Luận án: Thiết kế chế tạo hệ tách xung nơtron và gamma bằng kỹ thuật xử lý tín hiệu số

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 1 Chương 1.1 Tổng quan các hệ đo nơtron 7 1.2 Đo nơtron với các ống đếm khí 9 1.3 Đo nơtron với các đetectơ nhấp nháy 9 1.4 Hệ đo nơtron sử dụng kỹ thuật tương tự 11 1.5 Hệ đo nơtron sử dụng kỹ thuật số 12 1.2 Loại trừ ảnh hưởng của gamma trong các phổ đo nơtron 13 1.1 Loại trừ gamma trong các ống đếm khí 14 1.2 Loại trừ gamma cho các đetectơ nhấp nháy 15 Một số phương pháp phân biệt xung nơtron/gamma trong đetectơ 1.1 Kỹ thuật phân biệt dựa vào thời gian vượt ngưỡng 18 1.2 Kỹ thuật phân biệt dựa vào độ dốc xung 19 1.3 Kỹ thuật phân biệt dựa vào diện tích đuôi xung 20 1.4 Phương pháp phân biệt dựa vào khớp với xung chuẩn 21 1.5 Phương pháp nhận dạng mẫu 22 1.6 Phương pháp phân biệt dùng biến đổi wavelet 23 1.4 Đánh giá hiệu quả phân biệt dạng xung của các phương pháp 26 Kỹ thuật DSP và công nghệ FPGA trong thiết kế, chế tạo hệ đo 1.5 nơtron 27 Kết luận chương 1 29 Chương 2.1 Thiết kế và chế tạo đetectơ nhấp nháy đo nơtron – gamma sử dụng nhấp nháy lỏng EJ-301 31 2.1 Thiết kế vỏ đầu nhấp nháy EJ-301 31 2.2 Thiết kế vỏ của đetectơ 32 2.3 Ống nhân quang 33 2.4 Tiền khuếch đại (TKĐ) 35 2.2 Xây dựng hệ đo nơtron sử dụng đetectơ EJ-301 40 iii 2.1 Xây dựng phần cứng hệ đo 40 2.2 Xây dựng phần mềm hệ đo 48 2.3 Xây dựng các thuật toán phân biệt dạng xung nơtron/gamma 57 2.1 Phương pháp thời gian vượt ngưỡng 58 2.2 Phương pháp độ dốc xung 59 2.3 Phương pháp diện tích 60 2.4 Phương pháp nhận dạng mẫu 62 2.4 Phương pháp phân biệt dạng xung dựa vào xung tham khảo 63 2.1 Xây dựng xung tham khảo nơtron và gamma 63 2.2 Phương pháp xung tham khảo 64 2.3 Loại bỏ các xung chồng chập 66 2.5 Đánh giá hệ đo 67 2.1 Đánh giá đetectơ 67 2.2 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 Các tham số cơ bản của đetectơ: 82 3.2 Độ tuyến tính của đetectơ: 84 3.3 Chuẩn năng lượng 85 3.4 Độ nhạy của đetectơ: 86 3.5 Hiệu suất ghi của đetectơ 86 3.6 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 EJ- 301 91 3.3 Kết quả thực hiện trên hệ đo nơtron nhanh và gamma 94 3.1 Chương trình MCA_DRS4 94 3.2 So sánh hiệu quả phân biệt dạng xung 104 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 Discrimination based on Phân biệt dựa trên phân cụm lượng DBQC quantum clustering tử DC Direct Current Dòng điện một chiều DCI Digital Charge Integration Phương pháp tích phân xung Discrete Fourier Transform Phương pháp biến đổi Fourier rời DFTM 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 Độ rộng nửa chiều cao v 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 Low-Voltage Differential LVDS Tín hiệu vi phân điện áp thấp Signaling LPƯHN Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt MCA Multi Channel Analyzer Máy phân tích đa kênh Máy phân tích đa kênh sử dụng bản MCA_DRS4 Multi Channel Analyzer DRS4 mạch DRS4 MeVee MeV electron equivalent MeV tương đương MSPS Mega-Samples Per Second Triệu mẫu mỗi giây Multi-Wire Proportional MWPC Ống đếm tỷ lệ đa dây Counter 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 Nguồn nơtron tạo ra trong máy gia SINQ Spallation Neutron Source tốc hạt SNR Signal-to-noise ratio Tỉ số tín hiệu trên nhiễu Bộ chuyển đổi thời gian thành biên TAC Time-to-Amplitude Converter độ 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 VHSIC Hardware Description VHDL Ngôn ngữ mô tả phần cứng Language WTM Wavelet Transform Method Phương pháp biến đổi wavelet vii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Các thành phần phân rã trong một số chất nhấp nháy hữu cơ.2 Một số phương pháp phân biệt dạng xung nơtron/gamma.1 Các tham số chính của R9420 [63].2 Các tham số quan trọng của THS3202.3 Các tham số linh kiện sử dụng trong mạch TKĐ.4 Giá trị đọc được tương ứng với điện áp trong hai chế độ điện áp vào.5 Các tham số chính của máy phát xung ORTEC 419.6 Các tham số chính của oscilloscope DPO7254C.7 Kết quả khảo sát các tham số của TKĐ với các hệ số khuếch đại khác nhau.8 Tốc độ đếm theo khoảng cách đến nguồn và giá trị trung bình đường cơ bản.9 Biên độ xung ra tương ứng với năng lượng của các nguồn 22Na,137Cs và 60 Co.1 Kết quả khảo sát các tham số của đetectơ EJ-301.2 Kết quả khảo sát tốc độ đếm và hiệu suất ghi của một số nguồn gamma và nơtron.3 Bảng các tham số khớp với số liệu đo từ nguồn 137Cs và 252Cf theo biểu thức (1.4 Giá trị các tham số của (3.4) khi khớp cho bốn phương pháp.5 So sánh tỉ lệ nơtron phân loại được so với số sự kiện ghi nhận được trong các phương pháp.6 Kết quả đếm nơtron và gamma trên nguồn 252Cf.7 Số đếm tổngvà tỉ lệ nơtron thu được trên dòng nơtron 148keV từ kênh số 4 lò PƯHN Đà Lạt.8 So sánh tỉ lệ nơtron khi loại bỏ các xung chồng chập khi đo phông.9 Bảng so sánh các giá trị FoM của bốn phương pháp trên chương trình MCA_DRS4 và so với các công trình khác.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.2 Lượng ánh sáng phát ra đối với hạt điện tử, proton, alpha và cacbon trong chất nhấp nháy EJ-301 [35] .3 Sơ đồ hệ đo nơtron sử dụng đetectơ nhấp nháy.

(a) Hệ tương tự, (b) Hệ kỹ thuật số.4 Một xung nơtron (đường đậm) và gamma (đường lạt) được hình thành trong ống đếm proton giật lùi [47] .5 Sự khác nhau giữa xung nơtron và gamma trong một số chất nhấp nháy hữu cơ [51].6 Minh họa phương pháp phân biệt xung nơtron-gamma dựa vào thời gian vượt ngưỡng .7 Minh họa phương pháp phân biệt dựa vào độ dốc .8 Minh họa phương pháp phân biệt dựa trên diện tích xung .9 Các xung RPn, RPg và xung đo từ đetectơ sử dụng trong phương pháp SEF [57] .10 Minh họa phương pháp CPR .12 Phổ phân bố tham số PSD nơtron/gamma và tính FoM .13 Mô hình hệ đo nơtron sử dụng kỹ thuật DSP và công nghệ FPGA .1 Mô tả thiết kế vỏ đetectơ nhấp nháy ghi nơtron.2 Bản thiết kế đầu nhấp nháy EJ-301.3 Thiết kế vỏ đetectơ .4 Sơ đồ mạch phân cực cho R9420.