3) Xác định phơng nơtron
Các phép đo khi đóng nguồn nơtron được kỳ vọng chỉ nhận được các sự kiện đóng góp vào phổ gamma. Tuy nhiên, một số sự kiện gamma chồng chập hoặc nơtron vẫn cịn đã đóng góp vào phổ nơtron. Phổ nơtron đo trong trường hợp này gọi là “phông nơtron”, được sử dụng như một tham số để hiệu chỉnh trong phép đo phổ nơtron. Phông nơtron phụ thuộc vào cấu hình đo và nguồn nơtron, do đó phơng nơtron cần được xác định cho mỗi cấu hình đo cụ thể. Trong mỗi phép đo phông nơtron, phổ phông nơtron được xác định theo tỉ lệ giữa phổ nơtron với phổ tổng. Hình 2.48 và hình 2.49 trình bày các phổ phơng nơtron trong phép đo phông trên nguồn 252Cf và trên dòng nơtron phin lọc 148keV.
Hình 2.48 Phổ phơng nơtron của nguồn 252Cf.
Hình 2.49 Phổ phơng nơtron trên kênh số 4.
Hình 2.50 Hình ảnh đo thực nghiệm trên nguồn 252Cf.
Hình 2.51 Hình ảnh đo thực nghiệm trên kênh 4 của LPƯHN.
4) Ghi phổ
Trong một phép đo phổ nơtron bằng hệ đo DRS4, ba phổ biên độ được tính tốn và lưu trữ trên máy tính bao gồm:
a) Phổ tổng: Được tính tốn dựa trên biên độ của các sự kiện mà không phân biệt
các sự kiện nơtron/gamma. Số đếm trên mỗi kênh của phổ tổng được thống kê trực tiếp sau mỗi sự kiện được phát hiện.
b) Phổ gamma: Được tính tốn dựa trên biên độ các xung được nhận dạng là gamma bằng phương pháp RP. Số đếm trên mỗi kênh của phổ gamma được thống kê trực tiếp sau mỗi xung đo được nhận dạng.
c) Phổ nơtron nhanh: Được tính tốn dựa trên biên độ các xung được nhận dạng là
nơtron bằng phương pháp RP. Số đếm trên mỗi kênh của phổ nơtron được thống kê trực tiếp sau mỗi xung đo được nhận dạng. Phổ nơtron nhanh sau đó được hiệu chỉnh với phơng nơtron để thu được phổ nơtron nhanh chính xác theo (2.24).
(1 )
n p n
N n N (2.24)
Trong đó: Nn là giá trị tại kênh thứ n của phổ nơtron; np là giá trị tại kênh thứ n của phổ phông nơtron.
5) Nhận diện các xung chồng chập
Mặc dù các xung từ đetectơ được hình thành rất ngắn (vài trăm ns), tuy nhiên
các hiện tượng chồng chập xung vẫn xảy ra, đặc biệt là vùng biên độ thấp. Khi hai xung chồng chập sẽ có 4 trường hợp xảy ra: gamma-gamma, gamma-nơtron, nơtron-gamma hoặc nơtron–nơtron chập với nhau. Một xung chồng chập có xác suất phân loại thành nơtron cao hơn do đi xung dài hơn bình thường [22,25]. Vì vậy, để giảm sai số trong kết quả phân loại, các xung chồng chập cần được nhận diện và loại bỏ khỏi kết quả đo. Có nhiều phương pháp nhận dạng các xung chồng chập, tuy nhiên phương pháp nhận dạng dựa vào diện tích xung thường được sử dụng trong các nghiên cứu trước đây [4,6,7,9,10,22,23,47]. Phương pháp diện tích dựa trên việc tính tỉ lệ giữa diện tích xung với biên độ xung. Do các xung chồng chập làm tăng diện tích xung mà khơng ảnh hưởng nhiều đến biên độ xung nên tỉ lệ này của xung chồng chập sẽ lớn hơn so với xung bình thường. Phương pháp này kém hiệu quả đối với những trường hợp chồng chập biên độ thấp do tỉ lệ diện tích với biên độ xung gamma chồng chập tương đương như xung nơtron bình thường. Phương pháp RP nhận diện các xung chồng chập bằng cách tính tham số Ppileup theo (2.17) cho mỗi sự kiện. Khi xung không bị chồng chập, tham số Ppileup của xung có giá trị nhỏ. Khi tham số Ppileup của xung tính được giá trị lớn hơn một ngưỡng nào đó, xung được xem như đã bị chồng chập. Hình 2.52 trình bày kết quả tính tốn tham số Ppileup của xung theo năng lượng và tham số S cho các sự kiện khi đo trên
(a) (b)
Hình 2.52 Phân bố các tham số chồng chập tính theo: (a). Biên độ xung; (b). Tham số nhận dạng S.
Kết luận chương 2
Một cấu hình thiết kế và chế tạo đetectơ đo nơtron và gamma sử dụng chất nhấp nháy lỏng EJ-301 gồm: đầu nhấp nháy EJ-301, PMT và tiền khuếch đại đã được trình bày. Các đánh giá cho đetectơ như hiệu suất ghi, độ nhạy, độ tuyến tính và khả năng phân biệt nơtron/gamma của đetectơ đã được thực hiện.
Năm thuật toán phân biệt dạng xung nơtron/gamma: TCT, PGA, DCI, CPR và RP đã được nghiên cứu, ứng dụng nhận dạng xung từ đetectơ EJ-301. Các chương trình thực hiện năm thuật tốn phân biệt dạng xung được xây dựng trên phần mềm Matlab.
Một hệ đo nơtron và gamma đã được xây dựng dựa trên đetectơ EJ-301 và bộ số hóa DRS4. Phần mềm giao tiếp giữa bản mạch DRS4 với máy tính được viết bằng ngơn ngữ C++, chương trình phân biệt dạng xung và tính tốn phổ được viết bằng LabVIEW 2016. Kết quả đã được kiểm tra, đánh giá, hiệu chuẩn và thử nghiệm với nguồn 252Cf và dòng nơtron phin lọc 148 keV trên kênh ngang của Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt.
Chương 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1 Kết quả thiết kế và chế tạo đetectơ EJ-301 đo nơtron-gamma
3.1.1 Các tham số cơ bản của đetectơ
Hình 3.1 trình bày mức DC thay đổi theo thời gian khảo sát cho thấy mức DC bị trôi trong khoảng từ 50,71mV đến 51,24mV, khoảng thay đổi mức DC là 0,53mV. Hình 3.1 (b), (d) cho thấy phân bố mức DC xung quanh giá trị trung bình (mean = 50,9mV). Tính tốn trên phân bố DC thu được độ rộng nửa chiều cao (FWHM) là: 0,19mV. Các giá trị nhiễu đầu ra (rms) theo thời gian được trình bày trên hình 3.1 (a) và hình 3.1 (c).
Hình 3.2 trình bày kết quả khảo sát đường cơ bản của xung ra từ đetectơ. Giá trị trung bình đạt 35,8mV và độ rộng phân bố là 0,118mV – tương đương 0,76keVee. Khoảng biến thiên lớn nhất trong khảo sát là 0,59mV– tương đương 3,1keVee.
Hình 3.2 Đường cơ bản của xung theo tốc độ đếm.
Bảng 3.1 Kết quả khảo sát các tham số của đetectơ EJ-301.
Tham số đánh giá Giá trị trung bình Độ rộng phân bố (FWHM)
Mức DC (tĩnh) 51,2mV 0,19mV
Vùng đo 0 ÷ 4992keVee
Nhiễu đầu ra 0,797mV (4,18keVee) 0,034mV
Đường cơ bản 35,8mV 0,288mV
Độ nhạy 190,3mV/MeVee
Thời gian chết 2,9%
Tỉ số tín hiệu trên nhiễu
(ngưỡng 500keV) 29dB
Đường chuẩn năng
lượng E ch( )0, 32ch262,5
Hiệu suất ghi tổng (%)
60 Co 9,8 ± 0,2 137 Cs 3,9 ± 0,3 22 Na 17,8 ± 2,1 252
Kết quả khảo sát các tham số quan trọng của đetectơ được trình bày trên bảng 3.1 gồm các khảo sát tĩnh và động trên đetectơ. Các khảo sát tĩnh cho kết quả mức DC đầu ra của đetectơ có giá trị 51,2mV. Mức DC biến động với giá trị rms =
0,19mV; giá trị này tính theo thang năng lượng tương đương được thiết lập cho đetectơ là 0,998keVee. Nhiễu đầu ra xấp xỉ giá trị 0,3025mV tính theo thang năng lượng tương đương của chuẩn cho đetectơ là 1,6keVee. Giá trị phân tán đường cơ bản trong chế độ động là 0,288mV, giá trị này tính theo năng lượng tương đương khi chuẩn cho đetectơ là 1,98keVee. Thời gian chết của đetectơ đạt được 2,9% khi mức ngưỡng dưới cài đặt trong hệ đo khoảng 50keVee.
3.1.2 Độ tuyến tính của đetectơ
Hình 3.3 trình bày kết quả khảo sát điện áp vào và điện áp ra cho thấy vùng tuyến tính của TKĐ khi biên độ xung ra nằm trong khoảng 50,9 ÷ 2700mV, với hệ số tương quan R2 = 0,99997. Vùng điện áp này tương đương với vùng năng lượng đo của đetectơ từ 0 đến 13.500keVee. Vùng năng lượng này cũng phù hợp với thiết kế cho một hệ đo nơtron sử dụng đetectơ EJ-301 và bản mạch số hóa DRS4.
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 tốn 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