Thiết kế, chế tạo hệ tách xung nơtron và gamma sử dụng kỹ thuật xử lý tín hiệu số

BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ VIỆT NAM

PHAN VĂN CHUÂN

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ TÁCH XUNG NƠTRON VÀ
GAMMA SỬ DỤNG KỸ THUẬT XỬ LÝ TÍN HIỆU SỐ

LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ

Đà Lạt - 2019


BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ VIỆT NAM

PHAN VĂN CHUÂN

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ TÁCH XUNG NƠTRON VÀ GAMMA
SỬ DỤNG KỸ THUẬT XỬ LÝ TÍN HIỆU SỐ

Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử và hạt nhân
Mã số:

9.44.01.06

LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS. TS NGUYỄN ĐỨC HÒA
2. TS NGUYỄN XUÂN HẢI

Đà Lạt - 2019


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu do tôi thực hiện dưới sự
hướng dẫn khoa học của PGS. TS Nguyễn Đức Hòa và TS Nguyễn Xuân Hải. Bên
cạnh đó, tôi cũng nhận được sự tham gia hỗ trợ của các thành viên trong nhóm
nghiên cứu. Các số liệu thực nghiệm và kết quả nghiên cứu nêu trong luận án được
tổng hợp từ các công trình nghiên cứu đã đăng tải trên các tạp chí, kỷ yếu hội nghị
khoa học – công nghệ và không sao chép bất cứ công trình nào.
Tác giả

i


LỜI CÁM ƠN
Đề hoàn thành luận án này, tôi đã nhận được sự hướng dẫn, động viên của nhiều
người.
Trước tiên, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS. TS Nguyễn Đức Hòa,
người Thầy đã tận tình hướng dẫn, động viên tôi trong suốt quá trình học tập và
thực hiện luận án này. Những nhận xét, đánh giá của Thầy, đặc biệt là những định
hướng nghiên cứu và hướng giải quyết vấn đề là những bài học quý giá đối với tôi

không những trong quá trình thực hiện luận án mà cho cả các hoạt động nghiên
cứu chuyên môn sau này.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn tới TS Nguyễn Xuân Hải đã tận tình hướng dẫn,
giúp đỡ tôi rất nhiều trong suốt quá trình thực hiện luận án, đặc biệt là những kiến
thức trong thực nghiệm và các công bố khoa học.
Xin trân trọng cảm ơn đến Ban Giám hiệu Trường Đại học Đà Lạt, Ban Chủ
nhiệm Khoa Vật lý – Trường Đại học Đà Lạt đã luôn ủng hộ, động viên, tạo điều
kiện để nghiên cứu sinh hoàn thành nhiệm vụ.
Tôi xin chân thành cảm ơn đến các Anh/Chị tại Trung tâm đào tạo, Viện
Nghiên cứu Hạt nhân Đà Lạt đã tạo điều kiện, tận tình giúp đỡ rất nhiều trong quá
trình thực nghiệm.
Tôi xin chân thành cảm ơn TS Phạm Ngọc Sơn và TS Trần Tuấn Anh – Viện
Nghiên cứu Hạt nhân Đà Lạt về việc giúp đỡ bố trí các thí nghiệm đo trên kênh và
những trao đổi chuyên môn rất bổ ích cho luận án.
Cuối cùng, tôi xin cảm ơn đến người thân, bạn hữu xa, gần về những chia sẻ
giúp đỡ trong suốt quá trình thực hiện luận án.

Nghiên cứu sinh

Phan Văn Chuân

ii


Lời cam đoan

i

Mục lục

iii

Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt

v

Danh mục các bảng

viii

Danh mục các hình vẽ, đồ thị

ix

MỞ ĐẦU
Chương 1. TỔNG QUAN
1.1
Hệ đo nơtron
1.1.1 Tổng quan các hệ đo nơtron
1.1.2 Đo nơtron với các ống đếm khí
1.1.3 Đo nơtron với các đetectơ nhấp nháy
1.1.4 Hệ đo nơtron sử dụng kỹ thuật tương tự
1.1.5 Hệ đo nơtron sử dụng kỹ thuật số
1.2
Loại trừ ảnh hưởng của gamma trong các phổ đo nơtron
1.2.1 Loại trừ gamma trong các ống đếm khí
1.2.2 Loại trừ gamma cho các đetectơ nhấp nháy
Một số phương pháp phân biệt xung nơtron/gamma trong đetectơ
1.3
nhấp nháy

1.3.1 Kỹ thuật phân biệt dựa vào thời gian vượt ngưỡng
1.3.2 Kỹ thuật phân biệt dựa vào độ dốc xung
1.3.3 Kỹ thuật phân biệt dựa vào diện tích đuôi xung
1.3.4 Phương pháp phân biệt dựa vào khớp với xung chuẩn
1.3.5 Phương pháp nhận dạng mẫu
1.3.6 Phương pháp phân biệt dùng biến đổi wavelet
Đánh giá hiệu quả phân biệt dạng xung của các phương pháp
1.4
Kỹ thuật DSP và công nghệ FPGA trong thiết kế, chế tạo hệ đo
1.5
nơtron
Kết luận chương 1
Chương 2. THỰC NGHIỆM
2.1
Thiết kế và chế tạo đetectơ nhấp nháy đo nơtron – gamma sử dụng
nhấp nháy lỏng EJ-301
2.1.1 Thiết kế vỏ đầu nhấp nháy EJ-301
2.1.2 Thiết kế vỏ của đetectơ
2.1.3 Ống nhân quang
2.1.4 Tiền khuếch đại (TKĐ)
2.2
Xây dựng hệ đo nơtron sử dụng đetectơ EJ-301

iii

1
7
7
7
9

9
11
12
13
14
15
17
18
19
20
21
22
23
26
27
29
31
31
31
32
33
35
40


2.2.1 Xây dựng phần cứng hệ đo
40
2.2.2 Xây dựng phần mềm hệ đo
48
2.3

Xây dựng các thuật toán phân biệt dạng xung nơtron/gamma
57
2.3.1 Phương pháp thời gian vượt ngưỡng
58
2.3.2 Phương pháp độ dốc xung
59
2.3.3 Phương pháp diện tích
60
2.3.4 Phương pháp nhận dạng mẫu
62
2.4
Phương pháp phân biệt dạng xung dựa vào xung tham khảo
63
2.4.1 Xây dựng xung tham khảo nơtron và gamma
63
2.4.2 Phương pháp xung tham khảo
64
2.4.3 Loại bỏ các xung chồng chập
66
2.5
Đánh giá hệ đo
67
2.5.1 Đánh giá đetectơ
67
2.5.2 Đánh giá hệ đo nơtron DRS4
77
Kết luận chương 2
81
Chương 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
82

3.1
Kết quả thiết kế và chế tạo đetectơ EJ-301 đo nơtron-gamma
82
3.1.1 Các tham số cơ bản của đetectơ:
82
3.1.2 Độ tuyến tính của đetectơ:
84
3.1.3 Chuẩn năng lượng
85
3.1.4 Độ nhạy của đetectơ:
86
3.1.5 Hiệu suất ghi của đetectơ
86
3.1.6 Kết quả sử dụng các phương pháp phân biệt dạng xung
nơtron/gamma cho đetectơ EJ-301
87
3.2
Kết quả đạt được của phương pháp xung tham khảo trên đetectơ EJ301
91
3.3
Kết quả thực hiện trên hệ đo nơtron nhanh và gamma
94
3.3.1 Chương trình MCA_DRS4
94
3.3.2 So sánh hiệu quả phân biệt dạng xung
104
3.3.3 So sánh phổ nơtron/gamma đo được với một số nghiên cứu khác
104
KẾT LUẬN
106

NHỮNG VẤN ĐỀ CẦN NGHIÊN CỨU TIẾP THEO CỦA LUẬN ÁN

108
DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN
ĐẾN LUẬN ÁN
109
TÀI LIỆU THAM KHẢO
110

iv


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt

Tiếng Anh

Tiếng Việt

ADC

Analog-to-Digital Converter

Bộ chuyển đổi tương tự thành số

AMP

Amplifier

Bộ khếch đại

CFD

Constant Fraction Discriminator

Bộ phát hiện ngưỡng

CPR

Correlation Pattern Recognition

Phương pháp nhận dạng mẫu

DBQC

Discrimination

on Phân biệt dựa trên phân cụm lượng

based

quantum clustering

tử

DC

Direct Current

Dòng điện một chiều

DCI

Digital Charge Integration

Phương pháp tích phân xung

DFTM

Discrete

Fourier

Transform Phương pháp biến đổi Fourier rời

Method

rạc

DRS4

Domino Ring Sampler

Vòng lấy mẫu theo hiệu ứng domino

DSP

Digital Signal Processing

Xử lý tín hiệu số

DWT

Discrete Wavelets Transform

Biến đổi wavelet rời rạc

EEPROM

Electrically Erasable ROM

Bộ nhớ ROM xóa được bằng điện

ENOB

Effective number of bits

Số bit hiệu dụng

FFT

Fast Fourier Transform

Phân tích Fourier nhanh

FFA

Fast Filter Amplifier

Bộ khuếch đại và lọc nhanh

FIFO

First-In, First-Out

Bộ đệm vào trước, ra trước

FoM

Figure of Merits

Hệ số phẩm chất

FPGA

Field-Programmable Gate Array Mảng cổng lập trình được

FWHM

Full Width at Half Maximum

v

Độ rộng nửa chiều cao


GSPS

Giga-Samples Per Second

Tỉ mẫu mỗi giây.

HPGe

High-Purity Germanium

Đầu dò bán dẫn siêu tinh khiết

HV

High-Voltage

Cao thế

keVee

keV electron equivalent

keV tương đương

LVDS

Low-Voltage

Differential

Signaling

LPƯHN
MCA

Tín hiệu vi phân điện áp thấp
Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt
Máy phân tích đa kênh

Multi Channel Analyzer

MCA_DRS4 Multi Channel Analyzer DRS4

Máy phân tích đa kênh sử dụng bản
mạch DRS4

MeVee

MeV electron equivalent

MeV tương đương

MSPS

Mega-Samples Per Second

Triệu mẫu mỗi giây

MWPC

Multi-Wire

Proportional

Counter

Ống đếm tỷ lệ đa dây

OP-AMP

Operational Amplifier

Bộ khuếch đại thuật toán

PGA

Pulse Gradient Analysis

Phân tích độ dốc xung

PMT

Photomultiplier Tube

Ống nhân quang điện

PSA

Pulse Shape Analyzer

Bộ phân tích dạng xung

PSD

Pulse Shape Discrimination

Phân biệt dạng xung

PSI

Paul Scherrer Institute

Viện nghiên cứu Paul Scherrer

RAM

Random-Access Memory

Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên

RMS

Root Mean Square

Giá trị hiệu dụng

ROI

Region-of-interest

Vùng quan tâm

vi

RP

Reference-Pulse

Phương pháp xung tham khảo

RPg

Reference-Pulse gamma

Xung tham khảo gamma

RPn

Reference-Pulse neutron

Xung tham khảo neutron

SCA

Single Channel Analyzer

Máy phân tích đơn kênh

SFDR

Spurious-Free Dynamic Range

Dải động vùng nhiễu

SEF

Standard Event Fit

Khớp với xung chuẩn

SINQ

Spallation Neutron Source

SNR

Signal-to-noise ratio

TAC

Time-to-Amplitude Converter

TCT

Threshold-Crossing Time

Thời gian vượt ngưỡng

TKĐ

Preamplifier

Tiền khuếch đại

ToF

Time of Flight

Phương pháp thời gian bay

USB

Universal Serial Bus

Giao diện nối tiếp đa năng

UV

Ultraviolet

Tia tử ngoại

VHDL
WTM

Nguồn nơtron tạo ra trong máy gia
tốc hạt
Tỉ số tín hiệu trên nhiễu

VHSIC Hardware Description
Language
Wavelet Transform Method

vii

Bộ chuyển đổi thời gian thành biên
độ

Ngôn ngữ mô tả phần cứng
Phương pháp biến đổi wavelet


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1 Các thành phần phân rã trong một số chất nhấp nháy hữu cơ. .................. 15
Bảng 1.2 Một số phương pháp phân biệt dạng xung nơtron/gamma. ........................ 18
Bảng 2.1 Các tham số chính của R9420 [63]. ............................................................ 34
Bảng 2.2 Các tham số quan trọng của THS3202........................................................ 37
Bảng 2.3 Các tham số linh kiện sử dụng trong mạch TKĐ. ....................................... 39
Bảng 2.4 Giá trị đọc được tương ứng với điện áp trong hai chế độ điện áp vào. ...... 54
Bảng 2.5 Các tham số chính của máy phát xung ORTEC 419. .................................. 68
Bảng 2.6 Các tham số chính của oscilloscope DPO7254C. ....................................... 68
Bảng 2.7 Kết quả khảo sát các tham số của TKĐ với các hệ số khuếch đại khác
nhau. ............................................................................................................................ 69
Bảng 2.8 Tốc độ đếm theo khoảng cách đến nguồn và giá trị trung bình đường cơ
bản. .............................................................................................................................. 71
Bảng 2.9 Biên độ xung ra tương ứng với năng lượng của các nguồn 22Na,137Cs và
60

Co.............................................................................................................................. 75

Bảng 3.1 Kết quả khảo sát các tham số của đetectơ EJ-301. ..................................... 83
Bảng 3.2 Kết quả khảo sát tốc độ đếm và hiệu suất ghi của một số nguồn gamma
và nơtron. ................................................................................................................... 86

Bảng 3.3 Bảng các tham số khớp với số liệu đo từ nguồn

137

Cs và

252

Cf theo biểu

thức (1.2). .................................................................................................................... 87
Bảng 3.4 Giá trị các tham số của (3.4) khi khớp cho bốn phương pháp. ................... 90
Bảng 3.5 So sánh tỉ lệ nơtron phân loại được so với số sự kiện ghi nhận được
trong các phương pháp. .............................................................................................. 99
Bảng 3.6 Bảng 3.6 Kết quả đếm nơtron và gamma trên nguồn 252Cf. ........................100
Bảng 3.7 Số đếm tổngvà tỉ lệ nơtron thu được trên dòng nơtron 148keV từ kênh số
4 lò PƯHN Đà Lạt. .....................................................................................................101
Bảng 3.8 So sánh tỉ lệ nơtron khi loại bỏ các xung chồng chập khi đo phông. .........102
Bảng 3.9 Bảng so sánh các giá trị FoM của bốn phương pháp trên chương trình
MCA_DRS4 và so với các công trình khác. ................................................................103

viii


Bảng 3.10 Bảng so sánh giá trị FoM của phương pháp RP với một số phương
pháp mới của các tác giả khác. ..................................................................................103

DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1 Cấu trúc một đetectơ nhấp nháy và kết nối. .................................................. 09
Hình 1.2 Lượng ánh sáng phát ra đối với hạt điện tử, proton, alpha và cacbon trong

chất nhấp nháy EJ-301 [35] ......................................................................................... 10
Hình 1.3 Sơ đồ hệ đo nơtron sử dụng đetectơ nhấp nháy. (a) Hệ tương tự, (b) Hệ kỹ
thuật số. ......................................................................................................................... 11
Hình 1.4 Một xung nơtron (đường đậm) và gamma (đường lạt) được hình thành
trong ống đếm proton giật lùi [47] ............................................................................... 14
Hình 1.5 Sự khác nhau giữa xung nơtron và gamma trong một số chất nhấp nháy
hữu cơ [51].................................................................................................................... 16
Hình 1.6 Minh họa phương pháp phân biệt xung nơtron-gamma dựa vào thời gian
vượt ngưỡng ................................................................................................................. 18
Hình 1.7 Minh họa phương pháp phân biệt dựa vào độ dốc ........................................ 19
Hình 1.8 Minh họa phương pháp phân biệt dựa trên diện tích xung ........................... 20
Hình 1.9 Các xung RPn, RPg và xung đo từ đetectơ sử dụng trong phương pháp
SEF [57] ........................................................................................................................ 21
Hình 1.10 Minh họa phương pháp CPR ....................................................................... 22
Hình 1.11 (a) Các xung nơtron và gamma trung bình được chuẩn hóa biên độ (b)
các hàm tỷ lệ P(a) tương ứng trong phân tích wavelet [33]......................................... 24
Hình 1.12 Phổ phân bố tham số PSD nơtron/gamma và tính FoM .............................. 26
Hình 1.13 Mô hình hệ đo nơtron sử dụng kỹ thuật DSP và công nghệ FPGA ............. 28
Hình 2.1 Mô tả thiết kế vỏ đetectơ nhấp nháy ghi nơtron. ........................................... 31
Hình 2.2 Bản thiết kế đầu nhấp nháy EJ-301. .............................................................. 32

ix


Hình 2.3 Thiết kế vỏ đetectơ ......................................................................................... 33
Hình 2.4 Sơ đồ mạch phân cực cho R9420. .................................................................. 34
Hình 2.5 Dạng xung từ anode của PMT: (a) Khi chưa mắc RY và C1-3; (b) khi đã
mắc RY và C1-3 trong mạch chia thế ............................................................................. 35
Hình 2.6 Một xung tiêu biểu từ anode của PMT được lấy mẫu ở tần số 2,5 GSPS và
băng thông 2,5 GHz. ..................................................................................................... 36

Hình 2.7 Sơ đồ tiền khuếch đại của đetectơ EJ-301 ..................................................... 39
Hình 2.8 Mạch tiền khuếch đại sử dụng THS 3202. .................................................... 39
Hình 2.9 Sơ đồ cấu trúc phần cứng hệ đo nơtron bằng kỹ thuật số sử dụng đetectơ
EJ-301 ........................................................................................................................... 40
Hình 2.10 Dạng xung ra từ đetectơ EJ-301 được lấy mẫu từ oscilloscope
DPO7254C .................................................................................................................. 41
Hình 2.11 Bản mạch DRS4 V5.1. .................................................................................. 44
Hình 2.12 Cấu trúc bản mạch DRS4 V5.1. ................................................................... 44
Hình 2.13 Cấu trúc mảng giữ mẫu và quá trình lấy mẫu của vi mạch DRS4 [73] ...... 45
Hình 2.14 Phân bố khoảng thời gian giữa hai lần lấy mẫu liên tiếp nhau ở tốc độ
1GSPS của DRS4. ......................................................................................................... 46
Hình 2.15 Lưu đồ thuật toán hiệu chỉnh điện áp và thời gian cho một kênh trên
DRS4.............................................................................................................................. 47
Hình 2.16 Nhiễu đo được trên kênh của bản mạch DRS4 khi: (a) Chưa hiệu chuẩn;
(b) Đã hiệu chuẩn điện áp............................................................................................. 48
Hình 2.17 Lưu đồ thuật toán chương trình hệ đo nơtron nhanh và gamma. ................ 48
Hình 2.18 Lưu đồ thuật toán quá trình số hóa trên FPGA. .......................................... 50
Hình 2.19 Sơ đồ cấu hình cho FPGA trong bản mạch DRS4. ...................................... 51
Hình 2.20 Lưu đồ thuật toán chương trình trên vi điều khiển. ..................................... 52

x


Hình 2.21 Lưu đồ thuật toán chương trình trên máy tính. ............................................ 53
Hình 2.22 Các khối mã chương trình cài đặt, truyền/nhận dữ liệu và các phương
pháp PSD. ..................................................................................................................... 55
Hình 2.23 Menu chương trình chính. ........................................................................... 55
Hình 2.24 Giao diện cửa sổ chính của chương trình MCA_DRS4. ............................ 55
Hình 2.25 Một số thiết lập phần cứng hệ đo. ................................................................ 56
Hình 2.26 Các mục được xây dựng trong menu. ......................................................... 57

Hình 2.27 Các mục được xây dựng trong menu ROI. .................................................. 57
Hình 2.28 Xung nơtron và gamma tiêu biểu và các xung hình thành tương ứng qua
khối (CR)2  RC kỹ thuật số ........................................................................................... 58
Hình 2.29 Lưu đồ thuật toán phương pháp thời gian vượt ngưỡng ............................. 59
Hình 2.30 Lưu đồ thuật toán phương pháp độ dốc xung .............................................. 60
Hình 2.31 Mô tả phương pháp tính tỉ số diện tích xung. .............................................. 61
Hình 2.32 Lưu đồ thuật toán phương pháp diện tích xung ........................................... 61
Hình 2.33 Lưu đồ thuật toán phương pháp nhận dạng mẫu......................................... 62
Hình 2.34 Thống kê tỉ số diện tích đuôi trên diện tích tổng của xung trong phương
pháp DCI. ...................................................................................................................... 64
Hình 2.35 Xung RPn và RPg được tính trung bình từ các xung trên nguồn

252

Cf và

một xung đo tiêu biểu từ đetectơ (các xung đã được chuẩn hóa). ................................ 64
Hình 2.36 Lưu đồ thuật toán phương pháp RP ............................................................. 65
Hình 2.37 Minh họa xung chồng chập so với các xung RPn và RPg (các xung đã
được chuẩn hóa). ........................................................................................................... 67
Hình 2.38 Cấu hình khảo sát vùng tuyến tính và nhiễu cho TKĐ. .............................. 68
Hình 2.39 Tỉ số tín hiệu trên nhiễu theo hệ số khuếch đại của TKĐ. .......................... 69

xi


Hình 2.40 Đánh giá mức DC và nhiễu khi lối vào TKĐ nối đất................................... 70
Hình 2.41 Cấu hình đo đánh giá đường cơ bản cho đetectơ. ...................................... 70
Hình 2.42 Dạng xung từ đetectơ và thống kê nhiễu. ..................................................... 72
Hình 2.43 Giá trị SNR theo ngưỡng năng lượng trong trường hợp hệ số khuếch đại

13,2 và 8,9. .................................................................................................................... 73
Hình 2.44 Cấu hình đo hiệu suất ghi tương đối của đetectơ. ....................................... 73
Hình 2.45 Khớp xung gamma/nơtron theo mô hình (1.2): (a). Xung gamma; (b)
xung nơtron . ................................................................................................................. 76
Hình 2.46 Cấu hình đo đánh giá hệ đo nơtron nhanh .................................................. 77
Hình 2.47 Phổ đo trên các nguồn gamma 22Na, 137Cs và 60Co. ................................... 78
Hình 2.48 Phổ phông nơtron trong phép đo phông của nguồn 252Cf. ........................ 79
Hình 2.49 Phổ phông nơtron trong phép đo phông trên kênh số 4. ............................ 79
Hình 2.50 Hình ảnh hệ đo thực nghiệm trên nguồn 252Cf ............................................. 79
Hình 2.51 Hình ảnh hệ đo thực nghiệm trên kênh 4 của LPƯHN ................................ 79
Hình 2.52 Phân bố các tham số chồng chập tính theo: (a) Biên độ xung; (b) Tham
số nhận dạng S .............................................................................................................. 81
Hình 3.1 Kết quả khảo sát mức DC và nhiễu đầu ra khi TKĐ ở chế độ tĩnh. .............. 82
Hình 3.2 Đường cơ bản của xung theo tốc độ đếm....................................................... 83
Hình 3.3 Vùng tuyến tính của TKĐ. .............................................................................. 84
Hình 3.4 Đường khớp của biên độ xung ra theo năng lượng của đetectơ với các
nguồn chuẩn:60Co, 22Na và 137Cs. ................................................................................. 85
Hình 3.5 Phân bố các tham số PSD của bốn phương pháp: (a) Phương pháp TCT,
(b) Phương pháp PGA, (c) Phương pháp DCI, (d) Phương pháp CPR ....................... 87

xii


Hình 3.6 Kết quả tính toán FoM của: (a) Phương pháp TCT, (b) Phương pháp
PGA, (c) Phương pháp DCI, (d) Phương pháp CPR. ................................................... 88
Hình 3.7 Các giá trị tính toán FoM cho bốn phương pháp theo năng lượng khảo sát
trong vùng 50 ÷ 1100keVee.......................................................................................... 89
Hinh 3.8 Đồ thị phân bố kết quả của phương pháp RP trên (a) Nguồn
Nguồn

252

Cf. (b)

60

Co với ngưỡng 50keVee. ................................................................................ 92

Hình 3.9 Kết quả của phương pháp DCI: (a) Phân bố tham số phân biệt dạng xung
theo năng lượng. (b) Thống kê với ngưỡng 50keVee .................................................... 92
Hình 3.10 Các giá trị FoM tính toán bằng phương pháp RP cho (a) Nguồn

252

Cf.

(b) Nguồn 60Co với ngưỡng 50 keVee. ......................................................................... 93
Hình 3.11 Các giá trị FoM tính toán với ngưỡng 50keVee của: (a). RP; (b). DCI..... 93
Hình 3.12 Các giá trị FoM tính toán như hàm của ngưỡng năng lượng tương ứng
với phương pháp DCI và phương pháp RP trong vùng năng lượng 50 ÷ 1350keVee. . 94
Hình 2.13 Giao diện cửa sổ tính toán phổ tổng trên nguồn 252Cf................................. 95
Hình 3.14 Giao diện cửa sổ tính toán phổ nơtron và phổ gamma trên nguồn 252Cf. ... 95
Hình 3.15 Giao diện cửa sổ biểu diễn các tham số PSD cho các phương pháp khi đo
trên nguồn 252Cf. ............................................................................................................ 96
Hình 3.16 Giao diện cửa sổ tính toán phổ nơtron và phổ gamma trên dòng nơtron
148keV từ kênh số 4. ..................................................................................................... 96
Hình 3.17 Kết quả tính toán các tham số phân biệt của 4 phương pháp trên kênh số
4 khi: (a) Kênh được đóng, (b) Kênh được mở. ............................................................ 97
Hình 3.18 Kết quả phân biệt nơtron/gamma của phương pháp DCI khi đo trên
nguồn 252Cf. (a) Khi đóng nguồn, (b) Khi mở nguồn. ................................................... 97

Hình 3.19 Thống kê tham số PSD khi đo phông trên nguồn

252

Cf. (a) Phương pháp

DCI, (b) Phương pháp RP............................................................................................. 97

xiii


Hình 3.20 Kết quả phân biệt nơtron/gamma của phương pháp RP khi đo trên nguồn
252

Cf. (a) Khi đóng nguồn. (b) Khi mở nguồn. .............................................................. 98

Hình 3.21 Thống kê tham số PSD khi đo trên nguồn

252

Cf của: (a) Phương pháp

DCI. (b) Phương pháp RP............................................................................................. 98
Hình 3.22 Kết quả đo phông khi đóng nguồn 252Cf sử dụng phương pháp RP ............ 99
Hình 3.23 Kết quả đo phổ khi mở nguồn 252Cf sử dụng phương pháp RP ................... 99
Hình 3.24 So sánh phổ nơtron lúc mở kênh và đóng kênh. ........................................ 101
Hình 3.25 Phổ nơtron lúc mở kênh và khi hiệu chỉnh với phổ phông nơtron............. 101
Hình 3.26 Kết quả tính FoM trong vùng (100 ÷ 1600keVee)của các phương pháp
DCI, FGAM, WPTM và DFTM trong nghiên cứu [18] .............................................. 104
Hình 3.27 So sánh các phổ đo gamma từ: (a) Trong nghiên cứu này; (b) Trong

nghiên cứu [81]. .......................................................................................................... 105
Hình 3.28 So sánh phổ 252Cf: (a) Trong nghiên cứu này, (b) Nghiên cứu [81].......... 105

xiv


MỞ ĐẦU
Bức xạ hạt nhân đang được ứng dụng ngày càng sâu rộng trong nghiên cứu và
phát triển kinh tế xã hội. Các ứng dụng trong lĩnh vực năng lượng, chuẩn đoán và
điều trị bệnh, ứng dụng trong nông nghiệp, an toàn thực phẩm, … đang ngày càng
phát triển. Bên cạnh đó, việc ghi nhận bức xạ là cơ sở cho các nghiên cứu và ứng
dụng đòi hỏi phải có độ chính xác, độ tin cậy, tính di động và tiết kiệm năng lượng
ngày càng cao hơn.
Ghi đo bức xạ nơtron là một nhiệm vụ khó khăn so với các bức xạ khác, bởi
hiệu suất ghi phụ thuộc rất lớn vào năng lượng của nơtron và nhiễu gamma phát
cùng với nơtron [1,2]. Những hạn chế do hiệu suất ghi trên dải năng lượng rộng của
nơtron thường được giải quyết bằng cách sử dụng các đetectơ ghi nơtron nhanh và
chậm khác nhau. Tuy nhiên, nhiễu gamma luôn tồn tại cùng nơtron mà không dễ
dàng loại bỏ bằng các vật liệu che chắn hoặc sử dụng điện trường như các bức xạ
mang điện. Nhiễu gamma làm sai lệch kết quả đo nơtron, do đó các phương pháp
nhận biết để loại bỏ gamma khỏi kết quả đo nơtron luôn được đặt ra trong các hệ đo
nơtron chất lượng cao.
Trong các hệ đo sử dụng đetectơ ghi nơtron chậm, các chất khí có tiết diện lớn
so với nơtron nhiệt như: 10B, 6Li hay 3He thường được sử dụng. Ưu điểm trong các
đetectơ này là năng lượng từ phản ứng với nơtron vượt trội so với năng lượng
gamma để lại trong vùng nhạy đetectơ, do đó nơtron dễ dàng được phân biệt với
gamma [1]. Tuy nhiên, trong các hệ đo này thông tin năng lượng của nơtron thường
không được xác định do bị mất trong quá trình làm chậm hoặc bị áp đảo so với năng
lượng từ phản ứng hạt nhân.
Phương pháp phổ biến để đo phổ nơtron nhanh là sử dụng cơ chế tán xạ đàn

hồi trên các hạt nhân nhẹ như hydrô hay hêli. Trong đó, các hệ đo nơtron sử dụng
đetectơ nhấp nháy đang được quan tâm nghiên cứu và ứng dụng phổ biến nhất hiện
nay [3]. Tuy nhiên, các đetectơ nhấp nháy cũng nhạy với gamma, nên phân biệt
nơtron với gamma là một trong những vấn đề quan trọng cần giải quyết khi sử dụng

1


đetectơ nhấp nháy. Để tách gamma khỏi kết quả đo, các phương pháp nhận biết
nơtron và gamma dựa vào thời gian bay hay các đặc điểm khác nhau giữa xung
nơtron và xung gamma được sử dụng trong các hệ đo nơtron [4–11].
Các nghiên cứu gần đây cho việc tách xung nơtron/gamma cho hệ đo sử dụng
đetectơ nhấp nháy chủ yếu tập trung vào các phương pháp nhận dạng xung (phân
biệt dạng xung) nơtron với gamma trên một đetectơ. Trong đó, các phương pháp cắt
không [7,9,12] và diện tích xung [4,13] đã phát triển thành công trên các hệ đo
tương tự và có thể thực hiện bằng các khối NIM tiêu chuẩn [14]. Cho đến nay, hai
phương pháp này đã được thực hiện trên các hệ đo kỹ thuật số và đã trở thành tiêu
chuẩn để so sánh, đánh giá cho các phương pháp phân biệt dạng xung mới [15,16].
Bên cạnh đó, phương pháp thời gian tăng và phương pháp tỉ số không đổi cũng
thường được sử dụng trong hệ đo tương tự [17]. Mặc dù khả năng phân biệt
nơtron/gamma của các hệ đo tương tự đã đạt được những kết quả nhất định, nhưng
vẫn tồn tại một số vần đề như: bị giới hạn tốc độ đếm dưới 200 kcps, khả năng phân
biệt kém ở vùng năng lượng thấp (<200keV) [14], khả năng ứng dụng các phương
pháp phân biệt dạng xung bị giới hạn và khó khăn trong việc thu gọn kích thước cho
hệ đo.
Sự phát triển kỹ thuật điện tử số gần đây đã tạo điều kiện thuận lợi để xây
dựng các hệ đo nơtron chất lượng cao bằng kỹ thuật số. Các kỹ thuật điện tử số cho
phép số hóa trực tiếp các xung từ đetectơ với tốc độ và độ phân giải ngày càng tăng.
Vì vậy, kỹ thuật nhận dạng xung nơtron/gamma đang chuyển dần sang ứng dụng kỹ
thuật số [15,18] và là cơ sở cho rất nhiều nghiên cứu phương pháp phân biệt

nơtron/gamma cả trong miền thời gian và miền tần số [4,6–10,15,16,19–23]. Sự hỗ
trợ kỹ thuật số đã cho phép thực hiện nhiều thuật toán nhận dạng phức tạp mà các
hệ tương tự không thể thực hiện được như: phương pháp nhận dạng mẫu [16], phân
tích tần số [15], phương pháp mạng nơron nhân tạo [24], hay sử dụng kết hợp nhiều
phương pháp trong một hệ đo [22], v.v.. Trong một hệ đo nơtron sử dụng kỹ thuật
số, các xung số hóa cũng có thể dễ dàng được xử lý như lọc, hình thành xung và
phân tích trong miền thời gian hay trong miền tần số. Hầu hết các phương pháp

2


phân biệt dạng xung được phân tích trong miền tần số đạt được hiệu quả phân biệt
tốt hơn trong miền thời gian, nhưng đòi hỏi các giải thuật phức tạp và yêu cầu tài
nguyên phần cứng lớn [15,18].
Ở Việt Nam, trước đây các ứng dụng bức xạ nơtron còn khá đơn giản và
khiêm tốn. Tuy nhiên, trong những năm gần đây, các ứng dụng bức xạ nơtron đã trở
nên đa dạng như: ứng dụng trong kiểm tra một số công trình xây dựng, thăm dò dầu
khí, ứng dụng kiểm tra sản phẩm trong công nghiệp, ứng dụng trong y tế, an toàn
thực phẩm, kiểm soát bức xạ, đo liều, … Cùng với đó là những yêu cầu phải xác
định chính xác cường độ và thành phần của chùm bức xạ ngày càng cao. Lò phản
ứng hạt nhân Đà Lạt là nơi duy nhất trong nước có nguồn nơtron thông lượng cao
và ổn định, tại đây có nhiều ứng dụng và thiết bị đo nơtron như hệ đo thông lượng
nơtron của lò phản ứng, hệ đo tiết diện nơtron toàn phần, hệ đo phổ nơtron phục vụ
nghiên cứu và đào tạo. Để phục vụ cho các nghiên cứu vật liệu trên lò phản ứng
nghiên cứu mới trong tương lai, một hệ đo tán xạ nơtron cũng đã bắt đầu được
nghiên cứu, thiết kế trong khuôn khổ của đề tài KC.05.16-20. Tuy nhiên, đến thời
điểm hiện nay các hệ đo nơtron đều sử dụng các đầu dò chứa khí, hiệu suất không
cao, việc phân biệt nơtron/gamma chỉ dựa vào biên độ xung. Cho đến nay ở nước ta
chưa có một hệ đo sử dụng các phương pháp phân biệt dạng xung nơtron/gamma,
các hệ đo phổ nơtron nhanh chủ yếu sử dụng ống đếm hydrô, do đó gamma được

loại bỏ bằng phương pháp cắt ngưỡng kết hợp với che chắn thụ động.
Ngày nay, các phương pháp phân biệt nơtron/gamma sử dụng kỹ thuật tương
tự và kỹ thuật số cho các đetectơ nhấp nháy đã đạt được những kết quả tốt trong
vùng năng lượng cao (>200 keV) [4–10]. Tuy nhiên, ở vùng năng lượng thấp (< 200
keV) kết quả vẫn còn nhiều hạn chế và phụ thuộc rất nhiều vào đetectơ cũng như
phương pháp nhận dạng [4,15,25,26]. Bên cạnh đó, hiệu quả phân biệt
nơtron/gamma cũng phụ thuộc nhiều vào hệ điện tử xử lý xung. Các hệ đo sử dụng
phương pháp nhận dạng phức tạp có khả năng phân biệt nơtron/gamma tốt, nhưng
đòi hỏi tài nguyên phần cứng lớn.

3


Với những vấn đề đã được trình bày cho thấy việc nghiên cứu và xây dựng các
hệ đo nơtron sử dụng đetectơ nhấp nháy hiện nay vẫn tồn tại một số vấn đề:
 Khả năng phân biệt nơtron/gamma còn hạn chế trong vùng năng lượng thấp.
 Giải thuật cho các phương pháp phân biệt nơtron/gamma hiệu quả cao được
thực hiện trong miền tần số còn phức tạp và đòi hỏi cấu hình phần cứng mạnh
để thực thi.
 Chưa có các nghiên cứu đo chính xác đồng thời nơtron và gamma trên một
đetectơ làm cơ sở cho thiết kế, chế tạo các hệ đo đồng thời nơtron và gamma
cho các nghiên cứu và ứng dụng như cảnh báo bức xạ hay định liều nơtron.
Mục tiêu và nhiệm vụ của luận án
Mục tiêu của luận án là nghiên cứu, thiết kế và chế tạo một hệ đo nơtron và
gamma có hiệu suất và độ chính xác cao, ứng dụng kỹ thuật FPGA và DSP để thu
gọn kích thước và giảm chi phí chế tạo.
Nội dung chính của luận án gồm:
1) Thiết kế chế tạo một đetectơ nhấp nháy đo nơtron và gamma phục vụ cho đào
tạo, nghiên cứu và ứng dụng.
2) Nghiên cứu, phát triển một phương pháp phân biệt dạng xung nơtron/gamma ứng

dụng kỹ thuật số, nhằm cải thiện khả năng phân biệt nơtron/gamma trong vùng năng
lượng thấp cho hệ đo sử dụng đetectơ nhấp nháy.
3) Xây dựng hệ đo đồng thời nơtron và gamma bằng kỹ thuật số, tích hợp giải thuật
phân biệt nơtron/gamma hiệu quả cao cho vùng năng lượng thấp.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Ý nghĩa khoa học:
 Thiết kế và chế tạo được đetectơ nhấp nháy đo nơtron và gamma từ các vật liệu
và linh kiện có chi phí thấp, nhưng cung cấp các xung nhanh và chính xác cho
các phép đếm với tốc độ cao, xung ra có các đặc trưng làm cơ sở cho các nghiên
cứu phân biệt dạng xung nơtron và gamma.

4


 Xây dựng bốn phương pháp phân biệt dạng xung nơtron/gamma để đánh giá
khả năng phân biệt nơtron/gamma, làm cơ sở để lựa chọn phương pháp phân
biệt nơtron/gamma tối ưu khi xây dựng hệ đo nơtron và gamma trong các điều
kiện cụ thể.
 Phát triển được một phương pháp phân biệt dạng xung nơtron/gamma mới dựa
vào xung tham khảo (RP) với giải thuật đơn giản, cho phép thực hiện trên các
hệ không đòi hỏi cấu hình phần cứng cao. Phương pháp đặc biệt hiệu quả phân
biệt nơtron/gamma trong vùng năng lượng thấp (<200keVee).
 Xây dựng được một hệ đo nơtron/gamma bằng kỹ thuật số có khả năng phân
biệt nơtron/gamma hiệu quả cao. Các phương pháp phân biệt dạng xung, nhận
diện xung chồng chập và xây dựng phổ sử dụng kỹ thuật số được tích hợp trên
hệ đo cho phép nhận diện trực tiếp từng sự kiện đo và xây dựng thành các phổ
đo riêng cho nơtron và gamma.
Ý nghĩa thực tiễn:
 Đetectơ EJ-301 với các xung hình thành ngắn, nhạy với nơtron và gamma có
thể ứng dụng cho các hệ đo trong môi trường bức xạ hỗn hợp nơtron và gamma

có hoạt độ lớn. Chi phí chế tạo đetectơ EJ-301 thấp nên có thể sử dụng rộng rãi
trong nhiều ứng dụng và nghiên cứu bức xạ nơtron.
 Phương pháp phân biệt dạng xung RP có thể tích hợp được trên mạch FPGA
hoặc máy tính trong một ứng dụng để phân biệt nơtron/gamma cho hệ đo.
 Xây dựng thành công hệ đo nơtron/gamma bằng kỹ thuật số với hiệu quả phân
biệt nơtron/gamma cao đã cung cấp một hệ đo nơtron chất lượng cao góp phần
nội địa hóa các thiết bị ghi đo bức xạ.
Bố cục của luận án
Bố cục của luận án gồm 3 chương không kể phần mở đầu và kết luận.
Mở đầu: Trình bày tổng quan tình hình nghiên cứu về lĩnh vực đo nơtron, các
vấn đề tồn tại trong phân biệt xung nơtron/gamma với các đầu dò nhấp nháy, nội
dung nghiên cứu và bố cục của luận án.

5


Chương 1. Tổng quan: Trình bày tổng quan các hệ đo nơtron, vấn đề nhiễu
gamma trên các hệ đo nơtron và một số kết quả nghiên cứu tách xung
nơtron/gamma tiêu biểu gần đây. Bên cạnh đó, một số phương pháp phân biệt dạng
xung nơtron/gamma cho đetectơ nhấp nháy và việc thiết kế hệ đo nơtron sử dụng kỹ
thuật xử lý tín hiệu số và công nghệ FPGA cũng được trình bày.
Chương 2. Thực nghiệm: Trình bày thiết kế và chế tạo một mẫu đầu dò nhấp
nháy đo nơtron gồm cả tiền khuếch đại, nghiên cứu thuật toán phân biệt xung
nơtron/gamma với đầu dò được thiết kế chế tạo, lựa chọn và phát triển thuật toán,
xây dựng phần điện tử cho hệ đo nơtron, viết phần mềm điều khiển quá trình đo và
tích hợp các thuật toán phân biệt xung nơtron/gamma vào phần mềm để phân biệt
trực tiếp trong quá trình đo, phục vụ đào tạo và nghiên cứu khoa học.
Chương 3. Kết quả và thảo luận: Trình bày những kết quả khảo sát, đánh giá
đối với đầu dò thử nghiệm đo nơtron ghép nối với MCA_DRS4, kết quả nghiên cứu
phát triển thuật toán phân biệt nơtron/gamma, kết quả đo thử nghiệm của hệ trên

nguồn 252Cf và trên kênh ngang của Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt. Các thảo luận về
các kết quả nghiên cứu, các tham số ảnh hưởng đến khả năng phân biệt xung
nơtron/gamma với đầu dò nhấp nháy làm cơ sở cho các nghiên cứu tiếp theo cũng
được phân tích kỹ.
Kết luận: Trình bày những kết quả đã đạt được của luận án về thiết kế chế tạo
đetectơ nhấp nháy đo nơtron, về phát triển phương pháp phân biệt dạng xung
nơtron/gamma và thiết kế xây dựng hệ đo nơtron. Những hạn chế và các nghiên cứu
phát triển tiếp theo để hoàn thiện hệ đo nơtron, hệ đo liều nơtron/gamma và các hệ
đo cảnh báo phóng xạ.

6


Chương 1. TỔNG QUAN
1.1 Hệ đo nơtron
1.1.1 Tổng quan các hệ đo nơtron
Các hệ đo nơtron được xây dựng có thể sử dụng cho nhiều mục đích nghiên
cứu và ứng dụng khác nhau. Trong mỗi ứng dụng, mục tiêu xác định có thể khác
nhau, do đó các cấu hình để xác định nơtron cũng rất đa dạng. Với các ứng dụng chỉ
cần xác định thông lượng tổng như chụp ảnh nơtron [26-28] thì có thể xác định
thông lượng bằng kích hoạt lá dò [29,30], buồng bọt [31-32], đo bằng ống đếm tỉ lệ
[41-44], v.v.. Trong khi các nghiên cứu và ứng dụng cần xác định cấu trúc phổ của
nơtron thì phải sử dụng các cấu hình đo với: ống đếm proton giật lùi [3,22,33], hệ
đo thời gian bay [34-36], đetectơ bán dẫn [45-48] hoặc đetectơ nhấp nháy
[5,14,20,21,49-51]. Trong đó các hệ đo phổ nơtron sử dụng đetectơ nhấp nháy và sử
dụng kỹ thuật xử lý trực tiếp xung số hóa nhanh đang được quan tâm nhất hiện nay
[4,5,7,10,12,16,17,21–23].
Các nghiên cứu trên hệ đo nơtron sử dụng đetectơ nhấp nháy đang được tập
trung theo hai hướng chính:
1) Nghiên cứu phát triển vật liệu và tối ưu kích thước vùng nhạy: các mục tiêu

nghiên cứu hướng đến là tối ưu hóa phổ nơtron thu được [26,27], làm tăng khả năng
nhận biết nơtron/gamma [17,18,28] và tối ưu hiệu suất ghi [29] bằng cách phát triển
các vật liệu nhấp nháy và tính toán mô phỏng tối ưu hóa kích thước vùng nhạy của
đetectơ.
2) Phát triển các phương pháp phân biệt nơtron/gamma: Các phương pháp phân biệt
nơtron/gamma truyền thống như: thời gian tăng [8,30], độ dốc xung [25], tỉ số diện
tích xung [7,9], phương pháp cắt không [4,7,9,23] tiếp tục được ứng dụng trong các
nghiên cứu hệ đo nơtron. Tuy nhiên, hiệu quả phân biệt nơtron/gamma của các
phương pháp truyền thống vẫn kém ở vùng năng lượng thấp (< 200keVee). Bên
cạnh các phương pháp truyền thống, các phương pháp phân biệt dạng xung mới sử
dụng các thuật toán phức tạp cũng đang được tập trung nghiên cứu gần đây. Trong

7


nghiên cứu M.J. Safari và các cộng sự [18] sử dụng các phương pháp nhận dạng
xung nơtron/gamma trong miền tần số thông qua phân tích Fourier cho các tín hiệu
xung số từ detectơ nhấp nháy DFTM (discrete Fourier transform method); kết quả
phân tích đã cho thấy hiệu quả phân biệt được cải thiện và ít phụ thuộc vào nhiễu
điện tử hơn so với phương pháp diện tích xung truyền thống. Phương pháp nhận
dạng mẫu đã được D.Takaku và gần đây là K. Kamada và các cộng sự [16,31]
nghiên cứu ứng dụng trên hệ đo nơtron sử dụng đetectơ NE213. Các kết quả phân
biệt nơtron/gamma có cải thiện so với các phương pháp truyền thống khi sử dụng
tần số lấy mẫu cao (> 5GSPs). Gần đây, việc nhận dạng xung nơtron/gamma bằng
các phép biến đổi tín hiệu xung từ miền thời gian sang miền phi thời gian đã được
nghiên cứu và ứng dụng trên các hệ đo nơtron sử dụng đetectơ nhấp nháy. Trong
nghiên cứu của R.F. Langa và các cộng sự [32] đã xây dựng phương pháp phân biệt
xung sử dụng các biến đổi Fourier và biến đổi Laplace. Một nghiên cứu của Harleen
Singh và các cộng sự xây dựng một phương pháp phân biệt xung dựa trên biến đổi
Wavelet cho các xung số hóa DWT (discrete wavelets transform) [33]. Phương

pháp nhận dạng xung nơtron/gmma sử dụng mạng nơron nhân tạo cũng đã được
nghiên cứu [34,35]. Phương pháp mạng nơron nhân tạo sử dụng các thuật toán cho
máy học dựa trên các xung chuẩn nơtron và gamma. Một phương pháp nhận dạng
xung nơtron/gamma mới cũng đã được phát triển bởi Y. Lotfi và các cộng sự, dựa
trên kỹ thuật nhóm lượng tử DBQC (discrimination based on quantum clustering).
Phương pháp này đạt kết quả phân biệt tốt nơtron/gamma trong vùng năng lượng
thấp (FoM = 1.6 tại ngưỡng 100keVee). Các kết quả đạt được trong các nghiên cứu
của các phương pháp mới đã cho thấy có sự cải thiện hiệu quả phân biệt so với các
phương pháp truyền thống trong vùng năng lượng thấp.
Hầu hết những nghiên cứu phân biệt nơtron/gamma gần đầy tập trung vào việc
cải thiện hiệu quả tách xung nơtron với gamma ở vùng năng lượng thấp (<
200keVee). Hiệu quả phân biệt được cải thiện ở nhiều mức độ khác nhau tùy từng
phương pháp. Tuy nhiên, các phương pháp mới như: phương pháp

biến đổi

Fourier, Laplace, mạng nơron nhân tạo, phân tích Wavelet có điểm chung là sử

8


dụng các giải thuật phức tạp, khối lượng tính toán lớn. Do vậy, các phương pháp
này thường được phân tích ở dạng ngoại tuyến (offline) hoặc áp dụng trên các hệ đo
có tài nguyên phần cứng rất lớn.
1.1.2 Đo nơtron với các ống đếm khí
Tiết diện hấp thụ nơtron đối với một số chất khí như 1H, 3He, 4He, 10BF3 lớn,
nên chúng được sử dụng làm các ống đếm nơtron rất hiệu quả. Các hạt nặng mang
điện được tạo ra trong tương tác với nơtron sẽ ion hóa môi trường khí trong đầu đo.
Khi các cặp ion–electron được thu gom, một tín hiệu điện sẽ được tạo ra cho phép
ghi nhận và xử lý bởi các khối điện tử. Do tiết diện phản ứng với nơtron nhiệt của

3

He và 10B và năng lượng nhiệt tỏa ra trong mỗi phản ứng lớn, nên các ống đếm khí

3

He và BF3 được sử dụng phổ biến trong các hệ đo nơtron nhiệt.
Các ưu điểm chính của các hệ đo nơtron sử dụng ống đếm khí là hệ thống đo

đơn giản; năng lượng phản ứng lớn; ít nhạy với gamma và phần lớn các sự kiện của
gamma ghi nhận được có biên độ nhỏ, do đó có thể loại bỏ nhiễu gamma bằng cách
dùng phương pháp cắt ngưỡng biên độ [1,36].
Các nhược điểm chính của ống đếm khí: hiệu suất ghi kém; hiệu suất ghi rất
nhỏ đối với nơtron nhanh; thông tin năng lượng của nơtron bị mất do quá nhỏ so với
năng lượng phản ứng; quá trình hình thành xung dài gây bất lợi cho các hệ đo sử
dụng các tham số đánh dấu thời gian như hệ đo bằng thời gian bay (ToF) và các hệ
đo trùng phùng.
1.1.3 Đo nơtron với các đetectơ nhấp nháy
Thành phản xạ sáng

Đetectơ

Gamma

Nơtron

Chất
nhấp
nháy

Ống
dẫn
sáng

Tiền
Ống nhân quang
khuếch đại
(PMT)

Nguồn cao áp
Mạch điện tử
xử lý xung

Hình 1.1 Cấu trúc một đetectơ nhấp nháy và kết nối.
Các đetectơ nhấp nháy dựa trên nguyên lý chuyển đổi bức xạ hạt nhân thành
các nháy sáng (photon) trong chất nhấp nháy. Chất nhấp nháy được ghép với bộ
chuyển đổi quang điện (PMT hay photodiode), cho phép ghi nhận và xử lý các tín

9