at Half Maximum Độ rộng nửa chiều cao

vi

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

MCA_DRS4 Multi Channel Analyzer DRS4 Máy phân tích đa kênh sử dụng bản

mạch DRS4

OP-AMP Operational Amplifier Bộ khuếch đại thuật toán

PGA Pulse Gradient Analysis Phân tích độ dốc xung

PSD Pulse Shape Discrimination Phân biệt dạng xung

PSI Paul Scherrer Institute Viện nghiên cứu Paul Scherrer

vii

SFDR Spurious-Free Dynamic Range Dải động vùng nhiễu

SINQ Spallation Neutron Source Nguồn nơtron tạo ra trong máy gia

tốc hạt SNR Signal-to-noise ratio Tỉ số tín hiệu trên nhiễu

TAC Time-to-Amplitude Converter Bộ chuyển đổi thời gian thành biên

độ

VHDL VHSIC Hardware Description

WTM Wavelet Transform Method Phương pháp biến đổi wavelet

viii

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Các thành phần phân rã trong một số chất nhấp nháy hữu cơ 15

Bảng 1.2 Một số phương pháp phân biệt dạng xung nơtron/gamma 18

Bảng 2.1 Các tham số chính của R9420 [63] 34

Bảng 2.2 Các tham số quan trọng của THS3202 37

Bảng 2.3 Các tham số linh kiện sử dụng trong mạch TKĐ 39

Bảng 2.4 Giá trị đọc được tương ứng với điện áp trong hai chế độ điện áp vào 54

Bảng 2.5 Các tham số chính của máy phát xung ORTEC 419 68

Bảng 2.6 Các tham số chính của oscilloscope DPO7254C 68

Bảng 2.7 Kết quả khảo sát các tham số của TKĐ với các hệ số khuếch đại khác nhau 69

Bảng 2.8 Tốc độ đếm theo khoảng cách đến nguồn và giá trị trung bình đường cơ bản 71

Bảng 2.9 Biên độ xung ra tương ứng với năng lượng của các nguồn 22 Na, 137 Cs và 60 Co 75

Bảng 3.1 Kết quả khảo sát các tham số của đetectơ EJ-301 83

Bảng 3.2 Kết quả khảo sát tốc độ đếm và hiệu suất ghi của một số nguồn gamma và nơtron 86

Bảng 3.3 Bảng các tham số khớp với số liệu đo từ nguồn 137 Cs và 252 Cf theo biểu thức (1.2) 87

Bảng 3.4 Giá trị các tham số của (3.4) khi khớp cho bốn phương pháp 90

Bảng 3.5 So sánh tỉ lệ nơtron phân loại được so với số sự kiện ghi nhận được trong các phương pháp 99

Bảng 3.6 Bảng 3.6 Kết quả đếm nơtron và gamma trên nguồn 252 Cf 100

Bảng 3.7 Số đếm tổngvà tỉ lệ nơtron thu được trên dòng nơtron 148keV từ kênh số 4 lò PƯHN Đà Lạt 101

Bảng 3.8 So sánh tỉ lệ nơtron khi loại bỏ các xung chồng chập khi đo phông 102

Bảng 3.9 Bảng so sánh các giá trị FoM của bốn phương pháp trên chương trình MCA_DRS4 và so với các công trình khác 103

ix

Bảng 3.10 Bảng so sánh giá trị FoM của phương pháp RP với một số phương

pháp mới của các tác giả khác 103

DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Cấu trúc một đetectơ nhấp nháy và kết nối 09

Hình 1.2 Lượng ánh sáng phát ra đối với hạt điện tử, proton, alpha và cacbon trong chất nhấp nháy EJ-301 [35] 10

Hình 1.3 Sơ đồ hệ đo nơtron sử dụng đetectơ nhấp nháy (a) Hệ tương tự, (b) Hệ kỹ thuật số 11

Hình 1.4 Một xung nơtron (đường đậm) và gamma (đường lạt) được hình thành trong ống đếm proton giật lùi [47] 14

Hình 1.5 Sự khác nhau giữa xung nơtron và gamma trong một số chất nhấp nháy hữu cơ [51] 16

Hình 1.6 Minh họa phương pháp phân biệt xung nơtron-gamma dựa vào thời gian vượt ngưỡng 18

Hình 1.7 Minh họa phương pháp phân biệt dựa vào độ dốc 19

Hình 1.8 Minh họa phương pháp phân biệt dựa trên diện tích xung 20

Hình 1.9 Các xung RPn, RPg và xung đo từ đetectơ sử dụng trong phương pháp SEF [57] 21

Hình 1.10 Minh họa phương pháp CPR 22

Hình 1.11 (a) Các xung nơtron và gamma trung bình được chuẩn hóa biên độ (b) các hàm tỷ lệ P(a) tương ứng trong phân tích wavelet [33] 24

Hình 1.12 Phổ phân bố tham số PSD nơtron/gamma và tính FoM 26

Hình 1.13 Mô hình hệ đo nơtron sử dụng kỹ thuật DSP và công nghệ FPGA 28

Hình 2.1 Mô tả thiết kế vỏ đetectơ nhấp nháy ghi nơtron 31

Hình 2.2 Bản thiết kế đầu nhấp nháy EJ-301 32

x

Hình 2.3 Thiết kế vỏ đetectơ 33

Hình 2.4 Sơ đồ mạch phân cực cho R9420 34

Hình 2.5 Dạng xung từ anode của PMT: (a) Khi chưa mắc R Y và C 1-3 ; (b) khi đã mắc R Y và C 1-3 trong mạch chia thế 35

Hình 2.6 Một xung tiêu biểu từ anode của PMT được lấy mẫu ở tần số 2,5 GSPS và băng thông 2,5 GHz 36

Hình 2.7 Sơ đồ tiền khuếch đại của đetectơ EJ-301 39

Hình 2.8 Mạch tiền khuếch đại sử dụng THS 3202 39

Hình 2.9 Sơ đồ cấu trúc phần cứng hệ đo nơtron bằng kỹ thuật số sử dụng đetectơ EJ-301 40

Hình 2.10 Dạng xung ra từ đetectơ EJ-301 được lấy mẫu từ oscilloscope DPO7254C 41

Hình 2.11 Bản mạch DRS4 V5.1 44

Hình 2.12 Cấu trúc bản mạch DRS4 V5.1 44

Hình 2.13 Cấu trúc mảng giữ mẫu và quá trình lấy mẫu của vi mạch DRS4 [73] 45

Hình 2.14 Phân bố khoảng thời gian giữa hai lần lấy mẫu liên tiếp nhau ở tốc độ 1GSPS của DRS4 46

Hình 2.15 Lưu đồ thuật toán hiệu chỉnh điện áp và thời gian cho một kênh trên DRS4 47

Hình 2.16 Nhiễu đo được trên kênh của bản mạch DRS4 khi: (a) Chưa hiệu chuẩn; (b) Đã hiệu chuẩn điện áp 48

Hình 2.17 Lưu đồ thuật toán chương trình hệ đo nơtron nhanh và gamma 48

Hình 2.18 Lưu đồ thuật toán quá trình số hóa trên FPGA 50

Hình 2.19 Sơ đồ cấu hình cho FPGA trong bản mạch DRS4 51

Hình 2.20 Lưu đồ thuật toán chương trình trên vi điều khiển 52

xi

Hình 2.21 Lưu đồ thuật toán chương trình trên máy tính 53

Hình 2.22 Các khối mã chương trình cài đặt, truyền/nhận dữ liệu và các phương pháp PSD 55

Hình 2.23 Menu chương trình chính 55

Hình 2.24 Giao diện cửa sổ chính của chương trình MCA_DRS4 55

Hình 2.25 Một số thiết lập phần cứng hệ đo 56

Hình 2.26 Các mục được xây dựng trong menu 57

Hình 2.27 Các mục được xây dựng trong menu ROI 57

Hình 2.28 Xung nơtron và gamma tiêu biểu và các xung hình thành tương ứng qua khối (CR)2RC kỹ thuật số 58

Hình 2.29 Lưu đồ thuật toán phương pháp thời gian vượt ngưỡng 59

Hình 2.30 Lưu đồ thuật toán phương pháp độ dốc xung 60

Hình 2.31 Mô tả phương pháp tính tỉ số diện tích xung 61

Hình 2.32 Lưu đồ thuật toán phương pháp diện tích xung 61

Hình 2.33 Lưu đồ thuật toán phương pháp nhận dạng mẫu 62

Hình 2.34 Thống kê tỉ số diện tích đuôi trên diện tích tổng của xung trong phương pháp DCI 64

Hình 2.35 Xung RPn và RPg được tính trung bình từ các xung trên nguồn 252 Cf và một xung đo tiêu biểu từ đetectơ (các xung đã được chuẩn hóa) 64

Hình 2.36 Lưu đồ thuật toán phương pháp RP 65

Hình 2.37 Minh họa xung chồng chập so với các xung RPn và RPg (các xung đã được chuẩn hóa) 67

Hình 2.38 Cấu hình khảo sát vùng tuyến tính và nhiễu cho TKĐ 68

Hình 2.39 Tỉ số tín hiệu trên nhiễu theo hệ số khuếch đại của TKĐ 69

xii

Hình 2.40 Đánh giá mức DC và nhiễu khi lối vào TKĐ nối đất 70

Hình 2.41 Cấu hình đo đánh giá đường cơ bản cho đetectơ 70

Hình 2.42 Dạng xung từ đetectơ và thống kê nhiễu 72

Hình 2.43 Giá trị SNR theo ngưỡng năng lượng trong trường hợp hệ số khuếch đại 13,2 và 8,9 73

Hình 2.44 Cấu hình đo hiệu suất ghi tương đối của đetectơ 73

Hình 2.45 Khớp xung gamma/nơtron theo mô hình (1.2): (a) Xung gamma; (b) xung nơtron 76

Hình 2.46 Cấu hình đo đánh giá hệ đo nơtron nhanh 77

Hình 2.47 Phổ đo trên các nguồn gamma 22 Na, 137 Cs và 60 Co 78

Hình 2.48 Phổ phông nơtron trong phép đo phông của nguồn 252 Cf 79

Hình 2.49 Phổ phông nơtron trong phép đo phông trên kênh số 4 79

Hình 2.50 Hình ảnh hệ đo thực nghiệm trên nguồn 252 Cf 79

Hình 2.51 Hình ảnh hệ đo thực nghiệm trên kênh 4 của LPƯHN 79

Hình 2.52 Phân bố các tham số chồng chập tính theo: (a) Biên độ xung; (b) Tham số nhận dạng S 81

Hình 3.1 Kết quả khảo sát mức DC và nhiễu đầu ra khi TKĐ ở chế độ tĩnh 82

Hình 3.2 Đường cơ bản của xung theo tốc độ đếm 83

Hình 3.3 Vùng tuyến tính của TKĐ 84

Hình 3.4 Đường khớp của biên độ xung ra theo năng lượng của đetectơ với các nguồn chuẩn: 60 Co, 22 Na và 137 Cs 85

Hình 3.5 Phân bố các tham số PSD của bốn phương pháp: (a) Phương pháp TCT, (b) Phương pháp PGA, (c) Phương pháp DCI, (d) Phương pháp CPR 87

xiii

Hình 3.6 Kết quả tính toán FoM của: (a) Phương pháp TCT, (b) Phương pháp PGA, (c) Phương pháp DCI, (d) Phương pháp CPR 88 Hình 3.7 Các giá trị tính toán FoM cho bốn phương pháp theo năng lượng khảo sát trong vùng 50 ÷ 1100keVee 89 Hinh 3.8 Đồ thị phân bố kết quả của phương pháp RP trên (a) Nguồn 252 Cf (b) Nguồn 60 Co với ngưỡng 50keVee 92 Hình 3.9 Kết quả của phương pháp DCI: (a) Phân bố tham số phân biệt dạng xung theo năng lượng (b) Thống kê với ngưỡng 50keVee 92 Hình 3.10 Các giá trị FoM tính toán bằng phương pháp RP cho (a) Nguồn 252 Cf (b) Nguồn 60 Co với ngưỡng 50 keVee 93 Hình 3.11 Các giá trị FoM tính toán với ngưỡng 50keVee của: (a) RP; (b) DCI 93 Hình 3.12 Các giá trị FoM tính toán như hàm của ngưỡng năng lượng tương ứng với phương pháp DCI và phương pháp RP trong vùng năng lượng 50 ÷ 1350keVee 94 Hình 2.13 Giao diện cửa sổ tính toán phổ tổng trên nguồn 252 Cf 95 Hình 3.14 Giao diện cửa sổ tính toán phổ nơtron và phổ gamma trên nguồn 252 Cf 95 Hình 3.15 Giao diện cửa sổ biểu diễn các tham số PSD cho các phương pháp khi đo trên nguồn 252 Cf 96 Hình 3.16 Giao diện cửa sổ tính toán phổ nơtron và phổ gamma trên dòng nơtron 148keV từ kênh số 4 96 Hình 3.17 Kết quả tính toán các tham số phân biệt của 4 phương pháp trên kênh số

4 khi: (a) Kênh được đóng, (b) Kênh được mở 97 Hình 3.18 Kết quả phân biệt nơtron/gamma của phương pháp DCI khi đo trên nguồn 252 Cf (a) Khi đóng nguồn, (b) Khi mở nguồn 97 Hình 3.19 Thống kê tham số PSD khi đo phông trên nguồn 252 Cf (a) Phương pháp DCI, (b) Phương pháp RP 97

xiv

Hình 3.20 Kết quả phân biệt nơtron/gamma của phương pháp RP khi đo trên nguồn

252 Cf (a) Khi đóng nguồn (b) Khi mở nguồn 98

Hình 3.21 Thống kê tham số PSD khi đo trên nguồn 252 Cf của: (a) Phương pháp DCI (b) Phương pháp RP 98

Hình 3.22 Kết quả đo phông khi đóng nguồn 252 Cf sử dụng phương pháp RP 99

Hình 3.23 Kết quả đo phổ khi mở nguồn 252 Cf sử dụng phương pháp RP 99

Hình 3.24 So sánh phổ nơtron lúc mở kênh và đóng kênh 101

Hình 3.25 Phổ nơtron lúc mở kênh và khi hiệu chỉnh với phổ phông nơtron 101

Hình 3.26 Kết quả tính FoM trong vùng (100 ÷ 1600keVee)của các phương pháp DCI, FGAM, WPTM và DFTM trong nghiên cứu [18] 104

Hình 3.27 So sánh các phổ đo gamma từ: (a) Trong nghiên cứu này; (b) Trong nghiên cứu [81] 105

Hình 3.28 So sánh phổ 252 Cf: (a) Trong nghiên cứu này, (b) Nghiên cứu [81] 105

1

MỞ ĐẦU

Bức xạ hạt nhân đang được ứng dụng ngày càng sâu rộng trong nghiên cứu và phát triển kinh tế xã hội Các ứng dụng trong lĩnh vực năng lượng, chuẩn đoán và điều trị bệnh, ứng dụng trong nông nghiệp, an toàn thực phẩm, … đang ngày càng phát triển Bên cạnh đó, việc ghi nhận bức xạ là cơ sở cho các nghiên cứu và ứng dụng đòi hỏi phải có độ chính xác, độ tin cậy, tính di động và tiết kiệm năng lượng ngày càng cao hơn

Ghi đo bức xạ nơtron là một nhiệm vụ khó khăn so với các bức xạ khác, bởi hiệu suất ghi phụ thuộc rất lớn vào năng lượng của nơtron và nhiễu gamma phát cùng với nơtron [1,2] Những hạn chế do hiệu suất ghi trên dải năng lượng rộng của nơtron thường được giải quyết bằng cách sử dụng các đetectơ ghi nơtron nhanh và chậm khác nhau Tuy nhiên, nhiễu gamma luôn tồn tại cùng nơtron mà không dễ dàng loại bỏ bằng các vật liệu che chắn hoặc sử dụng điện trường như các bức xạ mang điện Nhiễu gamma làm sai lệch kết quả đo nơtron, do đó các phương pháp nhận biết để loại bỏ gamma khỏi kết quả đo nơtron luôn được đặt ra trong các hệ đo nơtron chất lượng cao

Trong các hệ đo sử dụng đetectơ ghi nơtron chậm, các chất khí có tiết diện lớn

so với nơtron nhiệt như: 10B, 6Li hay 3He thường được sử dụng Ưu điểm trong các đetectơ này là năng lượng từ phản ứng với nơtron vượt trội so với năng lượng gamma để lại trong vùng nhạy đetectơ, do đó nơtron dễ dàng được phân biệt với gamma [1] Tuy nhiên, trong các hệ đo này thông tin năng lượng của nơtron thường không được xác định do bị mất trong quá trình làm chậm hoặc bị áp đảo so với năng lượng từ phản ứng hạt nhân

Phương pháp phổ biến để đo phổ nơtron nhanh là sử dụng cơ chế tán xạ đàn hồi trên các hạt nhân nhẹ như hydrô hay hêli Trong đó, các hệ đo nơtron sử dụng đetectơ nhấp nháy đang được quan tâm nghiên cứu và ứng dụng phổ biến nhất hiện nay [3] Tuy nhiên, các đetectơ nhấp nháy cũng nhạy với gamma, nên phân biệt nơtron với gamma là một trong những vấn đề quan trọng cần giải quyết khi sử dụng

2

đetectơ nhấp nháy Để tách gamma khỏi kết quả đo, các phương pháp nhận biết nơtron và gamma dựa vào thời gian bay hay các đặc điểm khác nhau giữa xung nơtron và xung gamma được sử dụng trong các hệ đo nơtron [4–11]

Các nghiên cứu gần đây cho việc tách xung nơtron/gamma cho hệ đo sử dụng đetectơ nhấp nháy chủ yếu tập trung vào các phương pháp nhận dạng xung (phân biệt dạng xung) nơtron với gamma trên một đetectơ Trong đó, các phương pháp cắt không [7,9,12] và diện tích xung [4,13] đã phát triển thành công trên các hệ đo tương tự và có thể thực hiện bằng các khối NIM tiêu chuẩn [14] Cho đến nay, hai phương pháp này đã được thực hiện trên các hệ đo kỹ thuật số và đã trở thành tiêu chuẩn để so sánh, đánh giá cho các phương pháp phân biệt dạng xung mới [15,16] Bên cạnh đó, phương pháp thời gian tăng và phương pháp tỉ số không đổi cũng thường được sử dụng trong hệ đo tương tự [17] Mặc dù khả năng phân biệt nơtron/gamma của các hệ đo tương tự đã đạt được những kết quả nhất định, nhưng

vẫn tồn tại một số vần đề như: bị giới hạn tốc độ đếm dưới 200 kcps, khả năng phân biệt kém ở vùng năng lượng thấp (<200keV) [14], khả năng ứng dụng các phương

pháp phân biệt dạng xung bị giới hạn và khó khăn trong việc thu gọn kích thước cho

hệ đo

Sự phát triển kỹ thuật điện tử số gần đây đã tạo điều kiện thuận lợi để xây dựng các hệ đo nơtron chất lượng cao bằng kỹ thuật số Các kỹ thuật điện tử số cho phép số hóa trực tiếp các xung từ đetectơ với tốc độ và độ phân giải ngày càng tăng

Vì vậy, kỹ thuật nhận dạng xung nơtron/gamma đang chuyển dần sang ứng dụng kỹ thuật số [15,18] và là cơ sở cho rất nhiều nghiên cứu phương pháp phân biệt nơtron/gamma cả trong miền thời gian và miền tần số [4,6–10,15,16,19–23] Sự hỗ trợ kỹ thuật số đã cho phép thực hiện nhiều thuật toán nhận dạng phức tạp mà các

hệ tương tự không thể thực hiện được như: phương pháp nhận dạng mẫu [16], phân tích tần số [15], phương pháp mạng nơron nhân tạo [24], hay sử dụng kết hợp nhiều phương pháp trong một hệ đo [22], v.v Trong một hệ đo nơtron sử dụng kỹ thuật

số, các xung số hóa cũng có thể dễ dàng được xử lý như lọc, hình thành xung và phân tích trong miền thời gian hay trong miền tần số Hầu hết các phương pháp

3

phân biệt dạng xung được phân tích trong miền tần số đạt được hiệu quả phân biệt tốt hơn trong miền thời gian, nhưng đòi hỏi các giải thuật phức tạp và yêu cầu tài nguyên phần cứng lớn [15,18]

Ở Việt Nam, trước đây các ứng dụng bức xạ nơtron còn khá đơn giản và khiêm tốn Tuy nhiên, trong những năm gần đây, các ứng dụng bức xạ nơtron đã trở nên đa dạng như: ứng dụng trong kiểm tra một số công trình xây dựng, thăm dò dầu khí, ứng dụng kiểm tra sản phẩm trong công nghiệp, ứng dụng trong y tế, an toàn thực phẩm, kiểm soát bức xạ, đo liều, … Cùng với đó là những yêu cầu phải xác định chính xác cường độ và thành phần của chùm bức xạ ngày càng cao Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt là nơi duy nhất trong nước có nguồn nơtron thông lượng cao

và ổn định, tại đây có nhiều ứng dụng và thiết bị đo nơtron như hệ đo thông lượng nơtron của lò phản ứng, hệ đo tiết diện nơtron toàn phần, hệ đo phổ nơtron phục vụ nghiên cứu và đào tạo Để phục vụ cho các nghiên cứu vật liệu trên lò phản ứng nghiên cứu mới trong tương lai, một hệ đo tán xạ nơtron cũng đã bắt đầu được nghiên cứu, thiết kế trong khuôn khổ của đề tài KC.05.16-20 Tuy nhiên, đến thời điểm hiện nay các hệ đo nơtron đều sử dụng các đầu dò chứa khí, hiệu suất không cao, việc phân biệt nơtron/gamma chỉ dựa vào biên độ xung Cho đến nay ở nước ta chưa có một hệ đo sử dụng các phương pháp phân biệt dạng xung nơtron/gamma, các hệ đo phổ nơtron nhanh chủ yếu sử dụng ống đếm hydrô, do đó gamma được loại bỏ bằng phương pháp cắt ngưỡng kết hợp với che chắn thụ động

Ngày nay, các phương pháp phân biệt nơtron/gamma sử dụng kỹ thuật tương

tự và kỹ thuật số cho các đetectơ nhấp nháy đã đạt được những kết quả tốt trong

vùng năng lượng cao (>200 keV) [4–10] Tuy nhiên, ở vùng năng lượng thấp (< 200 keV) kết quả vẫn còn nhiều hạn chế và phụ thuộc rất nhiều vào đetectơ cũng như

phương pháp nhận dạng [4,15,25,26] Bên cạnh đó, hiệu quả phân biệt nơtron/gamma cũng phụ thuộc nhiều vào hệ điện tử xử lý xung Các hệ đo sử dụng phương pháp nhận dạng phức tạp có khả năng phân biệt nơtron/gamma tốt, nhưng đòi hỏi tài nguyên phần cứng lớn

4

Với những vấn đề đã được trình bày cho thấy việc nghiên cứu và xây dựng các

hệ đo nơtron sử dụng đetectơ nhấp nháy hiện nay vẫn tồn tại một số vấn đề:

 Khả năng phân biệt nơtron/gamma còn hạn chế trong vùng năng lượng thấp

 Giải thuật cho các phương pháp phân biệt nơtron/gamma hiệu quả cao được thực hiện trong miền tần số còn phức tạp và đòi hỏi cấu hình phần cứng mạnh

để thực thi

 Chưa có các nghiên cứu đo chính xác đồng thời nơtron và gamma trên một đetectơ làm cơ sở cho thiết kế, chế tạo các hệ đo đồng thời nơtron và gamma cho các nghiên cứu và ứng dụng như cảnh báo bức xạ hay định liều nơtron

Mục tiêu và nhiệm vụ của luận án

Mục tiêu của luận án là nghiên cứu, thiết kế và chế tạo một hệ đo nơtron và gamma có hiệu suất và độ chính xác cao, ứng dụng kỹ thuật FPGA và DSP để thu gọn kích thước và giảm chi phí chế tạo

Nội dung chính của luận án gồm:

1) Thiết kế chế tạo một đetectơ nhấp nháy đo nơtron và gamma phục vụ cho đào tạo, nghiên cứu và ứng dụng

2) Nghiên cứu, phát triển một phương pháp phân biệt dạng xung nơtron/gamma ứng dụng kỹ thuật số, nhằm cải thiện khả năng phân biệt nơtron/gamma trong vùng năng lượng thấp cho hệ đo sử dụng đetectơ nhấp nháy

3) Xây dựng hệ đo đồng thời nơtron và gamma bằng kỹ thuật số, tích hợp giải thuật phân biệt nơtron/gamma hiệu quả cao cho vùng năng lượng thấp

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Ý nghĩa khoa học:

 Thiết kế và chế tạo được đetectơ nhấp nháy đo nơtron và gamma từ các vật liệu

và linh kiện có chi phí thấp, nhưng cung cấp các xung nhanh và chính xác cho các phép đếm với tốc độ cao, xung ra có các đặc trưng làm cơ sở cho các nghiên cứu phân biệt dạng xung nơtron và gamma

5

 Xây dựng bốn phương pháp phân biệt dạng xung nơtron/gamma để đánh giá khả năng phân biệt nơtron/gamma, làm cơ sở để lựa chọn phương pháp phân biệt nơtron/gamma tối ưu khi xây dựng hệ đo nơtron và gamma trong các điều kiện cụ thể

 Phát triển được một phương pháp phân biệt dạng xung nơtron/gamma mới dựa vào xung tham khảo (RP) với giải thuật đơn giản, cho phép thực hiện trên các

hệ không đòi hỏi cấu hình phần cứng cao Phương pháp đặc biệt hiệu quả phân

biệt nơtron/gamma trong vùng năng lượng thấp (<200keVee)

 Xây dựng được một hệ đo nơtron/gamma bằng kỹ thuật số có khả năng phân biệt nơtron/gamma hiệu quả cao Các phương pháp phân biệt dạng xung, nhận diện xung chồng chập và xây dựng phổ sử dụng kỹ thuật số được tích hợp trên

hệ đo cho phép nhận diện trực tiếp từng sự kiện đo và xây dựng thành các phổ

đo riêng cho nơtron và gamma

Bố cục của luận án

Bố cục của luận án gồm 3 chương không kể phần mở đầu và kết luận

Mở đầu: Trình bày tổng quan tình hình nghiên cứu về lĩnh vực đo nơtron, các

vấn đề tồn tại trong phân biệt xung nơtron/gamma với các đầu dò nhấp nháy, nội dung nghiên cứu và bố cục của luận án

6

Chương 1 Tổng quan: Trình bày tổng quan các hệ đo nơtron, vấn đề nhiễu

gamma trên các hệ đo nơtron và một số kết quả nghiên cứu tách xung nơtron/gamma tiêu biểu gần đây Bên cạnh đó, một số phương pháp phân biệt dạng xung nơtron/gamma cho đetectơ nhấp nháy và việc thiết kế hệ đo nơtron sử dụng kỹ thuật xử lý tín hiệu số và công nghệ FPGA cũng được trình bày

Chương 2 Thực nghiệm: Trình bày thiết kế và chế tạo một mẫu đầu dò nhấp

nháy đo nơtron gồm cả tiền khuếch đại, nghiên cứu thuật toán phân biệt xung nơtron/gamma với đầu dò được thiết kế chế tạo, lựa chọn và phát triển thuật toán, xây dựng phần điện tử cho hệ đo nơtron, viết phần mềm điều khiển quá trình đo và tích hợp các thuật toán phân biệt xung nơtron/gamma vào phần mềm để phân biệt trực tiếp trong quá trình đo, phục vụ đào tạo và nghiên cứu khoa học

Chương 3 Kết quả và thảo luận: Trình bày những kết quả khảo sát, đánh giá

đối với đầu dò thử nghiệm đo nơtron ghép nối với MCA_DRS4, kết quả nghiên cứu phát triển thuật toán phân biệt nơtron/gamma, kết quả đo thử nghiệm của hệ trên nguồn 252Cf và trên kênh ngang của Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt Các thảo luận về các kết quả nghiên cứu, các tham số ảnh hưởng đến khả năng phân biệt xung nơtron/gamma với đầu dò nhấp nháy làm cơ sở cho các nghiên cứu tiếp theo cũng được phân tích kỹ

Kết luận: Trình bày những kết quả đã đạt được của luận án về thiết kế chế tạo

đetectơ nhấp nháy đo nơtron, về phát triển phương pháp phân biệt dạng xung nơtron/gamma và thiết kế xây dựng hệ đo nơtron Những hạn chế và các nghiên cứu phát triển tiếp theo để hoàn thiện hệ đo nơtron, hệ đo liều nơtron/gamma và các hệ

đo cảnh báo phóng xạ

7

Chương 1 TỔNG QUAN

1.1 Hệ đo nơtron

1.1.1 Tổng quan các hệ đo nơtron

Các hệ đo nơtron được xây dựng có thể sử dụng cho nhiều mục đích nghiên cứu và ứng dụng khác nhau Trong mỗi ứng dụng, mục tiêu xác định có thể khác nhau, do đó các cấu hình để xác định nơtron cũng rất đa dạng Với các ứng dụng chỉ cần xác định thông lượng tổng như chụp ảnh nơtron [26-28] thì có thể xác định thông lượng bằng kích hoạt lá dò [29,30], buồng bọt [31-32], đo bằng ống đếm tỉ lệ [41-44], v.v Trong khi các nghiên cứu và ứng dụng cần xác định cấu trúc phổ của nơtron thì phải sử dụng các cấu hình đo với: ống đếm proton giật lùi [3,22,33], hệ

đo thời gian bay [34-36], đetectơ bán dẫn [45-48] hoặc đetectơ nhấp nháy [5,14,20,21,49-51] Trong đó các hệ đo phổ nơtron sử dụng đetectơ nhấp nháy và sử dụng kỹ thuật xử lý trực tiếp xung số hóa nhanh đang được quan tâm nhất hiện nay [4,5,7,10,12,16,17,21–23]

Các nghiên cứu trên hệ đo nơtron sử dụng đetectơ nhấp nháy đang được tập trung theo hai hướng chính:

1) Nghiên cứu phát triển vật liệu và tối ưu kích thước vùng nhạy: các mục tiêu nghiên cứu hướng đến là tối ưu hóa phổ nơtron thu được [26,27], làm tăng khả năng nhận biết nơtron/gamma [17,18,28] và tối ưu hiệu suất ghi [29] bằng cách phát triển các vật liệu nhấp nháy và tính toán mô phỏng tối ưu hóa kích thước vùng nhạy của đetectơ

2) Phát triển các phương pháp phân biệt nơtron/gamma: Các phương pháp phân biệt nơtron/gamma truyền thống như: thời gian tăng [8,30], độ dốc xung [25], tỉ số diện tích xung [7,9], phương pháp cắt không [4,7,9,23] tiếp tục được ứng dụng trong các nghiên cứu hệ đo nơtron Tuy nhiên, hiệu quả phân biệt nơtron/gamma của các phương pháp truyền thống vẫn kém ở vùng năng lượng thấp (< 200keVee) Bên cạnh các phương pháp truyền thống, các phương pháp phân biệt dạng xung mới sử dụng các thuật toán phức tạp cũng đang được tập trung nghiên cứu gần đây Trong

8

nghiên cứu M.J Safari và các cộng sự [18] sử dụng các phương pháp nhận dạng xung nơtron/gamma trong miền tần số thông qua phân tích Fourier cho các tín hiệu

xung số từ detectơ nhấp nháy DFTM (discrete Fourier transform method); kết quả

phân tích đã cho thấy hiệu quả phân biệt được cải thiện và ít phụ thuộc vào nhiễu điện tử hơn so với phương pháp diện tích xung truyền thống Phương pháp nhận dạng mẫu đã được D.Takaku và gần đây là K Kamada và các cộng sự [16,31] nghiên cứu ứng dụng trên hệ đo nơtron sử dụng đetectơ NE213 Các kết quả phân biệt nơtron/gamma có cải thiện so với các phương pháp truyền thống khi sử dụng tần số lấy mẫu cao (> 5GSPs) Gần đây, việc nhận dạng xung nơtron/gamma bằng các phép biến đổi tín hiệu xung từ miền thời gian sang miền phi thời gian đã được nghiên cứu và ứng dụng trên các hệ đo nơtron sử dụng đetectơ nhấp nháy Trong nghiên cứu của R.F Langa và các cộng sự [32] đã xây dựng phương pháp phân biệt xung sử dụng các biến đổi Fourier và biến đổi Laplace Một nghiên cứu của Harleen Singh và các cộng sự xây dựng một phương pháp phân biệt xung dựa trên biến đổi

Wavelet cho các xung số hóa DWT (discrete wavelets transform) [33] Phương

pháp nhận dạng xung nơtron/gmma sử dụng mạng nơron nhân tạo cũng đã được nghiên cứu [34,35] Phương pháp mạng nơron nhân tạo sử dụng các thuật toán cho máy học dựa trên các xung chuẩn nơtron và gamma Một phương pháp nhận dạng xung nơtron/gamma mới cũng đã được phát triển bởi Y Lotfi và các cộng sự, dựa

trên kỹ thuật nhóm lượng tử DBQC (discrimination based on quantum clustering)

Phương pháp này đạt kết quả phân biệt tốt nơtron/gamma trong vùng năng lượng

thấp (FoM = 1.6 tại ngưỡng 100keVee) Các kết quả đạt được trong các nghiên cứu

của các phương pháp mới đã cho thấy có sự cải thiện hiệu quả phân biệt so với các phương pháp truyền thống trong vùng năng lượng thấp

Hầu hết những nghiên cứu phân biệt nơtron/gamma gần đầy tập trung vào việc cải thiện hiệu quả tách xung nơtron với gamma ở vùng năng lượng thấp (< 200keVee) Hiệu quả phân biệt được cải thiện ở nhiều mức độ khác nhau tùy từng phương pháp Tuy nhiên, các phương pháp mới như: phương pháp biến đổi Fourier, Laplace, mạng nơron nhân tạo, phân tích Wavelet có điểm chung là sử

9

dụng các giải thuật phức tạp, khối lượng tính toán lớn Do vậy, các phương pháp này thường được phân tích ở dạng ngoại tuyến (offline) hoặc áp dụng trên các hệ đo

có tài nguyên phần cứng rất lớn

1.1.2 Đo nơtron với các ống đếm khí

Tiết diện hấp thụ nơtron đối với một số chất khí như 1H, 3He, 4He, 10BF3 lớn, nên chúng được sử dụng làm các ống đếm nơtron rất hiệu quả Các hạt nặng mang điện được tạo ra trong tương tác với nơtron sẽ ion hóa môi trường khí trong đầu đo Khi các cặp ion–electron được thu gom, một tín hiệu điện sẽ được tạo ra cho phép ghi nhận và xử lý bởi các khối điện tử Do tiết diện phản ứng với nơtron nhiệt của

3

He và 10B và năng lượng nhiệt tỏa ra trong mỗi phản ứng lớn, nên các ống đếm khí

3

He và BF3 được sử dụng phổ biến trong các hệ đo nơtron nhiệt

Các ưu điểm chính của các hệ đo nơtron sử dụng ống đếm khí là hệ thống đo đơn giản; năng lượng phản ứng lớn; ít nhạy với gamma và phần lớn các sự kiện của gamma ghi nhận được có biên độ nhỏ, do đó có thể loại bỏ nhiễu gamma bằng cách dùng phương pháp cắt ngưỡng biên độ [1,36]

Các nhược điểm chính của ống đếm khí: hiệu suất ghi kém; hiệu suất ghi rất nhỏ đối với nơtron nhanh; thông tin năng lượng của nơtron bị mất do quá nhỏ so với năng lượng phản ứng; quá trình hình thành xung dài gây bất lợi cho các hệ đo sử

dụng các tham số đánh dấu thời gian như hệ đo bằng thời gian bay (ToF) và các hệ

đo trùng phùng

1.1.3 Đo nơtron với các đetectơ nhấp nháy

Chất nhấp nháy

Ống dẫn sáng

Ống nhân quang (PMT)

Thành phản xạ sáng

Nguồn cao áp

Mạch điện tử

xử lý xung Gamma

Nơtron

Tiền khuếch đại Đetectơ

Hình 1.1 Cấu trúc một đetectơ nhấp nháy và kết nối

Các đetectơ nhấp nháy dựa trên nguyên lý chuyển đổi bức xạ hạt nhân thành các nháy sáng (photon) trong chất nhấp nháy Chất nhấp nháy được ghép với bộ chuyển đổi quang điện (PMT hay photodiode), cho phép ghi nhận và xử lý các tín

10

hiệu điện Do tiết diện tán xạ lớn của nguyên tử hydrô đối với nơtron nhanh, các chất nhấp nháy hữu cơ thường được sử dụng trong các đetectơ ghi nơtron nhanh Khi các hạt mang điện chuyển động trong chất nhấp nháy, một phần động năng của các hạt này chuyển thành ánh sáng nhấp nháy Lượng ánh sáng tạo ra trong chất nhấp nháy tỉ lệ tuyến tính với năng lượng của các điện tử, nhưng không tuyến tính với năng lượng của các hạt nặng mang điện như proton và alpha [35,36] Đối với chất nhấp nháy EJ-301, quan hệ giữa lượng ánh sáng thu được do proton và điện tử tiêu tán trong đetectơ được biểu diễn bởi phương trình (1.1) [35]

0.93

0,83 2,82(1 exp( 0, 25 )

Trong đó: P, E lần lượt là năng lượng của proton và điện tử tính theo MeV

Do biên độ xung được tạo ra bởi nơtron không tuyến tính như gamma, do đó

đơn vị keVee (keV electron equivalent) hay MeVee (MeV electron equivalent) được

sử dụng trong thang năng lượng trên các hệ đo nơtron sử dụng đetectơ nhấp nháy

Hình 1.2 Lượng ánh sáng phát ra đối với hạt điện tử, proton, alpha và cacbon

trong chất nhấp nháy EJ-301 [35]

Trong các ứng dụng mà phép đo chỉ quan tâm đến số đếm các sự kiện, các đetectơ sử dụng chất nhấp nháy như EJ-410, EJ-420 (tương tương NE-415 hoặc

11

BC-720 [37]) thường được sử dụng Năng lượng phản ứng thu được trong đetectơ này thường rất lớn so với năng lượng của nơtron Do đó, thông tin năng lượng của nơtron không được quan tâm mà mỗi sự kiện chỉ đánh dấu một nơtron được ghi nhận Trong các ứng dụng yêu cầu cần xác định phổ năng lượng của bức xạ nơtron, thì các đetectơ sử dụng nhấp nháy hữu cơ như: EJ-301 (tương đương NE213), EJ-299-33A, EJ-204,… được sử dụng Trong các chất nhấp nháy hữu cơ, cơ chế tán xạ đàn hồi giữa nơtron với hạt nhân nguyên tử hydrô chiếm ưu thế Trong mỗi tương tác tán xạ, nơtron truyền cho proton giật lùi một năng lượng tỉ lệ với năng lượng nơtron Nếu phần năng lượng này được tiêu hao hết trong chất nhấp nháy thì biên

độ xung tạo ra tỉ lệ với năng lượng nơtron Do đó, năng lượng của nơtron để lại trong chất nhấp nháy có thể xác định thông qua biên độ xung ghi được

1.1.4 Hệ đo nơtron sử dụng kỹ thuật tương tự

Đetectơ

Nguồn cao áp

Khuếch đại xung

Phân biệt dạng xung

Phân tích

đa kênh (MCA)

Nguồn nơtron

Máy tính

)

a

Số hóa xung (Fast ADC)

FPGA (PSD + MCA)

Số hóa xung (Oscilloscope) Máy tính

Máy tính

Nguồn cao áp

Đetectơ

Nguồn nơtron

2) Khối nguồn cao áp: Sử dụng khối nguồn cao áp tiêu chuẩn: model 446H, 456H,

556H của Ortec hay model 3002D, 9645 của Canberra, v.v

3) Tiền khuếch đại: Các tiền khuếch đại sử dụng trong hệ đo tương tự thường sử

dụng phương pháp hình thành xung tích phân Do đó, các đặc trưng khác nhau của xung nơtron/gamma được thể hiện tại sườn trước

4) Khuếch đại: Tín hiệu từ đetectơ được khuếch đại để có biên độ phù hợp với dải

làm việc của các khối xử lý tiếp theo

5) Khối phân biệt dạng xung: Được thiết lập bằng cách kết hợp các khối tiêu chuẩn

như: hình thành xung, CFD, TAC, … hoặc các khối tiêu chuẩn PSA được sản xuất thương mại như: Ortec PSA 458, 552 [43]

6) Khối phân tích đa kênh MCA: Xử lý biên độ, xây dựng phổ nơtron/gamma, kết

nối máy tính, các khối này hiện vẫn chứa thấy có phần mềm thương mại tách đồng thời cả phổ nơtron và gamma

Khối PSA sẽ nhận diện xung tới là nơtron hay gamma và điều khiển MCA để phân tích biên độ Kết quả phân tích trên mỗi sự kiện đo được có hai thông tin quan trọng là biên độ xung và tham số nhận diện nơtron/gamma, quá trình số hóa được thực hiện một lần trên các xung đo nên tốc độ số hóa trên các hệ này không đòi hỏi cao

1.1.5 Hệ đo nơtron sử dụng kỹ thuật số

Trong cấu hình đo bằng kỹ thuật số (hình 1.3b), các xung được số hóa ngay từ đầu ra của đetectơ với tốc độ cao Các khối xử lý xung tiếp theo được thực hiện dưới dạng số Cấu hình cơ bản hệ đo bằng kỹ thuật số gồm các khối:

13

1) Đetectơ: Các đetectơ nhấp nháy hữu cơ thường được sử dụng như: NE-213

(tương đương BC-501A), NE-235H (tương đương BC-517H), NE-323 (tương đương BC-521), v.v Tiền khuếch đại của đetectơ thường được tích hợp ngay sau PMT và sử dụng kỹ thuật khuếch đại và hình thành xung với thời hằng ngắn; các đặc trưng phân biệt nơtron/gamma được giữ ở sườn sau của xung

2) Bộ số hóa nhanh: Do xung ra từ tiền khuếch đại rất ngắn (sườn trước < 20ns; sườn sau ~ 150ns), nên để xung số hóa đủ tin cậy cho các khối phân biệt dạng xung thì tốc độ số hóa trong khối này đòi hỏi tương đối cao (> 250MSPS)

3) Khối PSD: Các giải thuật phân biệt dạng xung bằng kỹ thuật số thường được

thực hiện trong một FPGA Để tiện cho quá trình sử dụng, một MCA cũng thường được tích hợp trong FPGA

4) Máy tính: Có nhiệm vụ thiết lập cấu hình đo, hiển thị các kết quả đo, phân tích và

lưu trữ số liệu cho mỗi ứng dụng cụ thể Tùy theo cách viết chương trình, xung nơtron/gamma cũng có thể được nhận dạng và tạo phổ từ chương trình trên máy tính

Trong một số ứng dụng đặc thù, một oscilloscope có thể được sử dụng để số hóa trực tiếp các xung ra của đetectơ Số liệu số hóa từ oscilloscope được chuyển về máy tính để xử lý, phân tích bằng một chương trình máy tính Khi đó, các phương pháp phân biệt dạng xung nơtron/gamma, xử lý và dựng phổ sẽ được thực hiện bằng

phần mềm trên máy tính

1.2 Loại trừ ảnh hưởng của gamma trong các phổ đo nơtron

Do gamma luôn được ghi cùng với nơtron, nên việc loại trừ gamma trong các phổ đo nơtron luôn là yêu cầu đặt ra cho các hệ đo nơtron Các tham số như thời gian bay hay hình dạng xung ghi được trên một hệ đo được sử dụng để phân biệt giữa nơtron và gamma Gần đây, các phương pháp phân biệt dạng xung được quan tâm nghiên cứu và triển khai trong nhiều ứng dụng đo nơtron [6,8–10,18,23,25,33,44,45] Trong các nghiên cứu này, nơtron và gamma được phân biệt

14

dựa vào các đặc điểm khác nhau giữa xung nơtron với xung gamma thu được trên một đetectơ

1.2.1 Loại trừ gamma trong các ống đếm khí

Các ống đếm khí tỉ lệ chứa một chất khí giật lùi có số khối nhỏ như: 1H, 3He,

4

He hay các hợp chất khí chứa CH4 Một đặc tính quan trọng trong các ống đếm proton giật lùi là khả năng phân biệt nơtron với gamma Quãng chạy của các điện tử dài hơn nhiều so với proton, do đó các điện tử giật lùi được sinh ra khi tán xạ với gamma để lại năng lượng ít hơn so với proton giật lùi được sinh ra khi tương tác với nơtron Vì vậy, hầu hết biên độ xung sinh ra bởi gamma nhỏ hơn so với của nơtron

có cùng năng lượng [46,47] Phương pháp phân biệt nơtron/gamma trên các ống đếm tỉ lệ đơn giản là dựa vào ngưỡng của biên độ xung Tuy nhiên, biên độ xung thu được của nơtron có dạng phân bố liên tục, do đó các xung nơtron có biên độ thấp tương tự như xung gamma sẽ không thể phân biệt được bằng phương pháp này

Hình 1.4 Một xung nơtron (đường đậm) và gamma (đường nhạt) được hình

thành trong ống đếm proton giật lùi [47]

Do tốc độ tiêu hao năng lượng của proton giật lùi lớn hơn so với điện tử giật lùi trong các chất khí tỉ lệ, nên các xung sinh ra bởi nơtron sẽ có thời gian tăng ngắn hơn so với xung sinh ra bởi gamma [1,46,47] Phương pháp phân biệt nơtron/gamma trong trường hợp này dựa vào phân tích thời gian tăng của xung [47]

15

1.2.2 Loại trừ gamma cho các đetectơ nhấp nháy

Hình dạng xung khác nhau giữa xung nơtron và gamma là cơ sở cho các phương pháp phân biệt nơtron/gamma trong các đetectơ nhấp nháy Ánh sáng sinh

ra trong đetectơ nhấp nháy gồm hai thành phần: phân rã nhanh và phân rã chậm [1,35] Tỉ lệ thành phần phân rã nhanh và chậm phụ thuộc vào loại bức xạ kích thích

là nơtron hay gamma Thành phần ánh sáng phân rã nhanh - chiếm đa số, có thời

gian phân rã trung bình khoảng vài nano giây (ns) Trong khi thành phần phân rã chậm có thời gian phân rã trung bình từ vài chục ns đến vài trăm ns [35,44] Các

nghiên cứu cho thấy cường độ sáng của các thành phần phân rã trong nhấp nháy có phân bố hàm mũ [48]; dạng của xung tổng hợp được mô tả bởi phương trình (1.2)

 / / 1  / / 1

( ) t f t t s t

Trong đó: A, B là cường độ tương ứng của các thành phần phân rã nhanh và

chậm tại thời điểm ban đầu,f là thời hằng phân rã nhanh,slà thời hằng phân rã

chậm của chất nhấp nháy và 1là thời hằng của mạch hình thành xung

Giá trị của các tham số theo phương trình (1.2) của một số chất nhấp nháy thông dụng được trình bày trên bảng 1.1 [49]

Bảng 1.1 Các thành phần phân rã trong một số chất nhấp nháy hữu cơ

Chất nhấp nháy Tham số theo phương trình (1.2) Dạng nhấp nháy

32,2 32,2

Lỏng Lỏng

16

Vì thành phần ánh sáng chậm B phụ thuộc vào loại bức xạ nơtron hoặc

gamma, do đó tỉ số B/A trong biểu thức (1.2) thường được sử dụng trong các giải

thuật nhận dạng xung nơtron/gamma [50]

Hình 1.5 Sự khác nhau giữa xung nơtron và gamma trong một số chất nhấp nháy

hữu cơ [51]

Khi ánh sáng sinh ra được thu gom và được PMT chuyển thành xung điện, chúng có thể được hình thành xung theo một trong hai cách: hình thành xung đuôi (xung tích phân) hoặc xung dòng (xung nhanh)

Trong cách hình thành xung đuôi (như ở TKĐ nhạy điện tích), tín hiệu được

tích phân với thời hằng lớn, do đó phần đuôi xung kéo dài (hàng trăm µs), nên mặt

trước của xung phải đủ dài để mang đặc trưng của thành phần phân rã chậm Các giải thuật nhận dạng xung trong trường hợp này tập trung phân tích mặt trước của xung [23] Do xung hình thành dài, nên hiện tượng chồng chập xung trong các môi trường tốc độ đếm cao là một hạn chế của phương pháp này Hiện tượng chồng chập xung làm cho các giải thuật phân biệt dạng xung trở nên phức tạp và hiệu quả phân biệt không cao Tuy nhiên, do mặt trước của xung trong các trường hợp này

thường kéo dài (vài trăm ns) nên việc số hóa các xung để xử lý không cần tốc độ

quá cao, chỉ cần trong khoảng vài chục MSPS

Trong cách hình thành xung nhanh, tín hiệu được tích phân với thời hằng nhỏ; hình dạng xung gần như cùng dạng với xung cường độ sáng thu được từ đầu nhấp nháy Khi đó, thời gian tăng của xung rất ngắn và phụ thuộc chủ yếu vào thành phần phân rã nhanh [1,50] Trong khi sườn sau của xung tương đối ngắn và mang đặc

17

trưng của thành phần phân rã chậm Các giải thuật nhận dạng xung trong trường hợp này tập trung phân tích hình dạng đuôi xung [4,6–10,16,18,20,25] Do thời gian

hình thành xung ngắn (vài chục ns) nên ưu điểm của các hệ đo hình thành xung

nhanh là hạn chế khả năng chồng chập xung Ở tốc độ đếm cao mà vẫn giữ được các đặc trưng phân biệt nơtron - gamma khi sử dụng chất nhấp nháy [4,6–10,16,18,20,25,52–55] Tuy nhiên, các đặc trưng nơtron - gamma ở phần đuôi xung khác nhau rất ít, thời gian hình thành xung ngắn nên để dựng lại xung tương đối

chính xác, thì tốc độ số hóa trong các hệ này phải cao (trên 250 MSPS) Bên cạnh

đó, độ tuyến tính của phổ biên độ cũng bị ảnh hưởng do sự đóng góp chưa hoàn toàn của thành phần phân rã chậm vào biên độ xung Tuy nhiên các phân tích trong các tài liệu [56,57] cho thấy độ phi tuyến của phổ biên độ không nhiều và chấp nhận được đối với hệ đo nơtron

1.3 Một số phương pháp phân biệt xung nơtron/gamma trong đetectơ nhấp nháy

Các phương pháp phân biệt dạng xung trong các hệ đo nơtron có thể chia làm hai nhóm chính: phân biệt dạng xung trong miền thời gian và phân biệt dạng xung trong miền tần số (bảng 1.2) Các phương pháp trong miền thời gian phân tích các đặc điểm dạng xung theo thời gian, trong khi các phương pháp trong miền tần số phân tích đặc điểm của xung trong miền tần số của xung thông qua biến đổi Fourier hoặc wavelet

Giải thuật của các phương pháp trong miền thời gian thường đơn giản là ưu điểm khi ứng dụng trong các hệ đo có tài nguyên phần cứng nhỏ Trong khi giải thuật của các phương pháp phân tích trong miền tần số phức tạp nên các hệ đo này đòi hỏi tốc độ số hóa cao và tài nguyên lớn Tuy nhiên, hiệu quả phân biệt của các

hệ phân tích trong miền tần số thường cao hơn so với các hệ phân tích trong miền thời gian

18

Bảng 1.2 Một số phương pháp phân biệt dạng xung nơtron/gamma

1 Phương pháp cắt không

Phân tích trong miền thời gian

2 Phương pháp thời gian tăng (vượt ngưỡng)

10 Phương pháp phân tích thành phần tần số

11 Phương pháp tương quan chéo

12 Phương pháp phân tích Wavelet

1.3.1 Kỹ thuật phân biệt dựa vào thời gian vượt ngưỡng

Hình 1.6 Minh họa phương pháp phân biệt xung nơtron/gamma dựa vào thời gian

vượt ngưỡng

Phương pháp TCT cơ bản dựa trên việc tính thời gian trong khi tín hiệu cao hơn một ngưỡng (hình 1.6) [8,17,30] Ngưỡng thường được chọn bằng 10% biên độ của mỗi xung Do các xung gamma có độ dốc sườn sau lớn hơn so với xung nơtron

19

nên thời gian vượt ngưỡng của xung gamma được kỳ vọng sẽ nhỏ hơn so với xung nơtron Trong các hệ xử lý số, độ phân giải thời gian vượt ngưỡng của phương pháp này phụ thuộc nhiều vào tốc độ lấy mẫu [8]

Phương pháp TCT dựa trên các tính toán đơn giản nên có thể ứng dụng cho các hệ đo thời gian thực mà không yêu cầu tài nguyên phần cứng cao Tuy nhiên,

hiệu quả phân biệt nơtron/gamma ở vùng năng lượng dưới 200keVee không tốt Bên

cạnh đó, hiệu quả phân biệt xung cũng phụ thuộc nhiều vào độ phân giải và tốc độ lấy mẫu của xung số hóa

1.3.2 Kỹ thuật phân biệt dựa vào độ dốc xung

Phương pháp PGA dựa vào phép tính độ dốc sườn sau của xung để phân biệt xung nơtron/gamma (hình 1.7) Vì thành phần phân rã chậm do nơtron sinh ra lớn hơn so với gamma nên độ dốc của xung nơtron nhỏ hơn so với xung gamma [15,25,32] Mỗi xung trong phương pháp độ dốc xung được tính biên độ tại hai thời

điểm: điểm thứ nhất sau đỉnh xung tại thời điểm t 1 và điểm thứ hai sau đỉnh xung tại

thời điểm t 2 Nếu độ dốc xung nơtron và gamma khác nhau thì khoảng chênh lệch biên độ của xung neutron (A1) và xung gamma (A2) khác nhau Thời điểm t 1 và

t 2 cần được khảo sát để có kết quả tối ưu trên các hệ đo khác nhau

Hình 1.7 Minh họa phương pháp phân biệt dựa vào độ dốc

20

Do phương pháp PGA chỉ tính toán dựa vào hai điểm cùng với biên độ xung nên khối lượng tính toán nhỏ, dễ dàng tích hợp trên các hệ đo thời gian thực mà không yêu cầu phần cứng lớn Tuy nhiên, phương pháp PGA có hiệu quả phân biệt

nơtron/gamma không tốt trong vùng năng lượng dưới 500keVee

1.3.3 Kỹ thuật phân biệt dựa vào diện tích đuôi xung

Phương pháp DCI dựa vào phép so sánh diện tích trên phần đuôi xung (hình 1.8) Vì các xung nơtron có sườn sau giảm chậm hơn so với xung gamma xét trên cùng biên độ, nên diện tích phần đuôi các xung nơtron được kỳ vọng sẽ lớn hơn so với xung gamma Phương pháp này đã được đánh giá và so sánh với các phương pháp khác trong nhiều nghiên cứu [6,9,10,55,56] Trong đó, tham số phân biệt thường được tính là tỉ số giữa diện tích đuôi với biên độ xung hoặc diện tích tổng của xung Phương pháp DCI được minh họa trên hình 1.8; trong đó, diện tích tổng

của xung được tính từ thời điểm t 1 đến thời điểm tối ưu t 3 và diện tích đuôi xung

được tích phân từ t 2 đến t 3

Hình 1.8 Minh họa phương pháp phân biệt dựa trên diện tích xung Phương pháp DCI có khối lượng tính toán không quá lớn, hiệu quả phân biệt

tốt ở vùng năng lượng trên 200keVee Tuy nhiên vùng năng lượng dưới 200keVee

hiệu quả phân biệt giảm nhanh theo ngưỡng năng lượng do ảnh hưởng của nhiễu và các xung chồng chập biên độ thấp

21

1.3.4 Phương pháp phân biệt dựa vào khớp với xung chuẩn

Phương pháp SEF (Standard Event Fit) dựa vào các kiểm định thống kê chi-2 giữa các điểm lấy mẫu của xung đo MP (Measuring-Pulse) với các điểm mẫu của xung tham khảo RPn (Reference-Pulse neutron ) và RPg (Reference-Pulse gamma) Các xung RPn và RPg được xây dựng thường dựa trên việc tính trung bình của các

xung nơtron và gamma đã được phân loại bằng phương pháp DCI Mỗi xung đo sẽ

được nhân với một hệ số k để biên độ có cùng biên độ với xung RPg và RPn Trong

đó, đường cơ bản của mỗi xung đo được xác định dựa vào việc tính trung bình từ những điểm nằm trước điểm khởi đầu của xung đo Thống kê chi-2 được tính giữa

xung MP với các xung RPg ( và RPn ( ) trên phần đuôi của xung (hình 1.9)

Hình 1.9 Các xung RPn, RPg và xung đo từ đetectơ sử dụng trong phương pháp SEF [57]

Tham số phân biệt xung nơtron/gamma của phương pháp SEF được tính theo

(1.3) [32]:

2 2

g N SEF

PSD

A A

Phương pháp SEF có giải thuật tính toán tương đối đơn giản, khối lượng tính

toán nhỏ [32,57] do đó dễ dàng tích hợp trong các hệ đo thời gian thực Các kết quả

Hình 1.10 mô tả phương pháp CPR với các xung giả định là nơtron, gamma với xung tham khảo

Hình 1.10 Minh họa phương pháp CPR

Nếu biểu diễn xung đo và xung tham khảo bằng các vector X và Y có dạng:

X Y r

X Y



23

Trong đó: X Y. là tích vô hướng của vectorX và Y , X Y. là tích độ lớn của hai vector

Khi một xung đo càng tương đồng với xung tham khảo thì hệ số tương quan r

càng gần 1 và ngược lại một xung đo càng khác với xung tham khảo thì hệ số tương

quan r càng nhỏ hơn 1 Trường hợp chọn xung tham khảo gamma - xung tham khảo

được tính trung bình từ các xung đo trên nguồn gamma Như vậy, các xung có hệ số

r gần 1 được phân loại là xung gamma, các xung có hệ số r nhỏ xa 1 sẽ được phân

loại là xung nơtron Tham số phân biệt trong phương pháp này thường được tính theo tham số góc tương quan bằng biểu thức (1.4)

1

cos

trong đó (rad) là góc tương quan giữa vector X và Y

Do vậy, phương pháp CPR sử dụng góc tương quan  như một tham số phân

biệt xung nơtron và xung gamma

Phương pháp CPR có hiệu quả phân biệt tốt hơn so với phương pháp DCI trên vùng năng lượng cao Tuy nhiên, hiệu quả phân biệt của phương pháp CPR giảm

nhanh theo năng lượng trong vùng dưới 200keVee Bên cạnh đó CPR có khối lượng

tính toán tương đối lớn và giải thuật phức tạp, do đó yêu cầu tài nguyên phần cứng tương đối lớn để thực hiện

1.3.6 Phương pháp phân biệt dùng biến đổi wavelet

Phương pháp WTM (Wavelet Traform Method) sử dụng biến đổi wavelet cho

các tín hiệu xung biển diễn trong miền thời gian thành một hàm của các biến tỷ lệ

(a) và dịch chuyển (b); được thực hiện bởi (1.7) [33,59]

*

1 ( , ) ( )

24

Trong đó: f(t) là hàm biểu diễn xung đo của đetectơ theo thời gian;  là một hàm wavelet mẹ có trung bình cộng bằng 0 và  1; * là liên hiệp phức của hàm wavelet mẹ

Có nhiều lựa chọn hàm wavelet mẹ  , do đó có nhiều cách tính hàm W a b f( , )

Một hàm tỉ lệ P(a) được định nghĩa như (1.8) [59]

2 0



Trong đó1 n blà số điểm được mẫu được phân tích

Hình 1.11a biểu diễn các xung nơtron và gamma được chuẩn hóa và các hàm

tỉ lệ P(a) theo tham số a tương ứng với xung nơtron và gamma hình 1.11b

Hình 1.11 (a) Các xung nơtron và gamma trung bình được chuẩn hóa biên độ (b)

Các hàm tỷ lệ P(a) tương ứng trong phân tích wavelet [33]

Trong phương pháp WTM, tham số D được định nghĩa là tỉ số giữa biên độ của

các hàm tỉ lệ; được tính theo (1.9)

( ) ( )

l j j