- Trang Chủ
- Năng lượng
- Thiết kế và lắp ráp mô hình thiết bị đo liều bức xạ dựa trên nguyên tắc hoạt động của ống đếm Geiger-Muller dùng trong đo đạc phóng xạ gamma và hỗ trợ giảng dạy ngành Kỹ thuật hạt nhân
Xem mẫu
- HỘI NGHỊ NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT NĂM 2018
THIẾT KẾ VÀ LẮP RÁP MÔ HÌNH THIẾT BỊ ĐO LIỀU BỨC XẠ DỰA
TRÊN NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG CỦA ỐNG ĐẾM GEIGER-MULLER
DÙNG TRONG ĐO ĐẠC PHÓNG XẠ GAMMA VÀ HỖ TRỢ GIẢNG DẠY
NGÀNH KỸ THUẬT HẠT NHÂN
Nguyễn Ca - 1410705
Trần Đức Mạnh - 1410712
Lớp HNK38, Khoa Kỹ thuật Hạt nhân
Đề tài được tiến hành nhằm mục đích tạo thêm cơ sở vật chất hỗ trợ giảng dạy cho
ngành Kỹ thuật Hạt nhân. Dựa vào những kiến thức chuyên ngành đã học, nhóm sinh viên
nghiên cứu đã thiết kế, lắp ráp và lập trình thành công mô hình thiết bị đo liều bức xạ bằng các
linh kiện điện tử và phần mềm mô phỏng mạch điện tử Proteus 8. Thiết bị hoạt động dựa trên
cơ chế của ống đếm Geiger-Muller (G.M.), cho phép ghi nhận bức xạ dưới dạng xung và
chuyển đổi số đếm xung thành liều bức xạ theo công thức chuyển đổi và thuật toán được lập
trình sẵn.
1. MỞ ĐẦU
Mặc dù Quốc hội đã thông qua nghị quyết tạm hoãn dự án xây dựng Nhà máy điện Hạt
nhân (NMĐHN) Ninh Thuận I và II vào ngày 22/11/2016, nhưng ngành kỹ thuật hạt nhân, với
tầm quan trọng to lớn, vẫn được tiếp tục đẩy mạnh đào tạo vì những đóng góp của nó trên rất
nhiều các lĩnh vực đời sống như công nghiệp, nông nghiệp, y học, môi trường, v.v... và với tình
hình cạn kiệt tài nguyên, thiếu hụt năng lượng nghiêm trọng như hiện tại, việc tái đầu tư xây
dựng NMĐHN trong tương lai gần nhất là điều cấp thiết và hoàn toàn có thể xảy ra. Việc duy
trì đào tạo nhân lực cho ngành là thiết yếu.
Để phục vụ cho việc giảng dạy, cơ sở vật chất kỹ thuật là một trong những mối quan
tâm hàng đầu. Khoa Kỹ thuật Hạt nhân trường Đại học Đà Lạt mặc dù đã được đầu tư khá kỹ
lưỡng về mặt trang thiết bị, nhưng trong quá trình giảng dạy vẫn còn một số mặt hạn chế nhất
định chưa được đáp ứng.
Trong quá trình học tập chuyên ngành, sinh viên gặp phải rất nhiều khúc mắc khó giải
đáp. Sinh viên được tìm hiểu về nguyên lý cấu tạo cơ bản, cơ chế hoạt động về mặt vật lý của
một ống đếm G.M., được thực hành một số bài khảo sát phóng xạ cơ bản với hệ detector G.M.
có tại khoa. Tuy nhiên cấu tạo chi tiết bên trong, cách thức ghi nhận xung, cơ chế về mặt điện
tử, cơ chế chuyển đổi liều,... sinh viên rất khó hình dung. Để giải quyết các khúc mắc đó, nhóm
nghiên cứu đã tiến hành mô phỏng thiết kế, lắp ráp và lập trình thành công một thiết bị đo liều
sử dụng nguyên lý của ống đếm G.M., vừa có thể đo đạc với kết quả chấp nhận được, vừa cung
cấp bản giải phẫu trực quan thiết bị, cho phép khai thác cấu tạo chi tiết bên trong. Ngoài ra,
thiết bị còn có một số tính năng mới như: giao tiếp ngoại vi với máy tính, giao tiếp với bộ phát
triển Adruino, linh động thay đổi đầu dò hoặc nguồn cấp, dễ dàng cải tiến nâng cấp chương
trình,...
25
- HỘI NGHỊ NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT NĂM 2018
2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Dựa trên những cơ sở lý thuyết về các loại ống đếm, ống đếm G.M., detector G.M.,
tham khảo một số thiết bị đo liều mượn được từ khoa vật lý và những kiến thức đã học về Điện
tử Hạt nhân, nhóm đã thiết kế mô hình thiết bị đo liều bức xạ với một số tính năng được phát
triển riêng, thích hợp cho việc học tập chuyên ngành.
2.1. Cơ sở lý thuyết
Ống đếm G.M. là một loại detector chứa khí đơn giản nhất. Nguyên tắc chung của
detctor chứa khí là khi bức xạ đi qua môi trường vật chất của detector, chúng tương tác với các
nguyên tử, làm ion hóa và kích thích các nguyên tử đó. Khi đó bên trong môi trường của
detector sẽ xuất hiện các ion dương và âm. Khi đặt môi trường này vào một điện thế thì các ion
sẽ chuyển động về các điện cực và tạo nên một dòng điện. Khi đó, ở lối ra của detector xuất
hiện một tín hiệu dòng hoặc tín hiệu thế. Trong detector chứa khí, môi trường vật chất bên
trong là môi trường khí. Detector gồm một hình trụ rỗng chứa đầy khí bên trong, hai điện cực
dương và âm của một nguồn điện một chiều và mạch gồm tụ điện, điện trở để lấy tín hiệu ra.
Trên hai điện cực đặt một điện thế lấy từ nguồn có thể chỉnh được. Ở trạng thái bình thường,
chất khí không dẫn diện, nhưng khi một bức xạ đi qua môi trường khí, chất khí bị ion hóa tạo
thành các ion di chuyển về hai điện cực, tạo nên dòng điện tức thời có giá trị bé. Dòng điện này
nạp điện cho tụ điện, tạo nên một tín hiệu lối ra.
Hình 2.1 mô tả đường cong đặc trưng của detector chứa khí đối với hạt mang điện
alpha(1) và beta(2). Khi tăng hiệu điện thế U giữa hai điện cực thì đường đặc trưng có 5 miền:
miền tái hợp, miền buồng ion hóa, miền ống đếm tỉ lệ, miền G.M., miền phóng điện. Miền ống
đếm G.M. là miền làm việc của các detector G.M. Trong miền này, hệ số nhân ion tăng nhanh
chóng tạo nên quá trình “thác lũ”. Các electron sơ cấp và thứ cấp đều được gia tốc đủ lớn nên
có thể sinh ra một lượng lớn electron thứ cấp và thứ thứ cấp. Dòng lối ra trong miền này không
đổi và miền đó gọi là miền plateau.
Hình 2.1. Đường cong đặc trưng của detector chứa khí đối với hạt mang điện alpha(1) và beta(2)
Ghi chú: I) Miền tái hợp; II: Miền buồng ion hóa; III: Miền tỉ lệ; IV: Miền Geiger-Muller; và V: Miền phóng điện
26
- HỘI NGHỊ NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT NĂM 2018
Ống đếm G.M. được dùng để đếm các hạt bức xạ ion hóa riêng biệt. Với đặc trưng là
ống đếm xung, tín hiệu ra có biên độ không đổi, không phụ thuộc vào năng lượng bức xạ vào
nên nó chỉ ghi nhận được bức xạ dưới dạng xung và chuyển thành số đếm chứ không thể định
lượng được về mặt năng lượng chùm bức xạ. Ống đếm G.M. chủ yếu dùng đo hoạt độ nguồn
và liều bức xạ của một đối tượng nào đó. Liều bức xạ phụ thuộc vào tốc độ đếm theo công thức
sau đây:
Suất liều (μSv/h) = tốc độ đếm (count per minute – cpm) * hệ số chuyển đổi
(μSv/cpm.h).
Hệ số chuyển đổi phụ thuộc vào loại ống đếm, đặc tính chất khí bên trong ống. Với khả
năng ghi nhận một lượng lớn xung, ống đếm G.M. không cần sử dụng đến bộ khuếch đại tín
hiệu vừa cồng kềnh, vừa đắt đỏ. Cấu tạo của ống đếm G.M tương đối đơn giản. Vì thế ống đếm
G.M. rất được ưa chuộng sử dụng.
2.2. Ý tưởng cơ bản
Dựa trên những ý tưởng trên, nhóm quyết định sẽ mô phỏng thiết bị trên phần mềm
Proteus 8. Đây là phần mềm cho phép mô phỏng mạch điện tử với đầy đủ các linh kiện, vi
mạch và thiết bị điện tử cần thiết. Thuật toán lập trình chuyển đổi từ số đếm sang liều cũng
được lên ý tưởng và lập trình tại đây.
Để ghi nhận bức xạ, thiết bị cần có một ống đếm G.M., một mạch tạo cao thế cho ống
hoạt động, một mạch nguồn, một mạch ghi nhận xung, một mạch chuyển đổi từ số đếm sang
liều và xuất giá trị ra màn hình để người dùng có thể đọc được. Ống đếm được sử dụng ở đây
có tên SBM-20 và SI3-BG, do Liên Xô sản xuất năm 1986. Hệ số chuyển đổi từ số đếm sang
liều của ống đếm SBM-20 là 0.0057. Thông số của 2 ống được cho trong bảng sau.
Bảng 2.1. Thông số của ống đếm SBM-20 và SI3-BG
Thông số SBM-20 SI3-BG
Chiều dài 108mm 55mm
Đường kính 11mm 10mm
Loại khí Ne + Br2 + Ar Ne + Br2 + Ar
Giới hạn dòng 0.08mA – 0.4mA 0.015mA – 0.02mA
Điện áp bắt đầu ghi nhận xung ~ 260V – 320V ~ 290V – 320V
Điện áp hoạt động tốt nhất ~ 350V – 475V ~ 380V – 460V
Độ dài miền plateau ≥ 100V ~ 80V
Độ dốc miền plateau 0.1%/V 0.25%/V
Giới hạn liều bức xạ 0.014mR/h – 144mR/h ≤ 300 R/h
Độ nhạy với bức xạ gamma ( Co)
60
22 cps/mR/h 188 – 235 cps/R/h
Dải nhiệt độ hoạt động -60oC – 70oC -50oC – 60oC
Phông nội tại 1 cps 0.2 cps
Thời gian chết tối thiểu (ở 400/V) 190μs
27
- HỘI NGHỊ NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT NĂM 2018
Mạch tạo cao thế sử dụng các tụ cao thế 10nF 1000V, transitor, diode và IC Timer
NE555. Mạch nguồn sử dụng nguồn 5V, cấp từ pin hoặc nguồn máy tính. Mạch ghi nhận xung
gồm các tụ, trở, transitor và một IC NE555. Để chuyển đổi từ số đếm xung sang liều và hiển thị
trên màn hình, mạch sử dụng vi điều khiển PIC16F876A. Thuật toán sẽ được nạp vào bộ nhớ
của vi điều khiển. Số liệu sau khi được vi điều khiển xử lý và chuyển đổi sẽ được truyền sang
màn hình hiển thị. Mạch sử dụng màng hình LCD 16x2.
Sau khi có được mô hình mô phỏng, nhóm thực hiện vẽ sơ đồ mạch, thiết kế bố trí linh
kiện trên mạch, rửa mạch và lắp ráp, hàn linh kiện. Sản phẩm sau khi hoàn thiện sẽ được kiểm
tra bằng cách đối chiếu với một thiết bị đo liều thương mại.
3. NỘI DUNG VÀ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
Sau quá trình nghiên cứu, chúng tôi đã lắp ráp thành công hai mô hình thiết bị đo liều
với tên gọi là GMC1.2 (sử dụng ống SI3-BG) và GMC2.0 (sử dụng ống SBM-20). Hai mô hình
đều có cùng chung một cấu tạo mạch và thuật toán, chỉ khác nhau loại ống và hệ số chuyển đối.
(a) (b)
Hình 3.1. Mô hình thiết bị đo liều GMC2.0 sử dụng ống SBM-20 (a) và GMC1.2 sử dụng ống
SI3-BG (b)
Mạch tạo cao thế của thiết bị có thể tạo được cao thế ổn định ở mức 412V – 419V, phù
hợp với cao thế hoạt động khuyến nghị của ống.
Hình 3.2. Khảo sát cao thế tạo thành trong mạch
Để giúp hỗ trợ giảng dạy và học tập, một số tính năng mới đã được phát triển thêm. Các
cổng giao tiếp với thiết bị ngoại vi được tích hợp, cho phép kết nối với máy tính, kết nối với bộ
28
- HỘI NGHỊ NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT NĂM 2018
phát triển Adruino. Nguồn cấp được thay đổi linh động tùy theo mục đích sử dụng, có thể nhận
nguồn từ cổng USB hay từ pin. Sinh viên có thể thực hiện khảo sát các nội dung như:
• Cấu tạo chi tiết một thiết bị đo liều dùng detector G.M
• Khảo sát thời gian chết và miền plateau của thiết bị
• Khảo sát mạch điện tử và quá trình hình thành xung (bởi các thiết bị đo đơn giản)
• Phát triển lập trình cho thiết bị bằng Adruino
• Giao tiếp ngoại vi với máy tính
• Khảo sát khả năng hoạt động với các ống đếm khác nhau, xây dựng đường chuẩn
tốc độ liều và tính toán hệ số chuyển đổi đối với nhiều loại ống đếm G.M. khác nhau.
Thiết bị sau khi hoàn thiện đáp ứng được yêu cầu đề ra ban đầu, có khả năng ghi nhận
bức xạ với kết quả và sai số chấp nhận được. Sai số của thiết bị rơi vào mức 8% so với số liệu
thu được từ thiết bị đo Inspector của khoa Vật lý. Do thiết bị phát triển với mục đích chính là
hỗ trợ giảng dạy nên độ chính xác không được chú trọng ưu tiên, thay vào đó, chúng tôi tập
trung phát triển các tính năng hữu ích khác.
4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Đề tài được triển khai đã mang lại một số lợi ích đáng kể trong công tác đào tạo tại
Khoa Kỹ thuật Hạt nhân, đem đến sự thuận tiện cho sinh viên và cán bộ hướng dẫn khi thực
hiện thí nghiệm, là công cụ hữu ích hỗ trợ giảng dạy cho sinh viên, giúp sinh viên có được cái
nhìn trực quan hơn về các vấn đề trong lý thuyết. Thiết bị sau khi hoàn thiện đáp ứng được yêu
cầu đề ra ban đầu, có khả năng ghi nhận bức xạ với kết quả và sai số chấp nhận được. Ngoài ra,
thiết bị còn phát triển tích hợp những tính năng mới mà các thiết bị đo thương mại trên thị
trường không đáp ứng được. Các tính năng này hỗ trợ đắc lực cho giảng viên và sinh viên trong
việc khảo sát các vấn đề được đề cập ở phần trên. Nếu Khoa Kỹ thuật Hạt nhân có thể xây
dựng một số bài thí nghiệm thích hợp và đưa đề tài vào ứng dụng giảng dạy trong Khoa, đây sẽ
là một cơ hội tốt cho sinh viên trau dồi thêm kỹ năng và kiến thức chuyên ngành.
Với những ưu điểm nói trên, việc ứng dụng đưa thiết bị vào giảng dạy chuyên ngành tại
Khoa Kỹ thuật Hạt nhân sẽ mang lại những hiệu quả tích cực, hỗ trợ cho công tác giảng dạy
sinh viên trong Khoa nói riêng và ngành kỹ thuật hạt nhân nói chung.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Cơ sở vật lý hạt nhân, Ngô Quang Huy
[2] Cơ sở vật lý hạt nhân thực nghiệm, phần 1, Phạm Đình Khang
[3] Cơ sở các phương pháp vật lý hạt nhân thực nghiệm, A. I. Abramov
[4] Giáo trình Điện tử cơ sở, Đặng Lành
29
nguon tai.lieu . vn
