Luận án Tiến sĩ Vật lý: Nghiên cứu thiết kế và chế tạo thiết bị ghi đo bức xạ hiện trường sử dụng kỹ thuật xử lý tín hiệu số (DSP) vào mảng các phần tử logic lập trình (FPGA)

Mục tiêu luận án là nghiên cứu chế tạo hệ phân tích phổ gamma - thành phần chính của hệ trinh sát phát hiện phóng xạ; chế tạo detector nhấp nháy tiêu thụ ít năng lượng và nhỏ gọn, chế tạo hệ phân tích phổ trên cơ sở DPP. Mời các bạn cùng tham khảo.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆN NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ VIỆT NAM ĐINH TIẾN HÙNG NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ GHI ĐO BỨC XẠ HIỆN TRƯỜNG SỬ DỤNG KỸ THUẬT XỬ LÝ TÍN HIỆU SỐ (DSP) VÀO MẢNG CÁC PHẦN TỬ LOGIC LẬP TRÌNH (FPGA) LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ HÀ NỘI - 2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆN NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ VIỆT NAM ĐINH TIẾN HÙNG NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ GHI ĐO BỨC XẠ HIỆN TRƯỜNG SỬ DỤNG KỸ THUẬT XỬ LÝ TÍN HIỆU SỐ (DSP) VÀO MẢNG CÁC PHẦN TỬ LOGIC LẬP TRÌNH (FPGA) Chuyên ngành: Vật lý Nguyên tử Hạt nhân Mã số: 44 01 06 LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Phạm Đình Khang PGS.TS Nguyễn Nhị Điền HÀ NỘI - 2020 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan Luận án tiến sĩ: “Nghiên cứu thiết kế chế tạo thiết bị ghi đo xạ trường sử dụng kỹ thuật xử lý tín hiệu số (DSP) vào mảng phần tử logic lập trình (FPGA)” cơng trìnhnghiên cứu tơi hướng dẫn PGS.TS Phạm Đình Khang PGS.TS Nguyễn Nhị Điền Các kết nghiên cứu trình bày luận án trung thực chưa cơng bố cơng trình nghiên cứu khác Tôi xin cam đoan luận án tiến hành nghiên cứu cách nghiêm túc, số liệu sử dụng phân tích luận án có nguồn gốc rõ ràng, tất tham khảo kế thừa trích dẫn tham chiếu đầy đủ Tơi xin chịu trách nhiệm lời cam đoan Hà Nội, ngày tháng năm 2020 Nghiên cứu sinh Đinh Tiến Hùng i LỜI CẢM ƠN Tác giả luận án xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành đến: PGS.TS Phạm Đình Khang, PGS.TS Nguyễn Nhị Điền tận tình giúp đỡ mặt học thuật, phương pháp tư khoa học động viên suốt trình thực luận án Lãnh đạo, huy Viện Hóa học Mơi trường qn sự/Binh chủng Hóa học quan tâm, tạo điều kiện thuận lợi thời gian, trang thiết bị PTN nhân lực Công ty TNHH Hakata Việt hỗ trợ linh kiện, vật tư chất lượng cao để thử nghiệm hướng nghiên cứu luận án Ban Lãnh đạo Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam, Ban Lãnh đạo cán Trung tâm Đào tạo hạt nhân/Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam giúp đỡ hoàn tất thủ tục cần thiết Tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành tới PGS.TS Nguyễn Xuân Hải, TS Nguyễn Ngọc Anh đóng góp ý tưởng khoa học cho luận án Các bạn bè, đồng nghiệp Phịng Phóng xạ/Viện Hóa học Mơi trường qn sự; gia đình ln động viên tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả suốt trình thực luận án Xin trân trọng cảm ơn! Đinh Tiến Hùng ii MỤC LỤC DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT vi MỞ ĐẦU .1 Lý chọn đề tài Mục tiêu luận án Ý nghĩa khoa học luận án Giá trị thực tiễn luận án Bố cục luận án CHƯƠNG NHU CẦU THỰC TIỄN VÀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO TRANG THIẾT BỊ TRINH SÁT PHÁT HIỆN PHÓNG XẠ 1.1.Nhu cầu thực tiễn 1.1.1 Tình hình sử dụng trang thiết bị trinh sát xạ giới 1.1.2.Nhu cầu quan trắc môi trường, phục vụ đào tạo Việt Nam 1.1.3 Các hệ đo hướng tới gọn nhẹ tiết kiệm lượng 1.1.4 Yêu cầu làm chủ công nghệ 1.1.5 Khả chế tạo nhanh, chất lượng ổn định nguồn linh kiện vật tư 1.2 Tình hình nghiên cứu chế tạo giới 1.2.1 Tổng quan nghiên cứu chế tạo detector nhấp nháy không dùng PMT giới 1.2.2 Nghiên cứu chế tạo hệ thống xử lý tín hiệu số 17 CHƯƠNG II THIẾT KẾ, CHẾ TẠO DETECTOR NHẤP NHÁY SỬ DỤNG QUANG ĐI-ỐT VÀ HỆ THỐNG XỬ LÝ SỐ TÍN HIỆU DỰA TRÊN MẢNG LINH KIỆN LẬP TRÌNH FPGA 38 2.1 Lựa chọn, tính toán thiết kế hệ detector nhấp nháy sử dụng quang đi-ốt 38 iii 2.1.1 Lựa chọn tinh thể nhấp nháy 38 2.1.2 Lựa chọn quang đi-ốt 40 2.1.3 Lựa chọn tiền khuếch đại 43 2.1.4 Hệ thống khuếch đại hình thành xung 46 2.1.5 Yêu cầu thiết kế cấu hình khí detector thiết bị kiểm tra 47 2.2 Thiết kế thuật toán cho DMCA 48 2.2.1 Mạch lọc số Sallen Key S-K 49 2.2.2 Bộ lọc lượng 50 2.2.3 Thiết kế tạo tín hiệu trigger 55 2.2.4 Tính tốn, thiết kế khối chức DMCA phần mềm mô MATLAB Simulink ngơn ngữ lập trình Verilog 58 2.3 Phương thức lựa chọn tham số DPP 62 2.3.1 Giải chập xung hệ phổ kế nhấp nháy 62 2.3.2 Lựa chọn tham số thời gian detector cụ thể 65 2.4 Phương pháp ổn định xử lý phổ gamma từ detector nhấp nháy 66 2.4.1 Phương pháp ổn định phổ gamma theo nhiệt độ detector nhấp nháy 66 CHƯƠNG CÁC KẾT QUẢ CHẾ TẠO TRANG THIẾT BỊ TRINH SÁT PHÁT HIỆN PHÓNG XẠ, HẠT NHÂN 72 3.1 Kết chế tạo detector nhấp nháy 72 3.1.1 Thiết kế, chế tạo khung vỏ detector 72 3.1.2 Kết thiết kế, chế tạo khối điện tử tương tự 73 3.1.5 Đánh giá kết chế tạo detector 94 3.2 Kết thiết kế, chế tạo phân tích đa kênh kỹ thuật số DMCA 95 iv 3.2.1 Thiết kế DMCA với kit FPGA XC3S500E Xilinx 95 3.2.3 Kết đánh giá thông số DMCA 99 3.2.4 Thiết kế DMCA linh kiện rời dựa chip FPGA Intel MAX 10 104 3.3 Kết nghiên cứu phương pháp, kỹ thuật hiệu chỉnh phổ gamma 109 3.3.1 Bố trí thực nghiệm 109 3.3.2 Kết thảo luận phương pháp hiệu chỉnh phổ 110 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 116 Kết luận 116 Kiến nghị 116 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ 118 TÀI LIỆU THAM KHẢO 120 v DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT CHỮ VIẾT TẮT TIẾNG ANH TIẾNG VIỆT AC Alternating Current Xoay chiều ADC Analog to Digital Converter Bộ biến đổi tương tự - số APD Avalanche Photodiode Đi-ốt quang thác lũ DC Direct Current Một chiều DMCA Digital Multi-Channel Analyzer Bộ phân tích biên độ đa kênh kỹ thuật số DSL Digital Subscriber Line Kênh thuê bao số DSP Digital Signal Processing Xử lý tín hiệu số ENC Equivalent Noise Charge Nhiễu điện tích tương đương ERMS Environmental Radiation Monitoring System Hệ quan trắc phóng xạ mơi trường FPGA Field Programmable Gate Array Mảng phần tử logic lập trình FWHM Full width at half maximum Độ rộng nửa chiều cao đỉnh lượng FWTM Full Width at Tenth Maximum Độ rộng 1/10 chiều cao đỉnh lượng GM Geiger–Müller counter Ống đếm Geiger–Müller GND Ground Tiếp đất mạch HPD High Pass filter Deconvolver Bộ giải lọc thông cao HPF High Pass Filter Bộ lọc thông cao IP Internet Protocol Giao thức Internet ISE Integrated Software Environment Mơi trường phần mềm tích hợp LLD Lower level discriminator Bộ cắt ngưỡng LPF Low Pass Filter Bộ lọc thơng thấp MA Moving Average Phép lấy trung bình dịch chuyển vi MCA Multi-Channel Analyzer Bộ phân tích biên độ đa kênh MSPS Million Samples Per Second Triệu mẫu giây PHA Pulse High Analysis Phân tích biên độ PIN diode P-i-N diode Loại đi-ốt có vùng bán dẫn nội i vùng p n PMT Photo-multiplier Tube Ống nhân quang Pre-filter Preliminary filter Bộ tiền lọc RAM Random Access Memory Bộ nhớ thâm nhập ngẫu nhiên RMS Root-mean-square Giá trị hiệu dụng SPI Serial Peripheral Interface Cổng giao diện nối tiếp USB Universal Serial Bus Giao diện nối tiếp đa TKĐ Pre-amplifier Tiền khuếch đại Vcc Voltage collector to collector Điện đầu vào mạch Very high-speed integrated circuit Hardware Description Language Ngôn ngữ mơ tả phần cứng mạch tích hợp tốc độ cao VHDL vii DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Lớp vỏ bọc độ phân giải lượng detector 12 Bảng 1.2 So sánh kết sử dụng APD S8664-1010 PMT XP-5300 15 Bảng 2.1 Độ nhạy điện tích số loại tiền khuếch đại 44 Bảng 2.2 Nguồn phóng xạ chuẩn sử dụng luận án 71 Bảng 3.1 Kết khảo sát lựa chọn điện bias trở bias cho detector CsI(Tl) 81 Bảng 3.2 Khảo sát độ phân giải lượng theo số thời gian tạo dạng 82 Bảng 3.3 Kết khảo sát lựa chọn điện bias trở bias cho detector LaBr3(Ce) 84 Bảng 3.4 Khảo sát độ phân giải lượng theo số thời gian tạo dạng 85 Bảng 3.5 Kết khảo sát hiệu suất nội toàn phần hiệu suất quang điện nội detector CsI((Tl) LaBr3(Ce) 89 Bảng 3.6 Kết khảo sát hiệu suất đỉnh lượng toàn phần detector CsI(Tl) theo khoảng cách 90 Bảng 3.7 Kết khảo sát hiệu suất đỉnh lượng toàn phần detector LaBr3(Ce) theo khoảng cách 91 Bảng 3.8 Công suất tiêu thụ detector CsI(Tl) LaBr3(Ce) 94 Bảng 3.9 Vị trí đỉnh phổ ứng với biên độ xung chuẩn 102 Bảng 3.10 Lựa chọn tham số DPP cho detector LaBr3(Ce) CsI(Tl) 106 Bảng 3.11 Hệ số (ak, bk) thu từ trình làm khớp với số liệu thực nghiệm 111 Bảng 1PL Đặc trưng loại nhấp nháy vô cơ[15] Bảng 2PL Kết đo thời gian dài detector CsI(Tl) Bảng 3PL Kết đo thời gian dài detector LaBr3(Ce) viii TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Tachimori Ohba, Satsuharu Takimoto, Yoshio Kitada, Tomio Tsunoda, Akira Kobayashi, Kenji Ishida, “Environmental Radiation Monitoring System Development for Atmospheric Plumes from Light Water Reactor Nuclear Power Plants”, Radiation Biology and Environment, Nuclear Technology, Vol 56, pp.580-590,1982 [2] Eran Vax, Benny Sarusi, Mati Sheinfeld, Shmuel Levinson, Irand Brandys, Eliezer Marcus, Alon Osovizky Yagil Kadmon and Yossi Cohen, “An Integrated Approach for Multi-Purpose fast Deployment Environmental Radiation Monitoring System”, IEEE Nuclear Science Symposium Conference Record, pp.912-913,2009 [3] Ch Wedekind, G Schilling, M Gruttmuller, K Becker, “Gamma-radiation Monitoring Network at sea”, Applied Radiation and Isotopes 50, pp.733-741,1999 [4] Yang Ishigaki, Yoshinori Matsumoto, Ryo Ichimiya, and Kenji Tanake, “Development of Mobile Radiation Monitoring System Utilizing Smartphone and Its Field Tests in Fukyshima”, IEEE Sensors Journal, Vol 13, No 10, 2013 [5] James Grichnik, “Radiation monitoring system” U.S Patent US20050242289A1, issued November 03, 2005 [6] Zhengyi Yang, “Environmental radiation remote early warning monitoring system” China Patent CN105589088A, issued May 18, 2016 [7] SARA-80X, (ENVINET GmbH), Hans-Pinsel-Str 4, 85540 Haar / Munich, Germany [8] Dag Stranneby, Digital Signal Processing, Jordan Hill, Elsevier Science, 2014 [9] Amara, A., Amiel, F., & Ea, T FPGA vs ASIC for low power applications Microelectronics Journal, 37(8), 669–677, 2006 [10] Coeytaux, K., Bey, E., Christensen, D., Glassman, E S., Murdock, B., & Doucet, C Reported Radiation Overexposure Accidents Worldwide, 1980-2013: A Systematic Review PLOS ONE, 10(3), e0118709, 2015 [11] Lennart Devell, Bent Lauritzen, Radiological Emergency Monitoring Systems in 120 the Nordic and Baltic Sea Countries, NKS-28, ISBN 87-7893-079-0, 2001 [12] SIG-A4E-Rev9-1806141, (Kromek Group plc), NETPark Thomas Wright Way Sedgefeld County Durham TS21 3FD UK [13] Lưu Tam Bát, Báo cáo Tổng kết đề tài cấp Nhà nước “Nghiên cứu thiết kế lắp ráp phổ kế ion linh động thiết bị đo cường độ phóng xạ”, Chương trình KC-05, mã số KC.05.15/06-10, Hà Nội, 2012 [14] Đặng Quang Thiệu, Báo cáo Tổng kết đề tài “Nghiên cứu chế tạo thiết bị quan trắc, cảnh báo sơm xạ”, Đề tài cấp Bộ KH&CN, mã số: ĐT/01-08/NLNT, 2010 [15] Đinh Tiến Hùng, Báo cáo Tổng kết đề tài “Nghiên cứu thiết kế chế tạo thiết bị quan trắc liên tục xạ gamma môi trường dùng cho trạm cố định sử dụng kỹ thuật truyền liệu vệ tinh”, Chương trình KC.AT, Hà Nội, 2019 [16] Tuzzolino, A J., Hubbard, E L., Perkins, M A., & Fan, C Y Photoeffects in Silicon Surface‐Barrier Diodes Journal of Applied Physics, 33(1), 148–155, 1962 [17] Jarron, P., & Goyot, M A fast current sensitive preamplifier (MSD2) for the silicon microstrip detector Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, 226(1), 156–162, 1984 [18] Hall, G., Robinson, D., & Siotis, I Evaluation of the performance of silicon photodiodes in combination with plastic scintillators Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, 245(2-3), 344–350, 1986 [19] U Kilgus, R Kotthaus and E Lange, Prospects of CsI(T1)-photodiode detectors for low-level spectroscopy, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A297, 425-440, 1990 [20] M Suffert, Silicon photodiode readout of scintillators and associated electonics, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A322, 523-525, 1992 [21] Squillante, M R., Reiff, G., & Entine, G Recent Advances in Large Area Avalanche Photodiodes IEEE Transactions on Nuclear Science, 32(1), 563–566, 1985 121 [22] Si APD S8664 series (Hamamatsu Photonics K.K), 325-6, Sunayama-cho, Nakaku, Hamamatsu City, Shizuoka, 430-8587, Japan [23] Lightstone, A W., McIntyre, R J., Lecomte, R., & Schmitt, D A Bismuth Germanate-Avalanche Photodiode Module Designed for Use in High Resolution Positron Emission Tomography IEEE Transactions on Nuclear Science, 33(1), 456–459, 1986 [24] G F Knoll, “Radiation detection and measurement”, 4th ed., John Wiley & Sons, Inc., 2010 [25] Hall, G., Robinson, D., Seez, C., & Siotis, I A Scintillator-Photodiode Position Detector IEEE Transactions on Nuclear Science, 33(1), 310–313, 1986 [26] Gong, W G., Kim, Y D., Poggi, G., Chen, Z., Gelbke, C K., Lynch, W G., … Kwiatkowski, K Resolution tests of CsI(Tl) scintillators read out by pin diodes Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, 268(1), 190–199, 1988 [27] Glasow, R., Kampert, K.-H., Löhner, H., Beckmann, P., & Santo, R Light particle detection by BGO scintillators with photodiode readout Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, 228(2-3), 354–358, 1985 [28] Groom, D E Silicon photodiode detection of bismuth germanate scintillation light Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, 219(1), 141–148, 1984 [29] Iwanczyk, J S., Barton, J B., Dabrowski, A J., Kusmiss, J H., Szymczyk, W M., Huth, G C., … Lynn, R Scintillation spectrometry with HgI2 as the photodetector Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, 213(1), 123–126, 1983 [30] Markakis, J., Ortale, C., Schnepple, W., Iwanczyk, J., & Dabrowski, A Mercuric Iodide Photodetectors for Scintillation Spectroscopy IEEE Transactions on Nuclear Science, 32(1), 559–562, 1985 [31] Gascon, M., Alvarez-Pol, H., Benlliure, J., Casarejos, E., Cortina-Gil, D., & Duran, I 122 Optimization of Energy Resolution Obtained With CsI(Tl) Crystals for the R3B Calorimeter IEEE Transactions on Nuclear Science, 55(3), 1259–1262, 2008 [32] Jin Hyoung Bai, Joo Ho Whang The Optimization of CsI(Tl)-PIN Photodiode for High-Energy Gamma-Ray Detection NuclearScience and Technology, Vol 1, p.308-311, 2011 [33] Vydai, Y T., Tarasov, V A., Kudin, A M., Andryushchenko, L A., Ananenko, A A., Kilimchuk, I V., … Klimov, A V Stability of spectrometric characteristics of CsI:Tl detectors depending on the surface treatment method Instruments and Experimental Techniques, 49(3), 314–317, 2006 [34] Kim, K H., Kim, Y S., & Kim, J S Signal and noise performance of large-area PIN photodiodes and charge-sensitive preamplifiers for gamma radiography Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, 591(1), 63–66, 2008 [35] Jeremy Flamanc, Csaba Rozsa Compact brillance gamma ray detector with SiAPD readout AIP conference procceedings March, 2009 [36] Scafè, R., Pani, R., Pellegrini, R., Iurlaro, G., Montani, L., & Nerina Cinti, M SiAPD readout for LaBr3:Ce scintillator Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, 571(1-2), 355–357, 2007 [37] Georgiev, A., & Gast, W (n.d.) Digital pulse processing in high-resolution, highthroughput, gamma-ray spectroscopy IEEE Conference on Nuclear Science Symposium and Medical Imaging, 1993 [38] Jordanov, V T., & Knoll, G F Digital synthesis of pulse shapes in real time for high resolution radiation spectroscopy Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, 345(2), 337–345, 1994 [39] Los Arcos, J ., & García-Toro, E A new digital pulse height analysis method for radiation spectroscopy Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, 123 339(1-2), 99–101, 1994 [40] Stein, J., Scheuer, F., Gast, W., & Georgiev, A X-ray detectors with digitized preamplifiers Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms, 113(1-4), 141–145, 1996 [41] Qin, Z., Chen, C., Luo, J., Xie, X., Ge, L., & Wu, Q A pulse-shape discrimination method for improving Gamma-ray spectrometry based on a new digital shaping filter Radiation Physics and Chemistry, 145, 193–201, 2018 [42] Darvish-Molla, S., Chin, K., Prestwich, W V., & Byun, S H Development of a compact and cost effective multi-input digital signal processing system Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, 879, 13–18, 2018 [43] CAEN SpA Electronic Instrumentation, Digital Pulse Processing in Nuclear Physics Via della Vetraia, 11, 55049 Viareggio LU, Italy Rev ‐ 26 August 2011 [44] Fahiman, F., Kafaee, M., Moussavi-Zarandi, A., & Fahiman, M Efficient Digital Implementation of Signal Processing Algorithms in State-Of-The-Art FieldProgrammable Gate Arrays for Gamma-Ray Spectroscopy Nuclear Technology, 187(1), 69–81, 2014 [45] Regadío, A., Sánchez-Prieto, S., Prieto, M., & Tabero, J Implementation of a realtime adaptive digital shaping for nuclear spectroscopy Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, 735, 297–303, 2014 [46] International Atomic Energy Agency, Instrumentation for Digital Nuclear Spectroscopy, IAEA-TECDOC-1706, VIENNA, 2013 [47] Saxena, S., & Hawari, A I Investigation of FPGA-Based Real-Time Adaptive Digital Pulse Shaping for High-Count-Rate Applications IEEE Transactions on Nuclear Science, 64(7), 1733–1738, 2017 [48] Wang, Y F., Liu, B Q., & Cao, X Pile-Up Pulse Separation Technology Research Based on MATLAB Advanced Materials Research, 1049-1050, 1287–1291, 2014 [49] Mahmoud, I I., El_Tokhy, M S., & Konber, H A Pileup recovery algorithms for 124 digital gamma ray spectroscopy Journal of Instrumentation, 7(09), P09013– P09013, 2012 [50] Zhou Jianbin, Zhou Wei, Lei Jiarong, Tuo Xianguo, Zhu Xing, Liu Yi Study of time-domain digital pulse shaping algorithms for nuclear signals Nuclear Science and Techniques 23, 150–155, 2012 [51] Xiao, W., Wei, Y., Ai, X., & Ao, Q System simulation of digital pulse spectrometer Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, 555(1-2), 231–235, 2005 [52] Zeng, W The Design of Digital Multi-channel Analyzer based on FPGA Energy Procedia, 39, 428–433, 2013 [53] Jordanov, V T Unfolding-synthesis technique for digital pulse processing Part 1: Unfolding Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, 805, 63–71, 2016 [54] Đặng Lành, Luận án tiến sĩ Nghiên cứu, xây dựng hệ thiết bị thu nhận xử lý số liệu dựa kỹ thuật DSP qua ứng dụng FPGA phục vụ nghiên cứu vật lý hạt nhân thực nghiệm, năm 2012 [55] Saint-Gobain Crystals, Physical Properties of Common Inorganic Scintillators [Online] Avalaible: https://www.crystals.saint-gobain.com/products/crystal- scintillation-materials [56] CR-110-R2 charge sensitive preamplifier (Cremat Inc), 950 Watertown St, Suite West Newton MA 02465 [57] S3204/S3584 series (Hamamatsu Photonics K.K), 325-6, Sunayama-cho, Nakaku, Hamamatsu City, Shizuoka, 430-8587, Japan [58] S3590 series (Hamamatsu Photonics K.K), 325-6, Sunayama-cho, Naka-ku, Hamamatsu City, Shizuoka, 430-8587, Japan [59] S8664 series (Hamamatsu Photonics K.K), 325-6, Sunayama-cho, Naka-ku, Hamamatsu City, Shizuoka, 430-8587, Japan [60] C10940 series (Hamamatsu Photonics K.K), 325-6, Sunayama-cho, Naka-ku, Hamamatsu City, Shizuoka, 430-8587, Japan 125 [61] Bertuccio, G., Pullia, A A Method for the Determination of the Noise Parameters in Preamplifying Systems for Semiconductor Radiation Detectors Rev Sci Instrum., 64, p.3294, 1993 [62] Velko Radeka Low-Noise Techniques in Detectors Ann Rev Nucl Part Sci., 38, p.217, 1988 [63] F S Goulding and D A Landis Signal Processing for Semiconductor Detectors IEEE Trans Nuc Sci., NS-29, p.1125, 1982 [64] Cremat Inc, Advice in using Cremat CSP modules [Online] Avalaible: https://www.cremat.com/applications/csp-application-notes/ [65] Nguyễn Đức Hịa Giáo trình Điện tử Hạt nhân NXB Giáo dục Việt Nam, 2017 [66] CR-150-R5 (Cremat Inc.) 950 Watertown St, Suite 3, West Newton MA 02465, USA [67] Kromek, Preamplifiers for radiation detectors and radiation detector electronics [Online] Avalaible: https://www.kromek.com/product/preamplifiers-and- detector-electronics/ [68] Li, D.-C & Yang, L.& Tian, Y & Yuan, S.-L Study of a nuclear pulse shaped circuit base in Sallen-Key filter 28 563-566, 2008 [69] Huaiqiang, Zhang & Tang, Bin &Wu, He-Xi & Li, Zhuo-Dai Study of Sallen–Key digital filters in nuclear pulse signal processing Nuclear Science and Techniques 30 10.1007/s41365-019-0679-y, 2019 [70] Ge, Q & Ge, L.-Q &Wu, J.-P & Li, X.-L Research on digital Gaussian shaping filter for nuclear signals based on sampling theorem Hedianzixue Yu Tance Jishu/Nuclear Electronics and Detection Technology 34 1201-1203 and 1212, 2014 [71] Jordanov, Valentin & Knoll, Glenn & Huber, Alan & Pantazis, John Digital techniques for real-time pulse shaping in radiation measurements Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A Accelerators Spectrometers Detectors and Associated Equipment 353, 1994 [72] Georgiev, Andrey & Gast, Werner Digital pulse processing in high resolution, high throughput, gamma-ray spectroscopy Nuclear Science, IEEE Transactions on 40 770 – 779, 1993 126 [73] Wall, W & Roulston, K Dependence of the NaI(Tl) Pulse Shape on Thallium Concentration and Temperature Nuclear Science, IEEE Transactions on 15 153 - 157 10.1109/TNS.1968.4324931, 1968 [74] Valentine, John & Moses, William & Derenzo, Stephen & Wehe, David & Knoll, Glenn Temperature dependence of CsI(Tl) gamma-ray excited scintillation characteristics Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment 325 147-157 10.1016/0168-9002(93)91015-F, 1993 [75] Moszynski, Marek & Swiderski, Lukasz & Szczesniak, T & Nassalski, A & Syntfeld, A & Czarnacki, W & Pausch, Guntram & Stein, Juergen & Lavoute, P & Lherbert, F & Kniest, F Study of LaBr3 crystals coupled to photomultipliers and avalanche photodiodes IEEE Nuclear Science Symposium Conference Record 1351 - 1357 10.1109/NSSMIC.2007.4437252, 2008 [76] Loo, Billy & Goulding, Fred & Gao, Dexi Ballistic deficits in pulse shaping amplifiers Nuclear Science, IEEE Transactions on 35 114 - 118 10.1109/23.12686, 1988 [77] R6231-01(Hamamatsu Photonics K.K), 325-6, Sunayama-cho, Naka-ku, Hamamatsu City, Shizuoka, 430-8587, Japan [78] Casanovas, R., Morant, J.J., Salvadó, M Energy and resolution calibration of NaI(Tl) and LaBr3(Ce) scintillators and validation of an EGS5 Monte Carlo user code for efficiency calculations Nucl Inst Meth Phys Res A 675, 78e83, 2012 [79] Ianakiev, K & Alexandrov, B & Littlewood, Peter & Browne, M Temperature behavior of NaI (Tl) scintillation detectors Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A Accelerators Spectrometers Detectors and Associated Equipment 607 10.1016/j.nima.2009.02.019, 2006 [80] Moszynski, Marek & Nassalski, A & Syntfeld-Każuch, Agnieszka & Szczęśniak, T & Czarnacki, W & Wolski, D & Pausch, Guntram & Stein, Juergen Temperature dependences of LaBr3(Ce), LaCl3(Ce) and NaI(Tl) scintillators Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, 127 Spectrometers, Detectors and Associated Equipment 568 739-751 10.1016/j.nima.2006.06.039, 2006 [81] Gamma-Ray Spectrometry in the Environment, ICRU Report No 53 [82] R Shepard, S Wawrowski, M Charland, H Roberts and M Moslinger Temperature stabilization of a field instrument for uranium enrichment measurements IEEE Transactions on Nuclear Science, vol 44, no 3, pp 568-571, June 1997 [83] Pausch, Guntram & Stein, Juergen & Teofilov, Nikolai.Stabilizing scintillation detector systems: Determination of the scintillator temperature exploiting the temperature dependence of the light pulse decay time Filtration & Separation FILTR SEP 846 - 850 Vol 10.1109/NSSMIC.2004.1462340, 2004 [84] K Saucke, G Pausch, J Stein, H - Ortlepp and P Schotanus Stabilizing scintillation detector systems with pulsed LEDs: a method to derive the LED temperature from pulse height spectra IEEE Transactions on Nuclear Science, vol 52, no 6, pp 3160-3165, Dec 2005 [85] Hai, V H., Hung, N Q., & Khai, B T Development of gamma spectroscopy employing NaI(Tl) detector inch × inch and readout electronic of flashADC/FPGA-based technology Kerntechnik, 80(2), 180–183, 2015 [86] Origin 2019b (OriginLab Corporation), One Roundhouse Plaza, Suite 303Northampton, MA 01060, United States [87] Efficiency Calculations for Selected Scintillators, Saint-Gobain Ceramics & Plastics, Inc 12345 Kinsman Road, Newbury, Ohio 44065 USA, 2016 128 Phụ lục Đặc trưng loại nhấp nháy vô Bảng 1PL Đặc trưng loại nhấp nháy vô cơ[15] Scintillator Light output Light yield (%) of (photons/keV) NaI(Tl) blalkali pmt Temperature coefficient of light output (%/C) 250 to 500C 1/e Decay time (ns) Wavelength of max emission Im (nm) Refractive Index at Im Thickness to stop 50% of 662 keV photons (cm) Thermal expansion (/C)x10-6 Density g/cm3 Hygroscopic LaBr3 (Ce+Sr) 73 190 25 385 -2.0 1.8 5.08 Yes LaBr3(Ce) BriLanCe TM 380 63 165 116 380 -1.9 1.8 5.08 Yes CLLB Cs2LiLaBr6(Ce) 43 115 180 1080 420 -1.85 2.2 4.2 Yes NaI(Tl) 38 100 -0.3 250 415 1.85 2.5 47.4 3.67 Yes -0.3 230 1.1µs 240 1.4µs 419 1.85 2.5 47.4 3.67 Yes NaI(Tl+Li) 35 100 LaCl3(Ce) BrilLanCeTM 350 49 70-90 0.7 28 350 -1.9 2.3 11 3.85 Yes CsI(Na) 41 85 -0.05 630 420 1.84 54 4.51 Yes Comments Ultimate energy resolution (2.2% @ 662keV General purpose excellent energy resolution Dual GammaNeutron detection, excellent General purpose, good energy resolution Neutron-Gamma Scintillator General purpose, good energy resolution High Z, rugged LYSO Lu1.8Y.2SiO5(Ce) 33 87 -0.28 36 420 1.81 1.1 7.1 No CdWO4 12-15 30-50 -0.1 14000 475 -2.3 10.2 7.9 No CaF2(Eu) 19 50 -0.33 940 435 1.47 2.9 19.5 3.18 No CsI(Tl) 54 45 0.01 1000 550 1.79 54 4.51 Slightly BGO 8-10 20 -1.2 300 480 2.15 7.13 No YAG(Ce) 15 70 550 1.82 -8 4.55 No CsI(Pure) 4-6 -0.3 16 315 1.95 54 4.51 Slightly 1.8 220(195) 1.54 1.9 18.4 4.88 Slightly 10 16 -1.1 0.60.8 630 310 1.50 1.9 18.4 4.88 Slightly -50 130 -0.6 110 450 2.36 4.09 No BaF2 ZnS(Ag) Bright, high Z, fast, dense, background from 176Lu activity Low afterglow, for use with photodiodes Low Z α & β detection High Z, rugged, good match to photodiodes High Z, compact detector, low afterglow Β-ray, X-ray counting, electron microscopy High Z, fast emission Fast component (subnanosecond) Slow component Coated on BC400 or acrylic for α detection Phụ lục Kết phổ gamma đo thời gian dài Bảng 2PL Kết đo thời gian dài detector CsI(Tl) STT 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 Vị trính đỉnh 661 keV 328,74 ± 0,14 329,77 ± 0,13 330,47 ± 0,14 331,50 ± 0,13 332,39 ± 0,12 333,53 ± 0,15 330,91 ± 0,13 325,79 ± 0,14 321,50 ± 0,16 318,18 ± 0,17 315,55 ± 0,18 314,14 ± 0,15 312,69 ± 0,15 311,44 ± 0,16 311,11 ± 0,13 310,58 ± 0,13 309,80 ± 0,18 309,76 ± 0,17 309,85 ± 0,15 309,72 ± 0,13 309,97 ± 0,13 310,09 ± 0,13 310,26 ± 0,17 310,34 ± 0,14 310,46 ± 0,16 310,27 ± 0,16 310,27 ± 0,13 310,24 ± 0,17 310,49 ± 0,15 311,24 ± 0,16 313,48 ± 0,16 314,47 ± 0,16 314,56 ± 0,17 315,31 ± 0,14 316,01 ± 0,15 316,71 ± 0,15 317,94 ± 0,17 319,20 ± 0,17 319,01 ± 0,16 318,00 ± 0,15 DETECTOR CsI(Tl) FWHM (kênh) 29,45 ± 0,41 29,54 ± 0,38 29,47 ± 0,42 30,05 ± 0,39 29,67 ± 0,37 30,48 ± 0,45 29,88 ± 0,38 28,86 ± 0,41 29,09 ± 0,50 29,24 ± 0,55 29,06 ± 0,62 28,08 ± 0,54 28,03 ± 0,55 29,39 ± 0,62 27,29 ± 0,51 27,33 ± 0,52 29,93 ± 0,72 28,93 ± 0,67 28,03 ± 0,60 28,12 ± 0,50 28,35 ± 0,50 27,55 ± 0,52 28,25 ± 0,50 28,20 ± 0,55 27,62 ± 0,63 27,26 ± 0,64 28,49 ± 0,53 28,59 ± 0,68 28,61 ± 0,59 29,00 ± 0,53 28,76 ± 0,58 29,69 ± 0,57 30,36 ± 0,62 28,71 ± 0,50 29,07 ± 0,54 29,65 ± 0,51 29,95 ± 0,57 29,33 ± 0,56 29,16 ± 0,51 29,41 ± 0,51 FWHM (%) 8,96 ± 0,13 8,96 ± 0,12 8,92 ± 0,13 9,06 ± 0,12 8,93 ± 0,11 9,14 ± 0,13 9,03 ± 0,12 8,86 ± 0,13 9,05 ± 0,16 9,19 ± 0,17 9,21 ± 0,20 8,94 ± 0,17 8,96 ± 0,18 9,44 ± 0,20 8,77 ± 0,17 8,80 ± 0,17 9,66 ± 0,23 9,34 ± 0,22 9,05 ± 0,20 9,08 ± 0,16 9,14 ± 0,16 8,88 ± 0,17 9,10 ± 0,16 9,09 ± 0,18 8,90 ± 0,20 8,79 ± 0,21 9,18 ± 0,17 9,21 ± 0,22 9,22 ± 0,19 9,32 ± 0,17 9,17 ± 0,19 9,44 ± 0,18 9,65 ± 0,20 9,10 ± 0,16 9,20 ± 0,17 9,36 ± 0,16 9,42 ± 0,18 9,19 ± 0,17 9,14 ± 0,16 9,25 ± 0,16 Bảng 3PL Kết đo thời gian dài detector LaBr3(Ce) STT 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 DETECTOR LaBr3(Ce) Vị trính đỉnh 661 keV FWHM (kênh) 302,93 ± 0,08 303,34 ± 0,08 303,23 ± 0,08 303,75 ± 0,08 304,25 ± 0,09 304,17 ± 0,08 304,43 ± 0,08 304,48 ± 0,08 304,43 ± 0,08 301,52 ± 0,07 296,73 ± 0,07 293,08 ± 0,08 290,24 ± 0,08 288,44 ± 0,07 287,44 ± 0,07 286,42 ± 0,08 285,76 ± 0,09 285,14 ± 0,07 284,63 ± 0,07 284,40 ± 0,07 284,33 ± 0,08 284,11 ± 0,08 284,05 ± 0,07 284,11 ± 0,08 283,80 ± 0,07 283,85 ± 0,07 283,84 ± 0,07 283,76 ± 0,07 283,67 ± 0,07 283,56 ± 0,07 283,47 ± 0,08 283,48 ± 0,07 282,84 ± 0,07 282,28 ± 0,07 281,37 ± 0,08 280,57 ± 0,08 279,60 ± 0,08 279,17 ± 0,08 283,81 ± 0,09 287,02 ± 0,08 13,87 ± 0,22 14,23 ± 0,23 14,36 ± 0,23 14,55 ± 0,24 13,99 ± 0,24 14,30 ± 0,21 14,25 ± 0,21 14,55 ± 0,21 14,33 ± 0,20 14,61 ± 0,20 14,24 ± 0,20 14,44 ± 0,21 13,96 ± 0,22 13,93 ± 0,19 13,82 ± 0,19 13,90 ± 0,23 13,74 ± 0,22 13,97 ± 0,19 13,91 ± 0,19 13,76 ± 0,19 13,82 ± 0,20 13,90 ± 0,21 13,92 ± 0,17 13,97 ± 0,20 13,51 ± 0,17 13,55 ± 0,19 13,73 ± 0,19 14,34 ± 0,19 13,73 ± 0,19 13,57 ± 0,19 13,52 ± 0,20 13,53 ± 0,19 13,38 ± 0,18 13,72 ± 0,19 13,75 ± 0,21 13,89 ± 0,21 14,02 ± 0,20 14,20 ± 0,20 14,42 ± 0,23 14,08 ± 0,21 FWHM (%) 4,58 ± 0,07 4,69 ± 0,08 4,74 ± 0,07 4,79 ± 0,08 4,60 ± 0,08 4,70 ± 0,07 4,68 ± 0,07 4,78 ± 0,07 4,71 ± 0,07 4,84 ± 0,07 4,80 ± 0,07 4,93 ± 0,07 4,81 ± 0,08 4,83 ± 0,07 4,81 ± 0,06 4,85 ± 0,08 4,81 ± 0,08 4,90 ± 0,07 4,89 ± 0,07 4,84 ± 0,07 4,86 ± 0,07 4,89 ± 0,07 4,90 ± 0,06 4,92 ± 0,07 4,76 ± 0,06 4,77 ± 0,07 4,84 ± 0,07 5,05 ± 0,07 4,84 ± 0,07 4,79 ± 0,07 4,77 ± 0,07 4,77 ± 0,07 4,73 ± 0,06 4,86 ± 0,07 4,89 ± 0,08 4,95 ± 0,07 5,02 ± 0,07 5,09 ± 0,07 5,08 ± 0,08 4,90 ± 0,07 Phụ lục Mô khối xử lý tín hiệu MATLAB/Simulink Hình 1PL Sơ đồ mơ Simulink Hình 2PL Mơ khối tạo dạng xung từ tiền khuếch đại Hình 3PL Mơ Flash ADC 14bit 150MSP Hình 4PL Mơ tầng xử lý tín hiệu Hình 5PL Mơ khối xử lý, lưu trữ hiển thị liệu phổ ... CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan Luận án tiến sĩ: ? ?Nghiên cứu thiết kế chế tạo thiết bị ghi đo xạ trường sử dụng kỹ thuật xử lý tín hiệu số (DSP) vào mảng phần tử logic lập trình (FPGA)? ?? cơng trìnhnghiên... cứu thiết kế, chế tạo hệ thống trinh sát phóng xạ trang bị cho Quân đội, đề tài nghiên cứu: ? ?Nghiên cứu thiết kế chế tạo thiết bị ghi đo xạ trường sử dụng kỹ thuật xử lý tín hiệu số (DSP) vào mảng. .. DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆN NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ VIỆT NAM ĐINH TIẾN HÙNG NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ GHI ĐO BỨC XẠ HIỆN TRƯỜNG SỬ DỤNG KỸ THUẬT XỬ LÝ TÍN HIỆU SỐ (DSP)