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

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 ho

BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆN NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ VIỆT NAM

DANH SÁCH NHỮNG NGƯỜI THAM GIA THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

-

Viện KH&KT Hạt nhân

Viện KH&KT Hạt nhân

Viện KH&KT Hạt nhân

Viện KH&KT Hạt nhân

TT GT& ĐT Viện KH&KT Hạt nhân

Viện KH&KT Hạt nhân

Viện KH&KT Hạt nhân

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

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 NamFPGA (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

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:

Nội dung nghiên cứu: Nghiên cứu thiết kế tổng thể hệ thống quan trắc và

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

­ 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

thuật Hạt nhân, Viện Năng lượng Nguyên tử Việt Nam

Kinh phí thực hiện đề tài: 450 Triệu VND

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

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:

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%

Hình 3: hình ảnh thiết bị quan trắc phóng xạ của hãng FUJI

Hình 4: Thiết bị quan trắc phóng xạ của RAD

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

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

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:

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

N

A

I PM

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

1

2 2

3 3

A4 Date: 6/22/2010 Sheet of File: D:\Group1\DTB2008\PMT_R6095.SCHDOC Drawn By:

PMT R6095

GND

R6 470K R7 470K R8 470K R9 470K R10 470K R11 470K R12 470K R13 470K R14 470K R15 470K R16 470K R17 470K GND

HV

C8 10N/2KV C9 10N/2KV C10 10N/2KV

C6 10N/2KV

R18 300K

HV

T2 A564

T1 A564

GND GND

R1 RES1

R3 100K

R2 10K

R4 15K

GND

12V

12V

C2 20PF

GND

C1 10UF

C5 10UF

BNC

GND

1

J1 CON2

GND 12V

C3 100N C4 220UF

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

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

1

2 2

3 3

A4 Date: 6/22/2010 Sheet of File: D:\Group1\ \HV_Power1000V_CuongPMT.SCHDOC Drawn By:

1 2 3

U1A

CD4093BCN

5 6 4

U1B

CD4093BCN

8 9 10

U1C

CD4093BCN

R2 560k

R1 330k D1

R4 3K3 R6

1M C7 100N

GND

C8

10N R9

GND GND

1 1

2 2

3 3

TR1

TRF4

C3 100N

C5

10N/2KV

C2 10N/2KV

R7 1M

HV VREF

1000T 100T

0T

C12 10N/2KV

C11 10N/2KV

D6 D

D7

D

R11 100k

R12 100k

R15 30

5 3 2 6

8 1

U2

CA3140

R5 5K6

Q2 C828

GND

R13 5K6 R14 1K

GND GND

1uF

R16 100k

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 Công suất tiêu thụ với tải là phân thế chân PMT 6Mon là 12vol/15mA

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

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)

o Dải suất liều đo lên tới 300R/h

o Điện áp làm việc từ 380vôn đến 460vôn

o Vùng plato 80 vôn

o Độ nhạy với tia gamma là 188 đến 235 xung/giây/R/h

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

1

2 2

3 3

A4 Date: 6/22/2010 Sheet of File: D:\Group1\DTB2008\HV_Power500V.SCHDOC Drawn By:

1 2 3

U1A CD4093BCN

5 6 4

U1B CD4093BCN

8 9 10

U1C CD4093BCN

12 13 11

U1D CD4093BCN

3 2

1

U2A LM393N

R2 560k

R1 330k D1 D C1

10V

C4 10UF

R4 3K3 R6

1M C7 100N

GND

C8 10N R9 900K

GND

1 1

2 2

GND

D5 D

D2

D D3 D

D4 D

C5 10N/2KV

C2 10N/2KV

GND

C6 10N/2KV

GND

C9 10N/2KV C10 10N/2KV

GND

GND

R7 1M

HV HV

5 6 7

U2B LM393N

R13 1M R12 1M

R16 2.2M

C12

GND

1

J3 CON2

GND

C11 100PF/3KV D6 1N4148

GND

R11 1M

2

RV2 250K

10V

10V

1

J1 CON2

1000T 100T 0T

R?

100k

Hình 15 : Sơ đồ nguyên lý bộ tạo cao áp và hình thành xung cho GM

1.2.5 Thiết kế cơ khí đầu đo (Thiết kế chi tiết ở phần phụ lục)

­ 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

2 NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ PHẦN CỨNG CỦA THIẾT BỊ

Sơ đồ khối của hệ phân tích

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:

BỘ BIẾN ĐỔI ADC 12 BIT

BỘ CHỈ THỊ LCD

BỘ THỜI GIAN THỰC

INTERNET

BỘ KHUẾCH ĐẠI PHỔ

KHỐI NGUỒN NUÔI MỘT CHIỀU +5V ±12V

KHỐI GIAO TIẾP TCP/IP

BỘ TẠO PHOTON CHUẨN

A2 Dat e: 6/22/ 2010 She et of File: D:\Gr oup1\DTB2008\adc_detai.SCHDOC Dra wn By:

C10 1N R9 20

GND

5 3 6

8 1

U2 LF356AN8

R6 50K

10V

- 6V

C6 100N C8 100N

GND GND

5 3 6

8 1

U1 LF356AN8 10V

-6V

C7 100N

C5 100N

GND GND

R5 1K5

2

T6 C535

GND

R11 1K

GND

D1 1N4148

2

T1 C535 C1 100N R1 100

+10V GND

C4 100pF

R14 1k

-6V K1

K2

1 2

5 6

8 U8

LM 311N

1 2

5 6

U9 LM311N

1 2

5 6

8 U10 LM311N

5 3 6

C13 100N

GND GND

R3 2k

R10 2k

GND +10V -6V

C15 100N C19 100N

GND GND

2

RV4 1k

GND

R20 R15

+10V

R21 C21 20pF C20 100N R17

VCC ThD

+10V -6V

C24 100N C25 100N

GND

C27 20pF

R23

VCC LL

2

RV5 1k R25

GND

R22

+10V

C26 100N R24

+10V

C29 CAP1 C37 CAP1

GND GND -6V

20pF

R29 R31 5k6

R28

+10V

GND

C38 100N

C16 10PF

C32 100PF

R18

1 5K

VCC

1 3

U14A 74HC00

CLK 3 D 2

Q 5

Q 6 CLR PR

U11A 74HC74

CLK 11 D

Q 9

Q 8 CLR PR

U11B 74HC74

VCC

EN_FRMICR CLR

CLK 11

Q 9

Q 8 CLR PR

U12B 74HC74

VCC

5 6

4 U14B 74HC00 R30

1 5K

VCC

PULSE TH

VCC UL

VCC 24

I 23

GND 12

G1

GAL20V8

8 9 10

U13C 74HC00

CLR

CLK 3 D 2

Q 5

Q 6 CLR PR

U12A 74HC74

TC GND

CK TH LEN PULSE ENA TC K1 SADC INT CLR VCC

GND

11

12 U13D 74HC00 1 3

U13A 74HC00

5 6

4 U13B 74HC00

1 Y1 10MH Z C28 CAP1 R26 R27

C33 20PF

C34 20PF

GND GND

CK

DB9 1 DB10 2 DB11 3 AVD 4

REF 5 VIN 6 AGND 7

CS 8 RD 9 CONST 10 CLK 11 BUSY

12 DB0 DB1 DB2 DB3 DB4 DB5 13 14 15 16 17 18 GND 19 VDD 20 VDR 21

DB6 22 DB7 23 DB8 24

D11 D9 D5 D1

D0 D4

D8 D10 INT EN_FRM ICR DTIME VCC

U6 LM336 5 3 6

GND

VCC C3 100N

GND

R7

C12 100N

VCC

VREF

VREF GND VCC

C22 100N C23 10UF

GND CS SADC CLKIN

CLKI N

A4 8 A5 9 A6 10 A7 11 A8 12 VDD 13

VREF+

14 15

VREF-COM P 16 A3 7 NC 1 GND 2 VEE 3 IOUT- 4

A1 5 A2 6

5 3 6

GND GND

R2

C17 100PF

C14 100N

C18 100N

GND

GND

R16 1K

GND

R19 RV3 5K

VREF

1

JP5 Header 4 GND

C30 220UF C35 220UF C40 100N

GND GND GND

C41 100N C42 100N C39 220UF

C31 100N C36 100N

+10V -6V GND VCC GND GND

11 12

U14D 74HC00

VCC

C44 100pF R34

VCC BUSY BUSY

VCC CLR

INPUT

A4 8 A5 9 A6 10 A7 11 A8 12

VD D 13

VREF+

14 15

VREF-COMP 16 A3 7 NC 1 GND 2

VE E 3

I 4

OUT-A1 5 A2 6

U21

DAC0808LCN

AD0 AD4 +10V

-6V GND

C56 50PF R43 1K

GND

R44 1K

5 3 6

C46 100N C50 100N

GND GND GND

D2 D

D3 D

R8 RES1

R38 RES1

100N

GND GND

U14C 74HC00

D4 1N 4148 Q1 MOSP C60 100PF

C61 20PF R13

GND

Hình 18 : Sơ đồ nguyên lý của khuếch đại phổ và ADC

2.2 Khối vi xử lý

Khối vi xử lý điều khiển mọi hoạt động của hệ đo bao gồm điều khiển thu thập

số liệu của ADC, điều khiển hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại phục vụ cho việc ổn định phổ của thiết bị, tính toán xử lý số liệu đo được, chỉ thị kết quả suất liều đo được, lưu trữ và truyền số liệu về trung tâm kiểm soát v.v Sơ đồ nguyên lý của khối vi xử lý được mô tả theo hình vẽ dưới đây: Trung tâm của khối vi xử lý là bộ vi xử lý 8 bit 89C51RD2 của hãng Philip, có 1K RAM nhớ trong và 64K FLASH, cho phép lưu trữ một chương trình lớn Đây là chíp vi

xử lý có tốc độ cao, chạy ổn định và tiêu thụ dòng thấp, rất phù hợp với các thiết bị chạy liên tục hoặc thiết bị dã ngoại Ngoài ra việc lập trình tạo code cho thiết bị được thực hiện bằng ngôn ngữ lập trình C Keil rất thuận tiện cho các bài toán có mức độ tính toán và điều khiển Để tăng thêm khả năng nhớ số liệu đo được và tăng thêm khả năng cũng như tốc độ tính toán, khối vi xử lý còn tích hợp thêm 1 MBYTE RAM chíp K6X8008C2B cho phép nhớ được hàng trăm phổ và số liệu quan trắc phông môi trường Ngoài ra khối vi xử lý còn tích hợp thêm các mạch thời gian thực, truyền số liệu và các mạch đệm khác v.v

B Date: 6/23/2010 Sheet of Fil e: D: \Group1\DTB2008\MCA_89C51RD2.schDrawn B y:

P0.0 39 P0.1 38 P0.2 37 P0.3 36 P0.4 35 P0.5 34 P0.6 33 P0.7 32 P2.0 21 P2.1 22 P2.2 23P2.3 24P2.4 25P2.5 26P2.6 27 P2.7 28 P3.7 17 P3.6 16 PSEN 29 ALE 30 TXD 11 RXD 10

T1

15 T0

14 INT1

13 INT0 12

X2 18 X1 19

GND GND

R1 100K

GND

C3 1UF

VCC

AD0 AD3 AD6 A8 A10 A13

OC 1 C 11 1D 2 2D 3 3D 4 4D 5 5D 6 6D 7 7D 8 8D 9

1Q 19 2Q 18 3Q 17 4Q 16 5Q 15 6Q 14 7Q 13 8Q 12

U3 74HC573

A0 A3 A6 AD0

AD3 AD6 GND

1 4 7

RP1 RESPACK

VCC

RD WR

A0 2 A1 3 A2 4 A3 5 A4 6 A5 7 A6 8 A7 9

B0 18 B1 17 B2 16B3 15B4 14B5 13B6 12 B7 11 E 19 DIR 1 U6

74HC245

A0 2 A1 3 A2 4 A3 5 A4 6 A5 7 A6 8 A7 9

B0 18 B1 17 B2 16 B3 15 B4 14 B5 13 B6 12 B7 11 E 19 DIR 1 U7

AD0 AD3 AD6

1 JP6

HEADER 2

C6 470UF C7 100N C8 100N

C 9 100N C10 100N

VCC GND

A4 1 A3 2 A2 3 A1 4 A0 5

!CS1 6 NC 7 NC 8 IO1 9 IO2 10 VCC 11 VSS 12 IO3 13 IO4 14 NC 15 NC 16 WR 17 A19 18 A18 19 A17 20 A16 21 A15

22 VCC VSSA14A13 A12 A11 A10 IO5 IO6 IO7 IO8 CS2 NC NC NC NC A9 A8 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 3940

!O E 41A7 42A6 43A5 44 U4

K6X 8008C2B

S1 SW-PB

VCC

GND VCC

1 4 7 1 JP1

VCC VCC

VCC AD0

AD2

AD4 AD6 A15

A0 A3 A5

ENM A8

A9 A10 A13 WR

PAG4 PAG1

4 SDA 5 SCL 6 SQW/ OUT 7 VCC 8 U9

DS1307

VCC

GND

BT1 Battery

GND

1Y12 32768

R3 10K R4 10K

VCC VCC SLC SLC

A0 1 A1 2 A2 3 OE2 4 OE3 5 OE1 6

MC74HC138AD

13 10

8 12 9

14 7

C1+ 1 C2+

R 2

5

C2-

V-6 V+ 2

U10 MAX232AESE

VCC

GND

C11 CAP1

C12 CAP1

C13 CAP1 C14

CAP1

GND

GND

1 JP5

Header 2 1 JP7

Header 2

GND VCC

1 3 U14A

MC74HC00AD

5 6 4 U14B

MC74HC00AD

RD WR A15

GND CS0

CS3 CS6

A0

OE 1 CLK 11 D0 2 O0 19 D1 3 O1 18 D2 4 O2 17 D3 5 O3 16 D4 6 O4 15 D5 7 O5 14 D6 8 O6 13 D7 9 O7 12

GND 10 U11

MC74HC574DW OE

1 CLK 11 D0 2 O0 19 D1 3 O1 18 D2 4 O2 17 D3 5 O3 16 D4 6 O4 15 D5 7 O5 14 D6 8 O6 13 D7 9 O7 12

GND 10 U12

PAG3 GND

GND

VCC CS7 AD1 AD4 AD7

1 4 7 JP4

CLR 3

Q 7

Q 6 A 4 U5A

Q 7 Q 6

A 4 U8A

MC14538BDW

VCC

GND

R2 5K

VCC

C4 CAP1

C5 1N

GND VCC EOC

T0

VCC

GND

C16 1N R11

GND VCC

GND CS3 GND

VCC

R10 50K C15 100PF

GND VCC

START

A 1 B 2 C 4 D 5

GND 10 U16

MC74HC574DW

GND

GND

VCC CS6 AD1 AD4 AD7

1 4 7 JP9

Header 8

C18 100N C19 100N C20 100N C21 100N C17

1000UF

9 10 13 8 U15B

MC74HC20J

DTIME T1

VCC

Hình 19: Sơ đồ nguyên lý khối vi xử lý

2.3 Khối lựa chọn đầu dò

Khối lựa chọn đầu dò dùng để lựa chọn đầu dò (chọn thang đo) tuỳ theo mức

độ hoạt độ phóng xạ Ở mức hoạt độ phóng xạ thấp từ 0.1 µSv/h đến 25 µSv/h đầu dò nhấp nháy được bật, nhưng khi hoạt độ phóng xạ lớn hơn mức 25µSv/h thì đầu dò nhấp nháy sẽ tắt và đầu dò GM1 sẽ được bật nhằm mục đích bảo vệ

an toàn cho đầu dò nhấp nháy Khi mức độ phóng xạ xuống dưới 25 µSv/h thì đầu dò nhấp nháy lại được bật trở lại và GM1 lại tắt, quá trình này được thực hiện một cách tự động Cũng tương tự như vậy cho các dải liều tiếp theo, các đầu dò sẽ tự động được bật lên và tắt đi tuỳ thuộc vào dải xuất liều cần đo, ngoài việc bảo vệ an toàn cho đầu dò ở xuất liều cao mà còn tăng độ chính xác của các kết quả đo được

2.4 Khối tạo nguồn photon chuẩn

Mục đích của khối này là tạo ra chùm photon chuẩn bắn vào photocatode của ống nhân quang điện và như vậy sau tiền khuếch đại ta được xung điện có biên độ tỷ lệ với chùm photon này Xung của chùm photon sẽ được hệ phân tích chỉ thị như một đỉnh phổ chuẩn ở một vị trí kênh cố định nếu không có sự

trôi phổ Khi nhiệt độ thay đổi, hệ số phát photooelectron của photoocatode sẽ thay đổi nhiều nhất và dẫn tới đỉnh phổ này trôi lên hoặc trôi xuống, vi xử lý sẽ quan sát phổ này và điều khiển hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại giảm hoặc tăng để đỉnh photon này cố định tại vị trí kênh đã lựa chọn Thông qua việc này

hệ phân tích từ ống nhân quang điện (PMT) đến ADC được ổn định phổ thu được Sơ đồ nguyên lý của bộ tạo nguồn photon chuẩn được chỉ ra ở hình vẽ dưới đây:

1 1

2 2

3 3

A4 Dat e: 6/ 23/2 010 Sheet of File: D: \Gro up 1\DTB20 08\Stab Spectru m.SCH Drawn By:

T1

5 3 6

LM336

Q1 JFET N

R10

GN D

R9 1k

10 k

2 RV3

10 k

GN D GND

R8

10 k

12v

C8 100N

GN D

C6 100N

GN D

R6 5k

R7 5k

GND

12 v

1 JP2

R2 10k

U1 NE55 5P

C2 100

GN D

3 1

RV1

1k

R3 10M

GN D

C1 100N

GN D

GN D

12v

C9 100u F C10 100N

GN D GND

DS1

LE D2

PMT

Hình 20: Sơ đồ nguyên lý bộ tạo nguồn photon chuẩn

2.5 Khối nguồn nuôi DC

Khối tạo ra các nguồn ±12V, 5V có chất lượng đảm bảo cho toàn bộ thiết bị hoạt động, hoạt động liên tục Để đạt được điều này và để thiết kế trở nên gọn nhẹ môđun nguồn biến đổi DC-DC của hãng DATEL của Mỹ sản xuất BWR-12/125-D12, mô đun này có hiệu suất biến đổi cao 75% đến 80%, có độ ổn định theo tải và nhiệt độ cỡ 0.5% đáp ứng đầy đủ yêu cầu cho thiết bị

A4 Date: 6/ 23/2 010 Sheet o f File: D: \Gro up1\ DTB20 08 \Po wer_supl y.SchD ocDrawn By:

+IN 1 +IN 2

-IN 3 -IN

+OUT 6COM 7 -OUT 8

10 0N C11

10 0N C12

JP5 Header 4

GN D

+12 V -12 V

1

JP6 Header 2

Q2 C82 8

R2 10 R5 10 R8 10 R11 10 R14 10

GND

A1 315

Q3 C82 8

R3 10 R6 10 R9 10 R12 10 R15 10

GND

GND

C3 100N

GN D

1

JP3 Header 2

GN D +V

T1 A1 315

Q1 C82 8

R1

10

R4 10 R7 10 R10 10 R13 10

GND +V

T4 A1 315

Q4 C82 8

R16 10 R17 10 R18 10 R19 10 R20 10

GND +V

GND

GND

OUT 2 VIN 3

U3 LM317A

RV15kR21 RES1

+V

C16

47 0UF C17

R23 20 R25 20 C15

10 0uF

Hình 21: Sơ đồ nguyên lý khối nguồn nuôi DC-DC cho thiết bị và đầu dò

2.6 Khối kết nối Ethernet

Chúng tôi lựa chọn phương án thiết kế hệ máy sử dụng vi xử lý P89V51RD2 của hãng philips, kết hợp với bộ chuyển đổi serial to Ethernet “NP312 Ethernet TCP/IP Converte RS-232/485/422 Device Server” sử dụng ENC28J60 để lập hệ thiết bị phân tích có khả năng kết nối mạng

RS232/485/422 được thực hiện theo NP312 xác lập yêu cầu

- NP312 thu được dữ liệu từ giao diện RS232/485/422, đóng gói theo dạng giao thức UDP hoặc TCP bên trong NP312 và chuyển dữ liệu sang thiết bị qua cổng Ethernet

2.6.2 Tính năng :

- Cung cấp giao thức kết nối 3 trong một từ RS232/RS485/RS422 tới Ethernet

- Hỗ trợ truy cập tách rời và chế độ máy khách

- Trình điều khiển COM/TTY thực cho Windows và linux

- Hỗ trợ giao thức truyền vận TCP, UDP, ARP, ICMP và DHCP

- Chế độ kết nối cặp để kết nối hai thiết bị tuần tự trên mạng không sử dụng máy vi tính PC

- Hỗ trợ chức năng PPPOE

- Tiện ích Windows dễ sử dụng để cài đặt cho thiết bị

2.6.3 Đặc điểm kỹ thuật :

Giao diện Ethernet :

- Chuẩn kết nối : 10Base-T, 100Base-TX

- Giao thức kết nối : hỗ trợ các giao thức TCP, UDP, APR, ICMP and DHCP

- Tín hiệu : Rx+, Rx-, Tx+, Tx-

- Tốc độ : 10/100Mbps

- Chế độ làm việc : Full duplex/Half duplex

- Định dạng làm việc : Hỗ trợ truy cập tách rời và chế độ máy khách

- Tín hiệu RS-422 : Tx+, Tx-, Rx+, Rx-, GND

- Tín hiệu RS-485 : Data+, Data-, GND

- Tính toàn vẹn trong việc truyền dữ liệu : None, Even, Odd, Space, Mark

- Số bít dữ liệu : 7bit, 8bit

- Số bít dừng : 1, 1.5, 2

- Tốc độ truyền : 150bps～115200bps

- Điều khiển luồng : RTS/CTS or none

- Kiểu chân cắm : RS-232: DB-9 male, RS-485/422: 4 đầu nối Nguồn cung cấp :

- Điện áp : 5VDC

- Dòng diện : 300mA Môi trường làm việc :

2.6.4 Giao diện và đèn chỉ thị :

Giao diện và tín hiệu :

Đèn chỉ thị :

- PWR : Đèn báo nguồn cung cấp, có nguồn : đèn sáng

- STATUS1 : Đèn báo có sự kết nối với mạng, có kết nối : đèn sang

- STATUS2 : Đèn báo tín hiệu, có trao đổi tín hiệu : đèn nháy sang

3 NGHIÊN CỨU VIẾT PHẦN MỀM CHO THIẾT BỊ

 Tính toán suất liều từ phổ thu được, chỉ thị suất liều lên LCD và lưu trữ

 Tìm đỉnh phổ và đồng vị phóng xạ tương ứng với các đỉnh phổ thu được

 Điều khiển lựa chọn đầu đo phù hợp với dải suất liều hiện tại

 Truyền số liệu về trung tâm nếu có sự cố cảnh báo hoặc yêu cầu từ phía trung tâm quan trắc

 Kiểm tra định kỳ đỉnh phổ chuẩn để điều chỉnh hệ số khuếch đại để ổn định được phổ

Sơ đồ thuật toán được chỉ ra ở hình vẽ dưới đây:

Hình 22: Sơ đồ thuật toán điều khiển thiết bị

3.1.1 Xử lý phổ tự động

Hiện nay, tất cả các hệ đo bức xạ nói chung, các thiết bị đo liều và cảnh báo phóng xạ nói chung đều được thiết kế với chíp vi xử lý hoặc ghép nối với máy tính Việc dùng các chíp vi điều khiển hoặc ghép nối này cho phép người sử dụng có thể tiến hành phân tích số liệu một cách nhanh chóng, dễ dàng, tự động

KHỞI TẠO CHƯƠNG

Đo tốc độ đếm tổng

Đếm xung phóng xạ

Tính toán suất liều

Ổn định phổ,

phát hiện đồng vị

báo động

Kết nối máy tính

Kiểm tra ngưỡng báo động

t ≥ T

t : thời gian đo

T: thời gian đặt

và chính xác Vì vậy, các hãng chế tạo thiết bị phổ kế nổi tiếng trên thế giới đã xây dựng nhiều phần mềm phân tích phổ tự động phục vụ cho mục đích thương mại Các phần mềm này được bán kèm với phổ kế của họ hoặc đã dịch thành cade và nạp vào chíp vi điều khiển của thiết bị Muốn khai thác tốt được các phần mềm này, người sử dụng cần nắm được các thuật toán đã dùng để thiết kế phần mềm này Muốn tự động hoá việc phân tích số liệu người thiết kế phần mền cho chíp cũng phải hiểu biết tường tận phương pháp để có thể viết tạo code cho chíp xử dụng trong thiết bị Dưới đây chỉ ra phương pháp đơn giản phân tích phổ để tìm được các đỉnh phổ phục vụ cho việc xác định tự động đồng vị phóng

xạ

3.1.1.1 Làm trơn phổ

Do bản chất thống kê của quá trình phân rã phóng xạ và quá trình ghi nhân lượng tử gamma nên số sự kiện mà máy phân tích biên độ ghi được tại một kênh (tức là tại mội khoảng năng lượng nào đó) sẽ là đại lượng ngẫu nhiên thăng giáng xung quanh giá trị trung bình Trong nhiều trường hợp, những thăng giáng này gây khó khăn cho việc phân tích phổ Khi cần xây dựng thuật toán tìm phổ

tự động thì những thăng giáng này nhiều khi làm cho kết quả ghi nhận được trở nên không chính xác Vì vậy nói chung chúng ta cần phải làm giảm bớt sự thăng giáng thống kê bằng các thuật toán làm trơn phổ.Vì số đếm ghi nhận được ở các kênh lân cận của phổ kế có tương quan nhất định với nhau nên để giảm bớt thăng giáng về số đếm tại một kênh nào đó có thể dựa vào số đếm của một số kênh xung quanh nó Động tác này được gọi là làm trơn phổ

Thăng giáng về số đếm từ các kênh này đến kênh khác của phổ gamma đo được bằng hệ phổ kế có thể xem như là một dạng nhiễu ảnh hưởng đến các tín hiệu thật(trong trường hợp này là các đỉnh hấp thụ toàn phần) và do đó có thể sử dụng ảnh Fourier của phổ để loại trừ nó Phương pháp này rất giống với việc dùng bộ phin lọc Fourier điện tử để loại bỏ những tín hiệu có tần số khác với tần

số quan tâm Cách thứ hai là chập phổ đo được với một bộ lọc số có dạng thích hợp cho trước Dạng của các bộ lọc số này cần phải được thiết kế tối ưu đối với loại phổ đang nghiên cứu Trong phần này chúng tôi sử dụng một phương pháp làm trơn phổ bằng bộ lọc số đơn giản nhưng thích hợp với các hệ phổ kế thông dụng

Mỗi đoạn phổ đủ ngắn hoàn toàn có thể mô tả khá tốt bằng một đa thước toán học Dùng phương pháp bình phương tối thiểu để làm khớp đa thức này với đoạn phổ đã cho, ta dễ dàng xác định được các hệ số của đa thức này Một trong những phương pháp dùng làm trơn và lấy đạo hàm phổ đã được Svaitzky và Golay đề xuất Phương pháp này rất thông dụng và đã được đưa vào trong hầu hết các phần mềm phân tích phổ Để minh hoạ cho phương pháp này, ta sẽ bắt đầu từ một trường hợp cụ thể Giả sử chúng ta có 5 điểm số liệu tại các kênh (-

này để làm trơn điểm giữa (điểm có kênh bằng 0) Kết quả của quá trình làm

điều này ta cấn khớp 5 điểm phô trên với một đa thức có bậc nào đó Giả sử ta chọn đa thức làm khớp là đa thức bậc 2 có dạng:

2 1 0

a a

a

hoặc có thể viết dưới dạng ngắn gọn hơn:

(1.3)

ta có 5 phương trình mà chỉ có 3 tham số cần xác định nên phải xác định 3 tham

số này băng phương pháp bình phương tối thiểu tuyến tính Phương pháp bình phương tối thiểu sẽ dẫn đến ệ phương trình chuẩn có dạng:

Vơi AT là ma trận chuyển vị của A Tích AT.A là ma trận đối xứng bậc 3 Có thể

4 3 2 1

0

0

d d d d d

s s s

s

s

Hoàn toàn tương tự, đạo hàm của phổ có thể thiết lập bbằng cách sử dụng đa thức Savitzky – Golay Nội dung của phương pháp cũng là xấp xỉ đạo hàm tại một kênh nào đó x=0 trong phổ bằng đạo hàm của đa thức tại kênh này Vì

A

A 1

T

chính là đạo hàm bậc nhất của phổ tại kênh x=0

Người ta chỉ ra rằng các giá trị và các đạo hàm của đa thức này có thể viết được như một hàm của số đếm tại các kênh

) ( 1

m n k m

n=0 tương ứng với phổ làm trơn,

y(i+k) là số đếm ở kênh thứ (i+k),

ck,n,m và Kn,m là các hệ số không phụ thuộc vào phổ đang nghiên cứu còn m’ = 2m+1 là số điểm thực nghiệm dùng để làm trơn

Thực tế chỉ ra rằng để làm trơn phổ, chỉ cần dùng đa tức bậc hai hoặc bậc ba là

đủ Đối với mục đích xác định diện tích của đỉnh hoặc tìm vị trí của các đỉnh trong phổ cũng chỉ cần dùng đến nhiều nhất là đạo hàm bậc hai

Số điểm tối ưu dùng để làm trơn phụ thuộc vào dạng tín hiệu cụ thể của vùng phổ đang xét Nếu dùng nhiều điểm để làm trơn thì việc làm trơn phổ có thể làm mất các tín hiệu hữu ích và làm cho phổ bị biến dạng so với phổ ban đầu Ngược lại, nếu dùng ít điểm để làm trơn thì thăng giáng số đếm giữa các kênh vẫn còn

và việc phân tích tiếp theo vẫn phải gặp khó khăn do những thăng giáng này gây

ra Theo kinh nghiệm trong quá trình thực hiện đề tài chúng tôi nhận thấy làm trơn với số điềm là 5 phù hợp với dạng phổ mà thiết bị thu được

3.1.1.2 Tìm đỉnh tự động

Đỉnh hấp thụ toàn phần chứa đựng những thông tin quan trọng nhất khi phân tích phổ gamma Vị trí của đỉnh tỉ lệ với năng lượng của chuyển dời gamma còn diện tích của đỉnh lại tỉ lệ với cường độ của chuyển dời Chính vị vậy, công việc đầu tiên khi tiến hành phân tích phổ gamma là tìm xem trong phổ này có báo nhiêu đỉnh và trọng tâm của những đỉnh này nằm tại kênh nào Khi phân tích phổ gamma dành cho mục đích nghiên cứu thì công việc này được thực hiện bằng cách quan sát thật kỹ phổ gamma đo được và cố gắng phát hiện tối đa số đỉnh hiện diện trong phổ Kết quả công đoạn này phụ thuộc vào độ phức tạp của phổ, tỉ số tín hiệu/phông tại các vùng đỉnh, nhạy cảm và kinh nghiệm của chính bản thân người phân tích

Trong lĩnh vực vật lý hạt nhân ứng dụng, phổ kế gamma đã được triển khai rộng khắp và là công cụ quan trọng nhiều ứng dụng khác nhau, ví dụ như trong phân tích kích hoạt, trong phân tích đồng vị phóng xạ, trong các phép kiểm tra đánh dấu đồng vị phóng xạ,… Trong những lĩnh vực này, số phổ gamma cần phải đo

và phân tích là rất lớn và việc phân tích thủ công là không khả thi

Chính vì vậy người ta đã xây dựng những phần mềm tự động tìm đỉnh có trong phổ gamma Có rất nhiều phương pháp phát hiện ra đỉnh như phương pháp tìm cực đại, phương pháp đạo hàm phổ và phân tích biến đổi của các đạo hàm khi đi qua vùng đỉnh và phương pháp làm khớp bình phương tối thiểu Mỗi phương pháp có những ưu điểm và nhược điểm riêng tuỳ theo mục đích và dạng phổ ta chọn phương pháp thích hợp trong đề tài này chúng tôi chọn phương pháp đạo hàm bậc hai để phát hiện đỉnh

Nếu coi rằng số đếm là một hàm liên tục của kênh và đỉnh có dạng gauss có tâm

ở kênh p còn phông trong vùng đỉnh được mô tả bằng một đa thức bậc nhất theo

exp

thì khi lấy đạo hàm bậc hai, phổ phông sẽ không còn phụ thuộc vào kênh nữa Minh hoạ về tính chất biến đổi của đạo hàm bậc hai khi đi qua vùng đỉnh được biểu diễn trên hình dưới đây:

Hình 23 : Phổ của Cs137 khi chưa xử lý

Hình 24: Hình ảnh phổ Cs137 sau khi đã làm trơn phổ

Hình 25: Hình ảnh phổ sau khi lấy đạo hàm bậc 2

Do phổ là hàm được cho dưới dạng bản??? nên thay vì đạo hàm theo giải tích ta cần sử dụng phương pháp số:

Có thể tồn tại một đỉnh ở kênh thứ i nếu các điều kiện sau đây đồng thời thoả mãn:

y”(i – p ) > h1

y”(i) < - h2

y”(i + p ) > h3

với các tham số h1, h2 và h3 nhận các giá trị dương và dược chọn từ kinh nghiệm

3.1.1.3 Xác định đồng vị bức xạ gamma

Sau khi đã xác định được vị trí đỉnh và năng lượng tương ứng của đỉnh đó

ta tiến hành việc tìm kiếm đồng vị tương ứng bằng cách tra bảng (bảng được mô

tả như hình vẽ dưới đây), việc này tiến hành cho đến khi kết thúc đỉnh tìm được trong phổ đã ghi nhận

Bảng 1: Bảng số liệu năng lượng các đỉnh của các đồng vị

STT Tên đồng vị Giá trị năng lượng tại các vạch phổ (KeV)

3.1.2 Giới thiệu phương pháp chuyển phổ thành liều:

Sự chuyển đổi từ chiều cao xung phổ sang suất liều của bức xạ gamma môi trường đã được nhiều nhà nghiên cứu với các kỹ thuật khác nhau Phòng thí nghiệm đo môi trường bộ Năng lượng Hoa kỳ (EML) sử dụng một phương pháp

để xác định phổ thông lượng gamma tới và suất liều tương ứng được cho chiều cao xung phổ của detector gecmani (IGe), phương pháp này được sử dụng trong phép đo suất liều bên trong toà nhà dân cư Viện Nghiên cứu Năng lượng Nguyên tử Nhật bản (JAERI) đã sử dụng hàm G(E) đẻ đánh giá suất liều gamma chính xác bằng việc áp dụng hàm chuyển đổi phổ -liều G(E) từ biên độ xung phổ cho thông tin về năng lượng tia gamma, phương pháp này được gọi là phương pháp JAERI Trong những năm gần đây một số dụng cụ đo suất liều đã

áp dụng phương pháp này Đặc biệt các thiết bị đang được sử dụng để quan trắc phóng xạ môi trường xung quanh cơ sở hạt nhân tại Nhật Bản cũng đã áp dụng phương pháp chuyển phổ thành liều G(E) Trong Đề tài này chúng tôi sử dụng phương pháp JAERI để tính toán suất liều bức xạ môi trường

3.1.2.1 Phương pháp JAERI

Phương pháp JAERI được phát triển bởi Moriuchi và Miyanaga năm

1966 Thủ tục chuyển đổi từ đỉnh phổ thành tốc độ phơi nhiễm được biểu diễn bằng phương trình (2.1) dưới đây Dòng đầu tiên là viết tắt của các khái niệm cơ bản của phương pháp JAERI, trong khi dòng thứ hai cho các thủ tục tính toán khi thực hiện phương pháp được áp dụng cho một đỉnh phổ mang lại từ bộ phân tích đa kênh

   I G I N

dE E G E N X

I

E E







 max

max min

1 2

ở đây

X = suất liều (2.58.10 -10 C.kg -1 h -1 or uR.h -1 ),

N(E) = Phổ ( số đếm tương ứng với các kênh trên phổ) (cpm per keV), N(I) = Phổ cho bởi bộ phân tích đa kênh (cpm per channel),

năng lượng E hoặc kênh I;

3.1.2.2 Phương pháp tính hệ số chuyển phổ - liều G(E)

Hàm G(E) có thể được xác định thông qua đa thức sau:

 

1 max

1

log ).

K

E K

A E

trong đó

Kmax : số bậc của đa thức

A(K): Hệ số sẽ được xác định theo K

E: Năng lượng với đơn vị là keV

M: là số nguyên sẽ được xác định theo loại detector

Với tinh thể NaI(Tl) hình trụ có kích thước 1inch Ф x 1 inch cao (~ 2.5

cm x 2.5 cm) và G(E) cho air kerma thì:

G(E) =

1 3 20

1

log ).

A(K) được xác định như sau:

Bảng 3: Hệ số G(E) tính cho đầu dò NaI(TL) 25mm X 25mm

3.2 Thiết kế phần mềm giao tiếp với máy tính thông qua Ethernet

Phần mềm thiết kế giao diện với máy tính được viết bằng ngôn ngữ đồ hoạ LabView LabVIEW (Laboratory Vitual Instrument Engineering Workbench) là một chương trình phát triển ứng dụng tương tự như các chương trình C hay Basic hay Lab Windows của hãng National Instrument Tuy nhiên LabVIEW khác các chương trình khác ở một điểm quan trọng: trong khi C hay Assembler

sử dụng ngôn ngữ lập trình dạng văn bản để tạo ra các đoạn mã thì Lab VIEW

sử dụng ngôn ngữ lập trình đồ họa (ngôn ngữ lập trình G) thông qua các biểu tượng để tạo ra mã điều khiển chứa trong sơ đồ khối (Block Diagram)

Có thể sử dụng LabVIEW với kinh nghiệm lập trình ít LabVIEW sử dụng thuật ngữ học, những biểu tượng, và những ý tưởng quen thuộc đối với những nhà khoa học và những kỹ sư và dựa vào những ký hiệu đồ thị hơn là ngôn ngữ văn bản để mô tả những hoạt động lập trình

Lab VIEW có những thư viện mở rộng về hàm và chương trình con dùng để lập trình trong các hệ điều hành Windows, Macintosh, và Sun Ngoài ra, LabVIEW cũng có những thư viện ứng dụng riêng cho việc nhận dữ liệu và thiết

bị điều khiển theo chuẩn VXI, các thư viện ứng dụng riêng theo chuẩn GPIB và thiết bị điều khiển nối tiếp, phân tích, trình bày và lưu trữ dữ liệu LabVIEW bao gồm những công cụ phát triển chương trình truyền thống, vì vậy bạn có thể đặt những điểm dừng, thực hiện chương trình động để thấy được dữ liệu đi qua chương trình như thế nào, và từng bước một thông qua chương trình để chỉnh lý

và lập trình sự phát triển dễ dàng hơn

Chương trình LabVIEW được gọi là các thiết bị ảo (VI: Virtual Instruments)

vì giao diện và cách thức hoạt động của nó tương tự như thiết bị thật Các VI có giao diện với người sử dụng và một mã nguồn tương đương tiếp nhận các thông

số từ VI cao hơn VI có ba đặc trưng sau:

 VI chứa một giao diện với người sử dụng được gọi là mặt máy (font panel)

vì nó mô phỏng mặt trước của một dụng cụ vật lý Mặt máy có thể bao gồm núm nhấn, biểu đồ, núm điều khiển và các bộ chỉ thị khác Ta đưa số liệu vào bằng các sử dụng bàn phím và chuột và sau đó quan sát kết quả trên màn hình của máy tính

 VI tiếp nhận lệnh từ một sơ đồ khối (Block Diagram), mà ta tạo nên bằng G

Sơ đồ khối này cung cấp một giải pháp đồ họa cho một vấn đề lập trình Sơ

đồ khối chứa mã nguồn của VI