XÂY DỰNG hệ đo QUAN TRẮC PHÓNG xạ môi TRƯỜNG sử DỤNG đầu dò SUẤT LIỀU INSPECTOR và hệ điện tử FPGA

Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM II-O-1.21 XÂY DỰNG HỆ ĐO QUAN TRẮC PHÓNG XẠ MÔI TRƯỜNG SỬ DỤNG ĐẦU DÒ SUẤT LIỀU INSPECTOR VÀ HỆ ĐIỆN TỬ FPGA Đoàn Thị Thanh Nhàn, Võ Hồng Hải, Nguyễn Quốc Hùng Bộ môn Vật lý Hạt nhân, Khoa Vật lý-Vật lý Kỹ Thuật, Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM TÓM TẮT Trong báo này, trình bày phát triển hệ đo quan trắc phóng xạ môi trường Các thiết bị hệ đo gồm đầu dò đo liều phóng xạ Inspector+, xử lý điện tử FPGA, chương trình giao tiếp LabVIEW Ở xử lý điện tử FPGA, chương trình nhúng VHDL xây dựng cho bo mạch FPGA với chức ghi nhận xung tín hiệu điện tử nhận từ Inspector+, hình thành số đếm tích lũy theo thời gian, truyền số liệu lên máy tính Trên máy tính chương trình giao tiếp LabVIEW xây dựng có chức điều khiển, ghi nhận số liệu từ bo mạch FPGA, hiển thị đồ thị lưu liệu nhận Sau xây dựng hệ đo, thực đánh giá độ đáp ứng hệ đo thông qua máy phát xung chuẩn Hệ đo đưa vào khảo sát phông phóng xạ phòng thí nghiệm trời môn Vật lý Hạt nhân, trường đại học Khoa học Tự nhiên, thành phố Hồ Chí Minh Từ khóa: phóng xạ môi trường, quan trắc phóng xạ, FPGA, VHDL, inspector, LabVIEW MỞ ĐẦU Trong sống, tiếp xúc với phóng xạ môi trường ngày Tùy thuộc vào nguồn gốc phóng xạ môi trường phân biệt nguồn phóng xạ tự nhiên: xạ vũ trụ, nguồn nội thể người, phóng xạ trái đất; nguồn phóng xạ nhân tạo: đồng vị phóng xạ để chẩn đoán điều trị y học, thử nghiệm vũ khí hạt nhân nhà máy điện hạt nhân Ngày nay, phát triển khoa học kỹ thuật đặc biệt phát triển kỹ thuật hạt nhân khiến nhu cầu sử dụng nguồn phóng xạ ngày nhiều Thêm vào tai nạn hạt nhân vụ thử vũ khí hạt nhân, gần vụ nổ nhà máy điện hạt nhân Fukushima vào tháng 03 năm 2011 Nhật Bản khiến vấn đề phóng xạ môi trường trở nên nóng hết Việt Nam dự định xây dựng số nhà máy điện hạt nhân Ninh Thuận, nên vấn đề phóng xạ hạt nhân môi trường tương lai lại quan tâm Theo khuyến cáo Ủy ban An toàn Bức xạ Quốc tế ICRP (International Commission on Radiation Protection) 05 năm liên tục, giới hạn liều cho nhân viên phóng xạ 20mSv/năm, người dân 1mSv/năm (tương đương 0.12 µSv/giờ); đó, năm, liều giới hạn cho nhân viên phóng xạ 50mSv/năm cho người dân 5mSv/năm (tương đương 0.57 µSv/giờ) [1] Vì việc thực đánh giá phóng xạ môi trường cần thiết Hiện nhóm điện tử hạt nhân thuộc môn Vật lý Hạt nhân, khoa Vật lý trường Đại học Khoa học Tự nhiên thành phố Hồ Chí Minh thực xây dựng hệ đo quan trắc phóng xạ môi trường để ghi nhận đánh giá phóng xạ môi trường Trong báo này, phát triển hệ đo quan trắc phóng xạ môi trường Hệ đo bao gồm đầu dò đo liều phóng xạ Inspector+, xử lý điện tử FPGA, chương trình giao tiếp LabVIEW với máy tính Ở xử lý điện tử FPGA, chương trình nhúng VHDL xây dựng cho board mạch FPGA, với chức ghi nhận xung tín hiệu điện tử từ Inspector+, hình thành số đếm tích lũy theo thời gian, truyền số liệu lên máy tính qua cổng RS-232 Trên máy tính chương trình giao tiếp LabVIEW xây dựng để ghi nhận hiển thị liệu nhận từ board mạch FPGA lưu liệu vào máy tính Hệ đo “reset” trực tiếp board mạch “reset” phần mềm thực phép đo phóng xạ môi trường Để đánh giá độ đáp ứng hệ đo sử dụng máy phát xung với tần số phát thay đổi từ Hz đến kHz Chúng thực đo thực tế đo phông phóng xạ trời phông phóng xạ hai phòng thí nghiệm: (1) phòng thí nghiệm điện tử hạt nhân (2) phòng thí nghiệm hạt nhân đại cương, thuộc Bộ môn Vật lý Hạt nhân, khoa Vật lý- Vật lý Kỹ thuật, trường Đại học Khoa học Tự nhiên, thành phố Hồ Chí Minh XÂY DỰNG HỆ ĐO QUAN TRẮC PHÓNG XẠ MÔI TRƯỜNG Hệ đo quan trắc phóng xạ môi trường xây dựng hình 1, bao gồm: (1) đầu dò xạ Inspector+, (2) xử lý điện tử FPGA (3) giao tiếp máy tính LabVIEW Khi xạ hạt nhân tương tác với đầu dò Inspector+(1), dạng Geiger-Muller, xung tín hiệu từ Inspector+ có dạng xung vuông với độ rộng xung ~100µs, chuẩn logic TTL [2] Xung từ Inspector+ đưa vào xử lý điện tử FPGA (2) Một chương trình nhúng VHDL xây dựng cho phép xử lý thực việc tính toán truyền lên máy tính qua cổng RS-232 Để điều khiển bo mạch FPGA truyền liệu lên máy tính, chương trình giao tiếp LabVIEW (3) xây dựng Trong chương trình LabVIEW liệu nhận qua cổng RS-232 hiển thị dạng đồ thị số ISBN: 978-604-82-1375-6 91 Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM đếm tổng tích lũy theo thời gian số đếm giây theo thời gian Số liệu lưu lại dạng file ASCII (*.txt) cho phép phân tích đánh giá Bộ xử lý điện tử (FPGA) Inspector+ RS-232 Giao tiếp máy tính (LabVIEW) (a) Giao tiếp máy tính (LabVIEW) Bộ xử lý điện tử (FPGA) (b) Inspector+ Hình Sơ đồ bố trí (a) hỉnh ảnh (b) hệ đo phóng xạ môi trường Điêu khiển Inspector+ Xung lối vào Khối trigger (cạnh lên) Hiển thị LED Mã hóa Từ máy tính Bộ nhớ RS-232 Dữ liệu Máy tính Bộ xử lý điện tử FPGA Hình 10 Sơ đồ khối xử lý điện tử FPGA Bộ xử lý điện tử FPGA Bộ xử lý điện tử FPGA bo mạch có chip cyclone II EP2C8Q208C7 hãng Atera [3], giao tiếp máy tính qua cổng RS-232 đèn LED hiển thị Sơ đồ khối firmware nhúng chip FPGA trình bày hình 2, ngôn ngữ lập trình cho firmware VHDL Cấu trúc firmware nhúng chip FPGA bao gồm khối: Khối trigger, khối mã hóa thành số đếm, khối nhớ, khối giao tiếp RS-232 khối điều khiển Khi xung tín hiệu từ Inspector+ (dạng xung logic dương chuẩn TTL) vào khối trigger, tín hiệu ghi nhận mã hóa thành số đếm Dữ liệu số đếm chứa nhớ truyền liệu lên máy tính qua chuẩn RS-232 Bộ điều khiển, điều khiển từ máy tính, cho phép cài đặt thông số reset, khoảng thời gian truyền liệu điều khiển trigger cạnh lên cạnh xuống Bên cạnh đèn LED hiển thị trực quan xung tín hiệu ghi từ Inspector+ Phần cứng bo mạch điện tử FPGA sản xuất trường đại học ISBN: 978-604-82-1375-6 92 Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM Osaka, Nhật Bản Việc phát triển thiết bị điện tử FPGA nằm chương trình hợp tác môn Vật lý Hạt nhân, khoa Vật lý- Vật lý Kỹ thuật, trường Đại học Khoa học Tự nhiên, thành phố Hồ Chí Minh [4] Hình 11 Giao diện giao tiếp LabVIEW Máy phát xung Bo mạch điện tử (FPGA) RS-232 Giao tiếp máy tính (LabVIEW) Hình 12 Sơ đồ đánh giá độ đáp ứng hệ đo Chương trình giao tiếp LabVIEW Để giao tiếp bo mạch FPGA với máy tính, xây dựng giao tiếp chạy LabVIEWTM [5] Chương trình LabVIEW có chức điều khiển bo mạch FPGA, vẽ đồ thị lưu liệu Hình giao diện giao tiếp máy tính với bo mạch FPGA ĐÁNH GIÁ ĐỘ ĐÁP ỨNG CỦA HỆ ĐO Sau xây dựng hệ đo, trình bày phần 2, thực đánh giá độ đáp ứng hệ đo thông qua máy phát xung chuẩn Tần số xung phát từ Hz tới kHz, cụ thể tần số khảo sát 0,1Hz; 1Hz; 10Hz; 100Hz; 1000Hz; 2000Hz; 3000Hz; 5000Hz; 9000Hz Độ rộng xung thiết lập 100µs, chuẩn TTL tương ứng với độ rộng xung Inspector+ Thời gian khảo sát cho tần số phát 10 phút Hình trình bày bố trí hệ đo Kết khảo sát trình bày bảng hình Độ lệch ghi nhận tần số phát từ máy phát xung tần số ghi nhận hệ đo 0,01% Điều cho thấy hệ đo hoạt động tốt, thời gian chết Hệ đo áp dụng cho đầu dò Inspector+ khảo sát phóng xạ môi trường ISBN: 978-604-82-1375-6 93 Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM Bảng Bảng so sánh tần số mà máy phát xung phát với tần số hệ đo ghi nhận Tần số phát fphát(Hz) 0,1 10 100 1000 2000 3000 5000 9000 Tần số đo fđo(Hz) 0,1 10 100 999,987 1999,928 2999,967 4999,539 8999,366 Độ lệch (%) (fphát-fđo)/fphát 0 0 0,001 0,004 0,001 0,007 0,007 Số đế m (ph út) µS v/h 6a Tầ n số đo đư ợc fđo (H z) Fig ure Tần số phát fphátmối (Hz) (a) 13 Đồ thị thể Hình liên hệ tần số phát từ máy SE phát xung tần số ghi nhận hệ đo M ima ge of Ag N W Sốnet µS đế wo v/h m rk (ph út) 6b Thời gian (phút) Thời gian (phút) Số đế m (ph út) µS v/h Hình Đồ thị phông phóng xạ phòng thí nghiệm điện tử hạt nhân (6a), phòng thí nghiệm hạt nhân đại cương (6b), trời (6c) 6c Thời gian (phút) THỰC HIỆN ĐO PHÓNG XẠ MÔI TRƯỜNG Trong báo này, tiến hành đo phông phóng xạ môi trường cho hai phòng thí nghiệm phông phóng xạ trời Phòng thí nghiệm mà khảo sát gồm (1) phòng thí nghiệm điện tử hạt nhân (2) phòng thí nghiệm hạt nhân đại cương Bộ môn Vật lý Hạt nhân thuộc trường Đại học Khoa học Tự nhiên thành phố Hồ Chí Minh Ở đó, phòng thí nghiệm hạt nhân đại cương phòng có chứa số nguồn phóng xạ phục vụ công tác dạy học thực nghiệm Thời gian thực cho phòng 24 liên tục Đối với phép đo trời, thời gian đo 12 liên tục Hình kết đo phông phóng xạ môi trường khu vực đo Dựa vào đồ thị ta nhận thấy phông phóng xạ phòng thí nghiệm điện tử hạt nhân thuộc Bộ môn Vật lý Hạt nhân có suất liều dao động ISBN: 978-604-82-1375-6 94 Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM khoảng 0,1 µSv/h đến 0,26 µSv/h, với trung bình 0,17 µSv/h Phông phóng xạ phòng thí nghiệm hạt nhân đại cương có suất liều dao động khoảng 0,1 µSv/h đến 0,24 µSv/h, với trung bình 0,18 µSv/h Phông phóng xạ bên hai phòng thí nghiệm có suất liều dao động khoảng 0,1 µSv/h đến 0,23 µSv/h, với trung bình 0,16 µSv/h Với số liệu suất liều trung bình có được, so sánh với chuẩn ICRP, phông phóng xạ điểm đo an toàn KẾT LUẬN Trong báo này, thực xây dựng hệ đo quan trắc phóng xạ môi trường Hệ đo cho phép đo liên tục theo thời, số liệu vẽ lên đồ thị up-to-date, số liệu lưu lại thành file, cho phép phân tích đánh giá Chúng thực đánh giá đáp ứng hệ đo thông qua máy phát xung chuẩn Chúng đánh giá từ 0,1 Hz đến 9000 Hz Độ lệch tần số xung tín hiệu máy phát xung phát tần số đo từ hệ đo không đáng kể (dưới 0,01%) Điều cho thấy, hệ đo đáp ứng tốt, thời gian chết Sau xây dựng đánh giá đáp ứng hệ đo, thực khảo sát phông phóng xạ môi trường phòng thí nghiệm điện tử hạt nhân, phòng thí nghiệm hạt nhân đại cương, trời vị trí Bộ môn Vật lý Hạt nhân trường đại học Khoa học Tự nhiên, thành phố Hồ Chí Minh Chúng đo 24h cho PTN 12h cho trời Kết khảo sát cho thấy, phông phóng xạ nằm an toàn ICRP Lời cảm ơn: Nhóm tác giả xin chân thành cảm ơn đến môn Vật lý Hạt nhân, đại học Khoa học Tự nhiên – TP Hồ Chí Minh tạo điều kiện để hoàn thành báo Chúng đặc biệt cảm ơn nhóm nghiên cứu giáo sư Masaharu Nomachi với hỗ trợ bo mạch FPGA DEVELOPMENT OF ENVIRONMENTAL RADIATION MONITORING SYSTEM USING INSPECTOR+ AND FPGA BOARD Đoàn Thị Thanh Nhàn, Vo Hong Hai, Nguyen Quoc Hung Nuclear physics department, Faculty of Physics & Engineering Physics, University of Science-VNU-HCM ABSTRACT In this report, we present the development of an environmental radiation monitoring system The system includes Inspector + dose meter, FPGA board, and LabVIEW interface In the electronic board using FPGA, the embedded VHDL program is developed for FPGA board Its functions are to accumulate pulse signals from the Inspector+, transmit data to the computer Computer interface is written on LabVIEW platform Its functions are to receive data from FPGA board, plot data, store data, as well as control the FPGA board We evaluate response of the system by using a standard pulse generator With this system, we carry out the measurement of environmental background radiation in two experimental rooms and outside at Nuclear Physics department, University of Science, VNUHCMC Keywords: environmental radiation, radiation monitoring, FPGA, VHDL, LabVIEW TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Ủy ban An toàn Bức xạ Quốc tế ICRP (International Commission on Radiation Protection), online available: http:icrp.org/index.asp [2] Inspector+ & Inspector EXP+ User Manual, S.E International Inc, USA [3] http://www.altera.com/ [4] Chương trình hợp tác khoa học “Phát triển board mạch FPGA” BM Vật lý Hạt nhân, khoa Vật lý&VLKT, trường đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-TPHCM nhóm GS Masaharu Nomachi, đại học Osaka Nhật Bản [5] http://vietnam.ni.com/ ISBN: 978-604-82-1375-6 95