Mở đầu: Trình bày tổng quan tình hình nghiên cứu về lĩnh vực đo nơtron, các vấn đề tồn tại trong phân biệt xung nơtron/gamma với các đầu dò nhấp nháy, nội dung nghiên cứu và bố cục của luận án. Tổng quan: Trình bày tổng quan các hệ đo nơtron, vấn đề nhiễu gamma trên các hệ đo nơtron và một số kết quả nghiên cứu tách xung nơtron/gamma tiêu biểu gần đây. Bên cạnh đó, một số phương pháp phân biệt dạng xung nơtron/gamma cho đetectơ nhấp nháy và việc thiết kế hệ đo nơtron sử dụng kỹ thuật xử lý tín hiệu số và công nghệ FPGA cũng được trình bày. Thực nghiệm: Trình bày thiết kế và chế tạo một mẫu đầu dò nhấp nháy đo nơtron gồm cả tiền khuếch đại, nghiên cứu thuật toán phân biệt xung nơtron/gamma với đầu dò được thiết kế chế tạo, lựa chọn và phát triển thuật toán, xây dựng phần điện tử cho hệ đo nơtron, viết phần mềm điều khiển quá trình đo và tích hợp các thuật toán phân biệt xung nơtron/gamma vào phần mềm để phân biệt trực tiếp trong quá trình đo, phục vụ đào tạo và nghiên cứu khoa học.
Kết quả và thảo luận: Trình bày những kết quả khảo sát, đánh giá đối với đầu dò thử nghiệm đo nơtron ghép nối với MCA_DRS4, kết quả nghiên cứu phát triển thuật toán phân biệt nơtron/gamma, kết quả đo thử nghiệm của hệ trên nguồn 252Cf và trên kênh ngang của Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt. Các thảo luận về các kết quả nghiên cứu, các tham số ảnh hưởng đến khả năng phân biệt xung nơtron/gamma với đầu dò nhấp nháy làm cơ sở cho các nghiên cứu tiếp theo cũng được phân tích kỹ. Kết luận: Trình bày những kết quả đã đạt được của luận án về thiết kế chế tạo đetectơ nhấp nháy đo nơtron, về phát triển phương pháp phân biệt dạng xung nơtron/gamma và thiết kế xây dựng hệ đo nơtron. Những hạn chế và các nghiên cứu phát triển tiếp theo để hoàn thiện hệ đo nơtron, hệ đo liều nơtron/gamma và các hệ đo cảnh báo phóng xạ.1 Tổng quan các hệ đo nơtron Các hệ đo nơtron được xây dựng có thể sử dụng cho nhiều mục đích nghiên cứu và ứng dụng khác nhau.
Trong mỗi ứng dụng, mục tiêu xác định có thể khác nhau, do đó các cấu hình để xác định nơtron cũng rất đa dạng. Với các ứng dụng chỉ cần xác định thông lượng tổng như chụp ảnh nơtron [26-28] thì có thể xác định thông lượng bằng kích hoạt lá dò [29,30], buồng bọt [31-32], đo bằng ống đếm tỉ lệ [41-44], v. Trong khi các nghiên cứu và ứng dụng cần xác định cấu trúc phổ của nơtron thì phải sử dụng các cấu hình đo với: ống đếm proton giật lùi [3,22,33], hệ đo thời gian bay [34-36], đetectơ bán dẫn [45-48] hoặc đetectơ nhấp nháy [5,14,20,21,49-51]. Trong đó các hệ đo phổ nơtron sử dụng đetectơ nhấp nháy và sử dụng kỹ thuật xử lý trực tiếp xung số hóa nhanh đang được quan tâm nhất hiện nay [4,5,7,10,12,16,17,21–23].
Các nghiên cứu trên hệ đo nơtron sử dụng đetectơ nhấp nháy đang được tập trung theo hai hướng chính: 1) Nghiên cứu phát triển vật liệu và tối ưu kích thước vùng nhạy: các mục tiêu nghiên cứu hướng đến là tối ưu hóa phổ nơtron thu được [26,27], làm tăng khả năng nhận biết nơtron/gamma [17,18,28] và tối ưu hiệu suất ghi [29] bằng cách phát triển các vật liệu nhấp nháy và tính toán mô phỏng tối ưu hóa kích thước vùng nhạy của đetectơ. 2) Phát triển các phương pháp phân biệt nơtron/gamma: Các phương pháp phân biệt nơtron/gamma truyền thống như: thời gian tăng [8,30], độ dốc xung [25], tỉ số diện tích xung [7,9], phương pháp cắt không [4,7,9,23] tiếp tục được ứng dụng trong các nghiên cứu hệ đo nơtron. Tuy nhiên, hiệu quả phân biệt nơtron/gamma của các phương pháp truyền thống vẫn kém ở vùng năng lượng thấp (< 200keVee). Bên cạnh các phương pháp truyền thống, các phương pháp phân biệt dạng xung mới sử dụng các thuật toán phức tạp cũng đang được tập trung nghiên cứu gần đây.
Trong 7 nghiên cứu M. Safari và các cộng sự [18] sử dụng các phương pháp nhận dạng xung nơtron/gamma trong miền tần số thông qua phân tích Fourier cho các tín hiệu xung số từ detectơ nhấp nháy DFTM (discrete Fourier transform method); kết quả phân tích đã cho thấy hiệu quả phân biệt được cải thiện và ít phụ thuộc vào nhiễu điện tử hơn so với phương pháp diện tích xung truyền thống. Phương pháp nhận dạng mẫu đã được D.Takaku và gần đây là K. Kamada và các cộng sự [16,31] nghiên cứu ứng dụng trên hệ đo nơtron sử dụng đetectơ NE213.
Các kết quả phân biệt nơtron/gamma có cải thiện so với các phương pháp truyền thống khi sử dụng tần số lấy mẫu cao (> 5GSPs). Gần đây, việc nhận dạng xung nơtron/gamma bằng các phép biến đổi tín hiệu xung từ miền thời gian sang miền phi thời gian đã được nghiên cứu và ứng dụng trên các hệ đo nơtron sử dụng đetectơ nhấp nháy. Trong nghiên cứu của R. Langa và các cộng sự [32] đã xây dựng phương pháp phân biệt xung sử dụng các biến đổi Fourier và biến đổi Laplace.
Một nghiên cứu của Harleen Singh và các cộng sự xây dựng một phương pháp phân biệt xung dựa trên biến đổi Wavelet cho các xung số hóa DWT (discrete wavelets transform) [33]. Phương pháp nhận dạng xung nơtron/gmma sử dụng mạng nơron nhân tạo cũng đã được nghiên cứu [34,35]. Phương pháp mạng nơron nhân tạo sử dụng các thuật toán cho máy học dựa trên các xung chuẩn nơtron và gamma. Một phương pháp nhận dạng xung nơtron/gamma mới cũng đã được phát triển bởi Y.
Lotfi và các cộng sự, dựa trên kỹ thuật nhóm lượng tử DBQC (discrimination based on quantum clustering). Phương pháp này đạt kết quả phân biệt tốt nơtron/gamma trong vùng năng lượng thấp (FoM = 1.6 tại ngưỡng 100keVee). Các kết quả đạt được trong các nghiên cứu của các phương pháp mới đã cho thấy có sự cải thiện hiệu quả phân biệt so với các phương pháp truyền thống trong vùng năng lượng thấp. Hầu hết những nghiên cứu phân biệt nơtron/gamma gần đầy tập trung vào việc cải thiện hiệu quả tách xung nơtron với gamma ở vùng năng lượng thấp (< 200keVee).
Hiệu quả phân biệt được cải thiện ở nhiều mức độ khác nhau tùy từng phương pháp. Tuy nhiên, các phương pháp mới như: phương pháp biến đổi Fourier, Laplace, mạng nơron nhân tạo, phân tích Wavelet có điểm chung là sử 8 dụng các giải thuật phức tạp, khối lượng tính toán lớn. Do vậy, các phương pháp này thường được phân tích ở dạng ngoại tuyến (offline) hoặc áp dụng trên các hệ đo có tài nguyên phần cứng rất lớn.2 Đo nơtron với các ống đếm khí Tiết diện hấp thụ nơtron đối với một số chất khí như 1H, 3He, 4He, 10BF3 lớn, nên chúng được sử dụng làm các ống đếm nơtron rất hiệu quả. Các hạt nặng mang điện được tạo ra trong tương tác với nơtron sẽ ion hóa môi trường khí trong đầu đo.
Khi các cặp ion–electron được thu gom, một tín hiệu điện sẽ được tạo ra cho phép ghi nhận và xử lý bởi các khối điện tử. Do tiết diện phản ứng với nơtron nhiệt của 3 He và 10B và năng lượng nhiệt tỏa ra trong mỗi phản ứng lớn, nên các ống đếm khí 3 He và BF3 được sử dụng phổ biến trong các hệ đo nơtron nhiệt. Các ưu điểm chính của các hệ đo nơtron sử dụng ống đếm khí là hệ thống đo đơn giản; năng lượng phản ứng lớn; ít nhạy với gamma và phần lớn các sự kiện của gamma ghi nhận được có biên độ nhỏ, do đó có thể loại bỏ nhiễu gamma bằng cách dùng phương pháp cắt ngưỡng biên độ [1,36]. Các nhược điểm chính của ống đếm khí: hiệu suất ghi kém; hiệu suất ghi rất nhỏ đối với nơtron nhanh; thông tin năng lượng của nơtron bị mất do quá nhỏ so với năng lượng phản ứng; quá trình hình thành xung dài gây bất lợi cho các hệ đo sử dụng các tham số đánh dấu thời gian như hệ đo bằng thời gian bay (ToF) và các hệ đo trùng phùng.3 Đo nơtron với các đetectơ nhấp nháy Thành phản xạ sáng Đetectơ Gamma Nguồn cao áp Chất Ống Ống nhân quang Tiền nhấp dẫn Mạch điện tử (PMT) khuếch đại nháy sáng xử lý xung Nơtron Hình 1.1 Cấu trúc một đetectơ nhấp nháy và kết nối.
Các đetectơ nhấp nháy dựa trên nguyên lý chuyển đổi bức xạ hạt nhân thành các nháy sáng (photon) trong chất nhấp nháy. Chất nhấp nháy được ghép với bộ chuyển đổi quang điện (PMT hay photodiode), cho phép ghi nhận và xử lý các tín 9 hiệu điện. Do tiết diện tán xạ lớn của nguyên tử hydrô đối với nơtron nhanh, các chất nhấp nháy hữu cơ thường được sử dụng trong các đetectơ ghi nơtron nhanh. Khi các hạt mang điện chuyển động trong chất nhấp nháy, một phần động năng của các hạt này chuyển thành ánh sáng nhấp nháy.
Lượng ánh sáng tạo ra trong chất nhấp nháy tỉ lệ tuyến tính với năng lượng của các điện tử, nhưng không tuyến tính với năng lượng của các hạt nặng mang điện như proton và alpha [35,36]. Đối với chất nhấp nháy EJ-301, quan hệ giữa lượng ánh sáng thu được do proton và điện tử tiêu tán trong đetectơ được biểu diễn bởi phương trình (1.1) Trong đó: P, E lần lượt là năng lượng của proton và điện tử tính theo MeV. Do biên độ xung được tạo ra bởi nơtron không tuyến tính như gamma, do đó đơn vị keVee (keV electron equivalent) hay MeVee (MeV electron equivalent) được sử dụng trong thang năng lượng trên các hệ đo nơtron sử dụng đetectơ nhấp nháy.2 Lượng ánh sáng phát ra đối với hạt điện tử, proton, alpha và cacbon trong chất nhấp nháy EJ-301 [35]. Trong các ứng dụng mà phép đo chỉ quan tâm đến số đếm các sự kiện, các đetectơ sử dụng chất nhấp nháy như EJ-410, EJ-420 (tương tương NE-415 hoặc 10 BC-720 [37]) thường được sử dụng.
Năng lượng phản ứng thu được trong đetectơ này thường rất lớn so với năng lượng của nơtron. Do đó, thông tin năng lượng của nơtron không được quan tâm mà mỗi sự kiện chỉ đánh dấu một nơtron được ghi nhận. Trong các ứng dụng yêu cầu cần xác định phổ năng lượng của bức xạ nơtron, thì các đetectơ sử dụng nhấp nháy hữu cơ như: EJ-301 (tương đương NE213), EJ- 299-33A, EJ-204,… được sử dụng. Trong các chất nhấp nháy hữu cơ, cơ chế tán xạ đàn hồi giữa nơtron với hạt nhân nguyên tử hydrô chiếm ưu thế.
Trong mỗi tương tác tán xạ, nơtron truyền cho proton giật lùi một năng lượng tỉ lệ với năng lượng nơtron. Nếu phần năng lượng này được tiêu hao hết trong chất nhấp nháy thì biên độ xung tạo ra tỉ lệ với năng lượng nơtron. Do đó, năng lượng của nơtron để lại trong chất nhấp nháy có thể xác định thông qua biên độ xung ghi được.