Nghiên cứu chế tạo thiết bị quan trắc cảnh báo sớm bức xạ

BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆN NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ VIỆT NAM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC CÔNG NGHỆ CẤP BỘ NĂM 2008-2010 NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THIẾT BỊ QUAN TRẮC CẢNH BÁO SỚM BỨC XẠ (Mã số: ĐT/01-08/NLNT) Cơ quan chủ trì: Viện Khoa học và Kỹ thuật Hạt nhân Chủ nhiệm đề tài: TS. Đặng Quang Thiệu HÀ NỘI, THÁNG 05/2011 1 DANH SÁCH NHỮNG NGƯỜI THAM GIA THỰC HIỆN ĐỀ TÀI STT HỌ VÀ TÊN H ỌC H ÀM HỌC VỊ ĐƠN VỊ CÔNG TÁC 1 Đặng Quang Thiệu TS TT GT& ĐT Viện KH&KT Hạt nhân 2 Trần Ngọc Toàn ThS. TT ATBX& MT Viện KH&KT Hạt nhân 3 Nguyễn Văn Sỹ Ks TT GT& ĐT Viện KH&KT Hạt nhân 4 Nguyễn Thị Bảo Mỹ ThS. TT GT& ĐT Viện KH&KT Hạt nhân 5 Nguyễn Thị Thuý Mai Cn TT GT& ĐT Viện KH&KT Hạt nhân 6 Vũ Văn Tiến ThS. TT GT& ĐT Viện KH&KT Hạt nhân 7 Lê Đình Cường KS. TT GT&DDT Viện KH&KT Hạt nhân 2 MỤC LỤC ____________________ Bảng các từ viết tắt 3 MỞ ĐẦU 4 1. Nghiên cứu lựa chọn Detector: 4 2. Nghiên cứu thiết kế phần cứng của thiết bị: 5 3. Nghiên cứu viết phần mềm cho chíp, cho máy tính: 5 4. Chuẩn liều cho thiết bị 5 PHẦN I - TỔNG QUAN 6 1. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 6 2. Sơ đồ khối của thiết bị 11 PHẦN II – NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO 13 1. NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN ĐẦU DÒ 13 1.1. Đầu dò nhấp nháy 13 1.2. Đầu dò GM 15 1.3. Nghiên cứu sự phụ thuộc của dòng anode của ống nhân quang điện vào suất liều (từ 0.1µGy/h – 50 mGy/h ). 18 2. NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ PHẦN CỨNG CỦA THIẾT BỊ 19 2.1. Bộ khuếch đại phổ và bộ biến đổi ADC 12 bit 19 2.2. Khối vi xử lý 20 2.3. Khối lựa chọn đầu dò 21 2.4. Khối tạo nguồn photon chuẩn 21 2.5. Khối nguồn nuôi DC 22 2.6. Khối kết nối Ethernet 23 3. NGHIÊN CỨU VIẾT PHẦN MỀM CHO THIẾT BỊ 26 3.1. Thiết kế phần mềm cho chíp vi xử lý 26 3.2. Thiết kế phần mềm giao tiếp với máy tính thông qua Ethernet 39 PHẦN III - CHUẨN LIỀU CHO THIẾT BỊ 43 1. Chuẩn thiết bị với đầu dò NaI(Tl) 43 2. Chuẩn thiết bị với đầu dò GM7121 45 3. Chuẩn thiết bị với đầu dò GM714 47 4. Chuẩn thiết bị với đầu dò CI-3BG 48 KẾT LUẬN 51 LỜI CẢM ƠN 53 TÀI LIỆU THAM KHẢO 54 PHỤ LỤC 56 3 Bảng các từ viết tắt GM ………………………………………………………… Geiger – Muller TCP/IP ……………………………………Ghép nối mạng Internet có địa chỉ MCA ……………………………… ………… Phân tích biên độ nhiều kênh TCVN………………………………………………… Tiêu chuẩn Việt Nam FPGA (Field-Programmable Gate Array) tập hợp các cổng có thể lập trình được PMT ……………………………………………………Ống nhân quang điện ADC …………………………………………………… Biến đổi tương tự số LCD ………………………………………………… Màn hình tinh thể lỏng DET (Detector)……………………………………………………… Đầu dò 4 MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây, sự phát triển mạnh của nền kinh tế Việt Nam đã nâng cao trình độ của đội ngũ cán bộ trong các lĩnh vực Điện tử Hạt nhân, tin học, cơ khí, tự động hoá v.v. Đây là cơ sở cho phép các cán bộ khoa học từng bước triển khai công tác nghiên cứu chế tạo thiết bị phục vụ cho công tác nghiên cứu và ứng dụng thực tế. Đề tài “Nghiên cứu chế tạo thiết bị quan trắc cảnh báo sớm bức xạ” là một sự kế thừa các kết quả nghiên cứu chế tạo thiết bị điện tử hạt nhân của đơn vị nhằm giải quyết vấn đề nội địa hoá thiết bị quan trắc, cảnh báo phóng xạ dùng trong mạng lưới quan trắc và cảnh báo phóng xạ quốc gia với giá thành rẻ hơn so với nhập ngoại theo đúng tinh thần của “Chiến lược ứng dụng năng lượng nguyên tử vì mục đích hoà bình đến năm 2020” mà chính phủ đã phê duyệt. Mục tiêu của đề tài là: chế tạo thiết bị quan trắc và cảnh báo phóng xạ có độ nhạy cao để có khả năng cảnh báo sớm mức độ phóng xạ môi trường với những thông số kỹ thuật cơ bản như sau:  Dải đo: 0,1Sv/h đến 50 mSv/h.  Dải năng lượng : 80Kev đến 3 Mev.  Độ chính xác  30%  Dải nhiệt độ hoạt động từ 0 đến 50 o C  Độ ẩm hoạt động từ 30% đến 95%  Thiết bị được ghép mạng LAN hoặc internet, cho phép truyền số liệu ONLINE và thực hiện điều khiển từ trung tâm quản lý. Nội dung nghiên cứu: Nghiên cứu thiết kế tổng thể hệ thống quan trắc và cảnh báo sớm bức xạ bao gồm các nội dung sau đây: 1. Nghiên cứu lựa chọn Detector:  Nghiên cứu thiết kế chế tạo detector NaI(Tl) kích thước 1.5inc X 1.5inc cho thiết bị bao gồm: Vỏ bảo vệ detector, tiền khuếch đại.  Khảo sát các đặc trưng của các ống đếm GM, lựa chọn điểm làm việc, hình thành xung v.v 5  Nghiên cứu sự phụ thuộc của dòng anode của ống nhân quang điện vào suất liều (từ 0.1µSv/h – 50 mSv/h ). 2. Nghiên cứu thiết kế phần cứng của thiết bị:  Thiết kế hệ phân tích phổ đa kênh (2048 kênh) sử dụng chíp microcontroller có tốc độ cao, chạy ổn định và tiêu thụ dòng nhỏ, phù hợp với các thiết bị quan trắc. Ngoài ra hệ phân tích phải có bộ nhớ lớn để lưu trữ số liệu, có bộ thời gian thực và có khả năng ghép mạng internet.  Nghiên cứu ứng dụng phương pháp ổn định phổ bằng xung sáng và đảm bảo cho thiết bị có khả năng tự động chuẩn máy. 3. Nghiên cứu viết phần mềm cho chíp, cho máy tính:  Nghiên cứu xây dựng phần mềm cho chíp, phần mềm cho máy tính PC giúp cho hệ thống hoạt động, thu thập, lưu trữ số liệu, an toàn trên mạng  Nghiên cứu ứng dụng các phương pháp làm trơn phổ và tìm đỉnh.  Nghiên cứu phương pháp nhận diện đồng vị phóng xạ thông qua phổ ghi nhận.  Ghép nối và lựa chọn các đầu dò GM cho các giải liều cao nhằm nâng cao khả năng đo cho thiết bị và bảo đảm an toàn cho đầu dò nhấp nháy NaI(TL). 4. Chuẩn liều cho thiết bị  Nghiên cứu chuyển phổ thành liều dùng hàm G(E).  Chuẩn liều cho thiết bị tại phòng chuẩn cấp II.  Nghiên cứu bổ chính ảnh hưởng của tia vũ trụ đối với kết quả thu được. Thời gian thực hiện: (24 tháng) từ tháng 3 năm 2008 đến tháng 2 năm 2010. Đơn vị thực hiện: Trung tâm Gia tốc và Điện tử - Viện Khoa học và Kỹ thuật Hạt nhân, Viện Năng lượng Nguyên tử Việt Nam. Kinh phí thực hiện đề tài: 450 Triệu VND. 6 PHẦN I - TỔNG QUAN 1. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước Hiện nay chúng ta có trên 20 cơ sở y học Hạt nhân, hàng trăm cơ sở sử dụng X quang. Theo pháp lệnh về an toàn bức xạ vừa được chính phủ ban hành, chúng ta có 60 cơ sở quản lý về an toàn bức xạ. Còn rất nhiều cơ sở sử dụng nguồn bức xạ và ứng dụng kỹ thuật hạt nhân khác. Tất cả những cơ sở này đều cần đến máy đo liều và cảnh báo phóng xạ. Nếu chế tạo thành công các thiết bị đo liều và cảnh báo bức xạ, đặc biệt các thiết bị cảnh báo sớm có độ nhậy cao, có chức năng nhận diện đồng vị và ghép mạng internet các thiết bị này thành mạng lưới quan trắc cảnh báo thì có thể cung cấp cho các cơ sở bức xạ trong nước, tiết kiệm được nhiều ngoại tệ. Thiết bị quan trắc và cảnh báo sớm bức xạ được dùng khá phổ biến ở các nước trên thế giới, đặc biệt các nước có sử dụng nhà máy điện hạt nhân hoặc lò nghiên cứu. Các thiết bị này nằm trong một mạng lưới quan trắc và cảnh báo sớm sự cố lò phản ứng hạt nhân được đặt xung quanh các nhà máy điện hạt nhân, hoặc xung quanh các cơ sở xử lý nhiên liệu hạt nhân, và các cơ sở bức xạ, phóng xạ khác v.v Các thiết bị quan trắc và cảnh báo bức xạ hiện nay vẫn đang được nghiên cứu phát triển như ở Nhật Bản, Hàn Quốc và nhiều nước tiên tiến khác, nhằm nâng cao và hoàn thiện chất lượng thiết bị như mở rộng dải liều, nâng cao ngưỡng nhạy, chuẩn liều thông qua phổ ghi được, hiệu chỉnh đóng góp của thành phần phông bức xạ vũ trụ và nhận diện được đồng vị phóng xạ v.v Các thiết bị này đều được ghép mạng và nhanh chóng truyền thông tin cảnh báo tới các cơ quan quản lý để giúp các cơ quan này đưa ra những quyết định kịp thời. Hiện tại trong nước đã đạt được một số thành tựu trong lĩnh vực chế tạo các thiết bị điện tử hạt nhân như các hệ phân tích dùng cho các phòng thí nghiệm liên quan đến vật lý Hạt nhân, các thiết bị phân tích đơn kênh, đa kênh dùng kỹ thuật Hạt nhân trong Công nghiệp, Nông nghiệp, Y tế, Địa chất … Các thiết bị đo liều và cảnh báo phóng xạ sử dụng cho các cơ sở bức xạ và những người làm việc trong các môi trường bức xạ. Các thiết bị chúng ta chế tạo còn có nhiều điểm thua kém với những sản phẩm cùng loại của nước ngoài như kém về độ 7 nhạy, độ ổn định, kết cấu cơ khí chưa gọn, kiểu dáng chưa đẹp và nói chung chưa trở thành một sản phẩm thương mại. Thiết bị mà đề tài đặt ra sẽ hướng tới sản phẩm thương mại và có thể được sử dụng một cách rộng rãi, tin cậy và được các cơ sở bức xạ và hạt nhân chấp nhận. Thiết bị phải đạt được các mục tiêu đặt ra như phải ổn định, độ nhạy cao để có thể cảnh báo sớm sự cố, có thể ghép nối mạng LAN với máy tính, ghép mạng Internet, tạo điều kiện thuận lợi cho công tác quản lý, công tác bảo trì, bảo dưỡng thiết bị. Đề tài là một sự phát triển tiếp theo kết quả của nhiều nghiên cứu trước đó như các đề tài cấp cơ sở gần đây về lĩnh vực chế tạo máy đo liều và cảnh báo phóng xạ cầm tay và treo tường. Đặc biệt là kết quả của nhiệm vụ hợp tác theo nghị định thư với Malaysia trong lĩnh vực điện tử Hạt nhân. Kết quả của nhiệm vụ hợp tác này là chúng tôi đã làm chủ được công nghệ FPGA, đây là một công nghệ chíp mới cho phép thiết kế các loại mạch số ứng dụng bên trong chíp, chíp hoạt động với tốc độ cao, xử lý nhanh, hoạt động ổn định. Ngoài ra kết quả của nhiệm vụ là chúng tôi đã khai thác sử dụng chíp vi xử lý 16 bít (thông thường là 8 bit), có giao thức TCP/IP 10/100 dùng để ghép mạng thiết bị v.v các kết quả đạt được trong việc nghiên cứu chế tạo hệ phổ kế nhiều kênh MCA, khuếch đại phổ, cao áp v.v Các sản phẩm sau khi được thử nghiệm sẽ được đánh giá và được cấp chứng chỉ theo tiêu chuẩn TCVN tạo lòng tin và pháp lý cho người sử dụng. Các thiết bị quan trắc và cảnh báo bức xạ hiện nay vẫn đang được nghiên cứu phát triển như ở Nhật Bản, Hàn Quốc và nhiều nước tiên tiến khác, nhằm nâng cao và hoàn thiện chất lượng thiết bị như mở rộng dải liều, nâng cao ngưỡng nhạy, chuẩn liều thông qua phổ ghi được, hiệu chỉnh đóng góp của thành phần phông bức xạ vũ trụ v.v Dưới đây là một số hình ảnh hệ quan trắc của một số hãng trên thế giới: 8 Hình 1: Ảnh một trạm quan trắc phóng xạ của Nhật Bản Hình 2 : 14 trạm quan trắc đặt xung quanh một cơ sở hạt nhân của Nhật bản Các thông số chính của một trạm đo:  Đầu dò NaI(TL) 2inc. X 2inc. Dải liều: 0.01 µGy/h đến 30 µGy/h Dải năng lượng: 80KeV đến 3 MeV.  Buồng ion hoá Dải liều: 0.1 µGy/h đến 100mGy/h Dải năng lượng: 80 KeV đến 3 MeV Độ chính xác ±20% 9 Hình 3: hình ảnh thiết bị quan trắc phóng xạ của hãng FUJI Hình 4: Thiết bị quan trắc phóng xạ của RAD [...]...Hình 5: Thiết bị quan trắc RAMOS được đặt xung quang nhà máy điện Hạt Nhân tại Mỹ Một số hình ảnh về hoạt động chế tạo thiết bị đo liều và cảnh báo phóng xạ trong nước (của cơ quan chủ trì đề tài): Hình 6: Thiết bị đo liều cầm tay của Viện KH&KTHN Máy đo độ nhiễm bẩn bề mặt gamma, anpha, beta (bên trái và máy đo liều gamma cầm tay (bên phải) được chế tạo tại Viện Khoa học và Kỹ... Máy đo liều và cảnh báo phóng xạ treo tường là sản phẩm của đề tài cấp cơ sở của Viện Khoa học và Kỹ thuật Hạt nhân Hình 8: Thiết bị cảnh báo phóng xạ treo tuờng được phát triển theo đơn đặt hàng (Sản phẩm kế tiếp của nhiệm vụ hợp tác Việt Nam - Malaysia) 2 Sơ đồ khối của thiết bị Vấn đề chúng ta cần phải giải quyết trong đề tài này ngoài những khó khăn trong việc chế tạo được một thiết bị có khả năng... phóng xạ t . tác nghiên cứu chế tạo thiết bị phục vụ cho công tác nghiên cứu và ứng dụng thực tế. Đề tài Nghiên cứu chế tạo thiết bị quan trắc cảnh báo sớm bức xạ là một sự kế thừa các kết quả nghiên cứu. nghiên cứu chế tạo thiết bị điện tử hạt nhân của đơn vị nhằm giải quyết vấn đề nội địa hoá thiết bị quan trắc, cảnh báo phóng xạ dùng trong mạng lưới quan trắc và cảnh báo phóng xạ quốc gia. BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC CÔNG NGHỆ CẤP BỘ NĂM 2008-2010 NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THIẾT BỊ QUAN TRẮC CẢNH BÁO SỚM BỨC XẠ (Mã số: ĐT/01-08/NLNT) Cơ quan chủ trì: