Nghiên Cứu Thiết Kế Và Chế Tạo Thiết Bị Ghi Đo Bức Xạ Hiện Trường Sử Dụng Kỹ Thuật Xử Lý Tín Hiệu Số

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆN NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ VIỆT NAM ĐINH TIẾN HÙNG NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ GHI ĐO BỨC XẠ HIỆN TRƯỜNG SỬ DỤNG KỸ THUẬT XỬ

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

VIỆN NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ VIỆT NAM

ĐINH TIẾN HÙNG

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ GHI ĐO BỨC

XẠ HIỆN TRƯỜNG SỬ DỤNG KỸ THUẬT XỬ LÝ TÍN HIỆU SỐ (DSP)

VÀO MẢNG CÁC PHẦN TỬ LOGIC LẬP TRÌNH (FPGA)

LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ

HÀ NỘI - 2020

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

VIỆN NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ VIỆT NAM

ĐINH TIẾN HÙNG

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ GHI ĐO BỨC

XẠ HIỆN TRƯỜNG SỬ DỤNG KỸ THUẬT XỬ LÝ TÍN HIỆU SỐ (DSP) VÀO MẢNG CÁC PHẦN TỬ LOGIC LẬP TRÌNH (FPGA)

Chuyên ngành: Vật lý Nguyên tử và Hạt nhân

i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan Luận án tiến sĩ: “Nghiên cứu thiết kế và chế tạo thiết bị ghi

đo bức xạ hiện trường sử dụng kỹ thuật xử lý tín hiệu số (DSP) vào mảng các phần

tử logic lập trình (FPGA)” là công trìnhnghiên cứu của tôi dưới sự hướng dẫn của

PGS.TS Phạm Đình Khang và PGS.TS Nguyễn Nhị Điền Các kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận án là trung thực và chưa được công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào khác

Tôi xin cam đoan luận án được tiến hành nghiên cứu một cách nghiêm túc, số liệu sử dụng phân tích trong luận án có nguồn gốc rõ ràng, tất cả những tham khảo và kế thừa đều được trích dẫn và tham chiếu đầy đủ

Tôi xin chịu trách nhiệm về những lời cam đoan trên

Hà Nội, ngày tháng năm 2020

Nghiên cứu sinh

Đinh Tiến Hùng

ii

LỜI CẢM ƠN

Tác giả luận án xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành đến:

PGS.TS Phạm Đình Khang, PGS.TS Nguyễn Nhị Điền đã tận tình giúp đỡ về mặt học thuật, phương pháp tư duy khoa học và động viên trong suốt quá trình thực hiện luận án

Lãnh đạo, chỉ huy Viện Hóa học Môi trường quân sự/Binh chủng Hóa học đã quan tâm, tạo mọi điều kiện thuận lợi về thời gian, các trang thiết bị PTN và nhân lực

Công ty TNHH Hakata Việt đã hỗ trợ các linh kiện, vật tư chất lượng cao để thử nghiệm trong hướng nghiên cứu của luận án

Ban Lãnh đạo Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam, Ban Lãnh đạo và cán bộ Trung tâm Đào tạo hạt nhân/Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam đã giúp đỡ hoàn tất các thủ tục cần thiết

Tác giả xin được gửi lời cảm ơn chân thành tới PGS.TS Nguyễn Xuân Hải, TS Nguyễn Ngọc Anh đã đóng góp các ý tưởng khoa học cho luận án

Các bạn bè, đồng nghiệp tại Phòng Phóng xạ/Viện Hóa học Môi trường quân sự; gia đình đã luôn động viên và tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả trong suốt quá trình thực hiện luận án

Xin trân trọng cảm ơn!

Đinh Tiến Hùng

iii

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT vi

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục tiêu của luận án 1

4 Ý nghĩa khoa học của luận án 2

5 Giá trị thực tiễn của luận án 3

6 Bố cục của luận án 3

CHƯƠNG 1 NHU CẦU THỰC TIỄN VÀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO TRANG THIẾT BỊ TRINH SÁT PHÁT HIỆN PHÓNG XẠ 5

1.1.Nhu cầu thực tiễn 6

1.1.1 Tình hình sử dụng các trang thiết bị trinh sát bức xạ trên thế giới 6

1.1.2.Nhu cầu trong quan trắc môi trường, phục vụ đào tạo của Việt Nam 7

1.1.3 Các hệ đo hướng tới gọn nhẹ và tiết kiệm năng lượng 7

1.1.4 Yêu cầu về làm chủ công nghệ 7

1.1.5 Khả năng chế tạo nhanh, chất lượng ổn định và nguồn linh kiện vật tư 8

1.2 Tình hình nghiên cứu và chế tạo trên thế giới 8

1.2.1 Tổng quan nghiên cứu và chế tạo detector nhấp nháy không dùng PMT trên thế giới 8

1.2.2 Nghiên cứu và chế tạo hệ thống xử lý tín hiệu số 17

CHƯƠNG II THIẾT KẾ, CHẾ TẠO DETECTOR NHẤP NHÁY SỬ DỤNG QUANG ĐI-ỐT VÀ HỆ THỐNG XỬ LÝ SỐ TÍN HIỆU DỰA TRÊN MẢNG LINH KIỆN LẬP TRÌNH FPGA 38

2.1 Lựa chọn, tính toán và thiết kế hệ detector nhấp nháy sử dụng quang đi-ốt 38

iv

2.1.1 Lựa chọn tinh thể nhấp nháy 38

2.1.2 Lựa chọn quang đi-ốt 40

2.1.3 Lựa chọn tiền khuếch đại 43

2.1.4 Hệ thống khuếch đại và hình thành xung 46

2.1.5 Yêu cầu thiết kế cấu hình cơ khí của detector và thiết bị kiểm tra 47

2.2 Thiết kế các thuật toán cho DMCA 48

2.2.1 Mạch lọc số Sallen Key S-K 49

2.2.2 Bộ lọc năng lượng 50

2.2.3 Thiết kế bộ tạo tín hiệu trigger 55

2.2.4 Tính toán, thiết kế các khối chức năng của DMCA trên phần mềm mô phỏng MATLAB Simulink và ngôn ngữ lập trình Verilog 58

2.3 Phương thức lựa chọn các tham số trong DPP 62

2.3.1 Giải chập xung trong các hệ phổ kế nhấp nháy 62

2.3.2 Lựa chọn tham số thời gian đối với các detector cụ thể 65

2.4 Phương pháp ổn định và xử lý phổ gamma từ detector nhấp nháy 66

2.4.1 Phương pháp ổn định phổ gamma theo nhiệt độ của detector nhấp nháy 66

CHƯƠNG 3 CÁC KẾT QUẢ CHẾ TẠO TRANG THIẾT BỊ TRINH SÁT PHÁT HIỆN PHÓNG XẠ, HẠT NHÂN 72

3.1 Kết quả chế tạo detector nhấp nháy 72

3.1.1 Thiết kế, chế tạo khung vỏ detector 72

3.1.2 Kết quả thiết kế, chế tạo các khối điện tử tương tự 73

3.1.5 Đánh giá kết quả chế tạo detector 94

3.2 Kết quả thiết kế, chế tạo bộ phân tích đa kênh kỹ thuật số DMCA 95

v

3.2.1 Thiết kế DMCA với kit FPGA XC3S500E của Xilinx 95

3.2.3 Kết quả đánh giá các thông số DMCA 99

3.2.4 Thiết kế DMCA các linh kiện rời dựa trên chip FPGA Intel MAX 10 104

3.3 Kết quả nghiên cứu phương pháp, kỹ thuật hiệu chỉnh phổ gamma 109

3.3.1 Bố trí thực nghiệm 109

3.3.2 Kết quả và thảo luận phương pháp hiệu chỉnh phổ 110

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 116

Kết luận 116

Kiến nghị 116

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 118

TÀI LIỆU THAM KHẢO 120

vi

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

ADC Analog to Digital Converter Bộ biến đổi tương tự - số

DMCA Digital Multi-Channel Analyzer Bộ phân tích biên độ đa kênh kỹ thuật số

DSP Digital Signal Processing Xử lý tín hiệu số

ENC Equivalent Noise Charge Nhiễu điện tích tương

đương ERMS Environmental Radiation Monitoring System Hệ quan trắc phóng xạ môi trường FPGA Field Programmable Gate Array Mảng các phần tử logic lập trình được FWHM Full width at half maximum Độ rộng nửa chiều cao tại đỉnh năng lượng FWTM Full Width at Tenth Maximum Độ rộng 1/10 chiều cao tại đỉnh năng lượng

Deconvolver Bộ giải lọc thông cao

ISE Integrated Software Environment Môi trường phần mềm tích hợp LLD Lower level discriminator Bộ cắt ngưỡng dưới

MA Moving Average Phép lấy trung bình dịch chuyển

vii

MCA Multi-Channel Analyzer Bộ phân tích biên độ đa kênh MSPS Million Samples Per Second Triệu mẫu trên giây

PIN diode P-i-N diode Loại đi-ốt có vùng bán dẫn nội tại i giữa 2 vùng p và n

RAM Random Access Memory Bộ nhớ thâm nhập ngẫu nhiên

SPI Serial Peripheral Interface Cổng giao diện nối tiếp

collector Điện thế đầu vào của mạch

VHDL

Very high-speed integrated circuit Hardware Description Language

Ngôn ngữ mô tả phần cứng mạch tích hợp tốc độ rất cao

viii

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Lớp vỏ bọc và độ phân giải năng lượng của detector 12

Bảng 1.2 So sánh kết quả sử dụng APD S8664-1010 và PMT XP-5300 15

Bảng 2.1 Độ nhạy điện tích của một số loại tiền khuếch đại 44

Bảng 2.2 Nguồn phóng xạ chuẩn sử dụng trong luận án 71

Bảng 3.1 Kết quả khảo sát lựa chọn điện thế bias và trở bias cho detector CsI(Tl) 81

Bảng 3.2 Khảo sát độ phân giải năng lượng theo hằng số thời gian tạo dạng 82

Bảng 3.3 Kết quả khảo sát lựa chọn điện thế bias và trở bias cho detector LaBr3(Ce) 84

Bảng 3.4 Khảo sát độ phân giải năng lượng theo hằng số thời gian tạo dạng 85

Bảng 3.5 Kết quả khảo sát hiệu suất nội toàn phần và hiệu suất quang điện nội của detector CsI((Tl) và LaBr3(Ce) 89

Bảng 3.6 Kết quả khảo sát hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần detector CsI(Tl) theo khoảng cách 90

Bảng 3.7 Kết quả khảo sát hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần detector LaBr3(Ce) theo khoảng cách 91

Bảng 3.8 Công suất tiêu thụ của detector CsI(Tl) và LaBr3(Ce) 94

Bảng 3.9 Vị trí đỉnh phổ ứng với biên độ xung chuẩn 102

Bảng 3.10 Lựa chọn tham số DPP cho detector LaBr3(Ce) và CsI(Tl) 106

Bảng 3.11 Hệ số (ak, bk) thu được từ quá trình làm khớp với số liệu thực nghiệm 111

Bảng 1PL Đặc trưng của các loại nhấp nháy vô cơ[15] 1

Bảng 2PL Kết quả đo thời gian dài detector CsI(Tl) 1

Bảng 3PL Kết quả đo thời gian dài detector LaBr3(Ce) 2

ix

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 Phổ 137Cs, đỉnh năng lượng 662 keV thu được khi gắn APD với NaI(Tl) [21] 9

Hình 1.2 Phổ của 137Cs đo với CsI(Tl) ghép cùng APD S8664-1010 [31] 13

Hình 1.3 Các phổ thu được đo với 22Na và 60Co [32] 13

Hình 1.4 Kết quả đo với quang đi-ốt Viện ETR và S-3590-01[34] 14

Hình 1.5 Phổ đo của hệ sử dụng LaBr3(Ce)với 137Cs [35] 15

Hình 1.6 Kết quả so sánh độ phân giải năng lượng đo với nguồn 137Cs [36] 16

Hình 1.7 Sơ đồ khối của một hệ phổ kế xử lý số 17

Hình 1.8 Sơ đồ thuật toán DPP 18

Hình 1.9 Lưu đồ thuật toán Kí hiệu chức năng các khối: - adder/subtracter; ACC - accumulator, X - multiplier; DELAY - delay pipeline [38] 19

Hình 1.10 So sánh các kết quả phổ phân bố biên độ xung [39] 19

Hình 1.11 Lưu đồ thuật toán xử lý xung số [51] 20

Hình 1.12 Mô tả cấu trúc một hệ phổ kế kinh điển [43] 21

Hình 1.13 Quá trình xử lý xung trong hệ phổ kế kinh điển [43] 22

Hình 1.14 Mô tả xung số [43] 23

Hình 1.15 Cấu trúc nguyên lý của hệ đo xử lý xung số [43] 23

Hình 1.16 Mode dao động ký trong trích xuất và xử lý dữ liệu [43] 24

Hình 1.17 Mode trộn trong trích xuất và xử lý dữ liệu [43] 25

Hình 1.18 Khởi phát đánh dấu thời điểm trước và sau lọc thời gian [43] 25

Hình 1.19 Kỹ thuật cắt đường 0 sử dụng các bộ lọc số [43] 26

Hình 1.20 Sơ đồ khối của hệ xử lý số bằng đo biên độ xung [43] 27

Hình 1.21 Mô hình kỹ thuật phân tách – tổng hợp để xử lý xung số [53] 28

Hình 1.22 Kết quả đo tia X từ detector Si sử dụng kỹ thuật phân tách - tổng hợp [53] 28

x

Hình 1.23 Kết quả thử nghiệm tính toán mô phỏng bộ lọc Gauss [50] 29

Hình 1.24 Sơ đồ nhờ mạch lối vào giảm tạp âm [52] 30

Hình 1.25 Sơ đồ khối chức năng của hệ đo xử lý số sử dụng FPGA [44] 30

Hình 1.26 Kết quả thu phổ 60Co với detector bán dẫn (a) và NaI(Tl) (b) [44] 31

Hình 1.27.Sơ đồ khối hệ xử lý số sử dụng phối hợp các bộ lọc tương tự 31

Hình 1.28 Mức độ chồng chập xung phụ thuộc độ rộng xung và tốc độ đếm [49] 32

Hình 1.29 Chồng chập xung ở tốc độ 10 kcps và vai trò bộ lọc S-K [47] 33

Hình 1.30 Sơ đồ chức năng của hệ đo với tốc độ đếm cao [47] 34

Hình 1.31 Kết quả đo với 60Co, trong cửa sổ nhỏ là đỉnh 1332 keV [47] 34

Hình 1.32 Kết quả mở rộng dải đo về phía năng lượng thấp [42] 35

Hình 2.1 Điện dung của S8664 phụ thuộc điện áp đặt lên [59] 42

Hình 2.2 Dòng rò của quang đi-ốt cổ điển (S3590) và thác lũ (S8664) 42

Hình 2.3 Hai cách ghép nối quang đi-ốt với tiền khuếch đại 45

Hình 2.4 Giải pháp loại bỏ ground loop 48

Hình 2.5 Sơ đồ mạch lọc Sallen-Key 49

Hình 2.6 Tín hiệu vào và tín hiệu ra tương ứng trong bộ lọc số S-K 50

Hình 2.7 Tổng hợp dạng xung hình thang trong miền thời gian liên tục 52

Hình 2.8 Sơ đồ khối bộ lọc hình thành xung hình thang 54

Hình 2.9 Mạch hồi phục đường cơ bản theo kiểu tương tự 54

Hình 2.10 Sơ đồ thuật toán hồi phục đường cơ bản sử dụng cho các bộ lọc số 55

Hình 2.11 Sơ đồ khối của bộ lọc trung bình động với cửa sổ làm trơn C 56

Hình 2.12 Sơ đồ khối vi phân bậc 1 với hằng số thời gian vi phân F 56

Hình 2.13 Khối vi phân bậc 2 với hằng số thời gian vi phân F 57

Hình 2.14 Giản đồ thời gian của bộ tạo xung trigger 57

xi

Hình 2.15 Hình ảnh các khối cơ bản của DMCA xây dựng trên MATLAB Simulink 58

Hình 2.16 Sơ đồ khối của khối tạo xung trên MATLAB – Simulink 59

Hình 2.17 Biên độ tín hiệu ra từ khối tạo xung 59

Hình 2.18 Sơ đồ khối ADC9254/AnalogDevices 60

Hình 2.19 Khối ADC trên phần mềm mô phỏng MATLAB Simulink 60

Hình 2.20 Tín hiệu trước và sau khi lấy mẫu bởi ADC 60

Hình 2.21 Các khối chức năng trong bộ lọc năng lượng 61

Hình 2.22 Xung ra tương ứng từ các khối chức năng trên phần mềm mô phỏng 62

Hình 2.23 Xung dòng từ quang đi-ốt (a) và xung từ tiền khuếch đại nhạy điện tích (b) 66

Hình 2.24 Sơ đồ hệ đo có hiệu chỉnh phổ bằng phần mềm 69

Hình 2.25 Lưu đồ thuật toán xử lý hiệu chỉnh phổ gamma 69

Hình 2.26 Phổ thử nghiệm với tinh thể CsI(Tl) ghép nối S-3590-08 với TKĐ CR-110 70

Hình 3.1 Bản vẽ thiết kế hệ thống cơ khí detector nhấp nháy CsI(Tl) và LaBr3(Ce) 72

Hình 3.2 Sản phẩm thiết kế thử nghiệm detector nhấp nháyLaBr3(Ce) 73

Hình 3.3 Sơ đồ bố trí các khối mạch nguồn 74

Hình 3.4 Sơ đồ thiết kế hệ mạch nguồn nuôi 74

Hình 3.5 Sơ đồ mạch cấp nguồn điện áp bias cho APD 75

Hình 3.7 Sơ đồ thiết kế khối khuếch đại sơ bộ 76

Hình 3.8 Xung ra của detector LaBr3(Ce) ghép S8664-55 và CsI(Tl) ghép S8664-55 76

Hình 3.9 Sơ đồ thử nghiệm, đánh giá detector nhấp nháy CsI(Tl)/LaBr3(Ce) 78

Hình 3.10 Hình ảnh thử nghiệm detectorCsI(Tl)/LaBr3(Ce) 78

Hình 3.11 Dạng xung lối ra từ TKĐ và qua KĐ tạo dạng của detector CsI(Tl) 79

Hình 3.12 Dạng xung lối ra từ TKĐ và qua KĐ tạo dạng của detector LaBr3(Ce) 79 Hình 3.13 Kết quả kiểm tra giải pháp giải pháp loại bỏ đường đất (a) và (b) tín hiệu từ TKĐ

xii

không có và có loại bỏ đường đất; (c) và (d) tín hiệu sau khối tạo dạng không có và có loại

bỏ đường đất 80

Hình 3.14 FWHM phụ thuộc điện thế và trở bias với detector CsI(Tl) 82

Hình 3.15 Sự phụ thuộc của FWHM vào thời gian tạo dạng của detector CsI(Tl) 83

Hình 3.16 Phổ thử nghiệm của detectorCsI(Tl) với điều kiện tối ưu 83

Hình 3.17 FWHM phụ thuộc điện thế và trở bias với detector LaBr3(Ce) 85

Hình 3.18 Sự phụ thuộc của FWHM vào thời gian tạo dạng của detector LaBr3(Ce) 86

Hình 3.19 Phổ gamma thử nghiệm detector LaBr3:(Ce) với điều kiện tối ưu 86

Hình 3.20 Hiệu suất nội và hiệu suất quang điện nội của detector LaBr3(Ce) và detector CsI(Tl) 89

Hình 3.21 Hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần của detector CsI(Tl) 91

Hình 3.22 Hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần detector LaBr3(Ce) 92

Hình 3.23 Khảo sát sự ổn định phổ của detector CsI(Tl) theo thời gian 93

Hình 3.24 Khảo sát sự ổn định phổ của detector LaBr3(Ce) theo thời gian 93

Hình 3.25 Sơ đồ khối của DMCA 96

Hình 3.26 Giản đồ thời gian mô phỏng quá trình xử lý tín hiệu trên FPGA 97

Hình 3.27 Sản phẩm DMCA dựa trên kit FPGAXilinx XC3S500E 98

Hình 3.28 Hình ảnh đo đạc lấy số liệu thực nghiệm 99

Hình 3.29 So sánh phổ gamma thu được với nguồn (137Cs + 60Co) giữa DMCA của 99

luận án và DSPEC jr 2.0 tại 25, 30 và 35 kpcs 99

Hình 3.30 Phổ gamma của nguồn (137Cs + 60Co) ghi nhận bởi DMCA tại các suất đếm 72 và 110 kcps 100

Hình 3.31 Khảo sát các đại lượng: suất đếm đỉnh photon quang điện tại đỉnh 662 keV, tốc độ đếm tổng, FWHM, thời gian chết của hệ đo theo tốc độ xung vào của 137Cs 101

Hình 3.32 Sự phụ thuộc của đỉnh phổ theo biên độ tín hiệu vào 103

xiii

Hình 3.33 Độ lệch của vị trí đỉnh phổ thực nghiệm so với giá trị lý thuyết 103

Hình 3.34 Tín hiệu xung sau ADC AD9254 của detector CsI(Tl) 104

Hình 3.35 Tín hiệu xung sau ADC AD9254 của detector LaBr3(Ce) 105

Hình 3.36 Tín hiệu ra của bộ lọc khi thay đổi τR, τM cố định với detector CsI(Tl) 105

Hình 3.37 Tín hiệu ra của bộ lọc khi thay đổi τR, τM cố định với detector LaBr3(Ce) 106

Hình 3.38 Kết quả chế tạo DMCA dựa trên chip FPGA và linh kiện rời (a); và hình ảnh thử nghiệm (b) 107

Hình 3.39 Phổ của đồng vị 137Cs ghi nhận bởi detector CsI(Tl) và DMCA 108

Hình 3.40 Phổ của 137Cs (a) và 60Co (b) ghi nhận bởi detector LaBr3(Ce) và DMCA 108

Hình 3.41 Sơ đồ bố trí thực nghiệm 109

Hình 3.42 Mối quan hệ giữa 𝐶𝑖, 0 và 𝐶𝑖, 𝑘, trong đó 𝐶𝑖, 0 và 𝐶𝑖, 𝑘 là vị trí các kênh của đỉnh thứ ith tại nhiệt độ T0 và Tk tương ứng Đường thẳng liền nét và đường gián đoạn biểu diễn mối quan hệ giữa 𝐶𝑖, 0 và 𝐶𝑖, 𝑘 khi nhiệt độ T = 0,4℃ và 45℃ tương ứng 110

Hình 3.43 Dịch chuyển vị trí tương đối của các đỉnh so với nhiệt độ tham chiếu T0= 25℃ không có (a) và có (b) sử dụng thuật toán hiệu chỉnh phổ Dịch chuyển vị trí tương đối của các đỉnh được tính bởi C / Ci,k i,0 112

Hình 3.44 Độ lệch tương đối giữa vị trị đỉnh sau khi hiệu chỉnh với vị trí đỉnh ở nhiệt độ tham chiếu (RD(%)=(Ci,k-Ci,0)*100%) 112

Hình 3.45 Phổ bức xạ nguồn 60Covà 137Cs trước hiệu chỉnh (a) và sau khi hiệu chỉnh (c) Phổ bức xạ nguồn 152Eu trước hiệu chỉnh (b) và sau hiệu chỉnh (d) 113

Hình 3.46 Nhiệt độ môi trường biến thiên trong 24 giờ từ ngày 29/7/2019 đến 30/7/2019 Số liệu nhiệt độ được lấy 10 phút/lần 114

Hình 3.47 Phổ gamma môi trường thu được bởi ERMS tại Hà Nội với có và không sử dụng phương pháp hiệu chỉnh 114

Hình 1PL Sơ đồ mô phỏng trên Simulink 1

xiv

Hình 2PL Mô phỏng khối tạo dạng xung từ tiền khuếch đại 1

Hình 3PL Mô phỏng Flash ADC 14bit 150MSP 2

Hình 4PL Mô phỏng các tầng xử lý tín hiệu 2

Hình 5PL Mô phỏng khối xử lý, lưu trữ và hiển thị dữ liệu phổ 2

Để làm chủ trong lĩnh vực nghiên cứu thiết kế, chế tạo các hệ thống trinh sát phóng

xạ trang bị cho Quân đội, đề tài nghiên cứu: “Nghiên cứu thiết kế và chế tạo thiết bị

ghi đo bức xạ hiện trường sử dụng kỹ thuật xử lý tín hiệu số (DSP) vào mảng các phần tử logic lập trình (FPGA)” được NCS chọn lựa

2 Mục tiêu của luận án

Mục tiêu luận án là nghiên cứu chế tạo hệ phân tích phổ gamma - thành phần chính của hệ trinh sát phát hiện phóng xạ Như vậy, các việc cần làm là:

i) Chế tạo detector nhấp nháy tiêu thụ ít năng lượng và nhỏ gọn;

ii) Chế tạo hệ phân tích phổ trên cơ sở DPP

Cụ thể là:

- Thiết kế, chế tạo detector nhấp nháy sử dụng APD thay cho PMT để giảm khối lượng, kích thước của detector Trong detector chứa tinh thể nhấp nháy loại CsI(Tl) hoặc LaBr3(Ce), APD, tiền khuếch đại, khuếch đại và khối nguồn nuôi

- Nghiên cứu, xây dựng phương pháp nhằm áp dụng detector trong điều kiện hiện trường (outdoor) với điều kiện nhiệt độ và độ ẩm thay đổi mạnh, cường độ sóng điện,

từ trường lớn

- Thiết kế, chế tạo hệ phân tích phổ đa kênh sử dụng kỹ thuật xử lý số

3 Nội dung cần thực hiện

Với mục tiêu tổng quát nêu trên, luận án cần giải quyết các nội dung sau:

2

1 Lựa chọn các loại vật liệu nhấp nháy, tính toán và thiết kế các hệ detector với các tinh thể nhấp nháy loại CsI(Tl) và LaBr3(Ce), sử dụng APD thay cho PMT truyền thống

2 Thiết kế các thuật toán cho DMCA dựa trên FPGA Thử nghiệm các hàm lọc số bằng các ngôn ngữ lập trình khác nhau như VDHL, C++, MATLAB và LabView,… để lựa chọn firmware cài đặt Các chương trình có thể được thử nghiệm trên hệ mô phỏng với bộ xung mẫu (dựng bằng kỹ thuật mô phỏng và thu thập từ một loại detector cụ thể)

3 Thiết kế phần cứng của hệ detector và hệ điện tử theo yêu cầu của bài toán đo

4 Xây dựng phương pháp hiệu chỉnh phổ cho detector nhấp nháy với hệ điện tử được thiết kế

5 Đánh giá các đặc trưng kỹ thuật của các thiết bị được chế tạo

4 Ý nghĩa khoa học của luận án

385 V, điện trở bias 100 MΩ và hằng số thời gian tạo dạng 8 µs

- Hệ detector nhấp nháy bao gồm tinh thể LaBr3(Ce) + S8664-1010 + eV 5093, độ phân giải đạt được là 4,02% với nguồn 137Cs với các tham số được thiết lập: Điện áp bias là 345 V, điện trở bias 200 MΩ và hằng số thời gian tạo dạng 1 µs

3

Về hệ thống DMCA:

Đã chế tạo loại DMCA có hiệu năng cao và điều chỉnh tùy biến phụ thuộc vào mục đích sử dụng Tất cả các thuật toán phân tích xung kết hợp với bộ lọc FIR và CR đều được tích hợp trong FPGA

Về hệ thống ổn định phổ:

Phương pháp ổn định phổ cho kết quả rất khả quan, sai số tương đối giữa vị trí đỉnh sau khi hiệu chỉnh và vị trí đỉnh tại nhiệt độ tham chiếu < 2% trong toàn bộ dải nhiệt độ khảo sát từ 0,4℃ đến 45℃

5 Giá trị thực tiễn của luận án

- Đảm bảo khả năng nội địa hóa, chủ động chế tạo với khả năng sản xuất nhanh và

ổn định, bảo trì và bảo dưỡng hệ phân tích phổ

- Khả năng cung cấp cho thị trường nội địa không chỉ trong phạm vi sản phẩm quốc phòng mà còn có cả tiềm năng phát triển thiết bị ghi đo phóng xạ, hạt nhân trong lĩnh vực y tế và đào tạo

6 Bố cục của luận án

Luận án gồm phần Mở đầu, 3 Chương chính và phần Kết luận bao gồm:

Chương 1: Nhu cầu thực tiễn và tình hình nghiên cứu thiết kế chế tạo trang thiết

bị trinh sát phát hiện phóng xạ: Tổng quan tình hình và kết luận về các kết quả nghiên cứu đã có trên thế giới và trong nước Lựa chọn các mục tiêu cụ thể và phương hướng chế tạo trang thiết bị trinh sát phát hiện phóng xạ hiện trường

Chương 2: Thiết kế, chế tạo detector nhấp nháy sử dụng PIN photodiode và hệ thống xử lý số tín hiệu dựa trên mảng linh kiện lập trình: Cơ sở khoa học của việc lựa chọn, tính toán và thiết kế hệ detector nhấp nháy sử dụng PIN photodiode; Giải quyết vấn đề chế tạo bộ phân tích đa kênh kỹ thuật số dựa trên cơ sở các bộ giải thuật xung số; Phương thức giải quyết vấn đề dịch chuyển phổ bức xạ gamma của detector nhấp nháy (thay đổi vị trí và độ rộng đỉnh),

Chương 3: Các kết quả chế tạo trang thiết bị trinh sát phát hiện phóng xạ và thảo luận

4

Kết luận

Kiến nghị

Danh mục các công trình công bố liên quan đến luận án

Tài liệu tham khảo

Phụ lục

xạ và máy đo phổ (nếu lấy tổng diện tích phổ thì cung cấp được thông tin như máy đếm tia bức xạ - thông qua phương pháp chuyển phổ thành liều) Số liệu thu được có thể là

số đếm, tốc độ đếm hoặc phổ tia bức xạ (phân bố số đếm theo năng lượng), cũng có thể được chuyển sang liều bức xạ hoặc suất liều bức xạ Các máy đếm tia bức xạ nói chung

có cấu trúc đơn giản, thường là 1 ống đếm GM kết hợp với bộ đếm xung và hiển thị Các máy đo phổ thì phức tạp hơn về detector, tiền khuếch đại, khuếch đại phổ và hệ thống phân tích phổ biên độ xung và lưu trữ

Ngày nay các thiết bị trinh sát phát hiện phóng xạ, hạt nhân được sử dụng phổ biến

ở các quốc gia trên thế giới, kể cả các nước chưa có cơ sở hạ tầng hạt nhân, đặc biệt là các hệ thống quan trắc phóng xạ môi trường (ERMSs) Hiện nay có rất nhiều các cấu hình của thiết bị trinh sát phát hiện phóng xạ, hạt nhân được phát triển trên thế giới [1-7] Ví dụ, Tachimori Ohba và các cộng sự đã thiết kế thuật toán và mạch chuyển đổi suất liều chiếu từ detector sử dụng tinh thể NaI(Tl) thành hệ thống đo suất liều chiếu sử dụng trong lò phản ứng nước nhẹ [1] Trong khi đó, các công trình [2, 3] phát triển thiết

bị quan trắc cầm tay kết nối mạng đo theo thời gian thực, thiết bị này sử dụng đường thuê bao kỹ thuật số (DSL) và các kỹ thuật định dạng internet di động (IP) Sau sự cố tại nhà máy điện hạt nhân Fukushima Daiichi, để giảm chi phí sản xuất và dễ dàng trong vận hành, thao tác trong khi vẫn thu thập được các số liệu suất liều gamma môi trường chính xác cho các ERMSs, Yang Ishigaki và các cộng sự đã phát triển thiết bị đo phóng

xạ môi trường bằng việc sử dụng detector p-i-n photodiode kết nối với điện thoại di động thông minh qua cáp microphone và phần mềm chạy trên nền tảng iOS [4] Hiện nay, một số cấu hình ERMSs của các hãng thương mại đã được bảo hộ thông qua các sáng chế [5, 6, 7] Tuy nhiên, sử dụng các thiết bị trên không những có giá thành cao mà

6

còn khó khăn trong vận hành, sửa chữa và bảo dưỡng định kỳ Hơn nữa, cơ chế, thuật toán báo động, một vấn đề quan trọng, hiếm khi được đề cập đầy đủ trong các tài liệu kèm theo của các hãng thương mại

Cùng với sự phát triển của các kỹ thuật điện tử và công nghệ vật liệu, hiện nay các loại thiết bị trinh sát phát hiện phóng xạ, hạt nhân vẫn được phát triển và nghiên cứu cải tiến không ngừng Trong các kỹ thuật tiên tiến hiện nay, mảng các phần tử logic khả dĩ lập trình (FPGA) và kỹ thuật xử lý xung số (DSP) được ứng dụng rộng rãi trong việc phát triển các loại thiết bị trinh sát phát hiện phóng xạ, hạt nhân [8 ,9] Kỹ thuật này cho phép thiết kế các thiết bị đo thế hệ mới có ưu điểm vượt trội là: giá thành thấp, dễ sử dụng, nhỏ gọn và tiêu hao ít năng lượng Hơn nữa, các thuật toán thông, minh ứng dụng trí tuệ nhân tạo, máy học tiếp tục được hoàn thiện để đưa ra các số liệu chính xác, chi tiết

và tin cậy hơn

1.1.Nhu cầu thực tiễn

1.1.1 Tình hình sử dụng các trang thiết bị trinh sát bức xạ trên thế giới

Theo thống kê [10], từ năm 1980 đến 2013, thế giới xảy ra 634 vụ tai nạn bức xạ

và hạt nhân, trong đó, có hơn 100 sự cố và tai nạn bức xạ và hạt nhân nghiêm trọng điển hình là các vụ Chernobyl (1986), Fukushima (2011),… Khi sự cố hạt nhân hoặc vụ thử hạt nhân xảy ra, thì việc quan trọng nhất là xác định được vị trí và đặc tính của sự việc

để đánh giá hậu quả và đưa ra các hành động thích hợp nhằm tránh những hậu quả ảnh hưởng lâu dài đến con người và môi trường sinh thái Ngoài ra, trước sự xuất hiện và gia tăng các vụ thử vũ khí hạt nhân công suất thấp, việc xây dựng ồ ạt các nhà máy điện hạt nhân ở nhiều quốc gia và các thách thức an ninh phi truyền thống đã đòi hỏi phải nghiên cứu chế tạo và phát triển các trang thiết bị trinh sát phóng xạ mà thành phần chính của nó là hệ ghi đo bức xạ Hơn nữa, với sự phát triển của kinh tế, hầu hết các quốc gia trên thế giới đều cần có các thiết bị ghi đo bức xạ để sử dụng trong đào tạo, y học hạt nhân, kiểm soát các cửa khẩu và trong nhiều ứng dụng khác

Đối với các thiết bị ở dạng kết nối mạng quan trắc liên tục phóng xạ 24/24h, các nước phát triển như Phần Lan, Canada, Đức, Pháp, Mỹ,… đều được trang bị hệ thống quan trắc phóng xạ trực tuyến (gọi tắt là các trạm) Các trạm này thường hoạt động ở

7

trạng thái cố định hoặc di động Đối với các lực lượng kiểm soát phóng xạ, hạt nhân như: hải quan, biên phòng, các lực lượng ứng phó, thanh sát,… thì các trang thiết bị cầm tay gọn, nhẹ để kiểm soát phóng xạ là không thể thiếu

1.1.2.Nhu cầu trong quan trắc môi trường, phục vụ đào tạo của Việt Nam

Ngày nay, số lượng nhà máy điện hạt nhân ngày càng tăng nhanh ở nước láng giềng Trung Quốc Chiến lược phát triển điện hạt nhân của quốc gia này là mở rộng xuống phía Nam và phát triển nhà máy điện hạt nhân nổi trên Biển Đông, trong khi Việt Nam là quốc gia nằm trong khu vực dễ bị ảnh hưởng nhất do ở phía dưới các luồng không khí vận chuyển trong các mùa Thu, Đông và Xuân Thêm vào đó, sự hoạt động khai khoáng của các mỏ quặng chứa phóng xạ và các nhà máy nhiệt điện thải vào môi trường các xỉ than có chứa phóng xạ cũng là một vấn đề quan trọng cần được giám sát, theo dõi Ngoài ra, các thiết bị ghi đo bức xạ cũng được sử dụng trong đào tạo đại học,

y học và xạ trị hạt nhân, kiểm soát an ninh bức xạ tại các cửa khẩu và trong nhiều ứng dụng kinh tế kỹ thuật khác

1.1.3 Các hệ đo hướng tới gọn nhẹ và tiết kiệm năng lượng

Theo sự phát triển của công nghệ, các hệ đo phóng xạ nói chung cũng như các hệ trinh sát phóng xạ nói riêng đều hướng tới gọn, nhỏ và tiết kiệm năng lượng Các hệ trinh sát phóng xạ cũng như các hệ điện tử đã chuyển từ các giai đoạn lắp ráp bằng bóng đèn điện tử, bóng bán dẫn, mạch tích hợp (IC) sang mạch tích hợp với vi điều khiển và hiện nay là mảng linh kiện tích hợp bậc cao như FPGA kết hợp với các Flash ADC Hiện tại, các hệ đo loại mới này xử lý tín hiệu số bằng những chương trình nhúng (firmware) do người thiết kế tạo nên Đi kèm với sự phát triển của công nghệ linh kiện, các phần mềm gốc cũng rất phong phú và có hỗ trợ trong quá trình thiết kế [11] [12]

1.1.4 Yêu cầu về làm chủ công nghệ

Một trong những yêu cầu rất khắt khe của công nghiệp quốc phòng là phải đảm bảo luôn sẵn sàng chiến đấu kể cả số lượng lẫn chất lượng Do đó, các phương tiện và trang thiết bị phải được chủ động sửa chữa, lắp ráp và bảo dưỡng (cho dù các phương tiện trinh sát phóng xạ chiếm một tỷ lệ rất nhỏ trong chi phí quốc phòng) Việc mua trọn

8

vẹn thiết bị trinh sát phóng xạ từ nước ngoài chỉ giúp chúng ta nhanh có được phương tiện sử dụng Mỗi khi có trục trặc, hỏng hóc thì lại phải gửi đi sửa chữa rất tốn kém kinh phí, thời gian chờ đợi và không có phương tiện sử dụng trong khoảng thời gian đó Vì

lẽ như vậy, cần thiết có nghiên cứu chế tạo các thiết bị trinh sát phóng xạ để làm chủ trong sản xuất, bảo dưỡng, sửa chữa và thay thế, giảm lệ thuộc bảo trì, bảo dưỡng vào nước ngoài

1.1.5 Khả năng chế tạo nhanh, chất lượng ổn định và nguồn linh kiện vật tư

Từ ngày hình thành đến nay, ngành hạt nhân Việt Nam đã có nhiều đề tài, luận án [13, 14] nghiên cứu chế tạo thiết bị quan trắc và trinh sát phóng xạ, đo liều bức xạ và cả

đo phổ bức xạ Tuy nhiên, hầu hết các nghiên cứu đó đều dừng ở việc chế tạo ra một vài mẫu máy theo kinh phí đề tài Một lý do lớn là chế tạo các hệ đo phóng xạ bằng linh kiện rời, thuộc loại hệ tương tự đòi hỏi mất nhiều thời gian để hiệu chỉnh, trong khi các điều kiện kỹ thuật như mạch in, thiết bị kiểm tra các thông số của linh kiện chưa được đáp ứng Việc số hóa hệ đo cho phép chế tạo hàng loạt, nhanh và chất lượng ổn định sau khi nghiên cứu xong Đề tài cấp Bộ Quốc phòng: “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo thiết bị quan trắc liên tục bức xạ gamma môi trường dùng cho trạm cố định sử dụng kỹ thuật truyền dữ liệu vệ tinh” thuộc Chương trình KHCN cấp Bộ Quốc phòng: “Nghiên cứu

kỹ thuật, an toàn hạt nhân đảm bảo sẵn sàng chiến đấu cho Quân đội giai đoạn

2016-2020 và định hướng tới những năm tiếp theo”, mã số KC.AT [15] chính là một ví dụ cho đánh giá trên

1.2 Tình hình nghiên cứu và chế tạo trên thế giới

1.2.1 Tổng quan nghiên cứu và chế tạo detector nhấp nháy không dùng PMT trên thế giới

Những ý tưởng chế tạo detector nhấp nháy không dùng PMT mà dùng PIN photodiode để biến chùm photon do chất nhấp nháy phát ra thành tín hiệu điện đã được bắt đầu từ những nghiên cứu ghi đo bức xạ trên máy gia tốc trong những năm 1960 do loại đầu đo này tiêu thụ năng lượng ít, gọn nhẹ và có độ bền cao và đặc biệt là không ảnh hưởng bởi từ trường [16] Sau đó, các tác giả [17, 18] đã ghép nối tinh thể nhấp

Rõ ràng là, với APD có diện tích lớn hơn, tạp âm sẽ lớn hơn (Hình 1.1b) Lý do đơn giản là APD có diện tích lớn hơn sẽ có điện dung lớn hơn và như vậy, tiếng ồn ở lối ra tiền khuếch đại sẽ cao hơn Kết quả là ngưỡng cắt phổ trên Hình 1.1b cao hơn ngưỡng cắt phổ trên Hình 1.1a Tất nhiên độ phân giải năng lượng của đỉnh ứng với hệ có APD kích thước nhỏ hơn sẽ tốt hơn độ phân giải của hệ có APD với kích thước lớn hơn

Hình 1.1 Phổ 137 Cs, đỉnh năng lượng 662 keV thu được khi gắn APD với NaI(Tl) [21]

a SiAPD có đường kính 2,5 cm, FWHM = 8,5%

b SiAPD có đường kính 3,7 cm, FWHM = 10,5%

Năm 1992, M Suffert đã tổng kết lại tình hình nghiên cứu chế tạo detector nhấp nháy không sử dụng PMT [20] từ những năm 1962 đến 1992 Trong công bố này, M Suffert đã chỉ ra khả năng phát triển mạnh mẽ các ứng dụng sử dụng các detector nhấp

10

nháy không sử dụng PMT Ngoài các lý do như khả năng làm việc trong từ trường mạnh, tiết kiệm năng lượng và có độ bền cao, việc sử dụng phương thức ghép nhấp nháy với APD còn có một lợi thế rất lớn nữa là có thể chế tạo các hệ detector nhạy vị trí, có kích thước với tiết diện cỡ mm2 - điều không thể đạt được với các detector nhấp nháy sử dụng PMT thông thường

Cũng từ [21], cho thấy xuất hiện 2 vấn đề như sau:

- Thứ nhất, bản thân APD cũng là một detector bán dẫn thuộc loại Si nên có khả năng ghi các lượng tử gamma mềm và tia X Trong trường hợp này, điện tích được tạo ra

ví dụ với photon có năng lượng 100 keV vào cỡ (chưa tính đến sự khuếch đại) 28.000 cặp electron-lỗ trống Trong khi đó, tia gamma có năng lượng 511 keV tương tác với tinh thể nhấp nháy NaI(Tl) tạo ra các photon đi đến APD để có thể tạo ra khoảng 16.000 cặp electron-lỗ trống Như vậy, cần lưu ý điều này trong quá trình thiết kế detector với tinh thể nhấp nháy có độ dày đủ lớn nhằm giảm gamma mềm đi đến APD (tính toán nói trên được nêu trong Phụ lục 1) Hoặc có thể sử dụng loại APD có độ dày rất nhỏ và có bộ phản

xạ ngược ánh sáng để hấp thụ hết các photon sáng từ tinh thể nhấp nháy, điển hình là loại photodiode S12497 của hãng Hamamatsu

- Thứ hai, vấn đề sử dụng APD với kích thước lớn đồng nghĩa với điện dung lối vào của tiền khuếch đại lớn, và như vậy, kéo theo tiếng ồn ở lối ra của tiền khuếch đại tăng lên, dẫn đến độ phân giải năng lượng của hệ tồi đi Nếu tăng điện áp bias đặt lên APD thì điện dung APD giảm đi nhưng lại làm tăng khả năng ghi gamma mềm Hơn nữa, dòng rò của APD tăng lên lại làm tiếng ồn tăng Ngoài ra, khi tăng điện áp bias thì

hệ số khuếch đại tăng, tất nhiên việc tăng này làm cho cả hệ càng nhạy cảm với nhiệt độ của môi trường đo [22]

Theo đánh giá của F Knoll [24], các quang đi-ốt mang đến những lợi thế về hiệu suất lượng tử cao hơn, do đó có khả năng cho độ phân giải năng lượng tốt hơn, tiêu thụ năng lượng thấp hơn, kích thước nhỏ gọn hơn, và độ bền cơ học được cải thiện so với các ống PMT khi được sử dụng trong detector nhấp nháy Các quang đi-ốt cũng gần như không nhạy với từ trường và do đó, có thể được thay thế trong các thí nghiệm mà ở đó trường từ mạnh ngăn cản việc sử dụng các ống PMT

11

Cũng theo Knoll, trong quang đi-ốt cổ điển do không có sự khuếch đại nội nên tín

hiệu có cường độ rất nhỏ Trong một sự kiện nhấp nháy thông thường, chỉ có vài nghìn lượng tử khả kiến được sinh ra, cho nên độ lớn của xung điện tích luôn nhỏ hơn số photon nói trên nhân với điện tích của một electron Do biên độ tín hiệu nhỏ nên tiếng

ồn từ các thăng giáng do các phần tử mang điện được tạo ra bởi dòng điện tối (cường

độ tăng khi nhiệt độ tăng) là vấn đề chủ yếu đối với các đầu đo có diện tích lớn và các bức xạ có năng lượng thấp Vì vậy, hệ thống nhấp nháy gắn quang đi-ốt cổ điển có độ phân giải năng lượng không cao và tiếng ồn từ quang đi-ốt có thể giảm mạnh khi được làm lạnh Những ứng dụng thành công cho đến nay chủ yếu là đo các bức xạ có năng lượng cao [25, 26, 27] và/hoặc các quang đi-ốt đường kính nhỏ có dòng điện tối và điện dung nhỏ

Nhiều vật liệu bán dẫn khác nhau có thể được sử dụng làm các quang đi-ốt cổ điển như Si, Ge, Hg [28, 29] là một ví dụ về chất bán dẫn có vùng cấm rộng, các loại quang đi-ốt này đạt được dòng điện tối rất thấp ở nhiệt độ phòng thí nghiệm Mặt khác, đáp ứng phổ của chúng cũng rất rộng, hiệu suất lượng tử có thể đạt đến 90% trong vùng bước sóng 380 và 550 nm Do đó, độ phân giải năng lượng là rất tốt, và người ta đã đo được [30] quang đi-ốt HgI2 đường kính 2,54 cm ghép nối với chất nhấp nháy CsI(Tl) có giá trị độ phân giải vào cỡ 5% tại 662 keV

Có thể làm tăng lượng điện tích từ một sự kiện nhấp nháy điển hình thông qua quá

trình thác lũ xảy ra trong một loại chất bán dẫn ở các giá trị điện áp nuôi cao Những

phần tử mang điện tích được gia tốc đủ mạnh giữa các va chạm để tạo ra thêm các cặp điện tử-lỗ trống dọc theo quãng chạy thu hồi, theo cách tương tự như sự nhân điện tích xảy ra trong ống đếm tỷ lệ Độ khuếch đại nội giúp kéo tín hiệu vượt lên khỏi mức nhiễu

và cho phép thu được độ phân giải năng lượng tốt ở chế độ hoạt động xung với năng lượng bức xạ thấp hơn so với khi sử dụng các quang đi-ốt thông thường Do hệ số khuếch đại rất nhạy với điện áp nuôi nên để có hoạt động ổn định, các quang đi-ốt thác lũ đòi hỏi cung cấp cao áp với mức ổn định cao (nhưng không đòi hỏi công suất lớn như PMT) Trong những năm gần đây, việc nghiên cứu chế tạo các detector nhấp nháy gắn APD hoặc quang đi-ốt cổ điển được rộng mở theo các hướng như:

12

- Nghiên cứu lựa chọn lớp vỏ bọc tinh thể để giảm thiểu sự mất photon do nhấp

nháy phát ra khi tia gamma tương tác với tinh thể nhấp nháy

- Sử dụng các tiền khuếch đại có tiếng ồn thấp, độ nhạy cao và dải điện dung

detector được mở rộng

- Thử nghiệm với các loại nhấp nháy với các loại quang đi-ốt khác nhau

Một trong những nghiên cứu điển hình đã được công bố năm 2008 bởi Martin Gascon và các cộng sự [31], trong đó quang đi-ốt thác lũ là S8664-1010 của hãng Hamamatsu được ghép với tinh thể nhấp nháy CsI(Tl) Các tinh thể nhấp nháy có tiết diện 1x1 cm2 và có chiều dài 1,5 và 10 cm Nguồn phóng xạ dùng để thử nghiệm là đồng

vị 137Cs Các tác giả đã có những kết quả về độ phân giải năng lượng tương ứng với lớp bọc tinh thể CsI(Tl) được thể hiện ở Bảng 1.1 (trước khi tối ưu các thông số khác):

Bảng 1.1 Lớp vỏ bọc và độ phân giải năng lượng của detector

Vật liệu Độ phân giải năng lượng (%)

ở Hình 1.2

13

Hình 1.2 Phổ của 137 Cs đo với CsI(Tl) ghép cùng APD S8664-1010 [31]

Với ý tưởng thiết kế vỏ bọc cần được tính mô phỏng trước khi triển khai thực hiện, năm

2011, các tác giả Jin Hyoung Bai và Joo Ho Whang đã công bố kết quả nghiên cứu “The Optimization of CsI(Tl)-PIN Photodiode for High-Energy Gamma-Ray Detection” [32]

Hình 1.3 Các phổ thu được đo với 22 Na và 60 Co [32]

So với các kết quả đo 137Cs của các tác giả trong [31] thì độ phân giải năng lượng của hệ này kém hơn, đó là vì quang đi-ốt cổ điển được sử dụng thay cho quang đi-ốt thác lũ Các kỹ thuật xử lý tinh thể CsI(Tl) sau khi mài để thu được chất lượng phổ cũng được các tác giả trong [33] đề cập đến

14

Việc đánh giá tạp âm và tín hiệu, độ phân giải năng lượng của detector nhấp nháy CsI(Tl) ghép với quang đi-ốt cũng đã được xem xét trong [34] Các tác giả đã sử dụng tinh thể CsI(Tl) diện tích bề mặt 1 × 1 cm2 ghép nối với quang đi-ốt do Viện Electronics and Telecommunications Research (ETR) thiết kế và so sánh với hệ ghép với quang đi-ốt S3590-01 của hãng Hamamatsu Tiền khuếch đại được sử dụng trong thí nghiệm này là eV-

5093, đây là loại tiền khuếch đại thuộc loại có độ nhạy cao nhất (3,6 V/pF) trong các loại tiền khuếch đại của hãng Kromek Quang đi ốt S3590-01 có điện dung cỡ khoảng 70 pF Kết quả đo đối với nguồn 60Co được đưa ra trên Hình 1.4 [34]

Hình 1.4 Kết quả đo với quang đi-ốt Viện ETR và S-3590-01[34]

Tất cả các hướng nghiên cứu nêu trên nhằm vào bài toán đo năng lượng cao của photon Để chuyển thành các phổ kế gamma năng lượng thấp thì các hệ đo như vậy cũng

có thể sử dụng được Một xu hướng thứ 3 cho hệ phổ kế có chất lượng tốt hơn hẳn là kết hợp chất nhấp nháy LaBr3(Ce) kết hợp với APD S8664-1010 do hãng Hamamatsu sản xuất, với tiền khuếch đại nhạy điện tích có độ nhạy cao như eV-5093 Chất nhấp nháy LaBr3(Ce) có độ ra sáng 65.000 photon/MeV, gấp 1,65 lần độ ra sáng của NaI(Tl),

độ ra sáng này không bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ Hằng số thời gian suy giảm của cường

độ chớp sáng của LaBr3(Ce) là 16 ns Khối lượng riêng của LaBr3(Ce) là 5,08g/cm3 Như vậy, đầu đo nhấp nháy sử dụng LaBr3(Ce) có hiệu suất ghi và độ phân giải năng lượng cao và sẽ cho kết quả rất tốt trong các hệ xử lý, đo khoảng thời gian Các tác giả trong [35] đã thu được những kết quả rất tốt Ví dụ như về độ phân giải năng lượng như

Công bố“Si-APD Readout for LaBr3:Ce Scintillator” trên Nuclear Instruments and

Methods in Physics Research A V.571 (2007) [36] trước đó chỉ 2 năm lại có kết quả hơi khác: độ phân giải năng lượng đo với 662 keV ở [36] lớn gấp đôi ở [35] Hình 1.6 là độ nháy LaBr3(Ce) gắn với quang đi-ốt thác lũ S8664-1010 có độ rộng nửa chiều cao ở đỉnh lớn hơn so với nhấp nháy ghép với APD (7,3% so với 3,1%) Có lẽ nguyên nhân ở chỗ giá trị điện áp bias cho APD được đặt tối ưu hơn hoặc có những xử lý đặc biệt trong việc thiết lập hệ thống giảm nhiễu cho tiền khuếch đại, mà đáng tiếc là trong [36] không

có thông tin về vấn đề này

Hình 1.5 Phổ đo của hệ sử dụng LaBr 3 (Ce)với 137 Cs [35]

16

Hình 1.6 Kết quả so sánh độ phân giải năng lượng đo với nguồn 137 Cs [36]

Các hệ thống nhấp nháy ghép với quang đi-ốt đã được sử dụng để đo bức xạ ở các thí nghiệm trên máy gia tốc, đo trong chụp ảnh phóng xạ chẩn đoán hình ảnh trong y học hạt nhân,… Việc đưa ra ngoài môi trường tự nhiên để giám sát môi trường phóng

xạ chưa được nhắc đến Có thể dự đoán lý do chủ yếu là hệ số khuếch đại và một số thông số khác của hệ đo chưa đủ ổn định, chưa phù hợp để đảm bảo chất lượng các phép

đo ngoài môi trường – nơi nhiệt độ biến thiên nhanh và rộng

Như vậy, trên thế giới hiện nay, để lắp ráp detector nhấp nháy với quang đi-ốt, có những phương hướng như sau:

- Loại chất nhấp nháy chủ yếu gồm LaBr 3 (Ce), để dùng trong hệ phân tích thời gian và đo phổ gamma tới; CsI(Tl) - dùng để đo phổ bức xạ gamma

- Các quang đi-ốt cổ điển (ví dụ như S3590-01) và các quang đi-ốt thác lũ (như

S8664-1010) có thể sử dụng với 2 loại tinh thể nói trên

- Cần phải có ổn định phổ hoặc hiệu chỉnh phổ (hoặc cả hai) thì mới có thể triển khai ứng dụng hiệu quả detector nhấp nháy dùng quang đi-ốt cho các phép đo hiện trường và các phép đo có thời gian kéo dài do ảnh hưởng của nhiệt độ đến dòng rò, tiếng ồn và hệ số khuếch đại của quang đi-ốt.

17

1.2.2 Nghiên cứu và chế tạo hệ thống xử lý tín hiệu số

Từ những năm đầu thập niên 90, sự phát triển của bộ chuyển đổi tương tự - số (ADC) với tốc độ và khả năng phân giải cao đã mở ra triển vọng xử lý số các xung ra từ detector Hiện nay, nhiều hệ phổ kế sử dụng phương pháp xử lý số đã chứng tỏ được những lợi thế quan trọng hơn hẳn hệ phổ kế kinh điển Cho đến thời điểm hiện tại, kỹ thuật xử lý xung số DPP (Digital Pulse Processing) đã được áp dụng rộng rãi vào lĩnh vực ghi đo bức xạ, hạt nhân DPP là kỹ thuật xử lý số các tín hiệu được số hóa trực tiếp từ tiền khuếch đại của detector để cho ra các thông tin về năng lượng, thời gian đến, của bức xạ Có nhiều giải thuật DPP như: Phân tích độ cao xung cho thông tin năng lượng (Pulse-Height Analysis); Tích phân điện tích cho thông tin vị trí đỉnh và điện tích (Charge Integration); Đo thời gian cho thông tin thời gian đến (Time Measurement),

a) Hệ đo phổ kinh điển và hệ đo xử lý số tín hiệu bức xạ

Các hệ đo phổ kinh điển là các hệ phổ kế có sử dụng các khuếch đại phổ và các MCA thường gắn liền với máy tính và có phần mềm được cài đặt để xử lý số liệu, lưu trữ và lấy ra các thông tin cần thiết Có thể tóm tắt quá trình xử lý xung như sau: Detector biến đổi năng lượng tia bức xạ thành tín hiệu điện và tín hiệu này từ tiền khuếch đại được đưa vào bộ khuếch đại hình thành xung để khuếch đại và tạo dạng thích hợp cho ADC – các ADC làm việc ở chế độ PHA (Pulse-Height Analysis)

Khác với hệ phổ kế truyền thống như ở trên, các hệ đo xử lý tín hiệu số có cấu trúc như ở Hình 1.10 Trong các phổ kế loại này, tín hiệu từ lối ra của tiền khuếch đại được

số hóa bằng Flash ADC ở chế độ lấy mẫu (Sample) và với bộ dữ liệu số, quá trình xử lý được thực hiện bằng chương trình nạp vào mảng các phần tử logic FPGA

Hình 1.7 Sơ đồ khối của một hệ phổ kế xử lý số

18

So với việc chế tạo các khối khuếch đại và MCA bằng các linh kiện rời (khá tốn thời gian và kỹ năng để lắp ráp và hiệu chỉnh), việc chế tạo các linh kiện logic có khả năng nạp chương trình điều khiển dễ dàng hơn rất nhiều Khi đã có chương trình xử lý tối ưu, việc biên dịch ra ngôn ngữ máy và nạp vào mảng linh kiện lập trình nhanh chóng cho phép chế tạo hàng loạt hệ đo trong một thời gian ngắn Vấn đề chỉnh sửa các thông

số của hệ đo như thay đổi các tham số của hàm lọc,… sẽ dễ dàng được thực hiện bằng chỉnh sửa phần mềm và cài đặt lại

Trên thế giới, hệ thống xử lý số tín hiệu bức xạ đã được nghiên cứu và phát triển

từ những năm 1990 [37, 38, 39] Trong [37], các tác giả đã xây dựng một phương pháp mới cho hệ phổ kế gamma độ phân giải cao bằng cách đưa ra sơ đồ mô tả quá trình xử

lý xung số như ở Hình 1.8 Các thử nghiệm được thực hiện trên hệ thống detector bán dẫn HPGe, ADC 12 bit lấy mẫu với với tần số 25 MSPS, cửa sổ động (MWD) có kích thước 125 giá trị mẫu Các kết quả thực nghiệm cho thấy hệ DPP có các ưu điểm:

- Sự mất số đếm là thấp nhất (khi so sánh với hệ kinh điển dùng xung dạng Gauss

và xung từ cổng tích phân GI)

- Có được độ phân giải năng lượng tốt nhất (1,88; 2,06 và 2,92 keV – tương ứng DPP, GI và Gauss)

Hình 1.8 Sơ đồ thuật toán DPP b) Quá trình phát triển giải thuật số DPP

Năm 1994, T Giocđanov và F Knoll đã xây dựng các hàm lọc số để khi tổng hợp với xung số (dạng có đuôi là hàm e mũ) sẽ cho ra các xung số dạng hình thang, tam giác

19

[38] Các phép toán trong điều kiện rời rạc hóa biến thành các phép cộng, trừ và điều này cho phép tính toán nhanh các kết quả Kết quả sẽ tính ra được biên độ xung vào ADC tốt hơn, nhanh hơn và dễ thực hiện hơn hẳn so với hệ phổ kế kinh điển Các thực nghiệm đã được tiến hành với detector HPGe loại p và detector p-i-n Si đo tia X và cho các kết quả như các tác giả đã dự đoán về tỷ số tín hiệu trên tạp âm Trên Hình 1.9 là lưu đồ thuật toán mà Giocđanov đã đề ra [38]:

Hình 1.9 Lưu đồ thuật toán Kí hiệu chức năng các khối: - adder/subtracter; ACC -

accumulator, X - multiplier; DELAY - delay pipeline [38]

Trong [39], Arcos cùng cộng sự đã thử nghiệm sử dụng máy tính cá nhân tạo thiết

bị làm khớp các giá trị mẫu biên độ từ ADC lấy mẫu với tốc độ 100 MSPS với hơn 100

bộ mẫu từ detector Ge(Li) đo 60Co So sánh hai kết quả phổ phân bố biên độ xung như Hình 1.10 [39] thì có thể nhận xét là phương thức cho kết quả chưa được như các phổ

kế truyền thống

Hình 1.10 So sánh các kết quả phổ phân bố biên độ xung [39]

20

DPP cũng đã được áp dụng cho các phép đo với gamma năng lượng thấp và các tác giả trong [40] đã đưa ra các gợi ý xử lý cửa sổ động (MWD) phục hồi đường cơ sở, điều kiện để các phép lọc số trở nên có chất lượng và một số vấn đề khác như lọc cực 0, chồng chập xung

Việc xuất hiện phương pháp xử lý số xung điện từ các detector ghi đo bức xạ đã đặt ra vấn đề phát triển các hệ thống phần mềm tương ứng Một trong các phát triển đó được công bố trên tạp chí Nuclear Instruments and Methods in Physics Research của Xiao và các cộng sự [51] Các tác giả đã dựa trên ngôn ngữ lập trình MATLAB để dựng

hệ thống mô phỏng các phổ kế Hệ thống này cho phép thử nghiệm các hàm lọc với các

bộ mẫu xung thu từ thực tế để làm nền tảng cho thiết kế các hệ phổ kế Trong [51], lưu

đồ thuật toán xử lý xung số được biểu diễn trên Hình 1.11 Dựa vào lưu đồ này, có thể thấy kết quả cuối cùng được quan tâm chủ yếu là phổ biên độ xung Tất nhiên có thể thấy ngay là vấn đề chồng chập xung chưa được quan tâm ở hệ thống mô phỏng này

Hình 1.11 Lưu đồ thuật toán xử lý xung số [51]

21

Trong tình hình hệ thống xử lý số phát triển mạnh mẽ, IAEA đã xuất bản tuyển tập TECDOC1076 năm 2010 với tiêu đề “Instrumentation for Digital Nuclear Spectroscopy” [46] nhằm hệ thống lại và cung cấp bức tranh, phương thức phát triển để trợ giúp cho tất

cả các phòng thí nghiệm hạt nhân và các hãng chế tạo thiết bị ghi đo bức xạ Trong TECDOC này, đã cung cấp các bức tranh gồm những vấn đề như sau:

- Thiết lập hệ phổ kế xử lý số (DMCA) cho detector bán dẫn HPGe trong trường gamma mạnh

- Xung số cho hệ phổ kế xử lý số

- Phương pháp xử lý số để tối ưu độ phân giải năng lượng trong phổ kế gamma

- Thiết lập xử lý số cho hệ phổ kế đo hủy cặp positron

Ngoài ra, [46] còn đề cập đến nhiều vấn đề liên quan khác để phục vụ các bài toán khác nhau trong ghi đo bức xạ

Các hãng chế tạo thiết bị ghi đo bức xạ hạt nhân cũng tham gia lĩnh vực số hóa thiết bị hạt nhân hết sức mạnh mẽ như Canberra, Ortec… Trong số đó, CAEN (Costruzioni Apparecchiature Elettroniche Nucleari) đã xuất bản tài liệu hệ thống kiến thức [43] về DPP

Tài liệu [43] đã mô tả lại hệ phổ kế kinh điển với các chức năng chính là đo biên

độ và xác định thời điểm xảy ra tương tác của bức xạ với detector Một cách đầy đủ nhất, cần hình dung quá trình đó như trên Hình 1.12

Hình 1.12 Mô tả cấu trúc một hệ phổ kế kinh điển [43]

Quá trình xử lý xung được thể hiện như ở Hình 1.13, như sau:

22

Hình 1.13 Quá trình xử lý xung trong hệ phổ kế kinh điển [43]

Với sự phát triển của công nghệ chế tạo linh kiện bán dẫn, hệ thống xử lý số đã trở nên có chất lượng tăng nhanh dựa trên tốc độ lấy mẫu và chất lượng của ADC (tốc độ lấy mẫu đạt đến 500 MSPS hoặc cao hơn và độ phân giải đạt 12 – 16 bit) Về nguyên tắc, hệ xử lý số sẽ lưu lại số liệu về xung khi hệ báo có xung khởi phát và các giá trị của các mẫu (trong cửa sổ) sẽ được lưu lại ở bộ nhớ đệm - tương tự như dao động ký số Quá trình lấy mẫu xung được mô tả trên Hình 1.14 [43]

Với hệ thống này, có những điểm rất quan trọng và đặc trưng như sau:

- Hệ thống nhớ (Multi Event Memory) cho phép giảm thời gian chết đi rất nhỏ và hạn chế được sự tràn các ô nhớ;

- Cho phép đồng bộ được hệ thống phân tích và hệ thống kênh truyền, có thể phát triển từ một hoặc vài kênh lên hàng ngàn kênh với các chức năng khác nhau;

- Băng truyền dữ liệu cao;

- Có hệ thống FPGA và DSP cho phép xử lý và rút gọn dữ liệu theo thời gian thực (online)

23

Hình 1.14 Mô tả xung số [43]

Như vậy, cấu trúc nguyên lý của hệ đo xử lý xung số được mô tả như Hình 1.15 [43]

Hình 1.15 Cấu trúc nguyên lý của hệ đo xử lý xung số [43]

Trong tài liệu [43] đã đưa ra các ưu điểm của việc xử lý số tín hiệu như sau:

- Bằng một mảng linh kiện (board), cũng phân tích và thu thập được các thông tin về năng lượng, thời điểm xuất hiện và dạng xung – tính kinh tế cao và dễ thực hiện;

- Các dữ liệu được số hóa nên có độ ổn định tốt, độ tuyến tính cao và có thể tái xử lý

do lưu giữ được toàn bộ hình ảnh về xung;

- Dải động lớn và phân tích được cả ngoài dải động;

- Cho phép chính xác sự chồng chập xung, hụt đạn đạo và thăng giáng đường cơ sở;

- Giữ được nhiều kênh đồng bộ và tương quan, thực hiện phép đo trùng phùng/đối trùng khi phép đo thực nghiệm đã kết thúc;

- Thời gian chết rất thấp nên có tốc độ thu thập dữ liệu cao;

- Thuận tiện thay đổi thuật toán (xóa chương trình cũ, nạp chương trình mới);

- Hiệu chỉnh và chuẩn hệ đo dễ hơn, tự động và nhanh chóng

Đồng thời, trong tài liệu [43] cũng đánh giá 2 khó khăn cho việc phát triển DPP là:

- Cần hiểu sâu về thuật toán và nhiều vấn đề liên quan nên cần hiểu biết tốt các

24

quá trình vật lý và thời gian đào tạo;

- Cần có kiến thức và kỹ năng lập trình tốt với các ngôn ngữ lập trình bậc cao như VHDL, Verilog hoặc cần có trợ giúp của các lập trình viên

Liên quan đến việc trích xuất và xử lý dữ liệu ra, có 3 cách để thực hiện DPP như sau [43]:

- Mode dao động ký: chuyển dữ liệu từ cửa sổ vào buffer Như biểu diễn trên Hình

1.16, mỗi khi có phát hiện xung, hệ thống số hóa sẽ ghi các giá trị mẫu trong cửa sổ vào một buffer Cách này thường được sử dụng để quan sát tín hiệu, thiết lập các thông số

hệ đo, đánh giá các bộ lọc số… Với mode này, có thể sử dụng các thuật toán off-line viết bằng C, MATLAB…để xử lý Phương thức này rất phù hợp để phát triển thuật toán

và thử nghiệm

Hình 1.16 Mode dao động ký trong trích xuất và xử lý dữ liệu [43]

- Mode liệt kê: Ở mode này, DPP được thực hiện dựa vào các dữ liệu về các mẫu

được đưa ra liên tục Mỗi khi phát hiện xung, biên độ (hoặc các thông tin khác) được tính toán và ghi vào một bộ nhớ khác Các dữ liệu về biên độ xung sẽ được đọc ra khi

có yêu cầu hoặc khi cần thiết trong khi các giá trị mẫu vẫn liên tục được đưa ra và ghi vào bộ nhớ khác Với cách làm này, có thể coi là thời gian chết “bằng 0” Vì vậy, hệ đo

sử dụng mode này có thể ghi đo bức xạ với tốc độ rất cao

- Mode “trộn”: Ở phương thức làm việc này, bộ số hóa sẽ cung cấp cả các thông

số về xung (năng lượng, thời điểm…) lẫn bộ giá trị các mẫu thu được Lượng dữ liệu mẫu trong trường hợp này thấp hơn ở Mode liệt kê do hệ chỉ đọc và ghi một phần của tín hiệu khi nhận thông tin về năng lượng/thời gian hoặc thông tin nào đó theo ý muốn của người đo Ví dụ như chỉ cần đọc một vài giá trị mẫu quanh giá trị ngưỡng (hoặc điểm 0) để làm tăng độ phân giải thời gian và đánh dấu thời điểm xung xuất hiện Ngoài