Khảo sát phổ kế năng lượng- Thời gian sử dụng đầu dò bán dẫn HPGe

Bộ GIáO DụC Và ĐàO TạO
TRƯờNG ĐạI HọC SƯ PHạM TP. Hồ CHí MINH
-------------------------





Nguyễn Văn Kim Trường






KHảO SáT PHổ Kế NĂNG LƯợNG - THờI
GIAN Sử SụNG ĐầU Dò BáN DẫN HPGe



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



LUậN VĂN THạC Sĩ vật lý



NGƯờI HƯớNG DẫN KHOA HọC
PGS. TS : ĐINH Sỹ HIềN

Thành phố Hồ Chí Minh - 2010

Mở ĐầU
Phương pháp ghi phổ năng lượng bức xạ gamma sử dụng đầu dò bán dẫn siêu tinh khiết (High Purity
Germanium - HPGe) là phương pháp phổ biến để xác định hoạt độ nguồn, cường độ các bức xạ gamma
phát ra cũng như nhận diện các nguyên tố, vì khả năng phân giải tốt của đầu dò. Tuy nhiên, phổ năng
lượng bức xạ gamma của các nguồn phóng xạ hay các đồng vị phóng xạ rất phức tạp như ngoài các đỉnh
quang còn có nền Compton kèm theo. Đặc biệt là các nguồn phóng xạ hoạt độ thấp, phát ra nhiều bức
xạ gamma có năng lượng khác nhau thì các đỉnh năng lượng có cường độ bé sẽ không hiện ra rõ nét và
có trường hợp nó bị che khuất bởi nền Compton quá cao khi được ghi nhận bằng hệ phổ kế sử dụng các
loại đầu dò chứa khí, đầu dò nhấp nháy,.... Điều đó dẫn đến sai số đáng kể trong phép đo.
Vấn đề đặt ra là phải xây dựng hệ phổ kế sao cho phổ năng lượng ghi nhận được có các đỉnh năng lượng
hiện ra rõ nét, nền Compton càng thấp càng tốt và độ phân giải tốt. Đầu dò bán dẫn HPGe là lựa chọn
tốt nhất để có được khả năng phân giải tối ưu. Phương pháp trùng phùng là phương pháp sử dụng sự
tương quan về thời gian giữa các bức xạ gamma trùng phùng (các bức xạ phát ra gần như đồng thời) để
ghi phổ năng lượng gamma có tính chọn lọc nghĩa là nó chỉ ghi nhận các bức xạ gamma trùng phùng và
loại bỏ các bức xạ gamma do tán xạ Compton. Kết quả là thu được phổ năng lượng với các đỉnh năng
lượng gamma đặc trưng hiện ra rõ nét trên nền Compton được hạ thấp. Các nhà khoa học đã nghiên cứu
xây dựng hệ phổ kế trùng phùng và thu phổ năng lượng bức xạ gamma khá tốt. Tuy nhiên, việc hiểu

biết và vận hành hệ phổ kế trùng phùng đặc biệt là hệ phổ kế năng lượng - thời gian sử dụng đầu dò bán
dẫn HPGe để thu phổ năng lượng bức xạ gamma của các nguồn phóng xạ và đồng vị phóng xạ còn khá
xa lạ và chưa được phổ biến rộng trong nghiên cứu hạt nhân ở nước ta.
Để giải quyết vấn đề trên, tác giả quyết định nghiên cứu đề tài: khảo sát phổ kế năng lượng - thời
gian sử dụng đầu dò bán dẫn HPGe để phục vụ cho luận văn tốt nghiệp chuyên ngành Vật lý
nguyên tử, hạt nhân và năng lượng cao, Khóa 18 (2007 - 2010) Trường Đại Học Sư Phạm T.P Hồ
Chí Minh.
Mục tiêu chính đặt ra của luận văn này là:
- Tìm hiểu những đặc trưng chung và nguyên tắc hoạt động cơ bản của các khối điện tử trong hệ
phổ kế.
- Tìm hiểu và thực hiện kết nối các khối điện tử của hệ phổ kế.
- Tiến hành những thao tác trên các khối điện tử như lên cao thế cho đầu dò, chọn những thông số
trên các khối điện tử và làm thí nghiệm với nguồn chuẩn như
60
Co và
22
Na.
- Xử lý số liệu, ghi nhận phổ năng lượng và so sánh với phổ năng lượng ghi nhận được bằng hệ
phổ kế thông thường (hệ phổ kế năng lượng sử dụng một đầu dò bán dẫn HPGe). Từ đó, chứng tỏ

ưu điểm của hệ phổ kế năng lượng - thời gian sử dụng đầu dò bán dẫn HPGe là: các đỉnh quang
được hiện rõ trên nền Compton thấp và tỷ số đỉnh trên Compton tăng lên.
Cấu trúc luận văn gồm các phần chính sau:
Chương 1: Tổng quan về các hệ thống phổ kế năng lượng, thời gian sử dụng đầu dò bán dẫn siêu tinh
khiết HPGe.
Chương 2: Kỹ thuật trùng phùng và hệ thống xử lý xung thời gian.
Chương 3: Thực nghiệm.

Do thời gian và kiến thức còn hạn chế nên luận văn này không tránh khỏi thiếu sót, kính mong nhận
được sự góp ý của quý Thầy, Cô và các bạn đồng nghiệp để luận văn ngày càng hoàn thiện hơn.

Chương 1: Tổng quan về các hệ thống phổ kế năng lượng, thời gian sử dụng
đầu dò bán dẫn siêu tinh khiết HPGe
1.1. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
1.1.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước
[8]
Năm 1958, Hooenboom A.M đã đưa ra phác thảo đầu tiên về hệ phổ kế trùng phùng cộng biên
độ bằng đầu dò nhấp nháy.
Từ năm 1981, Viện Liên Hợp Nghiên Cứu Hạt Nhân Dubna đưa ra vấn đề ghi nhận và xử lý số
liệu trên máy tính bằng hệ đo cộng biên độ các xung trùng phùng với sơ đồ hệ đo như hình 1.1.
1
7
I
N
T
E
R
F
A
C
E
1
2
3

2
3
6
4 8
5
ADC
4 8
ADC
5
1. Detector
2. Fast Amplifier
3. Fast Discriminator
4. Spect. Amplifier
5. Single Chanel
Analyzer
6. Fast Coincidence
7. Slow Coincidence
8. Linear Gate
E
T
E
T

1. Detector: đầu dò.
2. Fast Amplifier: khối khuếch đại nhanh.
3. Fast Discriminator: khối phân biệt ngưỡng nhanh.
4. Spect. Amplifier: khối khuếch đại phổ.
5. Single Chanel Analyzer: máy phân tích đơn kênh .
6. Fast Coincidence: khối trùng phùng nhanh.
7. Slow Coincidence: khối trùng phùng chậm.

8. Linear Gate: cổng tuyến tính.
Hình 1.1. Sơ đồ hệ đo cộng biên độ các xung trùng phùng.
Sau năm 2003, Cộng Hòa Séc thiết lập hệ đo trùng phùng dùng phương pháp cộng biên độ các
xung trùng phùng có sơ đồ khối như hình 1.2.

Timing
Amplifier
Constant
Fraction
Discrimin.
Time to
Pulse Height
Convert.
Constant
Fraction
Discrimin.
Timing
Amplifier
HPGe
Ge (Li ) Preamplifier Amplifier
Active
Amplifier
Analog to
Digital
Convert
Timing
Discriminator
Slow
Coincidence
Unit

Analog to
Digital
Convert
Shaper
Shaper
Amplifier
Analog to
Digital
Convert
Active
Amplifier
Timing
Discriminator
Dual Sum
Amplifier
Interface
Preamplifier
Delay
Gate
Gate
Gate
PC
Timing
Amplifier
Constant
Fraction
Discrimin.
Time to
Pulse Height
Convert.

Constant
Fraction
Discrimin.
Timing
Amplifier
HPGe
Ge (Li ) Preamplifier Amplifier
Active
Amplifier
Analog to
Digital
Convert
Timing
Discriminator
Slow
Coincidence
Unit
Analog to
Digital
Convert
Shaper
Shaper
Amplifier
Analog to
Digital
Convert
Active
Amplifier
Timing
Discriminator

Dual Sum
Amplifier
Interface
Preamplifier
Delay
Gate
Gate
Gate
PC

Preamplifier: khối tiền khuếch đại .
Amplifer: khối khuếch đại.
Active Amplifier: khối khuếch đại chủ động.
Dual Sum Amplifier: khối khuếch đại tổng
đôi.
Timing Discriminator: khối phân biệt ngưỡng
thời gian.
Shaper: khối tạo dạng xung.
Timing Amplifier: khối khuếch đại thời gian.
Delay: khối làm chậm.
Constant Fraction Discrimin: khối
phân biệt ngưỡng không đổi.
Time to Pulse Height Convert: khối
biến đổi thời gian thành xung.
Analog to Digital Convert: khối biến
đổi tương tự thành số.
Slow Coincidence Unit: khối trùng
phùng chậm.
Interface: card thu nhận dữ liệu (card
giao diện).

Hình 1.2. Hệ đo trùng phùng dùng phương pháp cộng biên độ các xung trùng phùng.


1.1.2. Tình hình nghiên cứu trong nước
[8]

Năm 1984, Đại Học Tổng Hợp Hà Nội đã thử nghiệm hệ đo cộng biên độ các xung trùng phùng
sử dụng đầu dò nhấp nháy NaI.
Năm 1999, Trung Tâm Vật Lý Hạt Nhân thuộc Viện Khoa Học và Công Nghệ Quốc Gia đã nhận
một hệ thiết bị để thiết lập một hệ đo theo phương pháp cộng biên độ các xung trùng phùng.
Trong thời gian gần đây, Trung Tâm Hạt Nhân Thành phố Hồ Chí Minh đã thiết lập và sử dụng
hệ đo trùng phùng sử dụng đầu dò nhấp nháy NaI.

Năm 2005, với sự hợp tác giữa Viện Năng Lượng Nguyên Tử Việt Nam và Đại Học Khoa Học
Tự Nhiên Đại Học Quốc Gia Hà Nội, trong khuôn khổ đề tài cấp bộ, tại lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt đã
xây dựng thành công hệ phổ kế cộng biên độ các xung trùng phùng. So với hệ đo tại Viện Nghiên Cứu
Hạt Nhân Dubna vào những năm trước thì hệ đo tại Đà Lạt có những ưu điểm vượt trội như hiệu suất
ghi cao hơn, tốc độ làm việc của hệ điện tử nhanh gấp nhiều lần, không sử dụng các đường dây trễ tập
trung, độ tuyến tính và độ ổn định đều tốt hơn rất nhiều.
1.2. Đầu dò bán dẫn siêu tinh khiết (High Purity Germanium - HPGe)
1.2.1. Cấu tạo của đầu dò bán dẫn HPGe
Đầu dò bán dẫn được chế tạo từ các tinh thể bán dẫn dưới dạng nguyên tố như Ge, Si (được sử
dụng rộng rãi nhất) và các tinh thể bán dẫn pha tạp loại p, bán dẫn loại n. Tùy thuộc vào yêu cầu cụ thể
mà đầu dò bán dẫn có hình dạng và cấu trúc khác nhau. Chẳng hạn, đầu dò Si (Li) phẳng rãnh có tác
dụng làm giảm dòng rò và do đó tăng khả năng phân giải năng lượng.
Hình 1.3 cho thấy cấu trúc và dải năng lượng của từng loại đầu dò bán dẫn
[2]
.
Ký hiệu
Vùng hoạt

Tiếp xúc n
Tiếp xúc p
Mặt thụ động
0 1
10 100
1000 10000
Loại đầu dò
Ge năng lượng cực thấp ULEGe
Ge năng lượng thấp LEGe
Ge đồng trục CGe
Đầu dò Ge điện cực đảo REGe và
đầu dò dải rộng XtRa
Ge giếng Well
ULEGe
LEGe CGe
XtRa
REGe
Well
E ( KeV)
Ký hiệu
Vùng hoạt
Tiếp xúc n
Tiếp xúc p
Mặt thụ động
0 1
10 100
1000 10000
Loại đầu dò
Ge năng lượng cực thấp ULEGe
Ge năng lượng thấp LEGe

Ge đồng trục CGe
Đầu dò Ge điện cực đảo REGe và
đầu dò dải rộng XtRa
Ge giếng Well
ULEGe
LEGe CGe
XtRa
REGe
Well
E ( KeV)

Hình 1.3. Cấu trúc và dải năng lượng của từng loại đầu dò bán dẫn HPGe.
Dưới đây là một số loại đầu dò bán dẫn HPGe thông dụng.
1.2.1.1. Đầu dò bán dẫn HPGe đồng trục loại p

Lớp tiếp xúc dày ~ 600 m
Lớp tiếp xúc mỏng ~ 0.3 m
~ 600 m
Bức xạ
HPGe
loại p

Hình 1. 4. Đầu dò bán dẫn HPGe đồng trục loại p.
Đầu dò bán dẫn HPGe dạng đồng trục loại p có cấu tạo như một điốt - bán dẫn loại p với một
lớp tiếp xúc dày loại n ở mặt ngoài hình trụ và một lớp tiếp xúc mỏng loại p ở mặt trong của tinh thể
Ge. Cấu trúc thông thường của đầu dò đồng trục hay đồng trục khép kín là lớp tiếp xúc dày hơn được
đặt ở bề mặt ngoài khối trụ bán dẫn loại p và lớp tiếp xúc mỏng hơn đặt ở mặt trong của khối trụ như
được chỉ trên hình 1.4. Các lớp tiếp xúc này được hình thành trong vật liệu bán dẫn loại p để tạo nên lớp
chuyển tiếp điốt gần với lớp tiếp xúc ở mặt trong. Việc hình thành lớp chuyển tiếp gần lớp tiếp xúc ở
mặt trong tạo ra điện trường đều bên trong tinh thể và vì thế độ phân giải sẽ tốt nhất.

Lớp tiếp xúc mặt ngoài có thể dày từ 600 đến 1000 m. Nó tùy thuộc vào nhà sản xuất và kích
thước tinh thể. Thông thường, độ dày của lớp tiếp xúc tăng theo kích thước của đầu dò. Lớp tiếp xúc
không hình thành tín hiệu từ các bức xạ gamma mà nó hấp thụ được gọi là lớp chết. Lớp tiếp xúc mặt
trong dày khoảng 0,3 m. Lớp tiếp xúc mặt ngoài hấp thụ hoàn toàn các lượng tử năng lượng thấp và
hiệu suất của đầu dò tăng đến khi năng lượng lượng tử đạt một giá trị cực đại khoảng 120 keV.
1.2.1.2. Đầu dò bán dẫn HPGe đồng trục loại n
Đối với đầu dò bán dẫn HPGe đồng trục loại n thì lớp tiếp xúc bị đảo ngược lại. Nghĩa là lớp
tiếp xúc mỏng được đặt ở mặt ngoài và lớp tiếp xúc dày đặt ở mặt trong.

Lớp tiếp xúc dày ~ 600 m
Lớp tiếp xúc mỏng ~ 0.3 m
HPGe
loại n
Bức xạ
0.3m
Lớp tiếp xúc dày ~ 600 m
Lớp tiếp xúc mỏng ~ 0.3 m
HPGe
loại n
Bức xạ
0.3m

Hình 1.5. Cấu tạo của đầu dò bán dẫn HPGe đồng trục loại n.
Đối với đầu dò loại này thì hiệu suất đối với các lượng tử có năng lượng thấp được cải thiện bởi
vì bề dày của lớp chết được giảm đi. Tuy nhiên, khả năng phân giải không tốt bằng đầu dò bán dẫn
HPGe loại p.

1.2.1.3. Đầu dò bán dẫn HPGe đồng trục loại p với lớp tiếp xúc mỏng mặt trước
Đầu dò bán dẫn HPGe đồng trục loại p với lớp tiếp xúc mỏng mặt trước có cấu trúc tương tự
như đầu dò bán dẫn HPGe đồng trục loại p, chỉ khác ở chỗ mặt trước của đầu dò này được phủ một lớp

mỏng bán dẫn loại n được chỉ trên hình 1.6.
Lớp tiếp xúc dày ~ 600 m
Lớp tiếp xúc mỏng ~ 0.3 m
Lớp tiếp xúc mặt trước ~ 10 m
HPGe
loại p
~ 600 m
Bức xạ
Lớp tiếp xúc dày ~ 600 m
Lớp tiếp xúc mỏng ~ 0.3 m
Lớp tiếp xúc mặt trước ~ 10 m
HPGe
loại p
~ 600 m
Lớp tiếp xúc dày ~ 600 m
Lớp tiếp xúc mỏng ~ 0.3 m
Lớp tiếp xúc mặt trước ~ 10 m
HPGe
loại p
~ 600 m
Bức xạ

Hình 1.6. Đầu dò bán dẫn HPGe đồng trục loại p với lớp tiếp xúc mỏng mặt trước.
Với lớp tiếp xúc này làm cho đầu dò tăng độ nhạy với các lượng tử năng lượng thấp như hầu hết
các đầu dò bán dẫn loại n, trong khi vẫn giữ được khả năng phân giải tốt của các đầu dò bán dẫn loại p.
Hiệu suất năng lượng thấp ứng với các đầu dò này thích hợp với các ứng dụng với năng lượng thấp nhất
khoảng trên 30 keV. Lợi thế khác của đầu dò loại này là hiệu suất cao hơn tại giá trị năng lượng cao đối

với đầu dò có thể tích tinh thể lớn hơn và bán kính cực đại lớn hơn 8 cm, kết hợp với khả năng phân giải
và dạng đỉnh phổ tuyệt vời.

1.2.1.4. Đầu dò bán dẫn HPGe đồng trục dải rộng XtRa
[2]

Đầu dò XtRa là một đầu dò Ge đồng trục có một tiếp xúc cửa sổ mỏng duy nhất trên mặt trước
có tác dụng mở rộng dải năng lượng xuống tới 3 keV. Đối với các đầu dò đồng trục Ge thông thường có
lớp tiếp xúc khuếch tán Li với độ dày từ 0,5 đến 1,5 mm. Lớp chết này dừng hầu hết các năng lượng
dưới 40 keV. Đầu dò loại này cho tất cả các ưu điểm của đầu dò đồng trục chuẩn thông thường như hiệu
suất cao, khả năng phân giải tốt. Cấu hình của đầu dò bán dẫn HPGe đồng trục XtRa được trình bày
trên hình 1.7.
~ ~
Cửa sổ Be ( 0,5 mm)
Tiếp xúc n Tiếp xúc p
~ ~
Cửa sổ Be ( 0,5 mm)
Tiếp xúc n Tiếp xúc p

Hình 1.7. Cấu hình đầu dò bán dẫn HPGe đồng trục dải rộng XtRa.
1.2.1.5. Đầu dò bán dẫn HPGe giếng
[2]

Đầu dò bán dẫn HPGe giếng cung cấp hiệu suất cao cho mẫu nhỏ gần như được bao quanh
bằng vật liệu đầu dò. Đầu dò bán dẫn HPGe giếng được chế tạo bằng một lỗ cụt để lại ít nhất 5mm độ
dày đầu dò hoạt tại đáy của giếng. Do đó, hình học đếm gần bằng 4

. Cấu hình của đầu dò bán dẫn
~ ~
Đường kính giếng

HPGe giếng được trình bày trên hình 1.8.
Đầu dò bán dẫn HPGe giếng được chế tạo từ Ge có độ tinh khiết cao. Do đó, nó có thể được vận

chuyển và bảo quản tại nhiệt độ phòng mà không bị hỏng. Vỏ chứa đầu dò và giếng được chế tạo bằng
nhôm với độ dày 0,5 mm trong lận cận giếng. Độ sâu giếng chuẩn là 40 mm cho tất cả các đầu dò.
1.2.2. Nguyên tắc hoạt động của đầu dò bán dẫn HPGe
Khi bức xạ gamma tương tác với đầu dò thì bức xạ gamma sẽ truyền năng lượng cho đầu dò làm
xuất hiện các điện tích. Dưới thiên áp ở hai cực đầu dò, các điện tích này được tụ về các điện cực tạo ra
thế (tín hiệu). Thế này được xử lý bởi các khối điện tử khác để hình thành xung. Phần năng lượng
truyền cho đầu dò được thực hiện theo các hiệu ứng tương tác sau:
- Đầu dò hấp thụ hoàn toàn năng lượng của lượng tử gamma theo hiệu ứng quang điện.
- Đầu dò hấp thụ một phần năng lượng của lượng tử gamma theo hiệu ứng Compton.
- Khi năng lượng lượng tử gamma lớn hơn 1500 keV (theo lý thuyết là 1022 keV) thì quá trình tạo
cặp xuất hiện và sinh ra cặp electron - pozitron. Năng lượng của electron nhanh chóng bị hấp thụ
trong đầu dò (vì quãng chạy của hạt tích điện rất ngắn); còn pozitron sẽ nhanh chóng bị hủy cặp tạo
hai lượng tử gamma 511 keV. Nếu cả hai lượng tử gamma bị hấp thụ thì quá trình này tương đương
với hấp thụ quang điện. Nếu một trong hai lượng tử gamma bay ra ngoài thì phần năng lượng hấp
thụ sẽ tạo nên đỉnh thoát đơn. Nếu cả hai lượng tử gamma bay ra ngoài thì sẽ tạo nên đỉnh thoát kép.
1.2.3. Ưu điểm của đầu dò HPGe
- Không phải bảo quản liên tục trong Nitơ lỏng.
- Độ phân giải năng lượng và hiệu suất ghi hơn hẳn đầu dò bán dẫn khuếch tán có cùng thể tích. Về
cơ bản, ưu điểm khả năng phân giải có thể thuộc về lượng nhỏ năng lượng cần để tạo nên một phần tử
mang điện và tín hiệu ra lớn đối với các loại đầu dò khác có cùng năng lượng photon tới. Tại 3 eV/ cặp
điện tử - lỗ trống. Số phần tử mang điện được sinh ra trong đầu dò bán dẫn Ge cao hơn cỡ một đến hai
bậc độ lớn so với đầu dò nhấp nháy và đầu dò chứa khí tương ứng.
1.3. Thiết bị điện tử để xử lý tín hiệu từ đầu dò hạt nhân
1.3.1. Những khối tiền khuếch đại (Preamplifier)
Khối tiền khuếch đại có chức năng chính là nhận và khuếch đại tín hiệu từ đầu dò mà không làm
giảm đáng kể tỷ số tín hiệu/nhiễu. Vì vậy, các khối tiền khuếch đại nằm càng gần đầu dò càng tốt để
phát hiện và các mạch lối vào được thiết kế phù hợp với đặc tính của từng loại đầu dò.
Có ba loại tiền khuếch đại cơ bản: tiền khuếch đại nhạy dòng, tiền khuếch đại nhạy thế và tiền
khuếch đại nhạy điện tích.

Trong đó, tiền khuếch đại nhạy dòng được sử dụng với các dụng cụ tín hiệu có trở kháng thấp.
Do đó, tiền khuếch đại loại này rất ít được sử dụng với các đầu dò bức xạ (dụng cụ trở kháng cao).
Chính vì vậy, tiền khuếch đại loại này không trình bày trong phạm vi của luận văn này.
1.3.1.1. Cấu tạo
Tiền khuếch đại nhạy điện tích và tiền khuếch đại nhạy thế có thiết kế cơ bản như hình 1.9.
[2]

R
1
V
0
R
2
V
in
C
f
C
d
V
0
a) b)
-A
-A
R
1
V
0
R
2

V
in
C
f
C
d
V
0
a) b)
R
1
V
0
R
2
V
in
R
1
V
0
R
2
V
in
C
f
C
d
V

0
C
f
C
d
V
0
a) b)
-A
-A

Hình 1.9. Sơ đồ của một tiền khuếch đại: a) nhạy thế ; b) nhạy điện tích.
1.3.1.2. Nguyên tắc hoạt động
Tiền khuếch đại nhạy thế thông dụng hơn tiền khuếch đại nhạy dòng và tiền khuếch đại nhạy
điện tích. Nó khuếch đại bất kỳ thế nào xuất hiện tại lối vào của nó. Đầu dò bức xạ tạo ra các điện tích
từ những sự kiện hạt nhân tương tác với tinh thể đầu dò, các điện tích này được tụ lại trên các tụ của đầu
dò và hình thành nên thế. Thế này xuất hiện qua tụ thuần cộng với các tụ ký sinh khác có thể có mặt ở
lối vào tiền khuếch đại. Do đó, tụ đầu dò phải được giữ ổn định trong khoảng thời gian làm việc. Đây
chính là trường hợp ống nhân quang điện, ống đếm tỷ lệ và ống đếm Geiger Muller. Còn đối với đầu
dò bán dẫn thì tụ riêng của đầu dò lại thay đổi theo nhiệt độ do dòng rò trong điốt bán dẫn phụ thuộc
vào nhiệt độ. Vì vậy, tiền khuếch đại loại này không nên dùng với đầu dò bán dẫn.
Nhược điểm của tiền khuếch đại nhạy thế có thể tránh bằng cách sử dụng tiền khuếch đại nhạy
điện tích. Trong khối khuếch đại nhạy điện tích, khi điện tích tới được tụ trên một tụ điện. Sau đó, điện
tích trên tụ điện này sẽ được lấy đi bằng cách phóng điện qua một mạch liên kết có thể là mạch liên kết
phản hồi loại điện trở hay mạch liên kết phản hồi quang.
- Nếu tụ phóng điện qua mạch liên kết phản hồi loại điện trở R
f
(hình 1.10) có giá trị từ 100
M đến 2 G thì sự phóng điện này tạo nên xung đuôi dạng mũ như hình 1.11a. Hằng số thời gian đặc
trưng thay đổi rất dài cỡ 50 s hoặc hơn.

[2]


C
f
C
d
V
0
R
f
-A
C
f
C
d
V
0
R
f
C
f
C
d
V
0
R
f
-A

Hình 1.10. Tiền khuếch đại nhạy điện tích loại liên kết điện trở.
a)
b)
a)
b)

Hình 1.11. a) Xung đuôi từ một tiền khuếch đại, b) sự chồng chập xung: xung thứ hai chồng lên
xung thứ nhất.
- Nếu thay mạch liên kết phản hồi loại điện trở R
f
bằng mạch liên kết phản hồi quang học thì
phổ kế sẽ làm việc chính xác hơn: tạp âm giảm và dải rộng tăng lên. Trong khối tiền khuếch đại này,
điện tích từ đầu dò được nạp liên tục vào tụ và được giữ cho tới một giới hạn xác định (thường là một
vài Vôn). Khi đó, xung dòng phát ra có dấu ngược lại được khởi phát và tụ được phóng điện. Trong quá
trình này, một xung âm lớn được phát ra trong dãy khuếch đại. Để ngăn ngừa việc phân tích xung
phóng điện này, một tín hiệu cấm phụ thuộc được phát ra để cấm các xung này trong các mạch điện tử
tiếp theo sau.
Sơ đồ và tín hiệu lối ra của tiền khuếch đại với mạch liên kết phản hồi quang được chỉ ra trên
hình 1.12. Khi giới hạn đạt được, sự phóng điện âm lớn được nhận thấy và sau đó tụ của tiền khuếch đại
bắt đầu nạp lại.
[2]


Cấm
Diser
Lối ra
tín hiệu
Đầu dò
FET
Đèn

Giới hạn trên
Lối ra tiền
khuếch đại
Dòng đầu dò
Tín hiệu cấm
Cấm
Diser
Lối ra
tín hiệu
Đầu dò
FET
Đèn
Giới hạn trên
Lối ra tiền
khuếch đại
Dòng đầu dò
Tín hiệu cấm

1.3.1.3. Một số khối tiền khuếch đại nhạy điện tích
1.3.1.3.1. Tiền khuếch đại cho đầu dò hàng rào mặt Si 2003BT
[2]

Tiền khuếch đại lối vào FET nhạy điện tích 2003BT được thiết kế cho đặc tính tối ưu với các
đầu dò hàng rào mặt Si (Silicon Surface Barrier SSB). Tiền khuếch đại loại này làm việc như một bộ
biến đổi điện tích thành thế. Sau khi khuếch đại phần tử mang điện được tạo nên trong đầu dò trong
khoảng thời gian mỗi sự kiện hạt nhân bị hấp thụ, ở lối ra của tiền khuếch đại cung cấp thế tỷ lệ thuận
với điện tích tại tần số 0,45 V/pC. Thế này được khuếch đại với hệ số khuếch đại 20 mV/MeV cho đầu
dò Si tại nhiệt độ phòng.
Đối với đầu dò SSB được thiên áp dương, lối ra năng lượng hết sức tuyến tính cung cấp một
xung phân cực dương lý tưởng cho phổ kế năng lượng. Lối ra thời gian trùng phùng cung cấp xung vi

phân nhanh phân cực âm lý tưởng để phân giải các sự kiện hạt nhân về thời gian.
Sơ đồ chức năng của tiền khuếch đại cho đầu dò hàng rào mặt Si 2003BT được trình bày trên
hình 1.13.
R
f
C
f
10 M
100 M
93 M
BNC
BNC
Lối ra
năng lượng
Lối ra
thời gian
Lối vào
đầu dò
Lối vào
HV
SHV
Mạch tích
phân
Mạch đệm
R
f
C
f
10 M
100 M

93 M
BNC
BNC
Lối ra
năng lượng
Lối ra
thời gian
Lối vào
đầu dò
Lối vào
HV
SHV
Mạch tích
phân
Mạch đệm

Hình 1.13. Sơ đồ chức năng của tiền khuếch đại cho đầu dò hàng rào mặt Si 2003BT.
Tiền khuếch đại nhạy điện tích 2003BT có những đặc trưng kỹ thuật cơ bản sau:
- Lối vào đầu dò: tiếp nhận xung điện tích từ đầu dò bán dẫn loại SSB.
Hình 1.12. Sơ đồ và tín hiệu lối ra của tiền khuếch đại với mạch liên kết phản hồi quang.

10 M
100 M
93 M

- Lối vào cao thế: cho phép thế thiên áp đầu dò lên tới 2000V; trở thiên áp nối tiếp đầu dò là
110 M.
- Lối vào kiểm tra: điện tích được nối với tiền khuếch đại tại 1 pC/V; có sẵn tại đầu cáp của
tiền khuếch đại.
- Lối ra năng lượng: bị đảo với hằng số thời gian xung đuôi 250 s và biên độ lên tới 10 V;

Z
out
=93 .
- Lối ra thời gian: (chỉ với đầu dò thiên áp dương) không đảo, xung bị vi phân nhanh.
- Đặc tính:
+ Độ phi tuyến tích phân: < 0,04% cho 10 V lối ra.
+ Độ trôi hệ số khuếch đại: < 0,005%/
0
C ( 50 ppm/
0
C).
+ Cách điện thiên áp đầu dò: 2000 V DC.
+ Độ nhạy điện tích: 0,45 V/pC .
+ Độ nhạy năng lượng: 20 mV/MeV (Si).
1.3.1.3.2. Tiền khuếch đại cho đầu dò bán dẫn 2004
[2]

Bộ tiền khuếch đại lối vào FET nhạy điện tích 2004 được thiết kế để sử dụng với cả hai loại đầu
dò bán dẫn dung kháng thấp và cao. Tiền khuếch đại biến đổi các phần tử mang điện thành xung thế
hàm bước, biên độ của xung thế này tỷ lệ với điện tích tổng cộng được tích lũy trong mỗi sự kiện. Lối ra
cung cấp tín hiệu phân cực dương khi sử dụng với đầu dò thiên áp dương và phần tín hiệu suy giảm với
hằng số thời gian 50 s.
Hình 1.14 trình bày sơ đồ chức năng của tiền khuếch đại 2004.
10 M
100 M
Lối ra
năng lượng
Khuếch đại
Lối vào
đầu dò

Lối vào
HV
Mạch tích
phân
P/Z
Lối vào
thử
đệm
Chỉnh P/Z
Triệt P/Z
10 M
100 M
Lối ra
năng lượng
Khuếch đại
Lối vào
đầu dò
Lối vào
HV
Mạch tích
phân
P/Z
Lối vào
thử
đệm
Chỉnh P/Z
Triệt P/Z

Hình 1.14. Sơ đồ chức năng của tiền khuếch đại 2004.
Những đặc trưng cơ bản của tiền khuếch đại nhạy điện tích 2004:

- Lối vào đầu dò: tiếp nhận xung điện tích từ đầu dò bán dẫn.
100 M
10 M

- Lối vào kiểm tra: điện tích được nối với tiền khuếch đại tại 2,2 pC/V;
Z
in
= 93 .
- Lối vào cao thế: cho phép thiên áp đầu dò lên tới 2000 V; trở thiên áp nối tiếp đầu dò là
110 M.
- Lối ra năng lượng: xung đuôi bị đảo, hằng số thời gian giảm 50 s.
- Đặc tính:
+ Độ phi tuyến tích phân: < 0,02% cho 10 V lối ra.
+ Độ trôi hệ số khuếch đại: < 0,01%/
0
C (100 ppm/
0
C).
+ Cách điện thiên áp đầu dò: 5000 V DC.
+ Độ nhạy điện tích: 0,2 V/pC hay 1,0 V/pC.
+ Độ nhạy năng lượng (Si): 9 mV/MeV hay 45 mV/MeV.
1.3.2. Những khối khuếch đại (Amplifier)
1.3.2.1. Chức năng cơ bản của khối khuếch đại
Khối khuếch đại có hai chức năng cơ bản sau:
- Khuếch đại tín hiệu từ khối tiền khuếch đại.
- Hình thành xung để có dạng thuận tiện cho việc xử lý tín hiệu của các khối điện tử tiếp theo.
Đối với các khối khuếch đại phổ kế, một trong các hệ số quan trọng nhất là đặc trưng hình thành
xung. Xung tới từ khối tiền khuếch đại có thể có đặc trưng bằng đuôi dài dạng hàm mũ kéo dài từ vài s
đến hàng trăm s. Biên độ xung thì tỷ lệ với năng lượng. Nếu xung thứ hai tới trong khoảng thời gian
thì nó sẽ chồng lên đuôi của xung thứ nhất và biên độ của nó sẽ tăng lên. Do đó, thông tin năng lượng

chứa trong xung thứ hai sẽ bị méo đi. Điều này được gọi là sự chồng chập xung. Để tránh hiệu ứng này,
ta phải hạn chế tần số đếm bé hơn 1/ số đếm trên giây hoặc hình thành xung. Tuy nhiên, phương pháp
hình thành xung là sự lựa chọn tối ưu vì tỷ số tín hiệu trên tạp âm tăng.
[2]

Đối với khối khuếch đại nhanh, hệ số quan trọng nhất là giữ thời gian tăng nhanh của tín hiệu
nghĩa là đảm bảo một dải rộng. Do đó, các khối khuếch đại nhanh nói chung hình thành rất ít hoặc
thậm chí không hình thành xung. Bên cạnh đó, khối khuếch đại nhanh còn bị hạn chế hệ số khuếch đại
(nhỏ hơn 100 lần). Để hệ số khuếch đại có thể tăng lên cao hơn, ta có thể nối nhiều tầng nhưng không
yêu cầu hệ số khuếch đại ngoài 1000 lần.
[2]

Trong những ứng dụng mà ở đó cả thông tin thời gian và thông tin biên độ được yêu cầu thì tồn
tại sự mâu thuẫn giữa dạng thời gian và dạng tín hiệu trên tạp âm tốt nhất. Trong nhhững trường hợp
như thế thì cần có sự thỏa hiệp.
[2]

1.3.2.2. Những mạch hình thành xung trong khối khuếch đại

1.3.2.2.1. Hình thành xung bằng đường làm chậm
[2]

Các khối khuếch đại sử dụng hình thành xung bằng đường làm chậm rất thích hợp cho những
yêu cầu của đầu dò nhấp nháy (vì tỷ số tín hiệu trên tạp âm của tập hợp khuếch đại, tiền khuếch đại là
nghèo và hạn chế về khả năng phân giải năng lượng). Các đường làm chậm kết hợp với các mạch điện
tử để tạo nên xung ra vuông từ mỗi xung vào hàm bước. Đối với các đầu dò không có các hệ số khuếch
đại nội, hình thành xung bằng đường làm chậm là không thích hợp vì tỷ số tín hiệu trên tạp âm của tiền
khuếch đại với hình thành xung bằng đường làm chậm kém hơn so với hình thành xung chuẩn Gauss.
Các mạch hình thành xung bằng đường làm chậm được trình bày trên hình 1.15.
2R

D
R
D
T
T
R
D

- 1
1
2R
D
R
D
T
T
R
D

- 1
1
a)
2R
D
R
D
T
R
D

- 1
1
b)
2T
2R
D
R
D
T
T
R
D

- 1
1
2R
D
R
D
T
T
R
D

- 1
1
a)
2R
D
R

D
T
R
D

- 1
1
b)
2T

Hình 1.15. a) Hình thành xung bằng đường làm chậm đơn.
b) Hình thành xung bằng đường làm chậm kép.
Xung bước từ tiền khuếch đại bị đảo, được làm chậm và cộng với xung bước gốc. Kết quả là
tạo ra một xung ra vuông góc với độ rộng bằng thời gian làm chậm của đường làm chậm. Nếu nối tiếp
một bộ hình thành xung đơn thứ hai ta sẽ có mạch hình thành xung làm chậm vi phân kép (hình 1.15b).
Kết quả là xung ra có hai phân cực dương - âm với biên độ và độ rộng bằng nhau.






1.3.2.2.2. Hình thành xung chuẩn Gauss
[2]

Lối vào từ
tiền khuếch đại
Bộ hồi phục
đường cơ bản
Mạch vi phân và

khử cực zero
Mạch tích phân RC
Mạch tích phân tích cực
Mạch tích phân
2
3 4
A
1
A
2
A-1
A-1
1
R
2
R
R
1
C
C
Lối vào từ
tiền khuếch đại
Bộ hồi phục
đường cơ bản
Mạch vi phân và
khử cực zero
Mạch tích phân RC
Mạch tích phân tích cực
Mạch tích phân
2

3 4
A
1
A
2
A-1
A-1
1
R
2
R
R
1
C
C

Hình 1.16. Hình thành xung trong khối khuếch đại chuẩn Gauss.
Bằng cách thay mạch tích phân RC đơn giản bằng một mạch tích phân tích cực thì tỷ số tín
hiệu trên tạp âm của khối khuếch đại hình thành xung có thể tốt lên từ 17% đến 19%. Điều này là quan
trọng đối với đầu dò bán dẫn vì sự phân giải năng lượng và hằng số thời gian hình thành ngắn của nó bị
hạn chế bằng tỷ số tín hiệu trên tạp âm. Kết quả là xung ra của mạch hình thành xung này có dạng của
một đường cong Gauss. Ưu điểm của hình thành xung chuẩn Gauss là giảm độ rộng xung ra tại 0,1%
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. Điều này dẫn đến đặc trưng hồi phục đường không tốt, làm giảm thời gian chết
của bộ khuếch đại.
Dạng xung ra của bộ hình thành xung chuẩn Gauss được chỉ ra trên hình 1.17.
2 s
2 V
Lối ra đơn cực
2V/cm, 2 s/cm

Hình 1.17. Dạng xung ra của hình thành xung chuẩn Gauss với hằng số thời gian 2 s.

1.3.3. Khối biến đổi tương tự thành số (Analog to Digital Converter -
ADC
)
1.3.3.1. Nguyên tắc hoạt động
ADC đo biên độ cực đại của một xung tương tự và biến đổi giá trị đó thành mã số. Mã số tỷ lệ
với biên độ tương tự tại lối vào ADC. Đối với các xung tới liên tiếp, mã số từ ADC được dẫn đến bộ nhớ
dành riêng hoặc máy tính và được phân loại bằng biểu đồ.
Tín hiệu lối ra từ khối khuếch đại phổ được đưa đến lối vào của ADC, nếu tín hiệu nằm trong
ngưỡng của ADC thì ADC sẽ biến đổi. Sau khi biến đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số thì ADC sẽ
gửi tín hiệu Data Ready đến card thu nhận dữ liệu (MCA hay Interface) báo cho card thu nhận dữ liệu
biết sẵn sàng đọc dữ liệu. Sau khi nhận được tín hiệu Data Ready, card thu nhận dữ liệu sẽ gửi tín hiệu
Data Accept đến ADC để cho phép bắt đầu quá trình biến đổi mới và dữ liệu của phép biến đổi mới này
sẽ thay thế dữ liệu của phép biến đổi trước đó.
[4]

Trong quá trình biến đổi của ADC, dữ liệu lối vào có thể là Valid (các dữ liệu vào của ADC
được card thu nhận dữ liệu đọc và ghi) hoặc Invalid (các dữ liệu lối vào của ADC được card thu nhận dữ
liệu đọc mà không ghi).
[4]

ADC
INTERFACE
Data Ready
Enable Data
Dead Time
Data Accept
ADC

INTERFACE
Data Ready
Enable Data
Dead Time
Data Accept

Hình 1.18. Nguyên tắc hoạt động và cách ghép nối của ADC với Interface.
1.3.3.2. Một số khối biến đổi tương tự thành số
1.3.3.2.1. ADC Wilkinson
[2]


Hoạt động của ADC Wilkinson được minh họa như hình 1.19. Bộ phân biệt mức thấp được
dùng để ghi nhận xung từ khối khuếch đại. Ngưỡng của bộ phân biệt mức thấp thường được đặt trên
mức tạp âm để ngăn ngừa ADC không mất thời gian phân tích tạp âm.













Khi xung
vào ADC cao hơn

ngưỡng phân biệt mức thấp, cổng tuyến tính vào mở và tụ nạp được nối với lối vào. Do đó, tụ được nạp
tới biên độ của xung vào (hình 1.20a).
Thế
Thời gian
(a) Xung lối ra bộ
khuếchđại
Bộ phân biệt mức thấp
(b) Lối ra bộ phân biệt
mức thấp
(c) Tín hiệu tụ
giảm dần
(d) Đồng hồ địa chỉ
(e) Chu trình nhớ
(f) Cổng tuyến tính
bị đóng
(g) Cổng thời gian chết
Thế
Thời gian
(a) Xung lối ra bộ
khuếchđại
Bộ phân biệt mức thấp
(b) Lối ra bộ phân biệt
mức thấp
(c) Tín hiệu tụ
giảm dần
(d) Đồng hồ địa chỉ
(e) Chu trình nhớ
(f) Cổng tuyến tính
bị đóng
(g) Cổng thời gian chết

Hình 1.19. Tín hiệu thời gian của ADC Wilkinson trong khoảng thời gian xử lý xung.

Đồng hồ
địa chỉ
Cổng
tuyến tính
Bộ đếm
địa chỉ
cổng tuyến tính
(a) Tụ nạp điện
Đồng hồ
địa chỉ
Cổng
tuyến tính
Bộ đếm
địa chỉ
I
(b) Tụ phóng điện
Đồng hồ
địa chỉ
Cổng
tuyến tính
Bộ đếm
địa chỉ
(c) Chu trình nhớ
Đồng hồ
địa chỉ
Cổng
tuyến tính
Bộ đếm

địa chỉ
cổng tuyến tính
(a) Tụ nạp điện
Đồng hồ
địa chỉ
Cổng
tuyến tính
Bộ đếm
địa chỉ
I
(b) Tụ phóng điện
Đồng hồ
địa chỉ
Cổng
tuyến tính
Bộ đếm
địa chỉ
(c) Chu trình nhớ

Hình 1.20. Hoạt động của ADC Wilkinson trong khoảng thời gian ba trạng thái xung.
Khi biên độ xung vào đạt tới cực đại và bắt đầu giảm (hình 1.20 b) thì cổng
tuyến tính bị đóng và tụ bị ngắt khỏi lối vào. Khi đó, thế trên tụ bằng biên độ cực đại của xung vào.
Theo 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 tụ. Cùng lúc đó, đồng hồ địa chỉ được nối với bộ đếm địa chỉ và xung đồng hồ đếm
trong khoảng thời gian phóng điện của tụ. Khi thế trên tụ về zerô thì việc đếm xung của đồng hồ cũng
dừng lại. Vì thời gian cho phóng điện tuyến tính của tụ tỷ lệ với biên độ xung gốc cho nên số đếm N
c

ghi được trong bộ đếm địa chỉ cũng tỷ lệ với biên độ xung.
Trong khoảng thời gian của chu trình nhớ, địa chỉ Nc 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.
Đối với ADC Wilkinson, thời gian đo của MCA đóng góp vào thời gian chết theo biểu thức
(1.1).

c
M MC
c
N
T T
f

(1.1)
Thời gian chết của MCA phụ thuộc vào tần số đồng hồ f
c
, số kênh N
c
và thời gian chu trình nhớ
T
MC
. Tần số đồng hồ trong dải từ 50 đến 400 Hz là điển hình và thời gian chu trình nhớ từ 0,5 đến 2 s
là thông dụng. Thời gian biến đổi cực đại đối với một ADC Wilkinson 8192 kênh kéo dài từ 20 đến 165
s. 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.
1.3.3.2.2. ADC loại song song
[2]

Nguyên tắc làm việc của ADC loại song song được chỉ ra trên hình 1.21. ADC loại song song
được cấu trúc bằng chồng một dãy các bộ so sánh sao cho mỗi ngưỡng của bộ so sánh là tăng không đổi
một thế V trên một ngưỡng cho trước. ADC loại song song về nguyên tắc là một chồng các máy phân
tích biên độ đơn kênh với độ rộng cửa sổ và ngưỡng được chia ra như nhau. Khi tín hiệu lối vào tương
tự tại biên độ cực đại thì lối ra các bộ so sánh được chọn vào bộ mã lối ra số. Hình 1.21 là ADC song
song N = 4 kênh. Để có N kênh cần N + 1 bộ so sánh. Ưu điểm của ADC song song là thời gian biến
đổi ngắn trong dải nano giây. Nhược điểm là độ phi tuyến vi phân lớn.
V
4
3
2
1
0
+
_
V
R
R
R
R
Lối vào
tương tự
Strobe
Bộ so sánh
Lối ra
nhị phân
2 bit
Mã hóa
lối ra số
Strobe

+
_
+
_
+
_
+
_


Hình 1.21. Nguyên tắc hoạt động của ADC loại song song.
1.3.4. Khối phân tích biên độ nhiều kênh (Multi Channel Analyzer -
MCA
)
1.3.4.1. Cấu tạo
Khối phân tích biên độ nhiều kênh bao gồm ADC, một bộ nhớ biểu đồ, bộ chỉ thị biểu đồ được
ghi trong bộ nhớ.
[2]

ADC
Bộ nhớ dữ liệu
Bộ vi xử lý
Bộ nhớ
chương trình
Các MCB khác
PC
Máy tính cá
nhân
Tín hiệu
trực tiếp

hay đa hợp
ADC
Bộ nhớ dữ liệu
Bộ vi xử lý
Bộ nhớ
chương trình
Các MCB khác
PC
Máy tính cá
nhân
Tín hiệu
trực tiếp
hay đa hợp

Hình 1.22. Sơ đồ khối chức năng của hệ thống phân tích đa kênh.
1.3.4.2. Chức năng của MCA
MCA có hai chức năng chủ yếu:
- Thứ nhất là thu nhận và lưu trữ số liệu được thực hiện bởi phần cứng MCB (bộ đệm đa
kênh - sự kết hợp giữa ADC và bộ nhớ biểu đồ).
- Thứ hai là điều khiển và chỉ thị được thực hiện bằng phần mềm chạy trên máy tính cá nhân
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 hoặc theo đơn vị thời
gian).
- 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 đã trừ phông).
- Chuẩn hóa phổ (tăng hoặc giảm phông bằng một hằng số).
- Sửa phổ (trừ phông hoặc trừ phổ phụ).
- 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).

1.3.5. Card thu nhận dữ liệu - Interface
1.3.5.1. Sơ đồ nguyên lý của card thu nhận dữ liệu - Interface
















Hình 1.23. Sơ đồ nguyên lý của card thu nhận dữ liệu Interface.
1.3.5.2. Nguyên tắc hoạt động của card thu nhận dữ liệu - Interface
[1]

Card thu nhận dữ liệu - Interface hoạt động theo hai nguyên tắc sau:
* Theo nguyên tắc trùng phùng
Khi có tín hiệu trùng phùng, card thu nhận sẽ phát tín hiệu điều khiển để cho phép các ADC
thu nhận tín hiệu ở lối vào và bắt đầu biến đổi. Khi đó, một trong ba khả năng sau sẽ xảy ra:
- Một hoặc cả hai tín hiệu lối vào không vượt ngưỡng của ADC, khi đó một hoặc cả hai ADC
sẽ không có tín hiệu Data Ready gửi đến Interface nên nó sẽ không phản ứng.

- Một hoặc cả hai tín hiệu lối vào vượt ngưỡng của ADC, khi đó một hoặc cả hai ADC có tín
hiệu Data Ready gửi đến Interface. Trong trường hợp này, Interface chỉ đọc mà không ghi dữ liệu. Tín
hiệu cho phép hai ADC reset lại để thực hiện các phép biến đổi tiếp theo.
- Khi cả hai tín hiệu nằm trong dải phân tích [LLD, ULD] của các ADC , cả hai ADC gửi tín
hiệu Data Ready tới Interface. Tín hiệu này cách nhau một khoảng thời gian không quá 1 s thì
Interface sẽ gửi tín hiệu Enable Data để đọc và ghi dữ liệu của xung lối vào từ ADC. Sau khi ghi xong

Interface sẽ gửi tín hiệu Data Accept tới ADC và cho phép ADC reset lại để thực hiện phép biến đổi tiếp
theo.
Các ADC hoạt động ở chế độ non - overlap. Trong trường hợp thứ ba, số liệu lối ra của ADC
sẽ được ghi dưới dạng event - event; còn các trường hợp còn lại thì số liệu sẽ không được ghi nhận. Số
liệu trùng phùng thu được sẽ gồm ba cột.
- Cột I : ghi code năng lượng của tia gamma đến đầu dò thứ nhất.
- Cột II : ghi code năng lượng của tia gamma đến đầu dò thứ hai.
- Cột III : ghi giá trị tương ứng với độ chênh lệch thời gian xuất hiện của hai sự kiện ở hai đầu
dò.
* Theo chế độ MCA
Trong chế độ MCA, khi ADC nào có tín hiệu Data Ready và tín hiệu được biến đổi nằm trong
dải phân tích thì card thu nhận dữ liệu sẽ đọc số liệu từ ADC đó, nội dung của kênh tương ứng trong bộ
nhớ sẽ tăng lên 1. Khi kết thúc thời gian đo, số liệu thu được sẽ lưu dưới dạng tập tin có phần mở rộng
*.spe để xử lý.




1.4. Hệ phổ kế năng lượng
Trong lĩnh vực nghiên cứu hạt nhân và ứng dụng kỹ thuật hạt nhân vào các lĩnh vực khác nhau
trong sản xuất cũng như đời sống thì việc xác định các đồng vị phóng xạ, năng lượng, cường độ các
lượng tử phát ra từ các nguồn phóng xạ là rất quan trọng. Do đó cần phải có hệ thống điện tử hạt nhân
để xác định phổ năng lượng của các nguồn phóng xạ và đồng vị phóng xạ. Hệ thống đó được gọi là hệ

thống phổ kế năng lượng. Tùy thuộc vào mục đích nghiên cứu và điều kiện thiết bị mà người ta có thể
thiết lập hệ thống phổ kế năng lượng có cấu hình khác nhau. Dưới đây là một số hệ phổ kế năng lượng
đã được xây dựng và sử dụng để ghi nhận phổ năng lượng của các nguồn phóng xạ với các cấu hình
khác nhau.
1.4.1. Hệ phổ kế năng lượng sử dụng một đầu dò bán dẫn
Để ghi nhận các bức xạ phát ra từ các nguồn đồng vị phóng xạ, chúng ta có thể dùng các hệ phổ
kế đơn giản sử dụng một đầu dò bán dẫn như được trình bày trên hình 1.24 và hình 1.25.

Ge or Si(Li)
PC
Source
Bias
Supply
Preamp
Amplifer MCB
Unipolar
Busy
Pur
Ge or Si(Li)
PC
Source
Bias
Supply
Preamp
Amplifer MCB
Unipolar
Busy
Pur

Unipolar: đơn cực. Busy: bận.

Preamp: khối tiền khuếch đại. Amplifier: khối khuếch đại phổ.
Bias supply: nguồn cao thế. MCB: bộ đệm đa kênh.
PC: máy tính cá nhân.
Hình 1.24. Phổ kế năng lượng với đầu dò Ge cho bức xạ gamma hoặc đầu dò Si (Li) cho tia X.
[2]

HPGe
Detector
High
Voltage
MCA
PC
Source
ADC
Amp
HPGe
Detector
High
Voltage
MCA
PC
Source
ADC
Amp

HPGe Detector: Đầu dò bán dẫn tinh khiết Ge .
High Voltage: Cao thế.
Amp: Khối khuếch đại (Amplifier).
ADC: Khối biến đổi tương tự thành số (Analog to Digital Converter).
MCA: Khối phân tích đa kênh (Multi Channel Analyzer)

PC: Máy tính cá nhân (Person Computer).
Hình 1.25. Phổ kế năng lượng sử dụng đầu dò bán dẫn HPGe.
Khi đặt nguồn phóng xạ trước đầu dò bán dẫn thì trên lối ra của tiền khuếch đại sẽ xuất hiện các
tín hiệu. Các tín hiệu này sẽ được xử lý bởi các khối điện tử tiếp theo sau như khối khuếch đại, khối
biến đổi tương tự thành số và khối phân tích đa kênh. Tín hiệu sau khi đã được các khối điện tử xử lý sẽ
được lưu trữ trên máy tính và cho ra phổ nhờ các phần mềm chuyên dụng.
1.4.2. Hệ phổ kế năng lượng sử dụng hai đầu dò bán dẫn
Để ghi nhận phổ năng lượng của các lượng tử gamma phát ra gần như đồng thời (trùng phùng)
từ các nguồn phóng xạ, các nhà khoa học đã xây dựng nên hệ thống phổ kế gamma - gamma như hình
1.26. Ưu điểm của hệ thống phổ kế này là phổ năng lượng thu được sẽ có nền Compton thấp hơn các
phổ năng lượng do hai hệ phổ kế trên thu được. Kết quả là tỷ số đỉnh trên Compton sẽ cao hơn, các đỉnh
phổ hiện rõ trên nền Compton được hạ thấp. Nguyên nhân chính là hệ phổ kế này sử dụng khối trùng
phùng có tác dụng chỉ cho ghi nhận các sự kiện hạt nhân xảy ra trong hai đầu dò trong khoảng thời gian