Phát triển bộ giao tiếp điện tử cho hệ đo quan trắc phóng xạ môi trường online

Phát triển bộ giao tiếp điện tử cho hệ đo quan trắc phóng xạ môi trường online Phát triển bộ giao tiếp điện tử cho hệ đo quan trắc phóng xạ môi trường online Phát triển bộ giao tiếp điện tử cho hệ đo quan trắc phóng xạ môi trường online Phát triển bộ giao tiếp điện tử cho hệ đo quan trắc phóng xạ môi trường online Phát triển bộ giao tiếp điện tử cho hệ đo quan trắc phóng xạ môi trường online Phát triển bộ giao tiếp điện tử cho hệ đo quan trắc phóng xạ môi trường online Phát triển bộ giao tiếp điện tử cho hệ đo quan trắc phóng xạ môi trường online Phát triển bộ giao tiếp điện tử cho hệ đo quan trắc phóng xạ môi trường online Phát triển bộ giao tiếp điện tử cho hệ đo quan trắc phóng xạ môi trường online Phát triển bộ giao tiếp điện tử cho hệ đo quan trắc phóng xạ môi trường online Phát triển bộ giao tiếp điện tử cho hệ đo quan trắc phóng xạ môi trường online Phát triển bộ giao tiếp điện tử cho hệ đo quan trắc phóng xạ môi trường online Phát triển bộ giao tiếp điện tử cho hệ đo quan trắc phóng xạ môi trường online Phát triển bộ giao tiếp điện tử cho hệ đo quan trắc phóng xạ môi trường online Phát triển bộ giao tiếp điện tử cho hệ đo quan trắc phóng xạ môi trường online Phát triển bộ giao tiếp điện tử cho hệ đo quan trắc phóng xạ môi trường online Phát triển bộ giao tiếp điện tử cho hệ đo quan trắc phóng xạ môi trường online

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA VẬT LÝ-VẬT LÝ KĨ THUẬT BỘ MÔN VẬT LÝ HẠT NHÂN - - KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: PHÁT TRIỂN BỘ GIAO TIẾP ĐIỆN TỬ CHO HỆ ĐO QUAN TRẮC PHĨNG XẠ MƠI TRƯỜNG ONLINE SVTH: Vương Đức Phụng CBHD: TS Võ Hồng Hải CBPB: ThS Trần Nguyễn Thùy Ngân TP HỒ CHÍ MINH – 2015 LỜI CẢM ƠN Trong trình học tập thực khóa luận “Phát triển giao tiếp điện tử cho hệ đo quan trắc phóng xạ mơi trƣờng online”, em nhận đƣợc nhiều quan tâm, giúp đỡ, tạo điều kiện q thầy cơ, gia đình bạn bè Em xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc đến: Tiến sĩ Võ Hồng Hải tận tình hƣớng dẫn, quan tâm, động viên, cung cấp, truyền đạt kiến thức tạo điều kiện thuận lợi cho em hồn thành khóa luận Thạc sĩ Nguyễn Quốc Hùng chị Trần Kim Tuyết giúp đỡ, tận tình góp ý suốt thời gian em thực khóa luận Thạc sĩ Trần Nguyễn Thùy Ngân dành thời gian đọc đóng góp ý kiến quý báu cho em khóa luận Quý thầy, cô Bộ môn Vật Lý Hạt Nhân, Khoa Vật Lý-Vật Lý Kỹ Thuật, Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên, Thành phố Hồ Chí Minh, giảng dạy cho chúng em kiến thức tảng chun mơn q trình học tập Tập thể lớp 11VLHN bạn nhóm điện tử hạt nhân hỗ trợ q trình làm khóa luận Lời cuối cùng, xin khắc sâu công ơn ba mẹ, gia đình ni dƣỡng, dạy dỗ hỗ trợ để đạt đƣợc kết nhƣ ngày hôm Thành phố Hồ Chí Minh, tháng năm 2015 Vƣơng Đức Phụng MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC i DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT iii DANH MỤC CÁC BẢNG iv DANH MỤC CÁC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ v LỜI MỞ ĐẦU… CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PHĨNG XẠ MƠI TRƢỜNG VÀ ĐỊNH NGHĨA VỀ LIỀU LƢỢNG 1.1 Phóng xạ tự nhiên 1.1.1 Phóng xạ từ xạ vũ trụ 1.1.2 Phóng xạ tự nhiên đất 1.1.3 Phóng xạ tự nhiên nƣớc 1.1.4 Phóng xạ tự nhiên khơng khí 1.1.5 Phóng xạ tự nhiên thể ngƣời 1.1.6 Phóng xạ tự nhiên thực phẩm 1.2 Phóng xạ nhân tạo 1.3 Liều lƣợng đơn vị đo liều 1.3.1 Liều hấp thụ 1.3.2 Liều chiếu 10 1.3.3 Liều tƣơng đƣơng .11 1.3.4 Liều hiệu dụng 12 1.4 Giới hạn liều 13 1.5 Những nguy hiểm phóng xạ 14 CHƢƠNG 2: XÂY DỰNG HỆ ĐO QUAN TRẮC PHĨNG XẠ MƠI TRƢỜNG ONLINE 16 2.1 Hệ đo quan trắc phóng xạ mơi trƣờng online 16 2.2 Đầu dò đo liều Inspector+ 17 2.2.1 Độ rộng xung, phạm vi hoạt động độ xác Inspector+ 17 i 2.2.2 Mối liên hệ tốc độ đếm suất liều 18 2.3 Xây dựng giao tiếp điện tử NI myRIO 19 2.3.1 Sơ đồ khối giao tiếp điện tử 19 2.3.2 Phần cứng thiết bị điện tử NI myRIO .21 2.3.3 Xây dựng chƣơng trình nhúng LabVIEW 22 2.3.3.1 Khối điều khiển .23 2.3.3.2 Khối trigger & mã hóa 24 2.3.3.3 Khối tính tốn suất liều 25 2.3.3.4 Khối nhớ 27 2.3.3.5 Khối wifi .27 2.3.4 Giao diện giao tiếp LabVIEW với máy tính 28 2.3.5 Giao diện hiển thị điện thoại thông minh 29 2.3.6 Giao diện hiển thị máy tính bảng .30 2.3.7 Giao diện tự động cập nhật liệu lên website 31 CHƢƠNG 3: ĐÁNH GIÁ HỆ ĐO VÀ KHẢO SÁT ĐO PHÓNG XẠ MÔI TRƢỜNG 32 3.1 Đánh giá ghi nhận hệ đo 32 3.1.1 Sơ đồ bố trí thí nghiệm .32 3.1.2 Đánh giá tốc độ ghi nhận hệ 32 3.2 Khảo sát phơng phóng xạ mơi trƣờng 35 3.2.1 Sơ đồ bố trí thí nghiệm .35 3.2.2 Kết khảo sát .36 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 38 TÀI LIỆU THAM KHẢO 39 PHỤ LỤC 40 ii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt FPGA Tiếng Anh Field Programmable Gate Array Processor Chip Tiếng Việt Vi mạch tích hợp lập trình Bộ xử lí Vi mạch CPM Count Per Minute Số đếm phút CPS Count Per Second Số đếm giây DIO Digital Input/OutPut International Commission for Radiological Protection Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench Light Emitting Diode Đầu Vào/Ra chân kỹ thuật số Ủy ban Quốc tế An toàn xạ Transistor- transistor logic NI myRIO-1900 Expansion Port Mạch logic gồm transistor Cổng giao tiếp mở rộng thiết bị NI myRIO Cổng hệ thống giao tiếp nhỏ thiết bị NI myRIO Số đếm ICRP LabVIEW LED TTL MXP MSP Mini System Port Count Lập trình đồ họa cho thiết bị Điốt phát quang Min Minimum Giá trị nhỏ Max Maximum Giá trị lớn Mean Giá trị trung bình Dose Suất liều T True Đúng F False Sai PTN Phòng thí nghiệm BM Bộ mơn iii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Những hạt nhân phóng xạ phổ biến xạ vũ trụ tạo .3 Bảng 1.2 Một số hạt nhân phóng xạ có đất đá dặm vuông độ sâu ft (1 ft = 0,3048 m) Bảng 1.3 Hoạt độ nhân phóng xạ tự nhiên nƣớc biển đại dƣơng (năm 1971) Bảng 1.4 Một số hạt nhân phóng xạ tự nhiên chủ yếu có thể ngƣời Bảng 1.5 Hoạt độ phóng xạ 40K 226Ra số loại thức ăn Bảng 1.6 Trọng số phóng xạ Wr vài loại xạ (ICRP-1990) 11 Bảng 1.7 Trọng số mô đặc trƣng WT cho mô thể (1990) 13 Bảng 2.1 Số liệu tốc độ đếm suất liều ……………………………………….….18 Bảng 3.1 Kiểm tra tần số phát tần số nhận (độ rộng xung 100 µs)………….…33 Bảng 3.2 Kiểm tra tần số phát tần số nhận (độ rộng xung 80 ns) .34 iv DANH MỤC CÁC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1 Sơ đồ phân rã chuỗi Thori Hình 1.2 Sơ đồ phân rã chuỗi Urani-Actini Hình 1.3 Sơ đồ phân rã chuỗi Urani-Radi Hình 1.4 Thang đo suất liều hấp thụ thể ngƣời 15 Hình 2.1 Sơ đồ khối hệ đo phóng xạ mơi trƣờng online 16 Hình 2.2 Độ rộng xung đầu dò đo liều Inspector+ .17 Hình 2.3 Đồ thị biểu diễn suất liều theo tốc độ đếm 19 Hình 2.4 Sơ đồ chi tiết hệ đo phóng xạ mơi trƣờng online 19 Hình 2.5 Sơ đồ thuật tốn chƣơng trình nhúng cho chip Xilinx Zynq-7010 20 Hình 2.6 Sơ đồ phần cứng thiết bị điện tử NI myRIO .21 Hình 2.7.(a b) Chƣơng trình nhúng LabVIEW cho chip Xilinx Zynq-7010 22 Hình 2.8 Hàm cài đặt thời gian (1a) 23 Hình 2.9 Hàm cập nhật thời gian lấy mẫu (1b) 24 Hình 2.10 Sơ đồ xử lý tín hiệu thành số đếm khối trigger & mã hóa .25 Hình 2.11 Sơ đồ khối tính tốn suất liều 25 Hình 2.12 Sơ đồ hàm tính giá trị lớn nhất, nhỏ trung bình suất liều 26 Hình 2.13 Sơ đồ hàm cảnh báo suất liều 27 Hình 2.14 Sơ đồ liên hệ hệ đo thiết bị khác 28 Hình 2.15 Giao diện hệ đo quan trắc phóng xạ mơi trƣờng online 28 Hình 2.16 Giao diện hiển thị điện thoại thơng minh 30 Hình 2.17 Giao diện hiển thị máy tính bảng .30 Hình 2.18 Giao diện thị suất liều website 31 Hình 3.1 Sơ đồ hệ đánh giá hệ đo sử dụng máy phát xung 32 Hình 3.2 Đồ thị mối liên hệ tần số phát tần số đo (độ rộng xung 100 µs) 33 Hình 3.3 Đồ thị mối liên hệ tần số phát tần số đo (độ rộng xung 80 ns) 34 Hình 3.4 (a) Sơ đồ bố trí hệ đo (b) Hình thực tế .35 Hình 3.5 Đồ thị phóng xạ PTN Điện tử hạt nhân 36 Hình 3.6 Đồ thị phóng xạ PTN Chun đề .37 v LỜI MỞ ĐẦU Trái đất hình thành từ lâu, song song với hình thành có tồn đồng vị phóng xạ với 60 nhân phóng xạ đƣợc tìm thấy tự nhiên từ đất, đá, nƣớc, cỏ khơng khí, với xạ vũ trụ Ngồi có lƣợng khơng nhỏ phóng xạ ngƣời tạo gọi phóng xạ nhân tạo Ngày nay, giới phát triển, khoa học kỹ thuật ngày đƣợc ứng dụng rộng rãi mang tính tồn cầu Đặc biệt kỹ thuật phóng xạ đƣợc ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực nhƣ y tế, ngành cơng nghiệp, điện hạt nhân, vũ khí hạt nhân, hàng không… để phục vụ đời sống, nhu cầu thiết yếu ngƣời Phóng xạ hạt nhân đƣợc ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực dẫn đến nguy hiểm, ảnh hƣởng đến sức khỏe ngƣời tiếp xúc mà không đảm bảo điều kiện an tồn Phơng phóng xạ mơi trƣờng từ tăng lên yếu tố khách quan nhƣ chủ quan từ ngƣời Theo khuyến cáo Ủy ban An tồn Bức xạ Quốc tế ICRP tính trung bình khoảng thời gian năm liên tục, giới hạn liều cho nhân viên phóng xạ 20 mSv/năm (tƣơng đƣơng 2,28 µSv/h), ngƣời dân mSv/năm (tƣơng đƣơng 0,114 µSv/h); đó, tính năm, giới hạn liều cho nhân viên phóng xạ 50 mSv/năm (tƣơng đƣơng 5,7 µSv/h) cho ngƣời dân mSv/năm (tƣơng đƣơng 0,57 µSv/h) [9] Vì vậy, việc nghiên cứu, đánh giá, kiểm sốt phóng xạ môi trƣờng nơi ngƣời dân sinh sống đặc biệt nơi làm việc có liên quan đến phóng xạ hạt nhân cần thiết Vì đề tài này, xây dựng hệ đo quan trắc phóng xạ mơi trƣờng online Hệ đo cho phép ghi nhận liều lƣợng phóng xạ theo thời gian, biểu diễn đồ thị suất liều nhƣ lƣu liệu vào máy tính Hơn nữa, chúng tơi muốn xây dựng website tự động cập nhật liệu đo liên tục (thông qua internet) nhằm tạo thuận tiện cho ngƣời quan tâm, theo dõi kết suất liều xạ Hệ đo bao gồm đầu dò đo liều Inspector+ [7], giao tiếp điện tử NI myRIO (thiết bị NI myRIO) [12] máy tính giao tiếp chƣơng trình LabVIEW Bức xạ đƣợc ghi nhận đầu đo liều Inspector+, xung tín hiệu đƣợc đƣa vào thiết bị NI myRIO Để nhận tín hiệu xung này, chúng tơi xây dựng chƣơng trình nhúng LabVIEW FPGA LabVIEW Real-Time vào thiết bị NI myRIO cho phép ghi nhận thông tin số đếm theo thời gian, điều khiển, tính tốn suất liều truyền liệu đến máy tính thơng qua wifi Trên máy tính sử dụng chƣơng trình giao tiếp LabVIEW có chức điều khiển thiết bị NI myRIO, vẽ đồ thị tốc độ đếm đồ thị suất liều theo thời gian, tự động cập nhật liệu suất liều liên tục lên website, nhƣ lƣu file thành dạng ASCII (file.csv) Bên cạnh đó, xây dựng biến chia sẻ cho thiết bị ngoại vi nhƣ điện thoại thơng minh, máy tính bảng, v.v…, kết nối vào thiết bị NI myRIO để xem số liệu hệ đo Ứng dụng hãng National Instruments viết cho hệ điều hành android, windows phone, v.v… Để đánh giá độ đáp ứng hệ đo sử dụng máy phát xung với tần số phát thay đổi từ Hz đến MHz Với hệ đo này, chúng tơi thực khảo sát phơng phóng xạ hai phòng thí nghiệm (PTN): (1) PTN Điện tử hạt nhân, (2) PTN Chuyên đề thuộc Bộ môn Vật Lý Hạt Nhân, Khoa Vật Lý- Vật Lý Kỹ Thuật, Trƣờng Đại học Khoa Học Tự Nhiên, Thành phố Hồ Chí Minh Nội dung khóa luận “Phát triển giao tiếp điện tử cho hệ đo phóng xạ mơi trƣờng online” đƣợc trình bày theo chƣơng: Chƣơng 1: Tổng quan phóng xạ mơi trƣờng định nghĩa liều lƣợng Chƣơng 2: Xây dựng hệ đo quan trắc phóng xạ mơi trƣờng online Chƣơng 3: Đánh giá hệ đo khảo sát đo phóng xạ mơi trƣờng CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ PHĨNG XẠ MƠI TRƢỜNG VÀ ĐỊNH NGHĨA VỀ LIỀU LƢỢNG 1.1 Phóng xạ tự nhiên Sự hình thành Trái Đất song song với tồn đồng vị phóng xạ mơi trƣờng tự nhiên, đồng vị phóng xạ tự nhiên có xạ vũ trụ, đất, nƣớc, khơng khí, thể ngƣời nhƣ thực phẩm ngày Chúng tự phân rã phát tia α, β γ, đồng vị phóng xạ tự nhiên thƣờng có chu kì bán rã lớn 1.1.1 Phóng xạ từ xạ vũ trụ Bức xạ vũ trụ (hay gọi tia vũ trụ) xạ có nguồn gốc từ ngồi trái đất chủ yếu đƣợc phát từ số lớn ngơi có vũ trụ Có hai loại tia vũ trụ: tia sơ cấp tia thứ cấp Tia sơ cấp: tia vũ trụ chƣa tƣơng tác với vật chất bầu khí quyển, vỏ trái đất thủy Chúng bao gồm photon (≈85%), hạt alpha (≈14%) với số (