báo cáo xây dựng hệ phân tích đa kênh sử dụng detector naitl 3inchx3inch và phần mềm labview 2013

TRƯỜNG ĐH KHOA HỌC TỰ NHIÊN TP. HCM
KHOA VẬT LÝ – VẬT LÝ KỸ THUẬT
BỘ MÔN VẬT LÝ HẠT NHÂN
BÁO CÁO KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
XÂY DỰNG HỆ PHÂN TÍCH ĐA KÊNH
SỬ DỤNG DETECTOR NaI(Tl) 3 inch × 3 inch
VÀ PHẦN MỀM LabVIEW 2013
SVTH : Nông Tiến Toản
CBHD: ThS. Nguyễn Quốc Hùng
CBPB : ThS. Huỳnh Thanh Nhẫn
Thành phố Hồ Chí Minh - 2014
Đề tài:
Nội dung
Khảo sát hệ đo và kết quả thực nghiệm
Giới thiệu
Kết luận và kiến nghị
2
Hệ phân tích đa kênh sử dụng detector NaI(Tl)
và phần mềm LabVIEW 2013
1. Giới thiệu
3
Nguồn phóng xạ
.
MCA
Detector
Hạt nhân
Tiền
khuếch
đại
Nguồn
cao thế

Máy
tính
Khuếch
đại
 Hệ phổ kế đo bức xạ hạt nhân
Hình 1.1. Sơ đồ khối hệ phổ kế đo bức xạ hạt nhân
ADC
Máy tính
Bộ nhớ
…
Tín hiệu
tương tự
đến từ bộ
khuếch
đại
Kênh 5
Kênh 1
Kênh 2
Kênh 3
Kênh 4
 Hệ phân tích đa kênh MCA
Hình 1.2. Các thành phần chính của hệ MCA
4
 Tận dụng khả năng số hóa
xung tín hiệu của Oscilloscope
kết hợp với phần mềm
LabVIEW 2013
Tín hiệu vào
(analog)
ADC

Hiển thị
Tín
hiệu ra
digital
Hình 1.3. Sơ đồ khối Osciloscope dạng số
Hình 1.4. Osciloscope GDS-1152A
XÂY DỰNG MỘT HỆ MCA
2. Hệ phân tích đa kênh sử dụng detector NaI(Tl) 3inch × 3inch,
Oscilloscope GDS-1152A và phần mềm LabVIEW 2013
5
Detector
NaI(Tl)
Tiền khuếch
đại
Oscilloscope
(ADC 8bit 1Gsa/s)
Khuếch
đại
Phần mềm máy
tính (lập trình
trên LabVIEW)
Phổ biên độ xung
Hệ MCA
USB
Hình 2.1. Sơ đồ khối hệ phân tích đa kênh
 Hệ MCA được xây dựng dựa trên hai thành phần chính là Oscilloscope
GWINSTEK GDS-1152A và phần mềm LabVIEW 2013
Quá trình xử lý xung tín hiệu số trên LabVIEW
6
Hình 2.2. Mã nguồn chương trình LabVIEW thu nhận và xử lý tín hiệu

Oscilloscope số hóa
xung tín hiệu
Thu thập xung
tín hiệu
Xác định biên độ
xung tín hiệu
Biểu diễn xung tín
hiệu và phổ biên
độ xung
Lưu trữ số liệu
Xử lý xung tín hiệu số (DPP)
Xác định biên độ xung
7
Xung tín hiệu
(đã số hóa)
Làm khớp dạng
đa thức bậc hai
Biên độ xung
tín hiệu
Tính đạo hàm bậc nhất
và giá trị lớn nhất
Thiết lập ngưỡng và lựa
chọn số điểm thực nghiệm
cho việc làm khớp
Hình 2.3. Nguyên lý của hàm PEAK DETECTOR.VI
8
Ghi nhận và biểu diễn phổ biên độ xung
Hình 2.4. Phổ theo biên độ xung được biểu diễn trên LabVIEW
Biên độ xung
Hàm

Creat Histogram.VI
Phổ theo
biên độ xung
Kênh
9
Giao diện chương trình LabVIEW
Hình 2.5. Giao diện chương trình
1 COM PORT 6 Reset
2 CHANNEL 7 Thời gian đã đo
3 TIME TO STOP 8 LED lưu dữ liệu
4 THRESHOLD 9 Phổ biên độ xung
5 WIDTH 10 Xung tín hiệu
Phổ biên độ xung
Xung tín hiệu
Điều khiển
10
Lưu dữ liệu
Kênh Số đếm
Thời gian (ns)
Biên độ (V)
Dạng dữ liệu từ đồ thị xung tín hiệu
Dạng dữ liệu từ phổ biên độ xung
Biên
độ (V)
Thời gian (bin)
Hình 2.6. Dữ liệu được lưu trữ trên LabVIEW
Kênh
11
 Khảo sát hoạt động của hệ MCA với máy phát xung:
 Khảo sát thời gian đáp ứng

 Kiểm tra độ tuyến tính của hệ MCA theo biên độ xung
 Thực nghiệm đo phổ Gamma với detector NaI(Tl) 3 inch × 3 inch:
 Xác định đường chuẩn năng lượng
 Độ phân giải năng lượng
3. Khảo sát hệ đo và kết quả thực nghiệm
Số liệu thu được sẽ được xử lý bằng phần mềm Origin để vẽ đồ thị, xác định đường chuẩn,
và biểu diễn phổ năng lượng.
12
3.1 Khảo sát với máy phát xung
Tín
hiệu
ra
chuẩn
NIM
Chip
FPGA
Bộ cấp
nguồn
Máy phát xung tín
hiệu
Khuếch đại
(Amplifier)
Oscilloscope
GDS-1152A
Máy tính
(Phần mềm
LabVIEW)
Hệ MCA
Hình 3.1. Cấu tạo máy phát xung
Hình 3.2. Sơ đồ bố trí nghiệm với máy phát xung

Kết quả cho thấy hệ
chỉ đáp ứng được tần
số khoảng 1,2Hz tương
ứng với tốc độ ghi
nhận khoảng 0,8 s/sự
kiện
13
Khảo sát thời gian đáp ứng
Mục đích: Khảo sát tốc độ ghi nhận của hệ MCA.
Phương pháp: Sử dụng máy phát xung tín hiệu có tần số từ 0,18Hz đến 6Hz với
biên độ cố định.
Hình 3.3. Đồ thị khảo sát tốc độ ghi nhận
14
Kiểm tra độ tuyến tính của hệ MCA theo biên độ xung
Mục đích: Khảo sát sự thay đổi của số kênh theo biên độ xung.
Phương pháp: Sử dụng máy phát xung với biên độ thay đổi và tần số cố định.
Hình 3.4. Phổ theo biên độ xung
Hình 3.5. Sự phụ thuộc của vị trí kênh vào biên độ xung
 y= (100,42±0,40)x-(16,65±2,70)
 R
2
= 0,9993
Vị trí kênh thay đổi tuyến tính theo
biên độ.
 Đánh giá hoạt động của hệ MCA trong các phép đo thực nghiệm với detector
NaI(Tl) 3 inch × 3 inch
 Các nguồn phóng xạ Ba-133(0,96μCi), Co-60(1μCi), Cs-137 (10μCi) được sử
dụng làm nguồn chuẩn.
 Dựa trên phổ năng lượng thu được xây dựng đường chuẩn năng lượng của hệ
đo và đánh giá độ phân giải năng lượng.

 So sánh độ phân giải của hệ MCA với hệ Inspector 1000 của Phòng Thí nghiệm
Kỹ thuật Hạt nhân.
15
3.2.Thực nghiệm đo phổ gamma sử dụng hệ MCA
và detector NaI(Tl) 3 inch × 3 inch
16
Tiền
khuếch
đại
Khuếch đại
Oscilloscope
GDS-1152A
Hệ MCA
LabVIEW
Detector
NaI(Tl) 3x3
Nguồn nuôi
cao thế
Nguồn
phóng
xạ
USB
(COM)
Hình 3.6. Sơ đồ bố trí thí nghiệm với Detector NaI(Tl)
Bố trí thí nghiệm
17
Hình 3.7. Phổ năng lượng Ba-133
Hình 3.8. Phổ năng lượng Cs-137
Hình 3.9. Phổ năng lượng Co-60
Bảng 3.1. Vị trí kênh và năng lượng của các

nguồn phóng xạ Ba-133, Cs-137, Co-60
Nguồn phóng
xạ
Năng lượng
(keV)
Vị trí kênh
Ba-133 356 103
Cs-137 662 189
Co-60
1173 325
1332 372
18
E(keV) = (3,64 ± 0,02)  Ch − (21,80 ± 5,86) (R
2
= 0,9996)
22
E a b
( Ch )     
Hình 3.10. Đường chuẩn năng lượng của hệ đo
Đường chuẩn năng lượng
Nguồn phóng xạ Năng lượng (keV) Vị trí kênh
FHMW
(Kênh)
R(%) R
2
Ba-133 356 103 6,59 6,38
0,93
Cs-137 662 189 11,90 5,28
0,98
Co-60

1173 325 14,08 4,28
0,87
1332 372 24,80 6,55
0,86
19
Nguồn phóng xạ Năng lượng (keV)
Độ phân giải
Hệ số
R1/R2
Hệ MCA (R1)
(%)
Hệ phổ kế
Inspector 1000 (R2)
(%)
Ba-133 356 6,38 8,70 0,73
Cs-137 662 5,28 6,30 0,83
Co-60
1173 4,28 4,58 0,93
1332 6,55 4,60 1,42
Bảng 3.2. Các cặp vị trí kênh - năng lượng và độ phân giải các đỉnh phổ năng lượng của
các nguồn phóng xạ Cs-137, Cs-60, Ba-133.
Bảng 3.3. So sánh độ phân giải của hệ MCA (Osciloscope GDS-1152A) và hệ phổ kế Inspector
1000 của Phòng thí nghiệm Kỹ thuật Hạt nhân.
Đánh giá độ phân giải năng lượng
Kết luận
 Xây dựng hệ MCA sử dụng Oscilloscope GDS-1152A và phần mềm LabVIEW
 Kết quả khảo sát với máy phát xung
 Tốc độ ghi nhân 1,2 sự kiện/giây
 Hệ đo hoạt động ổn định, vị trí kênh thay đổi tuyến tính theo biên độ xung.
 Kết quả thực nghiệm sử dụng detector NaI(Tl) 3inch x 3inch

 E(keV) = (3,64 ± 0,02)  Ch− (21,80 ± 5,86)  (R
2
= 0,9996)
 Độ phân giải năng lượng từ 4,28% ÷ 6,55% đối với các nguồn Ba-133, Cs-137,
Co-60
20
Kiến nghị
• Do tốc độ đáp ứng thấp khoảng 1,2 Hz nên thời gian đo kéo
dài  Cải thiện tốc độ đáp ứng của hệ đo bằng cách giảm số
lượng bit truyền lên, thiết lập thay thế chuẩn cổng COM bằng
cổng USB để đạt tốc độ cao hơn.
• Có thể xây dựng hệ MCA để đo bức xạ hiếm hoặc phổ kế thời
gian…
21
Tài liệu tham khảo
• Tiếng Việt
[1] Trần Phong Dũng, Châu Văn Tạo, Nguyễn Hải Dương (2003), Phương pháp ghi bức
xạ ion hóa, Nhà xuất bản Đại học Quốc Gia TP.HCM, trang 75-81, 147-153.
[2] Nguyễn Quốc Hùng (2011), Luận văn thạc sĩ Xây dựng chương trình nhúng VHDL tính
các thông số đặc trưng ch o hệ MCA (Flash-ADC/FPGA), Đại học Cần Thơ.
[3] Cao Bá Khôi (2010), Khóa luận tốt nghiệp Xây dựng hệ phổ kế gamma HPGe, Đại học
Khoa học Tự nhiên Tp.Hồ Chí Minh.
• Tiếng Anh
[4] William R. Leo (1993), “Techniques for Nuclear and Particle Physics
Experiments”– Second Revised Edition, Springer – Verlag Press.
[5] Bùi Tuấn Khải (2012), Deve lopment of MCA (FLASH-ADC/FPGA b ased) for ga mma
spectroscopy, Khóa luận tốt nghiệp, Đại học Khoa học Tự nhiên Tp.HCM
[6] Silviu Folea (2011), Practical Application s and Solutions Using LabVIEW™ Software,
Technical University of Cluj-Napoca, Romania.
• Website

[7]
[8]
[9]
[10]
22
XIN CHÂN THÀNH CẢM ƠN QUÝ THẦY CÔ
VÀ CÁC BẠN ĐÃ CHÚ Ý LẮNG NGHE
23
Đánh giá độ phân giải năng lượng
24
Làm khớp dạng Gauss Mean, FWHM
R(%) =
FWHM
Mean
x100
Hình 3.11. Làm khớp dạng Gauss bằng Origin
25
Nguồn phóng xạ Năng lượng (keV) Vị trí kênh
FHMW
(Kênh)
R(%)
σ
2
(%)
R
2
Ba-133 356 103 6,59 6,38 0,09
0,93
Cs-137 662 189 11,90 5,28 0,06
0,98

Co-60
1173 325 14,08 4,28 0,01
0,87
1332 372 24,80 6,55 0,05
0,86
R(%) =
FWHM
Mean
x100


 












