Tài liệu Thiết kế, chế tạo hệ tách xung nơtron và gamma sử dụng kỹ thuật xử lý tín hiệu số.

BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ VIỆT NAM PHAN VĂN CHUÂN THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ TÁCH XUNG NƠTRON VÀ GAMMA SỬ DỤNG KỸ THUẬT XỬ LÝ TÍN HIỆU SỐ LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ Đà Lạt - 2019 BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ VIỆT NAM PHAN VĂN CHUÂN THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ TÁCH XUNG NƠTRON VÀ GAMMA SỬ DỤNG KỸ THUẬT XỬ LÝ TÍN HIỆU SỐ Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử và hạt nhân Mã số: 9.44.01.06 LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS. TS NGUYỄN ĐỨC HÒA 2. TS NGUYỄN XUÂN HẢI Đà Lạt - 2019 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. TS Nguyễn Đức Hòa và TS Nguyễn Xuân Hải. Bên cạnh đó, tôi cũng nhận được sự tham gia hỗ trợ của các thành viên trong nhóm nghiên cứu. Các số liệu thực nghiệm và kết quả nghiên cứu nêu trong luận án được tổng hợp từ các công trình nghiên cứu đã đăng tải trên các tạp chí, kỷ yếu hội nghị khoa học – công nghệ và không sao chép bất cứ công trình nào. Tác giả i LỜI CÁM ƠN Đề hoàn thành luận án này, tôi đã nhận được sự hướng dẫn, động viên của nhiều người. Trước tiên, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS. TS Nguyễn Đức Hòa, người Thầy đã tận tình hướng dẫn, động viên tôi trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận án này. Những nhận xét, đánh giá của Thầy, đặc biệt là những định hướng nghiên cứu và hướng giải quyết vấn đề là những bài học quý giá đối với tôi không những trong quá trình thực hiện luận án mà cho cả các hoạt động nghiên cứu chuyên môn sau này. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn tới TS Nguyễn Xuân Hải đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tôi rất nhiều trong suốt quá trình thực hiện luận án, đặc biệt là những kiến thức trong thực nghiệm và các công bố khoa học. Xin trân trọng cảm ơn đến Ban Giám hiệu Trường Đại học Đà Lạt, Ban Chủ nhiệm Khoa Vật lý – Trường Đại học Đà Lạt đã luôn ủng hộ, động viên, tạo điều kiện để nghiên cứu sinh hoàn thành nhiệm vụ. Tôi xin chân thành cảm ơn đến các Anh/Chị tại Trung tâm đào tạo, Viện Nghiên cứu Hạt nhân Đà Lạt đã tạo điều kiện, tận tình giúp đỡ rất nhiều trong quá trình thực nghiệm. Tôi xin chân thành cảm ơn TS Phạm Ngọc Sơn và TS Trần Tuấn Anh – Viện Nghiên cứu Hạt nhân Đà Lạt về việc giúp đỡ bố trí các thí nghiệm đo trên kênh và những trao đổi chuyên môn rất bổ ích cho luận án. Cuối cùng, tôi xin cảm ơn đến người thân, bạn hữu xa, gần về những chia sẻ giúp đỡ trong suốt quá trình thực hiện luận án. Nghiên cứu sinh Phan Văn Chuân ii Lời cam đoan i Mục lục iii Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt v Danh mục các bảng viii Danh mục các hình vẽ, đồ thị ix MỞ ĐẦU Chương 1. TỔNG QUAN 1.1 Hệ đo nơtron 1.1.1 Tổng quan các hệ đo nơtron 1.1.2 Đo nơtron với các ống đếm khí 1.1.3 Đo nơtron với các đetectơ nhấp nháy 1.1.4 Hệ đo nơtron sử dụng kỹ thuật tương tự 1.1.5 Hệ đo nơtron sử dụng kỹ thuật số 1.2 Loại trừ ảnh hưởng của gamma trong các phổ đo nơtron 1.2.1 Loại trừ gamma trong các ống đếm khí 1.2.2 Loại trừ gamma cho các đetectơ nhấp nháy Một số phương pháp phân biệt xung nơtron/gamma trong đetectơ 1.3 nhấp nháy 1.3.1 Kỹ thuật phân biệt dựa vào thời gian vượt ngưỡng 1.3.2 Kỹ thuật phân biệt dựa vào độ dốc xung 1.3.3 Kỹ thuật phân biệt dựa vào diện tích đuôi xung 1.3.4 Phương pháp phân biệt dựa vào khớp với xung chuẩn 1.3.5 Phương pháp nhận dạng mẫu 1.3.6 Phương pháp phân biệt dùng biến đổi wavelet Đánh giá hiệu quả phân biệt dạng xung của các phương pháp 1.4 Kỹ thuật DSP và công nghệ FPGA trong thiết kế, chế tạo hệ đo 1.5 nơtron Kết luận chương 1 Chương 2. THỰC NGHIỆM 2.1 Thiết kế và chế tạo đetectơ nhấp nháy đo nơtron – gamma sử dụng nhấp nháy lỏng EJ-301 2.1.1 Thiết kế vỏ đầu nhấp nháy EJ-301 2.1.2 Thiết kế vỏ của đetectơ 2.1.3 Ống nhân quang 2.1.4 Tiền khuếch đại (TKĐ) 2.2 Xây dựng hệ đo nơtron sử dụng đetectơ EJ-301 iii 1 7 7 7 9 9 11 12 13 14 15 17 18 19 20 21 22 23 26 27 29 31 31 31 32 33 35 40 2.2.1 Xây dựng phần cứng hệ đo 40 2.2.2 Xây dựng phần mềm hệ đo 48 2.3 Xây dựng các thuật toán phân biệt dạng xung nơtron/gamma 57 2.3.1 Phương pháp thời gian vượt ngưỡng 58 2.3.2 Phương pháp độ dốc xung 59 2.3.3 Phương pháp diện tích 60 2.3.4 Phương pháp nhận dạng mẫu 62 2.4 Phương pháp phân biệt dạng xung dựa vào xung tham khảo 63 2.4.1 Xây dựng xung tham khảo nơtron và gamma 63 2.4.2 Phương pháp xung tham khảo 64 2.4.3 Loại bỏ các xung chồng chập 66 2.5 Đánh giá hệ đo 67 2.5.1 Đánh giá đetectơ 67 2.5.2 Đánh giá hệ đo nơtron DRS4 77 Kết luận chương 2 81 Chương 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 82 3.1 Kết quả thiết kế và chế tạo đetectơ EJ-301 đo nơtron-gamma 82 3.1.1 Các tham số cơ bản của đetectơ: 82 3.1.2 Độ tuyến tính của đetectơ: 84 3.1.3 Chuẩn năng lượng 85 3.1.4 Độ nhạy của đetectơ: 86 3.1.5 Hiệu suất ghi của đetectơ 86 3.1.6 Kết quả sử dụng các phương pháp phân biệt dạng xung nơtron/gamma cho đetectơ EJ-301 87 3.2 Kết quả đạt được của phương pháp xung tham khảo trên đetectơ EJ301 91 3.3 Kết quả thực hiện trên hệ đo nơtron nhanh và gamma 94 3.3.1 Chương trình MCA_DRS4 94 3.3.2 So sánh hiệu quả phân biệt dạng xung 104 3.3.3 So sánh phổ nơtron/gamma đo được với một số nghiên cứu khác 104 KẾT LUẬN 106 NHỮNG VẤN ĐỀ CẦN NGHIÊN CỨU TIẾP THEO CỦA LUẬN ÁN 108 DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 109 TÀI LIỆU THAM KHẢO 110 iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt ADC Analog-to-Digital Converter Bộ chuyển đổi tương tự thành số AMP Amplifier Bộ khếch đại CFD Constant Fraction Discriminator Bộ phát hiện ngưỡng CPR Correlation Pattern Recognition Phương pháp nhận dạng mẫu DBQC Discrimination on Phân biệt dựa trên phân cụm lượng based quantum clustering tử DC Direct Current Dòng điện một chiều DCI Digital Charge Integration Phương pháp tích phân xung DFTM Discrete Fourier Transform Phương pháp biến đổi Fourier rời Method rạc DRS4 Domino Ring Sampler Vòng lấy mẫu theo hiệu ứng domino DSP Digital Signal Processing Xử lý tín hiệu số DWT Discrete Wavelets Transform Biến đổi wavelet rời rạc EEPROM Electrically Erasable ROM Bộ nhớ ROM xóa được bằng điện ENOB Effective number of bits Số bit hiệu dụng FFT Fast Fourier Transform Phân tích Fourier nhanh FFA Fast Filter Amplifier Bộ khuếch đại và lọc nhanh FIFO First-In, First-Out Bộ đệm vào trước, ra trước FoM Figure of Merits Hệ số phẩm chất FPGA Field-Programmable Gate Array Mảng cổng lập trình được FWHM Full Width at Half Maximum v Độ rộng nửa chiều cao GSPS Giga-Samples Per Second Tỉ mẫu mỗi giây. HPGe High-Purity Germanium Đầu dò bán dẫn siêu tinh khiết HV High-Voltage Cao thế keVee keV electron equivalent keV tương đương LVDS Low-Voltage Differential Signaling LPƯHN MCA Tín hiệu vi phân điện áp thấp Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt Máy phân tích đa kênh Multi Channel Analyzer MCA_DRS4 Multi Channel Analyzer DRS4 Máy phân tích đa kênh sử dụng bản mạch DRS4 MeVee MeV electron equivalent MeV tương đương MSPS Mega-Samples Per Second Triệu mẫu mỗi giây MWPC Multi-Wire Proportional Counter Ống đếm tỷ lệ đa dây OP-AMP Operational Amplifier Bộ khuếch đại thuật toán PGA Pulse Gradient Analysis Phân tích độ dốc xung PMT Photomultiplier Tube Ống nhân quang điện PSA Pulse Shape Analyzer Bộ phân tích dạng xung PSD Pulse Shape Discrimination Phân biệt dạng xung PSI Paul Scherrer Institute Viện nghiên cứu Paul Scherrer RAM Random-Access Memory Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên RMS Root Mean Square Giá trị hiệu dụng ROI Region-of-interest Vùng quan tâm vi RP Reference-Pulse Phương pháp xung tham khảo RPg Reference-Pulse gamma Xung tham khảo gamma RPn Reference-Pulse neutron Xung tham khảo neutron SCA Single Channel Analyzer Máy phân tích đơn kênh SFDR Spurious-Free Dynamic Range Dải động vùng nhiễu SEF Standard Event Fit Khớp với xung chuẩn SINQ Spallation Neutron Source SNR Signal-to-noise ratio TAC Time-to-Amplitude Converter TCT Threshold-Crossing Time Thời gian vượt ngưỡng TKĐ Preamplifier Tiền khuếch đại ToF Time of Flight Phương pháp thời gian bay USB Universal Serial Bus Giao diện nối tiếp đa năng UV Ultraviolet Tia tử ngoại VHDL WTM Nguồn nơtron tạo ra trong máy gia tốc hạt Tỉ số tín hiệu trên nhiễu VHSIC Hardware Description Language Wavelet Transform Method vii Bộ chuyển đổi thời gian thành biên độ Ngôn ngữ mô tả phần cứng Phương pháp biến đổi wavelet DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Các thành phần phân rã trong một số chất nhấp nháy hữu cơ. .................. 15 Bảng 1.2 Một số phương pháp phân biệt dạng xung nơtron/gamma. ........................ 18 Bảng 2.1 Các tham số chính của R9420 [63]. ............................................................ 34 Bảng 2.2 Các tham số quan trọng của THS3202........................................................ 37 Bảng 2.3 Các tham số linh kiện sử dụng trong mạch TKĐ. ....................................... 39 Bảng 2.4 Giá trị đọc được tương ứng với điện áp trong hai chế độ điện áp vào. ...... 54 Bảng 2.5 Các tham số chính của máy phát xung ORTEC 419. .................................. 68 Bảng 2.6 Các tham số chính của oscilloscope DPO7254C. ....................................... 68 Bảng 2.7 Kết quả khảo sát các tham số của TKĐ với các hệ số khuếch đại khác nhau. ............................................................................................................................ 69 Bảng 2.8 Tốc độ đếm theo khoảng cách đến nguồn và giá trị trung bình đường cơ bản. .............................................................................................................................. 71 Bảng 2.9 Biên độ xung ra tương ứng với năng lượng của các nguồn 22Na,137Cs và 60 Co.............................................................................................................................. 75 Bảng 3.1 Kết quả khảo sát các tham số của đetectơ EJ-301. ..................................... 83 Bảng 3.2 Kết quả khảo sát tốc độ đếm và hiệu suất ghi của một số nguồn gamma và nơtron. ................................................................................................................... 86 Bảng 3.3 Bảng các tham số khớp với số liệu đo từ nguồn 137 Cs và 252 Cf theo biểu thức (1.2). .................................................................................................................... 87 Bảng 3.4 Giá trị các tham số của (3.4) khi khớp cho bốn phương pháp. ................... 90 Bảng 3.5 So sánh tỉ lệ nơtron phân loại được so với số sự kiện ghi nhận được trong các phương pháp. .............................................................................................. 99 Bảng 3.6 Bảng 3.6 Kết quả đếm nơtron và gamma trên nguồn 252Cf. ........................100 Bảng 3.7 Số đếm tổngvà tỉ lệ nơtron thu được trên dòng nơtron 148keV từ kênh số 4 lò PƯHN Đà Lạt. .....................................................................................................101 Bảng 3.8 So sánh tỉ lệ nơtron khi loại bỏ các xung chồng chập khi đo phông. .........102 Bảng 3.9 Bảng so sánh các giá trị FoM của bốn phương pháp trên chương trình MCA_DRS4 và so với các công trình khác. ................................................................103 viii Bảng 3.10 Bảng so sánh giá trị FoM của phương pháp RP với một số phương pháp mới của các tác giả khác. ..................................................................................103 DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Cấu trúc một đetectơ nhấp nháy và kết nối. .................................................. 09 Hình 1.2 Lượng ánh sáng phát ra đối với hạt điện tử, proton, alpha và cacbon trong chất nhấp nháy EJ-301 [35] ......................................................................................... 10 Hình 1.3 Sơ đồ hệ đo nơtron sử dụng đetectơ nhấp nháy. (a) Hệ tương tự, (b) Hệ kỹ thuật số. ......................................................................................................................... 11 Hình 1.4 Một xung nơtron (đường đậm) và gamma (đường lạt) được hình thành trong ống đếm proton giật lùi [47] ............................................................................... 14 Hình 1.5 Sự khác nhau giữa xung nơtron và gamma trong một số chất nhấp nháy hữu cơ [51].................................................................................................................... 16 Hình 1.6 Minh họa phương pháp phân biệt xung nơtron-gamma dựa vào thời gian vượt ngưỡng ................................................................................................................. 18 Hình 1.7 Minh họa phương pháp phân biệt dựa vào độ dốc ........................................ 19 Hình 1.8 Minh họa phương pháp phân biệt dựa trên diện tích xung ........................... 20 Hình 1.9 Các xung RPn, RPg và xung đo từ đetectơ sử dụng trong phương pháp SEF [57] ........................................................................................................................ 21 Hình 1.10 Minh họa phương pháp CPR ....................................................................... 22 Hình 1.11 (a) Các xung nơtron và gamma trung bình được chuẩn hóa biên độ (b) các hàm tỷ lệ P(a) tương ứng trong phân tích wavelet [33]......................................... 24 Hình 1.12 Phổ phân bố tham số PSD nơtron/gamma và tính FoM .............................. 26 Hình 1.13 Mô hình hệ đo nơtron sử dụng kỹ thuật DSP và công nghệ FPGA ............. 28 Hình 2.1 Mô tả thiết kế vỏ đetectơ nhấp nháy ghi nơtron. ........................................... 31 Hình 2.2 Bản thiết kế đầu nhấp nháy EJ-301. .............................................................. 32 ix Hình 2.3 Thiết kế vỏ đetectơ ......................................................................................... 33 Hình 2.4 Sơ đồ mạch phân cực cho R9420. .................................................................. 34 Hình 2.5 Dạng xung từ anode của PMT: (a) Khi chưa mắc RY và C1-3; (b) khi đã mắc RY và C1-3 trong mạch chia thế ............................................................................. 35 Hình 2.6 Một xung tiêu biểu từ anode của PMT được lấy mẫu ở tần số 2,5 GSPS và băng thông 2,5 GHz. ..................................................................................................... 36 Hình 2.7 Sơ đồ tiền khuếch đại của đetectơ EJ-301 ..................................................... 39 Hình 2.8 Mạch tiền khuếch đại sử dụng THS 3202. .................................................... 39 Hình 2.9 Sơ đồ cấu trúc phần cứng hệ đo nơtron bằng kỹ thuật số sử dụng đetectơ EJ-301 ........................................................................................................................... 40 Hình 2.10 Dạng xung ra từ đetectơ EJ-301 được lấy mẫu từ oscilloscope DPO7254C .................................................................................................................. 41 Hình 2.11 Bản mạch DRS4 V5.1. .................................................................................. 44 Hình 2.12 Cấu trúc bản mạch DRS4 V5.1. ................................................................... 44 Hình 2.13 Cấu trúc mảng giữ mẫu và quá trình lấy mẫu của vi mạch DRS4 [73] ...... 45 Hình 2.14 Phân bố khoảng thời gian giữa hai lần lấy mẫu liên tiếp nhau ở tốc độ 1GSPS của DRS4. ......................................................................................................... 46 Hình 2.15 Lưu đồ thuật toán hiệu chỉnh điện áp và thời gian cho một kênh trên DRS4.............................................................................................................................. 47 Hình 2.16 Nhiễu đo được trên kênh của bản mạch DRS4 khi: (a) Chưa hiệu chuẩn; (b) Đã hiệu chuẩn điện áp............................................................................................. 48 Hình 2.17 Lưu đồ thuật toán chương trình hệ đo nơtron nhanh và gamma. ................ 48 Hình 2.18 Lưu đồ thuật toán quá trình số hóa trên FPGA. .......................................... 50 Hình 2.19 Sơ đồ cấu hình cho FPGA trong bản mạch DRS4. ...................................... 51 Hình 2.20 Lưu đồ thuật toán chương trình trên vi điều khiển. ..................................... 52 x Hình 2.21 Lưu đồ thuật toán chương trình trên máy tính. ............................................ 53 Hình 2.22 Các khối mã chương trình cài đặt, truyền/nhận dữ liệu và các phương pháp PSD. ..................................................................................................................... 55 Hình 2.23 Menu chương trình chính. ........................................................................... 55 Hình 2.24 Giao diện cửa sổ chính của chương trình MCA_DRS4. ............................ 55 Hình 2.25 Một số thiết lập phần cứng hệ đo. ................................................................ 56 Hình 2.26 Các mục được xây dựng trong menu. ......................................................... 57 Hình 2.27 Các mục được xây dựng trong menu ROI. .................................................. 57 Hình 2.28 Xung nơtron và gamma tiêu biểu và các xung hình thành tương ứng qua khối (CR)2  RC kỹ thuật số ........................................................................................... 58 Hình 2.29 Lưu đồ thuật toán phương pháp thời gian vượt ngưỡng ............................. 59 Hình 2.30 Lưu đồ thuật toán phương pháp độ dốc xung .............................................. 60 Hình 2.31 Mô tả phương pháp tính tỉ số diện tích xung. .............................................. 61 Hình 2.32 Lưu đồ thuật toán phương pháp diện tích xung ........................................... 61 Hình 2.33 Lưu đồ thuật toán phương pháp nhận dạng mẫu......................................... 62 Hình 2.34 Thống kê tỉ số diện tích đuôi trên diện tích tổng của xung trong phương pháp DCI. ...................................................................................................................... 64 Hình 2.35 Xung RPn và RPg được tính trung bình từ các xung trên nguồn 252 Cf và một xung đo tiêu biểu từ đetectơ (các xung đã được chuẩn hóa). ................................ 64 Hình 2.36 Lưu đồ thuật toán phương pháp RP ............................................................. 65 Hình 2.37 Minh họa xung chồng chập so với các xung RPn và RPg (các xung đã được chuẩn hóa). ........................................................................................................... 67 Hình 2.38 Cấu hình khảo sát vùng tuyến tính và nhiễu cho TKĐ. .............................. 68 Hình 2.39 Tỉ số tín hiệu trên nhiễu theo hệ số khuếch đại của TKĐ. .......................... 69 xi Hình 2.40 Đánh giá mức DC và nhiễu khi lối vào TKĐ nối đất................................... 70 Hình 2.41 Cấu hình đo đánh giá đường cơ bản cho đetectơ. ...................................... 70 Hình 2.42 Dạng xung từ đetectơ và thống kê nhiễu. ..................................................... 72 Hình 2.43 Giá trị SNR theo ngưỡng năng lượng trong trường hợp hệ số khuếch đại 13,2 và 8,9. .................................................................................................................... 73 Hình 2.44 Cấu hình đo hiệu suất ghi tương đối của đetectơ. ....................................... 73 Hình 2.45 Khớp xung gamma/nơtron theo mô hình (1.2): (a). Xung gamma; (b) xung nơtron . ................................................................................................................. 76 Hình 2.46 Cấu hình đo đánh giá hệ đo nơtron nhanh .................................................. 77 Hình 2.47 Phổ đo trên các nguồn gamma 22Na, 137Cs và 60Co. ................................... 78 Hình 2.48 Phổ phông nơtron trong phép đo phông của nguồn 252Cf. ........................ 79 Hình 2.49 Phổ phông nơtron trong phép đo phông trên kênh số 4. ............................ 79 Hình 2.50 Hình ảnh hệ đo thực nghiệm trên nguồn 252Cf ............................................. 79 Hình 2.51 Hình ảnh hệ đo thực nghiệm trên kênh 4 của LPƯHN ................................ 79 Hình 2.52 Phân bố các tham số chồng chập tính theo: (a) Biên độ xung; (b) Tham số nhận dạng S .............................................................................................................. 81 Hình 3.1 Kết quả khảo sát mức DC và nhiễu đầu ra khi TKĐ ở chế độ tĩnh. .............. 82 Hình 3.2 Đường cơ bản của xung theo tốc độ đếm....................................................... 83 Hình 3.3 Vùng tuyến tính của TKĐ. .............................................................................. 84 Hình 3.4 Đường khớp của biên độ xung ra theo năng lượng của đetectơ với các nguồn chuẩn:60Co, 22Na và 137Cs. ................................................................................. 85 Hình 3.5 Phân bố các tham số PSD của bốn phương pháp: (a) Phương pháp TCT, (b) Phương pháp PGA, (c) Phương pháp DCI, (d) Phương pháp CPR ....................... 87 xii Hình 3.6 Kết quả tính toán FoM của: (a) Phương pháp TCT, (b) Phương pháp PGA, (c) Phương pháp DCI, (d) Phương pháp CPR. ................................................... 88 Hình 3.7 Các giá trị tính toán FoM cho bốn phương pháp theo năng lượng khảo sát trong vùng 50 ÷ 1100keVee.......................................................................................... 89 Hinh 3.8 Đồ thị phân bố kết quả của phương pháp RP trên (a) Nguồn Nguồn 252 Cf. (b) 60 Co với ngưỡng 50keVee. ................................................................................ 92 Hình 3.9 Kết quả của phương pháp DCI: (a) Phân bố tham số phân biệt dạng xung theo năng lượng. (b) Thống kê với ngưỡng 50keVee .................................................... 92 Hình 3.10 Các giá trị FoM tính toán bằng phương pháp RP cho (a) Nguồn 252 Cf. (b) Nguồn 60Co với ngưỡng 50 keVee. ......................................................................... 93 Hình 3.11 Các giá trị FoM tính toán với ngưỡng 50keVee của: (a). RP; (b). DCI..... 93 Hình 3.12 Các giá trị FoM tính toán như hàm của ngưỡng năng lượng tương ứng với phương pháp DCI và phương pháp RP trong vùng năng lượng 50 ÷ 1350keVee. . 94 Hình 2.13 Giao diện cửa sổ tính toán phổ tổng trên nguồn 252Cf................................. 95 Hình 3.14 Giao diện cửa sổ tính toán phổ nơtron và phổ gamma trên nguồn 252Cf. ... 95 Hình 3.15 Giao diện cửa sổ biểu diễn các tham số PSD cho các phương pháp khi đo trên nguồn 252Cf. ............................................................................................................ 96 Hình 3.16 Giao diện cửa sổ tính toán phổ nơtron và phổ gamma trên dòng nơtron 148keV từ kênh số 4. ..................................................................................................... 96 Hình 3.17 Kết quả tính toán các tham số phân biệt của 4 phương pháp trên kênh số 4 khi: (a) Kênh được đóng, (b) Kênh được mở. ............................................................ 97 Hình 3.18 Kết quả phân biệt nơtron/gamma của phương pháp DCI khi đo trên nguồn 252Cf. (a) Khi đóng nguồn, (b) Khi mở nguồn. ................................................... 97 Hình 3.19 Thống kê tham số PSD khi đo phông trên nguồn 252 Cf. (a) Phương pháp DCI, (b) Phương pháp RP............................................................................................. 97 xiii Hình 3.20 Kết quả phân biệt nơtron/gamma của phương pháp RP khi đo trên nguồn 252 Cf. (a) Khi đóng nguồn. (b) Khi mở nguồn. .............................................................. 98 Hình 3.21 Thống kê tham số PSD khi đo trên nguồn 252 Cf của: (a) Phương pháp DCI. (b) Phương pháp RP............................................................................................. 98 Hình 3.22 Kết quả đo phông khi đóng nguồn 252Cf sử dụng phương pháp RP ............ 99 Hình 3.23 Kết quả đo phổ khi mở nguồn 252Cf sử dụng phương pháp RP ................... 99 Hình 3.24 So sánh phổ nơtron lúc mở kênh và đóng kênh. ........................................ 101 Hình 3.25 Phổ nơtron lúc mở kênh và khi hiệu chỉnh với phổ phông nơtron............. 101 Hình 3.26 Kết quả tính FoM trong vùng (100 ÷ 1600keVee)của các phương pháp DCI, FGAM, WPTM và DFTM trong nghiên cứu [18] .............................................. 104 Hình 3.27 So sánh các phổ đo gamma từ: (a) Trong nghiên cứu này; (b) Trong nghiên cứu [81]. .......................................................................................................... 105 Hình 3.28 So sánh phổ 252Cf: (a) Trong nghiên cứu này, (b) Nghiên cứu [81].......... 105 xiv MỞ ĐẦU Bức xạ hạt nhân đang được ứng dụng ngày càng sâu rộng trong nghiên cứu và phát triển kinh tế xã hội. Các ứng dụng trong lĩnh vực năng lượng, chuẩn đoán và điều trị bệnh, ứng dụng trong nông nghiệp, an toàn thực phẩm, … đang ngày càng phát triển. Bên cạnh đó, việc ghi nhận bức xạ là cơ sở cho các nghiên cứu và ứng dụng đòi hỏi phải có độ chính xác, độ tin cậy, tính di động và tiết kiệm năng lượng ngày càng cao hơn. Ghi đo bức xạ nơtron là một nhiệm vụ khó khăn so với các bức xạ khác, bởi hiệu suất ghi phụ thuộc rất lớn vào năng lượng của nơtron và nhiễu gamma phát cùng với nơtron [1,2]. Những hạn chế do hiệu suất ghi trên dải năng lượng rộng của nơtron thường được giải quyết bằng cách sử dụng các đetectơ ghi nơtron nhanh và chậm khác nhau. Tuy nhiên, nhiễu gamma luôn tồn tại cùng nơtron mà không dễ dàng loại bỏ bằng các vật liệu che chắn hoặc sử dụng điện trường như các bức xạ mang điện. Nhiễu gamma làm sai lệch kết quả đo nơtron, do đó các phương pháp nhận biết để loại bỏ gamma khỏi kết quả đo nơtron luôn được đặt ra trong các hệ đo nơtron chất lượng cao. Trong các hệ đo sử dụng đetectơ ghi nơtron chậm, các chất khí có tiết diện lớn so với nơtron nhiệt như: 10B, 6Li hay 3He thường được sử dụng. Ưu điểm trong các đetectơ này là năng lượng từ phản ứng với nơtron vượt trội so với năng lượng gamma để lại trong vùng nhạy đetectơ, do đó nơtron dễ dàng được phân biệt với gamma [1]. Tuy nhiên, trong các hệ đo này thông tin năng lượng của nơtron thường không được xác định do bị mất trong quá trình làm chậm hoặc bị áp đảo so với năng lượng từ phản ứng hạt nhân. Phương pháp phổ biến để đo phổ nơtron nhanh là sử dụng cơ chế tán xạ đàn hồi trên các hạt nhân nhẹ như hydrô hay hêli. Trong đó, các hệ đo nơtron sử dụng đetectơ nhấp nháy đang được quan tâm nghiên cứu và ứng dụng phổ biến nhất hiện nay [3]. Tuy nhiên, các đetectơ nhấp nháy cũng nhạy với gamma, nên phân biệt nơtron với gamma là một trong những vấn đề quan trọng cần giải quyết khi sử dụng 1 đetectơ nhấp nháy. Để tách gamma khỏi kết quả đo, các phương pháp nhận biết nơtron và gamma dựa vào thời gian bay hay các đặc điểm khác nhau giữa xung nơtron và xung gamma được sử dụng trong các hệ đo nơtron [4–11]. Các nghiên cứu gần đây cho việc tách xung nơtron/gamma cho hệ đo sử dụng đetectơ nhấp nháy chủ yếu tập trung vào các phương pháp nhận dạng xung (phân biệt dạng xung) nơtron với gamma trên một đetectơ. Trong đó, các phương pháp cắt không [7,9,12] và diện tích xung [4,13] đã phát triển thành công trên các hệ đo tương tự và có thể thực hiện bằng các khối NIM tiêu chuẩn [14]. Cho đến nay, hai phương pháp này đã được thực hiện trên các hệ đo kỹ thuật số và đã trở thành tiêu chuẩn để so sánh, đánh giá cho các phương pháp phân biệt dạng xung mới [15,16]. Bên cạnh đó, phương pháp thời gian tăng và phương pháp tỉ số không đổi cũng thường được sử dụng trong hệ đo tương tự [17]. Mặc dù khả năng phân biệt nơtron/gamma của các hệ đo tương tự đã đạt được những kết quả nhất định, nhưng vẫn tồn tại một số vần đề như: bị giới hạn tốc độ đếm dưới 200 kcps, khả năng phân biệt kém ở vùng năng lượng thấp (<200keV) [14], khả năng ứng dụng các phương pháp phân biệt dạng xung bị giới hạn và khó khăn trong việc thu gọn kích thước cho hệ đo. Sự phát triển kỹ thuật điện tử số gần đây đã tạo điều kiện thuận lợi để xây dựng các hệ đo nơtron chất lượng cao bằng kỹ thuật số. Các kỹ thuật điện tử số cho phép số hóa trực tiếp các xung từ đetectơ với tốc độ và độ phân giải ngày càng tăng. Vì vậy, kỹ thuật nhận dạng xung nơtron/gamma đang chuyển dần sang ứng dụng kỹ thuật số [15,18] và là cơ sở cho rất nhiều nghiên cứu phương pháp phân biệt nơtron/gamma cả trong miền thời gian và miền tần số [4,6–10,15,16,19–23]. Sự hỗ trợ kỹ thuật số đã cho phép thực hiện nhiều thuật toán nhận dạng phức tạp mà các hệ tương tự không thể thực hiện được như: phương pháp nhận dạng mẫu [16], phân tích tần số [15], phương pháp mạng nơron nhân tạo [24], hay sử dụng kết hợp nhiều phương pháp trong một hệ đo [22], v.v.. Trong một hệ đo nơtron sử dụng kỹ thuật số, các xung số hóa cũng có thể dễ dàng được xử lý như lọc, hình thành xung và phân tích trong miền thời gian hay trong miền tần số. Hầu hết các phương pháp 2 phân biệt dạng xung được phân tích trong miền tần số đạt được hiệu quả phân biệt tốt hơn trong miền thời gian, nhưng đòi hỏi các giải thuật phức tạp và yêu cầu tài nguyên phần cứng lớn [15,18]. Ở Việt Nam, trước đây các ứng dụng bức xạ nơtron còn khá đơn giản và khiêm tốn. Tuy nhiên, trong những năm gần đây, các ứng dụng bức xạ nơtron đã trở nên đa dạng như: ứng dụng trong kiểm tra một số công trình xây dựng, thăm dò dầu khí, ứng dụng kiểm tra sản phẩm trong công nghiệp, ứng dụng trong y tế, an toàn thực phẩm, kiểm soát bức xạ, đo liều, … Cùng với đó là những yêu cầu phải xác định chính xác cường độ và thành phần của chùm bức xạ ngày càng cao. Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt là nơi duy nhất trong nước có nguồn nơtron thông lượng cao và ổn định, tại đây có nhiều ứng dụng và thiết bị đo nơtron như hệ đo thông lượng nơtron của lò phản ứng, hệ đo tiết diện nơtron toàn phần, hệ đo phổ nơtron phục vụ nghiên cứu và đào tạo. Để phục vụ cho các nghiên cứu vật liệu trên lò phản ứng nghiên cứu mới trong tương lai, một hệ đo tán xạ nơtron cũng đã bắt đầu được nghiên cứu, thiết kế trong khuôn khổ của đề tài KC.05.16-20. Tuy nhiên, đến thời điểm hiện nay các hệ đo nơtron đều sử dụng các đầu dò chứa khí, hiệu suất không cao, việc phân biệt nơtron/gamma chỉ dựa vào biên độ xung. Cho đến nay ở nước ta chưa có một hệ đo sử dụng các phương pháp phân biệt dạng xung nơtron/gamma, các hệ đo phổ nơtron nhanh chủ yếu sử dụng ống đếm hydrô, do đó gamma được loại bỏ bằng phương pháp cắt ngưỡng kết hợp với che chắn thụ động. Ngày nay, các phương pháp phân biệt nơtron/gamma sử dụng kỹ thuật tương tự và kỹ thuật số cho các đetectơ nhấp nháy đã đạt được những kết quả tốt trong vùng năng lượng cao (>200 keV) [4–10]. Tuy nhiên, ở vùng năng lượng thấp (< 200 keV) kết quả vẫn còn nhiều hạn chế và phụ thuộc rất nhiều vào đetectơ cũng như phương pháp nhận dạng [4,15,25,26]. Bên cạnh đó, hiệu quả phân biệt nơtron/gamma cũng phụ thuộc nhiều vào hệ điện tử xử lý xung. Các hệ đo sử dụng phương pháp nhận dạng phức tạp có khả năng phân biệt nơtron/gamma tốt, nhưng đòi hỏi tài nguyên phần cứng lớn. 3 Với những vấn đề đã được trình bày cho thấy việc nghiên cứu và xây dựng các hệ đo nơtron sử dụng đetectơ nhấp nháy hiện nay vẫn tồn tại một số vấn đề:  Khả năng phân biệt nơtron/gamma còn hạn chế trong vùng năng lượng thấp.  Giải thuật cho các phương pháp phân biệt nơtron/gamma hiệu quả cao được thực hiện trong miền tần số còn phức tạp và đòi hỏi cấu hình phần cứng mạnh để thực thi.  Chưa có các nghiên cứu đo chính xác đồng thời nơtron và gamma trên một đetectơ làm cơ sở cho thiết kế, chế tạo các hệ đo đồng thời nơtron và gamma cho các nghiên cứu và ứng dụng như cảnh báo bức xạ hay định liều nơtron. Mục tiêu và nhiệm vụ của luận án Mục tiêu của luận án là nghiên cứu, thiết kế và chế tạo một hệ đo nơtron và gamma có hiệu suất và độ chính xác cao, ứng dụng kỹ thuật FPGA và DSP để thu gọn kích thước và giảm chi phí chế tạo. Nội dung chính của luận án gồm: 1) Thiết kế chế tạo một đetectơ nhấp nháy đo nơtron và gamma phục vụ cho đào tạo, nghiên cứu và ứng dụng. 2) Nghiên cứu, phát triển một phương pháp phân biệt dạng xung nơtron/gamma ứng dụng kỹ thuật số, nhằm cải thiện khả năng phân biệt nơtron/gamma trong vùng năng lượng thấp cho hệ đo sử dụng đetectơ nhấp nháy. 3) Xây dựng hệ đo đồng thời nơtron và gamma bằng kỹ thuật số, tích hợp giải thuật phân biệt nơtron/gamma hiệu quả cao cho vùng năng lượng thấp. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Ý nghĩa khoa học:  Thiết kế và chế tạo được đetectơ nhấp nháy đo nơtron và gamma từ các vật liệu và linh kiện có chi phí thấp, nhưng cung cấp các xung nhanh và chính xác cho các phép đếm với tốc độ cao, xung ra có các đặc trưng làm cơ sở cho các nghiên cứu phân biệt dạng xung nơtron và gamma. 4