xây dựng hệ phổ kế thời gian khảo sát sự ảnh hưởng của muon đến phông nền của detector hpge

i

MỤC LỤC
MỤC LỤC i

DANH MỤC HÌNH iii

DANH MỤC BẢNG iv

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT v

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ PHỔ KẾ GAMMA PHÔNG THẤP
HPGE, BỨC XẠ MUON VŨ TRỤ VÀ HỆ PHỔ KẾ THỜI GIAN 3

1.1. Hệ phổ kế gamma phông thấp detector HPGe 3

Hệ phổ kế gamma phông thấp 3

1.1.1.
Hiệu suất ghi và phổ phông gamma 4

1.1.2.
1.2. Giới thiệu hạt muon 5

Tổng quan hạt muon 5

1.2.1.
Ảnh hưởng của hạt muon đến hệ phổ kế HPGe 7

1.2.2.
1.3. Hệ phổ kế thời gian 8

CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG VÀ KHẢO SÁT HỆ PHỔ KẾ THỜI GIAN 10

2.1. Hệ phổ kế thời gian sử dụng FPGA 125MHz 10

FPGA (Field Programmable Gate Array) 10

2.1.1.
Chương trình VHDL đo khoảng cách hai xung sử dụng xung clock
2.1.2.
125MHz 12

Chương trình giao tiếp với máy tính LabVIEW 13

2.1.3.
2.2. Khảo sát hệ phổ kế thời gian 14

Thay đổi khoảng cách giữa hai xung 16

2.2.1.
Thay đổi tần số 17

2.2.2.
CHƯƠNG 3 THỰC NGHIỆM KHẢO SÁT SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA
MUON ĐẾN PHỔ PHÔNG CỦA HỆ PHỔ KẾ GAMMA PHÔNG
THẤP HPGE 20

ii

3.1. Bố trí thí nghiệm 20

3.2. Hệ ghi nhận 22

Nguồn cao thế 22

3.2.1.
Detector bán dẫn HPGe và tiền khuếch đại 23

3.2.2.
Detector nhấp nháy Plastic 25

3.2.3.
Khối khuếch đại 27

3.2.4.
Hệ MCA ghi nhận phổ phông của detector HPGe 28

3.2.5.
Hệ phổ kế thời gian FPGA 125M ghi nhận phổ thời gian tương quan
3.2.6.
Plastic - HPGe 28

3.3. Phổ phông nền của detector HPGe 29

3.4. Phổ thời gian tương quan giữa detector Plastic và detector HPGe 30

3.5. Kết quả tính toán tỉ lệ đóng góp của muon vào phông nền của detector
HPGe theo cửa sổ thời gian 32

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 34

PHỤ LỤC 36

TÀI LIỆU THAM KHẢO 41



iii

DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Sơ đồ khối hệ phổ kế gamma phông thấp 4

Hình 1.2. Các quá trình tương tác của bức xạ vũ trụ vào khí quyển Trái Đất 5

Hình 2.1. Thiết bị FPGA 11

Hình 2.2. Hai tín hiệu xung “Start – Stop” và tính khoảng cách dùng xung 12

Hình 2.3. Giao diện của chương trình LabVIEW 13

Hình 2.4. Hai xung tạo ra từ máy phát xung 15

Hình 2.5. Sơ đồ khối thực hiện khảo sát phổ kế thời gian 15

Hình 2.6. Đồ thị khảo sát đo thời gian của hệ phổ kế thời gian. 17

Hình 2.7. Đồ thị biểu diễn phổ thời gian khi thay đổi tần số phát xung 18

Hình 3.1. Sơ đồ khối khảo sát ảnh hưởng 21

Hình 3.2. Hình ảnh kết nối các thiết bị đặt tại phòng thí nghiệm 22

Hình 3.3. Nguồn cao thế âm 22
Hình 3.4. Nguồn cao thế Canberra 22

Hình 3.5. Cấu trúc detector GC2018 23

Hình 3.6. Xung tín hiệu sau khi đi qua tiền khuếch đại của detector HPGe 24

Hình 3.7. Mô hình detector nhấp nháy Plastic 25

Hình 3.8. Xung tín hiệu từ ống nhân quang điện của detector Plastic 26

Hình 3.9. Khối khuếch đại 27

Hình 3.10. Xung ra từ hai khối khuếch đại 27

Hình 3.11. Card giao tiếp MCA 28

Hình 3.12. Phổ phông nền của detector HPGe đặt bên trong buồng chì 29

Hình 3.13. Phổ thời gian tương quan giữa hai detector Plastic và HPGe 30

Hình 3.14. Phổ thời gian tương quan giữa hai detector Plastic – HPGe 32

Hình 3.15. Tỉ lệ muon đóng góp vào phổ phông HPGe theo 33

iv

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1. Kết quả tương quan giữa khoảng thời gian thiết lập trong code
VHDL và kết quả đo được từ hệ phổ kế thời gian 16

Bảng 2.2. Khảo sát hiệu suất ghi nhận của hệ phổ kế thời gian khi thay đổi tần
số tạo xung từ máy phát xung. 18



v

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

Chữ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt
ADC
Analog to Digital
Converter
Bộ chuyển đổi tương tự sang
số
DSP
Digital signal
processing
Xử lý tín hiệu kỹ thuật số
Flash-ADC
Flash Analog Digital
Converter

Bộ chuyển đổi nhanh tương tự
thành số loại song song
FPGA
Field Programmable
Gate Array
Mảng phần tử logic lập trình
được
FWHM
Full Width at Half
Maximmum
Bề rộng nửa chiều cao đỉnh
phổ
HPGe
High Purity
Germanium
Semiconductor
Bán dẫn Germanium siêu tinh
khiết
ICR Input Count Rate Tính tỷ lệ cổng vào
LabVIEW
Laboratory Virtual
Instrumentation
Engineering
Workbench
Chương trình ghi nhận tín hiệu
xung
MCA
Multi Channel
Analyzer
Hệ phân tích đa kênh

NIM
Nuclear
Instrumentation
Module

Module chuẩn NIM
RS-232 RS232 serial port
Chuẩn giao tiếp với máy tính
RS232
TAC
Time-to-Amplitude
Converter
Bộ chuyển đổi thời gian thành
biên độ
TTL TTL logic Logic chuẩn TTL
VHDL
VHSIC Hardware
Description Language
Ngôn ngữ lập trình cho phần
cứng
VHSIC
Very High Speed
Integrated Circuit
Mạch tích hợp tốc độ cao
1

MỞ ĐẦU
Sự ra đời của detector Germanium siêu tinh khiết (HPGe) đã tạo nên cuộc
cách mạng công nghệ trong lĩnh vực đo phổ gamma của khoa học hạt nhân ứng
dụng. Loại detector này đã đóng vai trò quan trọng trong các phòng thí nghiệm phân

tích phóng xạ trên khắp thế giới nhờ vào kỹ thuật phân tích không phá mẫu và khả
năng phân giải cao.
Khi thao tác trên hệ phổ kế này, có một số vấn đề cần tìm hiểu và giải quyết:
sự thay đổi thông số trong quá trình hiệu chỉnh trên các thiết bị có ảnh hưởng như
thế nào đến kết quả phân tích; phông môi trường tại nơi tiến hành phân tích; hiệu
suất ghi của detector đối với từng mẫu là bao nhiêu tương ứng với mức năng lượng
nào; những tác nhân ảnh hưởng đến việc ghi nhận của hệ, và quá trình đóng góp của
các tác nhân đó sẽ dẫn tới sự thay đổi như thế nào đến kết quả phân tích; …
Để giải quyết các vấn đề nêu trên, đã có nhiều công trình nghiên cứu trên thế
giới và Việt Nam thực hiện xoay quanh các đề tài như: giảm phông, khảo sát hiệu
suất ghi nhận theo khoảng cách, năng lượng và những yếu tố ảnh hưởng đến hiệu
suất như hiệu ứng trùng phùng tổng, hiệu ứng tự hấp thụ…
Tại Bộ môn Vật lý Hạt nhân thuộc khoa Vật lý, trường Đại học Khoa Học Tự
Nhiên, nhóm điện tử Hạt nhân do TS. Võ Hồng Hải đứng đầu đang thực hiện hướng
nghiên cứu giảm phông theo phương pháp giảm phông chủ động sử dụng hệ điện tử
đối trùng phùng. Trong phương pháp này sử dụng hệ thống thiết bị điện tử thực hiện
xử lý trigger và ghi phổ với các thiết bị FPGA và một số chương trình phần mềm
chuyên dụng. Một thông số quan trọng cho hệ điện tử đối trùng phùng là cửa sổ thời
gian đối trùng phùng, nếu thiết lập giá trị lớn sẽ làm tăng tỉ lệ giảm phông do bức xạ
vũ trụ gây ra nhưng thời gian chết của hệ đo lại tăng lên. Do đó đòi hỏi phải xác
định cửa sổ thời gian cho phù hợp. Đề tài thực hiện với mục đích khảo sát ảnh
hưởng của muon đến phông nền của hệ phổ kế gamma phông thấp detector HPGe
thông qua xây dựng hệ phổ kế thời gian sử dụng công nghệ lập trình nhúng VHDL
cho mạch FPGA. Từ đó đưa ra giá trị cửa sổ thời gian phù hợp cho hệ giảm phông
chủ động.
2

Nội dung đề tài được trình bày gồm:
Mở đầu: Giới thiệu tổng quan về hướng đề tài thực hiện
Chương 1: Tổng quan về hệ phổ kế gamma phông thấp HPGe, bức xạ muon

vũ trụ và hệ phổ kế thời gian. Tìm hiểu về muon, ảnh hưởng của hạt muon đến kết
quả đo của hệ phổ kế gamma detetor siêu tinh khiết HPGe.
Chương 2: Xây dựng hệ phổ kế thời gian sử dụng FPGA 125MHz. Chương
này sẽ giới thiệu tổng quan về FPGA, hệ đo sử dụng thiết bị FPGA 125MHz, phần
mềm LabVIEW và tiến hành khảo sát hoạt động của hệ đo.
Chương 3: Thực nghiệm khảo sát sự ảnh hưởng của muon đến phổ phông của
hệ phổ kế gamma phông thấp HPGe.
Kết luận và kiến nghị.

3

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ HỆ PHỔ KẾ GAMMA PHÔNG THẤP HPGE,
BỨC XẠ MUON VŨ TRỤ VÀ HỆ PHỔ KẾ THỜI GIAN
1.1. Hệ phổ kế gamma phông thấp detector HPGe
Hệ phổ kế gamma phông thấp
1.1.1.
Hệ phổ kế gamma có khả năng ghi nhận trực tiếp các tia gamma do các đồng
vị phóng xạ trong mẫu phát ra mà không cần tách chiết các nhân phóng xạ khỏi chất
nền của mẫu, giúp ta phân tích một cách định tính và định lượng các nhân phóng xạ
trong mẫu. Đối tượng của phương pháp phân tích này có thể là các mẫu sinh học,
mẫu môi trường như: đất, nước, không khí, trầm tích, các loại rau, Việc nắm rõ
các đặc trưng của phổ gamma, cách thức xử lí phổ và tính toán hoạt độ nguồn là
điều cần thiết đối với bất cứ người làm thực nghiệm nào liên quan đến việc đo đạc
hoạt độ phóng xạ bằng các phổ kế gamma [6].
Hiện nay để đo đạt xác định đồng vị phóng xạ, các hệ đo nhấp nháy, hệ đo
phông thấp một detector HPGe (High Pure Ge) được sử dụng trong việc xác định
đồng vị phóng xạ và hoạt độ. Chất lượng của một hệ phổ kế được đánh giá bởi các
thông số: hiệu suất ghi, độ phân giải năng lượng (FWHM), dải năng lượng có thể
ghi nhận, tỷ số đỉnh trên Compton, độ tuyến tính và ổn định của ADC…

Hệ phổ kế gamma phông thấp HPGe chuyên dùng để đo các tia bức xạ gamma
từ mẫu môi trường. Cấu tạo hệ phổ kế gamma được trình bày theo sơ đồ khối Hình
1.1 hệ gồm có các phần chính như sau: Detector bán dẫn HPGe với các thiết bị kèm
theo gồm nguồn nuôi cao thế cho detector, tiền khuếch đại, khuếch đại, khối phân
tích đa kênh MCA (Multi Channel Analyzer) và buồng chì che chắn phông bao
quanh detector. Việc sử dụng buồng chì che chắn đã loại bỏ được phần lớn các tín
hiệu nhiễu từ môi trường gây ra tín hiệu nhiễu trong kết quả phân tích.

4


Hình 1.1. Sơ đồ khối hệ phổ kế gamma phông thấp
Hiệu suất ghi và phổ phông gamma
1.1.2.
Hiệu suất ghi của detector được xác định là tỉ lệ phần trăm của bức xạ ion hóa
đập tới detector và được ghi nhận. Cơ chế ghi nhận của detector dựa theo tương tác
các bức xạ trong môi trường detector. Một photon tương tác với vật liệu detector
theo ba cơ chế: hấp thụ quang điện, tán xạ Compton và hiệu ứng tạo cặp.
Hệ phổ kế gamma detector HPGe phông thấp cho kết quả có độ chính xác
cao, tuy nhiên kết quả vẫn có sự ảnh hưởng của các tác nhân khác làm ảnh hưởng
đến phông nền. Bao gồm: bức xạ gamma từ môi trường xung quanh, bức xạ gamma
của vật liệu cấu trúc của detector và thiết bị, vật liệu che chắn detector không tinh
khiết phóng xạ, Radon trong không khí, bức xạ vũ trụ. Ảnh hưởng của ba thành
phần đầu có thể được giảm đáng kể khi dùng vật liệu che chắn thụ động thích hợp
làm từ chì cổ hoặc chì hoạt độ phóng xạ thấp và lựa chọn vật liệu sạch phóng xạ
trong cấu trúc detector. Thành phần khí Radon có thể làm giảm bằng cách dùng khí
nitơ hay khí sạch đẩy khí có chứa Radon ra ngoài vùng không gian hoạt động của
detector. Do vậy thành phần bức xạ vũ trụ chiếm ưu thế trong phần còn lại của
phông. Bức xạ vũ trụ gây ra phông của detector HPGe phát sinh từ tương tác của
các nucleon và muon với vật liệu xung quanh detector. Muon xuyên qua lớp chì che

chắn thụ động và tạo ra phông của detector. Thành phần muon có thể giảm khi đặt
hệ đo trong phòng thí nghiệm dưới lòng đất. Tuy nhiên việc xây dựng và hoạt động
5

của phòng thí nghiệm dưới lòng đất rất tốn kém và bất tiện. Một phương pháp khác
khả dụng hơn là hệ phổ kế gamma hoạt động với một hệ đối trùng phùng với các
tấm nhấp nháy Plastic đặt xung quanh lớp chì che chắn trong trạng thái đối trùng
phùng với detector HPGe [1], [2].
1.2. Giới thiệu hạt muon
Tổng quan hạt muon
1.2.1.
Vào năm 1936 Carl D. Anderson và Seth Neddermeyer trong khi nghiên cứu
bức xạ vũ trụ đã phát hiện ra một loại Muon. Sự tồn tại của hạt muon được khẳng
định vào năm 1937 bởi J.C Street và E.C. Stevenson với thí nghiệm đo bằng
buồng ion hóa [4]. Quá trình tương tác của bức xạ vũ trụ với vật chất khí quyển
Trái Đất được thể hiện qua sơ đồ hình 1.2.

Hình 1.2. Các quá trình tương tác của bức xạ vũ trụ vào khí quyển Trái Đất
Các bức xạ vũ trụ sơ cấp gồm khoảng 85% là proton, 12% là heli, 1% là các
nguyên tố nặng và 2% là electron, có năng lượng rất lớn (từ 10
10
eV đến 10
20
eV).
Bức xạ vũ trụ sơ cấp

Các hạt nhân (O hoặc N)

Tương tác hadron


Bức xạ hãm
Tương tác
yếu

6

Khi đi vào bầu khí quyển của trái đất, các bức xạ vũ trụ sơ cấp sẽ tương tác với hạt
nhân của các phân tử khí quyển chủ yếu là oxi và nitơ tạo thành các pion (
0
, 
+
, 

),
nơtron và proton năng lượng nhỏ hơn (proton thứ cấp). Các pion trung hòa (
0
) phân
hủy tức thời và sinh ra hai bức xạ gamma. Các pion mang điện (
+
, 

) phân hủy
thông qua lực tương tác yếu tạo thành một muon µ
+
và neutrino hoặc một muon µ


và phản neutrino [4].

 

  
(1.1)

 

  
(1.2)

0
 2 (1.3)

e e
 
  

(1.4)

Như vậy, khi đi tới mặt đất, thành phần của bức xạ vũ trụ gồm có: các hạt
muon chiếm 60%, nơtron chiếm 23%, electron chiếm 16%, proton chiếm 0,5%, các
hạt pion dưới 0,5%. Thông lượng trung bình của muon ở mực nước biển khoảng 1
muon/cm
2
/phút với động năng trung bình khoảng 4 GeV. Muon gồm hai loại là µ
+

và µ


, có spin là 1/2, khối lượng khoảng 105,659 MeV/c
2
trung gian giữa khối lượng
proton và khối lượng electron (~1/9 m
p
, 207 m
e
) [4].
Các muon chỉ tương tác với vật chất thông qua lực tương tác yếu và lực điện
từ. Sau khi tương tác với hạt nhân các phân tử không khí, chúng mất dần năng
lượng do ion hóa khoảng 2 GeV khi đến mặt đất và phân hủy thành positron và
neutrino hoặc electron và phản neutrino.

e
e
 

   
(1.4)

e
e
 

   

(1.5)
Các muon µ


khi đi vào vật chất sẽ tương tác với vật chất. Các muon µ

sau đó
sẽ tương tác với proton theo phản ứng:

p n


   

(1.6)
Trước khi chúng bị phân hủy tức thời. Muon µ
+
không xảy ra hiện tượng
tương tác như µ

do có lực đẩy mạnh giữa muon µ
+
và hạt nhân. Như vậy, muon µ


7

ngoài sự phân hủy tự do còn có sự tương tác với vật chất nên thời gian sống của
muon µ

sẽ nhỏ hơn thời gian sống của muon µ
+
. Thời gian sống của muon là giá trị
trung bình của thời gian sống hai muon µ

+
và µ

. Do đó thời gian sống của muon là

μ
= 2,197034 ± 0,000021 μs [4].
Ảnh hưởng của hạt muon đến hệ phổ kế HPGe
1.2.2.
Sau khi tương tác với khí quyển Trái Đất thì các hạt mang điện năng lượng
cao từ bức xạ vũ trụ có thể đến sinh ra các electron với năng lượng trên 10MeV, các
muon với năng lượng trên 100MeV và các proton với năng lượng trên 1GeV trong
bức xạ vũ trụ đến bề mặt Trái đất [4]. Với năng lượng lớn và thời gian sống đủ lâu
nên chúng có thể đến và tương tác với tinh thể germanium của detector HPGe.
Các muon làm tăng phông do bức xạ hãm của các electron được tạo ra khi các
muon tương tác với tinh thể germanium và buồng chì. Các quá trình khác là sự tạo
cặp phân rã muon, bức xạ hãm muon và sự ion hóa trực tiếp. Kết quả của những
tương tác này là tạo ra phổ liên tục cùng với một đỉnh hủy trên phổ gamma.
Từ đó ta thấy rằng tín hiệu của muon cũng được ghi nhận và đóng góp vào
phổ ghi của hệ phổ kế gamma HPGe, nó sẽ tăng nền phông trong đồ thị lên cao hơn
và kết quả phép đo sẽ giảm độ chính xác. Thông thường thì người ta sử dụng các
cách sau để giải quyết vấn đề này: Đối với thành phần bức xạ vũ trụ thì phương
pháp giảm phông là đặt detector HPGe trong một phòng thí nghiệm dưới lòng đất
hoặc sử dụng phương pháp giảm phông chủ động. Phương pháp này sử dụng hệ
detector Plastic bên ngoài để giảm phông và detector HPGe bên trong để đo mẫu.
Hai hệ detector được kết nối qua bộ điện tử đối trùng phùng. Khi có bức xạ vũ trụ đi
qua cả hai detector, hệ đối trùng phùng có tác dụng ngăn chặn bộ phân tích đa kênh
xử lý xung tín hiệu trùng phùng này [2], đồng nghĩa là tín hiệu trùng phùng sẽ
không được đóng góp vào phổ của hệ phổ kế gamma.
Phổ thời gian tương quan giữa hệ hai detector đối trùng phùng cho biết số sự

kiện trùng phùng theo cửa sổ thời gian. Từ đó người ta thiết lập cửa sổ thời gian cho
hệ điện tử đối trùng phùng nhằm giảm phông chủ động cho hệ phổ kế gamma theo
một tỉ lệ mong muốn.
8

1.3. Hệ phổ kế thời gian
Hệ phổ kế thời gian hoạt động dựa trên nguyên lý đo lường mối quan hệ thời
gian bay của hai sự kiện được tạo ra từ hệ tạo xung tín hiệu hoặc là hai tín hiệu
được ghi nhận bởi hai detector trong thí nghiệm.
Nhờ các thành tựu tiến bộ khoa học kỹ thuật nên thiết bị chuyển đổi thời gian
thành biên độ (TAC) đã ra đời, nó được áp dụng để đo thời gian giữa các sự kiện
tương quan hoặc trùng phùng khi phát hiện được hai hoặc nhiều tín hiệu được ghi
nhận bởi các detector khác nhau được phát ra cùng một nguồn. Hình 1.3 là sơ đồ
khối đơn giản của một phổ kế thời gian điển hình dùng để đo lường thời gian.

Hình 1.3. Phổ kế dùng để đo lường thời gian.
Hình 1.3 đã biểu diễn nguyên lý hoạt động của một hệ điện tử TAC dùng để
đo thời gian giữa hai sự kiện được ghi nhận, hệ này hoạt động trên cơ sở sử dụng
một tụ điện đóng vai trò làm bộ phận phân tích thời gian. Khi có tín hiệu Start xuất
hiện thì điện sẽ được tích vào tụ điện trên bởi một nguồn điện không đổi, quá trình
tích điện sẽ kéo dài cho tới khi có tín hiệu Stop đến. Điện áp mà tụ nhận được ở thời
điểm cuối cùng sẽ tỷ lệ với thời gian giữa hai tín hiệu.
Sau đó người ta đã áp dụng thiết bị TAC cho một số hệ MCA. Với chức năng
dùng để tích lũy dữ liệu và hiển thị mật độ xác suất của các khoảng thời gian. Đó là
tiền đề cho hệ phổ kế thời gian mà hiện nay đang được ứng dụng và phát triển. Một
số ứng dụng của thiết bị TAC: đo thời gian hủy positron, đo thời gian bay, đo thời
gian sống của muon,…
9

Ngày nay đã có nhiều thiết bị đo lường thời gian với khả năng xử lý, độ phân

giải cao hơn (đỉnh phổ thời gian được thu hẹp) để mối quan hệ giữa thời gian hai sự
kiện gần nhau có thể đo một cách chính xác.
Đề tài này chúng tôi tiến hành đo phổ thời gian tương quan giữa hệ hai
detector trùng phùng để khảo sát ảnh hưởng của muon đến phông nền của hệ phổ kế
gamma phông thấp HPGe. Từ đó lựa chọn cửa sổ thời gian phù hợp cho hệ giảm
phông chủ động. Ở chương tiếp theo ta sẽ đi sâu vào tìm hiểu cách thức hoạt động
và ứng dụng của một hệ phổ kế thời gian.
10

CHƯƠNG 2
XÂY DỰNG VÀ KHẢO SÁT HỆ PHỔ KẾ THỜI GIAN
2.1. Hệ phổ kế thời gian sử dụng FPGA 125MHz
FPGA (Field Programmable Gate Array)
2.1.1.
Thiết bị điện tử hạt nhân trên cơ sở áp dụng các linh kiện điện tử mạch tích
hợp mảng các phần tử logic lập trình được FPGA là một trong những hướng phát
triển mới để xây dựng các hệ thực nghiệm nghiên cứu vật lý hạt nhân và ứng dụng
của kỹ thuật hạt nhân đáp ứng những yêu cầu ngày càng cao về độ chính xác của
các phép ghi đo bức xạ ion hóa. Ưu điểm nổi bật của công nghệ FPGA là thời gian
biến đổi ngắn trong dãy nano giây, khả năng nâng cao chất lượng trong các thực
nghiệm ghi đo bức xạ hạt nhân, giảm thiểu số lượng các khối điện tử và giảm kinh
phí đầu tư. Bên cạnh đó, các hệ thống thiết bị công nghệ FPGA có công suất tiêu
thụ thấp nên tiết kiệm năng lượng, điều này đặc biệt quan trọng khi xây dựng hệ
thống thiết bị lớn; có thể ghi nhận cùng lúc hai tín hiệu xung từ hai detector, điều
này có ý nghĩa quan trọng trong việc ghi đo trùng phùng và đối trùng phùng, là
hướng đi đang rất được quan tâm hiện nay của vật lý hạt nhân.
Với việc đưa ứng dụng FPGA và trong các hệ đo bức xạ hạt nhân có nhiều ưu
điểm nổi trội như: đa năng, nhanh và hiệu quả khi thu nhận và xử lý dữ liệu, phân
tích phổ, mô phỏng tín hiệu. Công nghệ FPGA cho phép cải thiện các thiết bị về:
dung lượng bộ nhớ cao, tốc độ xử lý nhanh, tính năng điều khiển mềm dẻo, khả

năng nhập/xuất dữ liệu lớn, và cấu hình đo có nhiều tùy chọn ưu việt xử lý qua phần
mềm điều khiển.
Các chức năng chính của hệ phổ kế như lọc và khuếch đại tín hiệu, phát hiện
và loại bỏ chồng chập xung, phân tích biên độ và phát ra phổ năng lượng có thể
thực thi tốt bằng các thuật toán DSP dùng FPGA nhờ việc xác định các hoạt động
khả lập trình, làm tăng đáng kể tính linh động của hệ thống, cho phép tái lập cấu
hình và hiệu chỉnh các tham số hoạt động nhưng không can thiệp phần cứng [7].
Thông qua chương trình phát triển và sự hợp tác giữa nhóm nghiên cứu của
GS. Masaharu Nomachi thuộc Khoa Vật lý - Đại học Osaka - Nhật Bản và nhóm
11

điện tử Hạt nhân của TS. Võ Hồng Hải thuộc Bộ môn Vật lý Hạt nhân - Trường Đại
học Khoa học Tự nhiên - TP.HCM thiết bị FPGA được đưa về Bộ môn phục vụ cho
nghiên cứu và giảng dạy.
Thiết bị này đã được áp dụng cho nhiều đề tài nghiên cứu khoa học của nhóm
và đã mang lại những kết quả thiết thực. Sử dụng và phát triển công nghệ FPGA sẽ
mở ra nhiều hướng nghiên cứu mới, mang lại nhiều lợi ích trong việc đo lường,
phân tích trong ứng dụng hạt nhận hiện nay.
FPGA có nhiệm vụ là thu nhận, xử lý tín hiệu và truyền dữ liệu vào máy tính.
Với bo mạch FPGA này kết hợp với Flash ADC cho phép ta thu nhận các thông tin
về dạng xung tín hiệu và thời gian ghi nhận của từng sự kiện. Với những thông tin
này, ta xác định được năng lượng và thời gian tương quan của hạt tới detector.
Hình 2.1 là bộ giao tiếp FPGA với bộ phận chính là chíp FPGA của ALTERA.
Chip này hoạt động nhờ vào chương trình nhúng VHDL. Việc xử lí trigger, tính
toán độ cao xung, diện tích xung và thời gian trigger sẽ được thực hiện trên con chip
này. Cổng USB Blaster dùng để nạp chương trình nhúng VHDL cho chip FPGA;
nguồn cung cấp điện áp 5 V và –5 V; bốn đèn LED dùng để hiển thị cho thấy thiết
bị có đang hoạt động hay không.

Hình 2.1. Thiết bị FPGA

12

Cổng COM RS-232 dùng để truyền dữ liệu lên máy tính. Cổng Input sẽ là nơi
tiếp nhận tính hiệu truyền vào để xử lý (có hai tín hiệu xung truyền tới, hai cổng vào
tương ứng là Ex_in(1) và Ex_in(2)). FPGA có nhiệm vụ xử lý trigger hai xung vào
từ hai cổng Ex_in(1) và Ex_in(2), hai đầu vào này nhận xung theo chuẩn TTL. Sử
dụng chương trình VHDL để tính khoảng cách về thời gian giữa hai xung tín hiệu.
Chương trình VHDL đo khoảng cách hai xung sử dụng xung clock
2.1.2.
125MHz

Hình 2.2. Hai tín hiệu xung “Start – Stop” và tính khoảng cách dùng xung
clock 125MHz.
Khi hai xung tín hiệu “Start” và “Stop” truyền vào trong FPGA thì thiết bị này
sẽ thực hiện chức năng tính toán khoảng cách theo thời gian của hai xung đó. Khi
xung “Start” xuất hiện thì chương trình VHDL bắt đầu đếm theo xung clock
125MHz, quá trình đếm này sẽ kết thúc khi xung “Stop” truyền đến thiết bị. Số đếm
thu được khi đếm từ lúc bắt đầu xung “Start” và kết thúc khi có xung “Stop” cho
biết khoảng thời gian giữa hai xung sau khi nhân với chu kỳ của xung clock
125MHz (tương đương 8ns). Một cửa sổ thời gian sẽ được cài đặt để chương trình
không ghi nhận những khoảng thời gian lớn hơn cửa sổ thời gian, cho phép các
phép đo giới hạn thời gian trùng phùng giữa xung “Start-Stop”. Số đếm cho biết
13

khoảng thời gian giữa hai xung tín hiệu sẽ được truyền đến máy tính thông qua cổng
RS-232. Các giá trị khoảng cách thời gian của hai xung sẽ được ghi nhận và thống
kê thành phổ thời gian tương quan giữa hai xung bằng phần mềm giao tiếp với máy
tính LabVIEW.
Chương trình giao tiếp với máy tính LabVIEW
2.1.3.

Khoảng thời gian giữa hai xung Start-Stop trong FPGA sẽ được xuất ra máy
tính và được ghi nhận bởi một chương trình giao tiếp máy tính LabVIEW
(Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench). Chương trình
LabVIEW có chức năng điều khiển việc đọc và ghi dữ liệu, điều khiển các thông số
thời gian cho cửa sổ thời gian, thời gian đo; hiển thị phổ thời gian. Hình 2.4 là giao
diện của chương trình LabVIEW và chi tiết về các chức năng điều khiển. Với giao
diện này, ta có thể xuất dữ liệu dạng file excel số đếm theo thời gian tương quan
giữa hai tín hiệu hay phổ thời gian tương quan giữa hai tín hiệu.

Hình 2.3. Giao diện của chương trình LabVIEW
Các thông số điều khiển đọc, ghi nhận dữ liệu và hiển thị của giao diện
chương trình LabVIEW:
1) COM: Chọn cổng COM mà thiết bị FPGA kết nối với máy tính.
1
4
3
7
6
5
2
9
8
14

2) STOP: Khi muốn dừng phép đo tại một thời điểm bất kì.
3) TIME (s): Cài đặt thời gian đo.
4) START GATE (ns): Cửa sổ thời gian theo ns.
5) INTERVAL TIME: Hiển thị thời gian tương quan giữa hai xung tín hiệu.
6) START GATE: Hiển thị cửa sổ thời gian đã thiết lập.
7) TIME: Thời gian đo.

8) Dữ liệu truyền lên máy tính (dạng số Hex 64bit).
9) Màn hình hiển thị phổ thời gian.
2.2. Khảo sát hệ phổ kế thời gian
Để kiểm tra khả năng thu nhận và xử lý tín hiệu của hệ phổ kế thời gian trước
khi tiến hành thực nghiệm, ta cho hệ này kết nối với một hệ máy phát xung, xung từ
máy phát xung tạo ra tương tự như xung tín hiệu thu được từ các khối khuếch đại.
Máy phát xung có khả năng tạo ra một lúc được nhiều xung tín hiệu, có thể tạo ra
các xung đơn, xung kép, có thể thay đổi khoảng cách giữa hai xung bất kì, cũng có
thể tạo ra những xung tín hiệu có độ trễ tùy ý so với xung tín hiệu ban đầu bằng một
chương trình VHDL lập trình cho chip FPGA trong máy phát xung.
Máy xuất xung ra theo hai chuẩn: chuẩn NIM và chuẩn TTL. Chuẩn TTL này
tương tự như xung ra từ cổng ICR của khối khuếch đại, vì thế ta chọn chuẩn TTL
làm chuẩn đầu ra để tiến hành khảo sát hoạt động hệ đo.
Hình 2.4 mô tả hình dạng hai xung tín hiệu tạo ra từ máy phát xung theo chuẩn
TTL, hình được minh họa lại bằng cách lấy bộ số liệu file excel thu được từ thiết bị
Oscilloscop và vẽ lại nhờ phần mềm Origin.
15


Hình 2.4. Hai xung tạo ra từ máy phát xung
Xung tạo ra từ máy phát xung có thể điều chỉnh các thông số như: độ rộng của
xung, chu kì phát xung, khoảng cách giữa hai xung tín hiệu,… Trong Hình 2.4 xung
tín hiệu được tạo ra từ mát phát xung có độ rộng là 160ns và độ cao là 2,6V theo
chuẩn TTL. Các bước khảo sát hệ phổ kế thời gian được thực hiện theo sơ đồ sau:

Hình 2.5. Sơ đồ khối thực hiện khảo sát phổ kế thời gian
16

Thực hiện khảo sát hoạt động của hệ đo nhằm kiểm tra khả năng đáp ứng
trong quá trình ghi nhận và xử lý xung tín hiệu của hệ phổ kế thời gian. Yêu cầu đặt

ra của hệ phổ kế thời gian thứ nhất là khả năng xử lý với độ chính xác cao về mặt
đo thời gian giữa hai xung, yêu cầu thứ hai là phải đáp ứng được hiệu suất ghi nhận
và xử lý tín hiệu khi làm việc với các tần số khác nhau tạo ra bởi máy phát xung.
Thay đổi khoảng cách giữa hai xung
2.2.1.
Để kiểm tra độ chính xác trong phép đo thời gian giữa hai xung tín hiệu của hệ
phổ kế thời gian này, ta tiến hành thí nghiệm bằng cách tạo ra hai xung tín hiệu
“Start–Stop” từ máy phát xung với khoảng cách giữa hai xung có thể thay đổi từ
8ns đến 10000ns nhờ lập trình code VHDL với tần số không đổi là 1,5 Hz (giá trị
này gần đúng với tần số của muon trong môi trường). Trong hệ FPGA dùng xung
clock tần số f=125MHz để tính khoảng cách giữa hai xung, khoảng cách nhỏ nhất
giữa hai xung mà hệ có thể phân biệt là: t=1/f=1/125MHz= 8ns. Vì thế giá trị nhỏ
nhất mà ta có thể kiểm tra là 8ns, tương đương một xung clock 125MHz.
Bảng 2.1. Kết quả tương quan giữa khoảng thời gian thiết lập trong code VHDL và
kết quả đo được từ hệ phổ kế thời gian
Thời gian
(ns)
8 500 1000 1500 2000 2500
Kênh 8 494,2 998,5 1502,9 1997,6 2501,9
Thời gian
(ns)
3000 3500 4000 4500 5000 10000
Kênh 2997,1 3500,8 3998,3 4501,3 4998,5 9998,0
Thời gian
(ns)
15000 20000 25000 30000 35000 40000
Kênh 14997,2 19998,1 24997,6 29999,7 34997,9 39997,1
Từ kết quả có được trong Bảng 2.1, sử dụng phần mềm Origin để vẽ và làm
khớp (fit) hàm và kiểm tra độ tuyến tính của phổ thời gian theo khoảng cách giữa
hai xung.

17


Hình 2.6. Đồ thị khảo sát đo thời gian của hệ phổ kế thời gian.
Ta tiến hành làm khớp (fit) các giá trị thu được từ bảng số liệu Bảng 2.1 và
biểu diễn chúng trên đồ thị khảo sát đo thời gian của hệ phổ kế thời gian khi ta thay
đổi giá trị khoảng cách của hai xung tạo ra từ máy phát xung như Hình 2.7. Đường
làm khớp thu được là một đường tuyến tính với phương trình:
y = (-0,858120,65575) + (0,999963,86878.10
-5
).x và hệ số làm khớp R=1.
Từ kết quả khảo sát về mặt đo khoảng cách giữa hai xung tín hiệu tạo ra từ
máy phát xung được lập trình bằng ngôn ngữ lập trình VHDL, ta thấy hệ phổ kế
thời gian có khả năng đáp ứng để thực hiện đo thời gian.
Thay đổi tần số
2.2.2.
Để kiểm tra tốc độ ghi nhận hệ phổ kế thời gian ta tiến hành kiểm tra bằng
cách thay đổi tần số của máy phát xung, việc thay đổi tần số tức là làm thay đổi số
xung tín hiệu tạo ra trong một đơn vị thời gian, từ đó ta kiểm tra được hệ hoạt động
tốt đối với tần số nào. Khi tăng tần số lên cao thì hệ phổ kế thời gian có đáp ứng kịp
số đếm từ máy phát xung tạo ra… Trong khi thay đổi tần số ta cố định khoảng cách
về mặt thời gian của hai xung là 2200ns.
18

Bảng 2.2. Khảo sát hiệu suất ghi nhận của hệ phổ kế thời gian khi thay đổi tần số
tạo xung từ máy phát xung.
Tần số (Hz) 0,2 0,4 0,7 1,5 3 6
Số đếm/s 0,2 0,4 0,7 1,5 3 6
Tần số (Hz) 11,9 23,8 47,7 95,4 190,7 381,5
Số đếm/s 11,9 23,9 47,8 95,5 134,8 146,7

Trên code VHDL ta cài đặt các giá trị cho tần số thay đổi từ 0,2Hz đến
381,5Hz. Thực hiện tuần tự phép đo đối với từng giá trị tần số trong code ta sẽ thu
được kết quả được biểu diễn trên đồ thị Hình 2.7.

Hình 2.7. Đồ thị biểu diễn phổ thời gian khi thay đổi tần số phát xung
Từ kết quả thu được tổng hợp ở bảng đồ thị, ta nhận thấy rằng tốc độ ghi nhận
của hệ phổ kế thời gian tuyến tính với tần số xung dưới 100Hz.
Trong chương này chúng ta đã xây dựng hệ phổ kế thời gian bằng lập trình
VHDL cho board mạch FPGA dùng xung clock 125MHz và tiến hành khảo sát khả
năng đáp ứng của với việc thay đổi khoảng cách hai xung và tần số xung tạo ra từ
19

máy phát xung. Kết quả khảo sát cho thấy hệ phổ kế thời gian hoạt động ổn định,
đáp ứng tốt với sự thay đổi khoảng cách hai xung, tốc độ ghi nhận dưới 100Hz, có
thể dùng hệ đo này để đo hạt muon vũ trụ.


20

CHƯƠNG 3
THỰC NGHIỆM KHẢO SÁT SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA MUON ĐẾN
PHỔ PHÔNG CỦA HỆ PHỔ KẾ GAMMA PHÔNG THẤP HPGE
3.1. Bố trí thí nghiệm
Thí nghiệm khảo sát sự ảnh hưởng của muon đến phổ phông của hệ phổ kế
gamma phông thấp HPGe được lắp đặt tại Bộ môn vật lý hạt nhân, khoa Vật lý,
Trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên, Đại học Quốc Gia TPHCM. Hệ đo được bố
trí gồm có hai detector: một detector plastic và một detector HPGe của hệ phổ kế
gamma được đặt trong buồng chì, hai bộ nguồn cao thế, hai khối khuếch đại, thiết bị
FPGA và phần mềm LabVIEW được cài đặt trên máy tính. Detector Plastic đặt trên
nắp buồng chì và song song với mặt đất cách detector HPGe 37cm trong trạng thái

trùng phùng với detector HPGe.
Bức xạ vũ trụ tương tác với hệ hai detector trùng phùng với một cửa sổ thời
gian xác định. Detector nhấp nháy Plastic có thể ghi nhận bất kì hạt nào tạo đủ ánh
sáng nhấp nháy để gây ra tín hiệu. Các hạt này có thể là hạt mang điện như electron,
muon hoặc trung hòa như photon tạo ra các hạt mang điện khi chúng tương tác với
chất nhấp nháy. Như vậy trong quá trình phân rã của hạt muon, detector sẽ không
phân biệt được tín hiệu nào là tín hiệu do hạt muon gây ra hay do các hạt khác gây
ra. Vì vậy detector sẽ ghi nhận tất cả, tín hiệu của các hạt khác muon đóng vai trò
của phông nền, nó sẽ ảnh hưởng đến kết quả. Để loại bỏ tín hiệu do các hạt này gây
ra ta có thể ước tính mức phông nền trong đồ thị thời gian phân hủy bằng cách đặt
detector Plastic bên cạnh buồng chì và cùng độ cao với detector HPGe để đo phổ
phông nền (phổ thời gian tương quan giữa 2 dectector).
Khi muon tương tác với detector Plastic sẽ để năng lượng trên detector này
và gây ra tín hiệu điện, bộ khuếch đại sẽ khuếch đại tín hiệu này và tạo ra xung
vuông (chuẩn TTL) khi xung vào bộ khuếch đại lớn hơn mức ngưỡng (xung Start).
Sau đó muon có thể phân rã thành electron, positron, neutron và gây ra tín hiệu trên
detector HPGe, bộ khuếch đại phổ khuếch đại tín trước khi đưa vào MCA. Hệ MCA
sẽ ghi nhận phổ năng lượng để lại trên detector HPGe và cho biết tổng số đếm