Bộ khởi phát thời gian suy biến dùng cho hệ đo nghiên cứu tán xạ proton

TẠP CHÍ KHOA HỌC, Đại học Huế, Số 17, 2003<br /> <br /> <br />          Ta biết rằng, trong tán xạ  không đàn hồi <br /> luôn kèm theo phát gamma tức thời, ngược lại là <br /> tán xạ  đàn hồi. Hệ  thống đo được bố  trí hai   ­<br /> detector   phân   bố   trên   trục   lượng   tử   Z   là   loại <br /> NaI(Tl) có cấu hình khác nhau đ<br /> BỘ KHỞI PHÁT TH ể thu nhận thông  <br /> ỜI GIAN SUY BI ẾN <br /> DÙNG CHO HỆ ĐO NGHIÊN CỨU TÁN XẠ PROTON <br /> tin tương  ứng các tr ạ ng thái t ừ  con     m= 1; 2 <br /> và   một   detector   bán   dẫn   loại   Si   để   thu   nhận <br /> Nguyễn Đức Hòa<br /> thông tin của kênh proton tán xạ. Để  xác định     Trường Đại học Đà Lạt<br /> được tán xạ không đàn hồi, chúng ta tiến hành đo <br /> trùng phùng giữa hai sự  kiện: proton bay ra bởi <br /> tán xạ  không đàn hồi và gamma t1. Đ ức th ẶờT V<br /> i (G trên<br /> ẤN Đ Ề<br /> hình vẽ  1), tín hiệu lấy ra sau bộ  trùng sẽ  là tín  <br /> Trong nghiên cốứ đu tán x<br /> hiệu cho phép đo, s ếm có đ ạ proton năng l<br /> ược chính là là s ượng th<br /> ố  ấp, bố trí thiết bị đo dựa vào quá  <br /> đếm  cễủn ra ph<br /> trình di ảạ<br /> a  tán x ứng như sau: Chùm proton phát ra t<br /> n  không đàn h ồi. Còn lại không  ừ máy gia tốc hạt đến đập vào  <br /> bia h<br /> cùng vạt nhân A gây nên tán x<br /> ới sự  phát gamma là sạ  đếm proton cạủ, proton<br /> ố  [1], sau tán x a    bay ra theo hướng lệch với <br /> ph ươ ng t ớ i, còn h<br /> tán xạï đàn hồi [2].  ạ t nhân bia cũng b ị  giậ t lùi trên mộ t ph ương khác như  hình vẽ  1.  <br /> Phản ứng hạt nhân trên sẽ diễn ra theo hai quá trình: tán xạ đàn hồi và không đàn hồi. <br /> Các đặc trưng lượng tử của phản  ứng được rút ra dựa trên những thông tin này. Vì  <br /> vậy đòi hỏi phải có một hệ đo có khả năng phân biệt được hai quá trình nêu trên. <br /> <br /> Z<br /> <br /> <br /> <br /> G<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> p<br /> p<br /> X<br />     A<br /> <br /> <br /> <br /> Y<br />    <br /> Hình 1: Hệ thống tán xạ proton.<br /> <br />   Để hệ thống đo có khả năng nêu trên, trong thiết đo cần phải có một bộ tạo <br /> xung điều khiển đo, mà xung này chỉ  xuất hiện khi có tín hiệu từ  kênh đo gamma.  <br /> Tức là, hệ  thống đo trùng phùng chỉ  bắt đầu hoạt động khi có tín hiệu từ  kênh đo  <br /> 19<br /> gamma. Vì thế  bộ  tạo xung này được gọi là bộ  khởi phát thời gian đo, hay bộ  khởi  <br /> phát thời gian  (KPTG).<br /> Trong các hệ  thống điện tử  hạt nhân các mạch KPTG được đưa vào nhằm <br /> giải quyết một số thuật toán đo, chẳng hạn để  giảm phông compton của phổ bức xạ <br /> thu được trong phổ  kế gamma, cũng như  thế  bộ  KPTG được đưa vào hệ  đo nghiên <br /> cứu tán xạ proton năng lượng thấp với mục đích tạo xung khởi phát và điều khiển đo  <br /> cho hệ thống đo trùng phùng, nhằm đưa ra số đếm phân biệt được tán xạ đàn hồi và  <br /> tán xạ không đàn hồi và trên cơ sở đó rút ra các giá trị xác suất định xứ trạng thái từ <br /> con. <br />  Bộ KPTG có thể được chế tạo theo phương pháp kinh điển ­ phương pháp cắt  <br /> không. Với phương pháp này các xung điều khiển đo có độ  trôi thời gian cỡ  2ns.  <br /> Trong mạch phải sử dụng mạch trễ,  đó là lý do làm tăng thể tích của modul đo trong <br /> toàn thể  hệ  thống, cũng như  làm giảm độ  chính xác trong phép định vị  xung điều  <br /> khiển. Một phương pháp mới cho khả  năng  ổn định vị  trí xung  điều khiển – đó là <br /> phương pháp suy biến. Trong thực tế, độ ổn định xung  điều khiển có thể nằm trong  <br /> giới hạn 1­2ns, độ ổn định này lệ thuộc vào linh kiện sử dụng trong mạch. <br />          Bộ KPTG  bằng phương pháp suy biến được thiết kế chế tạo cho hệ đo tán xạ <br /> cộng hưởng proton năng lượng thấp sử  dụng cho đề  tài nghiên cứu khoa học của <br /> Viện Hàn lâm Khoa học Liên Bang Nga, mã số 96­02­17031. <br /> 2. NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP<br />          BLộố KPTG b<br /> i ra của hai b ằng ph ộ ngu ồn dòng tạo nên các<br /> ương pháp suy bi ến có s   ơVin đồ  khối được chỉ  ra trên hình 2.  <br /> điện áp tuyến tính có đ<br /> Trong đó bao g ồm hai bộộ so sánh <br />  dốc tỷ lCOMP.1, COMP.2 v<br /> ệ với I 01và I02  ới mức điện áp chuẩn bảo đảm <br /> V, và th<br /> ref1  = 2V ờ i đi<br /> ref2  ở<br /> ể   lố<br /> m xu i vào. Hai b<br /> ấ t hiệ n t ươ ộ  hình thành xung (Shaping pulse1 và 2), t<br /> ng  ứ ng th ờ i gian   1<br /> ạo xung đi ều  <br /> khivượển cho hai ngu<br /> t   ngưỡng   cồ ủn dòng  I<br /> a   xung   l01ốvà I 02 v ớ<br /> i   vào.   đóị : I<br /> i giá tr<br /> Sau hai02  = 2I01. <br /> <br /> điện áp tuyến tính này được đưa vào mạch  VCC<br /> 2<br /> Vref2<br /> cộng xung (SUM of PULSE) để tạo nên xung  I01<br /> có   một   độ   dốc.   Sau   bộ   so   sánh   thứ   3  Vref1<br /> (COMP.3) m<br /> Vre f1 ạch cho ra m<br /> COMP.1 ột xung điều khiển,  SUM<br /> Shaping<br /> PULSE1<br /> S1<br /> C1<br /> of 0 t1 t2 COMP.3<br /> t<br /> PULSE<br /> mà xung này được coi là mốc thời gian ghi. <br /> in<br /> Giản đồ  xung thời gian được chỉ  ra trên hình  Vre f3<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 3. Khi xung vào V in vượ t ngưỡng Vref1 và Vref2 ,  CONTR.<br /> Shaping C2UNIT CONV. Out-NIM<br /> COMP.2 PULSE2<br /> Vre f2 S2 PULSE Out-T TL<br /> <br /> <br /> mạch cho phép khởi phát xung tuyến tính tại <br /> I02<br /> các thời điểm t1, t2 bởi nguồn dòng Io1, Io2 . Hai <br /> xung này được cộng lại với nhau cho dạng   Vref3 VCC<br /> <br /> <br /> <br /> xung 3 như hình vẽ 3õ. Khi vượt ngưỡng Vref3  3<br /> Hình 2: S<br /> sẽ  cho ra một xung đi ều khiơ đồể kh<br /> n Vối b<br /> outộ  khởi phát thờ0i gian suy biến<br />  , qua bộ  t<br /> biến đổi mức điện áp (CONV. PULSE) cho  Vout<br /> các xung chuẩn TTL và NIM. Xung này sẽõ <br /> điều khiển khởi phát đo cho tồn bộ hệ thống. <br /> Trong   trường   hợp   xung   vào   Vin  vượt   một  0 t<br /> ngưỡng   thì   bộ   điều   khiển   (U.CONTR.)   sẽ <br /> loại bỏû xung hình thành sau bộ  COMP.3 và 20           Hình 3: Giản đồ xung<br /> không cho phép đưa xung Vout   ở  lối ra của bộ <br /> KPTG<br />  Với phương pháp tạo xung nêu trên cho thấy, với bất kỳø xung vào có cùng <br /> thời gian tăng, nhưng biên độ xung khác nhau, thì xung được hình thành trên lối ra Vout <br /> sẽ không thay đổi vị trí. Nghĩa là đường 3 của xung tổng là một đường thẳng đi qua <br /> gốc tọa độ  khi kéo dài, và đường này có độ  dốc không thay đổi. Ta có thể  chứng <br /> minh điều trên. <br /> Gọi hệ số góc của xung phát bởi nguồn dòng I01 là  1 và  1 = I01/C1.<br /> Gọi hệ số góc của xung phát bởi nguồn dòng I02 là  2 và  2 = I02/C2.<br /> Gọi k là hệ tỷ lệ giữa hai ngưỡng: Vref1 = k.Vref2 .<br /> Gọi k  là hệ tỷ lệ giữa hai nguốn dòng: I02 = k .I01.<br /> Thì   2  = k . 1 và t2 = k.t1, vì t1 = Vref1/a ; t2 = Vref2/a = k.Vref1/a,  từ đây suy ra <br /> phương trình của điện áp được tạo bởi nguồn dòng ở các thời t1 và t2 là:<br /> u1 =  1.t ­  2.t2   và   u2 =  2.t2  + uo+4<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 21<br />  -24V -5V<br /> P2 10K +5V<br /> DZ 2 R1 2<br /> 2K7 R28 T6 C22 0.0 1<br /> C13 0 .01 2K7 KT363<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> +<br /> +<br /> C1 2 4 70 C1 4 4 70 R1 3 R24 DZ 4 C21<br /> +5V 6K3 10 K 470<br /> <br /> R1 1 1 K5 T7 T8<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 8<br /> <br /> 1<br /> -5V 4 - U6 597CA1<br /> C4 0.1 11<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 4<br /> KT363 R29 1 00 k R31 10 K<br /> 2 3<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> +<br /> - +<br /> 6 R32<br /> U5 T3<br /> 3 + 4 70<br /> C5 470 KY10 4 R23 R30<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 2<br /> R7 R8 3K9 T5 620<br /> 4 70 1K C13 0 .01 363<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 7<br /> R27 C23 C24<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> +<br /> +<br /> R1 4 2K7 10K 4 70 0 .0 1<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 8<br /> 7 1 R25 R26<br /> <br /> <br /> <br /> 2<br /> D Q +24 V<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> -V<br /> 3 R24 10 0 8K1<br /> +<br /> 11 9 U3A C1 6 4 70 3K9<br /> 4 U1 CLK<br /> IN - P4 10K<br /> 59 7CA1 4 3<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> GND<br /> R1 R Q T1<br /> 50 C6 0 .0 1 K50 0TM1 31 R15 5K6 KT363 C1 +5V R33 1k<br /> 8<br /> <br /> 1<br /> R1 6 470<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 16<br /> +<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 10 K DZ 5<br /> <br /> R2 1K<br /> C7 470 -5V<br /> +5V -5V<br /> C8 470<br /> <br /> <br /> R1 7 C2<br /> +<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> P1 10 T2 470<br /> -5V<br /> R18 5K6 KT363<br /> 10K C9 0 .0 1 8<br /> R5 10 13 R34<br /> 8<br /> <br /> 1<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> C3 + 1K 4 - R GND Q R35 470<br /> 0.1 11 11 4 70<br /> 3 U2 CLK U3B<br /> DZ 1 +<br /> 9 12 1<br /> 597CA1 D Q<br /> R4 R6 3 9<br /> -V<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> U7A<br /> 50 1K K50 0TM1 31 2 8 R4 1<br /> 2<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> U7C<br /> R9 R10 C1 8 470 10 1k<br /> 4 70 1K OUT-NIM<br /> C1 0 0.0 1 R1 9 2K7<br /> +<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> +24 V T9 T1 0<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> +<br /> C1 9 0.0 1<br /> -5V<br /> KT363<br /> <br /> <br /> 7<br /> -5V 3 R36 4 70 R37 4 k7 D1<br /> +<br /> C1 1 470 6 T4 D<br /> 2 U4<br /> - D2<br /> +5V R20 KY10 4 R38 R39 R40<br /> C1 7 1K5 1 10 k 220 1k D<br /> 4 70 C1 9 4 70 3<br /> 4<br /> <br /> <br /> <br /> 2 U7A<br /> R22<br /> -6V<br /> DZ 3 1 3K K50 0 LM1 0 5<br /> +<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> OUT-TTL<br /> C20 0 .0 1 R21<br /> <br /> <br /> Hình 4: Sơ đồ chi bộ khởi phát thời gian đo<br /> 2K7 P3 10K<br /> -24 V<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Ta có thể  tính được uo =  1.t2 ­  1.t1 ­    2.t2 khi thay các giá trị   2 , t2 theo  1,t1 <br /> ta có:<br /> uo =  1.k.t1 ­  1.t1 ­  kk . 1.t1       uo =  1.t1 (k – 1 ­  kk ) =  1.t1 [k  ­  (k – 1)/k].<br /> Nếu chọn k  = (k – 1)/k thì uo = 0 và đường thứ 3 sẽ luôn đi qua gốc tọa độ với <br /> hệ số góc không đổi là  2.<br /> Trong thiết kế chọn k = 2, nên ta có k  = ½, tức là Vref1 = 2Vref2  và I02 = 2I01 .<br /> Trên cở  sở sơ đồ  khối, sơ đồ  chi tiết được thiết kế  lắp ráp như  hình 4. Bộ  so  <br /> sánh lối vào được lắp ráp trên vi mạch 597CA1, lối ra có mức điện áp – 5V được đưa <br /> vào bộ  kéo dài xung trên hai vi mạch K500TM131, các lối ra không đảo Q1,Q2 nối  <br /> với tranzistor T1, T2 đóng vai trò khóa cho các nguồn dòng I o1, Io2. Nguồn dòng được <br /> xây dựng trên các thuật toán U5, U6 ghép nối với các tranzistor T5, T6. Giá trị nguồn <br /> dòng phụ  thuộc vào nguồn áp chuẩn  VZ1, VZ2 trên DZ2, DZ3 và tải của tầng ra R5,  <br /> R6 theo công thức:<br /> V V<br /> I<br /> 01<br />   Z1<br />  ;           I<br /> 02<br />   Z2<br /> R5 R6<br />          Khi tín hiệu V in vượt hai ngưỡng, trên lối ra Q của hai trigger D sẽ cho ra một  <br /> xung dương làm cấm T1, T2 , hai tụ  C1, C2 sẽ  được nạp điện bởi các dòng không <br /> đổi Io1và Io2, tạo nên điện áp tuyến tính trên hai ngõ vào của bộ cộng xung. Bộ cộng  <br /> xung là bộ  khuếch đại vi sai xây dựng trên tranzistor T7, T8 với nguồn dòng của bộ <br /> vi sai là T5 nhằm nâng cao hệ  số khuếch đại của bộ  khuếch đại. Xung tổng hai tín <br /> <br /> 22<br /> hiệu được đưa vao bộ  so sánh thứ  ba U6 được xây dựng trên vi mạch 597CA1 với  <br /> điện áp ngưỡng Vref3  = 6V, lối ra COMP.3 xuất hiện một xung vuông – đó là xung  <br /> điều khiển khởi phát đo cho toàn bộ hệ thống. Trong trường hợp xung vào vượt một  <br /> ngưỡng thì mạch lựa chọn xung trên U7A, U7B , U7C sử dụng loại K500LM105, sẽ <br /> tạo nên xung xóa đối với hai trigger D (U3, U4), đồng thời tạo xung cấm, không cho <br /> phép lấy xung điều khiển ở mạch ra. Như vậy với mạch thiết kế sẽ hoạt động đảm <br /> bảo các chế độ sau:<br /> Nếu xung vào Vin = o , điện áp ra bằng không:  Vout = 0.<br /> Nếu xung vào Vin    Vref1 , điện áp ra bằng không:   Vout = 0.<br /> Nếu xung vào  vượt hai ngưỡng   Vin   Vref1, Vref2  thì Vout   0.<br /> Lối ra được đưa vào bộ  biến đổi xung tương tự  sang các xung chuẩn NIM và <br /> xung điều khiển logic chuẩn TTL được xây dựng trên trên tranzistor T9, T10.<br /> 3. ĐÁNH GIÁ VÀ KẾT LUẬN<br /> Với mạch được chế tạo, đã được kiểm tra trên máy phát xung có mặt tăng thay  <br /> đổi từ 20 –40 s. Kết quả đo được thể hiện trên bảng 1. <br /> Bảng 1: Kết quả đo độ dịch chuyển xung ra<br />  ts  Vin t = t ­ to   ts  Vin t = t ­ to   ts  Vin t = t ­ to <br />   1V 1.0ns   1V 1.0ns   1V 1.0ns<br /> 20 s 3V 1.2ns 30 s 3V 1.0ns 40 s 3V 1.2ns<br />   4V 1.4ns   4V 1.2ns   4V 1.2ns<br />   5V 1.5ns   5V 1.3ns   5V 1.2ns<br /> <br />         Trong bảng sử dụng t o  ứng với xung ra  ở vị trí có biện độ  xung vào Vin =0,5V. <br /> Với điện áp ngưỡng Vref1  = 0.2V, giá trị  nguồn dòng là 1 A. Qua kết quả  trên cho <br /> thấy rằng, khi thời gian tăng càng nhỏ  và điện thế  vào Vin càng cao thì  ổn định của <br /> xung điều khiển càng kém, bởi độ dốc xung lớn làm cho khoảng cách thời gian giữa  <br /> hai ngưỡng bị  thu hẹp dẫn đến khả  năng phân biệt càng trở  nên kém hơn bởi khả <br /> năng đáp ứng nhanh của linh kiện. Song với hệ đo mà chúng tôi sử dụng trong nghiên <br /> cứu tán xạ  năng lượng thấp thuộc đề  tài là với detector nhấp nháy loại NaI(Tl) có <br /> thời gian tăng là 40 S, do đó độ ổn định vị trí xung điều khiển đo vào cỡ 1,2ns là một  <br /> kết quả cho độ chính xác cao  đối với bài toán đo đặt ra.   <br />          Bộ KPTG được đưa vào hệ thống đo tán xạ  và cho phổ thu được như  hình 5.  <br /> Từ kết quả phổ năng lượng thu được cho phép đánh giá bộ KPTG đã đáp ứng tốt các  <br /> yêu cầu đo đã đặt ra. Trên phổ proton thu được cho thấy có các đỉnh năng lượng nằm  <br /> trên một phông thấp, và quan trọng hơn   giá trị  số  đếm trùng phùng (hình 5b)   và <br /> không trùng phùng (hình 5a) đã cho thấy yêu cầu đo đã được giải quyết.  <br /> <br /> <br /> 23<br />   <br /> <br /> <br />     <br /> <br /> <br /> <br /> <br />   Hình 5: Phổ năng lượng proton tán xạ<br /> Bộ KPTG được  chế tạo có đặc trưng kỹ thuật sau:<br />    Điện trở vào: 50 .     Độ trôi tín hiệu:   tmax = 1.5ns.<br />           Trở kháng ra: 2K .     Mức ngưỡng thay đổi từ 0.1V ­ 4V.<br /> <br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> 1. Nguyễn Đức Hòa.  Nghiên cứu tán xạ  cộng hưởng proton trong vùng năng lượng  <br /> cỡ 5KV, trên các hạt nhân 24Mg và 28Si. Luận án Tiến sỹ. Đại học Tổng hợp quốc  <br /> gia  Saint Peterburg, L.B Nga (2000) (Tiếng Nga)<br /> 2. Nguyễn Đức Hoà, O.V. Chubinsky, B.B Lazarev.  Sự phụ thuộc góc và năng lượng  <br /> của tenxơ thống kê đối với mức kích thích 2 + trong tán xạ không đàn hồi với năng  <br /> lượng 5,04­5,11MeV trên hạt nhân  24Mg. Tin Viện hàn lâm khoa học Liên Bang  <br /> Nga.  63(1999) 143 (Tiếng Nga)<br /> <br /> TÓM TẮT<br /> <br />   Bài báo đưa ra kết quả  nghiên cứu thiết kế  chế  tạo bộ  khởi phát thời gian bằng  <br /> phương pháp suy biến, mà bộ  khởi phát này được sử  dụng cho hệ  đo nghiên cứu tán xạ  <br /> proton năng lượng thấp. Kết quả  nghiên cứu cho thấy khả  năng  ổn định vị  trí xung điều  <br /> khiển thời gian đo với độ trôi thời gian không vượt quá 1,5ns.<br /> <br /> THE DEGENTRATIVE TIME TRIGGER USED IN SPECTOMETER <br /> TO STUDY THE  SCATTERING PROTON <br /> Nguyen Duc Hoa<br /> University of DaLat<br /> <br /> SUMMARY<br /> The   paper   shows   the   study   results   for   designing   the   time   trigger   by   degereration  <br /> procedures. It is used for spectrometers  to study the scattering of low­energy protons. These  <br /> results indicate the stability of pulse position conducting measurement time with the drifting  <br /> time within 1,5ns.<br /> <br /> <br /> 24<br />