Thiết kế và lắp ráp liều kế ghi đo bức xạ sự dụng SBM 20

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT KHOA KỸ THUẬT HẠT NHÂN NGUYỄN CA – 1410694 THIẾT KẾ VÀ LẮP RÁP LIỀU KẾ GHI ĐO BỨC XẠ SỬ DỤNG ỐNG ĐẾM SBM-20 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP KỸ SƯ KỸ THUẬT HẠT NHÂN GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: TS ĐẶNG LÀNH KHÓA 2014 - 2019 NHẬN XÉT (Của giảng viên hướng dẫn) NHẬN XÉT (Của giảng viên phản biện) LỜI CẢM ƠN Được phân công quý thầy cô Khoa Kỹ thuật Hạt nhân, Trường Đại Học Đà Lạt, sau gần ba tháng em hoàn thành Khóa luận tốt nghiệp Để hồn thành nhiệm vụ giao, nỗ lực học hỏi thân cịn có hướng dẫn tận tình thầy bạn Lời đầu tiên, em xin chân thành cảm ơn thầy giáo - TS ĐẶNG LÀNH người hướng dẫn cho em suốt thời gian hoàn thành khóa luận Một lần em chân thành cảm ơn thầy chúc thầy dồi sức khoẻ Cám ơn bạn sinh viên Trần Hồ Vân Phương, Bế Văn Tuấn, Trần Đức Mạnh, Trần Thị Thương Thương Phan Hà Phương hỗ trợ em suốt trình thực đề tài, đặc biệt khâu mua linh kiện, lắp ráp, gia công sản phẩm Tuy nhiên kiến thức chun mơn cịn hạn chế thân thiếu nhiều kinh nghiệm thực tiễn nên nội dung báo cáo không tránh khỏi thiếu xót, em mong nhận góp ý, bảo thêm quý thầy cô để báo cáo hoàn thiện LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan khóa luận tốt nghiệp “Thiết kế lắp ráp liều kế ghi đo xạ dụng SBM-20” cơng trình nghiên cứu riêng em Các số liệu tài liệu luận án trung thực chưa cơng bố cơng trình nghiên cứu Tất tham khảo trích dẫn tham chiếu đầy đủ Em xin cam đoan có vấn đề em xin chịu hồn tồn trách nhiệm DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 2.1: Thông số ống đếm SBM-20 .10 Bảng 3.1: Danh sách linh kiện sử dụng mạch 20 Bảng 4.1: Kết đo tốc độ đếm nguồn 90Sr (cpm) 27 Bảng 4.2: So sánh kết đo GMC với máy đo Inspector 28 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Sơ đồ nguyên lý detector chứa khí .4 Hình 1.2: Đường cong đặc trưng detector chứa khí hạt mang điện alpha (1) beta (2): .4 Hình 1.3: Đặc trưng plateau ống đếm G.M .6 Hình 1.4: Quá trình ghi nhận xung tạo thành thời gian chết .8 Hình 1.5: Thời gian chết thời gian hồi phục Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý mơ hình máy đo liều 11 Hình 2.2: Sơ đồ mạch tạo cao .11 Hình 2.3: Sơ đồ khối ghi nhận tín hiệu .11 Hình 2.4: Sơ đồ mạch nguyên lý .13 Hình 2.5: Bảng mạch in PCB 14 Hình 2.6: Mơ hoạt động đo liều thiết bị 17 Hình 2.7: Mơ khảo sát cao ống .18 Hình 2.8: Giao tiếp với máy tính .19 Hình 2.9: Hướng dẫn giao tiếp Adruino 19 Hình 3.1: Bố trí chân linh kiện PCB 22 Hình 3.2: Tấm đồng với PCB in lên 23 Hình 4.1: Mơ hình thiết bị đo liều sử dụng ống SBM-20 24 Hình 4.2: Cấu tạo chi tiết 24 Hình 4.3: Khảo sát cao tạo thành mạch .25 Hình 4.4: Đo nguồn 90Sr với GMC 27 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt cpm Count per minute Xung phút (tốc độ đếm) cps Count per second Xung giây (tốc độ đếm) Mơ hình thiết bị đo liều GMC G.M Geiger-Muller IC Integrated Circuit Vi mạch tích hợp thấp PIC Processing Integrated Circuit Vi xử lý tích hợp thấp PCB Printed circuit board Bảng mạch in R Roengent (unit) Sv Sievert (unit) Đơn vị đo liều xạ MỤC LỤC NHẬN XÉT (Của giảng viên hướng dẫn) NHẬN XÉT (Của giảng viên phản biện) LỜI CẢM ƠN LỜI CAM ĐOAN DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU DANH MỤC HÌNH ẢNH DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT LỜI MỞ ĐẦU Chương 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT .2 1.1 Lịch sử phát triển 1.2 Cấu tạo chế hoạt động .2 1.2.1 Detector chứa khí .3 1.2.2 Ống đếm GM Chương 2: Ý TƯỞNG VÀ MÔ PHỎNG THIẾT BỊ 10 2.1 Ý tưởng 10 2.2 Phần mềm mô mạch điện tử Proteus 12 2.3 Kết mô 12 2.3.1 Sơ đồ mạch nguyên lý 13 2.3.2 PCB 14 2.3.3 Chương trình vi điều khiển .14 2.3.4 Phát triển chức 18 Chương 3: LẮP RÁP THIẾT BỊ 20 3.1 Linh kiện sử dụng mạch 20 3.2 Bố trí linh kiện PCB 22 3.3 Lắp ráp thiết bị 23 Chương 4: KẾT QUẢ .24 4.1 Sản phẩm nghiên cứu 24 4.2 Quá trình kiểm tra, vận hành thử nghiệm .25 KẾT LUẬN .31 TÀI LIỆU THAM KHẢO 32 Hình 2.7: Mơ khảo sát cao ống Để khảo sát cao qua ống, em sử dụng chia 100M bên ngồi (R9), dẫn thẳng điện gần 400V vào PIC làm hỏng PIC tải mạch Em kết nối 10 điện trở liên tiếp 10M với vạn (R10) đặt điểm HV TP, sau đo điện áp Điện áp đầu vào ADC PIC tính theo (2.1): Vout = Vread*[(100M + Rvoltmeter)/Rvoltmeter] (2.1) Trong Rvoltmeter điện trở nội vạn năng, Vout cao tạo thành Vread đọc (thế đưa vào PIC) 2.3.4 Phát triển chức Để đáp ứng nhu cầu học tập sinh viên, em phát triển thêm số tính giao tiếp kết nối khác tích hợp vào thiết bị: - Tính giao tiếp với máy tính: sử dụng chương trình Logiation Logger cho Windows (hoặc chương trình COM Terminal khác) Tính kết nối thông qua modul TTL USB - Ảo COM (các modul rẻ) 18 kết nối trực tiếp với cổng COM qua MAX232 Chương trình cho phép ghi nhật ký đo vào ổ cứng xây dựng biểu đồ từ ghi nhận trước Em sử dụng chân RX TX, L1, L2 PIC (chân 15 đến chân 18), thông qua đầu góp tín hiệu để hỗ trợ giao tiếp ngoại vi, cách kết nối mơ tả hình (2.8): Hình 2.8: Giao tiếp với máy tính - Tính giao tiếp Adruino: tương tự giao tiếp máy tính, thiết bị máy đo liều sử dụng ống đếm SBM-20 cho phép giao tiếp với Adruino Adruino board mạch vi xử lý nhằm xây dựng ứng dụng tương tác với Adruino phát triển tính ghi đo trực tuyến cho thiết bị Hình 2.9: Hướng dẫn giao tiếp Adruino 19 Chương LẮP RÁP THIẾT BỊ 3.1 Linh kiện sử dụng mạch Dựa theo thiết kế mạch nguyên lý, thiết bị máy đo liều em sử dụng linh kiện cho bảng sau: Bảng 3.1: Danh sách linh kiện sử dụng mạch Tên linh kiện Số lượng Kí hiệu PCB Điện trở Điện trở carbon 10K – 5% - R1, R2, R3, R4, R12, R14, R20, R21 Điện trở carbon 3K – 5% - R7 Điện trở carbon 100K – 5% - R8, R15, R17 Điện trở carbon 47K – 5% - R16 Điện trở carbon 470K – 5% - R18 Điện trở carbon 1K – 5% - R19 Điện trở carbon 220Ω – 5% - R22 Điện trở 33K – 1% - R5, R6 Điện trở 100K – 1% - R11 Điện trở 10M – 1% 11 - R9 (10M×10), R13 Chiết áp 10K - P2 Chiết áp vi chỉnh 3296W 100R - P1 Tụ hóa điện phân 10V 10Μf - C1, C2 Tụ hóa điện phân 10V 470Μf - C4, C6 Tụ gốm cao 1000V 10Nf - C12, C13, C14, C15 Tụ gốm 50V 100Nf - C3, C7, C8, C10, C18, C19, C20 Tụ gốm 50V 1Nf - C5 Tụ gốm 50V 22Pf - C9, C11 Tụ điện 20 Tụ gốm 50V 220Pf - C17 Diode nhanh 600V 1N4937 - D1, D3, D4 Diode kính 1N4148 - D2 Đèn LED đỏ - LED1 Transitor NPN MPSA42 - T2 Transitor NPN 2N3904 - T1, T3, T4, T5 Cuộn cảm lõi ferrite 10mH - L2 Cuộn cảm trục 100μH - L1 PIC16F876A - IC1 IC NE555 - IC2, IC3 Diode Transitor Cuộn cảm IC Khác Màn hình LCD HD44780 16x2 Tinh thể thạch anh 16MHz Socket IC chân Socket IC 14 chân Còi 5V - Buzzer Nút bấm nhỏ - S1, S2, S3, S4 USB loại B - USB Khối thiết bị đầu-cuối vị trí - +BAT-, -TUBE+ Jump chốt 2.54mm Đầu góp chân Đầu góp chân - Cr1 - Vdd Vpp 21 Đầu góp đực chân Đầu góp đực chân Đầu góp đực chân 90o - Jmp1, Jmp2 Dây jump nối 3.2 Bố trí linh kiện PCB Hình thể cách bố trí linh kiện PCB: Hình 3.1: Bố trí chân linh kiện PCB 22 3.3 Lắp ráp thiết bị Sau có PCB, tiến hành trình lắp ráp thiết bị Đầu tiên, PCB in lên giấy Chọn loại giấy trơn, sử dụng thủ thuật in phun laser để tạo hình PCB giấy PCB sau in xong áp lên phíp đồng với kích thước cần thiết Gia nhiệt bàn để mực từ giấy chảy bám lên đồng Kết quả, ta thu mạch đồng với hình vẽ chân linh kiện dây nối Hình 3.2: Tấm đồng với PCB in lên Sau đó, đồng mang ăn mòn dung dịch muối sắt Fe (III) Phần đồng không phủ mực ăn mòn đi, để lại phần đồng với đường mạch vẽ phía Cuối khoan lỗ chân linh kiện, tiến hành hàn linh kiện hoàn chỉnh mạch lớp sơn phủ bảo vệ 23 Chương KẾT QUẢ 4.1 Sản phẩm nghiên cứu Sản phẩm nghiên cứu em mơ hình thiết bị máy đo liều sử dụng nguyên tắc hoạt động ống đếm G.M để thuận tiện em tạm đặc tên GMC, kết hình 4.1: Hình 4.1: Mơ hình thiết bị đo liều sử dụng ống SBM-20 Hình 4.2: Cấu tạo chi tiết 24 4.2 Quá trình kiểm tra, vận hành thử nghiệm Sau hồn tất, thiết bị đưa vào cài đặt thông số vận hành thử Ở lần khởi chạy đầu tiên, em tiến hành kiểm tra cao thiết lập thơng số cho hệ đo Các thơng số sau lưu vào nhớ EEPROM PIC để tiếp tục sử dụng lần Em đặt IC2 IC3 vào mạch đặt P1 đến 50 ohms, sau tắt Jmp1, kết nối nguồn điện điều chỉnh điện áp đầu thành 400V Thiết bị cấp nguồn từ USB, pin 1.5V pin 1.2V Điều quan trọng không vượt 5.4V để khơng hỏng điều khiển hình hiển thị Mức tiêu thụ khơng có đèn hình từ 10mA đến 30mA phụ thuộc vào cường độ xung từ ống Để điều chỉnh điện áp, nhấn giữ S4 vài giây Đầu tiên, vơn kế xuất hình Có thể sử dụng tuốc nơ vít P1 để sửa điện áp cao ống Đồng hồ đo điện áp hoạt động xác thiết bị cấp nguồn USB, từ điện áp 5V gây sai số Kết khảo sát cho thấy mạch tạo cao thiết bị tạo cao ổn định mức 412V – 419V, phù hợp với cao hoạt động khuyến nghị ống: Hình 4.3: Khảo sát cao tạo thành mạch Sau đo điện áp, nhấn S3 chuyển đến cài đặt hệ số chuyển đổi từ CPM thành liều nút S3 (+) S2 (-) S1 (OK) Để thay đổi đơn vị đo lường (chọn Sievert X-ray), nhấn giữ S4 bật nguồn Thông báo cài đặt mức độ cảnh báo nguy hiểm xuất sau chọn tùy chọn đơn vị Điều hướng 25 nút S3 (+) S2 (-) S2 (OK) Hệ số chuyển đổi đơn vị lưu trữ nhớ tải vào lần sau bật lên Một điểm cần lưu ý cần phải thiết lập mức cảnh báo cho thiết bị để cảnh báo liều xạ mức nguy hiểm, đồng thời để nhắc nhở người sử dụng gần đạt đến giới hạn đo ống Để chương trình vừa với nhớ điều khiển, giới hạn liều tối đa hiển thị xác hình 9.99mSv/h (9990μSv/h) 99.9mR/h (99900μR/h) Chuyển đổi chế độ đo: chuyển đổi nút S3 vận hành: - Tìm kiếm: chế độ đo nhanh, phép đo nhân với 106 giây - Giám sát: chế độ tích lũy chậm, số xung đo 10 giây thêm vào năm giá trị trước phép đo 10 giây Hiển thị đèn nền: Đèn hình bật tắt cách nhấn nhanh S1 Chỉ bật đèn vận hành thiết bị khơng thể thay đổi q trình hiệu chuẩn Để tiết kiệm pin, đèn tự động tắt mức xạ thấp giá trị đặt, mặc định 300cpm Đèn tự động bật xạ vượt ngưỡng cảnh báo còi báo động nguy hiểm kêu Thuật toán đếm: Bộ điều khiển đếm xung 10 giây lưu trữ giá trị trước đó, sau tất giá trị thêm vào tính trung bình để lấy tốc độ đếm xác cho phút cuối Phương pháp cho giá trị xác phương án tốt để theo dõi xạ nhiên, điểm bất lợi cần phải chờ đến phút để có kết đo liều cuối Đối với việc đo phơng phóng xạ, trường hợp phơng tăng mạnh nghi ngờ nguy hiểm, em khuyến nghị nên chuyển đổi đơn vị giá trị cps để tiện theo dõi Nếu kết thu liên tục đạt mức cps phơng đạt mức nguy hiểm Sau thiết lập giá trị, em tiến hành kiểm tra ống hai thí nghiệm Thí nghiệm thứ nhất, em đo nguồn phóng xạ 90Sr có sẵn phịng thí nghiệm khoa Kỹ thuật Hạt nhân đối chiếu kết đo với đầu dò G.M NEG-250 thường sử dụng thí nghiệm khoa Kết thu được cho bảng sau: 26 Bảng 4.1: Kết đo tốc độ đếm nguồn 90Sr (cpm) GMC G.M NEG-250 7908 7707 7913 7712 7925 7740 7964 7711 7899 7698 7913 7720 7900 7694 7937 7728 Kết đo cho thấy thiết bị khơng thể đo xác thiết bị đo thương mại chuyên dụng, nhiên kết đo sai số nằm mức chấp nhận mơ hình thiết bị Hình 4.4: Đo nguồn 90Sr với GMC Dữ liệu hiển thị hình minh họa hình Dòng cho thấy tốc độ đếm cpm, dòng bên thể mức liều phóng xạ Thí nghiệm thứ hai, em dùng GMC cấp nguồn từ pin thiết bị đo liều cầm tay để khảo sát liều xạ số vị trí trường Đại học Đà Lạt Kết 27 thu được so sánh với mẫu liệu hai sinh viên Trần Thị Thương Thương Phan Hà Phương thu thập đề tài khảo sát phơng phóng xạ mơi trường, sử dụng thiết bị đo Inspector từ khoa Kỹ thuật Hạt nhân trường đại học Đà Lạt , với điều kiện đo Kết đo liệu mẫu cho bảng sau: Bảng 4.2: So sánh kết đo GMC với máy đo Inspector Địa điểm đo GMC Inspector A11.206 0.24 0.22 A11.206 0.27 0.25 A11.206 0.35 0.32 A11.206 0.45 0.42 A11.206 0.41 0.38 A11.206 0.27 0.25 A11.206 0.23 0.21 A11 Sảnh tầng 0.24 0.22 A11 Sảnh tầng 0.37 0.34 A11.205 0.30 0.28 A11.205 0.43 0.40 A11.205 0.52 0.48 A11.205 0.28 0.26 A11 Sảnh tầng 0.32 0.30 A11.105 0.31 0.29 A11 Sảnh tầng 0.37 0.34 A11 Sảnh tầng 0.43 0.40 A11 Sảnh tầng 0.36 0.33 A11 Sân 0.39 0.36 A11 Sân 0.23 0.21 A11 Sân 0.23 0.21 28 A11 Sân 0.31 0.29 A11 sân sau 0.37 0.34 A11 sân sau 0.36 0.33 A11 sân sau 0.64 0.59 A11 sân sau 0.23 0.21 A11 sân sau 0.17 0.16 A11 sân sau 0.17 0.16 A11 sân sau 0.18 0.17 A11 sân sau 0.14 0.13 A11 sân sau 0.13 0.12 SAN1 0.29 0.27 SAN1 0.24 0.22 SAN1 0.53 0.49 SAN1 0.41 0.38 SAN1 0.28 0.26 SAN1 0.46 0.43 SAN1 0.24 0.22 SAN1 0.32 0.30 SAN1 0.28 0.26 SAN1 0.27 0.25 A7 0.30 0.28 A7 0.41 0.38 A7 0.25 0.23 A7 0.51 0.47 A7 0.23 0.21 A7 0.21 0.19 29 A7 0.14 0.13 A7 0.31 0.29 A7 0.31 0.29 A7 0.28 0.26 A7 0.38 0.35 A7 0.30 0.28 A7 0.42 0.39 A7.4 0.27 0.25 A7.4 0.40 0.37 A7.4 0.30 0.28 A7 tầng 0.30 0.28 A7 tầng 0.39 0.36 Sai số thiết bị rơi vào mức khoảng 8% so với số liệu thu từ thiết bị đo Inspector khoa khoa Kỹ thuật Hạt nhân Do thiết bị phát triển với mục đích hỗ trợ giảng dạy nên độ xác khơng trọng ưu tiên, thay vào đó, em tập trung phát triển tính hữu ích khác 30 KẾT LUẬN Theo tình hình nay, công tác giáo dục đào tạo nhân lực cho ngành Kỹ thuật Hạt nhân tiếp tục trì phát triển Vấn đề ngồi việc địi hỏi giảng viên phải có trình độ chun mơn cao, cần đến sở vật chất tiến bộ, đáp ứng nhu cầu dạy học giảng viên lẫn sinh viên Khóa luận triển khai mang lại số lợi ích đáng kể cơng tác đào tạo Khoa Kỹ thuật Hạt nhân, đem đến thuận tiện cho sinh viên cán hướng dẫn thực thí nghiệm, cơng cụ hữu ích hỗ trợ giảng dạy cho sinh viên, giúp sinh viên có nhìn trực quan vấn đề lý thuyết Thiết bị sau hoàn thiện đáp ứng yêu cầu đề ban đầu, có khả ghi nhận xạ với kết sai số chấp nhận Ngoài ra, thiết bị cịn phát triển tích hợp tính mà thiết bị đo thương mại thị trường khơng đáp ứng Các tính hỗ trợ đắc lực cho giảng viên sinh viên việc khảo sát vấn đề đề cập phần Nếu Khoa Kỹ thuật Hạt nhân xây dựng số thí nghiệm thích hợp đưa đề tài vào ứng dụng giảng dạy Khoa, hội tốt cho sinh viên trau dồi thêm kỹ kiến thức chuyên ngành Với ưu điểm nói trên, việc ứng dụng đưa thiết bị vào giảng dạy chuyên ngành Khoa Kỹ thuật Hạt nhân mang lại hiệu tích cực, hỗ trợ cho công tác giảng dạy sinh viên Khoa nói riêng ngành kỹ thuật hạt nhân nói chung 31 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Cơ sở vật lý hạt nhân, Ngô Quang Huy (2006) [2] Cơ sở vật lý hạt nhân thực nghiệm, phần 2, Phạm Đình Khang (1985) [3] Cơ sở phương pháp vật lý hạt nhân thực nghiệm, A I Abramov (1977) [4] Giáo trình Điện tử sở, Đặng Lành (2014) [5] Giáo trình Radiation Detection and Measurement, Suk Soo Dong (2000) 32 ... CAM ĐOAN Em xin cam đoan khóa luận tốt nghiệp ? ?Thiết kế lắp ráp liều kế ghi đo xạ dụng SBM- 20? ?? cơng trình nghiên cứu riêng em Các số liệu tài liệu luận án trung thực chưa công bố cơng trình nghiên... phụ thuộc vào lượng xạ vào nên ghi nhận xạ dạng xung chuyển thành số đếm định lượng mặt lượng chùm xạ Ống đếm G.M chủ yếu dùng đo hoạt độ nguồn liều xạ đối tượng Liều xạ phụ thuộc vào tốc độ... đó, em tiến hành mô thiết kế, lắp ráp lập trình thành cơng thiết bị đo liều sử dụng nguyên lý ống đếm G.M., vừa đo đạc với kết chấp nhận được, vừa cung cấp giải phẫu trực quan thiết bị, cho phép