Các hệ thống tốc độ đếm cao đo bức xạ hạt nhân

Đo ở tốc độ đếm cao là một vấn đề đã được nhắc tới nhiều lần trong các chương trước. Trong chương này tôi sẽ tập trung vào trình bày các hệ thống đầu dò được thiết kế riêng để phục vụ mục đích đếm với tốc độ cao. Rất nhiều thông tin trong chương này được tôi thu thập từ tài liệu của các nhà sản xuất thiết bị. Mục đích chính của chương này là trình bày về cách để đạt được tốc độ xử lý cao (throughput) – tối đa số lượng xung được ghi trong phổ, khi tốc độ xung đi vào hệ thống cao. Tốc độ đếm cao luôn đi kèm với sự tồi đi của độ phân dải, sự dịch đỉnh, các sai số khi xác định thời gian chết. Do đó, khi tiến hành thiết lập một hệ thống tốc độ đếm cao, ta luôn luôn phải cân nhắc giữa tốc độ xử lý với độ phân giải và có thể là một số thông số khác. Một hệ phổ kế gamma thông thường được minh họa trong Hình 4.1, Chương 4. Gamma đi vào đầu dò sẽ tạo ra xung, xung được khuếch đại phổ khuếch đại và tạo dạng xung, sau đó truyền tới ADC, ADC đo độ cao xung. Mỗi thành phần trong hệ phổ kế có giới hạn tốc độ xử lý xung riêng. Trong một số trường hợp, giá trị này được công bố dưới dạng tốc độ xung đi qua hệ thống; hoặc năng lượng biến đổi được mỗi giây, trong một số trường hợp khác. Bảng 14.1 liệt kê các giới hạn tốc độ xử lý của các thành phần khác nhau của một hệ phổ kế thông thường. Cần lưu ý rằng các giá trị cực đại hoặc cực tiểu được đưa ra trong bảng không phải là các giá trị được khuyến cáo sử dụng. Độ chính xác của phép đo thời gian chết và độ phân giải bị giới hạn trong thực tế. Tôi có thể cần phải định nghĩa khái niệm “tốc độ đếm cao”. Tốc độ đếm được gọi là cao hay không sẽ phụ thuộc vào hoàn cảnh cụ thể. Chẳng hạn như khi so với các phân tích mẫu môi trường, hầu hết các phân tích kích hoạt đều là các phép đo có tốc độ đếm cao. Trong chương này, tốc độ đếm 100 000 số đếmgiây (cps) trở lên sẽ được coi là tốc độ đếm cao. Lưu ý giá trị này là giá trị tốc độ đếm lối vào, không phải là giá trị tốc độ xử lý xung của hệ phổ kế. Giá trị tốc độ đếm vào khoảng 40 000 cps được gọi là tốc độ đếm trung bình.

Một hệ phổ kế gamma thông thường được minh họa trong Hình 4.1, Chương 4 Gamma

đi vào đầu dò sẽ tạo ra xung, xung được khuếch đại phổ khuếch đại và tạo dạng xung, sau

đó truyền tới ADC, ADC đo độ cao xung Mỗi thành phần trong hệ phổ kế có giới hạn tốc

độ xử lý xung riêng Trong một số trường hợp, giá trị này được công bố dưới dạng tốc độxung đi qua hệ thống; hoặc năng lượng biến đổi được mỗi giây, trong một số trường hợpkhác Bảng 14.1 liệt kê các giới hạn tốc độ xử lý của các thành phần khác nhau của một

hệ phổ kế thông thường Cần lưu ý rằng các giá trị cực đại hoặc cực tiểu được đưa ratrong bảng không phải là các giá trị được khuyến cáo sử dụng Độ chính xác của phép đothời gian chết và độ phân giải bị giới hạn trong thực tế

Tôi có thể cần phải định nghĩa khái niệm “tốc độ đếm cao” Tốc độ đếm được gọi là caohay không sẽ phụ thuộc vào hoàn cảnh cụ thể Chẳng hạn như khi so với các phân tíchmẫu môi trường, hầu hết các phân tích kích hoạt đều là các phép đo có tốc độ đếm cao.Trong chương này, tốc độ đếm 100 000 số đếm/giây (cps) trở lên sẽ được coi là tốc độđếm cao Lưu ý giá trị này là giá trị tốc độ đếm lối vào, không phải là giá trị tốc độ xử lýxung của hệ phổ kế Giá trị tốc độ đếm vào khoảng 40 000 cps được gọi là tốc độ đếmtrung bình

Bảng 14.1 cho thấy, ADC và khuếch đại phổ là hai thành phần chính gây ra sự giới hạn vềtốc độ xử lý xung của hệ phổ kế Tốc độ lối ra cả cả ADC lẫn khuếch đại phổ đều nhỏ hơn

tốc độ xung lối vào của chúng Các khuếch đại phổ sử dụng trong các hệ phổ kế tốc độđếm cao được trang bị một bộ gạt ngưỡng nhanh, như một phần trong mạch loại bỏ xungchồng chập, giúp tạo ra các xung logic tương ứng với các xung đi vào khuếch đại phổ(xem Chương 4, Hình 4.25) Các xung logic tạo thành được đưa ra ở lối ra ICR (InputCount Rate) hoặc CRM (Count Rate Meter), và từ đó cho phép ta đánh giá tốc độ lối vào

Bảng 14.1 Giới hạn tốc độ xử lý xung của các thành phần trong hệ phổ kế

Thành phần Giới hạn do: Cơ chế giới hạn Thời gian chết/

xung ()

Giới hạn tốc độ(cps) aĐầu dò Ge Tốc độ đếm Thời gian thu

thập điện tích

0.2 đến 0.5 đến

Tiền khuếch đại

Phản hồi trở Tốc độ biến đổi

Dải động vàthời gian xóa

a Giá trị tốc độ đếm được làm tròn Giới hạn tốc độ dếm = thời gian chết /2.718

b Các giới hạn của tiền khuếch đại dựa trên tốc độ biến đổi năng lượng MeV Các giớihạn đưa ra được tính cho gamma năng lượng 1 MeV

Tại sao chúng ta cần đếm ở tốc độ cao? Về nguyên lý, các khó khăn gặp phải với tốc độđếm cao có thể được khắc phục một cách đơn giản bằng cách đo các mẫu có kích thướcnhỏ hơn, tăng khoảng cách giữa mẫu (tận dụng quy luật giảm hoạt độ theo bình phươngkhoảng cách) hoặc bằng cách giới hạn góc nhìn giữa đầu dò và mẫu bằng cách sử dụngchuẩn trực (một số hệ thống được xây dựng để có khả năng tự động điều chỉnh khoảngcách mẫu đầu dò, hoặc góc mở của chuẩn trực, để điều chỉnh tốc độ đếm của hệ về dài

làm việc) Tuy nhiên, trong một số trường hợp các giải pháp kể trên không thể áp dụngđược; chẳng hạn như trong phân tích kích hoạt, ta không biết trước hoạt độ của mẫu cần

đo, và các phép đo cần phải được tiến hành trên cùng điều kiện chuẩn Trong một số ứngdụng khác, mặc dù thường xuyên chỉ làm việc ở tốc độ đếm thấp, thì một hệ thống có khảnăng xử lý tốc độ đếm cao vẫn được yêu cầu Chẳng hạn như trong các trạm quan trắc ởkhu vực gần lò phản ứng hạt nhân hoặc quan trắc môi trường, các hệ phổ kế dùng tại cáctrạm này cần phải có khả năng xử lý tốc độ đếm cao để có thể nhận diện trong các trườnghợp tai nạn, sự cố

Khi đo các mẫu có chứa các đồng vị có thời gian bán rã ngắn ta sẽ gặp phải trường hợptốc độ đếm ban đầu rất cao, nhưng sau đó giảm dần theo thời gian Đôi khi, khi đo cácgamma có cường độ phát yếu nằm lẫn trong hoạt độ ma trận cao, ta có thể cần phải chấpnhận tốc độ đếm cao để có thể tích lỹ đủ số đếm thống kê, qua đó giúp phép đo đạt được

độ tin cậy thống kê cần thiết Một yếu tố khác dẫn tới việc lựa chọn giải pháp làm việc ởtốc độ đếm cao liên quan tới tốc độ xử lý mẫu; tốc độ đếm càng cao, đạt được bằng cáctăng kích thước mẫu hoặc giảm khoảng cách nguồn – đầu dò, sẽ cho phép ta thu đượcnhiều số đếm hơn trong cùng một khoảng thời gian ngắn hơn mà không làm giảm độ tincậy thống kê của phép đo Tuy nhiên, ngay cả khi bỏ qua các giới hạn về tài chính (hệ tốc

độ đếm cao cần sử dụng các thiết bị đặc biệt do đó có giá thành cao), hiệu ứng của nềnphông liên tục cao phía dưới đỉnh có thể gây ra những hệ qua không mong muốn lênMDA

14.2 TỐC ĐỘ XỬ LÝ CỦA ĐẦU DÒ

Tốc độ xung lối ra của đầu dò liên quan tới thời gian cần để thu thập toàn bộ điện tíchđược tạo ra trong đầu dò tương ứng với mỗi sự kiện bức xạ tới Trong chương 3, Phần 3.6,tôi đã trình bày về sự biến đổi của thời gian thu thập điện tích theo cao thế của đầu dò, vàtrong Hình 3.10, ta thấy rằng với các vùng điện trường mạnh cỡ lớn hơn , tốc độ dichuyển của điện tử là khoảng , còn tốc độ di chuyển của lỗ trống chỉ vào cỡ Thời giancần để thu thập tất cả điện tích phụ thuộc vào khoảng cách mà điện tử và lỗ trống phải dichuyển bên trong đầu dò dò, nghĩa là phụ thuộc và kích thước đầu dò và vị trí mà điện tử

và lỗ trống tại thời điểm chúng được sinh ra Để đơn giản hóa vấn đề, ta sẽ xem xét đầu

dò đồng trục trụ có chiều cao bằng hai lần đường kính (Hình 14.1) và giả thiết rằng các lỗtrống được tạo ra gần a-nốt của đầu dò sẽ có thời gian thu thập dài nhất (thời gian để lỗ

trống di chuyển về ca-tốt) Bán kính của đầu dò, và khoảng cách mà lỗ trống phải dichuyển, có thể được tính từ thể tích của đầu dò, thông qua công thức thực nghiệm sau:

Hình 14.1 Đầu dò trụ đồng trục với chiều

cao bằng hai lần bán kính

Từ các công cụ đã có, ta có thể tính một cách gần đúng thời gian thu thập điện tích cựcđại cho các đầu dò có kích thước khác nhau Hình 14.2 biểu diễn sự thay đổi của thời gianthu thập điện tích theo hiệu suất ghi tương đối của đầu dò Dữ liệu cho thấy, ngay cả vớicác đầu dò có kích thước lớn nhất, số lượng xung được tạo ra khoảng thời gian một giâycũng không nhỏ hơn xung Với thời gian thu thập điện tích là 600 ns, trung bình sẽ cókhoảng 1.6 triệu xung được tạo ra ở lối ra của đầu dò Không tính tới đóng góp của cácxung ngẫu nhiên, giá trị trên phải được chia cho e (2.7182), và do đó tốc độ xung lối racủa đầu dò sẽ khoảng 600 000 xung/giây

Hình 14.2 Thời gian thu thập

điện tích cực đại theo hiệu suất

ghi tương đối tại 1332.5 keV của

đầu dò

Do vậy, đầu dò không phải là thành phần gây ra giới hạn về tốc độ xử lý xung đối vớimức tốc độ đếm mà ta đang xem xét (100 000 cps) Tuy nhiên, như tôi đã trình bày trongChương 4, thời gian tạo dạng xung của khuếch đại phổ cần phải đặt ở giá trị lớn hơn thờigian thu thập điện tích lý thuyết Đây mới là nguyên nhân chính dẫn tới giới hạn về tốc độđếm của hệ phổ kế

Hình 14.2 nhắc nhở chúng ta rằng đầu dò kích thước nhỏ sẽ có thời gian thu thập điện tíchngắn hơn và do đó có thể sẽ phù hợp hơn trong một số trường hợp Việc sử dụng đầu dònhỏ sẽ phù hợp hơn việc sử dụng đầu dò kích thước lớn khi phải đo nguồn có hoạt độ cao

Số lượng xung được tạo ra bởi đầu dò nhỏ có thể ít hơn bởi một đầu dò lớn, nhưng cácxung được tạo ra bởi đầu dò nhỏ có thời gian tăng trường xung ngắn hơn (do thời gian thuthập điện tích ngắn hơn), và do vậy sẽ được xử lý tốt hơn và ít bị chồng chập hơn Tuynhiên, đầu dò kích thước lớn có thể cần để thu được thống kê tốt khi đo các gamma nănglượng cao nhưng có cường độ phát yếu Các đầu dò lớn có tỷ số đỉnh trên phông cao.Thêm nữa, nếu các đỉnh có năng lượng cao, hiệu suất ghi đỉnh năng lượng toàn phần caocủa đầu dò lớn sẽ giúp diện tích đỉnh đạt độ chính xác thống kê cao Twomey et al (1991)chứng tỏ rằng chuẩn trực cho đầu dò có kích thước lớn sao cho tốc độ đếm thu được bằngvới tốc độ đếm thu được bởi một đầu dò nhỏ không chuẩn trực sẽ cho kết quả tốt hơn ởmọi giá trị năng lượng Trong công bố của mình, họ đã đưa ra số liệu so sánh giữa đầu dò12% với đầu dò 120% được chuẩn trực; đầu dò lớn hơn có nền phông liên tục thấp hơn ở

vùng dưới 500 keV (cao hơn ở vùng trên 500 keV), nhưng có cùng hiệu suất ghi đỉnhnăng lượng toàn phần so với đầu dò nhỏ trong vùng năng lượng này, và do đó cải thiện tỷ

số tín hiệu trên nhiễu ở vùng năng lượng thấp Tuy nhiên, việc sử dụng đầu dò lớn sẽ kèmtheo kinh phí đầu tư cao, do vậy cần được xem xét trong từng tình huống cụ thể

14.3 CÁC TIỀN KHUẾCH ĐẠI DÙNG CHO HỆ TỐC ĐỘ ĐẾM CAO

Cơ chế hoạt động của các tiền khuếch đại phản hồi trở (RF) và xóa bằng bóng bán dẫn(TRPs) đã được trình bày trong Chương 4, Phần 4.3 Một vài đặc điểm chính của chúngđược so sánh trong Bảng 14.2, và một vài sự khác nhau giữa chúng sẽ được xem xét mộtcách chi tiết trong các phần tiếp theo

14.3.1Sự bão hòa của tốc độ biến đổi năng lượng

Các tiền khuếch đạ phản hồi trở có một giới hạn cơ bản, làm hạn chế khả năng sử dụngcủa chúng ở tốc độ đếm cao Trong tiền khuếch đại phản hồi trở, mạch phản hồi có vai trò

xả điện tích chứa trong tụ phản hồi, và khôi phục lại mức điện thế ban đầu Ở tốc độ đếmthấp, mạch hoạt động tốt Nhưng ở tốc độ đếm cao, mạch phản hồi không thể xóa điệntích đủ nhanh Kết quả là các xung bị chồng chập, và điện thế trung bình ở lối ra của tiềnkhuếch đại tăng lên Khi tốc độ đếm tiếp tục tăng lên, giá trị điện thế đặt tới một mức mà

sự hoạt động của các bóng bán dẫn bên trong tiền khuếch đại bị ảnh hưởng Ban đầu, hiệntượng xảy ra là xung ra từ tiền khuếch đại không tuyến tính, và sau đó các tiền khuếch đại

sẽ ngừng hoạt động Trong trường hợp này, ta gọi là tiền khuếch đại bị bão hòa Đâykhông phải là một vấn đề gây ảnh hưởng nghiêm trọng tới tiền khuếch đại; trạng thái hoạtđộng bình thường sẽ được khôi phục ngay khi tốc độ độ đếm giảm xuống mức bìnhthường, tuy nhiên như đã nói ở trên hiện tượng này sẽ làm cho đầu dò ngừng hoạt độngtạm thời

Với các hệ thống kiểm soát khẩn cấp, việc đầu dò ngừng hoạt động như vậy là không thểchấp nhận được vì khi sự cố xảy ra, tốc độ đếm có thể tăng lên mức rất cao Khả năng xử

lý xung có thể được cải thiện bằng cách giảm giá trị trở phản hồi ), tuy nhiên sẽ làm tăng

độ phân giải Bảng 14.3 là một số số liệu được đưa ra bởi Canberra Cải thiện tốc độ xử lýxung ở cỡ một bậc độ lớn sẽ làm độ rộng đỉnh tại 1332.5 keV tăng lên 18% Ở các vùngnăng lượng thấp hơn, độ phân giải thậm chí còn bị tồi đi nhiều hơn nữa Việc thay đổi trởphản hồi cũng không phải một tùy chọn mà người dùng có thể tự điều chỉnh Trở giá trịthấp thường cần phải được yêu cầu riêng trước khi mua hàng

Bảng 14.2 So sách đặc điểm của các loại tiền khuếch đại

Phản hồi trở (RF) Xóa bằng bóng bán dẫn (TRP)

Yêu cầu cần triệt Pole zero (không dễ ở tốc

độ đếm cao)

Không yêu cầu Pole zero

Bão hòa do giới hạn về tốc độ biến đổi

năng lượng, thông thường Khi bão hòa,

không có tín hiệu lối ra

Không bão hòa; có tốc độ biến đổi nănglượng lớn hơn của tiền khuếch đại RF ít

nhất 10 lần ()Dải động vào khoảng 20V, sau đó biến

dạng hoặc tắt

Dải động vào khoảng 4V, sau đó xóa

Có thể sử dụng ở tốc độ biến đối năng

lượng cao bằng cách lựa chọn trở phản hồi

nhỏ, tuy nhiên sẽ làm tồi độ phân giải

Độ phân giải tốt hơn so với độ phân giảicủa tiền khuếch đại RF có trở phản hồi nhỏ

Đỉnh tòe rộng khi tốc độ đếm cao Đỉnh ít tòe hơn so với tiền khuếch đại RF ở

tốc độ đếm caoKhông đóng góp và thời gian chết của hệ

thống

Đóng góp vào thời gian chết của hệ thống

(thời gian xóa)Thế điểm kiểm tra có thể được theo dõi để

kiểm tra tình trạng làm việc

Không có điểm kiểm tra

Bảng 14.3 Hiệu ứng của sự thay đổi trở phản hồi trong các tiền khuếch đại phản hồi trở

Giới hạn tốc độ biến đổinăng lượng (

và xóa bằng bóng bán dẫn 2101 TRP của Canberra) Các thành phần xử lý xung còn lạicủa hai hệ hoàn toàn giống nhau: khuếch đại phổ tích phân cổng 2024 đặt thời gian tạodạng xung ở 0.25 , và ADC 582; nguồn đồng vị được sử dụng là 60Co Tiền khuếch đạiphản hồi trở ngừng làm việc khi tốc độ xung lối vào đạt tới cps, còn tiền khuếch đại TRPtiếp tục hoạt động cho tới ít nhất cps mặc dù tốc độ xung lối ra đã xuống rất thấp

Hình 14.3 So sánh khả năng xử lý

xung giữa hệ phổ kế sử dụng tiền

khuếchđại phản hồi trở (đường đứt

nét) và hệ phổ kế sử dụng tiền

khuếch xóa bằng bóng bán dẫn

(đường liền nét) Cả hai hệ phổ kế

đều sử dụng khuếch đại phổ và

ADC dùng cho tốc độ đếm cao của

Canberra.

14.3.2 Độ phân giải năng lượng

Bảng 14.3 cho ta thấy sự tồi đi của độ phân giải khi nhiễu tăng lên (do sử dụng nhỏ) Dovậy, ta cần cân nhắc giữa mức độ tồi đi của độ phân giải năng lượng với tốc độ xử lý xungcủa hệ để đưa ra quyết định về việc có sử dụng hệ thống phản hồi trở với trở phản hồi nhỏhay không

Hình 14.4 Sự thay đổi của độ phân

giải theo tốc độ đếm của hệ phổ kế

sử dụng TRP (liền nét) và RF (đứt

nét) Cả hai hệ thống đều sử dụng

khuếch đại phổ độ phân giải năng

lượng cao và ADC của Canberra

Hình 14.4 biểu diễn dữ liệu thu được từ cùng một tổ hợp tiền khuếch đại/đầu dò như trongHình 14.3, nhưng sử dụng hệ thống xử lý xung tối ưu cho độ phân giải năng lượng: tiềnkhuếch đại Canberra 2025 AFI, hằng số tạo dạng xung , và ADC 8077 Ở tốc độ đếmthấp, sự khác nhau về độ phân giải năng lượng giữa hai loại tiền khuếch đại là rất nhỏ,

nhưng khi tốc độ đếm tăng lên, sự chênh lệch giữa độ phân giải của hai loại tiền khuếchđại là rất rõ ràng Ta có thể thấy rõ ưu thế của tiền khuếch đại TRP

14.3.3 Thời gian chết

Về cơ bản, sử dụng tiền khuếch đại phản hồi trở sẽ không gây ra thời gian chết cho hệ phổ

kế Trong khi đó, sử dụng tiền khuếch đại TRP sẽ gây ra một khoảng thời gian chết ở cácbước xóa xung Tuy nhiên, khoảng thời gian này chỉ là 2 cho mỗi chu kỳ xóa Tốc độ xóahiển nhiên sẽ phụ thuộc vào tốc độ đếm, nhưng cũng phụ thuộc vào năng lượng xungtrung bình đi vào tiền khuếch đại – năng lượng xung trung bình cao có nghĩa là quá trìnhreset sẽ diễn ra với tần xuất cao hơn Một vấn đề nghiêm trọng hơn, đó là hiệu ứng củaquá trình xóa lên khuếch đại phổ Quá trình xóa đồng nghĩa với việc điện thế ở lối ra củatiền khuếch đại sụt giảm nhanh, từ 4 V về 0 V Điều này khiến cho khuếch đại phổ bị quátải, và cần một khoảng thời gian thích hợp để phục hồi Khoảng thời gian này thường lớnhơn khoảng thời gian chết 2 của tiền khuếch đại (Hình 14.5)

Hình 14.5 Thời gian chết khi sử dụng

tiền khuếch đại TRP

a. Xung lối ra của tiền khuếch

đại TRP

b. Xung lối ra của khuếch đại

phổ

c. Xung gate đưa vào ADC

Dải động của các tiền khuếch đại TRP là mức điện thế mà tiền khuếch đại quyết định thựchiện bước xóa, thường là 2V hoặc 4 V Để đảm bảo độ tuyến tính tốt, giá trị này nhỏ hơnrất nhiều so với mức điện thế xả tụ của các tiền khuếch đại phản hồi trở (20 V) Hiểnnhiên, dải động cỡ 4 V sẽ được ưa thích hơn dải động 2 V, do số lượng bước xóa sẽ ít hơn

với cùng một lượng xung tới Trong một phép kiểm tra sử dụng tiền khuếch đại Canberra

2101, với dải động 4V, xung tới là các xung năng lượng cao từ nguồn 60Co, tần số xóa đođược vào khoảng 1 trên 150 sự kiện – tương đương với khoảng thời gian chết bằng 13ns/sự kiện So sánh với thời gian tạo dạng xung của khuếch đại phổ, giá trị này hầu như

có thể bỏ qua Ngay cả khi thời gian chết của tiền khuếch đại tăng lên 2 lần bằng cách sửdụng dải động 2 V, thời gian chết của tiền khuếch đại vẫn rất nhỏ Tần xuất xóa của tiềnkhuếch đại phụ thuộc vào kích thước đầu dò; với các đầu dò lớn hơn, tỷ số đỉnh –Compton cao hơn, và do đó năng lượng trung bình mỗi xung sẽ lớn hơn

14.4 KHUẾCH ĐẠI PHỔ

Vai trò chính của khuếch đại phổ đã được trình bày trong Chương 4, Phần 4.4.1 Như tôi

đã nói, cái tên “khuếch đại phổ” không thể hiện được hết vai trò của khuếch đại phổ trongmột hệ phổ kế, vì bên cạnh việc khuếch đại tín hiệu, khuếch đại phổ còn có nhiều vai tròkhác nữa Điều này đặc biệt đúng khi ta xét tới các hệ tốc độ đếm cao Như ta đã thấytrong Bảng 14.1, tốc độ xử lý xung của hệ thống phụ thuộc rất mạnh vào khuếch đại phổ.Khi tốc độ đếm cao, hiện tượng xung chồng chập xảy ra thường xuyên hơn làm giảm tốc

độ xử lý xung của khuếch đại phổ Do đó trong các hệ tốc độ đếm cao, khuếch đại phổ làloại hiện đại, tích hợp công nghệ cao và đi kèm với đó là giá thành cao

14.4.1 Hằng số thời gian tạo dạng xung và sự chồng chập xung

Hình 4.14 (Chương 4) biểu diễn dạng xung đơn cực bán Gaus Giá trị thời gian tương đốitheo thời gian tạo dạng xung của thời gian tạo đỉnh theo hằng số tạo dạng xung được đưa

ra trong bảng 4.1 Thời gian tạo đỉnh thường bằng khoảng hai lần thời gian tạo dạng xung

và độ rộng của một xung bằng khoảng 5 đến 6 lần thời gian tạo dạng xung (Canberra đềxuất giá trị 6.2) Một khuếch đại phổ hiện đại có thời gian tạo dạng xung có thể thay đổiđược trong dải từ 0.5 đến 12 , tương đương với độ rộng xung lối ra từ 1.2 đến 70 Thờigian tạo dạng xung càng dài, độ rộng của xung cũng càng dài, do đó số xung có thể đi quakhuếch đại trong một đơn vị thời gian sẽ giảm xuống Một vấn đề khác là khi tốc độ đếmtăng lên, xác suất hai xung bị chồng chập sẽ tăng lên Trong thực tế, số lượng xung chồngchập tỷ lệ với bình phương hằng số thời gian tạo dạng xung Ở 100 000 xung/giây, sửdụng thời gian tạo dạng bằng 2 , xác suất một xung bị chồng chập vảo khoảng 67% Cácxung chồng chập sẽ bị loại bỏ bởi mạch chống chồng chập xung (PUR) tích hợp trongkhuếch đại phổ, do đó nó sẽ không đóng góp vào phổ thu được, tức là làm giảm tốc độ lối

ra của khuếch đại phổ

Giải pháp dễ nhận thấy là sử dụng thời gian tạo dạng xung ngắn; với thời gian tạo dạngxung bằng 0.25 , xác suất chồng chập xung chỉ là 13% ở 100 000 cps Tuy nhiên, điều nàykhông thể áp dụng với khuếch đại phổ thông thường Hình 14.2 chỉ ra rằng thời gian thuthập điện tích có thể lớn 0.6 , và nếu thời gian tạo dạng xung không lớn hơn thời gian thuthập điện tích ít nhất 10 lần, thì hiện tượng hụt xung đạo sẽ xảy ra (Chương 4, Phần4.4.5) Hệ quả của sự hụt xung đạo sẽ là sự thu thập điện tích không chính xác và dẫn tới

sự tồi đi của độ phân giải Ngay cả với các đầu dò nhỏ, thời gian thu thập điện tích chỉvào khoảng 0.2 , thời gian tạo dạng xung ít nhất cũng phải bằng 2 , tương ứng với xunglối ra có độ rộng 11 (sử dụng các giá trị đưa ra trong Bảng 4.1, chương 4) Tốc độ xunglối ra khi đó sẽ vào khoảng 33 000 pps (tức là ) Trong thực tế, do sự chồng chập xung,tốc độ xung lối ra giảm xuống dưới 20 000 cps Hình 14.6 biểu diễn sự mỗi liên hệ giữatốc độ xung lối vào và tốc độ xung lối ra trong hai trường hợp cụ thể

Ở tốc độ đếm trung bình, việc giảm thời gian tạo dạng xung có thể là một chiến thuật hợp

lý Nếu giá tị tối ưu là , độ phân giải của hệ phổ kế là 1.8 keV, thì việc sử dụng hằng sốthời gian tạo dạng xung bằng 1 s sẽ làm tăng độ phân giải lên 2.3 keV (xem hình 14.8)

Hình 14.6 Mối liên hệ giữa tốc độ

xung lối ra với tốc độ xung lối vào

của khuếch đại phổ

a. Hệ thống sử dụng tích phân

cổng với hằng số tạo dạng

xung bằng 0.25

b. Hệ thống sử dụng mạch tạo

dạng xung bán Gaus với

thời gian tạo dạng xung

bằng 2

14.4.2 Tích phân cổng

Tạo dạng xung tam giác có thể giúp cải thiện tốc độ xung lối ra của khuếch đại phổ(Chương 4, Phần 4.4.3) Tuy nhiên với sự phát triển kỹ thuật, tốc độ xử lý xung củakhuếch đại được cải thiện đáng kể nhờ sử dụng các khối tích phân cổng Hình 14.6 so

sánh tốc độ xung lối ra của hai hệ phổ kế sử dụng hai loại khuếch đại khác nhau: khuếchđại bán Gaus với thời gian tạo dạng xung bằng 2 và khuếch đại tích phân cổng với thờigian tạo dạng xung bằng Sự cải thiện về tốc độ xử lý xung khi sử dụng tích phân cổng làrất đáng kể

Trong các khối tích phân cổng, quá trình tích phân được tiếp túc trong khoảng 10 lần thờigian tạo dạng xung để đảm bảo sự đóng góp của tất cả các xung “lọc trước” (dạng xungbán gauss và dạng xung tích phân cổng được so sánh trong hình 4.15 Khi nói tới tíchphân cổng, “thời gian tích phân” là giá trị được sử dụng thay vì thời gian tạo dạng xung.ORTEC đã công bố sự cải thiện hiệu năng (giảm nhiễu) của của khuếch đại phổ tích phâncổng nhờ vào việc sử dụng một xung giả chữ nhật trước tầng tích phân

Điểm yếu của việc sử dụng tích phân cổng là độ phân giải sẽ bị tồi đi so với khi sử dụngkhuếch đại tạo dạng xung bán Gauss (Hình 14.7 và Bảng 14.5) Tuy nhiên, đó chỉ là mộtcái giá nhỏ để đạt được tốc độ xử lý xung cao Khi hệ hoạt động ở tốc độ đếm thấp, việc

sử dụng tích phân cổng là không cần thiết Do đó, các khối tích phân cổng thường cungcấp cả lối ra bán Gaus để sử dụng khi cần Trong Chương 4, phần 4.5 tôi đã đưa ra một sốgiải pháp thay thế tích phân cổng, như sử dụng bộ thu thập độ hụt xung đạo (ORTEC 675hoặc Tennelec 245), tiến hành hiệu chỉnh thực nghiệm cho mỗi xung dựa trên thời giantăng trường xung Quá trình “cải thiện độ phân giải” này không hiệu chỉnh hoàn toàn độhụt xung đạo Nó phù hợp với các đầu dò lớn và tốc độ đếm tương đối cao khi sử dụngvới tạo dạng xung tam giác và thời gian tạo dạng xung lớn hơn 2 Ở tốc độ đếm cao, khithời gian tạo dạng xung giảm xuống dưới 1 , tích phân cổng sẽ cho kết quả tốt hơn

Hình 14.7 Sự phụ thuộc của độ

phân giải năng lượng theo thời gian

tạo dạng xung trong hai trường

Ở tốc độ đếm cao, với các tiền khuếch đại phản hồi trở, sự hiệu chỉnh cực không sẽ khókhăn hơn so với ở tốc độ đếm thấp Chế độ điều chỉnh cực không tự động được cung cấptrong một số khối khuếch đại có thể giúp người dùng sử dụng dễ dàng hơn Tuy nhiên, ởtốc độ đếm cao, việc hiệu chỉnh có thể phải tiến hành một cách thủ công để đảm bảo chấtlượng tốt nhất Thủ tục hiệu chỉnh cực không sử dụng dao động ký đã được trình bàytrong phần 10.3.4, chương 10 Tuy nhiên, ta có thể kết hợp thêm với thủ tục điều chỉnhđược trình bày dưới đây để đạt được kết quả tốt nhất Sau khi đã chỉnh bằng dao động ký,ngắt kết nối với dao động ký, và xoay núm PZ một lượng nhỏ (1/8 vòng), tiến hành đophổ của nguồn 60Co, và tiến hành xác định độ rộng của đỉnh 1332.5 keV Tiến hành nhiều

lần và chọn vị trí PZ cho độ rộng đỉnh nhỏ nhất Khi hệ làm việc ở tốc độ đếm cao, ta cóthể thực hiện lại chu trình nói trên, để đảm bảo PZ đã nằm ở vị trí tối ưu

14.4.4 Độ ổn định của khuếch đại phổ - sự dịch đỉnh

Một điều không thể tránh khỏi là sự dịch đỉnh xảy ra với mọi hệ phổ kế tốc độ đếm cao.Một cách lý tưởng, quá trình chuẩn năng lượng cần phải được thực hiện với tốc độ đếmtương tự như tốc độ đếm khi hệ đo mẫu Nếu điều này không thể được thực hiện, thì sựdịch đỉnh cần phải đảm bảo đủ nhỏ để không làm ảnh hưởng đến khả năng nhận dạngđỉnh trong các phổ đo có tốc độ đếm cao Các chương trình phân tích phổ sẽ có “cửa sổnhận diện” (Twomey et al (1991)), có độ rộng vào khoảng 0.4 Nếu như sự dịch đỉnh lớnhơn giá trị này, các đỉnh có thể sẽ không được nhận diện (trên thực tế, nếu như ta có thểnhận diện một vài đỉnh đặc trưng trong phổ đo được, ta có thể tiến hành chuẩn năng lượngnội từ các đỉnh kể trên, và như vậy vấn đề dịch đỉnh được giải quyết Tuy nhiên, việc làmnày đôi khi không thể thực hiện được, và không thể áp dụng thành quy trình để sử dụnghàng ngày)

Thông số kỹ thuật của khuếch đại phổ Canberra 2024 nói rằng, với xung được tạo dạngbán Gauss và có hằng số thời gian bằng 2 , độ cao xung bằng 9 V (từ 1332.5 keV) sẽ bịdịch vị trí một khoảng nhỏ hơn 0.024% khi tốc độ đếm tăng từ 2 đến 100 kcps VớiFWHM = 2 keV, giá trị này tương ứng với nhỏ hơn 0.16 FWHM, và do vậy vẫn nằmtrong khoảng mà chương trình phân tích phổ có thể nhận diện Đối với khuếch đại phổtích phân cổng ORTEC 973U, cùng với các thông số như trên, khi tốc độ đếm thay đổi từ

1 đến 300 kcps, đỉnh dịch một lượng nhỏ hơn 0.03%; Đây là giá trị hoàn toàn chấp nhậnđược ở tốc độ đếm cao

14.4.5 Độ ổn định của khuếch đại phổ - Độ phân giải

Sự tồi độ phân giải khi hệ hoạt động ở tốc độ đếm cao là một yếu tố không thể tránh khỏikhác mà chúng ta cần tìm cách hạn chế tối đa Hình 14.8 cho thấy, cả khuếch đại phổdạng bán Gauss và khuếch đại phổ tích phân cổng đều bị tồi độ phân giải Khuếch đại phổtích phân cổng ORTEC 973U có độ tòe độ phân giải nhỏ hơn 10% ở tốc độ đếm 300 kcps

bị tính sai Ngay cả khi diện tích đỉnh được đo chính xác, phần mềm phân tích phổ sẽ làm

gì khi đỉnh quá rộng? Liệu nó có loại bỏ đỉnh vì đỉnh quá rộng? hay chương trình sẽ tiếnhành tách đỉnh?

14.4.6 Phục hồi trạng thái quá tải

Đối với các hệ tốc độ đếm cao, tiền khuếch đại TRP cần phải được sử dụng Tiền khuếchđại loại này tạo ra các chu kỳ xóa và làm cho khuếch đại phổ bị quá tải Thời gian cần đểphục hồi từ trạng thái quá tải tạo ra một lượng thời gian chết lớn hơn rất nhiều so với thờigian xóa của tiền khuếch đại

Vì lý do này, các khuếch đại phổ phục vụ hệ tốc độ đếm cao được thiết kế sao cho các chu

kỳ phục hồi ngắn Với các thông số hiện nay, với mọi nguồn, khuếch đại phổ phục hồi vềkhoảng 2% lối ra ước tính, trong 2.5 độ rộng xung không quá tải ở hệ số khuếch đại cực