Chương 1. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH KÍCH HOẠT NEUTRON LẶP VÒNG
1.4. Thời gian chết và chồng chập xung
Tín hiệu có thể bị mất trong tất cả các bộ phận của hệ phổ kế gamma như tinh thể đầu dò, tiền khuếch đại, khuếch đại, bộ chuyển đổi tương tự số (ADC) và khối phân tích đa kênh (MCA) hoặc máy tính. Trong trường hợp muốn đo nguồn 198Au với độ chính xác yêu cầu là = 0,1%, thì theo thống kê Poisson phải ghi nhận hơn 106 số đếm của đỉnh năng lượng 412 keV. Nếu muốn hoàn thành phép đo trong một giờ, trong khi tỉ số đỉnh trên tổng của đầu dò là 0,2 thì phải thực hiện phép đo tại tốc độ đếm hơn 1400 cps. Ở tốc độ đếm này, số đếm có thể bị mất lên đến vài phần trăm vì thời gian đáp ứng hữu hạn của hệ đo [38]. Trong nhiều ứng dụng, hệ phổ kế gamma cần phải thực hiện các phép đo lên đến hàng chục ngàn số đếm trên giây. Trong thực tế, nếu thời gian chết trên ADC cho thấy 10% thì việc hiệu chính mất số đếm cần được xem xét ngay cả khi mạch hiệu chính thời gian chết đang làm việc tốt [39].
Hầu hết các điện tích trong đầu dò được thu thập trong vòng dưới 100 ns và được định hỡnh trong khối khuếch đại trong khoảng 1-10 às tiếp theo [38]. Vỡ vậy, hệ đo cần một khoảng thời gian trên để xử lý mỗi tín hiệu tới đầu dò, do đó nếu tín hiệu thứ hai tới đầu dò trong khi tín hiệu thứ nhất đang được xử lý thì tín hiệu thứ hai sẽ bị mất đi.
Hiện tượng này được gọi là sự mất số đếm do hiệu ứng thời gian chết.
Số đếm bị mất bởi chồng chập xung (pulse pile-up) hay còn gọi là chồng chập ngẫu nhiên (random summing) có thể là một nguồn đóng góp sai số chính trong phép đo phổ gamma. Sự xuất hiện ngẫu nhiên của tín hiệu từ hai tia gamma (không liên quan gì nhau) tại khối khuếch đại trong khoảng thời gian ngắn so với thời gian hình thành xung sẽ tạo thành một xung tổng có biên độ là tổng của hai sự kiện. Kết quả là hai số đếm bị mất tại vùng năng lượng thấp của phổ và một số đếm mới xuất hiện tại vùng năng lượng cao. Đối với phép đo cần độ chính xác cao, mỗi xung tổng ngẫu nhiên này nên được loại trừ ra khỏi phổ (pileup rejection), và thời gian chết của hệ cần được bù lại cho hệ thống lúc đang bận.
Trong phân tích kích hoạt neutron, hoạt độ của mẫu ngay sau khi kích hoạt ở các kênh chiếu trên LPƯĐL thường rất lớn. Đối với NAA sử dụng các hạt nhân sống ngắn, mẫu cần được đo ngay hoặc để rã chỉ trong một khoảng thời gian rất ngắn, khoảng 1 2 chu kỳ bán rã (T1/2) của hạt nhân quan tâm. Điều này dẫn đến thời gian chết của hệ đo rất cao. Thời gian chết khoảng 10 20% khi thực hiện các phép đo để xác định nhóm các hạt nhân sống ngắn như 28Al, 51Ti, 52V, 49Ca và 27Mg có chu kỳ bán rã khoảng 2 10 phút. Thời gian chết có thể lên đến 20 50% khi đo để xác định nhóm các hạt nhân có chu kỳ bán rã ngắn hơn như 77mSe, 110Ag, 179mHf và
46mSc có chu kỳ bán rã dưới 100 giây. Ngoài ra, khi áp dụng phương pháp CNAA, mẫu được chiếu và đo lại nhiều lần để tích lũy số đếm, cũng đồng nghĩa với việc hoạt độ tổng của mẫu tăng liên tục dẫn đến thời gian chết rất cao. Do đó một phần số đếm không được ghi nhận bởi hệ đo do thời gian chết cao và chồng chập xung [38]. Vì vậy, bài toán hiệu chính mất số đếm do thời gian chết cao và chồng chập xung trong kích hoạt neutron lặp vòng cần được nghiên cứu và thực hiện hiệu chỉnh.
Thông thường, mẫu có hoạt độ thấp (thời gian chết dưới 10%) và không thay đổi trong suốt quá trình đo thì số đếm được hiệu chính theo kỹ thuật “Live-Time-Clock”
(LTC – đồng hồ đo thời gian sống). Kỹ thuật LTC hiệu chính sự mất số đếm bằng cách kéo dài thời gian đo để bổ sung số đếm bị mất. Tuy nhiên, kỹ thuật này không phù hợp vì các hạt nhân sống ngắn rã rất nhanh nên cần phải đo trong khoảng thời gian rất ngắn.
Hơn nữa, hoạt độ của các hạt nhân sống ngắn giảm rất nhanh sau khi chiếu, dẫn đến thời gian chết cũng thay đổi nhanh chóng trong quá trình đo, trong khi kỹ thuật LTC chỉ phù hợp với phép đo mà thời gian chết gần như không thay đổi.
Các kỹ thuật “Loss-Free Counting” (LFC – số đếm không bị mất trong khi đo) và
“Zero Dead-Time” (ZDT – thời gian chết bằng không) là những kỹ thuật mạnh nhất để hiệu chính sự mất số đếm ở thời gian chết cao và biến đổi nhanh trong phổ kế hạt nhân, đặc biệt là các ứng dụng kỹ thuật phân tích kích hoạt đo các hạt nhân sống rất ngắn [39]. Bằng cách thực hiện nhiều phép toán hiệu chính cho phổ thay vì một lần như kỹ thuật LTC, cho nên về cơ bản kỹ thuật LFC có khả năng khôi phục tốt hầu hết các sự kiện bị mất của hệ phổ kế. Về nguyên lý, kỹ thuật này chia khoảng
thời gian đo thành rất nhiều khoảng thời gian rất ngắn dựa vào tỉ số “real-time” trên
“live-time”, cho nên kỹ thuật LFC có khả năng hiệu chính tốt trường hợp tốc độ đếm thay đổi nhanh chóng. Do đó nó phù hợp tốt cho các ứng dụng NAA, bởi vì sự mất số đếm gắn liền với các sản phẩm kích hoạt hạt nhân sống ngắn. Điều này không giống với kỹ thuật hiệu chính LTC, chỉ đưa ra một hệ số hiệu chính trung bình cho toàn bộ phép đo.
Kỹ thuật LFC cho kết quả tốt hơn khi tốc độ đếm thay đổi đáng kể suốt khoảng thời gian đếm. Tuy nhiên, kỹ thuật này không có chức năng xác định sai số của diện tích đỉnh phổ. Vì thế, phân tích dữ liệu phổ với việc tính toán sai số là không thể thực hiện được. Vì vậy, kỹ thuật ZDT được phát triển nhằm khắc phục nhược điểm trên, với chức năng hiệu chính thời gian chết ở tốc độ đếm cao và biến đổi nhanh, ngoài ra còn có chức năng xác định sai số ở từng mỗi kênh.
Hệ phổ kế gamma được dùng trong nghiên cứu của luận án là hệ điện tử xử lý tín hiệu bằng kỹ thuật số (DSPEC Pro) gắn với đầu dò bán dẫn Ge siêu tinh khiết GMX-4076 của hãng ORTEC với hiệu suất 40%, độ phân giải 2,0 keV đối với đỉnh năng lượng 1,33 MeV của 60Co. Bộ tiền khuếch đại xóa bằng tranzitor phù hợp cho việc đo tốc độ đếm cao và biến đổi nhanh. Hệ phổ kế có ba chế độ đo: chế độ đo thường chỉ ghi nhận phổ LTC, chế độ NORM-CORR ghi nhận đồng thời phổ LTC và ZDT, và chế độ CORR-ERR ghi nhận đồng thời phổ ZDT và phổ ERR.