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 trình nội suy trên ta thấy sốmũ của x không bằng -2 vì một số nguyên nhân sau đây:
+ Nguồn phóng xạ của chúng tôi có kích thước lớn, bán kính khoảng 3-5mm.
+ Bề mặt của đầu dò Na-I có điện tích cũng khá lớn, với bán kình của bề mặt khoảng 50mm.
+ Đồng thời, các tia phóng xạ cũng phản xạ trên bề mặt của máng nhôm và làm nhiễu tín hiệu của đầu dò.
Tuy kết quả không giống với lý thuyết nhưng khi nhìn vào đồ thị ta cũng thấy một phần nào đó sự giảm cường độ bức xạ phóng xạ theo khoảng cách dưới dạng hàm mũ.
3.1.2 Đo bằng hệ thống của chúng tôi 3.1.2.1 Các bước tiến hành 3.1.2.1 Các bước tiến hành
Bước 1:
- Có định đầu dò SBT11A tại một vị trí nhất định (không thay đổi trong suốt quá trình thí nghiệm), đặt mặt mica của đầu dò nằm ngang so với mặt đất.
- Đặt thời gian đếm ngược là 120 giây.
Bước 2:
- Đo bức xạ nền của môi trường xung quanh (không được để nguồn phóng xạ ở gần). Bấm nút đếm ngược, ghi kết quả thu được vào bảng. Đo và lấy số liệu 3 hoặc 5 lần.
Bước 3:
- Đặt nguồn phóng xạ cách mặt mica của đầu dò SBT11A khoảng 2 cm, có định nguồn. Bấm nút đếm ngược và ghi số liệu thu được. Đo và lấy số liệu 3 đến 5 lần.
- Sau đó tăng khoảng cách lên thêm 2cm. Tiến hành như cũ và lấy số liệu 3, đến 5 lần.
71
- Mỗi lần tăng lên thêm 2cm và lấy số liêu, cho đến khi khoảng cách từ nguồn đến đầu do là khoảng 20 hoặc 30cm thì kết thúc.
Bước 4:
- Lấy trung bình các lần đo.
- Nội suy ra hàm số mũ và đồ thị của nó bằng Excel.
3.1.2.2 Kết quả số liệu
Bảng 2: kết quả số liệu
Bảng 2: Kết quả số liệu đo bằng hệ thống của chúng tôi
Nội suy hàm số:
Hình 49: Đồ thị hàm số nội suy từ bảng 2
Đồ thị trên cho thấy khi nối các điểm lại, chúng tạo nên một đường cong rất mượt. Khi khoảng cách càng tăng thì cường độ phóng xạcũng giảm dần, và khi nội suy ra hàm sốthì ta được hàm như sau:
72
y = 72928x-1.471
So sánh hai kết quả cho ta thấy đồ thị từ kết quả của 2 thiết bị cũng gần giống nhau. Chúng đều bị suy giảm theo hàm mũ, và số đếm cũng tỷ lệ gần đúng với bình phương khoảng cách. Do đó cho thấy thiết bị của chúng tôi cũng có độ chính xác khá cao.
3.1 Đo khảnăng đâm xuyên của tia phóng xạ qua từng vật liệu 3.2.1 Các bước tiến hành 3.2.1 Các bước tiến hành
- Thay đổi khung đỡ nguồn, gắn vật liệu cần nghiên cứu tính đâm xuyên và đặt lên khung mới.
- Đọc bề dày của vật liệu bằng thước đặt trên khung.
- Giữ khoảng cách không đổi và cài đặt thời gian đo trên bảng điều khiển. - Đọc kết quả cuối cùng hiện trên website.
- Thay đổi bề dày hoặc thay đổi vật liệu và thực hiện đo lại như trên. - Ghi nhận kết quảvà so sánh đưa ra kết luận
3.2.2 Kết quả: Đo với nguồn phóng xạ Cs137 3.2.2.1 Đo với vật liệu chì (Pb-207) 3.2.2.1 Đo với vật liệu chì (Pb-207)
Số liệu thu được:
Bảng 3: Bảng số liệu xung đâm xuyên qua chì
73
Hình 50: Đồ thị và hàm số nội suy tính đâm xuyên qua chì 3.2.2.2 Đo với vật liệu nhôm (Al-27)
Số liệu thu được:
Bảng 4: Bảng số liệu xung đâm xuyên qua Nhôm
Nội suy hàm số:
Hình 51: Đồ thị và hàm số nội suy tính đâm xuyên qua nhôm 3.2.2.3 Đo với vật liệu nhựa
74
Bảng 5: Bảng số liệu xung đâm xuyên qua nhựa
Nội suy hàm số:
Hình 52: Đồ thị và hàm số nội suy tính đâm xuyên qua nhựa Từ bảng kết quả trên cho ta thấy:
Tuy kết quả chưa thật chính xác, nhưng bề dày càng lớn thì các tia phóng xạ xuyên qua giảm dần, và cho đến một bề dày nhất định thì số đếm ghi nhận được bằng với bức xạ nền.
Kết quả trên không đúng hoàn toàn theo hàm mũ là do một số nguyên nhân sau đây:
- Khi đo ở trường hợp lớp chì còn mỏng (khoang 1,2mm) thì tia beta có thểđâm xuyên qua được, nên lúc này máy đếm có thể ghi nhận được các xung này, còn khi ở lớp chỉ dày hơn thì các tia beta này không xuyên qua được và do đó máy đếm chỉ đếm được các tia gamma, do đó làm sai lệch kết quả khá lớn.
- Đồng thời như đã trình bày ở phần bức xạ gamma do nguồn phát ra năng lượng không ổn định, do đó khi nghiên tính đâm xuyên muốn chính xác ta phải vẽ từng độ thị cho từng khoảng năng lương tia γ khác nhau. Ở đây ta chỉ vẽ tổng hợp lại một đồ thị nên kết quảkhông được chính xác cao.
75
- Khi đi qua lớp lá chắn thì cường độ và năng lượng của chùm bức xạ γ giảm đi đáng kể, nên tỷ lệ giữ cường độ bức xạ do nguồn 137Cs phát ra khi đi tới đầu dò Geiger-Muller không lớn hơn quá nhiều so với bức xạ nền. Do đó với một thiết bị có độ nhạy không cao sẽ không cho thấy sự khác biệt rõ giữa 2 loại bức xạ này, và cho ra kết quảkhông chính xác như mong muốn.
Chì là vật liệu có khả năng ngăn chặn được tia phóng xạ xuyên qua nhiều nhất, sau đó là đến nhôm và cuối cùng là vật liệu nhựa. Đối với chì thì chỉ cần 8mm chì đã ngăn chặn được tia phóng xạ từ nguồn Cs137, nhôm thì 20mm, còn nhựa thì lớn hơn 24mm. Do chì có mật độ hạt lớn, và lớn hơn nhiều so với nhôm và nhựa, nên bức xạ khi đi qua chì dễ mất năng lượng nhanh hơn, có xác suất tán xạ lớn hơn và do đó không thể xuyên sâu được. Tương tự với nhôm, cũng có mật độ lớn hơn nhiều so với nhựa, nên có khảnăng chặn bức xạ tốt hơn.
Tuy nhiên, hệ số suy giảm tuyến tính không thểtính được chính xác như theo lý thuyết vì với thiết bị của chúng tôi có độ nhạy không quá tốt như máy LUDLUM MODEL 2200, hoặc một số thiết bịđo lường phóng xạ tiên tiến khác.
3.3 Ưu điểm
- Thiết bị có cấu tạo khá đơn giản, giúp ta dễ dàng lắm ráp và sữa chữa.
- Chi phí sản suất rất thấp, dễ dàng nhân rộng đại trà để các em học sinh có thể sử dụng trong học tập.
- Thao tác thí nghiệm đơn giản, cực kì dễ dàng vận hành.
- Có thể tùy chỉnh thời gian đếm cho từng mục đích của các nghiệm khác nhau.
3.4 Nhược điểm
- Độ chính xác của hệ thống phụ thuộc chủ yếu vào đầu dò. Ở đây đầu giò chúng tôi sử dụng là loại SBT11A, có độ chính xác chưa phải là cao nhất.
- Khi thay đổi nguồn phóng xạ khác hoặc khi thay đổi bề dày của vật chúng ta phải thao tác trực tiếp trên hệ thống chứ chưa thể điều khiển từ xa. Để khắc phục đều này