Tiểu luận: Phương pháp dự thao tỷ số không đổi của độ cao xung (Constant Fraction – CF) ppt

z Bộ khởi phát thời gian bằng phương pháp tỷ số không đổi GVHD: TS. Nguyễn Đức Hòa  ĐỀ TÀI “Phương pháp dự thao tỷ số không đổi của độ cao xung (Constant Fraction – CF)” Giáo viên th c hi nự ệ : Ts Nguy n c Hòaễ Đứ Sinh viên th c hi nự ệ : Trang 1 Bộ khởi phát thời gian bằng phương pháp tỷ số không đổi GVHD: TS. Nguyễn Đức Hòa Trang 2 Bộ khởi phát thời gian bằng phương pháp tỷ số không đổi GVHD: TS. Nguyễn Đức Hòa Trang 3 Bộ khởi phát thời gian bằng phương pháp tỷ số không đổi GVHD: TS. Nguyễn Đức Hòa LỜI MỞ ĐẦU Sự phát triển nhanh trong hiểu biết của nhân loại về cấu trúc của hạt nhân trong nữa đầu thế kỷ 20 đã chỉ ra cho chúng ta một loạt các lý thuyết về cấu trúc hạt nhân, phản ứng hạt nhân, song song với đó thì các phương pháp đo và các hệ phổ kế đo hạt nhân cũng được phát triển rất nhanh chóng. Từ các hệ đo đơn giản đến những hệ đo phức tạp nhiều đầu dò hiện nay, trong các hệ phổ kế dùng nhiều đầu dò (Hệ trùng phùng, hệ đối trùng, hệ phổ kế đo thời gian, hệ phổ kế đo tán xạ cộng hưởng proton…) thì một vấn đề rất quan trọng là xác định được móc thời gian của các bức xạ tương tác với đầu dò để từ sử dụng tín hiệu này điều khiển các quá trình thu nhận thông tin của các khối điện tử khác nhau trong chính hệ đo. Mạch điện tử thực hiện chức năng này gọi là “Bộ khởi phát thời gian đo”. Bộ khởi phát thời gian có thể được xây dựng trên nhiều phương pháp khác nhau, xong yêu cầu xung điều khiển lối ra (xung khởi phát) là luôn cố định về mặt thời gian. Tính chất của các xung điện được biến đổi từ các đầu dò bức xạ là ngẫu nhiên về mặt biên độ xung hay nói khác đi là biên độ xung thay đổi một cách ngẫu nhiên ứng với thời gian tăng không đổi. Vì lý do đó các bộ khởi phát phải được xây dựng sao cho xung khởi phát luôn được “gim” tại một vị trí. Mục đích của tiểu luận này là trình bày “Phương pháp dự thao tỷ số không đổi của độ cao xung (Constant Fraction – CF)” Trang 4 Bộ khởi phát thời gian bằng phương pháp tỷ số không đổi GVHD: TS. Nguyễn Đức Hòa I. Đặt vấn đề 1.1 Vai trò của bộ khởi phát thời gian trong các hệ phổ kế hạt nhân. Trong các phép đo của vật lý hạt nhân thì các phương pháp đo trùng phùng đóng một vai trò quan trọng. Tùy theo bài toán thực tế mà cấu trúc đo có thể thay đổi cùng với khối chức năng khác nhau. Đối với các phép đo tương quan góc cũng như trong các hệ đo để giảm thiểu phông Compton luôn đòi hỏi phải đánh dấu thời gian xuất hiện xung cho hệ trùng phùng, hay nói cách khác thời điểm xung này xuất hiện tương ứng với thời điểm khởi phát cho hệ thống đo thực hiện phép đo. Mạch chỉ thực hiện chức năng đó gọi là bộ khởi phát thời gian đo. Bộ khởi phát thời gian là một bộ đánh dấu thời điểm xuất hiện xung để hình thành xung logic lối ra (xung khởi phát thời gian) để khởi phát thời gian đo. Do tính chất của bức xạ mang tính ngẫu nhiên về biên độ, do đó với một nguồn bức xạ biên độ xung ra từ detector cũng mang tính ngẫu nhiên mặc dù thời gian tăng là như nhau. Vì vậy nhiệm vụ của bộ khởi phát thời gian là phải đưa ra các xung đánh dấu không đổi dù các xung có các mặt tăng khác nhau. Trong hệ phổ kế hạt nhân, đặc biệt là các hệ phổ kế sử dụng nhiều đầu dò ghi nhận trong các cấu hình đo trùng phùng, đối trùng, đo phổ thời gian, phép đo tương quan góc…luôn đòi hỏi phải đánh dấu thời điểm xuất hiện tín hiệu (xung) của khối điện tử chức năng và sử dụng tín hiệu này để điều khiển quá trình đọc ghi dữ liệu của ADC (khối biến đổi tín hiệu sang số) hay nói cách khác đây cũng chính là điều khiển quá trình đọc ghi của hệ phổ kế hạt nhân. Bức xạ hạt nhân tương tác với đầu dò ghi nhận sẽ tạo nên tín hiệu (xung), tín hiệu này được đưa qua mạch vi phân (RC) để hình thành xung lưỡng cực. Bộ khởi phát thời gian sử dụng xung lưỡng cực, phát hiện điểm không để hình thành một tín hiệu và tín hiệu này sẽ được sử dụng để điều khiển quá trình ghi đọc cho các khối điện tử chức năng khác. Quá trình điều khiển ghi đọc không đúng sẽ làm cho kết quả thu nhận sai, chẳng hạn đối vớihệ phổ kế trùng phùng thì sẽ dẫn đến quá trình đọc sai kết quả đó hoặc hệ phổ kế sẽ đọc cả bức xạ không phải của quá trình trùng phùng (trùng phùng Trang 5 Bộ khởi phát thời gian bằng phương pháp tỷ số không đổi GVHD: TS. Nguyễn Đức Hòa phông hay còn gọi là trùng phùng ngẫu nhiên) hoặc hệ phổ kế sẽ ghi đọc bị thiếu dữ liệu. 1.2. Các phương pháp khởi phát thời gian. Biến đổi thời gian thành biên độ là biến đổi tuyến tính khoảng thời gian giữa hai sự kiện hạt nhân thành một xung biên độ ở lối ra. Giả sử khoảng thòi gian được xác định bởi hai sự kiện hạt nhân. Bộ biến đổi khoảng thời gian thành biên độ (Time to Amplitude Covertor – TAC) là một mạch điện tử dùng để biến đổi khoảng thời gian giữa hai sự kiện thành một xung biên độ tương ứng, biên độ tương ứng này được chuyển đổi thành dạng số nhờ vào bộ biến đổi tương tự thành số. Bộ biến đổi khoảng thời gian thành biên độ là bước đầu tiên để hình thành việc số hóa thời gian, việc này được sử dụng trong khoảng thời gian xác định với biên độ nhỏ, còn độ phân giải được đòi hỏi rất cao, đòi hỏi này không thể đáp ứng được đối với các bộ biến đổi khoảng thời gian thành biên độ trực tiếp thông thường vì cần phải có một đồng hồ có tần số rất lớn. Hơn nữa, bộ biến đổi khoảng thời gian thành biên độ còn có thể sử dụng được cả trong các trường hợp mà hệ số hóa biến đổi được mở rộng, vì thế việc hệ số hóa biên độ giữa các khoảng thời gian là các biên độ tín hiệu được sử dụng trực tiếp việc số hóa thời gian. Trong phép đo khoảng thời gian có nguyên tắc: Xung đến sớm hơn được xác định là tín hiệu START, còn xung đến trể hơn là tín hệu STOP. Bộ biến đổi khoảng thời gian thành biên độ tuân theo quy tắc này. Máy phát xung (RAMP) tuyến tính bắt đầu ngay từ khi nhận tín iệu START. Xung tuyến tính dừng ngay khi nhận tín hiệu STOP và các giá trị được trải rộng ra để đủ thời gian để biến đổi tương tự thành số. Nguyên tắc hoạt động của bộ biến đổi khoảng thời gian thành biên độ được mô tả ở giản đồ thời gian như hình 1.1. Trang 6 Bộ khởi phát thời gian bằng phương pháp tỷ số không đổi GVHD: TS. Nguyễn Đức Hòa Hình 1.1: Giản đồ thời gian Với nhiệm vụ đưa ra các xung đánh dấu không đổi dù biên độ xung vào không đổi. Trên nguyên tắc đó, người ta xây dựng các bộ khởi phát thời gian đo theo nhiều cách khác nhau: - Phương pháp phân biệt biên độ dựa vào sườn trước của xung để thu nhận tín hiệu đánh dấu. - Phương pháp cắt không (zero – crossing): sử dụng điểm cắt xung của xung lưỡng cực để tạo tín hiệu đánh dấu. - Phương pháp dự thao tỷ số không đổi của độ cao xung (constant – fraction) - Phương pháp ngưỡng suy biến. Bộ khởi phát thời gian có thể xây dựng trên nhiều phương pháp khác nhau, xong yêu cầu xung điều khiển lối ra (xung khởi phát) là luôn cố định về mặt thời gian. Tính chất của các xung điện được biến đổi từ các đầu dò bức xạ là ngẫu nhiên vầ mặt biên độ xung hay nói cách khác là biên độ xung thay đổi một cách ngẫu nhiên ứng với thời gian tăng không đổi. Vì lý do đó, các bộ khởi phát phải được xây dựng sao cho xung khởi phát luôn được “gim” tại một vị trí. Mục đích của tiểu luận này là trình bày về “tỷ số không đổi của độ cao xung (constant – fraction)”. Trang 7 Bộ khởi phát thời gian bằng phương pháp tỷ số không đổi GVHD: TS. Nguyễn Đức Hòa II. Bộ khởi phát thời gian bằng phương pháp tỷ số không đổi của độ cao xung (constant – fraction). 2.1Sơ đồ khối: Bộ phân biệt cắt không là bộ phân biệt thời gian, chọn thời điểm tương ứng với điểm cắt không của xung lưỡng cực để đánh dấu vị trí thời gian của xung. Do một điểm cắt không của xung lưỡng cực nên bộ phân biệt cắt không đã khắc phục được các nhược điểm cơ bản của bộ phân biệt theo mặt tăng là thời gian đánh dấu của bộ cắt không phụ thuộc vào biên độ xung vào. Mặc dù bộ phân biệt khác không được sử dụng khá rộng rãi, song nó cũng có nhược điểm là: Nếu dạng xung detector biến đổi, như trong trường hợp dùng detector nhấp nháy với những xung có dải biên độ hẹp thì tính thống kê của dạng xung từ detector cũng như sự sai lệch điểm cắt không sẽ cho sự biến động thời gian trong mạch phân biệt theo thời gian tăng. Vấn đề đặt ra là đối với detector nhấp nháy, thì thời điểm đánh dấu ở sườn trước theo yêu cầu nào là tối ưu nhất. Bộ phân biệt CF được xây dựng dựa trên phương pháp đánh dấu thời gian theo tỷ số không đổi của biên độ xung sẽ giải quyết được vấn đề trên. Nguyên lý chung của phương pháp này như sau: Với những xung có cùng mặt tăng nhưng biên độ khác nhau có thời điểm ứng cùng với một tỉ số f tính theo biên độ thì thời điểm đánh dấu xung sẽ trùng nhau. Tỷ số f được chọn sao cho độ phân giải thời gian đạt thời gian đạt được là tốt nhất. Sau đây là sơ đồ của một bộ phân biệt CF điển hình: Trang 8 Bộ khởi phát thời gian bằng phương pháp tỷ số không đổi GVHD: TS. Nguyễn Đức Hòa Hình 2.1: Sơ đồ chức năng của bộ phân biệt CF. Nguyên lý hoạt động chung của sơ đồ này như sau: Tín hiệu sau tiền khuyếch đại được đưa tới hai lối vào của mạch tổng. Một lối vào của mạch tổng nhận tín hiệu vào qua mạch đảo pha tín hiệu và làm suy giảm biên độ với hệ số f, lối vào còn lại của nó lấy tín hiệu qua mạch làm trễ. xung lưỡng cực được tạo thành và điểm cắt không xuất hiện, sườn tăng của xung này được sử dụng để kích bộ trigger tạo ra xung logic. Việc sử dụng bộ phân biệt ở sườn trước cung cấp khả năng chọn lựa mức ănng lượng và chống lại sự nhạy cảm đối với tạp âm của bộ phận cắt không từ sự khởi phát trên mức cơ bản của CF. Việc sử dụng bộ phân biệt ở sườn trước cung cấp khả năng chọn lựa mức năng lượng và chống lại sự nhạy cảm đối với tạp âm của bộ phận cắt không từ sự khởi phát trên mức cơ bản của CF. Trang 9 Bộ khởi phát thời gian bằng phương pháp tỷ số không đổi GVHD: TS. Nguyễn Đức Hòa Hình 2.2: Sự tạo thành tín hiệu lưỡng cực ở bộ phận CFD a, Trường hợp CF thực (TCF); b, Trường hợp ARC. Thừa số suy giảm là tỷ số tính theo độ cao của xung, thời điểm tương ứng với tỷ số đó chính là thời điểm đánh dấu xung. Với kỹ thuật đánh dấu thời gian theo phương pháp tỷ số không đổi từ sự phụ thuộc của tín hiệu đánh dấu vào biện độ (walk time) cho đến thời gian tăng và sự biến đổi biên độ của tín hiệu vào được giảm đến mức tối thiểu bằng cách lựa chọn thích hợp thời gian trể t d sự biến động thời gian (time jitter) cũng được giảm bằng cách lựa chọn thích hợp thừa số suy giảm f cho mỗi detector. Với bộ phân biệt CF người ta đưa ra hai trường hợp: đó là trường hợp CF thực (TCF) và trường hợp bù biên độ và thời gian tăng (ARC). Trong trường hợp này thời điểm cắt không xuất hiện trong khi tín hiệu vào đã bị suy giảm đến mức thấp nhất. Điều kiện này cho phép tín hiệu đánh dấu thời gian được xuất hiện ở cùng một tỷ số f tính theo độ cao của xung vào (không phụ thuộc vào biên độ). Trang 10 [...]... bằng phương pháp tỷ số không đổi Hòa GVHD: TS Nguyễn Đức Hình 2.3: Sự phụ thuộc của thời điểm cắt không vào thời điểm gia tăng Ở hình 2.3a minh họa sự không phụ thuộc của biên độ và thời điểm cắt không bởi hai tín hiệu vào A và B có cùng thời gian tăng t r1 nhưng biên độ khác nhau Từ hai tín hiệu B và C ta thấy cắt không trong trường hợp này không phụ thuộc vào thời gian tăng của tínhiệu vào Phương pháp. .. trình ghi nhận của cả hệ phổ kế Bộ khởi phát thời gian theo tỷ số không đổi có cả những ưu điểm của cả hai bộ phân biệt theo mặt tăng và cắt không Sự ứng dụng phương pháp đánh dấu thời gian theo tỷ số không đổi cho những tín hiệu nhanh đã gặp phải một số khó khăn sau: Khi td ~1ns, khoảng thời gian giữa điểm khởi đầu xung và điểm cắt không ở đầu ra của bộ so sánh bằng thời gian chuyển mạch của bộ so sánh,... thời gian trễ từ 20ns đến 40ns Lối vào còn lại của mạch tổng sẽ là tín hiệu sau khi đã làm đảo tín hiệu vào và làm suy giảm với hệ số khoảng 0 . Mục đích của tiểu luận này là trình bày Phương pháp dự thao tỷ số không đổi của độ cao xung (Constant Fraction – CF) Trang 4 Bộ khởi phát thời gian bằng phương pháp tỷ số không đổi GVHD:. khởi phát thời gian bằng phương pháp tỷ số không đổi GVHD: TS. Nguyễn Đức Hòa  ĐỀ TÀI Phương pháp dự thao tỷ số không đổi của độ cao xung (Constant Fraction – CF) Giáo viên th c hi. hiệu đánh dấu. - Phương pháp dự thao tỷ số không đổi của độ cao xung (constant – fraction) - Phương pháp ngưỡng suy biến. Bộ khởi phát thời gian có thể xây dựng trên nhiều phương pháp khác nhau,