Luận văn thạc sĩ thiết kế chế tạo hệ tách xung nơtron và gamma sử dụng kỹ thuật xử lý tín hiệu số

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu thiết kế hệ tách xung neutron và gamma bằng kỹ thuật xử lý tín hiệu số, ứng dụng trong lĩnh vực vật lý hạt nhân.

• Tác giả: Phan Văn Chuân
• Người hướng dẫn: PGS. TS Nguyễn Đức Hòa
• Trường học: Viện Năng lượng Nguyên tử Việt Nam
• Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử và hạt nhân
• Đề tài: Thiết kế và chế tạo hệ tách xung neutron và gamma bằng kỹ thuật xử lý tín hiệu số
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Đà Lạt

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CÁM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan các hệ đo nơtron
• 1.2. Đo nơtron với các ống đếm khí
• 1.3. Đo nơtron với các đetectơ nhấp nháy
• 1.4. Hệ đo nơtron sử dụng kỹ thuật tương tự
• 1.5. Hệ đo nơtron sử dụng kỹ thuật số
• 1.6. Loại trừ ảnh hưởng của gamma trong các phổ đo nơtron
• 1.6.1. Loại trừ gamma trong các ống đếm khí
• 1.6.2. Loại trừ gamma cho các đetectơ nhấp nháy
• 1.7. Một số phương pháp phân biệt xung nơtron/gamma trong đetectơ
• 1.7.1. Kỹ thuật phân biệt dựa vào thời gian vượt ngưỡng
• 1.7.2. Kỹ thuật phân biệt dựa vào độ dốc xung
• 1.7.3. Kỹ thuật phân biệt dựa vào diện tích đuôi xung
• 1.7.4. Phương pháp phân biệt dựa vào khớp với xung chuẩn
• 1.7.5. Phương pháp nhận dạng mẫu
• 1.7.6. Phương pháp phân biệt dùng biến đổi wavelet
• 1.8. Đánh giá hiệu quả phân biệt dạng xung của các phương pháp
• 1.9. Kỹ thuật DSP và công nghệ FPGA trong thiết kế, chế tạo hệ đo nơtron
• 1.10. Kết luận chương 1
• 2. CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ĐETECTƠ NHẤP NHÁY ĐO NƠTRON – GAMMA
• 2.1. Thiết kế vỏ đầu nhấp nháy EJ-301
• 2.2. Thiết kế vỏ của đetectơ
• 2.3. Ống nhân quang
• 2.4. Tiền khuếch đại (TKĐ)
• 2.5. Xây dựng hệ đo nơtron sử dụng đetectơ EJ-301
• 2.5.1. Xây dựng phần cứng hệ đo
• 2.5.2. Xây dựng phần mềm hệ đo
• 2.5.3. Xây dựng các thuật toán phân biệt dạng xung nơtron/gamma
• 2.5.3.1. Phương pháp thời gian vượt ngưỡng
• 2.5.3.2. Phương pháp độ dốc xung
• 2.5.3.3. Phương pháp diện tích
• 2.5.3.4. Phương pháp nhận dạng mẫu
• 2.5.3.5. Phương pháp phân biệt dạng xung dựa vào xung tham khảo
• 2.5.3.5.1. Xây dựng xung tham khảo nơtron và gamma
• 2.5.3.5.2. Phương pháp xung tham khảo
• 2.5.3.5.3. Loại bỏ các xung chồng chập
• 2.5.4. Đánh giá hệ đo
• 2.5.4.1. Đánh giá đetectơ
• 2.5.4.2. Đánh giá hệ đo nơtron DRS4
• 2.6. Kết luận chương 2
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Kết quả thiết kế và chế tạo đetectơ EJ-301 đo nơtron-gamma
• 3.1.1. Các tham số cơ bản của đetectơ
• 3.1.2. Độ tuyến tính của đetectơ
• 3.1.3. Chuẩn năng lượng
• 3.1.4. Độ nhạy của đetectơ
• 3.1.5. Hiệu suất ghi của đetectơ
• 3.1.6. Kết quả sử dụng các phương pháp phân biệt dạng xung nơtron/gamma cho đetectơ EJ-301
• 3.2. Kết quả đạt được của phương pháp xung tham khảo trên đetectơ EJ-301
• 3.3. Kết quả thực hiện trên hệ đo nơtron nhanh và gamma
• 3.3.1. Chương trình MCA_DRS4
• 3.3.2. So sánh hiệu quả phân biệt dạng xung
• 3.3.3. So sánh phổ nơtron/gamma đo được với một số nghiên cứu khác
• KẾT LUẬN
• NHỮNG VẤN ĐỀ CẦN NGHIÊN CỨU TIẾP THEO CỦA LUẬN ÁN
• DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Thiết kế hệ tách xung

Việc thiết kế hệ tách xung nơtron và gamma là một nhiệm vụ quan trọng trong lĩnh vực vật lý hạt nhân. Hệ thống này cần phải có khả năng phân biệt chính xác giữa xung neutron và xung gamma, điều này đòi hỏi sự kết hợp giữa các công nghệ hiện đại và các phương pháp xử lý tín hiệu. Các hệ thống tách xung hiện nay thường sử dụng các kỹ thuật xử lý tín hiệu số để cải thiện độ chính xác và hiệu suất. Việc áp dụng công nghệ xử lý tín hiệu số (DSP) cho phép thực hiện các thuật toán phức tạp nhằm phân tích và phân biệt các loại xung khác nhau. Theo nghiên cứu, việc sử dụng các phương pháp tách xung như phân tích tần số và nhận dạng mẫu đã cho thấy hiệu quả cao trong việc phân biệt giữa tín hiệu neutron và tín hiệu gamma.

1.1. Các phương pháp tách xung

Các phương pháp tách xung hiện nay bao gồm nhiều kỹ thuật khác nhau, từ kỹ thuật phân biệt dựa vào thời gian vượt ngưỡng đến kỹ thuật phân biệt dựa vào diện tích đuôi xung. Mỗi phương pháp có những ưu điểm và nhược điểm riêng, và việc lựa chọn phương pháp phù hợp phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của hệ thống. Ví dụ, phương pháp thời gian vượt ngưỡng cho phép phân biệt tốt giữa xung neutron và xung gamma trong các điều kiện nhất định, trong khi phương pháp diện tích có thể cung cấp độ chính xác cao hơn trong các ứng dụng khác. Sự phát triển của các kỹ thuật xử lý tín hiệu số đã mở ra nhiều cơ hội mới cho việc cải thiện hiệu suất của các hệ thống tách xung này.

II. Chế tạo hệ tách xung

Quá trình chế tạo hệ tách xung nơtron và gamma bao gồm nhiều bước quan trọng, từ việc lựa chọn vật liệu cho đến lắp ráp các thành phần của hệ thống. Việc lựa chọn đetectơ nhấp nháy như EJ-301 là một trong những quyết định quan trọng, vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng phát hiện và phân biệt các loại bức xạ. Các kỹ thuật chế tạo hiện đại cho phép tối ưu hóa thiết kế của đetectơ, từ đó nâng cao hiệu suất ghi nhận. Hệ thống cần được thiết kế sao cho có thể hoạt động hiệu quả trong các điều kiện khác nhau, đồng thời đảm bảo tính di động và tiết kiệm năng lượng. Việc sử dụng công nghệ FPGA trong thiết kế cũng giúp cải thiện khả năng xử lý tín hiệu và giảm thiểu độ trễ trong việc phân tích dữ liệu.

2.1. Thiết kế phần cứng

Thiết kế phần cứng cho hệ tách xung bao gồm việc lựa chọn các linh kiện điện tử phù hợp, như ống nhân quang và tiền khuếch đại. Các linh kiện này cần phải được tối ưu hóa để đảm bảo rằng hệ thống có thể hoạt động hiệu quả trong các điều kiện khác nhau. Việc lắp ráp các thành phần cũng cần được thực hiện cẩn thận để tránh các lỗi có thể xảy ra trong quá trình hoạt động. Các nghiên cứu cho thấy rằng việc tối ưu hóa thiết kế phần cứng có thể cải thiện đáng kể hiệu suất của hệ thống, từ đó nâng cao khả năng phân biệt giữa tín hiệu neutron và tín hiệu gamma.

III. Đánh giá hiệu quả hệ tách xung

Đánh giá hiệu quả của hệ tách xung là một bước quan trọng để xác định khả năng hoạt động của hệ thống. Các chỉ số như độ nhạy, độ tuyến tính và hiệu suất ghi của đetectơ cần được kiểm tra và phân tích kỹ lưỡng. Việc sử dụng các phương pháp phân biệt dạng xung như phương pháp nhận dạng mẫu và phân tích tần số đã cho thấy khả năng phân biệt tốt giữa xung neutron và xung gamma. Kết quả từ các thí nghiệm cho thấy rằng hệ thống có thể đạt được độ chính xác cao trong việc phân biệt các loại bức xạ, từ đó mở ra nhiều ứng dụng trong nghiên cứu và công nghiệp.

3.1. Kết quả thực nghiệm

Kết quả thực nghiệm cho thấy rằng hệ tách xung có thể hoạt động hiệu quả trong nhiều điều kiện khác nhau. Các tham số như độ nhạy và hiệu suất ghi được đánh giá cao, cho thấy rằng hệ thống có khả năng phân biệt tốt giữa tín hiệu neutron và tín hiệu gamma. Việc áp dụng các kỹ thuật xử lý tín hiệu số đã giúp cải thiện đáng kể khả năng phân tích và nhận dạng các loại xung khác nhau. Các nghiên cứu tiếp theo cần tập trung vào việc tối ưu hóa hơn nữa các phương pháp phân biệt để nâng cao hiệu quả của hệ thống.

Nội dung chính

Tổng quan luận án

Ghi đo bức xạ nơtron là một nhiệm vụ phức tạp trong vật lý thực nghiệm hạt nhân do hiệu suất ghi nhận phụ thuộc lớn vào năng lượng nơtron và luôn đi kèm với phông bức xạ gamma. Bức xạ gamma không thể loại bỏ dễ dàng bằng điện trường hay các vật liệu che chắn thông thường mà không làm ảnh hưởng đến trường nơtron, dẫn đến hiện tượng sai lệch kết quả đo. Trong các hệ đo phổ nơtron nhanh sử dụng đầu dò nhấp nháy hữu cơ, nơtron và gamma đều tạo ra tín hiệu ánh sáng, đòi hỏi phải áp dụng các kỹ thuật phân biệt dạng xung (Pulse Shape Discrimination - PSD). Các phương pháp PSD truyền thống trên hệ tương tự (như phương pháp cắt không, so sánh diện tích) bộc lộ nhiều nhược điểm: bị giới hạn tốc độ đếm (dưới 200 kcps), khả năng phân loại kém ở vùng năng lượng thấp (< 200 keVee), mạch điện cồng kềnh và khó thu gọn kích thước. Trong khi đó, các phương pháp kỹ thuật số mới xử lý trong miền tần số (Fourier, Wavelet) hoặc mạng nơron tuy cải thiện được khả năng phân tách nhưng giải thuật phức tạp, đòi hỏi cấu hình phần cứng lớn, khó thực thi trực tuyến. Tại Việt Nam, trước thời điểm nghiên cứu, các hệ đo nơtron chủ yếu dùng ống đếm khí hoặc ống đếm proton giật lùi loại bỏ gamma bằng ngưỡng biên độ kết hợp che chắn thụ động, chưa có hệ đo nào ứng dụng kỹ thuật phân biệt dạng xung số hóa trực tiếp trên đầu dò nhấp nháy.

Mục tiêu tổng quát của luận án là nghiên cứu, thiết kế và chế tạo một hệ đo nơtron và gamma có hiệu suất và độ chính xác cao, ứng dụng kỹ thuật mảng cổng lập trình được (FPGA) và xử lý tín hiệu số (DSP) nhằm thu gọn kích thước và giảm chi phí chế tạo. Luận án xác định ba nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể:

1. Thiết kế, chế tạo một đetectơ nhấp nháy đo nơtron và gamma sử dụng chất nhấp nháy lỏng EJ-301 phục vụ cho đào tạo, nghiên cứu và ứng dụng.
2. Nghiên cứu, phát triển một phương pháp phân biệt dạng xung nơtron/gamma ứng dụng kỹ thuật số nhằm cải thiện khả năng phân biệt trong vùng năng lượng thấp (< 200 keVee) cho hệ đo sử dụng đetectơ nhấp nháy.
3. Xây dựng hệ đo đồng thời nơtron và gamma bằng kỹ thuật số, tích hợp giải thuật phân biệt nơtron/gamma hiệu quả cao cho vùng năng lượng thấp.

Đối tượng nghiên cứu của luận án là bức xạ nơtron và gamma phát ra từ các nguồn phóng xạ đồng vị ($^{252}\text{Cf}, ^{137}\text{Cs}, ^{60}\text{Co}, ^{22}\text{Na}$) và dòng nơtron tại kênh dẫn bức xạ. Phạm vi không gian thực nghiệm được triển khai tại Viện Nghiên cứu Hạt nhân Đà Lạt và Trường Đại học Đà Lạt, bao gồm việc thử nghiệm thực tế trên dòng nơtron 148 keV tại Kênh ngang số 4 của Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt. Phạm vi năng lượng khảo sát tập trung vào dải từ 50 keVee đến 1350 keVee, đặc biệt chú trọng khoảng năng lượng dưới 200 keVee. Luận án hoàn thành vào năm 2019.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án đã tổng quan các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến kỹ thuật ghi đo nơtron và các giải pháp loại trừ ảnh hưởng của bức xạ gamma:

• Hướng nghiên cứu sử dụng ống đếm khí: Tác giả điểm lại các nghiên cứu của G. F. Knoll [1], [36] và các cộng sự [41–44], [46, 47] về ống đếm tỷ lệ chứa các khí hấp thụ nơtron nhiệt ($^{3}\text{He}, ^{10}\text{BF}_3, ^{6}\text{Li}$) hoặc tán xạ nơtron nhanh ($^{1}\text{H}, ^{4}\text{He}, \text{CH}_4$). Các công trình này chỉ ra rằng dù ống đếm khí có thể loại bỏ gamma bằng cắt ngưỡng biên độ hoặc phân tích thời gian tăng của xung [47], nhưng hiệu suất ghi nơtron nhanh rất thấp và thông tin phổ năng lượng nơtron bị mất mát do quá trình làm chậm hoặc bị áp đảo bởi năng lượng phản ứng hạt nhân.
• Hướng nghiên cứu sử dụng đetectơ nhấp nháy hữu cơ trên hệ đo tương tự: Các nghiên cứu kinh điển về phát quang trong chất nhấp nháy hữu cơ (NE-213, BC-501A, EJ-301) của G. F. Knoll [1], J. B. Birks [35], N. P. Hawkes [25] và các kỹ thuật PSD tương tự như phương pháp cắt không (zero-crossing) [7, 9, 12], tích phân diện tích (charge comparison) [4, 13], thời gian tăng (rise time) [8, 30], tỷ số không đổi [17] sử dụng các khối chuẩn NIM (như Ortec PSA 458, 552) [14, 43]. Hạn chế chung của hệ tương tự là hiện tượng chồng chập xung ở tốc độ đếm cao (> 200 kcps) và hiệu quả phân tách suy giảm nghiêm trọng dưới 200 keV.
• Hướng nghiên cứu phân biệt dạng xung bằng kỹ thuật số (DSP/FPGA): Tác giả tổng hợp các bước phát triển của hệ đo số hóa xung tốc độ cao:
  • Phương pháp phân tích tích phân điện tích số (Digital Charge Integration - DCI) được chuẩn hóa và dùng làm hệ quy chiếu đánh giá [15, 16, 18].
  • Phương pháp biến đổi Fourier rời rạc (Discrete Fourier Transform Method - DFTM) của M. Safari và cộng sự [18], cho thấy khả năng cải thiện phân tách và ít phụ thuộc vào nhiễu điện tử hơn DCI.
  • Phương pháp nhận dạng mẫu (Correlation Pattern Recognition - CPR) do D. Takaku khởi xướng và được K. Kamada cùng cộng sự phát triển [16, 31] trên đetectơ NE213 với tốc độ lấy mẫu trên 5 GSPS.
  • Phương pháp phân tích trong miền phi thời gian như biến đổi Fourier và biến đổi Laplace của R. Langa và cộng sự [32], phương pháp biến đổi wavelet rời rạc (DWT) của Harleen Singh và cộng sự [33].
  • Phương pháp mạng nơron nhân tạo dựa trên các xung chuẩn học máy [34, 35].
  • Kỹ thuật phân cụm lượng tử (Discrimination Based on Quantum Clustering - DBQC) của Y. Lotfi và cộng sự, đạt hệ số phẩm chất $\text{FoM} = 1{,}6$ tại ngưỡng 100 keVee.
  • Phương pháp khớp sự kiện chuẩn (Standard Event Fit - SEF) [57] dựa trên kiểm định $\chi^2$ phần đuôi xung.

Khoảng trống nghiên cứu mà luận án lựa chọn giải quyết: Các phương pháp số hóa trong miền tần số (Fourier, Wavelet), phân cụm lượng tử hoặc trí tuệ nhân tạo có hiệu quả phân tách tốt ở vùng năng lượng thấp nhưng đòi hỏi thuật toán phức tạp, khối lượng tính toán lớn, chủ yếu xử lý ngoại tuyến (offline) hoặc yêu cầu phần cứng máy tính rất mạnh. Ngược lại, các phương pháp miền thời gian đơn giản lại phân tách kém dưới 200 keVee. Luận án tập trung phát triển một phương pháp phân biệt dạng xung mới trong miền thời gian dựa trên xung tham khảo (Reference-Pulse - RP), kết hợp với kỹ thuật lọc xung chồng chập; đồng thời tự chủ thiết kế phần cứng đetectơ EJ-301 và hệ thu nhận số hóa DRS4 nhằm đạt hiệu quả phân tách cao ở vùng năng lượng thấp với chi phí thấp và thuật toán đơn giản có thể chạy trực tuyến.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở vật lý của phương pháp dựa trên sự khác biệt về cơ chế truyền năng lượng và thời gian phân rã huỳnh quang trong chất nhấp nháy hữu cơ khi tương tác với nơtron và tia gamma. Khi bức xạ gamma tương tác, các điện tử giật lùi (Compton) gây ra sự ion hóa mật độ thấp. Khi nơtron nhanh tương tác, cơ chế tán xạ đàn hồi trên hạt nhân hydro tạo ra các proton giật lùi có mật độ ion hóa cao dọc theo quỹ đạo. Quá trình phát quang trong chất nhấp nháy gồm hai thành phần: thành phần phân rã nhanh ($\tau_f$) kéo dài vài nano giây do sự khử kích thích của trạng thái singlet, và thành phần phân rã chậm ($\tau_s$) kéo dài từ vài chục đến hàng trăm nano giây do sự tương tác giữa các trạng thái triplet kích thích. Tỷ lệ cường độ ánh sáng của thành phần chậm so với thành phần nhanh khi nơtron kích thích lớn hơn nhiều so với bức xạ gamma. Cường độ sáng tổng hợp được mô tả theo hàm số:

$$I(t) = A e^{-t/\tau_f} + B e^{-t/\tau_s}$$

Trong đó $A, B$ là cường độ ban đầu của thành phần nhanh và chậm; $\tau_f, \tau_s$ là các thời hằng phân rã tương ứng. Mối quan hệ giữa động năng hạt nặng và lượng ánh sáng sinh ra có tính chất phi tuyến, do đó thang năng lượng của hệ đo nhấp nháy được chuẩn hóa theo năng lượng tương đương của điện tử, sử dụng đơn vị keVee hoặc MeVee.

Chất nhấp nháy	Dạng tồn tại	Thời hằng phân rã nhanh $\tau_f$ (ns)	Thời hằng phân rã chậm $\tau_s$ (ns)
EJ-301 (NE213)	Lỏng	3,2	32,2
EJ-309	Lỏng	3,5	32,2
EJ-228 (NE111)	Nhựa	0,5	1,4
EJ-204 (NE120A)	Nhựa	0,7	1,6
EJ-299-33A	Nhựa	13,0	35,0

Để định lượng hiệu quả phân biệt giữa nơtron và gamma, luận án sử dụng hệ số phẩm chất FoM (Figure of Merit):

$$\text{FoM} = \frac{|ch_n - ch_\gamma|}{\text{FWHM}n + \text{FWHM}\gamma}$$

Trong đó $ch_n, ch_\gamma$ là tọa độ đỉnh phân bố phân loại của nơtron và gamma; $\text{FWHM}n, \text{FWHM}\gamma$ là độ rộng nửa chiều cao của hai phân bố tương ứng trên phổ tham số PSD.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và xử lý tín hiệu:

• Phương pháp chế tạo phần cứng: Thiết kế cơ khí gia công vỏ nhôm chứa chất nhấp nháy lỏng EJ-301 và vỏ bọc đetectơ; ghép nối quang học qua kính tử ngoại (UV) và mỡ silicone với ống nhân quang (PMT) Hamamatsu R9420 (thời gian tăng 1,6 ns; độ phân giải FWHM 550 ps; độ trễ xung 17 ns; cao áp hoạt động âm 1500 V). Thiết kế mạch phân cực có bổ sung mạng điện trở triệt dao động ($20 \div 100\ \Omega$) và các tụ $C_1, C_2, C_3$ ($10\text{ nF} / 200\text{ V}$) để chống méo sườn trước. Thiết kế mạch tiền khuếch đại (TKĐ) ghép trực tiếp sử dụng vi mạch khuếch đại thuật toán băng thông rộng THS3202.
• Phương pháp số hóa và xử lý tín hiệu: Sử dụng bản mạch Domino Ring Sampler phiên bản 5 (DRS4 V5) do Viện Paul Scherrer (PSI - Thụy Sĩ) phát triển, tích hợp chip DRS4, chip FPGA và vi điều khiển giao tiếp máy tính qua cổng USB. Hệ thống thực hiện số hóa với tốc độ lấy mẫu danh định 1 GSPS (khảo sát đối chứng ở 2,5 GSPS bằng oscilloscope Tektronix DPO7254C). Xây dựng thuật toán hiệu chuẩn sai số điện áp bù và độ phi tuyến thời gian giữa các cell lấy mẫu trên chip DRS4.
• Phương pháp thuật toán: Xây dựng và đánh giá 4 thuật toán PSD kinh điển gồm: Thời gian vượt ngưỡng (TCT), Phân tích độ dốc xung (PGA), Tích phân điện tích số (DCI), Nhận dạng mẫu (CPR). Đồng thời, phát triển thuật toán phân biệt mới dựa trên xung tham khảo (Reference-Pulse - RP) và thuật toán loại trừ xung chồng chập dựa trên thống kê độ lệch so với dạng xung chuẩn.
• Nguồn dữ liệu thực nghiệm: Tín hiệu bức xạ từ các nguồn gamma chuẩn $^{22}\text{Na}$ (vạch Compton 341 keVee và 1062 keVee), $^{137}\text{Cs}$ (478 keVee), $^{60}\text{Co}$ (963 keVee và 1118 keVee); nguồn nơtron phân hạch tự phát $^{252}\text{Cf}$; và dòng nơtron lọc đơn năng 148 keV tại Kênh số 4 của Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Tổng quan các hệ đo nơtron

Chương 1 trình bày tổng quan lý thuyết và thực nghiệm về các kỹ thuật đo bức xạ nơtron và bài toán tách nhiễu gamma:

• Phân tích cơ chế ghi nhận của các loại ống đếm khí ($^{3}\text{He}, ^{10}\text{BF}_3, ^{1}\text{H}$) và đetectơ nhấp nháy hữu cơ; so sánh cấu trúc phần cứng giữa hệ đo tương tự truyền thống và hệ đo kỹ thuật số tốc độ cao. Hệ tương tự dùng các module NIM xử lý tích phân làm sườn sau kéo dài hàng trăm $\mu\text{s}$, dễ gây chồng chập khi tốc độ đếm lớn hơn 200 kcps. Ngược lại, hệ số hóa nhanh lấy mẫu trực tiếp tín hiệu dòng từ anode của PMT với thời gian xung rất ngắn (sườn trước dưới 20 ns, sườn sau khoảng 150 ns), cho phép giữ nguyên đặc trưng đuôi xung mà không bị méo dạng ở tốc độ đếm cao.
• Phân tích chi tiết các kỹ thuật phân biệt dạng xung (PSD):
  • Kỹ thuật TCT: Đo khoảng thời gian xung vượt ngưỡng 10% biên độ đỉnh; thuật toán đơn giản nhưng phân tách kém ở dải năng lượng dưới 200 keVee.
  • Kỹ thuật PGA: So sánh độ suy giảm biên độ tại hai thời điểm $t_1, t_2$ trên sườn sau xung; kết quả phân tách không tốt dưới 500 keVee.
  • Kỹ thuật DCI: So sánh tỷ số diện tích phần đuôi (tích phân từ $t_2$ đến $t_3$) trên diện tích toàn phần (từ $t_1$ đến $t_3$); là chuẩn mực đối chứng nhưng suy giảm hiệu quả nhanh dưới 200 keVee do nhiễu đường cơ bản.
  • Kỹ thuật SEF: Dựa trên phép kiểm định $\chi^2$ giữa xung đo và các xung mẫu nơtron/gamma trên phần đuôi.
  • Kỹ thuật CPR: Xem mỗi xung số hóa $n$ điểm như một vector $n$ chiều, tính góc tương quan $\theta = \arccos\left(\frac{\mathbf{X}\cdot\mathbf{Y}}{|\mathbf{X}||\mathbf{Y}|}\right)$ so với vector xung tham khảo gamma.
  • Kỹ thuật biến đổi Wavelet (WTM): Biến đổi tín hiệu sang các hệ số tỷ lệ $P(a)$ để tính các tham số phân tách $\Delta D, \Delta S, \Delta A$, ít chịu ảnh hưởng của nhiễu nhưng thuật toán phức tạp.
• Đánh giá kiến trúc xử lý tín hiệu số giữa hai mô hình: xử lý xung số tập trung trên máy tính thông qua bộ đệm FIFO (linh hoạt, tài nguyên tính toán lớn nhưng tốc độ đếm bị giới hạn bởi băng thông truyền thông) và xử lý trực tiếp trên FPGA (tốc độ đếm cao, giảm tải dữ liệu truyền về máy tính nhưng bị giới hạn bởi tài nguyên logic của chip).

Chương 2. Thực nghiệm

Chương 2 mô tả chi tiết quy trình thiết kế, chế tạo đầu dò, xây dựng khối điện tử số hóa và cài đặt thuật toán:

• Chế tạo đầu đo nhấp nháy EJ-301: Vỏ đầu nhấp nháy bằng nhôm hình trụ có đường kính trong 34 mm, chiều dài 60 mm; mặt trong đánh bóng quang học; mặt trước bịt kín bằng kính UV truyền qua dải tử ngoại. Lượng chất nhấp nháy lỏng bơm vào đạt 95% thể tích buồng chứa, tương ứng $V = 3{,}14 \times 0{,}017^2 \times 0{,}06 \times 0{,}95 \approx 51{,}73\text{ ml}$ (dành 5% thể tích giãn nở nhiệt). Ống nhân quang PMT Hamamatsu R9420 được bọc kín sáng, phân cực cao áp âm -1500 V qua bộ chia thế chuyên dụng có ghép thêm các điện trở triệt dao động $R_Y = 20 \div 100\ \Omega$ và tụ phân dòng $C_1, C_2, C_3$ ($10\text{ nF} / 200\text{ V}$) nhằm loại bỏ hiện tượng dao động ký sinh ở sườn trước.
• Thiết kế mạch tiền khuếch đại (TKĐ): Sử dụng vi mạch khuếch đại thuật toán THS3202 cấu hình hồi tiếp dòng, dải thông rộng. Mạch được ghép trực tiếp DC từ anode PMT mà không dùng tụ liên lạc để tránh méo dạng xung nano giây. Luận án khảo sát các hệ số khuếch đại 8,9 và 13,2; kiểm tra đường cơ bản, mức độ trôi DC và tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR).
• Xây dựng hệ số hóa và phần mềm: Tích hợp bản mạch DRS4 V5 hoạt động ở chế độ lấy mẫu 1 GSPS. Xây dựng thuật toán hiệu chuẩn điện áp bù và thời gian trễ giữa các kênh lấy mẫu của DRS4, giảm thiểu độ bất định thời gian giữa các cell. Viết chương trình điều khiển và phân tích đa kênh MCA_DRS4 trên máy tính, thực hiện các chức năng: định cấu hình ngưỡng kích hoạt phần cứng, đọc dữ liệu qua USB, hiệu chỉnh đường cơ bản thời gian thực, quản lý vùng quan tâm (ROI), thực thi các thuật toán PSD và hiển thị đồng thời phổ biên độ của nơtron và gamma.
• Phát triển phương pháp xung tham khảo (RP) và khử chồng chập:
  • Xây dựng xung chuẩn $RP_n$ và $RP_\gamma$ bằng cách lấy trung bình số học hàng nghìn xung nơtron và gamma đã được phân loại chuẩn mực trên nguồn $^{252}\text{Cf}$ và chuẩn hóa biên độ về 1.
  • Thuật toán RP: Chuẩn hóa biên độ xung đo $MP(t)$ về cùng độ cao đỉnh với xung tham khảo, tính toán độ lệch tuyệt đối tích phân trên sườn sau giữa xung đo và hai xung tham khảo. Xung đo được phân loại theo khoảng cách sai số tối thiểu.
  • Thuật toán lọc xung chồng chập: So sánh hình dạng phần sườn trước và phần đuôi của xung đo với mô hình xung đơn; các xung có độ lệch dạng vượt ngưỡng dung sai thống kê $S$ sẽ bị gắn cờ loại bỏ trước khi đưa vào phân tích PSD và dựng phổ.

Chương 3. Kết quả và thảo luận

Chương 3 trình bày các kết quả đo đạc kiểm tra và đánh giá định lượng hệ thống:

• Đặc tính kỹ thuật của đetectơ EJ-301 tự chế tạo: Mạch tiền khuếch đại THS3202 duy trì độ tuyến tính tốt trong dải biên độ ra đến 1,8 V; mức trôi DC đường cơ bản ổn định dưới 2 mV khi tốc độ đếm tăng từ thấp đến 100 kcps. Chuẩn năng lượng đetectơ được thiết lập thông qua bờ tán xạ Compton của các nguồn gamma chuẩn: $^{22}\text{Na}$ (341 và 1062 keVee), $^{137}\text{Cs}$ (478 keVee), $^{60}\text{Co}$ (963 và 1118 keVee). Quan hệ giữa điện áp đỉnh xung ra và năng lượng điện tử tương đương có độ tuyến tính cao ($R^2 > 0{,}999$). Hiệu suất ghi tương đối đối với nơtron đạt trên 10%.
• Đánh giá so sánh 4 phương pháp PSD truyền thống trên phần mềm MCA_DRS4: Khảo sát trong vùng năng lượng từ 50 keVee đến 1100 keVee:
  • Phương pháp DCI đạt hiệu quả phân tách tốt nhất trong nhóm truyền thống ở vùng năng lượng trên 200 keVee, với giá trị FoM tăng dần theo năng lượng (đạt FoM > 1,2 ở vùng trên 500 keVee). Tuy nhiên, tại ngưỡng 50 keVee, FoM của DCI giảm xuống dưới 0,6, khiến hai đỉnh phân bố nơtron và gamma bị chồng lấn đáng kể.
  • Phương pháp TCT và PGA có giá trị FoM thấp hơn DCI trên toàn dải năng lượng; tại ngưỡng dưới 200 keVee, FoM của TCT và PGA đều đạt giá trị dưới 0,5, không thể phân tách tin cậy hai loại bức xạ.
  • Phương pháp CPR cho kết quả phân tách tương đương DCI ở vùng năng lượng cao nhưng đòi hỏi khối lượng phép tính nhân ma trận vector lớn, làm giảm tốc độ xử lý trực tuyến.
• Hiệu quả của phương pháp xung tham khảo (RP): Phương pháp RP chứng minh sự vượt trội ở vùng năng lượng thấp. Tại ngưỡng năng lượng 50 keVee trên nguồn $^{252}\text{Cf}$, phương pháp RP đạt giá trị FoM xấp xỉ 0,85 đến 0,92 (trong khi DCI chỉ đạt khoảng 0,58). Ở dải năng lượng từ 100 keVee đến 1350 keVee, hệ số FoM của phương pháp RP duy trì giá trị cao, tách biệt hoàn toàn hai đỉnh Gaussian của nơtron và gamma. Thuật toán khử xung chồng chập giúp loại bỏ thành công các biến dạng phổ ở tốc độ đếm cao, giảm tỷ lệ phân loại nhầm nơtron từ các sự kiện chồng chập gamma.
• Kết quả đo đạc trên nguồn phân hạch $^{252}\text{Cf}$ và Kênh số 4 Lò phản ứng Đà Lạt: Phần mềm MCA_DRS4 tích hợp phương pháp RP đã phân tách trực tiếp và đồng thời phổ năng lượng nơtron và phổ gamma. Khi đo trên dòng nơtron lọc 148 keV tại Kênh số 4 ở hai trạng thái mở kênh và đóng kênh (đo phông), hệ đo đã ghi nhận chính xác đỉnh nơtron năng lượng thấp tương ứng với cấu hình chùm nơtron của lò phản ứng sau khi trừ phông nơtron tán xạ và phông gamma môi trường. Phổ phân bố đo được có sự tương đồng chặt chẽ với các nghiên cứu đối chứng sử dụng đầu dò thương mại BC-501A kết hợp các hệ số hóa cao cấp trong y văn [81].

Kết quả và những đóng góp mới

Luận án đã đạt được các kết quả khoa học và kỹ thuật cụ thể:

• Đóng góp về mặt phương pháp và lý luận:
  • Phát triển thành công phương pháp phân biệt dạng xung nơtron/gamma mới dựa trên xung tham khảo (RP) xử lý trong miền thời gian. Phương pháp này có cấu trúc giải thuật đơn giản, giảm thiểu số lượng phép tính số học phức tạp so với các phép biến đổi trong miền tần số (Wavelet, Fourier) hoặc mạng nơron, nhưng mang lại hệ số phẩm chất FoM vượt trội ở vùng năng lượng thấp (< 200 keVee, cụ thể tại ngưỡng 50 keVee và 100 keVee).
  • Tích hợp thành công thuật toán nhận diện và loại trừ xung chồng chập cho các tín hiệu nhấp nháy siêu ngắn, làm tăng độ tin cậy của phổ nơtron khi đo trong môi trường có hoạt độ bức xạ cao.
• Đóng góp về mặt kỹ thuật và thực tiễn:
  • Làm chủ quy trình thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh một đetectơ nhấp nháy đo nơtron/gamma từ chất nhấp nháy lỏng EJ-301, ghép nối với PMT Hamamatsu R9420 và mạch tiền khuếch đại tốc độ cao THS3202 tự thiết kế. Đetectơ có độ nhạy cao, thời gian đáp ứng nhanh, chống méo xung tốt và giá thành chế tạo thấp.
  • Xây dựng thành công hệ đo nơtron/gamma kỹ thuật số hoàn chỉnh sử dụng bản mạch lấy mẫu DRS4 V5 tốc độ 1 GSPS, phát triển bộ chương trình điều khiển và phân tích đa kênh MCA_DRS4. Hệ thống cho phép tách trực tuyến từng sự kiện đo và hiển thị đồng thời hai phổ nơtron và gamma độc lập.
  • Ứng dụng thực nghiệm thành công hệ thống trên nguồn phân hạch tự phát $^{252}\text{Cf}$ và dòng nơtron 148 keV tại Kênh ngang số 4 của Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt, cung cấp công cụ đo đạc phục vụ nghiên cứu vật lý hạt nhân và đào tạo trong nước.
• Kiến nghị và giải pháp đề xuất: Luận án đề xuất tiếp tục hoàn thiện thiết kế phần cứng theo hướng tích hợp toàn bộ các khối chức năng PSD, MCA và thuật toán khử chồng chập trực tiếp vào cấu trúc logic của chip FPGA trên cùng một bo mạch thu nhận, thay vì xử lý trên máy tính qua giao tiếp USB, nhằm giải phóng giới hạn tốc độ đếm và hướng tới chế tạo các thiết bị đo liều nơtron/gamma cầm tay.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Văn bản luận án nêu rõ một số giới hạn kỹ thuật cần khắc phục:

• Dữ liệu số hóa thô từ bản mạch DRS4 vẫn phải truyền qua cổng USB về máy tính để phần mềm MCA_DRS4 thực thi thuật toán phân loại và dựng phổ. Do giới hạn băng thông truyền dẫn của giao diện này, tốc độ đếm cực đại của hệ thống chưa đạt mức tối đa mà đetectơ và chip DRS4 có thể đáp ứng.
• Thuật toán phân biệt dạng xung RP hiện mới được tối ưu hóa trên phần mềm máy tính, chưa được lập trình mô tả bằng ngôn ngữ VHDL để nạp trực tiếp vào FPGA của bo mạch.
• Đầu đo nhấp nháy sử dụng chất lỏng EJ-301 có tính chất dễ cháy, độc hại và yêu cầu thể tích đệm giãn nở nhiệt, gây khó khăn hơn trong bảo dưỡng và vận chuyển so với các chất nhấp nháy dạng nhựa rắn (như EJ-299-33A).

Hướng nghiên cứu tiếp theo được luận án xác định:

• Hoàn thiện mã nguồn VHDL để chuyển toàn bộ giải thuật PSD (phương pháp RP) và thuật toán khử chồng chập vào xử lý song song trong chip FPGA.
• Nghiên cứu chế tạo các hệ đo liều nơtron và gamma tương đương (rem-counter) ứng dụng kỹ thuật số hóa tín hiệu.
• Phát triển và thử nghiệm các cảm biến nhấp nháy dẻo (nhựa) có khả năng phân biệt nơtron/gamma để tăng tính cơ động cho các hệ cảnh báo bức xạ và thiết bị kiểm soát an ninh phóng xạ.
• Ứng dụng hệ đo để phục vụ các thí nghiệm tán xạ nơtron và nghiên cứu vật liệu trên Lò phản ứng nghiên cứu mới trong tương lai.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo có giá trị chuyên môn cao cho nhiều đối tượng trong lĩnh vực vật lý và kỹ thuật hạt nhân:

• Nghiên cứu sinh và học viên cao học chuyên ngành Vật lý hạt nhân, Kỹ thuật hạt nhân, Điện tử hạt nhân: Cung cấp cơ sở lý thuyết toàn diện về cơ chế phát quang của chất nhấp nháy hữu cơ, các kỹ thuật phân tích dạng xung số hóa hiện đại và phương pháp đánh giá hệ số phẩm chất FoM.
• Các kỹ sư thiết kế thiết bị hạt nhân và y sinh: Tham khảo trực tiếp bản vẽ thiết kế vỏ đầu đo quang học, sơ đồ mạch phân cực cao áp chống dao động cho PMT R9420, mạch tiền khuếch đại siêu cao tần THS3202 và quy trình hiệu chuẩn bản mạch lấy mẫu tốc độ cao DRS4.
• Cán bộ nghiên cứu tại các trung tâm lò phản ứng và an toàn bức xạ: Tham khảo phương pháp phân tách phổ nơtron nhanh trong trường bức xạ hỗn hợp nơtron - gamma cường độ cao, cũng như giải pháp kỹ thuật tách dòng nơtron lọc đơn năng tại các kênh ngang của lò phản ứng hạt nhân.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao việc phân biệt xung nơtron và gamma lại gặp khó khăn nghiêm trọng ở vùng năng lượng thấp dưới 200 keVee?
Ở vùng năng lượng thấp, số lượng photon phát quang sinh ra trong chất nhấp nháy rất ít, dẫn đến biên độ xung điện áp ra từ PMT nhỏ và tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) giảm mạnh. Sự thăng giáng thống kê của số lượng photon và nhiễu nhiệt điện tử làm mờ nhạt sự khác biệt vốn có giữa thành phần phân rã chậm của nơtron và gamma. Do đó, hai phân bố Gaussian của tham số PSD bị mở rộng và chồng lấn lên nhau, làm suy giảm hệ số FoM của các phương pháp truyền thống.

2. Nguyên lý hoạt động của phương pháp xung tham khảo (RP) do tác giả đề xuất là gì?
Phương pháp RP hoạt động dựa trên việc tính toán độ lệch dạng sườn sau của xung đo $MP(t)$ so với hai dạng xung chuẩn $RP_n(t)$ (xung nơtron tham khảo) và $RP_\gamma(t)$ (xung gamma tham khảo) đã được xác định trước và chuẩn hóa biên độ. Thuật toán so sánh sai số tích lũy giữa xung thực nghiệm với từng xung mẫu trong miền thời gian; xung đo sẽ được phân loại vào nhóm có độ lệch hình học nhỏ nhất. Giải thuật này không yêu cầu các phép biến đổi tích phân phức tạp trong miền tần số nhưng lại tận dụng được toàn bộ thông tin sườn sau, giúp nâng cao giá trị FoM ở vùng năng lượng thấp.

3. Tại sao ống nhân quang PMT Hamamatsu R9420 trong nghiên cứu phải sử dụng mạch phân cực cao áp âm và thêm mạng điện trở triệt dao động?
PMT R9420 được phân cực cao áp âm để giữ cho cực anode ở thế đất (DC ground), cho phép ghép trực tiếp tín hiệu ra vào mạch tiền khuếch đại THS3202 mà không cần qua tụ liên lạc cao áp, tránh làm biến dạng hoặc kéo dài sườn xung nano giây. Các điện trở triệt dao động $R_Y$ ($20 \div 100\ \Omega$) và các tụ phân dòng $C_1, C_2, C_3$ được bổ sung vào mạch phân cực nhằm triệt tiêu các dao động ký sinh tần số cao do thời gian tăng cực ngắn (~3,2 ns) của tín hiệu phát quang gây ra.

4. Bản mạch DRS4 V5 đóng vai trò gì trong cấu trúc phần cứng của hệ đo?
Bản mạch DRS4 V5 đóng vai trò là khối số hóa tín hiệu nhanh (Fast ADC). Bản mạch sử dụng chip DRS4 chế tạo theo công nghệ chuyển mạch tụ điện (switched-capacitor array) hoạt động như một vòng lấy mẫu domino tương tự, cho phép lấy mẫu tín hiệu với tốc độ cực cao (1 GSPS trong luận án) trên dải động rộng mà tiêu thụ ít năng lượng và chi phí thấp hơn nhiều so với các bộ Flash ADC thương mại cùng dải tần. Dữ liệu sau đó được số hóa bởi ADC tích hợp và nạp vào bộ đệm FPGA trước khi truyền về máy tính.

5. Kết quả thực nghiệm trên Kênh số 4 Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt chứng minh khả năng nào của hệ thống?
Thực nghiệm trên Kênh số 4 chứng minh hệ đo có khả năng nhận biết và tách biệt chính xác dòng nơtron lọc năng lượng thấp 148 keV ra khỏi phông gamma rất lớn của lò phản ứng. Việc so sánh giữa hai trạng thái đóng kênh và mở kênh cho thấy hệ thống đã loại trừ hiệu quả các đóng góp của phông bức xạ môi trường và xung chồng chập, thu được phổ phân bố nơtron đơn năng thực tế trùng khớp với các phép đo đối chuẩn của các công trình công bố trước đây.

Kết luận

Luận án của nghiên cứu sinh Phan Văn Chuân đã giải quyết thành công bài toán thiết kế và chế tạo một hệ đo nơtron và gamma kỹ thuật số hoàn chỉnh sử dụng đầu dò nhấp nháy lỏng EJ-301 tự gia công kết hợp bản mạch lấy mẫu tốc độ cao DRS4 V5. Tác giả đã đóng góp một phương pháp phân biệt dạng xung mới dựa trên xung tham khảo (RP), cải thiện rõ rệt hệ số phẩm chất phân tách ở vùng năng lượng thấp dưới 200 keVee với cấu trúc giải thuật tinh gọn. Các kết quả thực nghiệm tin cậy trên các nguồn đồng vị chuẩn và dòng nơtron 148 keV tại Kênh số 4 Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt đã chứng minh tính đúng đắn của phương pháp và khả năng làm chủ công nghệ chế tạo thiết bị đo hạt nhân hiện đại trong nước.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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.