đo liều lượng bức xạ bằng phương pháp đo khoảng thời gian giữa hai sự kiện

đo liều lượng bức xạ bằng phương pháp đo khoảng thời gian giữa hai sự kiện

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 3

MỤC LỤC 4

MỞ ĐẦU 6

PHẦN 1- TỔNG QUAN VỀ CÁC THIẾT BỊ ĐO LIỀU LƯỢNG BỨC XẠ 7

1.1 Cơ sở vật lý của đo liều lượng bức xạ 7

1.2 Ống đếm Geiger-Mueller (GM) 7

1.2.1 Cấu tạo, nguyên tắc hoạt động của ống đếm khí 7

1.2.1 Các quá trình diễn ra trong ống đếm GM 13

1.2.2 Thời gian phân giải của ống đếm GM 17

1.2.3 Đặc trưng đếm của ống đếm GM 18

PHẦN 2-THIẾT KẾ MÁY ĐO LIỀU GAMMA THEO PHƯƠNG PHÁP ĐO KHOẢNG THỜI GIAN GIỮA CÁC SỰ KIỆN 21

2.1 Sơ đồ khối và nguyên lý hoạt động của mạch 21

2.2 Mạch nguyên lý 23

2.2.1 Khối cao áp 23

2.2.2 Chip vi điều khiển PIC16F877A 24

2.2.2.1 Các đặc điểm kỹ thuật của PIC16F877A 24

2.2.2.2 Chức năng các chân 26

2.2.2.3 Timer/Counter (Bộ định thời/Bộ đếm) 31

2.2.2.4 Thiết kế phần cứng cho chip vi điều khiển PIC16F877A 33

2.2.3 Bộ đo thời gian 35

2.3 Ghép nối máy tính qua cổng COM 36

2.4 Lập trình cho vi điều khiển PIC16F877A 38

2.4.1 Chương trình soạn thảo và biên dịch CCS C 38

2.4.2 Lưu đồ chương trìnhvới CCS C 40

PHẦN 3 - KẾT QUẢ CHUẨN MÁY VÀ ĐO ĐẠC THỬ NGHIỆM 42

3.1 Nguồn bức xạ 43

3.2 Tiến hành đo đạc 44

PHẦN 4 - KẾT LUẬN 47

TÀI LIỆU THAM KHẢO 49

PHỤ LỤC 50

MỞ ĐẦU

Ngày nay các kỹ thuật hạt nhân được ứng dụng ngày càng rộng rãi trong các ngành kỹ thuật, kinh tế, sản xuất công nghiệp, y tế, nông nghiệp

Từ các ứng dụng phổ biến có sử dụng kỹ thuật hạt nhân, vấn đề quan trọng

là đánh giá được mức độ mạnh yếu của chất phóng xạ nhằm đảm bảo tính an toàn Đặc biệt con người không thể cảm nhận được các tia phóng xạ bằng giác quan thông thường Máy đo liều là một trong những thiết bị giúp ta xác định được suất liều của các nguồn phóng xạ cũng như của phông môi trường Nhiệm

vụ của đồ án tốt nghiệp này là nghiên cứu thiết kế một máy đo liều Đề tài này sử

dụng "phương pháp xác định khoảng thời gian giữa hai hạt bức xạ liên tiếp"

PHẦN 1-TỔNG QUAN VỀ CÁC THIẾT BỊ ĐO LIỀU LƯỢNG BỨC XẠ

1.1 Cơ sở vật lý của đo liều lượng bức xạ

Lượng tử tương tác với vật chất có thể dẫn tới hiệu ứng iôn hoá Khi đó trong phần nhạy với tương tác của bức xạ sẽ xuất hiện các phần tử có điện tích là electron tự do và các iôn Nếu phần nhạy được đặt trong một điện trường, thì chúng sẽ chuyển động định hướng về phía điện cực trái dấu, do đó tạo nên tín hiệu điện Bằng cách xử lý và đo đạc các tín hiệu điện quen thuộc này, có thể xác định được liều lượng bức xạ

Do đó các máy đo liều phải có nguồn nuôi cấp điện áp thích hợp cho đầu

dò, mạch hình thành xung để tạo xung từ tín hiệu điện do đầu ghi ghi nhận được

và các khối điện tử khác thích hợp với phương pháp đo được đưa ra

Trong các thiết bị đo liều, bộ phận quan trọng đầu tiên là đầu dò bức xạ Dưới đây trình bày một số lý thuyết về ống đếm Geiger-Mueller được sử dụng trong đồ án

1.2 Ống đếm Geiger-Mueller (GM)

1.2.1 Cấu tạo, nguyên tắc hoạt động của ống đếm khí

Hoạt động của các ống đếm khí dựa trên hiện tượng iôn hóa của các phần

tử khí dọc theo đường đi của hạt mang điện khi chúng rơi vào môi trường khí

Về hình thức cấu tạo, ống đếm khí tương tự như một tụ điện (hình 1-1): hai cực của ống đếm là anốt và catốt đúng vai trò như hai bản tụ, lớp khí giữa hai bản cực giống như lớp điện môi của tụ điện Điện áp một chiều thích hợp được

đặt lên hai bản cực tạo ra một điện trường đủ mạnh để đưa các e–, iôn (+) (kết quả iôn hóa khí của bức xạ tới) về anốt và catốt tương ứng Vì vậy, từ đầu ra của ống đếm sẽ có tín hiệu điện mỗi khi có hạt bức xạ rơi vào.

Hình 1-1: Sơ đồ nguyên tắc hoạt động của ống đếm khí[4]

Độ lớn của điện áp một chiều đặt vào hai cực của ống đếm khí có ảnh hưởng mạnh tới đặc điểm của quá trình iôn hóa khí Chính sự khác nhau về đặc điểm của quá trình iôn hóa khí dưới các vùng điện áp nuôi khác nhau đã tạo nên các loại ống đếm khí khác nhau như buồng iôn hóa, ống đếm tỷ lệ, ống đếm Geiger–Muller

Sự khác nhau về vùng điện áp làm việc giữa các loại đầu dò khí làm việc ở chế độ xung được minh họa trên hình 1-2

Hình 1-2: Vùng điện áp làm việc của các loại ống đếm khí[6]

Ở điện áp thấp (vùng 1), điện trường trong ống đếm yếu nên các e–, iôn (+), tạo ra bởi sự iôn hóa ban đầu của hạt tới, có thể tái hợp lại với nhau Vì vậy số cặp (e–, iôn +) về góp ở các điện cực tương ứng nhỏ hơn số cặp tạo ra Sự tái hợp giảm đi theo sự tăng của điện áp nuôi nên biên độ xung cũng tăng dần theo điện áp.

Dưới điện trường đủ mạnh (vùng 2), có thể bỏ qua sự tái hợp (e–, iôn +) dọc đường trôi về các cực nên gần đúng coi lượng điện tích đến góp ở điện cực bằng lượng điện tích tạo ra Khi

, iôn +) sẽ được tạo ra trong ống đếm Trong khi các e– nhanh chóng trôi về anốt thì các iôn (+) với khối lượng lớn hơn, sẽ chuyển độngcường độ rọi bức xạ không thay đổi thì tốc độ tạo cặp (e–, iôn +) là một hằng số Vì vậy, biên độ xung

ra sẽ đạt đến bão hòa Vùng (2) là vùng làm việc của vùng buồng iôn hóa

Nếu tiếp tục tăng điện áp nuôi, điện trường trong ống đếm sẽ mạnh lên Các electron, do khối lượng nhỏ, khi chuyển động trong điện trường mạnh sẽ thu được năng lượng lớn có thể đủ để iôn hóa các phân tử khí khác (gọi đó là iôn hóa thứ cấp) Vì thế số e– đến anốt được nhân lên Ta nói rằng ống đếm có sự khuếch đại khí Nhờ quá trình này, biên độ xung ra tăng lên Sự khếch đại khí trong miền (3) có đặc điểm tuyến tính Nghĩa là, lượng điện tích được góp, tức biên độ xung,

tỷ lệ tuyến tính với số cặp (e–, iôn +) tạo ra ban đầu Đây là vùng làm việc của ống đếm tỷ lệ

Khi tăng điện áp nuôi thêm nữa (vùng 4), sự khuếch đại khí trở nên càng mạnh hơn, một lượng lớn các phần tử dẫn (e– chậm hơn, còn đang trên đường tới catốt Sự có mặt một lượng lớn các điện tích (+) chậm phân tán trong khoảng không gian giữa hai cực (giống như đám mây mang điện dương) sau mỗi lần có

hạt bức xạ rơi vào ống đếm sẽ làm méo điện trường và do đó kìm hãm sự iôn hóa thứ cấp tiếp theo Kết quả là, sự khuếch đại khí không còn tuyến tính nữa Vùng (4) gọi là vùng tỷ lệ hạn chế.

Trong vùng (5), điện trường rất mạnh khiến cho quá trình iôn hóa thứ cấp trở nên chiếm ưu thế hoàn toàn Nhờ đó các e– trên đường tới anốt được nhân lên rất mạnh thành dòng thác e– Mỗi e– trong thác lại có thể khởi động một thác khác, nên chỉ sau một thời gian rất ngắn, ống đếm bị phóng điện Đặc điểm của vùng (5) sự khuếch đại khí rất mạnh, do các quá trình iôn hóa thứ cấp chi phối và

nó xảy ra bất chấp số cặp (e–, iôn +) tạo ra ban đầu là bao nhiêu Vì vậy, xung ra gần như có cùng biên độ và không phản ánh bất cứ tính chất nào của hạt Cùng với quá trình phát triển thác, đám mây dày đặc tích điện dương sẽ làm giảm nghiêm trọng điện trường trong ống đếm Do đó, sự phát triển thác sẽ bị hạn chế

đi đến kết thúc (trong những điều kiện nhất định) Đây là vùng làm việc của ống đếm Geiger-Mueller tự tắt

Nhìn chung, ống đếm GM có cấu tạo hình trụ tương tự ống đếm tỉ lệ Vỏ trụ đảm nhiệm luôn vai trò của Catốt và thường nối đất Anốt là một sợi dây kim loại rất mảnh được căng dọc theo trục ống trụ Tuy nhiên vì biên độ xung ra từ ống GM đều giống nhau và không cho thông tin gì về hạt bức xạ nên yêu cầu về

độ đồng đều, độ nhẵn của dây Anốt không đòi hỏi khắt khe

Sơ đồ điện của ống đếm như hình 1-3

V r

Nếu hai bản cực có dạng phẳng thì điện trường đều, hệ số khuếch đại khí

sẽ phụ thuộc hàm mũ vào vị trí iôn hóa ban đầu r0 Tuy nhiên trong ống đếm dạng trụ, điện trường chỉ có giá trị lớn ở sát anốt (hình 1-4) Do đó, sự khuếch đại khí chỉ thực sự bắt đầu từ vị trí (ký hiệu rc), mà từ đó đến anốt, điện trường lớn hơn ngưỡng để tạo cho e– có đủ năng lượng iôn hóa phần tử khí khác Vì rc rất nhỏ nên miền khuếch đại khí (bán kính trải từ a tới rc) có thể tích rất bé so với toàn bộ thể tích của ống đếm Vì vậy, sự iôn hóa ban đầu xem như xảy ra ở ngoài miền khuếch đại khí Chỉ khi e– rơi vào miền khí sát anốt, vùng gạch chéo trên hình (2-13) thì chúng mới khởi động quá trình phát triển thác

Hơn nữa, sự iôn hóa trong miền khuếch đại khí mạnh hơn hàng nghìn lần

sự iôn hóa ở ngoài vùng này nên vị trí iôn hóa ban đầu (r0) không còn quan trọng nữa Mỗi một e–, dù ban đầu được sinh ra ở đâu đó ngoài rc (r > rc), một khi đã rơi vào miền khuếch đại khí đều được nhân lên gần như với cùng một hệ số khuếch đại M Vì vậy, biên độ xung ra từ ống đếm GM xem như không phụ

Phân bố cường độ

điện trường trong

ống đếm trụ[6]

thuộc vào vị trí iôn hóa ban đầu Nói cách khác biên độ xung không cho thông tin gì về tính chất của hạt tới.

Biên độ xung ra từ ống đếm GM rất lớn, cỡ Vôn Với các ưu điểm như đơn giản trong sử dụng, rẻ tiền, ống đếm GM là một lựa chọn hợp lý cho các hệ

đo chỉ dùng để đếm hạt

Nhược điểm cơ bản của chúng là: thời gian chết lớn nên ống đếm GM chỉ hạn chế trong các ứng dụng với tốc độ đếm thấp (cỡ vài trăm đến ngàn xung trên giây) Một số ống đếm GM có thời gian làm việc ngắn

1.2.1 Các quá trình diễn ra trong ống đếm GM.

a Sự phóng điện

Giả sử, một hạt bức xạ rơi vào ống đếm trụ và tạo ra N0 cặp iôn ở vị trí r0 như trên hình (2-12) Dưới điện trường, các e– trôi về phía anốt được tăng tốc, nên chúng thu được năng lượng Với điện trường đủ mạnh lớn hơn ngưỡng nào

đó, năng lượng của e– trở nên lớn hơn thế iôn hóa khí Vì vậy khi xảy ra va chạm với các phân tử khí trung hòa, e– có thể iôn hóa khí để tạo ra các (e–, iôn) mới (iôn hóa thứ cấp) Các e– mới được giải phóng lại được tăng tốc và lại có thể iôn hóa các phân tử khí khác… Quá trình nhân e– cứ tiếp diễn liên tục như vậy tạo nên một dòng thác e– khi chúng chuyển động đến anốt và do đó số cặp (e–, iôn) đến gúp ở các điện cực được nhân lên nhiều lần so với số cặp (e–, iôn) tạo ra ban đầu Ta nói, trong ống đếm có sự khuếch đại khí

Để xảy ra sự phóng điện trong ống đếm GM, bên cạnh quá trình iôn hóa thứ cấp do va chạm, phải kể đến vai trò rất quan trọng của các phôtôn nằm trong vùng nhìn thấy và vùng từ ngoại phát ra từ các phần tử khí kích thích.

Thật vậy, các phôtôn này có thể bị khí hấp thụ lại hoặc có thể đến đập vào Catốt Các tương tác này đều có thể dẫn tới giải phóng e– tự do Các e– sẽ trôi về anốt gây ra thác điện tích Cứ như vậy thác lan truyền rất nhanh dọc theo dây anốt Ống đếm sẽ phóng điện trong vài trăm micro giây (µs)

Trong ống đếm GM, hệ số khuếch đại khí M rất lớn, cỡ từ 106÷108 Do

đó, xác xuất giải phóng các e– từ quá trình quang điện là rất lớn Có thể nói các phôtôn có vai trò then chốt giúp cho thác e– lan truyền nhanh theo Anốt

- Cơ cấu khí nạp vào ống đếm giúp ngăn cản sự giải phóng e– tự do từ các quá trình thứ cấp Thành phần khí nạp vào ống đếm GM gồm (90÷95)% khí trơ (phổ biến là Ar và He) và khoảng (5÷10)% khí đa nguyên tử giữ

chức năng dập tắt phóng điện nên gọi là khí dập tắt Khí dập tắt được chọn sao cho thế iôn hóa của nó thấp.

Khi ống đếm chỉ dùng một loại khí trơ, ví dụ Ar, thì sau khi phóng điện các iôn Ar+ trôi về Catốt Nếu năng lượng của chúng lớn hơn 2 lần công thoát của Catốt, thì sau khi iôn Ar+ trung hòa trên đó, chúng có thể bứt thêm e– mới Các e– này rơi vào gần Anốt có thể gây ra phóng điện Vì thời gian iôn (+) trôi từ vùng thác gần Anốt về Catốt khá lớn (cỡ 10–4 s) nên sự phóng điện gây bởi e– (có nguồn gốc từ va đập của các iôn (+) trên Catốt) sẽ kéo dài sự phóng điện của tín hiệu trước đó, hình thành nên các xung kéo dài (xung đa bậc)

Số cặp iôn tạo ra trong 1 lần phóng điện rất lớn, cỡ 109÷1010 nên xác xuất xảy ra phóng điện kéo dài rất lớn

Khí dập tắt sẽ ngăn cản sự phóng điện kéo dài bằng cơ cấu va chạm Thật vậy, sau mỗi lần phóng điện, mật độ các iôn (+), chủ yếu là của khí trơ, sẽ rất cao, xác xuất va chạm của chúng với các phân tử khí trung hòa rất lớn, trong số

đó có nhiều phân tử khí dập tắt Trong va chạm, do thế iôn hóa của khí dập tắt thấp nên các phân tử khí dập tắt sẽ bị iôn hóa bởi các iôn (+) của khí trơ Vì vậy đến Catốt chủ yếu là các iôn (+) của khí dập tắt Các iôn này sau khi trung hòa trên Catốt thường phân ly chứ không bứt thêm e– dù cho còn dư thừa năng lượng Ngoài ra, khí dập tắt cần hấp thụ mạnh các phôtôn hồng ngoại và tử ngoại phát

ra từ các phân tử khí trơ bị kích thích, giảm bớt sự phát xạ e– quang điện, nên cũng góp phần ngăn ngừa sự phóng điện kéo dài Khí dập tắt thường chọn là các khí hữu cơ như C2H5OH, CH3OH,… Với việc chọn tỷ lệ thích hợp giữa khí trơ

và khí dập tắt, sự phóng điện có thể tự ngừng lại

- Tác động từ bên ngoài

Với việc chọn điện trở tải R lớn, sụt áp trên R khi có phóng điện VRmax lớn

sẽ làm cho điện áp giữa hai cực của ống đếm giảm xuống tới giá trị

để sự khuếch đại khí có thể xảy ra thì các thác điện tử thứ cấp (khối phát bởi phôtôn) không thể tiếp tục xảy ra Sự phóng điện vì thế sẽ bị dập tắt Muốn vậy, cần chọn R lớn cỡ 108Ω để hằng số thời gian góp điện tích RC cỡ ms (C: điện dung ký sinh) Nhược điểm của việc chọn R lớn là ống đếm làm việc chậm do mất thời gian khá dài để dập tắt phóng điện

Nếu không sử dụng yếu tố dập tắt từ bên ngoài, giá trị của R thường được chọn sao cho RC cỡ vài µ s, tương ứng với thành phần nhanh của sườn xung

Trong quá trình sử dụng, các phân tử khí dập tắt bị tiêu hao dần do bị phân

ly Vì vậy, ống đếm GM thường chỉ đếm được 109→1010 xung Sau đó chức năng làm ngừng phóng điện của khí dập tắt kém dần, không còn như trước

Các ống đếm GM dùng khí halogen như Cl2, Br2 làm khí dập tắt, gọi là ống đếm Halogen Vì quá trình biến đổi Cl2 → Cl + Cl; Br2 → Br + Br Có thể diễn ra theo chiều ngược lại nên thời hạn của ống đếm Halogen tăng lên nhiều Tuy nhiên, vì khí Halogen thuộc loại khí âm nên chúng chỉ có thể có mặt trong ống đếm với một lượng rất nhỏ (chỉ khoảng 0,1%) Mặt khác khí Halogen hoạt tính hóa học mạnh khi có phóng điện, một số phản ứng xảy ra trên khí này sẽ tạo

ra các sản phẩm gây nhiễm bẩn bề mặt dây Anốt và Catốt và dẫn đến sự thoái hóa của ống đếm

1.2.2 Thời gian phân giải của ống đếm GM.

Như đã thấy ở trên, sau mỗi lần phóng điện, mật độ iôn (+) tạo ra rất lớn làm cho điện trường trong ống đếm giảm mạnh đến mức không thể xảy ra phóng điện mới nếu như có một hạt bức xạ tiếp theo rơi vào đúng thời điểm điện trường

bị suy yếu mạnh nhất Ống đếm có một thời gian chết τ ch nào đó, được xác định bởi khoảng thời gian giữa thời điểm xung trước đó bắt đầu tạo thành và thời điểm sự phóng điện tiếp theo sau có thể phát triển được (hình 1-5)

Thời gian chết của các ống GM thông thường trong khoảng từ

50÷100µ s Khi các iôn (+) trôi về phía Catốt, điện trường hồi phục dần Tương tác của bức xạ xảy ra trong thời gian này sẽ gây ra các xung có biên độ nhỏ, nhưng biên độ tăng dần khi các iôn (+) càng gần về Catốt

Điện trường sẽ hồi phục hoàn toàn khi toàn bộ các ion (+) tới Catốt Thời gian hồi phục của ống đếm GM là thời gian cần thiết để điện trường trong ống đếm trở về trạng thái ban đầu Sau thời gian hồi phục, sự phóng điện gây bởi hạt tiếp theo gây ra xung có biên độ bằng với biên độ gây bởi hạt rơi vào trước đó

Vì biên độ xung ra từ ống đếm GM rất lớn, nên xung xuất hiện trong giai đoạn hồi phục tuy có biên độ nhỏ hơn nhưng nếu vượt qua ngưỡng nhạy của thiết bị điện tử theo sau ống đếm thì vẫn có thể được ghi

Vì vậy thời gian phân giải τ của ống đếm GM thường nằm giữa τ ch và

τ hp, tức vào cỡ 10 –4 s Vì vậy ống đếm GM là loại ống đếm chậm, khi làm việc với tốc độ hạt cỡ 103/s trở nên, sự hiệu chỉnh số đếm đo được trở nên cần thiết

Hình 1-5: Thời gian chết, thời gian phân giải, thời gian hồi phục của ống

đếm GM[6]

Vậy thời gian phân giải của ống đếm GM không chỉ phụ thuộc vào mức

độ hồi phục của điện trường trong ống đếm mà còn phụ thuộc vào đặc điểm tạo dạng và độ nhạy của khối xử lý xung sau ống đếm

1.2.3 Đặc trưng đếm của ống đếm GM.

Đặc trưng đếm của ống đếm GM có dạng như trên hình 1-6 Nhìn chung, Plato của ống đếm GM dốc hơn so với ống đếm tỷ lệ Nguyên nhân dẫn đến sự nghiêng này có thể kể đến là:

- Khi điện áp tăng , điện trường ở hai đầu ống đếm được mở rộng thêm và mạnh hơn trước nên sẽ có thêm hạt rơi vào vùng này được ghi

- Cơ cấu dập tắt phóng điện kém hiệu quả, sự phóng điện thứ cấp gây bởi các e– tự do (kết quả va chạm giữa ion (+) với Catốt) thường xuất hiện chậm sau tín hiệu thật nên dễ gây xung giả (vì ion (+) phải mất một thời gian ∼ 10–4 s để đi từ nơi sinh ra (gần anốt) tới Catốt)

- Mật độ ion (+) trong ống đếm GM lớn nên xác xuất gây xung giả rất lớn Các xung sinh ra trong thời gian điện trường chưa hồi phục có biên độ nhỏ Khi điện áp tăng, các xung có biên độ nhỏ có nhiều khả năng được ghi hơn Vì vậy, khi đo đặc trưng đếm để chọn điện áp nuôi thích hợp nên cho ống đếm làm việc với tốc độ đếm thấp, cỡ vài trăm xung/s ở vùng Plato.

Ở cuối Plato, nơi điện áp rất lớn, tốc độ đếm tăng đột ngột Đó là do cơ cấu dập tắt hoàn toàn mất tác dụng và lượng xung giả tăng đột biến Ống đếm bắt đầu phóng điện liên tục Người sử dụng cần giảm ngay điện áp nuôi khi quan sát thấy điểm cuối này để tránh những hỏng hóc có thể xảy ra

Hình 1-6: Đặc trưng đếm của ống đếm GM[6]

Các ống đếm GM dùng khí dập tắt hữu cơ có Platô bằng phẳng nhất, độ nghiêng chỉ khoảng (2–3)% tính trên 100V Các ống đếm Halogen có Platô nghiêng hơn nhưng bù lại có thời hạn làm việc dài hơn

Điện áp làm việc được chọn ở đoạn đầu của Platô để đảm bảo sự ổn định tốt nhất cho ống đếm trong khi hoạt động với một điện áp nuôi ở mức thấp có thể được Ống đếm chứa hỗn hợp (Ar + rượu) thường làm việc ở điện áp trên

1000V Trong khi đó, đối với ống đếm halogen chứa khí (Ne + Br2) thì điện áp này chỉ cỡ (200÷300)V

Hỗn hợp khí chứa trong ống đếm Halogen thường là Ne (khí chính) với khoảng 0,1% Br2 và khoảng 0,1% Ar Thế iôn hóa khí Ne rất lớn (Iiôn(Ne)=21,5eV) nên với điện áp nuôi vài trăm vôn, các e– (mà bức xạ tới tạo ra) khi chuyển động trong điện trường chỉ đủ năng lượng để kích thích các phần tử khí Neon Nhưng sự va chạm giữa các phần tử Ar với các phân tử Ne (xác xuất xảy ra va chạm giữa chúng rất lớn) đã thúc đẩy nhanh khí Ne giải phóng năng lượng kích thích bằng cách phát xạ phôtôn và chính các phôtôn này, thông qua hấp thụ quang điện, giúp cho thác điện tử phát triển mau chóng dọc theo anốt, gây phóng điện trên toàn ống đếm ngay ở điện áp thấp Vì vậy, sự có mặt một lượng nhỏ khí Ar trong ống đếm halogen đã làm cho ống đếm làm việc ở điện áp nuôi thấp hơn so với ống đếm GM dùng khí dập tắt hữu cơ

Trạng thái kích thích đầu tiên của khí Neon là trạng thái giả bền Nếu các phôtôn bị giải phóng “chậm” từ các trạng thái kích thích này thì các e– sinh ra

“muộn” có thể khởi động sự phóng điện mới, gây ra xung giả Vì vậy, sự va chạm giữa phân tử khí Ar với phân tử khí Ne, buộc Ne phải nhanh chóng rời bỏ trạng thái kích thích và do đó hạn chế bớt các xung giả gây bởi các e– quang điện sinh ra muộn Tuy vậy, lượng xung giả trong ống đếm Halogen thường lớn hơn lượng xung giả trong ống đếm GM chứa khí dập tắt là khí hữu cơ Xung giả cũng tăng lên theo điện áp nuôi nên Platô của ống đếm halogen dốc hơn

PHẦN 2-THIẾT KẾ MÁY ĐO LIỀU GAMMA THEO PHƯƠNG PHÁP

ĐO KHOẢNG THỜI GIAN GIỮA CÁC SỰ KIỆN

2.1 Sơ đồ khối và nguyên lý hoạt động của mạch

Hình 2-1 - Sơ đồ khốiHoạt động của mạch được mô tả như hình 2-1

Khi mạch được cấp nguồn, vi điều khiển xuất xung điều khiển Xung điều khiển vừa bật cao áp, vừa điều khiển bộ thời gian mở sau thời gian trễ τ (thời gian để cao áp đạt giá trị làm việc của ống đếm) để phát xung vào bộ đếm

Khi bức xạ rơi vào ống đếm gây ion hóa chất khí tạo ra các hạt mang điện Các electron và ion di chuyển về các cực dưới điện trường lớn gây ra thác điện tích tạo thành tín hiệu điện tại đầu ra của ống đếm Tín hiệu qua bộ hình thành xung qua Trigơ RS làm lật trạng thái của Trigơ sẽ điều khiển bộ thời gian đóng lại đồng thời làm ngắt cao áp.

Vi điều khiển sẽ đếm khoảng thời gian từ lúc bộ thời gian bắt đầu phát xung vào bộ đếm tới khi đóng Số đếm sẽ được truyền ra máy tính Để tiếp tục đếm với xung tiếp theo vi điều khiển điều khiển cho cao áp hoạt động trở lại Quá trình được lặp lại như trên Khoảng thời gian vi điều khiển đếm được tỉ lệ với suất liều đo Nếu khoảng thời gian đó càng nhỏ tức số hạt bức xạ được ghi nhận càng lớn, do đó suất liều tại vị trí đo lớn Ngược lại, nếu khoảng thời gian

đo được lớn tức số hạt bức xạ được ghi nhận nhỏ, do đó suất liều tại vị trí đo nhỏ

Để thực hiện ý tưởng trên mạch nguyên lý bao gồm các khối nguồn nuôi cấp điện áp thấp áp cho toàn mạch, khối cao áp cấp cao áp nuôi đầu ghi, ống đếm GM để ghi nhận bức xạ, khối điều khiển trung tâm, bộ đo thời gian, khối giao tiếp máy tính qua cổng COM

2.2 Mạch nguyên lý

1 2 3 U1A

1 U2A LM393N

R2 560k

R1 330k

C1 1N

12V C6 10UF GND

GND

1 1

2 2

3 3TR1

TRF4

12V

C4 100N

10nF/2KV

C2 10N/2KV GND

C7 10N/2KV GND

C12

10nF/2KV C13 10N/2KV GND

GND

R9 1M

HV HV

5 6 7 U2B

LM393N

R15 1M R14 1M

R20 2.2M

C15 10N/2KV GND 1 JP2

GM GND

C14 100PF/3KV

GND

R13 1M

2 RV3 250K

R7 2.2M

R17 VCC

1 JP4

CON2

GND

12V C21

220UF C23 100N

1000T 100T

0T

R3 100k

AN0 2 AN1 3 AN2 4 AN3 5

T0CKL 6

AN4 7 AN5 8 AN6 9 AN7 10 OSC1 13

OSC2 14 T1CLK 15 RC1 16 RC2 17 RC3 18 RD0 19RD1 20 RD2 21RD3 22 RC4 23

RD4 27RD5 28RD6 29RD7 30

RB0 33RB1 34RB2 35RB3 36RB4 37RB5 38 RB6 39RB7 40

R21 10k

1 2 3 U3A

CD4011BCN

5 6 4 U3B

CD4011BCN

1 2 3 U6A

CD4011BCN 5

U9B CD4011BCN

R23 2K

R25 8K VCC

IN 1

OUT 3GND U8 MC78M05CT

GND

VCC C25

100uF GND

C26 100N C27 100N C24

100N C22

100N

Y1 4MHz C9

33pf 33pf GND

GND

S1 SW-SPST R5 100K VCCGND

C3

100N GND

2 RV1

GND

VCC

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

JP1 HEADER 10

INTERRUPT

C19 100PF R24

D6 1N4148

D7

1N4148

D4 1N4148 D5

1N4148

D8

Diode 1N4148 D9

Diode 1N4148

RS-232 RS-232

Hình 2-2: Sơ đồ nguyên lý toàn mạch

2.2.1 Khối cao áp

1 3

U1A

CD4093BCN

5 4

U1B

CD4093BCN

8 10

U1C

CD4093BCN

12 11

R2 560k R1 330k

C1

12V

C6 10UF

R6 3K3 R8

1M C8 100N

GND

C10 10N 900K

VCC

GND

U4 LM336

GND

R4 100K

GND

1 2 3

TR1

TRF4

12V

C4 100N

10nF/2KV

C2 10N/2KV

GND

C7 10N/2KV

GND

C12 10nF/2KV C13 10N/2KV

GND

GND

R9 1M

HV HV

5 7

U2B

LM393N

R15 1M R14 1M

R20 2.2M

C15 10N/2KV

GND

R13 1M

2

RV3 250K

GND

R7 2.2M

R17

VCC

1000T 100T

0T

R3 100k

R16 10k

C16 100pF

1 3

U3A

CD4011BCN

5 4

D2 1N4148 D3 1N4148

D6 1N4148

D4 1N4148 D5 1N4148

Hình 2-3: Khối cao áp

Khối cao áp có nhiệm vụ cấp điện áp từ vài trăm V đến vài kV cho đầu ghi bức xạ tùy loại Đồ án này sử dụng ống đếm GM halogen nên cao áp khoảng 400V là đủ cho ống đếm hoạt động Sơ đồ nguyên lý như hình 2-3.

Nguồn cao áp hoạt động dựa theo nguyên tắc biến đổi DC-DC từ 12V thành 400V

IC 4093 là một bộ tự dao động đẩy kéo với biên độ dao động 12V Dao động này được nhân lên bởi biến áp và tiếp tục được chỉnh lưu nhân áp bởi hệ thống điot, tụ điện cho điện áp ra 400V Cao áp được điều chỉnh tăng giảm bằng biến trở RV2 Mạch cao áp được ổn áp nhờ khuếch đại thuật toán bằng cách so sánh một phần cao áp phản hồi về với một điện áp chuẩn để điều khiển biên độ thế lối vào của mạch cao áp

2.2.2 Chip vi điều khiển PIC16F877A

Chip vi điều khiển được sử dụng là PIC16F877A Đây là loại chip vi điều khiển được chế tạo bằng công nghệ CMOS tiêu thụ nguồn thấp, công nghệ Flash/EEPROM tốc độ cao có khả năng xóa và lập trình lại và lưu trữ dữ liệu trong bộ nhớ trên 40 năm PIC16F877A là dòng vi điều khiển phổ biến tại Việt Nam, dễ sử dụng và giá thành rẻ

2.2.2.1 Các đặc điểm kỹ thuật của PIC16F877A

PIC16F877 là một vi điều khiển 8-bit có CPU kiểu kiến trúc RISC hoạt động hiệu suất cao

Người sử dụng chỉ phải lập trình với 35 lệnh đơn đơn giản

Tất cả các lệnh đều được thực hiện trong một chu kỳ lệnh chỉ trừ các lệnh rẽ nhánh thực hiện trong hai chu kỳ lệnh

Tốc độ hoạt động: - Xung clock tối đa 20 MHz

- Chu kỳ lệnh thực hiện trong 200 nsDải điện áp nguồn rộng: từ 2.0 V đến 5.5 V

Dòng tiêu thụ: 220 µA (2 V, 4 MHz); 11 µA (2 V, 32kHz); 50 µA (stanby)

2.2.2.2 Chức năng các chân

Hình 2-4: Sơ đồ chân của PIC16F877A[1]

VSS (Chân 12, 31): chân nối đất

VDD (Chân 11, 32): chân cấp điện áp 5V

trình (output)

OSC1/CLKI (chân 13): lối vào xung thạch anh hoặc xung clock ngoài

OSC2/CLKO (chân 14): lối ra xung thạch anh hoặc xung clock

* Các cổng xuất nhập:

Vi điều khiển tương tác với các linh kiện, thiết bị ngoại vi qua cổng xuất nhập (I/O port) Sự tương tác này rất đa dạng và thông qua quá trình tương tác đó chức năng của vi điều khiển được thể hiện một cách rõ ràng

Một cổng xuất nhập của vi điều khiển bao gồm nhiều chân xuất nhập (I/O pin) tùy theo thiết kế và chức năng của vi điều khiển mà số cổng xuất nhập và số chân trong mỗi cổng có thể khác nhau Bên cạch đó, do vi điều khiển được tích hợp sẵn các đặc tính ngoại vi nên bên cạnh chức năng là cổng xuất nhập, một số chân còn có thêm các chức năng khác để thực hiện chức năng của các ngoại vi đối với thế giới bên ngoài Chức năng của từng chân trong các cổng xuất nhập hoàn toàn có thể được xác lập và điều khiển thông qua điều khiển các thanh ghi đặc biệt (SFR: Special Function Register) liên quan tới chân xuất nhập đó

Vi điều khiển PIC16F877A có 5 cổng xuất nhập gồm PORTA, PORTB, PORTC, PORTD, PORTE

+ PORTA (Cổng A) (chân 2 đến chân 7): là lối vào/ra số hai chiều; lối vào tương tự; lối vào điện áp chuẩn A/D; lối vào Timer0 dùng xung ngoài; lối ra điện

áp mẫu bộ so sánh

Các thanh ghi liên quan đến PORTA bao gồm:

PORTA (địa chỉ 05h): chứa các giá trị pin trong PORTA

TRISTA (địa chỉ 85h): điều khiển xuất nhập

CMCON (địa chỉ 9Ch): điều khiển bộ so sánh

CVRCON (địa chỉ 9Dh): điều khiển bộ so sánh điện áp

ADCON1( địa chỉ 9Fh): điều khiển bộ biến đổi tương tự/số (ADC: Digital Converter).

Analog-+ PORTB (Cổng B) (chân 33 đến chân 40): lối vào/ra số hai chiều; ngắt ngoài; nạp chương trình ICSP điện áp thấp

Các thanh ghi liên quan tới PORTB:

PORTB (địa chỉ 06h, 106h): chứa giá trị các pin trong PORTB

TRISTB (địa chỉ 86h,186h): điều khiển xuất nhập

OPTION_REG (địa chỉ 81h, 181h): điều khiển ngắt ngoài và Timer0

+ PORTC (Cổng C) (chân 15÷18, 23÷26): lối vào/ra số hai chiều; lối vào/ra

bộ dao động Timer 1; lối vào bộ bắt giữ xung; lối ra bộ so sánh và bộ điều chế

độ rộng xung

Các thanh ghi liên quan tới PORTC:

PORTC (địa chỉ 07h): chứa giá trị các pin trong PORTC

TRISTC (địa chỉ 87h): điều khiển xuất nhập

+ PORTD (Cổng D) (chân 19÷22, 27÷30): lối vào/ra số hai chiều; cổng dữ liệu phụ (Slave) song song

Các thanh ghi liên quan tới PORTD:

PORTD (địa chỉ 08h): chứa giá trị các pin trong PORTD

TRISTD (địa chỉ 88h): điều khiển xuất nhập

TRISTE (địa chỉ 89h): điều khiển chế độ giao tiếp chính/phụ (Master/Slave), điều khiển xuất nhập PORTE

PORTE (Cổng E) (chân 8÷10): lối vào/ra số hai chiều; đọc/ghi/lựa chọn điều khiển cổng phụ (Slave) song song.

Các thanh ghi liên quan tới PORTE:

PORTE (địa chỉ 09h): chứa giá trị các pin trong PORTE

ADCON1( địa chỉ 9Fh): điều khiển bộ biến đổi tương tự/số (ADC: Digital Converter)

Analog-TRISTE (địa chỉ 89h): điều khiển chế độ giao tiếp chính/phụ (Master/Slave), điều khiển xuất nhập

Hình 2-5: Sơ đồ khối của PIC16F877A[1]

+ Cho phép lựa chọn xung clock nội hay ngoại tác động.

+ Ngắt timer0 xảy ra khi tràn giá trị từ 00h đến FFh

+ Chọn sườn dương tác động đối với xung ngoài

Sơ đồ khối của Timer0 với bộ chia tần số được mô tả như hình 2-6

Việc lựa chọn Timer0 làm việc ở chế độ bộ định thời hay bộ đếm dựa trên thiết lập bit T0CS (OPTION_REG <5>) Để hoạt động ở chế độ định thời bằng cách xóa bit T0CS Ở chế độ định thời, giá trị Timer0 tăng sau mỗi chu kỳ lệnh (không bị chia) Nếu thanh ghi TMR0 được ghi thì giá trị tăng sẽ bị ngừng trong

2 chu kỳ lệnh tiếp theo Người dùng có thể điều chỉnh giá trị ghi lên thanh ghi TMR0 một cách linh hoạt Chế độ bộ đếm được lựa chọn bằng cách đặt bit T0CS mức 1 Ở chế độ đếm, giá trị Timer0 tăng sau mỗi xung tác động của sườn dương hoặc sườn âm tại chân RA4/TOCK1

Timer0 bị ngắt khi giá trị thanh ghi TMR0 tràn từ FFh về 00h Khi đó cờ ngắt của Timer0 là TMR0IF được set lên 1 Cờ ngắt phải được xóa bằng chương trình trước khi bộ đếm thực hiện đếm lại từ đầu