xây dựng hệ phổ kế thời gian khảo sát sự ảnh hưởng của muon đến phông nền của detector hpge

i MỤC LỤC MỤC LỤC i DANH MỤC HÌNH iii DANH MỤC BẢNG iv DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT v MỞ ĐẦU 1 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ PHỔ KẾ GAMMA PHÔNG THẤP HPGE, BỨC XẠ MUON VŨ TRỤ VÀ HỆ PHỔ KẾ THỜI GIAN 3 1.1. Hệ phổ kế gamma phông thấp detector HPGe 3 Hệ phổ kế gamma phông thấp 3 1.1.1. Hiệu suất ghi và phổ phông gamma 4 1.1.2. 1.2. Giới thiệu hạt muon 5 Tổng quan hạt muon 5 1.2.1. Ảnh hưởng của hạt muon đến hệ phổ kế HPGe 7 1.2.2. 1.3. Hệ phổ kế thời gian 8 CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG VÀ KHẢO SÁT HỆ PHỔ KẾ THỜI GIAN 10 2.1. Hệ phổ kế thời gian sử dụng FPGA 125MHz 10 FPGA (Field Programmable Gate Array) 10 2.1.1. Chương trình VHDL đo khoảng cách hai xung sử dụng xung clock 2.1.2. 125MHz 12 Chương trình giao tiếp với máy tính LabVIEW 13 2.1.3. 2.2. Khảo sát hệ phổ kế thời gian 14 Thay đổi khoảng cách giữa hai xung 16 2.2.1. Thay đổi tần số 17 2.2.2. CHƯƠNG 3 THỰC NGHIỆM KHẢO SÁT SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA MUON ĐẾN PHỔ PHÔNG CỦA HỆ PHỔ KẾ GAMMA PHÔNG THẤP HPGE 20 ii 3.1. Bố trí thí nghiệm 20 3.2. Hệ ghi nhận 22 Nguồn cao thế 22 3.2.1. Detector bán dẫn HPGe và tiền khuếch đại 23 3.2.2. Detector nhấp nháy Plastic 25 3.2.3. Khối khuếch đại 27 3.2.4. Hệ MCA ghi nhận phổ phông của detector HPGe 28 3.2.5. Hệ phổ kế thời gian FPGA 125M ghi nhận phổ thời gian tương quan 3.2.6. Plastic - HPGe 28 3.3. Phổ phông nền của detector HPGe 29 3.4. Phổ thời gian tương quan giữa detector Plastic và detector HPGe 30 3.5. Kết quả tính toán tỉ lệ đóng góp của muon vào phông nền của detector HPGe theo cửa sổ thời gian 32 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 34 PHỤ LỤC 36 TÀI LIỆU THAM KHẢO 41 iii DANH MỤC HÌNH Hình 1.1. Sơ đồ khối hệ phổ kế gamma phông thấp 4 Hình 1.2. Các quá trình tương tác của bức xạ vũ trụ vào khí quyển Trái Đất 5 Hình 2.1. Thiết bị FPGA 11 Hình 2.2. Hai tín hiệu xung “Start – Stop” và tính khoảng cách dùng xung 12 Hình 2.3. Giao diện của chương trình LabVIEW 13 Hình 2.4. Hai xung tạo ra từ máy phát xung 15 Hình 2.5. Sơ đồ khối thực hiện khảo sát phổ kế thời gian 15 Hình 2.6. Đồ thị khảo sát đo thời gian của hệ phổ kế thời gian. 17 Hình 2.7. Đồ thị biểu diễn phổ thời gian khi thay đổi tần số phát xung 18 Hình 3.1. Sơ đồ khối khảo sát ảnh hưởng 21 Hình 3.2. Hình ảnh kết nối các thiết bị đặt tại phòng thí nghiệm 22 Hình 3.3. Nguồn cao thế âm 22 Hình 3.4. Nguồn cao thế Canberra 22 Hình 3.5. Cấu trúc detector GC2018 23 Hình 3.6. Xung tín hiệu sau khi đi qua tiền khuếch đại của detector HPGe 24 Hình 3.7. Mô hình detector nhấp nháy Plastic 25 Hình 3.8. Xung tín hiệu từ ống nhân quang điện của detector Plastic 26 Hình 3.9. Khối khuếch đại 27 Hình 3.10. Xung ra từ hai khối khuếch đại 27 Hình 3.11. Card giao tiếp MCA 28 Hình 3.12. Phổ phông nền của detector HPGe đặt bên trong buồng chì 29 Hình 3.13. Phổ thời gian tương quan giữa hai detector Plastic và HPGe 30 Hình 3.14. Phổ thời gian tương quan giữa hai detector Plastic – HPGe 32 Hình 3.15. Tỉ lệ muon đóng góp vào phổ phông HPGe theo 33 iv DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1. Kết quả tương quan giữa khoảng thời gian thiết lập trong code VHDL và kết quả đo được từ hệ phổ kế thời gian 16 Bảng 2.2. Khảo sát hiệu suất ghi nhận của hệ phổ kế thời gian khi thay đổi tần số tạo xung từ máy phát xung. 18 v DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt ADC Analog to Digital Converter Bộ chuyển đổi tương tự sang số DSP Digital signal processing Xử lý tín hiệu kỹ thuật số Flash-ADC Flash Analog Digital Converter Bộ chuyển đổi nhanh tương tự thành số loại song song FPGA Field Programmable Gate Array Mảng phần tử logic lập trình được FWHM Full Width at Half Maximmum Bề rộng nửa chiều cao đỉnh phổ HPGe High Purity Germanium Semiconductor Bán dẫn Germanium siêu tinh khiết ICR Input Count Rate Tính tỷ lệ cổng vào LabVIEW Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench Chương trình ghi nhận tín hiệu xung MCA Multi Channel Analyzer Hệ phân tích đa kênh NIM Nuclear Instrumentation Module Module chuẩn NIM RS-232 RS232 serial port Chuẩn giao tiếp với máy tính RS232 TAC Time-to-Amplitude Converter Bộ chuyển đổi thời gian thành biên độ TTL TTL logic Logic chuẩn TTL VHDL VHSIC Hardware Description Language Ngôn ngữ lập trình cho phần cứng VHSIC Very High Speed Integrated Circuit Mạch tích hợp tốc độ cao 1 MỞ ĐẦU Sự ra đời của detector Germanium siêu tinh khiết (HPGe) đã tạo nên cuộc cách mạng công nghệ trong lĩnh vực đo phổ gamma của khoa học hạt nhân ứng dụng. Loại detector này đã đóng vai trò quan trọng trong các phòng thí nghiệm phân tích phóng xạ trên khắp thế giới nhờ vào kỹ thuật phân tích không phá mẫu và khả năng phân giải cao. Khi thao tác trên hệ phổ kế này, có một số vấn đề cần tìm hiểu và giải quyết: sự thay đổi thông số trong quá trình hiệu chỉnh trên các thiết bị có ảnh hưởng như thế nào đến kết quả phân tích; phông môi trường tại nơi tiến hành phân tích; hiệu suất ghi của detector đối với từng mẫu là bao nhiêu tương ứng với mức năng lượng nào; những tác nhân ảnh hưởng đến việc ghi nhận của hệ, và quá trình đóng góp của các tác nhân đó sẽ dẫn tới sự thay đổi như thế nào đến kết quả phân tích; … Để giải quyết các vấn đề nêu trên, đã có nhiều công trình nghiên cứu trên thế giới và Việt Nam thực hiện xoay quanh các đề tài như: giảm phông, khảo sát hiệu suất ghi nhận theo khoảng cách, năng lượng và những yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất như hiệu ứng trùng phùng tổng, hiệu ứng tự hấp thụ… Tại Bộ môn Vật lý Hạt nhân thuộc khoa Vật lý, trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên, nhóm điện tử Hạt nhân do TS. Võ Hồng Hải đứng đầu đang thực hiện hướng nghiên cứu giảm phông theo phương pháp giảm phông chủ động sử dụng hệ điện tử đối trùng phùng. Trong phương pháp này sử dụng hệ thống thiết bị điện tử thực hiện xử lý trigger và ghi phổ với các thiết bị FPGA và một số chương trình phần mềm chuyên dụng. Một thông số quan trọng cho hệ điện tử đối trùng phùng là cửa sổ thời gian đối trùng phùng, nếu thiết lập giá trị lớn sẽ làm tăng tỉ lệ giảm phông do bức xạ vũ trụ gây ra nhưng thời gian chết của hệ đo lại tăng lên. Do đó đòi hỏi phải xác định cửa sổ thời gian cho phù hợp. Đề tài thực hiện với mục đích khảo sát ảnh hưởng của muon đến phông nền của hệ phổ kế gamma phông thấp detector HPGe thông qua xây dựng hệ phổ kế thời gian sử dụng công nghệ lập trình nhúng VHDL cho mạch FPGA. Từ đó đưa ra giá trị cửa sổ thời gian phù hợp cho hệ giảm phông chủ động. 2 Nội dung đề tài được trình bày gồm: Mở đầu: Giới thiệu tổng quan về hướng đề tài thực hiện Chương 1: Tổng quan về hệ phổ kế gamma phông thấp HPGe, bức xạ muon vũ trụ và hệ phổ kế thời gian. Tìm hiểu về muon, ảnh hưởng của hạt muon đến kết quả đo của hệ phổ kế gamma detetor siêu tinh khiết HPGe. Chương 2: Xây dựng hệ phổ kế thời gian sử dụng FPGA 125MHz. Chương này sẽ giới thiệu tổng quan về FPGA, hệ đo sử dụng thiết bị FPGA 125MHz, phần mềm LabVIEW và tiến hành khảo sát hoạt động của hệ đo. Chương 3: Thực nghiệm khảo sát sự ảnh hưởng của muon đến phổ phông của hệ phổ kế gamma phông thấp HPGe. Kết luận và kiến nghị. 3 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ PHỔ KẾ GAMMA PHÔNG THẤP HPGE, BỨC XẠ MUON VŨ TRỤ VÀ HỆ PHỔ KẾ THỜI GIAN 1.1. Hệ phổ kế gamma phông thấp detector HPGe Hệ phổ kế gamma phông thấp 1.1.1. Hệ phổ kế gamma có khả năng ghi nhận trực tiếp các tia gamma do các đồng vị phóng xạ trong mẫu phát ra mà không cần tách chiết các nhân phóng xạ khỏi chất nền của mẫu, giúp ta phân tích một cách định tính và định lượng các nhân phóng xạ trong mẫu. Đối tượng của phương pháp phân tích này có thể là các mẫu sinh học, mẫu môi trường như: đất, nước, không khí, trầm tích, các loại rau, Việc nắm rõ các đặc trưng của phổ gamma, cách thức xử lí phổ và tính toán hoạt độ nguồn là điều cần thiết đối với bất cứ người làm thực nghiệm nào liên quan đến việc đo đạc hoạt độ phóng xạ bằng các phổ kế gamma [6]. Hiện nay để đo đạt xác định đồng vị phóng xạ, các hệ đo nhấp nháy, hệ đo phông thấp một detector HPGe (High Pure Ge) được sử dụng trong việc xác định đồng vị phóng xạ và hoạt độ. Chất lượng của một hệ phổ kế được đánh giá bởi các thông số: hiệu suất ghi, độ phân giải năng lượng (FWHM), dải năng lượng có thể ghi nhận, tỷ số đỉnh trên Compton, độ tuyến tính và ổn định của ADC… Hệ phổ kế gamma phông thấp HPGe chuyên dùng để đo các tia bức xạ gamma từ mẫu môi trường. Cấu tạo hệ phổ kế gamma được trình bày theo sơ đồ khối Hình 1.1 hệ gồm có các phần chính như sau: Detector bán dẫn HPGe với các thiết bị kèm theo gồm nguồn nuôi cao thế cho detector, tiền khuếch đại, khuếch đại, khối phân tích đa kênh MCA (Multi Channel Analyzer) và buồng chì che chắn phông bao quanh detector. Việc sử dụng buồng chì che chắn đã loại bỏ được phần lớn các tín hiệu nhiễu từ môi trường gây ra tín hiệu nhiễu trong kết quả phân tích. 4 Hình 1.1. Sơ đồ khối hệ phổ kế gamma phông thấp Hiệu suất ghi và phổ phông gamma 1.1.2. Hiệu suất ghi của detector được xác định là tỉ lệ phần trăm của bức xạ ion hóa đập tới detector và được ghi nhận. Cơ chế ghi nhận của detector dựa theo tương tác các bức xạ trong môi trường detector. Một photon tương tác với vật liệu detector theo ba cơ chế: hấp thụ quang điện, tán xạ Compton và hiệu ứng tạo cặp. Hệ phổ kế gamma detector HPGe phông thấp cho kết quả có độ chính xác cao, tuy nhiên kết quả vẫn có sự ảnh hưởng của các tác nhân khác làm ảnh hưởng đến phông nền. Bao gồm: bức xạ gamma từ môi trường xung quanh, bức xạ gamma của vật liệu cấu trúc của detector và thiết bị, vật liệu che chắn detector không tinh khiết phóng xạ, Radon trong không khí, bức xạ vũ trụ. Ảnh hưởng của ba thành phần đầu có thể được giảm đáng kể khi dùng vật liệu che chắn thụ động thích hợp làm từ chì cổ hoặc chì hoạt độ phóng xạ thấp và lựa chọn vật liệu sạch phóng xạ trong cấu trúc detector. Thành phần khí Radon có thể làm giảm bằng cách dùng khí nitơ hay khí sạch đẩy khí có chứa Radon ra ngoài vùng không gian hoạt động của detector. Do vậy thành phần bức xạ vũ trụ chiếm ưu thế trong phần còn lại của phông. Bức xạ vũ trụ gây ra phông của detector HPGe phát sinh từ tương tác của các nucleon và muon với vật liệu xung quanh detector. Muon xuyên qua lớp chì che chắn thụ động và tạo ra phông của detector. Thành phần muon có thể giảm khi đặt hệ đo trong phòng thí nghiệm dưới lòng đất. Tuy nhiên việc xây dựng và hoạt động 5 của phòng thí nghiệm dưới lòng đất rất tốn kém và bất tiện. Một phương pháp khác khả dụng hơn là hệ phổ kế gamma hoạt động với một hệ đối trùng phùng với các tấm nhấp nháy Plastic đặt xung quanh lớp chì che chắn trong trạng thái đối trùng phùng với detector HPGe [1], [2]. 1.2. Giới thiệu hạt muon Tổng quan hạt muon 1.2.1. Vào năm 1936 Carl D. Anderson và Seth Neddermeyer trong khi nghiên cứu bức xạ vũ trụ đã phát hiện ra một loại Muon. Sự tồn tại của hạt muon được khẳng định vào năm 1937 bởi J.C Street và E.C. Stevenson với thí nghiệm đo bằng buồng ion hóa [4]. Quá trình tương tác của bức xạ vũ trụ với vật chất khí quyển Trái Đất được thể hiện qua sơ đồ hình 1.2. Hình 1.2. Các quá trình tương tác của bức xạ vũ trụ vào khí quyển Trái Đất Các bức xạ vũ trụ sơ cấp gồm khoảng 85% là proton, 12% là heli, 1% là các nguyên tố nặng và 2% là electron, có năng lượng rất lớn (từ 10 10 eV đến 10 20 eV). Bức xạ vũ trụ sơ cấp Các hạt nhân (O hoặc N) Tương tác hadron Bức xạ hãm Tương tác yếu [...]... detector Hệ phổ kế thời gian dùng thiết bị FPGA kết nối với máy tính thông qua cổng COM RS-232 Dữ liệu từ FPGA được ghi nhận bằng chương trình giao tiếp với máy tính LabVIEW Phổ thời gian này được đo đồng thời với phổ phông của HPGe Từ hai phổ phông và phổ thời gian (sau khi trừ phổ phông thời gian) này ta có thể đánh giá sự đóng góp của muon đến phổ phông của detector HPGe Hình 3.1 là sơ đồ khối hệ. .. hệ giữa thời gian hai sự kiện gần nhau có thể đo một cách chính xác Đề tài này chúng tôi tiến hành đo phổ thời gian tương quan giữa hệ hai detector trùng phùng để khảo sát ảnh hưởng của muon đến phông nền của hệ phổ kế gamma phông thấp HPGe Từ đó lựa chọn cửa sổ thời gian phù hợp cho hệ giảm phông chủ động Ở chương tiếp theo ta sẽ đi sâu vào tìm hiểu cách thức hoạt động và ứng dụng của một hệ phổ kế. .. khối hệ đo khảo sát ảnh hưởng của muon đến phông nền của detector HPGe và Hình 3.2 là hình ảnh các thiết bị được lắp đặt tại Bộ môn Vật lý Hạt nhận Hình 3.1 Sơ đồ khối khảo sát ảnh hưởng của muon đếnphông nền của detector HPGe 21 Hình 3.2 Hình ảnh kết nối các thiết bị đặt tại phòng thí nghiệm 3.2 Hệ ghi nhận 3.2.1 Nguồn cao thế Hình 3.3 Nguồn cao thế âm Hình 3.4 Nguồn cao thế Canberra (0V đến 2000V)... đóng góp vào phổ thời gian theo dạng e mũ Các hạt còn lại có thể di chuyển trực tiếp qua hai detector và có khả năng đóng góp vào đỉnh phổ 134ns đúng bằng thời gian bay của các hạt này qua hai detector Do đó khi khảo sát ảnh hưởng của muon đến phổ phông nền của hệ phổ kế gamma HPGe có thể loại bỏ đỉnh phổ này và chỉ quan tâm đếm các số đếm suy giảm theo hàm e mũ Kết quả làm khớp phổ thời gian theo hàm... khả năng đáp ứng của với việc thay đổi khoảng cách hai xung và tần số xung tạo ra từ 18 máy phát xung Kết quả khảo sát cho thấy hệ phổ kế thời gian hoạt động ổn định, đáp ứng tốt với sự thay đổi khoảng cách hai xung, tốc độ ghi nhận dưới 100Hz, có thể dùng hệ đo này để đo hạt muon vũ trụ 19 CHƯƠNG 3 THỰC NGHIỆM KHẢO SÁT SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA MUON ĐẾN PHỔ PHÔNG CỦA HỆ PHỔ KẾ GAMMA PHÔNG THẤP HPGE 3.1 Bố trí... biết số sự kiện trùng phùng theo cửa sổ thời gian Từ đó người ta thiết lập cửa sổ thời gian cho hệ điện tử đối trùng phùng nhằm giảm phông chủ động cho hệ phổ kế gamma theo một tỉ lệ mong muốn 7 1.3 Hệ phổ kế thời gian Hệ phổ kế thời gian hoạt động dựa trên nguyên lý đo lường mối quan hệ thời gian bay của hai sự kiện được tạo ra từ hệ tạo xung tín hiệu hoặc là hai tín hiệu được ghi nhận bởi hai detector. .. tức thời Muon µ+ không xảy ra hiện tượng tương tác như µ do có lực đẩy mạnh giữa muon µ+ và hạt nhân Như vậy, muon µ 6 ngoài sự phân hủy tự do còn có sự tương tác với vật chất nên thời gian sống của muon µ sẽ nhỏ hơn thời gian sống của muon µ+ Thời gian sống của muon là giá trị trung bình của thời gian sống hai muon µ+ và µ Do đó thời gian sống của muon là μ = 2,197034 ± 0,000021 μs [4] 1.2.2 Ảnh. .. truyền đến Số xung clock 125MHz đếm được sẽ chuyển thành giá trị số và truyền lên máy tính, phần mềm LabVIEW cài đặt trên máy tính có nhiệm vụ ghi nhận kết quả và đưa lên phổ hiển thị trên màng hình máy tín Kết quả thu được từ hệ phổ kế thời gian sẽ cho ta thấy sự tương quan về mặt thời gian giữa hai detector Plastic -HPGe 3.3 Phổ phông nền của detector HPGe Hình 3.12 Phổ phông nền của detector HPGe đặt... 34997,9 39997,1 Từ kết quả có được trong Bảng 2.1, sử dụng phần mềm Origin để vẽ và làm khớp (fit) hàm và kiểm tra độ tuyến tính của phổ thời gian theo khoảng cách giữa hai xung 16 Hình 2.6 Đồ thị khảo sát đo thời gian của hệ phổ kế thời gian Ta tiến hành làm khớp (fit) các giá trị thu được từ bảng số liệu Bảng 2.1 và biểu diễn chúng trên đồ thị khảo sát đo thời gian của hệ phổ kế thời gian khi ta thay... keV của K-40, từ bức xạ vũ trụ như muon (đỉnh hủy 511keV của e+ do phân rã muon dương), neutron (kích hoạt hạt nhân của buồng chì sinh ra các gamma),… 29 3.4 Phổ thời gian tương quan giữa detector Plastic và detector HPGe Hình 3.13 Phổ thời gian tương quan giữa hai detector Plastic và HPGe Hệ phổ kế thời gian ghi nhận những khoảng thời gian giữa xung Start từ Plastic và Stop từ HPGe do các hạt muon . cửa sổ thời gian cho phù hợp. Đề tài thực hiện với mục đích khảo sát ảnh hưởng của muon đến phông nền của hệ phổ kế gamma phông thấp detector HPGe thông qua xây dựng hệ phổ kế thời gian sử. quan về hệ phổ kế gamma phông thấp HPGe, bức xạ muon vũ trụ và hệ phổ kế thời gian. Tìm hiểu về muon, ảnh hưởng của hạt muon đến kết quả đo của hệ phổ kế gamma detetor siêu tinh khiết HPGe. Chương. nghiệm khảo sát sự ảnh hưởng của muon đến phổ phông của hệ phổ kế gamma phông thấp HPGe. Kết luận và kiến nghị. 3 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ PHỔ KẾ GAMMA PHÔNG THẤP HPGE, BỨC XẠ MUON VŨ