intTypePromotion=1
ADSENSE

Thiết kế và lắp ráp mô hình thiết bị đo liều bức xạ dựa trên nguyên tắc hoạt động của ống đếm Geiger-Muller dùng trong đo đạc phóng xạ gamma và hỗ trợ giảng dạy ngành Kỹ thuật hạt nhân

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:5

14
lượt xem
1
download
 
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đề tài được tiến hành nhằm mục đích tạo thêm cơ sở vật chất hỗ trợ giảng dạy cho ngành Kỹ thuật Hạt nhân. Dựa vào những kiến thức chuyên ngành đã học, nhóm sinh viên nghiên cứu đã thiết kế, lắp ráp và lập trình thành công mô hình thiết bị đo liều bức xạ bằng các linh kiện điện tử và phần mềm mô phỏng mạch điện tử Proteus 8.

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Thiết kế và lắp ráp mô hình thiết bị đo liều bức xạ dựa trên nguyên tắc hoạt động của ống đếm Geiger-Muller dùng trong đo đạc phóng xạ gamma và hỗ trợ giảng dạy ngành Kỹ thuật hạt nhân

  1. HỘI NGHỊ NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT NĂM 2018 THIẾT KẾ VÀ LẮP RÁP MÔ HÌNH THIẾT BỊ ĐO LIỀU BỨC XẠ DỰA TRÊN NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG CỦA ỐNG ĐẾM GEIGER-MULLER DÙNG TRONG ĐO ĐẠC PHÓNG XẠ GAMMA VÀ HỖ TRỢ GIẢNG DẠY NGÀNH KỸ THUẬT HẠT NHÂN Nguyễn Ca - 1410705 Trần Đức Mạnh - 1410712 Lớp HNK38, Khoa Kỹ thuật Hạt nhân Đề tài được tiến hành nhằm mục đích tạo thêm cơ sở vật chất hỗ trợ giảng dạy cho ngành Kỹ thuật Hạt nhân. Dựa vào những kiến thức chuyên ngành đã học, nhóm sinh viên nghiên cứu đã thiết kế, lắp ráp và lập trình thành công mô hình thiết bị đo liều bức xạ bằng các linh kiện điện tử và phần mềm mô phỏng mạch điện tử Proteus 8. Thiết bị hoạt động dựa trên cơ chế của ống đếm Geiger-Muller (G.M.), cho phép ghi nhận bức xạ dưới dạng xung và chuyển đổi số đếm xung thành liều bức xạ theo công thức chuyển đổi và thuật toán được lập trình sẵn. 1. 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, nhóm nghiên cứu 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,... 25
  2. HỘI NGHỊ NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT NĂM 2018 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 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, nhóm 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. 2.1. Cơ sở lý thuyết Ống đếm G.M. là một loại detector chứa khí đơn giản nhất. Nguyên tắc chung của detctor 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 thế 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. Trên hai điện cực đặt một điện thế lấy từ nguồn có thể chỉnh được. Ở trạng thái bình thường, chất khí không dẫn diện, nhưng khi một bức xạ đi qua môi trường khí, chất khí bị ion hóa tạo thành các ion di chuyển về hai điện cực, tạo nên dòng điện tức thời có giá trị bé. Dòng điện này nạp điện cho tụ điện, tạo nên một tín hiệu lối ra. Hình 2.1 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. Miền ống đếm G.M. là miền làm việc của các detector G.M. Trong miền này, hệ số nhân ion tăng nhanh chóng tạo nên quá trình “thác lũ”. Các electron sơ cấp và thứ cấp đều được gia tốc đủ lớn nên có thể sinh ra một lượng lớn electron thứ cấp và thứ thứ cấp. Dòng lối ra trong miền này không đổi và miền đó gọi là miền plateau. Hình 2.1. Đường cong đặc trưng của detector chứa khí đối với hạt mang điện alpha(1) và beta(2) Ghi chú: I) Miền tái hợp; II: Miền buồng ion hóa; III: Miền tỉ lệ; IV: Miền Geiger-Muller; và V: Miền phóng điện 26
  3. HỘI NGHỊ NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT NĂM 2018 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: Suất liều (μSv/h) = tốc độ đếm (count per minute – cpm) * hệ số chuyển đổi (μSv/cpm.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. 2.2. Ý tưởng cơ bản Dựa trên những ý tưởng trên, nhóm quyết định sẽ mô phỏng thiết bị trên phần mềm Proteus 8. Đây là phần mềm cho phép mô phỏng mạch điện tử với đầy đủ các linh kiện, vi mạch và thiết bị điện tử cần thiết. Thuật toán lập trình chuyển đổi từ số đếm sang liều cũng được lên ý tưởng và lập trình tại đây. 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 mạch 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 và SI3-BG, do Liên Xô sản xuất năm 1986. Hệ số chuyển đổi từ số đếm sang liều của ống đếm SBM-20 là 0.0057. Thông số của 2 ống được cho trong bảng sau. Bảng 2.1. Thông số của ống đếm SBM-20 và SI3-BG Thông số SBM-20 SI3-BG Chiều dài 108mm 55mm Đường kính 11mm 10mm Loại khí Ne + Br2 + Ar Ne + Br2 + Ar Giới hạn dòng 0.08mA – 0.4mA 0.015mA – 0.02mA Điện áp bắt đầu ghi nhận xung ~ 260V – 320V ~ 290V – 320V Điện áp hoạt động tốt nhất ~ 350V – 475V ~ 380V – 460V Độ dài miền plateau ≥ 100V ~ 80V Độ dốc miền plateau 0.1%/V 0.25%/V Giới hạn liều bức xạ 0.014mR/h – 144mR/h ≤ 300 R/h Độ nhạy với bức xạ gamma ( Co) 60 22 cps/mR/h 188 – 235 cps/R/h Dải nhiệt độ hoạt động -60oC – 70oC -50oC – 60oC Phông nội tại 1 cps 0.2 cps Thời gian chết tối thiểu (ở 400/V) 190μs 27
  4. HỘI NGHỊ NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT NĂM 2018 Mạch tạo cao thế sử dụng các tụ cao thế 10nF 1000V, transitor, diode và IC Timer NE555. Mạch nguồn sử dụng nguồn 5V, cấp từ pin hoặc nguồn máy tính. Mạch ghi nhận xung gồm các tụ, trở, transitor và một IC NE555. Để chuyển đổi từ số đếm xung sang liều và hiển thị trên màn hình, mạch sử dụng vi điều khiển PIC16F876A. Thuật toán sẽ được nạp vào bộ nhớ của vi điều khiển. Số liệu sau khi được vi điều khiển xử lý và chuyển đổi sẽ được truyền sang màn hình hiển thị. Mạch sử dụng màng hình LCD 16x2. Sau khi có được mô hình mô phỏng, nhóm thực hiện vẽ sơ đồ mạch, thiết kế bố trí linh kiện trên mạch, rửa mạch và lắp ráp, hàn linh kiện. Sản phẩm sau khi hoàn thiện sẽ được kiểm tra bằng cách đối chiếu với một thiết bị đo liều thương mại. 3. NỘI DUNG VÀ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Sau quá trình nghiên cứu, chúng tôi đã lắp ráp thành công hai mô hình thiết bị đo liều với tên gọi là GMC1.2 (sử dụng ống SI3-BG) và GMC2.0 (sử dụng ống SBM-20). Hai mô hình đều có cùng chung một cấu tạo mạch và thuật toán, chỉ khác nhau loại ống và hệ số chuyển đối. (a) (b) Hình 3.1. Mô hình thiết bị đo liều GMC2.0 sử dụng ống SBM-20 (a) và GMC1.2 sử dụng ống SI3-BG (b) Mạch tạo cao thế của thiết bị có thể tạo được cao thế ổn định ở mức 412V – 419V, phù hợp với cao thế hoạt động khuyến nghị của ống. Hình 3.2. Khảo sát cao thế tạo thành trong mạch Để giúp hỗ trợ giảng dạy và học tập, một số tính năng mới đã được phát triển thêm. Các cổng giao tiếp với thiết bị ngoại vi được tích hợp, cho phép kết nối với máy tính, kết nối với bộ 28
  5. HỘI NGHỊ NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT NĂM 2018 phát triển Adruino. Nguồn cấp được thay đổi linh động tùy theo mục đích sử dụng, có thể nhận nguồn từ cổng USB hay từ pin. Sinh viên có thể thực hiện khảo sát các nội dung như: • Cấu tạo chi tiết một thiết bị đo liều dùng detector G.M • Khảo sát thời gian chết và miền plateau của thiết bị • Khảo sát mạch điện tử và quá trình hình thành xung (bởi các thiết bị đo đơn giản) • Phát triển lập trình cho thiết bị bằng Adruino • Giao tiếp ngoại vi với máy tính • Khảo sát khả năng hoạt động với các ống đếm khác nhau, xây dựng đường chuẩn tốc độ liều và tính toán hệ số chuyển đổi đối với nhiều loại ống đếm G.M. khác nhau. Thiết bị sau khi hoàn thiện đáp ứng được yêu cầu đề ra ban đầu, có khả năng ghi nhận bức xạ với kết quả và sai số chấp nhận được. Sai số của thiết bị rơi vào mức 8% so với số liệu thu được từ thiết bị đo Inspector của khoa Vật lý. Do thiết bị phát triển với mục đích chính là hỗ trợ giảng dạy nên độ chính xác không được chú trọng ưu tiên, thay vào đó, chúng tôi tập trung phát triển các tính năng hữu ích khác. 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Đề tài được triển khai đã mang lại một số lợi ích đáng kể trong công tác đào tạo tại Khoa Kỹ thuật Hạt nhân, đem đến sự thuận tiện cho sinh viên và cán bộ hướng dẫn khi thực hiện thí nghiệm, là công cụ hữu ích hỗ trợ giảng dạy cho sinh viên, giúp sinh viên có được cái nhìn trực quan hơn về các vấn đề trong lý thuyết. Thiết bị sau khi hoàn thiện đáp ứng được yêu cầu đề ra ban đầu, có khả năng ghi nhận bức xạ với kết quả và sai số chấp nhận được. Ngoài ra, thiết bị còn phát triển tích hợp những tính năng mới mà các thiết bị đo thương mại trên thị trường không đáp ứng được. Các tính năng này hỗ trợ đắc lực cho giảng viên và sinh viên trong việc khảo sát các vấn đề được đề cập ở phần trên. Nếu Khoa Kỹ thuật Hạt nhân có thể xây dựng một số bài thí nghiệm thích hợp và đưa đề tài vào ứng dụng giảng dạy trong Khoa, đây sẽ là một cơ hội tốt cho sinh viên trau dồi thêm kỹ năng và kiến thức chuyên ngành. Với những ưu điểm nói trên, việc ứng dụng đưa thiết bị vào giảng dạy chuyên ngành tại Khoa Kỹ thuật Hạt nhân sẽ mang lại những hiệu quả tích cực, hỗ trợ cho công tác giảng dạy sinh viên trong Khoa nói riêng và ngành kỹ thuật hạt nhân nói chung. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Cơ sở vật lý hạt nhân, Ngô Quang Huy [2] Cơ sở vật lý hạt nhân thực nghiệm, phần 1, Phạm Đình Khang [3] Cơ sở các phương pháp vật lý hạt nhân thực nghiệm, A. I. Abramov [4] Giáo trình Điện tử cơ sở, Đặng Lành 29
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

 

Đồng bộ tài khoản
2=>2