Luận án Tiến sĩ Vật lý: Nghiên cứu thiết kế và chế tạo thiết bị ghi đo bức xạ hiện trường sử dụng kỹ thuật xử lý tín hiệu số (DSP) vào mảng các phần tử logic lập trình (FPGA)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

VIỆN NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ VIỆT NAM

ĐINH TIẾN HÙNG

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ GHI ĐO BỨC
XẠ HIỆN TRƯỜNG SỬ DỤNG KỸ THUẬT XỬ LÝ TÍN HIỆU SỐ (DSP)
VÀO MẢNG CÁC PHẦN TỬ LOGIC LẬP TRÌNH (FPGA)

LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ

HÀ NỘI - 2020


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

VIỆN NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ VIỆT NAM

ĐINH TIẾN HÙNG

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ GHI ĐO BỨC
XẠ HIỆN TRƯỜNG SỬ DỤNG KỸ THUẬT XỬ LÝ TÍN HIỆU SỐ
(DSP) VÀO MẢNG CÁC PHẦN TỬ LOGIC LẬP TRÌNH (FPGA)
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:

PGS.TS. Phạm Đình Khang
PGS.TS. Nguyễn Nhị Điền

HÀ NỘI - 2020


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan Luận án tiến sĩ: “Nghiên cứu thiết kế và chế tạo thiết bị ghi
đo bức xạ hiện trường sử dụng kỹ thuật xử lý tín hiệu số (DSP) vào mảng các phần
tử logic lập trình (FPGA)” là cơng trìnhnghiên cứu của tơi dưới sự hướng dẫn của
PGS.TS. Phạm Đình Khang và PGS.TS. Nguyễn Nhị Điền. Các kết quả nghiên cứu
được trình bày trong luận án là trung thực và chưa được công bố trong bất kỳ cơng trình
nghiên cứu nào khác.
Tơi xin cam đoan luận án được tiến hành nghiên cứu một cách nghiêm
túc, số liệu sử dụng phân tích trong luận án có nguồn gốc rõ ràng, tất cả
những tham khảo và kế thừa đều được trích dẫn và tham chiếu đầy đủ.
Tơi xin chịu trách nhiệm về những lời cam đoan trên.
Hà Nội, ngày

tháng

năm

2020

Nghiên cứu sinh

Đinh Tiến Hùng

i


LỜI CẢM ƠN

Tác giả luận án xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành đến:
PGS.TS. Phạm Đình Khang, PGS.TS. Nguyễn Nhị Điền đã tận tình giúp đỡ về
mặt học thuật, phương pháp tư duy khoa học và động viên trong suốt quá trình thực
hiện luận án.
Lãnh đạo, chỉ huy Viện Hóa học Mơi trường qn sự/Binh chủng Hóa học đã
quan tâm, tạo mọi điều kiện thuận lợi về thời gian, các trang thiết bị PTN và nhân lực.
Công ty TNHH Hakata Việt đã hỗ trợ các linh kiện, vật tư chất lượng cao để thử
nghiệm trong hướng nghiên cứu của luận án.
Ban Lãnh đạo Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam, Ban Lãnh đạo và cán bộ
Trung tâm Đào tạo hạt nhân/Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam đã giúp đỡ hoàn tất
các thủ tục cần thiết.
Tác giả xin được gửi lời cảm ơn chân thành tới PGS.TS. Nguyễn Xuân Hải, TS.
Nguyễn Ngọc Anh đã đóng góp các ý tưởng khoa học cho luận án.
Các bạn bè, đồng nghiệp tại Phịng Phóng xạ/Viện Hóa học Mơi trường qn sự;
gia đình đã luôn động viên và tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả trong suốt quá trình
thực hiện luận án.
Xin trân trọng cảm ơn!

Đinh Tiến Hùng

ii

MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ...................................................................................... vi
MỞ ĐẦU .......................................................................................................................................1
1. Lý do chọn đề tài ...................................................................................................... 1
2. Mục tiêu của luận án ................................................................................................ 1
4. Ý nghĩa khoa học của luận án.................................................................................. 2
5. Giá trị thực tiễn của luận án ..................................................................................... 3
6. Bố cục của luận án ................................................................................................... 3
CHƯƠNG 1. NHU CẦU THỰC TIỄN VÀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ
TẠO TRANG THIẾT BỊ TRINH SÁT PHÁT HIỆN PHÓNG XẠ ......................................5
1.1.Nhu cầu thực tiễn ................................................................................................... 6
1.1.1. Tình hình sử dụng các trang thiết bị trinh sát bức xạ trên thế giới. ..... 6
1.1.2.Nhu cầu trong quan trắc môi trường, phục vụ đào tạo của Việt Nam ... 7
1.1.3. Các hệ đo hướng tới gọn nhẹ và tiết kiệm năng lượng.......................... 7
1.1.4. Yêu cầu về làm chủ công nghệ .............................................................. 7
1.1.5. Khả năng chế tạo nhanh, chất lượng ổn định và nguồn linh kiện vật tư
.......................................................................................................................... 8
1.2. Tình hình nghiên cứu và chế tạo trên thế giới ..................................................... 8
1.2.1. Tổng quan nghiên cứu và chế tạo detector nhấp nháy không dùng PMT
trên thế giới ...................................................................................................... 8
1.2.2. Nghiên cứu và chế tạo hệ thống xử lý tín hiệu số ................................ 17
CHƯƠNG II. THIẾT KẾ, CHẾ TẠO DETECTOR NHẤP NHÁY SỬ DỤNG QUANG
ĐI-ỐT VÀ HỆ THỐNG XỬ LÝ SỐ TÍN HIỆU DỰA TRÊN MẢNG LINH KIỆN LẬP
TRÌNH FPGA ............................................................................................................................ 38
2.1. Lựa chọn, tính tốn và thiết kế hệ detector nhấp nháy sử dụng quang đi-ốt ... 38
iii

2.1.1. Lựa chọn tinh thể nhấp nháy ............................................................... 38
2.1.2. Lựa chọn quang đi-ốt .......................................................................... 40
2.1.3. Lựa chọn tiền khuếch đại..................................................................... 43
2.1.4. Hệ thống khuếch đại và hình thành xung ............................................ 46
2.1.5. u cầu thiết kế cấu hình cơ khí của detector và thiết bị kiểm tra ...... 47
2.2. Thiết kế các thuật toán cho DMCA ................................................................... 48
2.2.1. Mạch lọc số Sallen Key S-K ................................................................ 49
2.2.2. Bộ lọc năng lượng ............................................................................... 50
2.2.3. Thiết kế bộ tạo tín hiệu trigger ............................................................ 55
2.2.4. Tính tốn, thiết kế các khối chức năng của DMCA trên phần mềm mô
phỏng MATLAB Simulink và ngôn ngữ lập trình Verilog ............................. 58
2.3. Phương thức lựa chọn các tham số trong DPP .................................................. 62
2.3.1. Giải chập xung trong các hệ phổ kế nhấp nháy .................................. 62
2.3.2. Lựa chọn tham số thời gian đối với các detector cụ thể ..................... 65
2.4. Phương pháp ổn định và xử lý phổ gamma từ detector nhấp nháy ................. 66
2.4.1. Phương pháp ổn định phổ gamma theo nhiệt độ của detector nhấp nháy
........................................................................................................................ 66
CHƯƠNG 3. CÁC KẾT QUẢ CHẾ TẠO TRANG THIẾT BỊ TRINH SÁT PHÁT HIỆN
PHÓNG XẠ, HẠT NHÂN....................................................................................................... 72
3.1. Kết quả chế tạo detector nhấp nháy ................................................................... 72
3.1.1. Thiết kế, chế tạo khung vỏ detector ..................................................... 72
3.1.2. Kết quả thiết kế, chế tạo các khối điện tử tương tự ............................. 73
3.1.5. Đánh giá kết quả chế tạo detector ................................................................................. 94
3.2. Kết quả thiết kế, chế tạo bộ phân tích đa kênh kỹ thuật số DMCA ................. 95

iv


3.2.1. Thiết kế DMCA với kit FPGA XC3S500E của Xilinx .......................... 95
3.2.3. Kết quả đánh giá các thông số DMCA ............................................... 99

3.2.4. Thiết kế DMCA các linh kiện rời dựa trên chip FPGA Intel MAX 10
...................................................................................................................... 104
3.3. Kết quả nghiên cứu phương pháp, kỹ thuật hiệu chỉnh phổ gamma ............. 109
3.3.1. Bố trí thực nghiệm ............................................................................. 109
3.3.2. Kết quả và thảo luận phương pháp hiệu chỉnh phổ .......................... 110
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................................... 116
Kết luận ..................................................................................................................................... 116
Kiến nghị................................................................................................................................... 116
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ .......................................................... 118
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................................... 120

v


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
CHỮ VIẾT TẮT

TIẾNG ANH

TIẾNG VIỆT

AC

Alternating Current

Xoay chiều

ADC

Analog to Digital

Converter

Bộ biến đổi tương tự - số

APD

Avalanche Photodiode

Đi-ốt quang thác lũ

DC

Direct Current

Một chiều

DMCA

Digital Multi-Channel
Analyzer

Bộ phân tích biên độ đa
kênh kỹ thuật số

DSL

Digital Subscriber Line

Kênh thuê bao số

DSP

Digital Signal Processing

Xử lý tín hiệu số

ENC

Equivalent Noise Charge

Nhiễu điện tích tương
đương

ERMS

Environmental Radiation
Monitoring System

Hệ quan trắc phóng xạ
mơi trường

FPGA

Field Programmable Gate
Array

Mảng các phần tử logic
lập trình được

FWHM

Full width at half
maximum

Độ rộng nửa chiều cao tại
đỉnh năng lượng

FWTM

Full Width at Tenth
Maximum

Độ rộng 1/10 chiều cao tại
đỉnh năng lượng

GM

Geiger–Müller counter

Ống đếm Geiger–Müller

GND

Ground

Tiếp đất của mạch

HPD

High Pass filter

Deconvolver

Bộ giải lọc thông cao

HPF

High Pass Filter

Bộ lọc thông cao

IP

Internet Protocol

Giao thức Internet

ISE

Integrated Software
Environment

Môi trường phần mềm tích
hợp

LLD

Lower level discriminator

Bộ cắt ngưỡng dưới

LPF

Low Pass Filter

Bộ lọc thơng thấp

MA

Moving Average

Phép lấy trung bình dịch
chuyển
vi


MCA

Multi-Channel Analyzer

Bộ phân tích biên độ đa
kênh

MSPS

Million Samples Per
Second

Triệu mẫu trên giây

PHA

Pulse High Analysis

Phân tích biên độ

PIN diode

P-i-N diode

Loại đi-ốt có vùng bán dẫn
nội tại i giữa 2 vùng p và n

PMT

Photo-multiplier Tube

Ống nhân quang

Pre-filter

Preliminary filter

Bộ tiền lọc

RAM

Random Access Memory

Bộ nhớ thâm nhập ngẫu
nhiên

RMS

Root-mean-square

Giá trị hiệu dụng

SPI

Serial Peripheral Interface

Cổng giao diện nối tiếp

USB

Universal Serial Bus

Giao diện nối tiếp đa năng

TKĐ

Pre-amplifier

Tiền khuếch đại

Vcc

Voltage collector to
collector

Điện thế đầu vào của
mạch

Very high-speed
integrated circuit
Hardware Description
Language

Ngơn ngữ mơ tả phần cứng
mạch tích hợp tốc độ rất
cao

VHDL

vii


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. Lớp vỏ bọc và độ phân giải năng lượng của detector ........................................... 12
Bảng 1.2. So sánh kết quả sử dụng APD S8664-1010 và PMT XP-5300 ........................... 15
Bảng 2.1. Độ nhạy điện tích của một số loại tiền khuếch đại................................................ 44
Bảng 2.2. Nguồn phóng xạ chuẩn sử dụng trong luận án ...................................................... 71
Bảng 3.1. Kết quả khảo sát lựa chọn điện thế bias và trở bias cho detector CsI(Tl) ........... 81
Bảng 3.2. Khảo sát độ phân giải năng lượng theo hằng số thời gian tạo dạng .................... 82
Bảng 3.3. Kết quả khảo sát lựa chọn điện thế bias và trở bias cho detector LaBr3(Ce)...... 84
Bảng 3.4. Khảo sát độ phân giải năng lượng theo hằng số thời gian tạo dạng .................... 85
Bảng 3.5. Kết quả khảo sát hiệu suất nội toàn phần và hiệu suất quang điện nội của detector
CsI((Tl) và LaBr3(Ce)................................................................................................................ 89
Bảng 3.6. Kết quả khảo sát hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần detector CsI(Tl) theo
khoảng cách ................................................................................................................................ 90

Bảng 3.7. Kết quả khảo sát hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần detector LaBr3(Ce) theo
khoảng cách ................................................................................................................................ 91
Bảng 3.8. Công suất tiêu thụ của detector CsI(Tl) và LaBr3(Ce) .......................................... 94
Bảng 3.9. Vị trí đỉnh phổ ứng với biên độ xung chuẩn ........................................................ 102
Bảng 3.10. Lựa chọn tham số DPP cho detector LaBr3(Ce) và CsI(Tl)............................. 106
Bảng 3.11. Hệ số (ak, bk) thu được từ quá trình làm khớp với số liệu thực nghiệm ......... 111
Bảng 1PL. Đặc trưng của các loại nhấp nháy vô cơ[15] ..........................................................1
Bảng 2PL. Kết quả đo thời gian dài detector CsI(Tl)................................................................1
Bảng 3PL. Kết quả đo thời gian dài detector LaBr3(Ce) ..........................................................2

viii


DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1. Phổ 137Cs, đỉnh năng lượng 662 keV thu được khi gắn APD với NaI(Tl) [21] .....9
Hình 1.2. Phổ của 137Cs đo với CsI(Tl) ghép cùng APD S8664-1010 [31] ......................... 13
Hình 1.3. Các phổ thu được đo với 22Na và 60Co [32] ........................................................... 13
Hình 1.4. Kết quả đo với quang đi-ốt Viện ETR và S-3590-01[34]..................................... 14
Hình 1.5. Phổ đo của hệ sử dụng LaBr3(Ce)với 137Cs [35].................................................... 15
Hình 1.6. Kết quả so sánh độ phân giải năng lượng đo với nguồn 137Cs [36] ..................... 16
Hình 1.7. Sơ đồ khối của một hệ phổ kế xử lý số ................................................................... 17
Hình 1.8. Sơ đồ thuật tốn DPP................................................................................................ 18
Hình 1.9. Lưu đồ thuật tốn. Kí hiệu chức năng các khối: - adder/subtracter; ACC accumulator, X - multiplier; DELAY - delay pipeline [38] .................................................. 19
Hình 1.10. So sánh các kết quả phổ phân bố biên độ xung [39] ........................................... 19
Hình 1.11. Lưu đồ thuật tốn xử lý xung số [51].................................................................... 20
Hình 1.12. Mô tả cấu trúc một hệ phổ kế kinh điển [43] ....................................................... 21
Hình 1.13. Quá trình xử lý xung trong hệ phổ kế kinh điển [43] .......................................... 22
Hình 1.14. Mơ tả xung số [43].................................................................................................. 23
Hình 1.15. Cấu trúc ngun lý của hệ đo xử lý xung số [43] ................................................ 23
Hình 1.16. Mode dao động ký trong trích xuất và xử lý dữ liệu [43] ................................... 24

Hình 1.17. Mode trộn trong trích xuất và xử lý dữ liệu [43] ................................................. 25
Hình 1.18. Khởi phát đánh dấu thời điểm trước và sau lọc thời gian [43] ........................... 25
Hình 1.19. Kỹ thuật cắt đường 0 sử dụng các bộ lọc số [43] ................................................ 26
Hình 1.20. Sơ đồ khối của hệ xử lý số bằng đo biên độ xung [43] ....................................... 27
Hình 1.21. Mơ hình kỹ thuật phân tách – tổng hợp để xử lý xung số [53] .......................... 28
Hình 1.22. Kết quả đo tia X từ detector Si sử dụng kỹ thuật phân tách - tổng hợp [53]..... 28

ix


Hình 1.23. Kết quả thử nghiệm tính tốn mơ phỏng bộ lọc Gauss [50] ............................... 29
Hình 1.24. Sơ đồ nhờ mạch lối vào giảm tạp âm [52] ........................................................... 30
Hình 1.25. Sơ đồ khối chức năng của hệ đo xử lý số sử dụng FPGA [44] ......................... 30
Hình 1.26. Kết quả thu phổ 60Co với detector bán dẫn (a) và NaI(Tl) (b) [44]................... 31
Hình 1.27.Sơ đồ khối hệ xử lý số sử dụng phối hợp các bộ lọc tương tự .............. 31
Hình 1.28. Mức độ chồng chập xung phụ thuộc độ rộng xung và tốc độ đếm [49] ......... 32
Hình 1.29. Chồng chập xung ở tốc độ 10 kcps và vai trị bộ lọc S-K [47] .......................... 33
Hình 1.30. Sơ đồ chức năng của hệ đo với tốc độ đếm cao [47]........................................... 34
Hình 1.31. Kết quả đo với 60Co, trong cửa sổ nhỏ là đỉnh 1332 keV [47] ........................... 34
Hình 1.32. Kết quả mở rộng dải đo về phía năng lượng thấp [42] ....................................... 35
Hình 2.1. Điện dung của S8664 phụ thuộc điện áp đặt lên [59] ........................................... 42
Hình 2.2. Dịng rò của quang đi-ốt cổ điển (S3590) và thác lũ (S8664) .............................. 42
Hình 2.3. Hai cách ghép nối quang đi-ốt với tiền khuếch đại ............................................... 45
Hình 2.4. Giải pháp loại bỏ ground loop ................................................................................. 48
Hình 2.5. Sơ đồ mạch lọc Sallen-Key...................................................................................... 49
Hình 2.6. Tín hiệu vào và tín hiệu ra tương ứng trong bộ lọc số S-K................................... 50
Hình 2.7. Tổng hợp dạng xung hình thang trong miền thời gian liên tục ............................ 52
Hình 2.8. Sơ đồ khối bộ lọc hình thành xung hình thang ...................................................... 54
Hình 2.9. Mạch hồi phục đường cơ bản theo kiểu tương tự .................................................. 54
Hình 2.10. Sơ đồ thuật toán hồi phục đường cơ bản sử dụng cho các bộ lọc số ................. 55

Hình 2.11. Sơ đồ khối của bộ lọc trung bình động với cửa sổ làm trơn C ........................... 56
Hình 2.12. Sơ đồ khối vi phân bậc 1 với hằng số thời gian vi phân F .................................. 56
Hình 2.13. Khối vi phân bậc 2 với hằng số thời gian vi phân F ............................................ 57
Hình 2.14. Giản đồ thời gian của bộ tạo xung trigger ............................................................ 57
x


Hình 2.15. Hình ảnh các khối cơ bản của DMCA xây dựng trên MATLAB Simulink..... 58
Hình 2.16. Sơ đồ khối của khối tạo xung trên MATLAB – Simulink ................................. 59
Hình 2.17. Biên độ tín hiệu ra từ khối tạo xung ...................................................................... 59
Hình 2.18. Sơ đồ khối ADC9254/AnalogDevices ................................................................. 60
Hình 2.19. Khối ADC trên phần mềm mô phỏng MATLAB Simulink .............................. 60
Hình 2.20. Tín hiệu trước và sau khi lấy mẫu bởi ADC ........................................................ 60
Hình 2.21. Các khối chức năng trong bộ lọc năng lượng ...................................................... 61
Hình 2.22. Xung ra tương ứng từ các khối chức năng trên phần mềm mô phỏng .............. 62
Hình 2.23. Xung dịng từ quang đi-ốt (a) và xung từ tiền khuếch đại nhạy điện tích (b) ... 66
Hình 2.24. Sơ đồ hệ đo có hiệu chỉnh phổ bằng phần mềm .................................................. 69
Hình 2.25. Lưu đồ thuật tốn xử lý hiệu chỉnh phổ gamma .................................................. 69
Hình 2.26. Phổ thử nghiệm với tinh thể CsI(Tl) ghép nối S-3590-08 với TKĐ CR-110... 70
Hình 3.1. Bản vẽ thiết kế hệ thống cơ khí detector nhấp nháy CsI(Tl) và LaBr3(Ce) ........ 72
Hình 3.2. Sản phẩm thiết kế thử nghiệm detector nhấp nháyLaBr3(Ce) .............................. 73
Hình 3.3. Sơ đồ bố trí các khối mạch nguồn ........................................................................... 74
Hình 3.4. Sơ đồ thiết kế hệ mạch nguồn ni ......................................................................... 74
Hình 3.5. Sơ đồ mạch cấp nguồn điện áp bias cho APD ....................................................... 75
Hình 3.7. Sơ đồ thiết kế khối khuếch đại sơ bộ ...................................................................... 76
Hình 3.8. Xung ra của detector LaBr3(Ce) ghép S8664-55 và CsI(Tl) ghép S8664-55 .... 76
Hình 3.9. Sơ đồ thử nghiệm, đánh giá detector nhấp nháy CsI(Tl)/LaBr3(Ce) ................... 78
Hình 3.10. Hình ảnh thử nghiệm detectorCsI(Tl)/LaBr3(Ce) ............................................... 78
Hình 3.11. Dạng xung lối ra từ TKĐ và qua KĐ tạo dạng của detector CsI(Tl)................. 79
Hình 3.12. Dạng xung lối ra từ TKĐ và qua KĐ tạo dạng của detector LaBr3(Ce) ........... 79

Hình 3.13. Kết quả kiểm tra giải pháp giải pháp loại bỏ đường đất. (a) và (b) tín hiệu từ TKĐ
xi


khơng có và có loại bỏ đường đất; (c) và (d) tín hiệu sau khối tạo dạng khơng có và có loại
bỏ đường đất ............................................................................................................................... 80
Hình 3.14. FWHM phụ thuộc điện thế và trở bias với detector CsI(Tl) .............................. 82
Hình 3.15. Sự phụ thuộc của FWHM vào thời gian tạo dạng của detector CsI(Tl) ............ 83
Hình 3.16. Phổ thử nghiệm của detectorCsI(Tl) với điều kiện tối ưu .................................. 83
Hình 3.17. FWHM phụ thuộc điện thế và trở bias với detector LaBr3(Ce) ......................... 85
Hình 3.18. Sự phụ thuộc của FWHM vào thời gian tạo dạng của detector LaBr3(Ce)...... 86
Hình 3.19. Phổ gamma thử nghiệm detector LaBr3:(Ce) với điều kiện tối ưu .................... 86
Hình 3.20. Hiệu suất nội và hiệu suất quang điện nội của detector LaBr3(Ce) và detector
CsI(Tl). ........................................................................................................................................ 89
Hình 3.21. Hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần của detector CsI(Tl) ................................ 91
Hình 3.22. Hiệu suất đỉnh năng lượng tồn phần detector LaBr3(Ce).................................. 92
Hình 3.23. Khảo sát sự ổn định phổ của detector CsI(Tl) theo thời gian ............................. 93
Hình 3.24. Khảo sát sự ổn định phổ của detector LaBr3(Ce) theo thời gian........................ 93
Hình 3.25. Sơ đồ khối của DMCA........................................................................................... 96
Hình 3.26. Giản đồ thời gian mơ phỏng q trình xử lý tín hiệu trên FPGA ...................... 97
Hình 3.27. Sản phẩm DMCA dựa trên kit FPGAXilinx XC3S500E ................................... 98
Hình 3.28. Hình ảnh đo đạc lấy số liệu thực nghiệm ............................................................. 99
Hình 3.29. So sánh phổ gamma thu được với nguồn (137Cs + 60Co) giữa DMCA của....... 99
luận án và DSPEC jr 2.0 tại 25, 30 và 35 kpcs. ...................................................................... 99
Hình 3.30. Phổ gamma của nguồn (137Cs + 60Co) ghi nhận bởi DMCA tại các suất đếm 72
và 110 kcps ............................................................................................................................... 100
Hình 3.31. Khảo sát các đại lượng: suất đếm đỉnh photon quang điện tại đỉnh 662 keV, tốc
độ đếm tổng, FWHM, thời gian chết của hệ đo theo tốc độ xung vào của 137Cs .............. 101
Hình 3.32. Sự phụ thuộc của đỉnh phổ theo biên độ tín hiệu vào ....................................... 103
xii

Hình 3.33. Độ lệch của vị trí đỉnh phổ thực nghiệm so với giá trị lý thuyết ...................... 103
Hình 3.34. Tín hiệu xung sau ADC AD9254 của detector CsI(Tl) .................................... 104
Hình 3.35. Tín hiệu xung sau ADC AD9254 của detector LaBr3(Ce) ............................... 105
Hình 3.36. Tín hiệu ra của bộ lọc khi thay đổi τR, τM cố định với detector CsI(Tl) .......... 105
Hình 3.37. Tín hiệu ra của bộ lọc khi thay đổi τR, τM cố định với detector LaBr3(Ce) ..... 106
Hình 3.38. Kết quả chế tạo DMCA dựa trên chip FPGA và linh kiện rời (a); và hình ảnh thử
nghiệm (b)................................................................................................................................. 107
Hình 3.39. Phổ của đồng vị 137Cs ghi nhận bởi detector CsI(Tl) và DMCA ..................... 108
Hình 3.40. Phổ của 137Cs (a) và 60Co (b) ghi nhận bởi detector LaBr3(Ce) và DMCA .... 108
Hình 3.41. Sơ đồ bố trí thực nghiệm ...................................................................................... 109
Hình 3.42. Mối quan hệ giữa 𝐶𝑖, 0 và 𝐶𝑖, 𝑘, trong đó 𝐶𝑖, 0 và 𝐶𝑖, 𝑘 là vị trí các kênh của
đỉnh thứ ith tại nhiệt độ T0 và Tk tương ứng. Đường thẳng liền nét và đường gián đoạn biểu
diễn mối quan hệ giữa 𝐶𝑖, 0 và 𝐶𝑖, 𝑘 khi nhiệt độ T = 0,4℃ và 45℃ tương ứng. ............ 110
Hình 3.43. Dịch chuyển vị trí tương đối của các đỉnh so với nhiệt độ tham chiếu T0= 25℃
khơng có (a) và có (b) sử dụng thuật tốn hiệu chỉnh phổ. Dịch chuyển vị trí tương đối của
các đỉnh được tính bởi Ci,k / Ci,0 . ........................................................................................... 112
Hình 3.44. Độ lệch tương đối giữa vị trị đỉnh sau khi hiệu chỉnh với vị trí đỉnh ở nhiệt độ
tham chiếu (RD(%)=(Ci,k-Ci,0)*100%) .................................................................................. 112
Hình 3.45. Phổ bức xạ nguồn 60Co và 137Cs trước hiệu chỉnh (a) và sau khi hiệu chỉnh (c).
Phổ bức xạ nguồn 152Eu trước hiệu chỉnh (b) và sau hiệu chỉnh (d). .................................. 113
Hình 3.46. Nhiệt độ môi trường biến thiên trong 24 giờ từ ngày 29/7/2019 đến 30/7/2019.
Số liệu nhiệt độ được lấy 10 phút/lần..................................................................................... 114
Hình 3.47. Phổ gamma mơi trường thu được bởi ERMS tại Hà Nội với có và khơng sử dụng
phương pháp hiệu chỉnh .......................................................................................................... 114
Hình 1PL. Sơ đồ mơ phỏng trên Simulink .................................................................................1

xiii

Hình 2PL. Mơ phỏng khối tạo dạng xung từ tiền khuếch đại ..................................................1
Hình 3PL. Mơ phỏng Flash ADC 14bit 150MSP .....................................................................2
Hình 4PL. Mơ phỏng các tầng xử lý tín hiệu .............................................................................2
Hình 5PL. Mơ phỏng khối xử lý, lưu trữ và hiển thị dữ liệu phổ ............................................2

xiv


MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Thiết bị trinh sát phát hiện phóng xạ, hạt nhân hiện đại có thành phần quan trọng
nhất là một hệ đo phổ bức xạ gamma. Các tinh thể nhấp nháy LaBr3, CeBr3, CsI(Tl) có
độ nhạy và độ phân giải năng lượng cao; các kỹ thuật điện tử hiện đại phát triển kết hợp
cùng các thuật tốn thơng minh như kỹ thuật xử lý tín hiệu số (DPP) - thành phần cơ
bản của hệ trinh sát phóng xạ - đang là xu hướng nghiên cứu và ngày càng được sử dụng
vào lĩnh vực này.
Để làm chủ trong lĩnh vực nghiên cứu thiết kế, chế tạo các hệ thống trinh sát phóng
xạ trang bị cho Quân đội, đề tài nghiên cứu: “Nghiên cứu thiết kế và chế tạo thiết bị
ghi đo bức xạ hiện trường sử dụng kỹ thuật xử lý tín hiệu số (DSP) vào mảng các
phần tử logic lập trình (FPGA)” được NCS chọn lựa.

2. Mục tiêu của luận án
Mục tiêu luận án là nghiên cứu chế tạo hệ phân tích phổ gamma - thành phần chính
của hệ trinh sát phát hiện phóng xạ. Như vậy, các việc cần làm là:
i) Chế tạo detector nhấp nháy tiêu thụ ít năng lượng và nhỏ gọn;
ii) Chế tạo hệ phân tích phổ trên cơ sở DPP.
Cụ thể là:
- Thiết kế, chế tạo detector nhấp nháy sử dụng APD thay cho PMT để giảm khối
lượng, kích thước của detector. Trong detector chứa tinh thể nhấp nháy loại CsI(Tl) hoặc

LaBr3(Ce), APD, tiền khuếch đại, khuếch đại và khối nguồn nuôi.
- Nghiên cứu, xây dựng phương pháp nhằm áp dụng detector trong điều kiện hiện
trường (outdoor) với điều kiện nhiệt độ và độ ẩm thay đổi mạnh, cường độ sóng điện,
từ trường lớn.
- Thiết kế, chế tạo hệ phân tích phổ đa kênh sử dụng kỹ thuật xử lý số.
3. Nội dung cần thực hiện
Với mục tiêu tổng quát nêu trên, luận án cần giải quyết các nội dung sau:

1


1. Lựa chọn các loại vật liệu nhấp nháy, tính toán và thiết kế các hệ detector với
các tinh thể nhấp nháy loại CsI(Tl) và LaBr3(Ce), sử dụng APD thay cho PMT truyền
thống.
2. Thiết kế các thuật toán cho DMCA dựa trên FPGA. Thử nghiệm các hàm lọc số
bằng các ngơn ngữ lập trình khác nhau như VDHL, C++, MATLAB và LabView,… để
lựa chọn firmware cài đặt. Các chương trình có thể được thử nghiệm trên hệ mơ phỏng
với bộ xung mẫu (dựng bằng kỹ thuật mô phỏng và thu thập từ một loại detector cụ thể).
3. Thiết kế phần cứng của hệ detector và hệ điện tử theo yêu cầu của bài toán đo.
4. Xây dựng phương pháp hiệu chỉnh phổ cho detector nhấp nháy với hệ điện tử
được thiết kế.
5. Đánh giá các đặc trưng kỹ thuật của các thiết bị được chế tạo.

4. Ý nghĩa khoa học của luận án
4.1. Ý nghĩa về phương pháp
- Giải mã các kỹ thuật để detector có độ phân giải và hiệu suất ghi cao như tính
tốn lý thuyết nhằm nội địa hóa việc chế tạo detector nhấp nháy.
- Giải mã các kỹ thuật để nội địa hóa (tiến đến sản xuất hàng hoạt) hệ DMCA phân
tích phổ bức xạ hạt nhân.
- Tìm kiếm các giải pháp sử dụng hệ đo ngồi trời (nhiệt độ và độ ẩm ln thăng

giáng).
4.2. Các kết quả cụ thể
Về detector:
Luận án đã chế tạo thử nghiệm thành công 02 bộ detector nhấp nháy CsI(Tl) và
LaBr3(Ce), với các đặc trưng chính sau:
- Detector nhấp nháy bao gồm tinh thể CsI(Tl) + S8664-0505 + CR-110, độ phân
giải đạt được là 8,74% với nguồn 137Cs với các tham số được thiết lập: Điện áp bias là
385 V, điện trở bias 100 MΩ và hằng số thời gian tạo dạng 8 µs.
- Hệ detector nhấp nháy bao gồm tinh thể LaBr3(Ce) + S8664-1010 + eV 5093, độ
phân giải đạt được là 4,02% với nguồn

137

Cs với các tham số được thiết lập: Điện áp

bias là 345 V, điện trở bias 200 MΩ và hằng số thời gian tạo dạng 1 µs.
2


Về hệ thống DMCA:
Đã chế tạo loại DMCA có hiệu năng cao và điều chỉnh tùy biến phụ thuộc vào
mục đích sử dụng. Tất cả các thuật tốn phân tích xung kết hợp với bộ lọc FIR và CR
đều được tích hợp trong FPGA.
Về hệ thống ổn định phổ:
Phương pháp ổn định phổ cho kết quả rất khả quan, sai số tương đối giữa vị trí
đỉnh sau khi hiệu chỉnh và vị trí đỉnh tại nhiệt độ tham chiếu < 2% trong toàn bộ dải
nhiệt độ khảo sát từ 0,4℃ đến 45℃.

5. Giá trị thực tiễn của luận án
- Đảm bảo khả năng nội địa hóa, chủ động chế tạo với khả năng sản xuất nhanh và

ổn định, bảo trì và bảo dưỡng hệ phân tích phổ.
- Khả năng cung cấp cho thị trường nội địa không chỉ trong phạm vi sản phẩm
quốc phịng mà cịn có cả tiềm năng phát triển thiết bị ghi đo phóng xạ, hạt nhân trong
lĩnh vực y tế và đào tạo.
6. Bố cục của luận án
Luận án gồm phần Mở đầu, 3 Chương chính và phần Kết luận bao gồm:
Chương 1: Nhu cầu thực tiễn và tình hình nghiên cứu thiết kế chế tạo trang thiết
bị trinh sát phát hiện phóng xạ: Tổng quan tình hình và kết luận về các kết quả nghiên
cứu đã có trên thế giới và trong nước. Lựa chọn các mục tiêu cụ thể và phương hướng
chế tạo trang thiết bị trinh sát phát hiện phóng xạ hiện trường.
Chương 2: Thiết kế, chế tạo detector nhấp nháy sử dụng PIN photodiode và hệ
thống xử lý số tín hiệu dựa trên mảng linh kiện lập trình: Cơ sở khoa học của việc lựa
chọn, tính tốn và thiết kế hệ detector nhấp nháy sử dụng PIN photodiode; Giải quyết
vấn đề chế tạo bộ phân tích đa kênh kỹ thuật số dựa trên cơ sở các bộ giải thuật xung
số; Phương thức giải quyết vấn đề dịch chuyển phổ bức xạ gamma của detector nhấp
nháy (thay đổi vị trí và độ rộng đỉnh), ...
Chương 3: Các kết quả chế tạo trang thiết bị trinh sát phát hiện phóng xạ và thảo
luận.

3


Kết luận.
Kiến nghị
Danh mục các cơng trình cơng bố liên quan đến luận án
Tài liệu tham khảo.
Phụ lục.

4

CHƯƠNG 1. NHU CẦU THỰC TIỄN VÀ TÌNH HÌNH NGHIÊN
CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO TRANG THIẾT BỊ TRINH SÁT PHÁT
HIỆN PHĨNG XẠ
Thiết bị trinh sát phát hiện phóng xạ, hạt nhân được sử dụng để quan trắc, thu thập
thông tin về trường bức xạ từ các hoạt động phóng xạ, hạt nhân và tai nạn hạt nhân. Các
thiết bị trinh sát bức xạ hạt nhân trên thế giới nói chung gồm 2 loại là máy đếm tia bức
xạ và máy đo phổ (nếu lấy tổng diện tích phổ thì cung cấp được thông tin như máy đếm
tia bức xạ - thông qua phương pháp chuyển phổ thành liều). Số liệu thu được có thể là
số đếm, tốc độ đếm hoặc phổ tia bức xạ (phân bố số đếm theo năng lượng), cũng có thể
được chuyển sang liều bức xạ hoặc suất liều bức xạ. Các máy đếm tia bức xạ nói chung
có cấu trúc đơn giản, thường là 1 ống đếm GM kết hợp với bộ đếm xung và hiển thị.
Các máy đo phổ thì phức tạp hơn về detector, tiền khuếch đại, khuếch đại phổ và hệ
thống phân tích phổ biên độ xung và lưu trữ.
Ngày nay các thiết bị trinh sát phát hiện phóng xạ, hạt nhân được sử dụng phổ biến
ở các quốc gia trên thế giới, kể cả các nước chưa có cơ sở hạ tầng hạt nhân, đặc biệt là
các hệ thống quan trắc phóng xạ mơi trường (ERMSs). Hiện nay có rất nhiều các cấu
hình của thiết bị trinh sát phát hiện phóng xạ, hạt nhân được phát triển trên thế giới [17]. Ví dụ, Tachimori Ohba và các cộng sự đã thiết kế thuật toán và mạch chuyển đổi
suất liều chiếu từ detector sử dụng tinh thể NaI(Tl) thành hệ thống đo suất liều chiếu sử
dụng trong lò phản ứng nước nhẹ [1]. Trong khi đó, các cơng trình [2, 3] phát triển thiết
bị quan trắc cầm tay kết nối mạng đo theo thời gian thực, thiết bị này sử dụng đường
thuê bao kỹ thuật số (DSL) và các kỹ thuật định dạng internet di động (IP). Sau sự cố
tại nhà máy điện hạt nhân Fukushima Daiichi, để giảm chi phí sản xuất và dễ dàng trong
vận hành, thao tác trong khi vẫn thu thập được các số liệu suất liều gamma môi trường
chính xác cho các ERMSs, Yang Ishigaki và các cộng sự đã phát triển thiết bị đo phóng
xạ mơi trường bằng việc sử dụng detector p-i-n photodiode kết nối với điện thoại di
động thông minh qua cáp microphone và phần mềm chạy trên nền tảng iOS [4]. Hiện
nay, một số cấu hình ERMSs của các hãng thương mại đã được bảo hộ thông qua các
sáng chế [5, 6, 7]. Tuy nhiên, sử dụng các thiết bị trên khơng những có giá thành cao mà
5

cịn khó khăn trong vận hành, sửa chữa và bảo dưỡng định kỳ. Hơn nữa, cơ chế, thuật
toán báo động, một vấn đề quan trọng, hiếm khi được đề cập đầy đủ trong các tài liệu
kèm theo của các hãng thương mại.
Cùng với sự phát triển của các kỹ thuật điện tử và công nghệ vật liệu, hiện nay các
loại thiết bị trinh sát phát hiện phóng xạ, hạt nhân vẫn được phát triển và nghiên cứu cải
tiến không ngừng. Trong các kỹ thuật tiên tiến hiện nay, mảng các phần tử logic khả dĩ
lập trình (FPGA) và kỹ thuật xử lý xung số (DSP) được ứng dụng rộng rãi trong việc
phát triển các loại thiết bị trinh sát phát hiện phóng xạ, hạt nhân [8 ,9]. Kỹ thuật này cho
phép thiết kế các thiết bị đo thế hệ mới có ưu điểm vượt trội là: giá thành thấp, dễ sử
dụng, nhỏ gọn và tiêu hao ít năng lượng. Hơn nữa, các thuật tốn thơng, minh ứng dụng
trí tuệ nhân tạo, máy học tiếp tục được hoàn thiện để đưa ra các số liệu chính xác, chi tiết
và tin cậy hơn.

1.1.Nhu cầu thực tiễn
1.1.1. Tình hình sử dụng các trang thiết bị trinh sát bức xạ trên thế giới.
Theo thống kê [10], từ năm 1980 đến 2013, thế giới xảy ra 634 vụ tai nạn bức xạ
và hạt nhân, trong đó, có hơn 100 sự cố và tai nạn bức xạ và hạt nhân nghiêm trọng điển
hình là các vụ Chernobyl (1986), Fukushima (2011),… Khi sự cố hạt nhân hoặc vụ thử
hạt nhân xảy ra, thì việc quan trọng nhất là xác định được vị trí và đặc tính của sự việc
để đánh giá hậu quả và đưa ra các hành động thích hợp nhằm tránh những hậu quả ảnh
hưởng lâu dài đến con người và môi trường sinh thái. Ngoài ra, trước sự xuất hiện và
gia tăng các vụ thử vũ khí hạt nhân cơng suất thấp, việc xây dựng ồ ạt các nhà máy điện
hạt nhân ở nhiều quốc gia và các thách thức an ninh phi truyền thống đã đòi hỏi phải
nghiên cứu chế tạo và phát triển các trang thiết bị trinh sát phóng xạ mà thành phần
chính của nó là hệ ghi đo bức xạ. Hơn nữa, với sự phát triển của kinh tế, hầu hết các
quốc gia trên thế giới đều cần có các thiết bị ghi đo bức xạ để sử dụng trong đào tạo, y
học hạt nhân, kiểm soát các cửa khẩu và trong nhiều ứng dụng khác.
Đối với các thiết bị ở dạng kết nối mạng quan trắc liên tục phóng xạ 24/24h, các

nước phát triển như Phần Lan, Canada, Đức, Pháp, Mỹ,… đều được trang bị hệ thống
quan trắc phóng xạ trực tuyến (gọi tắt là các trạm). Các trạm này thường hoạt động ở
6


trạng thái cố định hoặc di động. Đối với các lực lượng kiểm sốt phóng xạ, hạt nhân
như: hải quan, biên phịng, các lực lượng ứng phó, thanh sát,… thì các trang thiết bị cầm
tay gọn, nhẹ để kiểm soát phóng xạ là khơng thể thiếu.
1.1.2.Nhu cầu trong quan trắc môi trường, phục vụ đào tạo của Việt Nam
Ngày nay, số lượng nhà máy điện hạt nhân ngày càng tăng nhanh ở nước láng
giềng Trung Quốc. Chiến lược phát triển điện hạt nhân của quốc gia này là mở rộng
xuống phía Nam và phát triển nhà máy điện hạt nhân nổi trên Biển Đông, trong khi Việt
Nam là quốc gia nằm trong khu vực dễ bị ảnh hưởng nhất do ở phía dưới các luồng
khơng khí vận chuyển trong các mùa Thu, Đơng và Xn. Thêm vào đó, sự hoạt động
khai khống của các mỏ quặng chứa phóng xạ và các nhà máy nhiệt điện thải vào môi
trường các xỉ than có chứa phóng xạ cũng là một vấn đề quan trọng cần được giám sát,
theo dõi. Ngoài ra, các thiết bị ghi đo bức xạ cũng được sử dụng trong đào tạo đại học,
y học và xạ trị hạt nhân, kiểm soát an ninh bức xạ tại các cửa khẩu và trong nhiều ứng
dụng kinh tế kỹ thuật khác.
1.1.3. Các hệ đo hướng tới gọn nhẹ và tiết kiệm năng lượng
Theo sự phát triển của công nghệ, các hệ đo phóng xạ nói chung cũng như các hệ
trinh sát phóng xạ nói riêng đều hướng tới gọn, nhỏ và tiết kiệm năng lượng. Các hệ
trinh sát phóng xạ cũng như các hệ điện tử đã chuyển từ các giai đoạn lắp ráp bằng bóng
đèn điện tử, bóng bán dẫn, mạch tích hợp (IC) sang mạch tích hợp với vi điều khiển và
hiện nay là mảng linh kiện tích hợp bậc cao như FPGA kết hợp với các Flash ADC.
Hiện tại, các hệ đo loại mới này xử lý tín hiệu số bằng những chương trình nhúng
(firmware) do người thiết kế tạo nên. Đi kèm với sự phát triển của công nghệ linh kiện,
các phần mềm gốc cũng rất phong phú và có hỗ trợ trong q trình thiết kế [11] [12].
1.1.4. Yêu cầu về làm chủ công nghệ
Một trong những yêu cầu rất khắt khe của công nghiệp quốc phịng là phải đảm

bảo ln sẵn sàng chiến đấu kể cả số lượng lẫn chất lượng. Do đó, các phương tiện và
trang thiết bị phải được chủ động sửa chữa, lắp ráp và bảo dưỡng (cho dù các phương
tiện trinh sát phóng xạ chiếm một tỷ lệ rất nhỏ trong chi phí quốc phịng). Việc mua trọn

7


vẹn thiết bị trinh sát phóng xạ từ nước ngồi chỉ giúp chúng ta nhanh có được phương
tiện sử dụng. Mỗi khi có trục trặc, hỏng hóc thì lại phải gửi đi sửa chữa rất tốn kém kinh
phí, thời gian chờ đợi và khơng có phương tiện sử dụng trong khoảng thời gian đó. Vì
lẽ như vậy, cần thiết có nghiên cứu chế tạo các thiết bị trinh sát phóng xạ để làm chủ
trong sản xuất, bảo dưỡng, sửa chữa và thay thế, giảm lệ thuộc bảo trì, bảo dưỡng vào
nước ngoài.
1.1.5. Khả năng chế tạo nhanh, chất lượng ổn định và nguồn linh kiện vật tư
Từ ngày hình thành đến nay, ngành hạt nhân Việt Nam đã có nhiều đề tài, luận án
[13, 14] nghiên cứu chế tạo thiết bị quan trắc và trinh sát phóng xạ, đo liều bức xạ và cả
đo phổ bức xạ. Tuy nhiên, hầu hết các nghiên cứu đó đều dừng ở việc chế tạo ra một vài
mẫu máy theo kinh phí đề tài. Một lý do lớn là chế tạo các hệ đo phóng xạ bằng linh
kiện rời, thuộc loại hệ tương tự đòi hỏi mất nhiều thời gian để hiệu chỉnh, trong khi các
điều kiện kỹ thuật như mạch in, thiết bị kiểm tra các thông số của linh kiện chưa được
đáp ứng. Việc số hóa hệ đo cho phép chế tạo hàng loạt, nhanh và chất lượng ổn định sau
khi nghiên cứu xong. Đề tài cấp Bộ Quốc phòng: “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo thiết bị
quan trắc liên tục bức xạ gamma môi trường dùng cho trạm cố định sử dụng kỹ thuật
truyền dữ liệu vệ tinh” thuộc Chương trình KHCN cấp Bộ Quốc phịng: “Nghiên cứu
kỹ thuật, an tồn hạt nhân đảm bảo sẵn sàng chiến đấu cho Quân đội giai đoạn 20162020 và định hướng tới những năm tiếp theo”, mã số KC.AT [15] chính là một ví dụ
cho đánh giá trên.

1.2. Tình hình nghiên cứu và chế tạo trên thế giới
1.2.1. Tổng quan nghiên cứu và chế tạo detector nhấp nháy không dùng PMT
trên thế giới

Những ý tưởng chế tạo detector nhấp nháy không dùng PMT mà dùng PIN
photodiode để biến chùm photon do chất nhấp nháy phát ra thành tín hiệu điện đã được
bắt đầu từ những nghiên cứu ghi đo bức xạ trên máy gia tốc trong những năm 1960 do
loại đầu đo này tiêu thụ năng lượng ít, gọn nhẹ và có độ bền cao và đặc biệt là không
ảnh hưởng bởi từ trường [16]. Sau đó, các tác giả [17, 18] đã ghép nối tinh thể nhấp

8


nháy hữu cơ với PIN photodiode để thiết kế hệ phân tích thời gian với các chất nhấp
nháy nhanh. Do PIN photodiode khơng có khuếch đại nội nên người ta đã nghĩ đến việc
sử dụng các Alavanche Photodiode (APD) để tín hiệu trở nên lớn hơn, tăng được tỷ số
tín hiệu trên tạp âm, tuy nhiên do công nghệ chế tạo thời đó dẫn đến sự khơng ổn định
của APD nên hướng phát triển này chủ yếu được áp dụng trong các hệ đo thuộc lĩnh vực
vật lý năng lượng cao. Các ý tưởng sử dụng PIN photodiode tiếp tục được duy trì và
phát triển cả sang hướng xây dựng các hệ đo phổ gamma. Nghiên cứu đầu tiên đạt được
những thành tích đáng kể do nhóm của U. Kilgusthực hiện [19]. Năm 1985, M. R.
Squillante và các cộng sự đã công bố một số kết quả xây dựng hệ đo dùng detector nhấp
nháy gắn APD diện tích lớn để đo bức xạ gamma [21]. Trên Hình 1.1 [21] là phổ thu
được khi gắn tinh thể nhấp nháy NaI(Tl) với APD đo vạch 662 keV của đồng vị 137Cs.
Rõ ràng là, với APD có diện tích lớn hơn, tạp âm sẽ lớn hơn (Hình 1.1b). Lý do đơn
giản là APD có diện tích lớn hơn sẽ có điện dung lớn hơn và như vậy, tiếng ồn ở lối ra
tiền khuếch đại sẽ cao hơn. Kết quả là ngưỡng cắt phổ trên Hình 1.1b cao hơn ngưỡng
cắt phổ trên Hình 1.1a. Tất nhiên độ phân giải năng lượng của đỉnh ứng với hệ có APD
kích thước nhỏ hơn sẽ tốt hơn độ phân giải của hệ có APD với kích thước lớn hơn.

Hình 1.1. Phổ 137Cs, đỉnh năng lượng 662 keV thu được khi gắn APD với NaI(Tl) [21]
a. SiAPD có đường kính 2,5 cm, FWHM = 8,5%.
b. SiAPD có đường kính 3,7 cm, FWHM = 10,5%.

Năm 1992, M. Suffert đã tổng kết lại tình hình nghiên cứu chế tạo detector nhấp
nháy không sử dụng PMT [20] từ những năm 1962 đến 1992. Trong công bố này, M.
Suffert đã chỉ ra khả năng phát triển mạnh mẽ các ứng dụng sử dụng các detector nhấp
9