Khóa luận tốt nghiệp Kỹ sư kỹ thuật hạt nhân: Thiết kế và lắp ráp liều kế ghi đo bức xạ sự dụng SBM-20

Chia sẻ: Công Nữ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:42

Thêm vào BST

Báo xấu

53
lượt xem 9
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Khóa luận tiến hành mô phỏng thiết kế, lắp ráp và lập trình thành công một thiết bị đo liều sử dụng nguyên lý của ống đếm G.M., vừa có thể đo đạc với kết quả chấp nhận được, vừa cung cấp bản giải phẫu trực quan thiết bị, cho phép khai thác cấu tạo chi tiết bên trong. Ngoài ra, thiết bị còn có một số tính năng mới như: giao tiếp ngoại vi với máy tính, giao tiếp với bộ phát triển Adruino, linh động thay đổi đầu dò hoặc nguồn cấp, dễ dàng cải tiến nâng cấp chương trình,...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Khóa luận tốt nghiệp Kỹ sư kỹ thuật hạt nhân: 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 sự phân công của quý thầy cô Khoa Kỹ thuật Hạt nhân, Trường Đại Học Đà Lạt, sau gần ba tháng em đã hoàn thành Khóa luận tốt nghiệp. Để hoàn thành nhiệm vụ được giao, ngoài sự nỗ lực học hỏi của bản thân còn có sự hướng dẫn tận tình của thầy cô và các bạn. Lời đầu tiên, em xin chân thành cảm ơn thầy giáo - TS. ĐẶNG LÀNH người đã hướng dẫn cho em trong suốt thời gian hoàn thành khóa luận. Một lần nữa em chân thành cảm ơn thầy và chúc thầy dồi dào sức khoẻ. Cám ơn các bạn sinh viên Trần Hồ Vân Phương, Bế Văn Tuấn, Trần Đức Mạnh, Trần Thị Thương Thương và Phan Hà Phương đã hỗ trợ em hết mình trong suốt quá trình thực hiện đề tài, đặc biệt là khâu mua linh kiện, lắp ráp, gia công sản phẩm. Tuy nhiên vì kiến thức chuyên môn còn hạn chế và bản thân còn thiếu nhiều kinh nghiệm thực tiễn nên nội dung của báo cáo không tránh khỏi những thiếu xót, em rất mong nhận sự góp ý, chỉ bảo thêm của quý thầy cô để báo cáo này được hoàn thiện hơn.
LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan khóa luận tốt nghiệp “Thiết kế và lắp ráp liều kế ghi đo bức xạ sự dụng SBM-20” là công trình nghiên cứu của riêng em. Các số liệu và tài liệu trong luận án là trung thực và chưa được công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào. Tất cả những tham khảo đều được trích dẫn và tham chiếu đầy đủ. Em xin cam đoan nếu có vấn đề gì em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm.
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 2.1: Thông số của ống đếm SBM-20 ...............................................................10 Bảng 3.1: Danh sách linh kiện sử dụng trong mạch .................................................20 Bảng 4.1: Kết quả đo tốc độ đếm nguồn 90Sr (cpm) .................................................27 Bảng 4.2: So sánh kết quả đo của GMC với máy đo Inspector ................................28
DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Sơ đồ nguyên lý của detector chứa khí .......................................................4 Hình 1.2: Đường cong đặc trưng của detector chứa khí đối với hạt mang điện alpha (1) và beta (2): .............................................................................................................4 Hình 1.3: Đặc trưng plateau của ống đếm G.M. .........................................................6 Hình 1.4: Quá trình ghi nhận xung và sự tạo thành thời gian chết .............................8 Hình 1.5: Thời gian chết và thời gian hồi phục ..........................................................8 Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý mô hình máy đo liều ......................................................11 Hình 2.2: Sơ đồ mạch tạo cao thế .............................................................................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: Mô phỏng hoạt động đo liều của thiết bị ..................................................17 Hình 2.7: Mô phỏng khảo sát cao thế trong 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 trên PCB ..................................................................22 Hình 3.2: Tấm đồng với PCB được in lên ................................................................23 Hình 4.1: Mô 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 thế tạo thành trong 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 trên phút (tốc độ đếm) cps Count per second Xung trên giây (tốc độ đếm) GMC Mô hình thiết bị đo liều 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) Đơn vị đo liều bức xạ Sv Sievert (unit)
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 ............................................................................................................1 Chương 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT .............................................................................2 1.1. Lịch sử phát triển ..............................................................................................2 1.2. Cấu tạo và cơ chế hoạt động .............................................................................2 1.2.1. Detector chứa khí .......................................................................................3 1.2.2. Ống đếm GM ..............................................................................................5 Chương 2: Ý TƯỞNG VÀ MÔ PHỎNG THIẾT BỊ ...........................................10 2.1. Ý tưởng chính .................................................................................................10 2.2. Phần mềm mô phỏng mạch điện tử Proteus 8 ................................................12 2.3. Kết quả mô phỏng ...........................................................................................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 các chức năng ...........................................................................18 Chương 3: LẮP RÁP THIẾT BỊ ...........................................................................20 3.1. Linh kiện sử dụng trong mạch ........................................................................20 3.2. Bố trí các linh kiện trên 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
LỜI MỞ ĐẦU Mặc dù Quốc hội đã thông qua nghị quyết tạm hoãn dự án xây dựng Nhà máy điện Hạt nhân (NMĐHN) Ninh Thuận I và II vào ngày 22/11/2016, nhưng ngành kỹ thuật hạt nhân, với tầm quan trọng to lớn, vẫn được tiếp tục đẩy mạnh đào tạo vì những đóng góp của nó trên rất nhiều các lĩnh vực đời sống như công nghiệp, nông nghiệp, y học, môi trường, v.v... và với tình hình cạn kiệt tài nguyên, thiếu hụt năng lượng nghiêm trọng như hiện tại, việc tái đầu tư xây dựng NMĐHN trong tương lai gần nhất là điều cấp thiết và hoàn toàn có thể xảy ra. Việc duy trì đào tạo nhân lực cho ngành là thiết yếu. Để phục vụ cho việc giảng dạy, cơ sở vật chất kỹ thuật là một trong những mối quan tâm hàng đầu. Khoa Kỹ thuật Hạt nhân trường Đại học Đà Lạt mặc dù đã được đầu tư khá kỹ lưỡng về mặt trang thiết bị, nhưng trong quá trình giảng dạy vẫn còn một số mặt hạn chế nhất định chưa được đáp ứng. Trong quá trình học tập chuyên ngành, sinh viên gặp phải rất nhiều khúc mắc khó giải đáp. Sinh viên được tìm hiểu về nguyên lý cấu tạo cơ bản, cơ chế hoạt động về mặt vật lý của một ống đếm G.M., được thực hành một số bài khảo sát phóng xạ cơ bản với hệ detector G.M. có tại khoa. Tuy nhiên cấu tạo chi tiết bên trong, cách thức ghi nhận xung, cơ chế về mặt điện tử, cơ chế chuyển đổi liều,... sinh viên rất khó hình dung. Để giải quyết các khúc mắc đó, em đã tiến hành mô phỏng thiết kế, lắp ráp và lập trình thành công một thiết bị đo liều sử dụng nguyên lý của ống đếm G.M., vừa có thể đo đạc với kết quả chấp nhận được, vừa cung cấp bản giải phẫu trực quan thiết bị, cho phép khai thác cấu tạo chi tiết bên trong. Ngoài ra, thiết bị còn có một số tính năng mới như: giao tiếp ngoại vi với máy tính, giao tiếp với bộ phát triển Adruino, linh động thay đổi đầu dò hoặc nguồn cấp, dễ dàng cải tiến nâng cấp chương trình,... 1
Chương 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1. Lịch sử phát triển Năm 1908, Hans Geiger, dưới sự giám sát của Ernest Rutherford tại Đại học Victoria của Manchester (nay là Đại học Manchester), đã phát triển một kỹ thuật thử nghiệm để phát hiện các hạt alpha mà sau này được sử dụng trong ống Geiger-Müller. Bộ đếm sớm này chỉ có khả năng phát hiện các hạt alpha và là một phần của một thiết bị thí nghiệm lớn hơn. Cơ chế ion hóa cơ bản được John Sealy Townsend phát hiện bởi một công trình từ giữa năm 1897 và 1901, được gọi là sự phóng điện Townsend (Townsend discharge), chính là sự ion hóa các phân tử do tác động của ion. Mãi cho đến năm 1928, Geiger và Walther Müller (một nghiên cứu sinh của Geiger) đã phát triển ống G.M. kín. Họ đã phát triển các nguyên tắc ion hóa cơ bản trước đây được sử dụng thí nghiệm. Chúng tương đối nhỏ, và không chỉ có thể phát hiện bức xạ alpha và beta như các mô hình trước đây, chúng còn có khả năng ghi nhận bức xạ gamma. Ngày nay, một thiết bị bức xạ thực tế có thể được sản xuất tương đối rẻ, và do đó bộ đếm G.M. được sinh ra. Khi chất lượng ống ít đòi hỏi phải gia công nhiều về mặt điện tử, một lợi thế khác biệt trong thời kỳ ion nhiệt do số lượng van rất ít và mức tiêu thụ điện năng thấp, thiết bị này đã trở nên phổ biến như một máy dò bức xạ di động. Các phiên bản hiện đại của bộ đếm Geiger sử dụng ống halogen được phát minh vào năm 1947 bởi Sidney H. Liebson. Nó thay thế ống Geiger trước đó vì tuổi thọ dài hơn và điện áp hoạt động thấp hơn, thường là 400-900 volt. 1.2. Cấu tạo và cơ chế hoạt động Detector bức xạ là thành phần quan trọng nhất trong các thiết bị bức xạ. Đó là các dụng cụ đo đạc dựa trên sự tương tác của các hạt bức xạ với vật chất. Trong lịch sử phát triển của vật lý hạt nhân, nhiều loại detector đã được phát triển và sử dụng. Các dạng detector: Khi các hạt mang điện đi qua các khí, do ion hóa mà các điện tử và ion được tạo ra. Nếu quá trình ion hóa diễn ra trong vùng giữa hai điện cực có điện thế khác nhau, thì do các điện tử và ion chuyển động về phía các điện cực tương ứng nên xuất hiện dòng điện trong mạch. Tất cả các detector ion hóa chứa khí về bản chất là các tụ điện, trong đó khoảng không gian giữa các điện cực được chứa đầy một loại khí nào đó. Tùy thuộc vào giá trị và sự phân bố cường độ điện trường trong khoảng khí mà các detector đó có các tính chất khác nhau. Ví dụ, khi cường độ điện trường tương 2
đối nhỏ thì dòng điện đi qua mạch không phụ thuộc vào điện áp trong tụ và bằng tích của điện tích điện tử và số cặp ion xuất hiện trong tụ trong một đơn vị thời gian. Các detector như vậy được gọi là các buồng ion hóa. Khi các giá trị cường độ điện trường cao hơn, do quá trình ion hóa thứ cấp mà xảy ra việc tăng thêm hiệu ứng ion hóa sơ cấp. Khi đó dòng phụ thuộc vào điện áp trong tụ và tỷ lệ với hiệu ứng ion hóa do bức xạ tạo ra. Các detector như vậy được gọi là các ống đếm tỷ lệ. Cuối cùng, khi các giá trị cường độ điện trường cao hơn nữa thì trong tụ xuất hiện điện tích, nếu hạt mang điện rơi vào trong detector. Các detector như vậy được gọi là các ống đếm phóng điện qua khí. 1.2.1. Detector chứa khí Nguyên tắc chung của detector chứa khí là khi bức xạ đi qua môi trường vật chất của detector, chúng tương tác với các nguyên tử, làm ion hóa và kích thích các nguyên tử đó. Khi đó, bên trong môi trường của detector sẽ xuất hiện các ion dương và âm. Khi đặt môi trường này vào một điện trường thì các ion sẽ chuyển động về các điện cực và tạo nên một dòng điện. Khi đó, ở lối ra của detector xuất hiện một tín hiệu dòng hoặc tín hiệu thế. Trong detector chứa khí, môi trường vật chất bên trong là môi trường khí. Detector gồm một hình trụ rỗng chứa đầy khí bên trong, hai điện cực dương và âm của một nguồn điện một chiều và mạch gồm tụ điện, điện trở để lấy tín hiệu ra. Detector thường có hai điện cực hình trụ đồng trục cách điện nhau rất tốt, điện cực ở giữa là một dây đặc còn điện cực bên ngoài là hình trụ rỗng, không gian giữa các điện cực chứa đầy chất khí. Trên hai điện cực đặt một hiệu điện thế từ nguồn điện có thể điều chính được. Theo cách mắc nguồn điện trong hình 1.1 thì điện cực ở giữa mang điện dương nên được gọi là anode còn điện cực bên ngoài mang điện âm gọi là cathode. Ở trạng thái bình thường, chất khí không dẫn điện và không có dòng điện chạy giữa các điện cực. Khi một bức xạ đi qua môi trường khí của detector, chất khí bị ion hóa, các electron chuyển động tới anode còn các ion dương, tức là nguyên tử bị ion hóa, chuyển đến cathode, tạo nên dòng điện tức thời có giá trị bé giữa hai điện cực. Dòng điện này nạp điện cho tụ điện C tạo nên một tín hiệu lối ra. 3
Hình 1.1: Sơ đồ nguyên lý của detector chứa khí Hình 1.2 mô tả đường cong đặc trưng của detector chứa khí đối với hạt mang điện alpha (1) và beta (2). Khi tăng hiệu điện thế U giữa hai điện cực thì đường đặc trưng có 5 miền: miền tái hợp, miền buồng ion hóa, miền ống đếm tỉ lệ, miền G.M., miền phóng điện. Hình 1.2: Đường cong đặc trưng của detector chứa khí đối với hạt mang điện alpha(1) và beta(2): I: Miền tái hợp II: Miền ion hóa III: Miền tỉ lệ IV: Miền Geiger-Muller V: Miền phóng điện - Miền I – miền tái hợp: Trong miền I có sự cạnh tranh giữa quá trình tái hợp của ion dương và ion tự do tạo nên nguyên tử trung hòa, tức là mất đi một số cặp ion và quá trình thu góp các ion về các điện cực. Khi điện thế U tăng thì vận tốc dịch chuyển của các ion tăng và quá trình tái hợp giảm, do đó lượng điện tích thu góp cũng tăng lên. Detector chứa khí không làm việc trong miền này. - MIền II – miền ion hóa: Trong miền này, do điện thế lớn, các ion chuyển động nhanh đến điện cực và quá trình tái hợp giảm mạnh. Dòng điện ở lối ra phụ 4
thuộc vào số ion do bức xạ gây ra và hầu như không phụ thuộc vào giá trị điện thế U. Do đó, trong miền này có dòng lối ra bão hòa. Đây là miền làm việc của buồng ion hóa. - Miền III – miền tỉ lệ: Trong miền này các electron được gia tốc với vận tốc cao nên sinh ra các ion thứ cấp do va chạm với các nguyên tử môi trường. Kết quả là lượng điện tích được nhân lên với hệ số nhân đạt đến 103 – 105. Do đó dòng lối ra phụ thuộc vào điện thế U và miền này gọi là miền tỉ lệ giới hạn. Đây là miền làm việc của ống đếm tỉ lệ. - Miền IV – miền G.M.: Trong miền IV, hệ số nhân ion tăng nhanh chóng tạo nên quá trình “thác lũ”. Các eletron sơ cấp và thứ cấp đều được gia tốc đủ lớn nên có thể sinh ra một lượng lớn các eletron thứ cấp và thứ thứ cấp. Dòng lối ra trong miền này không đổi và miền đó gọi là miền plateau. Đây là miền làm việc của detector G.M. - Miền V – miền phóng điện: Sự phát triển ồ ạt của thác lũ làm ion hóa toàn bộ khí giữa hai điện cực. Khi đó có hiện tượng phóng điện, là trang thái có hại đối với detector, do đó nên tránh cho detector làm việc trong miền này. Trên cơ sở phân chia các miền như trên, các detector chứa khí được phân thành ba loại là buồng ion hóa, ống đếm tỉ lệ và ống đếm G.M. 1.2.2. Ống đếm GM Khi tiếp tục tăng điện thế quá miền tỉ lệ thì số electron thứ cấp tăng nhanh dọc theo dây anode. Khi các electron đập vào dây này, chúng làm phát ra các tia ánh sáng cực tím. Các tia cực tím lại giải phóng các eletron bổ sung từ thành ngoài ống đếm. các electron này lại được gia tốc hướng tới dây trung tâm, và tại đó chúng lại phát ra tia cực tím khác. Quá trình thác lũ này phát triển trong thể tích khí và dọc theo dây anode. Số electron tăng rất nhanh trong ống đếm dẫn tới sự tăng nhanh biên độ tín hiệu ra. Detector khí làm việc trong chế độ thác lũ này gọi là ống đếm G.M. Trên miền IV, ta thấy, đặc trưng tốc độ đếm – điện thế đối với ống đếm G.M. có miền plateau, tại đó tốc độ đếm không thay đổi khi tăng thế nguồn nuôi. Giải thích hiện tượng này như sau: khi quá trình thác lũ phát triển, các electron là các hạt tương đối nhẹ, được tụ hợp lại rất nhanh, còn các ion là các hạt nặng, chuyển động chậm, nên không được tụ hợp nhanh như vậy. Do đó có một “ống” các điện tích dương chuyển động chậm hình thành xung quanh dây dẫn trung tâm. Khi đó quá trình thác lũ bị chấm dứt vì các electron rơi vào đám mây các ion dương và bị bắt trước khi đến được dây trung tâm. 5
Khi quá trình thác lũ kết thúc thì đám mây ion này đến gần điện cực ngoài, các electron lại bị kéo ra khỏi điện cực để trung hòa chúng. Một số electron rơi vào quỹ đạo năng lượng cao của ion dương và sau đó chuyển về quỹ đạo năng lượng thấp hơn làm phát ra tia bức xạ cực tím. Các tia cực tím đập vào thành ngoài của ống đếm, bứt electron ra và tạo nên quá trình thác lũ mới, quá trình phóng điện xảy ra liên tục trong ống đếm G.M. Một trong các phương pháp chấm dứt quá trình thác lũ này là bổ sung một số khí đa nguyên tử vào thể tích khí cơ bản. Khí cơ bản thường là argon. Các khí bổ sung này, chẳng hạn như hơi rượu etilen, có tác dụng tạo nên môi trường hấp thụ các bức xạ tử ngoại, làm ngăn chặn việc bứt các electron từ thành ống đếm, và do đó làm tắt quá trình thác lũ. Ống đếm G.M. cấu trúc theo phương pháp này gọi là ống đếm tự tắt. Hình 1.3 minh họa đặc trưng plateau của ống đếm G.M. Điểm bắt đầu Vs là điện thế thấp nhất để ống đếm có thể ghi được bức xạ. Khi điện thế tăng thì số đếm tăng nhanh cho đến thế ngưỡng V1, từ đó bắt đầu miền plateau của ống đếm. Cuối miền plateau là thế đánh thủng V2 của ống đếm. Khi đạt đến giá trị này, khí bên trong ống đếm bị ion hóa rất nhanh và xảy ra hiện tượng phóng điện liên tục. Hiện tượng này sẽ gây hỏng detector. Hình 1.3: Đặc trưng plateau của ống đếm G.M. 6
Miền plateau có hai đặc trưng quan trọng là độ dài plateau và độ nghiêng plateau. Độ dài plateau W và độ nghiêng plateau S cho biết hiệu quả hoạt động của detector. Chúng được xác định theo các công thức dưới đây: W = V 2 – V1 (1.1) 100(N2 -N1 ) S (%/v)= (1.2) 0.5×(N2 +N1 )×(V2 -V1 ) Thông thường, độ dài W thường cỡ 100V. Độ dài càng lớn, detector càng nhạy. Độ dốc S càng nhỏ, detector càng hiệu quả. Các detector tốt thường có độ dốc rơi vào khoảng từ 2% đến 5% trên 100V. Nếu độ dốc này vượt quá 10%/100V, detector không còn khả năng sử dụng và cần được xem xét thay mới. Quá trình sử dụng lâu dài, nhất là với điện thế cao, có thể làm giảm tuổi thọ và làm hư hỏng ống đếm. Do đó, ống đếm G.M. cần được vận hành ở điện thế thích hợp (thế vận hành Vop), nằm ở gần giữa vùng plateau. Vùng plateau của mỗi ống khác nhau nên thế vận hành của các ống cũng không giống nhau. Mặc khác, thế vận hành của ống cũng thay đổi qua quá trình sử dụng lâu dài. Khi tăng số đếm tổng lên cao, thế vận hành này cũng đổi khác. Do đó, nên kiểm tra thế vận hành thường xuyên. Thế vận hành của ống đếm được xác định bằng công thức: Vop = V1 + 1/3(V2 – V1) (1.3) Tốc độ đếm của ống đếm G.M. được xác định bởi hai thống số có liên quan với nhau là thời gian chết τ và thời gian hồi phục. Thời gian chết là thời gian mà ống đếm không có khả năng đếm sự kiện ion hóa tiếp theo sau sự kiện đang đếm. Thời gian hồi phục là thời gian để khôi phục hoàn toàn kích thước xung như lúc mới bắt đầu thời gian chết. Hình 1.4 và 1.5 mô tả chi tiết về quá trình hình thành xung, thời gian chết và thời gian hồi phục của ống đếm: 7
Hình 1.4: Quá trình ghi nhận xung và sự tạo thành thời gian chết Hình 1.5: Thời gian chết và thời gian hồi phục Thời gian chết của quá trình phóng điện giới hạn tốc độ đếm cực đại vì các sự kiện xuất hiện trong khoảng thời gian chết không được đếm. Gọi thời gian chết là τ, tốc độ đếm thực là N và tốc độ đo được là N’ thì: N = N’/(1 – N’τ) (1.4) Khi N’τ
Ống đếm G.M. được dùng để đếm các hạt bức xạ ion hóa riêng biệt. Với đặc trưng là ống đếm xung, tín hiệu ra có biên độ không đổi, không phụ thuộc vào năng lượng bức xạ vào nên nó chỉ ghi nhận được bức xạ dưới dạng xung và chuyển thành số đếm chứ không thể định lượng được về mặt năng lượng chùm bức xạ. Ống đếm G.M. chủ yếu dùng đo hoạt độ nguồn và liều bức xạ của một đối tượng nào đó. Liều bức xạ phụ thuộc vào tốc độ đếm theo công thức sau đây: D=R×f (1.6) Trong đó D là suất liều bức xạ (μSv/h), R là tốc độ đếm trên một đơn vị thời gian (cpm hoặc cps) và f là hệ số chuyển đổi (μSv/cpm.h hoặc μSv/cps.h). Hệ số chuyển đổi phụ thuộc vào loại ống đếm, đặc tính chất khí bên trong ống. Với khả năng ghi nhận một lượng lớn xung, ống đếm G.M. không cần sử dụng đến bộ khuếch đại tín hiệu vừa cồng kềnh, vừa đắt đỏ. Cấu tạo của ống đếm G.M tương đối đơn giản. Vì thế ống đếm G.M. rất được ưa chuộng sử dụng. 9
Chương 2 Ý TƯỞNG VÀ MÔ PHỎNG THIẾT BỊ 2.1. Ý tưởng chính Dựa trên những cơ sở lý thuyết về các loại ống đếm, ống đếm G.M., detector G.M., tham khảo một số thiết bị đo liều mượn được từ khoa vật lý và những kiến thức đã học về Điện tử Hạt nhân, em đã thiết kế mô hình thiết bị đo liều bức xạ với một số tính năng được phát triển riêng, thích hợp cho việc học tập chuyên ngành. Để ghi nhận bức xạ, thiết bị cần có một ống đếm G.M., một mạch tạo cao thế cho ống hoạt động, một mạch nguồn, một khối ghi nhận xung, một mạch chuyển đổi từ số đếm sang liều và xuất giá trị ra màn hình để người dùng có thể đọc được. Ống đếm được sử dụng ở đây có tên SBM-20, do Liên Xô sản xuất năm 1986. Hệ số chuyển đổi từ số đếm sang liều của ống đếm SBM-20 là 0.0057 μSv/cpm.h. Thông số của 2 ống được cho trong bảng sau (thông số do nhà sản xuất cung cấp): Bảng 2.1: Thông số của ống đếm SBM-20 Thông số SBM-20 Chiều dài 108mm Đường kính 11mm Loại khí Ne + Br2 + Ar Giới hạn dòng 0.08mA – 0.4mA Điện thế bắt đầu ghi nhận xung ~ 260V – 320V Điện thế hoạt động tốt nhất ~ 350V – 475V Độ dài miền plateau ≥ 100V Độ dốc miền plateau 0.1%/V Giới hạn liều bức xạ 0.014mR/h – 144mR/h Độ nhạy với bức xạ gamma 22 cps/mR/h (Thí nghiệm với 60Co) Dải nhiệt độ hoạt động -60oC – 70oC Phông nội tại 1 cps Thời gian chết tối thiểu 190μs (ở 400/V) 10