Khảo sát phổ kế năng lượng - Thời gian sử dụng đầu dò bán dẫn HPGe

PGe) là phương pháp phổ biến để xác định hoạt độ nguồn, cường độ các bức xạ gamma phát ra cũng như nhận diện các nguyên tố, vì khả năng phân giải tốt của đầu dò. Tuy nhiên, phổ năng lượng bức xạ gamma của các nguồn phóng xạ hay các đồng vị phóng xạ rất phức tạp như ngoài các đỉnh quang còn có nền Compton kèm theo. Đặc biệt là các nguồn phóng xạ hoạt độ thấp, phát ra nhiều bức xạ gamma có năng lượng khác nhau thì các đỉnh năng lượng có cường độ bé sẽ không hiện ra rõ nét và có trường hợp nó bị che khuất bởi nền Compton quá cao khi được ghi nhận bằng hệ phổ kế sử dụng các loại đầu dò chứa khí, đầu dò nhấp nháy,.... Điều đó dẫn đến sai số đáng kể trong phép đo. Vấn đề đặt ra là phải xây dựng hệ phổ kế sao cho phổ năng lượng ghi nhận được có các đỉnh năng lượng hiện ra rõ nét, nền Compton càng thấp càng tốt và độ phân giải tốt. Đầu dò bán dẫn HPGe là lựa chọn tốt nhất để có được khả năng phân giải tối ưu. Phương pháp trùng phùng là phương pháp sử dụng sự tương quan về thời gian giữa các bức xạ gamma trùng phùng (các bức xạ phát ra gần như đồng thời) để ghi phổ năng lượng gamma có tính chọn lọc nghĩa là nó chỉ ghi nhận các bức xạ gamma trùng phùng và loại bỏ các bức xạ gamma do tán xạ Compton. Kết quả là thu được phổ năng lượng với các đỉnh năng lượng gamma đặc trưng hiện ra rõ nét trên nền Compton được hạ thấp. Các nhà khoa học đã nghiên cứu xây dựng hệ phổ kế trùng phùng và thu phổ năng lượng bức xạ gamma khá tốt. Tuy nhiên, việc hiểu biết và vận hành hệ phổ kế trùng phùng đặc biệt là hệ phổ kế năng lượng - thời gian sử dụng đầu dò bán dẫn HPGe để thu phổ năng lượng bức xạ gamma của các nguồn phóng xạ và đồng vị phóng xạ còn khá xa lạ và chưa được phổ biến rộng trong nghiên cứu hạt nhân ở nước ta. Để giải quyết vấn đề trên, tác giả quyết định nghiên cứu đề tài: “khảo sát phổ kế năng lượng - thời gian sử dụng đầu dò bán dẫn HPGe” để phục vụ cho luận văn tốt nghiệp chuyên ngành Vật lý nguyên tử, hạt nhân và năng lượng cao, Khóa 18 (2007 - 2010) Trường Đại Học Sư Phạm T.P Hồ Chí Minh. Mục tiêu chính đặt ra của luận văn này là: - Tìm hiểu những đặc trưng chung và nguyên tắc hoạt động cơ bản của các khối điện tử trong hệ phổ kế. - Tìm hiểu và thực hiện kết nối các khối điện tử của hệ phổ kế. - Tiến hành những thao tác trên các khối điện tử như lên cao thế cho đầu dò, chọn những thông số trên các khối điện tử và làm thí nghiệm với nguồn chuẩn như 60Co và 22Na. - Xử lý số liệu, ghi nhận phổ năng lượng và so sánh với phổ năng lượng ghi nhận được bằng hệ phổ kế thông thường (hệ phổ kế năng lượng sử dụng một đầu dò bán dẫn HPGe). Từ đó, chứng tỏ ưu điểm của hệ phổ kế năng lượng - thời gian sử dụng đầu dò bán dẫn HPGe là: các đỉnh quang được hiện rõ trên nền Compton thấp và tỷ số đỉnh trên Compton tăng lên. Cấu trúc luận văn gồm các phần chính sau: Chương 1: Tổng quan về các hệ thống phổ kế năng lượng, thời gian sử dụng đầu dò bán dẫn siêu tinh khiết HPGe. Chương 2: Kỹ thuật trùng phùng và hệ thống xử lý xung thời gian. Chương 3: Thực nghiệm. Do thời gian và kiến thức còn hạn chế nên luận văn này không tránh khỏi thiếu sót, kính mong nhận được sự góp ý của quý Thầy, Cô và các bạn đồng nghiệp để luận văn ngày càng hoàn thiện hơn. Chương 1: Tổng quan về các hệ thống phổ kế năng lượng, thời gian sử dụng đầu dò bán dẫn siêu tinh khiết HPGe 1.1. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 1.1.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước [8] Năm 1958, Hooenboom A.M đã đưa ra phác thảo đầu tiên về hệ phổ kế trùng phùng cộng biên độ bằng đầu dò nhấp nháy. Từ năm 1981, Viện Liên Hợp Nghiên Cứu Hạt Nhân Dubna đưa ra vấn đề ghi nhận và xử lý số liệu trên máy tính bằng hệ đo cộng biên độ các xung trùng phùng với sơ đồ hệ đo như hình 1.1. 1 7 I N T E R F A C E 1 2 3 2 3 6 4 8 5 ADC 4 8 ADC 5 1. Detector 2. Fast Amplifier 3. Fast Discriminator 4. Spect. Amplifier 5. Single Chanel Analyzer 6. Fast Coincidence 7. Slow Coincidence 8. Linear Gate E T E T 1. Detector: đầu dò. 2. Fast Amplifier: khối khuếch đại nhanh. 3. Fast Discriminator: khối phân biệt ngưỡng nhanh. 4. Spect. Amplifier: khối khuếch đại phổ. 5. Single Chanel Analyzer: máy phân tích đơn kênh . 6. Fast Coincidence: khối trùng phùng nhanh. 7. Slow Coincidence: khối trùng phùng chậm. 8. Linear Gate: cổng tuyến tính. Hình 1.1. Sơ đồ hệ đo cộng biên độ các xung trùng phùng. Sau năm 2003, Cộng Hòa Séc thiết lập hệ đo trùng phùng dùng phương pháp cộng biên độ các xung trùng phùng có sơ đồ khối như hình 1.2. Timing Amplifier Constant Fraction Discrimin. Time to Pulse –Height Convert. Constant Fraction Discrimin. Timing Amplifier HPGe Ge (Li ) Preamplifier Amplifier Active Amplifier Analog to Digital Convert Timing Discriminator Slow Coincidence Unit Analog to Digital ConvertShaper Shaper Amplifier Analog to Digital Convert Active Amplifier Timing Discriminator Dual Sum Amplifier Interface Preamplifier Delay Gate Gate Gate PC Preamplifier: khối tiền khuếch đại . Amplifer: khối khuếch đại. Active Amplifier: khối khuếch đại chủ động. Dual Sum Amplifier: khối khuếch đại tổng đôi. Timing Discriminator: khối phân biệt ngưỡng thời gian. Shaper: khối tạo dạng xung. Timing Amplifier: khối khuếch đại thời gian. Delay: khối làm chậm. Constant Fraction Discrimin: khối phân biệt ngưỡng không đổi. Time to Pulse – Height Convert: khối biến đổi thời gian thành xung. Analog to Digital Convert: khối biến đổi tương tự thành số. Slow Coincidence Unit: khối trùng phùng chậm. Interface: card thu nhận dữ liệu (card giao diện). Hình 1.2. Hệ đo trùng phùng dùng phương pháp cộng biên độ các xung trùng phùng. 1.1.2. Tình hình nghiên cứu trong nước [8] Năm 1984, Đại Học Tổng Hợp Hà Nội đã thử nghiệm hệ đo cộng biên độ các xung trùng phùng sử dụng đầu dò nhấp nháy NaI. Năm 1999, Trung Tâm Vật Lý Hạt Nhân thuộc Viện Khoa Học và Công Nghệ Quốc Gia đã nhận một hệ thiết bị để thiết lập một hệ đo theo phương pháp cộng biên độ các xung trùng phùng. Trong thời gian gần đây, Trung Tâm Hạt Nhân Thành phố Hồ Chí Minh đã thiết lập và sử dụng hệ đo trùng phùng sử dụng đầu dò nhấp nháy NaI. Năm 2005, với sự hợp tác giữa Viện Năng Lượng Nguyên Tử Việt Nam và Đại Học Khoa Học Tự Nhiên Đại Học Quốc Gia Hà Nội, trong khuôn khổ đề tài cấp bộ, tại lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt đã xây dựng thành công hệ phổ kế cộng biên độ các xung trùng phùng. So với hệ đo tại Viện Nghiên Cứu Hạt Nhân Dubna vào những năm trước thì hệ đo tại Đà Lạt có những ưu điểm vượt trội như hiệu suất ghi cao hơn, tốc độ làm việc của hệ điện tử nhanh gấp nhiều lần, không sử dụng các đường dây trễ tập trung, độ tuyến tính và độ ổn định đều tốt hơn rất nhiều. 1.2. Đầu dò bán dẫn siêu tinh khiết (High Purity Germanium - HPGe) 1.2.1. Cấu tạo của đầu dò bán dẫn HPGe Đầu dò bán dẫn được chế tạo từ các tinh thể bán dẫn dưới dạng nguyên tố như Ge, Si (được sử dụng rộng rãi nhất) và các tinh thể bán dẫn pha tạp loại p, bán dẫn loại n. Tùy thuộc vào yêu cầu cụ thể mà đầu dò bán dẫn có hình dạng và cấu trúc khác nhau. Chẳng hạn, đầu dò Si (Li) phẳng rãnh có tác dụng làm giảm dòng rò và do đó tăng khả năng phân giải năng lượng. Hình 1.3 cho thấy cấu trúc và dải năng lượng của từng loại đầu dò bán dẫn [2]. Ký hiệu Vùng hoạt Tiếp xúc n Tiếp xúc p Mặt thụ động 0 1 10 100 1000 10000 Loại đầu dò Ge năng lượng cực thấp ULEGe Ge năng lượng thấp LEGe Ge đồng trục CGe Đầu dò Ge điện cực đảo REGe và đầu dò dải rộng XtRa Ge giếng Well ULEGe LEGe CGe XtRa REGe Well E ( KeV) Hình 1.3. Cấu trúc và dải năng lượng của từng loại đầu dò bán dẫn HPGe. Dưới đây là một số loại đầu dò bán dẫn HPGe thông dụng. 1.2.1.1. Đầu dò bán dẫn HPGe đồng trục loại p Lớp tiếp xúc dày ~ 600 μm Lớp tiếp xúc mỏng ~ 0.3 μm ~ 600 μm Bức xạ HPGe loại p Hình 1. 4. Đầu dò bán dẫn HPGe đồng trục loại p. Đầu dò bán dẫn HPGe dạng đồng trục loại p có cấu tạo như một điốt - bán dẫn loại p với một lớp tiếp xúc dày loại n ở mặt ngoài hình trụ và một lớp tiếp xúc mỏng loại p ở mặt trong của tinh thể Ge. Cấu trúc thông thường của đầu dò đồng trục hay đồng trục khép kín là lớp tiếp xúc dày hơn được đặt ở bề mặt ngoài khối trụ bán dẫn loại p và lớp tiếp xúc mỏng hơn đặt ở mặt trong của khối trụ như được chỉ trên hình 1.4. Các lớp tiếp xúc này được hình thành trong vật liệu bán dẫn loại p để tạo nên lớp chuyển tiếp điốt gần với lớp tiếp xúc ở mặt trong. Việc hình thành lớp chuyển tiếp gần lớp tiếp xúc ở mặt trong tạo ra điện trường đều bên trong tinh thể và vì thế độ phân giải sẽ tốt nhất. Lớp tiếp xúc mặt ngoài có thể dày từ 600 đến 1000 μm. Nó tùy thuộc vào nhà sản xuất và kích thước tinh thể. Thông thường, độ dày của lớp tiếp xúc tăng theo kích thước của đầu dò. Lớp tiếp xúc không hình thành tín hiệu từ các bức xạ gamma mà nó hấp thụ được gọi là lớp chết. Lớp tiếp xúc mặt trong dày khoảng 0,3 μm. Lớp tiếp xúc mặt ngoài hấp thụ hoàn toàn các lượng tử năng lượng thấp và hiệu suất của đầu dò tăng đến khi năng lượng lượng tử đạt một giá trị cực đại khoảng 120 keV. 1.2.1.2. Đầu dò bán dẫn HPGe đồng trục loại n Đối với đầu dò bán dẫn HPGe đồng trục loại n thì lớp tiếp xúc bị đảo ngược lại. Nghĩa là lớp tiếp xúc mỏng được đặt ở mặt ngoài và lớp tiếp xúc dày đặt ở mặt trong. Lớp tiếp xúc dày ~ 600 μm Lớp tiếp xúc mỏng ~ 0.3 μm HPGe loại n Bức xạ 0.3μm Hình 1.5. Cấu tạo của đầu dò bán dẫn HPGe đồng trục loại n. Đối với đầu dò loại này thì hiệu suất đối với các lượng tử có năng lượng thấp được cải thiện bởi vì bề dày của lớp chết được giảm đi. Tuy nhiên, khả năng phân giải không tốt bằng đầu dò bán dẫn HPGe loại p. 1.2.1.3. Đầu dò bán dẫn HPGe đồng trục loại p với lớp tiếp xúc mỏng mặt trước Đầu dò bán dẫn HPGe đồng trục loại p với lớp tiếp xúc mỏng mặt trước có cấu trúc tương tự như đầu dò bán dẫn HPGe đồng trục loại p, chỉ khác ở chỗ mặt trước của đầu dò này được phủ một lớp mỏng bán dẫn loại n được chỉ trên hình 1.6. Lớp tiếp xúc dày ~ 600 μm Lớp tiếp xúc mỏng ~ 0.3 μm Lớp tiếp xúc mặt trước ~ 10 μm HPGe loại p ~ 600 μm Bức xạ Hình 1.6. Đầu dò bán dẫn HPGe đồng trục loại p với lớp tiếp xúc mỏng mặt trước. Với lớp tiếp xúc này làm cho đầu dò tăng độ nhạy với các lượng tử năng lượng thấp như hầu hết các đầu dò bán dẫn loại n, trong khi vẫn giữ được khả năng phân giải tốt của các đầu dò bán dẫn loại p. Hiệu suất năng lượng thấp ứng với các đầu dò này thích hợp với các ứng dụng với năng lượng thấp nhất khoảng trên 30 keV. Lợi thế khác của đầu dò loại này là hiệu suất cao hơn tại giá trị năng lượng cao đối với đầu dò có thể tích tinh thể lớn hơn và bán kính cực đại lớn hơn 8 cm, kết hợp với khả năng phân giải và dạng đỉnh phổ tuyệt vời. 1.2.1.4. Đầu dò bán dẫn HPGe đồng trục dải rộng XtRa [2] Đầu dò XtRa là một đầu dò Ge đồng trục có một tiếp xúc cửa sổ mỏng duy nhất trên mặt trước có tác dụng mở rộng dải năng lượng xuống tới 3 keV. Đối với các đầu dò đồng trục Ge thông thường có lớp tiếp xúc khuếch tán Li với độ dày từ 0,5 đến 1,5 mm. Lớp chết này dừng hầu hết các năng lượng dưới 40 keV. Đầu dò loại này cho tất cả các ưu điểm của đầu dò đồng trục chuẩn thông thường như hiệu suất cao, khả năng phân giải tốt. Cấu hình của đầu dò bán dẫn HPGe đồng trục XtRa được trình bày trên hình 1.7. ~ ~ Cửa sổ Be ( 0,5 mm) Tiếp xúc n Tiếp xúc p Hình 1.7. Cấu hình đầu dò bán dẫn HPGe đồng trục dải rộng XtRa. 1.2.1.5. Đầu dò bán dẫn HPGe giếng [2] Đầu dò bán dẫn HPGe giếng cung cấp hiệu suất cao cho mẫu nhỏ gần như được bao quanh bằng vật liệu đầu dò. Đầu dò bán dẫn HPGe giếng được chế tạo bằng một lỗ cụt để lại ít nhất 5mm độ dày đầu dò hoạt tại đáy của giếng. Do đó, hình học đếm gần bằng 4 . Cấu hình của đầu dò bán dẫn ~ ~ Đường kính giếng HPGe giếng được trình bày trên hình 1.8. Đầu dò bán dẫn HPGe giếng được chế tạo từ Ge có độ tinh khiết cao. Do đó, nó có thể được vận chuyển và bảo quản tại nhiệt độ phòng mà không bị hỏng. Vỏ chứa đầu dò và giếng được chế tạo bằng nhôm với độ dày 0,5 mm trong lận cận giếng. Độ sâu giếng chuẩn là 40 mm cho tất cả các đầu dò. 1.2.2. Nguyên tắc hoạt động của đầu dò bán dẫn HPGe Khi bức xạ gamma tương tác với đầu dò thì bức xạ gamma sẽ truyền năng lượng cho đầu dò làm xuất hiện các điện tích. Dưới thiên áp ở hai cực đầu dò, các điện tích này được tụ về các điện cực tạo ra thế (tín hiệu). Thế này được xử lý bởi các khối điện tử khác để hình thành xung. Phần năng lượng truyền cho đầu dò được thực hiện theo các hiệu ứng tương tác sau: - Đầu dò hấp thụ hoàn toàn năng lượng của lượng tử gamma theo hiệu ứng quang điện. - Đầu dò hấp thụ một phần năng lượng của lượng tử gamma theo hiệu ứng Compton. - Khi năng lượng lượng tử gamma lớn hơn 1500 keV (theo lý thuyết là 1022 keV) thì quá trình tạo cặp xuất hiện và sinh ra cặp electron - pozitron. Năng lượng của electron nhanh chóng bị hấp thụ trong đầu dò (vì quãng chạy của hạt tích điện rất ngắn); còn pozitron sẽ nhanh chóng bị hủy cặp tạo hai lượng tử gamma 511 keV. Nếu cả hai lượng tử gamma bị hấp thụ thì quá trình này tương đương với hấp thụ quang điện. Nếu một trong hai lượng tử gamma bay ra ngoài thì phần năng lượng hấp thụ sẽ tạo nên đỉnh thoát đơn. Nếu cả hai lượng tử gamma bay ra ngoài thì sẽ tạo nên đỉnh thoát kép. 1.2.3. Ưu điểm của đầu dò HPGe - Không phải bảo quản liên tục trong Nitơ lỏng. - Độ phân giải năng lượng và hiệu suất ghi hơn hẳn đầu dò bán dẫn khuếch tán có cùng thể tích. Về cơ bản, ưu điểm khả năng phân giải có thể thuộc về lượng nhỏ năng lượng cần để tạo nên một phần tử mang điện và tín hiệu ra lớn đối với các loại đầu dò khác có cùng năng lượng photon tới. Tại 3 eV/ cặp điện tử - lỗ trống. Số phần tử mang điện được sinh ra trong đầu dò bán dẫn Ge cao hơn cỡ một đến hai bậc độ lớn so với đầu dò nhấp nháy và đầu dò chứa khí tương ứng. 1.3. Thiết bị điện tử để xử lý tín hiệu từ đầu dò hạt nhân 1.3.1. Những khối tiền khuếch đại (Preamplifier) Khối tiền khuếch đại có chức năng chính là nhận và khuếch đại tín hiệu từ đầu dò mà không làm giảm đáng kể tỷ số tín hiệu/nhiễu. Vì vậy, các khối tiền khuếch đại nằm càng gần đầu dò càng tốt để phát hiện và các mạch lối vào được thiết kế phù hợp với đặc tính của từng loại đầu dò. Có ba loại tiền khuếch đại cơ bản: tiền khuếch đại nhạy dòng, tiền khuếch đại nhạy thế và tiền khuếch đại nhạy điện tích. Trong đó, tiền khuếch đại nhạy dòng được sử dụng với các dụng cụ tín hiệu có trở kháng thấp. Do đó, tiền khuếch đại loại này rất ít được sử dụng với các đầu dò bức xạ (dụng cụ trở kháng cao). Chính vì vậy, tiền khuếch đại loại này không trình bày trong phạm vi của luận văn này. 1.3.1.1. Cấu tạo Tiền khuếch đại nhạy điện tích và tiền khuếch đại nhạy thế có thiết kế cơ bản như hình 1.9. [2] R1 V0 R2 Vin Cf Cd V0 a) b) -A -A Hình 1.9. Sơ đồ của một tiền khuếch đại: a) nhạy thế ; b) nhạy điện tích. 1.3.1.2. Nguyên tắc hoạt động Tiền khuếch đại nhạy thế thông dụng hơn tiền khuếch đại nhạy dòng và tiền khuếch đại nhạy điện tích. Nó khuếch đại bất kỳ thế nào xuất hiện tại lối vào của nó. Đầu dò bức xạ tạo ra các điện tích từ những sự kiện hạt nhân tương tác với tinh thể đầu dò, các điện tích này được tụ lại trên các tụ của đầu dò và hình thành nên thế. Thế này xuất hiện qua tụ thuần cộng với các tụ ký sinh khác có thể có mặt ở lối vào tiền khuếch đại. Do đó, tụ đầu dò phải được giữ ổn định trong khoảng thời gian làm việc. Đây chính là trường hợp ống nhân quang điện, ống đếm tỷ lệ và ống đếm Geiger – Muller. Còn đối với đầu dò bán dẫn thì tụ riêng của đầu dò lại thay đổi theo nhiệt độ do dòng rò trong điốt bán dẫn phụ thuộc vào nhiệt độ. Vì vậy, tiền khuếch đại loại này không nên dùng với đầu dò bán dẫn. Nhược điểm của tiền khuếch đại nhạy thế có thể tránh bằng cách sử dụng tiền khuếch đại nhạy điện tích. Trong khối khuếch đại nhạy điện tích, khi điện tích tới được tụ trên một tụ điện. Sau đó, điện tích trên tụ điện này sẽ được lấy đi bằng cách phóng điện qua một mạch liên kết có thể là mạch liên kết phản hồi loại điện trở hay mạch liên kết phản hồi quang. - Nếu tụ phóng điện qua mạch liên kết phản hồi loại điện trở Rf (hình 1.10) có giá trị từ 100 M đến 2 G thì sự phóng điện này tạo nên xung đuôi dạng mũ như hình 1.11a. Hằng số thời gian đặc trưng thay đổi rất dài cỡ 50 μs hoặc hơn. [2] Cf Cd V0 Rf -A Hình 1.10. Tiền khuếch đại nhạy điện tích loại liên kết điện trở. a) b) Hình 1.11. a) Xung đuôi từ một tiền khuếch đại, b) sự chồng chập xung: xung thứ hai chồng lên xung thứ nhất. - Nếu thay mạch liên kết phản hồi loại điện trở Rf bằng mạch liên kết phản hồi quang học thì phổ kế sẽ làm việc chính xác hơn: tạp âm giảm và dải rộng tăng lên. Trong khối tiền khuếch đại này, điện tích từ đầu dò được nạp liên tục vào tụ và được giữ cho tới một giới hạn xác định (thường là một vài Vôn). Khi đó, xung dòng phát ra có dấu ngược lại được khởi phát và tụ được phóng điện. Trong quá trình này, một xung âm lớn được phát ra trong dãy khuếch đại. Để ngăn ngừa việc phân tích xung phóng điện này, một tín hiệu cấm phụ thuộc được phát ra để cấm các xung này trong các mạch điện tử tiếp theo sau. Sơ đồ và tín hiệu lối ra của tiền khuếch đại với mạch liên kết phản hồi quang được chỉ ra trên hình 1.12. Khi giới hạn đạt được, sự phóng điện âm lớn được nhận thấy và sau đó tụ của tiền khuếch đại bắt đầu nạp lại. [2] Cấm Diser Lối ra tín hiệu Đầu dò FET Đèn Giới hạn trên Lối ra tiền khuếch đại Dòng đầu dò Tín hiệu cấm 1.3.1.3. Một số khối tiền khuếch đại nhạy điện tích 1.3.1.3.1. Tiền khuếch đại cho đầu dò hàng rào mặt Si 2003BT [2] Tiền khuếch đại lối vào FET nhạy điện tích 2003BT được thiết kế cho đặc tính tối ưu với các đầu dò hàng rào mặt Si (Silicon Surface Barrier – SSB). Tiền khuếch đại loại này làm việc như một bộ biến đổi điện tích thành thế. Sau khi khuếch đại phần tử mang điện được tạo nên trong đầu dò trong khoảng thời gian mỗi sự kiện hạt nhân bị hấp thụ, ở lối ra của tiền khuếch đại cung cấp thế tỷ lệ thuận với điện tích tại tần số 0,45 V/pC. Thế này được khuếch đại với hệ số khuếch đại 20 mV/MeV cho đầu dò Si tại nhiệt độ phòng. Đối với đầu dò SSB được thiên áp dương, lối ra năng lượng hết sức tuyến tính cung cấp một xung phân cực dương lý tưởng cho phổ kế năng lượng. Lối ra thời gian trùng phùng cung cấp xung vi phân nhanh phân cực âm lý tưởng để phân giải các sự kiện hạt nhân về thời gian. Sơ đồ chức năng của tiền khuếch đại cho đầu dò hàng rào mặt Si 2003BT được trình bày trên hình 1.13. Rf Cf 10 M 100 M 93 M BNC BNC Lối ra năng lượng Lối ra thời gian Lối vào đầu dò Lối vào HV SHV Mạch tích phân Mạch đệm Hình 1.13. Sơ đồ chức năng của tiền khuếch đại cho đầu dò hàng rào mặt Si 2003BT. Tiền khuếch đại nhạy điện tích 2003BT có những đặc trưng kỹ thuật cơ bản sau: - Lối vào đầu dò: tiếp nhận xung điện tích từ đầu dò bán dẫn loại SSB. Hình 1.12. Sơ đồ và tín hiệu lối ra của tiền khuếch đại với mạch liên kết phản hồi quang. 10 100 M 93 M - Lối vào cao thế: cho phép thế thiên áp đầu dò lên tới ±2000V; trở thiên áp nối tiếp đầu dò là 110 M. - Lối vào kiểm tra: điện tích được nối với tiền khuếch đại tại 1 pC/V; có sẵn tại đầu cáp của tiền khuếch đại. - Lối ra năng lượng: bị đảo với hằng số thời gian xung đuôi 250 μs và biên độ lên tới ±10 V; Zout=93 . - Lối ra thời gian: (chỉ với đầu dò thiên áp dương) – không đảo, xung bị vi phân nhanh. - Đặc tính: + Độ phi tuyến tích phân: < ±0,04% cho 10 V lối ra. + Độ trôi hệ số khuếch đại: < ±0,005%/0C (± 50 ppm/0C). + Cách điện thiên áp đầu dò: ±2000 V DC. + Độ nhạy điện tích: 0,45 V/pC . + Độ nhạy năng lượng: 20 mV/MeV (Si). 1.3.1.3.2. Tiền khuếch đại cho đầu dò bán dẫn 2004 [2] Bộ tiền khuếch đại lối vào FET nhạy điện tích 2004 được thiết kế để sử dụng với cả hai loại đầu dò bán dẫn dung kháng thấp và cao. Tiền khuếch đại biến đổi các phần tử mang điện thành xung thế hàm bước, biên độ của xung thế này tỷ lệ với điện tích tổng cộng được tích lũy trong mỗi sự kiện. Lối ra cung cấp tín hiệu phân cực dương khi sử dụng với đầu dò thiên áp dương và phần tín hiệu suy giảm với hằng số thời gian 50 μs. Hình 1.14 trình bày sơ đồ chức năng của tiền khuếch đại 2004. 10 M 100 M Lối ra năng lượng Khuếch đại Lối vào đầu dò Lối vào HV Mạch tích phân P/Z Lối vào thử đệm Chỉnh P/Z Triệt P/Z Hình 1.14. Sơ đồ chức năng của tiền khuếch đại 2004. Những đặc trưng cơ bản của tiền khuếch đại nhạy điện tích 2004: - Lối vào đầu dò: tiếp nhận xung điện tích từ đầu dò bán dẫn. 1 0 M 10 M - Lối vào kiểm tra: điện tích được nối với tiền khuếch đại tại 2,2 pC/V; Zin = 93 . - Lối vào cao thế: cho phép thiên áp đầu dò lên tới ±2000 V; trở thiên áp nối tiếp đầu dò là 110 M. - Lối ra năng lượng: xung đuôi bị đảo, hằng số thời gian giảm 50 μs. - Đặc tính: + Độ phi tuyến tích phân: < ±0,02% cho 10 V lối ra. + Độ trôi hệ số khuếch đại: < ±0,01%/0C (100 ppm/0C). + Cách điện thiên áp đầu dò: ±5000 V DC. + Độ nhạy điện tích: 0,2 V/pC hay 1,0 V/pC. + Độ nhạy năng lượng (Si): 9 mV/MeV hay 45 mV/MeV. 1.3.2. Những khối khuếch đại (Amplifier) 1.3.2.1. Chức năng cơ bản của khối khuếch đại Khối khuếch đại có hai chức năng cơ bản sau: - Khuếch đại tín hiệu từ khối tiền khuếch đại. - Hình thành xung để có dạng thuận tiện cho việc xử lý tín hiệu của các khối điện tử tiếp theo. Đối với các khối khuếch đại phổ kế, một trong các hệ số quan trọng nhất là đặc trưng hình thành xung. Xung tới từ khối tiền khuếch đại có thể có đặc trưng bằng đuôi dài dạng hàm mũ kéo dài từ vài μs đến hàng trăm μs. Biên độ xung thì tỷ lệ với năng lượng. Nếu xung thứ hai tới trong khoảng thời gian  thì nó sẽ chồng lên đuôi của xung thứ nhất và biên độ của nó sẽ tăng lên. Do đó, thông tin năng lượng chứa trong xung thứ hai sẽ bị méo đi. Điều này được gọi là sự chồng chập xung. Để tránh hiệu ứng này, ta phải hạn chế tần số đếm bé hơn 1/ số đếm trên giây hoặc hình thành xung. Tuy nhiên, phương pháp hình thành xung là sự lựa chọn tối ưu vì tỷ số tín hiệu trên tạp âm tăng. [2] Đối với khối khuếch đại nhanh, hệ số quan trọng nhất là giữ thời gian tăng nhanh của tín hiệu nghĩa là đảm bảo một dải rộng. Do đó, các khối khuếch đại nhanh nói chung hình thành rất ít hoặc thậm chí không hình thành xung. Bên cạnh đó, khối khuếch đại nhanh còn bị hạn chế hệ số khuếch đại (nhỏ hơn 100 lần). Để hệ số khuếch đại có thể tăng lên cao hơn, ta có thể nối nhiều tầng nhưng không yêu cầu hệ số khuếch đại ngoài 1000 lần. [2] Trong những ứng dụng mà ở đó cả thông tin thời gian và thông tin biên độ được yêu cầu thì tồn tại sự mâu thuẫn giữa dạng thời gian và dạng tín hiệu trên tạp âm tốt nhất. Trong nhhững trường hợp như thế thì cần có sự thỏa hiệp. [2] 1.3.2.2. Những mạch hình thành xung trong khối khuếch đại 1.3.2.2.1. Hình thành xung bằng đường làm chậm [2] Các khối khuếch đại sử dụng hình thành xung bằng đường làm chậm rất thích hợp cho những yêu cầu của đầu dò nhấp nháy (vì tỷ số tín hiệu trên tạp âm của tập hợp khuếch đại, tiền khuếch đại là nghèo và hạn chế về khả năng phân giải năng lượng). Các đường làm chậm kết hợp với các mạch điện tử để tạo nên xung ra vuông từ mỗi xung vào hàm bước. Đối với các đầu dò không có các hệ số khuếch đại nội, hình thành xung bằng đường làm chậm là không thích hợp vì tỷ số tín hiệu trên tạp âm của tiền khuếch đại với hình thành xung bằng đường làm chậm kém hơn so với hình thành xung chuẩn Gauss. Các mạch hình thành xung bằng đường làm chậm được trình bày trên hình 1.15. 2RD RD ΔT ΔTRD  - 1 1 2RD RD ΔT ΔT RD  - 1 1 a) 2RD RD ΔT RD  - 1 1 b) 2ΔT Hình 1.15. a) Hình thành xung bằng đường làm chậm đơn. b) Hình thành xung bằng đường làm chậm kép. Xung bước từ tiền khuếch đại bị đảo, được làm chậm và cộng với xung bước gốc. Kết quả là tạo ra một xung ra vuông góc với độ rộng bằng thời gian làm chậm của đường làm chậm. Nếu nối tiếp một bộ hình thành xung đơn thứ hai ta sẽ có mạch hình thành xung làm chậm vi phân kép (hình 1.15b). Kết quả là xung ra có hai phân cực dương - âm với biên độ và độ rộng bằng nhau. 1.3.2.2.2. Hình thành xung chuẩn Gauss [2] Lối vào từ tiền khuếch đại Bộ hồi phục đường cơ bản Mạch vi phân và khử cực zero Mạch tích phân RC Mạch tích phân tích cực Mạch tích phân 2 3 4 A1 A2 A-1 A-1 1 R2 R R1 C C Hình 1.16. Hình thành xung trong khối khuếch đại chuẩn Gauss. Bằng cách thay mạch tích phân RC đơn giản bằng một mạch tích phân tích cực thì tỷ số tín hiệu trên tạp âm của khối khuếch đại hình thành xung có thể tốt lên từ 17% đến 19%. Điều này là quan trọng đối với đầu dò bán dẫn vì sự phân giải năng lượng và hằng số thời gian hình thành ngắn của nó bị hạn chế bằng tỷ số tín hiệu trên tạp âm. Kết quả là xung ra của mạch hình thành xung này có dạng của một đường cong Gauss. Ưu điểm của hình thành xung chuẩn Gauss là giảm độ rộng xung ra tại 0,1% biên độ xung. Tại một hằng số thời gian, dạng xung Gauss có thể giảm độ rộng xung từ 22% đến 52% so với bộ lọc CR-RC. Điều này dẫn đến đặc trưng hồi phục đường không tốt, làm giảm thời gian chết của bộ khuếch đại. Dạng xung ra của bộ hình thành xung chuẩn Gauss được chỉ ra trên hình 1.17. 2 μs 2 V Lối ra đơn cực 2V/cm, 2 μs/cm Hình 1.17. Dạng xung ra của hình thành xung chuẩn Gauss với hằng số thời gian 2 μs. 1.3.3. Khối biến đổi tương tự thành số (Analog to Digital Converter - ADC) 1.3.3.1. Nguyên tắc hoạt động ADC đo biên độ cực đại của một xung tương tự và biến đổi giá trị đó thành mã số. Mã số tỷ lệ với biên độ tương tự tại lối vào ADC. Đối với các xung tới liên tiếp, mã số từ ADC được dẫn đến bộ nhớ dành riêng hoặc máy tính và được phân loại bằng biểu đồ. Tín hiệu lối ra từ khối khuếch đại phổ được đưa đến lối vào của ADC, nếu tín hiệu nằm trong ngưỡng của ADC thì ADC sẽ biến đổi. Sau khi biến đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số thì ADC sẽ gửi tín hiệu Data Ready đến card thu nhận dữ liệu (MCA hay Interface) báo cho card thu nhận dữ liệu biết sẵn sàng đọc dữ liệu. Sau khi nhận được tín hiệu Data Ready, card thu nhận dữ liệu sẽ gửi tín hiệu Data Accept đến ADC để cho phép bắt đầu quá trình biến đổi mới và dữ liệu của phép biến đổi mới này sẽ thay thế dữ liệu của phép biến đổi trước đó. [4] Trong quá trình biến đổi của ADC, dữ liệu lối vào có thể là Valid (các dữ liệu vào của ADC được card thu nhận dữ liệu đọc và ghi) hoặc Invalid (các dữ liệu lối vào của ADC được card thu nhận dữ liệu đọc mà không ghi). [4] ADC IN T E R F A C E Data Ready Enable Data Dead Time Data Accept IN T E R F A C E Hình 1.18. Nguyên tắc hoạt động và cách ghép nối của ADC với Interface. 1.3.3.2. Một số khối biến đổi tương tự thành số 1.3.3.2.1. ADC Wilkinson [2] Hoạt động của ADC Wilkinson được minh họa như hình 1.19. Bộ phân biệt mức thấp được dùng để ghi nhận xung từ khối khuếch đại. Ngưỡng của bộ phân biệt mức thấp thường được đặt trên mức tạp âm để ngăn ngừa ADC không mất thời gian phân tích tạp âm. Khi xung vào ADC cao hơn ngưỡng phân biệt mức thấp, cổng tuyến tính vào mở và tụ nạp được nối với lối vào. Do đó, tụ được nạp tới biên độ của xung vào (hình 1.20a). Th ế Thời gian (a) Xung lối ra bộ khuếchđại Bộ phân biệt mức thấp (b) Lối ra bộ phân biệt mức thấp (c) Tín hiệu tụ giảm dần (d) Đồng hồ địa chỉ (e) Chu trình nhớ (f) Cổng tuyến tính bị đóng (g) Cổng thời gian chết Th ế Hình 1.19. Tín hiệu thời gian của ADC Wilkinson trong khoảng thời gian xử lý xung. Đồng hồ địa chỉ Cổng tuyến tính Bộ đếm địa chỉ cổng tuyến tính (a) Tụ nạp điện Đồng hồ địa chỉ Cổng tuyến tính Bộ đếm địa chỉ I (b) Tụ phóng điện Đồng hồ địa chỉ Cổng tuyến tính Bộ đếm địa chỉ (c) Chu trình nhớ Hình 1.20. Hoạt động của ADC Wilkinson trong khoảng thời gian ba trạng thái xung. Khi biên độ xung vào đạt tới cực đại và bắt đầu giảm (hình 1.20 b) thì cổng tuyến tính bị đóng và tụ bị ngắt khỏi lối vào. Khi đó, thế trên tụ bằng biên độ cực đại của xung vào. Theo 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 tụ. Cùng lúc đó, đồng hồ địa chỉ được nối với bộ đếm địa chỉ và xung đồng hồ đếm trong khoảng thời gian phóng điện của tụ. Khi thế trên tụ về zerô thì việc đếm xung của đồng hồ cũng dừng lại. Vì thời gian cho phóng điện tuyến tính của tụ tỷ lệ với biên độ xung gốc cho nên số đếm Nc ghi được trong bộ đếm địa chỉ cũng tỷ lệ với biên độ xung. Trong khoảng thời gian của chu trình nhớ, địa chỉ Nc được định vị trong bộ nhớ biểu đồ và một số đếm được cộng vào nội dung của vị trí đó. Giá trị Nc 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 những yêu cầu khả năng phân giải cao. Đối với ADC Wilkinson, thời gian đo của MCA đóng góp vào thời gian chết theo biểu thức (1.1). c M MC c N T T f   (1.1) Thời gian chết của MCA phụ thuộc vào tần số đồng hồ fc, số kênh Nc và thời gian chu trình nhớ TMC. Tần số đồng hồ trong dải từ 50 đến 400 Hz là điển hình và thời gian chu trình nhớ từ 0,5 đến 2 μs là thông dụng. Thời gian biến đổi cực đại đối với một ADC Wilkinson 8192 kênh kéo dài từ 20 đến 165 μs. Ưu điểm của ADC Wilkinson là độ phi tuyến vi phân thấp (điển hình < 1%). Nhược điểm là thời gian biến đổi dài và phụ thuộc vào biên độ xung. 1.3.3.2.2. ADC loại song song [2] Nguyên tắc làm việc của ADC loại song song được chỉ ra trên hình 1.21. ADC loại song song được cấu trúc bằng chồng một dãy các bộ so sánh sao cho mỗi ngưỡng của bộ so sánh là tăng không đổi một thế ΔV trên một ngưỡng cho trước. ADC loại song song về nguyên tắc là một chồng các máy phân tích biên độ đơn kênh với độ rộng cửa sổ và ngưỡng được chia ra như nhau. Khi tín h._.