BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH
------------------------- Huỳnh Minh Hiền
KHẢO SÁT PHỔ KẾ TRÙNG PHÙNG
GAMMA SỬ DỤNG ĐẦU DÒ BÁN DẪN HPGe Chuyên ngành: Vật lí nguyên tử, hạt nhân và năng lượng cao
Mã số: 60 44 05
LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ

TP. Hồ Chí Minh, tháng 8 năm 2010

Huỳnh Minh Hiền

Mở ĐầU
Phổ năng lượng bức xạ gamma là phổ gián đoạn, có năng lượng hoàn toàn xác định đặc trưng
cho mỗi nguyên tố, cường độ bức xạ gamma đặc trưng của mỗi nguyên tố phóng xạ tỉ lệ thuận với hàm
lượng của nguyên tố đó. Chính vì vậy, việc xác định chính xác phổ gamma của mỗi nguyên tố có ý
nghĩa rất quan trọng trong các bài toán phân tích xác định các thành phần nguyên tố, phương pháp phân
tích kích hoạt hạt nhân,Tuy nhiên, phổ gamma đo được trong các phép phân tích thường khá phức
tạp. Hiện nay, việc ghi nhận phổ gamma bằng đầu dò bán dẫn thường có nền Compton cao cho nên một
số đỉnh năng lượng có cường độ thấp hiện lên không rõ nét, có khi bị nền Compton che lấp. Do đó việc
xác định các đỉnh này thường phạm sai số lớn làm ảnh hưởng nhiều đến độ chính xác của phép đo. Mặt
khác, độ nhạy phân tích chỉ có thể cải thiện trong điều kiện tỉ số diện tích đỉnh phổ trên nền Compton
là lớn. Vì vậy, vấn đề đặt ra là làm sao hạ được nền Compton càng thấp càng tốt, từ đó mới có khả năng
làm lộ rõ được các đỉnh năng lượng thấp.
Như ta đã biết, khoảng thời gian phát các tia gamma nối tầng hoặc các tia gamma sinh ra trong
quá trình hủy cặp electron - pozitron vào khoảng vài trăm picô giây nên ta có thể coi như chúng phát ra
đồng thời, đó là các tia gamma trùng phùng. Tín hiệu trùng phùng đặc trưng cả về năng lượng và tương
quan thời gian của hai bức xạ phát ra từ một hạt nhân nên nó có tính chọn lọc cao. Vì vậy, ta có thể lợi
dụng sự tương quan về thời gian của các tia gamma trùng phùng để ghi nhận chọn lọc các bức xạ
gamma đặc trưng của mỗi hạt nhân phóng xạ, nghĩa là ta dùng thông số thời gian để điều khiển việc ghi
nhận năng lượng phổ bức xạ gamma. Nhờ đó, ta có thể giảm ảnh hưởng của các tia gamma tán xạ
Compton và các dịch chuyển gamma không tương quan về thời gian giúp giảm đáng kể nền Compton,
CHƯƠNG 1 : TổNG QUAN Về CáC Hệ PHổ Kế Gamma

1.1 Tương tác của bức xạ gamma với vật chất và sự hình thành phổ gamma
Bức xạ gamma là các lượng tử của sóng điện từ (các photon). Năng lượng của photon E tỉ lệ với tần
số sóng : E = h

, xung lượng của photon được tính theo công thức
h
p
c


. Bức xạ gamma tương tác
với vật chất thông qua 3 quá trình cơ bản sau đây :
1.1.1 Hiệu ứng quang điện
Khi lượng tử gama va chạm với electron quỹ đạo của nguyên tử, gamma biến mất và năng lượng
gamma được truyền toàn bộ cho electron quỹ đạo để nó bay ra khỏi nguyên tử. Electron này được gọi là
quang electron. Quang electron nhận được động năng E
e
, bằng hiệu số giữa năng lượng gamma vào E
và năng lượng liên kết
lk

của electron trên lớp vỏ.
E

M

.

'


Theo công thức (1.1), năng lượng gamma vào ít nhất phải bằng năng lượng liên kết của electron
thì hiệu ứng quang điện mới xảy ra. Nếu E <
K

thì hiệu ứng quang điện chỉ xảy ra với các lớp L, M,
Nếu E <
L

thì hiệu ứng quang điện chỉ xảy ra với các lớp M,
Hiệu ứng quang điện không thể xảy ra với các electron tự do vì không bảo đảm định luật bảo
toàn năng lượng và động lượng. Như vậy, muốn có hiệu ứng quang điện thì electron phải liên kết trong
nguyên tử.
Tiết diện hấp thụ của hiệu ứng quang điện phụ thuộc vào năng lượng gamma và loại nguyên tử.
Cụ thể là tiết diện hấp thụ tỉ lệ với Z
5
(Z là số nguyên tử), nghĩa là nó tăng rất nhanh với các nguyên tử
nặng.
1.1.2 Hiệu ứng Compton
Trong quá trình này, phôton tới nhường một phần năng lượng của mình cho một electron của
nguyên tử. Electron này sẽ bắn ra khỏi nguyên tử còn phôton sẽ bị tán xạ. Phôton tán xạ có năng lượng
nhỏ hơn năng lượng của phôton tới (
'h h







(1.3)
Trong đó : m
0
c
2
là khối lượng nghỉ của electron (m
0
c
2
= 0,511 MeV).
Hiệu ứng Compton là quá trình tương tác phôton - vật chất chủ yếu trong khoảng năng lượng một
vài trăm keV đến vài MeV. Hiệu ứng Compton có thể xảy ra đối với electron tự do (liên kết yếu với
nguyên tử) hay với electron liên kết chặt với nguyên tử vì ở đây nhờ có phôton tán xạ mà có thể thỏa
mãn đồng thời cả hai định luật bảo toàn năng lượng và xung lượng.
1.1.3 Hiệu ứng tạo cặp electron - pozitron
Trong quá trình này, phôton biến thành một cặp electron - pozitron. Theo định luật bảo toàn
năng lượng và xung lượng thì năng lượng của phôton phải lớn hơn tổng năng lượng nghỉ của cặp e
-
- e
+

(
1,022h




E h
trên đầu
dò, do đó trong phổ gamma xuất hiện đỉnh hấp thụ toàn phần với năng lượng
E

.
+ Trong quá trình tán xạ Compton, phôton tới chỉ mất một phần năng lượng, phần còn lại chuyển
thành năng lượng phôton tán xạ. Sự phân bố giữa hai phần này tùy thuộc vào góc tán xạ. Do đó trên
phổ gamma xuất hiện nền liên tục (nền Compton) trải dài từ giá trị
E

trở xuống. Tia gamma sau khi
tán xạ lần đầu có thể tiếp tục tán xạ nhiều lần, cuối cùng bị hấp thụ hoàn toàn trong đầu dò do hiệu ứng
quang điện. Quá trình tán xạ nhiều lần này cũng đóng góp vào đỉnh hấp thụ toàn phần, mức đóng góp
tùy thuộc vào thể tích đầu dò.
+ Hiệu ứng tạo cặp dẫn đến sự hình thành hai lượng tử gamma có năng lượng 0,511 MeV. Tùy
theo trường hợp cả hai lượng tử này bị hấp thụ hoặc một hoặc cả hai lượng tử bay ra khỏi đầu dò mà ta
thấy xuất hiện các đỉnh sau đây :
- Cả hai lượng tử gamma hủy cặp đều bị hấp thụ hoàn toàn trong thể tích nhạy của đầu dò :
ta được đỉnh hấp thụ toàn phần
E

.
- Một trong hai lượng tử gamma hủy cặp thoát khỏi vùng nhạy của đầu dò : ta được đỉnh
thoát đơn
0,511E


MeV.

phía
trong có độ dày cỡ 0,3 mm bằng phương pháp cấy ion B. Khi sử dụng phải đặt cao thế dương khoảng 2 -
5 kV để kéo các cặp electron - lỗ trống tạo ra. Loại này có hiệu suất giảm nhiều ở năng lượng tia
gamma thấp (dưới 100 keV) vì sự hấp thụ trên lớp chết n
+
.

Hình 1.2 :
Cấu trúc u dò Ge ng trc.Vì Ge có độ rộng vùng cấm thấp nên khi sử dụng loại đầu dò này cần phải làm lạnh để giảm việc
sinh ra phần tử mang điện do nhiệt nên giảm được dòng rò. Nếu không, tạp âm do dòng rò gây ra sẽ làm
tồi khả năng phân giải năng lượng của đầu dò. Người ta thường dùng Nitơ lỏng có nhiệt độ 77 K làm
môi trường làm lạnh cho các đầu dò loại này. Đầu dò được lắp trong một buồng chân không được gắn
hoặc đưa vào Dewar chứa Nitơ lỏng. Do đó bề mặt nhạy của đầu dò được chống ẩm và không ngưng
chất bẩn. Cấu hình chuẩn của đầu dò bao gồm : ống làm lạnh (cryostat) thẳng đứng với Dewar 30 lít và
tiền khuếch đại 2002C (đối với hãng Canberra). Cấu tạo của cryostat bằng Nitơ lỏng được giới thiệu
trong hình 1.3.

FWHM
(1332 keV)

FWTM
(1332 keV)

GC1018 10 0,9 1,8 3,4 38
GC1019 10 1,0 1,9 3,7 36
GC10021 100 1,2 2,1 4,0 80
GC10023 100 1,3 2,3 4,6 74

Đầu dò HPGe loại n kiểu đồng trục : chất bán dẫn xuất phát là là loại n. Người ta tạo ra một lớp
p
+
dày khoảng 0,3

m bằng phương pháp cấy ion B. Khi sử dụng, cần đặt điện áp âm. So với loại trên
thì loại này có hiệu suất ít bị giảm hơn ở năng lượng thấp vì lớp chết p
+
mỏng hơn.
Đầu dò HPGe hình giếng (hình 1.5) : loại này có hiệu suất hình học cao hơn nên thích hợp cho
các phép đo hoạt độ nhỏ. Độ phân giải năng lượng có kém đôi chút do đặc điểm cấu tạo.

Hình 1.5 :
Cấu trúc đầu dò HPGe hình giếng.
Đầu dò phẳng (planar) : có độ phân giải năng lượng tốt nhưng hiệu suất giảm nhanh ở năng
lượng cao nên chỉ thích hợp để đo ở vùng năng lượng thấp.
1.2.1.2 Nguyên lý làm việc
Nguyên lý chung của các loại đầu dò bán dẫn như sau : chất bán dẫn thường dùng hiện nay là

l­ỵng tia gamma. Nãi chung, hiƯn nay cã thĨ ®¹t vµo kho¶ng 1,8 keV (FWHM) ë ®Ønh 1332 keV cđa
60
Co. Víi ®Çu dß NaI th­êng chØ ®¹t ®é ph©n gi¶i cì
7 - 8 % ë ®Ønh 1332 keV cđa
60
Co, nghÜa lµ FWHM vµo kho¶ng 100 keV.
Kh¶ n¨ng ph©n gi¶i lµ mét ­u ®iĨm nỉi bËt cđa ®Çu dß Ge so víi ®Çu dß nhÊp nh¸y NaI khiÕn nã
®­ỵc sư dơng phỉ biÕn hiƯn nay trong c¸c phÐp ®o phỉ n¨ng l­ỵng gamma khi yªu cÇu vỊ ®é ph©n gi¶i
n¨ng l­ỵng cÇn ®­ỵc ®Ỉt lªn hµng ®Çu.
 HiƯu st ghi ®Ønh quang ®iƯn
HiƯu st ghi ®Ønh quang ®iƯn còng lµ mét chØ tiªu quan träng cđa ®Çu dß, ®Ỉc biƯt cÇn chó ý ®Õn
trong c¸c phÐp ®o ho¹t ®é nhá. HiƯu st ghi nµy phơ thc vµo lo¹i ®Çu dß, thĨ tÝch ®Çu dß vµ n¨ng
l­ỵng tia gamma.
HiƯu st ghi ®Ønh quang ®iƯn cđa mét ®Çu dß th­êng ®­ỵc x¸c ®Þnh víi ®Ønh 1332 keV cđa
ngn
60
Co ®Ỉt c¸ch ®Çu dß 25 cm (theo tiªu chn ANSI/IEEE 325- 1971).
HiƯu st tut ®èi ®­ỵc x¸c ®Þnh b»ng c¸ch lÊy sè ®Õm tỉng céng trong ®Ønh 1332 keV chia cho
tỉng sè l­ỵng tư gamma ph¸t ra tõ ngn trong cïng kho¶ng thêi gian.
 TØ sè Peak/Compton (P/C)
TØ sè nµy cho ta ®¸nh gi¸ kh¶ n¨ng cđa ®Çu dß cã thĨ ph©n biƯt ®­ỵc c¸c ®Ønh u,
n¨ng l­ỵng thÊp n»m trªn nỊn Compton cđa c¸c ®Ønh n¨ng l­ỵng cao. §ã lµ tØ sè gi÷a chiỊu
cao cđa ®Ønh hÊp thơ toµn phÇn víi chiỊu cao cđa nỊn Compton t­¬ng øng (th­êng lÊy ë r×a
Compton).
TØ sè nµy cµng cao th× cµng cã lỵi cho phÐp ®o ho¹t ®é thÊp vµ phỉ gamma phøc t¹p.
TØ sè nµy phơ thc vµo thĨ tÝch cđa ®Çu dß : c¸c ®Çu dß lín cã tØ sè P/C lín v× ®ãng gãp cđa
t¸n x¹ Compton nhiỊu lÇn vµo ®Ønh hÊp thơ toµn phÇn lín. TØ sè P/C theo quy ®Þnh th­êng
®­ỵc tÝnh b»ng c¸ch chia ®é cao cđa ®Ønh 1332 keV cho ®é cao trung b×nh cđa nỊn Compton
trong kho¶ng 1040 keV vµ 1096 keV. [8]
Số đếm tại đỉnh 1332 keV

Do đó, để V ổn định thì cần giữ cho tụ đầu dò ổn định trong khoảng thời gian hoạt động. Đối với
các đầu dò bán dẫn, thường xuất hiện sự thay đổi riêng của tụ đầu dò khi xuất hiện sự thay đổi nhiệt độ.
Sự thay đổi này là do dòng rò trong điốt bán dẫn phụ thuộc vào nhiệt độ. Vì vậy, tiền khuếch đại nhạy
điện thế không thích hợp sử dụng với các đầu dò bán dẫn.
Với đầu dò bán dẫn HPGe dùng cho mục đích đo phổ gamma, ta thường dùng loại khuếch đại
nhạy điện tích nên sau đây ta chỉ nói về loại này.
Đặc điểm quan trọng của khối tiền khuếch đại là nó không nhạy đối với sự biến đổi điện dung
của đầu dò nhờ sự tích phân điện tích trên một tụ phản hồi C
f
.
Điện áp ở lối ra V
0
tỉ lệ với điện tích tạo ra trên đầu dò Q :

0
V
f
Q
C

(1.6)
Xung điện áp ở lối ra có thời gian tăng gần bằng độ rộng của xung dòng điện trên đầu dò và có
hằng số thời gian phân rã cho bởi :


= C
f
R
f
(1.7)


6 19
0
.10 .1,6.10
f
E
V
C



(1.9)
Độ nhạy điện áp (điện áp ra ứng với 1 MeV năng lượng gamma mất trên đầu dò) cho bởi :

6 19
0
10 .1,6.10
f
V
E C



(1.10)
Mức tạp âm trong tiền khuếch đại điện tích phụ thuộc vào 3 yếu tố : tranzito trường (FET) lối
vào, điện dung lối vào (bao gồm C
f
, điện dung đầu dò, điện dung lối vào) và điện trở lối vào. Điện dung
lối vào là nhân tố cơ bản, đòi hỏi đầu dò cần được lựa chọn một cách cẩn thận để phù hợp với từng ứng
dụng. Sự phụ thuộc của tạp âm tiền khuếch đại vào điện dung lối vào được thể hiện ở bảng 1.2.

V V e



(1.11)
Hình dạng xung ra từ tiền khuếch đại được minh hoạ trong hình 1.7.

Hình 1.7:
Xung ra từ một tiền khuếch đại.

Như vậy, điện tích vào được tích phân trong khối khuếch đại nhạy điện tích để thu được hai đại
lượng : điện tích tổng cộng vào và thời gian thu điện tích nên tín hiệu được tách ra thành lối ra năng
lượng E và thời gian T. Vì vậy, khối tiền khuếch đại là rất hữu ích cho cả phổ kế thời gian và năng
lượng.
1.2.3 Khối khuếch đại tuyến tính (Amplifier - AMP)
Khối này có nhiệm vụ khuếch đại tiếp xung ra từ tiền khuếch đại (thông thường nhỏ hơn 1 V)
lên đến khoảng giá trị thích hợp để có thể xử lý tiếp một cách dễ dàng và chính xác. Ngoài ra trong khối
này còn có tác dụng tạo dạng xung nhằm cải thiện tỉ số tín hiệu/tạp âm (S/N) và ngăn ngừa sự chồng
chập xung. Hai yêu cầu này thường mâu thuẫn nhau cho nên trong thiết kế thí nghiệm cần có sự thỏa
hiệp nhất định.
- Nếu yếu tố độ phân giải năng lượng là quan trọng hơn thì cần giữ tốc độ đếm ở giá trị thấp hợp
lý.
- Nếu thực nghiệm đòi hỏi phải làm việc với tốc độ đếm cao thì để đảm bảo độ phân giải năng
lượng không bị tồi đi nhiều thì cần lựa chọn các mạch tạo dạng xung thích hợp với hằng số thời gian
thích hợp.
Trong các loại mạch tạo dạng xung thì mạch CR - RC (vi phân - tích phân) thường được sử dụng
nhiều nhất. Mạch vi phân CR có tác dụng đối với phần đuôi của xung và có thể coi như một bộ lọc cho
qua tần số cao và làm giảm thành phần tần số thấp. Mạch tích phân RC có tác dụng lên phần đầu (phần
tăng) của xung và có thể xem như một bộ lọc cho tần số thấp và làm giảm thành phần tần số cao. Một
mạch CR - RC điển hình được trình bày trên hình 1.8.

khiến cho phép đo biên độ không còn chính xác nữa. Lý do gây ra undershoot là mạch liên kết CR (tạo
ra thêm một lần vi phân mới). Để khắc phục hiện tượng này, ta đưa vào mạch liên kết tầng thêm một
điện trở R
pz
và ta được mạch theo kiểu bù trừ cực điểm bởi điểm 0 (pole zero cancellation - PZC).
Hình 1.10 minh họa mạch bù trừ cực zêrô và hiệu ứng của nó. Tín hiệu khuếch đại được áp tới
lối vào của mạch vi phân CR trong bộ khuếch đại, xung lối ra từ bộ vi phân thường có bứu âm không
như mong muốn. Điện trở R
pz
được mắc song song với tụ C
1
và được hiệu chỉnh để cắt bướu âm. Kết
quả là xung ra có dạng hàm mũ đơn giản, gần với đường cơ bản với hằng số thời gian vi phân thích hợp.
Thực tế, tất cả các bộ khuếch đại phổ kế đều có đặc trưng này với hiệu chỉnh bù trừ cực zêrô ở mặt
trước. Hiệu chỉnh chính xác cực zêrô sẽ cho phổ tốt và tin cậy. Một số bộ khuếch đại phức tạp hơn sẽ
đơn giản hóa nhiệm vụ này bằng mạch hiệu chỉnh cực zêrô tự động.
..

Hình 1.10 :
Mch bự tr zêrô (a) và hiệu ứng của mạch bù trừ zêrô (b, c, d).

Trong các hệ thống đo phổ gamma làm việc ở tốc độ đếm cao, điều quan trọng là phải điều chỉnh
thật chính xác mạch bù trừ cực zêrô vì điều chỉnh không đủ hoặc điều chỉnh quá mức (undershoot hoặc
overshoot) đều khiến cho phép đo không chính xác. Hình 1.11 cho thấy tác dụng của việc điều chỉnh
cực điểm bởi điểm không nhằm phục hồi đường cơ bản : hình 1.11a tương ứng với điều chỉnh tốt, hình
1.11b ứng với điều chỉnh chưa hết (undershoot) và 1.11c là điều chỉnh quá mức (overshoot).
11 a 11 b 11 c11 a 11 b 11 c

Hình 1.11 :
Tác dng ca mch bù tr zêrô.

trong khoảng thời gian bận của lối ra. Nếu có một sự kiện nào xuất hiện trong khoảng thời gian bận này
thì sẽ có một tín hiệu cấm được tạo ra để đóng cổng máy phân tích biên độ lại, nhờ vậy mà phổ thu
được không bị méo.
Dạng xung ra sau khuếch đại tuyến tính được minh họa như hình 1.14.

Hình 1.14 :
Dng xung ra sau khuch i tuyn tớnh.

1.2.4 Bộ biến đổi tương tự thành số (Analog to Digital Converter - ADC)
Tín hiệu tương tự từ khối khuếch đại tuyến tính có biên độ V
0
sẽ được đưa vào khối biến đổi
tương tự thành số ADC. Khối này đo biên độ cực đại của một xung tương tự và biến đổi giá trị đó thành
mã số. Mã số tỉ lệ với biên độ tương tự tại lối vào ADC. Đối với các xung tới liên tiếp, mã số từ ADC
được dẫn tới bộ nhớ dành riêng hoặc máy tính và được phân loại bằng biểu đồ. Biểu đồ này biểu diễn
phổ của biên độ xung vào.
Có nhiều kiểu biến đổi, sau đây ta chỉ xét kiểu biến đổi Wilkinson là kiểu biến đổi phổ biến
nhất. Hoạt động của ADC Wilkinson được minh hoạ trên hình 1.15.

Bộ đếm
địa chỉ
ồng hồ
địa chỉ
Cổng
tuyến tính
a) Tụ nạp điện
Bộ đếm
địa chỉ
ồng hồ
địa chỉ

ồng hồ
địa chỉ
Cổng
tuyến tính
c) Chu trỡnh nhớ

Hình 1.15 :
S hot ng ca ADC Wilkinson.

Bộ phân biệt mức thấp được dùng để ghi nhận xung tới từ bộ khuếch đại. Thông thường ngưỡng
của bộ phân biệt mức thấp được đặt trên mức tạp âm để ngăn ngừa ADC không mất thời gian phân tích
tạp âm.
Khi xung vào cao hơn mức ngưỡng phân biệt thấp, cổng tuyến tính vào mở và tụ nạp được nối
với lối vào. Khi biên độ xung vào đạt tới cực đại và bắt đầu giảm xuống thì cổng tuyến tính bị đóng và
tụ bị ngắt khỏi lối vào. Tại điểm này, thế trên tụ bằng biên độ cực đại của xung vào. Theo sau sự phát
hiện biên độ đỉnh, một nguồn dòng không đổi được nối với tụ để tạo nên sự phóng điện tuyến tính của
thế trên tụ. Đồng thời đồng hồ địa chỉ được nối với bộ đếm địa chỉ và xung đồng hồ được đếm trong
khoảng thời gian phóng điện của tụ điện. Khi thế trên tụ về zêrô thì việc đếm xung đồng hồ cũng dừng
lại.
Vì thời gian phóng điện tuyến tính của tụ tỉ lệ với biên độ xung gốc cho nên số đếm N
c
ghi được
trong bộ đếm địa chỉ cũng tỉ lệ với biên độ xung. Trong khoảng thời gian chu trình nhớ, địa chỉ N
c
được
định vị trong bộ nhớ biểu đồ và một số đếm được cộng vào nội dung của vị trí đó. Giá trị N
c
thường
tương ứng với số kênh.
ADC thường có số kênh thấp là 256 cho những ứng dụng phân giải thấp và có 16384 kênh cho

Bảng 1.3 : Đặc trưng của một số loại ADC thương mại sử dụng cho phổ kế hạt nhân. [2]
Hãng Loại biến đổi Hệ số biến đổi
Độ phi
tuyến
tích phân
Độ phi tuyến
vi phân
CANBERRA
ADC 8701
ADC 100 MHz
Wilkinson
256; 512; 1K;
2K; 4K; 8K
0,025%

0,7%

CANBERRA
ADC 8713
ADC 100 MHz
Wilkinson (thời gian
chết 6
s

)
256; 512; 1K;
2K; 4K; 8K;
16K
0,025%


đổi 6
s

)
8 K
0,025%

1% 1.2.5 Máy phân tích biên độ nhiều kênh (Multi Channel Analyzer - MCA)
Máy tính
Tín hiệu từ khối
khuếch đại
Máy tính
Tín hiệu từ khối
khuếch đại

Hình 1.16 :
S khi ca h thng phân tích đa kênh.

Máy phân tích biên độ nhiều kênh bao gồm ADC, một bộ nhớ biểu đồ, bộ chỉ thị biểu đồ được
ghi trong bộ nhớ. Nếu các xung vào tới từ bộ khuếch đại phổ năng lượng thì biểu đồ tương ứng với phổ
năng lượng được quan sát bằng đầu dò kèm theo. Khi lối ra của bộ biến đổi thời gian thành biên độ
được nối với lối vào ADC thì biểu đồ biểu diễn phổ thời gian đo được bằng bộ biến đổi thời gian thành
biên độ. Kết hợp ADC, bộ nhớ biểu đồ và chỉ thị biểu đồ tạo nên máy phân tích đa kênh MCA. Nếu
máy tính được sử dụng để chỉ thị phổ, khi đó sự kết hợp của ADC và bộ nhớ biểu đồ gọi là bộ đệm đa
kênh MCB. Sơ đồ khối của MCA chỉ ra trên hình 1.16.
Chức năng chủ yếu của MCA được chia làm hai phần :
- Thu nhận và tồn trữ số liệu được thực hiện bằng phần cứng gọi là MCB.

16K

1.2.6 Các thiết bị để đo thời gian
1.2.6.1 Bộ khuếch đại nhanh
Khi yêu cầu thông tin thời gian cao hơn thì lối ra đầu dò thường được chọn là xung tuyến tính
nhanh có thời gian ngắn. Loại xung này thường cung cấp cho bộ khởi phát xung mặt trước để tạo tín
hiệu thời gian nhanh. Nếu biên độ của xung tuyến tính nhanh là không đủ để đạt tới một mức khởi phát
thuận tiện trong bộ khởi phát thời gian thì cần phải cung cấp một sự khuếch đại nào đó trước. Các bộ
khuếch đại tuyến tính sẽ không thể dùng cho ứng dụng này vì mạch hình thành xung được thiết kế để
hạn chế thành phần tần số cao trong tín hiệu để cho khả năng phân giải tối ưu.
Để bảo toàn dạng xung tuyến tính nhanh, một bộ khuếch đại có đáp ứng tuyến tính với tần số
càng cao càng tốt, có thể mở rộng đáp ứng tần số tới 0. Những bộ khuếch đại như thế được gọi là những
bộ khuếch đại dải rộng vì chúng không lọc cả tần số cao lẫn tần số thấp nên chúng không hình thành
xung lối vào. Khi áp dụng cho xử lý xung hạt nhân, chúng thường được gọi là các bộ khuếch đại nhanh.
Nhiệm vụ của chúng là tạo nên một xung lý tưởng, là bản sao trung thực của xung vào nhưng được
khuếch đại.
Bộ khuếch đại nhanh được thiết kế để có thời gian tăng lối ra trong dải ns. Khi đạt thời gian tăng
nhanh thường phải thỏa hiệp độ tuyến tính và ổn định nhiệt độ.
Có 2 loại khuếch đại nhanh:
+ Bộ khuếch đại dải rộng : loại này ứng dụng về khả năng phân giải thời gian tốt khi thời
gian tăng nhanh nhất được yêu cầu, không có điều khiển về thời gian tăng hay thời gian giảm của tín
hiệu, chúng được sử dụng điển hình trong ống quang điện và đầu dò hạt tích điện silic cho những ứng
dụng về khả năng phân giải thời gian cao.
+ Bộ khuếch đại lọc thời gian (Timming Filter Amplifier - TFA) : được cung cấp các bộ
vi phân CR và bộ tích phân RC để điều khiển dạng xung.
Thời gian tăng của bộ khuếch đại quá nhanh nên tránh vì chúng dẫn đến tạp âm nhiều hơn và
không cải thiện thời gian tăng tín hiệu. Ta nên đặt tín hiệu đủ dài để tránh mất biên độ của tín hiệu.
1.2.6.2 Bộ làm chậm
Trong nhiều ứng dụng thời gian, ta cần phải làm chậm tại một hoặc một số điểm trong chuỗi tín
hiệu cho mục đích hiệu chỉnh hoặc chuẩn thời gian. Trong thang nanô giây, độ dài cáp đồng trục được

s
Liên tục -
ORTEC 425A 1 - 64 ns 1; 2; 4; 8; 16; 32 2

1.2.6.3 Bộ phân biệt ngưỡng không đổi (Constant Fraction Discriminator - CFD)
Khối CFD thường được chế tạo để phục vụ cho hai ứng dụng khác nhau :
- Một là : đếm các xung nhỏ với tốc độ đếm cao.
- Hai là : xác định thời gian xung đến với độ chính xác cao.
Trong kênh thời gian, khối CFD có vai trò xác định thời điểm xung đến, tạo ra tín hiệu
đầu vào đưa đến khối trùng phùng. CFD làm tăng độ phân giải thời gian, loại trừ nhiễu và
ảnh hưởng của các tia gamma mềm. Việc chọn giá trị ngưỡng là rất quan trọng, nếu chọn
ngưỡng thấp quá sẽ xuất hiện trùng phùng với gamma mềm hoặc gamma tán xạ giữa hai đầu
dò, nếu chọn ngưỡng cao quá sẽ mất các chuyển dời gamma có năng lượng thấp. [5, tr.24]
Tất cả các khối CFD đều có chuyển mạch thay đổi ngưỡng. Ngưỡng được chọn sao cho đủ cao
để loại được nhiễu. Trong một số ứng dụng ngưỡng được đặt cao để cắt các xung biên độ bé nằm trong
vùng năng lượng thấp có nhiều nhiễu.
Khối CFD hoạt động theo ba chế độ (mode) tùy thuộc vào kiểu đầu dò :
- Constant-Fraction (CF) : chế độ CF dựa trên tỉ số cố định
- Slow Rise Time Reject (SRT) : chế độ SRT chọn lựa để loại trừ các xung tăng chậm
- Leading Edge (LE) : chế độ LE dựa trên phương pháp sườn lên.
Với thực nghiệm phải chọn lựa được mode phù hợp với hệ đo.
1.2.6.4 Bộ trùng phùng
Nhiều khối trùng phùng thương mại hoạt động dựa trên nguyên tắc phủ trong độ rộng của xung
vào xác định trực tiếp thời gian phân giải của mạch trùng phùng.

Hình 1.17 :
Nguyên tc c bn ca mch trùng phùng. Hình 1.17 minh họa nguyên tắc cơ bản của mạch trùng phùng. Mạch trùng phùng đơn giản là