Luận án Tiến sĩ Vật lý: Nghiên cứu thiết kế và chế tạo thiết bị ghi đo bức xạ hiện trường sử dụng kỹ thuật xử lý tín hiệu số (DSP) vào mảng các phần tử logic lập trình (FPGA)

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:150

Thêm vào BST

Báo xấu

54
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu luận án là nghiên cứu chế tạo hệ phân tích phổ gamma - thành phần chính của hệ trinh sát phát hiện phóng xạ; chế tạo detector nhấp nháy tiêu thụ ít năng lượng và nhỏ gọn, chế tạo hệ phân tích phổ trên cơ sở DPP. Mời các bạn cùng tham khảo.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Vật lý: Nghiên cứu thiết kế và chế tạo thiết bị ghi đo bức xạ hiện trường sử dụng kỹ thuật xử lý tín hiệu số (DSP) vào mảng các phần tử logic lập trình (FPGA)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆN NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ VIỆT NAM ĐINH TIẾN HÙNG NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ GHI ĐO BỨC XẠ HIỆN TRƯỜNG SỬ DỤNG KỸ THUẬT XỬ LÝ TÍN HIỆU SỐ (DSP) VÀO MẢNG CÁC PHẦN TỬ LOGIC LẬP TRÌNH (FPGA) LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ HÀ NỘI - 2020
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆN NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ VIỆT NAM ĐINH TIẾN HÙNG NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ GHI ĐO BỨC XẠ HIỆN TRƯỜNG SỬ DỤNG KỸ THUẬT XỬ LÝ TÍN HIỆU SỐ (DSP) VÀO MẢNG CÁC PHẦN TỬ LOGIC LẬP TRÌNH (FPGA) 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: PGS.TS. Phạm Đình Khang PGS.TS. Nguyễn Nhị Điền HÀ NỘI - 2020
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan Luận án tiến sĩ: “Nghiên cứu thiết kế và chế tạo thiết bị ghi đo bức xạ hiện trường sử dụng kỹ thuật xử lý tín hiệu số (DSP) vào mảng các phần tử logic lập trình (FPGA)” là công trìnhnghiên cứu của tôi dưới sự hướng dẫn của PGS.TS. Phạm Đình Khang và PGS.TS. Nguyễn Nhị Điền. Các kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận án là trung thực và chưa được công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào khác. Tôi xin cam đoan luận án được tiến hành nghiên cứu một cách nghiêm túc, số liệu sử dụng phân tích trong luận án có nguồn gốc rõ ràng, tất cả những tham khảo và kế thừa đều được trích dẫn và tham chiếu đầy đủ. Tôi xin chịu trách nhiệm về những lời cam đoan trên. Hà Nội, ngày tháng năm 2020 Nghiên cứu sinh Đinh Tiến Hùng i
LỜI CẢM ƠN Tác giả luận án xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành đến: PGS.TS. Phạm Đình Khang, PGS.TS. Nguyễn Nhị Điền đã tận tình giúp đỡ về mặt học thuật, phương pháp tư duy khoa học và động viên trong suốt quá trình thực hiện luận án. Lãnh đạo, chỉ huy Viện Hóa học Môi trường quân sự/Binh chủng Hóa học đã quan tâm, tạo mọi điều kiện thuận lợi về thời gian, các trang thiết bị PTN và nhân lực. Công ty TNHH Hakata Việt đã hỗ trợ các linh kiện, vật tư chất lượng cao để thử nghiệm trong hướng nghiên cứu của luận án. Ban Lãnh đạo Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam, Ban Lãnh đạo và cán bộ Trung tâm Đào tạo hạt nhân/Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam đã giúp đỡ hoàn tất các thủ tục cần thiết. Tác giả xin được gửi lời cảm ơn chân thành tới PGS.TS. Nguyễn Xuân Hải, TS. Nguyễn Ngọc Anh đã đóng góp các ý tưởng khoa học cho luận án. Các bạn bè, đồng nghiệp tại Phòng Phóng xạ/Viện Hóa học Môi trường quân sự; gia đình đã luôn động viên và tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả trong suốt quá trình thực hiện luận án. Xin trân trọng cảm ơn! Đinh Tiến Hùng ii
MỤC LỤC DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ...................................................................................... vi MỞ ĐẦU .......................................................................................................................................1 1. Lý do chọn đề tài ...................................................................................................... 1 2. Mục tiêu của luận án ................................................................................................ 1 4. Ý nghĩa khoa học của luận án.................................................................................. 2 5. Giá trị thực tiễn của luận án ..................................................................................... 3 6. Bố cục của luận án ................................................................................................... 3 CHƯƠNG 1. NHU CẦU THỰC TIỄN VÀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO TRANG THIẾT BỊ TRINH SÁT PHÁT HIỆN PHÓNG XẠ ......................................5 1.1.Nhu cầu thực tiễn ................................................................................................... 6 1.1.1. Tình hình sử dụng các trang thiết bị trinh sát bức xạ trên thế giới. ..... 6 1.1.2.Nhu cầu trong quan trắc môi trường, phục vụ đào tạo của Việt Nam ... 7 1.1.3. Các hệ đo hướng tới gọn nhẹ và tiết kiệm năng lượng.......................... 7 1.1.4. Yêu cầu về làm chủ công nghệ .............................................................. 7 1.1.5. Khả năng chế tạo nhanh, chất lượng ổn định và nguồn linh kiện vật tư .......................................................................................................................... 8 1.2. Tình hình nghiên cứu và chế tạo trên thế giới ..................................................... 8 1.2.1. Tổng quan nghiên cứu và chế tạo detector nhấp nháy không dùng PMT trên thế giới ...................................................................................................... 8 1.2.2. Nghiên cứu và chế tạo hệ thống xử lý tín hiệu số ................................ 17 CHƯƠNG II. THIẾT KẾ, CHẾ TẠO DETECTOR NHẤP NHÁY SỬ DỤNG QUANG ĐI-ỐT VÀ HỆ THỐNG XỬ LÝ SỐ TÍN HIỆU DỰA TRÊN MẢNG LINH KIỆN LẬP TRÌNH FPGA ............................................................................................................................ 38 2.1. Lựa chọn, tính toán và thiết kế hệ detector nhấp nháy sử dụng quang đi-ốt ... 38 iii
2.1.1. Lựa chọn tinh thể nhấp nháy ............................................................... 38 2.1.2. Lựa chọn quang đi-ốt .......................................................................... 40 2.1.3. Lựa chọn tiền khuếch đại..................................................................... 43 2.1.4. Hệ thống khuếch đại và hình thành xung ............................................ 46 2.1.5. Yêu cầu thiết kế cấu hình cơ khí của detector và thiết bị kiểm tra ...... 47 2.2. Thiết kế các thuật toán cho DMCA ................................................................... 48 2.2.1. Mạch lọc số Sallen Key S-K ................................................................ 49 2.2.2. Bộ lọc năng lượng ............................................................................... 50 2.2.3. Thiết kế bộ tạo tín hiệu trigger ............................................................ 55 2.2.4. Tính toán, thiết kế các khối chức năng của DMCA trên phần mềm mô phỏng MATLAB Simulink và ngôn ngữ lập trình Verilog ............................. 58 2.3. Phương thức lựa chọn các tham số trong DPP .................................................. 62 2.3.1. Giải chập xung trong các hệ phổ kế nhấp nháy .................................. 62 2.3.2. Lựa chọn tham số thời gian đối với các detector cụ thể ..................... 65 2.4. Phương pháp ổn định và xử lý phổ gamma từ detector nhấp nháy ................. 66 2.4.1. Phương pháp ổn định phổ gamma theo nhiệt độ của detector nhấp nháy ........................................................................................................................ 66 CHƯƠNG 3. CÁC KẾT QUẢ CHẾ TẠO TRANG THIẾT BỊ TRINH SÁT PHÁT HIỆN PHÓNG XẠ, HẠT NHÂN....................................................................................................... 72 3.1. Kết quả chế tạo detector nhấp nháy ................................................................... 72 3.1.1. Thiết kế, chế tạo khung vỏ detector ..................................................... 72 3.1.2. Kết quả thiết kế, chế tạo các khối điện tử tương tự ............................. 73 3.1.5. Đánh giá kết quả chế tạo detector ................................................................................. 94 3.2. Kết quả thiết kế, chế tạo bộ phân tích đa kênh kỹ thuật số DMCA ................. 95 iv
3.2.1. Thiết kế DMCA với kit FPGA XC3S500E của Xilinx .......................... 95 3.2.3. Kết quả đánh giá các thông số DMCA ............................................... 99 3.2.4. Thiết kế DMCA các linh kiện rời dựa trên chip FPGA Intel MAX 10 ...................................................................................................................... 104 3.3. Kết quả nghiên cứu phương pháp, kỹ thuật hiệu chỉnh phổ gamma ............. 109 3.3.1. Bố trí thực nghiệm ............................................................................. 109 3.3.2. Kết quả và thảo luận phương pháp hiệu chỉnh phổ .......................... 110 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................................... 116 Kết luận ..................................................................................................................................... 116 Kiến nghị................................................................................................................................... 116 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ .......................................................... 118 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................................... 120 v
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT CHỮ VIẾT TẮT TIẾNG ANH TIẾNG VIỆT AC Alternating Current Xoay chiều Analog to Digital ADC Bộ biến đổi tương tự - số Converter APD Avalanche Photodiode Đi-ốt quang thác lũ DC Direct Current Một chiều Digital Multi-Channel Bộ phân tích biên độ đa DMCA Analyzer kênh kỹ thuật số DSL Digital Subscriber Line Kênh thuê bao số DSP Digital Signal Processing Xử lý tín hiệu số Nhiễu điện tích tương ENC Equivalent Noise Charge đương Environmental Radiation Hệ quan trắc phóng xạ ERMS Monitoring System môi trường Field Programmable Gate Mảng các phần tử logic FPGA Array lập trình được Full width at half Độ rộng nửa chiều cao tại FWHM maximum đỉnh năng lượng Full Width at Tenth Độ rộng 1/10 chiều cao tại FWTM Maximum đỉnh năng lượng GM Geiger–Müller counter Ống đếm Geiger–Müller GND Ground Tiếp đất của mạch High Pass filter HPD Bộ giải lọc thông cao Deconvolver HPF High Pass Filter Bộ lọc thông cao IP Internet Protocol Giao thức Internet Integrated Software Môi trường phần mềm tích ISE Environment hợp LLD Lower level discriminator Bộ cắt ngưỡng dưới LPF Low Pass Filter Bộ lọc thông thấp Phép lấy trung bình dịch MA Moving Average chuyển vi
Bộ phân tích biên độ đa MCA Multi-Channel Analyzer kênh Million Samples Per MSPS Triệu mẫu trên giây Second PHA Pulse High Analysis Phân tích biên độ Loại đi-ốt có vùng bán dẫn PIN diode P-i-N diode nội tại i giữa 2 vùng p và n PMT Photo-multiplier Tube Ống nhân quang Pre-filter Preliminary filter Bộ tiền lọc Bộ nhớ thâm nhập ngẫu RAM Random Access Memory nhiên RMS Root-mean-square Giá trị hiệu dụng SPI Serial Peripheral Interface Cổng giao diện nối tiếp USB Universal Serial Bus Giao diện nối tiếp đa năng TKĐ Pre-amplifier Tiền khuếch đại Vcc Voltage collector to Điện thế đầu vào của collector mạch Very high-speed Ngôn ngữ mô tả phần cứng integrated circuit VHDL mạch tích hợp tốc độ rất Hardware Description cao Language vii
DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. Lớp vỏ bọc và độ phân giải năng lượng của detector ........................................... 12 Bảng 1.2. So sánh kết quả sử dụng APD S8664-1010 và PMT XP-5300 ........................... 15 Bảng 2.1. Độ nhạy điện tích của một số loại tiền khuếch đại................................................ 44 Bảng 2.2. Nguồn phóng xạ chuẩn sử dụng trong luận án ...................................................... 71 Bảng 3.1. Kết quả khảo sát lựa chọn điện thế bias và trở bias cho detector CsI(Tl) ........... 81 Bảng 3.2. Khảo sát độ phân giải năng lượng theo hằng số thời gian tạo dạng .................... 82 Bảng 3.3. Kết quả khảo sát lựa chọn điện thế bias và trở bias cho detector LaBr3(Ce)...... 84 Bảng 3.4. Khảo sát độ phân giải năng lượng theo hằng số thời gian tạo dạng .................... 85 Bảng 3.5. Kết quả khảo sát hiệu suất nội toàn phần và hiệu suất quang điện nội của detector CsI((Tl) và LaBr3(Ce)................................................................................................................ 89 Bảng 3.6. Kết quả khảo sát hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần detector CsI(Tl) theo khoảng cách ................................................................................................................................ 90 Bảng 3.7. Kết quả khảo sát hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần detector LaBr3(Ce) theo khoảng cách ................................................................................................................................ 91 Bảng 3.8. Công suất tiêu thụ của detector CsI(Tl) và LaBr3(Ce) .......................................... 94 Bảng 3.9. Vị trí đỉnh phổ ứng với biên độ xung chuẩn ........................................................ 102 Bảng 3.10. Lựa chọn tham số DPP cho detector LaBr3(Ce) và CsI(Tl)............................. 106 Bảng 3.11. Hệ số (ak, bk) thu được từ quá trình làm khớp với số liệu thực nghiệm ......... 111 Bảng 1PL. Đặc trưng của các loại nhấp nháy vô cơ[15] ..........................................................1 Bảng 2PL. Kết quả đo thời gian dài detector CsI(Tl)................................................................1 Bảng 3PL. Kết quả đo thời gian dài detector LaBr3(Ce) ..........................................................2 viii
DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1. Phổ 137Cs, đỉnh năng lượng 662 keV thu được khi gắn APD với NaI(Tl) [21] .....9 Hình 1.2. Phổ của 137Cs đo với CsI(Tl) ghép cùng APD S8664-1010 [31] ......................... 13 Hình 1.3. Các phổ thu được đo với 22Na và 60Co [32] ........................................................... 13 Hình 1.4. Kết quả đo với quang đi-ốt Viện ETR và S-3590-01[34]..................................... 14 Hình 1.5. Phổ đo của hệ sử dụng LaBr3(Ce)với 137Cs [35].................................................... 15 Hình 1.6. Kết quả so sánh độ phân giải năng lượng đo với nguồn 137Cs [36] ..................... 16 Hình 1.7. Sơ đồ khối của một hệ phổ kế xử lý số ................................................................... 17 Hình 1.8. Sơ đồ thuật toán DPP................................................................................................ 18 Hình 1.9. Lưu đồ thuật toán. Kí hiệu chức năng các khối: - adder/subtracter; ACC - accumulator, X - multiplier; DELAY - delay pipeline [38] .................................................. 19 Hình 1.10. So sánh các kết quả phổ phân bố biên độ xung [39] ........................................... 19 Hình 1.11. Lưu đồ thuật toán xử lý xung số [51].................................................................... 20 Hình 1.12. Mô tả cấu trúc một hệ phổ kế kinh điển [43] ....................................................... 21 Hình 1.13. Quá trình xử lý xung trong hệ phổ kế kinh điển [43] .......................................... 22 Hình 1.14. Mô tả xung số [43].................................................................................................. 23 Hình 1.15. Cấu trúc nguyên lý của hệ đo xử lý xung số [43] ................................................ 23 Hình 1.16. Mode dao động ký trong trích xuất và xử lý dữ liệu [43] ................................... 24 Hình 1.17. Mode trộn trong trích xuất và xử lý dữ liệu [43] ................................................. 25 Hình 1.18. Khởi phát đánh dấu thời điểm trước và sau lọc thời gian [43] ........................... 25 Hình 1.19. Kỹ thuật cắt đường 0 sử dụng các bộ lọc số [43] ................................................ 26 Hình 1.20. Sơ đồ khối của hệ xử lý số bằng đo biên độ xung [43] ....................................... 27 Hình 1.21. Mô hình kỹ thuật phân tách – tổng hợp để xử lý xung số [53] .......................... 28 Hình 1.22. Kết quả đo tia X từ detector Si sử dụng kỹ thuật phân tách - tổng hợp [53]..... 28 ix
Hình 1.23. Kết quả thử nghiệm tính toán mô phỏng bộ lọc Gauss [50] ............................... 29 Hình 1.24. Sơ đồ nhờ mạch lối vào giảm tạp âm [52] ........................................................... 30 Hình 1.25. Sơ đồ khối chức năng của hệ đo xử lý số sử dụng FPGA [44] ......................... 30 Hình 1.26. Kết quả thu phổ 60Co với detector bán dẫn (a) và NaI(Tl) (b) [44]................... 31 Hình 1.27.Sơ đồ khối hệ xử lý số sử dụng phối hợp các bộ lọc tương tự .............. 31 Hình 1.28. Mức độ chồng chập xung phụ thuộc độ rộng xung và tốc độ đếm [49] ......... 32 Hình 1.29. Chồng chập xung ở tốc độ 10 kcps và vai trò bộ lọc S-K [47] .......................... 33 Hình 1.30. Sơ đồ chức năng của hệ đo với tốc độ đếm cao [47]........................................... 34 Hình 1.31. Kết quả đo với 60Co, trong cửa sổ nhỏ là đỉnh 1332 keV [47] ........................... 34 Hình 1.32. Kết quả mở rộng dải đo về phía năng lượng thấp [42] ....................................... 35 Hình 2.1. Điện dung của S8664 phụ thuộc điện áp đặt lên [59] ........................................... 42 Hình 2.2. Dòng rò của quang đi-ốt cổ điển (S3590) và thác lũ (S8664) .............................. 42 Hình 2.3. Hai cách ghép nối quang đi-ốt với tiền khuếch đại ............................................... 45 Hình 2.4. Giải pháp loại bỏ ground loop ................................................................................. 48 Hình 2.5. Sơ đồ mạch lọc Sallen-Key...................................................................................... 49 Hình 2.6. Tín hiệu vào và tín hiệu ra tương ứng trong bộ lọc số S-K................................... 50 Hình 2.7. Tổng hợp dạng xung hình thang trong miền thời gian liên tục ............................ 52 Hình 2.8. Sơ đồ khối bộ lọc hình thành xung hình thang ...................................................... 54 Hình 2.9. Mạch hồi phục đường cơ bản theo kiểu tương tự .................................................. 54 Hình 2.10. Sơ đồ thuật toán hồi phục đường cơ bản sử dụng cho các bộ lọc số ................. 55 Hình 2.11. Sơ đồ khối của bộ lọc trung bình động với cửa sổ làm trơn C ........................... 56 Hình 2.12. Sơ đồ khối vi phân bậc 1 với hằng số thời gian vi phân F .................................. 56 Hình 2.13. Khối vi phân bậc 2 với hằng số thời gian vi phân F ............................................ 57 Hình 2.14. Giản đồ thời gian của bộ tạo xung trigger ............................................................ 57 x
Hình 2.15. Hình ảnh các khối cơ bản của DMCA xây dựng trên MATLAB Simulink..... 58 Hình 2.16. Sơ đồ khối của khối tạo xung trên MATLAB – Simulink ................................. 59 Hình 2.17. Biên độ tín hiệu ra từ khối tạo xung ...................................................................... 59 Hình 2.18. Sơ đồ khối ADC9254/AnalogDevices ................................................................. 60 Hình 2.19. Khối ADC trên phần mềm mô phỏng MATLAB Simulink .............................. 60 Hình 2.20. Tín hiệu trước và sau khi lấy mẫu bởi ADC ........................................................ 60 Hình 2.21. Các khối chức năng trong bộ lọc năng lượng ...................................................... 61 Hình 2.22. Xung ra tương ứng từ các khối chức năng trên phần mềm mô phỏng .............. 62 Hình 2.23. Xung dòng từ quang đi-ốt (a) và xung từ tiền khuếch đại nhạy điện tích (b) ... 66 Hình 2.24. Sơ đồ hệ đo có hiệu chỉnh phổ bằng phần mềm .................................................. 69 Hình 2.25. Lưu đồ thuật toán xử lý hiệu chỉnh phổ gamma .................................................. 69 Hình 2.26. Phổ thử nghiệm với tinh thể CsI(Tl) ghép nối S-3590-08 với TKĐ CR-110... 70 Hình 3.1. Bản vẽ thiết kế hệ thống cơ khí detector nhấp nháy CsI(Tl) và LaBr3(Ce) ........ 72 Hình 3.2. Sản phẩm thiết kế thử nghiệm detector nhấp nháyLaBr3(Ce) .............................. 73 Hình 3.3. Sơ đồ bố trí các khối mạch nguồn ........................................................................... 74 Hình 3.4. Sơ đồ thiết kế hệ mạch nguồn nuôi ......................................................................... 74 Hình 3.5. Sơ đồ mạch cấp nguồn điện áp bias cho APD ....................................................... 75 Hình 3.7. Sơ đồ thiết kế khối khuếch đại sơ bộ ...................................................................... 76 Hình 3.8. Xung ra của detector LaBr3(Ce) ghép S8664-55 và CsI(Tl) ghép S8664-55 .... 76 Hình 3.9. Sơ đồ thử nghiệm, đánh giá detector nhấp nháy CsI(Tl)/LaBr3(Ce) ................... 78 Hình 3.10. Hình ảnh thử nghiệm detectorCsI(Tl)/LaBr3(Ce) ............................................... 78 Hình 3.11. Dạng xung lối ra từ TKĐ và qua KĐ tạo dạng của detector CsI(Tl)................. 79 Hình 3.12. Dạng xung lối ra từ TKĐ và qua KĐ tạo dạng của detector LaBr3(Ce) ........... 79 Hình 3.13. Kết quả kiểm tra giải pháp giải pháp loại bỏ đường đất. (a) và (b) tín hiệu từ TKĐ xi
không có và có loại bỏ đường đất; (c) và (d) tín hiệu sau khối tạo dạng không có và có loại bỏ đường đất ............................................................................................................................... 80 Hình 3.14. FWHM phụ thuộc điện thế và trở bias với detector CsI(Tl) .............................. 82 Hình 3.15. Sự phụ thuộc của FWHM vào thời gian tạo dạng của detector CsI(Tl) ............ 83 Hình 3.16. Phổ thử nghiệm của detectorCsI(Tl) với điều kiện tối ưu .................................. 83 Hình 3.17. FWHM phụ thuộc điện thế và trở bias với detector LaBr3(Ce) ......................... 85 Hình 3.18. Sự phụ thuộc của FWHM vào thời gian tạo dạng của detector LaBr3(Ce)...... 86 Hình 3.19. Phổ gamma thử nghiệm detector LaBr3:(Ce) với điều kiện tối ưu .................... 86 Hình 3.20. Hiệu suất nội và hiệu suất quang điện nội của detector LaBr3(Ce) và detector CsI(Tl). ........................................................................................................................................ 89 Hình 3.21. Hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần của detector CsI(Tl) ................................ 91 Hình 3.22. Hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần detector LaBr3(Ce).................................. 92 Hình 3.23. Khảo sát sự ổn định phổ của detector CsI(Tl) theo thời gian ............................. 93 Hình 3.24. Khảo sát sự ổn định phổ của detector LaBr3(Ce) theo thời gian........................ 93 Hình 3.25. Sơ đồ khối của DMCA........................................................................................... 96 Hình 3.26. Giản đồ thời gian mô phỏng quá trình xử lý tín hiệu trên FPGA ...................... 97 Hình 3.27. Sản phẩm DMCA dựa trên kit FPGAXilinx XC3S500E ................................... 98 Hình 3.28. Hình ảnh đo đạc lấy số liệu thực nghiệm ............................................................. 99 Hình 3.29. So sánh phổ gamma thu được với nguồn (137Cs + 60Co) giữa DMCA của....... 99 luận án và DSPEC jr 2.0 tại 25, 30 và 35 kpcs. ...................................................................... 99 Hình 3.30. Phổ gamma của nguồn (137Cs + 60Co) ghi nhận bởi DMCA tại các suất đếm 72 và 110 kcps ............................................................................................................................... 100 Hình 3.31. Khảo sát các đại lượng: suất đếm đỉnh photon quang điện tại đỉnh 662 keV, tốc độ đếm tổng, FWHM, thời gian chết của hệ đo theo tốc độ xung vào của 137Cs .............. 101 Hình 3.32. Sự phụ thuộc của đỉnh phổ theo biên độ tín hiệu vào ....................................... 103 xii
Hình 3.33. Độ lệch của vị trí đỉnh phổ thực nghiệm so với giá trị lý thuyết ...................... 103 Hình 3.34. Tín hiệu xung sau ADC AD9254 của detector CsI(Tl) .................................... 104 Hình 3.35. Tín hiệu xung sau ADC AD9254 của detector LaBr3(Ce) ............................... 105 Hình 3.36. Tín hiệu ra của bộ lọc khi thay đổi τR, τM cố định với detector CsI(Tl) .......... 105 Hình 3.37. Tín hiệu ra của bộ lọc khi thay đổi τR, τM cố định với detector LaBr3(Ce) ..... 106 Hình 3.38. Kết quả chế tạo DMCA dựa trên chip FPGA và linh kiện rời (a); và hình ảnh thử nghiệm (b)................................................................................................................................. 107 Hình 3.39. Phổ của đồng vị 137Cs ghi nhận bởi detector CsI(Tl) và DMCA ..................... 108 Hình 3.40. Phổ của 137Cs (a) và 60Co (b) ghi nhận bởi detector LaBr3(Ce) và DMCA .... 108 Hình 3.41. Sơ đồ bố trí thực nghiệm ...................................................................................... 109 Hình 3.42. Mối quan hệ giữa 𝐶𝑖, 0 và 𝐶𝑖, 𝑘, trong đó 𝐶𝑖, 0 và 𝐶𝑖, 𝑘 là vị trí các kênh của đỉnh thứ ith tại nhiệt độ T0 và Tk tương ứng. Đường thẳng liền nét và đường gián đoạn biểu diễn mối quan hệ giữa 𝐶𝑖, 0 và 𝐶𝑖, 𝑘 khi nhiệt độ T = 0,4℃ và 45℃ tương ứng. ............ 110 Hình 3.43. Dịch chuyển vị trí tương đối của các đỉnh so với nhiệt độ tham chiếu T0= 25℃ không có (a) và có (b) sử dụng thuật toán hiệu chỉnh phổ. Dịch chuyển vị trí tương đối của các đỉnh được tính bởi Ci,k / Ci,0 . ........................................................................................... 112 Hình 3.44. Độ lệch tương đối giữa vị trị đỉnh sau khi hiệu chỉnh với vị trí đỉnh ở nhiệt độ tham chiếu (RD(%)=(Ci,k-Ci,0)*100%) .................................................................................. 112 Hình 3.45. Phổ bức xạ nguồn 60Co và 137Cs trước hiệu chỉnh (a) và sau khi hiệu chỉnh (c). Phổ bức xạ nguồn 152Eu trước hiệu chỉnh (b) và sau hiệu chỉnh (d). .................................. 113 Hình 3.46. Nhiệt độ môi trường biến thiên trong 24 giờ từ ngày 29/7/2019 đến 30/7/2019. Số liệu nhiệt độ được lấy 10 phút/lần..................................................................................... 114 Hình 3.47. Phổ gamma môi trường thu được bởi ERMS tại Hà Nội với có và không sử dụng phương pháp hiệu chỉnh .......................................................................................................... 114 Hình 1PL. Sơ đồ mô phỏng trên Simulink .................................................................................1 xiii
Hình 2PL. Mô phỏng khối tạo dạng xung từ tiền khuếch đại ..................................................1 Hình 3PL. Mô phỏng Flash ADC 14bit 150MSP .....................................................................2 Hình 4PL. Mô phỏng các tầng xử lý tín hiệu .............................................................................2 Hình 5PL. Mô phỏng khối xử lý, lưu trữ và hiển thị dữ liệu phổ ............................................2 xiv
MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Thiết bị trinh sát phát hiện phóng xạ, hạt nhân hiện đại có thành phần quan trọng nhất là một hệ đo phổ bức xạ gamma. Các tinh thể nhấp nháy LaBr3, CeBr3, CsI(Tl) có độ nhạy và độ phân giải năng lượng cao; các kỹ thuật điện tử hiện đại phát triển kết hợp cùng các thuật toán thông minh như kỹ thuật xử lý tín hiệu số (DPP) - thành phần cơ bản của hệ trinh sát phóng xạ - đang là xu hướng nghiên cứu và ngày càng được sử dụng vào lĩnh vực này. Để làm chủ trong lĩnh vực nghiên cứu thiết kế, chế tạo các hệ thống trinh sát phóng xạ trang bị cho Quân đội, đề tài nghiên cứu: “Nghiên cứu thiết kế và chế tạo thiết bị ghi đo bức xạ hiện trường sử dụng kỹ thuật xử lý tín hiệu số (DSP) vào mảng các phần tử logic lập trình (FPGA)” được NCS chọn lựa. 2. Mục tiêu của luận án Mục tiêu luận án là nghiên cứu chế tạo hệ phân tích phổ gamma - thành phần chính của hệ trinh sát phát hiện phóng xạ. Như vậy, các việc cần làm là: i) Chế tạo detector nhấp nháy tiêu thụ ít năng lượng và nhỏ gọn; ii) Chế tạo hệ phân tích phổ trên cơ sở DPP. Cụ thể là: - Thiết kế, chế tạo detector nhấp nháy sử dụng APD thay cho PMT để giảm khối lượng, kích thước của detector. Trong detector chứa tinh thể nhấp nháy loại CsI(Tl) hoặc LaBr3(Ce), APD, tiền khuếch đại, khuếch đại và khối nguồn nuôi. - Nghiên cứu, xây dựng phương pháp nhằm áp dụng detector trong điều kiện hiện trường (outdoor) với điều kiện nhiệt độ và độ ẩm thay đổi mạnh, cường độ sóng điện, từ trường lớn. - Thiết kế, chế tạo hệ phân tích phổ đa kênh sử dụng kỹ thuật xử lý số. 3. Nội dung cần thực hiện Với mục tiêu tổng quát nêu trên, luận án cần giải quyết các nội dung sau: 1
1. Lựa chọn các loại vật liệu nhấp nháy, tính toán và thiết kế các hệ detector với các tinh thể nhấp nháy loại CsI(Tl) và LaBr3(Ce), sử dụng APD thay cho PMT truyền thống. 2. Thiết kế các thuật toán cho DMCA dựa trên FPGA. Thử nghiệm các hàm lọc số bằng các ngôn ngữ lập trình khác nhau như VDHL, C++, MATLAB và LabView,… để lựa chọn firmware cài đặt. Các chương trình có thể được thử nghiệm trên hệ mô phỏng với bộ xung mẫu (dựng bằng kỹ thuật mô phỏng và thu thập từ một loại detector cụ thể). 3. Thiết kế phần cứng của hệ detector và hệ điện tử theo yêu cầu của bài toán đo. 4. Xây dựng phương pháp hiệu chỉnh phổ cho detector nhấp nháy với hệ điện tử được thiết kế. 5. Đánh giá các đặc trưng kỹ thuật của các thiết bị được chế tạo. 4. Ý nghĩa khoa học của luận án 4.1. Ý nghĩa về phương pháp - Giải mã các kỹ thuật để detector có độ phân giải và hiệu suất ghi cao như tính toán lý thuyết nhằm nội địa hóa việc chế tạo detector nhấp nháy. - Giải mã các kỹ thuật để nội địa hóa (tiến đến sản xuất hàng hoạt) hệ DMCA phân tích phổ bức xạ hạt nhân. - Tìm kiếm các giải pháp sử dụng hệ đo ngoài trời (nhiệt độ và độ ẩm luôn thăng giáng). 4.2. Các kết quả cụ thể Về detector: Luận án đã chế tạo thử nghiệm thành công 02 bộ detector nhấp nháy CsI(Tl) và LaBr3(Ce), với các đặc trưng chính sau: - Detector nhấp nháy bao gồm tinh thể CsI(Tl) + S8664-0505 + CR-110, độ phân giải đạt được là 8,74% với nguồn 137Cs với các tham số được thiết lập: Điện áp bias là 385 V, điện trở bias 100 MΩ và hằng số thời gian tạo dạng 8 µs. - Hệ detector nhấp nháy bao gồm tinh thể LaBr3(Ce) + S8664-1010 + eV 5093, độ 137 phân giải đạt được là 4,02% với nguồn Cs với các tham số được thiết lập: Điện áp bias là 345 V, điện trở bias 200 MΩ và hằng số thời gian tạo dạng 1 µs. 2
Về hệ thống DMCA: Đã chế tạo loại DMCA có hiệu năng cao và điều chỉnh tùy biến phụ thuộc vào mục đích sử dụng. Tất cả các thuật toán phân tích xung kết hợp với bộ lọc FIR và CR đều được tích hợp trong FPGA. Về hệ thống ổn định phổ: Phương pháp ổn định phổ cho kết quả rất khả quan, sai số tương đối giữa vị trí đỉnh sau khi hiệu chỉnh và vị trí đỉnh tại nhiệt độ tham chiếu < 2% trong toàn bộ dải nhiệt độ khảo sát từ 0,4℃ đến 45℃. 5. Giá trị thực tiễn của luận án - Đảm bảo khả năng nội địa hóa, chủ động chế tạo với khả năng sản xuất nhanh và ổn định, bảo trì và bảo dưỡng hệ phân tích phổ. - Khả năng cung cấp cho thị trường nội địa không chỉ trong phạm vi sản phẩm quốc phòng mà còn có cả tiềm năng phát triển thiết bị ghi đo phóng xạ, hạt nhân trong lĩnh vực y tế và đào tạo. 6. Bố cục của luận án Luận án gồm phần Mở đầu, 3 Chương chính và phần Kết luận bao gồm: Chương 1: Nhu cầu thực tiễn và tình hình nghiên cứu thiết kế chế tạo trang thiết bị trinh sát phát hiện phóng xạ: Tổng quan tình hình và kết luận về các kết quả nghiên cứu đã có trên thế giới và trong nước. Lựa chọn các mục tiêu cụ thể và phương hướng chế tạo trang thiết bị trinh sát phát hiện phóng xạ hiện trường. Chương 2: Thiết kế, chế tạo detector nhấp nháy sử dụng PIN photodiode và hệ thống xử lý số tín hiệu dựa trên mảng linh kiện lập trình: Cơ sở khoa học của việc lựa chọn, tính toán và thiết kế hệ detector nhấp nháy sử dụng PIN photodiode; Giải quyết vấn đề chế tạo bộ phân tích đa kênh kỹ thuật số dựa trên cơ sở các bộ giải thuật xung số; Phương thức giải quyết vấn đề dịch chuyển phổ bức xạ gamma của detector nhấp nháy (thay đổi vị trí và độ rộng đỉnh), ... Chương 3: Các kết quả chế tạo trang thiết bị trinh sát phát hiện phóng xạ và thảo luận. 3
Kết luận. Kiến nghị Danh mục các công trình công bố liên quan đến luận án Tài liệu tham khảo. Phụ lục. 4