(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu, chế tạo robot tự hành mang thiết bị phát hiện nguồn phóng xạ dùng trong hỗ trợ sự cố hạt nhân

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN QUANG THUẬN NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO ROBOT TỰ HÀNH MANG THIẾT BỊ PHÁT HIỆN NGUỒN PHÓNG XẠ DÙNG TRONG HỖ TRỢ SỰ CỐ HẠT NHÂN NGÀNH: KĨ THUẬT CƠ KHÍ 60520103 S K C0 Tp Hồ Chí Minh, tháng 04/2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN QUANG THUẬN NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO ROBOT TỰ HÀNH MANG THIẾT BỊ PHÁT HIỆN NGUỒN PHÓNG XẠ DÙNG TRONG HỖ TRỢ SỰ CỐ HẠT NHÂN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 60520103 Tp Hồ Chí Minh, tháng 04/2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN QUANG THUẬN NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO ROBOT TỰ HÀNH MANG THIẾT BỊ PHÁT HIỆN NGUỒN PHÓNG XẠ DÙNG TRONG HỖ TRỢ SỰ CỐ HẠT NHÂN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 60520103 Hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS LÊ CHÍ CƢƠNG Tp Hồ Chí Minh, tháng 04/2017 i LÝ LỊCH KHOA HỌC I LÝ LỊCH SƠ LƢỢC: Họ & tên: NGUYỄN QUANG THUẬN Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 03/03/1989 Nơi sinh: DAKLAK Quê quán: Thừa Thiên Huế Dân tộc: Kinh Chỗ riêng địa liên lạc: 46/2E, Tân Lập 1, P.Hiệp Phú, Quận 9, HCM Điện thoại quan: Điện thoại nhà riêng: 0169.6878.406 Fax: E-mail: quangthuanspkt@gmail.com II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: Đại học: Hệ đào tạo: Chính qui Thời gian đào tạo từ 09/2007 đến 03/ 2013 Nơi học: Trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh Ngành học: Kỹ Thuật Công Nghiệp Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án thi tốt nghiệp: 25/03/2013, TP.HCM III QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm 2013-2015 Công ty cổ phần Vina G7 Nhân viên thiết kế 2015-2016 Công ty Meshin Việt Nam Nhân viên thiết kế 2016-2017 Tập đoàn Trấu Việt Nhân viên thiết kế 2017 - Trƣờng ĐH Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP.HCM ii Học viên cao học LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan cơng trình nghiên cứu tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chƣa đƣợc công bố cơng trình khác Tơi xin cam đoan thơng tin trích dẫn luận văn đƣợc rõ nguồn gốc Tp Hồ Chí Minh, ngày 27 tháng 03 năm 2017 Nguyễn Quang Thuận iii LỜI CẢM ƠN Trƣớc tiên, xin gởi lời cám ơn sâu sắc đến giáo viên hƣớng dẫn khoa học PGS.TS Lê Chí Cƣơng, ngƣời định hƣớng giải vấn đề khoa học tận tình hƣớng dẫn tơi q trình thực luận văn Tơi xin cảm ơn tập thể cá nhân công tác Trung Tâm Đào Tạo Thuộc Viện Nghiên cứu Hạt Nhân tạo điều kiện giúp đỡ cho thực thí nghiệm luận văn Tơi xin cảm ơn tất quý Thầy, Cô tham gia giảng dạy chƣơng trình đào tạo thạc sỹ kỹ thuật khí trang bị cho tơi kiến thức bổ ích suốt trình học tập nghiên cứu Cuối cùng, tơi xin gởi lời cám ơn đến gia đình, bạn bè ngƣời thân quan tâm, động viên giúp đỡ cho suốt thời gian học tập nghiên cứu để hoàn thành luận văn Tp Hồ Chí Minh, ngày 27 tháng 03 năm 2017 Nguyễn Quang Thuận iv TÓM TẮT Hiện nay, nguồn phóng xạ điện hạt nhân đƣợc sử dụng rộng rãi nƣớc giới Trong trình sử dụng đặt vấn đề nhƣ : rò rĩ phóng xạ, thất lạc nguồn phóng xạ, tiếp cận vị trí có phóng xạ mà ngƣời khơng thể tới Tuy nhiên Việt Nam chƣa có nghiên cứu hỗ trợ giải vấn đề này, giới có vài nƣớc nhƣ Mỹ, Nhật Bản có sử dụng robot hỗ trợ cho cố hạt nhân Trong nghiên cứu này, robot tự hành đƣợc chế tạo nhằm mục đích mang thiết bị phát nguồn phóng xạ dùng tìm kiếm nguồn phóng xạ, phát rị rĩ phóng xạ, quay phim thu thập liệu Robot đƣợc điều khiển truyền nhận liệu sóng vơ tuyến khơng dây với bán kính 500 m, vận tốc robot 0,5 m/s, có khả hoạt động bình thƣờng bị lật Kết thử nghiệm cho thấy robot có khả thu thập liệu vị trí nồng độ nguồn phóng xạ đồng thời quay phim Dựa vào số liệu ghi nhận đƣợc từ robot phát vị trí nguồn phóng xạ, thu thập số liệu cần thiết cho việc đảm bảo an tồn hạt nhân Từ khóa: phóng xạ, detector,robot tự hành, dị tìm phóng xạ Nowadays, radiation sources and nuclear power are used widely in our country and all around the world During the processing timeframe, we have faced number of problems including radiation leakage, missing radiation source, individuals approaching the radiation locations without permission While there have not been any researches conducted in an attempt to find solutions to these issues in Vietnam, countries like the USA and Japan have used robots to help them with handling those incidents In this research, a mobile robot was created to bring for detection of radioactive sources to look for radiation sources, find out radiation leakage, make video and collect data The robot which is operated remotely will transmit data through radio waves within 5000m radius and with the speed of 0.5m/s More importantly, the robot is able to work even if it is overturned Test result shows that robot is capable of collecting data about location and concentration of radiation courses and making film at once Based on the recording of data from robot we may find out radiation source locations, collect necessary data to make ensure nuclear safety Keywords : radiation, detector, mobile robot, detection of radioactive sources v MỤC LỤC QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI i LÝ LỊCH KHOA HỌC ii LỜI CAM ĐOAN iii LỜI CẢM ƠN iv TÓM TẮT v MỤC LỤC vi DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT .x DANH SÁCH HÌNH VẼ xii DANH SÁCH BẢNG xiv CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU 1.1 Tính cấp thiết đề tài 1.2 Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài 1.3 Mục tiêu nghiên cứu đề tài 1.3.1 Mục tiêu tổng quát .2 1.3.2 Nội dung cụ thể 1.4 Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu 1.4.1 Đối tƣợng nghiên cứu .3 1.4.2 Phạm vi nghiên cứu 1.5 Phƣơng pháp nghiên cứu 1.5.1 Phƣơng pháp kế thừa 1.5.2 Phƣơng pháp chuyên gia 1.5.3 Phƣơng pháp tính tốn mơ 1.6 Kết cấu luận văn CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ ROBOT TỰ HÀNH VÀ DỊ TÌM PHĨNG XẠ 2.1 Tổng quan robot tự hành .5 2.1.1 Giới thiệu chung 2.1.2 Sơ lƣợc lịch sữ phát triển robot vi 2.1.3 Phân loại robot tự hành 2.2 Tổng quan dị tìm phóng xạ 14 2.2.1 Các vấn đề xã hội đặt 14 2.2.2 Tác hại tia phóng xạ thể 16 2.3 Các nghiên cứu đánh giá đề tài liên quan đến luận văn .17 2.3.1 Trong nƣớc .17 2.3.2 Ngoài nƣớc .19 2.4 Những vấn đề chung tồn đề xuất yêu cầu thiết bị cho robot .21 2.4.1 Những vấn đề chung tồn 21 2.4.2 Đề xuất yêu cầu thiết bị cho robot luận văn 22 CHƢƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ĐO HOẠT ĐỘ PHÓNG XẠ VÀ ROBOT TỰ HÀNH 23 3.1 Cơ sở lý thuyết đo hoạt độ phóng xạ 23 3.1.1 Những đặc tính chung phƣơng pháp đo hoạt độ .23 3.1.1.1 Các phƣơng pháp đo tích phân vi phân .23 3.1.1.2 Các phép đo tuyệt đối tƣơng đối 24 3.1.1.3 Phƣơng pháp góc khối nhỏ 24 3.1.1.4 Phƣơng pháp hình học -4π : 25 3.1.1.5 Phƣơng pháp trùng phùng 26 3.1.1.6 Phƣơng pháp đo nhiệt lƣợng 27 3.1.2 Hoạt độ phóng xạ tốc độ đếm 27 3.1.3 Các loại detector .29 3.1.3.1 Các detector chứa khí 29 3.1.3.2 Buồng ion hoá .31 3.1.3.3 Các ống đếm tỷ lệ (Proportional Counter) 31 3.1.3.4 Ống đếm Geiger - Mueller 32 3.1.3.5 Các detector nhấp nháy (Scintillation Counter) 34 3.1.3.6 Các detector bán dẫn .36 vii CHƢƠNG : THỬ NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ 8.1 Thiết bị sử dụng thử nghiệm 8.1.1 Liều kế cá nhân bỏ túi điện tử cho tia X gamma Mini Instrument 6100 - Detector: Ống đếm Geiger-Muller tự tắt dùng khí halogel có kích thƣớc bé đƣợc đặt máy - Đại lƣợng đo đƣợc: liều tƣơng đƣơng, đơn vị mSv; suất liều tƣơng đƣơng, đơn vị mSv/h tƣơng ứng với ngƣỡng đo nhƣ sau – 9999 mSv, – 99,99 mSv/h - Chỉ thị: Màn hình tinh thể lỏng, có báo động tín hiệu âm liều vƣợt ngƣỡng cài đặt pin yếu - Trọng lƣợng: 125 gam - Kích thƣớc: 1106018 mm3 Hình 8.1 Máy Mini Instruments 6100 Series Dosimeter 66 8.1.2 Nguồn phóng xạ - Tên nguồn: Co – 60 - Hoạt độ 0,83 mCi thời điểm ngày sản xuất tháng 01/2014 - Thời gian bán rã nguồn: T1/2 = 5,27 năm Hình 8.2 Nguồn phóng xạ Co – 60 8.2 Sơ đồ không gian thử nghiệm sơ đồ đƣờng robot  Không gian tiến hành thí nghiệm : Hành lang Phóng thí nghiệm Trung tâm đào tạo thuộc Viện nghiên cứu hạt nhân Địa : Số 01 Nguyên Tử Lực, Đà Lạt, Lâm Đồng Hình 8.3 sơ đồ mơ khơng gian thí nghiệm 67 Hình 8.4 sơ đồ mơ đƣờng robot 8.3 Trình tự tiến hành thử nghiệm - Chuẩn bị thiết bị cần thiết, kết nối với máy tính phần mềm - Điều khiển robot lần lƣợt qua vị trí theo hình 8.4 o Vị trí : nguồn phóng xạ đặt ngồi hành lang o Vị trí : nguồn phóng xạ đặt ngồi hành lang sau dãy đồ chun dụng o Vị trí : nguồn phóng xạ đặt sau cánh cửa nhơm o Vị trí : nguồn phóng xạ đặt phịng có chƣớng ngại vật Hình 8.5 Sơ đồ vị trí nguồn phóng xạ - Ghi nhận kết mà robot đo đƣợc vị trí nguồn phóng xạ - Đồng thời quay video tiến trình thực trình di chuyển robot - 68 8.4 Kết thử nghiệm 69 70 71 Vị trí : Nguồn phóng xạ đặt bên ngồi hành lang trống Hình 8.6 Hình vị trí giá trị đo tƣơng ứng với vị trí Hình 8.7 Biểu đồ kết đo suất liều vị trí Kết vị trí 1: Bình thƣờng robot đo đƣợc giá trị suất liều 0.03 – 0.04 Msv/h nhƣng robot đến điểm 54,55,56 giá trị suất liều bắt đầu tăng cao đến điểm số 57 tƣơng ứng đồ theo dõi đƣờng robot đƣợc 54.7m giá trị suất liều 0.12 Msv/h sau hạ xuống thấp Giá trị suất liều 0.12 Msv/h giá trị điểm có nguồn phóng xạ 72 Vị trí : Nguồn phóng xạ đặt sau ãy đồ chun dụng Hình 8.8 Hình vị trí giá trị đo tƣơng ứng với vị trí Hình 8.9 Biểu đồ kết đo suất liều vị trí Kết vị trí : Bình thƣờng robot đo đƣợc giá trị suất liều 0.03 – 0.05 Msv/h nhƣng robot đến điểm 14,15,16,17,18,19 giá trị suất liều bắt đầu tăng cao đến điểm số 20 tƣơng ứng đồ theo dõi đƣờng robot đƣợc 35.7 m giá trị suất liều 0.12 Msv/h sau hạ xuống thấp đột ngột Giá trị suất liều 0.12 Msv/h giá trị điểm có nguồn phóng xạ 73 Sau qua vị trí có nguồn phóng xạ suất liều giảm xuống đột ngột đầu dò đƣợc gắn phía trƣớc robot sau qua robot trở thành vật cản ảnh hƣởng đến việc ghi nhận đầu dị Vị trí : Nguồn phóng xạ đặt sau cánh cửa nhơm dày 30 mm Hình 8.10 Hình vị trí giá trị đo tƣơng ứng với vị trí Hình 8.11 Biểu đồ kết đo suất liều vị trí 74 Kết vị trí : Bình thƣờng robot đo đƣợc giá trị suất liều 0.03 – 0.05 Msv/h nhƣng robot đến điểm 7,8,9 giá trị suất liều bắt đầu tăng cao đến điểm số 10 tƣơng ứng đồ theo dõi đƣờng robot đƣợc m giá trị suất liều 0.12 Msv/h sau hạ xuống thấp đột ngột Giá trị suất liều 0.12 Msv/h giá trị điểm có nguồn phóng xạ Sau qua vị trí có nguồn phóng xạ suất liều giảm xuống đột ngột đầu dị đƣợc gắn phía trƣớc robot sau qua robot trở thành vật cản ảnh hƣởng đến việc ghi nhận đầu dị Vị trí : Nguồn phóng xạ phịng thí nghiệm 75 Hình 8.12 Hình vị trí giá trị đo tƣơng ứng với vị trí Hình 8.13 Biểu đồ kết đo suất liều vị trí Kết vị trí : Bình thƣờng robot đo đƣợc giá trị suất liều 0.03 – 0.05 Msv/h nhƣng có vị trí 21 suất liều tăng cao đến 0.09 Msv/h sau giảm xuống robot đến điểm 57,58,59 giá trị suất liều bắt đầu tăng cao đến điểm số 60 tƣơng ứng đồ theo dõi đƣờng robot đƣợc 17 m giá trị suất liều 0.12 Msv/h Giá trị suất liều 0.12 Msv/h giá trị điểm có nguồn phóng xạ Tại vị trí số 21 suất liều tăng cao đến 0.09 Msv/h sau giảm xuống điều đƣợc lý giải phịng thí nghiệm lúc thử nghiệm có phịng chứa nguồn phóng xạ khác nên robot lại gần vị trí suất liều tăng cao 76 8.5 Đánh giá kết thử nghiệm Căn vào kết thử nghiệm ghi nhận đƣợc trực quan phần mềm lập biểu đồ Sau đƣợc thống kê biểu đồ Tơi đƣa số nhận xét đánh giá sau : - Nguồn phóng xạ đƣợc phát giá trị : 0,12 mSv - Ở điều kiện bình thƣờng giá trị detector ghi nhận : 0,03-0,04 mSv - Khi giá trị detector ghi nhận tăng lên đột ngột chứng tỏ vùng hoạt động robot có tồn nguồn phóng xạ nồng độ phóng xạ tự nhiên cao - Robot phát nguồn đặt vị trí nhƣ : o Ngồi vị trí thơng thống o Sau cửa nhơm dày 30 mm o Sau dãy đồ chuyên dụng vãi - Robot khơng thể phát đƣợc nguồn phóng xạ đặt sau tƣờng dày 200 mm Ngoài ra, độ xác giá trị đo đƣợc detector phụ thuộc vào yếu tố sau : - Độ nhạy detector - Độ mạnh nguồn phóng xạ : o Nguồn phóng xạ khơng bọc chì thép khơng gĩ bên ngồi dễ phát o Các nguồn phóng xạ nhỏ khó phát - Địa hình thực nghiệm robot Địa hình phức tạp nhiều chƣớng ngại vật vật cản khó phát nguồn phóng xạ 77 CHƢƠNG : KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN Luận văn giải đƣợc vấn đề sau:  Tổng quan Robot tự hành  Tổng quan dị tìm phóng xạ  Lý thuyết đo nồng độ phóng xạ  Lý thuyết Robot tự hành  Tính tốn, thiết kế chế tạo đƣợc Robot  Điều khiển robot, kết nối để thu nhận hình ảnh liệu  Lập đồ đƣờng ghi nhận kết đo robot phần mềm  Tiến hành thử nghiệm robot phịng thí nghiệm ngồi hành lang  Kết nghiên cứu sở để nghiên cứu ứng áp dụng cho thí nghiệm thực nghiệm thực tế robot Tuy nhiên đề tài số hạn chế:  Do điều kiện hạn hẹp kinh phí, thời gian đặc thù nguy hiễm nguồn phóng xạ nên đề tài tiến hành thí nghiệm phịng thí nghiệm ngồi hành lang phịng thí nghiệm KIẾN NGHỊ  Nghiên cứu sâu robot tự hành để thực nghiệm ngồi mơi trƣờng thực  Nghiên cứu detector chịu đƣợc va đập kết nối đƣợc liệu trực tiếp tới máy tính  Nghiên cứu phát triễn robot dị tìm đƣợc nguồn nhỏ điều kiện khắc nghiệt 78 TÀI LIỆU THAM KHẢO TIẾNG VIỆT [1] Đỗ Quý Sơn,Huỳnh Văn Trung “ Cơ sở hóa học phóng xạ” Nhà xuất khoa học kỹ thuật Hà Nội [2] GS.TS Ngô Quang Huy “ Cơ sở vật lý hạt nhân” Nhà xuất khoa học kỹ thuật [3] PGS.TS Nguyễn Hữu Lộc “Cơ sở thiết kế máy” Nhà xuất ĐHQG TP HCM TIẾNG NƢỚC NGOÀI [4] A.I Abramov, IU.A Kazanski E.X Matuxevich "Cơ sở phƣơng pháp vật lý hạt nhân thực nghiệm" TS Nguyễn Đức Kim dịch thuật CÁC BÀI BÁO [5] Sercan Arslan and Hakan Temeltaş “Robust Motion Control of a Four Wheel Drive Skid-Steered Mobile Robot” 2011 7th, Bursa, TURKEY [6] A.Miller, R.Machrafi, A.Mohany “Development of a Semi-Autonomous Directional and Spectroscopic Radiation Detection Mobile Platform” 20November 2014, Ontario, Canada [7] Marco.A Contreras-Cruz, Victor Ayala-Ramirez, Uriel H Hernandez-Belmonte “Mobile robot path planning using artificial bee colony and evolutionary programming’’ Electronics Engineering Department, Universidad de Guanajuato, Salamanca, Mexico 79 S K L 0 ... ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN QUANG THUẬN NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO ROBOT TỰ HÀNH MANG THIẾT BỊ PHÁT HIỆN NGUỒN PHÓNG XẠ DÙNG TRONG HỖ TRỢ SỰ CỐ... dụng robot hỗ trợ cho cố hạt nhân Trong nghiên cứu này, robot tự hành đƣợc chế tạo nhằm mục đích mang thiết bị phát nguồn phóng xạ dùng tìm kiếm nguồn phóng xạ, phát rị rĩ phóng xạ, quay phim... MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN QUANG THUẬN NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO ROBOT TỰ HÀNH MANG THIẾT BỊ PHÁT HIỆN NGUỒN PHÓNG XẠ DÙNG TRONG HỖ TRỢ SỰ CỐ HẠT NHÂN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 60520103 Hƣớng dẫn