Năm 1908, Rutherford và Geiger đã nghĩ ra một bộđếm các hạt alpha, công trình dẫn đến lý thuyết hạt nhân của nguyên tử của Rutherford, mà ông đã giành giải thưởng Nobel về hóa học năm 1908.
53
Năm 1925, Geiger làm việc tại Đại học Kiel, Đức. Tại đây, ông và Walther Müller đã cải thiện độ nhạy, hiệu suất và độ bền của bộ đếm, và nó được biết đến như là bộ đếm Geiger-Müller. Nó có thể phát hiện không chỉ các hạt alpha mà cả các hạt beta (electron) và các photon ion hóa. Bộ đếm về cơ bản ở dạng tương tự như bộ đếm hiện đại.
Hình 25: Cấu tạo của mạch điện ống đếm Geiger-muller [4] 1.3.2 Cấu tạo của đầu dò
Ống đếm Geiger-Muller có cầu tạo gồm 3 phần chính: - Lớp vỏ: có thể được làm bằng mica mỏng.
- 2 cực điện: được thiết kế giống như 2 cực của tụ điện để tạo ra điện trường. - Khí trơ bên trong ống – thường là khí helium, neon hoặc argon với áp suất thấp chiếm 90%, và 10% rượu metylic (CH3OH).
Với lớp vỏ làm bằng mica mỏng (với mật độ khoảng 1,5-2 mg/cm2 ): Đầu dò có thể phát hiện được các loại hạt α,β,γ có năng lượng thấp vì chúng sẽ dễ dàng xuyên qua lớp mica mỏng đi vào bên trong ống và gây ra hiệu ứng phóng điện.
1.3.3 Ưu điểm của loại ống đếm này
- Giá thành rẻ, độ bền cao, dễ dàng sản xuất.
1.3.4 Nhược điểm
- Không thể phân biệt loại hạt đi vào trong ống
- Không thể đo được những nguồn phóng xạ có cường độ phóng xạ quá cao. - Trong quá trình đó có thể tạo ra các xung giả gây sai lệch kết quả.
54
1.4 Nguồn phóng xạ sử dụng trong thí nghiệm
Hình 26: Bộ nguồn chuẩn RSS-8
Bộ nguồn chuẩn RSS-8 gồm có 8 nguồn đồng vị phát gamma với năng lượng 32 keV đến 1332 keV. Bao gồm Ba-133, Cd-109, Co-57, Co-60, Cs-137, Mn-54. Na- 22 và Cs/Zn.
Trong 8 nguồn phóng xạ này, chúng tôi chỉ sử dụng nguồn Cs-137 đề thí nghiệm. Do đó ở phần này chỉ trình bày những tính chất của nguồn Cs-137.
Hình 27: Các tính chất của Cs-137 [5]
- Xêsi-137 (13755𝐶𝑠, Cs-137), cesium-137, hay xêsi phóng xạ là một đồng vị phóng xạ của xêsi được hình thành từ phản ứng phân hạch hạt nhân của urani-235 và
55
các đồng vị có thể phân hạch khác trong các lò phản ứng hạt nhân. Đây là một trong số các sản phẩm phân hạch có nhiều vấn đề nhất trong nhóm có chu kỳ bán rã ngắn-trung bình do nó dễ dàng di chuyển và phát tán trong tự nhiên bởi tính tan cao trong nước các hợp chất hóa học tạo ra từxêsi như các loại muối. [5] - Xêsi-137 có chu kỳ bán rã khoảng 30,17 năm. Khoảng 95% phân rã dạng beta
tạo thành đồng phân hạt nhân dạng kích thích của bari: bari-137m (137mBa, Ba- 137m). Phần còn lại trở thành trạng thái ổn định của bari-137, là một đồng vị bền. Ba-137m có chu kỳ bán rã khoảng 153 giây, và là thành phần chính phát ra tia gamma trong các mẫu xêsi-137. Một gram xêsi-137 có độ phóng xạ 3,215 terabecquerel (TBq).Đỉnh photon chính của Ba-137m là 662 keV. [5] - Xêsi-137 có nhiều ứng dụng thực tiễn. Với lượng nhỏ, nó được sử dụng để hiệu
chỉnh các thiết bị đo phóng xạ. Trong y học, nó được dùng trong xạ trị. Trong công nghiệp nó được dùng trong đồng hồ đo dòng chảy, thiết bịđo độ dày, thiết bịđo mật độđộẩm (đối với số ghi mật độ, Americi-241/Beryilli cung cấp sốđọc độẩm và thiết bịđo địa vật lý giếng khoan bằng tia gamma.Xêsi-137 không được sử dụng nhiều trong X quang công nghiệp do nó khá hoạt động hóa học, và do vậy, khó xử lý. Các muối của xêsi cũng hòa tan trong nước, và điều này làm phức tạp trong việc xử lý an toàn xêsi, thay vào đó là cobalt-60.Là một đồng vị nhân tạo, nó được sử dụng để định tuổi rượu vang và phát hiện hàng giảvà định tuổi tương đối vật liệu được lắng đọng trong thời gian sau năm 1954. [5]
1.5 Lý thuyết về mạch vi xử lý Arduino [6] 1.5.1 Giới thiệu 1.5.1 Giới thiệu
Arduino một nền tảng mã nguồn mở phần cứng và phần mềm. Phần cứng
Arduino (các board mạch vi xửlý) được sinh ra tại thị trấn Ivrea ở Ý, nhằm xây dựng các ứng dụng tương tác với nhau hoặc với môi trường được thuận lợi hơn. Phần cứng bao gồm một board mạch nguồn mởđược thiết kế trên nền tảng vi xử lý AVR Atmel 8bit, hoặc ARM Atmel 32-bit. Những Model hiện tại được trang bị gồm 1 cổng giao tiếp USB, 6 chân đầu vào analog, 14 chân I/O kỹ thuật số tương thích với nhiều board mở rộng khác nhau.
Được giới thiệu vào năm 2005, Những nhà thiết kế của Arduino có gắng mang đến một phương thức dễ dàng, không tốn kém cho những người yêu thích, sinh viên và giới chuyên nghiệp để tạo ra những thiết bị có khả năng tương tác với môi trường thông qua các cảm biến và các cơ cấu chấp hành. Những ví dụ phổ biến cho những người yêu thích mới bắt đầu bao gồm các robot đơn giản, điều khiển nhiệt độ và phát hiện chuyển động.
56 Giá của các board Arduino dao động xung quanh €20, hoặc $27. Các board Arduino có thể được đặt hàng ở dạng được lắp sẵn hoặc dưới dạng các kit tự-làm- lấy. Người ta ước tính khoảng giữa năm 2011 có trên 300 ngàn mạch Arduino chính thức đã được sản xuất thương mại, và vào năm 2013 có khoảng 700 ngàn mạch chính thức đã được đưa tới tay người dùng.
Hình 28: Mạch arduino 1.5.2 Các phần chính của mạch [6]
57
Hình trên là cận cảnh con Arduino Uno. Đối với chúng ta lập trình cho Arduino thì trước tiên quan tâm những thành phần được đánh số ở trên:
- (1) Cổng USB (loại B): đây là cổng giao tiếp để ta upload code từ PC lên vi điều khiển. Đồng thời nó cũng là giao tiếp serial để truyền dữ liệu giữa vi điều khiển với máy tính.
- (2) Jack nguồn: để chạy Arduino thì có thể lấy nguồn từ cổng USB ở trên, nhưng không phải lúc nào cũng có thể cắm với máy tính được. Lúc đó, ta cần một nguồn 9V đến 12V.
- (3) Hàng Header: đánh số từ 0 đến 12 là hàng digital pin, nhận vào hoặc xuất ra các tín hiệu số. Ngoài ra có một pin đất (GND) và pin điện áp tham chiếu (AREF). - (4) Hàng header thứ hai: chủ yếu liên quan đến điện áp đất, nguồn.
- (5) Hàng header thứ ba: các chân để nhận vào hoặc xuất ra các tín hiệu analog. Ví dụ như đọc thông tin của các thiết bị cảm biến.
- (6) Vi điều khiển AVR: đây là bộ xử lý trung tâm của toàn bo mạch. Với mỗi mẫu Arduino khác nhau thì con chip này khác nhau.
1.5.3 Chức năng (vai trò) của mạch Arduino trong hệ thống máy đếm
Mạch Arduino sẽ ghi nhân tín hiệu thu được từ đầu giò Geiger-Muller, sau đó sẽ đếm tổng số xung thu được trên một khoảng thời gian và hiện số liệu lên màn hình hiển thị.
1.5.4 Ngôn ngữ lập trình
- Các chương trình cho Aduino được viết bằng ngôn ngữ C hoặc C++.
1.6 Kết luận chương 1
Với một sốcơ sở lí thuyết đã đề cập trên sẽ giúp cho chúng ta hiểu được một sốcơ
chế hoạt động của phóng xạ, cách hoạt động của ống đếm của mạch arduino, từđó
tiến thiết kế hệ thống và tiến hành các thí nghiệm để rút ra kết luận so sánh giữa thực nghiệm và lý thuyết cuối cùng rút ra độ tin cậy của hệ thống mà ta sắp thiết kế sau
58
Chương II: THIẾT KẾ HỆ THỐNG
Trong chương này chúng tôi sẽ trình bày những bộ phận chính cần thiết để tạo nên hệ thống đo phóng xạ bằng đầu dò Geiger-Muller. Đồng thời, sẽ trình bày cách mắc, cách kết nối các thiết bị với nhau và trình bày chương trình phần mềm để chạy hệ thống một cách tự động. 2.1 Phần cứng 2.1.1 Đầu dò Geiger-Muller SBT 11A [7] 2.1.1.1 Hình ảnh Hình 30: SBT11A [7] 2.1.1.2 Bản vẽkĩ thuật Hình 31: Bản vẽkĩ thuật SBT11A 2.1.1.3 Mạch điện bên trong
59
Hình 32: Sơ đồ mạch điện SBT11A 2.1.1.4 Thông sốkĩ thuật: Điện áp hoạt động(DC): 260-320V Điện áp hoạt động đề nghị (DC): 400V Dòng hoạt động của mỗi phần trong ống(μA): 0.5-1.1 Thời gian chết (tại U=400V): 50 µs. Độ nhạy với tia Gammar của Cs137 (cps/mR/hr): 240 Bức xạ nền: 0.6 xung/s
Các loại tia phát hiện được: Anpha, Beta, Gammar.
Kích thước: 29x56x23 mm
Khối lượng: 33g
2.1.2Mạch tăng áp 12V-400V-DC 2.1.2.1 Hình ảnh
60
2.1.2.2 Bản vẽkĩ thuật
Hình 34: Sơ đồ mạch điện mạch tăng áp. 2.1.2.3Thông sốkĩ thuật:
Điện áp đầu vào: 8-32 V đầu vào, mặc định là 10-32 V đầu vào.
Dòng điện đầu vào: 5A (MAX)
Điện áp đầu ra: + 45-390 V có thểđiều chỉnh liên tục (mặc định đầu ra + 50 V)
Dòng điện đầu ra: 0.2A MAX.
2.1.3 Mạch hiển thị LCD – LCD2004 [8] 2.1.3.1 Hình ảnh 2.1.3.1 Hình ảnh
61 2.1.3.2 Bản vẽkĩ thuật Hình 36: Bản vẽkĩ thuật LCD 2.1.3.4 Thông số kĩ thuật: Điện áp hoạt động là 5 V. Kích thước: 98 x 60 x 13.5 mm Chữ đen, nền xanh lá
Khoảng cách giữa hai chân kết nối là 0.1 inch tiện dụng khi kết nối với Breadboard.
Tên các chân được ghi ở mặt sau của màn hình LCD hổ trợ việc kết nối, đi dây điện.
62
2.1.4 Mạch chuyển tiếp cho LCD2004 sang I2C [9] 2.1.4.1 Hình ảnh 2.1.4.1 Hình ảnh
Hình 37: Mạch chuyển tín hiệu 2.1.4.2 Bản vẽkĩ thuật:
Hình 38: Sơ đồ mạch điện mạch chuyển tín hiệu 2.1.4.3 Thông số kĩ thuật
Điện áp hoạt động: 2.5-6V DC
Hỗ trợ màn hình: LCD1602,1604,2004 (driver HD44780) Giao tiếp: I2C
Địa chỉ mặc định: 0X27 (có thể điều chỉnh bằng ngắn mạch chân A0/A1/A2) Kích thước: 41.5mm(L)x19mm(W)x15.3mm(H)
Trọng lượng: 5g
Tích hợp Jump chốt để cung cấp đèn cho LCD hoặc ngắt Tích hợp biến trở xoay điều chỉnh độ tương phản cho LCD
63
2.1.5 Động cơ bước [10] 2.1.5.1 Hình ảnh 2.1.5.1 Hình ảnh
Hình 39: Động cơ bước 2.1.5.2 Bản vẽkĩ thuật
Hình 40: Bản vẽkĩ thuật động cơ bước. 2.1.5.3 Thông số kĩ thuật
Mã động cơ: 57HS5630A4
Góc bước: 1,8o
Cường độdòng điện: 3A
Moment xoắn: 1,1Nm
Sốđầu dây điều khiển: 4
64
2.1.6 Mạch điều khiển động cơ bước [11] 2.1.6.1 Hình ảnh: 2.1.6.1 Hình ảnh:
Hình 41: Mạch điều khiển động cơ bước TB6560 2.1.6.2 Sơ đồ mạch điện
Hình 42: Sơ đồ mạch điện TB6560 2.1.6.3 Thông số kĩ thuật
Điện áp hoạt động: 10-35VDC. Dòng tải tối đa: 3A, peak 3.5A.
65
2.1.7Vi xử lý Arduino Uno [12] 2.1.7.1Hình ảnh 2.1.7.1Hình ảnh
Hình 43: Arduino Uno 2.1.7.2Bản vẽ kĩ thuật
Hình 44: Sơ đồ mạch điện Arduino Uno 2.1.7.3Thông số kĩ thuật
Nguồn nuôi mạch: 5VDC từ cổng USB hoặc nguồn ngoài cắm từ giắc tròn DC Số chân Digital I/O: 14 (trong đó 6 chân có khả năng xuất xung PWM).
66
Số chân PWM Digital I/O: 6 Số chân Analog Input: 6
Dòng điện DC Current trên mỗi chân I/O: 20 mA Dòng điện DC Current chân 3.3V: 50 mA
Kích thước: 68.6 x 53.4 mm
2.1.8 Sơ đồ mạch điện của hệ thống
2.1.8.1Các bộ phận chính của mạch điện:
1-Mạch tăng áp 12V-400V-DC 2-Đầu dò Geiger-Muller SBT11A
3-Mạch chuyển tiếp cho LCD2004 sang I2C 4-Màn hình LCD2004
5-Nguồn 12V-DC
6-Mạch arduino Uno R3 SMD 7-Động cơ bước
8-Mạch điều khiển động cơ bước TB6560.
2.1.8.2Kết nối mạch điện
- Nối chân GND (cực âm) của nguồn 12V-DC với chân GND của mạch Arduino. - Nối chân 12V (cực dương) của nguồn 12V-DC với chân VIN của mạch Arduino. - Nối chân GND của mạch tăng áp với chân GND của nguồn 12V-DC.
- Nối chân 12V của mạch tăng áp với chân 12V của nguồn 12V-DC. - Nối chân -400V của mạch tăng áp với cực âm của đầu dò SBT11A. - Nối chân +400V của mạch tăng áp với cực dương của đầu dò SBT11A. - Nối cực âm của đầu dò SBT11A với chân 4 của mạch Arduino.
- Nối lần lượt chân SLC và SDA của mạch chuyển tiếp với chấn SLC và SDA của mạch Arduino.
- Nối lần lượt chân GND và chân VCC của mạch chuyển tiếp với chân GND và chân A4 của mạch Arduino.
- Nối lần lượt từ 16 chân kết nối của LCD2004 với 16 chân kết nối của mạch chuyển tiếp LCD sang I2C.
- Nối chân GND và chân 24V của mạch TB6560 với chấn GND và 12V của nguồn điện.
- Nối chân A+, A-, B+, B- của động cơ bước với chân A+, A-, B+, B- của mạch TB6560.
- Nối lần lượt các chân 2,3,5,4,8 của mạch Arduino với các chân CW+, CLK-, CLK+,EN-,EN+ của mạch TB6560.
67
2.2 Phần mềm
Hình 45: Mã code chạy hệ thống phần 1
Hình 46: Mã code chạy hế thống phần 2
Code chạy mạch Arduino điều khiển động cơ và cảm biến khoảng cách:
https://drive.google.com/file/d/19A7SelstG2j6rTGU9xQGp0o9OlzcI_hV/view? usp=sharing
2.3 Kết luận chương 2
Với các thiết bịđã đưa ra ở trên, và cách kết nối các thiết bịcũng như cách lập trình cho hệ thống, chúng tôi đã thiết kệđược một hệ thống đầu dò Geiger-Muller đo
68
Chương III: TIẾN HÀNH ĐO ĐẠC VÀ XỬ LÝ SỐ LIỆU
Trong chương này chúng tôi sẽ tiến hành đo đạt để kiểm tra độ chính xác của hệ thống đo phóng xạ bằng đầu dò Geiger-Muller. Chúng tôi sẽ so sánh kết quảđo đạt giữa máy LUDLUM MODEL 2200 có độ chính xác và độ tin cậy rất cao được ứng dụng trong nhiều nghiên cứu chuyên sâu với hệ thống của chúng tôi để từ đó suy ra phần nào độ chính xác của chúng. Chúng tôi cũng sẽ sử dụng hệ thống này để tiến hành các thí nghiệm vềtính đâm xuyên của tia phóng xạ qua các vật liệu để tìm ra loại vật nào có thể che chắn phóng xạ tốt nhất.
3.1 Đo sựthay đổi cường độ phóng xạ vào khoảng cách 3.1.1 Đo bằng máy LUDLUM MODEL 2200 3.1.1 Đo bằng máy LUDLUM MODEL 2200
3.1.1.1 Các bước tiến hành
Bước 1: Đặt cửa sổ ON-OFF tại OFF (công tắc nguồn) Bước 2: Cài đặt thời gian 30s.
(Nút công tắc ở“X.1” và Thời gian đo (MINUTES) là “001”)
Bước 3: kiểm tra cao thếHV, đặt ở 0.0
Bước 4: bật công tắc nguồn, đặt ở LINE
Bước 5: Lên cao thếở4.0 HV (tương đương 920V)
Bước 6: Đặt ngưỡng (Threshold) tại 1.0. Bước 7: Cửa sổ (Window) đóng, đặt ở OFF Bước 8: Đo phông (5 lần)
Bước 9: Đo với nguồn 137Cs (3 lần)
Hình 47: Nguồn chuẩn 60Co và hộp chì chứa nguồn
- Đặt nguồn trong 60Co trong hộp chì đựng nguồn.
- Đặt nguồn trước detector và di chuyển theo khoảng cách.
Bước 10: Tăng khoảng cách giữa nguồn và đầu giò lên 2cm, sau đó quay lại bước
69
Bước 11: Thu thập số liệu và ghi vào bảng, tăng khoảng cách từ 2cm lên đến 20cm thì dừng.
3.1.1.2 Kết quả
Bảng 1:kết quả
Bảng 1: Kết quả số liệu đo được bằng máy LUDLUM MODEL 2200
Nội suy hàm số:
Hình 48: Đồ thị hàm số nội suy từ số liệu bảng 1
Từ đồ thị trên ta thấy ở khoảng cách càng xa thì cường độ các tia phóng xạ đi đến một đơn vị điện tích (ở đây là bề mặt của đầu dò) giảm dần. Sử dụng nội
70
suy hàm số trong MicroSoft Excel ta suy ra hàm tương quan giữa khoảng cách và cường độ bức xạ như sau:
y = 519404x-1.318
Trong đó: y là sốxung đếm được.
x là khoảng cách từ nguồn điến đầu dò.
Theo như lý thuyết: nếu nguồn phóng xạ là nguồn điểm và bề mặt của đầu dò cũng phải có điện tích rất nhỏ thì số xung đến đầu dò trong một đơn vị thời gian sẽ giảm theo tỷ lệ bình phương khoảng cách: y = 𝛂.x-2. Ở phương