.40 Đánh giá mức DC và nhiễu khi lối vào TKĐ nối đất

2) Các khảo sát động trên đetectơ nơtron a) Đường cơ bản theo tốc độ đếm

Đường cơ bản của xung được xác định là giá trị trung bình của các mẫu trong khoảng trước khi xung vượt ngưỡng. Việc xác định đường cơ bản của xung để hiệu chỉnh các thơng số tính tốn trong các phương pháp phân biệt dạng xung khác nhau. Ở tốc độ đếm cao, tần suất xuất hiện các xung ở vùng biên độ thấp rất lớn nên khả năng chồng chập xung thường xuyên hơn làm cho đường cơ bản có chiều hướng trơi lên phía trên. Cấu hình khảo sát đường cơ bản được trình bày trên hình 2.41 bao gồm: Nguồn 252Cf có hoạt độ 7

5,05 10 8%(n/s) (ở thời điểm 2011); tốc độ đếm được điều chỉnh bằng thay đổi khoảng cách giữa nguồn và đetectơ.

Bảng 2.8 Tốc độ đếm theo khoảng cách đến nguồn và giá trị đường cơ bản.

Tốc độ đếm (cps) Giá trị đường cơ bản (V) Tốc độ đếm (cps) Giá trị đường cơ bản (V)

1698 0,0357 649 0,0360 1490 0,0358 602 0,0360 1343 0,0360 577 0,0361 1263 0,0360 547 0,0359 1120 0,0360 508 0,0359 1048 0,0358 462 0,0359 1037 0,0358 489 0,0358 955 0,0357 460 0,0357 797 0,0357 439 0,0357 867 0,0357 411 0,0359 781 0,0357 422 0,0359 768 0,0357 331 0,0359 683 0,0359 346 0,0363 614 0,0359

Bảng 2.8 cho thấy khi tốc độ đếm tăng gấp đôi cũng chưa làm dịch chuyển đường cơ bản.

b) Vùng tuyến tính của TKĐ

Vùng tuyến tính của TKĐ được xác định dựa vào quan hệ giữa biên độ xung ra và biên độ xung vào. Sơ đồ khảo sát vùng tuyến tính được bố trí như hình 2.38 bao gồm: máy phát xung (ORTEC Model 419), mạch hình thành xung RC và Oscilloscope (DPO7254C). Biên độ đầu vào và đầu ra của TKĐ được xác định đồng thời bằng hai kênh của DPO7254C.

c) Tổng nhiễu của TKĐ

Nhiễu sinh ra trong TKĐ đóng góp vào xung ra có thể làm ảnh hưởng đến các kết quả phân tích xung. Đóng góp nhiễu của TKĐ được xác định thông qua đo tổng

nhiễu đầu ra và tổng nhiễu đầu vào của TKĐ. Nếu tổng nhiễu đo được tại đầu vào và đầu ra của TKĐ lần lượt là Ninvà Nout, thì nhiễu của TKĐ NTKD đóng góp vào được xác định theo (2.18) [78].

2 2

TKD out in

N  N N (2.18)

Thành phần nhiễu tần số cao đã được lọc bỏ bởi mạch lọc Sallenky có tần số cắt fc33,8MHz. Các nhiễu điện tử ở vùng tần số cao hơn tần số cơ bản của tín hiệu có thể loại bỏ được bằng các mạch lọc thông thấp. Với các nhiễu có tần số thấp hơn tần số cơ bản của tín hiệu, ảnh hưởng không nhiều đến kết quả phân biệt nơtron/gamma vì chúng được xem như chỉ làm thay đổi đường cơ bản của tín hiệu.

Hình 2.42 Dạng xung từ đetectơ và thống kê nhiễu.

Tỉ số tín hiệu trên nhiễu điện tử (SNR) được tính theo cơng thức (2.19) [78].

10 20 log rms dB rmsn V SNR V        (2.19)

Trong đó: Vrmslà giá trị hiệu dụng của tín hiệu; Vrmsnlà giá trị hiệu dụng của nhiễu.

Hình 2.43 Giá trị SNR theo ngưỡng năng lượng trong trường hợp hệ số khuếch đại 13,2 và 8,9.

Các khảo sát SNR trong vùng năng lượng 100 ÷ 2000keVee với hai hệ số khuếch đại: 13,2 (cao) và 8,9 (thấp) được trình bày trên hình 2.43. Cả hai khảo sát đều sử dụng cùng bộ lọc Sallen-key với các tham số trình bày trên hình 2.7. Hình 2.43 cho thấy SNR tăng theo hệ số khuếch đại của TKĐ là do tín hiệu được khuếch đại nhưng thành phần nhiễu vẫn được lọc bởi mạch Sallen-key.

3) Khảo sát hiệu suất ghi của đetectơ

a) Khảo sát hiệu suất ghi của đetectơ với nguồn nơtron – gamma

Cấu hình đánh giá hiệu suất ghi nội của đetectơ với nguồn nơtron – gamma bố trí như hình 2.44. Đetectơ EJ-301 được đặt cách nguồn 252

Cf là 100cm. Xung từ đetectơ được đếm bởi MCA cùng phần mềm ghi nhận và phân tích phổ trên máy tính. Trong lúc mở nguồn 252Cf, số đếm nơtron – gamma từ đetectơ được hệ MCA ghi nhận trong khoảng 1800 giây (s).

Hiệu suất ghi nội của đetectơ được tính bởi (2.20) [1]. dt den N N   , (2.20)

trong đó: Nden là số bức xạ từ nguồn đến đầu đetectơ;Ndt là số bức xạ mà đetectơ ghi nhận được từ nguồn bức xạ đến.

Số bức xạ từ nguồn đến đetectơ được tính theo hoạt độ hiện tại của nguồn và góc khối của đetectơ nhìn từ nguồn. Ndenđược tính tốn theo biểu thức (2.21) và giá trị được trình bày trên bảng 2.9.

den

d N  N

 (2.21)

Trong đó: N là số bức xạ nơtron-gamma trung bình phát ra trong 1 giây; d là góc khối của đetectơ nhìn từ nguồn;  4 là góc khối tổng.

Nếu số bức xạ đetectơ ghi nhận được (Ndet) bao gồm cả số bức xạ đến từ nguồn (Ndt) và số bức xạ đến từ phông (Nph), thì hiệu suất ghi của đetectơ được tính: det ph den N N N   (2.22)

b) Khảo sát hiệu suất ghi trên nguồn gamma

Hiệu suất ghi của đetectơ đối với gamma được đánh giá qua các nguồn chuẩn

137

Cs hoạt độ 407kBq (05/2011), 60Co hoạt độ 407kBq (12/2000) và 22Na hoạt độ 333kBq (12/2000). Các nguồn gamma được đặt sát mặt của đetectơ. Tín hiệu từ đetectơ được khuếch đại và hình thành xung bằng khuếch đại 2022 của Canberra với thời gian hình thành xung 0,1µs, sau đó được MCA phân tích trong thời gian 1800 giây.

4) Độ nhạy của đetectơ

Độ nhạy của đetectơ được xác định bằng biên độ điện áp ra tương ứng với năng lượng gamma của các nguồn chuẩn. Trong khảo sát này ba nguồn chuẩn gamma: 22Na, 137Cs và 60Co được sử dụng. Năng lượng của bức xạ ghi được xác định dựa vào các nguồn chuẩn 60

Co, 22Na và 137Cs theo phương pháp xác định mép compton lớn nhất [1]. Các đỉnh quang điện tương ứng với mức điện áp của đetectơ EJ-301 khi đo với các nguồn 22Na, 137Cs và 60Co được trình bày trong bảng 2.9.

Độ nhạy của đetectơ thiết kế đạt được 190,3mV/MeVee. Nếu mức cơ bản được điều chỉnh về 0 tương ứng với 0keVee thì 950mV tương ứng với mức 4992keVee. Bảng 2.9 Biên độ xung ra tương ứng với năng lượng các nguồn 22Na,137Cs và 60Co.

STT Nguồn Năng lượng ( ) E keV Mép compton ( ) C E keV Biên độ xung (mV) 1 22Na 511 341 64,9 2 22Na 1268 1060 201,7 3 137Cs 662 477 90,8 4 60Co 1332 1120 213,1

5) Khảo sát các thành phần phân rã của xung từ đetectơ EJ-301

Khoảng 20.000 xung đo trên nguồn 252Cf với mức ngưỡng 50keVee được phân loại bởi phương pháp DCI để xây dựng tập xung nơtron và gamma. Các xung trên mỗi tập được chuẩn hóa về biên độ đơn vị và khớp với mơ hình (1.4). Do mơ hình (1.4) có 6 tham số tự do cần xác định, để đơn giản, quá trình khớp được chia thành bốn bước [47].

(a) (b)

Hình 2.45 Khớp xung gamma/nơtron theo mơ hình (1.4): (a) Xung gamma; (b) Xung nơtron.

Bốn bước khớp theo (1.4) sẽ được tiến hành như sau: a) Khớp các số liệu đo với 6 tham số tự do của mơ hình (1.4) b) Xác định các tham số 1, L và S sử dụng cho lần khớp sau. c) Khớp theo (1.4) với1, L và S cố định để xác định t0.

d) Khớp theo (1.4) với t0,1 , L và S cố định để tìm các giá trị cho A và B.

6) Đánh giá hiệu quả phân biệt xung nơtron/gamma của đetectơ EJ-301

Để đánh giá khả năng phân biệt dạng xung nơtron/gamma cho hệ đo nơtron, các nguồn gamma (22Na, 60Co, 137Cs) và nguồn nơtron 252Cf được sử dụng. Năm phương pháp phân biệt dạng xung: TCT, PGA, DCI, CPR và RP được sử dụng để đánh giá khả năng phân biệt nơtron/gamma cho đetectơ EJ-301. Tập xung được sử dụng trong các phương pháp này được lấy mẫu với DPO7254C, tần số lấy mẫu 1GSPS và chiều dài xung 360 mẫu. Các đánh giá được thực hiện bởi một chương trình viết trên phần mềm Matlab 2016.

2.5.2 Đánh giá hệ đo nơtron DRS4

1) Cấu hình đo

Hệ đo được thiết lập để đánh giá các tham số: phân biệt nơtron/gamma và cấu trúc phổ nơtron/gamma trên nguồn nơtron. Các đánh giá đã được tiến hành trên các nguồn chuẩn 22Na, 137Cs, 60Co, 252Cf và dòng nơtron đơn năng từ kênh số 4 của lò PƯHN Đà Lạt. Bốn phương pháp phân biệt dạng xung nơtron/gamma được sử dụng trong đánh giá hệ đo nơtron. Cấu hình đánh giá hệ đo được thiết lập như hình 2.46, trong đó nguồn nơtron/gamma được đặt theo phương vng góc với đetectơ. Tất cả các phổ được thể hiện trong chiều dài 16384 (214) kênh của ADC.

USB connector Detector EJ-301 PMT Preamp HV power supply Computer cable 50 Ohm DC Power Supply DRS4 Evaluation Board Neutron beams

Hình 2.46 Cấu hình đo đánh giá hệ đo nơtron.

2) Chuẩn năng lượng

Ba nguồn gamma chuẩn: 22Na, 137Cs và 60Co được đo lần lượt bởi hệ đo DRS4 để chuẩn năng lượng cho hệ đo. Hình 2.47 trình bày phổ biên độ đo trên các nguồn gamma chuẩn. Trong chất nhấp nháy hữu cơ EJ-301, tán xạ compton là hiệu ứng chính khi tương tác với tia gamma. Do đó, trong phổ gamma thu được từ đetectơ EJ-301 chỉ có các mép compton là đặc trưng duy nhất để xác định năng lượng đặc trưng của nguồn. Vì vậy các mép Compton được sử dụng để chuẩn năng lượng cho hệ đo. Sử dụng phương pháp xác định mép Compton [1,79] cho các phổ biên độ thu được tương ứng với năng lượng đã biết được trình bày trong bảng 2.9. Dựa vào các điểm chuẩn thu được, đường chuẩn biên độ theo năng lượng có dạng (2.23).

3,12 819

Ch  E (2.23)

Hình 2.47 Phổ đo trên các nguồn gamma 22Na, 137Cs và 60Co.

3) Xác định phông 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 phông 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, 32ch262,5

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 =