3.1.3 Chuẩn năng lượng
Hình 3.4 Đường khớp của biên độ xung ra theo năng lượng của đetectơ với các nguồn chuẩn: 60Co, 22Na và 137Cs.
Đường chuẩn năng lượng cho đetectơ dựa trên xác định các mép compton tương ứng khi đo trên các nguồn 22
Na, 60Co và 137Cs. Số kênh được xác định tương ứng với các giá trị mép compton của các nguồn và được khớp với mơ hình tuyến tính. Đường chuẩn năng lượng được xác định cho đetectơ biểu diễn như (3.1).
( ) 0,32 262,5
E ch ch (3.1)
Trong đó: E là năng lượng tính theo keVee; ch là số kênh.
Dựa trên hệ số tương quan R2 = 0,99928 thu được từ việc khớp các điểm năng lượng từ các nguồn chuẩn gamma cho thấy độ tuyến tính của đetectơ đối với gamma rất cao. Điều này cho thấy, năng lượng tiêu tán của các điện tử (điện tử giật lùi sinh ra do gamma) trong chất nhấp nháy là tuyến tính với năng lượng của các điện tử nhận được. Trong khi, năng lượng tiêu tán của proton (proton giật lùi sinh ra do nơtron) khơng tuyến tính với năng lượng của proton. Do đó, thang năng lượng chuẩn hóa cho đetectơ EJ-301 được sử dụng là keVee (keV tương đương).
3.1.4 Độ nhạy của đetectơ
Sự phụ thuộc giữa biên độ xung ra và năng lượng bức xạ được biểu diễn trên hình 3.4. Số liệu cho thấy có sự phụ thuộc tuyến tính và trong vùng năng lượng khảo sát có dạng tuyến tính bậc nhất như (3.2).
( ) 0,1903 24, 2
V E E (3.2)
Trong đó: V là biên độ điện áp của xung ra (tính bằng mV); E là năng lượng
tính theo keVee của bức xạ.
Khi đó, độ nhạy của đetectơ EJ-301 tính theo (mV/MeV) như (3.3).
3 0,1903 10 190, 3 / s V G mV MeV E (3.3)
3.1.5 Hiệu suất ghi của đetectơ
Bảng 3.2 trình bày hiệu suất ghi của đetectơ EJ-301 trên một số nguồn bức xạ khác nhau. Đối với nguồn nơtron – gamma hiệu suất ghi chung đạt được 11,1%, các sự kiện được tính toán bao gồm cả nơtron và gamma. Đối với các nguồn gamma khác nhau hiệu suất ghi theo năng lượng đã được khảo sát và đạt giá trị lớn nhất trên nguồn 22Na (17,8%).
Bảng 3.2 Kết quả khảo sát tốc độ đếm và hiệu suất ghi của một số nguồn gamma và nơtron.
Nguồn Hoạt độ (Bq) Năng lượng (keV) Tốc độ đếm (cps) Hiệu suất ghi (%)
252 Cf 1,05194 10 7 2500 790,77 11,1 ± 0,1 60 Co 47962 1173 1732,8 9,8 ± 0,2 1332 137 Cs 94474 662 3869,5 3,9 ± 0,3 22 Na 4397 511 440,7 17,8 ± 2,1 1268 Phông* 182
3.1.6 Kết quả nghiên cứu các phương pháp phân biệt dạng xung nơtron/gamma với đetectơ EJ-301
Bảng 3.3 trình bày kết quả khớp xung theo mơ hình 6 tham số cho thấy tỉ lệ thành phần nhanh và chậm trên nguồn gamma và nguồn nơtron khác nhau rõ rệt. Điều này cho thấy đetectơ tạo ra các xung nơtron và gamma đã có hình dạng khác nhau, do đó có thể sử dụng các phương pháp phân biệt dạng xung để nhận biết nơtron/gamma.
Bảng 3.3 Bảng các tham số khớp với số liệu đo từ nguồn 137Cs và 252Cf theo biểu thức (1.2).
Tham số A (a.u) B (a.u) 1(ns) s(ns) L(ns) t0(ns)
137
Cs 2,88 ± 0,02 0,168 ± 0,012 20,36 3,2 32,8 -25
252
Cf 2,47± 0,06 0,70 ± 0,041 20,36 3,2 32,8 -25
a.u: đại lượng không thứ nguyên.
(a) (b)
(c) (d)
Các kết quả thu được trên bốn phương pháp phân biệt dạng xung trình bày trên hình 3.5 cho thấy các xung đã được phân tách thành hai vùng. Vùng bên dưới được xem là các sự kiện gamma và vùng nằm bên trên được xem là các sự kiện nơtron. Kết quả phân biệt của cả bốn phương pháp đều cho thấy hiệu quả phân biệt dạng xung ở vùng trên 200keVee đạt kết quả tốt, trong khi vùng dưới ngưỡng 200keVee các phương pháp PGA và CPR không cao.
(a) (b)
(c) (d)
Hình 3.6 Kết quả tính tốn FoM của: (a) Phương pháp TCT, (b) Phương pháp PGA, (c) Phương pháp DCI, (d) Phương pháp CPR.
Kết quả tính tốn FoM của bốn phương pháp phân biệt dạng xung tại ngưỡng 200keVee được trình bày trên hình 3.6 (a), (b), (c) và (d) tương ứng. Tại ngưỡng
khảo sát cho thấy phương pháp CPR có giá trị FoM lớn nhất và phương pháp PGA có giá trị nhỏ nhất. Phân bố thống kê tham số PSD của bốn phương pháp cũng cho thấy phương pháp CPR có thành phần nơtron và gamma giao nhau (phần không phân biệt được) nhỏ nhất, trong khi ở phương pháp PGA tham số này lớn nhất.
Hình 3.7 Các giá trị thực nghiệm FoM của bốn phương pháp theo năng lượng khảo sát trong vùng 50 ÷ 1100keVee.
Hình 3.7 trình bày kết quả khảo sát FoM theo ngưỡng năng lượng cho bốn phương pháp trong vùng 50 ÷ 1100keVee. Kết quả khảo sát cho thấy cả bốn phương pháp có giá trị FoM nhỏ ở vùng năng lượng thấp và tăng dần khi ngưỡng năng lượng khảo sát tăng. Trong toàn bộ dải khảo sát, giá trị FoM của phương pháp PGA là nhỏ nhất. Trong khi phương pháp CPR đạt giá trị tốt nhất. Bên cạnh đó các giá trị FoM của phương pháp DCI nhỏ hơn các giá trị tương ứng của phương pháp CPR. Tuy nhiên giá trị khác biệt không nhiều và gần như có phân bố đồng dạng với phương pháp CPR. Các giá trị FoM của phương pháp TCT nhỏ hơn của phương pháp DCI trong vùng năng lượng trên 200keVee. Tuy nhiên, trong vùng dưới 200keVee, phương pháp TCT có khả năng phân biệt tốt hơn so với phương pháp DCI. Giá trị FoM của ba phương pháp TCT, DCI và CPR đạt giá trị lớn hơn 1 tại ngưỡng 200keVee. Do đó, hiệu quả phân biệt dạng xung của ba phương pháp này là tốt đối với vùng năng lượng trên ngưỡng 200keVee.
Giá trị FoM của 4 phương pháp theo năng lượng khá phù hợp với mơ hình (3.4). / 0 x t yAe y (3.4)
Trong đó: y là giá trị FoM, x là năng lượng; A, t và y0 được xác định từ quá
trình khớp. Giá trị A và t có thể xem như các hệ số đánh giá tốc độ tăng của FoM theo năng lượng.
Bảng 3.4 Giá trị các tham số của (3.4) thu được từ quá trình khớp của bốn phương pháp.
Tham số TCT PGA DCI CPR
y0 1,35 ± 0,01 1,07 ± 0,01 1,44 ± 0,01 1,59 ± 0,01
A -0,35 ± 0,03 -0,72 ± 0,03 -1,47 ± 0,05 -1,48 ± 0,07
T -344 ± 38 -297 ± 28 -165 ± 9 -177 ± 12
Các đường khớp thu được từ bốn phương pháp cho thấy:
1) Khả năng phân biệt của hai phương pháp DCI và CPR có dạng tương đồng và tăng nhanh theo ngưỡng năng lượng. Trong khi hai phương pháp TCT và PGA cũng có dạng tương đồng, nhưng tăng chậm hơn. Giá trị FoM tại ngưỡng khảo sát thấp nhất (50keVee) của phương pháp PGA, DCI và CPR tương đương nhau (0,52, 0,41 và 0,44), nhưng phương pháp TCT đạt giá trị cao hơn (0,66).
2) Khả năng phân biệt của phương pháp PGA đạt hiệu quả thấp nhất trên toàn vùng khảo sát.
3) Trong vùng trên ngưỡng 200keVee, FoM của phương pháp DCI và CPR đạt giá trị cao hơn TCT. Tuy nhiên, FoM của phương pháp TCT trong vùng này cũng đạt giá trị lớn hơn 1,0.
4) Trong vùng dưới ngưỡng 200keVee, FoM của phương pháp DCI và CPR có giá trị thấp hơn so với TCT.
Hệ số A của đường khớp trên phương pháp TCT nhỏ nhất cho thấy phương pháp ít phụ thuộc vào ngưỡng năng lượng so với DCI và CPR. Bên cạnh đó giá trị FoM tại ngưỡng khảo sát thấp nhất đạt 0,66 và lớn hơn 1,0 trên vùng 200keVee cho thấy hiệu quả phân biệt của TCT không quá cao nhưng lại ổn định, đặc biệt là trong vùng năng lượng thấp.
Về tổng quan có thể nhận định phương pháp CPR đạt hiệu quả phân biệt tốt nhất trong bốn phương pháp đã khảo sát. Tuy nhiên, nếu xét về mức độ phức tạp trong tính tốn của bốn phương pháp thì phương pháp PGA và phương pháp TCT đơn giản nhất. Phương pháp DCI có khối lượng tính tốn nhiều nhưng khơng phức tạp, trong khi phương pháp CPR sử dụng phương pháp tính tốn phức tạp nhất. Do vậy, nếu ứng dụng có tài nguyên phần cứng nhỏ, yêu cầu tốc độ xử lý cao nhưng không yêu cầu cao về hiệu quả phân biệt nơtron/gamma thì phương pháp TCT là lựa chọn tốt nhất, đặc biệt là ở vùng ngưỡng thấp. Trong khi đó, nếu ứng dụng yêu cầu hiệu quả phân biệt cao, đồng thời khơng u cầu cao về tốc độ có thể sử dụng phương pháp CPR.
3.2 Kết quả đạt được của phương pháp xung tham khảo trên đetectơ EJ-301
Phương pháp RP đã được thực hiện với dữ liệu số hóa từ các nguồn 252
Cf và
60
Co để đánh giá khả năng phân biệt dạng xung từ đetectơ của phương pháp. Phương pháp tích phân số DCI cũng được sử dụng như là một phương pháp tham khảo với phương pháp RP. Kết quả phân bố giá trị S theo năng lượng của phương pháp RP với dữ liệu đo trên nguồn 252Cf và 60Co được trình bày trên hình 3.8 (a) và (b) tương ứng. Các kết quả này đã được thực hiện với 150.000 xung đo trên nguồn
252Cf và 90.000 xung đo trên nguồn 60
Co. Thống kê của phương pháp RP và phương pháp DCI với ngưỡng 50 keVee được trình bày trên hình 3.11 (a) và (b) tương ứng. Kết quả phân bố và thống kê của phương pháp DCI với ngưỡng 50keVee được trình bày trên hình 3.9 (a) và (b) tương ứng.
Các giá trị FoM được tính tốn trong khoảng 50 ÷ 1000keVee như là một hàm theo ngưỡng năng lượng cho phương pháp DCI và phương pháp RP. Mỗi điểm tính
FoM được thực hiện với khoảng 10.000 xung cho mỗi phương pháp, kết quả được so sánh và trình bày trên hình 3.12.
(a) (b)
Hình 3.8 Đồ thị phân bố kết quả của phương pháp RP trên (a) Nguồn 252
Cf. (b) Nguồn 60Co với ngưỡng 50keVee.
(a) (b)
Hình 3.9 Kết quả của phương pháp DCI: (a) Phân bố tham số phân biệt dạng xung theo năng lượng. (b) Thống kê với ngưỡng 50keVee.
(a) (b)
Hình 3.10 Các giá trị FoM tính tốn bằng phương pháp RP cho (a) Nguồn 252Cf. (b) Nguồn 60Co với ngưỡng 50keVee.
Các kết quả PSD theo năng lượng của phương pháp RP và phương pháp DCI cho số liệu số hóa bởi DPO7254C được trình bày trong hình 3.12. Sự phân biệt của phương pháp RP là rõ ràng hơn so với phương pháp DCI cho vùng năng lượng được khảo sát. Giá trị FoM của vùng 50 ÷ 1500keVee của phương pháp RP là 8,2 trong khi phương pháp DCI chỉ là 0,86. Kết quả phân tích của phương pháp RP trên nguồn 60Co cho thấy tỉ lệ phân loại gamma bị nhầm sang nơtron là 4,1%. Sự nhầm lẫn này có thể giải thích do méo dạng xung và sự chồng chập của các xung gamma. Phương pháp RP cho thấy sự phân loại chính xác đạt 96% trên nguồn gamma với ngưỡng 50keVee.
(a) (b)
Hình 3.12 Các giá trị FoM theo ngưỡng năng lượng tương ứng với phương pháp DCI và phương pháp RP trong vùng năng lượng 50 ÷ 1350keVee.
Các giá trị FoM thu được của phương pháp RP vượt trội hơn hẳn so với phương pháp DCI trong toàn bộ vùng năng lượng khảo sát. Các giá trị FoM của phương pháp DCI tăng liên tục từ 0,53 tại ngưỡng 50keVee đến 1,62 tại ngưỡng 1350keVee. Trong khi đó các giá trị FoM của phương pháp RP tăng liên tục từ 4,47 tại ngưỡng 50keVee đến 26,2 tại ngưỡng 1350keVee. Phương pháp RP cho thấy giá trị FoM đã cải thiện 8,4 lần tại ngưỡng 50keVee và 16 lần tại ngưỡng 1350keVee. Các giá trị FoM thu được của phương pháp DCI cũng tương tự như các kết quả trong nghiên cứu [4,19].
3.3 Kết quả thực hiện trên hệ đo nơtron và gamma
3.3.1 Chương trình MCA_DRS4
Chương trình MCA_DRS4 được thiết kế cho hệ đo nơtron sử dụng đetectơ EJ- 301 và bản mạch DRS4 thực hiện các chức năng chính sau:
2) Phân biệt các sự kiện nơtron với gamma bằng bốn phương pháp phân biệt dạng xung: Phương pháp xung tham khảo (RP), phương pháp độ dốc xung (PGA), phương pháp diện tích xung (DCI) và phương pháp nhận dạng mẫu (CPR).
3) Tính tốn phổ tổng, phổ gamma và phổ nơtron thu được trên đetectơ EJ-301.
Hình 3.13 Giao diện cửa sổ tính tốn phổ tổng trên nguồn 252Cf.
Hình 3.14 trình bày một kết quả đo phổ nơtron nhanh và gamma trên phần mềm MCA_DRS4.
Hình 3.15 Giao diện cửa sổ biểu diễn các tham số PSD cho các phương pháp khi đo trên nguồn 252
Cf.
Hình 3.16 Giao diện cửa sổ hiển thị các phổ nơtron và phổ gamma đo trên dòng nơtron 148keV từ kênh số 4.
(a) (b)
Hình 3.17 Kết quả tính tốn các tham số phân biệt của 4 phương pháp trên kênh số 4 khi: (a) Kênh được đóng, (b) Kênh được mở.
(a) (b)
Hình 3.18 Kết quả phân biệt nơtron/gamma của phương pháp DCI khi đo trên nguồn 252Cf. (a) Khi đóng nguồn, (b) Khi mở nguồn.
(a) (b)
(a) (b)
Hình 3.20 Kết quả phân biệt nơtron/gamma của phương pháp RP khi đo trên nguồn 252Cf. (a) Khi đóng nguồn. (b) Khi mở nguồn.
(a) (b)
Hình 3.21 Thống kê tham số PSD khi đo trên nguồn 252Cf của: (a) Phương pháp DCI. (b) Phương pháp RP.
Tỉ lệ nơtron/gamma xác định trên chương trình MCA_DRS4 với các phương pháp RP, DCI, PGA và CPR khi đo phông và nguồn 252Cf được trình bày trong bảng 3.4, trong đó sử dụng các ngưỡng phân biệt cố định để phân loại nơtron/gamma. Từ số liệu phân tích phơng cho thấy tỉ lệ phân loại chính xác đối với gamma của phương pháp RP đạt giá trị lớn nhất (97,2%). Trong khi đó độ chính xác khi phân loại của phương pháp CPR đạt giá trị thấp nhất (62,9%). Tỉ lệ phân loại khi mở nguồn 252Cf của phương pháp RP đạt 18,7%, phương pháp DCI đạt 25,53 %, phương pháp PGA đạt 17,87% và phương pháp CPR đạt 57,86%. Tỉ lệ phân loại
của phương pháp CPR đạt giá trị lớn nhất (57,86%) cho thấy sai số lớn do phân bố tham số PSD khơng tuyến tính ở vùng năng lượng thấp. Do đó, một lượng lớn xung gamma có biên độ thấp đã bị phân loại nhầm sang nơtron. Tỉ lệ nơtron phân loại được của mỗi phương pháp sẽ được hiệu chỉnh dựa vào tỉ lệ nơtron đo được khi đóng nguồn (để loại bỏ phần nhầm lẫn). Tỉ lệ nơtron sau hiệu chỉnh của phương pháp CPR có giá trị nhỏ nhất (10,76%), hai phương pháp DCI và PGA đạt giá trị tương đương nhau (12,45% và 12,39%), trong khi phương pháp RP đạt giá trị lớn nhất 15,9%.
Bảng 3.5 So sánh tỉ lệ nơtron phân loại được so với số sự kiện ghi nhận được giữa các phương pháp. Phương pháp Tỉ lệ nơtron khi đóng nguồn (%) Tỉ lệ nơtron khi mở nguồn (%) Tỉ lệ nơtron có hiệu chỉnh (mở nguồn) (%) RP 2,80 18,70 15,90 DCI 13,14 25,53 12,39 PGA 5,42 17,87 12,45 CPR 47,10 57,86 10,76
Hình 3.22 Kết quả đo phông khi đóng nguồn 252Cf sử dụng phương pháp RP.
Hình 3.23 Kết quả đo phổ khi mở nguồn 252Cf sử dụng phương pháp RP. Hình 3.22 trình bày kết quả đo phơng khi nguồn 252Cf được đóng cho thấy một phần gamma bị phân loại nhầm thành nơtron trong phương pháp RP. Phân bố phổ phông nơtron cho thấy các sự kiện bị phân loại nhầm chủ yếu tập trung trong vùng
dưới 500keVee. Hình 3.23 trình bày kết quả phổ đo được khi mở nguồn 252
Cf, tốc độ và dạng phổ có khác biệt rõ ràng trong vùng biên độ cao.
1) Kết quả số đếm khi đo trên nguồn 252Cf và phông
Số đếm tổng, số đếm nơtron và gamma xác định được từ chương trình MCA_DRS4 được trình bày trên bảng 3.6.
Bảng 3.6 Kết quả đếm nơtron và gamma trên nguồn 252Cf.
Nguồn đo Thời gian đo (s) Số đếm tổng Số đếm nơtron Số đếm gamma Tỉ lệ số đếm nơtron/số đếm tổng (%) Tỉ lệ nơtron/gamma
của nguồn đo*
252
Cf 7388 2305060 431046 1874014 18,7 3,5n : 8,5
Phông 15515 2768273 77511 2690762 2,8 0n : 1
*: tỉ lệ lý tưởng.
Tỉ lệ nơtron trên tổng số nơtron và gamma phát ra từ nguồn 252Cf là khoảng 28,57 %; trong khi đó tỉ lệ nơtron trên tổng đo được là 16,8%. Tỉ lệ nơtron trên tổng số đếm khi đo phông là 2,8%. Tỉ lệ phân loại chính xác 97,2% đã chứng tỏ hệ đo đạt hiệu quả cao. Tỉ lệ phân loại gamma chính xác này tương đương như trong