Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ tập trung giải quyết bài toán nghiên cứu, thiết kế và chế tạo hệ phân tích phổ bức xạ gamma kỹ thuật số phục vụ trang thiết bị trinh sát phát hiện phóng xạ hiện trường, ứng dụng mảng phần tử logic lập trình (FPGA) và kỹ thuật xử lý tín hiệu số (DSP/DPP).

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Thiết bị trinh sát phát hiện phóng xạ và hạt nhân đóng vai trò nòng cốt trong việc quan trắc, thu thập thông tin về trường bức xạ phát sinh từ các hoạt động hạt nhân hoặc sự cố bức xạ. Theo số liệu thống kê trong văn bản, từ năm 1980 đến năm 2013, trên thế giới đã ghi nhận 634 vụ tai nạn bức xạ và hạt nhân, bao gồm hơn 100 sự cố nghiêm trọng (tiêu biểu như thảm họa Chernobyl năm 1986, Fukushima năm 2011). Tại Việt Nam, nhu cầu giám sát bức xạ môi trường đặt ra cấp bách trước sự phát triển nhanh chóng của các nhà máy điện hạt nhân tại khu vực phía Nam Trung Quốc và trên Biển Đông, cùng với các hoạt động khai thác khoáng sản chứa phóng xạ và phát thải xỉ than từ các nhà máy nhiệt điện.

Về mặt công nghệ, các thiết bị ghi đo bức xạ truyền thống sử dụng ống nhân quang điện (PMT) và mạch xử lý tín hiệu tương tự (analog) bằng linh kiện rời bộc lộ nhiều hạn chế: kích thước cồng kềnh, tiêu thụ nhiều năng lượng, độ nhạy cao với từ trường, dễ nứt vỡ khi va chạm cơ học, đòi hỏi nhiều thời gian căn chỉnh và khó sản xuất hàng loạt với chất lượng đồng đều. Việc nhập khẩu thiết bị thương mại gặp rào cản về chi phí cao, khó khăn trong bảo dưỡng, sửa chữa định kỳ và không nắm được cơ chế thuật toán báo động. Xu hướng hiện đại trên thế giới là chuyển dịch sang sử dụng các tinh thể nhấp nháy có độ sáng cao (như $\text{LaBr}_3(\text{Ce})$, $\text{CsI}(\text{Tl})$) kết hợp với linh kiện biến đổi quang - điện bán dẫn (quang đi-ốt thác lũ APD) và kỹ thuật xử lý tín hiệu số trên vi mạch lập trình FPGA. Luận án được triển khai nhằm giải quyết khoảng trống làm chủ công nghệ thiết kế, chế tạo thiết bị ghi đo phổ gamma hiện trường, đảm bảo khả năng nội địa hóa và tự chủ bảo trì cho quốc phòng, an ninh và dân sự.

Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu tổng quát của luận án là nghiên cứu và chế tạo hệ phân tích phổ gamma - thành phần cốt lõi của thiết bị trinh sát phát hiện phóng xạ.

Các mục tiêu cụ thể gồm:

  1. Chế tạo detector nhấp nháy tiêu thụ ít năng lượng, cấu trúc nhỏ gọn sử dụng quang đi-ốt thác lũ (APD) thay thế ống nhân quang điện (PMT), tích hợp tinh thể nhấp nháy $\text{CsI}(\text{Tl})$ hoặc $\text{LaBr}_3(\text{Ce})$, khối tiền khuếch đại, khuếch đại và nguồn nuôi.
  2. Xây dựng phương pháp ổn định và hiệu chỉnh phổ giúp detector hoạt động chính xác trong điều kiện hiện trường ngoài trời (outdoor) với sự biến thiên mạnh về nhiệt độ, độ ẩm và ảnh hưởng của nhiễu điện từ trường.
  3. Thiết kế, chế tạo khối phân tích biên độ đa kênh kỹ thuật số (DMCA) hiệu năng cao dựa trên kỹ thuật xử lý tín hiệu số (DPP) tích hợp trên vi mạch FPGA.

Các nội dung nhiệm vụ khoa học cần thực hiện:

  1. Lựa chọn vật liệu nhấp nháy, tính toán và thiết kế cấu hình detector với tinh thể $\text{CsI}(\text{Tl})$ và $\text{LaBr}_3(\text{Ce})$ ghép quang đi-ốt APD.
  2. Xây dựng các thuật toán xử lý xung số và kiểm nghiệm trên các môi trường mô phỏng (MATLAB, LabVIEW, C++, VHDL) trước khi nạp vào phần sụn (firmware) của FPGA.
  3. Thiết kế phần cứng hệ detector và khối điện tử theo các yêu cầu kỹ thuật đo lường.
  4. Xây dựng phương pháp hiệu chỉnh phổ cho detector nhấp nháy tương thích với phần cứng chế tạo.
  5. Thực nghiệm đánh giá các đặc trưng kỹ thuật của toàn bộ hệ thống đo.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Tinh thể nhấp nháy vô cơ ($\text{CsI}(\text{Tl})$, $\text{LaBr}_3(\text{Ce})$, $\text{NaI}(\text{Tl})$); quang đi-ốt PIN ($\text{S}3590\text{-}08$, $\text{S}3204\text{-}08$) và quang đi-ốt thác lũ APD ($\text{S}8664\text{-}0505$, $\text{S}8664\text{-}1010$); mạch tiền khuếch đại nhạy điện tích ($\text{CR-}110$, $\text{eV-}5093$); thuật toán số hóa và vi mạch logic lập trình FPGA; phương pháp ổn định phổ gamma.
  • Phạm vi không gian và điều kiện môi trường: Khảo sát hoạt động của thiết bị trong điều kiện môi trường thực tế ngoài trời, dải nhiệt độ biến thiên từ $0,4^\circ\text{C}$ đến $45^\circ\text{C}$.
  • Nguồn bức xạ thực nghiệm: Các nguồn chuẩn phóng xạ gamma gồm $^{137}\text{Cs}$ (vạch năng lượng $662\text{ keV}$), $^{60}\text{Co}$ và $^{22}\text{Na}$.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án đã tổng hợp toàn diện các hướng nghiên cứu trong nước và quốc tế liên quan đến cấu hình detector bán dẫn/nhấp nháy và các giải thuật xử lý tín hiệu xung số:

Tình hình nghiên cứu trên thế giới

  • Hướng phát triển detector nhấp nháy không dùng PMT: Ý tưởng ghép nối chất nhấp nháy với quang đi-ốt PIN bắt đầu từ các thí nghiệm máy gia tốc thập niên 1960 do ưu điểm nhỏ gọn, không bị ảnh hưởng bởi từ trường. Các nghiên cứu tiếp theo ghép nối tinh thể hữu cơ với PIN photodiode cho hệ phân tích thời gian. Để cải thiện tỷ số tín hiệu trên tạp âm, nhóm nghiên cứu của U. Squillante đã thử nghiệm gắn $\text{NaI}(\text{Tl})$ với APD diện tích lớn để đo vạch $662\text{ keV}$ của $^{137}\text{Cs}$, thu được độ phân giải năng lượng (FWHM) đạt $8,5%$ với SiAPD đường kính $2,5\text{ cm}$ và $10,5%$ với SiAPD đường kính $3,7\text{ cm}$. M. Suffert tổng kết các nghiên cứu từ 1962 đến 1992, khẳng định khả năng phát triển các đầu đo nhạy vị trí kích thước cỡ $\text{mm}^2$.
  • Đánh giá của G. F. Knoll chỉ ra rằng quang đi-ốt có hiệu suất lượng tử cao (đạt tới $90%$ ở vùng bước sóng $380\text{--}550\text{ nm}$ đối với $\text{HgI}_2$), nhưng quang đi-ốt PIN không có khuếch đại nội nên biên độ tín hiệu nhỏ, dễ bị ảnh hưởng bởi dòng điện tối khi nhiệt độ tăng. Các nghiên cứu dùng $\text{HgI}_2$ đường kính $2,54\text{ cm}$ ghép với $\text{CsI}(\text{Tl})$ cho độ phân giải $\sim 5%$ tại $662\text{ keV}$. Martin Gascon và cộng sự (2008) ghép $\text{CsI}(\text{Tl})$ với APD Hamamatsu $\text{S}8664\text{-}1010$, khảo sát các lớp vỏ bọc tinh thể và xác lập thế nuôi tối ưu khoảng $380\text{ V}$, thời gian tạo dạng $\ge 4\ \mu\text{s}$. Jin Hyoung Bai và Joo Ho Whang (2011) mô phỏng tối ưu hóa đầu đo $\text{CsI}(\text{Tl})\text{-PIN}$. Nhóm nghiên cứu sử dụng $\text{LaBr}_3(\text{Ce})$ ghép với APD $\text{S}8664\text{-}1010$ và tiền khuếch đại $\text{eV-}5093$ đo nguồn $^{137}\text{Cs}$ đã đạt độ phân giải $3,0%\text{--}5,0%$.
  • Hướng phát triển kỹ thuật xử lý tín hiệu xung số (DPP/DMCA): Bắt đầu phát triển từ thập niên 1990. Nghiên cứu năm 1990 trên detector HPGe với ADC 12-bit $25\text{ MSPS}$ và cửa sổ lọc động (MWD) 125 mẫu đạt FWHM $1,88\text{ keV}$ (vượt trội so với $2,06\text{ keV}$ của bộ tích phân cổng và $2,92\text{ keV}$ của xung Gauss). V. T. Jordanov và G. F. Knoll (1994) xây dựng giải thuật lọc số tạo dạng xung hình thang và tam giác từ xung đuôi hàm mũ, biến đổi các phép tính vi tích phân thành phép cộng trừ trễ rời rạc. Arcos và cộng sự dùng máy tính làm khớp mẫu ADC $100\text{ MSPS}$ với detector $\text{Ge}(\text{Li})$. IAEA xuất bản tuyển tập TECDOC-1076 (2010) hệ thống hóa kỹ thuật số hóa phổ kế hạt nhân. Hãng CAEN công bố tài liệu chuẩn hóa 3 chế độ trích xuất dữ liệu DPP: chế độ dao động ký (Oscilloscope mode), chế độ liệt kê (List mode) và chế độ trộn (Mixed mode). Các nghiên cứu bổ sung gồm: Jordanov (kỹ thuật phân tách - tổng hợp tín hiệu), nghiên cứu bộ lọc số Sallen-Key và Gauss nâng SNR từ $10\text{ dB}$ lên $40\text{ dB}$, ứng dụng mạch đệm $\text{ADA}4937$ cho phép đạt tốc độ đếm $> 200\text{ kCPS}$, triển khai hệ FPGA Spartan-3 $\text{XC3S400}$ kết hợp tiền lọc tương tự RC, và các nghiên cứu chống chồng chập xung dựa trên hàm lọc hình thang hai hằng số suy giảm.

Tình hình nghiên cứu tại Việt Nam

  • Luận án của NCS Đặng Lành (2014) chế tạo các khối $\text{FPGA-MCA8K}$, $\text{DSP-MCA1K}$, $\text{DSP-MCA8K}$, lập trình VHDL trên môi trường ISE Xilinx và Max+plusII-Altera.
  • Luận án của NCS Phan Văn Chuân (2018) phát triển phương pháp số phân biệt dạng xung neutron - gamma cho detector nhấp nháy lỏng $\text{EJ-}301$ kết hợp ống nhân quang Hamamatsu $\text{R}9420$.
  • Nhóm nghiên cứu của TS. Võ Hồng Hải phát triển hệ đo tích phân điện tích số (DPP-CI) sử dụng Flash-ADC $250\text{ MHz}$ 8-bit và FPGA Altera Cyclone II $\text{EP2C8Q208C7}$ ghép detector $\text{NaI}(\text{Tl})\ 3 \times 3\text{ inch}$, đạt FWHM $5\text{--}6%$ tại vùng $1\text{ MeV}$.
  • Viện Nghiên cứu Hạt nhân Đà Lạt thiết kế hệ phổ kế trùng phùng kỹ thuật số trên FPGA Spartan-6 $\text{XC6SLX16}$ phục vụ phản ứng $(n, n')$ và $(n, 2\gamma)$ thuộc Chương trình KC-05 (2013--2015), và chế tạo máy phân tích đa kênh số $\text{D-MCA CPE-NRI003}$ (2015--2016).

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết

Hầu hết các hệ detector nhấp nháy ghép APD trước đây mới dừng lại ở quy mô phòng thí nghiệm hoặc máy gia tốc. Khi đưa ra môi trường tự nhiên, sự biến đổi nhiệt độ làm thay đổi dòng rò, tạp âm và hệ số khuếch đại của APD, dẫn đến hiện tượng trôi đỉnh phổ nghiêm trọng. Luận án giải quyết triệt để vấn đề này bằng cách kết hợp tối ưu phần cứng (ghép nối AC, mạch trừ nhiễu đồng pha, chống vòng lặp đất) với thuật toán số ổn định phổ trên FPGA, chế tạo thành công thiết bị đo phổ hiện trường hoàn chỉnh có thể vận hành ổn định ngoài trời.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và khung phân tích

  • Đặc trưng vật liệu nhấp nháy: Quá trình hấp thụ photon gamma và phát xạ photon quang học. Tinh thể $\text{LaBr}_3(\text{Ce})$ có độ ra sáng cao đạt $65.000\text{ photon/MeV}$ (gấp 1,65 lần $\text{NaI}(\text{Tl})$), hằng số thời gian suy giảm chớp sáng ngắn ($16\text{ ns}$), khối lượng riêng $5,08\text{ g/cm}^3$, độ ra sáng ổn định trong dải nhiệt độ $15^\circ\text{C}\text{--}50^\circ\text{C}$. Tinh thể $\text{CsI}(\text{Tl})$ có độ ra sáng $54.000\text{ photon/MeV}$, độ bền cơ học cao, chịu rung chấn và sốc nhiệt tốt.
  • Biến đổi quang - điện trong APD: Cơ chế nhân dòng thác lũ trong chất bán dẫn phân cực ngược cao. Điện dung tiếp giáp $C_d$ phụ thuộc vào điện áp bias và là nguồn sinh tạp âm điện tích tương đương (ENC) chính cho tiền khuếch đại (với $\text{CR-}110$, mỗi $1\text{ pF}$ điện dung đóng góp $4\text{ electron RMS}$).
  • Lý thuyết xử lý tín hiệu số (DPP): Tín hiệu rời rạc hóa qua bộ chuyển đổi tương tự - số Flash ADC. Tín hiệu đầu ra từ tiền khuếch đại có dạng hàm mũ $h_T(t) = \exp(-t/\tau)$ được chuyển thành dãy số $h_N[n] = a^n$ với $a = \exp(-T/\tau)$ ($T$ là chu kỳ lấy mẫu, $T \ll \tau$). Tín hiệu được xử lý qua 4 khối thuật toán số chính:
    1. Mạch lọc số Sallen-Key (S-K Filter) bậc hai để khử tạp âm tần số cao: $$y[n] = \frac{(3 - a) + k^2}{k^2} \cdot x[n] + \dots$$ (với hệ số lọc $k = \frac{RC}{\Delta t} = 5$, hệ số chuẩn hóa $a = 1,15$).
    2. Bộ lọc năng lượng tạo dạng xung hình thang cân (Trapezoidal Shaping Filter): Rút ngắn thời gian xung, tối ưu hóa tỷ số tín hiệu trên nhiễu, hạn chế hụt đạn đạo và chống chồng chập xung.
    3. Mạch lọc khôi phục đường cơ bản (Baseline Restorer).
    4. Bộ lọc đánh dấu thời điểm xuất hiện xung (Timing Trigger / Zero-crossing).
[Detector: Tinh thể + APD] 
[Tiền khuếch đại (Ghép AC)] 
[Khuếch đại dải rộng / Trừ nhiễu Ground Loop] 
[Flash ADC lấy mẫu tốc độ cao]

Phương pháp nghiên cứu thực tế

  • Phương pháp tính toán và thiết kế điện tử:
    • Lựa chọn phương thức ghép nối AC giữa APD và tiền khuếch đại nhạy điện tích nhằm ngăn dòng tối DC của APD đi vào mạch, ngăn chặn bão hòa tiền khuếch đại khi nhiệt độ tăng cao ngoài hiện trường.
    • Thiết kế mạch phân cực sử dụng mô-đun nguồn DC-DC Hamamatsu $\text{C}10940\text{-}53$ (nguồn nuôi $5\text{ V}$, trọng lượng $7\text{ g}$, độ mấp mô điện áp $50\text{ mV}$).
    • Khảo sát các giá trị điện trở bias ($100\text{ M}\Omega$, $200\text{ M}\Omega$, $400\text{ M}\Omega$) để đảm bảo sụt thế do dòng rò không vượt quá $0,5\text{ V}$, triệt tiêu ảnh hưởng của tạp âm nhiệt điện trở.
    • Thiết kế cấu trúc cơ khí vỏ bọc nhôm dày $0,5\text{ mm}$ che chắn điện từ (EMI) toàn phần cho detector và tiền khuếch đại; triệt tiêu vòng lặp đất (ground loop) bằng cách quy hoạch điểm tiếp đất đơn nhất và tích hợp tầng khuếch đại vi sai trừ nhiễu đồng pha.
  • Phương pháp xử lý số và lập trình phần cứng:
    • Thiết kế các bộ lọc số FIR và CR trên môi trường MATLAB, sau đó biên dịch sang ngôn ngữ mô tả phần cứng VHDL nạp vào FPGA.
    • Thu nhận chuỗi dữ liệu xung mẫu từ tiền khuếch đại qua Flash ADC và xử lý số theo thời gian thực.
  • Phương pháp thực nghiệm:
    • Đo phổ năng lượng gamma của nguồn $^{137}\text{Cs}$ ($662\text{ keV}$), $^{60}\text{Co}$ và $^{22}\text{Na}$.
    • Đánh giá độ phân giải năng lượng (FWHM) tại các mức điện áp bias, hằng số thời gian tạo dạng (shaping time) và cấu hình lớp bọc tinh thể khác nhau.
    • Thử nghiệm trong tủ nhiệt môi trường từ $0,4^\circ\text{C}$ đến $45^\circ\text{C}$ để kiểm chứng thuật toán ổn định phổ.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Nhu cầu thực tiễn và tình hình nghiên cứu thiết kế, chế tạo trang thiết bị trinh sát phát hiện phóng xạ

Chương 1 phân tích bối cảnh an ninh phóng xạ thế giới và Việt Nam, yêu cầu tự chủ trang thiết bị kỹ thuật quân sự, đồng thời tổng kết hệ thống các công trình nghiên cứu về detector nhấp nháy không dùng PMT và kỹ thuật xử lý tín hiệu số DPP.

Nội dung chương tổng hợp các dữ liệu thực nghiệm tiêu biểu trên thế giới:

  • Đánh giá ảnh hưởng của lớp vật liệu phản xạ bọc tinh thể $\text{CsI}(\text{Tl})$ ghép APD Hamamatsu $\text{S}8664\text{-}1010$ đối với độ phân giải năng lượng tại đỉnh $662\text{ keV}$ ($^{137}\text{Cs}$) theo công bố của Martin Gascon và cộng sự [31]:
Lớp vật liệu bọc tinh thể $\text{CsI}(\text{Tl})$ Độ phân giải năng lượng FWHM (%)
Teflon ($300\ \mu\text{m}$) $25,95 \pm 0,34$
Teflon + Giấy phủ nhôm $10,00 \pm 0,09$
Teflon + Băng phủ bột từ $8,68 \pm 0,09$
Teflon + Giấy phủ đồng $8,41 \pm 0,08$
Teflon + Lá nhôm mỏng $7,48 \pm 0,08$
  • So sánh hiệu năng của tinh thể $\text{LaBr}_3(\text{Ce})$ khi ghép nối với APD Hamamatsu $\text{S}8664\text{-}1010$ so với ống nhân quang PMT XP-5300 [35]:
Kích thước tinh thể $\text{LaBr}_3(\text{Ce})$ FWHM với APD $\text{S}8664\text{-}1010$ Ngưỡng năng lượng APD FWHM với PMT XP-5300
$\Phi 25 \times h25\text{ mm}$ $5,0%$ $66\text{ keV}$ $3,2%$
$10 \times 10 \times 10\text{ mm}$ $3,0%$ $19\text{ keV}$ $2,7%$
$\Phi 6 \times h6\text{ mm}$ $3,1%$ $20\text{ keV}$ $3,2%$

Từ việc phân tích 3 chế độ thu thập số liệu (dao động ký, liệt kê, trộn) và các cấu hình DMCA, chương 1 xác lập cấu hình mục tiêu: sử dụng tinh thể $\text{CsI}(\text{Tl})$ và $\text{LaBr}_3(\text{Ce})$ ghép nối APD, xử lý số toàn phần trên vi mạch FPGA với hàm lọc hình thang và giải thuật bù trôi nhiệt độ.

Chương 2: 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

Chương 2 trình bày chi tiết các tính toán lý thuyết, thiết kế phần cứng và giải thuật toán học:

  • Tính toán detector:
    • Lựa chọn kích thước tinh thể nhấp nháy có chiều dài $3\text{ cm}$ (tương đương bề dày hấp thụ $4\text{ cm}$ của $\text{NaI}(\text{Tl})$ đối với gamma $662\text{ keV}$), tiết diện bề mặt $1 \times 1\text{ cm}^2$ để tương thích với tiết diện quang đi-ốt. Tinh thể được bọc 5 mặt bằng bột $\text{MgO}$ trong vỏ nhôm dày $0,5\text{ mm}$, mặt quang học ghép với cửa sổ thủy tinh hữu cơ qua keo silicon quang học có chiết suất $1,5$.
    • Khảo sát các loại quang đi-ốt: PIN photodiode ($\text{S}3590\text{-}08$ điện dung $40\text{ pF}$, dòng rò $2,5\text{ nA}$ tại $90\text{ V}$; $\text{S}3204\text{-}08$ điện dung $130\text{ pF}$, dòng rò $9\text{ nA}$ tại $90\text{ V}$); APD thác lũ ($\text{S}8664\text{-}0505$ điện dung $80\text{ pF}$; $\text{S}8664\text{-}1010$ điện dung $270\text{ pF}$ tại thế phân cực $380\text{ V}$).
    • Đánh giá độ nhạy điện tích của các mạch tiền khuếch đại:
Loại tiền khuếch đại Hãng sản xuất Độ nhạy điện tích
$\text{CR-}110$ Cremat $1,4\text{ V/pC}$ ($1,4\text{ mV/fC}$)
$\text{CR-}111$ Cremat $0,13\text{ V/pC}$
$\text{CR-}112$ Cremat $13\text{ mV/pC}$
$\text{eV-}5091$ Kromek $1,0\text{ V/pC}$
$\text{eV-}5092$ Kromek $0,2\text{ V/pC}$
$\text{eV-}5093$ Kromek $3,6\text{ V/pC}$
$\text{eV-}5094$ Kromek $1,1\text{ V/pC}$
  • Lựa chọn tiền khuếch đại $\text{CR-}110$ cho $\text{CsI}(\text{Tl})$ và $\text{eV-}5093$ cho $\text{LaBr}_3(\text{Ce})$. Áp dụng phương thức ghép nối AC với điện trở bias trong dải $100\text{--}200\text{ M}\Omega$.
  • Thiết kế thuật toán FPGA: Cài đặt 4 hàm lọc số gồm bộ lọc Sallen-Key số ($k=5, a=1,15$), bộ lọc năng lượng hình thang cân, bộ phục hồi đường cơ bản và khối kích hoạt thời gian. Thiết kế cấu trúc DMCA tích hợp bộ nhớ biểu đồ (MCA histogram memory) và kênh truyền thông tốc độ cao.

Chương 3: Các kết quả chế tạo trang thiết bị trinh sát phát hiện phóng xạ và thảo luận. Kiến nghị

Chương 3 công bố các thông số thực nghiệm đạt được của các hệ thiết bị đã chế tạo:

  • Chế tạo và thử nghiệm thành công 02 bộ detector nhấp nháy gắn APD hoàn chỉnh:
Thành phần cấu hình Detector $\text{CsI}(\text{Tl})$ Detector $\text{LaBr}_3(\text{Ce})$
Tinh thể nhấp nháy $\text{CsI}(\text{Tl})$ ($1 \times 1 \times 3\text{ cm}^3$) $\text{LaBr}_3(\text{Ce})$ ($1 \times 1 \times 3\text{ cm}^3$)
Quang đi-ốt thác lũ Hamamatsu $\text{S}8664\text{-}0505$ Hamamatsu $\text{S}8664\text{-}1010$
Tiền khuếch đại Cremat $\text{CR-}110\text{-R2}$ Kromek $\text{eV-}5093$
Điện áp phân cực (Bias) $385\text{ V}$ $345\text{ V}$
Điện trở phân cực (Bias) $100\text{ M}\Omega$ $200\text{ M}\Omega$
Hằng số thời gian tạo dạng $8\ \mu\text{s}$ $1\ \mu\text{s}$
Nguồn phóng xạ thử nghiệm $^{137}\text{Cs}$ ($662\text{ keV}$) $^{137}\text{Cs}$ ($662\text{ keV}$)
Độ phân giải năng lượng (FWHM) $8,74%$ $4,02%$
  • Hệ thống DMCA: Tích hợp thành công toàn bộ các thuật toán phân tích biên độ xung, khối lọc số FIR và CR vào mảng logic FPGA, cho phép tùy biến linh hoạt tham số lọc theo từng loại đầu đo.
  • Khả năng ổn định phổ nhiệt độ: Khảo sát trong buồng thử nghiệm nhiệt độ môi trường từ $0,4^\circ\text{C}$ đến $45^\circ\text{C}$. Kết quả sau khi áp dụng thuật toán hiệu chỉnh cho thấy sai số tương đối giữa vị trí đỉnh năng lượng sau hiệu chỉnh so với vị trí đỉnh tại nhiệt độ tham chiếu luôn duy trì $< 2%$.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt khoa học và phương pháp

  1. Giải mã và làm chủ quy trình tính toán, thiết kế tối ưu hệ detector nhấp nháy không dùng ống nhân quang PMT mà sử dụng quang đi-ốt thác lũ APD kết hợp các tinh thể $\text{CsI}(\text{Tl})$ và $\text{LaBr}_3(\text{Ce})$, đạt độ phân giải năng lượng cao tiệm cận lý thuyết.
  2. Giải mã và làm chủ kỹ thuật thiết kế, lập trình hệ phân tích đa kênh kỹ thuật số (DMCA) trên cơ sở mảng logic lập trình FPGA, tích hợp các bộ lọc số FIR/CR khử nhiễu tần số cao và tạo dạng xung hình thang.
  3. Xây dựng thành công phương pháp ổn định và hiệu chỉnh phổ gamma theo nhiệt độ môi trường thực tế, khắc phục triệt để hiện tượng trôi đỉnh phổ của quang đi-ốt khi hoạt động ngoài hiện trường trong dải nhiệt độ rộng ($0,4^\circ\text{C}\text{--}45^\circ\text{C}$).

Đóng góp mới về mặt thực tiễn

  1. Chế tạo thành công 02 bộ mẫu detector nhấp nháy hoàn chỉnh đạt các thông số kỹ thuật cao: bộ detector $\text{CsI}(\text{Tl}) + \text{S}8664\text{-}0505$ (FWHM đạt $8,74%$) và bộ detector $\text{LaBr}_3(\text{Ce}) + \text{S}8664\text{-}1010$ (FWHM đạt $4,02%$ với nguồn $^{137}\text{Cs}$).
  2. Chế tạo hoàn chỉnh khối DMCA nhỏ gọn, tiêu thụ ít năng lượng, hoạt động ổn định, có thể cấu hình tùy biến theo yêu cầu đo đạc.
  3. Đảm bảo khả năng nội địa hóa, làm chủ hoàn toàn khâu sản xuất, lắp ráp, hiệu chuẩn và bảo trì hệ đo phổ gamma cho các trạm quan trắc/trinh sát phóng xạ quân sự, đồng thời mở ra tiềm năng ứng dụng trong y học hạt nhân, giám sát môi trường và phục vụ công tác đào tạo chuyên ngành tại Việt Nam.

Kiến nghị của tác giả

  • Tiếp tục nghiên cứu ứng dụng các thuật toán nhận dạng đồng vị phóng xạ tự động trên cơ sở trí tuệ nhân tạo và học máy tích hợp trực tiếp vào phần sụn FPGA.
  • Hoàn thiện thiết kế phần cứng để tiến tới sản xuất hàng loạt các mô-đun trinh sát phóng xạ phục vụ trang bị cho các lực lượng chuyên trách.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu

  • Do APD là cấu trúc bán dẫn Si, bản thân nó có khả năng ghi nhận trực tiếp các lượng tử gamma năng lượng thấp (gamma mềm) và tia X (ví dụ photon $100\text{ keV}$ tạo ra khoảng $28.000$ cặp điện tử - lỗ trống trong Si), đòi hỏi bề dày tinh thể nhấp nháy phải đủ lớn hoặc phải dùng loại APD có cấu trúc phản xạ ngược đặc biệt để triệt tiêu hiệu ứng này.
  • Điện dung tiếp giáp của APD tăng khi diện tích bề mặt tăng, làm tăng tạp âm lối vào của mạch tiền khuếch đại, gây suy giảm độ phân giải năng lượng nếu dùng APD diện tích lớn.
  • Giá thành của tinh thể nhấp nháy $\text{LaBr}_3(\text{Ce})$ còn cao gấp nhiều lần so với $\text{CsI}(\text{Tl})$, là rào cản đối với việc triển khai đại trà trên diện rộng.
  • Phạm vi khảo sát nhiệt độ của hệ ổn định phổ mới thực hiện trong dải từ $0,4^\circ\text{C}$ đến $45^\circ\text{C}$, chưa đánh giá ở điều kiện nhiệt độ âm sâu hoặc môi trường bức xạ gamma liều cao liên tục.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

  • Thử nghiệm các dòng quang đi-ốt chuyên dụng có độ dày siêu mỏng và tích hợp lớp phản xạ ngược (như Hamamatsu $\text{S}12497$) để hấp thụ triệt để ánh sáng nhấp nháy và giảm thiểu ghi nhận gamma mềm.
  • Nghiên cứu tích hợp các giải thuật phân tách đa xung, chống chồng chập ở tốc độ đếm siêu cao ($> 500\text{ kCPS}$).
  • Mở rộng dải kiểm nghiệm nhiệt độ và tích hợp mô-đun truyền dữ liệu không dây/vệ tinh để hoàn thiện trạm quan trắc phóng xạ tự động cố định và di động.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo có giá trị chuyên môn cao đối với các nhóm đối tượng:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật hạt nhân, Vật lý kỹ thuật, Điện tử - Viễn thông và Kỹ thuật máy tính: Tham khảo cơ sở tính toán ghép nối quang - điện, phương pháp thiết kế tiền khuếch đại nhạy điện tích và giải thuật lập trình VHDL cho xử lý tín hiệu số trên FPGA.
  • Giảng viên và cán bộ nghiên cứu: Sử dụng làm tài liệu giảng dạy thực hành các môn học Đo lường bức xạ hạt nhân, Xử lý tín hiệu số trong vật lý thực nghiệm và Thiết kế hệ thống nhúng.
  • Kỹ sư và nhà quản lý kỹ thuật trong lĩnh vực công nghiệp quốc phòng, an toàn bức xạ hạt nhân và y tế: Tham khảo giải pháp thiết kế phần cứng chống nhiễu ground loop, cấu hình detector nhỏ gọn thay thế PMT và phương pháp ổn định phổ nhiệt độ ngoài hiện trường.
  • Phần đáng tham khảo nhất:
    • Quy trình tính toán ghép nối AC và xác lập điểm làm việc cho APD $\text{S}8664$ với tiền khuếch đại $\text{CR-}110$ và $\text{eV-}5093$.
    • Cấu trúc toán học và mã nguồn của 4 hàm lọc số (Sallen-Key số, hàm lọc hình thang) trên FPGA.
    • Sơ đồ mạch điện tử xử lý triệt tiêu vòng đất (ground loop) và mạch trừ nhiễu đồng pha.

Câu hỏi thường gặp

1. Vì sao luận án lựa chọn thay thế ống nhân quang điện (PMT) bằng quang đi-ốt thác lũ (APD) trong thiết kế detector hiện trường?

Ống nhân quang PMT có kích thước lớn, tiêu thụ nhiều điện năng, đòi hỏi nguồn cao áp hàng nghìn volt, dễ bị nứt vỡ cơ học và rất nhạy cảm với từ trường môi trường. Ngược lại, APD có kích thước nhỏ gọn, tiêu thụ ít điện năng, độ bền cơ học cao, hoàn toàn không bị ảnh hưởng bởi từ trường và có hiệu suất lượng tử cao (đạt tới $80%\text{--}90%$). APD có cơ chế khuếch đại nội giúp tăng tỷ số tín hiệu trên nhiễu, cho phép chế tạo đầu dò nhỏ gọn phù hợp với điều kiện trinh sát cơ động ngoài hiện trường.

2. Thông số kỹ thuật và độ phân giải năng lượng của 2 bộ detector do luận án chế tạo đạt được là bao nhiêu?

  • Bộ 1: Tinh thể $\text{CsI}(\text{Tl})$ ghép APD Hamamatsu $\text{S}8664\text{-}0505$ và tiền khuếch đại Cremat $\text{CR-}110\text{-R2}$; điện áp bias $385\text{ V}$, điện trở bias $100\text{ M}\Omega$, thời gian tạo dạng $8\ \mu\text{s}$; độ phân giải FWHM đạt $8,74%$ với nguồn $^{137}\text{Cs}$ ($662\text{ keV}$).
  • Bộ 2: Tinh thể $\text{LaBr}_3(\text{Ce})$ ghép APD Hamamatsu $\text{S}8664\text{-}1010$ và tiền khuếch đại Kromek $\text{eV-}5093$; điện áp bias $345\text{ V}$, điện trở bias $200\text{ M}\Omega$, thời gian tạo dạng $1\ \mu\text{s}$; độ phân giải FWHM đạt $4,02%$ với nguồn $^{137}\text{Cs}$ ($662\text{ keV}$).

3. Phương pháp ổn định phổ theo nhiệt độ của luận án đạt kết quả như thế nào?

Luận án xây dựng thuật toán hiệu chỉnh số xử lý trực tiếp trên dữ liệu phổ. Khi khảo sát trong buồng thử nghiệm nhiệt độ biến thiên liên tục từ $0,4^\circ\text{C}$ đến $45^\circ\text{C}$, sai số tương đối giữa vị trí đỉnh năng lượng sau khi hiệu chỉnh so với vị trí đỉnh tại nhiệt độ tham chiếu luôn duy trì ở mức $< 2%$, đảm bảo hệ thống không bị sai lệch kênh năng lượng khi làm việc ngoài trời.

4. Bốn hàm lọc số được lập trình nạp vào FPGA trong hệ DMCA gồm những hàm nào?

  1. Hàm lọc Sallen-Key số: Loại bỏ các thành phần nhiễu tần số cao trộn vào tín hiệu từ tiền khuếch đại.
  2. Hàm lọc năng lượng (Trapezoidal Filter): Biến đổi tín hiệu xung số dạng đuôi hàm mũ thành xung dạng hình thang cân để xác định chính xác biên độ năng lượng bức xạ.
  3. Hàm lọc khôi phục đường cơ bản (Baseline Restorer): Triệt tiêu thăng giáng của đường không do thay đổi tốc độ đếm hoặc trôi nhiệt độ.
  4. Hàm xác định thời điểm xuất hiện xung (Timing Trigger): Đánh dấu chính xác thời điểm tương tác của hạt bức xạ.

5. Vì sao phương thức ghép nối AC được ưu tiên lựa chọn giữa APD và tiền khuếch đại nhạy điện tích?

Ghép nối AC ngăn không cho thành phần dòng tối (dòng DC) của APD đi vào đầu vào của tiền khuếch đại. Khi detector làm việc ngoài môi trường, nhiệt độ tăng cao làm dòng rò APD tăng mạnh; nếu dùng ghép nối DC, dòng này sẽ gây ra điện áp offset lớn làm bão hòa tiền khuếch đại. Ghép nối AC loại bỏ hoàn toàn ảnh hưởng của dòng tối lên mức làm việc của tiền khuếch đại, đồng thời cho phép nâng cao tốc độ đếm của hệ đo.

Kết luận

Luận án đã hoàn thành trọn vẹn mục tiêu thiết kế và chế tạo hệ thiết bị ghi đo phổ bức xạ gamma hiện trường ứng dụng kỹ thuật xử lý tín hiệu số trên vi mạch FPGA. Bằng việc kết hợp tinh thể nhấp nháy $\text{CsI}(\text{Tl})$ và $\text{LaBr}_3(\text{Ce})$ với quang đi-ốt thác lũ APD và phương thức ghép nối AC chống nhiễu, tác giả đã chế tạo thành công các bộ detector nhỏ gọn đạt độ phân giải năng lượng cao ($8,74%$ với $\text{CsI}(\text{Tl})$ và $4,02%$ với $\text{LaBr}_3(\text{Ce})$ tại đỉnh $662\text{ keV}$). Hệ thống DMCA số hóa tích hợp thuật toán ổn định phổ nhiệt độ trong dải $0,4^\circ\text{C}\text{--}45^\circ\text{C}$ đạt sai số vị trí đỉnh dưới $2%$, khẳng định tính khả thi trong việc làm chủ công nghệ chế tạo thiết bị trinh sát phóng xạ phục vụ quốc phòng và các ứng dụng dân sự tại Việt Nam.