Hệ phổ kế dựa trên DSP thực chất là bộ xử lý xung số (DPP) chất lượng cao gồm: ñầu dò, TKĐ, ñiện tử xử lý xung (gồm hình thành xung, logic chọn lựa xung, các bộ ñếm xung, phân tích ña kênh, giao diện ñiều khiển-thu nhận dữ liệu), và phần mềm phân tích-thu phổ. Đến nay, có rất nhiều hệ phổ kế hạt nhân chất lượng cao ñược sử dụng trong nghiên cứu vật lý hạt nhân thực nghiệm, có thể kể ñến là hệ DGF-4 hoặc DP5 của hãng Amptek từ XIA [101]. Hệ này ñược thiết kế với ñộ linh ñộng lớn nhất khả dĩ và sử dụng thuận tiện, tương thích với giao diện PC qua USB.
1.4.2.2. Các tầng ñiện tử chính
Hình 1.6 trình bày bộ xử lý xung số (DPP) của hệ thiết bị hạt nhân và các tầng chính của hệ. DPP số hóa ngõ ra PA, sử dụng giải pháp xử lý thời gian thực cho tín hiệu, phát hiện biên ñộ ñỉnh số, nhận và lưu giá trị này vào bộ nhớ ñể hình thành phổ năng lượng. Logic chọn xung loại các xung chồng chập khỏi phổ. Cuối cùng, phổ ñược truyền qua giao
diện của DPP tới máy tính của người dùng.
Hình 1.6:Sơ ñồ khối của hệ xử lý xung số (DPP).
1.4.2.2ạ Bộ tiền xử lý tương tự(APP)và biến ñổi A/D
Ngõ vào của hệ thống là ngõ ra của CSP và APP chuẩn bị tín hiệu ñể số hóa chính xác dữ liệụ Các nhiệm vụ chính của mạch này là (1) ñặt hệ số khuếch ñại và ñộ dịch thích hợp ñể sử dụng dải ñộng của ADC, và (2) thực thi một số tác vụ hình thành xung và lọc nhằm tối ưu hóa việc số hóa tín hiệụ Bộ biến ñổi A/D tiến hành
APP A/D Logic
nhớ phổ Đầu dò & PA Logic chọn xung Vi ñiều khiển và giao diện Tín hiệu bổ trợ Máy tính DSP-MCA
18
tác vụ số hóa ngõ ra APP ở tốc ñộ phù hợp. Theo thời gian thực, dòng dữ liệu ñã số hóa ñược gửi ñến bộ hình thành xung số.
1.4.2.2b. Bộ hình thành xung số (DPS)
Ngõ ra ADC ñược xử lý liên tục nhờ sử dụng một cấu trúc ñường ống riêng
nhằm phát xung tạo dạng theo thời gian thực. Cấu trúc này cho phép hình thành dạng xung ngõ ra như trong bất kỳ bộ khuếch ñại tạo dạng nào khác. Xung ñược tạo dạng là một thực thể số rời rạc. Có hai nhánh xử lý tín hiệu ñồng thời trong DPP, các kênh ‘nhanh’ và ‘chậm’, ñược tối ưu hóa ñể thu nhận dữ liệu trong chuỗi xung tớị Kênh ‘chậm’, kênh có thời gian hình thành xung dài dùng ñể thu biên ñộ xung chuẩn xác. Giá trị ñỉnh ñối với mỗi xung trong kênh chậm là ngõ ra của bộ hình thành xung số (DPS). Kênh ‘nhanh’ sẽ nhận thông tin thời gian: phát hiện xung chồng chập trong kênh chậm, ghi tốc ñộ ñếm xung vào, ño thời gian tăng của xung.
1.4.2.2c. Logic chọn lựa xung và bộ nhớ phổ
Logic lựa chọn xung bao gồm tác vụ loại bỏ chồng chập, phân biệt thời gian tăng, logic ñóng/mở tín hiệu ngoài bằng cổng, v.v… Bộ nhớ phổ hoạt ñộng như trong MCA truyền thống. Khi nhận biết có xung với giá trị ñỉnh ñặc thù, số ñếm thuộc ô nhớ tương ứng tự ñộng tăng, kết quả là biểu ñồ chứa nội dung của các sự kiện với giá trị ñỉnh tương ứng ñược hình thành. Đây là phổ năng lượng và là ngõ ra cơ bản của DPP. Hệ xử lý này có nhiều bộ ñếm, ghi toàn bộ các xung ñược chọn, kể cả các xung ngõ vào và các sự kiện bị loạị
1.4.2.3. Cấu trúc bộ tiền xử lý tương tự (APP) và dạng tín hiệu
Hệ ñược thiết kế ñể xử lý các tín hiệu ñến trực tiếp từ TKĐ nhạy ñiện tích ñược dùng cho các ñầu dò bức xạ. Điển hình, những tín hiệu này có biên ñộ nhỏ, thuộc dải chừng vài mV, tăng nhanh (vài chục ns tới µs), và các xung nhỏ ‘gối lên’ một xung khác như các xung tín hiệu tích lũỵ Các xung bậc thang này thể hiện ở các vệt số 1 nằm phía trên trong hình 1.7 và thực sự không phù hợp ñể trực tiếp số hóa do biên ñộ nhỏ (cỡ vài mV) trên toàn dải lớn (vài vôn). Vì vậy, APP chuẩn bị tín hiệu ñể có thể số hóa chính xác. Vệt số 1 chỉ ngõ ra TKĐ: chuỗi các ‘bước’ cỡ vài mV, cách nhau ngẫu nhiên theo thời gian. Tạp âm trắng tần số cao thể hiện rất rõ rệt. Các vệt phía trái (phía phải) ñược ño với các tia X năng lượng 60 (5.9) keV
19
tương ứng; rõ ràng, tỷ số S/N giảm ở phía phảị Các vệt số 2 biểu thị ngõ ra của APP có tín hiệu suy giảm theo quy luật hàm mũ logarit tự nhiên với thời hằng là 3.2
Hình 1.7: Các vệt tín hiệu minh họa tác vụ xử lý xung. Nguồn [101].
µs bao gồm một chuỗi xung có thời gian tăng nhanh, ñường cơ bản vài trăm mV và các giá trị cực ñại khoảng 1V. Vệt số 3 biểu thị ngõ ra ñược tạo dạng: ñỉnh của bức xạ ñược phát hiện và lưu vào phổ. Vệt số 4 là ngõ ra logic chỉ ñịnh ñỉnh có hiệu lực.
Bộ APP thực thi ba tác vụ: (1) áp dụng bộ lọc cao qua có thời hằng 3.2 µs sao cho các xung ñó không gối lên xung nào khác, (2) áp dụng hệ số khuếch ñại thô (CG) sao cho biên ñộ xung lớn nhất
xấp xỉ 1 V (ñể cực ñại hóa ñộ phân giải ADC), và (3) áp dụng ñộ trôi DC ñể tín hiệu luôn thuộc dải ADC ñơn cực. Yếu tố chính ñể ñịnh cấu
hình PA là các tín hiệu ngõ vào bộ Hình 1.8: Sơ ñồ khối APP trong hệ phổ kế. A/D phải thỏa mãn ñiều kiện của APP trong hình 1.8: ngõ vào ñã chia bậc mũ 2, thời gian tăng nhanh và suy giảm theo hàm mũ logarit tự nhiên với thời hằng 3.2 µs. Nếu PA có ngõ ra âm, ngõ vào ADC phải có ñường cơ bản cỡ vài trăm mV và giá trị cực ñại xấp xỉ 1V. Đối với PA ngõ ra dương thì Vmax xấp xỉ 2V, dùng CDP, RFP hoặc TRP.
1.4.2.4. Hình thành xung1.4.2.4ạ Kênh chậm 1.4.2.4ạ Kênh chậm
Kênh chậm của DPP ñược tối ưu hóa cho các phép ño biên ñộ xung chuẩn xác.
Khuếch ñại tinh 2.5k 2.5k 460Ω 3nF Ngõ ra PA Ngõ vào ADC Khuếch ñại lặp lại Khuếch ñại thô Bộ lọc cao qua 3.2 µs 900Ω 6.8nF Dịch DC ngõ vào
20
Kênh này dùng ñể tạo dạng xung hình thang cân, có dạng xung ngõ ra ñiển hình ñược chỉ trong hình 1.9. Dạng xung này cung cấp tỷ số tín hiệu trên tạp âm gần tối ưu cho nhiều ñầu dò. Liên quan ñến các dạng tương tự truyền thống, xung hình thang cân cung cấp tạp âm ñiện tử thấp hơn và ñồng thời làm giảm chồng chập xung. Thời gian tăng/giảm và thời gian phân giải của khe ñỉnh ñược ñiều chỉnh trên nhiều bước. Bộ khuếch ñại bán Gauss có thời gian hình thành xung τ, thời gian ñạt ñỉnh 2.2τ có thể so sánh ñược với hàm thực hiện dạng xung hình thang cân có cùng thời gian ñạt ñỉnh. Một DPP nào ñó với thời gian ñạt ñỉnh 2.4 µs sẽ gần tương ñương với việc hình thành xung bán Gauss có thời hằng 1 µs.
Sự thay ñổi thời gian ñạt ñỉnh là một yếu tố quan trọng nhằm tối ưu hóa cấu hình hệ thống. Thời gian ñạt ñỉnh ngắn nhất sẽ cực tiểu hóa DT, dẫn ñến tốc ñộ dữ
liệu ra/vào cao, song tạp âm lại tăng ở thời gian lấy ñỉnh ngắn [85]. Việc xác lập tối ưu phụ thuộc vào ñầu
dò kể cả PẠ Tạp âm của ñầu dò có giá trị cực tiểu
Hình 1.9: Đáp ứng xung ñược tạo ra bởi hệ thiết bị số [55]. ở một số vị trí lấy ñỉnh, gọi là ‘góc tạp âm’. Nếu thời gian ñạt ñỉnh dài so với tốc ñộ ñếm xung vào, xung chồng chập sẽ xảy rạ Khi thời gian tăng từ PA dài hơn thời gian ñạt ñỉnh, các xung ngõ ra sẽ bị méo bởi ñộ hụt biên ñộ; và lúc ñó phải mở rộng ñỉnh hình thang nhằm cải thiện phổ.
1.4.2.4b. Kênh nhanh
Vệt số 3 phía trênbiểu diễn ngõ vào ADC, vệt số 2 biểu thị ngõ ra tạo dạng tín
21
hiệu của kênh nhanh, và vệt số1 (ñáy) biểu thị ngõ ra logic ñể ñếm các sự kiện kênh nhanh. Kênh nhanh của DPP ñược tối ưu hóa ñể phát hiện các xung chồng chập trong ‘kênh chậm’. Kênh nhanh ñược dùng cho logic chống chồng chập, và ñể xác ñịnh tốc ñộ ñếm xung vào thực (nhằm hiệu ñính các sự kiện mất mát ở thời gian chết của kênh chậm). Kênh nhanh cũng tạo dạng hình thang cân, song thời gian ñạt ñỉnh có thể là 100 ns hoặc 400 ns. Hình 1.10-trái chỉ ra các dạng xung ño ñược với thời gian ñạt ñỉnh 100 ns, các xung tách biệt sẽ ñược ñếm trong kênh nhanh và các xung không tách biệt (phía phải) sẽ không ñược ñếm.
1.4.2.5. Mạch hồi phục ñường cơ bản (BLR)
Biên ñộ xung cần ño thường liên quan ñến ñường cơ bản (BL). Mọi thăng giáng ngẫu nhiên hoặc thay ñổi có tính hệ thống trong BL sẽ làm suy giảm chất lượng phép ño biên ñộ xung. Thông thường, BL ñược giả ñịnh là ‘zero’, nhưng ñây là một khái niệm không tường minh, vì ‘ñất’ ñơn thuần chỉ biểu trưng mốc tham chiếu trong các phép ño thế. Nếu BL thay ñổi theo thời gian lẫn tốc ñộ ñếm, hoặc bất cứ tham số nào khác, sự méo dạng sẽ xuất hiện trong các phép ño, làm trôi phổ và kéo theo ngưỡng sẽ thay ñổị Trên thực tế, ñộ dịch BL xảy ra theo tốc ñộ ñếm.
Do hàm truyền của DPP có ñáp ứng xung hữu hạn (FIR) [80] nên sau khi xung truyền qua ñường ống xử lý, hàm truyền không tác ñộng ñến ngõ ra dẫn ñến ñộ ổn ñịnh BL ñược nâng lên rõ rệt ở các tốc ñộ ñếm caọ DPP không thiết lập ñường cơ bản DC ở tất cả mọi tốc ñộ ñếm và trên thực tế một vài sự dịch chuyển theo tốc ñộ ñếm là quan sát ñược.
1.4.2.6. Tác vụ chọn lựa xung 1.4.2.6ạ Ngưỡng 1.4.2.6ạ Ngưỡng
DPP sử dụng ngưỡng ñể nhận dạng xung và ngưỡng ñược xác lập trên mức tạp âm. Cả hai kênh nhanh và chậm ñều có các ngưỡng ñộc lập của chúng. Tạp âm trong kênh nhanh thường cao hơn nên việc xác lập ngưỡng trên mức tạp âm là tốt nhất, và vì vậy ngưỡng sẽ khác nhau trong hai kênh. DPP dùng ngưỡng kênh chậm ñể nhận dạng các sự kiện ñược cộng vào phổ lưụ Ngưỡng kênh chậm tương ñương với bộ phân biệt ngưỡng dưới (LLD). Ngưỡng kênh nhanh cũng hoạt ñộng như LLD và ñược dùng cho một số tác vụ: (1) Tốc ñộ sự kiện vượt ngưỡng nhanh là
22
phép ño tốc ñộ ñếm xung vào (ICR) của DPP; (2) Logic loại bỏ chồng chập (PUR) nhận dạng các sự kiện chồng chập trong kênh chậm nhưng ñược tách trong kênh nhanh; (3) Việc phân biệt thời gian tăng (RTD) sử dụng biên ñộ tín hiệu kênh nhanh ñể ño dòng tại thời ñiểm ban ñầu của xung. Việc xác lập ngưỡng thích hợp là rất quan trọng ñể DPPxử lý tín hiệu có hiệu quả cao.
1.4.2.6b. Chống chồng chập (PUR) cho DPP
Nhiệm vụ của logic chống chồng chập (PUR) là phải xác ñịnh xem hai tương tác xảy ra quá gần nhau theo thời gian dẫn ñến xuất hiện như một xung ñơn có biên ñộ bị méọ Mạch chống chồng chập cho bộ xử lý xung số sử dụng hệ thống ‘nhanh- chậm’, trong ñó các xung ñược xử lý bởi kênh hình thành nhanh ñồng thời với kênh chậm hơn (kênh chính), cả hai kênh ñều thuần số.
Hình 1.11: Các tín hiệu biểu thị tác vụ thực hiện chống chồng chập.
Mặc dù về nguyên tắc kỹ thuật là tương tự như mạch hình thành xung truyền thống, mạch chống chồng chập và thời gian chết của DPP trong nhiều cách hoạt ñộng là khác nhau, kéo theo việc thực hiện nhiệm vụ sẽ hiệu quả hơn ở các tốc ñộ ñếm caọ Trước hết, sự ñối xứng của xung tạo dạng cho phép DT và khoảng chồng chập ngắn hơn. Thứ hai, không có DT kết hợp với việc số hóa và thu nhận ñỉnh.
Hình 1.11-trái biểu diễn hai sự kiện tách biệt nhau nhỏ hơn thời gian tăng của tín hiệu hình thành xung, trong khi hình 1.11-phải biểu diễn hai xung tách biệt nhau lớn hơn thời gian tăng. Trong hình 1.11-trái, ngõ ra là tổng của hai xung và các sự kiện ñược ñánh giá là bị chồng chập, tuy rằng ngõ ra của APP là tách biệt. Đối với xung gần tam giác, hiệu ứng chồng chập chỉ xảy ra khi hai sự kiện ñược tách biệt
23
nhỏ hơn thời gian ñạt ñỉnh, trong trường hợp ñó ñỉnh ñơn ñược quan sát cho hai sự kiện. Thời khoảng giữa hai sự kiện ñược sử dụng trong DPP cho cả thời gian chết và chống chồng chập là tổng của thời gian tăng và thời gian phân giải khe cạnh ñỉnh [69], [82], [83]. Nếu hai sự kiện xảy ra trong khoảng thời gian này và việc chống chồng chập bị cấm, giá trị chồng chập ñơn sẽ thuộc phổ. Nếu có tác vụ chống chồng chập và hai sự kiện ñược tách biệt lớn hơn ñộ phân giải cặp xung kênh nhanh và nhỏ hơn thời khoảng giữa hai sự kiện này, cả hai ñều bị loại bỏ. Các sự kiện vượt quá ngưỡng trong kênh nhanh luôn lật trạng thái logic chống chồng chập.
1.4.2.7. Khóa xóa và phân biệt thời gian tăng
Về tổng thể, bộ MCA số hoạt ñộng giống như MCA truyền thống, ngoại trừ việc ngõ vào ñã ñược số hóạ MCA phát hiện biên ñộ ñỉnh của dạng xung ñã hình thành nhờ dùng mạch dò ñỉnh số. Nếu logic chọn lựa này cho biết xung có hiệu lực, MCA tăng giá trị và lưu vào ô nhớ tương ứng biên ñộ ñỉnh. DPP ño phổ, ñếm sự kiện suốt thời gian thu nhận (ACQT). ACQT là thời gian thực trôi qua và suốt thời khoảng ñó dữ liệu ñược truyền [23], [66]. Xung nhịp ACQT bị ngắt theo khoảng sự kiện nhất ñịnh, bao gồm việc truyền dữ liệu trên tuyến dẫn nối tiếp và các chu kỳ xóạ Tốc ñộ ñếm thực ñược tính thông qua ACQT thực tế hơn là thời gian truyền dữ liệụỞ các tốc ñộ ñếm cao, TRP sẽ xóa nhiều lần nên ACQT sẽ ngắn hơn trong mỗi lần truyền và thời gian này ñược hiển thị cùng với các số ñếm chậm và nhanh. Tất cả hệ thống phổ kế hạt nhân ñều biểu diễn DT liên quan ñến mỗi tương tác của bức xạ [42], [67], [82]. Sau mỗi tương tác, tồn tại một khoảng thời gian mà nếu xung xuất hiện trong thời khoảng ñó sẽ không phát hiện ñược nên không ñóng góp vào các số ñếm ngõ rạ Do thời gian xuất hiện của xung là ngẫu nhiên nên luôn tồn tại xác suất ñể các xung xảy ra trong khoảng DT này, và vì vậy tốc ñộ ñếm ngõ ra (Rout) ño bởi hệ thống luôn thấp hơn tốc ñộ ñếm ngõ vào (Rin). Khi xác ñịnh ñược DT, các mất mát về số ñếm ñược hiệu chỉnh bổ sung. Đặc trưng DT của bộ DPP khác với ñặc trưng DT của các hệ thống tương tự truyền thống rất ñáng kể:
+ DT/xung của bộ DPP sẽ thấp hơn DT/xung của bộ APS. Không có DT liên quan ñến việc thu nhận ñỉnh và DT theo mỗi xung giảm nhiều do FIR của sự hình thành tín hiệụ
24
Vào Ra
Trễ
+
-
+ Sử dụng kênh nhanh ñể trực tiếp xác ñịnh Rin, từ ñó ñộ chuẩn xác của phương pháp này tốt hơn nhiều so với khi dùng các ñồng hồ thời gian thực.
+ Đánh giá DT của hệ nhờ so sánh tốc ñộ ñếm trong các kênh nhanh và chậm. DPP có nhiều bộ ñếm ñược khởi phát và dừng ở cùng thời ñiểm như ñã dùng ñể ghi phổ gồm: bộ ñếm kênh nhanh ghi tất cả các sự kiện kênh nhanh vượt ngưỡng nhanh và lưu vào phổ, có các bộ SCA cùng ngưỡng xác lập, kể cả logic chọn xung (PUR, RTD, v.v …).
1.4.3. Mô hình thuật toán DSP dùng trong thiết kế bộ ghi-ño bức xạ
1.4.3.1. Giới thiệu
Các thuật toán ñệ quy ñể hình thành xung và xử lý xung theo thời gian thực trong các phép ño chiều cao xung ñã ñược phát triển và trình bày trong công trình [87] và các kết quả liên quan quá trình ñộng theo ñúng chế ñộ thời gian thực ñã ñược ñề cập trong [89]. Tín hiệu vi phân từ PA dạng hàm mũ ñược khuếch ñại và số