Chương 2: Kỹ thuật trùng phùng và hệ thống xử lý xung
TÍN HIỆU VÀO A
2.1. Kỹ thuật trùng phùng và ưu điểm của kỹ thuật đó
2.1.1. Kỹ thuật trùng phùng
Có nhiều ứng dụng trong lĩnh vực nghiên cứu hạt nhân đòi hỏi sự đo lường các sự kiện hạt nhân xảy ra gần như đồng thời (có thể gọi là trùng phùng) trong hai đầu dò trong một khoảng thời gian ngắn nhất định hoặc xác định thời gian chênh lệch giữa hai sự kiện hạt nhân đó. Hai phương pháp được sử dụng trong việc đo lường các sự kiện trùng phùng gamma - gamma, nghiên cứu sơ đồ phân rã hạt nhân, nghiên cứu thời gian sống của pozitron, … là trùng phùng và đo thời gian.
Một hệ thống trùng phùng dùng xác định hai sự kiện hạt nhân xảy ra trong một khoảng thời gian ngắn nhất định. Tuy nhiên, trong thực tế phương pháp này không thể phân tích các sự kiện trùng phùng này với độ chính xác 100% do tính chất thống kê và do các khối điện tử gây ra các sai số do nhiễu, tạp âm và sai số bước. Một mạch trùng phùng đơn giản giải quyết vấn đề này là cổng AND hai lối vào. Nó hoạt động dựa trên nguyên tắc phủ trong độ rộng của xung vào và xác định trực tiếp thời gian phân giải của mạch trùng phùng. Hình 2.1 minh họa nguyên tắc cơ bản của mạch trùng phùng. [2]
TÍN HIỆU VÀOA A B C AND A B C TÍN HIỆU RA TÍN HIỆU VÀO TÍN HIỆU RA MỨC LOGIC 1 1 1 0 0 0 TÍN HIỆU VÀO A B C AND A B C TÍN HIỆU RA TÍN HIỆU VÀO TÍN HIỆU RA MỨC LOGIC 1 1 1 0 0 0
Hình 2.1. Nguyên tắc cơ bản của mạch trùng phùng.
Như trên hình 2.1, cổng AND phát lối ra “logic 1” chỉ khi các xung “logic 1” có mặt trên cả hai lối vào A và B. Thực tế, lối ra chỉ sinh ra trong khoảng thời gian xung A và B phủ nhau. Do đó, mạch này được gọi là trùng phùng phủ.
Hầu hết các khối trùng phùng cung cấp nhiều lối vào (thường lên tới bốn) có thể được đóng ngắt một cách độc lập. Khi chỉ một lối vào được đóng, mọi tín hiệu logic lối vào đều được đưa tới lối ra của khối trùng phùng. Kiểu làm việc này cung cấp một cách thuận tiện để ghi tần số đơn trong bất cứ nhánh
vào nào. Khi hai lối vào được đóng, khối hoạt động như một khối trùng phùng đơn giản hai lối vào, ba lối vào chuyển mạch dẫn đến trùng phùng ba lối vào, . . .
2.1.2. Ưu điểm của kỹ thuật trùng phùng
- Đối với các hệ phổ kế năng lượng không sử dụng kỹ thuật trùng phùng thì phổ năng lượng thu được sẽ có phông nền cao do tán xạ Compton. Ngoài ra, phổ thu được sẽ có nhược điểm là các đỉnh năng lượng thấp, có cường độ nhỏ có thể bị che khuất bởi các đỉnh năng lượng cao và cường độ lớn hơn. Thậm chí các đỉnh năng lượng còn bị nền Compton che khuất. Kết quả, tỷ số đỉnh trên Compton sẽ thấp. Nguyên nhân chính là do phổ kế này ghi nhận tất cả các sự kiện hạt nhân xảy ra trong quá trình ghi nhận.
- Vấn đề trên sẽ được giải quyết khi áp dụng vào hệ phổ kế kỹ thuật trùng phùng bằng cách dùng các khối điện tử hạt nhân như khối trùng phùng hay khối biến đổi thời gian thành biên độ – TAC. Khi áp dụng kỹ thuật trùng phùng vào việc ghi nhận của hệ phổ kế năng lượng hay hệ phổ kế thời gian thì phổ năng lượng thu được sẽ có nền phông thấp vì đã loại bỏ các sự kiện hạt nhân không trùng phùng như các tán xạ Compton, các sự kiện hạt nhân ngẫu nhiên, . . . chỉ ghi nhận các sự kiện hạt nhân được xem là trùng phùng (xảy ra gần như đồng thời). Kết quả là cải thiện được tỷ số đỉnh trên Compton đáng kể. Bên cạnh đó, sử dụng kỹ thuật trùng phùng ta có thể xác định khá chính xác thời gian chênh lệch giữa các sự kiện hạt nhân trùng phùng (chính xác cỡ pico giây). Do đó, có thể ứng dụng để nghiên cứu thời gian sống của pozitron, nghiên cứu sơ đồ phân rã hạt nhân, nghiên cứu mật độ mức năng lượng,….
2.2. Khối khuếch đại nhanh lọc thời gian (Time Filter Amplifier - TFA)
2.2.1. Nguyên tắc hoạt động cơ bản của khối TFA [6]
Khối TFA có nhiệm vụ tạo dạng xung và khuếch đại các tín hiệu vào để cho ra tín hiệu phù hợp với các khối điện tử phía sau. Trong đó, nhiệm vụ tạo dạng xung đóng vai trò quan trọng.
Về cơ bản, việc tạo dạng xung dựa trên các mạch lọc tần số cao - CR (mạch lọc cao tần) và mạch lọc tần số thấp - RC (mạch lọc hạ tần). Các mạch lọc này kết hợp với các linh kiện tích cực như khuếch đại thuật toán tạo thành mạch lọc tích cực.
Trước tiên, tín hiệu qua mạch lọc tần số cao nhằm làm tăng tỷ số tín hiệu/nhiễu. Vì mạch này có tác dụng loại bớt các tín hiệu có tần số thấp. Các tín hiệu tần số thấp dễ bị các tín hiệu tần số khác ảnh hưởng lên nó và có nhiều tín hiệu nhỏ nên thường chứa nhiều nhiễu. Thời hằng của xung ra được điều chỉnh qua việc lựa chọn hằng số vi phân d = CdRd, mạch này gọi là mạch vi phân.
Hình 2.2. Mạch lọc tần số cao CR.
Sau đó, tín hiệu đi qua mạch lọc tần số thấp. Thời gian tăng của xung ra được điều chỉnh bằng hằng số tích phân i = CiRi , mạch này được gọi là mạch tích phân. Mạch này có tác dụng làm giảm các nhiễu tần số cao nên cũng làm tăng tỷ số tín hiệu/nhiễu vì ở tần số cao dễ xảy ra cộng hưởng làm tăng hiện tượng phản xạ sóng ở đầu cáp.
Kết hợp hai mạch vi phân CR và mạch tích phân RC ta được mạch tạo
dạng xung đơn giản.
Rd Cd Ri Ci IN OUT Rd Cd Ri Ci Rd Cd Ri Ci IN OUT
Hình 2.4. Cấu tạo cơ bản của mạch tạo dang xung CR-RC.
2.2.2. Khối TFA 474
Hình 2.5. Mặt trước của khối TFA 474. Rd Cd Rd Cd Ri Ci Ri Ci Ci Chuyển mạch chọn hệ số khuếch đại Chuyển mạch chọn thay đổi thời hằng mạch tích phân Chuyển mạch chọn thay đổi thời hằng mạch vi phân
Lối vào từ tiền khuếch đại
Lối ra
Khối TFA 474 do hãng ORTEC sản xuất. Nguyên tắc hoạt động của TFA 474 về cơ bản giống như các khối TFA khác. Tuy nhiên, khi sử dụng cần quan tâm những thông số sau:
- Thay đổi hệ số khuếch đại tín hiệu (gồm hai núm chỉnh Gain và Fine Gain). - Thay đổi thời gian tăng của xung ( núm INT).
- Thay đổi thời gian giảm của xung (núm DIFF).
Hai chức năng chính của TFA 474 là khuếch đại và tạo dạng xung. Nhưng bên cạnh đó, TFA 474 còn có các chức năng như điều chỉnh pole-zero, điều chỉnh cực tính của xung ở lối ra (chuyển mạch INVERT/NONINVERT: INVERT - đảo cực tính của xung, NONINVERT - không đảo cực tính của xung).
Từ khảo sát thực nghiệm cho thấy hằng số tích phân trong khối TFA thường được chọn sao cho thời gian tăng của xung ở lối ra đều được làm chậm hơn thời gian tăng của xung ở lối vào.
Xung từ lối ra của khối tiền khuếch đại thay đổi trong khoảng thời gian khá rộng (phụ thuộc vào kích thước tinh thể của đầu dò và loại tiền khuếch đại được sử dụng). Xung lối ra này có mặt tăng nằm trong khoảng vài chục đến vài trăm nano giây, thời gian giảm của xung nằm trong khoảng vài chục đến vài trăm micro giây. Do đó, chọn lựa các tham số của khối TFA là rất quan trọng. Nếu chọn hằng số tích phân (mặt tăng xung) lớn quá sẽ làm cho độ phân giải thời gian kém (xuất hiện trùng phùng ngẫu nhiên) nhưng hiệu suất ghi tăng (số xung thu được tăng lên). Việc chọn hằng số vi phân chính là xác định thời gian xung đến đường cơ bản và cho phép xung kế tiếp được quan sát, nếu dài quá sẽ xảy ra quá trình chồng chập xung.
Xung lối ra của TFA 474 nằm trong khoảng 0 đến ±5 V, nếu xung lối vào nằm trong khoảng 0 đến 1 V thì sẽ được khuếch đại tuyến tính.
2.3. Khối phân biệt ngưỡng không đổi (Constant Fraction Discriminator - CFD)
2.3.1. Các đặc trưng chung [6]
Khối CFD thường được chế tạo để phục vụ cho hai ứng dụng khác nhau: - Thứ nhất: đếm các xung nhỏ với tốc độ đếm cao.
- Thứ hai: xác định thời gian xung đến với độ chính xác cao.
Trong kênh thời gian, khối CFD có vai trò xác định thời điểm xung đến, tạo ra tín hiệu đầu vào đưa đến khối trùng phùng. CFD làm tăng độ phân giải thời gian, loại trừ nhiễu và ảnh hưởng của các tia gamma mềm. Việc chọn giá trị ngưỡng là rất quan trọng, nếu chọn ngưỡng quá thấp thì sẽ xuất hiện trùng phùng với các gamma mềm hoặc gamma tán xạ giữa hai đầu dò; còn nếu chọn ngưỡng cao quá sẽ mất các chuyển dời gamma có năng lượng thấp.
Khối CFD hoạt động theo ba chế độ (mode) tùy thuộc vào kiểu đầu dò. - Constant - Fraction (CF): chế độ CF dựa trên tỷ số cố định.
- Slow Rise Time Reject (SRT): chế độ SRT chọn lựa để loại trừ các xung tăng chậm. - Leading Edge (LE): chế độ LE dựa trên phương pháp khởi phát mặt trước.
Trong chế độ CF và SRT cần đến thời gian trễ (CF dùng trễ ngắn khoảng 2 ns). Thời gian trễ được chọn phù hợp với từng ứng dụng cụ thể. Thời gian trễ tổng cộng td được tính bằng tổng thời gian trễ bên trong của khối CFD (ttr) với thời gian trễ bên ngoài (tng) do khối trễ quyết định. Thời gian trễ ngoài lấy từ khối trễ hoặc dây trễ. Chiều dài của dây trễ được xác định bởi biểu thức (2.1):
ng d tr t t t l (2.1)
Trong đó, l là chiều dài dây trễ, là thời gian trễ của tín hiệu trên 1m dây trễ.
2.3.2. Khối CFD 584
Hình 2.6. Mặt trước của khối CFD 584.
Khối CFD 584 cho độ phân giải thời gian tốt với hầu hết các đầu dò thường dùng như HPGe, NaI(Tl), ….Nó hoạt động như một thiết bị phân biệt ngưỡng tích phân, chỉ khi tín hiệu vào vượt ngưỡng đặt trước thì mới cho tín hiệu lối ra. Xung lối vào CFD 584 nằm trong khoảng - 5 đến 0 V. CFD 584 cho bốn lối ra:
- Hai lối ra xung logic âm, độ rộng 5 ns.
- Một lối ra xung logic dương, lối này được nối với đầu vào của khối trùng phùng. - Một lối ra Blocking để tinh chỉnh.
- Một lối ra time walk.
Ngưỡng CFD 584 nằm trong dải - 5 mV tới -1 mV, còn ngưỡng ngoài (điều chỉnh bằng biến trở tinh chỉnh ngưỡng - threshold) nằm trong dải 0 mV tới 1 V. Khi điều chỉnh biến trở Threshold ở 0 mV, ngưỡng cắt thực tế của khối CFD 584 là -1 mV.
Khi dùng CFD, điều quan trọng là chọn được ngưỡng, thời gian trễ tối ưu nhất ứng với từng chế độ và từng ứng dụng cụ thể. Ta đi nghiên cứu chi tiết từng chế độ:
Biến trở điều chỉnh ngưỡng Chuyển mạch chọn các chế độ CF, SRT, LE Lối vào Lối test chọn walk và width thích hợp Lối ra phân cực dương Lối ra thời gian
CF: thường được dùng với các đầu dò (như đầu dò fast plastic) có các tín hiệu lối ra thỏa mãn: thời gian tăng ngắn và độ biến thiên thời gian tăng nhỏ. Với CFD 584 có hệ số suy giảm f = 0,2 (có thể thay đổi nếu cần thiết). Chế độ này hoạt động theo phương pháp ARC (Amplitude and Risetime Compensation - kỹ thuật điều chỉnh biên độ và thời gian tăng). Do đó, thời gian trễ phải rất nhỏ.
SRT: thường dùng các xung ra thỏa mãn điều kiện: độ biến thiên của thời gian tăng nằm trong dải rộng. Chế độ này phù hợp với đầu dò bán dẫn Ge. Khi hoạt động ở chế độ SRT thì ngưỡng CFD phải thấp. Nếu đặt ngưỡng cao quá sẽ có nhiều tín hiệu lối vào bị loại vì có nhiều tín hiệu cắt ngưỡng sau thời điểm tcfd. Ưu điểm của chế độ SRT là làm tăng độ phân giải thời gian nhưng có nhược điểm là làm giảm hiệu suất đếm.
LE: thường dùng với đầu dò cho các xung ra nhanh, có biên độ hay thời gian tăng biến thiên nhỏ. Khi ở chế độ này thì không dùng phương pháp tỷ số cố định. Tín hiệu ra xuất hiện khi mặt trước của xung vào cắt ngưỡng CFD.
2.4. Khối biến đổi thời gian thành biên độ (Time to Amplitude Converter - TAC)
2.4.1. Sơ đồ chức năng của TAC [2]
A = 1 A = 1 v v Constant – current source I Stop Start Converter Capacitor Buffer Amplifier Linear Gate Output Amplifier Output (to MCA) A = 1 A = 1 v v Constant – current source I Stop Start Converter Capacitor Buffer Amplifier Linear Gate Output Amplifier Output (to MCA)
Constant current source: nguồn dòng không đổi.
Converter capacitor: tụ của bộ biến đổi. Buffer amplifier: bộ khuếch đại đệm. Linear gate: cổng tuyến tính. Output amplifier: khuếch đại ra. Output (to MCA): lối ra ( tới MCA).
Hình 2.7. Sơ đồ chức năng của TAC.
2.4.2. Nguyên tắc hoạt động của TAC
Có hai loại TAC: TAC sử dụng phương pháp phủ và TAC loại “Start – Stop”.
Phương pháp phủ dựa trên việc cung cấp các xung “start” và “stop” có dạng vuông góc chuẩn cho bộ biến đổi và đo diện tích phủ giữa hai xung. Nếu hai xung là trùng phùng, chồng nhau hoàn toàn, trong khi đó nếu chúng được tách biệt nhau bằng biên độ xung thì không chồng nhau. Do đó, nếu xung ra được phát ra có biên độ liên quan với diện tích chồng nhau thì biến đổi thời gian thành biên độ được thực hiện. Về cơ bản sơ đồ phủ là rất nhanh so với các phương pháp khác. Tuy nhiên, TAC loại này có đặc trưng tuyến tính và độ chính xác tồi. Do đó, TAC loại này chỉ được sử dụng chủ yếu trong các ứng dụng ở đó tần số đếm cực đại được quan tâm.
2.4.2.2. TAC loại "Start - Stop"
Xung “Start” bắt đầu hoạt động mạch như nạp cho một tụ nhờ một nguồn dòng không đổi. Tác động này tiếp tục cho đến khi bị dừng bằng xung “stop”. Dòng không đổi phát ra một thế răng cưa, nó bị dừng lại tại một biên độ trong khoảng thời gian giữa các xung “start” và “stop”. TAC loại này có đặc trưng tuyến tính tốt hơn so với loại sử dụng phương pháp phủ. Do đó, TAC loại này được sử dụng phổ biến trong các phép đo thời gian thông thường. Hơn thế nữa, TAC loại này có thể đạt độ chính xác cao vì nó sử dụng kỹ thuật tương tự để biến các khoảng thời gian nhỏ thành biên độ xung. Chính vì vậy, TAC này được sử dụng trong ứng dụng thời gian yêu cầu độ chính xác pico giây.