MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN................................................................................................................i
LỜI CAM ĐOAN.......................................................................................................... ii
MỤC LỤC....................................................................................................................iii
DANH MUC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT.....................................................v
DANH MỤC BẢNG BIỂU VÀ HÌNH ẢNH............................................................... vi
LỜI MỞ ĐẦU............................................................................................................ viii
CHƯƠNG I. HỆ PHỔ KẾ GAMMA............................................................................1
1.1. Hệ phổ kế đơn đầu dò ghi nhận bức xạ gamma................................................ 1
1.1.1.

Đầu dò....................................................................................................... 1

1.1.2.

Các khối điện tử khác của hệ phổ kế sử dụng một đầu dò.........................3

1.1.3.

Tương tác bức xạ với đầu dò...................................................................... 3

1.2. Hệ phổ kế trùng phùng...................................................................................... 4
1.3. Hệ phổ kế đối trùng phùng................................................................................ 7
CHƯƠNG II. THỰC NGHIỆM ĐO TRÙNG PHÙNG GAMMA-GAMMA...............8
2.1. Mục đích của bài thí nghiệm............................................................................. 8
2.2. Lò phản ứng hạt nhân ở Đà Lạt và kênh ngang số 3......................................... 8
2.3. Bố trí thí nghiệm............................................................................................. 10
2.4. Hệ phổ kế trùng phùng gamma – gamma........................................................ 12
2.5. Nguyên tắc hoạt động của hệ phổ kế trùng phùng sử dụng khối biến đổi thời
gian thành biên độ TAC.................................................................................. 14
CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM XÂY DỰNG HÀM CHUẨN NĂNG LƯỢNG CHO HỆ

nghệ hạt nhân vì mục đích hòa bình.
Trong các nghiên cứu và ứng dụng liên quan đến bức xạ gamma, việc ghi đo bức
xạ và tìm được chính xác các đỉnh năng lượng của mẫu đo là điều hết sức quan trọng,
vì nó là bước khởi đầu cho việc phân tích mẫu. Để đáp ứng yêu cầu nghiên cứu cần
mức độ tin cậy cao của số liệu thu được việc đó cần sự phát triển của thiết bị ghi đo
bức xạ. Do đó hệ phổ kế trùng phùng ghi nhận bức xạ gamma ra đời. Khác với hệ phổ
kế truyền thống sử dụng một đầu dò. Hệ phổ kế này cho số liệu có độ tin cậy cao hơn
nên đáp ứng được các nghiên cứu về số liệu hạt nhân.
Việc xác định năng lượng chính xác của phổ gamma là rất quan trọng đối với một hệ
ghi nhận bức xạ gamma. Nhưng số liệu ghi đo bức xạ tìm được thường khó xác định năng
lượng chính xác. Do đó cần tìm một hàm để có thể giúp chúng ta tìm được đỉnh năng
lượng của phổ sau ghi đo và xác định được năng lượng của phổ cần phân tích.

Vì lí do đó, đề tài “xây dựng hàm chuẩn năng lượng cho hệ phổ kế trùng
phùng gamma-gamma” được tôi lựa chọn để thực hiện bài khóa luận này.

viii


CHƯƠNG I. HỆ PHỔ KẾ GAMMA
1.1. Hệ phổ kế đơn đầu dò ghi nhận bức xạ gamma.

Hệ phố kế đơn đầu dò ghi nhận bức xạ gamma là hệ phổ kế chỉ sử dụng một
đầu dò để ghi nhận bức xạ. Đây là hệ phổ kế được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng
hoặc trong các nghiên cứu khác nhau vì sự thuận tiện của nó. Hệ phổ kế đơn ghi nhận
bức xạ gamma có cấu tạo đơn giản gồm các khối như hình 1.1.
Tiền
khuếch đại

Đầu dò



Hình 1.2. Hệ phổ kế gamma xách tay sử dụng đầu dò nhấp nháy NaI(Tl).
Đầu dò bán dẫn là đầu dò hoạt động dựa trên quá trình hình thành các hạt tải
điện trong chất rắn. Ưu điểm của đầu dò này là có biên độ tín hiệu lớn hơn và có độ
phân giải tốt.
Hiện nay, đầu dò bán dẫn siêu tinh khiết HPGe được sử dụng rộng rãi hơn trong
các bài toán ghi đo bức xạ vì những ưu điểm nỗi bật của nó. Đầu dò này không cần
phải bảo quản liên tục trong Nitơ lỏng như là đầu dò Ge(Li), đồng thời độ phân giải
năng lượng và hiệu suất ghi cao hơn hẳn các đầu dò bán dẫn có cùng thể tích.

Hình 1.3. Cấu tạo của đầu dò bán dẫn HPGe và hệ thống làm lạnh bằng khí Nitơ.

2


1.1.2. Các khối điện tử khác của hệ phổ kế sử dụng một đầu dò.
Khối tiền khuếch đại: Do tín hiệu đầu ra của đầu dò khá bé đặc biệt là đầu dò
bán dẫn nên cần thêm bộ tiền khuếch đại để nâng tín hiệu rất nhỏ từ ngõ ra đầu dò
thành tín hiệu đủ lớn để xử lí ở tầng khuếch đại phổ. Ngoài ra bộ tiền khuếch đại này
còn đóng vai trò là một mạch phối hợp trở kháng nhằm đảm bảo tải cho khối tiếp theo.
Ở khối khuếch đại phổ, tín hiệu sẽ được khuếch đại biên độ đưa tín hiệu qua
ngưỡng phân tích nhằm lựa chọn tín hiệu có biên độ đủ lớn để bộ chuyển đổi tín hiệu
ADC (bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số) phân tích biên độ xung.
Bộ xử lí đa kênh MCA có nhiệm vụ thu nhận dữ liệu sau khi ADC biên đổi xong
và sắp xếp vào ô nhớ. Giá trị năng lượng của lượng tử gamma mà đầu dò hấp thụ được
cũng chính là số lượng xung có cùng biên độ được tổng hợp bởi hệ ghi đo bức xạ.

Sử dụng khối hiển thị hoặc máy tính dùng để lưu trữ và hiển thị dữ liệu bức xạ
ghi nhận được.

các bức xạ gamma này. Các bức xạ gamma đi ra từ mẫu ngược chiều nhau và

4


cách nhau trong khoảng 1 thời gian nhất định hay còn gọi là gamma trùng phùng là
do sự chuyển dời nối tầng liên tiếp của 2 gamma trong khoảng thời gian rất nhỏ. Sự
dịch chuyển liên tiếp của được thể hiện trong hình 1.7. [2]

γ4

Trùng phùng

γ5
γ6

Trùng phùng

γ1
γ
3

γ2

Hình 1.7. Sơ đồ minh họa sự phân rã nối tầng.
Khi sự chuyển dời xảy ra, 2 tia gamma sẽ đi ngược hướng nhau do định luật bảo
toàn xung lượng, do đó ta đặt 2 đầu dò đối xứng nhau. Còn mẫu được đặt chính giữa
o

tấm bia chứa mẫu, bia mẫu được đặt nghiêng một góc 45 so với mặt phẳng đi qua 2

thành biên độ TAC được trình bày đơn giản ở hình 1.9. [5]
AMP A

ADC A

Det A

I
N
FFT A

CFD A

T
E
TAC

HV

R

PC

Det B

F
FFT B

CFD B


1.3.

Hệ phổ kế đối trùng phùng. [5]

Cấu tạo của hệ phổ kế đối trùng phùng giảm phông Compton được trình bày
đơn giản ở hình 1.10. Ở hệ phổ kế này gồm 1 đầu dò chính thường là dầu dò bán dẫn
siêu tinh khiết và báo quanh là các đầu dò, thường là đầu dò nhấp nháy, và các hệ
thống điện tử điều khiển quá trình ghi đo bức xạ.

AC: khối cộng xung; LG: khối khóa tuyến tính; MCA: khối phân tích biên độ Hình
1.10. Hệ phổ kế đối trùng giảm phông Compton.
Nguyên tắc hoạt động của hệ đo ở hình 1.10 là khi các lượng tử gamma tán xạ
Compton đi ra khỏi đầu dò chính sẽ được các đầu dò phụ bao quanh ghi nhận. Xung
điện từ các đầu dò bao quanh sẽ khoá không cho phép ghi nhận xung từ đầu dò chính
trong một khoảng thời gian nào đó tuỳ thuộc vào độ phân giải thời gian của hệ. Nếu từ
các đầu dò xung quanh không có xung ra, thì xung từ đầu dò chính sẽ được ghi (được
coi là tương ứng với sự hấp thụ hoàn toàn). Như vậy, khóa tuyến tính hoạt động ở chế
độ thường mở để khi có xung từ các đầu dò bao quanh, khóa tuyến tính sẽ đóng lại,
không cho xung từ đầu dò chính đi tới hệ phân tích. Để nâng cao khả năng giảm phông
trong phổ cần chú ý đến hai vấn đề quan trọng sau:
- Hệ đầu dò bao quanh có hiệu suất ghi càng cao càng tốt.
- Hệ cần được che chắn kỹ vì phông gamma cao sẽ dẫn tới giảm khả năng ghi đo
sự kiện có ích do trùng phùng ngẫu nhiên. Đồng thời cũng phải tăng độ phân giải thời
gian của hệ để giảm trùng phùng ngẫu nhiên.

7


CHƯƠNG II. THỰC NGHIỆM ĐO TRÙNG PHÙNG GAMMA-GAMMA


danh định của lò được nâng cấp từ 250 kW lên 500 kW. Lần nạp nhiên liệu đầu tiên ngày
1/11/1983 và bắt đầu làm việc ở công suất danh định vào đầu tháng 2/1984. Cho đến nay
cấu hình các bó nhiên liệu trong vùng hoạt của lò đã được thay đổi nhiều lần. Lò gồm một
thùng nhôm chứa nước cao 6 m, đường kính 1,98 m. Toàn bộ thùng nhôm được đặt vào
giữa khối bê tông bảo vệ sinh học có tiết diện cắt ngang dạng tám cạnh. Độ dày bê tông ở
nửa dưới cỡ 2,5 m và nửa trên cỡ 0,9 m. Vùng hoạt của lò có dạng hình trụ chiều cao 0,6
m, đường kính 0,4 m đặt vào trong vành phản xạ và gắn liền với một giếng hút cao 2 m,
đường kính 0,5 m. Giếng hút được treo trên một giá đỡ cao 3 m, đường kính khung 2 m.
Giá đỡ tạo sự thuận lợi khi lắp ráp các hệ thống công nghệ trong lò với điều kiện phóng xạ
cao. Giếng hút có tác dụng tăng cường sự đối lưu của nước làm nguội vùng hoạt theo cơ
chế đối lưu tự nhiên. Trong bể lò còn có các ống cấp
8


và hút nước của hệ thống đối lưu nước vòng 1, hệ thống dẫn các thanh điều khiển, hệ
thống các buồng ion hóa ghi đo neutron. Lò được đậy bằng một nắp thép dày 20 cm,
nhằm đảm bảo an toàn cho người làm việc. Trên nắp lò có cửa sổ bằng kính thủy tinh
hữu cơ để nhìn và một cửa sổ để thao tác nghiệp vụ. Lò có 4 kênh ngang với đường
3

kính 0,152 m dài cỡ 3 m và một cột nhiệt bằng graphite với kích thước 1×1,2×1,2 m .
Trong các kênh ngang có 3 kênh xuyên tâm và 1 kênh tiếp tuyến. Đến thời điểm hiện
nay, chỉ mới có kênh ngang số 3 và số 4 được khai thác. [5]

Cửa cột

Hình 2.1. Mặt cắt ngang lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt.
+ Kênh neutron số 3 là kênh tiếp tuyến với vùng hoạt của lò phản ứng. Kênh này có
dòng neutron từ vùng hoạt đi ra chủ yếu là neutron nhiệt. Cấu trúc kênh bao gồm hai
phần: phần phía trong là ống nhôm có đường kính 15 cm dài 1.5 m và phần phía ngoài là


10


thống có thể di chuyển trên hệ thống ray dẫn hướng song song với chùm neutron. Phần
tinh thể và tiền khuếch đại của các đầu dò được đặt trong các buồng chì kích thước 30
× 25 × 20 cm, để giảm tác động của phông bức xạ gamma. Để tránh ảnh hưởng của
neutron tán xạ từ mẫu vào các đầu dò, các vật liệu Li2CO3 được nén với mật độ 1,4
g/cm3 và B4C được sử dụng để che chắn bổ sung ở bên ngoài buồng chì và phía mặt
đối diện với mẫu của đầu dò.
Chuẩn hệ đo: Việc xác lập các tham số cho hệ thống xử lý tín hiệu thời gian đối
với các hệ đo trùng phùng hoặc đối trùng rất quan trọng, nhất là đối với các đầu dò bán
dẫn siêu tinh khiết có thể tích lớn. Xác lập hệ thống các tham số này nếu không tốt sẽ
dẫn tới hoặc là hệ đo có độ phân giải thời gian cao nhưng lại mất dữ liệu có ích, hoặc
là lấy được nhiều dữ liệu nhưng độ phân giải thời gian kém đi vì có chứa cả trùng
phùng ngẫu nhiên. [3]
Tiến hành đo: Đặt mẫu vào vị trí chiếu xạ kích hoạt, thực hiện chiếu xạ kích
hoạt và đo trùng phùng gamma-gamma, giao diện đo bức xạ trùng phùng gamma
gamma được trình bày ở hình 2.4. Bằng cách này ta có thể thu được xung gamma
trùng phùng tại của vật liệu được kích hoạt tại 2 đầu dò. Số liệu đo được hiển thị và
lưu trữ trên máy tính dưới dạng code như hình 2.5.

Hình 2.4. Giao diện đo của phần mềm đo trùng phùng tại VNCHN Đà Lạt.

11


Hình 2.5. Dữ liệu dạng code ghi nhận được và lưu trữ trên máy tính.

2.4.


Đầu dò HPGE

Hiệu suất

35%

4%

Nguồn cao
thế

-24kV

-4.8kV

Coarse gain

x20

x20

Fine gain

Min

Min

Mitegrate


10 ns

16 ns

Output

Positive
output

Positive
output

Cao thế (HV)

Timing filter
Khuếch đại

Amplifier

nhanh (TFA)

(TFA) 474
ORTEC

Khối gạt
ngưỡng hằng
(CFD)

DF DISC 584
ORTEC

5.42

10.28

Shaping time

3μs

3μs

Input

Norm

Norm

Output

Unipolar

Unipolar

Amplifier
Khuếch đại
(AMP)

572 của
ORTEC

fine gain

logic và nguồn. Hệ đo hiện tại chỉ sử dụng tín hiệu inhibit (INH) được nối với interface.

Inhibit báo hiệu có chồng chập xung và xung này sẽ không được ghi nhận.
14


Khối biến đổi tương tự số ADC: Cửa sổ thời gian chết: tính bằng 100%, mỗi
đèn LED ứng với thời gian chết là 5%.
Gian/ Range: đặt:16K/16K.
Offset: lựa chọn số kênh đo bắt đầu, nếu tất cả đều gạt xuống nghĩa là ADC đo
trên toàn dải kênh, nếu một nút nào đó được bật lên thì kênh đó được đặt là zero, và
ADC bắt đầu phân tích các kênh lớn hơn nó.
LLD và ULD: là các nút điều chỉnh độ phân thế thấp và độ phân thế cao. Xung
vào ADC phải nằm trong khoảng trên mức thấp, dưới mức cao mới được biến đổi, nếu
nằm ngoài khoảng các mức đó sẽ không được biến đổi.
ADC IN: nhận xung từ khuếch đại phổ. Có hai chế độ phân tích: Pha (phân tích
độ cao của xung) và SWA (đo lấy mẫu)
GATE IN: nhận tín hiệu từ khối trùng phùng, điều khiển ADC biến đổi hay
không xung vào và reset quá trình sau khi phân tích xong.
COIN/ANTI: đặt chế độ trùng phùng hoặc phản trùng phùng. Công tắc bật ở
chế độ nào thì đo ở chế độ ấy.
Data: được nối với interface, truyền dữ liệu tới interface và đồng thời nhận
Khối khuếch đại nhanh TFA: có nhiệm vụ tạo dạng xung và khuếch đại để
cho tín hiệu phù hợp với các khối điện tử sau đó, trong đó tạo dạng xung đóng vai trò
quan trọng. Về cơ bản, tạo dạng xung dựa trên các mạch lọc tần số cao – CR và mạch
lọc tần số thấp – RC. Các mạch lọc này kết hợp linh kiện tích cực như khuếch đại thuật
toán tạo thành mạch lọc tích cực
Khi dùng khối TFA 474 do hãng ORTEC sản xuất, các thông số cần quan tâm là:

- Thay đổi hệ số khuếch đại tín hiệu (gồm hai núm chỉnh Gain và Fine gain).

gamma tán xạ giữa hai đầu dò; nếu chọn ngưỡng cao quá sẽ mất các chuyển dời
gamma có năng lượng thấp.
Khối CFD 584 do hãng ORTEC sản xuất cho độ phân giải thời gian tốt với hầu
hết các đầu dò thường dùng như HPGe, NaI(Tl),... Nó hoạt động như một thiết bị phân
biệt ngưỡng tích phân, chỉ khi tín hiệu vào vượt qua ngưỡng đặt trước thì mới cho tín
hiệu lối ra. Xung lối vào CFD 584 nằm trong khoảng -5V tới 0V. CFD 584 cho bốn lối
ra:
-

Hai lối ra xung logic âm độ rộng 5ns.
Một lối ra xung logic dương, lối này được nối với đầu vào của khối trùng phùng.
Một lối ra Blocking để tinh chỉnh.
Một lối ra time walk.

16


Khối biến đổi thời gian sang biên độ TAC: là khối điện tử chức năng dùng để
xác định khoảng thời gian giữa xung tới vào lối khởi phát và xung tới vào lối kết thúc
bằng cách khởi phát một tín hiệu tương tự tỉ lệ với khoảng thời gian đó. Khoảng thời
gian được thay đổi từ 50 ns đến 2 ms cho toàn giải thông qua lối điều khiển ở mặt
trước của khối TAC. Lối vào khởi phát của TAC có thể được cấm bởi xung hoặc mức
DC theo kết nối điều khiển ở mặt sau của khối. Khi các tín hiệu lối vào tại lối khởi
phát và lối kết thúc được chấp nhận thì sẽ có các tín hiệu lối ra Valid Start và Valid
Convert tương ứng. Khoảng thời gian của lối ra Valid Start bao gồm khoảng thời gian
từ khi chấp nhận tín hiệu khởi phát đến lúc kết thúc quá trình hồi phục. Lối ra Valid
Convert xuất hiện trễ hơn một lượng sau khi có kết thúc đến lúc kết thúc quá trình
phục hồi. Độ rộng và độ trễ của tín hiệu lối ra của TAC được thay đổi dễ dàng để áp
dụng cho nhiều loại hệ phổ kế thời gian khác nhau. Tín hiệu lối ra TAC được ghép nối
DC để đưa vào hệ phân tích đa kênh nhằm tối ưu tốc độ đếm

Phương pháp và cấu hình khảo sát khối TFA.
Theo lý thuyết, các giá trị DIFF và INT tốt nhất khi tỉ số tín hiệu/nhiễu là lớn
nhất, hay độ rộng cực đại nửa chiều cao của đỉnh phổ (FWHM) là nhỏ nhất. Giá trị
được chọn sao cho độ phân giải thời gian tốt nhất, nhưng không ảnh hưởng đến hiệu
suất ghi. Vì vậy các giá trị DIFF và INT được chọn phải thỏa mãn điều kiện là FWHM
nhỏ và tốc độ đếm lớn. Cấu hình khảo sát được trình bày trên hình 2.9.
18


Đầu tiên dùng dao dộng ký kiểm tra tín hiệu ra để chọn chế độ làm việc NONINV hay INV cho xung lối ra là xung âm. Đưa lối ra của TFA qua SCA rồi qua
interface vào PC để thu được phổ. Trên phổ, từ các đỉnh của nguồn phóng xạ, ta thu
được các giá trị FWHM, ta lần lượt thay các giá trị DIFF và INT thu được các giá trị
FWHM và tốc độ đếm khác nhau. Từ các số liệu thu được sẽ tìm ra giá trị tối ưu ứng
với FWHM nhỏ và tốc độ đếm tương đối lớn. Do ngưỡng điều chỉnh của khối CFD
nằm trong dải từ 0 V đến 1 V và trong phương pháp cộng biên độ các xung trùng
phùng năng lượng muốn cắt nhỏ hơn 1MeV, nên các hệ số khuếch đại (Coarse gain và
Fine gain) có thể được chọn sao cho dải năng lượng 0 ÷ 1 MeV tương ứng dải biên độ
0 ÷ 1 V. Một cách tương đối ta có thể dùng dao động ký để khảo sát TFA-474 với các
điều kiện của bài toán cụ thể.

Hình 2.9. Cấu hình khảo sát các thông số tối ưu cho TFA.
Phương pháp và cấu hình khảo sát khối CFD
Dùng các giá trị tối ưu của TFA để khảo sát CFD. Nguồn phóng xạ dùng khảo
sát có đỉnh nằm ngay trên vùng cần cắt. Nếu ngưỡng cắt được chọn đúng thì số đếm ở
đỉnh này bị cắt ít nhất, và phông bị cắt nhiều nhất. Để biết được điều này, ta phải tiến
hành hai phép đo:
- Phép đo không điều khiển, tức là không có vai trò của kênh thời gian, khi đó ta
sẽ nhận được tất cả các tín hiệu đến từ đầu dò. Từ đây ta thu được phổ mà chứa đầy đủ
thông tin về tín hiệu và nhiễu của hệ đo. Ta xác định được tốc độ đếm (cps) tổng và tốc
độ đếm tại các đỉnh khảo sát cho trường hợp không điều khiển.

được đưa đến interface. Sau khi nhận được tín hiệu từ CFD, PCI 7811R gửi tín hiệu đến
ADC, cho phép ADC biến đổi. ADC gửi tín hiệu số đến PC qua PCI 7811R.

Hình 2.11. Cấu hình đo có điều khiển.

20


CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM XÂY DỰNG HÀM CHUẨN NĂNG LƯỢNG CHO
HỆ PHỔ KẾ TRÙNG PHÙNG GAMMA GAMMA, KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1.

Phần mềm gacasd.

Phần mềm Gacasd là phần mềm được phát triển bởi nhóm nghiên cứu phân rã
nối tầng thuộc trung tâm vật lý hạt nhân, VNCHN Đà Lạt. Chương trình được thiết kế
với giao diện đồ họa và từng mô đun chức năng riêng nên các công đoạn xử lý phổ trở
nên dễ dàng. Người sử dụng có thể chọn từng công đoạn một để làm và lưu lại kết quả,
các kết quả lại tiếp tục làm đầu vào cho một công đoạn khác hoặc cho một chương
trình khác. Hình 3.1 là giao diện chính của chương trình. Khi một nút lệnh được chọn,

một chương trình con thực hiện chức năng sẽ được nạp vào bộ nhớ và chương
trình chính sẽ trao quyền điều khiển cho chương trình con đến khi chương trình
con kết thúc. Chương trình có thể đọc và xuất số liệu dưới dạng văn bản hoặc
nhị phân. Các loại đuôi của chương trình tạo ra gồm *.txt, *.dat, *.enr, *.dif,
*.spe, *.2sp, *.rpt và một số dạng khác.
Các nút lệnh trên cửa sổ chính của chương trình gồm:
- Merge files: nối và chuyển đổi các tập tin số liệu đo.
- Reduce and Filter: lọc các cặp sự kiện trùng phùng theo các tham số giả

cao nhất