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

ổ (làm trơn nhiều điểm đối với toàn phổ hoặc một phần phổ). - Xác định loại đồng vị (so sánh các đỉnh trong phổ với thư viện đồng vị). - Thực hiện chương trình tự động (xác lập hệ thống bằng một lệnh đơn). 1.3.5. Card thu nhận dữ liệu - Interface 1.3.5.1. Sơ đồ nguyên lý của card thu nhận dữ liệu - Interface Hình 1.23. Sơ đồ nguyên lý của card thu nhận dữ liệu – Interface. 1.3.5.2. Nguyên tắc hoạt động của card thu nhận dữ liệu - Interface [1] Card thu nhận dữ liệu - Interface hoạt động theo hai nguyên tắc sau: * Theo nguyên tắc trùng phùng Khi có tín hiệu trùng phùng, card thu nhận sẽ phát tín hiệu điều khiển để cho phép các ADC thu nhận tín hiệu ở lối vào và bắt đầu biến đổi. Khi đó, một trong ba khả năng sau sẽ xảy ra: - Một hoặc cả hai tín hiệu lối vào không vượt ngưỡng của ADC, khi đó một hoặc cả hai ADC sẽ không có tín hiệu Data Ready gửi đến Interface nên nó sẽ không phản ứng. - Một hoặc cả hai tín hiệu lối vào vượt ngưỡng của ADC, khi đó một hoặc cả hai ADC có tín hiệu Data Ready gửi đến Interface. Trong trường hợp này, Interface chỉ đọc mà không ghi dữ liệu. Tín hiệu cho phép hai ADC reset lại để thực hiện các phép biến đổi tiếp theo. - Khi cả hai tín hiệu nằm trong dải phân tích [LLD, ULD] của các ADC , cả hai ADC gửi tín hiệu Data Ready tới Interface. Tín hiệu này cách nhau một khoảng thời gian không quá 1 μs thì Interface sẽ gửi tín hiệu Enable Data để đọc và ghi dữ liệu của xung lối vào từ ADC. Sau khi ghi xong Interface sẽ gửi tín hiệu Data Accept tới ADC và cho phép ADC reset lại để thực hiện phép biến đổi tiếp theo. Các ADC hoạt động ở chế độ non - overlap. Trong trường hợp thứ ba, số liệu lối ra của ADC sẽ được ghi dưới dạng event - event; còn các trường hợp còn lại thì số liệu sẽ không được ghi nhận. Số liệu trùng phùng thu được sẽ gồm ba cột. - Cột I : ghi code năng lượng của tia gamma đến đầu dò thứ nhất. - Cột II : ghi code năng lượng của tia gamma đến đầu dò thứ hai. - Cột III : ghi giá trị tương ứng với độ chênh lệch thời gian xuất hiện của hai sự kiện ở hai đầu dò. * Theo chế độ MCA Trong chế độ MCA, khi ADC nào có tín hiệu Data Ready và tín hiệu được biến đổi nằm trong dải phân tích thì card thu nhận dữ liệu sẽ đọc số liệu từ ADC đó, nội dung của kênh tương ứng trong bộ nhớ sẽ tăng lên 1. Khi kết thúc thời gian đo, số liệu thu được sẽ lưu dưới dạng tập tin có phần mở rộng *.spe để xử lý. 1.4. Hệ phổ kế năng lượng Trong lĩnh vực nghiên cứu hạt nhân và ứng dụng kỹ thuật hạt nhân vào các lĩnh vực khác nhau trong sản xuất cũng như đời sống thì việc xác định các đồng vị phóng xạ, năng lượng, cường độ các lượng tử phát ra từ các nguồn phóng xạ là rất quan trọng. Do đó cần phải có hệ thống điện tử hạt nhân để xác định phổ năng lượng của các nguồn phóng xạ và đồng vị phóng xạ. Hệ thống đó được gọi là hệ thống phổ kế năng lượng. Tùy thuộc vào mục đích nghiên cứu và điều kiện thiết bị mà người ta có thể thiết lập hệ thống phổ kế năng lượng có cấu hình khác nhau. Dưới đây là một số hệ phổ kế năng lượng đã được xây dựng và sử dụng để ghi nhận phổ năng lượng của các nguồn phóng xạ với các cấu hình khác nhau. 1.4.1. Hệ phổ kế năng lượng sử dụng một đầu dò bán dẫn Để ghi nhận các bức xạ phát ra từ các nguồn đồng vị phóng xạ, chúng ta có thể dùng các hệ phổ kế đơn giản sử dụng một đầu dò bán dẫn như được trình bày trên hình 1.24 và hình 1.25. Ge or Si(Li) PC Source Bias Supply Preamp Amplifer MCB Unipolar Busy Pur Unipolar: đơn cực. Busy: bận. Preamp: khối tiền khuếch đại. Amplifier: khối khuếch đại phổ. Bias supply: nguồn cao thế. MCB: bộ đệm đa kênh. PC: máy tính cá nhân. Hình 1.24. Phổ kế năng lượng với đầu dò Ge cho bức xạ gamma hoặc đầu dò Si (Li) cho tia X. [2] HPGe Detector High Voltage MCA PC Source ADCAmp HPGe Detector: Đầu dò bán dẫn tinh khiết Ge . High Voltage: Cao thế. Amp: Khối khuếch đại (Amplifier). ADC: Khối biến đổi tương tự thành số (Analog to Digital Converter). MCA: Khối phân tích đa kênh (Multi Channel Analyzer) PC: Máy tính cá nhân (Person Computer). Hình 1.25. Phổ kế năng lượng sử dụng đầu dò bán dẫn HPGe. Khi đặt nguồn phóng xạ trước đầu dò bán dẫn thì trên lối ra của tiền khuếch đại sẽ xuất hiện các tín hiệu. Các tín hiệu này sẽ được xử lý bởi các khối điện tử tiếp theo sau như khối khuếch đại, khối biến đổi tương tự thành số và khối phân tích đa kênh. Tín hiệu sau khi đã được các khối điện tử xử lý sẽ được lưu trữ trên máy tính và cho ra phổ nhờ các phần mềm chuyên dụng. 1.4.2. Hệ phổ kế năng lượng sử dụng hai đầu dò bán dẫn Để ghi nhận phổ năng lượng của các lượng tử gamma phát ra gần như đồng thời (trùng phùng) từ các nguồn phóng xạ, các nhà khoa học đã xây dựng nên hệ thống phổ kế gamma - gamma như hình 1.26. Ưu điểm của hệ thống phổ kế này là phổ năng lượng thu được sẽ có nền Compton thấp hơn các phổ năng lượng do hai hệ phổ kế trên thu được. Kết quả là tỷ số đỉnh trên Compton sẽ cao hơn, các đỉnh phổ hiện rõ trên nền Compton được hạ thấp. Nguyên nhân chính là hệ phổ kế này sử dụng khối trùng phùng có tác dụng chỉ cho ghi nhận các sự kiện hạt nhân xảy ra trong hai đầu dò trong khoảng thời gian rất ngắn (được xem là đồng thời hay gọi là trùng phùng) và không ghi các sự kiện hạt nhân xảy ra chênh lệch thời gian nhiều như tán xạ Compton, … HPGE Detector A Pre Amp HPGE Detector A Pre Amp DELAY AMPLIFIER Detector Bias Supply PULSER AMPLIFIER Detector Bias Supply TIMING SCA TIMING SCA MCB PC AMPLIFIER COINCIDENCE HPGe detector: đầu dò bán dẫn Ge siêu tinh khiết. Detector Bias Supply: nguồn cao thế cung cấp cho đầu dò. Pulser: máy tạo xung . Preamp: khối tiền khuếch đại. Amplifier: khối khuếch đại. Coincidence: khối trùng phùng. Timing SCA: máy phân tích đơn kênh loại thời gian. MCB: khối đệm đa kênh. PC: máy tính cá nhân. Hình 1.26. Hệ thống phổ kế trùng phùng gamma - gamma đối với phổ năng lượng được thực hiện trên hai đầu dò HPGe. [2] 1.5. Hệ phổ kế thời gian Để xác định các đặc trưng thời gian của các bức xạ gamma nối tầng phát ra từ các nguồn phóng xạ phục vụ cho việc nghiên cứu thời gian sống của các pozitron, thời gian sống của các trạng thái kích thích hay nghiên cứu sơ đồ phân rã hạt nhân, … đòi hỏi phải có hệ thống điện tử làm việc ổn định và độ chính xác cao. Để đo các đặc trưng thời gian của các lượng tử phát ra từ các nguồn phóng xạ, người ta đã tiến hành xây dựng các hệ phổ kế thời gian có cấu hình khác nhau. Sau đây là một số cấu hình phổ kế thời gian thường dùng nhất được thực hiện trên các đầu dò khác nhau và phổ thời gian thu được từ các hệ phổ kế đó. 1.5.1. Hệ phổ kế thời gian sử dụng đầu dò plastic và bán dẫn [2] Preamp: khối tiền khuếch đại; CFD: khối phân biệt ngưỡng không đổi. Delay: khối làm chậm. Time analyzer: khối phân tích thời gian. Multi Channel Analyzer: khối phân tích đa kênh. Hình 1.27. Hệ phổ kế thời gian sử dụng đầu dò plastic và bán dẫn. Nếu đặt nguồn phóng xạ chuẩn 60Co vào khoảng giữa hai đầu dò của hệ thống phổ kế thì trên lối ra của các tiền khuếch đại sẽ xuất hiện tín hiệu nhanh. Những tín hiệu này đi qua các khối phân biệt ngưỡng không đổi 2126, khối làm chậm nano giây 2058 tới lối vào khởi phát và dừng tương ứng của khối TAC 2143. Kết quả là một xung lối ra hình chữ nhật với độ rộng vài micro giây và biên độ tỷ lệ với khoảng thời gian giữa các xung khởi phát và dừng. Khi quá trình biến đổi và đo được lặp lại cho các xung khởi phát và dừng thì phổ thời gian tăng lên trong bộ nhớ của khối phân tích đa kênh. Dạng phổ sẽ phụ thuộc vào tương quan thời gian giữa các xung khởi phát và dừng. Hình 1.28 trình bày phổ thời gian thu được từ nguồn 60Co với độ phân giải thời gian là 1800 ps. NE 111 PREAMP 2107 CFD 2126 DELAY 2058 PREAMP 2111 CFD 2126 DELAY 2058 TIME – ANALYZER 2143 MCA START STOP 10% 1.78 KeV Hình 1.28. Phổ thời gian nhận được của nguồn 60Co sử dụng đầu dò plastic - bán dẫn. 1.5.2. Hệ phổ kế thời gian sử dụng đầu dò plastic và NaI [2] NaI 802-4 PREAMP 2007 CFD 2126 CFD 2126 DELAY 2058 TIME – ANALYZER 2143 MCA START STOP NE111 PREAMP 2107 Hình 1.29. Hệ phổ kế thời gian sử dụng đầu dò plastic và NaI. Khi đặt nguồn chuẩn 60Co vào giữa hai đầu dò plastic và đầu dò nhấp nháy NaI của hệ phổ kế trên hình 1.29 thì tín hiệu từ hai đầu dò sẽ được xử lý qua các khối điện tử phía sau. Kết quả cũng cho ra phổ thời gian như hình 1.30 với độ phân giải tốt hơn là 1000 ps. 102 104 C U O N T S CHANNEL 1800 psec FWTM 60Co 1000 psec FWHM C U O N T S Hình 1.30. Phổ thời gian của 60Co sử dụng đầu dò plastic - NaI. 1.5.3. Hệ phổ kế thời gian sử dụng hai đầu dò plastic [2] 102 104 C U O N T S CHANNEL 60Co 1800 psec FWHM C U O N T S CFD 2129 CFD 2129 DELAY 2058 TAC 2143 MCA START STOP PREAMP 2107 PREAMP 2107 DELAY 2058 COINC 2144 GATE Fast Plastic Scintilation Detectors and PMTs Fast Plastic Scintillation Detectors and PMTs: đầu dò nhấp nháy plastic nhanh và các ống nhân quang điện. Coinc: khối trùng phùng. MCA: khối phân tích đa kênh. TAC: khối biến đổi thời gian thành biên độ. Hình 1.31. Hệ phổ kế thời gian sử dụng hai đầu dò plastic. Khi đặt nguồn chuẩn 60Co vào giữa đầu dò nhấp nháy plastic nhanh và các ống nhân quang điện của hệ phổ kế trên hình 1.31 thì tín hiệu từ hai đầu dò sẽ được xử lý qua các khối điện tử phía sau. Kết quả cũng cho ra phổ thời gian như hình 1.32 với độ phân giải tốt hơn là 400 ps. 102 104 C U O N T S CHANNEL 400 psec FWTM 60Co 200 psec FWHM C U O N T S C U O N T S Hình 1.32. Phân giải thời gian của phổ kế thời gian sử dụng đầu dò plastic. Chương 2: Kỹ thuật trùng phùng và hệ thống xử lý xung thời gian 2.1. Kỹ thuật trùng phùng và ưu điểm của kỹ thuật đó 2.1.1. Kỹ thuật trùng phùng Có nhiều ứng dụng trong lĩnh vực nghiên cứu hạt nhân đòi hỏi sự đo lường các sự kiện hạt nhân xảy ra gần như đồng thời (có thể gọi là trùng phùng) trong hai đầu dò trong một khoảng thời gian ngắn nhất định hoặc xác định thời gian chênh lệch giữa hai sự kiện hạt nhân đó. Hai phương pháp được sử dụng trong việc đo lường các sự kiện trùng phùng gamma - gamma, nghiên cứu sơ đồ phân rã hạt nhân, nghiên cứu thời gian sống của pozitron, … là trùng phùng và đo thời gian. Một hệ thống trùng phùng dùng xác định hai sự kiện hạt nhân xảy ra trong một khoảng thời gian ngắn nhất định. Tuy nhiên, trong thực tế phương pháp này không thể phân tích các sự kiện trùng phùng này với độ chính xác 100% do tính chất thống kê và do các khối điện tử gây ra các sai số do nhiễu, tạp âm và sai số bước. Một mạch trùng phùng đơn giản giải quyết vấn đề này là cổng AND hai lối vào. Nó hoạt động dựa trên nguyên tắc phủ trong độ rộng của xung vào và xác định trực tiếp thời gian phân giải của mạch trùng phùng. Hình 2.1 minh họa nguyên tắc cơ bản của mạch trùng phùng. [2] TÍN HIỆU VÀO A B C AND A B C TÍN HIỆU RA TÍN HIỆU VÀO TÍN HIỆU RA MỨC LOGIC 1 1 1 0 0 0 Hình 2.1. Nguyên tắc cơ bản của mạch trùng phùng. Như trên hình 2.1, cổng AND phát lối ra “logic 1” chỉ khi các xung “logic 1” có mặt trên cả hai lối vào A và B. Thực tế, lối ra chỉ sinh ra trong khoảng thời gian xung A và B phủ nhau. Do đó, mạch này được gọi là trùng phùng phủ. Hầu hết các khối trùng phùng cung cấp nhiều lối vào (thường lên tới bốn) có thể được đóng ngắt một cách độc lập. Khi chỉ một lối vào được đóng, mọi tín hiệu logic lối vào đều được đưa tới lối ra của khối trùng phùng. Kiểu làm việc này cung cấp một cách thuận tiện để ghi tần số đơn trong bất cứ nhánh vào nào. Khi hai lối vào được đóng, khối hoạt động như một khối trùng phùng đơn giản hai lối vào, ba lối vào chuyển mạch dẫn đến trùng phùng ba lối vào, . . . 2.1.2. Ưu điểm của kỹ thuật trùng phùng - Đối với các hệ phổ kế năng lượng không sử dụng kỹ thuật trùng phùng thì phổ năng lượng thu được sẽ có phông nền cao do tán xạ Compton. Ngoài ra, phổ thu được sẽ có nhược điểm là các đỉnh năng lượng thấp, có cường độ nhỏ có thể bị che khuất bởi các đỉnh năng lượng cao và cường độ lớn hơn. Thậm chí các đỉnh năng lượng còn bị nền Compton che khuất. Kết quả, tỷ số đỉnh trên Compton sẽ thấp. Nguyên nhân chính là do phổ kế này ghi nhận tất cả các sự kiện hạt nhân xảy ra trong quá trình ghi nhận. - Vấn đề trên sẽ được giải quyết khi áp dụng vào hệ phổ kế kỹ thuật trùng phùng bằng cách dùng các khối điện tử hạt nhân như khối trùng phùng hay khối biến đổi thời gian thành biên độ – TAC. Khi áp dụng kỹ thuật trùng phùng vào việc ghi nhận của hệ phổ kế năng lượng hay hệ phổ kế thời gian thì phổ năng lượng thu được sẽ có nền phông thấp vì đã loại bỏ các sự kiện hạt nhân không trùng phùng như các tán xạ Compton, các sự kiện hạt nhân ngẫu nhiên, . . . chỉ ghi nhận các sự kiện hạt nhân được xem là trùng phùng (xảy ra gần như đồng thời). Kết quả là cải thiện được tỷ số đỉnh trên Compton đáng kể. Bên cạnh đó, sử dụng kỹ thuật trùng phùng ta có thể xác định khá chính xác thời gian chênh lệch giữa các sự kiện hạt nhân trùng phùng (chính xác cỡ pico giây). Do đó, có thể ứng dụng để nghiên cứu thời gian sống của pozitron, nghiên cứu sơ đồ phân rã hạt nhân, nghiên cứu mật độ mức năng lượng,…. 2.2. Khối khuếch đại nhanh lọc thời gian (Time Filter Amplifier - TFA) 2.2.1. Nguyên tắc hoạt động cơ bản của khối TFA [6] Khối TFA có nhiệm vụ tạo dạng xung và khuếch đại các tín hiệu vào để cho ra tín hiệu phù hợp với các khối điện tử phía sau. Trong đó, nhiệm vụ tạo dạng xung đóng vai trò quan trọng. Về cơ bản, việc tạo dạng xung dựa trên các mạch lọc tần số cao - CR (mạch lọc cao tần) và mạch lọc tần số thấp - RC (mạch lọc hạ tần). Các mạch lọc này kết hợp với các linh kiện tích cực như khuếch đại thuật toán tạo thành mạch lọc tích cực. Trước tiên, tín hiệu qua mạch lọc tần số cao nhằm làm tăng tỷ số tín hiệu/nhiễu. Vì mạch này có tác dụng loại bớt các tín hiệu có tần số thấp. Các tín hiệu tần số thấp dễ bị các tín hiệu tần số khác ảnh hưởng lên nó và có nhiều tín hiệu nhỏ nên thường chứa nhiều nhiễu. Thời hằng của xung ra được điều chỉnh qua việc lựa chọn hằng số vi phân d = CdRd, mạch này gọi là mạch vi phân. Hình 2.2. Mạch lọc tần số cao CR. Sau đó, tín hiệu đi qua mạch lọc tần số thấp. Thời gian tăng của xung ra được điều chỉnh bằng hằng số tích phân i = CiRi , mạch này được gọi là mạch tích phân. Mạch này có tác dụng làm giảm các nhiễu tần số cao nên cũng làm tăng tỷ số tín hiệu/nhiễu vì ở tần số cao dễ xảy ra cộng hưởng làm tăng hiện tượng phản xạ sóng ở đầu cáp. Kết hợp hai mạch vi phân CR và mạch tích phân RC ta được mạch tạo dạng xung đơn giản. Rd Cd Ri Ci IN OUT Hình 2.4. Cấu tạo cơ bản của mạch tạo dang xung CR-RC. 2.2.2. Khối TFA 474 Hình 2.5. Mặt trước của khối TFA 474. Rd Cd Ri Ci Chuyển mạch chọn hệ số khuếch đại Chuyển mạch chọn thay đổi thời hằng mạch tích phân Chuyển mạch chọn thay đổi thời hằng mạch vi phân Lối vào từ tiền khuếch đại Lối ra Hình 2.3. Mạch lọc tần số thấp RC. Khối TFA 474 do hãng ORTEC sản xuất. Nguyên tắc hoạt động của TFA 474 về cơ bản giống như các khối TFA khác. Tuy nhiên, khi sử dụng cần quan tâm những thông số sau: - Thay đổi hệ số khuếch đại tín hiệu (gồm hai núm chỉnh Gain và Fine Gain). - Thay đổi thời gian tăng của xung ( núm INT). - Thay đổi thời gian giảm của xung (núm DIFF). Hai chức năng chính của TFA 474 là khuếch đại và tạo dạng xung. Nhưng bên cạnh đó, TFA 474 còn có các chức năng như điều chỉnh pole-zero, điều chỉnh cực tính của xung ở lối ra (chuyển mạch INVERT/NONINVERT: INVERT - đảo cực tính của xung, NONINVERT - không đảo cực tính của xung). Từ khảo sát thực nghiệm cho thấy hằng số tích phân trong khối TFA thường được chọn sao cho thời gian tăng của xung ở lối ra đều được làm chậm hơn thời gian tăng của xung ở lối vào. Xung từ lối ra của khối tiền khuếch đại thay đổi trong khoảng thời gian khá rộng (phụ thuộc vào kích thước tinh thể của đầu dò và loại tiền khuếch đại được sử dụng). Xung lối ra này có mặt tăng nằm trong khoảng vài chục đến vài trăm nano giây, thời gian giảm của xung nằm trong khoảng vài chục đến vài trăm micro giây. Do đó, chọn lựa các tham số của khối TFA là rất quan trọng. Nếu chọn hằng số tích phân (mặt tăng xung) lớn quá sẽ làm cho độ phân giải thời gian kém (xuất hiện trùng phùng ngẫu nhiên) nhưng hiệu suất ghi tăng (số xung thu được tăng lên). Việc chọn hằng số vi phân chính là xác định thời gian xung đến đường cơ bản và cho phép xung kế tiếp được quan sát, nếu dài quá sẽ xảy ra quá trình chồng chập xung. Xung lối ra của TFA 474 nằm trong khoảng 0 đến ±5 V, nếu xung lối vào nằm trong khoảng 0 đến 1 V thì sẽ được khuếch đại tuyến tính. 2.3. Khối phân biệt ngưỡng không đổi (Constant Fraction Discriminator - CFD) 2.3.1. Các đặc trưng chung [6] Khối CFD thường được chế tạo để phục vụ cho hai ứng dụng khác nhau: - Thứ nhất: đếm các xung nhỏ với tốc độ đếm cao. - Thứ hai: xác định thời gian xung đến với độ chính xác cao. Trong kênh thời gian, khối CFD có vai trò xác định thời điểm xung đến, tạo ra tín hiệu đầu vào đưa đến khối trùng phùng. CFD làm tăng độ phân giải thời gian, loại trừ nhiễu và ảnh hưởng của các tia gamma mềm. Việc chọn giá trị ngưỡng là rất quan trọng, nếu chọn ngưỡng quá thấp thì sẽ xuất hiện trùng phùng với các gamma mềm hoặc gamma tán xạ giữa hai đầu dò; còn nếu chọn ngưỡng cao quá sẽ mất các chuyển dời gamma có năng lượng thấp. Khối CFD hoạt động theo ba chế độ (mode) tùy thuộc vào kiểu đầu dò. - Constant - Fraction (CF): chế độ CF dựa trên tỷ số cố định. - Slow Rise Time Reject (SRT): chế độ SRT chọn lựa để loại trừ các xung tăng chậm. - Leading Edge (LE): chế độ LE dựa trên phương pháp khởi phát mặt trước. Trong chế độ CF và SRT cần đến thời gian trễ (CF dùng trễ ngắn khoảng 2 ns). Thời gian trễ được chọn phù hợp với từng ứng dụng cụ thể. Thời gian trễ tổng cộng td được tính bằng tổng thời gian trễ bên trong của khối CFD (ttr) với thời gian trễ bên ngoài (tng) do khối trễ quyết định. Thời gian trễ ngoài lấy từ khối trễ hoặc dây trễ. Chiều dài của dây trễ được xác định bởi biểu thức (2.1): ng d tr t t t l      (2.1) Trong đó, l là chiều dài dây trễ,  là thời gian trễ của tín hiệu trên 1m dây trễ. 2.3.2. Khối CFD 584 Hình 2.6. Mặt trước của khối CFD 584. Khối CFD 584 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 ngưỡng đặt trước thì mới cho tín hiệu lối ra. Xung lối vào CFD 584 nằm trong khoảng - 5 đến 0 V. CFD 584 cho bốn lối ra: - Hai lối ra xung logic âm, độ rộng 5 ns. - 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. Ngưỡng CFD 584 nằm trong dải - 5 mV tới -1 mV, còn ngưỡng ngoài (điều chỉnh bằng biến trở tinh chỉnh ngưỡng - threshold) nằm trong dải 0 mV tới 1 V. Khi điều chỉnh biến trở Threshold ở 0 mV, ngưỡng cắt thực tế của khối CFD 584 là -1 mV. Khi dùng CFD, điều quan trọng là chọn được ngưỡng, thời gian trễ tối ưu nhất ứng với từng chế độ và từng ứng dụng cụ thể. Ta đi nghiên cứu chi tiết từng chế độ: Biến trở điều chỉnh ngưỡng Chuyển mạch chọn các chế độ CF, SRT, LE Lối vào Lối test chọn walk và width thích hợp Lối ra phân cực dương Lối ra thời gian CF: thường được dùng với các đầu dò (như đầu dò fast plastic) có các tín hiệu lối ra thỏa mãn: thời gian tăng ngắn và độ biến thiên thời gian tăng nhỏ. Với CFD 584 có hệ số suy giảm f = 0,2 (có thể thay đổi nếu cần thiết). Chế độ này hoạt động theo phương pháp ARC (Amplitude and Risetime Compensation - kỹ thuật điều chỉnh biên độ và thời gian tăng). Do đó, thời gian trễ phải rất nhỏ. SRT: thường dùng các xung ra thỏa mãn điều kiện: độ biến thiên của thời gian tăng nằm trong dải rộng. Chế độ này phù hợp với đầu dò bán dẫn Ge. Khi hoạt động ở chế độ SRT thì ngưỡng CFD phải thấp. Nếu đặt ngưỡng cao quá sẽ có nhiều tín hiệu lối vào bị loại vì có nhiều tín hiệu cắt ngưỡng sau thời điểm tcfd. Ưu điểm của chế độ SRT là làm tăng độ phân giải thời gian nhưng có nhược điểm là làm giảm hiệu suất đếm. LE: thường dùng với đầu dò cho các xung ra nhanh, có biên độ hay thời gian tăng biến thiên nhỏ. Khi ở chế độ này thì không dùng phương pháp tỷ số cố định. Tín hiệu ra xuất hiện khi mặt trước của xung vào cắt ngưỡng CFD. 2.4. Khối biến đổi thời gian thành biên độ (Time to Amplitude Converter - TAC) 2.4.1. Sơ đồ chức năng của TAC [2] A = 1 A = 1 v v Constant – current source I Stop Start Converter Capacitor Buffer Amplifier Linear Gate Output Amplifier Output (to MCA) Constant current source: nguồn dòng không đổi. Converter capacitor: tụ của bộ biến đổi. Buffer amplifier: bộ khuếch đại đệm. Linear gate: cổng tuyến tính. Output amplifier: khuếch đại ra. Output (to MCA): lối ra ( tới MCA). Hình 2.7. Sơ đồ chức năng của TAC. 2.4.2. Nguyên tắc hoạt động của TAC Có hai loại TAC: TAC sử dụng phương pháp phủ và TAC loại “Start – Stop”. 2.4.2.1. TAC loại sử dụng phương pháp phủ Phương pháp phủ dựa trên việc cung cấp các xung “start” và “stop” có dạng vuông góc chuẩn cho bộ biến đổi và đo diện tích phủ giữa hai xung. Nếu hai xung là trùng phùng, chồng nhau hoàn toàn, trong khi đó nếu chúng được tách biệt nhau bằng biên độ xung thì không chồng nhau. Do đó, nếu xung ra được phát ra có biên độ liên quan với diện tích chồng nhau thì biến đổi thời gian thành biên độ được thực hiện. Về cơ bản sơ đồ phủ là rất nhanh so với các phương pháp khác. Tuy nhiên, TAC loại này có đặc trưng tuyến tính và độ chính xác tồi. Do đó, TAC loại này chỉ được sử dụng chủ yếu trong các ứng dụng ở đó tần số đếm cực đại được quan tâm. 2.4.2.2. TAC loại "Start - Stop" Xung “Start” bắt đầu hoạt động mạch như nạp cho một tụ nhờ một nguồn dòng không đổi. Tác động này tiếp tục cho đến khi bị dừng bằng xung “stop”. Dòng không đổi phát ra một thế răng cưa, nó bị dừng lại tại một biên độ trong khoảng thời gian giữa các xung “start” và “stop”. TAC loại này có đặc trưng tuyến tính tốt hơn so với loại sử dụng phương pháp phủ. Do đó, TAC loại này được sử dụng phổ biến trong các phép đo thời gian thông thường. Hơn thế nữa, TAC loại này có thể đạt độ chính xác cao vì nó sử dụng kỹ thuật tương tự để biến các khoảng thời gian nhỏ thành biên độ xung. Chính vì vậy, TAC này được sử dụng trong ứng dụng thời gian yêu cầu độ chính xác pico giây. Chương 3: Thực nghiệm 3.1. Khái quát chương trình thu nhận số liệu dùng 7811R và chương trình xử lý phổ OriginPro 7.5 3.1.1. Chương trình thu nhận số liệu dùng 7811R Chương trình hoạt động theo hai chế độ đo: - Chế độ MCA - Chế độ Event-Event Để chọn chế độ đo, ta Click chuột vào tab của chế độ đó. Hình 3.1. Tab chọn chế độ MCA hay Event-Event. 3.1.1.1. Chế độ MCA Chế độ này cho phép đo và hiển thị đồng thời nhiều phổ. Để phân biệt các phổ giữa các kênh khác nhau, ta có thể chọn màu cho từng phổ qua công cụ chọn màu ở góc trên bên phải của chương trình. Hình 3.2. Giao diện của chương trình trong chế độ MCA. Các thành phần trên giao diện của chương trình trong chế độ MCA - Các nút lệnh để lưu và mở phổ: Hộp đường dẫn và tên phổ Nút lưu phổ Nút mở phổ Hình 3.3. Các nút lưu và mở phổ. - Các nút chức năng để xóa phổ: Hình 3.4. Các nút để xóa phổ. - Các nút chức năng để bật tắt chế độ MCA và chọn kênh bắt đầu đo: Hình 3.5. Các nút khởi động đo. - Hộp đặt thời gian đo (đơn vị là giây): Hình3.6. Textbox đặt thời gian đo. - Hộp hiển thị sự thay đổi các tham số của kênh ADC1, ADC2 gồm dead time (thời gian chết), count rate (tốc độ đếm), live time (thời gian thực), total count (tổng số đếm). Hình 3.7. Textbox hiển thị sự thay đổi các tham số. - Các nút lệnh dùng để phóng to và thu nhỏ phổ, thay đổi vùng hiển thị: Nút bật / tắt chế độ MCA Nút bắt đầu đo cho từng kênh Hình 3.8. Các nút chức năng phóng to và thu nhỏ phổ. - Vùng hiển thị của phổ: Hình 3.9. Vùng hiển thị phổ. 3.1.1.2. Chế độ Event-Event Hình 3.10. Cửa sổ chương trình trong chế độ Event-Event. Các thành phần trên giao diện của chương trình trong chế độ Event-Event - Các nút khởi động và thoát chế độ đo: Hình 3.11. Các nút điều khiển. - Hộp textbox cho phép ghi thời gian làm chậm (Delay Time (μs)) và độ rộng xung (Pulse Width (ns)): Hình 3.12. Hộp textbox cho phép đặt thời gian làm chậm và độ rộng xung. - Hộp textbox cho phép đặt thời gian đồng hồ các ADC: Hình 3.13. Hộp textbox cho phép đặt thời gian đồng hồ các ADC. - Hộp thoại cho phép gõ đường dẫn lưu số liệu và tên file dữ liệu hiện hành: Hình 3.14. Hộp thoại lưu trữ dữ liệu. - Hộp thoại hiển thị các giá trị của ADC hiện hành trong quá trình đo: Hình 3.15. Hộp hiển thị các giá trị ADC. - Hộp hiển th