quả nghiên cứu, thiết kế và chế tạo máy phân tích biên độ đa kênh (MCA) cho thiết bị quan trắc cảnh báo phóng xạ môi trường

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN KĨ THUẬT HẠT NHÂN

LỜI CẢM ƠN
Hoàn thành đồ án này, em đã được sự giúp đỡ, chỉ dạy, tạo điều kiện
từ các thầy, cô ở nhà trường, từ TS Đặng Quang Thiệu và Ks Nguyễn Văn Sỹ
cùng toàn thể ban lãnh đạo, nhân viên tại trung tâm chiếu xạ Hà Nội – Viện
Năng lượng nguyên tử Việt Nam cùng sự động viên to lớn của người thân.
Trước tiên, em xin cảm ơn TS Đặng Quang Thiệu và Ks Nguyễn Văn
Sỹ. Hai thầy đã trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ tận tình em trong quá trình thực
tập và nghiên cứu đề tài này.
Em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy, các cô trong viện Kỹ thuật
Hạt nhân & Vật lý Môi trường đã tận tình giảng dạy, chỉ bảo trong mấy năm
học qua, đã giúp cho chúng em có những nền tảng kiến thức vững chắc để
chúng em có thể hoàn thành nghiên cứu thật tốt, không những thế đây còn là
nền móng vững chắc cho cho công việc và tương lai của chúng em sau này.
Em gửi lời cảm ơn tới toàn thể các thầy, cô, tập thể cán bộ trong
trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã luôn cổ vũ, động viên từ khi em bỡ ngỡ
đặt những bước chân đầu tiên vào cổng trường đại học cho đến tận ngày hôm
nay, cho em môi trường học tập tốt, tiếp thu được nhiều kiến thức không chỉ
trong sách vở.
Cuối cùng em cũng xin cảm ơn toàn thể ban lãnh đạo và nhân viên tại
trung tâm chiếu xạ Hà Nội – Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam đã luôn
tạo điều kiện tốt nhất, giúp đỡ cho em trong quá trình làm đồ án này.
Hà Nội, tháng 6 năm 2014
Sinh viên
NguyễnTuấn Anh

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

1


ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN KĨ THUẬT HẠT NHÂN

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

Từ viết tắt

Tên tiếng anh

Tên tiếng việt

ADC

Analog to Digital

Bộ biến đổi tương tự

Converter

thành số

CPU

Central Processing Unit

Vi xử lý

MCA

Multichannel analysers

Phân tích biên độ đa
kênh

RAM

Random access memory

Bộ nhớ tạm thời

ROM

Read-only memory

Bộ nhớ đệm

PC

Personal Computer

Máy tính cá nhân

SCA

Single channel analyser

Máy phân tích đơn kênh

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

2


ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN KĨ THUẬT HẠT NHÂN

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN .................................................................................................. 1
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ......................................................................... 2
MỤC LỤC ........................................................................................................ 3
DANH MỤC HÌNH ẢNH VÀ BẢNG BIỂU ................................................ 7
NỘI DUNG .................................................................................................... 11
CHƯƠNG I .................................................................................................... 11
TỔNG QUAN VỀ HỆ PHÂN TÍCH BIÊN ĐỘ ĐA KÊNH...................... 11
1.

Hệ phân tích đa kênh (MCA) là gì. ..................................................... 11

2.

Hệ phân tích biên độ đa kênh dùng làm gì ........................................ 11

3.

Các kiểu MCA thường dùng ................................................................ 11

3.1 MCA phân tích biên độ ........................................................................ 11
3.2 MCA phân tích thời gian ...................................................................... 13
4.

Cấu trúc cơ bản của MCA ................................................................... 14

5.

Các đặc trưng cơ bản của MCA .......................................................... 15

5.1 Số kênh mã hoá (độ rộng kênh) ........................................................... 15
5.2 Độ phi tuyến tích phân.......................................................................... 15
5.3 Độ phi tuyến vi phân ............................................................................. 15
6

Đánh giá chất lượng của MCA ............................................................ 16

6.1 Độ phân giải của MCA ......................................................................... 16
6.2 Thời gian biến đổi ................................................................................. 17
6.3 Độ phi tuyến tích phân.......................................................................... 17

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

3


ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN KĨ THUẬT HẠT NHÂN

6.4 Độ phi tuyến vi phân ............................................................................. 18
7

Các thế hệ phân tích máy biên độ đa kênh ......................................... 19

8

Cấu tạo MCA sử dụng bộ nhớ. ............................................................ 22

9

Chức năng và cấu tạo của các khối chính trong MCA. ..................... 23

9.1 Khối ADC: ............................................................................................. 23
9.1.1Chức năng:............................................................................................. 23
9.1.2Các kiểu ADC: ....................................................................................... 23
9.1.3Cấu tạo ADC Wilkinson. ...................................................................... 24
9.2 Chức năng vào cấu tạo của bộ nhớ...................................................... 25
9.2.1Chức năng:............................................................................................. 25
9.2.2Cấu tạo: .................................................................................................. 25
9.2.3Tìm hiểu về bộ nhớ trong MCA Canberra series 30 ......................... 26
9.3 Khối hiển thị. ......................................................................................... 30
CHƯƠNG II .................................................................................................. 33
THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY PHÂN TÍCH BIÊN ĐỘ ĐA KÊNH ... 33
1

Mục tiêu : ............................................................................................... 33

2

Giải pháp : ............................................................................................. 33

3

Sơ đồ khối máy phân tích biên độ đa kênh......................................... 35

3.1 Thiết kế bộ khuếch đại phổ cho MCA ................................................ 35
3.1.1Yêu cầu thiết kế của bộ khuếch đại phổ ............................................. 35
3.1.2Cấu tạo và sơ đồ nguyên lý của khuếch đại phổ ................................ 36
3.2 Thiết kế bộ biến đổi ADC trong MCA ............................................... 46
3.2.1Yêu cầu thiết kế của bộ biến đổi ADC ................................................ 46
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

4


ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN KĨ THUẬT HẠT NHÂN

3.2.2Sơ đồ khối của ADC .............................................................................. 47
3.2.3Chức năng chính của từng khối ........................................................... 48
3.2.4Nguyên lí hoạt động của bộ biến đổi ADC.......................................... 49
3.2.4.1

Sơ đồ nguyên lí bộ biến đổi ADC ................................................. 49

3.2.4.2

Sơ đồ nguyên lí hoạt động của mạch so sánh ngưỡng ............... 50

3.3 Cấu tạo của bộ vi xử lí trong MCA ..................................................... 56
3.3.1Mục tiêu lựa chọn chip vi xử lý phù hợp ............................................ 56
3.3.4Sơ đồ khối của MCA dùng chip vi xử lý EZUSB AN2131 ................ 58
3.3.5Sơ đồ nguyên lí bộ vi xử lý trong MCA .............................................. 60
4.1 Sơ đồ nguyên lí của MCA hoàn chỉnh................................................. 61
4.2 Thiết kế mạch in .................................................................................... 63
4.3 Lắp ráp mạch........................................................................................ 64
5

Kiểm tra sản phẩm ................................................................................ 67

5.1 Kiểm tra bộ khuếch đại phổ ................................................................. 67
5.2 Kiểm tra bộ biến đổi ADC.................................................................... 70
5.2.1Khảo sát hoạt động của so sánh ngưỡng của bộ biến đổi ADC ........ 70
5.2.2Khảo sát độ phi tuyến tích phân của bộ biến đổi ADC ..................... 70
5.2.3Độ phi tuyến vi phân của bộ biến đổi ADC ........................................ 75
5.3 Thông số đầu đầu ra ở các khối của MCA ......................................... 76
5.3.1Thông số đầu ra của bộ khuếch đại..................................................... 76
5.3.2Thông số đầu ra của bộ biến đổi ADC ................................................ 77
Chương III ..................................................................................................... 78
VIẾT PHẦN MỀM CHO MCA ................................................................... 78
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

5


ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

1

VIỆN KĨ THUẬT HẠT NHÂN

Phần mềm giao diện với máy tính của MCA sử dụng labView ........ 78

1.1 Sơ lược về phần mềm labView ............................................................. 78
1.2 Các thành phần của labview ứng dụng ............................................... 79
1.3 Các hàm cơ bản của Labview .............................................................. 79
1.4 Phần mềm ngôn ngữ labView sử dụng trong MCA .......................... 84
KẾT LUẬN .................................................................................................... 86
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 87

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

6


ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN KĨ THUẬT HẠT NHÂN

DANH MỤC HÌNH ẢNH VÀ BẢNG BIỂU
Hình 1.1. Thiết bị phân tích biên độ trong chế độ PHA .............................. 12
Hình 1.2. Thiết bị phân tích thời gian trong chế độ MCS ........................... 13
Hình 1.3. Sơ đồ khối của MCA ..................................................................... 14
Hình 1.4. Hệ biên độ xác định thời gian xử lý tín hiệu................................ 17
Hình 1.5. Hệ xác định độ phi tuyến tích phân.............................................. 18
Hình 1.6. Hệ thiết bị xác định độ phi tuyến vi phân .................................... 19
Hình 1.7. Máy phân tích biên độ đa kênh MCA series 40 của CANBERRA

......................................................................................................................... 20
Hình 1.8. Card MCA ASA-100 cắm vào slot máy vi tính của CANBERRA 20
Hình 1.9. InSpector 2000 – Máy phân tích đa kênh ghép với máy vi tính
dựa trên công nghệ DSP ................................................................................ 21
Hình 1.10. Sơ đồ khối của MCA sử dụng bộ nhớ ........................................ 22
Hình 1.11. Sơ đồ khối và giản đồ thời gian của ADC Wilkinson ................ 24
Hình 1.12. Tổ chức bộ nhớ 1024 kênh, 106 số đếm trên một kênh ............. 25
Hình 1.13. Sơ đồ khối tổ chức bộ nhớ trong MCA Canberra Series 30 .... 26
Hình 1.14. Tổ chức bộ nhớ MCA Canberra C30 ......................................... 28
Hình 1.15. Tổ chức bộ nhớ của digit D8....................................................... 29
Hình 1.16. Màn hình hiển thị ........................................................................ 30
Hình 1.17. Hiển thị nội dung nhớ ................................................................. 30
Hình 1.18. Ma trận hiển thị kí tự: a) Ma trận cơ bản 7 hàng 5 cột, b) Tín
hiệu video cho cột đầu tiên, c) Hiển thị ký tự 2 ........................................... 31
Hình 1.19. Bộ phát ký tự ................................................................................ 31

Hình 2.1. Sơ đồ khối của máy phân tích biên độ đa kênh ........................... 35
Hình 2.2. Sơ đồ khối khuếch đại phổ ........................................................... 36

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

7


ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN KĨ THUẬT HẠT NHÂN

Hình 2.3. Sơ đồ nguyên lí mạch khuếch đại................................................. 38
Hình 2.4. Dạng xung vào của mạch khuếch đại .......................................... 39

Hình 2.5. Mạch vi phân tín hiệu vào và khử điểm không ........................... 40
Hình 2.6. Dạng xung qua mạch vi phân tín hiệu và khử điểm không ........ 40
Hình 2.7. Mạch khuếch đại điều chỉnh hệ số bằng biến trở........................ 41
Hình 2.8. Dạng xung qua khối khuếch đại đảo pha .................................... 42
Hình 2.9. Dạng xung đi qua mạch khuếch đại không đảo pha ................... 42
Hình 2.10. Mạch tạo dạng tín hiệu ............................................................... 43
Hình 2.11. Dạng xung đi qua mạch tạo dạng............................................... 44
Hình 2.12. Mạch khuếch đại số..................................................................... 45
Hình 2.13. Dạng xung đi qua mạch khuếch đại số ...................................... 45
Hình 2.14. Sơ đồ khối của ADC .................................................................... 47
Hình 2.15. Sơ đồ nguyên lí ADC ................................................................... 49
Hình 2.16. Sơ đồ nguyên lý mạch so sánh ngưỡng ...................................... 50
Hình 2.17. Dạng xung vào để phân tích ....................................................... 51
Hình 2.18. Dạng xung của ngưỡng thấp ...................................................... 52
Hình 2.19. Dạng xung của ngưỡng cao........................................................ 53
Hình 2.20. Dạng xung cổng GATE ở mức thấp ........................................... 54
Hình 2.21. Dạng xung giữ đỉnh .................................................................... 54
Hình 2.22. Mạch điều khiển logic và ADC ................................................... 55
Hình 2.23. Sơ đồ chân của AD7472 .............................................................. 56
Hình 2.24. Sơ đồ khối MCA sử dụng vi xử lý EZUSB AN2131 .................. 58
Hình 2.25. Sơ đồ nguyên lí của bộ vi xử lý ................................................... 60
Hình 2.26. Sơ đồ nguyên lí MCA. ................................................................. 62
Hình 2.27. Sơ đồ mạch in .............................................................................. 63
Hình 2.28. Sơ đồ lắp ráp MCA ...................................................................... 65
Hình 2.29. Mạch MCA hoàn thiện................................................................ 66
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

8

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN KĨ THUẬT HẠT NHÂN

Hình 2.30. Vi phân lối vào và khử điểm không ............................................ 67
Hình 2.31. Tầng khuếch đại thứ nhất và dạng xung ................................... 68
Hình 2.32. Tầng khuếch đại thứ hai và dạng xung ..................................... 68
Hình 2.33. Mạch tạo dạng xung Gauss ........................................................ 69
Hình 2.34. Tầng khuếch đại điều khiển số ................................................... 69
Hình 2.35. Tạo đường cơ sở và tăng công suất lối ra .................................. 69
Hình 2.36. Đồ thị phi tuyến tích phân .......................................................... 71
Hình 2.37. Khảo sát độ phi tuyến tích phân ................................................. 72
Hình 2.38. Tính toán độ phi tuyến tích phân ............................................... 74
Hình 2.39. Độ phi tuyến vi phân ................................................................... 75
Hình 2.40. Đồ thị phi tuyến vi phân .............................................................. 76

Hình 3.1. Bảng các hàm chức năng.............................................................. 80
Hình 3.2. Bảng các hàm file-I/O ................................................................... 81
Hình 3. 3. Bảng các hàm Time & Dialog ..................................................... 81
Hình 3.4. Bảng của hàm String..................................................................... 82
Hình 3.5. Bảng của hàm Analyze .................................................................. 83
Hình 3.6. Phần mềm labView điều khiển MCA ........................................... 84

Bảng 1.1. Chức năng của kênh ..................................................................... 27
Bảng 1.2. Bảng lựa chọn các dòng MD4, MD2 và MD1 ............................. 27

Bảng 2.1. Thông số các chip ADC ................................................................ 34
Bảng 2.2. Thông số giữa biên độ xung đầu vào và số kênh ........................ 71
Bảng 2. 3. Thống số tương quan giữa số kênh thực tế và kênh lý tưởng ... 73

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

9


ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN KĨ THUẬT HẠT NHÂN

MỞ ĐẦU
Các kĩ thuật ghi đo bức xạ được phát triển không ngừng kể từ khi hiện tượng
phóng xạ được phát hiện bởi Becquerel vào năm 1896 đến nay. Vấn đề ghi đo
bức xạ cực kì quan trong trong các lĩnh vực liên quan đến hạt nhân. Các đầu
dò phóng xạ sẽ ghi nhận các tia phóng xạ từ môi trường bên ngoài. Nên chúng
ta cần một thiết bị để xử lý các tín hiệu mà đầu dò ghi được để có thể xác định
được phổ năng lượng bức xạ. Vì vậy máy đo phổ biên độ được ra đời để giải
quyết việc xử lý tín hiệu bức xạ.
Các thiết bị ghi đo bức xạ được phát triển không ngừng. Ban đầu để đo
phổ vi phân ta sử dụng máy phân tích biên độ đơn kênh (Single-Channel
Analyzer – SCA). Tuy nhiên, nhược điểm của SCA là tốn rất nhiều thời gian.
Hệ phân tích biên độ đa kênh (MultiChannel Analyzer – MCA) ra đời đã khắc
phục được nhược điểm của SCA. Hệ phân tích biên độ đa kênh cho phép ta
thu được hình ảnh phổ bức xạ gamma một cách trực quan và nhanh chóng.
Nhờ những ưu điểm vượt trội trong việc phân tích phổ bức xạ, MCA được coi
là thiết bị chủ lực trong việc nghiên cứu và thí nghiệm về vật lý hạt nhân.
Trong khuôn khổ đồ án tốt nghiệp của mình, Tôi sẽ đi vào nghiên cứu,
thiết kế và chế tạo một máy phân tích biên độ phổ đa kênh sử dụng trong quan
trắc cảnh báo phóng xạ môi trường. Thiết bị sau khi được hoàn thiện sẽ dùng
để phân tích bức xạ, phóng xạ môi trường.
Trong đồ án của mình tôi xin trình bày kiết quả nghiên cứu, thiết kế và chế

tạo máy phân tích biên độ đa kênh (MCA) cho thiết bị quan trắc cảnh báo
phóng xạ môi trường. Nội dung của đồ án bao gồm:
Chương I: Tổng quan về hệ phân tích biên độ đa kênh (MCA).
Chương II: Thiết kế và chế tạo hệ phân tích biên độ đa kênh.
Chương III: Viết phần mềm sử dụng trong hệ phân tích biên độ đa kênh.
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

10


ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN KĨ THUẬT HẠT NHÂN

NỘI DUNG
CHƯƠNG I
TỔNG QUAN VỀ HỆ PHÂN TÍCH BIÊN ĐỘ ĐA
KÊNH
1.

Hệ phân tích đa kênh (MCA) là gì.
Hệ phân tích đa kênh (MCA) là một hệ tích luỹ và xử lý số liệu hạt nhân,

nó cung cấp phương pháp nhanh và kinh tế để phân tích và biểu diễn phổ biên
độ xung (Trục Y là trục đếm, trục X là năng lượng) cho các nguyên tố phóng
xạ.
2.

Hệ phân tích biên độ đa kênh dùng làm gì
Hệ phân tích biên độ đa kênh dùng để xác định phổ năng lượng của một

loại bức xạ nào đó không chỉ cho phép ứng dụng tia bức xạ đó mà còn cho
phép hiểu biết bản chất của các bức xạ, nguồn gốc của tia và cấu trúc vật chất
mà tia đi qua.
Để nghiên cứu phân bố năng lượng của các nguồn đơn năng lượng ta có
thể dùng thiết bị phân tích tích phân hoặc thiết bị phân tích đơn kênh (SCA),
còn đối với các nguồn đa năng lượng nên dùng các thiết bị đa kênh (MCA).
3.

Các kiểu MCA thường dùng
MCA có hai chế độ làm việc: Kiểu PHA (The pulse height analysis) được

sử dụng rộng rãi trong năng phổ hạt nhân (Trục Y là số đếm, trục X là năng
lượng), kiểu thứ hai là đếm thời gian (Multichannel scaling-MCS).
3.1

MCA phân tích biên độ
Phân tích biên độ xung (PHA) được sử dụng rộng rãi trong năng phổ hạt

nhân (Trục Y là số đếm, trục X là năng lượng), khối nhớ chứa n từ (n là số

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

11


ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN KĨ THUẬT HẠT NHÂN

kênh ADC), w là độ dài từ, số đếm có thể của mỗi một kênh trong biểu diễn
nhị phân là ( 2w-1) và w/4 số thập phân trong biểu diễn BCD thông thường
đến triệu số đếm.
Sau khi biến đổi, lối ra số của ADC như là địa chỉ của bộ nhớ, nội dung
của ô nhớ này được gọi ra thanh ghi số học, nội dung thanh ghi tăng thêm một
(+1) và được ghi ngay vào ô nhớ vừa được đọc ra, kết thúc chu trình tích lũy;
trong chu trình biểu diễn thanh ghi địa chỉ ô nhớ được quét tăng dần (+1) bắt
đầu từ không, nội dung thanh ghi địa chỉ đồng thời chỉ địa chỉ ô nhớ và đưa
đến bộ DAC điều khiển làm lệch trục X của màn hình chỉ thị, nội dung ô nhớ
được đọc ra thanh ghi số học và DAC tạo tín hiệu làm lệch trục Y của màn
hình chỉ thị.

Hình 1.1. Thiết bị phân tích biên độ trong chế độ PHA

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

12


ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

3.2

VIỆN KĨ THUẬT HẠT NHÂN

MCA phân tích thời gian
MCA đếm thời gian (Multichannel scaling-MCS) được sử dụng để xác

định thời gian sống của các đồng vị phóng xạ có thời gian sống ngắn, khi đó
sử dụng lối ra SCA của ADC, mỗi kênh dành cho một đoạn thời gian, trong

các khe thời gian này ô nhớ như một bộ đếm tích lũy các xung từ SCA. Các
kênh nhớ được cho phép đếm liên tục bắt đầu từ kênh thấp lên kênh cao. Khi
chỉ thị số đếm trong ô nhớ đến bản lệch Y qua DAC (trục Y), trục X tương
ứng với thời gian. Sơ đồ khối trình bày trên hình sau:

Hình 1.2. Thiết bị phân tích thời gian trong chế độ MCS

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

13


ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

4.

VIỆN KĨ THUẬT HẠT NHÂN

Cấu trúc cơ bản của MCA

Hình 1.3. Sơ đồ khối của MCA
Gồm mạch lối vào (các mạch phân biệt ngưỡng, mạch căng xung), ADC
(có thể ADC Wilkinson, ADC Flash, ADC xấp xỉ liên tiếp), mạch điều khiển
trung tâm CPU (có thể logic cứng, có thể trên mạch vi xử lý), có bộ nhớ
RAM, ROM cho hoạt động của CPU, có bàn phím điều khiển, ghép nối với vi
tính PC (có thể song song hoặc nối tiếp RS232 hoặc USB), bộ nhớ phổ (có
thể dành riêng cho phổ hoặc sử dụng bộ nhớ RAM chung, mạch biểu diễn
trên màn hình).

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

14


ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

5.

Các đặc trưng cơ bản của MCA

5.1

Số kênh mã hoá (độ rộng kênh)

VIỆN KĨ THUẬT HẠT NHÂN

Thông thường lối vào tương tự của các ADC khoảng từ giá trị min vài
trăm mv đến giá trị max hàng chục von; lối ra số N từ 1K đến 8K; độ rộng
kênh (đơn vị số hóa- lượng tử hóa) được tính như sau:
ΔU = ( U max - U min )/ N
5.2

Độ phi tuyến tích phân
Trong thực tế đường biến đổi không tuyến tính ( Hàm số tương quan giữa

thế vào và số kênh ra không tuyến tính) N = f (U) không phải là hàm bậc nhất
đơn giản. Sự sai khác này gây ra độ phi tuyến tích phân, độ phi tuyến tích
phân cho phép biến đổi từng kênh được tính theo công thức sau:
ηtp= (Ui – U’i )/ Ui
Ui: là giá trị biên độ lý tưởng, biến đổi tuyệt đối tuyến tính

U’i : là giá trị biên độ biến đổi thực.
Độ phi tuyến tích phân của toàn phổ được lấy giá trị max của giá trị
lệch từng kênh, và được tính theo công thức sau:
ηtpmax = (Ui – U’i ) max/ Ui .
Độ phi tuyến tích phân của các ADC ηtp thông thường có giá trị từ
0,5% đến 0,05%.
5.3

Độ phi tuyến vi phân
Độ phi tuyến vi phân đánh giá độ đồng nhất của độ rộng các cửa sổ

năng lượng (độ rộng kênh), được tính theo công thức sau:
ηvpmax = ( ΔUimax – ΔUo)/ ΔUo
ở đây ΔUi max là độ rộng kênh lớn nhất tìm thấy, ΔUo là độ rộng kênh
trung bình của phép biến đổi.
Tham số này rất quan trọng trong các bài toán xác định hoạt độ các
đồng vị phóng xạ qua bài toán phân tích phổ năng lượng.
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

15


ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN KĨ THUẬT HẠT NHÂN

Độ phi tuyến vi phân của các ADC ηvp thông thường có giá trị từ 0.2%
đến 2%
5.4

Thời gian biến đổi
Tham số này rất quan trọng khi lựa chọn loại ADC cho các bài toán

khác nhau, nó có giá trị từ vài chục ns đến vài trăm μs tùy theo loại ADC.
Đối với Ramp ADC (Wilkinson ADC thời gian biến đổi tính theo công
thức sau tbđ= N.T ở đây N là số kênh biến đổi, T là chu kỳ máy phát nhịp).
Đối với ADC gần đúng liên tiếp tùy theo số bit của ADC ví dụ như
ADC 4K là 12 bit có thời gian biến đổi theo công thức sau:
Tbđ= P.T ở đây P là số bit, T là chu kỳ máy phát nhịp.
Đối với ADC biến đổi trực tiếp (Flash ADC) thời gian biến đổi không
phụ thuộc số kênh, số bit biến đổi mà tùy thuộc độ phản ứng của vi mạch cấu
tạo ADC.
6

Đánh giá chất lượng của MCA

6.1

Độ phân giải của MCA
Độ phân giải (lưu ý đây không phải là độ phân giải của phổ năng lượng

của toàn hệ gồm cả đầu dò mà ở đây chỉ riêng hệ điện tử MCA), nên ở đây độ
phân giải chính là số kênh của MCA. Để đánh giá nó sử dụng tín hiệu từ máy
phát xung biên độ chính xác, trên phổ biên độ chỉ có một kênh được ghi, cùng
lắm là hai kênh (trong trường hợp biên độ máy phát xung chính xác nằm ở
đường ranh giới hai kênh), nếu có 3 kênh trở lên thì MCA có độ phân giải 2K,
ta tiếp tục giảm hệ số biến đổi để nhận được phổ chỉ nhỏ hơn hai kênh đó
chính là độ phân giải của MCA.

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

16


ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

6.2

VIỆN KĨ THUẬT HẠT NHÂN

Thời gian biến đổi
Thời gian biến đổi của MCA là thời gian xử lý tín hiệu bao gồm thời

gian biến đổi của ADC (đối với ADC xấp xỉ liên tiếp là cố định, đối với ADC
Wilkinson phụ thuộc biên độ xung vào) và thời gian chuyển số liệu vào bộ
nhớ phổ. Thông thường giá trị bé hơn 100 μs. Để đo thời gian này sử dụng
cấu hình sau:

Hình 1.4. Hệ biên độ xác định thời gian xử lý tín hiệu
Máy phát xung kép TTL khoảng cách 2 xung có thể thay đổi từ khoảng
200 μs, tần số lặp lại xung kép 1.000 Hz. Xung kép này khởi phát máy phát
xung hạt nhân, tín hiệu này tiếp tục được khuếch đại và tạo dạng qua khối
khuếch đại phổ độ rộng xung tạo dạng khoảng 1μs, biên độ bằng tín hiệu max
của ADC. Trong quá trình kiểm tra từng bước giảm khoảng cách hai xung kép
chừng nào MCA coi xung kép như một xung thì dừng lại, khoảng cách hai
xung kép chính là thời gian xử lý của MCA.
6.3

Độ phi tuyến tích phân
Độ phi tuyến tích phân biểu hiện sự thay đổi tương đối giữa giá trị biên

độ đo được và giá trị biến đổi lý tưởng, biểu diễn bởi công thức sau:
ηtp= ( Ui-U’i )/ Ui
Ở đây Ui là biên độ lý tưởng còn Ui’ là giá trị đo đươc. Thông thường
giá trị này nhỏ hơn 0,1 %.

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

17


ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN KĨ THUẬT HẠT NHÂN

Hình 1.5. Hệ xác định độ phi tuyến tích phân
Để xác định độ phi tuyến tích phân sử dụng hệ thiết bị như hình trên
gồm máy phát biên độ chính xác, khuếch đại phổ và hệ MCA. Quá trình đánh
giá như sau:
Đặt chuyển mạch thô của máy phát vị trí số 9, tần số phát 1000 HZ, xác
lập MCA chế độ 4 K, tạo dạng xung 10μs, thay đổi hệ số khuếch đại để peak
rơi vào kênh khoảng 90% toàn thang, đo trong 10s, chuyển mạch xuống vị trí
số 8 đo trong 10s, cứ tiếp tục như vậy đến vị trí 0 ta thu được 10 peak. Ta thấy
rằng khoảng cách các peak sẽ không đồng đều vì độ phi tuyến tích phân.
Đánh giá phi tuyến tích phân theo công thức sau:
ηtp= (Δd max/d). 100%
Δd max: Là độ lệch cực đại khoảng cách các peak.
d: Là tổng số kênh trong MCA.
6.4

Độ phi tuyến vi phân
Độ phi tuyến vi phân chỉ ra độ lệch tương đối của độ rộng kênh xác

định theo biểu thức sau:
ηvp = (ΔUi-ΔUo)max/(ΔUo). 100%
Ở đây ΔUi là độ rộng kênh thứ i, ΔUo là độ rộng kênh trung bình. Giá
trị ηvp thông thường từ 0,5 đến 2%. Để xác định độ phi tuyến vi phân sử dụng
hệ thiết bị như sau:

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

18


ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN KĨ THUẬT HẠT NHÂN

Hình 1.6. Hệ thiết bị xác định độ phi tuyến vi phân
Máy phát xung RAMP đưa vào lối REF của máy phát biên độ chính
xác, máy phát biên độ chính xác phát tần số 10.000 Hz, khuếch đại tạo dạng
cho xung ra độ rộng 3μs, biên độ lựa chon để có thể quét từ 10% phổ đến
90% phổ, tích lũy số liệu để cho nội dung mỗi một kênh khoảng 50.000 số
đếm để bảo đảm sai số thống kê bé, độ phi tuyến vi phân được tính theo công
thức sau:
ηvp = ((Nm-Na)/Na) .100%
Ở đây Nm số đếm cực đại hay cực tiểu trong một kênh, Na là số đếm trung
bình trong các kênh.
7

Các thế hệ phân tích máy biên độ đa kênh
Máy phân tích biên độ đa kênh đã trải qua nhiều thế hệ khác nhau, đầu

tiên là các MCA sử dụng bộ nhớ, ví dụ như MCA serries 30, 40 của
CANBERRA.

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

19


ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN KĨ THUẬT HẠT NHÂN

Hình 1.7. Máy phân tích biên độ đa kênh MCA series 40 của CANBERRA
Sau đó MCA được sản xuất ở dạng các card, các khối ghép với máy vi
tính. Card MCA ghép với máy vi tính qua các cổng giao tiếp như cổng song
song, cổng nối tiếp, cổng USB.

Hình 1.8. Card MCA ASA-100 cắm vào slot máy vi tính của CANBERRA

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

20


ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN KĨ THUẬT HẠT NHÂN

Cuối cùng là thế hệ máy phân tích đa kênh tiên tiến dựa trên công nghệ
DSP (Digital Signal Processing). Tín hiệu từ tiền khuếch đại được xử lý bằng
phương pháp số (DSP), tính không ổn định của phương pháp tương tự được
loại bỏ. Độ trôi các thông số theo nhiệt độ và thời gian bị loại bỏ, các thông số
đó như là hệ số khuếch đại, đường cơ bản. InSpector 2000 của Canberra là
một máy phân tích biên độ đa kênh dựa trên công nghệ DSP.

Hình 1.9. InSpector 2000 – Máy phân tích đa kênh ghép với máy vi tính
dựa trên công nghệ DSP

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

21


ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

8

VIỆN KĨ THUẬT HẠT NHÂN

Cấu tạo MCA sử dụng bộ nhớ.
Sơ đồ khối và mô tả sơ lược hoạt động của MCA:

Hình 1.10. Sơ đồ khối của MCA sử dụng bộ nhớ
 Các khối chính trong MCA:


Khối bộ nhớ.



Khối ADC.



Khối AS (address scaler) thanh ghi địa chỉ.



Khối đếm.



Khối hiển thị.



Khối nguồn nuôi.



Khối logic điều khiển.
 Sơ lược hoạt dộng của MCA sử dụng bộ nhớ:



Xung vào MCA thường được lấy từ khối khuếch đại với biên độ U được
khối ADC biến đổi thành tin tức số.



Tin tức số này được ghi nhớ ở thanh ghi địa chỉ (AS) và một ô nhớ i
(hàng, cột) được chọn lựa.



Từ ô nhớ AS sẽ chỉ ra ô nhớ i (hàng, cột).



Đọc nội dung của ô nhớ i đa có ra khối đếm.
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

22


ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN KĨ THUẬT HẠT NHÂN



Cộng thêm 1 vào nội dung ô nhớ vừa đọc.



Ghi nội dung mới từ khối đếm cộng 1 trở lại ô nhớ i.



Các khối DACx biến đổi tin tức số từ than ghi địa chỉ hiển thị các kênh
của MCA, khối DACy biến đổi tin tức số về số đếm của kênh để hiển thị
xung.



Khối logic điều khiển sẽ điều khiển toàn bộ hoạt động của MCA.



Khối nguồn nuôi cung cấp các mức điện áp thấp cho các khối.
Quá trình này được lặp lại nhiều lần. Khi kết thúc, bộ nhớ của MCA chứa

thông tin theo xác suất rơi vào các kênh của xung. Nếu biên độ xung tỉ lệ với
năng lượng của bức xạ, bộ nhớ sẽ chứa phổ năng lượng. Sau đó tín hiệu sẽ
được đưa ra khối hiển thị.
9 Chức năng và cấu tạo của các khối chính trong MCA.
9.1

Khối ADC:

9.1.1 Chức năng:
Biến đổi các xung vào từ khối khuếch đại từ tín hiệu tương tự ra tín
hiệu số.
9.1.2 Các kiểu ADC:
ADC có 3 kiểu cấu tạo chính là:
 ADC biến đổi trực tiếp (Flash ADC).
 Ramp ADC (Wilkinson ADC).

 ADC xấp xỉliên tiếp (Successive Approximation ADC).
Trong đó ADC Wilkinson là loại ADC được sử dụng rộng rãi nhất trong
vật lý hạt nhân thực nghiệm vì những đặc trưng của nó khá tốt so với các loại
ADC khác, tuy nhiên ADC này có thời gian biến đổi khá lớn, khó có khả năng
rút ngắn vì tốc độ giới hạn của các vi mạch.
Trong các máy phân tích biên độ đa kênh thì ADC wilkinson được sử
dụng rộng rãi nhất.
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

23


ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN KĨ THUẬT HẠT NHÂN

9.1.3 Cấu tạo ADC Wilkinson.
Trên hình sau là sơ đồ khối của ADC Wilkinson.

Hình 1.11. Sơ đồ khối và giản đồ thời gian của ADC Wilkinson
Hoạt động: Bộ phân biệt ngưỡng dưới và trên của vùng phân tích, bộ điều
khiển cổng vào, bộ ghi và nhớ biên độ tín hiệu vào, bộ nhận biết đỉnh xung
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

24


ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN KĨ THUẬT HẠT NHÂN

vào, bộ phóng điện tuyến tính biến đổi biên độ tín hiệu vào A thành khoảng
thời gian T, máy phát xung nhịp bằng thạch anh, bộ đếm, bộ so sánh mức tín
hiệu trên tụ nhớ và mức không để kết thúc quá trình phóng điện tuyến tính.
9.2

Chức năng vào cấu tạo của bộ nhớ.

9.2.1 Chức năng:
Ghi nhớ các tín hiệu xung từ thanh ghi.
9.2.2 Cấu tạo:
Bộ nhớ dữ liệu được xây dựng trên các chip RAM. Số các địa chỉ là
tương thích với số các kênh, nhưng số các bit trên kênh lại phụ thuộc vào
dạng mã được sử dụng. Nếu thông tin được lưu trữ theo mã nhị phân, n bit
trên kênh luôn xác định 2n số đếm trên kênh.
Ta sẽ tìm hiểu về một bộ nhớ của MCA có 1024 kênh.

Hình 1.12. Tổ chức bộ nhớ 1024 kênh, 106 số đếm trên một kênh
Trên hình, 1 bộ nhớ với 1024 kênh, số đếm tối đa mỗi kênh là 2k = 106.
Từ đó ta tính được k = 20, ta cần sử dụng 20 chip RAM loại (1K x 1) (vì 1K =
1024).

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

25