xây dựng hệ phân tích đa kênh sử dụng detector naitl 3inch x 3inch và phần mềm labview 2013

1 LỜI MỞ ĐẦU Phương pháp và thiết bị ghi đo bức xạ là môn học mang tính nền tảng cho các thí nghiệm Vật lý Hạt nhân. Việc học tập môn học nếu có thêm sự hỗ trợ từ các thiết bị để sinh viên thực tập sẽ rất sinh động và dễ dàng tiếp thu hơn. Tận dụng các thiết bị sẵn có tại Bộ môn Vật lý Hạt nhân như oscilloscope GWInstek GDS-1152A, detector nhấp nháy NaI(Tl) 3 inch × 3 inch cùng các module chuẩn NIM, khóa luận này phát triển một hệ phổ kế gamma cho định hướng giảng dạy và học tập. Đồng thời, hệ đo cũng có thể dùng cho mục đích xây dựng một bài thực tập giúp sinh viên hiểu được cấu tạo và quá trình hình thành phổ năng lượng của một hệ thống ghi đo bức xạ. Một giao diện máy tính trên nền phần mềm LabVIEW 2013 được xây dựng để thu nhận dữ liệu, hiển thị xung tín hiệu, đồng thời phân tích và hình thành phổ biên độ xung. Các dữ liệu của xung tín hiệu và phổ biên độ xung đều có thể lưu trữ ở dạng tập tin Excel (.xlsx). Sau khi xây dựng, hệ đo được tiến hành kiểm tra tốc độ ghi nhận, độ tuyến tính với máy phát xung. Các nguồn phóng xạ có tại Bộ môn như Ba-133, Cs-137, Co-60 cũng được dùng để đánh giá đường chuẩn năng lượng và độ phân giải của hệ đo. Với các mục đích nêu trên, nội dung của đề tài này được phân bổ thành các phần như sau: Chương 1: Tổng quan về tương tác bức xạ với vật chất, hệ phổ kế đo bức xạ hạt nhân, detector nhấp nháy, hệ phân tích đa kênh MCA, máy hiện sóng (Oscilloscope) và phần mềm LabVIEW. Chương 2: Xây dựng hệ phân tích đa kênh sử dụng Oscilloscope GWInstek GDS-1152A và phần mềm LabVIEW 2013, các bước tiến hành xử lý xung tín hiệu số (DPP) và giao diện LabVIEW cho người dùng. Chương 3: Thí nghiệm, kết quả của hệ đo với máy phát xung và các nguồn phóng xạ. Kết luận và kiến nghị 2 CHƯƠNG 1 HỆ THỐNG ĐO BỨC XẠ HẠT NHÂN VÀ HỆ MCA 1.1. Tương tác bức xạ với vật chất Các bức xạ hạt nhân bao gồm các bức xạ được tạo ra từ các quá trình biến đổi liên quan đến hạt nhân hoặc nguyên tử như sự phân rã, phản ứng hạt nhân v.v Người ta phân chia thành hai loại bức xạ hạt nhân như sau:  Các bức xạ mang điện: hạt nhẹ mang điện như electron, positron; hạt nặng mang điện như hạt alpha, proton, các mảnh phân hạch hay sản phẩm của các phản ứng hạt nhân.  Các bức xạ không mang điện: bức xạ điện từ (bao gồm tia X và bức xạ gamma), neutron. Khi đi qua môi trường vật chất các hạt mang điện tương tác với các electron môi trường bằng trường điện từ của mình gây kích thích nguyên tử hoặc ion hóa nguyên tử. Các hạt mang điện đi qua môi trường vật chất bị mất dần năng lượng do sự va chạm không đàn hồi và đến một lúc nào đó nó phải dừng lại, nghĩa là nó có quãng chạy hữu hạn trong môi trường (Hình 1.1). Đối với hạt nhẹ mang điện còn mất năng lượng do hiệu ứng phát bức xạ hãm (Hình 1.2). Hình 1.1. Tương tác của hạt mang điện Hình 1.2. Bức xạ hãm beta Hạt mang điện Electron Hạt nhân Bức xạ hãm Hạt beta Electron Hạt nhân 3 Hình 1.3. Hiệu ứng quang điện Hình 1.5. Tán xạ compton Hình 1.7. Hiệu ứng tạo cặp Bức xạ gamma là sóng điện từ có bước sóng nhỏ hơn khoảng cách giữa các nguyên tử, bức xạ này ngoài tính chất sóng còn được hình dung như dòng hạt nên gọi là lượng tử gamma. Giống như các hạt mang điện, bức xạ gamma cũng bị hấp thụ bởi Electron Hạt nhân 𝐸 𝛾 𝐸 𝑒 = 𝐸 𝛾 − 𝐸 𝐿𝐾 Electron Hạt nhân K p K e Electron Hạt nhân Positron Hình 1.4. Đồ thị tiết diện hấp thụ của hiệu ứng quang điện [4] Hình 1.6. Đồ thị tiết diện tán xạ của hiệu ứng compton [4] Hình 1.8. Đồ thị tiết diện của hiệu ứng tạo cặp [4] 4 môi trường vật chất, chủ yếu do tương tác điện từ. Khi xét đến cơ chế tương tác của nó với môi trường ta phải xét đến tính lượng tử do lượng tử gamma không mang điện và khối lượng nghỉ bằng không. Tương tác của bức xạ gamma với môi trường vật chất xảy ra theo ba cơ chế chính: hiệu ứng quang điện (Hình 1.3), hiệu ứng compton (Hình 1.5), hiệu ứng tạo cặp (Hình 1.7) với các đồ thị tiết diện phản ứng tương ứng (Hình 1.4, Hình 1.6 và Hình 1.8). 1.2. Hệ phổ kế đo bức xạ hạt nhân Hệ phổ kế đo bức xạ hạt nhân cơ bản gồm detector hạt nhân, hệ thống khuếch đại (tiền khuếch đại và khuếch đại), hệ phân tích đa kênh MCA (Multichannel analyzer), máy tính dùng để ghi nhận dữ liệu. Nguồn phóng xạ phát ra bức xạ tới detector, các bức xạ này tương tác với môi trường vật chất của detector và tạo ra tín hiệu điện tử. Tuy nhiên tín hiệu này thường rất nhỏ nên cần được khuếch đại trước khi gửi tới hệ phân tích đa kênh MCA bằng hệ thống khuếch đại. Hệ MCA phân tích tín hiệu và gửi thông tin của bức xạ hạt nhân đến máy tính, ghi nhận thành dạng phổ năng lượng của bức xạ. Tùy thuộc vào mục đích nghiên cứu mà hệ đo có thể là hệ đo một detector hay nhiều detector. Hệ phổ kế đo bức xạ hạt nhân một detector gồm một detector ghi nhận tín hiệu bức xạ, kết nối với một kênh của hệ MCA. Thường dùng đo phổ của các nguồn phóng xạ (Na-22, Cs-137, Co-60, Ba-133, v.v…). Hình 1.9 là hệ phổ kế sử dụng một detector. Hình 1.9. Sơ đồ hệ đo bức xạ hạt nhân một detector Nguồn phóng xạ . MCA Detector Hạt nhân Tiền khuếch đại Nguồn cao thế Máy tính Khuếch đại 5 1.3. Detector nhấp nháy Khi một bức xạ ion hóa đi vào khối nhấp nháy sẽ kích thích các nguyên tử hay phân tử. Sau đó, với sự dịch chuyển về trạng thái cơ bản chúng sẽ phát ra một ánh sáng nhấp nháy, đó là các photon ánh sáng. Qua một lớp dẫn sáng, các photon đập vào photocathode của nhân quang điện (NQĐ) và ở lối ra của NQĐ xuất hiện một tín hiệu điện có biên độ khá lớn. Tín hiệu điện này được đưa vào bộ tiền khuếch đại để hòa hợp tổng trợ giữa lối ra của detector và lối vào của bộ khuếch đại [1]. Xung điện tử tạo thành sau khi đi qua các bộ khuếch đại sẽ được tăng biên độ lên mấy bậc trước khi đưa vào bộ phận phân tích và ghi nhận [1]. Sơ đồ của một detector nhấp nháy đối với các bộ phận cần thiết được cho trong Hình 1.10. Hình 1.10. Sơ đồ khối của hệ dùng detector nhấp nháy Nhân quang điện: Nhân quang điện (NQĐ) là một phần quan trọng của detector nhấp nháy. Nguyên lý hoạt động của NQĐ như sau: Các photon phát ra từ bản nhấp nháy đập vào photocathode của NQĐ, các photoelectron bật ra. Dưới tác động của điện trường các electron được tăng tốc rồi rồi đập vào dynode thứ nhất (d1). Từ dynode thứ nhất phát ra số electron nhiều hơn số electron đập vào nó. Quá trình này xảy ra tiếp tục trên các dynode thứ hai (d2), thứ ba (d3) cho tới dynode thứ n (dn). Cứ như vậy tới anode sẽ thu được một dòng electron rất lớn so với dòng phát ra từ photocathode. Kết quả là ở lối ra của NQĐ xuất hiện một tín hiệu điện có biên độ khá lớn [1]. Quá trình diễn ra được trình bày trong Hình 1.11. NQĐ Detector Nguồn cao thế Khuếch đại Máy phân tích Tiền khuếch đại 6 Hình 1.11. Nguyên lý hoạt động của ống nhân quang điện Khi sử dụng NQĐ, chúng ta cần lưu ý rằng mỗi loại nhân quang điện chỉ nhạy với một vùng của ánh sáng tới. Vì vậy, để tín hiệu hiệu xung điện lớn (nghĩa là hiệu suất kĩ thuật cao) NQĐ phải chọn sao cho phổ nhạy của NQĐ và phổ phát sáng của bản nhấp nháy có phần chồng chất càng nhiều càng tốt [1]. 1.4. Hệ phân tích đa kênh MCA (Multichannel analyzer) Hệ phân tích đa kênh MCA được sử dụng để đo phổ năng lượng (hay phân bố năng lượng) của bức xạ hạt nhân. Thông thường phổ năng lượng biểu diễn theo độ cao xung tín hiệu. Hình 1.12 là phổ theo độ cao xung của bức xạ gamma phát ra từ nguồn Cs-137 với đỉnh năng lượng là 662keV được đo bởi detector NaI. Hình 1.12. Phổ năng lượng biểu diễn theo độ cao xung của nguồn Cs-137 7 Các phần chính của một hệ phân tích đa kênh MCA bao gồm bộ chuyển đổi ADC, bộ nhớ (memory) và máy tính như Hình 1.13. Hình 1.13. Sơ đồ hệ phân tích đa kênh Trong đó, ADC có chức năng đo biên độ của tất cả các tín hiệu tương tự đến (tín hiệu điện thế) và chuyển chúng thành tín hiệu số. Một ADC có độ phân giải 8 bit và có khoảng thế hoạt động 1000mV thì tương ứng 256 kênh theo điện thế hay 4mV cho 1 kênh. Ví dụ: một tín hiệu vào có biên độ 340mV sẽ được chuyển sang tín hiệu số có giá trị là 85, 1000mV thành 256. Độ phân giải ADC càng lớn thì khả năng phân biệt các tín hiệu nhỏ càng chính xác. Biên độ của xung tín hiệu sau khi được chuyển đổi thành số bởi ADC sẽ được lưu vào bộ nhớ dưới dạng số kênh. Mỗi lần ADC kết thúc chuyển đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số, giá trị tại kênh tương ứng với biên độ xung sẽ tăng thêm một. Sau khi kết thúc đo, bộ nhớ sẽ lưu lại tín hiệu đến dưới dạng phổ của bức xạ. Tín hiệu dạng số (digital) sau khi được chuyển đổi từ tín hiệu điện thế bởi ADC sẽ được truyền lên máy tính. Máy tính với một chương trình giao tiếp sẽ ghi nhận các sự kiện và vẽ thành phổ năng lượng tương ứng với bức xạ đập vào detector. Hiện nay, các phòng thí nghiệm xây dựng hệ thống MCA như một máy đo phổ (máy đo phổ MCA) bao gồm detector, nguồn nuôi cao thế, tiền khuếch đại, khuếch đại, ADC, bộ nhớ và máy tính với một chương trình giao tiếp có khả năng ghi nhận và xử lý phổ. Kết quả của các phép đo thu được hình ảnh của phổ năng lượng biểu diễn theo biên độ xung [2]. ADC Máy tính Bộ nhớ … Tín hiệu tương tự đến từ bộ khuếch đại Kênh 5 Kênh 1 Kênh 2 Kênh 3 Kênh 4 8 1.5. Máy hiện sóng (Oscilloscope) Máy hiện sóng (Oscillocsope) là thiết bị điện tử có chức năng chính là đo lường, hiển thị tín hiệu điện thế (V) biến đổi theo thời gian. Trong hầu hết các ứng dụng, oscilloscope chỉ ra tín hiệu thay đối thế nào theo thời gian: Trục tung (Y) biểu diễn điện thế và trục dọc (X) biểu diễn thời gian. Cường độ hay độ sáng của sự hiển thị đôi khi được gọi là trục Z. Osciloscope được chia làm hai loại: Oscillosope dạng tương tự làm việc trực tiếp với điện thế đặt vào được đo để di chuyển dòng electron ngang qua màn hình, oscilloscope dạng số lấy mẫu dạng sóng và dùng một bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số (ADC) để chuyển đổi điện thế được đo thành thông tin số (Hình 1.14). Sau đó, thông tin số này được sử dụng để tái cấu trúc lại dạng sóng trên màn hình. Hình 1.14. Sơ đồ khối Osciloscope dạng số Bộ chuyển đổi ADC trong oscilloscope dạng số là một thiết bị chuyển đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số. Nó lấy mức điện thế vào tương tự sau đó một thời gian sẽ sinh ra mã đầu ra dạng số (dạng số nhị phân) biểu diễn tương tự đầu vào. Quá trình chuyển đổi A/D được thực hiện qua bốn bước cơ bản: lấy mẫu, nhớ mẫu, lượng tử hóa, mã hóa. Các bước đó luôn luôn kết hợp với nhau trong một quá trình thống nhất. Tùy vào mục đích sử dụng, có thể lựa chọn sử dụng oscilloscope dạng tương tự hay dạng số. Đối với các công việc cần xem xét tín hiệu với thời gian thực thì sử dụng oscilloscope dạng tương tự là tối ưu nhất, vì một tín hiệu vào sẽ được hiển thị ngay trên màn hình ngay lập tức (tính chất thời gian thực). Các máy oscilloscope dạng số cho phép ghi lại và xem các sự kiện mà chúng có thể chỉ diễn ra duy nhất một lần Chúng có thể xử lý dữ liệu dạng xung số và gửi các dữ liệu đó tới máy tính để xử lý. Như vậy, oscillocope dạng số có thể lưu trữ dữ liệu dạng sóng số để xử lý sau đó. Tín hiệu vào (analog) ADC Hiển thị Tín hiệu ra digital 9 Dựa vào chức năng ghi nhận xung tín hiệu và bộ chuyển đổi ADC của osciloscope dạng số, hiện nay trên thế giới người ta đã sử dụng oscilloscope để ghi nhận và phân tích các bức xạ hạt nhân như xây dựng hệ phổ kế thời gian, đo trùng phùng các bức xạ hiếm v.v. Khóa luận này, sử dụng một oscilloscope dạng số kết hợp với một chương trình giao tiếp với máy tính (LabVIEW) để xây dựng một hệ MCA ghi nhận và phân tích xung tín hiệu bức xạ từ detector. 1.6. Phần mềm LabVIEW LabVIEW (Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench) là một phần mềm máy tính được phát triển bởi công ty National Instruments, Hoa kỳ. LabVIEW còn được biết đến như là một ngôn ngữ lập trình với khái niệm hoàn toàn khác so với các ngôn ngữ lập trình truyền thống như ngôn ngữ C, Pascal, thay vì sử dụng các mã nguồn (code) cố định thì LabVIEW sử dụng các khối hình ảnh sinh động và các dây nối để tạo ra các lệnh và các hàm. Một chương trình LabVIEW gồm hai phần chính: một là giao diện với người sử dụng (Front panel) cho phép người dùng chạy chương trình, nhập dữ liệu để xử lý và hiển thị kết quả; hai là giao diện lập trình (Block diagram) dạng sơ đồ khối cung cấp các mã nguồn và các biểu tượng kết nối để tạo các hàm và các lệnh. Hình 1.15 là một ví dụ về chương trình cộng hai phần tử X và Y được xây dựng bằng LabVIEW. Giao diện người dùng Giao diện lập trình Hình 1.15. Mã nguồn viết bằng LabVIEW 10 Các chức năng chính của LabVIEW có thể tóm tắt như sau: Thu thập tín hiệu từ các thiết bị điện tử bên ngoài (dữ liệu từ oscillocope số, giá trị thu được từ các cảm biến nhiệt độ, hình ảnh từ webcam, vận tốc của động cơ, xung tín hiệu tương tự v.v), mô phỏng và xử lý các tín hiệu thu nhận được, xây dựng các giao diện người dùng một cách nhanh chóng và dễ tương tác. Với các tính năng có thể xử lý xung tín hiệu, khi xung tín hiệu số từ osciloscope dạng số được truyền lên máy tính thông qua cổng USB ta có thể lập trình trên phần mềm LabVIEW để thu thập xung tín hiệu số, xác định độ cao xung từ đó hiển thị phổ độ cao xung. [...]... bước x lý các xung tín hiệu số để phân tích giá trị biên độ xung, lấy cơ số để x y dựng phổ năng lượng theo độ cao xung 2.1 Hệ MCA sử dụng oscilloscope và phần mềm LabVIEW Hệ MCA Detector Tiền khuếch đại Oscilloscope Khuếch đại (ADC 8bit 1Gsa/s) USB Phổ biên độ xung Phần mềm máy tính (lập trình trên LabVIEW) Hình 2.1 Sơ đồ khối hệ MCA sử dụng Oscilloscope và phần mềm LabVIEW Hệ MCA được x y dựng dựa...CHƯƠNG 2 HỆ PHÂN TÍCH ĐA KÊNH SỬ DỤNG OSCILLOSCOPE GWINSTEK GDS-1152A VÀ PHẦN MỀM LabVIEW 2013 Ở chương này, chúng tôi trình bày việc x y dựng hệ MCA sử dụng oscillocope GWINSTEK GDS-1152A 150MHz-1GSa/s và phần mềm LabVIEW 2013 dùng trong giảng dạy Việc x y dựng bao gồm: Kết nối thiết bị nhằm số hóa xung tín hiệu bằng oscilloscope và lập trình LabVIEW để ghi nhận dữ liệu bằng máy tính Đồng thời với LabVIEW. .. x lý tín hiệu số bằng phần mềm LabVIEW Xung tín hiệu đã được oscilloscope số hóa truyền lên máy tính thông qua cổng USB được phần mềm LabVIEW ghi nhận và thực hiện các quá trình x lý xung tín hiệu số (DPP) Dữ liệu sau khi x lý sẽ được hiển thị song song qua hai đồ thị: một đồ thị hiển thị xung tín hiệu và một đồ thị hiển thị phổ độ cao xung và lưu lại dưới dạng file Excel (file.xlsx) Quá trình x ... Oscilloscope số hóa xung tín hiệu Thu thập xung tín hiệu X c định độ cao xung tín hiệu X lý xung tín hiệu số (DPP) Biểu diễn xung tín hiệu và phổ độ cao xung Lưu trữ số liệu Hình 2.4 Quá trình x lý trên LabVIEW X lý xung tín hiệu Sau khi nhận dữ liệu từ oscilloscope, một chương trình được lập trình trên phần mềm LabVIEW sẽ tiến hành thu thập chuỗi dữ liệu và phân tích dữ liệu để đưa ra được xung tín hiệu... (3.6) y  a 2x2  2 b (3.7) 2 y Hình 3.16 là đồ thị của đường chuẩn năng lượng của hệ đo sử dụng các nguồn chuẩn Ba-133, Cs-137 và Co-60, với hệ số tương quan R=0,9996 Từ đường chuẩn năng lượng vừa x y dựng được ta có thể tính được năng lượng của một vị trí kênh bất kì 34 Hình 3.16 Đường chuẩn năng lượng của hệ đo sử dụng các nguồn chuẩn Ba-133, Cs-137 và Co-60 Độ phân giải năng lượng của hệ đo Với dữ... hiệu điện tử thành tín hiệu số tương tự tín hiệu vào và truyền tín hiệu lên máy tính thông qua cổng USB 2.0 để tiếp tục x lý  Máy tính đang chạy chương trình giao tiếp LabVIEW sẽ ghi nhận, x lý sau đó hiển thị dạng xung tín hiệu, phổ độ cao xung và lưu dữ liệu phổ độ cao xung dưới dạng file Excel (file.xlsx) 30 Phổ phóng x của nguồn Ba-133, Cs-137 và Co-60 Nguồn Ba-133 Ba-133 τ= 10,74 năm ß- 84%... vị trí kênh, x là biên độ (V), và hệ số tương quan R=0,99993 Với độ khớp của hàm tuyến tính giữa kênh năng lượng và biên độ xung tốt (R ~ 1) cho thấy hệ MCA (Oscilloscope GDS-1152A) có độ tuyến tính cao với sự thay đổi của biên độ xung 3.2 Thực nghiệm đo phổ gamma sử dụng detector NaI(Tl) 3 inch × 3 inch Sau khi khảo sát hệ MCA (Oscilloscope GDS-1152A) chúng tôi tiến hành thực hiện đo phổ bức x gamma... nguồn phóng x sử dụng detector nhấp nháy NaI(Tl) 3 inch × 3 inch Trong bước tiếp theo, ba nguồn phóng x Ba-133, Cs-137 và Co-60 lần lượt được sử dụng trong các thí nghiệm với hệ phổ kế gamma Phổ ghi nhận được sẽ dùng để x c định đường chuẩn năng lượng, cũng như đánh giá độ phân giải của hệ phổ kế 28 Bố trí thí nghiệm Bảng 3.6 Thông số thí nghiệm đo phổ gamma với detector NaI(Tl) 3 inch × 3inch Thiết... thành phần chính là oscilloscope GWINSTEK GDS-1152A 150MHz-1GSa/s và máy tính dùng phần mềm LabVIEW Các bước để hệ MCA x lý xung tín hiệu bao gồm: Oscilloscope số hóa xung tín hiệu do detector ghi nhận, sau đó dữ liệu được truyền lên máy tính và được x lý DPP (Digital Pulse Processing) bằng một chương trình được lập trình trên LabVIEW Quá trình được trình bày trên sơ đồ Hình 2.1 11 Số hóa xung tín... cho hệ đo, chúng tôi sử dụng nguồn chuẩn Ba-133, Cs-137, Co-60 Bảng 3.7 thống kê vị trí kênh tương ứng với các đỉnh năng lượng của các nguồn phóng x Ba-133, Cs-137, Co-60 mà hệ đo đã đo được Bảng 3.7 Vị trí kênh và năng lượng chuẩn của các nguồn phóng x Ba-33, Cs-137, Co-60 Nguồn phóng x Năng lượng (keV) Vị trí kênh Ba-133 356 103 Cs-137 662 189 1173 325 1332 372 Co-60 Sử dụng 4 cặp vị trí kênh . nhân, detector nhấp nháy, hệ phân tích đa kênh MCA, máy hiện sóng (Oscilloscope) và phần mềm LabVIEW. Chương 2: Xây dựng hệ phân tích đa kênh sử dụng Oscilloscope GWInstek GDS-1152A và phần mềm. GDS-1152A VÀ PHẦN MỀM LabVIEW 2013 Ở chương này, chúng tôi trình bày việc xây dựng hệ MCA sử dụng oscillocope GWINSTEK GDS-1152A 150MHz-1GSa/s và phần mềm LabVIEW 2013 dùng trong giảng dạy. Việc xây. nhạy của NQĐ và phổ phát sáng của bản nhấp nháy có phần chồng chất càng nhiều càng tốt [1]. 1.4. Hệ phân tích đa kênh MCA (Multichannel analyzer) Hệ phân tích đa kênh MCA được sử dụng để đo