Khảo sát phổ kế trùng phùng Gama sử dụng đầu dò bán dẫn HPGe

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH
-------------------------


Huỳnh Minh Hiền






KHẢO SÁT PHỔ KẾ TRÙNG PHÙNG
GAMMA SỬ DỤNG ĐẦU DÒ BÁN DẪN HPGe





Chuyên ngành: Vật lí nguyên tử, hạt nhân và năng lượng cao
Mã số: 60 44 05



LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS. TS. ĐINH SỸ HIỀN









Thành phố Hồ Chí Minh – 2010

Lời cảm ơn
Em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô Khoa Vật Lí, cán bộ phòng Sau Đại Học - Trường Đại
Học Sư Phạm TP Hồ Chí Minh đã tận tình giảng dạy và tạo điều kiện thuận lợi cho em trong suốt thời
gian học tập tại trường.
Xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến PGS. TS Đinh Sỹ Hiền, người đã trực tiếp chỉ bảo em trong
suốt quá trình thực hiện luận văn này. Sự giúp đỡ tận tình của thầy chính là động lực và nền tảng để em
hoàn thành được luận văn này.
Em xin trân trọng gửi tới Viện Nghiên Cứu Hạt Nhân Đà Lạt lời cảm ơn chân thành vì sự giúp đỡ
và tạo điều kiện thuận lợi cho em được làm thực nghiệm tại Viện. Xin trân trọng cảm ơn cán bộ Phòng
Vật Lí Điện Tử Hạt Nhân, đặc biệt là anh Nguyễn Xuân Hải, anh Hồ Hữu Thắng đã giúp đỡ tận tình
,
hướng dẫn chi tiết và có những đóng góp quý báu cho em.
Xin chân thành cảm ơn Ban Giám Hiệu và Tổ Vật Lí - KTC trường THPT Nam Hà - Biên Hòa -
Đồng Nai đã tạo mọi điều kiện thuận lợi để em hoàn thành khóa học tại Trường Đại Học Sư Phạm TP
Hồ Chí Minh.

TP. Hồ Chí Minh, tháng 8 năm 2010




Huỳnh Minh Hiền




Mở ĐầU
Phổ năng lượng bức xạ gamma là phổ gián đoạn, có năng lượng hoàn toàn xác định đặc trưng
cho mỗi nguyên tố, cường độ bức xạ gamma đặc trưng của mỗi nguyên tố phóng xạ tỉ lệ thuận với hàm
lượng của nguyên tố đó. Chính vì vậy, việc xác định chính xác phổ gamma của mỗi nguyên tố có ý
nghĩa rất quan trọng trong các bài toán phân tích xác định các thành phần nguyên tố, phương pháp phân
tích kích hoạt hạt nhân,Tuy nhiên, phổ gamma đo được trong các phép phân tích thường khá phức
tạp. Hiện nay, việc ghi nhận phổ gamma bằng đầu dò bán dẫn thường có nền Compton cao cho nên một
số đỉnh năng lượng có cường độ thấp hiện lên không rõ nét, có khi bị nền Compton che lấp. Do đó việc
xác định các đỉnh này thường phạm sai số lớn làm ảnh hưởng nhiều đến độ chính xác của phép đo. Mặt
khác, độ nhạy phân tích chỉ có thể cải thiện trong điều kiện tỉ số diện tích đỉnh phổ trên nền Compton
là lớn. Vì vậy, vấn đề đặt ra là làm sao hạ được nền Compton càng thấp càng tốt, từ đó mới có khả năng
làm lộ rõ được các đỉnh năng lượng thấp.
Như ta đã biết, khoảng thời gian phát các tia gamma nối tầng hoặc các tia gamma sinh ra trong
quá trình hủy cặp electron - pozitron vào khoảng vài trăm picô giây nên ta có thể coi như chúng phát ra
đồng thời, đó là các tia gamma trùng phùng. Tín hiệu trùng phùng đặc trưng cả về năng lượng và tương
quan thời gian của hai bức xạ phát ra từ một hạt nhân nên nó có tính chọn lọc cao. Vì vậy, ta có thể lợi
dụng sự tương quan về thời gian của các tia gamma trùng phùng để ghi nhận chọn lọc các bức xạ
gamma đặc trưng của mỗi hạt nhân phóng xạ, nghĩa là ta dùng thông số thời gian để điều khiển việc ghi
nhận năng lượng phổ bức xạ gamma. Nhờ đó, ta có thể giảm ảnh hưởng của các tia gamma tán xạ
Compton và các dịch chuyển gamma không tương quan về thời gian giúp giảm đáng kể nền Compton,

nâng cao chất lượng của phép đo.
Trong trường hợp này, thông tin chính xác về thời gian tới của lượng tử bức xạ trong đầu dò là
đặc biệt quan trọng. Sự chính xác về thời gian có thể được thực hiện phụ thuộc vào tính chất của đầu dò
được sử dụng để xử lý tín hiệu. Đặc trưng thời gian tốt nhất nhận được đối với các đầu dò trong đó điện
tích được thu góp nhanh nhất. Đầu dò bán dẫn siêu tinh khiết HPGe là loại dầu dò có khả năng thu góp
điện tích nhanh và cung cấp khả năng phân giải năng lượng tốt nhất trong tất cả các loại đầu dò thông
dụng cho nên nó rất thích hợp khi sử dụng trong các sơ đồ ghi nhận bức xạ gamma sử dụng kỹ thuật
trùng phùng.
Mục đích của luận văn là nhằm tìm hiểu về các khối điện tử cùng nguyên tắc hoạt động của hệ
phổ kế trùng phùng gamma sử dụng đầu dò bán dẫn HPGe, tìm hiểu phương pháp trùng phùng thường
và phương pháp cộng biên độ các xung trùng phùng (còn gọi là trùng phùng sự kiện - sự kiện) để ghi
nhận phổ năng lượng của bức xạ gamma, sử dụng hệ phổ kế trùng phùng gamma thu phổ năng lượng
của nguồn
60
Co,
22
Na nhằm khảo sát khả năng giảm phông của hệ phổ kế trùng phùng so với hệ phổ kế
bán dẫn đơn tinh thể.
Cấu trúc của luận văn bao gồm các phần chính sau :
Chương 1 : Tổng quan về các hệ phổ kế gamma
Chương 2 : Tìm hiểu hệ phổ kế trùng phùng gamma sử dụng đầu dò bán dẫn HPGe
Chương 3 : Thực nghiệm ghi phổ năng lượng của nguồn
60
Co,
22
Na bằng hệ phổ kế
gamma bán dẫn đơn tinh thể và hệ phổ kế trùng phùng gamma, sử dụng đầu dò bán dẫn HPGe
Do thời gian thực hiện và kiến thức còn hạn chế nên chắc chắn trong phần nội dung của luận văn
sẽ có nhiều thiếu sót, kính mong nhận được sự góp ý của quý thầy cô cùng các đồng nghiệp để tác giả
ngày càng hoàn thiện hơn về kiến thức.

CHƯƠNG 1 : TổNG QUAN Về CáC Hệ PHổ Kế Gamma

1.1 Tương tác của bức xạ gamma với vật chất và sự hình thành phổ gamma
Bức xạ gamma là các lượng tử của sóng điện từ (các photon). Năng lượng của photon E tỉ lệ với tần
số sóng : E = h

, xung lượng của photon được tính theo công thức
h
p
c


. Bức xạ gamma tương tác
với vật chất thông qua 3 quá trình cơ bản sau đây :
1.1.1 Hiệu ứng quang điện
Khi lượng tử gama va chạm với electron quỹ đạo của nguyên tử, gamma biến mất và năng lượng
gamma được truyền toàn bộ cho electron quỹ đạo để nó bay ra khỏi nguyên tử. Electron này được gọi là
quang electron. Quang electron nhận được động năng E
e
, bằng hiệu số giữa năng lượng gamma vào E
và năng lượng liên kết
lk

của electron trên lớp vỏ.
E

e
= E -
lk

(1.1)
Trong đó,
lk

=
K

đối với electron lớp K,
lk

=
L

đối với electron lớp L,
lk

=
M

đối với electron lớp M và
K

>
L

>

M

.

'


Theo công thức (1.1), năng lượng gamma vào ít nhất phải bằng năng lượng liên kết của electron
thì hiệu ứng quang điện mới xảy ra. Nếu E <
K

thì hiệu ứng quang điện chỉ xảy ra với các lớp L, M,
Nếu E <
L

thì hiệu ứng quang điện chỉ xảy ra với các lớp M,
Hiệu ứng quang điện không thể xảy ra với các electron tự do vì không bảo đảm định luật bảo
toàn năng lượng và động lượng. Như vậy, muốn có hiệu ứng quang điện thì electron phải liên kết trong
nguyên tử.
Tiết diện hấp thụ của hiệu ứng quang điện phụ thuộc vào năng lượng gamma và loại nguyên tử.
Cụ thể là tiết diện hấp thụ tỉ lệ với Z
5
(Z là số nguyên tử), nghĩa là nó tăng rất nhanh với các nguyên tử
nặng.
1.1.2 Hiệu ứng Compton
Trong quá trình này, phôton tới nhường một phần năng lượng của mình cho một electron của
nguyên tử. Electron này sẽ bắn ra khỏi nguyên tử còn phôton sẽ bị tán xạ. Phôton tán xạ có năng lượng
nhỏ hơn năng lượng của phôton tới (
'h h

).

'


lk e
h h E
(1.2)
Trong đó E
e
là động năng của electron bắn ra,

lk
là năng lượng liên kết của electron trên lớp vỏ.

Hình 1.1 :
Gin biu din tán x Compton.


Liên hệ giữa động năng của phôton tán xạ và góc tán xạ cho bởi hệ thức

2
0
'
1 (1 cos )
h
h
hv
m c

(1.3)
Trong đó : m
0
c
2
là khối lượng nghỉ của electron (m
0
c
2
= 0,511 MeV).
Hiệu ứng Compton là quá trình tương tác phôton - vật chất chủ yếu trong khoảng năng lượng một
vài trăm keV đến vài MeV. Hiệu ứng Compton có thể xảy ra đối với electron tự do (liên kết yếu với
nguyên tử) hay với electron liên kết chặt với nguyên tử vì ở đây nhờ có phôton tán xạ mà có thể thỏa
mãn đồng thời cả hai định luật bảo toàn năng lượng và xung lượng.
1.1.3 Hiệu ứng tạo cặp electron - pozitron
Trong quá trình này, phôton biến thành một cặp electron - pozitron. Theo định luật bảo toàn
năng lượng và xung lượng thì năng lượng của phôton phải lớn hơn tổng năng lượng nghỉ của cặp e
-
- e
+

(
1,022h

MeV). Sở dĩ phải lớn hơn vì theo định luật bảo toàn xung lượng, cặp e
-
- e
+
phải có một
động năng nào đó.
Theo định luật bảo toàn điện tích thì tổng điện tích các hạt tạo thành phải bằng 0 vì photon
không có điện tích.
Quá trình tạo cặp e
-
- e
+
xảy ra chủ yếu gần điện trường của hạt nhân, hạt nhân này cũng hấp thụ
một phần xung lượng của phôton ban đầu. Tiết diện hiệu dụng tỉ lệ với Z
2
, nghĩa là hiệu ứng xảy ra chủ
yếu đối với các nguyên tố nặng (Z lớn). Các pozitron được tạo ra cuối cùng cũng sẽ lại biến mất do bị
hủy cặp với electron của nguyên tử :
2e e




Quá trình tạo cặp đóng vai trò quan trọng đối với các phôton có năng lượng lớn hơn 1,022 MeV.
Với một nguyên tố cho trước, đóng góp của mỗi quá trình tương tác nói trên có thể được hình
dung qua đồ thị biểu diễn các tiết diện của từng quá trình riêng lẻ và tiết diện tổng cộng theo năng
lượng tới của phôton tới.
Các quá trình tương tác nói trên dẫn tới sự hình thành các đặc trưng của phổ gamma như sau :
+ Hiệu ứng quang điện dẫn đến sự hấp thụ hoàn toàn năng lượng của phôton tới

E h
trên đầu
dò, do đó trong phổ gamma xuất hiện đỉnh hấp thụ toàn phần với năng lượng
E

.
+ Trong quá trình tán xạ Compton, phôton tới chỉ mất một phần năng lượng, phần còn lại chuyển
thành năng lượng phôton tán xạ. Sự phân bố giữa hai phần này tùy thuộc vào góc tán xạ. Do đó trên
phổ gamma xuất hiện nền liên tục (nền Compton) trải dài từ giá trị
E

trở xuống. Tia gamma sau khi
tán xạ lần đầu có thể tiếp tục tán xạ nhiều lần, cuối cùng bị hấp thụ hoàn toàn trong đầu dò do hiệu ứng
quang điện. Quá trình tán xạ nhiều lần này cũng đóng góp vào đỉnh hấp thụ toàn phần, mức đóng góp
tùy thuộc vào thể tích đầu dò.
+ Hiệu ứng tạo cặp dẫn đến sự hình thành hai lượng tử gamma có năng lượng 0,511 MeV. Tùy
theo trường hợp cả hai lượng tử này bị hấp thụ hoặc một hoặc cả hai lượng tử bay ra khỏi đầu dò mà ta
thấy xuất hiện các đỉnh sau đây :
- Cả hai lượng tử gamma hủy cặp đều bị hấp thụ hoàn toàn trong thể tích nhạy của đầu dò :
ta được đỉnh hấp thụ toàn phần
E

.
- Một trong hai lượng tử gamma hủy cặp thoát khỏi vùng nhạy của đầu dò : ta được đỉnh
thoát đơn
0,511E


MeV.

- Cả hai lượng tử gamma hủy cặp thoát khỏi đầu dò : ta được đỉnh thoát đôi ứng với năng
lượng
1,022E


MeV.
1.2 Các thành phần cơ bản của một hệ phổ kế năng lượng, thời gian sử dụng đầu dò bán dẫn
HPGe
1.2.1 Đầu dò bán dẫn HPGe
1.2.1.1 Cấu trúc của đầu dò bán dẫn
Để ghi phổ gamma, hiện nay người ta thường dùng hai loại đầu dò : đầu dò nhấp nháy với tinh
thể NaI (Tl), đầu dò bán dẫn Germani siêu tinh khiết (HPGe). Giữa hai loại này thì đầu dò HPGe có khả
năng ghi phổ gamma với chất lượng phổ tốt hơn. Vì vậy, nội dung của đề tài chủ yếu là tìm hiểu về đầu
dò bán dẫn HPGe.
Ta có thể phân biệt hai loại đầu dò Ge tuỳ theo xuất phát điểm ban đầu là chất bán dẫn loại p hay
n. Ngoài ra, về mặt hình học còn có thể chia ra các loại : loại đồng trục, loại hình giếng hay loại phẳng
(planar). Thông thường ta có các loại sau.
Đầu dò HPGe loại p kiểu đồng trục : về cơ bản, chất bán dẫn xuất phát là loại p, đó là tinh thể
Ge hình trụ với lớp tiếp xúc loại n trên bề mặt ngoài và lớp tiếp xúc loại p trên mặt trong. Cấu trúc đầu
dò đồng trục được trình bày trên hình 1.2.
Germani có mức tạp chất cỡ 10
10
nguyên tử /cm
3
sao cho khi có điện áp ngược thích hợp đặt vào
hai cực thì thể tích giữa hai điện cực được làm nghèo và điện trường mở rộng qua vùng này. Người ta
tạo ra một lớp tiếp xúc n
+
dày khoảng 0,5 mm bằng phương pháp khuếch tán Li, lớp tiếp xúc p
+

phía
trong có độ dày cỡ 0,3 mm bằng phương pháp cấy ion B. Khi sử dụng phải đặt cao thế dương khoảng 2 -
5 kV để kéo các cặp electron - lỗ trống tạo ra. Loại này có hiệu suất giảm nhiều ở năng lượng tia
gamma thấp (dưới 100 keV) vì sự hấp thụ trên lớp chết n
+
.

Hình 1.2 :
Cấu trúc u dò Ge ng trc.


Vì Ge có độ rộng vùng cấm thấp nên khi sử dụng loại đầu dò này cần phải làm lạnh để giảm việc
sinh ra phần tử mang điện do nhiệt nên giảm được dòng rò. Nếu không, tạp âm do dòng rò gây ra sẽ làm
tồi khả năng phân giải năng lượng của đầu dò. Người ta thường dùng Nitơ lỏng có nhiệt độ 77 K làm
môi trường làm lạnh cho các đầu dò loại này. Đầu dò được lắp trong một buồng chân không được gắn
hoặc đưa vào Dewar chứa Nitơ lỏng. Do đó bề mặt nhạy của đầu dò được chống ẩm và không ngưng
chất bẩn. Cấu hình chuẩn của đầu dò bao gồm : ống làm lạnh (cryostat) thẳng đứng với Dewar 30 lít và
tiền khuếch đại 2002C (đối với hãng Canberra). Cấu tạo của cryostat bằng Nitơ lỏng được giới thiệu
trong hình 1.3.

Dải năng lượng sử dụng của đầu dò Ge đồng trục là 50 keV đến 10 MeV. Khả năng phân giải,
dạng đỉnh là rất tốt. Đường cong hiệu suất của đầu dò Ge đồng trục điển hình được trình bày trên hình
1.4.

Hình 1.3 :
Cu to ca cryostat cn ng mu 7500SL.


Hình 1.4 :
ng cong hiu sut tuyt i in hình i vi u dò Ge
ng trc (khong cách u dò ti ngun l 2,5 cm).


Các mẫu đầu dò Ge đồng trục thường gặp được liệt kê trong bảng 1.1
Bảng 1.1 : Các mẫu đầu dò Ge đồng trục.[2]
Số mẫu
CANBERR
A
Hiệu suất
tương đối
Khả năng phân giải
Tỉ số
P/C
FWHM
(122 keV)

FWHM
(1332 keV)

FWTM
(1332 keV)

GC1018 10 0,9 1,8 3,4 38
GC1019 10 1,0 1,9 3,7 36
GC10021 100 1,2 2,1 4,0 80
GC10023 100 1,3 2,3 4,6 74

Đầu dò HPGe loại n kiểu đồng trục : chất bán dẫn xuất phát là là loại n. Người ta tạo ra một lớp
p
+
dày khoảng 0,3

m bằng phương pháp cấy ion B. Khi sử dụng, cần đặt điện áp âm. So với loại trên
thì loại này có hiệu suất ít bị giảm hơn ở năng lượng thấp vì lớp chết p
+
mỏng hơn.
Đầu dò HPGe hình giếng (hình 1.5) : loại này có hiệu suất hình học cao hơn nên thích hợp cho
các phép đo hoạt độ nhỏ. Độ phân giải năng lượng có kém đôi chút do đặc điểm cấu tạo.

Hình 1.5 :
Cấu trúc đầu dò HPGe hình giếng.
Đầu dò phẳng (planar) : có độ phân giải năng lượng tốt nhưng hiệu suất giảm nhanh ở năng
lượng cao nên chỉ thích hợp để đo ở vùng năng lượng thấp.
1.2.1.2 Nguyên lý làm việc
Nguyên lý chung của các loại đầu dò bán dẫn như sau : chất bán dẫn thường dùng hiện nay là

Si hoặc Ge (để ghi các lượng tử gamma người ta thường dùng đầu dò bán dẫn Ge). Khi lượng tử gamma
bay vào chất bán dẫn, nó sẽ tạo nên electron tự do thông qua ba hiệu ứng chủ yếu với tinh thể bán dẫn.
Electron tự do di chuyển với động năng lớn sẽ làm kích thích các electron chuyển lên vùng dẫn và để lại
lỗ trống. Như vậy thông qua các hiệu ứng tương tác, bức xạ gamma đã tạo nên một loạt các electron và
lỗ trống trong tinh thể bán dẫn. Các cặp electron - lỗ trống được tạo ra trong vùng nghèo dọc theo quỹ
đạo của bức xạ tới, chúng sẽ được kéo về hai điện cực bởi điện trường do hiệu điện thế ngược áp vào
đầu dò : các electron sẽ chuyển động đến cực dương, các lỗ trống sẽ chuyển động về phía cực âm, kết
quả là ta có một xung dòng điện ở lối ra. Khi đó, ở mạch ngoài đầu dò xuất hiện một tín hiệu thế, xung
thế này được ghi ở lối ra bởi hệ điện tử tiếp sau. Đo và khảo sát tín hiệu xung ra từ đầu dò ta có thể biết
được những thông tin về bức xạ đã ghi nhận.
Năng lượng cần thiết để tạo ra được một cặp electron - lỗ trống trong Si là
3,61 eV, còn trong Ge là 2,98 eV. Nếu năng lượng của tia gamma là E thì số cặp electron lỗ trống mà
nó tạo ra được trong Ge là
E

, với

= 2,98 eV.
1.2.1.3 Các đặc trưng kỹ thuật đầu dò bán dẫn
Độ phân giải năng lượng
§é ph©n gi¶i n¨ng l­ỵng cho biÕt kh¶ n¨ng mµ ®Çu dß cã thĨ ph©n biƯt c¸c ®Ønh cã n¨ng l­ỵng
gÇn nhau trong phỉ. §¹i l­ỵng nµy x¸c ®Þnh b»ng ®é réng ë
1
2
®é cao cđa ®Ønh hÊp thơ toµn phÇn
(FWHM) hc ®«i khi ë
1
10
®é cao cđa ®Ønh hÊp thơ toµn phÇn (FWTM).
§é ph©n gi¶i cđa ®Çu dß b¸n dÉn HPGe cßn t thc vµo lo¹i ®Çu dß, thĨ tÝch ®Çu dß vµ n¨ng

l­ỵng tia gamma. Nãi chung, hiƯn nay cã thĨ ®¹t vµo kho¶ng 1,8 keV (FWHM) ë ®Ønh 1332 keV cđa
60
Co. Víi ®Çu dß NaI th­êng chØ ®¹t ®é ph©n gi¶i cì
7 - 8 % ë ®Ønh 1332 keV cđa
60
Co, nghÜa lµ FWHM vµo kho¶ng 100 keV.
Kh¶ n¨ng ph©n gi¶i lµ mét ­u ®iĨm nỉi bËt cđa ®Çu dß Ge so víi ®Çu dß nhÊp nh¸y NaI khiÕn nã
®­ỵc sư dơng phỉ biÕn hiƯn nay trong c¸c phÐp ®o phỉ n¨ng l­ỵng gamma khi yªu cÇu vỊ ®é ph©n gi¶i
n¨ng l­ỵng cÇn ®­ỵc ®Ỉt lªn hµng ®Çu.
 HiƯu st ghi ®Ønh quang ®iƯn
HiƯu st ghi ®Ønh quang ®iƯn còng lµ mét chØ tiªu quan träng cđa ®Çu dß, ®Ỉc biƯt cÇn chó ý ®Õn
trong c¸c phÐp ®o ho¹t ®é nhá. HiƯu st ghi nµy phơ thc vµo lo¹i ®Çu dß, thĨ tÝch ®Çu dß vµ n¨ng
l­ỵng tia gamma.
HiƯu st ghi ®Ønh quang ®iƯn cđa mét ®Çu dß th­êng ®­ỵc x¸c ®Þnh víi ®Ønh 1332 keV cđa
ngn
60
Co ®Ỉt c¸ch ®Çu dß 25 cm (theo tiªu chn ANSI/IEEE 325- 1971).
HiƯu st tut ®èi ®­ỵc x¸c ®Þnh b»ng c¸ch lÊy sè ®Õm tỉng céng trong ®Ønh 1332 keV chia cho
tỉng sè l­ỵng tư gamma ph¸t ra tõ ngn trong cïng kho¶ng thêi gian.
 TØ sè Peak/Compton (P/C)
TØ sè nµy cho ta ®¸nh gi¸ kh¶ n¨ng cđa ®Çu dß cã thĨ ph©n biƯt ®­ỵc c¸c ®Ønh u,
n¨ng l­ỵng thÊp n»m trªn nỊn Compton cđa c¸c ®Ønh n¨ng l­ỵng cao. §ã lµ tØ sè gi÷a chiỊu
cao cđa ®Ønh hÊp thơ toµn phÇn víi chiỊu cao cđa nỊn Compton t­¬ng øng (th­êng lÊy ë r×a
Compton).
TØ sè nµy cµng cao th× cµng cã lỵi cho phÐp ®o ho¹t ®é thÊp vµ phỉ gamma phøc t¹p.
TØ sè nµy phơ thc vµo thĨ tÝch cđa ®Çu dß : c¸c ®Çu dß lín cã tØ sè P/C lín v× ®ãng gãp cđa
t¸n x¹ Compton nhiỊu lÇn vµo ®Ønh hÊp thơ toµn phÇn lín. TØ sè P/C theo quy ®Þnh th­êng
®­ỵc tÝnh b»ng c¸ch chia ®é cao cđa ®Ønh 1332 keV cho ®é cao trung b×nh cđa nỊn Compton
trong kho¶ng 1040 keV vµ 1096 keV. [8]
Số đếm tại đỉnh 1332 keV

P/C =
Số đếm trung bình của kênh 1040 keV và 1096 keV
(1.4)
1.2.2 Khèi tiỊn khch ®¹i (Preamplifier)
Khối tiền khuếch đại được nối trực tiếp ngay sau đầu dò. Nhiệm vụ của nó là khuếch đại sơ bộ
tín hiệu rất nhỏ từ đầu dò mà vẫn đảm bảo mức tạp âm khả dĩ là nhỏ nhất (ta thường nói là đảm bảo tỉ
số tín hiệu/tạp âm (S /N) tối đa) .
Khối tiền khuếch đại có ý nghĩa rất quan trọng đối với chất lượng của phổ kế, sau đầu dò, nó
quyết định độ phân giải năng lượng của phổ kế. Tuỳ loại đầu dò mà người ta sử dụng một trong loại tiền
khuếch đại sau đây :
+ Tiền khuếch đại nhạy dòng.
+ Tiền khuếch đại nhạy thế.
+ Tiền khuếch đại nhạy điện tích.

Hình 1.6 :
S ca mt tin khuch i nhạy th (a)
và tiền khuếch đại nhạy điện tích (b).

Bộ tiền khuếch đại nhạy dòng thường được sử dụng với các dụng cụ có trở kháng thấp, do đó nó
rất ít thông dụng với các đầu dò bức xạ vì chúng thường là dụng cụ trở kháng cao. Tiền khuếch đại điện
nhạy thế là tiền khuếch đại khá thông dụng. Nó khuếch đại bất kì điện thế nào xuất hiện tại lối vào của
nó : vì các đầu dò bức xạ chủ yếu là các dụng cụ tạo nên điện tích cho nên điện thế này xuất hiện qua tụ
thuần cộng với các tụ ký sinh khác có thể có mặt tại lối vào, tức là :

tot
Q
V
C

(1.5)

Do đó, để V ổn định thì cần giữ cho tụ đầu dò ổn định trong khoảng thời gian hoạt động. Đối với
các đầu dò bán dẫn, thường xuất hiện sự thay đổi riêng của tụ đầu dò khi xuất hiện sự thay đổi nhiệt độ.
Sự thay đổi này là do dòng rò trong điốt bán dẫn phụ thuộc vào nhiệt độ. Vì vậy, tiền khuếch đại nhạy
điện thế không thích hợp sử dụng với các đầu dò bán dẫn.
Với đầu dò bán dẫn HPGe dùng cho mục đích đo phổ gamma, ta thường dùng loại khuếch đại
nhạy điện tích nên sau đây ta chỉ nói về loại này.
Đặc điểm quan trọng của khối tiền khuếch đại là nó không nhạy đối với sự biến đổi điện dung
của đầu dò nhờ sự tích phân điện tích trên một tụ phản hồi C
f
.
Điện áp ở lối ra V
0
tỉ lệ với điện tích tạo ra trên đầu dò Q :

0
V
f
Q
C

(1.6)
Xung điện áp ở lối ra có thời gian tăng gần bằng độ rộng của xung dòng điện trên đầu dò và có
hằng số thời gian phân rã cho bởi :


= C
f
R
f
(1.7)

Trong đó : R
f
là điện trở phản hồi, C
f
có giá trị cỡ 0,1 pF đến vài pF.
Điện tích Q tạo ra trên đầu dò cho bởi :

6
. .10E e
Q


(1.8)
Trong đó :
E là năng lượng phôton tới, có đơn vị là MeV.
e là độ lớn điện tích của electron (e = 1,6.10
-19
C).


là năng lượng cần thiết (đơn vị đo là eV) để tạo ra một cặp electron - lỗ
trống trong đầu dò. Giá trị

ở 77 K đối với Si và Ge lần lượt là
3,61 eV và 2,98 eV.
Hệ số 10
6
là hệ số để chuyển đổi đơn vị MeV ra eV.
Từ phương trình (1.6) và (1.8), ta tính được điện áp ra gây bởi phôton có năng lượng E (MeV) là
:

6 19
0
.10 .1,6.10
f
E
V
C



(1.9)
Độ nhạy điện áp (điện áp ra ứng với 1 MeV năng lượng gamma mất trên đầu dò) cho bởi :

6 19
0
10 .1,6.10
f
V
E C



(1.10)
Mức tạp âm trong tiền khuếch đại điện tích phụ thuộc vào 3 yếu tố : tranzito trường (FET) lối
vào, điện dung lối vào (bao gồm C
f
, điện dung đầu dò, điện dung lối vào) và điện trở lối vào. Điện dung
lối vào là nhân tố cơ bản, đòi hỏi đầu dò cần được lựa chọn một cách cẩn thận để phù hợp với từng ứng
dụng. Sự phụ thuộc của tạp âm tiền khuếch đại vào điện dung lối vào được thể hiện ở bảng 1.2.

Bảng 1.2 : Sự phụ thuộc của tạp âm tiền khuếch đại vào điện dung lối vào.[2]
Điện dung lối vào (pF) Tạp âm Q (C) FWHM của đầu dò Ge
0 3,06.10
-17
570
10 3,92.10
-17
730
30 5,69.10
-17
1060
50 7,24.10
-17
1350
100 1,18.10
-16
2200

Điện dung vào không những ảnh hưởng lên khả năng phân giải năng lượng của hệ phổ kế bằng
cách bổ sung thêm tạp âm mà nó còn ảnh hưởng đến khả năng phân giải thời gian của hệ thống. Nối
tiền khuếch đại với đầu dò cũng bổ sung thêm điện dung vào. Do đó, tiền khuếch đại có thể được lắp
trực tiếp với đầu dò.
Để đảm bảo mức tạp âm lối vào nhỏ, người ta thường dùng tranzito trường (FET) làm phần tử lối
vào cho tiền khuếch đại. Tranzito trường là linh kiện tạp âm thấp, có thể được tối ưu nhờ thiết kế mạch.
Để đảm bảo mức tạp âm cực thấp, người ta làm lạnh tranzito trường ở lối vào bằng cách đặt nó ngay
trong ống làm lạnh (cryostat), gắn trực tiếp vào đầu dò.
Biên độ của xung điện áp ra giảm theo hàm mũ :

0
t

V V e



(1.11)
Hình dạng xung ra từ tiền khuếch đại được minh hoạ trong hình 1.7.

Hình 1.7:
Xung ra từ một tiền khuếch đại.

Như vậy, điện tích vào được tích phân trong khối khuếch đại nhạy điện tích để thu được hai đại
lượng : điện tích tổng cộng vào và thời gian thu điện tích nên tín hiệu được tách ra thành lối ra năng
lượng E và thời gian T. Vì vậy, khối tiền khuếch đại là rất hữu ích cho cả phổ kế thời gian và năng
lượng.
1.2.3 Khối khuếch đại tuyến tính (Amplifier - AMP)
Khối này có nhiệm vụ khuếch đại tiếp xung ra từ tiền khuếch đại (thông thường nhỏ hơn 1 V)
lên đến khoảng giá trị thích hợp để có thể xử lý tiếp một cách dễ dàng và chính xác. Ngoài ra trong khối
này còn có tác dụng tạo dạng xung nhằm cải thiện tỉ số tín hiệu/tạp âm (S/N) và ngăn ngừa sự chồng
chập xung. Hai yêu cầu này thường mâu thuẫn nhau cho nên trong thiết kế thí nghiệm cần có sự thỏa
hiệp nhất định.
- Nếu yếu tố độ phân giải năng lượng là quan trọng hơn thì cần giữ tốc độ đếm ở giá trị thấp hợp
lý.
- Nếu thực nghiệm đòi hỏi phải làm việc với tốc độ đếm cao thì để đảm bảo độ phân giải năng
lượng không bị tồi đi nhiều thì cần lựa chọn các mạch tạo dạng xung thích hợp với hằng số thời gian
thích hợp.
Trong các loại mạch tạo dạng xung thì mạch CR - RC (vi phân - tích phân) thường được sử dụng
nhiều nhất. Mạch vi phân CR có tác dụng đối với phần đuôi của xung và có thể coi như một bộ lọc cho
qua tần số cao và làm giảm thành phần tần số thấp. Mạch tích phân RC có tác dụng lên phần đầu (phần
tăng) của xung và có thể xem như một bộ lọc cho tần số thấp và làm giảm thành phần tần số cao. Một
mạch CR - RC điển hình được trình bày trên hình 1.8.

Hình 1.8 :
Mch hỡnh thnh xung CR RC.

Trên hình 1.8 một bộ khuếch đại thuật toán với hệ số khuếch đại đơn vị lý tưởng (với trở kháng
vào vô hạn và trở kháng ra 0) tách riêng hai mạch sao cho hai mạch không ảnh hưởng nhau.
Trong các bộ khuếch đại xung hạt nhân, hình thành xung CR - RC thường được thực hiện bằng
cách sử dụng các hằng số vi phân
1

và tích phân
2

bằng nhau. Việc chọn chính xác hằng số thời gian
của mạch hình thành xung phụ thuộc cơ bản vào thời gian thu điện tích trong đầu dò được sử dụng. Nếu
quan tâm về giảm chồng chập, ta cần giữ hằng số thời gian ngắn sao cho dạng xung hình thành có thể
trở về đường cơ bản càng nhanh càng tốt. Một giải pháp cho vấn đề dịch đường 0 tại tần số cao là sử
dụng các xung hai phân cực. Những xung này có thể tạo được hình thành bằng cách bổ sung một tầng
CR vào tầng CR - RC để tạo nên mạch vi phân kép.

Hình 1.9 :
Mch vi phõn xung kộp hỡnh thnh xung CR RC RC.

Hình 1.9 minh họa xung ra hai phân cực với tích bằng nhau, nó rất hữu ích trong việc giảm thiểu
sự dịch đường 0 với tần số đếm thay đổi. Nó cũng thuận tiện với những ứng dụng thời gian cắt zêrô.
Nhược điểm của mạch vi phân kép so với mạch CR - RC là xung dài hơn và tỉ số tín hiệu trên tạp âm tồi
hơn.
Dạng xung mà ta có được sau bộ lọc CR - RC trên thực tế có một phần lọt xuống phía dưới
đường cơ bản (undershoot). Nếu có một xung thứ hai đến đúng vào vị trí undershoot thì nó sẽ được đo
không đúng và nếu undershoot không được điều chỉnh thích hợp sẽ gây ra sự dịch chuyển đường cơ bản

khiến cho phép đo biên độ không còn chính xác nữa. Lý do gây ra undershoot là mạch liên kết CR (tạo
ra thêm một lần vi phân mới). Để khắc phục hiện tượng này, ta đưa vào mạch liên kết tầng thêm một
điện trở R
pz
và ta được mạch theo kiểu bù trừ cực điểm bởi điểm 0 (pole zero cancellation - PZC).
Hình 1.10 minh họa mạch bù trừ cực zêrô và hiệu ứng của nó. Tín hiệu khuếch đại được áp tới
lối vào của mạch vi phân CR trong bộ khuếch đại, xung lối ra từ bộ vi phân thường có bứu âm không
như mong muốn. Điện trở R
pz
được mắc song song với tụ C
1
và được hiệu chỉnh để cắt bướu âm. Kết
quả là xung ra có dạng hàm mũ đơn giản, gần với đường cơ bản với hằng số thời gian vi phân thích hợp.
Thực tế, tất cả các bộ khuếch đại phổ kế đều có đặc trưng này với hiệu chỉnh bù trừ cực zêrô ở mặt
trước. Hiệu chỉnh chính xác cực zêrô sẽ cho phổ tốt và tin cậy. Một số bộ khuếch đại phức tạp hơn sẽ
đơn giản hóa nhiệm vụ này bằng mạch hiệu chỉnh cực zêrô tự động.
..

Hình 1.10 :
Mch bự tr zêrô (a) và hiệu ứng của mạch bù trừ zêrô (b, c, d).

Trong các hệ thống đo phổ gamma làm việc ở tốc độ đếm cao, điều quan trọng là phải điều chỉnh
thật chính xác mạch bù trừ cực zêrô vì điều chỉnh không đủ hoặc điều chỉnh quá mức (undershoot hoặc
overshoot) đều khiến cho phép đo không chính xác. Hình 1.11 cho thấy tác dụng của việc điều chỉnh
cực điểm bởi điểm không nhằm phục hồi đường cơ bản : hình 1.11a tương ứng với điều chỉnh tốt, hình
1.11b ứng với điều chỉnh chưa hết (undershoot) và 1.11c là điều chỉnh quá mức (overshoot).
11 a 11 b 11 c11 a 11 b 11 c

Hình 1.11 :
Tác dng ca mch bù tr zêrô.

Đối với một phổ tạp âm cho trước, thường tồn tại một dạng xung tối ưu trong đó tín hiệu bị
nhiễm ít nhất do tạp âm, đó là các xung có dạng Gauss hoặc dạng tam giác. Kết hợp cả hai mạch CR và
RC, ta có thể thu được ở lối ra một xung có dạng gần Gauss và có tỉ số S/N tối ưu. Tuy nhiên, trong
thực tế, để hình thành xung chuẩn Gauss người ta thay bộ tích phân RC đơn giản bằng một mạch tích
phân hoạt động phức tạp hơn thì tỉ số tín hiệu trên tạp âm của bộ khuếch đại hình thành xung có thể
được làm tốt lên từ 17% đến 19%.


Hình 1.12 :
Mch hình thnh xung trong b khuch i chun Gauss.

Các bộ khuếch đại có những bộ lọc phức tạp hơn được gọi là những bộ khuếch đại hình thành
xung chuẩn Gauss (hình 1.12) vì dạng xung ra của nó gần với dạng của một đường cong Gauss. Một ưu
điểm khác của hình thành xung chuẩn Gauss là giảm độ rộng xung ra tại 0,1% của biên độ xung. Tại
một hằng số thời gian, dạng xung Gauss có thể giảm độ rộng xung từ 22% đến 52% so với bộ lọc CR -
RC. Dạng xung ra của bộ hình thành xung chuẩn Gauss được trình bày trên hình 1.13.

Hình 1.13 :
Dng xung ra ca hỡnh thnh xung
chun
Gauss vi hng s thi gian 2
s

.

Để đảm bảo chất lượng khối khuếch đại khi làm việc ở tốc độ cao, người ta còn đưa vào các
mạch phục hồi đường cơ bản (baseline restorer) và loại trừ chồng chất xung (pile up rejector) cho phép
cải thiện độ phân giải năng lượng ở tốc độ đếm cao.
Mạch khử chồng chập xung có nhiệm vụ tạo ra sau mỗi xung tới một giai đoạn kiểm tra kéo dài

trong khoảng thời gian bận của lối ra. Nếu có một sự kiện nào xuất hiện trong khoảng thời gian bận này
thì sẽ có một tín hiệu cấm được tạo ra để đóng cổng máy phân tích biên độ lại, nhờ vậy mà phổ thu
được không bị méo.
Dạng xung ra sau khuếch đại tuyến tính được minh họa như hình 1.14.

Hình 1.14 :
Dng xung ra sau khuch i tuyn tớnh.

1.2.4 Bộ biến đổi tương tự thành số (Analog to Digital Converter - ADC)
Tín hiệu tương tự từ khối khuếch đại tuyến tính có biên độ V
0
sẽ được đưa vào khối biến đổi
tương tự thành số ADC. Khối này đo biên độ cực đại của một xung tương tự và biến đổi giá trị đó thành
mã số. Mã số tỉ lệ với biên độ tương tự tại lối vào ADC. Đối với các xung tới liên tiếp, mã số từ ADC
được dẫn tới bộ nhớ dành riêng hoặc máy tính và được phân loại bằng biểu đồ. Biểu đồ này biểu diễn
phổ của biên độ xung vào.
Có nhiều kiểu biến đổi, sau đây ta chỉ xét kiểu biến đổi Wilkinson là kiểu biến đổi phổ biến
nhất. Hoạt động của ADC Wilkinson được minh hoạ trên hình 1.15.

Bộ đếm
địa chỉ
ồng hồ
địa chỉ
Cổng
tuyến tính
a) Tụ nạp điện
Bộ đếm
địa chỉ
ồng hồ
địa chỉ

Cổng
tuyến tính
b) Tụ phóng điện
I
Bộ đếm
địa chỉ N
c
ồng hồ
địa chỉ
Cổng
tuyến tính
c) Chu trỡnh nhớ
Bộ đếm
địa chỉ
ồng hồ
địa chỉ
Cổng
tuyến tính
a) Tụ nạp điện
Bộ đếm
địa chỉ
ồng hồ
địa chỉ
Cổng
tuyến tính
b) Tụ phóng điện
I
Bộ đếm
địa chỉ N
c

ồng hồ
địa chỉ
Cổng
tuyến tính
c) Chu trỡnh nhớ

Hình 1.15 :
S hot ng ca ADC Wilkinson.

Bộ phân biệt mức thấp được dùng để ghi nhận xung tới từ bộ khuếch đại. Thông thường ngưỡng
của bộ phân biệt mức thấp được đặt trên mức tạp âm để ngăn ngừa ADC không mất thời gian phân tích
tạp âm.
Khi xung vào cao hơn mức ngưỡng phân biệt thấp, cổng tuyến tính vào mở và tụ nạp được nối
với lối vào. Khi biên độ xung vào đạt tới cực đại và bắt đầu giảm xuống thì cổng tuyến tính bị đóng và
tụ bị ngắt khỏi lối vào. Tại điểm này, thế trên tụ bằng biên độ cực đại của xung vào. Theo sau sự phát
hiện biên độ đỉnh, một nguồn dòng không đổi được nối với tụ để tạo nên sự phóng điện tuyến tính của
thế trên tụ. Đồng thời đồng hồ địa chỉ được nối với bộ đếm địa chỉ và xung đồng hồ được đếm trong
khoảng thời gian phóng điện của tụ điện. Khi thế trên tụ về zêrô thì việc đếm xung đồng hồ cũng dừng
lại.
Vì thời gian phóng điện tuyến tính của tụ tỉ lệ với biên độ xung gốc cho nên số đếm N
c
ghi được
trong bộ đếm địa chỉ cũng tỉ lệ với biên độ xung. Trong khoảng thời gian chu trình nhớ, địa chỉ N
c
được
định vị trong bộ nhớ biểu đồ và một số đếm được cộng vào nội dung của vị trí đó. Giá trị N
c
thường
tương ứng với số kênh.
ADC thường có số kênh thấp là 256 cho những ứng dụng phân giải thấp và có 16384 kênh cho

những yêu cầu khả năng phân giải cao.
Ưu điểm của ADC Wilkinson là độ phi tuyến vi phân thấp (điển hình < 1%). Nhược điểm là thời
gian biến đổi dài và phụ thuộc vào biên độ xung.
Như vậy, trình tự biến đổi trong ADC Wilkinson như sau :
- Biên độ tín hiệu vào V
0
được so sánh với một điện áp tuyến tính V
r
.
- Khi nào V
r
đạt tới V
0
thì xuất hiện một xung mở cổng. Độ rộng của xung này bằng thời gian
cần thiết để V
r
đạt giá trị V
0
.
- Trong thời gian cổng mở, các xung đồng hồ tần số cao được đi qua cổng và được đếm bởi máy
đếm địa chỉ.
- Số xung đếm N
c
tỉ lệ với biên độ tín hiệu V
0
và xác định địa chỉ của tín hiệu : tại địa chỉ này
trong bộ nhớ, số đếm sẽ tăng thêm một đơn vị.
Với nhiều lượng tử gamma lần lượt được biến đổi như vậy, ta được một hình ảnh phân bố số
xung theo biên độ xung, tức là một phần phổ gamma theo năng lượng mà đầu dò hấp thụ được.

Bảng 1.3 : Đặc trưng của một số loại ADC thương mại sử dụng cho phổ kế hạt nhân. [2]
Hãng Loại biến đổi Hệ số biến đổi
Độ phi
tuyến
tích phân
Độ phi tuyến
vi phân
CANBERRA
ADC 8701
ADC 100 MHz
Wilkinson
256; 512; 1K;
2K; 4K; 8K
0,025%

0,7%

CANBERRA
ADC 8713
ADC 100 MHz
Wilkinson (thời gian
chết 6
s

)
256; 512; 1K;
2K; 4K; 8K;
16K
0,025%

0,7%

CANBERRA
ADC 8715
ADC Wilkinson
(thời gian chết cố
định 800 ns)
256; 512; 1K;
2K; 4K; 8K
0,025%

0,9%

ORTEC
ADC 114
ADC gần đúng liên
tiếp (thời gian biến
đổi 5
s

)
16 K
0,025%

1%

ORTEC
ADC 413A
ADC gần đúng liên
tiếp (thời gian biến

đổi 6
s

)
8 K
0,025%

1%


1.2.5 Máy phân tích biên độ nhiều kênh (Multi Channel Analyzer - MCA)
Máy tính
Tín hiệu từ khối
khuếch đại
Máy tính
Tín hiệu từ khối
khuếch đại

Hình 1.16 :
S khi ca h thng phân tích đa kênh.

Máy phân tích biên độ nhiều kênh bao gồm ADC, một bộ nhớ biểu đồ, bộ chỉ thị biểu đồ được
ghi trong bộ nhớ. Nếu các xung vào tới từ bộ khuếch đại phổ năng lượng thì biểu đồ tương ứng với phổ
năng lượng được quan sát bằng đầu dò kèm theo. Khi lối ra của bộ biến đổi thời gian thành biên độ
được nối với lối vào ADC thì biểu đồ biểu diễn phổ thời gian đo được bằng bộ biến đổi thời gian thành
biên độ. Kết hợp ADC, bộ nhớ biểu đồ và chỉ thị biểu đồ tạo nên máy phân tích đa kênh MCA. Nếu
máy tính được sử dụng để chỉ thị phổ, khi đó sự kết hợp của ADC và bộ nhớ biểu đồ gọi là bộ đệm đa
kênh MCB. Sơ đồ khối của MCA chỉ ra trên hình 1.16.
Chức năng chủ yếu của MCA được chia làm hai phần :
- Thu nhận và tồn trữ số liệu được thực hiện bằng phần cứng gọi là MCB.

- Chức năng điều khiển và chỉ thị được thực hiện bằng phần mềm chạy trên máy tính giao tiếp
với MCB. Phần mềm của MCA có khả năng :
+ Chuẩn năng lượng (chuẩn bậc nhất hoặc bậc hai theo đơn vị năng lượng) (eV, keV, MeV hoặc
tính theo đơn vị thời gian:
s

, ms, s)
+ Tìm đỉnh (tính toán vị trí tâm đỉnh cho phép phân tích tự động phổ chưa biết).
+ Tính diện tích thực của đỉnh (số đếm tại đỉnh trừ phông)
+ Chuẩn hóa năng lượng (tăng hoặc giảm phổ bằng một hằng số)
+ Làm trơn phổ (làm trơn nhiều điểm đối với toàn phổ hoặc một phần phổ)
+ Xác định loại đồng vị (so sánh các đỉnh trong phổ với thư viện đồng vị)
+ Thực hiện chương trình tự động (xác lập hệ thống bằng một lệnh đơn)
+ Phần mềm ứng dụng (phần mềm chuyên dụng được thiết kế cho phổ alpha, gamma, huỳnh
quang tia X, kích hoạt nơtron, đếm toàn thân, thải phóng xạ, phân tích các nguyên tố siêu uran và các
ứng dụng khác)
Với các phổ kế tương tự truyền thống, tín hiệu đầu dò được xử lý, hình thành và lọc bằng bộ
khuếch đại hình thành xung và được số hóa bằng ADC tại cuối dãy xử lý. Trong nhiều năm cải tiến
công nghệ tương tự này, người ta nhận thấy có hai hạn chế cơ bản: thứ nhất, có những hạn chế trong
việc mở rộng các chức năng lọc tín hiệu ; thứ hai, linh kiện tương tự dễ cảm nhận đối với tạp âm và hiện
tượng trôi có thể ảnh hưởng tới chất lượng tín hiệu và cuối cùng ảnh hưởng tới phổ thu nhận.
Các loại MCA thông dụng được giới thiệu trong bảng 1.4.


Bảng 1.4 : Một số MCA thông dụng của hãng Canberra.[2]
Hãng chế tạo Mẫu Phần cứng Phần mềm Số kênh
CANBERRA 35 Plus Chuyên dụng Chuyên dụng 2K, 4K, 8K
CANBERRA Accuspec Add on Card Genie 2000 BSS 2K, 4K, 8K
CANBERRA System 100 Add on Card Chương trình MCA
S100 trong Windows

16K

1.2.6 Các thiết bị để đo thời gian
1.2.6.1 Bộ khuếch đại nhanh
Khi yêu cầu thông tin thời gian cao hơn thì lối ra đầu dò thường được chọn là xung tuyến tính
nhanh có thời gian ngắn. Loại xung này thường cung cấp cho bộ khởi phát xung mặt trước để tạo tín
hiệu thời gian nhanh. Nếu biên độ của xung tuyến tính nhanh là không đủ để đạt tới một mức khởi phát
thuận tiện trong bộ khởi phát thời gian thì cần phải cung cấp một sự khuếch đại nào đó trước. Các bộ
khuếch đại tuyến tính sẽ không thể dùng cho ứng dụng này vì mạch hình thành xung được thiết kế để
hạn chế thành phần tần số cao trong tín hiệu để cho khả năng phân giải tối ưu.
Để bảo toàn dạng xung tuyến tính nhanh, một bộ khuếch đại có đáp ứng tuyến tính với tần số
càng cao càng tốt, có thể mở rộng đáp ứng tần số tới 0. Những bộ khuếch đại như thế được gọi là những
bộ khuếch đại dải rộng vì chúng không lọc cả tần số cao lẫn tần số thấp nên chúng không hình thành
xung lối vào. Khi áp dụng cho xử lý xung hạt nhân, chúng thường được gọi là các bộ khuếch đại nhanh.
Nhiệm vụ của chúng là tạo nên một xung lý tưởng, là bản sao trung thực của xung vào nhưng được
khuếch đại.
Bộ khuếch đại nhanh được thiết kế để có thời gian tăng lối ra trong dải ns. Khi đạt thời gian tăng
nhanh thường phải thỏa hiệp độ tuyến tính và ổn định nhiệt độ.
Có 2 loại khuếch đại nhanh:
+ Bộ khuếch đại dải rộng : loại này ứng dụng về khả năng phân giải thời gian tốt khi thời
gian tăng nhanh nhất được yêu cầu, không có điều khiển về thời gian tăng hay thời gian giảm của tín
hiệu, chúng được sử dụng điển hình trong ống quang điện và đầu dò hạt tích điện silic cho những ứng
dụng về khả năng phân giải thời gian cao.
+ Bộ khuếch đại lọc thời gian (Timming Filter Amplifier - TFA) : được cung cấp các bộ
vi phân CR và bộ tích phân RC để điều khiển dạng xung.
Thời gian tăng của bộ khuếch đại quá nhanh nên tránh vì chúng dẫn đến tạp âm nhiều hơn và
không cải thiện thời gian tăng tín hiệu. Ta nên đặt tín hiệu đủ dài để tránh mất biên độ của tín hiệu.
1.2.6.2 Bộ làm chậm
Trong nhiều ứng dụng thời gian, ta cần phải làm chậm tại một hoặc một số điểm trong chuỗi tín
hiệu cho mục đích hiệu chỉnh hoặc chuẩn thời gian. Trong thang nanô giây, độ dài cáp đồng trục được

sử dụng để kết nối các khối với nhau, có khả năng thay đổi được để cho thời gian truyền khác nhau.
Ngoài 100 nanô giây, độ dài cáp trở sẽ nên quá dài (trên 30 m) đối với sử dụng thông thường. Việc sử
dụng các đường làm chậm với các chất dẫn điện quấn hình lò xo có thể giảm nhiều độ dài vật lý của cáp
đối với thời gian truyền cho trước nhưng chúng có đặc trưng truyền tần số cao tương đối nghèo và sẽ
làm méo các xung nhanh.
Khi sử dụng với hình thành xung tuyến tính có các bộ lọc tần số cao, sự méo là không nghiêm
trọng và đường làm chậm thụ động của các thiết kế khác nhau có thể cung cấp đường làm chậm điều
khiển được lên tới

s . Những bộ khuếch đại tuyến tính thường kết hợp một số đường làm chậm để
cung cấp một lối ra thuận tiện trong việc xác lập những hệ thống xung thời gian.
Trên thực tế, một số hãng đã chế tạo các hộp làm chậm cung cấp thời gian làm chậm có thể điều
khiển được phép kéo dài hoặc rút ngắn đường dẫn điện trong các mạch trùng phùng. Các hộp làm chậm
nói chung bao gồm những độ dài cáp thay đổi được trong chuẩn NIM cho phép làm chậm trong khoảng
0 đến 64 ns. Một số hộp có thể được nối tiếp với nhau để cho làm chậm lên tới 100 ns. Thí dụ hãng
canberra chế tạo hộp làm chậm trong chuẩn NIM 2058 cho phép làm chậm các xung tuyến tính và lôgic
trong các bước 0,5 ns trong dải lên tới 64 ns theo các bước sau : 0,5 ; 1 ; 2 ; 4 ; 8 ; 16 hoặc 32. Khối làm
chậm 2055 trong chuẩn NIM của Canberra có dải làm chậm có thể điều khiển liên tục từ 0,1 đến
110

s. Bảng 1.5 trình bày các bộ phận làm chậm và đặc trưng cơ bản của chúng.
Bảng 1.5 : Đặc trưng của một số bộ làm chậm.[2]
Hãng chế tạo Mẫu Dải làm chậm Bước làm chậm (ns)
Làm chậm
cực tiểu (ns)

CANBERRA 2058 0,5 - 64 ns 0,5; 1; 2; 4; 8; 16; 32 2
CANBERRA 2055
0,1 - 110

s
Liên tục -
ORTEC 425A 1 - 64 ns 1; 2; 4; 8; 16; 32 2

1.2.6.3 Bộ phân biệt ngưỡng không đổi (Constant Fraction Discriminator - CFD)
Khối CFD thường được chế tạo để phục vụ cho hai ứng dụng khác nhau :
- Một là : đếm các xung nhỏ với tốc độ đếm cao.
- Hai là : xác định thời gian xung đến với độ chính xác cao.
Trong kênh thời gian, khối CFD có vai trò xác định thời điểm xung đến, tạo ra tín hiệu
đầu vào đưa đến khối trùng phùng. CFD làm tăng độ phân giải thời gian, loại trừ nhiễu và
ảnh hưởng của các tia gamma mềm. Việc chọn giá trị ngưỡng là rất quan trọng, nếu chọn
ngưỡng thấp quá sẽ xuất hiện trùng phùng với gamma mềm hoặc gamma tán xạ giữa hai đầu
dò, nếu chọn ngưỡng cao quá sẽ mất các chuyển dời gamma có năng lượng thấp. [5, tr.24]
Tất cả các khối CFD đều có chuyển mạch thay đổi ngưỡng. Ngưỡng được chọn sao cho đủ cao
để loại được nhiễu. Trong một số ứng dụng ngưỡng được đặt cao để cắt các xung biên độ bé nằm trong
vùng năng lượng thấp có nhiều nhiễu.
Khối CFD hoạt động theo ba chế độ (mode) tùy thuộc vào kiểu đầu dò :
- Constant-Fraction (CF) : chế độ CF dựa trên tỉ số cố định
- Slow Rise Time Reject (SRT) : chế độ SRT chọn lựa để loại trừ các xung tăng chậm
- Leading Edge (LE) : chế độ LE dựa trên phương pháp sườn lên.
Với thực nghiệm phải chọn lựa được mode phù hợp với hệ đo.
1.2.6.4 Bộ trùng phùng
Nhiều khối trùng phùng thương mại hoạt động dựa trên nguyên tắc phủ trong độ rộng của xung
vào xác định trực tiếp thời gian phân giải của mạch trùng phùng.

Hình 1.17 :
Nguyên tc c bn ca mch trùng phùng.


Hình 1.17 minh họa nguyên tắc cơ bản của mạch trùng phùng. Mạch trùng phùng đơn giản là

cổng AND hai lối vào. Như được chỉ ra bằng dạng sóng trong hình 1.17, cổng AND phát ra lôgic 1 chỉ
khi các xung lôgic 1 có mặt trên cả hai lối vào A và B. Thực tế, lối ra chỉ sinh ra trong khoảng thời gian
xung A và B phủ nhau. Vì lý do này mà mạch được gọi là trùng phùng phủ.