Tài liệu Nghiên cứu chế tạo thiết bị quan trắc cảnh báo sớm bức xạ

BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆN NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ VIỆT NAM ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC CÔNG NGHỆ CẤP BỘ NĂM 2008-2010 NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THIẾT BỊ QUAN TRẮC CẢNH BÁO SỚM BỨC XẠ (Mã số: ĐT/01-08/NLNT) Cơ quan chủ trì: Viện Khoa học và Kỹ thuật Hạt nhân Chủ nhiệm đề tài: TS. Đặng Quang Thiệu HÀ NỘI, THÁNG 05/2011 DANH SÁCH NHỮNG NGƯỜI THAM GIA THỰC HIỆN ĐỀ TÀI ---------------------------------------------------------------- STT HỌ VÀ TÊN HỌC HÀM HỌC VỊ 1 Đặng Quang Thiệu TS ĐƠN VỊ CÔNG TÁC TT GT& ĐT Viện KH&KT Hạt nhân 2 Trần Ngọc Toàn TT ATBX& MT ThS. Viện KH&KT Hạt nhân 3 Nguyễn Văn Sỹ TT GT& ĐT Ks Viện KH&KT Hạt nhân 4 Nguyễn Thị Bảo Mỹ TT GT& ĐT ThS. Viện KH&KT Hạt nhân 5 Nguyễn Thị Thuý Mai TT GT& ĐT Cn Viện KH&KT Hạt nhân 6 Vũ Văn Tiến ThS. 7 Lê Đình Cường KS. TT GT& ĐT Viện KH&KT Hạt nhân TT GT&DDT Viện KH&KT Hạt nhân 1 MỤC LỤC ____________________ Bảng các từ viết tắt ............................................................................................................... 3 MỞ ĐẦU ............................................................................................................................... 4 1. Nghiên cứu lựa chọn Detector:................................................................................... 4 2. Nghiên cứu thiết kế phần cứng của thiết bị:................................................................. 5 3. Nghiên cứu viết phần mềm cho chíp, cho máy tính: .................................................... 5 4. Chuẩn liều cho thiết bị ................................................................................................ 5 PHẦN I - TỔNG QUAN....................................................................................................... 6 1. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước .................................................................. 6 2. Sơ đồ khối của thiết bị .............................................................................................. 11 PHẦN II – NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO .............................................................................. 13 1. NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN ĐẦU DÒ .................................................................... 13 1.1. Đầu dò nhấp nháy ............................................................................................. 13 1.2. Đầu dò GM ....................................................................................................... 15 1.3. Nghiên cứu sự phụ thuộc của dòng anode của ống nhân quang điện vào suất liều (từ 0.1µGy/h – 50 mGy/h ). .......................................................................................... 18 2. NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ PHẦN CỨNG CỦA THIẾT BỊ...................................... 19 2.1. Bộ khuếch đại phổ và bộ biến đổi ADC 12 bit ................................................... 19 2.2. Khối vi xử lý ..................................................................................................... 20 2.3. Khối lựa chọn đầu dò ........................................................................................ 21 2.4. Khối tạo nguồn photon chuẩn ............................................................................ 21 2.5. Khối nguồn nuôi DC ......................................................................................... 22 2.6. Khối kết nối Ethernet ........................................................................................ 23 3. NGHIÊN CỨU VIẾT PHẦN MỀM CHO THIẾT BỊ ................................................ 26 3.1. Thiết kế phần mềm cho chíp vi xử lý ................................................................. 26 3.2. Thiết kế phần mềm giao tiếp với máy tính thông qua Ethernet ........................... 39 PHẦN III - CHUẨN LIỀU CHO THIẾT BỊ ..................................................................... 43 1. Chuẩn thiết bị với đầu dò NaI(Tl) ............................................................................. 43 2. Chuẩn thiết bị với đầu dò GM7121 ........................................................................... 45 3. Chuẩn thiết bị với đầu dò GM714 ............................................................................. 47 4. Chuẩn thiết bị với đầu dò CI-3BG ............................................................................. 48 KẾT LUẬN ......................................................................................................................... 51 LỜI CẢM ƠN ..................................................................................................................... 53 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................................. 54 PHỤ LỤC ........................................................................................................................... 56 2 Bảng các từ viết tắt GM ………………………………………………………….. Geiger – Muller TCP/IP ……………………………………Ghép nối mạng Internet có địa chỉ MCA ………………………………..………… Phân tích biên độ nhiều kênh TCVN…………………………………………………...Tiêu chuẩn Việt Nam FPGA (Field-Programmable Gate Array) tập hợp các cổng có thể lập trình được PMT ……………………………………………………Ống nhân quang điện ADC ……………………………………………………..Biến đổi tương tự số LCD …………………………………………………..Màn hình tinh thể lỏng DET (Detector)……………………………………………………….. Đầu dò 3 MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây, sự phát triển mạnh của nền kinh tế Việt Nam đã nâng cao trình độ của đội ngũ cán bộ trong các lĩnh vực Điện tử Hạt nhân, tin học, cơ khí, tự động hoá v.v. Đây là cơ sở cho phép các cán bộ khoa học từng bước triển khai công tác nghiên cứu chế tạo thiết bị phục vụ cho công tác nghiên cứu và ứng dụng thực tế. Đề tài “Nghiên cứu chế tạo thiết bị quan trắc cảnh báo sớm bức xạ” là một sự kế thừa các kết quả nghiên cứu chế tạo thiết bị điện tử hạt nhân của đơn vị nhằm giải quyết vấn đề nội địa hoá thiết bị quan trắc, cảnh báo phóng xạ dùng trong mạng lưới quan trắc và cảnh báo phóng xạ quốc gia với giá thành rẻ hơn so với nhập ngoại theo đúng tinh thần của “Chiến lược ứng dụng năng lượng nguyên tử vì mục đích hoà bình đến năm 2020” mà chính phủ đã phê duyệt. Mục tiêu của đề tài là: chế tạo thiết bị quan trắc và cảnh báo phóng xạ có độ nhạy cao để có khả năng cảnh báo sớm mức độ phóng xạ môi trường với những thông số kỹ thuật cơ bản như sau:  Dải đo: 0,1Sv/h đến 50 mSv/h.  Dải năng lượng : 80Kev đến 3 Mev.  Độ chính xác  30%  Dải nhiệt độ hoạt động từ 0 đến 50oC  Độ ẩm hoạt động từ 30% đến 95%  Thiết bị được ghép mạng LAN hoặc internet, cho phép truyền số liệu ONLINE và thực hiện điều khiển từ trung tâm quản lý. Nội dung nghiên cứu: Nghiên cứu thiết kế tổng thể hệ thống quan trắc và cảnh báo sớm bức xạ bao gồm các nội dung sau đây: 1. Nghiên cứu lựa chọn Detector:  Nghiên cứu thiết kế chế tạo detector NaI(Tl) kích thước 1.5inc X 1.5inc cho thiết bị bao gồm: Vỏ bảo vệ detector, tiền khuếch đại.  Khảo sát các đặc trưng của các ống đếm GM, lựa chọn điểm làm việc, hình thành xung v.v.. 4 ­ Nghiên cứu sự phụ thuộc của dòng anode của ống nhân quang điện vào suất liều (từ 0.1µSv/h – 50 mSv/h ). 2. Nghiên cứu thiết kế phần cứng của thiết bị:  Thiết kế hệ phân tích phổ đa kênh (2048 kênh) sử dụng chíp microcontroller có tốc độ cao, chạy ổn định và tiêu thụ dòng nhỏ, phù hợp với các thiết bị quan trắc. Ngoài ra hệ phân tích phải có bộ nhớ lớn để lưu trữ số liệu, có bộ thời gian thực và có khả năng ghép mạng internet.  Nghiên cứu ứng dụng phương pháp ổn định phổ bằng xung sáng và đảm bảo cho thiết bị có khả năng tự động chuẩn máy. 3. Nghiên cứu viết phần mềm cho chíp, cho máy tính:  Nghiên cứu xây dựng phần mềm cho chíp, phần mềm cho máy tính PC giúp cho hệ thống hoạt động, thu thập, lưu trữ số liệu, an toàn trên mạng  Nghiên cứu ứng dụng các phương pháp làm trơn phổ và tìm đỉnh.  Nghiên cứu phương pháp nhận diện đồng vị phóng xạ thông qua phổ ghi nhận.  Ghép nối và lựa chọn các đầu dò GM cho các giải liều cao nhằm nâng cao khả năng đo cho thiết bị và bảo đảm an toàn cho đầu dò nhấp nháy NaI(TL). 4. Chuẩn liều cho thiết bị  Nghiên cứu chuyển phổ thành liều dùng hàm G(E).  Chuẩn liều cho thiết bị tại phòng chuẩn cấp II. ­ Nghiên cứu bổ chính ảnh hưởng của tia vũ trụ đối với kết quả thu được. Thời gian thực hiện: (24 tháng) từ tháng 3 năm 2008 đến tháng 2 năm 2010. Đơn vị thực hiện: Trung tâm Gia tốc và Điện tử - Viện Khoa học và Kỹ thuật Hạt nhân, Viện Năng lượng Nguyên tử Việt Nam. Kinh phí thực hiện đề tài: 450 Triệu VND. 5 PHẦN I - TỔNG QUAN 1. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước Hiện nay chúng ta có trên 20 cơ sở y học Hạt nhân, hàng trăm cơ sở sử dụng X quang. Theo pháp lệnh về an toàn bức xạ vừa được chính phủ ban hành, chúng ta có 60 cơ sở quản lý về an toàn bức xạ. Còn rất nhiều cơ sở sử dụng nguồn bức xạ và ứng dụng kỹ thuật hạt nhân khác. Tất cả những cơ sở này đều cần đến máy đo liều và cảnh báo phóng xạ. Nếu chế tạo thành công các thiết bị đo liều và cảnh báo bức xạ, đặc biệt các thiết bị cảnh báo sớm có độ nhậy cao, có chức năng nhận diện đồng vị và ghép mạng internet các thiết bị này thành mạng lưới quan trắc cảnh báo thì có thể cung cấp cho các cơ sở bức xạ trong nước, tiết kiệm được nhiều ngoại tệ. Thiết bị quan trắc và cảnh báo sớm bức xạ được dùng khá phổ biến ở các nước trên thế giới, đặc biệt các nước có sử dụng nhà máy điện hạt nhân hoặc lò nghiên cứu. Các thiết bị này nằm trong một mạng lưới quan trắc và cảnh báo sớm sự cố lò phản ứng hạt nhân được đặt xung quanh các nhà máy điện hạt nhân, hoặc xung quanh các cơ sở xử lý nhiên liệu hạt nhân, và các cơ sở bức xạ, phóng xạ khác v.v.. Các thiết bị quan trắc và cảnh báo bức xạ hiện nay vẫn đang được nghiên cứu phát triển như ở Nhật Bản, Hàn Quốc và nhiều nước tiên tiến khác, nhằm nâng cao và hoàn thiện chất lượng thiết bị như mở rộng dải liều, nâng cao ngưỡng nhạy, chuẩn liều thông qua phổ ghi được, hiệu chỉnh đóng góp của thành phần phông bức xạ vũ trụ và nhận diện được đồng vị phóng xạ v.v.. Các thiết bị này đều được ghép mạng và nhanh chóng truyền thông tin cảnh báo tới các cơ quan quản lý để giúp các cơ quan này đưa ra những quyết định kịp thời. Hiện tại trong nước đã đạt được một số thành tựu trong lĩnh vực chế tạo các thiết bị điện tử hạt nhân như các hệ phân tích dùng cho các phòng thí nghiệm liên quan đến vật lý Hạt nhân, các thiết bị phân tích đơn kênh, đa kênh dùng kỹ thuật Hạt nhân trong Công nghiệp, Nông nghiệp, Y tế, Địa chất … Các thiết bị đo liều và cảnh báo phóng xạ sử dụng cho các cơ sở bức xạ và những người làm việc trong các môi trường bức xạ. Các thiết bị chúng ta chế tạo còn có nhiều điểm thua kém với những sản phẩm cùng loại của nước ngoài như kém về độ 6 nhạy, độ ổn định, kết cấu cơ khí chưa gọn, kiểu dáng chưa đẹp và nói chung chưa trở thành một sản phẩm thương mại. Thiết bị mà đề tài đặt ra sẽ hướng tới sản phẩm thương mại và có thể được sử dụng một cách rộng rãi, tin cậy và được các cơ sở bức xạ và hạt nhân chấp nhận. Thiết bị phải đạt được các mục tiêu đặt ra như phải ổn định, độ nhạy cao để có thể cảnh báo sớm sự cố, có thể ghép nối mạng LAN với máy tính, ghép mạng Internet, tạo điều kiện thuận lợi cho công tác quản lý, công tác bảo trì, bảo dưỡng thiết bị. Đề tài là một sự phát triển tiếp theo kết quả của nhiều nghiên cứu trước đó như các đề tài cấp cơ sở gần đây về lĩnh vực chế tạo máy đo liều và cảnh báo phóng xạ cầm tay và treo tường. Đặc biệt là kết quả của nhiệm vụ hợp tác theo nghị định thư với Malaysia trong lĩnh vực điện tử Hạt nhân. Kết quả của nhiệm vụ hợp tác này là chúng tôi đã làm chủ được công nghệ FPGA, đây là một công nghệ chíp mới cho phép thiết kế các loại mạch số ứng dụng bên trong chíp, chíp hoạt động với tốc độ cao, xử lý nhanh, hoạt động ổn định. Ngoài ra kết quả của nhiệm vụ là chúng tôi đã khai thác sử dụng chíp vi xử lý 16 bít (thông thường là 8 bit), có giao thức TCP/IP 10/100 dùng để ghép mạng thiết bị v.v.. các kết quả đạt được trong việc nghiên cứu chế tạo hệ phổ kế nhiều kênh MCA, khuếch đại phổ, cao áp v.v.. Các sản phẩm sau khi được thử nghiệm sẽ được đánh giá và được cấp chứng chỉ theo tiêu chuẩn TCVN tạo lòng tin và pháp lý cho người sử dụng. Các thiết bị quan trắc và cảnh báo bức xạ hiện nay vẫn đang được nghiên cứu phát triển như ở Nhật Bản, Hàn Quốc và nhiều nước tiên tiến khác, nhằm nâng cao và hoàn thiện chất lượng thiết bị như mở rộng dải liều, nâng cao ngưỡng nhạy, chuẩn liều thông qua phổ ghi được, hiệu chỉnh đóng góp của thành phần phông bức xạ vũ trụ v.v.. Dưới đây là một số hình ảnh hệ quan trắc của một số hãng trên thế giới: 7 Hình 1: Ảnh một trạm quan trắc phóng xạ của Nhật Bản Hình 2 : 14 trạm quan trắc đặt xung quanh một cơ sở hạt nhân của Nhật bản Các thông số chính của một trạm đo:  Đầu dò NaI(TL) 2inc. X 2inc. Dải liều: 0.01 µGy/h đến 30 µGy/h Dải năng lượng: 80KeV đến 3 MeV.  Buồng ion hoá Dải liều: 0.1 µGy/h đến 100mGy/h Dải năng lượng: 80 KeV đến 3 MeV Độ chính xác ±20% 8 Hình 3: hình ảnh thiết bị quan trắc phóng xạ của hãng FUJI Hình 4: Thiết bị quan trắc phóng xạ của RAD 9 Hình 5: Thiết bị quan trắc RAMOS được đặt xung quang nhà máy điện Hạt Nhân tại Mỹ Một số hình ảnh về hoạt động chế tạo thiết bị đo liều và cảnh báo phóng xạ trong nước (của cơ quan chủ trì đề tài): Hình 6: Thiết bị đo liều cầm tay của Viện KH&KTHN Máy đo độ nhiễm bẩn bề mặt gamma, anpha, beta (bên trái và máy đo liều gamma cầm tay (bên phải) được chế tạo tại Viện Khoa học và Kỹ thuật Hạt nhân, kết quả của hơp tác Việt Nam-Malaysia trong lĩnh vực Điện tử Hạt nhân . 10 Hình 7: Máy đo liều và cảnh báo phóng xạ treo tường là sản phẩm của đề tài cấp cơ sở của Viện Khoa học và Kỹ thuật Hạt nhân. Hình 8: Thiết bị cảnh báo phóng xạ treo tuờng được phát triển theo đơn đặt hàng (Sản phẩm kế tiếp của nhiệm vụ hợp tác Việt Nam - Malaysia). 2. Sơ đồ khối của thiết bị Vấn đề chúng ta cần phải giải quyết trong đề tài này ngoài những khó khăn trong việc chế tạo được một thiết bị có khả năng hoạt động ổn định liên tục và có độ nhạy cao, thích ứng với điều kiện khí hậu khắc nhiệt của nước ta 11 mà còn những vấn đề vật lý khác như: ổn định phổ cho thiết bị dùng detector NaI(TL) để đo suất liều lượng, vấn đề chuyển số liệu phổ sang liều, vấn đề hiệu chỉnh với tia vũ trụ v.v.. Để đáp ứng được những nội dung trên chúng tôi đưa ra sơ đồ khối của thiết bị như sau: TCP/IP HV N A I PM T MCA PREAMP SH& AMP DAC MCU COUNTER1 SCA DISPLAY ADC COUNTER2 COUNTER3 COUNTER4 HV2 SH GM1 HV4 HV3 FPGA SH SH GM3 GM2 Hình 9: Sơ đồ khối dự kiến thiết bị quan trắc Sử dụng detector NaI(TL) để đo dải liều thấp 0,1 µSv/h đến 25µSv/h và sử dụng 3 ống đếm GM để đo dải suất liều cao từ 25 µSv/h đến 50 mSv/h như vậy hoàn toàn có thể đáp ứng được độ chính xác trong toàn dải như mục tiêu đặt ra < ± 30%. Sử dụng công nghệ chíp hiện đại FPGA, các chíp vi xử lý 16 bit có giao thức TCP/IP hoặc các chíp vi xử lý khác giúp cho thiết kế thiết bị gọn nhẹ, đáp ứng được các chức năng đã đặt ra và hoạt động ổn định. Với khả năng của đội ngũ cán bộ chuyên môn, có kế thừa các kết quả đã đạt được và sự đầu tư của nhà nước chắc chắn các vấn đề trên sẽ được giải quyết và chúng ta có thể nội địa hoá được các thiết bị dùng trong mạng lưới quan trắc và cảnh báo sớm bức xạ Quốc gia với giá thành rẻ hơn nhiều so với nhập ngoại theo đúng tinh thần của “ Chiến lược ứng dụng năng lượng nguyên tử vì mục đích hoà bình đến năm 2020” mà chính phủ đã phê duyệt. 12 PHẦN II – NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO 1. NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN ĐẦU DÒ 1.1. Đầu dò nhấp nháy 1.1.1. Đầu dò nhấp nháy, tiền khuếch đại Để tăng độ nhạy cho thiết bị tại vùng có cường độ thấp gần với phông của môi trường chúng tôi đã chọn đầu dò nhấp nháy NaI(TL) có kích thước tinh thể 1.5inch x 1.5 inch và ống nhân quang điện loại RG6095 có kích thước tương ứng của hãng Hamamatsu, với kích thước này đầu dò có thể ghi nhận phổ ở vùng có hoạt độ 50 µSv/h và có độ phân giải khoảng 6%-7% cho phép tách phổ dễ dàng và nhận diện được chính xác đồng vị phóng xạ. Sơ đồ mắc phân thế cho ống nhân quang điện và tiền khuếch đại cho đầu dò được chỉ ra tại hình vẽ dưới đây: 1 2 3 4 12V 12V A R1 RES1 A R2 10K C1 BNC 10UF T1 A564 C2 20PF T2 A564 R3 GND GND GND J1 100K 12V 2 1 CON2 R4 15K B C3 100N GND C5 GND GND C4 220UF GND B GND 10UF C6 10N/2KV HV R18 7 10N/2KV C10 10N/2KV R16 R17 470K 470K 470K C D1 D2 D3 D4 3 D5 D6 D7 D8 D9 A GND 14 R15 470K 12 R14 470K 2 R13 470K 11 R12 470K 10 R11 470K 4 R10 470K 9 R9 470K 5 R8 470K 8 R7 470K 6 R6 D10 IC 1 C C9 10N/2KV D11 HV C8 K 13 GND 300K PMT R6095 Title D Size D Number Revision A4 Date: File: 1 2 6/22/2010 Sheet of D:\Group1\DTB2008\PMT_R6095.SCHDOC Drawn By: 3 4 Hình 10: Sơ đồ phân thế cho PMT và tiền khuếch đại. Bảo vệ đầu dò được chế tạo bằng thép không gỉ, vững chắc cho việc lắp đặt và bảo vệ an toàn cho tinh thể, ống nhân quang điện, các mạch điện tử như tiền khuếch đại và cao áp trong đầu dò. 13 Đầu dò nhấp nháy hoạt động tốt trong dải suất liều môi trường từ 0.15 µSv đến 25 µSv. 1.1.2. Nguồn nuôi cao áp Cao áp nuôi đầu dò nhấp nháy được thiết kế theo kiểu DC-DC nhưng có độ ổn định cao và mấp mô thấp tương đương với các hệ phân tích phổ gamma. Sơ đồ nguyên lý được chỉ ra tại hình vẽ dưới đây: 1 2 3 D1 A 1 3 5 U1B 8 10 CD4093BCN 2 2 0T R13 6 3 C7 100N 5K6 5 1 Q2 C828 R14 1K CA3140 R8 2k D4 D C Q1 D438 B GND C11 10N/2KV 10N/2KV TRF4 8 2 100k C5 D5 1N4007 B C12 10N/2KV D6 D E R16 1M D3 D GND R4 3K3 7 10uF D 100N 5K6 U2 4 3 RV1 250K 2 R6 3 3 1000T C3 R5 C4 GND 1 U1C 9 CD4093BCN GND D2 10V VREF U3 LM336 TR1 1 1 100T 4 6 C2 10N/2KV 10V 560k U1A CD4093BCN GND R2 C1 1N 2 B GND 330k R12 100k R3 100K A R1 D 10V 4 GND GND GND R15 30 C15 C16 1uF 1uF GND GND C6 GND D7 GND D 10N/2KV C8 R7 1M 10N C GND R9 R10 600K 200M C C9 GND 10N/2KV R11 100k C10 HV GND 100N/2KV 10V J2 2 1 C13 220UF C14 100N CON2 D Title GND Size D Number Revision A4 Date: File: 1 2 6/22/2010 Sheet of D:\Group1\..\HV_Power1000V_CuongPMT.SCHDOC Drawn By: 3 4 Hình 11: Nguồn nuôi cao áp cho đầu dò NaI(TL) Với thiết kế đơn giản để có thể đủ kích thước đặt trong ống nhưng bộ nguồn vấn đảm bảo được các thông số chính cần thiết như: o Điện áp ra 1000vôn o Độ mấp mô 20mv/1mA o Độ ổn định theo nhiệt độ ± 1vôn/20oC/1000v o Công suất tiêu thụ với tải là phân thế chân PMT 6Mon là 12vol/15mA. 14 1.1.3. Thiết kế cơ khí đầu dò (Thiết kế chi tiết đính kèm ở phụ lục) Hình 12 : Hình ảnh cơ khí đầu dò NaI(TL) 1.2. Đầu dò GM Vì mục tiêu của đề tài là thiết kế chế tạo thiết bị có khoảng đo liều rộng 0,1Sv/h đến 50 mSv/h chúng tôi đã sử dụng thêm 3 ống đếm GM cho khoảng suất liều từ 25 µSv/h đến 50 mSv/h, cụ thể như sau: 1.2.1. Ống đếm GM LND 7121 Trong đề tài này chúng tôi chọn loại detector chứa khí, cụ thể là ống đếm Geiger – Muller LND 7121 vì loại ống đếm này được ứng dụng nhiều trong thực tiễn, dễ sử dụng, gọn nhẹ và rẻ tiền. Đặc trưng cơ bản của nó được mô tả như hình vẽ dưới đây: Hình 13: Đặc trưng đếm của ống đếm LND 7121 15 Ống đếm này được sử dụng trong dải suất liều môi trường từ 20 µSv/h đến 250 µSv/h. 1.2.2. Ống đếm GM LND714 Tương tự như ống đêm LND7121 nhưng cho dài suất liều đo cao hơn. Hình 14 : Đặc trưng đếm của ống đếm LND714 Ống đếm này được chọn để đo khi dải suất liều trong khoảng từ 200 µSv/h đến 1000µSv/h (1mSv) 1.2.3. Ống đêm GM CI-3BG Ống đếm này là loại ống đếm suất liều cao, thường được sử dụng trong các thiết bị đo liều và cảnh báo phóng xạ trong công nghiệp bức xạ, chiếu xạ. Đây là loại ống đếm do Nga chế tạo, có giá thành hợp lý và độ bền cao. Một số thông số của CI-3BG như sau: o Dải suất liều đo lên tới 300R/h o Điện áp làm việc từ 380vôn đến 460vôn o Vùng plato 80 vôn 16 o Độ nhạy với tia gamma là 188 đến 235 xung/giây/R/h o Nhiệt độ làm việc từ -50OC đến 60OC o Độ dài 55 mm, đường kính 10mm. Ống đếm này được trọn để đo khi dải suất liều trong khoảng 0.8 mSv/h đến 100 mSv/h. 1.2.4. Cao áp và hình thành xung cho các ống đếm GM. Sơ đồ cao áp và hình thành xung cho các ống đếm GM được thiết kế gọn nhẹ, ổn định, tiêu thụ năng lượng thấp và được đặt ngay trong đầu đo. Sơ đồ nguyên lý được chỉ ra trong hình vẽ dưới đây: 1 2 3 D1 A 4 A R1 330k D R2 R? 100k 560k R3 100K U1A 3 5 U1B 8 2 10V 10V 3 1 GND C1 1N 10V U1C 4 10 6 CD4093BCN T1 C535 2 TR1 D2 9 CD4093BCN GND R4 3K3 R5 2. 2M U2A LM393N 1 12 11 D4 D MPSA42 CD4093BCN C6 D5 D 2 GND 10N/2KV GND GND R8 3K3 C8 T2 VREF GND GND C9 R10 900K 1G 3 GND 10N R9 RV2 HV GND 10N/2KV 2 C10 GND 250K C R11 1M 1 10V 10V 10V J2 6 7 2 1 C14 100N U2B J1 5 R12 100PF/3KV D6 1N4148 GND 1M 1M C12 10N GND 4 LM393N R16 GND GND GND C R13 R15 10k CON2 CON2 HV 10N/2KV C11 GND 8 R14 10K C13 220UF R7 1M 1 GND 2 1 B 10N/2KV TRF4 13 3 C7 100N C5 2 2 0T U1D 4 3 GND D3 D 10V 3 8 2 1 U3 LM336 RV1 250K 2 R6 1M D 100N GND 10UF B 3 3 1000T C3 1 CD4093BCN 1 1 100T C4 VREF C2 10N/2KV 10V 2.2M GND J3 GND 1 2 CON2 Title D Size D Number Revision A4 Date: File: 1 2 3 6/22/2010 Sheet of D:\Group1\DTB2008\HV_Power500V.SCHDOC Drawn By: 4 Hình 15 : Sơ đồ nguyên lý bộ tạo cao áp và hình thành xung cho GM 17 1.2.5. Thiết kế cơ khí đầu đo (Thiết kế chi tiết ở phần phụ lục) Hình 16: Hình ảnh cơ khí đầu dò GM 1.3. Nghiên cứu sự phụ thuộc của dòng anode của ống nhân quang điện vào suất liều (từ 0.1µSv/h – 50 mSv/h ). Việc đo dòng anot của ống nhân quang điện để xác định suất liều chiếu của bức xạ vào đầu dò nhấp nháy là rất khó khăn và không khả thi vì các lý do sau đây: ­ Dòng sinh ra do các chớp sáng của tinh thể nhấp nháy ở suất liều chiếu thấp tác động vào photocatot của ống nhân quang điện là rất nhỏ chỉ cỡ pA, dòng này nhỏ cỡ dòng tối của ống nhân quang điện và dòng tối này thay đổi rất nhiều do nhiệt độ do vậy không thể xác định được dòng sinh ra do bức xạ tương tác với detector. ­ Ở suất liều cao có thê xác định được dòng này nhưng sẽ rất khó đảm bảo được an toàn cho photocatot của ống nhân quang điện. Để đảm bảo an toàn cho ống nhân quang điện cần phải điều chỉnh cao áp thấp thích hợp và như vậy cũng rất khó khăn cho vấn đề kỹ thuật chế tạo đầu dò và việc này không khả thi. ­ Chúng tôi sẽ nghiên cứu tiếp tục nhưng sẽ thay ống nhân quang điện bằng photodiode, khi đó việc đo dòng để xác định suất liều lượng sẽ khả thi hơn. 18 2. NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ PHẦN CỨNG CỦA THIẾT BỊ Sơ đồ khối của hệ phân tích. N A I HV2 PMT BỘ CHỈ THỊ LCD BỘ KHUẾCH ĐẠI PHỔ VI XỬ LÝ HV1 BỘ NHỚ ROM & RAM BỘ BIẾN ĐỔI ADC 12 BIT KHỐI GIAO TIẾP TCP/IP BỘ THỜI GIAN THỰC GM BỘ ĐẾM HV3 INTERNET HV4 KHỐI CHỌN ĐẦU ĐO GM KHỐI NGUỒN NUÔI MỘT CHIỀU +5V ±12V BỘ TẠO PHOTON CHUẨN GM Hình 17: Sơ đồ khối của thiết bị quan trắc cảnh báo sơm bức xạ 2.1. Bộ khuếch đại phổ và bộ biến đổi ADC 12 bit Bộ khuếch đại phổ cũng như bộ biến đổi ADC được thiết kế theo phương pháp truyền thống nhưng có sự lựa chọn linh kiện cho phù hợp với điều kiện làm việc và khả năng tìm kiếm những linh kiện đó tại Việt Nam. Bộ khuếch đại phổ được thiết kế đơn giản gồm các mạch khuếch đại, tạo dạng, ghim mức không lối ra. Đặc biệt bộ khuếch đại có hệ số khuếch đại thay đổi được bằng phần mềm từ vi xử lý trong khoảng từ 50% đến 150% hệ số khuếch đại trong dải làm việc tương ứng. Bộ khuếch đại có hệ số khuếch đại thay đổi bằng số giúp cho mạch tự động ổn định phổ và tự động chuẩn thiết bị. Thông qua đỉnh phổ chuẩn vi xử lý sẽ tăng hay giảm hệ số khuếch đại tuy thuộc vào độ trôi của đỉnh phổ chuẩn cho đến khi đỉnh phổ chuẩn rơi vào đúng vị trí đã định sẵn. Mạch ADC bao gồm mạch giữ đỉnh, ADC nhanh, bộ điều khiển logic dùng kỹ thuật Gal/Pal. Do dùng Gal 20V8 mà mạch điều khiển logic cho toàn bộ quá trình của ADC trở nên đơn giản và mềm dẻo hơn. Sơ đồ nguyên lý của mạch khuếch đại phổ và ADC được chỉ ra ở hình vẽ dưới đây: 19