1

การพฒนาอปกรณตรวจวดรงสแกมมาสเปคตรม Development of Detection for Gamma Ray Spectrum Instrument By Rutjaphan Kateklum , IAEA- RCA project บทน า ความเปนมาและความส าคญ

ปจจบนอปกรณหรอเครองมอวดวเคราะหทางนวเคลยรแบบ Pulse High Analyzer (PHA) ใชในการวเคราะหชนดและปรมาณของธาต ในทางดานเทคนควศวกรรมไดน าความสงของ Pulse ทวดไดไปแยกแยะระดบพลงงานตางๆเชงปรมาณและคณภาพ เพอสรางสเปคตรมเพอวเคราะหหาชนดและปรมาณของธาตตางๆซงมอปกรณทนยมใชในงานวเคราะห 2 แบบคอ Multichannel Analyzer ( MCA) และ Single Channel Analyzer (SCA) ซง MCA จะมขดความสามารถในการวเคราะหสงมากเนองจากวเคราะหสญญาณดวยระบบอตโนมต โดยมราคาสงมากกวา SCA หลายเทา แต SCA จะใหผลการวเคราะหชากวาและไมละเอยดเพราะเปนระบบการแยกแยะพลงงานชองเดยวแบบ Manual Control หรอแบบการหมนปรบ E หรอ Window ดงน น เพ อจะเพ มประสทธภาพของการการใชงานและการวเคราะหของ SCA ใหไดใกลเคยงกบระบบวดของ MCA โดยมการพฒนาใหใช SCA วเคราะหสญญาณดวยระบบอตโนมตซงจะท าใหสามารถวเคราะหไอโซโทปทม Half life ยาว และสามารถสรางรปแสดง Spectrum ไดเสมอนระบบการวดแบบ MCA ในราคาจะต ากวาระบบวด MCA มาก

ขนตอนและวธการในการด าเนนงานพฒนา

1. ศกษาคนควาทฤษฎและงานวจยทเกยวของ 2. ออกแบบและพฒนาระบบวดนวเคลยรแตละสวนไดแก ภาคขยายสญญาณหลก

อปกรณวเคราะหความสงของพลสแบบชองเดยว พรอมระบบควบคมการท างานผานพอรต USB ของไมโครคอมพวเตอร

3. ออกแบบและสรางระบบควบคมการท างานผานพอรต USB ของไมโครคอมพวเตอร 4. พฒนาโปรแกรมควบคมระบบวดใหมรปแบบการท างานเปนเครองมอวดนวเคลยร

แบบเสมอน 5. ทดสอบสมรรถนะการท างานกบอปกรณวดรงส

2

หลกการและการด าเนนการพฒนา อปกรณนวเคลยร

ระบบวดนวเคลยรมสวนประกอบส าคญ 4 สวน [1] คอ 1. หววดรงส 2. สวนขยายสญญาณ 3. สวนสรางกระบวนการเกบขอมล 4. สวนแสดงผล องคประกอบทง 4 สวนจะท าหนาทสรางกระบวนการของสญญาณไฟฟา ทไดรบจากอนตรกรยาของอนภาคนวเคลยรจนกระทงแสดงผลการวดในสวนทเปนอปกรณอเลกทรอนกส โดยแบงเปนอปกรณท าหนาทตางๆคอ

1. แหลงจายศกดาไฟฟาแรงสง ปรบคาได (High voltage power supply) 2. อปกรณขยายและแตงรปสญญาณและตดสญญาณรบกวน

2.1 ภาคขยายสวนหนา (Preamplifier) 2.2 ภาคขยายหลก (Main amplifier) 2.3 ดสครมเนเตอร (Discriminator)

3. อปกรณนบรงส 3.1 สเกลเลอร หรอ เคาวนเตอร ( Scaler or Counter)

3.2 เครองตงเวลา (Timer ) 3.3 เรทมเตอร (Rate meter)

4. อปกรณวเคราะหความสงของพลซ (Pulse high analyzer ) 4.1 อปกรณวเคราะหแบบชองเดยว (SCA) 4.2 อปกรณวเคราะหแบบหลายชอง (MCA )

5. อปกรณบนทกผลและแสดงผล 2.1.5.1 เครองพมพ (Printer ) 2.5.1.3 เครองเขยนกราฟ (x-y recorder ) 2.5.1.4 เครองบนทกขอมล (Data recorder )

3

การจดระบบวดนวเคลยร

เพอจดเปนระบบตางๆน นขนอยกบเทคนคทใชวดตนก าเนดรงสและผลของขอมลทตองการแตโดยทวไปแลวหลกของการจดระบบวดแบงออกเปน 2 ระบบใหญคอ

การจดระบบนบอนภาค

ใชวดความแรงรงสประกอบดวย หววดรงสและแหลงจายศกดาไฟฟาแรงสง สวนขยายสญญาณพลสสวนตดสญญาณรบกวน สวนบนทกผลการนบและ แสดงผลในหนวยจ านวนนบตอหนวยเวลาหรอคาเฉพาะCPM หรอ CPS การจดระบบวเคราะหระดบพลงงาน

ใชในงานวเคราะหเชงปรมาณและคณภาพ ประกอบดวยหววดรงสและแหลงจายศกดาไฟฟาแรงสง สวนขยายสญญาณ อปกรณวเคราะหความสงของพลส อปกรณนบและแสดงผลขอมล ผลของการวเคราะหพลงงานจะแสดงในรปของกราฟความสมพนธระหวางจ านวนนบทเปลยนไปเทยบกบระดบพลงงานคาตางๆหรอ สเปคตรม

PREAMP

HV

AMP DISCRIMINATOR COUNTER

TIMER

RATE METER

X-Y RECORDER

DETECTOR

รปท 1 แสดงการจดระบบนบ

4

จากรป แสดงระบบวดนวเคลยรแบบตางๆโดยอยในกลมการจดระบบวดแบบนบอนภาคและระบบวเคราะหระดบพลงงาน

DETECTOR PREAMP

HV

AMP SCA COUNTER

TIMER

รปท 2 แสดงการจดระบบนบแบบชองเดยว

PREAMP

HV

AMP RATE METER

X-Y RECORDER

DETECTOR SCA

SCA SWEEP X

Y

+

-

EXT. LLD.

START

รปท 3 แสดงการจดระบบวเคราะหพลงงานแบบ AUTOMATIC CONTROL SCA

5

รปท 4 แสดงการพฒนาระบบวดของระบบโมดลลาร (Modular) ซงมการปรบพารามเตอรแบบManual function settingใหเปนระบบวดทควบคมดวยไมโครคอมพวเตอรโดยมการปรบพารามเตอรแบบ Computer function setting ซงสามารถควบคมใหเปนระบบอตโนมตได

HV

PREAMP A M P

C O U N T

S C A

R A T E

X-Y Recorder

INTERFACING BOX

HV

PREAMP

NIM

รปท 4 แสดงการเปรยบเทยบการจดระบบเครองมอวดนวเคลยร

DETECTOR

DETECTOR

AMP = Amplifier SCA = Single Channel Analysis COUNT = Counter RATE = Rate meter

6

อปกรณตางๆมหลกการดงน 1. หววดรงสชนด scintillation หววดรงสชนดซนทลเลชน เปนหววดรงสทมกระบวนการวดรงสทางออม มโครงสรางประกอบดวยสวนส าคญ 2 สวนคอ สวนทรยอนตรกรยาและเกดประกายแสง ( Scintillator) ตอเชอมกบสวนทท าหนาทเปลยนประกายแสงเปนสญญาณอเลกตรอนและทวปรมาณอเลกทรอน (Photomultiplier tube, PMT) ซงหอหมไวดวยภาชนะปดปองกนแสงสวางจากภายนอกและบรเวณหลอดทวคณอเลกทรอน(PMT)จะหอหมไวดวยแผนกนสนามแมเหลก (mu-metal) เพอปองกนการรบกวนสนามแมเหลกซงจะท าใหกลมอเลกทรอนเบยงเบนจากบรเวณไดโนด ( dynode)

ขนตอนการท างานของหววดรงสชนดซนทลเลชน

1. เมออนภาคนวเคลยรตกกระทบซนทลเลเตอรจะเกดประกายแสงขน ณ บรเวณทมการถายโอนพลงงาน

2. แสงทเกดขนสวนหนงจะสะทอนกลบโดยตวสะทอน ( Reflector) และสวนหนงจะสงตรงไปยงตวน าแสง ( light guide) ผานไปยงโฟโตแคโทด ( photocathode) ภายในหลอดทวคณอเลกทรอน

3. โฟโตอเลกทรอน ( Photoelectrons) จะถกปลดปลอยจากโฟโตแคโทดตรงไปยงไดโนดและถกทวคณดวยสวนทวคณอเลกทรอน( electron multiplier)

4. ปรมาณอเลทรอนทถกรวบรวมบนแอโนดจะสรางพลสของกระแสขนทอนพทของภาคขยายสญญาณสวนหนา ( Preamplifier)

ปรมาณประจ Q ทปรากฎบนแอโนดหรอไดโนดตวสดทายของหลอดทวคณอเลกทรอนจะเปนสดสวนกบพลงงานของอนภาคนวเคลยร เนองจากความเขมของประกายแสงแตละครงขนกบพลงงานทถายโอนใหซนทลเลเตอร ดงนนถาให Ne เปนจ านวนโฟโตอเลกทรอนทปลอยจากโฟโตแคโทดและ M เปนคาทวคณอเลกทรอนของหลอดททวคณอเลกทรอนในการวดรงสแตละครง Q จะมคาเทากบ Q = 1.6 x 10-19 M Ne

2. แหลงจายไฟฟาแรงสง( HV. Power supply)

หววดรงสทกชนดจะก าเนดสญญาณพลซ ซงเปนตวแทนของอนภาคนวเคลยรหลงการดดกลนพลงงานไดสมบรณ จะตองไดรบการไบอสทถกตองและเหมาะสมกบหววดรงส เนองจากหววดรงสแตละหวตองการคาทเหมาะสมของศกดาไฟฟาและกระแสตางกน อก

7

ทงตองการเสถยรภาพของศกดาไฟฟาทางเอาทพท ดงนนแหลงจายศกดาไฟฟาแรงสงจะตองออกแบบไวใหมคณสมบตดงน

1. แหลงจายไฟฟาแรงสง จะตองปรบคาศกดาไฟฟาทางเอาทพทไดในชวง 0-3000 โวลท เพอจะไดจดคาทเหมาะสมของหววดรงสแตละหวได

2. ตองจายกระแสไฟฟาไดเพยงพอแกหววดรงสแตละชนดในชวง 100 uA-10 mA ทงนขนอยกบวงจรไฟฟาของหววดรงส

3. ตองมเสถยรภาพในการรกษาศกดาไฟฟาทางเอาทพทใหคงท ณ จดทตงไว โดยไมเปลยนแปลงตามอณหภมแวดลอม หรอการกระเพอมของแรงดนไฟฟาในสาย 220 โวลท

4. ตองการก าจดสญญาณรบกวน จากความถไฟฟา 50 Hz และการกระเพอมของแรงดนจากวงจรเรยงกระแส ( ripple) รวมทงสญญาณรบกวนภายนอกอนๆ ทงนเนองจากแหลงจายศกดาไฟฟาแรงดนสงมความส าคญตอการก าเนดสญญาณพลซทหววดรงสมาก ถามการกระเพอมหรอรบกวนจากสญญาณภายนอกผานเขาไปกบไบอสของหววดรงส จะมผลท าใหสญญาณพลซจากหววดเกดการเลอนระดบของความสงทระดบพลงงานเดยวกน บนเสนฐานศนย (Zero base line) ท าใหการแยกความสงของระดบพลงงานจะเลวลง

ในระบบวดทางนวเคลยรทไมตองการเสถยรภาพในการวดมากนกแหลงจายศกดาไฟฟาแรงสงอาจก าเนดอยางงายไดจากการเพมศกดาไฟฟาจาก 220 โวลทเปนศกดาไฟฟาแรงสงกระแสสลบโดยใชทรานสฟอรมเมอรแบบเพ มศกดา ( Step up Transformer) แลวใชไดโอดเรยงกระแสสลบใหเปนไฟฟากระแสตรง และกรองความถดวยคาปาซเตอร แตผลทไดรบคอ เมอศกดาไฟฟาทางเขากระเพอมหรอถกรบกวน ศกดาแรงสงแระแสตรงทางออกกจะกระทบกระเทอนดวย นอกจากนพลซกระแสตรงความถต าท 50 Hzยงยากตอการท าใหเรยบ( filter) ดวยคาปาซเตอรขนาดเลกๆ เพอใหไดประสทธภาพในการก าเนดศกดาไฟฟาแรงสง ท งดานเสถยรภาพของศกดาไฟฟาทางเอาทพทและการก าจดรปเปล รวมทงการปรบคาศกดาไฟฟาโดยไมเกดการกรรโชกของเอาทพท จงมการใชวงจรอเลกทรอนกสทท างานดวยความไวสงเขาชวย แหลงจายไฟสงประกอบดวย แหลงจายไฟฟาแรงดนต ากระแสตรงแบบคงท วงจรก าเนดความถ วงจรขยาย ทรานสฟอรมเมอรแบบเพมศกดาซงมแกนเปนเฟอร

8

ไรท ( ferrite core) เพอตอบสนองการท างานทความถสง วงจรทวแรงดน ( Voltage multiplier) วงจรกรองรปเปล และวงจรควบคมศกดาไฟฟาทางออกใหคงท หลกการท างาน แหลงจายศกดาไฟฟาแรงดนต าจะท าหนาท เปลยนศกดาไฟฟา 220 โวลท 50 Hz ใหเปนไฟฟากระแสตรงทมศกดาไฟฟาต าและคงท ไปเลยงสวนตางๆของวงจร วงจร-ก าเนดความถจะเปลยนไฟฟากระแสตรงใหมความถ 1-10 kHz ( เพอสะดวกตอการก าจดรบเปล) สงใหภาคขยายขบทรานสฟอรมเมอรแบบเพ มศกดาทางขดปฐมภม ทางขดท ตยภ มจะใหศกดาไฟฟาแรงสงความถสงกระแสสลบ แตการก าเนดศกดาไฟฟาแรงสงดวยทรานสฟอรมเมอรมขดจ ากดอยทคณสมบตในดานฉนวนไฟฟาของเสนลวดและโครงส าหรบพน ดงนนการสรางศกดาไฟฟาแรงสงมากๆ จะตองอาศยวงจรทวแรงดนไฟฟาเขาชวย ท าใหไดแรงดนไฟฟาทางออกสงเปนทวคณสงใหวงจรกรองรปเปล ศกดาไฟฟาแรงสงทางออกจะถกควบคมใหคงทเมอเกดการดงกระแสไฟฟาไปใชในหววดรงส โดยการท างานของวงจรควบคมแรงดน ซงจะสมสญญาณ( Sampling)บางสวนจากเอาทพทของแหลงจายและท าการชดเชยแรงดนทางออกใหคงท รวมทงตรวจสอบแรงดนอางองเพอการปรบคาแรงดนทคาตางๆไดดวย

3. อปกรณขยายสญญาณ (Amplifier) อปกรณขยายสญญาณทางนวเคลยรมคณสมบตเปนอปกรณขยายสญญาณพลซแบบเชงเสน ( Linear pulse amplifier) มหนาทหลก 2 ประการคอ ขยายและแตงรปสญญาณพลซ ซงมการเปลยนแปลงทางความสงในรปของระดบแรงดนไฟฟา เปนสดสวนกบระดบพลงงานตางๆดงนนการพจารณาอตราขยาย ( Amplifier factor) จะกลาวในเรองของ Voltage gain( Av) ซงมคาเทากบอตราสวนของสญญาณทางเอาทพท( Vo) กบสญญาณทางอนพท (Vi) Av = Vo Vi เมอเปลยนคา Av จะสามารถจดระดบสญญาณทางเอาทพท ( Vo) ใหตรงกบสเกลของอปกรณวเคราะหความสงของพลซทเราตองการจะปรบเทยบได สวนขยายนแบงออกเปน 2 ภาค คอ 1. ภาคขยายสวนหนา( Preamplifier)

ในระบบวดนวเคลยร ภาคขยายสวนหนาจะตองมคณสมบตเปนภาคขยายทมอมพแดนซทางอนพทสง ( High Zi) และมอตราการขยายแรงดนประมาณ 1 ท า

9

หนาทเปนตวแมทซระหวางหววดรงสกบภาคขยายหลก เพอลดผลของการเกดการสญเสยสญญาณทางอมพแดนซ โดยปกตภาคขยายสวนหนาจะอยตดกบหววดรงส เพอลดการสญเสยสญญาณในความจของสายสงและสดการรบกวนของสนามไฟฟาภายนอกดวย แบงออกเปน 2 ชนด

- ภาคขยายทไวตอการเป ลยนแปลงของแรงดน ( Voltage sensitive amplifier)

- ภาคขยายทไวตอการเปลยนแปลงของประจ ( Charge sensitive amplifier)

2. ภาคขยายหลก ( Main amplifier) ภาคขยายหลกเปนสวนขยายซงรบสญญาณพลซ จากภาคขยายสวนหนา ท าหนาทขยายและแตงรปสญญาณใหเหมาะสมกบการน าไปวเคราะหความสง มอตราการขยายแรงดน(Voltage gain) ในชวง 100-5000 เทา เกนนสามารถปรบไดในชวงกวางดวยการปรบเปนขนๆ และแตละขนมการปรบละเอยด เพอใหมการเปลยนเกนแบบเชงเสนตอเนองกน ท าใหสามารถจดระดบความสงของพลซทางออกสมพนธกบสเกลของอปกรณวเคราะหตามความตองการ สญญาณพลซซงถกขยายแลวจะไดรบการแตงรปสญญาณกอนน าไปวเคราะห การแตงรปสญญาณมความส าคญ ตอการว เคราะหความสงของพลซ และการนบพลซทางนวเคลยรมาก เนองจากสญญาณพลซมลกษณะเปนพลซยอดแหลม ซงมชวงเวลาส นมากไมเปนการสะดวกตอการวดความสงของพลซ นอกจากนเวลาขาลงของพลซใชเวลานาน ( ในภาคขยายสวนหนาจะประมาณ 50 µsec) ท าใหพลซทเขามาในชวงเวลาใกลกนเกดการซอน ระหวางขอบขาขนของพลซทตามมากบสญญาณหางของพลซตวแรกทก าลงสลายเปนเหตใหเสนฐานศนยเลอนขน ( pile up) และสญญาณถกตดยอด ( clip ) ในทสด ไมสามารถแยกพลซแตละลกได ดงนนจงตองมการแตงรปสญญาณดวยวงจร CR และ RC ผลทไดรบคอ รปสญญาณพลซทางเอาทพทของภาคขยายหลกจะมรปรางเปนพลซแบบเกาสเซยน มความกวางของพลซแคบลงมชวงเวลาขาขนและลงทพอเหมาะ ท าใหการวเคราะหความสงของพลซงายขน เนองจากจดยอดมจดเปลยน slope ชดเจน และพลซแตละลกแยกกนบนเสนฐานศนย การปรบอตราการขยายแรงดน เพอปรบเทยบความสงของพลซกบสเกลมาตรฐานของระดบพลงงานในอปกรณวเคราะหความสงของพลซน น มาตรฐาน ก าหนดยานการขยายเชงเสนของภาคขยายหลกไว 0-10 โวลท สมพนธกบชวงพลงงานสงสดทตองการวเคราะหดงนนการปรบอตราขยาย ( Vo = AvVi)

10

ให Vo หรอพลซทตองการวเคราะหอยในชวง 0-10 โวลท ชวงระดบความสงของพลซจะเปนสดสวนกบระดบพลงงาน แตถาป รบอตราการขยายเกนความสามารถในการขยายแรงดนสงสด จะท าใหพลซท Vo ถกตดยอด เนองจากการอมตวของภาคขยาย ณ แหลงจายก าลงไฟฟา

4. ดสครมเนเตอร (Discriminator) ดสครมเนเตอรเปนอปกรณซงท าหนาทตดสญญาณรบกวนท ไมตองการในระบบนบอนภาคนวเคลยร สญญาณพลซทรบกวนในระบบวด เกดจากสงรบกวนทางไฟฟา ( noise) หรอการรบกวนจากแบคกราวดทมระดบพลงงานต าๆ เพอใหระบบนบท างานสมบรณจงตองมการตดสญญาณรบกวนทไมสนใจออก โดยปกตอปกรณดสครมเนเตอรจะตอไวหลงจากภาคขยายสญญาณและใหเอาทพทเปนลอจกพลซไปบนทกจ านวนนบอนภาคในสเกลเลอร (Scaler) เมอระดบพลงงานของอนภาคสงกวาระดบต าสด (Threshold) ทต งไว ซงเรยกวาระดบดสครม เนชน ระบบการจดดสครม เนเตอรแบบน เปนแบบ Integral discriminator

5. อปกรณวเคราะหแบบชองเดยว (Single chanel analyzer) เปนอปกรณนวเคลยรซงท าหนาทวเคราะหแบบชองเดยวซงมขด ความสามารถ วเคราะหไดครงละ 1 ชอง สเกลของระดบพลงงานดวยการหมน เลอนชองของ หนาตาง (∆E) ซงตงจากผลตางของดสครมเนเตอร 2 ระดบคอ ULD- LLD เพอท าการแยกจ านวนนบทแตละระดบความสงของพลซ ในเวลา เทาๆกน ทกจดแลวน าขอมลจ านวนนบทระดบความสงของพลซตางๆมาพลอต เปนกราฟ ของสเปคตรมทวดได จะเหนวาตองใชเวลาในการวเคราะหนานเทากบ จ านวนชอง สเกลทเลอนตอเนองกนคณดวยเวลาทตงนบแตละจด จงไมเหมาะ ส าหรบวเคราะห เชงคณภาพของไอโซโทปทมครงชวตสน อปกรณวเคราะหแบบชองเดยว ประกอบดวยสวนส าคญหลก 2 สวน คอ

1. ดสครม เนเตอร 2 ระดบ (upper และ lower level discriminator ,ULD และ LLD) และ2 วงจรแอนตอนซเดนซ ( Anticoincidence) วธการแยกระดบความสงของพลซใน SCA อาศยหลกการเปรยบเทยบศกดาไฟฟาระหวางความสงของพลซกบคาศกดาไฟฟามาตรฐานซงปรบคาได 0-10 โวลท ระดบของศกดาไฟฟาทปรบคาไดเปนของดสครมเนเตอร 2 ระดบคอ ULD และ LLD ผลตางของระดบศกดาไฟฟาท งสองคอคอ ULD-LLD มคาเท ากบ (∆E) เรยกวาหนาตาง เปนชองซงท าหนาทเสมอนชองแยกนบจ านวนอนภาคทระดบความสงของพลซคาตางๆใหกบอปกรณนบ (Scaler) ในรปของสญญาณลอจก

11

ซงการแยกนบดวยวธนเรยกวา differential discriminator ลอจกเอาทพทจะสงเขาอปกรณนบเฉพาะพลซซงมความสงอยในชวงของ ∆E เทานน

สวนส าคญหลกของการแยกระดบความสงของพลซใน SCA คอ Differential discriminator ระดบดสครมเนชนของ ULD และ LLD เปรยบเสมอนก าแพงทางไฟฟาทงบนและลาง เหลอเปนชองหนาตางไว เพอใหอปกรณนบมองผานชองหนาตาง เพอนบพลซทมความสงใสชอง หนาตางเทานน การท างานของ SCA เปนการประยกตการท างานดสครมเนเตอร และ แอนตโคอนซเดนซเกทเขาดวยกน ในสวนของดสครมเนเตอรของ SCA จะ จดเปน 2 ระดบ แตละระดบมแรงดนอางอง ปรบคาได 0-10 โวลท อสระจาก กน ดสครมเนเตอร A จะตองจดระดบแรงดนต ากวา B เสมอเพอตดสญญาณ พลซทความสงต ากวาระดบทเลอก จงเลอกวาดสครมเนเตอรระดบต า ( LLD) และขณะเดยวกนดสครมเนเตอร B จะตองจดระดบแรงดนอางองไวสงกวา A เสมอ เพอตดระดบสญญาณพลซทมความสงเกนระดบทเลอก ซงเรยกวา ULD จะเหนวาระดบทเลอกสญญาณของ ULD และ LLD จะตางกนอยชวงหนง ซง สญญาณจะผานเฉพาะชวงนเทานนเรยกวา ชองหนาตาง (∆E หรอ window) เมอ ∆E มชองแคบกหมายถงการเลอกความสงของพลซละเอยดมาก ถา ∆E ม ความกวางมากเกนไปความสงของพลซทใกลเคยงกนจะผานชอง ∆E ได ท า ใหไมสามารถแยกระดบไดละเอยด ในการวเคราะหความสงของพลซตลอด ชวงท สนใจจะตองเรมปรบ LLD และ ULD ใหไดรบผลของ ∆E คงทจาก ระดบต าไปหาสง จนสนสดระดบความสงของพลซทตองการวเคราะห

เครองมอแบบเสมอน ( Virtual Instrument )

เครองมอแบบเสมอน ( Virtual Instrument หรอ VI ) [10]โดยค าวา “ เสมอน “ บงบอกถงการท ซอฟแวรกระท าการเลยนแบบทางกายภาพของเครองมอโดยตรวจวดและประมวลผลจากปรากฏการณ ท เกด ขนแทจรงซ งมความแตกตางจากเค รองมอเฉพาะทาง คอ VI จะใชไมโครคอมพวเตอรซงปจจบนมความเรวในการประมวลผลสงดงนนจงใหความหลากหลายของงานโดยขนกบซอฟแวรทใช

ค าจ ากดความ (Definition ) [10] เค รองมอเสมอน (Virtual Instrument) คอ แนวทางเครองมอวดทมอยเดมน ามาประยกตเพมสวนของฮารดแวรและซอฟแวรกบไมโครคอมพวเตอรซง

12

ใชเตรยมการเชอมโยงสงการผานรปกราฟก (Visual user interface) หรอหนาปทมเสมอน (Virtual panel) บนหนาจอคอมพวเตอรสเครองมอ

จากรปท 5 ประกอบดวยสวนตางๆคอ 1. สวนท เปน transducer หรอ detector, sensor ท าหนาทแปลงพลงงานทางกลเปน

สญญาณทางไฟฟาและสวน signal conditioning accessories ( attenuators , amplifier , filter, ) ท าหนาทขยายและปรบแตงสญญาณทางไฟฟา

2. ส วน ท เป น data acquisition board ( sampler, A/D converter ) เป น ส วน ท แปลงสญญาณอนาลอกเปนสญญาณระดบดจตอลและสมสญญาณ

3. สวนทเปนไมโครคอมพวเตอร 4. สวนทเปนซอฟแวร ( data acquisition board control, processing , user interface )

โดยอธบายสวนทเปนซอฟแวรซงมลกษณะการปฎบตการควบคมและแสดงผลเลยนแบบ

เครองมอทางกายภาพวตถ เชนออสซลโลสโคป (Oscilloscopes) หรอมลตมเตอร (Multimeter) โดยใชฟงกชนในการประมวลสญญาณ ทางอนพทและแสดงผลสคอมพวเตอร

SENSOR SIGNALCONDITION

CONTROLSOFTWARE

PERSONALCOMPUTER

INTERFACESOFTWARE

OTHERPROCESSING

USER

DAQBOARD OUTPUT

รปท 5 แสดงแผนผงทวไปของเครองมอเสมอน

DAQ = DATA ACQUISTION BOARD

13

ระบบควบคมและการเขยนโปรแกรม อปกรณอเลกทรอนกสในปจจบนจะถกควบคมดวยคอมพวเตอรเลกๆหรอทเรยกวา ไมโครโปรเซสเซอรเกอบท งสน ในปจจบนเรยกวา Embedded System ระบบควบคมดวยคอมพวเตอรจะตองมหนวยประมวลผลกลางทเรยกวาไมโครโปรเซสเซอรเปนหวในหลกในการท างาน การน าไมโครโปรเซสเซอรมาใชงานจะตองมการเขยนโปรแกรมควบคมการท างานและมหนวยความจ าส าหรบเกบโปรแกรมและขอมลทไดจากการประมวลผล และจะตองมพอรต I/O ส าหรบใหระบบตดตอกบอปกรณภายนอก แตถาหากใชไมโครคอนโทรลเลอรจะมหนวยความจ าและพอรตอยภ ายในตว ชป ท เรยกวา Single-chip microcontroller หรอคอมพวเตอรชปเดยว ท าใหการใชงานท าไดเพยงแตตออปกรณทจ าเปนภายนอกเทานน การทระบบไมโครคอนโทรลเลอรจะท างานไดจะตองมการปอนชดค าสงใหท างาน การน าค าสงหลายๆค าสงมาตอเรยงกนจะเรยกวาการโปรแกรม โดยภาษา Assembly ถอวาเปนภาษาพนฐานทสดทจะท าใหไมโครคอนโทรลเลอรท างาน ในปจจบนไดมการน าภาษาระดบสงมาใชในงานไมโครคอนโทรลเลอรมากขนเนองจากเขยนไดงายคลายภาษามนษย การเขยนโปรแกรมดวยภาษาระดบสงนนจะตองมตวแปลภาษา (Complier) เพอแปลภาษาทเขยนใหเปนภาษาเครองของชปตวนนอกทหนง โดยอยในรปของ Hex file แลวน าไปโปรแกรมใหชปท างาน ปจจบนการพฒนางานไมโครคอนโทรลเลอรไดมการใชภาษาระดบสงในการเขยนโปรแกรมมากขนและมแนวโนมมากขนเรอยๆ งานทเขยนดวยภาษา Assembly ทโปรแกรมมความยาวประมาณ 10 หนากระดาษ เมอเขยนดวยภาษาระดบสงแลวอาจท าใหความยาวเหลอเพยง 2 หนากระดาษเทานน โดยการเขยนโปรแกรมจะเรมจากเขยนบนเครองคอมพวเตอร PC และแปลให เปนภาษาเครองในรปแบบ Hex file จากน นน าไปโปรแกรมลงบนระบบคอมพวเตอรใหระบบท างาน โดยภาษาระดบสงทนยมใชกนคอภาษาซเนองจากมขอดตางๆหลายประการ การเขยนโปรแกรมดวยภาษาซนสามารถเชอมตอกบภาษา Assembly ไดเปนอยางด เนองจากภาษาซมการท างานใกลเคยงกบภาษา Assembly มากทสด ท าใหการเขยนโปรแกรมดวยภาษาซสามารถเขยนภาษา Assembly รวมไปไดเรยกวา In-line Assembly และเนองจากภาษาซเปนภาษาทใชการเขยนโปรแกรมแบบโครงสราง ( Structured language) ท าใหเราสามารถสรางฟงกชนตางๆเกบไว และน ามาเรยกใชในภายหลงได ท าใหการพฒนาโปรแกรมใหญๆท าไดงายและเรวขน

14

AMP SCA

DAC1

ULD

DAC2

LLD

MICRO

CONTROLLER

detector

PRE AMP

PC

HV

Radiation source

Signal In

LLD

ULD

I2C

USB to Serial

Scintillation Detector

SCA out

to count

โครงสรางของระบบวดเครองมอนวเคลยรประกอบดวยสวนส าคญตางๆดงน

1. อปกรณวดรงสสวนหนา ( Detector ) ไดแกหววดรงสแกมมา 2. ระบบวดปรมาณรงส ( Measuring system ) ประกอบดวยวงจรยอยๆไดแก

แหลงจายไฟฟาศกดาสง วงจรขยายสญญาณพลส วงจรวเคราะหพลงงานแบบชองเดยว

3. ระบบเชอมโยงสญญาณวด (Data interface) ไดแกวงจรรบสงขอมลจากพอรต USB ของคอมพวเตอรแปลงเปน Serial (USB to Serial)

4. ระบบป ระม วลผลขอม ล ว ด (Data processing) ท ค วบ ค ม ก ารท างาน ด ว ยไมโครคอนโทรลเลอร

รปท 6 โครงสรางสวนประกอบของอปกรณวดนวเคลยรทพฒนาขน จากแผนภาพรปท 6 เครองมอวดนวเคลยรแบบเสมอนมการท าางานของระบบดงน

1. อปกรณวดสวนหนาซงประกอบดวยหววดรงสแบบเรองรงส เมอหววดรงสไดรบไบอสจากแหลงจายไฟฟาศกดาสงทเหมาะสมจะเกดกระบวนการวดรงสทตกกระทบหววดรงสโดยรงสจะท าอนตรกรยากบผลกเรองรงส ( scintillator ) เกดประกายแสงทมความสวางเปนสดสวนกบพลงงานของรงส ปรมาณแสงทเกดขนจะถกเปลยนเปนสญญาณอเลกตรอน และไดรบการทวปรมาณอเลกตรอนดวยหลอดโฟโตมลตพลาย

15

เออร( PMT ) เกดเปนสญญาณพลสทมความสงเปนสดสวนกบระดบพลงงานของรงสทสงไปวดปรมาณรงสในระบบวดรงส

2. ระบบวดปรมาณรงส จะท าหนาทรบสญญาณพลสจากอปกรณวดสวนหนามา

ขยายใหไดสญญาณทมอตราสวนของสญญาณพลสสงกวาสญญาณรบกวน (S/N) ดวยการขยายพรอมแตงรปสญญาณในวงจรขยายสญญาณพลส สญญาณพลสทมขนาดความสงของพลสเปนสดสวนกบระดบพลงงาน จะไดรบการวเคราะหพลงงงานดวยวงจรวเคราะหความสงของพลสซงตงคาศกดาไฟฟาอางองของชองวเคราะหพลงงานไวเฉพาะคาทตองการ สญญาณลอจกทผานออกมาจากชองวเคราะหพลงงานจะถกนบอตราพลสดวยวงจรเคาวเตอรภายในไมโครคอนโทรลเลอร

3. ระบบเชอมโยงสญญาณวดซงวงจรเชอมโยงกบพอรตUSB ของคอมพวเตอรโดยรบขอ มลจากไมโครคอมโทรลเลอรน าเขาไปประมวลผลทคอมพวเตอรและสงขอมลควบคมวงจรวเคราะหความสงของพลสแบบชองเดยวโดยขอมลเชงเลขจะผานสวนพอรตของไมโครคอนโทรลเลอรเพอท าการประมวลขอมลวด

4. ระบบประมวลขอมลวด ควบคมการท างานดวยไมโครคอนโทรลเลอรท าหนาทในการประสานจงหวะการรบสงขอมลใหสอดคลองกนของขอมลจากพอรตขนานของคอมพวเตอร การควบคมแปลงศกดาไฟฟาจากเรตมเตอรใหเปนขอมลเชงตวเลขของปรมาณรงส การควบคมและสรางแรงดนจาก Digital to analog conversion ( DAC ) ใหแกวงจรวเคราะหความสงของพลสแบบชองเดยว และการจดระบบวดนวเคลยร

รปท 7 แสดงอปกรณทไดพฒนา

DAC

MCU

SCA

+AMP

16

รปท 8 แสดง Spectrum Cs-137 , automatic control processing of SCA

17

รปท 9 Scintillation detector for the systems

18

รปท 10 วงจรขยายสญญาณพลสและวเคราะหความสงของพลสแบบชองเดยว

19

แหลงจายไฟฟาศกดาต า

วงจรแหลงจายไฟฟาศกดาต าในรปประกอบดวย แหลงจายไฟฟากระแสตรง 4 ชด ดงน ศกดาไฟฟา 12 โวลต 1.0แอมแปร ส าหรบจายใหวงจรขยายสญญาณพลสและวงจรทใชไอซประเภทลเนยรศกดาไฟฟา 5 โวลต 1.0 แอมแปร ส าหรบจายใหวงจรอนเทอรเฟส วงจรไมโครคอนโทรลเลอร และวงจรทใชไอซประเภท TTL

รปท 11 แหลงจายศกดาไฟฟาต า

20

รปท 12 แสดงวงจรควบคมไมโครคอนโทรลเลอร (MCU)

21

รปท 13 แสดงวงจร DAC

22

การทดสอบสมรรถนะและการท างานของเครอง

เครองมอวดนวเคลยรแบบเสมอนทพฒนาขนเปนระบบทรวมกนของ วงจรขยายสญญาณพลส วงจรวเคราะหพลงงานแบบชองเดยว รวมเปนระบบนบอนภาคและระบบวเคราะหพลงงาน โดยการควบบคมของไมโครคอนโทรลเลอรซงเมอประกอบเครองวดสมบรณแลวไดท าการทดสอบระบบตางๆดงน

1. ทดสอบวงจรภาคขยาย 2. ทดสอบวงจรวเคราะหพลงงานแบบชองเดยว 3. ทดสอบระบบวเคราะหพลงงาน

3.1 Chi-square testing 3.2 Spectrum test

1. การทดสอบวงจรภาคขยาย เครองมอและอปกรณ

1. เครองก าเนดสญญาณเลยนแบบหววดรงส ( Pulser ) ของ Canberra รน 807 2. เครองอานสญญาณไฟฟา ( Oscilloscope) ของ HAMEG 3. อปกรณในสวนขยายสญญาณพลสทพฒนาขน

ขนตอนการทดสอบ

รปท 16 แผนภาพการจดอปกรณทดสอบวงจรขยายสญญาณพลส

PULSER AMP&SCA

Board

OSCILLOSCOPE

23

1. จดอปกรณทดสอบดงแผนภาพ 2. ทดสอบการตอบสนองสญญาณพลสของวงจรขยายโดยปอนสญญาณพลสขา

ขนขนาด 200 มลโวลต ใหกบอปกรณขยายสญญาณพลส อานรปสญญาณจากอปกรณในสวนขยายสญญาณพลสหลงการปรบ pole zero cancellation

3. ทดสอบความเปนเชงเสนของอตราขยาย โดยต งอตราขยายคงทและแปรเปลยนขนาดสงของสญญาณพลสทางเขาจากอปกรณก าเนดสญญาณเลยนแบบหววดรงส บนทกผลในตารางและค านวณอตราขยาย

ผลการทดสอบ

ผลการทดสอบการตอบสนองสญญาณพลสของวงจรขยายสญญาณในรป มความเปนเชงเสนของอตราขยายดงเสนกราฟ

สญญาณพลส ทางเขา ( V )

สญญาณพลส ทางออก ( V )

อตราขยาย

0.11. 2 18.18

0.16 3 18.12 0.219 4 18.05 0.28 5 17.85 0.33 6 17.95 0.39 7 17.89 0.439 8 17.91 0.50 9 18.00 ตารางแสดงผลทดสอบความเปนเชงเสนของอตราขยาย

24

รปท 17 เสนกราฟความเปนเชงเสนของอตราขยาย การทดสอบวงจรวเคราะหพลงงานแบบชองเดยว

เครองมอและอปกรณ 1. เครองก าเนดสญญาณเลยนแบบหววดรงสของ ORTEC รน 448 2. เครองวดสญญาณไฟฟา (Oscilloscope) รน Tektronix 2236 3. ระบบนบรงสทพฒนาขนไดแกวงจรขยายสญญาณพลสและวงจรวเคราะหพลง งานแบบชองเดยว

ขนตอนการทดสอบ การทดสอบวงจรวเคราะหพลงงานแบบชองเดยวเปนการทดสอบความเปนเชงเสนของสเกลศกดาไฟฟาอางองของ LLD และ Δ E

รปท 18 แผนภาพการจดอปกรณทดสอบวงจรวเคราะหพลงงานแบบชองเดยว

Pulser Amp &SCA Board

Oscilloscope

0

10

20

30

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

INPUT

GAI

N

25

ผลการทดสอบ 1. ผลการสอบเปนเชงเสนของสเกลศกดาไฟฟาอางองของ LLD แล ะ Δ E ใหผลดงน

ความสงของพลส

สเกล LLD(V)

1.0 0.30 2.0 0.92 3.0 1.22 4.0 1.83 5.0 2.44 6.0 2.74 7.0 3.34 8.0 3.65 9.0 4.26 10.0 4.56

ตารางแสดงผลทดสอบความเปนเชงเสนของสเกล LLD

ความสงของพลส

สเกล Δ E (V)

1.0 0.915 2.0 1.218 3.0 1.826 4.0 2.438 5.0 2.738 6.0 3.34 7.0 3.64 8.0 4.25 9.0 4.55

26

ตารางแสดงลทดสอบความเปนเชงเสนของสเกล

รปท 20 เสนกราฟความเปนเชงเสนของสเกลศกดาไฟฟาอางอง LLD แล ะ Δ E

0123456

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

LLD & WINDOW

PULS

E H

IGHT

27

การทดสอบแบบ Chi-square Count C-Mean (C-Mean)2 3038 40.2 1616.04 2891 -106.8 11406.24 2955 -42.8 1831.84 2920 -77.8 6052.84 3090 92.2 8500.84 2962 -35.8 1281.64 3060 62.2 3868.84 3046 48.2 2323.24 3057 59.2 3504.64 2986 -11.8 139.24 3073 75.2 5655.04 2948 -49.8 2480.04 2912 -85.8 7361.64 2947 -50.8 2580.64 3026 28.2 795.24 2892 -105.8 11193.64 3008 10.2 104.04 3075 77.2 5959.84 2988 -9.8 96.04 3082 -84.2 7089.64 59956 3.64E-12 83841.2

Mean = 2997.8

chi-square =83841.2/2997.8

= 27.967 Except 10.1 -30.1 ตารางแสดงการทดสอบ Chi-square Spectrum test

28

สรปผลการพฒนา

จากผลการพฒนาเครองมอวดนวเคลยรบนไมโครคอมพวเตอรไดขอมลสรปดงน 1. ผลการพฒนาเครองตนแบบนพบวามความเปนไปไดในการทจะพฒนาเครองมอ

วดนวเคลยรแบบเสมอนบนไมโครคอมพวเตอรโดยใชวสดและอปกรณทหาไดภายในประเทศเปนสวนใหญ ยกเวนตนก าเนดรงสและหววดรงสเทานนทจ าเปนตองสงซอจากตางประเทศโดยตรง นอกจากนในปจจบนผน าเขาอปกรณและชนสวนอเลกทรอนกสมการน าเขาผลตภณฑทนสมยและมคณภาพสงท าใหการออกแบบเพอประกอบเครองมอวดมขนาดกระทดรดและมความเชอมนในการท างานสงขน

2. การใชไมโครคอนโทรลเลอรควบคมการท างานของระบบวดและประมวลผลการวดปรมาณรงสจะชวยลดความซบซอนของวงจรอเลกทรอนกสลง รวมทงลดการสญเสยเวลาในการออกแบบวงจรอเลกทรอนกสและแผนพมพวงจรและเนองจากเทคโนโลยความกาวหนาในการโปรแกรมสไมโครคอนโทรลเลอรทกาวหนาท าใหมความสะดวกและยดหยนมากขนในการพฒนาโปรแกรมมอนเตอรส าหรบควบคมการท างานของระบบ

3. การพฒนาโปรแกรมเครองมอวดแบบเสมอนเพอควบคมการท างานและแสดงผลของขอมลตางๆจะชวยใหสามารถเพมสมรรถนะของระบบไดอยางมากเนองจากออกแบบโปรแกรมตามความตองการของผใชงานไดไมจ ากดท าใหระบบสามารถขยายออกไปไดมากตามการประยกตของการเขยนโปรแกรม

4. เนองจากอปกรณวดรงสแกมมาสเปคตรมทพฒนาขนมานใชวดส าหรบไอโซโทปทม Half life ยาว เนองจากตองใชเวลามากในการเกบขอมลเขาประมวลผลในระบบควบคมไมโครคอนโทรลเลอร ( MCU) ดงนนเพอใหเพมประสทธภาพของเวลาในการประมวลผลเพอใหวดไอโซโทปทม Half life สนไดด ดงนนการพฒนาตอยอดอปกรณวดรงสแกมมาสเปคตรมนโดยปรบปรงระบบ Acquisition ใหมสมรรถนะความเรวและหนวยความจ ามากขน การพฒนาอปกรณวดนวเคลยรทมอยในปจจบนใหมความสะดวกในการใชงาน มประสทธภาพและคณภาพในการวดเพมขน สามารถประยกตใชในเครองมอวดรงสในงานก ากบความปลอดภย เครองมอวดรงสทางการแพทยเชนเครองวด Thyroid Uptake หรอประยกตในงานอตสาหกรรม สามารถใชอปกรณวดชนด SCA ทมอยน ามาใชประโยชนไดเตมประสทธภาพ ทงลดการน าเขาเครองมอนวเคลยรจากตางประเทศ เปนการตอยอดองคความรทมอยใชใหเปนประโยชน และใชเปนตนแบบในการเผยแพรองคความรกระบวนการท างานของเครองมอนวเคลยรในการสรางความเขาใจกบนกเรยน นกศกษา นกวจย ผปฏบตงานดานนวเคลยรหรอผทมความสนใจ

29

รายการอางอง 1. สวทย ปณณชยยะ. Nuclear Radiation Detection and Instrumentation. เอกสารการสอนวชา

2111606นวเคลยรเทคโนโลย คณะวศวกรรมศาสตร จฬาลงกรณมหาวทยาลย, 2538 2 เดโช ทองอราม .การพฒนาระบบควบคมความหนาแบบนวคลโอนกส าหรบเครองรดโลหะ

บาง. วทยานพนธปรญญามหาบณฑต ภาควชานวเคลยรเทคโนโลย คณะวศวกรรมศาสตร จฬาลงกรณมหาวทยาลย,2538.

3. P.W Nicholson. Nuclear Electronics.(n.p): John Wiley & sons, 1974 4. Glenn F. Knoll. Radiation Detection and Measurment. 3rd ed. (n.p) : John Wiley & sons,

1999 5. Nicholas Tsoulfanidid. Measurment and Detection of Radiation. (n.p) :McGraw Hill, 1983 6. Dhanajay V.Gadre.Programming the parallel port. (n.p) :CMP Books,1998 7. P.A. Egelstaff and E.R. Rae. Proceedings Conference on Automatic Acquisition and

Reduction of Nuclear Data. (n.p) :EANDC Karlsruhe,1964 8. A.M Boyaski. Proceedings for the Skytop conference on computer systems in experimental

nuclear physics. (n.p) : Boyasi, 1969 9. S. Nuccio and C. Spataro. Approaches to Evaluate the Virtual Instrumentation Measurement

Uncertainties.IEEE Instrumentation and Measurment. Vol.12(2001) : 84 – 89