HỆ PHỔ KẾ GAMMA
Hệ phổ kế đơn đầu dò ghi nhận bức xạ gamma
Hệ phố kế đơn đầu dò ghi nhận bức xạ gamma là thiết bị phổ biến trong các ứng dụng và nghiên cứu nhờ tính tiện lợi Cấu tạo của hệ phổ kế này đơn giản, bao gồm các khối cơ bản như hình 1.1.
Hình 1.1 Sơ đồ hệ phổ kế đơn đầu dò ghi nhận bức xạ gamma
Có 2 loại đầu dò thường sử dụng để ghi đo bức xạ gamma là đầu dò nhấp nháy và đầu dò bán dẫn Căn cứ vào mỗi mục đích nghiên cứu và căn cứ vào ưu nhược điểm ở mỗi loại đầu dò, người ta sử dụng 2 loại đầu dò trên vào các công việc khác nhau Đầu dò nhấp nháy hoạt động ghi đo các tín hiệu điện được tạo thành khi các tia bức xạ đập vào tinh thể của chất nhấp nháy Các chất nhấp nháy được sử dụng có thể là tinh thể nhấp nháy vô cơ hay hữu cơ, ở dang lỏng rắn hoặc khí Đầu dò nhấp nháy có các ưu điểm là cường độ nhấp nháy và biên độ lối ra tỉ lệ thuận với năng lượng của hạt bức xạ Hiệu suất ghi lớn, hoạt động không cần sự làm lạnh nên đầu dò sử dụng tinh thể nhấp nháy rắn có độ hiệu dụng rất cao đối với tia gamma, hệ đo sử dụng đầu dò này nhỏ gọn nên người ta thường dùng để đo bức xạ gamma trong trường hợp xác định nhanh sự có mặt của bức xạ gamma hoặc để làm phổ kế đối trùng phùng trong hệ phổ kế đối trùng phùng giảm phông Compton [4]
Tiền Đầu dò khuếch đại AMP ADC MC
Hệ phổ kế gamma xách tay sử dụng đầu dò nhấp nháy NaI(Tl) và đầu dò bán dẫn hoạt động dựa trên quá trình hình thành các hạt tải điện trong chất rắn Đầu dò bán dẫn có ưu điểm nổi bật với biên độ tín hiệu lớn hơn và độ phân giải tốt, làm cho nó trở thành lựa chọn hiệu quả trong việc phát hiện và phân tích bức xạ gamma.
Đầu dò bán dẫn siêu tinh khiết HPGe đang trở nên phổ biến trong việc ghi đo bức xạ nhờ vào những ưu điểm vượt trội Khác với đầu dò Ge(Li), đầu dò HPGe không yêu cầu bảo quản liên tục trong Nitơ lỏng, đồng thời cung cấp độ phân giải năng lượng và hiệu suất ghi cao hơn đáng kể so với các đầu dò bán dẫn cùng kích thước.
Hình 1.3 Cấu tạo của đầu dò bán dẫn HPGe và hệ thống làm lạnh bằng khí Nitơ
1.1.2 Các khối điện tử khác của hệ phổ kế sử dụng một đầu dò
Khối tiền khuếch đại là một phần quan trọng trong hệ thống, giúp nâng tín hiệu đầu ra nhỏ từ đầu dò bán dẫn lên mức đủ lớn để xử lý tại tầng khuếch đại phổ Bộ tiền khuếch đại không chỉ khuếch đại tín hiệu mà còn thực hiện chức năng phối hợp trở kháng, đảm bảo tải cho khối tiếp theo Tại khối khuếch đại phổ, tín hiệu được khuếch đại biên độ để vượt qua ngưỡng phân tích, từ đó cho phép bộ chuyển đổi tín hiệu ADC phân tích biên độ xung một cách hiệu quả.
Bộ xử lý đa kênh MCA thu nhận dữ liệu từ ADC và lưu trữ vào ô nhớ Giá trị năng lượng của lượng tử gamma mà đầu dò hấp thụ tương ứng với số lượng xung có cùng biên độ do hệ ghi đo bức xạ tổng hợp.
Sử dụng khối hiển thị hoặc máy tính dùng để lưu trữ và hiển thị dữ liệu bức xạ ghi nhận được
1.1.3 Tương tác bức xạ với đầu dò
Tín hiệu gamma ghi nhận được của các đầu dò là do quá trình tương tác của gamma với vật chất bao gồm các hiệu ứng tương tác sau:
- Hiệu ứng quang điện: đầu dò hấp thụ hoàn toàn năng lương của gamma đến vật chất
Hình 1.4 Phân bố năng lượng của đỉnh hấp thụ quang điện
Hiệu ứng Compton xảy ra khi tia gamma tương tác với các electron ở quỹ đạo ngoài cùng của nguyên tử, dẫn đến việc đầu dò chỉ hấp thụ một phần năng lượng của tia gamma Sự khác biệt trong các góc tán xạ tạo ra một dải năng lượng đa dạng.
Khi hiện tượng tán xạ xảy ra nhiều lần, tia gamma sẽ bị hấp thụ hoàn toàn, và phần năng lượng này sẽ góp phần vào đỉnh quang điện.
Hình 1.5 Phân bố nặng lượng của hiệu ứng Compton
Khi lượng gamma có năng lượng lớn hơn 10^22 keV, sẽ xảy ra sự hình thành của đỉnh thoát đơn và đỉnh thoát đôi Quá trình va chạm tạo ra electron và positron, trong đó electron nhanh chóng bị hấp thụ, còn positron hủy để tạo ra photon có năng lượng 511 keV Do đó, trong phổ sẽ xuất hiện các đỉnh với năng lượng 511 keV (đỉnh thoát đơn) và 1024 keV (đỉnh thoát đôi).
Hình 1.6 Phân bố năng lượng của đỉnh thoát đơn và đỉnh thoát đôi.
Hệ phổ kế trùng phùng
Hệ phổ kế trùng phùng là thiết bị đo bức xạ gamma sử dụng tối thiểu hai đầu dò để ghi nhận Thiết bị này hoạt động dựa trên nguyên tắc ghi nhận bức xạ gamma phát ra từ mẫu trong khoảng thời gian ∆t đã được thiết lập Khi các bức xạ gamma từ mẫu đi ra theo hướng ngược nhau, hệ thống sẽ ghi nhận chúng một cách chính xác.
Gamma trùng phùng xảy ra khi hai gamma di chuyển liên tiếp trong một khoảng thời gian rất ngắn Hiện tượng này được thể hiện qua sự dịch chuyển nối tầng liên tiếp, như mô tả trong hình 1.7.
Hình 1.7 Sơ đồ minh họa sự phân rã nối tầng
Khi sự chuyển dời xảy ra, hai tia gamma sẽ di chuyển ngược hướng nhau theo định luật bảo toàn xung lượng, vì vậy hai đầu dò được đặt đối xứng Mẫu được đặt ở giữa tấm bia, và tấm bia nghiêng một góc 45 độ so với mặt phẳng đi qua hai đầu dò, nhằm cho chùm neutron kích hoạt mẫu và xung trùng đến cả hai đầu dò Sơ đồ đặt mẫu được thể hiện trong hình 1.8.
Hình 1 8 Sơ đồ đặt mẫu của phương pháp cộng biên độ các xung trùng phùng
Hệ phương pháp cộng biên độ các xung trùng phùng (SACP) kết hợp giữa trùng phùng γ-γ và lưu trữ, xử lý số liệu bằng cách cộng biên độ các xung trùng phùng Phương pháp này ghi nhận bức xạ chỉ khi có tín hiệu từ một hoặc cả hai đầu dò trong khoảng thời gian ∆t xác định, do đó thường được áp dụng trong các nghiên cứu chuyên sâu hoặc khi cần giảm phông từ môi trường Hệ phổ kế trùng phùng đơn giản nhất sử dụng hai đầu dò để ghi nhận bức xạ, như trong hệ phổ kế SACP Một hệ phổ kế SACP sử dụng khối biến đổi thời gian thành biên độ TAC được mô tả trong hình 1.9.
Hình 1.9 Sơ đồ hệ đo SACP tại VNCHN
Hệ đo hoạt động dựa trên tín hiệu xác định thời điểm bức xạ gamma đến đầu dò, với hai khối gạt ngưỡng hằng kết nối đến các lối vào START và STOP của khối biến đổi thời gian thành biên độ Để nâng cao biên độ tín hiệu tại lối ra của TAC cho các sự kiện đồng thời, tín hiệu vào lối STOP được làm trễ Khi khối giao diện nhận tín hiệu Valid Convert từ TAC, nó gửi tín hiệu đến Gate của ADC, cho phép thu nhận và biến đổi tín hiệu thành giá trị code biên độ Sau khi hoàn tất quá trình biến đổi, thiết bị giao diện sẽ đọc và lưu trữ số liệu vào bộ nhớ hoặc tập tin trên đĩa cứng.
Sau khi máy tính hoàn tất việc ghi số liệu, các ADC sẽ trở về trạng thái chờ tín hiệu Valid để thực hiện chuyển đổi tiếp theo Các ADC không hoạt động nếu chưa nhận được tín hiệu tác động vào Gate, mặc dù có xung xuất hiện ở đầu vào của chúng Số liệu sẽ được ghi lại trong tập tin số liệu.
7 bốn cột Cột 3 và cột 4 lần lượt là các code biên độ của hai xung tới từ các đầu dò A và đầu dò B tương ứng (Hình 2.5).
Hệ phổ kế đối trùng phùng
Hệ phổ kế đối trùng phùng giảm phông Compton bao gồm một đầu dò chính, thường là dầu dò bán dẫn siêu tinh khiết, cùng với các đầu dò phụ, thường là đầu dò nhấp nháy Hệ thống này được trang bị các thiết bị điện tử để điều khiển quá trình ghi đo bức xạ, như được mô tả đơn giản trong hình 1.10.
AC: khối cộng xung; LG: khối khóa tuyến tính; MCA: khối phân tích biên độ
Hình 1.10 Hệ phổ kế đối trùng giảm phông Compton
Nguyên tắc hoạt động của hệ đo là khi các lượng tử gamma tán xạ Compton ra khỏi đầu dò chính, các đầu dò phụ sẽ ghi nhận chúng Xung điện từ từ các đầu dò này sẽ khóa không cho phép ghi nhận xung từ đầu dò chính trong một khoảng thời gian nhất định, tùy thuộc vào độ phân giải thời gian của hệ Nếu không có xung từ các đầu dò xung quanh, xung từ đầu dò chính sẽ được ghi nhận, tương ứng với sự hấp thụ hoàn toàn Khóa tuyến tính hoạt động ở chế độ thường mở, và khi có xung từ các đầu dò xung quanh, khóa này sẽ đóng lại để ngăn chặn xung từ đầu dò chính tới hệ phân tích Để cải thiện khả năng giảm phông trong phổ, cần chú ý đến hai vấn đề quan trọng.
- Hệ đầu dò bao quanh có hiệu suất ghi càng cao càng tốt
Hệ thống cần được bảo vệ cẩn thận do phông gamma cao có thể làm giảm khả năng ghi nhận các sự kiện quan trọng do hiện tượng trùng phùng ngẫu nhiên Để giảm thiểu vấn đề này, cần nâng cao độ phân giải thời gian của hệ thống.
THỰC NGHIỆM ĐO TRÙNG PHÙNG GAMMA-GAMMA
Mục đích của bài thí nghiệm
- Ghi đo bức xạ gamma bằng phương pháp trùng phùng 35 Cl (n,2𝛾) 36 Cl
Thông qua thí nghiệm làm quen với hệ thống của hệ phổ kế trùng phùng sử dụng
Trong bài viết này, chúng ta sẽ khám phá hai đầu dò và cách làm quen với các khối điện tử chức năng của hệ phổ kế Bên cạnh đó, chúng tôi sẽ hướng dẫn cách tiến hành ghi đo bức xạ bằng phương pháp trùng phùng gamma gamma, một kỹ thuật quan trọng trong việc phân tích bức xạ.
- Xử lí số liệu từ các code thu nhận được:
+ Code thu nhân được là các code tương ứng với năng lượng của bức xạ gamma đi vào đầu dò
+ Thống kê các code biên độ đối với từng đầu dò
Xác định hàm chuẩn năng lượng đối với từng số liệu đầu dò
+ Nhân các code biên đọ với đường hiệu chuẩn năng lượng tương ứng sẽ đươc code năng lượng tương ứng
- Xử lí chuẩn năng lượng
- Trong xử lí chuẩn năng lượng chúng tôi sử dụng 2 phương pháp là chuẩn tương đối và chuẩn tuyệt đối:
+ Chuẩn tương đối: lấy số liệu code biên độ thu được từ đầu dò A hoặc B làm chuẩn số liệu code biên độ của đầu dò còn lại
+ Chuẩn tuyệt đối: chuẩn số liệu code thu được từ đầu dò A và B theo thư viện chuẩn.
Lò phản ứng hạt nhân ở Đà Lạt và kênh ngang số 3
Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt là lò nghiên cứu TRIGA - MARK II do hãng General Atomic thuộc công ty General Dynamics của Hoa Kỳ chế tạo, hoạt động bằng neutron nhiệt với chất làm chậm và chất tải nhiệt là nước thường Công suất danh định của lò đã được nâng cấp từ 250 kW lên 500 kW, với lần nạp nhiên liệu đầu tiên vào ngày 1/11/1983 và bắt đầu hoạt động ở công suất danh định vào đầu tháng 2/1984 Cấu hình các bó nhiên liệu trong vùng hoạt của lò đã được thay đổi nhiều lần, trong đó lò gồm một thùng nhôm chứa nước cao 6 m, đường kính 1,98 m, được đặt giữa khối bê tông bảo vệ sinh học có tiết diện cắt ngang dạng tám cạnh, với độ dày bê tông là 2,5 m ở nửa dưới và 0,9 m ở nửa trên Vùng hoạt của lò có dạng hình trụ cao 0,6 m, đường kính 0,4 m, đặt trong vành phản xạ và gắn liền với một giếng hút cao 2 m, đường kính 0,5 m, được treo trên một giá đỡ cao.
Giá đỡ có đường kính khung 2 m và chiều cao 3 m, giúp lắp ráp các hệ thống công nghệ trong lò dưới điều kiện phóng xạ cao Giếng hút tăng cường sự đối lưu của nước làm nguội vùng hoạt thông qua cơ chế đối lưu tự nhiên Bên trong bể lò còn được trang bị các ống cấp.
Hệ thống lò phản ứng được trang bị 9 và hút nước của hệ thống đối lưu nước vòng 1, cùng với các thanh điều khiển và buồng ion hóa ghi đo neutron Nắp lò làm bằng thép dày 20 cm đảm bảo an toàn cho người lao động, với cửa sổ kính thủy tinh hữu cơ để quan sát và cửa sổ cho thao tác nghiệp vụ Lò có 4 kênh ngang đường kính 0,152 m và dài khoảng 3 m, cùng một cột nhiệt bằng graphite kích thước 1×1,2×1,2 m³ Trong số này, có 3 kênh xuyên tâm và 1 kênh tiếp tuyến, nhưng hiện tại chỉ kênh ngang số 3 và số 4 được khai thác.
Hình 2.1 Mặt cắt ngang lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt
Kênh neutron số 3 là kênh tiếp tuyến với vùng hoạt của lò phản ứng, chủ yếu dẫn dòng neutron nhiệt ra ngoài để thực hiện các thí nghiệm Cấu trúc kênh bao gồm ống nhôm 15 cm x 1.5 m bên trong và ống thép 20.3 cm x 1.1 m bên ngoài Để tối ưu hóa hiệu suất ghi, dòng neutron cần có đường kính từ 1 cm đến 2 cm nhằm giảm thiểu gamma năng lượng cao từ lò, đồng thời giảm khoảng cách giữa đầu dò và mẫu Hệ thống dẫn dòng và che chắn được thiết kế từ các vật liệu như paraffin, Boron, Cadmium, Lithium và Chì, có khả năng làm chậm neutron và hấp thụ gamma hiệu quả.
Hệ thống dẫn dòng và che chắn cho kênh ngang số 3, được mô tả trong hình 2.2, cho phép đưa nước vào bên trong lòng kênh và thực hiện việc đóng mở kênh một cách hiệu quả.
Hình 2.2 Cấu trúc bên trong kênh ngang số 3 của lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt
Bố trí thí nghiệm
Mẫu Cl 35 được sử dụng để kích hoạt neutron, được giữ trên một giá đỡ và đặt nghiêng 45 độ như hình 2.3.
Hình 2.3 Giá đỡ mẫu và đặt mẫu tại vị trí kích hoạt neutron
Hệ đo được bố trí với giá đỡ và che chắn phông bức xạ cho các đầu dò, theo thiết kế như hình 2.3 Thiết kế này tối ưu hóa việc sắp xếp thí nghiệm trong không gian hạn chế, với các đầu dò được lắp đặt trên khung giá đỡ bằng thép.
Mười một thống có khả năng di chuyển trên hệ thống ray dẫn hướng song song với chùm neutron Các đầu dò được đặt trong buồng chì kích thước 30 × 25 × 20 cm, với phần tinh thể và tiền khuếch đại, nhằm giảm thiểu tác động của phông bức xạ gamma Để ngăn chặn ảnh hưởng của neutron tán xạ từ mẫu vào đầu dò, vật liệu Li2CO3 với mật độ 1,4 g/cm3 và B4C được sử dụng để che chắn bổ sung bên ngoài buồng chì và phía đối diện với mẫu của đầu dò.
Việc xác lập các tham số cho hệ thống xử lý tín hiệu thời gian là rất quan trọng, đặc biệt đối với các đầu dò bán dẫn siêu tinh khiết có thể tích lớn Nếu không xác lập tốt, hệ đo có thể gặp phải tình trạng độ phân giải thời gian cao nhưng mất dữ liệu hữu ích, hoặc thu thập nhiều dữ liệu nhưng độ phân giải thời gian kém do chứa trùng phùng ngẫu nhiên.
Tiến hành đo bằng cách đặt mẫu vào vị trí chiếu xạ kích hoạt và thực hiện chiếu xạ để đo bức xạ gamma-gamma Giao diện đo được thể hiện trong hình 2.4, cho phép thu được xung gamma trùng phùng từ vật liệu kích hoạt tại hai đầu dò Dữ liệu đo được sẽ được hiển thị và lưu trữ trên máy tính dưới dạng mã, như minh họa trong hình 2.5.
Hình 2.4 Giao diện đo của phần mềm đo trùng phùng tại VNCHN Đà Lạt
Hình 2.5 Dữ liệu dạng code ghi nhận được và lưu trữ trên máy tính.
Hệ phổ kế trùng phùng gamma – gamma
Hệ đo trùng phùng tại VNCHN sử dụng khối TAC để ghi nhận tín hiệu, với hai lối vào là Start và Stop Khi tín hiệu vào lối Stop xuất hiện sau lối Start trong một khoảng thời gian nhất định, xung vào hai đầu dò sẽ được ghi nhận Tín hiệu đầu ra từ TAC là tín hiệu điện trong khoảng 0÷10V, tương ứng với thời gian chênh lệch giữa hai sự kiện trùng phùng.
Hình 2.6 Hệ đo trùng phùng tại VNCHN
Các khối thiết bị của hệ đo trùng phùng tại VNCHN được trình bày ở hình 2.7 và bảng 2.1
Hình 2.7 Sơ đồ ghép nối các khối điện tử của hệ phổ kế SACP tại VNCHN
Bảng 2.1: Tham số của các khối thiết bị sử dụng khi đo của hệ đo trùng phùng tại VNCHN
Khối Thông tin thiết bị Thông số `A B Đầu dò (Det) Đầu dò HPGE Hiệu suất 35% 4%
Cao thế (HV) Nguồn cao thế -24kV -4.8kV
Timing filter Amplifier (TFA) 474 ORTEC
Input NON-INV NON-INV
Giao diện đo Khối giao diện điều khiển quá trình đo do nhóm nghiên cứu của
VNCHN Đà Lạt tự chế tạo
Nguyên tắc hoạt động của hệ phổ kế trùng phùng sử dụng khối biến đổi thời
thời gian thành biên độ TAC [3]
Khối khuếch đại phổ 572A: khuếch đại xung lối ra tiền khuếch đại phù hợp với lối vào của ADC, gồm cả xung đơn cực và xung lưỡng cực
- Mặt trước của khuếch đại phổ 572A:
Gain: có giá trị từ 0.5 đến 1.5, điều chỉnh bằng xoay núm Con số trên cửa sổ nhỏ đó là giá trị của gain
Coarse gain: gồm 6 giá trị, vạch trắng chỉ giá trị cài đặt
Hệ số khuếch đại = xung ra/xung vào = gian * coarse gain/10
Shapping time: quy định độ rộng của nửa chiều cao của xung, gồm 6 giá trị cố định, có thể đặt một trong 6 giá trị đó
Mặt sau của khuếch đại phổ bao gồm các lối ra xung đơn cực, lưỡng cực, lối ra logic và nguồn Hệ đo hiện tại sử dụng tín hiệu inhibit (INH) kết nối với interface để báo hiệu sự chồng chập xung, đảm bảo rằng các xung này sẽ không được ghi nhận.
Khối biến đổi tương tự số ADC: Cửa sổ thời gian chết: tính bằng 100%, mỗi đèn LED ứng với thời gian chết là 5%
Offset là lựa chọn số kênh đo bắt đầu; nếu tất cả kênh đều tắt, ADC sẽ đo trên toàn dải kênh Khi một kênh được bật, kênh đó sẽ được đặt là zero, và ADC sẽ bắt đầu phân tích các kênh lớn hơn kênh đã chọn.
LLD và ULD là các nút điều chỉnh độ phân giải thấp và cao Để tín hiệu xung vào ADC được biến đổi, nó phải nằm trong khoảng giữa mức LLD và ULD; nếu nằm ngoài khoảng này, tín hiệu sẽ không được chuyển đổi.
ADC IN: nhận xung từ khuếch đại phổ Có hai chế độ phân tích: Pha (phân tích độ cao của xung) và SWA (đo lấy mẫu)
GATE IN: nhận tín hiệu từ khối trùng phùng, điều khiển ADC biến đổi hay không xung vào và reset quá trình sau khi phân tích xong
COIN/ANTI: đặt chế độ trùng phùng hoặc phản trùng phùng Công tắc bật ở chế độ nào thì đo ở chế độ ấy
Data: được nối với interface, truyền dữ liệu tới interface và đồng thời nhận
Khối khuếch đại nhanh TFA có vai trò quan trọng trong việc tạo dạng xung và khuếch đại tín hiệu để phù hợp với các khối điện tử tiếp theo Quá trình tạo dạng xung chủ yếu dựa vào các mạch lọc tần số cao (CR) và tần số thấp (RC) Những mạch lọc này kết hợp với các linh kiện tích cực như khuếch đại thuật toán, tạo thành mạch lọc tích cực.
Khi dùng khối TFA 474 do hãng ORTEC sản xuất, các thông số cần quan tâm là:
- Thay đổi hệ số khuếch đại tín hiệu (gồm hai núm chỉnh Gain và Fine gain)
- Thay đổi thời gian tăng của xung (núm INT)
- Thay đổi thời gian suy giảm của xung (núm DIFF) Điều chỉnh COARSE GAIN, FINE GAIN, INTERGATE, DIFF bằng cách xoay các núm đến vị trí cần đặt
COARSE GAIN: các hệ số nhân của khuếch đại; x1, x2, x4, x6, x10, x20
FINE GAIN: các giá trị 2, 4, 6, 8, 10, 12, 12.5
Hệ số khuếch đại = coarse gain × fine gian
INTERGATE: điều chỉnh thời gian tích phân của hệ
DIFF: điều chỉnh thời gian vi phân của hệ INPUT: không đảo phân cực (NON- INV) và đảo phân cực (INV)
OUTPUT: tín hiệu lối ra được đưa vào khối gạt ngưỡng hằng Mặt trước của khối TFA 474
Chức năng chính của TFA 474 bao gồm khuếch đại và tạo dạng xung, cùng với các tính năng bổ sung như điều chỉnh Pole-zero và điều chỉnh cực tính đầu ra Thiết bị hỗ trợ chuyển mạch giữa hai chế độ INV (đảo cực tính xung) và NON-INV (không đảo cực tính xung).
Lối ra của TFA 474 có khoảng từ 0 đến ±5V Khi lối vào nằm trong khoảng 0V đến 1V, tín hiệu sẽ được khuếch đại tuyến tính Cực tính của tín hiệu ra sẽ phụ thuộc vào chế độ hoạt động được chọn, bao gồm chế độ INV và NON-INV.
Khối phân biệt ngưỡng hằng CFD: thường được chế tạo để phục vụ cho hai ứng dụng khác nhau:
- Đếm các xung nhỏ với tốc độ đếm cao
- Xác định thời gian xung đến với độ chính xác cao
Trong kênh thời gian, khối CFD đóng vai trò quan trọng trong việc xác định thời điểm xung đến và tạo ra tín hiệu đầu vào cho khối trùng phùng CFD giúp tăng độ phân giải thời gian, loại bỏ nhiễu và ảnh hưởng của các tia gamma mềm Việc lựa chọn giá trị ngưỡng là rất cần thiết; nếu ngưỡng quá thấp, sẽ xảy ra hiện tượng trùng phùng với gamma mềm hoặc gamma tán xạ giữa hai đầu dò, trong khi ngưỡng quá cao có thể dẫn đến mất các chuyển dời gamma có năng lượng thấp.
Khối CFD 584 do hãng ORTEC sản xuất mang lại độ phân giải thời gian tốt cho hầu hết các đầu dò phổ biến như HPGe và NaI(Tl) Thiết bị này hoạt động như một bộ phân biệt ngưỡng tích phân, chỉ cho tín hiệu đầu ra khi tín hiệu vào vượt qua ngưỡng đã được thiết lập Xung đầu vào của CFD 584 nằm trong khoảng -5V đến 0V, và thiết bị cung cấp bốn tín hiệu đầu ra.
- Hai lối ra xung logic âm độ rộng 5ns
- Một lối ra xung logic dương, lối này được nối với đầu vào của khối trùng phùng
- Một lối ra Blocking để tinh chỉnh
- Một lối ra time walk
Khối biến đổi thời gian sang biên độ TAC là thiết bị điện tử chức năng dùng để xác định khoảng thời gian giữa tín hiệu khởi phát và tín hiệu kết thúc, khởi phát một tín hiệu tương tự tỉ lệ với khoảng thời gian đó Khoảng thời gian có thể điều chỉnh từ 50 ns đến 2 ms thông qua lối điều khiển ở mặt trước Lối vào khởi phát có thể bị cấm bởi xung hoặc mức DC, và khi tín hiệu tại lối khởi phát và lối kết thúc được chấp nhận, sẽ có các tín hiệu lối ra Valid Start và Valid Convert tương ứng Khoảng thời gian của lối ra Valid Start là từ khi chấp nhận tín hiệu khởi phát đến khi kết thúc quá trình hồi phục, trong khi lối ra Valid Convert xuất hiện với độ trễ nhất định sau khi quá trình hồi phục kết thúc Độ rộng và độ trễ của tín hiệu lối ra TAC có thể dễ dàng điều chỉnh để phù hợp với nhiều loại hệ phổ kế thời gian khác nhau, và tín hiệu lối ra TAC được ghép nối DC để tối ưu hóa tốc độ đếm trong hệ phân tích đa kênh.
Khối TAC 566 do hãng ORTEC sản xuất có các thông số đặc trưng sau: Độ phân giải thời gian: FWHM 0.01% cho toàn dải
Thời gian biến đổi khoảng thời gian khởi phát - kết thúc: tối thiểu 5 ns
Dải: có năm vị trí quay khóa để thay đổi và kéo dài khoảng thời gian này bằng cách nhân với hệ số nhân 1, 10, 100, 1k, 10k,
Lượng trễ: dùng tua vít để tinh chỉnh, thay đổi phân thế trễ cho lối ra TAC từ 0.5
Chế độ điều khiển: khóa có hai chế độ để lựa chọn tương ứng với thiết lập chế độ trùng phùng hoặc đối trùng cho mạch khởi phát
Lối vào DC được khởi phát bằng sườn và được chỉ rõ trên bo mạch qua cầu nối PWB, cho phép xác định vị trí tương ứng với tín hiệu dương hoặc âm chuẩn NIM Trở kháng lối vào cho tín hiệu âm và dương lần lượt là 50 Ω, khoảng 400 mV, hơn 1 kΩ và khoảng +2 V.
Lối ra: đầu nối BNC ở mặt trước cung cấp xung đơn cực với biên độ từ 0 V10
V tỷ lệ với khoảng thời gian từ khi có tín hiệu vào lối khởi phát và lối kết thúc, mặt tăng
Đuôi xung 18 có thời gian xấp xỉ 250 ns, với độ rộng xung ra có thể điều chỉnh từ ≤1 μs đến ≥3 μs thông qua việc điều chỉnh phân thế của cầu nối PWB Trở kháng lối ra Z0 nhỏ hơn 1 Ω.
Lối ra VAL.ST: TAC 566 phát tín hiệu logic dương chuẩn NIM với biên độ +5 V, thời gian tăng và đuôi xung không quá 50 ns, và trở kháng lối ra Z0 nhỏ hơn 10 Ω.
Lối ra VAL.CONV: TAC 566 phát tín hiệu logic dương chuẩn NIM với biên độ khoảng +5 V, thời gian tăng và thời gian đuôi xung gần 250 ns Trở kháng lối ra được thiết kế để đảm bảo hiệu suất tối ưu.
Hình 2.8 Mặt trước và mặt sau của TAC 566
Phương pháp và cấu hình khảo sát khối TFA
Theo lý thuyết, để đạt được giá trị DIFF và INT tối ưu, tỉ số tín hiệu/nhiễu cần phải lớn nhất và độ rộng cực đại nửa chiều cao của đỉnh phổ (FWHM) phải nhỏ nhất Giá trị này được lựa chọn nhằm tối ưu hóa độ phân giải thời gian mà không làm giảm hiệu suất ghi.
Các giá trị DIFF và INT được lựa chọn cần đáp ứng điều kiện FWHM nhỏ và tốc độ đếm lớn Hình 2.9 minh họa cấu hình khảo sát.
THỰC NGHIỆM XÂY DỰNG HÀM CHUẨN NĂNG LƯỢNG CHO HỆ PHỔ KẾ TRÙNG PHÙNG GAMMA GAMMA, KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
HỆ PHỔ KẾ TRÙNG PHÙNG GAMMA GAMMA, KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Phần mềm Gacasd được phát triển bởi nhóm nghiên cứu phân rã nối tầng thuộc trung tâm vật lý hạt nhân VNCHN Đà Lạt, với giao diện đồ họa và các mô đun chức năng riêng biệt, giúp người dùng dễ dàng xử lý phổ Người dùng có thể lựa chọn từng công đoạn để thực hiện và lưu lại kết quả, cho phép sử dụng kết quả đó làm đầu vào cho các công đoạn hoặc chương trình khác Khi một nút lệnh được chọn, chương trình con tương ứng sẽ được nạp vào bộ nhớ, và chương trình chính sẽ chuyển quyền điều khiển cho chương trình con cho đến khi hoàn thành Gacasd hỗ trợ đọc và xuất số liệu dưới dạng văn bản hoặc nhị phân, với các định dạng tệp như *.txt, *.dat, *.enr, *.dif, *.spe, và *.2sp.
*.rpt và một số dạng khác
Các nút lệnh trên cửa sổ chính của chương trình gồm:
- Merge files: nối và chuyển đổi các tập tin số liệu đo
- Reduce and Filter: lọc các cặp sự kiện trùng phùng theo các tham số giả định của hệ đo và chuyển đổi giữa các dải đo 4k, 8k hoặc 16k
- E_Calib: tính các hệ số chuẩn năng lượng của từng kênh đo và chuẩn các cặp sự kiện trùng phùng
- D_Spec: tạo phổ của từng kênh đo
- 3 Dim: tính phổ ba chiều
- S_Diff: tách các phổ gamma nối tầng bậc hai không loại bỏ các thành phần phông
- S_Diff*: tách các phổ gamma nối tầng bậc hai đồng thời loại bỏ các thành phần phông
- F_Calib: hiệu chỉnh hiệu suất ghi cho các phổ gamma nối tầng bậc hai
- Display: hiển thị và xử lý các loại phổ
- Second_T: xác định phổ các chuyển dời gamma sơ cấp ứng với một chuyển dời gamma thứ cấp được chọn trước
Hình 3.1 Giao diện phần mềm Gacasd
Trong quá trình xử lý dữ liệu, việc nối các file chưa được mã hóa là bước đầu tiên quan trọng Hình 3.2 minh họa giao diện của phần mềm Gacasd khi thực hiện thao tác nối file code.
Hình 3.2 Giao diện khi nối phổ
Sử dụng phần mềm Gacasd để thực hiện thống kê và vẽ phổ, chúng tôi đã thu được kết quả như thể hiện trong các hình 3.3, 3.4 và 3.5.
Hình 3.3 Phổ gamma trùng phùng của 2 đầu dò sau nối
Hình 3.4 Phổ gamma trùng phùng của 2 đầu dò sau nối (kênh 0-3000)
Hình 3.5 Phổ gamma trùng phùng của 2 đầu dò sau nối (kênh 3000-8000)
3.2 Xây dựng hàm chuẩn năng lượng tuyệt đối
Xây dựng hàm chuẩn năng lượng tuyệt đối là phương pháp sử dụng dữ liệu từ thư viện của IAEA để tạo ra một hàm chuẩn, giúp điều chỉnh các đỉnh năng lượng về đúng vị trí của chúng.
Phương pháp chuẩn xác định các đỉnh năng lượng trên phổ mẫu chuẩn từ thư viện và các đỉnh tương ứng trên phổ của đầu dò đang xây dựng hàm chuẩn Hàm này giúp tìm ra sự liên quan giữa các đỉnh năng lượng và đỉnh phổ, được gọi là hàm chuẩn năng lượng tuyệt đối Các đỉnh năng lượng cùng với đỉnh phổ tương ứng được thể hiện trong bảng 3.1.
Bảng 3.1: Bảng năng lượng chuẩn tuyệt đối các code ở hai đầu dò Đầu dò A (Kênh) Đầu dò B (Kênh) Năng lượng chuẩn (keV) [5]
Hàm khớp của chuẩn năng lượng tuyệt đối của đầu dò A:
EdetA=1.00036 × XdetA +19.77515 Hàm khớp của chuẩn năng lượng tuyệt đối của đầu dò B:
EdetB= 0.99926 × XdetB + 17.69880 Trong đó: EdetA, EdetB: lần lượt là năng lượng tại 2 đầu dò A và B sau chuẩn
XdetA,XdetB: lần lượt là kênh tương ứng năng lượng của 2 đầu dò A và B Năng lượng của 2 đầu dò sau khi chuẩn tuyệt đối được trình bày ở hình 3.6
Hình 3.6 Năng lượng của 2 đầu dò sau chuẩn tuyệt đối
Hình 3.7 Nén giãn phổ khi chuẩn năng lượng tuyệt đối
Bằng phương pháp chuẩn tuyệt đối dựa trên dữ liệu trong thư viện chuẩn, chúng tôi đã xây dựng được phổ năng lượng gamma do nguyên tố Cl-36 phát ra khi bị kích hoạt neutron Tuy nhiên, trong phổ này xuất hiện hiện tượng nén và giãn phổ đáng kể.
27 năng lượng trên phổ bị tụt xuống rất thấp (giãn phổ) và cũng có nhiều điểm năng lượng cao bất thường (nén phổ)
3.3 Xây dựng hàm chuẩn năng lượng tương đối
Xây dựng hàm chuẩn năng lượng tương đối là phương pháp sử dụng dữ liệu từ một đầu dò làm chuẩn, sau đó điều chỉnh dữ liệu của đầu dò còn lại theo chuẩn đã được thiết lập.
Phương pháp chuẩn xác định các đỉnh phổ từ các kênh của đầu dò chuẩn và so sánh với các đỉnh phổ tương ứng của đầu dò đang xây dựng hàm chuẩn Qua đó, xây dựng hàm để phân tích sự liên quan giữa các đỉnh này, từ đó tạo ra hàm chuẩn năng lượng tương đối giữa hai đầu dò.
3.3.1 Xây dựng hàm chuẩn năng lượng tương đối theo code số liệu của đầu dò A
Xây dựng hàm chuẩn năng lượng dựa trên code số liệu của đầu dò A là phương pháp tạo ra hàm chuẩn tương đối, trong đó code số liệu của đầu dò A được sử dụng làm chuẩn Các đỉnh phổ tương ứng của hai đầu dò khi chuẩn theo đầu dò A được trình bày trong bảng 3.2.
Bảng 3.2: Bảng năng lượng chuẩn tương đối theo code số liệu của đầu dò A Đầu dò A (Kênh) Đầu dò B (Kênh) Số liệu đầu dò lấy làm chuẩn (đầu dò A)
Hàm khớp của chuẩn năng lượng tương đối sử dụng code số liệu đầu dò A làm chuẩn:
YdetB= 0.99890 × XdetB - 2.07709 Trong đó: YdetB: là vị trí kênh sau chuẩn của đầu dò B theo đầu dò A
XdetB: là kênh tương ứng của phổ của đầu dò B theo đầu dò A
Phổ của 2 đầu dò tìm được sau khi chuẩn tương đối theo đầu dò A được trình bày ở hình 3.8
Hình 3.8 Phổ được chuẩn tương đối theo đầu dò A
Hình 3.9 Nén giãn phổ của đầu dò B khi chuẩn số liệu theo đầu dò A
Sự nén giãn phổ của dầu dò B được thể hiện qua hình vẽ, cho thấy rằng mức độ nén giãn trên đầu dò B có tồn tại nhưng rất hạn chế so với chuẩn tuyệt đối, dựa trên số liệu thu thập từ thư viện.
3.3.2 Xây dựng hàm chuẩn năng lượng tương đối theo code số liệu của đầu dò B
Xây dựng hàm chuẩn năng lượng dựa trên code số liệu của đầu dò B là phương pháp tạo ra hàm chuẩn tương đối, với code số liệu của đầu dò B làm chuẩn Bảng 3.3 trình bày các đỉnh phổ tương ứng của hai đầu dò khi thực hiện chuẩn theo đầu dò B.
Bảng 3.3: Bảng năng lượng chuẩn tương đối theo code số liệu của đầu dò B Đầu dò A (Kênh) Đầu dò B (Kênh) Số liệu đầu dò lấy làm chuẩn
Hàm khớp của chuẩn năng lượng tương đối sử dụng code số liệu đầu dò B làm chuẩn:
YdetA= 1.00110 × XdetA + 2.07802 Trong đó: YdetA: là vị trí kênh của đầu dò A sau chuẩn theo đầu dò B
XdetA là kênh tương ứng với phổ của đầu dò A so với đầu dò B Hình 3.10 trình bày phổ của hai đầu dò sau khi đã được chuẩn tương đối theo đầu dò A.
Hình 3.10 Phổ được chuẩn theo đầu dò B
Hình 3.11 Nén giãn phổ của đầu dò A khi chuẩn số liệu theo đầu dò B
Hình vẽ về sự nén giãn phổ của dầu dò A cho thầy sự nén giãn phổ trên đầu dò
A là có nhưng rất ít so với khi chuẩn tuyệt đối theo số liệu được lấy tại thư viện
Phương pháp chuẩn số liệu tương đối giúp giảm sự nén giãn phổ hơn so với phương pháp chuẩn tuyệt đối, nhưng lại không cho phép xác định năng lượng từ phổ chuẩn tương đối Do đó, trong phân tích phổ gamma, việc hiệu chỉnh giá trị năng lượng theo hàm đã tính ở bước chuẩn năng lượng là cần thiết để thu thập thông tin liên quan Đây là hạn chế lớn nhất của phương pháp chuẩn năng lượng tương đối giữa các đầu dò.