Giai ñoạn trước những năm 1990, nhiều phòng thí nghiệm trên thế giới ñã sử dụng các hệ thống ñối trùng và trùng phùng ñể nghiên cứu cấu trúc hạt nhân. Các hệ phổ kế này sử dụng thiết bị ñầu dò và các khối ñiện tử kiểu tương tự. Chẳng hạn, hệ phổ kế triệt Compton dùng cho phổ học tia gamma với ñầu dò HPGe thể tích lớn 113 cm3 ñược bố trí trong ñầu dò NaI(Tl) kích thước 22.9 cm x 25.4 cm [30], hệ phổ kế trùng phùng γ-γ dùng cho phân tích kích hoạt nơtron dụng cụ [61], hệ phổ kế gamma nối tầng hai bậc (TSC) của phản ứng (n,2γ) ở các năng lượng nơtron nhiệt [60] và nghiên cứu các hàm lực photon [57], ... Các hệ vừa nêu ñều sử dụng các khối ñiện tử truyền thống chuẩn NIM do các hãng Ortec, Canberra chế tạo như: AMP, ADC, MCD, TAC, CFD, v.v… và ñáp ứng tốt yêu cầu thực nghiệm. Song song với các công trình nghiên cứu vật lý vừa nêu, có rất nhiều công trình liên quan ñến việc xây dựng và phát triển thiết bị phục vụ các nghiên cứu này, hầu hết các công trình ñó ñều sử dụng công nghệ ñiện tử thế hệ mới là DSP và FPGA; chẳng hạn như công trình ñề cập ñến sự cải thiện ñộ phân giải vị trí của các ñầu dò HPGe chất lượng cao sử dụng các phương pháp phân tích biên ñộ xung [67], hoặc phân tích biên ñộ xung
5
với các ñầu dò germanium [71], hoặc phát triển các kỹ thuật lấy mẫu và xử lý tín hiệu số với các ứng dụng cho các ñầu dò vật lý hạt nhân [66]. Các công trình nêu trên ñã ứng dụng các thuật toán xử lý xung số ñể nghiên cứu, thiết kế hệ phổ kế gamma qua ứng dụng FPGA phục vụ nghiên cứu vật lý hạt nhân.
1.1.2. Tình hình nghiên cứu, ứng dụng ở trong nước
Về hướng nghiên cứu và phát triển thiết bị tại Viện NCHN, vào ñầu những năm 1990, một hệ thiết bị phổ kế gamma triệt Compton trong ñó kỹ thuật trùng phùng ñã ñược áp dụng thành công [7] phục vụ hướng nghiên cứu phân tích kích hoạt nơtron ño phổ gamma tức thời trên kênh thực nghiệm nằm ngang của Lò phản ứng nghiên cứu Đà Lạt. Hệ phổ kế ña kênh cũng ñã ñược quan tâm phát triển, trong ñó một số khối ñiện tử như HV, AMP, bản mạch giao diện máy tính qua cổng song song ISA ñã ñược thiết kế chế tạo theo kiểu ñiện tử truyền thống và ñã ñưa vào sử dụng cho mục ñích nghiên cứu số liệu tiết diện nơtron toàn phần và tiết diện bắt nơtron trong khai thác và ño ñạc số liệu [91]. Giai ñoạn những năm 1993-1997, hệ phổ kếCộng biên ñộ các xung trùng phùng (SACP) ñã ñược nghiên cứu phát triển phục vụ hướng nghiên cứu cấu trúc hạt nhân và ñã có những thành công bước ñầu, có thể kể ñến là các công trình nghiên cứu ứng dụng [10], [73]. Từ những năm 2000 ñến nay, một số hệ phổ kế gamma chất lượng cao sử dụng ñầu dò bán dẫn ñã ñược trang bị tại Viện NCHN, ñiển hình là một hệ phổ kế ña kênh ño phổ gamma dựa trên kỹ thuật DSP lần ñầu tiên ñược nhập khẩu vào Việt Nam ñầu năm 2004 phục vụ ño phổ gammạ Bên cạnh ñó, một hệ phổ kế chất lượng cao khác là hệ trùng phùng sử dụng hai ñầu dò HPGe ñã ñược thiết lập thành công tại Viện phục vụ hướng nghiên cứu thực nghiệm về cấu trúc hạt nhân và mật ñộ mức hạt nhân, trong ñó cấu hình kết nối hệ thống cho phép thu nhận thông tin ñặc trưng về phân rã nối tầng của các mức kích thích trong hạt nhân hợp phần tạo thành ở phản ứng bắt nơtron nhiệt.
Hệ ño phổ gamma nối tầng [90] sử dụng ñơn vị DP4 [5] cùng các khối ñiện tử ñặc thù ñã ñược ñề xuất và thiết lập thành công; và trong những khối ñặc thù này tuy có khả năng giao diện PC nhờ µC với phần mềm phát triển ứng dụng trên nền Windows, song hệ ño vẫn dựa trên kỹ thuật ñiện tử truyền thống. Rõ ràng trên thực
6
tế, các nghiên cứu vật lý hạt nhân thực nghiệm và chế tạo thiết bị ñiện tử hạt nhân là hai chủ thể luôn ñồng hành gắn kết có tương quan hỗ trợ lẫn nhaụ Khi nghiên cứu phân rã gamma nối tầng của các hạt nhân 170Yb và 158Gd, các giá trị cường ñộ của nhiều chuyển dời nối tầng, các mức kích thích mới, số các chuyển dời gamma mới, việc tách ñược các ña bội của các chuyển dời gamma và sử dụng thành công phương pháp SACP trong nghiên cứu hạt nhân phân rã phóng xạ 170Yb ñã mở ra một hướng nghiên cứu mới - nghiên cứu hạt nhân phân rã phóng xạ bằng phương pháp SACP [6], [10], [74]. Nói khác ñi, nghiên cứu về số liệu hạt nhân, cấu trúc hạt nhân, mật ñộ mức năng lượng ñã ñược khẳng ñịnh và nâng lên tầm quốc tế qua các công bố khoa học [76]. Cũng vậy, những thành tựu nhất ñịnh về thiết kế xây dựng các hệ thiết bị ñiện tử ñã thể hiện qua một số công trình, tiêu biểu là công trình xây dựng hệ phổ kế tạo cặp và triệt Compton [7] bao gồm các khối ñiện tử hạt nhân ñã ñược thiết kế-chế tạo và ñưa vào khai thác có hiệu quả tại Viện NCHN vào ñầu thập niên 1990: Pre-AMP, HVPS, AMP, ADC, CFD, LG, FA, RPG, DLU, COINC. Ụ Bức tranh nêu trên ñã làm hấp dẫn các nghiên cứu viên tiếp tục phát huy và kế thừa ưu thế cùng kinh nghiệm sẵn có ñể nghiên cứu, phát triển thiết bị theo hướng DSP ở chế ñộ thời gian thực (realtime) qua ứng dụng FPGA [27] với công cụ phần mềm ñắc lực VHDL [38], [68] trong môi trường phần mềm tích hợp (ISE) [100]. Mặc dù các kết quả ñạt ñược từ những công trình vừa nêu ñã hàm chứa những ý nghĩa khoa học và thực tiễn nhất ñịnh, song vẫn chưa thể hiện hết nội năng tiềm tàng của các nghiên cứu viên cũng như chưa khai thác hết tiềm lực sẵn có của Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt trong lĩnh vực nghiên cứu cơ bản và ứng dụng của khoa học-kỹ thuật hạt nhân. Các kinh nghiệm này sẽ ñược tiếp tục phát huy nhiều hơn và ñạt nhiều kết quả khả quan hơn nữa khi công nghệ tiên tiến ñương ñại theo hướng DSP-FPGA ñược áp dụng vào các thiết bị ghi-ño bức xạ ion hóạ
1.2. Vai trò chức năng của DSP và FPGA 1.2.1. Xử lý tín hiệu số (DSP) 1.2.1. Xử lý tín hiệu số (DSP)
DSP là một trong những công cụ hữu hiệu nhất góp phần phát triển khoa học và kỹ thuật [80] của thế kỷ 21 trong các lĩnh vực: viễn thông, y học, sóng vô tuyến & ñịnh vị tàu ngầm, tái tạo âm thanh, v.v… và vật lý thực nghiệm. Mỗi một lĩnh
7
vực ñều ñã phát triển DSP chuyên sâu nhờ các giải thuật, các phương trình toán học, và các kỹ thuật ñặc biệt hoá. Lĩnh vực nghiên cứu DSP liên quan ñến hai nhiệm vụ: xây dựng các ý tưởng tổng quát ñể ứng dụng vào lĩnh vực dự ñịnh phát triển và nghiên cứu các kỹ thuật ñặc biệt hoá ñối với phạm vi quan tâm. Do vậy, kỹ thuật DSP có thể ñược ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau nói chung, ñặc biệt trong các hệ phổ kế hạt nhân nói riêng [16], [19], [20], [21], [56], [62], [63], [67], [71]. Ngày nay, DSP ñã ñược thương mại hóa bởi các hãng nổi tiếng về thiết bị hạt nhân như Ortec, Canberrạ Nhờ ứng dụng DSP nên các hệ thiết bị ño có nhiều ưu ñiểm nổi trội hơn: ña năng, nhanh và hiệu quả khi thu nhận và xử lý dữ liệu, phân tích phổ, mô phỏng tín hiệu; và một trong những hệ phổ kế như vậy là Dspec®, Ortec [84] nhập khẩu ñang ñược khai thác có hiệu quả tại Viện NCHN, Đà Lạt.
Hệ MCA chuyên dụng ghép PC ñã ñược nghiên cứu và phát triển tại một số viện nghiên cứu và trường ñại học trong nước. Hệ phổ kế gamma dùng với ñầu dò bán dẫn ñòi hỏi chất lượng cao hơn; và nếu thỏa mãn, ñộ ổn ñịnh của phổ sẽ tốt hơn thể hiện qua khả năng phân giải, ñộ dịch chuyển phổ, thời gian chết, tốc ñộ truyền dữ liệu, v.v… Viện NCHN ñã xây dựng hệ MCA có khả năng thu nhận dữ liệu, thay ñổi tự ñộng các tham số chính của phổ kế gamma (ghi-ño, tính toán, hiển thị, thời gian, dải kênh, cửa sổ) ghép PC qua các cổng song song [8], và cổng nối tiếp USB [2], [3]. Bên cạnh ñó, các hệ thiết bị ño ñếm nơtron dựa trên cơ sở µC giao tiếp cổng USB V2.0 dùng ống ñếm 3He [1], [9], [35], [36] hoặc BF3 phục vụ phép ño tiết diện nơtron toàn phần và phân tích kích hoạt nơtron cũng ñược chế tạọ Các hệ này ñã sử dụng µP tốc ñộ cao nhưng chưa dùng các DSPs chuyên biệt hoặc ngôn ngữ lập trình VHDL cho FPGA ñể thực hiện xử lý xung khi số hóa tín hiệu tương tự ngõ vàọ
Về nguyên tắc, có một số phương thức ñể tiến hành DSP: hoặc sử dụng các khối DSPs ñã ñược thương mại hóa, hoặc dòng FPGA với ngôn ngữ VHDL [70]. Trong khuôn khổ luận án này, phương án thứ hai ñã ñược chọn: dùng ngôn ngữ VHDL lập trình, tạo mã nguồn, biên dịch và nạp thiết kế vào dòng FPGA nhờ các
bản mạch SPARTAN-3x của hãng Xilinx qua ISE, hoặc Max+plus II của hãng Altera với dòng vi mạch EPM7160E [24] bằng phương pháp liên kết cổng logic.
8
1.2.2. Mảng các phần tử logic có khả năng lập trình (FPGA) 1.2.2.1. Giới thiệu 1.2.2.1. Giới thiệu
FPGA là các vi mạch số tích hợp (IC) chứa các khối logic ñịnh ñược cấu hình cùng với phép liên kết trong giữa các khối ñó. Hình 1.1 mô tả mối liên kết trong và các khối logic khả lập trình [46]. Cơ cấu thiết kế ñịnh cấu hình ñối với thiết bị FPGA cho phép hoạt ñộng ña dạng và xử lý linh ñộng các tác vụ truyền-nhận dữ liệu, giao tiếp cả trong lẫn ngoài theo các cấu hình khác nhaụ Tùy thuộc vào cách chúng ñược thực hiện, một số FPGA chỉ có thể ñược lập trình một lần, trong khi nhiều FPGA khác có khả năng tái lập trình nhiều lần.
Hình 1.1: Cơ cấu FPGA ñơn giản.
Vào năm 1984, hãng Xilinx ñã thiết kế một dòng IC gọi tên FPGA, và dòng FPGA ñầu tiên này dựa trên cơ sở CMOS, sử dụng SRAM nhằm ñịnh cấu hình các tác vụ. Thiết kế cơ bản về FPGA dựa trên bảng tra cứu (LUT) 3 ngõ vào của khối logic khả lập trình như ñã biểu diễn trong hình 1.2. Có thể kết hợp LUT với các bộ nhân và bộ lật trạng thái, chẳng hạn như ở hình 1.3 ñể hình thành khối logic lập trình cơ bản dùng trong FPGẠ
Việc ứng dụng FPGA luôn ñi cùng với phần mềm lập trình tinh vi, năng ñộng, chất lượng cao là ISE của hãng Xilinx, hoặc Max+Plus II của hãng Alterạ Đây là các phần mềm thương mại, chuyên nghiệp phục vụ nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn. Mục ñích chính của phần mềm là cung cấp những cơ sở cho môi trường phát triển tích hợp ISE, hoặc Max+Plus II và nhờ vậy người sử dụng có thể khởi tạo các thiết kế luận lý theo ñúng ý ñồ hoạch ñịnh. Phần mềm trợ giúp trực tuyến trên giao
9
diện của chương trình là công cụ hỗ trợ ñắc lực cho việc thiết kế và lập trình có hiệu quả.
Bốn thủ tục cơ bản liên tiếp nhau quyết ñịnh một dự án thiết kế FPGA hoàn chỉnh thường bao gồm: khởi tạo chương trình, thiết kế dự án, biên dịch dự án ñó và nạp trình thiết kế [44] vào vi mạch tích hợp loại ñặc chủng.
Có hai phương pháp chủ yếu ñể lập trình cho FPGA là phương pháp chuyên nghiệp và phương pháp tiết kiệm. Tùy theo môi trường ứng dụng và ñiều kiện thực tế phù hợp, có thể lựa chọn một trong hai phương pháp nêu trên và các phương pháp này ñược trình bày trong Phụ lục A.
Hình 1.2: Cấu hình bảng tra cứu với dữ liệu nhập/xuất. Nguồn [46].
Hình 1.3: Khối logic lập trình cơ bản trong FPGẠ
1.2.2.2. Tích hợp các chức năng của FPGA
Rất nhiều ứng dụng ñòi hỏi phải sử dụng bộ nhớ có dung lượng ñủ lớn ñể ñáp ứng nhu cầu lưu phổ năng lượng. FPGA bao gồm một khối lớn bộ nhớ ñược tích hợp và gọi là khối SRAM (hoặc DRAM), tổ chức theo cấu trúc ma trận (cột, hàng) như ñược biểu diễn trong hình 1.4. Dung lượng của các khối RAM có thể biến thiên từ cỡ vài trăm ngàn bit ñến hàng chục triệu bit phụ thuộc vào dòng vi mạch ñược sử dụng, và những khối này có thể dùng cho các mục ñích ña năng.
Một số chức năng như các bộ nhân/chia, cộng/trừ là chậm nếu chúng ñược thực hiện bằng các cổng rờị Khi kết hợp số lượng lớn các khối logic khả lập trình với nhau, FPGA cung cấp các khối tích hợp gồm bộ nhân, bộ cộng và bộ tích lũy (MAC) ñược thể hiện trong hình 1.5 nhằm tăng tốc ñộ xử lý dữ liệụ
10
Hình 1.4: FPGA với các cột khối
RAM ñược tích hợp.
Hình 1.5: Kết hợp các bộ nhân, cộng, tích lũy tạo tổ hợp MAC.
1.3. Ứng dụng của DSP và FPGA trong thiết bịñiện tử
Hiện thời, FPGA có thể ñược sử dụng trong 4 lĩnh vực chính: DSP, tích hợp µC, giao tiếp giữa các lớp thực thể và tái ñịnh cấu hình thiết kế. Gần ñây, sự phát triển công nghệ vi mạch ñiện tử thế hệ mới và vai trò của nó trong thiết kế ứng dụng luôn thể hiện nhiều ñiểm nổi bật. Ưu ñiểm của hệ thống số so với hệ thống tương tự cổ ñiển ñược phản ánh trong khả năng thực thi các thuật toán phức hợp dùng ñể xử lý tín hiệu [78]. Theo cách tiếp cận này, chất lượng cao nhất của các phép ño ñạt ñược cả ở tốc ñộ ñếm thấp lẫn cao khi dùng các ñầu dò bức xạ khác nhau là khả dĩ. Các nhiệm vụ chính của hệ phổ kế như lọc và khuếch ñại tín hiệu, phát hiện và loại bỏ chồng chập xung, phân tích biên ñộ và chuyển thành phổ năng lượng [47], [63] có thể ñược thực thi tốt bằng các thuật toán DSP dùng FPGA nhờ việc xác ñịnh các hoạt ñộng khả lập trình, làm tăng ñáng kể tính linh ñộng của hệ thống, cho phép tái lập cấu hình và hiệu chỉnh các tham số hoạt ñộng nhưng không can thiệp phần cứng [72]. Bên cạnh ñó, hệ ñược phát triển có thể kết nối với máy tính dễ dàng. Nhờ có khả năng mềm dẻo và cấu trúc nội bộ linh ñộng cho phép ñịnh nghĩa và thay ñổi cách thức hoạt ñộng của mạch bằng việc lập trình nên FPGA biểu lộ sự lựa chọn ưu việt nhằm thực thi DSP trong phổ học tia gamma. Với những ưu ñiểm ñó, kỹ thuật DSP qua FPGA ñược áp dụng ñể phát triển các thiết bị về dung lượng bộ nhớ cao, tốc ñộ xử lý nhanh, tính năng ñiều khiển mềm dẻo, khả năng nhập/xuất dữ liệu lớn [65], v.v… nhằm dữ liệu hóa và lưu trữ nhiều dạng thông tin theo chế ñộ thời gian thực (realtime) hoặc ngoại tuyến (offline), ñồng thời cấu hình ño có nhiều tùy chọn ưu việt hoàn toàn xử lý qua phần mềm ñiều khiển nhưng vẫn bảo ñảm ñược các yêu cầu về thu nhận-xử lý thông tin [92-99].
11
1.4. Phương pháp ñiện tử kỹ thuật số
1.4.1. Phương pháp khử tích chập trong cửa sổ ñộng (MWD) thực hiện thuật toán DSP
Một tập hợp các vấn ñề lớn như suy giảm ñộ phân giải do các hiệu ứng bẫy ñiện tích và ñộ hụt biên ñộ (ballistic deficit), ñộ phân giải nghèo ở tốc ñộ ñếm cao, khả năng bất ổn ñịnh nhiệt với phép ño thời gian dài, v.v… thường nảy sinh trong các thiết bị ghi-ño bức xạ hạt nhân khi dùng các ñầu dò bán dẫn thể tích lớn. Nhằm giải quyết các vấn ñề này, một phương pháp mới dựa trên phép khử tích chập trong cửa sổ ñộng (MWD) ñã ñược phát triển và hướng tới áp dụng thiết kế hệ phổ kế gammạ Đây là một trong những phương pháp xử lý xung kiểu số hữu hiệu dùng trong phổ học tia gamma có dữ liệu nhập/xuất lớn và ñộ phân giải caọ
1.4.1.1. Giới thiệu
Trong việc thiết kế hệ thống hiện ñại ñối với phổ kế tia γ phân giải cao, một vấn ñề cần ñề cập là bằng cách nào ñể ño bức xạ γ phát ra ở phản ứng hạt nhân có hiệu quả, chuẩn xác và nhanh ñến mức khả dĩ. Từ quan ñiểm về mặt thiết bị, hiệu