i

MỤC LỤC
MỤC LỤC i

DANH MỤC HÌNH iii

DANH MỤC BẢNG iv

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT v

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ PHỔ KẾ GAMMA PHÔNG THẤP
HPGE, BỨC XẠ MUON VŨ TRỤ VÀ HỆ PHỔ KẾ THỜI GIAN 3

1.1. Hệ phổ kế gamma phông thấp detector HPGe 3

Hệ phổ kế gamma phông thấp 3

1.1.1.
Hiệu suất ghi và phổ phông gamma 4

1.1.2.
1.2. Giới thiệu hạt muon 5

Tổng quan hạt muon 5

1.2.1.
Ảnh hưởng của hạt muon đến hệ phổ kế HPGe 7



3.1. Bố trí thí nghiệm 20

3.2. Hệ ghi nhận 22

Nguồn cao thế 22

3.2.1.
Detector bán dẫn HPGe và tiền khuếch đại 23

3.2.2.
Detector nhấp nháy Plastic 25

3.2.3.
Khối khuếch đại 27

3.2.4.
Hệ MCA ghi nhận phổ phông của detector HPGe 28

3.2.5.
Hệ phổ kế thời gian FPGA 125M ghi nhận phổ thời gian tương quan
3.2.6.
Plastic - HPGe 28

3.3. Phổ phông nền của detector HPGe 29

3.4. Phổ thời gian tương quan giữa detector Plastic và detector HPGe 30

3.5. Kết quả tính toán tỉ lệ đóng góp của muon vào phông nền của detector
HPGe theo cửa sổ thời gian 32

Hình 3.1. Sơ đồ khối khảo sát ảnh hưởng 21

Hình 3.2. Hình ảnh kết nối các thiết bị đặt tại phòng thí nghiệm 22

Hình 3.3. Nguồn cao thế âm 22
Hình 3.4. Nguồn cao thế Canberra 22

Hình 3.5. Cấu trúc detector GC2018 23

Hình 3.6. Xung tín hiệu sau khi đi qua tiền khuếch đại của detector HPGe 24

Hình 3.7. Mô hình detector nhấp nháy Plastic 25

Hình 3.8. Xung tín hiệu từ ống nhân quang điện của detector Plastic 26

Hình 3.9. Khối khuếch đại 27

Hình 3.10. Xung ra từ hai khối khuếch đại 27

Hình 3.11. Card giao tiếp MCA 28

Hình 3.12. Phổ phông nền của detector HPGe đặt bên trong buồng chì 29

Hình 3.13. Phổ thời gian tương quan giữa hai detector Plastic và HPGe 30

Hình 3.14. Phổ thời gian tương quan giữa hai detector Plastic – HPGe 32

Hình 3.15. Tỉ lệ muon đóng góp vào phổ phông HPGe theo 33
Bộ chuyển đổi nhanh tương tự
thành số loại song song
FPGA
Field Programmable
Gate Array
Mảng phần tử logic lập trình
được
FWHM
Full Width at Half
Maximmum
Bề rộng nửa chiều cao đỉnh
phổ
HPGe
High Purity
Germanium
Semiconductor
Bán dẫn Germanium siêu tinh
khiết
ICR Input Count Rate Tính tỷ lệ cổng vào
LabVIEW
Laboratory Virtual
Instrumentation
Engineering
Workbench
Chương trình ghi nhận tín hiệu
xung
MCA
Multi Channel
Analyzer
Hệ phân tích đa kênh

tích phóng xạ trên khắp thế giới nhờ vào kỹ thuật phân tích không phá mẫu và khả
năng phân giải cao.
Khi thao tác trên hệ phổ kế này, có một số vấn đề cần tìm hiểu và giải quyết:
sự thay đổi thông số trong quá trình hiệu chỉnh trên các thiết bị có ảnh hưởng như
thế nào đến kết quả phân tích; phông môi trường tại nơi tiến hành phân tích; hiệu
suất ghi của detector đối với từng mẫu là bao nhiêu tương ứng với mức năng lượng
nào; những tác nhân ảnh hưởng đến việc ghi nhận của hệ, và quá trình đóng góp của
các tác nhân đó sẽ dẫn tới sự thay đổi như thế nào đến kết quả phân tích; …
Để giải quyết các vấn đề nêu trên, đã có nhiều công trình nghiên cứu trên thế
giới và Việt Nam thực hiện xoay quanh các đề tài như: giảm phông, khảo sát hiệu
suất ghi nhận theo khoảng cách, năng lượng và những yếu tố ảnh hưởng đến hiệu
suất như hiệu ứng trùng phùng tổng, hiệu ứng tự hấp thụ…
Tại Bộ môn Vật lý Hạt nhân thuộc khoa Vật lý, trường Đại học Khoa Học Tự
Nhiên, nhóm điện tử Hạt nhân do TS. Võ Hồng Hải đứng đầu đang thực hiện hướng
nghiên cứu giảm phông theo phương pháp giảm phông chủ động sử dụng hệ điện tử
đối trùng phùng. Trong phương pháp này sử dụng hệ thống thiết bị điện tử thực hiện
xử lý trigger và ghi phổ với các thiết bị FPGA và một số chương trình phần mềm
chuyên dụng. Một thông số quan trọng cho hệ điện tử đối trùng phùng là cửa sổ thời
gian đối trùng phùng, nếu thiết lập giá trị lớn sẽ làm tăng tỉ lệ giảm phông do bức xạ
vũ trụ gây ra nhưng thời gian chết của hệ đo lại tăng lên. Do đó đòi hỏi phải xác
định cửa sổ thời gian cho phù hợp. Đề tài thực hiện với mục đích khảo sát ảnh
hưởng của muon đến phông nền của hệ phổ kế gamma phông thấp detector HPGe
thông qua xây dựng hệ phổ kế thời gian sử dụng công nghệ lập trình nhúng VHDL
cho mạch FPGA. Từ đó đưa ra giá trị cửa sổ thời gian phù hợp cho hệ giảm phông
chủ động.
2

Nội dung đề tài được trình bày gồm:
Mở đầu: Giới thiệu tổng quan về hướng đề tài thực hiện
Chương 1: Tổng quan về hệ phổ kế gamma phông thấp HPGe, bức xạ muon

Hệ phổ kế gamma phông thấp HPGe chuyên dùng để đo các tia bức xạ gamma
từ mẫu môi trường. Cấu tạo hệ phổ kế gamma được trình bày theo sơ đồ khối Hình
1.1 hệ gồm có các phần chính như sau: Detector bán dẫn HPGe với các thiết bị kèm
theo gồm nguồn nuôi cao thế cho detector, tiền khuếch đại, khuếch đại, khối phân
tích đa kênh MCA (Multi Channel Analyzer) và buồng chì che chắn phông bao
quanh detector. Việc sử dụng buồng chì che chắn đã loại bỏ được phần lớn các tín
hiệu nhiễu từ môi trường gây ra tín hiệu nhiễu trong kết quả phân tích.

4 Hình 1.1. Sơ đồ khối hệ phổ kế gamma phông thấp
Hiệu suất ghi và phổ phông gamma
1.1.2.
Hiệu suất ghi của detector được xác định là tỉ lệ phần trăm của bức xạ ion hóa
đập tới detector và được ghi nhận. Cơ chế ghi nhận của detector dựa theo tương tác
các bức xạ trong môi trường detector. Một photon tương tác với vật liệu detector
theo ba cơ chế: hấp thụ quang điện, tán xạ Compton và hiệu ứng tạo cặp.
Hệ phổ kế gamma detector HPGe phông thấp cho kết quả có độ chính xác
cao, tuy nhiên kết quả vẫn có sự ảnh hưởng của các tác nhân khác làm ảnh hưởng
đến phông nền. Bao gồm: bức xạ gamma từ môi trường xung quanh, bức xạ gamma
của vật liệu cấu trúc của detector và thiết bị, vật liệu che chắn detector không tinh
khiết phóng xạ, Radon trong không khí, bức xạ vũ trụ. Ảnh hưởng của ba thành
phần đầu có thể được giảm đáng kể khi dùng vật liệu che chắn thụ động thích hợp
làm từ chì cổ hoặc chì hoạt độ phóng xạ thấp và lựa chọn vật liệu sạch phóng xạ
trong cấu trúc detector. Thành phần khí Radon có thể làm giảm bằng cách dùng khí
nitơ hay khí sạch đẩy khí có chứa Radon ra ngoài vùng không gian hoạt động của
detector. Do vậy thành phần bức xạ vũ trụ chiếm ưu thế trong phần còn lại của
phông. Bức xạ vũ trụ gây ra phông của detector HPGe phát sinh từ tương tác của
các nucleon và muon với vật liệu xung quanh detector. Muon xuyên qua lớp chì che

Tương tác hadronBức xạ hãm
Tương tác
yếu

6

Khi đi vào bầu khí quyển của trái đất, các bức xạ vũ trụ sơ cấp sẽ tương tác với hạt
nhân của các phân tử khí quyển chủ yếu là oxi và nitơ tạo thành các pion (
0
, 
+
, 

),
nơtron và proton năng lượng nhỏ hơn (proton thứ cấp). Các pion trung hòa (
0
) phân
hủy tức thời và sinh ra hai bức xạ gamma. Các pion mang điện (
+
, 

) phân hủy
thông qua lực tương tác yếu tạo thành một muon µ
+
và neutrino hoặc một muon µ




, có spin là 1/2, khối lượng khoảng 105,659 MeV/c
2
trung gian giữa khối lượng
proton và khối lượng electron (~1/9 m
p
, 207 m
e
) [4].
Các muon chỉ tương tác với vật chất thông qua lực tương tác yếu và lực điện
từ. Sau khi tương tác với hạt nhân các phân tử không khí, chúng mất dần năng
lượng do ion hóa khoảng 2 GeV khi đến mặt đất và phân hủy thành positron và
neutrino hoặc electron và phản neutrino.

e
e
 

   
(1.4)

e
e
 

   

(1.5)
Các muon µ


+
và µ

. Do đó thời gian sống của muon là

μ
= 2,197034 ± 0,000021 μs [4].
Ảnh hưởng của hạt muon đến hệ phổ kế HPGe
1.2.2.
Sau khi tương tác với khí quyển Trái Đất thì các hạt mang điện năng lượng
cao từ bức xạ vũ trụ có thể đến sinh ra các electron với năng lượng trên 10MeV, các
muon với năng lượng trên 100MeV và các proton với năng lượng trên 1GeV trong
bức xạ vũ trụ đến bề mặt Trái đất [4]. Với năng lượng lớn và thời gian sống đủ lâu
nên chúng có thể đến và tương tác với tinh thể germanium của detector HPGe.
Các muon làm tăng phông do bức xạ hãm của các electron được tạo ra khi các
muon tương tác với tinh thể germanium và buồng chì. Các quá trình khác là sự tạo
cặp phân rã muon, bức xạ hãm muon và sự ion hóa trực tiếp. Kết quả của những
tương tác này là tạo ra phổ liên tục cùng với một đỉnh hủy trên phổ gamma.
Từ đó ta thấy rằng tín hiệu của muon cũng được ghi nhận và đóng góp vào
phổ ghi của hệ phổ kế gamma HPGe, nó sẽ tăng nền phông trong đồ thị lên cao hơn
và kết quả phép đo sẽ giảm độ chính xác. Thông thường thì người ta sử dụng các
cách sau để giải quyết vấn đề này: Đối với thành phần bức xạ vũ trụ thì phương
pháp giảm phông là đặt detector HPGe trong một phòng thí nghiệm dưới lòng đất
hoặc sử dụng phương pháp giảm phông chủ động. Phương pháp này sử dụng hệ
detector Plastic bên ngoài để giảm phông và detector HPGe bên trong để đo mẫu.
Hai hệ detector được kết nối qua bộ điện tử đối trùng phùng. Khi có bức xạ vũ trụ đi
qua cả hai detector, hệ đối trùng phùng có tác dụng ngăn chặn bộ phân tích đa kênh
xử lý xung tín hiệu trùng phùng này [2], đồng nghĩa là tín hiệu trùng phùng sẽ
không được đóng góp vào phổ của hệ phổ kế gamma.
Phổ thời gian tương quan giữa hệ hai detector đối trùng phùng cho biết số sự

giải cao hơn (đỉnh phổ thời gian được thu hẹp) để mối quan hệ giữa thời gian hai sự
kiện gần nhau có thể đo một cách chính xác.
Đề tài này chúng tôi tiến hành đo phổ thời gian tương quan giữa hệ hai
detector trùng phùng để khảo sát ảnh hưởng của muon đến phông nền của hệ phổ kế
gamma phông thấp HPGe. Từ đó lựa chọn cửa sổ thời gian phù hợp cho hệ giảm
phông chủ động. Ở chương tiếp theo ta sẽ đi sâu vào tìm hiểu cách thức hoạt động
và ứng dụng của một hệ phổ kế thời gian.
10

CHƯƠNG 2
XÂY DỰNG VÀ KHẢO SÁT HỆ PHỔ KẾ THỜI GIAN
2.1. Hệ phổ kế thời gian sử dụng FPGA 125MHz
FPGA (Field Programmable Gate Array)
2.1.1.
Thiết bị điện tử hạt nhân trên cơ sở áp dụng các linh kiện điện tử mạch tích
hợp mảng các phần tử logic lập trình được FPGA là một trong những hướng phát
triển mới để xây dựng các hệ thực nghiệm nghiên cứu vật lý hạt nhân và ứng dụng
của kỹ thuật hạt nhân đáp ứng những yêu cầu ngày càng cao về độ chính xác của
các phép ghi đo bức xạ ion hóa. Ưu điểm nổi bật của công nghệ FPGA là thời gian
biến đổi ngắn trong dãy nano giây, khả năng nâng cao chất lượng trong các thực
nghiệm ghi đo bức xạ hạt nhân, giảm thiểu số lượng các khối điện tử và giảm kinh
phí đầu tư. Bên cạnh đó, các hệ thống thiết bị công nghệ FPGA có công suất tiêu
thụ thấp nên tiết kiệm năng lượng, điều này đặc biệt quan trọng khi xây dựng hệ
thống thiết bị lớn; có thể ghi nhận cùng lúc hai tín hiệu xung từ hai detector, điều
này có ý nghĩa quan trọng trong việc ghi đo trùng phùng và đối trùng phùng, là
hướng đi đang rất được quan tâm hiện nay của vật lý hạt nhân.
Với việc đưa ứng dụng FPGA và trong các hệ đo bức xạ hạt nhân có nhiều ưu
điểm nổi trội như: đa năng, nhanh và hiệu quả khi thu nhận và xử lý dữ liệu, phân
tích phổ, mô phỏng tín hiệu. Công nghệ FPGA cho phép cải thiện các thiết bị về:
dung lượng bộ nhớ cao, tốc độ xử lý nhanh, tính năng điều khiển mềm dẻo, khả

12

Cổng COM RS-232 dùng để truyền dữ liệu lên máy tính. Cổng Input sẽ là nơi
tiếp nhận tính hiệu truyền vào để xử lý (có hai tín hiệu xung truyền tới, hai cổng vào
tương ứng là Ex_in(1) và Ex_in(2)). FPGA có nhiệm vụ xử lý trigger hai xung vào
từ hai cổng Ex_in(1) và Ex_in(2), hai đầu vào này nhận xung theo chuẩn TTL. Sử
dụng chương trình VHDL để tính khoảng cách về thời gian giữa hai xung tín hiệu.
Chương trình VHDL đo khoảng cách hai xung sử dụng xung clock
2.1.2.
125MHz

Hình 2.2. Hai tín hiệu xung “Start – Stop” và tính khoảng cách dùng xung
clock 125MHz.
Khi hai xung tín hiệu “Start” và “Stop” truyền vào trong FPGA thì thiết bị này
sẽ thực hiện chức năng tính toán khoảng cách theo thời gian của hai xung đó. Khi
xung “Start” xuất hiện thì chương trình VHDL bắt đầu đếm theo xung clock
125MHz, quá trình đếm này sẽ kết thúc khi xung “Stop” truyền đến thiết bị. Số đếm
thu được khi đếm từ lúc bắt đầu xung “Start” và kết thúc khi có xung “Stop” cho
biết khoảng thời gian giữa hai xung sau khi nhân với chu kỳ của xung clock
125MHz (tương đương 8ns). Một cửa sổ thời gian sẽ được cài đặt để chương trình
không ghi nhận những khoảng thời gian lớn hơn cửa sổ thời gian, cho phép các
phép đo giới hạn thời gian trùng phùng giữa xung “Start-Stop”. Số đếm cho biết
13

khoảng thời gian giữa hai xung tín hiệu sẽ được truyền đến máy tính thông qua cổng
RS-232. Các giá trị khoảng cách thời gian của hai xung sẽ được ghi nhận và thống
kê thành phổ thời gian tương quan giữa hai xung bằng phần mềm giao tiếp với máy
tính LabVIEW.
Chương trình giao tiếp với máy tính LabVIEW
2.1.3.

8) Dữ liệu truyền lên máy tính (dạng số Hex 64bit).
9) Màn hình hiển thị phổ thời gian.
2.2. Khảo sát hệ phổ kế thời gian
Để kiểm tra khả năng thu nhận và xử lý tín hiệu của hệ phổ kế thời gian trước
khi tiến hành thực nghiệm, ta cho hệ này kết nối với một hệ máy phát xung, xung từ
máy phát xung tạo ra tương tự như xung tín hiệu thu được từ các khối khuếch đại.
Máy phát xung có khả năng tạo ra một lúc được nhiều xung tín hiệu, có thể tạo ra
các xung đơn, xung kép, có thể thay đổi khoảng cách giữa hai xung bất kì, cũng có
thể tạo ra những xung tín hiệu có độ trễ tùy ý so với xung tín hiệu ban đầu bằng một
chương trình VHDL lập trình cho chip FPGA trong máy phát xung.
Máy xuất xung ra theo hai chuẩn: chuẩn NIM và chuẩn TTL. Chuẩn TTL này
tương tự như xung ra từ cổng ICR của khối khuếch đại, vì thế ta chọn chuẩn TTL
làm chuẩn đầu ra để tiến hành khảo sát hoạt động hệ đo.
Hình 2.4 mô tả hình dạng hai xung tín hiệu tạo ra từ máy phát xung theo chuẩn
TTL, hình được minh họa lại bằng cách lấy bộ số liệu file excel thu được từ thiết bị
Oscilloscop và vẽ lại nhờ phần mềm Origin.
15 Hình 2.4. Hai xung tạo ra từ máy phát xung
Xung tạo ra từ máy phát xung có thể điều chỉnh các thông số như: độ rộng của
xung, chu kì phát xung, khoảng cách giữa hai xung tín hiệu,… Trong Hình 2.4 xung
tín hiệu được tạo ra từ mát phát xung có độ rộng là 160ns và độ cao là 2,6V theo
chuẩn TTL. Các bước khảo sát hệ phổ kế thời gian được thực hiện theo sơ đồ sau:

Hình 2.5. Sơ đồ khối thực hiện khảo sát phổ kế thời gian
16

Thực hiện khảo sát hoạt động của hệ đo nhằm kiểm tra khả năng đáp ứng
trong quá trình ghi nhận và xử lý xung tín hiệu của hệ phổ kế thời gian. Yêu cầu đặt

17 Hình 2.6. Đồ thị khảo sát đo thời gian của hệ phổ kế thời gian.
Ta tiến hành làm khớp (fit) các giá trị thu được từ bảng số liệu Bảng 2.1 và
biểu diễn chúng trên đồ thị khảo sát đo thời gian của hệ phổ kế thời gian khi ta thay
đổi giá trị khoảng cách của hai xung tạo ra từ máy phát xung như Hình 2.7. Đường
làm khớp thu được là một đường tuyến tính với phương trình:
y = (-0,858120,65575) + (0,999963,86878.10
-5
).x và hệ số làm khớp R=1.
Từ kết quả khảo sát về mặt đo khoảng cách giữa hai xung tín hiệu tạo ra từ
máy phát xung được lập trình bằng ngôn ngữ lập trình VHDL, ta thấy hệ phổ kế
thời gian có khả năng đáp ứng để thực hiện đo thời gian.
Thay đổi tần số
2.2.2.
Để kiểm tra tốc độ ghi nhận hệ phổ kế thời gian ta tiến hành kiểm tra bằng
cách thay đổi tần số của máy phát xung, việc thay đổi tần số tức là làm thay đổi số
xung tín hiệu tạo ra trong một đơn vị thời gian, từ đó ta kiểm tra được hệ hoạt động
tốt đối với tần số nào. Khi tăng tần số lên cao thì hệ phổ kế thời gian có đáp ứng kịp
số đếm từ máy phát xung tạo ra… Trong khi thay đổi tần số ta cố định khoảng cách
về mặt thời gian của hai xung là 2200ns.
18

Bảng 2.2. Khảo sát hiệu suất ghi nhận của hệ phổ kế thời gian khi thay đổi tần số
tạo xung từ máy phát xung.
Tần số (Hz) 0,2 0,4 0,7 1,5 3 6
Số đếm/s 0,2 0,4 0,7 1,5 3 6
Tần số (Hz) 11,9 23,8 47,7 95,4 190,7 381,5
Số đếm/s 11,9 23,9 47,8 95,5 134,8 146,7

trùng phùng với detector HPGe.
Bức xạ vũ trụ tương tác với hệ hai detector trùng phùng với một cửa sổ thời
gian xác định. Detector nhấp nháy Plastic có thể ghi nhận bất kì hạt nào tạo đủ ánh
sáng nhấp nháy để gây ra tín hiệu. Các hạt này có thể là hạt mang điện như electron,
muon hoặc trung hòa như photon tạo ra các hạt mang điện khi chúng tương tác với
chất nhấp nháy. Như vậy trong quá trình phân rã của hạt muon, detector sẽ không
phân biệt được tín hiệu nào là tín hiệu do hạt muon gây ra hay do các hạt khác gây
ra. Vì vậy detector sẽ ghi nhận tất cả, tín hiệu của các hạt khác muon đóng vai trò
của phông nền, nó sẽ ảnh hưởng đến kết quả. Để loại bỏ tín hiệu do các hạt này gây
ra ta có thể ước tính mức phông nền trong đồ thị thời gian phân hủy bằng cách đặt
detector Plastic bên cạnh buồng chì và cùng độ cao với detector HPGe để đo phổ
phông nền (phổ thời gian tương quan giữa 2 dectector).
Khi muon tương tác với detector Plastic sẽ để năng lượng trên detector này
và gây ra tín hiệu điện, bộ khuếch đại sẽ khuếch đại tín hiệu này và tạo ra xung
vuông (chuẩn TTL) khi xung vào bộ khuếch đại lớn hơn mức ngưỡng (xung Start).
Sau đó muon có thể phân rã thành electron, positron, neutron và gây ra tín hiệu trên
detector HPGe, bộ khuếch đại phổ khuếch đại tín trước khi đưa vào MCA. Hệ MCA
sẽ ghi nhận phổ năng lượng để lại trên detector HPGe và cho biết tổng số đếm