Chương 1 VAI TRÒ CHỨC NĂNG CỦA DSP, FPGA VÀ THUẬT TOÁN ĐỂ PHÁT TRIỂN, ỨNG DỤNG THIẾT BỊ ĐIỆN TỪ HẠT NHÂN TRONG GHI-ĐO BỨC XẠ
Các hệ thống phổ kế hạt nhân được dùng để ghi-đo các bức xạ hạt nhân gồm tia X, tia gamma, các tia beta cũng như alpha, nơtron và các hạt nặng tích điện khác. Các phép đo thực nghiệm trong vật lý hạt nhân có thể bao gồm đếm sự kiện, ghi thông tin về năng lượng-thời gian, và sự kết hợp giữa chúng. Thông thường, các tham số thay đổi trong phép đo là dài năng lượng của bức xạ và tốc độ ghi đo các sự kiện. Các nghiên cứu về thời gian sống và sơ đồ phân rã, thực nghiệm trùng phùng, đếm photon đơn, và các nghiên cứu bức xạ hủy positron thường đòi hỏi độ phân giải năng lượng và độ phân giải thời gian tốt. Do vậy, để nâng cao chất lượng kết quả nghiên cứu, các hệ thống thiết bị điện từ hạt nhân phải đáp ứng được yêu cầu ngày càng cao của các nghiên cứu thực nghiệm.
1.1. Tình hình nghiên cứu, ứng dụng ở trong và ngoài nước
1.1.1. Tình hình nghiên cứu, ứng dụng ở ngoài nước
Giai đoạn trước những năm 1990, nhiều phòng thí nghiệm trên thế giới đã sửdụng các hệ thống đối trùng và trùng phùng để nghiên cứu cấu trúc hạt nhân. Các hệ phổ kế này sử dụng thiết bị đầu dò và các khối điện tử kiểu tương tự. Chẳng hạn, hệ phổ kế triệt Compton dùng cho phổ học tia gamma với đầu dò HPGe thể tích lớn 113 cm³ được bố trí trong đầu dò NaI(TI) kích thước 22.9 cm x 25.4 cm [30], hệ phổ kế trùng phùng y-y dùng cho phân tích kích hoạt nơtron dụng cụ [61], hệ phổ kế gamma nối tầng hai bậc (TSC) của phản ứng (n,2y) ở các năng lượng nơtron nhiệt [60] và nghiên cứu các hàm lực photon [57], … Các hệ vừa nêu đều sử dụng các khối điện từ truyền thống chuẩn NIM do các hãng Ortec, Canberra chế tạo như: AMP, ADC, MCD, TAC, CFD, v.v… và đáp ứng tốt yêu cầu thực nghiệm. Song song với các công trình nghiên cứu vật lý vừa nêu, có rất nhiều công trình liên quan đến việc xây dựng và phát triển thiết bị phục vụ các nghiên cứu này, hầu hết các công trình đó đều sử dụng công nghệ điện tử thế hệ mới là DSP và FPGA; chẳng hạn như công trình đề cập đến sự cải thiện độ phân giải vị trí của các đầu dò HPGe chất lượng cao sử dụng các phương pháp phân tích biên độ xung [67], hoặc phân tích biên độ xung với các đầu dò germanium [71], hoặc phát triển các kỹ thuật lấy mẫu và xử lý tín hiệu số với các ứng dụng cho các đầu dò vật lý hạt nhân [66]. Các công trình nêu trên đã ứng dụng các thuật toán xử lý xung số để nghiên cứu, thiết kế hệ phổ kế gamma qua ứng dụng FPGA phục vụ nghiên cứu vật lý hạt nhân.
1.1.2. Tình hình nghiên cứu, ứng dụng ở trong nước
Về hướng nghiên cứu và phát triển thiết bị tại Viện NCHN, vào đầu những năm 1990, một hệ thiết bị phổ kế gamma triệt Compton trong đó kỹ thuật trùng phùng đã được áp dụng thành công [7] phục vụ hướng nghiên cứu phân tích kích hoạt nơtron đo phổ gamma tức thời trên kênh thực nghiệm nằm ngang của Lò phản ứng nghiên cứu Đà Lạt. Hệ phổ kế đa kênh cũng đã được quan tâm phát triển, trong đó một số khối điện tử như HV, AMP, bản mạch giao diện máy tính qua cổng song song ISA đã được thiết kế chế tạo theo kiểu điện tử truyền thống và đã đưa vào sửdụng cho mục đích nghiên cứu số liệu tiết diện nơtron toàn phần và tiết diện bắt nơtron trong khai thác và đo đạc số liệu [91]. Giai đoạn những năm 1993-1997, hệ phổ kế Cộng biên độ các xung trùng phùng (SACP) đã được nghiên cứu phát triển phục vụ hướng nghiên cứu cấu trúc hạt nhân và đã có những thành công bước đầu, có thể kể đến là các công trình nghiên cứu ứng dụng [10], [73]. Từ những năm 2000 đến nay, một số hệ phổ kế gamma chất lượng cao sử dụng đầu dò bán dẫn đã được trang bị tại Viện NCHN, điển hình là một hệ phổ kế đa kênh đo phổ gamma dựa trên kỹ thuật DSP lần đầu tiên được nhập khẩu vào Việt Nam đầu năm 2004 phục vụ đo phổ gamma. Bên cạnh đó, một hệ phổ kế chất lượng cao khác là hệ trùng phùng sử dụng hai đầu dò HPGe đã được thiết lập thành công tại Viện phục vụ hướng nghiên cứu thực nghiệm về cấu trúc hạt nhân và mật độ mức hạt nhân, trong đó cấu hình kết nối hệ thống cho phép thu nhận thông tin đặc trưng về phân rã nối tầng của các mức kích thích trong hạt nhân hợp phần tạo thành ở phản ứng bắt nơtron nhiệt.
