Tổng quan luận án

Ghi đo bức xạ nơtron trong môi trường bức xạ hỗn hợp là một nhiệm vụ phức tạp do hiệu suất ghi phụ thuộc lớn vào năng lượng hạt và luôn có sự xuất hiện đồng thời của bức xạ gamma đi kèm. Khác với các hạt mang điện, bức xạ gamma không thể loại bỏ dễ dàng bằng điện trường hay che chắn thụ động đơn thuần mà không làm suy giảm chùm nơtron. Trong các hệ đo nơtron nhanh sử dụng đetectơ nhấp nháy hữu cơ, bức xạ gamma tạo ra tín hiệu nhiễu làm sai lệch kết quả phổ đo. Các hệ đo tương tự truyền thống (sử dụng các khối NIM tiêu chuẩn) bộc lộ nhiều hạn chế như: kích thước cồng kềnh, giới hạn tốc độ đếm dưới 200 kcps và đặc biệt là khả năng phân biệt nơtron/gamma (Pulse Shape Discrimination - PSD) suy giảm nghiêm trọng ở vùng năng lượng thấp dưới 200 keVee. Trong khi đó, các phương pháp phân biệt dạng xung kỹ thuật số hiện đại trong miền tần số tuy nâng cao hiệu quả phân tách nhưng đòi hỏi thuật toán phức tạp và tài nguyên phần cứng tính toán rất lớn. Tại Việt Nam, các hệ đo nơtron tại Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt trước đây chủ yếu sử dụng đầu dò chứa khí (như ống đếm 3He, 10BF3 hoặc proton giật lùi hydro) có hiệu suất không cao và chỉ phân biệt gamma dựa trên ngưỡng biên độ xung hoặc che chắn thụ động.

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 số hóa tốc độ cao kết hợp công nghệ mảng cổng lập trình được (FPGA) và xử lý tín hiệu số (DSP) nhằm thu gọn kích thước và giảm chi phí chế tạo.

Các nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể của luận án gồm 3 nội dung chính:

  1. Thiết kế và 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 (phương pháp xung tham khảo - Reference Pulse) nhằm cải thiện khả năng phân biệt nơtron/gamma trong vùng năng lượng thấp cho hệ đo sử dụng đetectơ nhấp nháy.
  3. Xây dựng hệ đo đồng thời nơtron và gamma bằng kỹ thuật số (tích hợp bản mạch số hóa DRS4 V5 và phần mềm MCA_DRS4), 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 trong trường bức xạ hỗn hợp; đetectơ nhấp nháy lỏng EJ-301 kết hợp ống nhân quang Hamamatsu R9420; mạch tiền khuếch đại nhạy điện áp băng thông rộng; bản mạch số hóa đa kênh DRS4 V5; và các thuật toán phân biệt dạng xung nơtron/gamma.

Phạm vi thực nghiệm của luận án được thực hiện tại Khoa Vật lý - Trường Đại học Đà Lạt và Trung tâm Đào tạo, Viện Nghiên cứu Hạt nhân Đà Lạt. Dữ liệu thực nghiệm được thu thập từ các nguồn chuẩn bức xạ gamma ($^{22}\text{Na}$, $^{137}\text{Cs}$, $^{60}\text{Co}$), nguồn nơtron phân hạch tự phát $^{252}\text{Cf}$ và dòng nơtron lọc năng lượng 148 keV tại kênh ngang số 4 của Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án đã tổng quan toàn diện các hướng phát triển của hệ đo bức xạ nơtron và các kỹ thuật phân biệt dạng xung nơtron/gamma trên thế giới và tại Việt Nam:

Các phương pháp phân biệt dạng xung kinh điển trên hệ đo tương tự và kỹ thuật số:

  • Phương pháp tỉ số diện tích xung / tích phân điện tích số (Digital Charge Integration - DCI) được chuẩn hóa và khảo sát trong các công trình của Knoll, Flaska, Pozzi, Nakhostin. Phương pháp này phân tích tỉ số giữa diện tích phần đuôi xung và diện tích toàn phần của xung tín hiệu.
  • Phương pháp thời gian vượt ngưỡng (Threshold-Crossing Time - TCT) và phương pháp phân tích độ dốc xung (Pulse Gradient Analysis - PGA) được phát triển cho các hệ thống yêu cầu tốc độ xử lý nhanh và thuật toán đơn giản.
  • Phương pháp cắt không (Zero-Crossing) và phương pháp thời gian tăng (Rise-Time) trên các khối xử lý tín hiệu tương tự tiêu chuẩn (ORTEC 458, 552).

Các phương pháp phân biệt dạng xung kỹ thuật số hiện đại:

  • Phương pháp nhận dạng mẫu tương quan (Correlation Pattern Recognition - CPR) được nghiên cứu bởi D. Takaku và sau đó là K. Kamada và cộng sự trên đetectơ NE213, sử dụng vector xung mẫu và tính toán góc tương quan không gian vector ở tốc độ lấy mẫu trên 5 GSPS.
  • Phương pháp phân tích trong miền tần số thông qua biến đổi Fourier rời rạc (Discrete Fourier Transform Method - DFTM) được M. Safari và cộng sự phát triển, giúp giảm ảnh hưởng của nhiễu điện tử so với phương pháp DCI.
  • Phương pháp biến đổi Wavelet rời rạc (Discrete Wavelets Transform - DWT / WTM) của Harleen Singh và cộng sự, sử dụng các hàm wavelet mẹ để trích xuất tham số năng lượng tỷ lệ $\Delta D$, $\Delta S$, $\Delta A$.
  • Phương pháp biến đổi Fourier và Laplace kết hợp của R. Langa và cộng sự.
  • Phương pháp 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 với sự kiện chuẩn (Standard Event Fit - SEF) dựa trên kiểm định thống kê $\chi^2$ giữa xung đo và xung chuẩn nơtron/gamma.

Tình hình nghiên cứu trong nước: Tại Việt Nam, các hệ đo phổ nơtron nhanh trước đây chủ yếu sử dụng ống đếm khí tỉ lệ proton giật lùi, việc loại bỏ gamma phụ thuộc vào ngưỡng cắt biên độ kết hợp vỏ bọc chì che chắn. Chưa có công trình trong nước nào chế tạo hoàn chỉnh hệ đo nơtron kỹ thuật số tích hợp đetectơ nhấp nháy lỏng và các giải thuật phân biệt dạng xung nơtron/gamma xử lý trực tiếp trên máy tính hoặc vi mạch lập trình.

Khoảng trống nghiên cứu luận án lựa chọn giải quyết: Các phương pháp phân biệt nơtron/gamma trong miền tần số hoặc phân cụm lượng tử tuy đạt hiệu quả cao ở vùng năng lượng thấp (<200 keVee) nhưng có cấu trúc giải thuật phức tạp, khối lượng tính toán lớn, khó thực thi thời gian thực trên các hệ phần cứng thu gọn. Ngược lại, các phương pháp miền thời gian đơn giản lại có hiệu quả phân tách kém ở vùng năng lượng thấp. Luận án lựa chọn giải quyết khoảng trống này bằng cách tự thiết kế, chế tạo hoàn chỉnh đầu đo nhấp nháy lỏng EJ-301 và phát triển phương pháp phân biệt dạng xung dựa trên xung tham khảo (Reference-Pulse - RP) có giải thuật đơn giản, tốc độ tính toán nhanh nhưng vẫn duy trì hệ số phân tách chất lượng cao ở vùng năng lượng thấp dưới 200 keVee.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và mô hình vật lý

Cơ chế ghi nhận nơtron nhanh trong chất nhấp nháy hữu cơ dựa trên tán xạ đàn hồi giữa nơtron và hạt nhân hydro ($^1\text{H}$) tạo ra các proton giật lùi. Khác với điện tử giật lùi do bức xạ gamma tạo ra qua hiệu ứng Compton, proton giật lùi có mật độ ion hóa ion hóa riêng phần ($dE/dx$) rất lớn.

Sự phát quang trong chất nhấp nháy hữu cơ gồm hai thành phần:

  • Thành phần phân rã nhanh: Thời hằng phân rã trung bình vài nano giây ($\tau_f = 3{,}2\text{ ns}$ đối với EJ-301), sinh ra do sự khử kích thích trực tiếp của các trạng thái singlet kích thích đơn ($S_1 \to S_0$).
  • Thành phần phân rã chậm: Thời hằng phân rã từ vài chục đến hàng trăm nano giây ($\tau_s = 32{,}2\text{ ns}$ đối với EJ-301), sinh ra từ sự tương tác giữa các trạng thái triplet kích thích ($T_1 + T_1 \to S_1 + S_0 + \text{photon}$).

Dạng xung dòng photon tổng hợp theo thời gian được mô tả theo mô hình giải tích:

$$I(t) = A\left(e^{-t/\tau_s} - e^{-t/\tau_1}\right) + B\left(e^{-t/\tau_f} - e^{-t/\tau_1}\right)$$

Trong đó: $A$ và $B$ lần lượt là cường độ ban đầu của thành phần chậm và thành phần nhanh; $\tau_1$ là thời hằng của mạch hình thành xung. Tỉ số $B/A$ của xung do proton sinh ra (nơtron) lớn hơn đáng kể so với xung do điện tử sinh ra (gamma), tạo nên sự khác biệt về hình dạng đuôi xung.

Do hiệu suất phát quang của proton giật lùi phi tuyến với năng lượng, thang năng lượng của hệ đo đetectơ nhấp nháy được quy đổi theo đơn vị năng lượng điện tử tương đương: $\text{keVee}$ hoặc $\text{MeVee}$. Quan hệ thực nghiệm giữa lượng ánh sáng phát ra bởi proton ($L_p$) và điện tử ($L_e$) trong chất nhấp nháy EJ-301 được xác định qua hàm:

$$L_p = 0{,}83 P - 2{,}82\left(1 - e^{-0{,}25 P^{0{,}93}}\right)$$

(với $P$ là năng lượng proton tính theo $\text{MeV}$).

Hiệu quả phân biệt nơtron/gamma được định lượng bằng hệ số phẩm chất $\text{FoM}$ (Figure-of-Merit):

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

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

Tham số vật lý của chất nhấp nháy EJ-301 (Chất lỏng) EJ-309 (Chất lỏng) EJ-299-33A (Chất dẻo) EJ-204 (Chất dẻo)
Thời hằng phân rã nhanh $\tau_f$ (ns) 3,2 3,5 13,0 0,7
Thời hằng phân rã chậm $\tau_s$ (ns) 32,2 32,2 35,0 1,6
Trạng thái vật lý Dung dịch lỏng Dung dịch lỏng Khối nhựa Khối nhựa

Phương pháp nghiên cứu và kỹ thuật thực nghiệm

Luận án kết hợp nghiên cứu thực nghiệm vật lý hạt nhân, thiết kế phần cứng vi điện tử hạt nhân và phát triển thuật toán xử lý tín hiệu số DSP:

  • Thiết kế phần cứng: Chế tạo cơ khí vỏ đầu đo nhôm đánh bóng quang học; thiết kế mạch phân cực cao áp chống méo xung cho PMT; thiết kế mạch tiền khuếch đại (TKĐ) nhạy điện áp 4 tầng sử dụng IC khuếch đại thuật toán siêu cao tần THS3202.
  • Số hóa tín hiệu tốc độ cao: Tích hợp bản mạch số hóa DRS4 V5 (Domino Ring Sampler do Viện Paul Scherrer - PSI chế tạo) chứa vi mạch mảng tụ lấy mẫu chuyển mạch (Switched Capacitor Array), đạt tốc độ lấy mẫu từ 1 GSPS đến 2,5 GSPS, phân giải biên độ 12-bit.
  • Kỹ thuật thuật toán: Xây dựng và so sánh 5 thuật toán PSD trên miền thời gian (TCT, PGA, DCI, CPR và RP); xây dựng thuật toán hiệu chuẩn điện áp/thời gian cho DRS4; thuật toán lọc đường cơ bản và loại bỏ xung chồng chập (pile-up).
  • Nguồn dữ liệu thực nghiệm:
    • Máy phát xung chuẩn ORTEC 419 và dao động ký số Tektronix DPO7254C (băng thông 2,5 GHz, tốc độ lấy mẫu 2,5 GSPS).
    • Nguồn chuẩn bức xạ gamma: $^{22}\text{Na}$ (511 keV, 1275 keV), $^{137}\text{Cs}$ (662 keV), $^{60}\text{Co}$ (1173 keV, 1332 keV).
    • Nguồn chuẩn bức xạ nơtron phân hạch tự phát: $^{252}\text{Cf}$.
    • Dòng nơtron chuẩn năng lượng 148 keV tại kênh ngang số 4 Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Tổng quan các hệ đo nơtron và phương pháp phân biệt dạng xung nơtron/gamma

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý thuyết về các hệ ghi đo nơtron và các kỹ thuật loại trừ ảnh hưởng của gamma:

  • So sánh các loại đetectơ: Ống đếm khí tỉ lệ ($^3\text{He}$, $^{10}\text{BF}_3$) có ưu thế về phân biệt nơtron nhiệt nhờ năng lượng phản ứng hạt nhân lớn nhưng hiệu suất ghi nơtron nhanh rất thấp và mất thông tin động năng ban đầu; đetectơ nhấp nháy hữu cơ (EJ-301, NE213) có thời gian đáp ứng nhanh, hiệu suất tán xạ nơtron cao và bảo toàn thông tin phổ năng lượng.
  • Phân tích cấu trúc hệ đo tương tự và hệ đo kỹ thuật số: Hệ đo tương tự dùng mạch tạo hình xung tích phân phân tích sườn trước xung, dễ bị chồng chập xung khi tốc độ đếm cao (>200 kcps); hệ đo kỹ thuật số lấy mẫu trực tiếp tín hiệu ra từ đetectơ bằng bộ số hóa nhanh (>250 MSPS), lưu giữ toàn vẹn hình dạng sườn sau của xung nhấp nháy để xử lý số.
  • Phân loại và phân tích nguyên lý 12 phương pháp PSD trong miền thời gian và miền tần số:
    • Phương pháp TCT: Đo khoảng thời gian xung duy trì trên ngưỡng 10% biên độ đỉnh.
    • Phương pháp PGA: Tính độ sụt giảm biên độ giữa hai thời điểm $t_1$ và $t_2$ ở sườn sau của xung.
    • Phương pháp DCI: Tính tỉ số giữa diện tích tích phân đuôi xung ($t_2 \to t_3$) và diện tích toàn phần ($t_1 \to t_3$).
    • Phương pháp CPR: Biểu diễn xung đo thành vector $n$ chiều $\vec{X}$, tính góc tương quan không gian $\theta$ với vector xung mẫu $\vec{Y}$ theo công thức: $$\cos\theta = \frac{\vec{X}\cdot\vec{Y}}{|\vec{X}||\vec{Y}|} = \frac{\sum_{i=1}^n x_i y_i}{\sqrt{\sum_{i=1}^n x_i^2}\sqrt{\sum_{i=1}^n y_i^2}}$$
    • Phương pháp WTM: Biến đổi tín hiệu xung sang miền tỉ lệ wavelet qua các hệ số năng lượng $\Delta D$, $\Delta S$, $\Delta A$.
  • Đánh giá kiến trúc xử lý tín hiệu số: Xử lý tập trung trên máy tính (thuận lợi cho giải thuật phức tạp nhưng nghẽn đường truyền dữ liệu) và xử lý trực tiếp trên chip FPGA (tối ưu hóa tốc độ đếm, tích hợp khối MCA đa kênh trực tiếp).

Chương 2. Thiết kế và chế tạo đetectơ nhấp nháy đo nơtron – gamma sử dụng nhấp nháy lỏng EJ-301

Chương 2 mô tả chi tiết toàn bộ quy trình thiết kế, chế tạo phần cứng, cấu hình hệ đo số hóa và xây dựng các thuật toán phân biệt dạng xung:

  • Chế tạo đetectơ EJ-301:
    • Vỏ chứa chất nhấp nháy lỏng bằng nhôm hình trụ, đường kính trong 34 mm, chiều dài 60 mm; mặt trong đánh bóng quang học tăng phản xạ; cửa sổ truyền sáng bằng kính tử ngoại (UV) gắn kín quang học. Thể tích chất nhấp nháy nạp vào đạt $V = 3{,}14 \times 0{,}017^2 \times 0{,}06 \times 0{,}95 \approx 51{,}73\text{ ml}$ (chiếm 95% thể tích để dự phòng giãn nở nhiệt).
    • Ghép nối quang học với ống nhân quang PMT Hamamatsu R9420 (đường kính 38 mm, 8 tầng dynode, thời gian tăng 1,6 ns, độ trễ 17 ns, độ rộng FWHM xung đáp ứng 550 ps, điện áp hoạt động $-1500\text{ V}$).
    • Mạch phân cực dynode được thiết kế thêm các điện trở giảm chấn $R_Y = 50\ \Omega$ và các tụ gốm ổn định cao áp $C_1 = C_2 = C_3 = 10\text{ nF}$ tại 3 tầng dynode cuối ($\text{DY}_6 \div \text{DY}_8$) nhằm triệt tiêu hoàn toàn hiện tượng dao động ký sinh và méo sườn xung.
  • Thiết kế mạch tiền khuếch đại (TKĐ) nhạy điện áp:
    • Sử dụng IC khuếch đại thuật toán dòng siêu cao tốc THS3202 (băng thông lớn, tốc độ quét cực cao), gồm 4 tầng khuếch đại và phối hợp trở kháng $50\ \Omega$.
    • Mạch TKĐ thực hiện nắn dạng xung có thời gian tăng của sườn trước $>10\text{ ns}$ (để triệt tiêu hoàn toàn sóng phản xạ trên cáp truyền dẫn đồng trục dài $>2\text{ m}$) và khống chế biên độ xung trong dải $0 \div 1\text{ V}$ tương thích với đầu vào bộ số hóa.
  • Xây dựng phần cứng hệ đo nơtron kỹ thuật số:
    • Tích hợp bản mạch số hóa DRS4 V5 (Paul Scherrer Institute), sử dụng công nghệ mảng tụ lấy mẫu dạng vòng domino chuyển mạch với 1024 ô nhớ mỗi kênh, tốc độ lấy mẫu cấu hình tại 1 GSPS.
    • FPGA trên bản mạch đảm nhận điều khiển chuyển đổi tương tự - số (ADC), quản lý bộ nhớ đệm FIFO và vi điều khiển truyền dữ liệu qua giao tiếp USB về máy tính.
  • Xây dựng phần mềm và các thuật toán phân biệt dạng xung:
    • Phát triển phần mềm điều khiển và phân tích phổ MCA_DRS4 trên máy tính: tích hợp thuật toán hiệu chuẩn điện áp từng ô nhớ tụ và hiệu chuẩn bù trôi thời gian cho DRS4.
    • Lập trình thực thi 4 thuật toán kinh điển: TCT, PGA, DCI, CPR.
    • Phát triển phương pháp phân biệt dạng xung dựa vào xung tham khảo (Reference-Pulse - RP): Xây dựng hai xung chuẩn tham khảo $\text{RP}_n$ (nơtron) và $\text{RP}_g$ (gamma) bằng cách lấy trung bình thống kê hàng nghìn xung chuẩn hóa từ nguồn $^{252}\text{Cf}$. Thuật toán RP so sánh xung đo chuẩn hóa với hai xung tham khảo để xác định tham số phân biệt dạng xung, đồng thời loại bỏ các xung chồng chập (pile-up) dựa trên sai số khớp dạng xung.
Thành phần phần cứng hệ đo Thông số kỹ thuật / Linh kiện lựa chọn Chức năng trong hệ thống
Vùng nhạy nhấp nháy Dung dịch lỏng EJ-301 (thể tích $51{,}73\text{ ml}$) Chuyển đổi nơtron/gamma thành photon
Cửa sổ quang học Kính UV + mỡ quang học silicone Dẫn truyền ánh sáng dải tử ngoại sang PMT
Ống nhân quang Hamamatsu R9420 (HV = $-1500\text{ V}$) Chuyển tín hiệu quang thành xung dòng điện
Mạch phân cực PMT Bộ chia thế tỉ lệ $4:1$, gắn thêm $R_Y=50\ \Omega, C=10\text{ nF}$ Chống méo xung và ổn định thế dynode cuối
Mạch tiền khuếch đại 4 tầng khuếch đại điện áp dùng OP-AMP THS3202 Nắn sườn trước $>10\text{ ns}$, chỉnh biên độ $0 \div 1\text{ V}$
Bản mạch số hóa DRS4 V5 (Viện PSI, Thụy Sĩ) Lấy mẫu số hóa 1 GSPS, phân giải 12-bit
Khối xử lý trung tâm FPGA + Vi điều khiển + Cổng USB Điều khiển số hóa, đệm FIFO và truyền dữ liệu
Phần mềm phân tích Chương trình MCA_DRS4 (chạy trên PC) Hiệu chuẩn DRS4, tính PSD, phân tách và dựng phổ

Chương 3. Kết quả và thảo luận

Chương 3 trình bày các kết quả thực nghiệm khảo sát đặc trưng của đetectơ EJ-301, đánh giá hiệu năng các giải thuật PSD và thử nghiệm hệ đo trên các nguồn bức xạ thực tế:

  • Đặc tính kỹ thuật của đetectơ chế tạo:
    • Mức đường cơ bản và độ ồn tĩnh của TKĐ duy trì ổn định cao khi tốc độ đếm tăng.
    • Đường chuẩn năng lượng của đetectơ thể hiện độ tuyến tính với hệ số xác định $R^2 \approx 1$ khi đo với các nguồn chuẩn gamma $^{22}\text{Na}$ (mép Compton tại 341 keVee và 1062 keVee), $^{137}\text{Cs}$ (mép Compton tại 478 keVee) và $^{60}\text{Co}$ (mép Compton tại 963 keVee và 1118 keVee).
    • Đetectơ đạt hiệu suất ghi nơtron thiết kế $>10%$.
  • So sánh hiệu năng phân biệt nơtron/gamma của 4 phương pháp PSD (TCT, PGA, DCI, CPR):
    • Trong dải năng lượng khảo sát $50 \div 1100\text{ keVee}$, phân bố tham số PSD của cả 4 phương pháp đều tách thành 2 đỉnh phân bố Gaussian tương ứng với nơtron và gamma.
    • Phương pháp DCI cho thấy hiệu quả phân biệt tốt trên vùng năng lượng cao ($>200\text{ keVee}$), tuy nhiên giá trị FoM suy giảm nhanh khi ngưỡng năng lượng hạ xuống dưới 200 keVee.
    • Phương pháp TCT và PGA có thời gian tính toán nhanh nhất nhưng giá trị FoM thấp ở vùng năng lượng dưới 500 keVee.
    • Phương pháp CPR đạt độ phân tách tốt ở vùng năng lượng cao nhưng đòi hỏi tài nguyên tính toán lớn.
  • Đánh giá phương pháp xung tham khảo (RP):
    • Phương pháp RP duy trì sự tách biệt rõ ràng giữa hai đỉnh nơtron và gamma ngay cả ở ngưỡng năng lượng rất thấp 50 keVee trên nguồn chuẩn $^{252}\text{Cf}$ và $^{60}\text{Co}$.
    • Đồ thị so sánh FoM trong dải $50 \div 1350\text{ keVee}$ chứng minh phương pháp RP có hệ số phẩm chất FoM vượt trội hơn phương pháp DCI tại vùng năng lượng $<200\text{ keVee}$.
    • Thuật toán nhận diện và loại bỏ thành công các xung chồng chập biên độ thấp, ngăn chặn sự sai lệch tỉ lệ nơtron/gamma trong phép đo phông.
  • Kết quả thực nghiệm hệ đo nơtron nhanh trên chùm nơtron Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt:
    • Thử nghiệm trên nguồn phân hạch $^{252}\text{Cf}$: Hệ đo ghi nhận và phân loại trực tiếp các sự kiện đo thành 2 phổ năng lượng riêng biệt cho nơtron và gamma trong thời gian thực.
    • Thử nghiệm trên chùm nơtron lọc 148 keV tại kênh ngang số 4 Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt: Hệ đo phân tách chính xác số đếm nơtron khi mở kênh và đóng kênh (đo phông), dựng được phổ nơtron 148 keV đơn năng sau khi trừ phông bức xạ.
    • So sánh giá trị FoM của phương pháp RP trên hệ đo chế tạo với các công bố quốc tế cho thấy hiệu quả phân tách nơtron/gamma tương đương với các phương pháp phức tạp trong miền tần số (DFTM, WTM) nhưng với chi phí phần cứng và thuật toán thấp hơn.

Kết quả và những đóng góp mới

Những đóng góp mới về mặt lý luận và khoa học

  1. Thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh mẫu đetectơ nhấp nháy lỏng EJ-301 kết hợp ống nhân quang PMT Hamamatsu R9420 và mạch tiền khuếch đại nhạy điện áp chuyên dụng dùng IC OP-AMP THS3202; làm rõ ảnh hưởng của các thông số mạch phân cực dynode và mạch nắn sườn xung đến việc triệt tiêu dao động ký sinh và phản xạ đường truyền cáp đồng trục.
  2. Phát triển thành công phương pháp phân biệt dạng xung nơtron/gamma mới dựa trên xung tham khảo (Reference-Pulse - RP). Phương pháp này sử dụng các xung chuẩn nơtron và gamma trung bình để phân loại sự kiện đo và nhận diện xung chồng chập, có giải thuật đơn giản, tốc độ xử lý nhanh, đạt hệ số phân biệt FoM cao ở vùng năng lượng thấp ($<200\text{ keVee}$).
  3. Thiết lập hệ thống thực nghiệm so sánh, đánh giá định lượng hệ số phẩm chất FoM của 5 thuật toán PSD (TCT, PGA, DCI, CPR và RP) trên cùng một cấu hình phần cứng số hóa tốc độ cao 1 GSPS.

Những đóng góp mới về mặt thực tiễn

  1. Xây dựng thành công hệ đo nơtron nhanh và gamma kỹ thuật số hoàn chỉnh sử dụng bản mạch số hóa DRS4 V5 kết hợp phần mềm phân tích phổ MCA_DRS4; hệ thống cho phép số hóa trực tiếp xung từ đetectơ, phân loại dạng xung trực tuyến và phân tách thành hai phổ đa kênh riêng biệt cho nơtron và gamma.
  2. Ứng dụng và kiểm chứng thành công hệ đo chế tạo trong điều kiện thực tế tại Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt (trên nguồn chuẩn $^{252}\text{Cf}$ và dòng nơtron lọc 148 keV tại kênh số 4), chứng minh khả năng đo phổ nơtron nhanh trong môi trường phông gamma cao.
  3. Đóng góp vào việc làm chủ công nghệ thiết kế, chế tạo thiết bị đo bức xạ hạt nhân kỹ thuật số tại Việt Nam, giảm thiểu chi phí nhập ngoại các hệ đo thương mại chuyên dụng.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất

  • Kiến nghị tích hợp toàn bộ giải thuật phân biệt dạng xung RP trực tiếp vào cấu trúc logic của chip FPGA trên bản mạch số hóa nhằm thực hiện phân tách nơtron/gamma hoàn toàn bằng phần cứng, giải phóng băng thông truyền dữ liệu qua USB và nâng cao tốc độ đếm cực đại của hệ thống.
  • Đề xuất ứng dụng hệ đo đetectơ EJ-301 và phần mềm MCA_DRS4 trong công tác đào tạo thực hành chuyên ngành Vật lý hạt nhân, kỹ thuật đo lường bức xạ tại các trường đại học và viện nghiên cứu.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Các hạn chế của luận án

  • Quá trình tính toán phân loại dạng xung PSD và dựng phổ hiện tại vẫn được thực hiện bằng phần mềm MCA_DRS4 trên máy tính thông qua việc truyền toàn bộ dữ liệu mẫu số hóa từ bộ đệm FIFO của bản mạch DRS4 qua giao tiếp USB; điều này làm hạn chế tốc độ đếm cực đại khi làm việc trong các trường bức xạ hỗn hợp có hoạt độ rất lớn.
  • Thể tích chất nhấp nháy EJ-301 của đầu đo được thiết kế $51{,}73\text{ ml}$ phù hợp cho việc tối ưu độ phân giải dạng xung và hiệu suất ghi $\sim 10%$; chưa được mở rộng kích thước cho các ứng dụng đo thông lượng nơtron cực yếu.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

  1. Tích hợp trực tiếp thuật toán phân biệt dạng xung RP và thuật toán phân tích đa kênh (MCA) vào vi mạch lập trình FPGA để xử lý tín hiệu trực tiếp trên phần cứng, nâng cao tốc độ đếm và xây dựng hệ đo độc lập không phụ thuộc máy tính.
  2. Nghiên cứu mở rộng thuật toán để phát triển thành hệ đo liều tương đương nơtron và gamma kết hợp trong giám sát an toàn bức xạ.
  3. Ứng dụng hệ đo nơtron nhanh kỹ thuật số phục vụ các nghiên cứu 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 chuyên sâu trong các lĩnh vực:

  • Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học chuyên ngành Vật lý hạt nhân, Kỹ thuật hạt nhân, Vật lý kỹ thuật: Tham khảo cơ sở lý thuyết về tương tác của nơtron với chất nhấp nháy hữu cơ; quy trình thiết kế đetectơ hạt nhân; cấu trúc các giải thuật xử lý tín hiệu số PSD trong miền thời gian và miền tần số.
  • Kỹ sư điện tử hạt nhân và các nhà nghiên cứu phát triển thiết bị: Tham khảo sơ đồ nguyên lý mạch phân cực PMT Hamamatsu R9420; mạch tiền khuếch đại nhạy điện áp siêu cao tần THS3202; phương pháp ghép nối và hiệu chuẩn vi mạch số hóa DRS4 V5; mã nguồn và lưu đồ thuật toán phân loại xung nơtron/gamma.
  • Cán bộ an toàn bức xạ tại các lò phản ứng hạt nhân, viện nghiên cứu và cơ sở y tế bức xạ: Tham khảo giải pháp kỹ thuật tách phổ nơtron khỏi phông gamma và phương pháp hiệu chỉnh phông bức xạ trên các kênh dẫn nơtron.

Câu hỏi thường gặp

1. Cấu tạo cơ khí và thông số quang học của đầu đetectơ nhấp nháy EJ-301 tự chế tạo trong luận án gồm những gì? Đầu đetectơ gồm vỏ nhôm hình trụ đường kính trong 34 mm, chiều dài 60 mm, mặt trong được đánh bóng quang học để tăng phản xạ ánh sáng. Cửa sổ ghép quang làm bằng kính tử ngoại (UV) kết hợp lớp mỡ quang học silicone để truyền tối đa ánh sáng phát xạ. Chất nhấp nháy lỏng EJ-301 được nạp vào với thể tích $51{,}73\text{ ml}$ (chiếm 95% thể tích vỏ để chống giãn nở nhiệt). Đầu đo được ghép nối kín sáng với ống nhân quang Hamamatsu R9420 (đường kính 38 mm, thời gian tăng 1,6 ns) và đặt trong vỏ bọc nhôm nối đất.

2. Tại sao mạch phân cực dynode của PMT R9420 cần bổ sung các điện trở $R_Y$ và tụ điện $C_1, C_2, C_3$? Do xung nhấp nháy của EJ-301 có sườn tăng rất ngắn ($\sim 3{,}2\text{ ns}$), dòng điện đỉnh tức thời tại các dynode cuối rất lớn gây sụt áp cục bộ và dao động ký sinh làm biến dạng sườn sau của xung tín hiệu. Việc mắc thêm các điện trở $R_Y = 50\ \Omega$ và các tụ gốm cao áp $C_1 = C_2 = C_3 = 10\text{ nF}$ tại các tầng $\text{DY}_6 \div \text{DY}_8$ giúp ổn định điện thế phân cực, triệt tiêu dao động ký sinh và bảo toàn đặc trưng phân biệt nơtron/gamma ở đuôi xung.

3. Phương pháp phân biệt dạng xung dựa vào xung tham khảo (RP) do luận án phát triển có nguyên lý và ưu điểm gì? Phương pháp RP xây dựng hai xung mẫu tham khảo chuẩn hóa $\text{RP}_n$ (nơtron) và $\text{RP}_g$ (gamma) từ việc lấy trung bình số lượng lớn xung đo thực tế trên nguồn $^{252}\text{Cf}$. Khi có một xung đo mới, thuật toán chuẩn hóa biên độ và tính độ sai biệt dạng xung đối với $\text{RP}_n$ và $\text{RP}_g$ để phân loại sự kiện, đồng thời phát hiện các xung méo dạng do chồng chập (pile-up). Phương pháp có ưu điểm là giải thuật tính toán đơn giản, không yêu cầu phần cứng phức tạp nhưng đạt hệ số phẩm chất $\text{FoM}$ cao vượt trội ở vùng năng lượng thấp ($<200\text{ keVee}$) so với phương pháp DCI truyền thống.

4. Bản mạch số hóa DRS4 V5 đóng vai trò gì trong hệ thống đo nơtron kỹ thuật số? Bản mạch DRS4 V5 (sản phẩm của Viện PSI, Thụy Sĩ) đóng vai trò số hóa xung tín hiệu tốc độ cao trực tiếp từ đầu ra của tiền khuếch đại. Vi mạch DRS4 sử dụng công nghệ mảng tụ lấy mẫu chuyển mạch (SCA) gồm 1024 ô nhớ, cho phép lấy mẫu tín hiệu tương tự với tốc độ cấu hình từ 1 GSPS đến 2,5 GSPS và chuyển đổi số 12-bit. Bản mạch tích hợp chip FPGA để điều khiển quá trình lấy mẫu, đệm dữ liệu vào bộ nhớ FIFO và truyền thông qua vi điều khiển về máy tính để phần mềm MCA_DRS4 xử lý.

5. Hệ đo nơtron chế tạo đã được thử nghiệm thực tế với những nguồn bức xạ nào và kết quả ra sao? Hệ đo đã được thử nghiệm trên:

  • Các nguồn chuẩn gamma ($^{22}\text{Na}$, $^{137}\text{Cs}$, $^{60}\text{Co}$) để xác định độ tuyến tính năng lượng và ngưỡng mép Compton.
  • Nguồn nơtron phân hạch $^{252}\text{Cf}$ để đánh giá hệ số phân tách FoM và xây dựng xung tham khảo.
  • Dòng nơtron lọc 148 keV tại kênh ngang số 4 Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt. Kết quả thực nghiệm đã ghi nhận, phân tách rõ ràng nơtron và gamma trong phổ hỗn hợp, tái tạo chính xác phổ đỉnh nơtron 148 keV sau khi trừ phông.

Kết luận

Luận án của nghiên cứu sinh Phan Văn Chuân đã thiết kế, chế tạo thành công một hệ đo nơtron nhanh và gamma kỹ thuật số hoàn chỉnh sử dụng đetectơ nhấp nháy lỏng EJ-301 kết hợp bản mạch số hóa DRS4 V5 tốc độ 1 GSPS. Công trình đã phát triển phương pháp phân biệt dạng xung mới dựa trên xung tham khảo (RP), giải quyết hiệu quả bài toán phân tách nơtron và gamma tại vùng năng lượng thấp dưới 200 keVee với thuật toán đơn giản, tiêu tốn ít tài nguyên phần cứng. Các kết quả thử nghiệm thực tế trên nguồn phân hạch $^{252}\text{Cf}$ và chùm nơtron 148 keV tại Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt đã khẳng định độ chính xác, độ tin cậy và khả năng ứng dụng thực tiễn của hệ đo trong nghiên cứu vật lý hạt nhân và kỹ thuật kiểm soát an toàn bức xạ.