xây dựng hệ phân tích đa kênh sử dụng detector naitl 3inch x 3inch và phần mềm labview 2013

1

LỜI MỞ ĐẦU
Phương pháp và thiết bị ghi đo bức xạ là môn học mang tính nền tảng cho các
thí nghiệm Vật lý Hạt nhân. Việc học tập môn học nếu có thêm sự hỗ trợ từ các thiết
bị để sinh viên thực tập sẽ rất sinh động và dễ dàng tiếp thu hơn.
Tận dụng các thiết bị sẵn có tại Bộ môn Vật lý Hạt nhân như oscilloscope
GWInstek GDS-1152A, detector nhấp nháy NaI(Tl) 3 inch × 3 inch cùng các module
chuẩn NIM, khóa luận này phát triển một hệ phổ kế gamma cho định hướng giảng
dạy và học tập. Đồng thời, hệ đo cũng có thể dùng cho mục đích xây dựng một bài
thực tập giúp sinh viên hiểu được cấu tạo và quá trình hình thành phổ năng lượng của
một hệ thống ghi đo bức xạ. Một giao diện máy tính trên nền phần mềm LabVIEW
2013 được xây dựng để thu nhận dữ liệu, hiển thị xung tín hiệu, đồng thời phân tích
và hình thành phổ biên độ xung. Các dữ liệu của xung tín hiệu và phổ biên độ xung
đều có thể lưu trữ ở dạng tập tin Excel (.xlsx).
Sau khi xây dựng, hệ đo được tiến hành kiểm tra tốc độ ghi nhận, độ tuyến tính
với máy phát xung. Các nguồn phóng xạ có tại Bộ môn như Ba-133, Cs-137, Co-60
cũng được dùng để đánh giá đường chuẩn năng lượng và độ phân giải của hệ đo. Với
các mục đích nêu trên, nội dung của đề tài này được phân bổ thành các phần như sau:
Chương 1: Tổng quan về tương tác bức xạ với vật chất, hệ phổ kế đo bức xạ
hạt nhân, detector nhấp nháy, hệ phân tích đa kênh MCA, máy hiện sóng
(Oscilloscope) và phần mềm LabVIEW.
Chương 2: Xây dựng hệ phân tích đa kênh sử dụng Oscilloscope GWInstek
GDS-1152A và phần mềm LabVIEW 2013, các bước tiến hành xử lý xung tín
hiệu số (DPP) và giao diện LabVIEW cho người dùng.
Chương 3: Thí nghiệm, kết quả của hệ đo với máy phát xung và các nguồn
phóng xạ.
Kết luận và kiến nghị
2

CHƯƠNG 1

HỆ THỐNG ĐO BỨC XẠ HẠT NHÂN VÀ HỆ MCA
1.1. Tương tác bức xạ với vật chất
Các bức xạ hạt nhân bao gồm các bức xạ được tạo ra từ các quá trình biến đổi
liên quan đến hạt nhân hoặc nguyên tử như sự phân rã, phản ứng hạt nhân v.v Người
ta phân chia thành hai loại bức xạ hạt nhân như sau:
 Các bức xạ mang điện: hạt nhẹ mang điện như electron, positron; hạt nặng mang
điện như hạt alpha, proton, các mảnh phân hạch hay sản phẩm của các phản ứng
hạt nhân.
 Các bức xạ không mang điện: bức xạ điện từ (bao gồm tia X và bức xạ gamma),
neutron.
Khi đi qua môi trường vật chất các hạt mang điện tương tác với các electron môi
trường bằng trường điện từ của mình gây kích thích nguyên tử hoặc ion hóa nguyên
tử. Các hạt mang điện đi qua môi trường vật chất bị mất dần năng lượng do sự va
chạm không đàn hồi và đến một lúc nào đó nó phải dừng lại, nghĩa là nó có quãng
chạy hữu hạn trong môi trường (Hình 1.1). Đối với hạt nhẹ mang điện còn mất năng
lượng do hiệu ứng phát bức xạ hãm (Hình 1.2).


Hình 1.1. Tương tác của hạt mang điện Hình 1.2. Bức xạ hãm beta

Hạt mang
điện
Electron
Hạt nhân
Bức xạ hãm
Hạt
beta
Electron
Hạt nhân
3

Hình 1.3. Hiệu ứng quang điện


Hình 1.5. Tán xạ compton

Hình 1.7. Hiệu ứng tạo cặp

Bức xạ gamma là sóng điện từ có bước sóng nhỏ hơn khoảng cách giữa các
nguyên tử, bức xạ này ngoài tính chất sóng còn được hình dung như dòng hạt nên gọi
là lượng tử gamma. Giống như các hạt mang điện, bức xạ gamma cũng bị hấp thụ bởi
Electron
Hạt nhân
𝐸
𝛾

𝐸
𝑒
= 𝐸
𝛾
− 𝐸
𝐿𝐾


Electron
Hạt nhân


K

p

K
e

Electron
Hạt nhân

Positron
Hình 1.4. Đồ thị tiết diện hấp thụ của
hiệu ứng quang điện [4]

Hình 1.6. Đồ thị tiết diện tán xạ của
hiệu ứng compton [4]

Hình 1.8. Đồ thị tiết diện của hiệu
ứng tạo cặp [4]

4

môi trường vật chất, chủ yếu do tương tác điện từ. Khi xét đến cơ chế tương tác của
nó với môi trường ta phải xét đến tính lượng tử do lượng tử gamma không mang điện
và khối lượng nghỉ bằng không. Tương tác của bức xạ gamma với môi trường vật
chất xảy ra theo ba cơ chế chính: hiệu ứng quang điện (Hình 1.3), hiệu ứng compton
(Hình 1.5), hiệu ứng tạo cặp (Hình 1.7) với các đồ thị tiết diện phản ứng tương ứng
(Hình 1.4, Hình 1.6 và Hình 1.8).
1.2. Hệ phổ kế đo bức xạ hạt nhân
Hệ phổ kế đo bức xạ hạt nhân cơ bản gồm detector hạt nhân, hệ thống khuếch
đại (tiền khuếch đại và khuếch đại), hệ phân tích đa kênh MCA (Multichannel
analyzer), máy tính dùng để ghi nhận dữ liệu. Nguồn phóng xạ phát ra bức xạ tới

detector, các bức xạ này tương tác với môi trường vật chất của detector và tạo ra tín
hiệu điện tử. Tuy nhiên tín hiệu này thường rất nhỏ nên cần được khuếch đại trước
khi gửi tới hệ phân tích đa kênh MCA bằng hệ thống khuếch đại. Hệ MCA phân tích
tín hiệu và gửi thông tin của bức xạ hạt nhân đến máy tính, ghi nhận thành dạng phổ
năng lượng của bức xạ. Tùy thuộc vào mục đích nghiên cứu mà hệ đo có thể là hệ đo
một detector hay nhiều detector. Hệ phổ kế đo bức xạ hạt nhân một detector gồm một
detector ghi nhận tín hiệu bức xạ, kết nối với một kênh của hệ MCA. Thường dùng
đo phổ của các nguồn phóng xạ (Na-22, Cs-137, Co-60, Ba-133, v.v…). Hình 1.9 là
hệ phổ kế sử dụng một detector.



Hình 1.9. Sơ đồ hệ đo bức xạ hạt nhân một detector
Nguồn phóng xạ
.
MCA

Detector
Hạt nhân
Tiền
khuếch
đại
Nguồn
cao thế
Máy
tính
Khuếch
đại
5

1.3. Detector nhấp nháy
Khi một bức xạ ion hóa đi vào khối nhấp nháy sẽ kích thích các nguyên tử hay
phân tử. Sau đó, với sự dịch chuyển về trạng thái cơ bản chúng sẽ phát ra một ánh
sáng nhấp nháy, đó là các photon ánh sáng. Qua một lớp dẫn sáng, các photon đập
vào photocathode của nhân quang điện (NQĐ) và ở lối ra của NQĐ xuất hiện một tín
hiệu điện có biên độ khá lớn. Tín hiệu điện này được đưa vào bộ tiền khuếch đại để
hòa hợp tổng trợ giữa lối ra của detector và lối vào của bộ khuếch đại [1].
Xung điện tử tạo thành sau khi đi qua các bộ khuếch đại sẽ được tăng biên độ
lên mấy bậc trước khi đưa vào bộ phận phân tích và ghi nhận [1]. Sơ đồ của một
detector nhấp nháy đối với các bộ phận cần thiết được cho trong Hình 1.10.

Hình 1.10. Sơ đồ khối của hệ dùng detector nhấp nháy
Nhân quang điện:
Nhân quang điện (NQĐ) là một phần quan trọng của detector nhấp nháy.
Nguyên lý hoạt động của NQĐ như sau: Các photon phát ra từ bản nhấp nháy đập
vào photocathode của NQĐ, các photoelectron bật ra. Dưới tác động của điện trường
các electron được tăng tốc rồi rồi đập vào dynode thứ nhất (d1). Từ dynode thứ nhất
phát ra số electron nhiều hơn số electron đập vào nó. Quá trình này xảy ra tiếp tục
trên các dynode thứ hai (d2), thứ ba (d3) cho tới dynode thứ n (dn). Cứ như vậy tới
anode sẽ thu được một dòng electron rất lớn so với dòng phát ra từ photocathode. Kết
quả là ở lối ra của NQĐ xuất hiện một tín hiệu điện có biên độ khá lớn [1]. Quá trình
diễn ra được trình bày trong Hình 1.11.
NQĐ
Detector
Nguồn
cao thế
Khuếch đại
Máy
phân tích
Tiền

khuếch đại
6


Hình 1.11. Nguyên lý hoạt động của ống nhân quang điện
Khi sử dụng NQĐ, chúng ta cần lưu ý rằng mỗi loại nhân quang điện chỉ nhạy
với một vùng của ánh sáng tới. Vì vậy, để tín hiệu hiệu xung điện lớn (nghĩa là hiệu
suất kĩ thuật cao) NQĐ phải chọn sao cho phổ nhạy của NQĐ và phổ phát sáng của
bản nhấp nháy có phần chồng chất càng nhiều càng tốt [1].
1.4. Hệ phân tích đa kênh MCA (Multichannel analyzer)
Hệ phân tích đa kênh MCA được sử dụng để đo phổ năng lượng (hay phân bố
năng lượng) của bức xạ hạt nhân. Thông thường phổ năng lượng biểu diễn theo độ
cao xung tín hiệu. Hình 1.12 là phổ theo độ cao xung của bức xạ gamma phát ra từ
nguồn Cs-137 với đỉnh năng lượng là 662keV được đo bởi detector NaI.

Hình 1.12. Phổ năng lượng biểu diễn theo độ cao xung của nguồn Cs-137
7

Các phần chính của một hệ phân tích đa kênh MCA bao gồm bộ chuyển đổi
ADC, bộ nhớ (memory) và máy tính như Hình 1.13.

Hình 1.13. Sơ đồ hệ phân tích đa kênh

Trong đó, ADC có chức năng đo biên độ của tất cả các tín hiệu tương tự đến
(tín hiệu điện thế) và chuyển chúng thành tín hiệu số. Một ADC có độ phân giải 8 bit
và có khoảng thế hoạt động 1000mV thì tương ứng 256 kênh theo điện thế hay 4mV
cho 1 kênh. Ví dụ: một tín hiệu vào có biên độ 340mV sẽ được chuyển sang tín hiệu
số có giá trị là 85, 1000mV thành 256. Độ phân giải ADC càng lớn thì khả năng phân
biệt các tín hiệu nhỏ càng chính xác.
Biên độ của xung tín hiệu sau khi được chuyển đổi thành số bởi ADC sẽ được

lưu vào bộ nhớ dưới dạng số kênh. Mỗi lần ADC kết thúc chuyển đổi tín hiệu tương
tự thành tín hiệu số, giá trị tại kênh tương ứng với biên độ xung sẽ tăng thêm một.
Sau khi kết thúc đo, bộ nhớ sẽ lưu lại tín hiệu đến dưới dạng phổ của bức xạ.
Tín hiệu dạng số (digital) sau khi được chuyển đổi từ tín hiệu điện thế bởi ADC
sẽ được truyền lên máy tính. Máy tính với một chương trình giao tiếp sẽ ghi nhận các
sự kiện và vẽ thành phổ năng lượng tương ứng với bức xạ đập vào detector.
Hiện nay, các phòng thí nghiệm xây dựng hệ thống MCA như một máy đo phổ
(máy đo phổ MCA) bao gồm detector, nguồn nuôi cao thế, tiền khuếch đại, khuếch
đại, ADC, bộ nhớ và máy tính với một chương trình giao tiếp có khả năng ghi nhận
và xử lý phổ. Kết quả của các phép đo thu được hình ảnh của phổ năng lượng biểu
diễn theo biên độ xung [2].
ADC
Máy tính
Bộ nhớ


…
Tín hiệu
tương tự
đến từ bộ
khuếch
đại





Kênh 5
Kênh 1
Kênh 2

Kênh 3
Kênh 4
8

1.5. Máy hiện sóng (Oscilloscope)
Máy hiện sóng (Oscillocsope) là thiết bị điện tử có chức năng chính là đo lường,
hiển thị tín hiệu điện thế (V) biến đổi theo thời gian. Trong hầu hết các ứng dụng,
oscilloscope chỉ ra tín hiệu thay đối thế nào theo thời gian: Trục tung (Y) biểu diễn
điện thế và trục dọc (X) biểu diễn thời gian. Cường độ hay độ sáng của sự hiển thị
đôi khi được gọi là trục Z. Osciloscope được chia làm hai loại: Oscillosope dạng
tương tự làm việc trực tiếp với điện thế đặt vào được đo để di chuyển dòng electron
ngang qua màn hình, oscilloscope dạng số lấy mẫu dạng sóng và dùng một bộ chuyển
đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số (ADC) để chuyển đổi điện thế được đo thành
thông tin số (Hình 1.14). Sau đó, thông tin số này được sử dụng để tái cấu trúc lại
dạng sóng trên màn hình.

Hình 1.14. Sơ đồ khối Osciloscope dạng số
Bộ chuyển đổi ADC trong oscilloscope dạng số là một thiết bị chuyển đổi tín
hiệu tương tự thành tín hiệu số. Nó lấy mức điện thế vào tương tự sau đó một thời
gian sẽ sinh ra mã đầu ra dạng số (dạng số nhị phân) biểu diễn tương tự đầu vào. Quá
trình chuyển đổi A/D được thực hiện qua bốn bước cơ bản: lấy mẫu, nhớ mẫu, lượng
tử hóa, mã hóa. Các bước đó luôn luôn kết hợp với nhau trong một quá trình thống
nhất.
Tùy vào mục đích sử dụng, có thể lựa chọn sử dụng oscilloscope dạng tương tự
hay dạng số. Đối với các công việc cần xem xét tín hiệu với thời gian thực thì sử dụng
oscilloscope dạng tương tự là tối ưu nhất, vì một tín hiệu vào sẽ được hiển thị ngay
trên màn hình ngay lập tức (tính chất thời gian thực). Các máy oscilloscope dạng số
cho phép ghi lại và xem các sự kiện mà chúng có thể chỉ diễn ra duy nhất một lần
Chúng có thể xử lý dữ liệu dạng xung số và gửi các dữ liệu đó tới máy tính để xử lý.
Như vậy, oscillocope dạng số có thể lưu trữ dữ liệu dạng sóng số để xử lý sau đó.

Tín hiệu vào
(analog)
ADC
Hiển thị
Tín
hiệu ra
digital

9

Dựa vào chức năng ghi nhận xung tín hiệu và bộ chuyển đổi ADC của
osciloscope dạng số, hiện nay trên thế giới người ta đã sử dụng oscilloscope để ghi
nhận và phân tích các bức xạ hạt nhân như xây dựng hệ phổ kế thời gian, đo trùng
phùng các bức xạ hiếm v.v. Khóa luận này, sử dụng một oscilloscope dạng số kết hợp
với một chương trình giao tiếp với máy tính (LabVIEW) để xây dựng một hệ MCA
ghi nhận và phân tích xung tín hiệu bức xạ từ detector.
1.6. Phần mềm LabVIEW
LabVIEW (Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench) là một
phần mềm máy tính được phát triển bởi công ty National Instruments, Hoa kỳ.
LabVIEW còn được biết đến như là một ngôn ngữ lập trình với khái niệm hoàn toàn
khác so với các ngôn ngữ lập trình truyền thống như ngôn ngữ C, Pascal, thay vì sử
dụng các mã nguồn (code) cố định thì LabVIEW sử dụng các khối hình ảnh sinh động
và các dây nối để tạo ra các lệnh và các hàm.
Một chương trình LabVIEW gồm hai phần chính: một là giao diện với người sử
dụng (Front panel) cho phép người dùng chạy chương trình, nhập dữ liệu để xử lý và
hiển thị kết quả; hai là giao diện lập trình (Block diagram) dạng sơ đồ khối cung cấp
các mã nguồn và các biểu tượng kết nối để tạo các hàm và các lệnh. Hình 1.15 là một
ví dụ về chương trình cộng hai phần tử X và Y được xây dựng bằng LabVIEW.

Giao diện người dùng

Giao diện lập trình
Hình 1.15. Mã nguồn viết bằng LabVIEW
10

Các chức năng chính của LabVIEW có thể tóm tắt như sau: Thu thập tín hiệu từ
các thiết bị điện tử bên ngoài (dữ liệu từ oscillocope số, giá trị thu được từ các cảm
biến nhiệt độ, hình ảnh từ webcam, vận tốc của động cơ, xung tín hiệu tương tự v.v),
mô phỏng và xử lý các tín hiệu thu nhận được, xây dựng các giao diện người dùng
một cách nhanh chóng và dễ tương tác.
Với các tính năng có thể xử lý xung tín hiệu, khi xung tín hiệu số từ osciloscope
dạng số được truyền lên máy tính thông qua cổng USB ta có thể lập trình trên phần
mềm LabVIEW để thu thập xung tín hiệu số, xác định độ cao xung từ đó hiển thị phổ
độ cao xung.

11

CHƯƠNG 2
HỆ PHÂN TÍCH ĐA KÊNH SỬ DỤNG
OSCILLOSCOPE GWINSTEK GDS-1152A VÀ
PHẦN MỀM LabVIEW 2013
Ở chương này, chúng tôi trình bày việc xây dựng hệ MCA sử dụng oscillocope
GWINSTEK GDS-1152A 150MHz-1GSa/s và phần mềm LabVIEW 2013 dùng
trong giảng dạy. Việc xây dựng bao gồm: Kết nối thiết bị nhằm số hóa xung tín hiệu
bằng oscilloscope và lập trình LabVIEW để ghi nhận dữ liệu bằng máy tính. Đồng
thời với LabVIEW chúng tôi tiến hành các bước xử lý các xung tín hiệu số để phân
tích giá trị biên độ xung, lấy cơ số để xây dựng phổ năng lượng theo độ cao xung.
2.1. Hệ MCA sử dụng oscilloscope và phần mềm LabVIEW

Hình 2.1. Sơ đồ khối hệ MCA sử dụng Oscilloscope và phần mềm LabVIEW
Hệ MCA được xây dựng dựa trên hai thành phần chính là oscilloscope
GWINSTEK GDS-1152A 150MHz-1GSa/s và máy tính dùng phần mềm LabVIEW.
Các bước để hệ MCA xử lý xung tín hiệu bao gồm: Oscilloscope số hóa xung tín hiệu
do detector ghi nhận, sau đó dữ liệu được truyền lên máy tính và được xử lý DPP
(Digital Pulse Processing) bằng một chương trình được lập trình trên LabVIEW. Quá
trình được trình bày trên sơ đồ Hình 2.1.
Detector
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
12

Số hóa xung tín hiệu với GWInstek GDS-1152A 150MHz-1GSa/s

Hình 2.2. Oscilloscope GWInstek GDS-1152A 150MHz-1GSa/s
Oscilloscope GWInstek GDS-1152A được sử dụng ở Bộ môn Vật lý Hạt nhân
có ngõ vào hai kênh, bộ ADC có độ phân giải 8 bit, khoảng thế hoạt động 10V. Do
đó, thiết bị này có thể ghi nhận dữ liệu dạng xung của tín hiệu. Các thông số kĩ thuật
của Oscilloscope GWInstek GDS-1152A được trình bày ở Bảng 2.1.
Bảng 2.1. Các thông số của Oscilloscope GWInstek GDS-1152A
Hãng sản xuất
GWInstek
Số kênh tín hiệu vào (analog input)
2
Dải tần số
150 MHz
Độ phân giải ADC
8 bit
Biên độ dọc
2mV~10V
Biên độ ngang
1ns~50s
Màn hình

5.6" TFT LCD
Kết nối với máy tính
Cổng USB 2.0
Tốc độ lấy mẫu
1 Gsa/s
Mặt trước
Mặt sau
13


Hình 2.3. Số hóa xung tín hiệu bằng oscillocope GWInstek GDS-1152A
Quá trình số hóa trên oscilloscope GWInstek GDS-1152A diễn ra như sơ đồ
Hình 2.3. Tín hiệu bức xạ được detector ghi nhận sau khi qua bộ tiền khuếch đại và
khuếch đại được cố định bề rộng xung (shaping time), thông qua cổng vào (channel)
oscilloscope lấy mẫu tín hiệu và dùng một bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín
hiệu số (ADC) để chuyển đổi điện thế đo được thành thông tin số. Sau khi hoàn tất
số hóa, xung tín hiệu được máy tính ghi nhận bằng cổng USB và tiếp tục xử lý trên
phần mềm LabVIEW.
2.2. Lập trình xử lý tín hiệu số bằng phần mềm LabVIEW
Xung tín hiệu đã được oscilloscope số hóa truyền lên máy tính thông qua cổng
USB được phần mềm LabVIEW ghi nhận và thực hiện các quá trình xử lý xung tín
hiệu số (DPP). Dữ liệu sau khi xử lý sẽ được hiển thị song song qua hai đồ thị: một
đồ thị hiển thị xung tín hiệu và một đồ thị hiển thị phổ độ cao xung và lưu lại dưới
dạng file Excel (file.xlsx). Quá trình xử lý được trình bày ở sơ đồ khối Hình 2.4.

Lấy mẫu tín
hiệu (analog)
từ bộ khuếch
đại
Bộ chuyển

đổi ADC
Phần mềm
máy tính (lập
trình trên
LabVIEW)
USB
Oscilloscope
14


Hình 2.4. Quá trình xử lý trên LabVIEW
Xử lý xung tín hiệu
Sau khi nhận dữ liệu từ oscilloscope, một chương trình được lập trình trên phần
mềm LabVIEW sẽ tiến hành thu thập chuỗi dữ liệu và phân tích dữ liệu để đưa ra
được xung tín hiệu Với một chuỗi tín hiệu căn cứ vào thời gian và biên độ sẽ hình
thành được một xung tín hiệu có dạng như Hình 2.5. Từ đó ta có thể tính toán độ cao
xung và biểu diễn song song hai đồ thị: một đồ thị hiển thị xung tín hiệu, một đồ thị
hiển thị phổ độ cao xung.

Oscilloscope số
hóa xung tín hiệu
Thu thập
xung tín hiệu
Xác định độ cao
xung tín hiệu
Biểu diễn xung
tín hiệu và phổ độ
cao xung
Lưu trữ số liệu

Xử lý
xung
tín
hiệu
số
(DPP)
15


Hình 2.5. Một xung tín hiệu được hiển thị trên LabVIEW
Xác định độ cao xung tín hiệu
Khi đã có được xung tín hiệu dạng số chúng tôi tiến hành tìm độ cao của xung
tín hiệu. Trong thư viện của phần mềm LabVIEW đã xây dựng một hàm có chức năng
tìm độ cao xung tín hiệu, đó là hàm Peak Detector.VI, hàm này tìm độ cao xung dựa
vào thuật toán làm khớp bình phương tối thiểu dạng đa thức bậc hai (Hình 2.6).

Hình 2.6. Phương pháp làm khớp dạng đa thức bậc hai
Biên đ
ộ (V)
Thời gian (bin)
16

Phương pháp bình phương tối thiểu là một phương pháp tối ưu hóa để lựa chọn
một đường khớp nhất cho một dải dữ liệu ứng với cực trị của tổng các sai số thống
kê giữa đường khớp và dữ liệu. Phương pháp bình phương tối thiểu thường được
dùng trong việc làm khớp đường cong. Nhiều bài toán tối ưu hóa cũng được quy về
việc tìm cực trị của dạng bình phương.
Quá trình xác định độ cao xung tín hiệu được trình bày như Hình 2.7. Xung
tín hiệu đã số hóa được hàm Peak detector.VI xử lý bằng các thuật toán để làm khớp
bậc hai sau đó đưa ra được độ cao xung.

Hình 2.7. Quá trình xác định độ cao xung tín hiệu
Xung tín hiệu
(đã số hóa)
Làm khớp dạng đa
thức bậc hai
Độ cao xung
tín hiệu
Hàm
tìm
độ
cao
xung
Tính đạo hàm bậc nhất và
giá trị lớn nhất
Thiết lập ngưỡng
(threshold) và lựa chọn số
điểm thực nghiệm cho
việc làm khớp (Width)
17

Như trên sơ đồ Hình 2.7 ta thấy để hàm tìm độ cao xung có thể thực thi trước
tiên ta cần phải xác lập mức ngưỡng (threshold) và thiết lập số điểm thực nghiệm
(Width) cho việc làm khớp.
Ở đây việc xác lập mức ngưỡng (threshold) nhằm mục đích phân định giữa xung
tín hiệu và mức nền. Có nghĩa là nếu biên độ nhỏ hơn mức ngưỡng thì hàm sẽ bỏ qua
không xử lý. Điều này giúp ta loại bỏ các đỉnh do nhiễu nhờ đó việc lấy đỉnh sẽ chính
xác hơn.
Như Hình 2.8a ta nhận thấy giá trị độ cao xung tín hiệu cần tìm có biên độ là 1,
tuy nhiên do chưa thiết lập mức ngưỡng khi dò tìm độ cao xung hàm sẽ tìm ra thêm

các giá trị không mong muốn. Các giá trị này xuất hiện làm ảnh hưởng rất lớn đến
kết quả thực nghiệm dẫn đến làm sai lệch phổ độ cao xung. Do đó việc thiết lập
ngưỡng là rất quan trọng. Hình 2.8b là kết quả sau khi đã thiết lập ngưỡng ở giá trị
0,5 ta đã loại bỏ được những giá trị không mong muốn đó.

Thông số Width quy định số điểm cụ thể để thực hiện việc làm khớp bậc hai.
Sau khi đã thiết lập xong các thông số trên thì hàm sẽ tự động tính toán các thông số
cho việc làm khớp, đưa ra vị trí và giá trị độ cao xung.
Hình 2.8a. Khi chưa thiết
lập mức ngưỡng
Hình 2.8b. Khi đã thiết
lập mức ngưỡng
18

Biểu diễn phổ độ cao xung
Sau khi có được độ cao xung ta tiến hành thống kê độ cao xung, sau đó biểu
diễn trên một đồ thị có dạng: trục Ox biểu thị giá trị của năng lượng theo độ cao xung,
trục Oy thể hiện tần suất của độ cao xung (count), từ đó ta có được phổ độ cao xung.

Hình 2.9. Phổ độ cao xung của Cs-137 được biểu diễn trên LabVIEW
Trong chương trình LabVIEW chúng tôi sử dụng hàm Creat Histogram.VI để
biểu diễn phổ độ cao xung. Hàm này gồm một số thuật toán có chức năng sắp xếp,
thống kê độ cao xung sau đó hiển thị phổ độ cao xung trên một đồ thị như Hình 2.9.
Lưu trữ dữ liệu


Kênh
Số đếm
Thời gian (ns)
Điện thế (V)

Hình 2.10a. Dạng dữ liệu từ đồ thị
xung tín hiệu

Hình 2.10b. Dạng dữ liệu từ phổ
độ cao xung

19

Sau các quá trình trên dữ liệu được lưu lại dưới dạng file Excel (file.xlsx). File
lưu dữ liệu xung tín hiệu (Hình 2.10a) gồm hai cột một cột biểu thị thời gian, một
cột biểu thị điện thế. File lưu dữ liệu phổ theo độ cao xung gồm hai cột: một cột
biểu thị số kênh, một cột biểu thị số đếm (Hình 2.10b).
2.3. Giao diện LabVIEW cho người dùng

Hình 2.11. Giao diện chương trình LabVIEW
Hình 2.11 là giao diện chương trình LabVIEW giao tiếp với máy tính, hiển thị
song song hai đồ thị của xung tín hiệu và phổ độ cao xung. Giao diện người dùng
được xây dựng trên phần mềm LabVIEW để tương tác với hệ MCA. Chương trình
không chỉ hiển thị dữ liệu thu thập và xử lý được, mà người dùng còn có thể thao tác
để điều chỉnh một số thông số như chọn cổng giao tiếp với máy tính, chọn kênh tín
hiệu của oscillscope, thiết lập thời gian đo, mức ngưỡng, Width, thay đổi kiểu hiển
thị trên hai đồ thị xung tín hiệu và phổ độ cao xung.
Giao diện bao gồm các thành phần được đánh số ở Hình 2.11, số màu xanh ứng
với chức năng thiết lập các thông số, số màu đỏ ứng với chức năng hiển thị.

20

#1 COM PORT
Chức năng: chọn cổng COM giao tiếp với máy tính.
#2 Channel:

Chức năng: chọn kênh 1 hoặc kênh 2 tùy theo tín hiệu vào oscilloscope.
#3 TIME TO STOP
Chức năng: thiết lập thời gian đo.
#4 Threshold
Chức năng: thiết lập mức ngưỡng trong hàm Peak Detector.
#5 WIDTH:
Chức năng: thiết lập số điểm cho việc làm khớp của hàm Peak Detector
#6 reset
Chức năng: xóa dữ liệu, thống kê lại độ cao xung.
#7 Hiển thị thời gian đã đo
#8 Đèn LED báo lưu dữ liệu, LED sáng lưu dữ liệu hoàn tất
#9 Đồ thị hiển thị phổ độ cao xung
#10 Đồ thị hiển thị xung tín hiệu
21

CHƯƠNG 3
THỰC NGHIỆM KIỂM ĐỊNH HỆ PHỔ KẾ
SỬ DỤNG OSCILLOSCOPE GDS-1152A
Sau khi xây dựng hệ MCA (Oscilloscope GWInstek GDS-1152A 1Gsa/s),
chúng tôi tiến hành đánh giá hoạt động của hệ thông qua việc sử dụng máy phát xung
để khảo tốc độ ghi nhận và độ tuyến tính của hệ đo. Sau khi khảo sát hệ MCA
(Oscilloscope GWInstek GDS-1152A 1Gsa/s) chúng tôi tiến hành thực hiện đo phổ
gamma với detector NaI (Tl) 3 inch × 3 inch cho các nguồn phóng xạ Cs-137, Co-60,
Ba-133.
3.1. Khảo sát hoạt động của MCA với máy phát xung

Hình 3.1. Bố trí hệ đo với máy phát xung trong phòng thí nghiệm

Hình 3.2. Sơ đồ thí nghiệm với máy phát xung
Oscillocope GDS-1152A

Máy phát xung
Bộ khuếch đại
Máy tính chạy chương
trình LabVIEW
Máy phát xung
tín hiệu
Khuếch đại
(Amplifier)
Oscilloscope
GDS-1152A
Máy tính
(Phần mềm
LabVIEW)
Hệ MCA
22

Sơ đồ bố trí thí nghiệm với máy phát xung trình bày ở Hình 3.1 và Hình 3.2
gồm: một máy phát xung tín hiệu có cấu tạo như Hình 3.3, bộ khuếch đại,
Oscilloscope GDS-1152A và máy tính có chương trình LabVIEW để ghi nhận và xử
lý. Máy phát xung có thể tạo ra xung tín hiệu dạng logic (xung vuông) có tần số, độ
rộng xung khác nhau. Sau khi qua hệ thống khuếch đại (Amplifier CANBERRA
2026) biên độ sẽ thay đổi và bề rộng xung được cố định có hình dạng như Hình 2.5
(mục 2.2.1), sau đó được đưa đến oscilloscope và máy tính để xử lý.

Hình 3.3. Cấu trúc bên trong của máy phát xung
Máy phát xung có thể tạo ra xung tín hiệu có tần số, hình dạng xung khác nhau
nhờ vào việc lập trình nhúng cho chip FPGA (bằng ngôn ngữ VHDL) trên bo mạch
của thiết bị này. Tần số, độ rộng xung tín hiệu có thể thay đổi bằng cách thay đổi giá
trị biến “freq” và biến “width” trong mã VHDL.
Tần số liên hệ với biến “freq” theo công thức (3.1):

Tần số =
6
freq 1
25 10
2


Hz (3.1)
Độ rộng xung liên hệ với biến “width” theo công thức (3.2):
Độ rộng xung =
Width 8ns
(3.2)
Thí nghiệm đầu tiên là khảo sát thời gian đáp ứng với biên độ cố định và tần số
thay đổi để tìm tốc độ ghi nhận của hệ MCA (Oscilloscope GDS-1152A). Sau đó là
khảo sát sự tuyến tính của biên độ xung để kiểm tra mức độ ổn định của hệ MCA
(Oscillocope GDS-1152A) trước khi tiến hành đo thực nghiệm với detecotor NaI(Tl)
3 inch × 3 inch.
Tín
hiệu
ra
chuẩn
NIM
Chip
FPGA
Bộ cấp
nguồn
23

Khảo sát tốc độ ghi nhận
Để khảo sát tốc độ ghi nhận của hệ đo, trong thí nghiệm này chúng tôi sử dụng

máy phát xung phát xung tín hiệu có tần số sau: 0,35Hz; 0,7Hz; 1,5Hz; 3Hz; 6Hz,
biên độ cố định 2,64V tiến hành đo trong thời gian 100 giây. Các thông số thiết lập
cho hệ đo của thí nghiệm này được trình bày ở Bảng 3.1. Xung tín hiệu và phổ độ cao
xung thu được trên chương trình LabVIEW như Hình 3.4.
Bảng 3.1. Các thông số của hệ đo khảo sát tốc độ ghi nhận




Thiết bị
Thông số
Giá trị
Bộ khuếch đại CANBERRA 2026
Coarse gain
50
Fine gain
5-1,0
Shaping time
2
Oscilloscope GDS-1152A
Time/div
5μs
Volt/div
2V
Giao diện LabVIEW
Time to stop
100 giây
Threshold
0,5V
WIDTH

100
Hình 3.4a. Xung tín hiệu thu được
Hình 3.4b. Phổ độ cao xung
24

Kết quả thí nghiệm: khi thay đổi tần số thì biên độ xung vẫn không thay đổi,
Bảng 3.2 cho thấy tần số ứng với số sự kiện đo được trong 100 giây. Từ Bảng 3.2
chúng tôi nhận thấy hệ MCA (Osciloscope GDS-1152A) chỉ có thể đáp ứng được tần
số khoảng 1,2Hz tương ứng khoảng 0,80 (giây/sự kiện). Hình 3.5 là đồ thị của tần số
và số sự kiện thu được trong 1 giây.
Bảng 3.2. Kết quả khảo tốc độ đáp ứng của hệ MCA (Osciloscope GDS-1152A),
thời gian đo 100 giây
Tần số (Hz)
Số sự kiện
Tốc độ ghi nhận (Sự kiện/s)
0.35
35
0.35
0.7
71
0.71
1.5
124
1,24
3
125
1,25
6
124
1,24

Hình 3.5. Đồ thị biểu thị thời gian đáp ứng
25

Ở đây việc tốc độ đáp ứng thấp là do cơ chế truyền dữ liệu từ oscillscope lên
máy tính. Oscillocsope thu nhận và số hóa tín hiệu, sau đó dữ liệu được truyền lên
máy tính với cổng kết nối là USB. Tuy nhiên, oscillocospe được thiết lập truyền theo
chuẩn cổng COM (Serial port) với tốc độ tối đa là 128 kbps. Mỗi xung tín hiệu được
truyền gồm 4000 điểm mẫu, mỗi điểm mẫu có độ lớn 24 bit với 8 bit địa chỉ, 8 bit
chứa dữ liệu kênh 1 (Channel 1) và 8 bit chứa dữ liệu kênh 2 (Channel 2). Từ đó ta
có thời gian truyền xung tín hiệu theo lý thuyết được tính như sau:
Dung lîng 24bit 4000
Thêi gian truyÒn = =0,75 (gi©y)
Tèc ®é 128000 bit/s
(3.3)
So sánh với tốc độ lý thuyết (0,75 giây) và thực tế (0,80 giây) có sự chênh lệch
là do khi trong quá trình lấy xung tín hiệu, mỗi khi truyền lên một xung tín hiệu
oscilloscope có một khoảng thời gian trễ (time delay) sau đó mới tiếp tục truyền xung
tín hiệu tiếp theo.
Khảo sát độ tuyến tính của hệ MCA
Bảng 3.3. Các thông số của hệ đo khảo sát độ tuyến tính của hệ MCA
Thiết bị
Thông số
Giá trị
Bộ khuếch đại CANBERRA 2026
Coarse gain
50
Fine gain
5-1,0

Shaping time
2
Oscilloscope GDS-1152A
Time/div
5μs
Volt/div
2V
Giao diện LabVIEW
Time to stop
100 giây
Threshold
1V
WIDTH
100