ứng dụng module esp32 cam và thuật toán tesseract ocr trong trích xuất số đo phóng xạ thiết bị radiation alert ranger

Bộ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

Đê tài:

VÀ THUẬT TOÁNTESSERACT OCR

CỦATHIẾT BỊ RADIATION ALERT RANGER®

Bộ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

KHÓA LUẬN TÓT NGHIỆP

Đề tài:

VÀ THUẬT TOÁNTESSERACT OCR

CỦATHIẾT BỊ RADIATION ALERT RANGER® •

SVTH : Phạm Nguyên Phát

MSSV: 2000000579LỚP : 20DVY1A

Tp HCM, tháng 5 năm 2024

LỜI CÃM ƠN

Đầu tiên con xin cảm ơn mẹ và các anh chị trong gia đình Cảm ơnmọi người

đã nuôi dưỡng, dạy dỗ và đồng hành cùng con Câm ơn mẹ đã chăm sóc con, conkhôngthê diễntả hết sự yêu thương và hy sinhcùa mẹ Cảm ơnanh chị đã độngviên

và hỗ trợ trong emtrong việc học và tạođộng lực cho em Trong những lúc khó khăn,mọingười luôn sẵn sàng lang nghe và sẵn lòng hỗ trợ em Mỗikhi em sai,mẹ và anhchịluônkhuyênbão, độngviênvà côvũtinh thần choem Con xin cảmơn mọi người.

Em xin gừi lời cảm ơn và bày tò lòng kính trọng tới Th.s Nguyền Tấn Được

(Giảng viên bộ môn chuyênngànli Y Học Hạt Nhân - Trường ĐHNTT) Cảm ơnthầy trong một năm qua đã bỏ nliiều thời gian và công sức của minh đê hỗ trợ em

hoàn thànhklióa luận Cảmơn thầy đã hướng dẫn và chi bảoemtrong quá trình thực

hiệnđề tài Khoảng thời gianđược thầy hướng dẫn, em đượctiếpthunhững kiếnthức

mới Ngoài ra, em còn được học hòi kinhnghiệm và cách làm việc khoa học Đây lànhững điều quan trọng đối với em, đó là một kinhnghiệm quý báuvà là một hành

trang quý giá cho tương lai Em rấtkínhtrọngvàrất biết ơnthầy Xin cảm ơn thầy.

Emxin gừi lời câm ơn, lời biết ơn tới TS Đặng ThanhLương (Trường ngànhVật lý Y Khoa - Trường ĐH NTT), Th.s PhạmNhư Tuyền (Tnrờng bộ môn Chần

đoán hình ảnh- Trường ĐH NTT), Th.s Hoàng Anh Tùng (Trưởng bộ môn Xạ trị - Trường ĐHNTT) cùng toànthê giảng viên ngànhVật lý Ykhoa-TrườngĐHNTT.Cảm ơn quý thầy cô đãtận tậm giảngdạy, chi bão cho em trong4 năm học vừa qua.

Em xin câm ơn Trường ĐHNguyền Tất Thành đã tạo điều kiệnhọc tập, những trải nghiệmthời sinh viên suốt4 năm qua.

Cuối cùng em xin gữi lời cảm ơn tới Th.s Nguyên Quang Đạo (Giáo viên chủ

nhiệm khỏa 20) cùng với các bạn lớp 20DVY1A đã cùng đồng hành với em suốt

quãng thời gian qua.

Xin chân thànhcảm ơn Chúc mọi điều tốt đẹp sẽ đến với mọi người.

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2024

Phạm Nguyên Phát

MỤC LỤC

LỜI CÀM ƠN i

NHẬN XÉT (CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẢN) ii

NHẬN XÉT (CỦA GIÀNG VIÊN PHÀN BIỆN) iii

MỤC LỤC iv

DANH MỤC HÌNH ÁNH, BANG BIỂU vi

KÝ HIỆU CÁC CỤM TỪ VIÉT TÁT viii

TÓM TẤT ix

ABSTRACT XCHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU ĐÈ TÀI 1

2.2 Máy đo phóng xạ RadiationAlertRanger® 12

2.3 ModuleESP32-CAM và phần mềm ArduinoIDE 14

2.4 Ngôn ngữ Python và lập trinh giao diện trongPython 15

2.5 Các bộ thư việntrong python 15

2.5.1 Bộ thư viện Tkinter 15

2.5.2 Bộ thir viện Numpy 16

2.5.3 Bộ thir viện Tesseract Engine 17

2.5.4 Bộ thư việnCSV 17

2.5.5 Bộ thư viện OpenCV2 17

CHƯƠNG 3 PHƯƠNGPHÁP LUẬN 18

3.1 Thiết kế phần cứng 18

3.2 Thiết kế phần mềm 22

3.2.1 Module giao tiếp camera 22

3.2.2 Modulexử lý ânh 22

3.2.3 Module giao diệnđồ họangười dùng (GUI) 29

3.2.4 Quy trình hoạt động củaphần mềm 30

3.3 Phươngpháp chạythử và đánh giá 30

3.3.1 Máy đo và vật liệu 30

3.3.2 Chọn mẫu và các tham số thực nghiệm 31

3.3.3 Bố trí thực nghiệm 32

3.3.4 Thu thập, xữ lý số liệu vàtính toán độ chínhxác 33

CHƯƠNG 4 KÉT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 34

DANH MỤC HÌNH ẢNH, BẢNG BIẺU

Hình ảnh

Hình 2.1 Sơđồ cấu tạo đầu dò chứa klú 4

Hình 2.2 Sơđồ cấu tạo đầu dò bán dần 7

Hình 2.3 Sơđồ cấu tạo đầu dò nhấp nháy 9

Hình2.4 Máy đo Radiation AlertRanger® 12

Hình 2.5 a) Module ESP32-CAM, b) Camera OV2640, c) bảng mạch 14

Hình3.1 a) Bộ giá đỡ kill được lắp ráp, b) Bộ giá đỡ khi táchrời 18

Hình3.7 Cấutrúc của phan mềm 22

Hình3.8 Cấu trúc của module xử lý ảnh 22

Hình3.9 Ảnhnền 23

Hhih3.10 a) Anhthu được sau khitrìr nền,b) Anil cắtcúp từ ảnhđã tiừ nền 23

Hình3.11 Hàm sừ dụng cho mục đíchtrừ nền và cắt cúp 24

Hình 3.12 a) Anh sau nhị phân hóa, b) Anhnhị phân hóa được mờrộng biên 25

Hình 3.13 a) Hình ảnh sau klii dùng thuật toán Dilation, b) Hình ảnh sau khi dùngthuậttoán Erosion 26

Hình 3.14 a) Anh sau khi nhị phânhóa và mờ rộngbiên, b) Anh sau khi dùng thuậttoán Closing 26

Hình 3.15 Hàm sử dụng trong thuật toán nhị phân hóa (threshold) và hàmsừ dụng trong morphology (dilation, erosion) 26

Hình 3.16 a) Các số hiên thị cóklioàng cách khôngđều, b) Các số hiên thị có khoảng cách ba sau khi phân tách vàtái sapxếp 27

Hình 3.17 Hình ảnh baogồm các đường Contour vẽ quanh các kýhr trongảnh 27

Hình 3.18 Giao diệnphần mềm“RadOCR” được lập trình bang thư viện tkinter và

Hình 3.19 a) Máy đo RAR, b)Nguồn phóng xạ Cs-137, c)Cáp sạc type micro-USB,

d) Thiết bị OCR, e) Anh nền 31

Hình3.20 Bổ trí thực nghiệm 33

Hình 4.1 Thiết bị RadOCRđược tách rời: a) tầng 1, b) tầng 2, c) tầng 4 - nắp đậy,

d) chânchống, e) tầng 3 -trang bị thêmđèn, f) module ESP32-CAM 34

Hình 4.2 Thiết bịRadOCR trang bị lên máy đo RAR 35

Hình 4.3.Anh nen xuất hiệnmột đốm sáng khi sử dụng đèn flash cùa module

Hình 4.4 Giao diện RadOCR klii hoạtđộng 36

Hình 4.5 Máy đo RARkhi gắn vào tầng 1 của thiết bị RadOCR a) Mặt trước, b)

Mặt sau 37

Hình 4.6 a) Ket quả OCR sai do số chuyên đôi giá trị, b) Ket quả OCRđúng dùng số

đang chuyênđôi giá trị 38

Hình 4.7 Ket quả OCR sai dùhình ảnli hiên thị các số rõràng 39

Bảng biểu

Bảng 2.1 Klioảngđo của từng đơn vị trong máy đo RadiationAlert Ranger® 13

Bâng 4.1 Kết quả thu được sau 5 lần chạy thử 38

KÝ HIỆU CÁC CỤM TỪVIÉTTẤT

RAR RadiationAlert Ranger®

loT Internet of things Internet vạn vật

Optically Stimulated Luminescent Dosimeter

Lieu kếquang phát quang

TLD Thermoluminescent Dosimeter Liềukế nhiệt phátquang

CT Computed Tomography Chụp cat lớpvi tínli

RIS Radiology Information System

PMT Photomultiplier Tube Ông nhânquang

SCA Single-Channel Analyser

Bộ phântíchxung đơn kênh

MCA Multi-Channel Analyser Bộ phântíchxung đa kênhPHA Pulse-High Analyser Bộ phân tích xungLCD Liquid Crystal Display Màn hình tinh thê lòng

Với sự phát triên cùa côngnghệkếtnối internet vạn vật- Internet ofthings, các

thiết bị đo đạc bứcxạ ngày nay được thiết kevới khã năng kết nối mạng không dây.Tuy nhiên, nhiềuthiết bị đang được sử dụng trong thực tế lại thiếutínhnăngnày Cácthiết bị này chủ yếukếtnối với máytính thông qua bluetooth hoặc USB đê truyền dữ

liệu đến phầnmềmđộcquyềncùa riêngthiết bị đó Điều nàygây khó khăn trong việc

truy xuất dữ liệu từ xa cũng như tích hợp các thiết bị vào chung một hệ thống quan

trắc phóng xạ đa diêm Trong đềtài này, chúng tôi thiết ke một hệ thống trích xuất hr xa số đọc được hiên thị trên màn hình LCD của máy đo Radiation Alert Ranger® theo thờigian thực Hệ thống bao gồm một thiết bị gan kèm với máy đo và một phần

mềm trên máy tính Thiết bị trích xuất hìnli ảnh hr máy đo và gửi đen phần mềm thông qua kết nối wifi trên mạng nội bộ Hệ thống sử dụng các công nghệ hiện đại

như thuật toán nhặn dạng ký hí quang học và internet vạn vật Ket quả thừnghiệm

cho thay hệ thống hoạt động ôn định với độ chínhxác 97.365% + 0.082%.

With the development ofthe Internet of Things, radiation measuring devices

today areembeded wireless networks connection However, manydevicesbeing used in facilities lack this feature These devices mainly comiect to computers via

Bluetooth or USB to transfer data to the dedicated softwares That makes it difficult

to remotely access to data as well asto integrate them into a multi-point radioactive

monitoring system In this study, we designed a system that extract the readouts displayed on the LCD screen ofthe Radiation Alert Ranger® survey meter in real

time The system consists of a device attached to the meter and a software deployed

on computer The device extracts images of the meter’s screen and sends it to thesoftware via Wi-Fi connection on a local network The system uses modern teclmologies such as optical character recognition algorithms and internet of things.

The test results show that the system operates stability with an accuracyof97,365% ± 0.082%.

CHƯƠNG 1 GIỚITHIỆU ĐÈTÀI1.1 Lý do chọn đề tài

Internet là một sáng tạo lớn và quan trọng trong lịch sử nhân loại Được phát triên từkhoảng nhữngnăm 1960 cho đến nay và không ngừng phát triên trongtương lại Internet là một mạng lướicho phép gừi email, traycậptrình duyệt, tínhiệu truyền

hình Với công nghệ Internet vạn vật - Internet of Things (IoT) là tương lai phát

triên của Internet loT có khã năng giao tiếp, kết nối các thiết bị, mờ rộng các lĩnhvực, cung cấp các dịchvụ tới chomọi người, mọi lúc và mọi nơi [1]

ứng dụng cùa loT là vô cùng nliiều, tập trang ờ các lĩnh virc: chăm sóc sứckhỏe; ngôi nlià, tòa nhà thông minh; thành phố thông minh; giao thông vậntải; nănglượng [1] Trong ứng dụng cho lĩnhvực sức kliòe có phần mềm quản lý hình ảnhytế (Radiology Information System - RIS), phần mềm lưu trà hình ãnh y tế - Picture

archiving and communication system - PACS), Hiện nay, việc sừ dụng bức xạ,

nguồn phóng xạ trong y tế là phô biến Do đó việc giám sát, đàm bảo an toàn cho nhân viên y te là rất quan trọng Đã có những đề xuất về ứng dụng loT lên liều kế,

ứng dụng lên ngôi nhà, tòa nhà thông minh đê thực hiện việc kiêm soát bức xạ.

Với sự phô biến việc sử dụng bức xạ vào trong y tế, đặc biệt lày học hạt nhân,

việc giám sát, kiêm soát và đảm bão an toànlàđiều quan trọngtrongmôi trường bệnhviện, môi tnrờng làm việc với phóng xạ Trong một thốngkê từnăm 2017 đến năm

2020 về trang thiết bị, nhân lực và lượng dược chất phóng xạ trong y học hạt nhân,

Việt Nam hiện có hơn 45 cơ sờtrongđócó36 cơ sờlàcó máy SPECT hay SPECT/CT và máy PET/CT.Ngoàira còn có 1 lò phàn ring hạt nhân ờ Đà Lạt, 6 cyclotron ờ Hà

Nội, Đà Năng, thànhphố Hồ Chí Minli Đội ngũ nhân lực 138 bác sĩ, hơn 225 nhânlực kỷ thuật bao gồm: vật lý y klioa vàkỹ thuật viên [2].

Với sự lớn mạnh của lĩnh vực y học hạt nhân, thi việc quan trọng là giám sát,quản lý chặt chẽ, đảm bảo an toàn trong quá trình làm việcvới bức xạ, nguồn phóng xạ hạt nhân Trong an toàn bức xạ, đê giám sát môi trường ờ các phòng thuộc các

khoa có sử dụng thiết bị bức xạ hoặc nguồn phóng xạthì sẽ có những thiết bị có thêđo liều lượng, suất liều hay phát hiện bức xạ Radiation Alert Ranger®; lieu ke cá

nhânOSLD hoặc TLD lànhữngví dụ tiêu biêu.

Năm 2018, Ramacos cùng vớicác cộng sựcủamìnhthiết ra loại liều kế cá nhân

có module loT kết nối với mạng không dây Sừ dụng cảm biến bứcxạ bò túi Geigertype 5, module Xbee series 2vàmoduleArduinomicrocontroller đê giao tiếp tới máytínlithông qua mạng không dây Với thiết ke này cho phép người dùng truy cập trực tiếp liều mà nhân viên y tế nliận được do cảm bien Geiger type 5 ghi nliận [3].

Nhìn chung, sự pháttriên cùa lĩnh vực loT cũng như sự phôbiến ứng dụng bức

xạ trongy tế đang là điều được quan tâm và chú trọng Với việc sử dụng loT với các máy đo, thiết bị ghi đo bức xạ, thì việc lưu trữ dữ liệu rất dễ dàng, phục VỊ1 cho công

tác kiêm tra và đánh giá mức độ an toàntrong các khoa sử dụng bức xạ hoặc nguồn

bang các phương pháp như kết nối bluetooth hoặc công USB Ngoài ra việc lay dữ

liệu đo được phải thông qua một phần mềm độc quyền, phần mềm này phải mua tìĩnhà sản xuất của máy đo Mặt khác, phần mềm này không có kliả năng tích họp các máy đo của hãng khác hoặc đo đadiêm Do đó chúng tôi quyết địnhthực hiện đềtài “ứng dụng Module ESP32-CAM và Thuật toán Tesseract Optical Character Recognition (Tesseract OCR) trong trích xuat so đo phóng xạ của thiết bị Radiation

Alert Ranger” Module ESP32-CAM sẽ thu thập ảnh màn hình LCD của máy đo

RAR, gửi ãnh này qua kết nối wifi đến phần mềm xử lý trên máy tính Thuật toán

Tesseract OCRđược sừ dụng đê trích xuấtsố đọc từ ảnh số đọc này sẽ được hiên thị

trênđo họa giao diện người dùng theo thời gian thực hoặc hmtrữ vào tập tin.

1.2 Mục tiêu đề tài

Chúng tôi mong muốn thực hiện đề tài này nham mục đích phát triên một hệthống bao gom phần cứng và phan mềm có tên là RadOCR Hệ thống có khả năng

kếtnối mạng và trích xuất từ xa số đọc của máy đoRAR Đe tài “ứng dụng Module

ESP32-CAM vàThuật toán TesseractOCR trong trích xuất số đo phóng xạ của thiếtbị Radiation Alert Ranger” sẽ bao gồm các mục tiêu:

Nghiên cứu cơ sờ lý thuyết liên quan đến đềtài

Thiếtkế phancứng và phần mềm

Gia công phần cứng và lậptrìnhphanmềmChạy thử vàđánh giá

CHƯƠNG 2 Cơ SỞ LÝ THUYÉT

2.1 Các loại đầu dò2.1.1 Đầu dò chứa khí

Đầu dò chứa klú được cấu tạo từ một buồng chứa khí (Hình 2.1) Vò buồng

đượclàm bangchất dẫn điện, được sừ dụng nhưmộtđiệncựcgọi là cathode, ơ trung

tâm của buồng có một sợi dây bang kim loại được đặtcách điện với vò, gọi là anode.

Đêđầu dó hoạtđộng, ta cầnphân cực cho nóbang nguồn điện mộtchiều có hiệu điệnthế khoảng vài trămvôn Anode được nối vào cực dương, cathode được nối vào cựcâm cùa nguồn [4].

Nguồn điện

Hình 2.1 Sơđồ cấutạo đầu dò chứa khí

Nguyênlý hoạt độngcủa đầu dò chứa khí dựa trênhiệu ứngion hóa của bức xạgây ra đối với các phân từ chất klú bên trong buồng Bức xạ tới tương tác với các

nguyên ữr cùa kill trong buồng, làm bật ra các electron của nguyên ữr, tạo thành các

electron (điệntích âm) ựr do Đồngthời,nguyêntừ bị mat electron sẽ bịmấtcân bang điện tích và trởthành các ion dương (điện tích dương) tự do trong thê tích cùa đầudò Dưới tác dụng của điện trường phân cực giữa hai điện cực của đầu dò, các điệntích âm sẽ chuyên động ngược chiều điện tnrờng, điện tích dương sẽ chuyên động

thuận chiều điện trường Sự chuyênđộng như thế sẽ tạo ra dòng điện và có thêđược

ghi nhậnờ mạch ngoài Như vậy, thông qua việc đo dòng điện ờ mạch ngoài, ta biếtđược khi nào có tia bức xạ đến tương tác với đầu dò [4]

Tronghình 2.2, buồng ion hóa phụ thuộc vào điện trường, nêncó sáuvùng mô

tả đường khuếch đại khí:

Applied Voltage (V) ONCOLOGYMEOICALPHYSICS.COM

Hình 2.2 Đồ thị về đường khuếchđại khíờ các mức điện áp khác nhau

Trong trường hợp áp vào một điện áp rất thấp, điện trường không đủ khả năng

tác động tới các điện tích, dẫnđen việc các điện tích lúc này sẽ táihợp lại thành các nguyên tử, hiện tượngnàyđược gọi là tái tô hợp [5] Vùng điện áp thấp này được gọilà vùng tái tô hợp [6] Vùng này khiến cho việc đo lượngbứcxạ tới gặp khó khăn khi

không thu thập được các tín hiệu từ các điện tích [4] Trường hợp khác khi ta tăng điện áp dần, vào khoảng ừĩ 50V - 300V, tín hiệu điện đo được gần như không thay

đôi ơ vùngđiện áp này sẽ chi có các điện tích sơ cấp mới được tiếpnhận Các thiếtbị buồng ion hóa được sữ dụng đê hiệu chuẩn liều thường sẽ thực hiện ờ vùng bão

hòa này [6].

Khi ta tăng điện áp lên, vượt quavùng bãohòa sẽ là vùng tỷlệ Sựkiệnbanđầu

ờ vùng tỷ lệ này sẽgiống với vìing bão hòa, khibứcxạ tớitương tác với electroncủa nguyên tử và cung cấp nănglượngcho electron làmbậtnó ra khỏi nguyên từ, electronbị bật này được gọi là electronsơ cap Khi electronsơcấp này đang đi về anode, nếu

năng lượng của electron được cấp bời bức xạ tới đủ lớn, electron sơ cấp này sẽ làm

bật một electron khác cũa một nguyên từ khác Electron vừa bị bật ra được gọi là

electron thứ cấp [4], ơ vùng tỳlệ, Cả các electron thứ cấp lẫn electron sơcấpđều gây

ra tín hiệu, số lượng electron thứ cấp tỳ lệ thuận với electron sơ cấp, được gọi làkhuếchđại khí [5].

Vùng Geiger Muller là vùng tiếp theo sau vùng tỷ lệ Trong vùng này, các electron sơ cấp có thê tương tác và tạo ra nliieu electronthír cấp Đen lượtmình, các electron thứ cấp lại có khã năng tương tác đê tạo thêm nhiều electronkliác Cứ như

vậy, quá trình ion hóa xảyra dây chuyền, 0 ật dân đếngần nliư toàn bộ phân ÚIkill

trong thê tích đầu dò đều bị ion hóahết Hiệu írng này gọi là “thác lũ” [4] Tín hiệu

tạo ratrong tnrờng hợp này có giá trị bão hòavà không tăng ngay cả klú tăng điệnthephân cực Trong tiường hợp ta tiếp tục tăng điệnthế lên, thì ngoài việc hiện tượng

ion hóa xảy ra do tương tác của bức xạ với nguyên tử kill, thì còn có sự ion hóa tự

phátdo điện trường quá lớn gây ra phóng điệngiữa hai điện cực Việc vận hànhđầudò trongvùng điện áp này rất nguy hiêm, hậu quả có thê làm htrhòng máy đo hoặcgây sai số đem Hiệntại vần chưa có tiềm năng cho thấy vùng này sẽ áp dụng cho thiết bị ghi đo bức xạ [7].

Bằng cách phân cực đầu dò chứa khí ờ các vùng điện áp khác nhau, ta thuđược

các loại đau dò chứa khí kliác nhau, bao gồm: buồng ion hóa, ống đem tỷ lệ, và ống

đếmGeiger Muller.

Buồng ionhóa làloạiđầu dòdùng đêđo các hạt alpha, beta,và tia gamm Buồng ion hóa hoạt động ở điện áp thấp Dòng điện chạy trong buồng thấp, klioảng 10—12

Ampe, nên loại máyđo này luôn phải cómodulephirctạpđêcó thêm khãnăng khuếch

đại dòng điện Tùy vào mục đích sir dụng, máy đo sẽ có thiết ke khác Tnrờng hợp máy đo ghiđo nhò tính di động cao, thì buồng sẽ chứa đầy kill và vật liệu được dùng

chếtạo sẽ có số nguyên từ z thấp.Trường hợp đohạt alpha, hạtbeta thì thiết ke thành

hay vỏ phải mòng, cửa sô đo cũng mòng Đê phân biệt hạt alpha, beta, và tia gamma

sẽ cần một lá chan ngăn hạt alpha hoặc beta đi vào buồng [4].

Ỏng đếmtỷ lệ là loại đầu dò đtrợc thiết kế cho phép đếm hạt alpha và hạtbeta Nó hoạt động ờ vùng điện áp tỳ lệ Độ ion hóa cùa hạt alpha cao hơn sovới hạt beta

nên máy đo có thê phânbiệt được giữa hai hạt này Sử dụng khí P-10, là loại khí baogồm 90%khí Argon và 10% khí Metanvà kliông sử dùng loại kill thông thường đê

thựchiện việc ion hóa, chi sử dụng P-10 [6]

Ông đếmGeiger Muller (GM) là loại đầu dò chứa khí hoạt độngờ vìing Geiger

Muller Sử dụng kill P-10, giống với kill trong ống đem tỷ lệ Õng đếm này kliông

phụ thuộc hay phân biệtđược năng lượng cùa bức xạ tới, và năng lượng bức xạ truyền

vào các ion âm hay electron khi tương tác,đồng nghĩa với việc là nó khôngphânbiệtđược hạtalphavà hạt beta Đê phân biệt hạt alpha, beta thì chì cần một lá chan hoặcnắp đê che cừa sô đầu dò Các đầu dò GM kliông đo được suấtliều hoặc liều lượng.

Với loại ống đếm GM này, cầnphan cực bằng một điện áp cao nên vùng hoạt động

cùa nó gần với vùng phóng điện Đê giải quyết sự phóng điện có diễn ra trong ống

demGM với tỷlệ nhỏ người ta sử dụng các loạikill hữu cơ hoặc halogen đê dập tat

sự phóng điện So sánh giữa khí hữu cơ và khí halogen, thì halogen được đánh giá tốt về mặt tuôi thọ cho máy đo trong tình huống có tốc độ đếm cao Việc dập tat có ýnghĩa là đưa máy đo hoạt động dưới vùng GM nham làm các ion đang ờ trạng tháikích thích hoặc phóng điện bịkhửđi [4],

2.Ỉ.2 Đầu dò bán dẫn

Các đầu dò bán dẫndạng chất ran cócấutạo tương tỊT với đầudò chứa khí Điêmkhác biệt là thayvì chứa khí,thì loại đầu dò bán dẫn nàydùng vật liệu bándẫn trongthê tích của đầu dó như trong hình 2.3 trìnhbày Vật liệu bán dẫn làloại vật liệu vừa

có thê cách điện và cũng vừa có thế dẫn điện.

Đầu dò bán dầnbao gồmhai loại vật liệu: loại p và loại n Hai loại này tiếp giáp

nhau tạo thành tiếp giápp-n Trong đó, loại n là loại vật liệu mà khi ta đưa thêm tạpchất vào và quá trình pha tạp (doping) cung cấp thêm các electron cho vùng hóa trị,

dân đếnviệc chi với một năng lượng nhỏ được hấp thụ thì các electronsẽ di chuyênlên vùng dẫn Cònvới loại p, quá trìnli pha tạp cung cấp thêm lỗ trống ờ vùnghóa trị Xung quanh tiếp giáp p-n là vùng nghèo, vùng này sẽ không có lỗ trong và cũng

khôngcó các điệntích, nên lớp nghèo này có khả năng phát hiện sự hiện diệncủa bức xạ khi đi tới [4],

Bức xạ tới sẽđi qua lớp nghèo vàtương tác với các electroncùa nguyên tĩr tinhthê Khiđủnăng lượng sẽ làmcho electron hapthụ và bậtra, đong thờielectron mang

năng lượng di chuyên lênvùng dẫn Khi electron nlrảy lên vùng dẫn,nó sẽ đê lại một

lỗ trống ờ vùng hóa trị Lô trống này sẽ có mộtelectron từ nguyên từ kliác đến lap

đầy và lạiđêlại mộtlỗ trống mới [4].

Các loại đầu dò bán dẫn phô biến bao gồm: diode khuếch tán; đầu dò hàng ràomặt; đau dò hàng rào mặt; đầu dò Lithium (Li), đau dò Gemanium - độ tinh khiết

Đi ốt khuếch tánlàdạngđầu dò dùng đê phát hiện cáchạtmang điện,tia gammacụ thê đo lượng gamma cá nhân Thiếtke của Đi ốt khuếch tán bao gồm: 1 vật liệu loại p mòng 1 micromet, và phần cònlại là vật liệu loại n [4].

Đầudò hàng rào mặt có cấu tạo kliác với đi ốt khuếch tán, khi vật liệuloại p sẽlà một lớp rấtmòng, mỏng hơnờđi ốtkhuếch tán, và loại p ờđầu dò hàngrào mặt sẽ

phũ lên vật liệu loại n Do cấu tạo nhưvậy nên bề mặt tinli thê phải luôn được giữ

sạch, không đê bám chất dạng dầu hoặc các vật thê lạ bám vào Đầu dò này còn rất

nliạy với ánh sáng photon, các ánh sáng photonkhiđạtthê tích nhạysẽ tạo ra các cặp

lỗ trống-điện từ Công dụng cùa loại đầu dò nàyđược sừdụng đê thực hiện lập phô các hạtmang điện[4].

Đầu dòLithiumcó cấu tạo pha tạp với Germanium (Ge) hoặc pha tạp với Silicon(Si) Khi pha tạp với Ge thì sẽ có khả năngthực hiện việc đo phô cho tiagamma với

độ phân giải năng lượng tốt, nhưng bat lợi là việc phải duytrì nitrogen lòng ờ nhiệt

độ phù hợp Khi pha tạp với Si, đầudò ngoài đo được tia gamma như khi pha tạp Ge

với Lithium, còn thêmkliả năng đo được phô betavàphô tia X Có thê đođược các

tia gamma năng lượng thấp hơn Tuy nhiên về khả năng đo tia gamma thikém hơn

so với Lithium pha tạp Si [4].

Đầu dò Germanium - độ tinh khiết cao được sử dụng đo và phát hiện bức xạ gamma Các tạp chat trong tinhthê đầu dò được giữ ờ mức thap nliat Kliả năng đo

và phát hiệnbức xạ tương tự với đầu dò Lithium- Genhung cài tiến hơnờ phầnbảoquàn ờ nhiệt độ phòng, khi không sử dụng Bất lợi là phải làm lạnh đen nhiệt độ

nitrogen lòng khihoạt động [4].

2.1.3 Đầu dò nhấp nháy

Cấu tạo của một đầu dò nliấp nháy bao gom: một tinli thê nliấp nháy và ống

nhân quangđiện(photo-multiplier tube- PMT) được thê hiện qua sơdo cấu tạo hình

2.4 Sau ống PMT là các mạch điện từ: tiền khuếch đại, khuếch đại, bộ phân tíchđộ

cao xung, bộ thu thập tín hiệu xung [4]

các electron Photomultiplier tube (PMT)

Hình2.4 Sơđồ cấu tạođầu dònhấp nliáy

Tinh thê trong đầu dò bao gồm các loại tiêu biêu nhu' Natri lodua (Nai) pha tạp

Thalium (Tl) thànhtinhthể Nai (Tl), Sunfua Kẽm (ZnS) pha tạp thêm bạc (Ag) Cáctinh thê có vai trò làm thànhphần tương tác với bức xạ tới đê tạo ra các nháy sáng Các photon ánh sáng sẽ chạm vào bề mặt của một vật liệu nhạy sáng gọi là

Photocathode là một vật liệu nhạy sáng có vai trò chuyên đôi các photon ánh

sáng thành các tín hiệu electron Photon ánh sáng sẽtương tác với các nguyên hrcủa

vật liệu Photocathode là Phot-pho và làm bật cácelectronra khỏi Photocathode Các

electron bị bật ra sẽ đi qua ống nhânquangvà được khuếch đại lên [4]

ỏng PMT là bộ phận quan trọng của câ đầu dò nhấp nháy Nó đóng vai trò là

bộ phận khuếch đại các tín hiệu điện electron sau khi các photon ánh sángđi qua lớp

photocathode Trong ống PM bao gôm cácDynode, Anode, và nguồn caothe cấp cho ống Các dynode có chức năng là khuếchđại một electron mà nó thu thập được thành

4 electron, số lượngdynode trong ống PMT là gần 10 cái và dynode đầu sẽ được cấpđiện áp là 200V, các dynode sau sẽ được cấp điện áp gấpđôi dynode tnrớc.

Sau ống PMT là các mạch điện như Bộ tiền khuếch đại, bộ khuếch đại, bộ phân

tích xung Trong đó, bộ tiền khuếch đại có vai trò khuếch đại tín hiệu điện tìĩ ốngPMT Do tínhiệuđiện là electron có biên độ nhỏ cần được khuếchđại hay điềuchinh

xung của electron Vai trò khác của bô tiền kliuếch đại là ghép nối trờ kháng giữadetectorvới bộ khuếch đại.

Bộ khuếch đại có vai trò khuếch đại tín hiệu từ bộ tiềnkliuech đại lên khoảng

1000 lần đê có được các tín hiệu mạnh cho bộ phía sau làmviệc Độ khuếch đại củaxungđược tínhbằng: tỷlệ cùa biênđộ cùa xung phát ra từ bộ khuếchđại với biênđộcùa xung phát ra hr ốngPMT ơbộ này còn có vai trò định hình các xung, tránh các tín hiệu xung này chồng chấttínhiệu xung khác.

Bộ phân tích xung dựa vào biên độ điện áp của xung (pulse-high analyser - PHA) có thê suy ranăng lượng bức xạ tirơng ứng Có 2 loại PHA: bộ phân tích đơn kênh - (single-channel analyser - scA) và bộ phân tích đa kênh (multi-channel

analyser - MCA).Bộ phântíchđơn kênh cóthê phát hiện ra mộttúi hiệu xung và chì

xừ lý tín hiệu này cho đen khi hoàn thành, nên bộđơnkênh sẽ bò lờcác túilũệu xung ke tiếp trong quá trình xừ lý tín hiệu trên Bộ phân loại đa kênh có thê xử lỳ nhiều

xùn cùng lúc, rất ít khả năng bị mất túi hiệu, nhưng các tín hiệu xung có thê chồnglênnhau làmcho bộ đa kênli nliận địnli cáctín hiệu bị chồng chập là một tín hiệu.

Chức năng bộ đem/thống kê/xử lý và hiên thị: Thiết bị không ghi hình có nhiệm VỊ1 đếmsố xung (sốsựkiện bức xạ) từ bộ phân tích, hiên thị các thôngtin nàydưới dạng số đếm hoặc số đếm/thời gian, Thiếtbịghi hhihsẽ thực hiện thống kê số

xung(số sự kiệnbức xạ) từ bộphân tích, xử lý các dữ liệunày bằng thuật toán dựng

ảnh, hru trà, hiên thị,

Khi có bức xạtới tương tác với nguyêntừ cùatinh thê nhấp nháy, Các nguyên

tử khitương tác với bức xạ sẽbị kích thích tạm thời Trong quá tình bị kích thích, các electron hấp thụ năng lượng mà bức xạ đê lại, sau đó nhảy lên mức năng lượng caotrong nguyên tử Sau một thời gian ngắn ờ mức năng lượng cao, electron bị kích thíchđó sẽ nhảy về mức năng lượng ban đầu, đồng thời nó sẽ thải ra năng lượng Năng

lượng bị thải ra đó là photon ánh sáng Photon ánh sángnày có thê nhìn thấy được.Số lượngphoton ánh sángtỷ lệ thuận với năng lượngcủa bức xạ tới, nhờ vậy màđầudò nhấp nháycó thê dùng đê phân tíchphô, ngoài cái chức năng phát hiện bức xạ.

Các loại đầu dò nhấp nháy phô biến bao gồm: đầu dò Sunfua Kẽm (ZnS) và đau dò Natri lodua (Nai (Tl)).

Đầu dò Sunfua Kẽm thường pha tạp thêm các nguyên từ bạc đê là chất kích

thích (kích hoạt), có tên gọi khác là đầu dò ZnS(Ag) Vật liệu này kliông cho phép các photon ánh sáng đi qua dề dàng, nên nó được thiết kê cho mòng lại Do bị thiết

kế dạng màng mòng, nên loại vật liệu này rất dề bị các vật nhọn đâm xuyên, gây

thủng màng Đầu dò Sunfua Kẽm thích hợp cho việc phát hiện các hạt alphavà các

hạt ion nặng (ionnặng là hạt nó có điện tích và kliối lượngnặng hơnhạt alpha) [4]

Đầu dò Natri lodua được pha thêm một lượng nhòThalium giúp tăng cường kha

năng tạo ra các photon ánh sáng Tinh thê ờ đầu dò này rất dề suy giảm bời sự hấp

thụ độ âm khôngkhí, nên tinh thê được đặt trong một hộp nhôm kínvà có một cửasô mòng Đầu dò thường được dùng đêthực hiện đo quangphô gamma Tiling bình

20 - 30 photon ánh sáng trên 1 keV năng lượng [4] [6]

Đầu dò này sử dụng tinh thê khác nhau cho các mục đích kliác nhau, sự kliác

nhau là namờ độ dày tinh thê Một tinli thê được thiết ke độ dày 3mm,rất hiệu quá đêphát hiện các tia gamma ờ mức năng lượng 150 keV Tinh thê dàyhơn có thê đo

được các tia gamma năng lượng cao hơn Khi so sánhvới đau dò bán dẫn, thì nó có hiệu suất đo tốthơn nhưng độ phân giải năng lượng kémhơn Nhược diêm của đầu

dò là dềvỡ , ngoài ra việc thay đôi nhiệt độphòngđộtngột có thê gây nứt tinhthêvàlàmgiảm hiệu suất cùa đầu dò [4]

2.2 Máy đo phóng xạ Radiation Alert Ranger®

Radiation AlertRanger ®(RAR) là loại máy đo đo phóng xạ cầmtay, đượcsản

xuất bời S.E.International Máy đo được chetạo dựatrên buồng ionhóa, cụ thêlàđầudò Geiger Muller (GM), cửa sô mỏng phía saumàn hình LCD, vàmặt ngoài cùng là dạng lưới mà ta thấy được ờ mặt saucùa máy đo Máy đo có kích thước dài Xrộng X

dày là 120 X 68 X 33 mm, trọng lượng là 292 g,khả năng chịu nhiệt tìr -10 °C tới hơn 50 °C (Hình 2-5) [8]

Hình 2.5 Máyđo Radiation Alert Ranger®

Máy đo RAR có các bộ phân như màn hình LCD, 1 đèn LED nhò có màu đò nằm ờ đầu máy Các nút bao gồm: Power (Enter), Count, Audio (Minus), Menu,

Backlight (Plus), Mode Các ket nối như công USB, ketnoi Bluetooth[8] Chức năng

các nút:

- Power (Enter): Nằmờtrungtâm cácnút của cùa máy Vaitrò bật hoặc tắt máy

- Alarm: Nút cho phép đặt chuông báo hoặc phát ra âm thanh thông báo hoàn

tất đo sau một thời gian do ta cài đặt.

- Count: được sử dụng đêđem thời gian, mặc định là 10phút.

- Audio (Minus): Nút này có chức năng bật hoặc tắt âm thanh khi đang hoạt

động Trong chế độ cài đặt các số, nút này có chức năng giâm số, cụ thê là

giảm thời gianđo.

- Menu: Nút nàymờ ragiao diệnmenucùa máy.

- Backlight (Plus): Cho phép bật đèn nển trên màn hình LCD trongvòng 7 giây

theo cài đặt mặc định, nếu nhan giữ trong 3 giây sẽ bật vĩnh viền và có thê tắt

chê độ đèn vĩnh viên băng cách này Cũng như nút Audio (Minus), nút này

cũng có chức năng đôi số cài đặt tronggiao diện menu, ờ đây là tăng số.

- Mode: Nút này hiên thị và cho phép lựa chọn các đơn vị đo máy có: mR/h,CPS - đếm trên mỗi giây, pSv/h, Counts, CPM đếm trên mỗi phút, pR/h [8]

Các giới hạn đo tương ứng với các đơnvị thê hiệntrong bảng 2.1.

Bảng 2.1 Klioảng đo của từng đơn vị trong máy đo RadiationAlert Ranger®

Chế độ (đơn vị) mR/h pSv/h CPS CPM Counts

Giới hạn đo 0.001 - 100 0.01 - 1000 0 - 5000 0-350,000 9,990,000

Máy đo RAR có độ nhạy phát hiện đối với tia alpha có năng lượng tối thiêu 2 MeV, tia beta tối thiểu 0.40 keV, tia gamma tối thiểu 10 keV [8] Máy đo RAR sử

dụng nguồn phóng xạ đê hiệuchinh đầu dò, nham tốitru hóa hiệu suất đo cho đau dò

GM: Sulfur (S-35), Stronium (Sr-90), Phosphorus (P-32), Carbon (C-14), Iodine

(I-131), Cobalt (Co-60), Cesium(Cs-137) vàhạt Alpha Do Cs-137 được tối tru hóa đo

đạc cho các mode đơnvị: mR/h, pSv/h, pR/h, nên sẽ không chính xác hoàn toàn khi

sử dụng các nguồn khác ngoài Cs-137 đê thực hiện đo đạc phóng xạ Neu muốn đạtđược độ chính xác cao, thì ta cần phải hiệu chinh thủ công bang nguồn phóng xạ

tương ứng nguồn phóng xạta muốn đo [8]

ứngdụng của Máy đo RAR [8]:

- Phát hiện và đo độ nhiêm bânbề mặt

- Giám sátkliả năng bị phơi chiếu với chấtphóng xạkhi làm việc với các

hạt nhân phóng xạ

Sàng lọc ô nhiễm môi trường (phân biệt bức xạ phông và bức xạ có nguồn, có phóng xạ)

- Phát hiện kill hiếm và các hạt nhân phóngxạ năng lượng thấp khác

2.3 Module ESP32-CAM và phần mềm Arduino IDE

ESP32-CAM là sản phâm cùa Espressifvà có bán sẵn trên thị tnĩờng

ESP32-CAM là một bảngmạch được ứng dụng trong lĩnh vực mạng internet kết nối vạn vật

(Internet of thing - IoT) Sản phâm này có tích hợp khả năng kết nối mạng wifi, kếtnối bluetooth, kết nối thông qua dây USB đê có thê sử dụng được camera - phan

chínhcủacàESP32-CAM Sản phâmnày còn có thêbậtđền hay đèn flash nham cung cap thêm ánh sáng cho camera Camera của module ESP32-CAM là máy ảnli

OV2640 (hình 2.6) OV2640 là mộtmáy ảnh thường thấy trong các ứng dụng Internet vạn vật (loT), có thê mã hóa hình ảnh dạng JPEG với mức tiêu thụ điện năng thấp,

phù hợp với module ESP32-CAM, khimodule này chỉ sử dụng 5 Volt [9]

Thông số kỹthuật [9]:

- ModuleESP32-CAM AI-Thinker

- Tốc độ truyền: 115200 bps

- Ket nối dòng điện 5 Volts

- Có khả năng kết nốiBluetooth 4.2 BR/EDR- tiêu chuẩn BLE, USB, Wifi.

- Máy ảnh loại OV2640, định dạng ảnli là JPEG

- Nhiệt độ an toàntừ-20 °C đến hơn 85 °C, trọnglượngkhoảng20g, kích thước

27 X 40.5 X 4.5 mm

Hình 2.6 a) ModuleESP32-CAM, b) Camera OV2640, c) bảng mạch

Module ESP32-CAM được lập trình trên Arduino IDE, một môi trường phát

triên hay phần mềm lập trình viết code như các chương trình Pycharm, Matlab ơ

ArduinoIDE thì sử dụng ngôn ngữ C++ Các tập tin lập trìnhtrên Arduino IDE sẽ có

đuôi tập tin là “.ino” không giống với những chương trình khác Lập trìnli trên

Arduino làm cho module cóthê kết nốivới mạng internet với bộ code đãcó sẵntrên chương trình Tuy nhiên code sẽ chi có thê được nạp vào module bang kết nối có dây

USB, việc này phục vụ cho chuyên đôi code và tải code lên module khi có sự thay

đôi trong phần lập trìnli cho module [10]

2.4 Ngôn ngữ Python và lập trình giao diện trong Python

Python được phát triên vào cuối những năm 1980 bời Guido van Rossum, tại Viện Nghiên cứu Quốc gia về Toán học và Khoa học Máy tính ờ HàLan Python là ngôn ngữ kế thừatừ ABC, Modula 3, small talk và Algol-68 Pythonlà ngôn ngữ lập trìnhhướng đối tượng Cácbước thực hiện sẽ xoay quanh đối tượng màchúng ta đang muốn thựchiện Ngônngữ này phô biến vi câulệnhđơngiãn, dễ tiếp cậnvà hiện nay

rất nliiều bài viết, video hướng dẫn trênmạng Python chi là một ngôn ngữ, kliông

như Matlab là một phần mềm có ngôn ngữ riêng, có sẵn các thư viện làm việc cùariêngnó, thì ờ Python phải cần có môi trường (hay environment) đê có thê sử dụng.

Một sổ môi trường phô biến nhu': Arduino IDE, PyCharm, Visual Studio Code,

Sublime Text 3, Spyder

Pythonđược ứngdụng choviệc: Lập trình và phát triên Website, Internet; Phát

triên phần mềm - ứng dụng;Phân tích dữ liệu, trực quan dữ liệu

Python có khá nhiều thư viện phục vụ cho tùy mục đích hay nhu cầu của lập

trình viên Trongđềtàinày sẽ sữ dụng các thư viện: Tkinter GUI, Numpy,Tesseract

Engine-OCR, OpenCV-Python, Threading.

2.5 Các bộ thư viện trong python

2.5.1 Bộ thư viện thiết kế giao diện người dùng Tkinter

Tkinter là thư viện có các thành phần giúp người sử dụng tạo ra giao diện đồhọa theo ýmuốn cá nhân Thư việnnày được áp dụngtạo giao diện ứng dụng,phần

mềm Do dề lập trình và rất phô biến nên có thê tim được sự giúp đờ từ các nhóm

cộng đonglập trinh.