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
4 MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC MỞ ĐẦU .6 PHẦN 1- TỔNG QUAN VỀ CÁC THIẾT BỊ ĐO LIỀU LƯỢNG BỨC XẠ 1.1 Cơ sở vật lý đo liều lượng xạ 1.2 Ống đếm Geiger-Mueller (GM) 1.2.1 Cấu tạo, nguyên tắc hoạt động ống đếm khí .7 1.2.1 Các trình diễn ống đếm GM .13 1.2.2 Thời gian phân giải ống đếm GM .17 1.2.3 Đặc trưng đếm 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 nguyên lý hoạt động 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 PIC16F877A .24 2.2.2.2 Chức chân .26 2.2.2.3 Timer/Counter (Bộ định thời/Bộ đếm) 31 Lê Vũ Văn 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 biên dịch CCS C 38 2.4.2 Lưu đồ chương trìnhvới CCS C .40 PHẦN - KẾT QUẢ CHUẨN MÁY VÀ ĐO ĐẠC THỬ NGHIỆM 42 3.1 Nguồn xạ .43 3.2 Tiến hành đo đạc 44 PHẦN - KẾT LUẬN 47 TÀI LIỆU THAM KHẢO 49 PHỤ LỤC 50 Lê Vũ Văn MỞ ĐẦU Ngày kỹ thuật hạt nhân ứng dụng ngày rộng rãi ngành kỹ thuật, kinh tế, sản xuất công nghiệp, y tế, nông nghiệp Từ ứng dụng phổ biến có sử dụng kỹ thuật hạt nhân, vấn đề quan trọng đánh giá mức độ mạnh yếu chất phóng xạ nhằm đảm bảo tính an tồn Đặc biệt người khơng thể cảm nhận tia phóng xạ giác quan thơng thường Máy đo liều thiết bị giúp ta xác định suất liều nguồn phóng xạ phơng mơi trường Nhiệm vụ đồ án tốt nghiệp nghiên cứu thiết kế máy đo liều Đề tài sử dụng "phương pháp xác định khoảng thời gian hai hạt xạ liên tiếp" để xác định suất liều Đo liều dựa phương pháp đầu ghi giảm loại bỏ ảnh hưởng thời gian chết ta khơng cần hiệu chỉnh ống đếm kết đo tuyến tính hơn, đồng thời tuổi thọ ống đếm cao Lê Vũ Văn PHẦN 1-TỔNG QUAN VỀ CÁC THIẾT BỊ ĐO LIỀU LƯỢNG BỨC XẠ 1.1 Cơ sở vật lý đo liều lượng xạ Lượng tử tương tác với vật chất dẫn tới hiệu ứng iơn hố Khi phần nhạy với tương tác xạ xuất phần tử có điện tích electron tự iôn Nếu phần nhạy đặt điện trường, chúng chuyển động định hướng phía điện cực trái dấu, tạo nên tín hiệu điện Bằng cách xử lý đo đạc tín hiệu điện quen thuộc này, xác định liều lượng xạ Do máy đo liều phải có nguồn ni cấp điện áp thích hợp cho đầu dị, mạch hình thành xung để tạo xung từ tín hiệu điện đầu ghi ghi nhận khối điện tử khác thích hợp với phương pháp đo đưa Trong thiết bị đo liều, phận quan trọng đầu dị xạ Dưới trình bày số lý thuyết ống đếm Geiger-Mueller sử dụng đồ án 1.2 Ống đếm Geiger-Mueller (GM) 1.2.1 Cấu tạo, nguyên tắc hoạt động ống đếm khí Hoạt động ống đếm khí dựa tượng iơn hóa phần tử khí dọc theo đường hạt mang điện chúng rơi vào môi trường khí Về hình thức cấu tạo, ống đếm khí tương tự tụ điện (hình 1-1): hai cực ống đếm anốt catốt vai trò hai tụ, lớp khí hai cực giống lớp điện môi tụ điện Điện áp chiều thích hợp Lê Vũ Văn đặt lên hai cực tạo điện trường đủ mạnh để đưa e –, iôn (+) (kết iơn hóa khí xạ tới) anốt catốt tương ứng Vì vậy, từ đầu ống đếm có tín hiệu điện có hạt xạ rơi vào Hình 1-1: Sơ đồ nguyên tắc hoạt động ống đếm khí[4] Độ lớn điện áp chiều đặt vào hai cực ống đếm khí có ảnh hưởng mạnh tới đặc điểm q trình iơn hóa khí Chính khác đặc điểm q trình iơn hóa khí vùng điện áp nuôi khác tạo nên loại ống đếm khí khác buồng iơn hóa, ống đếm tỷ lệ, ống đếm Geiger–Muller Sự khác vùng điện áp làm việc loại đầu dò khí làm việc chế độ xung minh họa hình 1-2 Hình 1-2: Vùng điện áp làm việc loại ống đếm khí[6] Lê Vũ Văn Ở điện áp thấp (vùng 1), điện trường ống đếm yếu nên e –, iôn (+), tạo iơn hóa ban đầu hạt tới, tái hợp lại với Vì số cặp (e–, iơn +) góp điện cực tương ứng nhỏ số cặp tạo Sự tái hợp giảm theo tăng điện áp nuôi nên biên độ xung tăng dần theo điện áp Dưới điện trường đủ mạnh (vùng 2), bỏ qua tái hợp (e –, iôn +) dọc đường trôi cực nên gần coi lượng điện tích đến góp điện cực lượng điện tích tạo Khi , iôn +) tạo ống đếm Trong e – nhanh chóng trơi anốt iơn (+) với khối lượng lớn hơn, chuyển độngcường độ rọi xạ không thay đổi tốc độ tạo cặp (e –, iơn +) số Vì vậy, biên độ xung đạt đến bão hòa Vùng (2) vùng làm việc vùng buồng iơn hóa Nếu tiếp tục tăng điện áp nuôi, điện trường ống đếm mạnh lên Các electron, khối lượng nhỏ, chuyển động điện trường mạnh thu lượng lớn đủ để iơn hóa phân tử khí khác (gọi iơn hóa thứ cấp) Vì số e– đến anốt nhân lên Ta nói ống đếm có khuếch đại khí Nhờ q trình này, biên độ xung tăng lên Sự khếch đại khí miền (3) có đặc điểm tuyến tính Nghĩa là, lượng điện tích góp, tức biên độ xung, tỷ lệ tuyến tính với số cặp (e–, iơn +) tạo ban đầu Đây vùng làm việc ống đếm tỷ lệ Khi tăng điện áp nuôi thêm (vùng 4), khuếch đại khí trở nên mạnh hơn, lượng lớn phần tử dẫn (e – chậm hơn, đường tới catốt Sự có mặt lượng lớn điện tích (+) chậm phân tán khoảng không gian hai cực (giống đám mây mang điện dương) sau lần có Lê Vũ Văn 10 hạt xạ rơi vào ống đếm làm méo điện trường kìm hãm iơn hóa thứ cấp Kết là, khuếch đại khí khơng cịn tuyến tính Vùng (4) gọi vùng tỷ lệ hạn chế Trong vùng (5), điện trường mạnh khiến cho trình iơn hóa thứ cấp trở nên chiếm ưu hồn tồn Nhờ e – đường tới anốt nhân lên mạnh thành dòng thác e– Mỗi e– thác lại khởi động thác khác, nên sau thời gian ngắn, ống đếm bị phóng điện Đặc điểm vùng (5) khuếch đại khí mạnh, q trình iơn hóa thứ cấp chi phối xảy bất chấp số cặp (e –, iôn +) tạo ban đầu Vì vậy, xung gần có biên độ khơng phản ánh tính chất hạt Cùng với q trình phát triển thác, đám mây dày đặc tích điện dương làm giảm nghiêm trọng điện trường ống đếm Do đó, phát triển thác bị hạn chế đến kết thúc (trong điều kiện định) Đây vùng làm việc 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 ln vai trị Catốt thường nối đất Anốt sợi dây kim loại mảnh căng dọc theo trục ống trụ Tuy nhiên biên độ xung từ ống GM giống không cho thơng tin hạt xạ nên u cầu độ đồng đều, độ nhẵn dây Anốt khơng địi hỏi khắt khe Sơ đồ điện ống đếm hình 1-3 Lê Vũ Văn 11 Hình 1-3: Sơ đồ mắc ống đếm[2, 6] Ở hình học trụ, biết, điện trường điểm có bán kính r tính từ tâm cho cơng thức: ξ (r) = V0 r ln b a (1-1) Trong đó: V0 điện áp nuôi anốt catốt (cỡ vài nghìn Vơn) a bán kính anốt b bán kính catốt Các ống đếm GM trụ thơng thường có a cỡ 10–3÷ 10–2 cm, b cỡ cm Nếu lấy V0=2000V, ống đếm trụ có a=0,008 cm, b=1 cm, từ biểu thức (1-1) thấy cường độ điện trường sát anốt lớn, vào khoảng 5x106 V/m Cường độ điện trường lớn gần anốt giảm nhanh theo bán kính r ống đếm trụ hình 1-4 Lê Vũ Văn 12 ξ(r) Miền khuếch đại khí (miền xảy iơn hóa ) Hình 1-4: Phân bố cường độ điện trường ống đếm trụ[6] a rC b r Nếu hai cực có dạng phẳng điện trường đều, hệ số khuếch đại khí phụ thuộc hàm mũ vào vị trí iơn hóa ban đầu r Tuy nhiên ống đếm dạng trụ, điện trường có giá trị lớn sát anốt (hình 1-4) Do đó, khuếch đại khí thực vị trí (ký hiệu r c), mà từ đến anốt, điện trường lớn ngưỡng để tạo cho e– có đủ lượng iơn hóa phần tử khí khác Vì r c nhỏ nên miền khuếch đại khí (bán kính trải từ a tới r c) tích bé so với tồn thể tích ống đếm Vì vậy, iơn hóa ban đầu xem xảy ngồi miền khuếch đại khí Chỉ e– rơi vào miền khí sát anốt, vùng gạch chéo hình (2-13) chúng khởi động trình phát triển thác Hơn nữa, iơn hóa miền khuếch đại khí mạnh hàng nghìn lần iơn hóa ngồi vùng nên vị trí iơn hóa ban đầu (r 0) khơng cịn quan trọng Mỗi e–, dù ban đầu sinh ngồi r c (r > rc), rơi vào miền khuếch đại khí nhân lên gần với hệ số khuếch đại M Vì vậy, biên độ xung từ ống đếm GM xem không phụ Lê Vũ Văn 13 thuộc vào vị trí iơn hóa ban đầu Nói cách khác biên độ xung khơng cho thơng tin tính chất hạt tới Biên độ xung từ ống đếm GM lớn, cỡ Vôn Với ưu điểm đơn giản sử dụng, rẻ tiền, ống đếm GM lựa chọn hợp lý cho hệ đo dùng để đếm hạt Nhược điểm chúng là: thời gian chết lớn nên ống đếm GM hạn chế ứng dụng với tốc độ đếm thấp (cỡ vài trăm đến ngàn xung giây) Một số ống đếm GM có thời gian làm việc ngắn 1.2.1 Các trình diễn ống đếm GM a Sự phóng điện Giả sử, hạt xạ rơi vào ống đếm trụ tạo N cặp iôn vị trí r0 hình (2-12) Dưới điện trường, e – trơi phía anốt tăng tốc, nên chúng thu lượng Với điện trường đủ mạnh lớn ngưỡng đó, lượng e– trở nên lớn iơn hóa khí Vì xảy va chạm với phân tử khí trung hịa, e – iơn hóa khí để tạo (e –, iơn) (iơn hóa thứ cấp) Các e– giải phóng lại tăng tốc lại iơn hóa phân tử khí khác… Q trình nhân e – tiếp diễn liên tục tạo nên dòng thác e– chúng chuyển động đến anốt số cặp (e –, iôn) đến gúp điện cực nhân lên nhiều lần so với số cặp (e –, iơn) tạo ban đầu Ta nói, ống đếm có khuếch đại khí Lê Vũ Văn 45 Sử dụng phần mềm Excel vẽ đồ thị tương quan suất liều thời gian hình 3-4 Hình 3-4: Đồ thị chuẩn liều theo thời gian Có thể thấy tương quan suất liều giá trị thời gian đọc từ đếm theo công thức thực nghiệm sau: y = k.x-1 (3-2) Với y: suất liều x: thời gian đo Từ đồ thị ta xác định k = 109 Sau xác định hệ số k=109 máy này, lập trình cho vi điều khiển chuyển đổi số đếm suất liều Lê Vũ Văn 46 Từ đồ thị ta thấy suất liều tỉ lệ phi tuyến với số đếm Kết sử dụng để chuyển đổi thành suất liều theo công thức (3-2), nhiên chưa phải kết yêu cầu toán đặt Có thể giải thích ngun nhân dẫn tới kết đo khơng tuyến tính sau Thời gian chết ống đếm có ảnh hưởng lớn tới kết đo Thời gian hồi phục cao áp chưa hợp lý Ngồi cịn phải kể đến kỹ thuật chế tạo mạch in hàn linh kiện, điều ảnh hưởng lớn tới sai số kết đo Do để phát triển tiếp đề tài cần tính toán thêm hiệu chỉnh thời gian chết cho thiết bị cho kết đo khả quan Lê Vũ Văn 47 PHẦN - KẾT LUẬN Sau hoàn thành đồ án "Đo liều lượng xạ phương pháp xác định khoảng thời gian hai kiện", kết đạt là: - Hiểu rõ thêm lý thuyết vật lý hạt nhân điện tử học - Sử dụng phần mềm Protel DXP thiết kế mạch chế tạo thành công mạch điện tử thiết bị đo liều Kết nối mạch đo với máy tính - Nắm hoạt động chip vi điều khiển PIC - Kết đo đạc ban đầu ổn định - Từ kết đo tìm công thức thực nghiệm chuyển đổi suất liều - Hiểu rõ trình làm thực nghiệm Về đồ án hoàn thành thiết bị đo liều sử dụng vi điều khiển ống đếm GM Song hạn chế là: - Kết đo chưa tuyến tính mong muốn chưa loại bỏ ảnh hưởng thời gian chết ống đếm - Thiết kế mạch in chưa chuyên nghiệp dẫn tới khó khăn việc kiểm tra có lỗi phát sinh - Phần lập trình phần mềm điều khiển cịn đơn giản, chưa - Chưa có điều kiện để nắm bắt hết chức vi điều khiển PIC Hướng phát triển: Lê Vũ Văn 48 Như nói ban đầu, mục đích thiết bị nhằm làm giảm loại bỏ ảnh hưởng thời gian chết ống đếm cho kết đo tuyến tính nên hướng phát triển tính tốn thêm để điều chỉnh số yếu tố thiết kế mạch điện tử, nâng cao kỹ thiết kế, chế tạo mạch, tìm hiểu sử dụng chức khác vi điều khiển Lê Vũ Văn 49 TÀI LIỆU THAM KHẢO Datasheet PIC16F877A Th.S Ngô Tiến Phán – Bài giảng điện tử hạt nhân Th.S Ngô Tiến Phán – Bài giảng kỹ thuật xung số Phùng Văn Duân – An toàn xạ – NXB Bách Khoa 2006 ThS Nguyễn Tất Thắng - Bài giảng xác định liều lượng xạ TS Trần Kim Tuấn – Bài giảng thực nghiệm hạt nhân Các website: picvietnam.com, dientuvietnam.net Lê Vũ Văn 50 Phụ lục Kết đo đạc Khoảng cách (cm) 20 25 30 Lần (ms) Lần (ms) Lần (ms) 1.52 1.72 1.52 1.17 1.34 1.56 1.44 1.48 1.68 1.45 1.41 1.42 1.44 1.56 1.40 2.44 2.61 2.39 2.19 2.34 2.59 2.59 2.39 2.21 2.41 2.44 2.77 2.32 2.45 2.48 3.23 3.22 3.43 3.68 3.51 3.36 3.93 3.50 3.45 Lê Vũ Văn 51 35 40 45 3.30 3.37 3.75 3.58 3.22 3.48 4.34 5.14 5.22 4.83 4.63 5.29 4.87 4.49 4.94 4.92 4.82 4.92 4.91 4.97 5.68 6.78 6.07 6.83 6.15 6.22 6.56 5.97 6.92 6.60 5.90 6.44 7.06 6.28 6.82 6.76 7.70 8.64 7.27 7.40 7.58 7.18 7.41 9.42 7.06 7.80 8.78 8.99 Lê Vũ Văn 52 50 55 60 65 8.42 7.50 8.20 9.80 9.78 10.40 10.82 9.56 9.67 10.12 9.43 10.43 9.10 10.75 11.00 10.42 9.73 9.96 11.98 12.06 11.66 10.46 11.83 11.22 11.80 11.86 10.88 10.94 10.63 11.00 11.95 13.40 11.28 13.62 15.46 13.80 14.73 13.87 13.57 13.23 13.03 15.01 14.50 13.66 15.02 13.81 13.90 13.81 18.52 15.83 16.19 Lê Vũ Văn 53 70 16.89 15.76 15.45 16.91 17.21 17.08 16.19 15.71 16.89 17.21 15.80 16.85 17.66 17.80 18.14 18.34 18.44 20.40 21.80 17.41 20.50 18.25 20.78 19.27 18.32 17.72 20.59 Chương trình phầm mềm điểu khiển PIC: #include #include #include #FUSES NOWDT //No Watch Dog Timer #FUSES XT //Crystal osc =55){ i=0; tbcount /= 55; printf(" %.2f \r\n",tbcount);} st=0; dose = 103.4*312500/tbcount; //312500 : tan so xung chuan - quy doi //ve thoi gian hv(); } //hv(); } } //==================================== void hv() //dieu khien cao ap { output_high(PIN_C1); output_low(PIN_C1); } //================END================= Lê Vũ Văn 58 Lê Vũ Văn 59 Danh mục hình vẽ, bảng Hình 1-1: Sơ đồ ngun tắc hoạt động ống đếm khí Hình 1-2: Vùng điện áp làm việc loại ống đếm khí Hình 1-3: Sơ đồ mắc ống đếm Hình 1-4: Phân bố cường độ điện trường ống đếm trụ Hình 1-5: Thời gian chết, thời gian phân giải, thời gian hồi phục ống đếm GM Hình 1-6: Đặc trưng đếm ống đếm GM Hình 2-1: Sơ đồ khối Hình 2-2: Sơ đồ ngun lý tồn mạch Hình 2-3: Khối cao áp Hình 2-4: Sơ đồ chân PIC16F877A Hình 2-5: Sơ đồ khối PIC16F877A Hình 2-6: Sơ đồ khối Timer0 Hình 2-7: Sơ đồ khối Timer1 Hình 2-8: Thiết kế phần cứng cho vi điều khiển Hình 2-9: Bộ đo thời gian Hình 2-10: Giao diện khởi động CCS C Hình 2-11: Lưu đồ chương trình điều khiển Hình 3-1: Mạch in hồn thiện Hình 3-2: Ống đếm GM gá lắp Hình 3-3: Ống đếm có vỏ bọc Hình 3-4: Đồ thị chuần liều theo thời gian Bảng 1: Suất liều vị trí cách nguồn khoảng r (cm) Lê Vũ Văn ... lặp lại Khoảng thời gian vi điều khiển đếm tỉ lệ với suất liều đo Nếu khoảng thời gian nhỏ tức số hạt xạ ghi nhận lớn, suất liều vị trí đo lớn Ngược lại, khoảng thời gian đo lớn tức số hạt xạ ghi... phóng xạ phông môi trường Nhiệm vụ đồ án tốt nghiệp nghiên cứu thiết kế máy đo liều Đề tài sử dụng "phương pháp xác định khoảng thời gian hai hạt xạ liên tiếp" để xác định suất liều Đo liều dựa phương. .. nuôi nên Platô ống đếm halogen dốc Lê Vũ Văn 21 PHẦN 2-THIẾT KẾ MÁY ĐO LIỀU GAMMA THEO PHƯƠNG PHÁP ĐO KHOẢNG THỜI GIAN GIỮA CÁC SỰ KIỆN 2.1 Sơ đồ khối nguyên lý hoạt động mạch Hình 2-1 - Sơ đồ khối