Xây dựng hệ đo quan trắc phóng xạ môi trường sử dụng đầu dò suất liều inspector và hệ điện tử fpga

LỜI CẢM ƠN Trong quá trình thc hin khóa lun Phát trin h c phóng x môi em nhc rt nhiu s quan tâm, , tu kin ca quý thy cô, n bè. Em xin bày t lòng c s   Em xin bày t lòng bic ti: Ti Võ Hng Hi trong sut thi gian thc hin khóa lun, mc dù rt bn rn trong công vic  y   n ng    ã nhit tình ng d  em có th hoàn thành tt bài khóa lun tt nghip này. Thn Quc Hùng i ng trong sut thi gian em thc hin khóa lun. Anh Bùi Tun Khp cho em rt nhiu hiu bit v m vc mi khi em mi bc vào thc hin khóa lun. Cán b phn bin, thHu dành thc và có nhng góp ý quý báu  em  tài này. Quý thy, cô trong b môn Vt lý Ht nhân  i hc Khoa hc T nhiên, Thành ph H Chí Minh nhp cho chúng em nhng kin thc nn tng, nhng kin th chúng em trong nh hc qua, o mu kin thun l em c hoàn thành khóa lun u kin tt nht. Bn bè, tp th lp 10VLHN và c bit là các bn trong nhóm n t ht nhân ng viên, khích l  mình trong quá trình làm khóa lun. Và cui cùng xin c ng h con có th hc tc kt qu ca ngày hôm nay. Tp H   Thanh Nhàn i MỤC LỤC MỤC LỤC i DANH MỤC CÁC BẢNG iv DANH MỤC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ v DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT vi LỜI MỞ ĐẦU 1 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN 3 1.1. Phóng x ng 3 Phóng x t nhiên 3 1.1.1. 1.1.1.1. Phóng x t nhiên t  3 1.1.1.2. Phóng x t t 4 1.1.1.3. Phóng x t nhiên trong không khí 5 1.1.1.4. Phóng x t c và thc phm 5 1.1.1.5. Phóng x t nhiên trong vt liu xây dng 6 1.1.1.6. Phóng x t  con ngi 6 Phóng x nhân to 7 1.1.2. 1.1.2.1. Chiu x trong y hc 7 1.1.2.2. Phóng x t công nghip 8 1.1.2.3. Các tai nn và các v th ht nhân 9  ling 9 Liu hp th 9 1.2.1.  9 1.2.1.2. Sut liu hp th 10 Liu chiu 10 1.2.2. ii  10 1.2.2.2. Sut liu chiu 10 Li 11 1.2.3. Liu hiu dng. 12 1.2.4. Lia mô ho 13 1.2.5. Liu hiu d 13 1.2.6. Quan h gia sut liu hp th ng bt 1.2.7. kì vi sut liu hp th trong không khí 13 Gii hn liu 14 1.2.8. 1.2.8.1. Gii hn liu 14 1.2.8.2. Lic phép gii hn 15 1.2.8.3. Ling tng cng 16 1.3. H  17 CHƢƠNG 2. THIẾT KẾ HỆ ĐO 18  h  18 2.2. Gii thiu dò Inspector + 18 Thông s k thut 18 2.2.1. ng dng ca Inspector + 19 2.2.2. Các b phn ca Inspector + 19 2.2.3. Nguyên lý hong 22 2.2.4. Mi liên h gia s m và liu hp th 22 2.2.5. 2.3. Xây dng b x n t FPGA 23 Khi con LocalTrigger 24 2.3.1. Khi con Excuter 25 2.3.2. Các khi khác 28 2.3.3. p LabVIEW 28 Hin th d lic 30 2.4.1. iii B u khin khng li h  31 2.4.2. B u khin thi gian truyn 32 2.4.3. CHƢƠNG 3 KHẢO SÁT ĐÁNH GIÁ HỆ ĐO VÀ TIẾN HÀNH ĐO PHÓNG XẠ MÔI TRƢỜNG. 33  ng ca h  33 Máy phát xung 33 3.1.1.  33 3.1.2. 3.2. Thc hi ng 35 Kt qu  phông phóng x ng ti phòng thí 3.2.1. nghim n t ht nhân 36 Kt qu phông phóng x ng ti phòng thí 3.2.2. nghim h 37 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 39 TÀI LIỆU THAM KHẢO 40 PHỤ LỤC 41 iv DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1. Mt s ht nhân phóng x ph bic to ra t bc x  4 Bảng 1.2. Mt s ht nhân phóng x t dm vuông   sâu 1 foot. 4 Bảng 1.3. Ho phóng x ca K-40 và Ra-226 trong mt s th 5 Bảng 1.4. N (mBq/g) và m (ppm) ca Uranium, Thorium, Kalium trong vt liu xây dng 6 Bảng 1.5. Mt s ht nhân phóng x t nhiên ch y mi 7 Bảng 1.6. H s ca trng s phóng x ca mt vài lai bc x (ICRP-1991) 11 Bảng 1.7. Các trng s  W T (ICRP-1991) 12 Bảng 1.8. Gii hn liu qua các thi kì ca ICRP 14 Bảng 1.9. Gii hn li i (ICRP-1991) 15 Bảng 1.10. Lic phép gii hn ca s chiu x trong và ngoài 16 Bảng 2.1. Phm vi hong ca Inspector + 19 Bảng 3.1. Bng so sánh tn s mà máy phát xung phát ra vi tn s h  ghi nhc. Mc thc hin trong 10 phút. 34 Bảng 3.2. So sánh phông phóng x ti phòng thí nghin t ht nhân vi chun an toàn ca ICRP (1991) 37 Bảng 3.3. So sánh phông phóng x ti phòng thí ngim ht nhân  vi chun an toàn ca ICRP (1991) 38 v DANH MỤC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ Hình 2.1.  b trí h  18 Hình 2.2. Cu to ca thit b u phóng x Inspector + 20 Hình 2.3. Màn hình ca Inspector + 20 Hình 2.4. ng chun sut liu (µSv/h) theo t m (s m/phút) 23 Hình 2.5. C 24 Hình 2.6. Khi con LocalTrigger 24 Hình 2.7.  khn mã VHDL LocalTrigger. 25 Hình 2.8. Khi con Excuter 25 Hình 2.9.  khi thut toán x lý tín hiu vào board mch FPGA 26 Hình 2.10.  khu khin thi gian truyn. 27 Hình 2.11. Giao dii s dng ca h c phóng x ng 29 Hình 2.12. LabVIEW  thc hin chghi nhn d liu t board mch FPGA, v  th  30 Hình 2.13. Quá trình x lý d lic truyn lên máy tính 31 Hình 2.14. B u khin khng li h  31 Hình 2.15. B u khin thi gian truyn 32 Hình 3.1.   ng ca h  33 Hình 3.2.  th th hin mi liên h gia tn s phát và tn s ghi nhn c 34 Hình 3.3. a b trí thit b c t phông phóng x ng b. Hình thc t 35 Hình 3.4.  th phông phóng x ca phòng thí nghin t ht nhân 36 Hình 3.5.  th phông phóng x ca phòng thí nghim h 38 vi DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Tiếng anh Tiếng việt ASIC Application-Specific Integated Circuit Vi mch tích hp chuyên dng CPM Count Per Minutes S m trên phút CPS Count Per Second S m trên giây FPGA Field Programmable Gate Array Vi mch tích hp kh trình I/O Input/Output Vào/Ra IAEA International Atomic Energy Agency ng nguyên t quc t IC Integrated Circuit Vi mch tích hp ICRP International Commission for Radiological Protection y ban Quc t v An toàn bc x IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers Vin k ngh n t LabVIEW Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench n tín hiu xung LED Light Emitting Diode t phát quang VHDL Very High Speed Intergrated Circuit Hardware Description Language Ngôn ng mô t phn cng cho các mch tích hp t rt cao TTL Transistor- transistor logic mch logic gm 2 transistor 1 LỜI MỞ ĐẦU Trong cuc sng, chúng ta tip xúc vi phóng x ng mi ngày. Tùy thuc vào ngun gc ca phóng x ng có th phân bit gia các ngun phóng x t nhiên và các ngun phóng x nhân to. Ví d n hình ca các ngun nhân tng v phóng x  chu tr trong y hc; các sn phm ng h quay sáng và máy phát hin khói; th nghit   n ht nhân. Phóng x trong t nhiên xut phát t ba ngun chính: các h, các ngun ni b  i và phóng x trên trái t. Ngày nay, s phát trin ca khoa hc k thuc bit là s phát trin ca k thut ht nhân khin nhu cu s dng các ngun phóng x ngày càng nhiu. Thêm n ht nhân và các v th t nhân, gt là v n nhn ht nhân  i Nht Bn khin vn  phóng x ng tr  ht. Hin nay, Vit Nam d nh xây dng mt s n ht nhân ti Ninh Thun, nên v phóng x ht ng hin c quan tâm. Vì th vic thc hi ng là rt cn thit. Hin tn t ht ng i hc Khoa hc T nhiên thành ph H Chí Minh c hin xây dng các h c phóng x mng  ghi nh ng. Tron tài này, chúng tôi phát trin thit lp h c phóng x môi ng. H u phóng x Inspector + , b x n t FPGA,     p LabVIEW vi máy tính.  b x  n t FPGA,  ình nhúng  c xây dng  giúp board mch FPGA ghi nhn xung tín hiu nhn t Inspector + , hình thành s m   theo thi gian, và truyn s liu lên máy tính qua cng RS-232. Trên máy tính ình giao tip c thit k  ghi nhn và hin th d liu nhc t board mch 2 FPGA  liu vào máy tính. H  c tip trên board mch ng phn mm, trong khi thc hin m ng.   ng ca h  dng máy phát xung nhm m phát ra các tn s i t n kHz. Sau khi thit l c hi  c t phông phóng x  ng ti hai phòng thí nghim: (1) phòng thí nghin t ht nhân và (2) phòng thí nghim ht nhân i  thuc B môn Vt lý Ht nhân, khoa Vt lý- Vt lý K thut, i hc Khoa hc T nhiên, thành ph H Chí Minh. Khóa luc b i nhng n Chƣơng 1. Trình bày tng quan v phóng x ng, ling và h  phóng x ng. Chƣơng 2. Trình bày v các b phn chính ca h t k h . Chƣơng 3. Trình bày kt qu   ng. Cui cùng là phn kt lun và ng phát trin c tài. 3 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1. Phóng xạ môi trƣờng Phóng x ng luôn tn ti xung quanh chúng ta, k t c hình thành và phát trin s sng. Mi cá th su tip xúc vi các ngun phóng x. Phóng x ng có ngun gc t các ngun phóng x t c x t  hay các ng v phóng x tn tt và t ngun phóng x nhân t ng v phóng x  i to nên trong các lò phn ng ht nhân hay các bc x và ngun phóng x s dng trong y t. Phóng xạ tự nhiên 1.1.1. Phóng x t nhiên có mt  khng, nó là mt b phn ca t chúng ta. là các bc x , các ng v phóng x có mt t, tn ti t nhiên trong thc ung, không khí và th ca chúng ta. Phóng x t nhiên là nhân t ch yu trong phóng x ng. Vì th vic hiu bit v phóng x t nhiên là rt quan trng và cn thit. 1.1.1.1. Phóng xạ tự nhiên từ vũ trụ Các bc x tt t r gi là bc x  (hay tia ). Bc x  tr c chia làm hai loi: bc x  p và bc x  th cp. Bc x  tr p ch yu là nhng hn t , bc x  tr th cp là các bc x c to ra t các bc x i bu khí quyn ct. Xét v ngun gc bc x  có th chia thành: bc x  n t các thiên hà và bc x  n t mt tri [1]. Bc x  ti trái t ch yu là nhng bc x th cp có ngun gc t mt tri. Chiu x này có liu trung bình hu khong 0,39 mSv [8]. Trong các ht nhân phóng x ngun g thì ba ht nhân H-3, C-14 và Be-7 là ph bin nht do chúng có thi gian si dài, có ho . Bng 1.1 trình bày mt s ht nhân phóng x ph bic to ra t bc x . [...]... những trường hợp đặc biệt cần thiết cho phép liều lượng chiếu một lần 12 mSv cho một quý trong năm 1.3 Hệ đo phóng xạ Hệ đo bức xạ hạt nhân cơ bản gồm: (1) đầu dò hạt nhân, (2) bộ xử lý điện tử và (3) máy tính Nguồn phóng xạ phát ra bức xạ hạt nhân tới đầu dò (1), các bức xạ này tương tác với môi trường vật chất của đầu dò và tạo ra tín hiệu điện áp Tín hiệu này được truyền vào bộ xử lý điện tử (2)... hình 2.1 Hệ gồm ba khối lớn là (1) Inspector+ , (2) bộ xử lý điện tử (FPGA) và (3) bộ giao tiếp máy tính Inspector+ Bộ xử lý điện tử (FPGA) Giao tiếp máy RS232 tính (LabVIEW) Hình 2.1 Sơ đồ bố trí hệ đo Khi bức xạ hạt nhân tương tác với đầu dò của Inspector+ , tín hiệu ra từ đầu dò có dạng xung Xung này đi qua bộ xử lý của Inspector+ hình thành xung vuông Xung vuông này đi vào bộ xử lý điện tử (FPGA) Sau... hằng ngày 1.1.2 Phóng xạ nhân tạo Phóng xạ nhân tạo bao gồm các bức xạ được sử dụng trong y tế hay các đồng vị phóng xạ được thải vào khí quyển do các ngành công nghiệp, do các vụ thử vũ khí hạt nhân và các tai nạn hạt nhân Khác với phóng xạ tự nhiên phóng xạ nhân tạo nằm trong những nguyên tắc kiểm soát nghiêm ngặt về liều lượng 1.1.2.1 Chiếu xạ trong y học Trong y học phóng xạ được sử dụng trong hai... số đếm trên phút Dựa vào số liệu được cung cấp trong catalog 22 của thiết bị Inspector+ [4], tôi xây dựng đồ thị 2.4 thể hiện mối liên hệ giữa tốc độ đếm và suất liều hấp thụ qua đó thiết lập đường chuẩn tốc độ đếm theo suất liều Hình 2.4 Đường chuẩn suất liều (µSv/h) theo tốc độ đếm (số đếm/phút) 2.3 Xây dựng bộ xử lý điện tử FPGA Bộ xử lý điện tử FPGA là một board mạch có chip FPGA cho phép lập trình... lý trong bộ xử lý điện tử sẽ được truyền lên máy tính (3) để hiển thị và lưu trữ dữ liệu Giao tiếp máy tính được xây dựng bằng LabVIEW LabVIEW (Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench là môi trường nền và phát triển cho ngôn ngữ lập trình đồ họa của hãng National Instruments USA 17 CHƢƠNG 2 THIẾT KẾ HỆ ĐO 2.1 Sơ đồ hệ đo Việc thiết kế hệ đo quan trắc phóng xạ môi trường được bố trí... bức xạ tới) về anode và cathode tương ứng Vì vậy, từ đầu ra của ống đếm sẽ có tín hiệu điện mỗi khi có hạt bức xạ rơi vào Mỗi xung điện được phát hiện và biểu thị như một số đếm Thiết bị này sẽ hiển thị tổng số đếm hoặc đơn vị đo liều tùy theo chế độ mà bạn chọn 2.2.5 Mối liên hệ giữa số đếm và liều hấp thụ Để biểu diễn suất liều theo đơn vị µSv/h, chúng tôi thực hiện xây dựng đường chuẩn suất liều. .. Cổng đầu vào Cal (5): cổng được sử dụng để đo đạc điện tử sử dụng máy phát xung  Cổng đầu ra (6): cho phép bạn tùy chọn giao diện với dữ liệu của máy tính hoặc thiết bị khác  Nút “+” và “ -” 7 : được sử dụng để điều chỉnh màn hình hiển thị số để hẹn giờ, cài đặt cảnh báo, và cài đặt hiệu chuẩn Nút “+” và “-” cũng có thể được sử dụng để thực hiện lựa chọn trong menu tiện ích  Nút “Set” (8): được sử dụng. .. 1 năm 1.2.8.2 Liều lƣợng đƣợc phép giới hạn Các đồng vị phóng xạ phân bố không đều trong các cơ quan và mô khác nhau của con người Chính vì vậy mức độ bị bệnh phóng xạ không chỉ phụ thuộc vào liều lượng do bức xạ mà còn vào cơ quan tới hạn, nơi tích lũy đồng vị phóng xạ nhiều nhất dẫn đến tình trạng bệnh tật của toàn cơ thể người [1] Bảng 1.10 chỉ ra liều lượng được phép trong các cơ quan tới hạn đối... Đèn đếm của Inspector+ là LED đỏ, đèn LED này sáng mỗi lần đếm  Kích thước máy là: 150 mm x 80 mm x 30 mm  Trọng lượng của máy là 300 g  Nguồn điện mà Inspector+ sử dụng là 1 pin 9V 2.2.2 Ứng dụng của Inspector+ Những ứng dụng của thiết bị này bao gồm:  Phát hiện và đo nhiễm bẩn bề mặt  Theo dõi khả năng phơi nhiễm phóng xạ khi làm việc với nguồn phóng xạ  Tầm soát sự ô nhiễm môi trường  Phát... trường  Phát hiện khí hiếm và những nguồn phóng xạ thấp khác 2.2.3 Các bộ phận của Inspector + Cấu tạo của thiết bị đo liều phóng xạ Inspector+ được cho trong hình 2.2 19 Hình 2.2 Cấu tạo của thiết bị đo liều phóng xạ Inspector+  Màn hình LCD (1) : cho thấy các chỉ số khác nhau theo các cài đặt chế độ, chức năng được thực hiện, và tình trạng pin Hình 2.3 Màn hình của Inspector+ 20  Màn hình hiển . kt lun và ng phát trin c tài. 3 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1. Phóng xạ môi trƣờng Phóng x ng luôn tn ti xung quanh chúng ta, k t c hình thành và phát. 31 2.4.2. B u khin thi gian truyn 32 2.4.3. CHƢƠNG 3 KHẢO SÁT ĐÁNH GIÁ HỆ ĐO VÀ TIẾN HÀNH ĐO PHÓNG XẠ MÔI TRƢỜNG. 33  ng ca h  33 Máy phát xung 33 3.1.1. . MỞ ĐẦU Trong cuc sng, chúng ta tip xúc vi phóng x ng mi ngày. Tùy thuc vào ngun gc ca phóng x ng có th phân bit gia các ngun phóng x t nhiên và các ngun phóng