và đóng kênh.
Hình 3.25 Phổ nơtron lúc mở kênh và khi hiệu chỉnh với phổ phông nơtron.
Bảng 3.7 Số đếm tổng và tỉ lệ nơtron thu được trên dòng nơtron 148keV từ kênh số 4 lò PƯHN Đà Lạt. Nguồn đo Thời gian đo (giây) Số đếm tổng Số đếm nơtron Số đếm gamma Tỉ lệ số đếm nơtron/ số đếm tổng (%) 148 keV 81.051 26.459.100 1.614.613 24.844.488 6,10 Phông* 87.955 31.512.100 942.541 30.569.559 2,99% * Khi đóng kênh.
Kết quả phân tích trên hình 3.24 cho thấy các sự kiện bị phân loại nhầm chủ yếu tập trung ở vùng biên độ thấp. Hiện tượng này do ảnh hưởng của các xung chồng chập có biên độ thấp lớn hơn so với các xung có biên độ cao. Tỉ lệ nhầm lẫn so với số đếm tổng trong phép đo trên kênh số 4 (2,99%) và nguồn 252Cf (2,8%) là tương đương nhau. Quá trình hiệu chỉnh phổ nơtron với phổ gamma chủ yếu làm thay đổi vùng biên độ thấp của phổ.
Bảng 3.8 So sánh tỉ lệ nơtron khi loại bỏ các xung chồng chập trong đo phông. Nguồn đo Số đếm nơtron Số đếm gamma Số đếm tổng Tỉ lệ nơtron (%) Kênh 4 Không lọc chồng chập 6.062 196.683 202.745 2,99 Có lọc chồng chập 1.864 188.304 190.168 0,98 252 Cf Không lọc chồng chập 5.688 195.017 200.705 2,80 Có lọc chồng chập 1.822 186.590 188.412 0,97
Bảng 3.8 Trình bày tỉ lệ nơtron của phông khi đo trên kênh 4 và nguồn 252Cf, với hai trường hợp khơng và có áp dụng phương pháp loại bỏ xung chồng chập trong phương pháp RP. Trong trường hợp các xung chồng chập chưa được loại bỏ, tỉ lệ nơtron tính trên nguồn 252Cf và kênh 4 tương ứng 2,8% và 2,99%. Khi phương pháp loại bỏ xung chồng chập được áp dụng, tỉ lệ nơtron đã giảm xuống còn 0,98% khi đo trên kênh 4 và 0,97% khi đo trên nguồn 252
Cf.
Tỉ lệ phân loại nhầm đã giảm từ 2,8% xuống 0,97% khi đo trên nguồn 252Cf và giảm từ 2,99% xuống 0,98% khi đo trên kênh số 4. Tỉ lệ phân loại chính xác khi đo trên phơng trong cả hai trường hợp đã đạt xấp xỉ 99%. Tỉ lệ trên đã cho thấy hiệu quả nhận dạng các xung chồng chập trong phương pháp RP.
3.3.2 So sánh hiệu quả phân biệt dạng xung
Để thuận tiện cho quá trình đánh giá, hiệu quả phân biệt dạng xung PSD trong nghiên cứu này được so sánh với những cơng trình nghiên cứu đã công bố tham khảo từ [9,18,33,50,52,80]. Bảng 3.9 so sánh giá trị FoM của các phương pháp RP, DCI, PGA và CPR là kết quả tính tốn từ hệ đo nơtron MCA_DRS4 với các cơng trình nghiên cứu đã cơng bố. Kết quả FoM cho thấy phương pháp RP tốt hơn hẳn so với các phương pháp tham chiếu PGA, CPR và DCI. Giá trị FoM của RP được cải thiện 11,5, 7,5 và 8,7 lần so với PGA, CPR và DCI trong vùng năng lượng 100 ÷ 400keVee tương ứng. Nếu so sánh với các phương pháp khác trong các cơng trình tham khảo đã cơng bố [4,6–10][12,52], phương pháp RP cũng cho thấy khả năng phân biệt vượt trội.
Bảng 3.9 Bảng so sánh các giá trị FoM của 4 phương pháp trên chương trình MCA_DRS4 và so với các cơng trình khác.
Ngưỡng (keVee)
Giá trị FoM
Trong nghiên cứu này
So sánh với các cơng trình khác RP PGA CPR DCI 100 ÷ 400 7,64 ± 0,39 0,66 ± 0,059 1,01 ± 0,124 0,87 ± 0,065 1,22[9], 1,52[50], 1,43 ÷ 1,54[52] 400 ÷ 700 9,71 ± 0,25 0,96 ± 0,035 1,50 ± 0,083 1,37 ± 0,052 1,47[9], 2,19[50] 700÷1000 10,79 ± 0,17 1,04 ± 0,050 1,59 ± 0,090 1,44 ± 0,067 1,6[9], 2,21[50]
Bảng 3.10 so sánh giá trị FoM của phương pháp RP được phát triển trong nghiên cứu này với một số phương pháp phân biệt dạng xung mới gần đây của các tác giả khác. Tại mức ngưỡng 200keVee, giá trị FoM trong một số công bố gần đây vào khoảng 1,18 đến 1,6, trong khi phương pháp RP đạt giá trị 7,3. Với vùng năng lượng 100 ÷ 1600keVee, giá trị FoM trung bình của các phương pháp khác đạt 1,49 đến 1,66, trong khi phương pháp RP đạt giá trị 8,2. So sánh giá trị FoM lớn nhất từ các nghiên cứu tham khảo cho thấy phương pháp RP có FoM đạt 4,56 lần ở ngưỡng 200keVee và gấp 4,94 lần trong khoảng 100 ÷ 1600keVee. Các kết quả FoM trình bày trên bảng 3.10 đã cho thấy hiệu quả phân biệt của phương pháp RP vượt trội so với các phương pháp khác.
Bảng 3.10 Bảng so sánh giá trị FoM của phương pháp RP với một số phương pháp mới của các tác giả khác.
STT Phương pháp FoM (tại 200keVee) FoM (100 ÷ 1600keVee)
1 DCI [18] 1,18 ± 0,02 1,55 ± 0,02 2 FGAM [18] 1,14 ± 0,02 1,49 ± 0,02 3 WPTM [18] 1,35 ± 0,01 1,52 ± 0,02 4 DFTM [18] 1,49 ± 0,01 1,66 ± 0,02 5 DWT[33] 0,99 ± 0,02 - 6 DBQC[80] 1,6 -
Hình 3.26 Giá trị FoM trong vùng (100 ÷ 1600keVee)của các phương pháp DCI, FGAM, WPTM và DFTM [18].
Hình 3.26 trình bày giá trị FoM theo ngưỡng năng lượng của các phương pháp DCI, FGAM, WPTM và DFTM trong nghiên cứu của M.J.safiri và các cộng sự. Nếu so sánh các giá trị này với kết quả trong phương pháp tham chiếu được trình bày trên hình 3.7, giá trị FoM tăng theo ngưỡng năng lượng tương đồng với các phương pháp TCT, DCI và CPR nhưng có giá trị nhỏ hơn.
3.3.3 So sánh phổ nơtron/gamma đo được với một số nghiên cứu khác
Hình 3.27 so sánh kết quả đo phổ trên các nguồn gamma trong nghiên cứu này với nghiên cứu của Majid Jalali và các cộng sự [81] sử dụng “cell” nhấp nháy kích thước 5,08 cm × 5,08 cm. Phổ đo trên nguồn gamma 137
Cs và 60Co cho thấy có sự tương đồng, cả hai nghiên cứu thể hiện rõ các mép Compton tương ứng với các đỉnh quang điện của nguồn. Cạnh Compton trong nghiên cứu của Majid Jalali có độ dốc cao hơn do sử dụng thể tích“cell”nhấp nháy lớn hơn.
(a)
(b)
Hình 3.27 So sánh các phổ đo gamma từ: (a) Trong nghiên cứu này; (b) Trong nghiên cứu [81].
Hình 3.28 so sánh phổ đo trên nguồn 252Cf trong nghiên cứu này phổ đo của Majid Jalali và các cộng sự [81].
Hình 3.28 Phổ đo trên nguồn 252Cf: (a) Trong nghiên cứu này, (b) Nghiên cứu của Majid Jalali và các cộng sự [81].
KẾT LUẬN
Nhiệm vụ chính của luận án là thiết kế và chế tạo hệ tách nơtron và gamma sử dụng kỹ thuật xử lý tín hiệu số. Một trong những nghiên cứu quan trọng của luận án là thiết kế, chế tạo đetectơ có tiền khuếch đại và các giải thuật phân biệt xung nơtron và gamma từ đetectơ nhấp nháy với hệ điện tử lấy mẫu tần số cao bằng kỹ thuật xử lý tín hiệu số. Các kết quả chính đạt được của luận án gồm có:
1. Đã thiết kế chế tạo thành công một đetectơ đo nơtron và gamma sử dụng nhấp nháy lỏng EJ-301 với các đặc trưng chính:
Tỉ số tín hiệu trên tạp âm và độ tuyến tính cao, độ trơi mức DC nhỏ, thích hợp sử dụng trong các hệ đo nơtron và gamma.
Xung ra của đetectơ phù hợp để ứng dụng các phương pháp phân biệt dạng xung, phân loại và ghi nhận đồng thời cả nơtron và gamma trên một đetectơ. Khả năng phân biệt nơtron/gamma của hệ đo sử dụng đetectơ là tương đương như một số hệ đo khác trên thế giới [9,50,52]. Do đó, đetectơ thích hợp cho các hệ đo phổ nơtron và gamma chất lượng cao.
Độ nhạy, hiệu suất ghi và khả năng đo trong môi trường tốc độ đếm cao đã cho thấy đetectơ có thể sử dụng để xây dựng các hệ đo liều nơtron – gamma với dải liều rộng. Đetectơ được chế tạo với chi phí thấp mở ra khả năng ứng dụng rộng rãi trong các hệ đo cảnh báo phóng xạ nơtron-gamma.
2. Đã đánh giá và phát triển được một phương pháp phân biệt dạng xung nơtron/gamma mới dựa vào xung tham khảo với các kết quả đạt được:
Khả năng phân biệt nơtron/gamma cao hơn so với các phương pháp khác như TCT, PGA, DCI và CPR. Đặc biệt, hiệu quả phân biệt của phương pháp RP (FoM>7,0) vượt trội so với các phương pháp khác trong vùng ngưỡng năng lượng thấp dưới 200keVe. Hiệu quả phân biệt của phương pháp RP không phụ thuộc nhiều vào tỉ số tín hiệu trên tạp âm, do đó RP có thể áp dụng tốt trên các hệ đo nơtron sử dụng đetectơ nhấp nháy lỏng.
dạng xung chồng chập, do đó phương pháp RP có thể sử dụng trong các hệ đo nơtron-gamma yêu cầu chất lượng cao.
Phương pháp RP cơ bản dựa trên so sánh với xung tham khảo và có giải thuật đơn giản. Các giải thuật được thực hiện trực tiếp trên xung ra từ đetectơ nhấp nháy mà khơng cần hình thành lại xung, do đó phương pháp RP có khả năng áp dụng cho các hệ phân biệt nơtron/gamma bằng kỹ thuật số có tốc độ đếm cao nhưng khơng yêu cầu cao về tài nguyên phần cứng.
3. Đã xây dựng thành công hệ đo nơtron và gamma bằng kỹ thuật số sử dụng đetectơ EJ-301 và bản mạch số hóa DRS4 với các tính năng nổi bật:
Phần cứng hệ đo gồm đetectơ EJ301, bộ số hóa-xử lý xung, nguồn ni và máy tính kết nối với nhau trong một khối hệ nhỏ gọn, rất thích hợp để ứng dụng trong các hệ quan trắc và kiểm sốt phóng xạ, đo hoặc đánh giá đồng thời liều nơtron và gamma với khả năng di động cao.
Phần mềm điều khiển đo và thu nhận số liệu được tích hợp bốn phương pháp phân biệt dạng xung nơtron/gamma: PGA, DCI, CPR và RP có khả năng phân tách và nhận diện nhanh các xung nơtron/gamma với độ chính xác cao, đồng thời xây dựng phổ đo nơtron/gamma.
Các kết quả nghiên cứu của luận án đã góp phần nghiên cứu, nội địa hóa các hệ đo nơtron/gamma nói riêng và đo ghi bức xạ nói chung với chi phí thấp chất nhưng lượng cao.
NHỮNG VẤN ĐỀ CẦN NGHIÊN CỨU TIẾP THEO CỦA LUẬN ÁN
Việc thiết kế và xây dựng thành công hệ đo nơtron/gamma bằng kỹ thuật số sử dụng đetectơ EJ-301 và bản mạch số hóa DRS4 với phần mềm đo được tích hợp các thuật tốn phân biệt nơtron/gamma cho phép đo xác định đồng thời nơtron/gamma trên một đetectơ đã mở ra một số khả năng nghiên cứu tiếp theo:
1) Chuyển các giải thuật phân biệt dạng xung nơtron/gamma vào FPGA để tăng tốc độ nhận dạng xung của hệ.
2) Nghiên cứu ứng dụng khả năng đo đồng thời nơtron/gamma để xây dựng các hệ cảnh báo phóng xạ nơtron-gamma phục vụ trong công tác kiểm sốt an tồn phóng xạ.
3) Nghiên cứu các giải thuật trí tuệ nhân tạo để nâng cao khả năng nhận diện xung nơtron/gamma và tích hợp với phần cứng của FPGA để làm các hệ đo, cảnh báo thông minh. Bản mạch DRS4 với lợi thế về độ phân giải thời gian và cung cấp 4 kênh vào của bộ số hóa, có thể phát triển thành hệ đo đa năng như: ứng dụng trong các phép đo nơtron bằng thời gian bay và các hệ đo trùng phùng kỹ thuật số chất lượng cao.
DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN
1) Phan Van Chuan, Nguyen Duc Hoa, Nguyen Xuan Hai, Nguyen Ngoc Anh, Tuong Thi Thu Huong, Nguyen Nhi Dien, Pham Dinh Khang (2016), "The efficient neutron-gamma pulse shape discrimination with small active volume scintillation detector", Nuclear Science and Technology, Vol.6, No. 3, pp. 60-66.
2) Phan Van Chuan, Nguyen Xuan Hai, Nguyen Duc Hoa, Nguyen Ngoc Anh, Pham Dinh Khang, Dinh Tien Hung (2016), "Digital method comparision for discrimination of netrons and gamma-rays with scintillation detector”, Nuclear Science and Technology, Vol.6, No. 4, pp. 32-39.
3) Phan Van Chuan, Nguyen Duc Hoa, Nguyen Xuan Hai, Nguyen Duy Tan (2018),
"Manufacture of a fast neutron detector using EJ-301 liquid scintillator", Science &
Technology Development, Vol 21, No. T2, p. 76-81.
4) Phan Van Chuan, Nguyen Duc Hoa, Nguyen Xuan Hai, Nguyen Hoang (2018), "Development of a neutron/gamma pulse shape discrimination method for the fast neutron detector using EJ-301 liquid scintillator", Proceedings of Advances in Applied and Engineering Physics – CAEP V, pp. 75-81.
5) Phan Van Chuan, Nguyen Duc Hoa, Nguyen Xuan Hai, Nguyen Ngoc Anh, Nguyen Nhi Dien, Pham Dinh Khang (2018), “A scintillation detector configuration for pulse shape analysis”, Nuclear Engineering and Technology 50 pp. 1426-1432;
https://doi.org/10.1016/j.net.2018.07.009.
6) Phan Van Chuan, Nguyen Xuan Hai (2019), “Evaluating four neutron-gamma discrimination methods with EJ-301scintillator”, Analog Integrated Circuits and Signal Processing, Volume 98, Issue 1, pp 75–84;
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] G.F. Knoll, Radiation detection and measurement, John Wiley & Sons, 2010. [2] R. Nolte, Detection of Neutrons, in: Spring, 2010: pp. 1–24.
[3] A.. Peurrung, Recent developments in neutron detection, Nucl. Instruments Methods Phys. Res. Sect. A Accel. Spectrometers, Detect. Assoc. Equip. 443 (2000) 400–415. doi:10.1016/S0168-9002(99)01165-1.
[4] M. Nakhostin, P.M. Walker, Application of digital zero-crossing technique for neutron–gamma discrimination in liquid organic scintillation detectors, Nucl. Instruments Methods Phys. Res. Sect. A Accel. Spectrometers, Detect. Assoc. Equip. 621 (2010) 498–501.
[5] A.C. Comrie, A. Buffler, F.D. Smit, H.J. Wörtche, Digital neutron/gamma discrimination with an organic scintillator at energies between 1 MeV and 100 MeV, Nucl. Instruments Methods Phys. Res. Sect. A Accel. Spectrometers, Detect. Assoc. Equip. 772 (2015) 43–49.
[6] M. Flaska, M. Faisal, D.D. Wentzloff, S.A. Pozzi, Influence of sampling properties of fast-waveform digitizers on neutron− gamma-ray, pulse-shape discrimination for organic scintillation detectors, Nucl. Instruments Methods Phys. Res. Sect. A Accel. Spectrometers, Detect. Assoc. Equip. 729 (2013) 456–462.
[7] R. Aryaeinejad, J.K. Hartwell, D.F. Spencer, Comparison between digital and analog pulse shape discrimination techniques for neutron and gamma ray separation, in: Nucl. Sci. Symp. Conf. Rec. 2005 IEEE, IEEE, 2005: pp. 500– 504.
[8] M. Amiri, Discrimination of neutron and photon signals, (2012).
[9] C.S. Sosa, M. Flaska, S.A. Pozzi, Comparison of analog and digital pulse- shape-discrimination systems, Nucl. Instruments Methods Phys. Res. Sect. A Accel. Spectrometers, Detect. Assoc. Equip. 826 (2016) 72–79. doi:10.1016/j.nima.2016.03.088.
Speller, Neutron/gamma pulse shape discrimination in EJ-299-34 at high flux, in: 2015 IEEE Nucl. Sci. Symp. Med. Imaging Conf. NSS/MIC 2015, Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE), 2016.
[11] A. Masuda, T. Matsumoto, H. Harano, Y. Tanimura, Y. Shikaze, H. Yoshitomi, S. Nishino, S. Kurashima, M. Hagiwara, Y. Unno, Time-of-Flight Measurements for Low-Energy Components of 45-MeV Quasi- Monoenergetic High-Energy Neutron Field from 7Li(p,n) Reaction, IEEE Trans. Nucl. Sci. 62 (2015) 1295–1300.
[12] E. Bayat, N. Divani-Vais, M.M. Firoozabadi, N. Ghal-Eh, A comparative study on neutron-gamma discrimination with NE213 and UGLLT scintillators using zero-crossing method, Radiat. Phys. Chem. 81 (2012) 217–220. doi:10.1016/j.radphyschem.2011.10.016.
[13] F.D. Brooks, A scintillation counter with neutron and gamma-ray discriminators, Nucl. Instruments Methods. 4 (1959) 151–163.
[14] Y. Kaschuck, B. Esposito, Neutron/γ-ray digital pulse shape discrimination with organic scintillators, Nucl. Instruments Methods Phys. Res. Sect. A Accel. Spectrometers, Detect. Assoc. Equip. 551 (2005) 420–428.
[15] G. Liu, M.J. Joyce, X. Ma, M.D. Aspinall, A digital method for the discrimination of neutrons and γ rays with organic scintillation detectors using frequency gradient analysis, IEEE Trans. Nucl. Sci. 57 (2010) 1682– 1691. doi:10.1109/TNS.2010.2044246.
[16] D. Takaku, T. Oishi, M. Baba, Development of Neutron-Gamma Discrimination Technique using Pattern-Recognition Method with Digital Signal Processing, in: Prog. Nucl. Sci. Technol., 2011: pp. 210–213.
[17] A.A. Naqvi, M.M. Nagadi, K. Rehman, S. Kidwai, Performance comparison of NE213 detectors for their application in moisture measurement, Appl. Radiat. Isot. 53 (2000) 745–754.
[18] M.J. Safari, F.A. Davani, H. Afarideh, S. Jamili, E. Bayat, Discrete Fourier Transform Method for Discrimination of Digital Scintillation Pulses in Mixed
Neutron-Gamma Fields, IEEE Trans. Nucl. Sci. 63 (2016) 325–332.
[19] W. Bo, Z. Xue-Ying, C. Liang, G. Hong-Lin, M. Fei, Z. Hong-Bin, J. Yong- Qin, Z. Yan-Bin, L. Yan-Yan, X. Xiao-Wei, Digital pulse shape discrimination methods for n-γ separation in an EJ-301 liquid scintillation detector, Chinese Phys. C. 39 (2015) 116201.
[20] F. Pino, L. Stevanato, D. Cester, G. Nebbia, L. Sajo-Bohus, G. Viesti, The light output and the detection efficiency of the liquid scintillator EJ-309, Appl. Radiat. Isot. 89 (2014) 79–84. doi:10.1016/j.apradiso.2014.02.016. [21] S.D. Jastaniah, P.J. Sellin, Digital techniques for n/γ pulse shape
discrimination and capture-gated neutron spectroscopy using liquid scintillators, Nucl. Instruments Methods Phys. Res. Sect. A Accel. Spectrometers, Detect. Assoc. Equip. 517 (2004) 202–210.
[22] S.D. Ambers, M. Flaska, S.A. Pozzi, A hybrid pulse shape discrimination technique with enhanced performance at neutron energies below 500 keV, Nucl. Instruments Methods Phys. Res. Sect. A Accel. Spectrometers, Detect. Assoc. Equip. 638 (2011) 116–121.
[23] A.C. Comrie, A. Buffler, F.D. Smit, H.J. Wörtche, Digital neutron/gamma discrimination with an organic scintillator at energies between 1 MeV and 100 MeV, Nucl. Instruments Methods Phys. Res. Sect. A Accel. Spectrometers, Detect. Assoc. Equip. 772 (2015) 43–49.