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 BỘ KHỞI PHÁT THỜI GIAN SUY BIẾN DÙNG CHO HỆ ĐO NGHIÊN CỨU TÁN XẠ PROTON Nguyễn Đức Hòa Trường Đại học Đà Lạt 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Trong nghiên cứu tán xạ proton năng lượng thấp, bố trí thiết bị đo dựa vào quá trình diễn ra phản ứng như sau: Chùm proton phát ra từ máy gia tốc hạt đến đập vào bia hạt nhân A gây nên tán xạ [1], sau tán xạ, proton bay ra theo hướng lệch với phương tới, còn hạt nhân bia cũng bị giật lùi trên một phương khác như hình vẽ 1. Phản ứng hạt nhân trên sẽ diễn ra theo hai quá trình: tán xạ đàn hồi và không đàn hồi. Các đặc trưng lượng tử của phản ứng được rút ra dựa trên những thông tin này. Vì vậy đòi hỏi phải có một hệ đo có khả năng phân biệt được hai quá trình nêu trên. Ta biết rằng, trong tán xạ không đàn hồi luôn kèm theo phát gamma tức thời, ngược lại là tán xạ đàn hồi. Hệ thống đo được bố trí hai g-detector phân bố trên trục lượng tử Z là loại NaI(Tl) có cấu hình khác nhau để thu nhận thông tin tương ứng các trạng thái từ con m=±1;±2 và một detector bán dẫn loại Si để thu nhận thông tin của kênh proton tán xạ. Để xác định được tán xạ không đàn hồi, chúng ta tiến hành đo trùng phùng giữa hai sự kiện: proton bay ra bởi tán xạ không đàn hồi và gamma tức thời (G trên hình vẽ 1), tín hiệu lấy ra sau bộ trùng sẽ là tín hiệu cho phép đo, số đếm có được chính là là số đếm của tán xạ không đàn hồi. Còn lại không cùng với sự phát gamma là số đếm proton của tán xạï đàn hồi [2]. Hình 1: Hệ thống tán xạ proton. Để hệ thống đo có khả năng nêu trên, trong thiết đo cần phải có một bộ tạo xung điều khiển đo, mà xung này chỉ xuất hiện khi có tín hiệu từ kênh đo gamma. Tức là, hệ thống đo trùng phùng chỉ bắt đầu hoạt động khi có tín hiệu từ kênh đo gamma. Vì thế bộ tạo xung này được gọi là bộ khởi phát thời gian đo, hay bộ khởi phát thời gian (KPTG). Trong các hệ thống điện tử hạt nhân các mạch KPTG được đưa vào nhằm giải quyết một số thuật toán đo, chẳng hạn để giảm phông compton của phổ bức xạ thu được trong phổ kế gamma, cũng như thế bộ KPTG được đưa vào hệ đo nghiên cứu tán xạ proton năng lượng thấp với mục đích tạo xung khởi phát và điều khiển đo cho hệ thống đo trùng phùng, nhằm đưa ra số đếm phân biệt được tán xạ đàn hồi và tán xạ không đàn hồi và trên cơ sở đó rút ra các giá trị xác suất định xứ trạng thái từ con. Bộ KPTG có thể được chế tạo theo phương pháp kinh điển - phương pháp cắt không. Với phương pháp này các xung điều khiển đo có độ trôi thời gian cỡ 2ns. Trong mạch phải sử dụng mạch trễ, đó là lý do làm tăng thể tích của modul đo trong toàn thể hệ thống, cũng như làm giảm độ chính xác trong phép định vị xung điều khiển. Một phương pháp mới cho khả năng ổn định vị trí xung điều khiển – đó là phương pháp suy biến. Trong thực tế, độ ổn định xung điều khiển có thể nằm trong giới hạn 1-2ns, độ ổn định này lệ thuộc vào linh kiện sử dụng trong mạch. Bộ KPTG bằng phương pháp suy biến được thiết kế chế tạo cho hệ đo tán xạ cộng hưởng proton năng lượng thấp sử dụng cho đề tài nghiên cứu khoa học của Viện Hàn lâm Khoa học Liên Bang Nga, mã số 96-02-17031. 2. NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP Bộ KPTG bằng phương pháp suy biến có sơ đồ khối được chỉ ra trên hình 2. Trong đó bao gồm hai bộ so sánh COMP.1, COMP.2 với mức điện áp chuẩn bảo đảm Vref1 = 2Vref2 ở lối vào. Hai bộ hình thành xung (Shaping pulse1 và 2), tạo xung điều khiển cho hai nguồn dòng I01và I02 với giá trị: I02 = 2I01. I01 I02 Hình 2: Sơ đồ khối bộ khởi phát thời gian suy biến Lối ra của hai bộ nguồn dòng tạo nên các điện áp tuyến tính có độ dốc tỷ lệ với I01và I02 , và thời điểm xuất hiện tương ứng thời gian vượt ngưỡng của xung lối vào. Sau đó hai điện áp tuyến tính này được đưa vào mạch cộng xung (SUM of PULSE) để tạo nên xung có một độ dốc. Sau bộ so sánh thứ 3 (COMP.3) mạch cho ra một xung điều khiển, mà xung này được coi là mốc thời gian ghi. Giản đồ xung thời gian được chỉ ra trên hình 3. Khi xung vào Vin vượt ngưỡng Vref1 và Vref2 , mạch cho phép khởi phát xung tuyến tính tại các thời điểm t1, t2 bởi nguồn dòng Io1, Io2 . Hai xung này được cộng lại với nhau cho dạng xung 3 như hình vẽ 3õ. Khi vượt ngưỡng Vref3 sẽ cho ra một xung điều khiển Vout , qua bộ biến đổi mức điện áp (CONV. PULSE) cho các xung chuẩn TTL và NIM. Xung này sẽõ điều khiển khởi phát đo cho tồn bộ hệ thống. Trong trường hợp xung vào Vin vượt một ngưỡng thì bộ điều khiển (U.CONTR.) sẽ loại bỏû xung hình thành sau bộ COMP.3 và không cho phép đưa xung Vout ở lối ra của bộ KPTG Hình 3: Giản đồ xung Với phương pháp tạo xung nêu trên cho thấy, với bất kỳø xung vào có cùng thời gian tăng, nhưng biên độ xung khác nhau, thì xung được hình thành trên lối ra Vout sẽ không thay đổi vị trí. Nghĩa là đường 3 của xung tổng là một đường thẳng đi qua gốc tọa độ khi kéo dài, và đường này có độ dốc không thay đổi. Ta có thể chứng minh điều trên. Gọi hệ số góc của xung phát bởi nguồn dòng I01 là a1 và a1 = I01/C1. Gọi hệ số góc của xung phát bởi nguồn dòng I02 là a2 và a2 = I02/C2. Gọi k là hệ tỷ lệ giữa hai ngưỡng: Vref1 = k.Vref2 . Gọi k¢ là hệ tỷ lệ giữa hai nguốn dòng: I02 = k¢.I01. Thì a2 = k¢.a1 và t2 = k.t1, vì t1 = Vref1/a ; t2 = Vref2/a = k.Vref1/a, từ đây suy ra phương trình của điện áp được tạo bởi nguồn dòng ở các thời t1 và t2 là: u1 = a1.t - a2.t2 và u2 = a2.t2 + uo+4  Hình 4: Sơ đồ chi bộ khởi phát thời gian đo Ta có thể tính được uo = a1.t2 - a1.t1 - a2.t2 khi thay các giá trị a2 , t2 theo a1,t1 ta có: uo = a1.k.t1 - a1.t1 - kk¢.a1.t1 ® uo = a1.t1 (k – 1 - kk¢) = a1.t1 [k¢ - (k – 1)/k]. Nếu chọn k¢ = (k – 1)/k thì uo = 0 và đường thứ 3 sẽ luôn đi qua gốc tọa độ với hệ số góc không đổi là a2. Trong thiết kế chọn k = 2, nên ta có k¢ = ½, tức là Vref1 = 2Vref2 và I02 = 2I01 . Trên cở sở sơ đồ khối, sơ đồ chi tiết được thiết kế lắp ráp như hình 4. Bộ so sánh lối vào được lắp ráp trên vi mạch 597CA1, lối ra có mức điện áp – 5V được đưa vào bộ kéo dài xung trên hai vi mạch K500TM131, các lối ra không đảo Q1,Q2 nối với tranzistor T1, T2 đóng vai trò khóa cho các nguồn dòng Io1, Io2. Nguồn dòng được xây dựng trên các thuật toán U5, U6 ghép nối với các tranzistor T5, T6. Giá trị nguồn dòng phụ thuộc vào nguồn áp chuẩn VZ1, VZ2 trên DZ2, DZ3 và tải của tầng ra R5, R6 theo công thức: Khi tín hiệu Vin vượt hai ngưỡng, trên lối ra Q của hai trigger D sẽ cho ra một xung dương làm cấm T1, T2 , hai tụ C1, C2 sẽ được nạp điện bởi các dòng không đổi Io1và Io2, tạo nên điện áp tuyến tính trên hai ngõ vào của bộ cộng xung. Bộ cộng xung là bộ khuếch đại vi sai xây dựng trên tranzistor T7, T8 với nguồn dòng của bộ vi sai là T5 nhằm nâng cao hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại. Xung tổng hai tín hiệu được đưa vao bộ so sánh thứ ba U6 được xây dựng trên vi mạch 597CA1 với điện áp ngưỡng Vref3 = 6V, lối ra COMP.3 xuất hiện một xung vuông – đó là xung điều khiển khởi phát đo cho toàn bộ hệ thống. Trong trường hợp xung vào vượt một ngưỡng thì mạch lựa chọn xung trên U7A, U7B , U7C sử dụng loại K500LM105, sẽ tạo nên xung xóa đối với hai trigger D (U3, U4), đồng thời tạo xung cấm, không cho phép lấy xung điều khiển ở mạch ra. Như vậy với mạch thiết kế sẽ hoạt động đảm bảo các chế độ sau: Nếu xung vào Vin = o , điện áp ra bằng không: Vout = 0. Nếu xung vào Vin < Vref1 , điện áp ra bằng không: Vout = 0. Nếu xung vào vượt hai ngưỡng Vin > Vref1, Vref2 thì Vout ¹ 0. Lối ra được đưa vào bộ biến đổi xung tương tự sang các xung chuẩn NIM và xung điều khiển logic chuẩn TTL được xây dựng trên trên tranzistor T9, T10. 3. ĐÁNH GIÁ VÀ KẾT LUẬN Với mạch được chế tạo, đã được kiểm tra trên máy phát xung có mặt tăng thay đổi từ 20 –40ms. Kết quả đo được thể hiện trên bảng 1. Bảng 1: Kết quả đo độ dịch chuyển xung ra ts Vin Dt = t - to  ts Vin Dt = t - to  ts Vin Dt = t - to  1V 1.0ns 1V 1.0ns 1V 1.0ns 20ms 3V 1.2ns 30ms 3V 1.0ns 40ms 3V 1.2ns 4V 1.4ns 4V 1.2ns 4V 1.2ns 5V 1.5ns 5V 1.3ns 5V 1.2ns Trong bảng sử dụng to ứng với xung ra ở vị trí có biện độ xung vào Vin =0,5V. Với điện áp ngưỡng Vref1 = 0.2V, giá trị nguồn dòng là 1mA. Qua kết quả trên cho thấy rằng, khi thời gian tăng càng nhỏ và điện thế vào Vin càng cao thì ổn định của xung điều khiển càng kém, bởi độ dốc xung lớn làm cho khoảng cách thời gian giữa hai ngưỡng bị thu hẹp dẫn đến khả năng phân biệt càng trở nên kém hơn bởi khả năng đáp ứng nhanh của linh kiện. Song với hệ đo mà chúng tôi sử dụng trong nghiên cứu tán xạ năng lượng thấp thuộc đề tài là với detector nhấp nháy loại NaI(Tl) có thời gian tăng là 40mS, do đó độ ổn định vị trí xung điều khiển đo vào cỡ 1,2ns là một kết quả cho độ chính xác cao đối với bài toán đo đặt ra. Bộ KPTG được đưa vào hệ thống đo tán xạ và cho phổ thu được như hình 5. Từ kết quả phổ năng lượng thu được cho phép đánh giá bộ KPTG đã đáp ứng tốt các yêu cầu đo đã đặt ra. Trên phổ proton thu được cho thấy có các đỉnh năng lượng nằm trên một phông thấp, và quan trọng hơn giá trị số đếm trùng phùng (hình 5b) và không trùng phùng (hình 5a) đã cho thấy yêu cầu đo đã được giải quyết.  Hình 5: Phổ năng lượng proton tán xạ Hình 5: Phổ năng lượng proton tán xạ Bộ KPTG được chế tạo có đặc trưng kỹ thuật sau: · Điện trở vào: 50W. · Độ trôi tín hiệu: Dtmax = 1.5ns. · Trở kháng ra: 2KW. · Mức ngưỡng thay đổi từ 0.1V - 4V. TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Đức Hòa. Nghiên cứu tán xạ cộng hưởng proton trong vùng năng lượng cỡ 5KV, trên các hạt nhân 24Mg và 28Si. Luận án Tiến sỹ. Đại học Tổng hợp quốc gia Saint Peterburg, L.B Nga (2000) (Tiếng Nga) Nguyễn Đức Hoà, O.V. Chubinsky, B.B Lazarev. Sự phụ thuộc góc và năng lượng của tenxơ thống kê đối với mức kích thích 2+ trong tán xạ không đàn hồi với năng lượng 5,04-5,11MeV trên hạt nhân 24Mg. Tin Viện hàn lâm khoa học Liên Bang Nga. 63(1999) 143 (Tiếng Nga) TÓM TẮT Bài báo đưa ra kết quả nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ khởi phát thời gian bằng phương pháp suy biến, mà bộ khởi phát này được sử dụng cho hệ đo nghiên cứu tán xạ proton năng lượng thấp. Kết quả nghiên cứu cho thấy khả năng ổn định vị trí xung điều khiển thời gian đo với độ trôi thời gian không vượt quá 1,5ns. THE DEGENTRATIVE TIME TRIGGER USED IN SPECTOMETER TO STUDY THE SCATTERING PROTON Nguyen Duc Hoa University of DaLat SUMMARY The paper shows the study results for designing the time trigger by degereration procedures. It is used for spectrometers to study the scattering of low-energy protons. These results indicate the stability of pulse position conducting measurement time with the drifting time within 1,5ns.