Luận văn MCA, FPGA của hệ MCA (Flash ADCFPGA).

Luận văn thạc sĩ HDKH: TS.Võ Hồng Hải MỞ ĐẦU Ngành vật lí hạt nhân nghiên cứu nhiều loại nguồn phóng xạ tia phóng xạ khác dựa vào phổ lượng xạ hạt nhân ghi nhận từ detector hạt nhân Muốn ghi nhận số liệu từ vẽ phổ lượng đòi hỏi phải có hệ thiết bị ghi liệu với độ xác cao, ổn định tốc độ ghi nhanh Xung tín hiệu mà detector ghi nhận chuyển từ tín hiệu điện (analog) thành tín hiệu số (digital), thơng qua máy phân tích đa kênh MCA xung tín hiệu ghi nhận thu phổ lượng xạ Hiện hệ phân tích đa kênh MCA sử dụng cơng nghệ ADC có chức ghi nhận vẽ phổ lượng xạ theo độ cao xung tín hiệu Cơng nghệ thiết kế cho phòng thí nghiệm hạt nhân theo hệ thống hoàn chỉnh ghi nhận phổ lượng theo độ cao xung hầu hết nguồn tia phóng xạ Lĩnh vực nghiên cứu xạ hạt nhân ngày phát triển, đòi hỏi hệ thiết bị khơng thu phổ lượng theo độ cao mà ghi nhận dạng xung tín hiệu, phổ lượng theo diện tích xung thiết kế lại dễ dàng người dùng theo nhu cầu cụ thể thí nghiệm Hệ MCA sử dụng cơng nghệ Flash-ADC 250MHz-8bits FPGA phát triển gần Bộ môn Vật lý Hạt nhân, Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên TP Hồ Chí Minh Việc sử dụng thiết bị cho detector hạt nhân nhận số kết định [4], [7] Cụ thể đo phổ gamma detector HPGe thực Bộ môn Vật lý Hạt nhân bước đầu cho số kết khả quan Với thiết bị này, ta ghi nhận số liệu dạng xung detector Từ liệu này, ta xác định lượng gamma thơng qua tính diện tích dạng xung từ ta thu phổ lượng gamma [4] Tuy nhiên, việc thu thập liệu cho kiện xạ (một xung tín hiệu) chiếm nhiều liệu (~100-2000 liệu/sự kiện), nên tốc độ ghi nhận kiện chậm khoảng chục trăm msec/sự kiện Ở đây, RS-232 sử dụng để truyền số liệu Hay nói cách khác, thời gian đo phổ nhiều thời gian Trong đề tài này, xây dựng hệ MCA sử dụng công nghệ nhúng FPGA kết hợp với chuyển đổi Flash-ADC (8bitHVTH: Nguyễn Quốc Hùng Vật lý kỹ thuật K16 ĐHCT Luận văn thạc sĩ HDKH: TS.Võ Hồng Hải 250MHz) để thực cho phép đo xạ hạt nhân Một chương trình nhúng VHDL xây dựng cho phép tính tốn thơng số diện tích xung, đỉnh xung, thời gian trigger bên thiết bị FPGA hệ MCA (FlashADC/FPGA) Một chương trình giao tiếp LabVIEW thiết lập việc điều khiển thu thập liệu đo từ thiết bị FPGA Với chương trình này, thơng số diện tích xung, đỉnh xung, thời gian trigger ghi nhận cho kiện ghi nhận Từ đó, ta biết thông tin phổ lượng xạ, thời gian tương quan kiện trùng phùng Điều giúp hệ MCA (FlashADC/FPGA) tăng tốc độ ghi nhận kiện lên nhiều Chúng phát triển hệ MCA cho hệ detector hệ đo trùng phùng hai detector Chúng thực đánh giá hoạt động hệ MCA thông qua việc sử dụng máy phát xung để khảo sát biên độ xung, độ phân giải theo bề rộng diện tích xung, ảnh hưởng tần số xung thời gian trùng phùng Sau khảo sát đánh giá hoạt động hệ MCA, thực đo phổ gamma sử dụng detector NaI (Tl) 3×3 cho nguồn phóng xạ Cs-137, Na-22, Ba-133 phóng xạ tự nhiên đo phổ xạ vũ trụ sử dụng hệ trùng phùng hai detector plastic Sự phân bố đề tài phân bổ thành bốn chương sau:  Chương 1: Hệ thống đo xạ hạt nhân MCA Trình bày khái quát hệ thống đo xạ hạt nhân, detector, hệ phân tích đa kênh MCA (Multi Channel Analayser)  Chương 2: FPGA, lập trình nhúng VHDL Flash-ADC Giới thiệu cơng nghệ lập trình chip FPGA, ngơn ngữ mơ tả phần cứng VHDL, thiết bị chuyển đổi tương tự thành số ADC Flash-ADC  Chương 3: Chương trình nhúng FPGA tính thơng số đặc trưng cho hệ thiết bị MCA (Flash-ADC-250MHz/FPGA) - Chương trình giao tiếp máy tính LabVIEW Xây dựng chương trình nhúng FPGA ngơn ngữ VHDL cho hệ MCA detector hệ đo trùng phùng hai detector chương trình LabVIEW giao tiếp máy tính với thiết bị MCA (Flash- HVTH: Nguyễn Quốc Hùng Vật lý kỹ thuật K16 ĐHCT Luận văn thạc sĩ HDKH: TS.Võ Hồng Hải ADC/FPGA) cho phép điều khiển thông số đầu vào ghi nhận thông số đặc trưng cho hệ MCA độ cao xung, diện tích xung, thời gian trigger  Chương 4: Thực nghiệm Tiến hành thí nghiệm khảo sát phổ xung tín hiệu mẫu để kiểm tra hoạt động chương trình nhúng FPGA chương trình LabVIEW thơng qua việc sử dụng máy phát xung để khảo sát biên độ xung, độ phân giải theo bề rộng diện tích xung, ảnh hưởng tần số xung thời gian trùng phùng Sau tiến hành thực nghiệm đo phổ gamma cho nguồn phóng xạ Cs-137, Na-22, Ba-133, phóng xạ tự nhiên sử dụng detector NaI (Tl) 3×3 đo phổ xạ vũ trụ sử dụng hệ trùng phùng hai detector plastic Cuối phần kết luận hướng phát triển đề tài Trên tồn nội dung trình bày luận văn HVTH: Nguyễn Quốc Hùng Vật lý kỹ thuật K16 ĐHCT Luận văn thạc sĩ HDKH: TS.Võ Hồng Hải Chương 1: HỆ THỐNG ĐO BỨC XẠ HẠT NHÂN VÀ MCA 1.1 TƯƠNG TÁC BỨC XẠ HẠT NHÂN VỚI VẬT CHẤT Các xạ hạt nhân bao gồm xạ tạo từ trình biến đổi liên quan đến hạt nhân nguyên tử phân rã, phản ứng hạt nhân, Người ta phân chia thành hai loại xạ hạt nhân sau:  Các xạ tích điện: hạt nhẹ tích điện electron, positron; hạt nặng tích điện hạt alpha, proton, mảnh phân hạch hay sản phẩm phản ứng hạt nhân  Các xạ không tích điện: xạ điện từ (bao gồm tia X xạ gamma), neutron Khi qua môi trường vật chất hạt tích điện tương tác với electron mơi trường trường điện từ gây kích thích ngun tử ion hóa ngun tử Các hạt tích điện qua mơi trường vật chất bị dần lượng va chạm không đàn hồi đến lúc phải dừng lại, nghĩa có quãng chạy hữu hạn mơi trường Đối với hạt nhẹ tích điện lượng hiệu ứng phát xạ hãm, với hạt nhẹ tích điện có lượng cao hiệu ứng xảy rõ rệt không ý gây nên nhầm lẫn đáng kể đo lượng theo hiệu ứng ion hóa Đó điều cần lưu ý sử dụng detector để xác định lượng xạ Bức xạ gamma sóng điện từ có bước sóng nhỏ khoảng cách ngun tử, xạ ngồi tính chất sóng hình dung dòng hạt nên gọi lượng tử gamma Giống hạt tích điện, xạ gamma bị hấp thụ môi trường vật chất, chủ yếu tương tác điện từ Khi xét đến chế tương tác với mơi trường ta phải xét đến tính lượng tử lượng tử gamma không mang điện khối lượng nghỉ khơng, nghĩa tính chất sóng hạt xạ gamma Tương tác xạ gamma với môi trường vật chất xảy theo ba chế chính: hiệu ứng quang điện, hiệu ứng tạo cặp, hiệu ứng compton HVTH: Nguyễn Quốc Hùng Vật lý kỹ thuật K16 ĐHCT Luận văn thạc sĩ HDKH: TS.Võ Hồng Hải 1.2 DETECTOR HẠT NHÂN 1.2.1 Detector khí Bộ phận cấu tạo dectector khí buồng ion hóa Thơng thường buồng ion hóa hộp kín gồm hai điện cực chất khí làm việc với áp suất cho trước Những hạt mang điện qua buồng ion hóa tạo nên cặp electron-ion tự Hiệu ứng ion hóa mạnh dễ phát hạt qua Với buồng ion hóa cho trước, phải chọn áp suất khí cho xạ hạt nhân hết hầu hết lượng chúng buồng Giữa hai điện cực buồng ion hóa người ta đặt hiệu điện V để tạo điện trường E có tác dụng dịch chuyển ion electron tự hai phía điện cực tương ứng Nguyên tắc ghi xạ detector chứa khí dựa vào tượng ion hóa xảy mơi trường khí xạ qua detector Đối với xạ gamma trình xảy tạo thành electron thứ cấp tác dụng gamma lớp vỏ hay vật liệu quanh detector có điện tích Z mật độ nguyên tử lớn Sau electron thứ cấp gây nên q trình ion hóa chất khí Các electron ion dương vừa sinh chuyển dịch tác dụng điện trường E điện cực Sự hội tụ điện tích điện cực làm xuất tín hiệu điện mạch ngồi, tín hiệu phận đo ghi nhận phân tích 1.2.2 Detector nhấp nháy Khi xạ ion hóa vào khối nhấp nháy kích thích ngun tử hay phân tử Sau đó, với dịch chuyển trạng thái chúng phát ánh sáng nhấp nháy, photon ánh sáng Qua lớp dẫn sáng, photon đập vào photocatode nhân quang điện lối nhân quang điện xuất tín hiệu điện có biên độ lớn Tín hiệu đưa vào tiền khuếch đại, thiết bị có tác dụng hòa hợp tổng trở lối detector lối vào khuếch đại HVTH: Nguyễn Quốc Hùng Vật lý kỹ thuật K16 ĐHCT Luận văn thạc sĩ HDKH: TS.Võ Hồng Hải Nguồn cao Detector Tiền khuếch đại Khuếch đại Máy phân tích Hình 1.1: Sơ đồ khối hệ đo dùng detector nhấp nháy Xung tín hiệu tạo thành sau qua khuếch đại tăng biên độ lên bậc trước đưa vào phân tích ghi nhận Sơ đồ detector nhấp nháy nối với phận cần thiết cho hình 1.1 1.2.3 Detector bán dẫn Khi xạ ion hóa vào detector bán dẫn, chúng tương tác lên electron bứt electron khỏi liên kết cộng hóa trị Các electron chuyển lên vùng dẫn trở thành electron tự do, đồng thời để lại lỗ trống mang điện tích dương vùng hóa trị Các cặp electron-lỗ trống tạo vùng nghèo dọc theo quỹ đạo xạ tới Chúng kéo hai cực điện trường hiệu điện ngược áp vào detector Khi mạch detector xuất hiệu điện Xung điện ghi nhận lối hệ điện tử tiếp sau Đo khảo sát tín hiệu xung từ detector ta biết thông tin xạ ghi nhận 1.3 HỆ ĐO BỨC XẠ HẠT NHÂN Hệ đo xạ hạt nhân gồm detector hạt nhân, hệ thống khuếch đại (khuếch đại tiền khuếch đại), hệ phân tích đa kênh MCA, máy tính dùng để ghi nhận liệu Nguồn phóng xạ phát xạ hạt nhân tới detector, xạ tương tác với môi trường vật chất detector tạo tín hiệu điện áp Tuy nhiên tín hiệu thường nhỏ nên cần khuếch đại trước gửi tới hệ phân tích đa kênh MCA hệ thống khuếch đại Hệ MCA phân tích tín hiệu gửi thơng tin xạ hạt nhân đến máy tính, ghi nhận thành dạng phổ lượng xạ Tùy thuộc vào mục đích nghiên cứu mà hệ đo hệ đo detector hay nhiều detector HVTH: Nguyễn Quốc Hùng Vật lý kỹ thuật K16 ĐHCT Luận văn thạc sĩ HDKH: TS.Võ Hồng Hải 1.3.1 Hệ đo xạ hạt nhân detector Hình 1.2: Sơ đồ hệ đo xạ hạt nhân detector Hệ đo xạ hạt nhân detector với detector ghi nhận tín hiệu xạ, kết nối với kênh hệ MCA Thường dùng đo phổ nguồn phóng xạ (Na-22, Cs-137, Ba-133,……) 1.3.2 Hệ đo xạ hạt nhân nhiều detector (kĩ thuật đo trùng phùng) Detector Cao -HV Khuếch đại Detector Bức xạ vũ trụ Cao -HV Đường trễ ~ 4-10ns TDC Khuếch đại MCA Máy tính Hình 1.3: Hệ đo trùng phùng detector (hệ đo xạ vũ trụ) Hệ đo xạ nhiều detector gồm nhiều detector đặt song song với nhau, có xạ hạt nhân xuyên qua tất detector để lại lượng hệ MCA ghi nhận kiện, xạ khác khơng ghi nhận, kĩ thuật đo gọi kĩ thuật đo trùng phùng Hình 1.3 sơ đồ bố trí hệ đo xạ vũ trụ hai detector, xạ vũ trụ ghi nhận xuyên qua để lại HVTH: Nguyễn Quốc Hùng Vật lý kỹ thuật K16 ĐHCT Luận văn thạc sĩ HDKH: TS.Võ Hồng Hải lượng hai detector Để đo xạ vũ trụ với độ xác cao người ta xây dựng hệ đo gồm nhiều detector Trong lĩnh vực điện tử hạt nhân, hệ phân tích đa kênh MCA sử dụng việc ghi nhận phổ xạ từ detector hạt nhân Hiện giới, hệ MCA phát triển từ công nghệ ADC, chức thiết bị đo độ cao xung tín hiệu từ detector để biểu diễn lượng xạ 1.4 HỆ PHÂN TÍCH ĐA KÊNH MCA Hệ phân tích đa kênh MCA sử dụng để đo phổ lượng (hay phân bố lượng) xạ hạt nhân Phổ lượng biểu diễn theo hai dạng theo độ cao theo diện tích xung Hình 1.4 cho thấy phổ theo độ cao xung xạ gamma phát từ nguồn Natri 22 với hai đỉnh phổ lượng 511keV Số đếm 1,2MeV đo detector NaI Detector NaI 76B76: Phổ lượng Na-22 Năng lượng HVTH: Nguyễn Quốc Hùng Vật lý kỹ thuật K16 ĐHCT Luận văn thạc sĩ HDKH: TS.Võ Hồng Hải Hình 1.4: Phổ lượng biểu diễn theo độ cao xung nguồn Na-22 Các phần hệ phân tích đa kênh MCA bao gồm chuyển đổi ADC, nhớ (memory) máy tính hình 1.5 Bộ nhớ Máy tính Tín hiệu tương tự đến từ khuếch đại Hình 1.5: Máy phân tích đa kênh MCA (Multiple Channel Analyser) - ADC có chức đo biên độ tất tín hiệu tương tự đến (tín hiệu điện thế) chuyển chúng thành tín hiệu số Một ADC có độ phân giải 8bit có khoảng hoạt động 1000mV tương ứng 256 số đếm (kênh theo điện thế) hay 4mV chuyển đổi thành số đếm Ví dụ: tín hiệu vào có biên độ 340mV chuyển sang tín hiệu số có giá trị 85, 1000mV thành 256 Ngưỡng điện ADC lớn khả phân biệt tín hiệu nhỏ xác - Bộ nhớ (Memory): Biên độ xung tín hiệu sau chuyển đổi thành số ADC lưu vào nhớ dạng số kênh Mỗi lần ADC kết thúc chuyển đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số, số kênh tương ứng thêm Sau kết thúc đo, nhớ lưu lại tín hiệu đến dạng phổ xạ - Máy tính: Tín hiệu dạng số (digital) sau chuyển đổi từ tín hiệu điện ADC truyền lên máy tính Máy tính với chương trình giao tiếp ghi nhận kiện vẽ thành phổ lượng tương ứng với xạ đập vào detector HVTH: Nguyễn Quốc Hùng Vật lý kỹ thuật K16 ĐHCT Luận văn thạc sĩ 10 HDKH: TS.Võ Hồng Hải Hình 1.6: Hệ thống MCA có chức tương đương máy đo phổ Hiện nay, phòng thí nghiệm xây dựng hệ thống MCA máy đo phổ (máy đo phổ MCA) bao gồm detector, nguồn nuôi cao thế, tiền khuếch đại, khuếch đại, ADC , nhớ máy tính với chương trình giao tiếp có khả ghi nhận xử lý phổ (hình 1.6) Kết phép đo thu hình ảnh phổ lượng biểu diễn theo biên độ xung Hiện Bộ mơn Vật lí Hạt nhân trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên TP Hồ Chí Minh, xây dựng hệ phân tích đa kênh MCA sử dụng cơng nghệ Flash-ADC FPGA, dùng đầu dò hạt nhân Được phát triển theo chương trình hợp tác Bộ mơn Vật lí hạt nhân nhóm nghiên cứu giáo sư Masaharu Nomachi, thuộc Đại Học Osaka Nhật Bản [6] Hiện tại, thiết bị sử dụng cho số đầu dò hạt nhân có Bộ mơn Vật lí Hạt Nhân Với thiết bị này, ta ghi nhận số liệu dạng xung detector Từ liệu này, ta xác định lượng xạ đo thơng qua tính diện tích dạng xung từ ta thu phổ lượng Ngồi biểu diễn lượng thơng qua độ cao xung HVTH: Nguyễn Quốc Hùng Vật lý kỹ thuật K16 ĐHCT 93 Luận văn thạc sĩ HDKH: TS.Võ Hồng Hải if dump_busy_sync = '0' then ss dump_out_2(31 downto 24)