Đang tải... (xem toàn văn)
đo liều lượng bức xạ bằng phương pháp đo khoảng thời gian giữa hai sự kiện
4 Đồ án tốt nghiệp Đo liều lượng bức xạ bằng phương pháp đo khoảng thời gian giữa hai sự kiện MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN 3 MỤC LỤC 4 MỞ ĐẦU 6 PHẦN 1- TỔNG QUAN VỀ CÁC THIẾT BỊ ĐO LIỀU LƯỢNG BỨC XẠ 7 1.1. Cơ sở vật lý của đo liều lượng bức xạ 7 1.2. Ống đếm Geiger-Mueller (GM) 7 1.2.1. Cấu tạo, nguyên tắc hoạt động của ống đếm khí 7 1.2.1. Các quá trình diễn ra trong ống đếm GM 13 1.2.2. Thời gian phân giải của ống đếm GM 17 1.2.3. Đặc trưng đếm của ống đếm GM 18 PHẦN 2-THIẾT KẾ MÁY ĐO LIỀU GAMMA THEO PHƯƠNG PHÁP ĐO KHOẢNG THỜI GIAN GIỮA CÁC SỰ KIỆN 21 2.1. Sơ đồ khối và nguyên lý hoạt động của mạch 21 2.2. Mạch nguyên lý 23 2.2.1 Khối cao áp 23 2.2.2 Chip vi điều khiển PIC16F877A 24 2.2.2.1. Các đặc điểm kỹ thuật của PIC16F877A 24 2.2.2.2. Chức năng các chân 26 2.2.2.3 Timer/Counter (Bộ định thời/Bộ đếm) 31 Lê Vũ Văn 5 Đồ án tốt nghiệp Đo liều lượng bức xạ bằng phương pháp đo khoảng thời gian giữa hai sự kiện 2.2.2.4. Thiết kế phần cứng cho chip vi điều khiển PIC16F877A 33 2.2.3. Bộ đo thời gian 35 2.3. Ghép nối máy tính qua cổng COM 36 2.4. Lập trình cho vi điều khiển PIC16F877A 38 2.4.1. Chương trình soạn thảo và biên dịch CCS C 38 2.4.2. Lưu đồ chương trìnhvới CCS C 40 PHẦN 3 - KẾT QUẢ CHUẨN MÁY VÀ ĐO ĐẠC THỬ NGHIỆM 42 3.1. Nguồn bức xạ 43 3.2. Tiến hành đo đạc 44 PHẦN 4 - KẾT LUẬN 47 TÀI LIỆU THAM KHẢO 49 PHỤ LỤC 50 Lê Vũ Văn 6 Đồ án tốt nghiệp Đo liều lượng bức xạ bằng phương pháp đo khoảng thời gian giữa hai sự kiện MỞ ĐẦU Ngày nay các kỹ thuật hạt nhân được ứng dụng ngày càng rộng rãi trong các ngành kỹ thuật, kinh tế, sản xuất công nghiệp, y tế, nông nghiệp Từ các ứng dụng phổ biến có sử dụng kỹ thuật hạt nhân, vấn đề quan trọng là đánh giá được mức độ mạnh yếu của chất phóng xạ nhằm đảm bảo tính an toàn. Đặc biệt con người không thể cảm nhận được các tia phóng xạ bằng giác quan thông thường. Máy đo liều là một trong những thiết bị giúp ta xác định được suất liều của các nguồn phóng xạ cũng như của phông môi trường. Nhiệm vụ của đồ án tốt nghiệp này là nghiên cứu thiết kế một máy đo liều. Đề tài này sử dụng "phương pháp xác định khoảng thời gian giữa hai hạt bức xạ liên tiếp" để xác định suất liều. Đo liều dựa trên phương pháp này đầu ghi sẽ giảm hoặc loại bỏ sự ảnh hưởng của thời gian chết do đó ta không cần hiệu chỉnh ống đếm và kết quả đo sẽ tuyến tính hơn, đồng thời tuổi thọ của ống đếm sẽ cao hơn. Lê Vũ Văn 7 Đồ án tốt nghiệp Đo liều lượng bức xạ bằng phương pháp đo khoảng thời gian giữa hai sự kiện PHẦN 1-TỔNG QUAN VỀ CÁC THIẾT BỊ ĐO LIỀU LƯỢNG BỨC XẠ 1.1. Cơ sở vật lý của đo liều lượng bức xạ Lượng tử tương tác với vật chất có thể dẫn tới hiệu ứng iôn hoá. Khi đó trong phần nhạy với tương tác của bức xạ sẽ xuất hiện các phần tử có điện tích là electron tự do và các iôn. Nếu phần nhạy được đặt trong một điện trường, thì chúng sẽ chuyển động định hướng về phía điện cực trái dấu, do đó tạo nên tín hiệu điện. Bằng cách xử lý và đo đạc các tín hiệu điện quen thuộc này, có thể xác định được liều lượng bức xạ. Do đó các máy đo liều phải có nguồn nuôi cấp điện áp thích hợp cho đầu dò, mạch hình thành xung để tạo xung từ tín hiệu điện do đầu ghi ghi nhận được và các khối điện tử khác thích hợp với phương pháp đo được đưa ra. Trong các thiết bị đo liều, bộ phận quan trọng đầu tiên là đầu dò bức xạ. Dưới đây trình bày một số lý thuyết về ống đếm Geiger-Mueller được sử dụng trong đồ án. 1.2. Ống đếm Geiger-Mueller (GM) 1.2.1. Cấu tạo, nguyên tắc hoạt động của ống đếm khí Hoạt động của các ống đếm khí dựa trên hiện tượng iôn hóa của các phần tử khí dọc theo đường đi của hạt mang điện khi chúng rơi vào môi trường khí. Về hình thức cấu tạo, ống đếm khí tương tự như một tụ điện (hình 1-1): hai cực của ống đếm là anốt và catốt đúng vai trò như hai bản tụ, lớp khí giữa hai bản cực giống như lớp điện môi của tụ điện. Điện áp một chiều thích hợp được Lê Vũ Văn 8 Đồ án tốt nghiệp Đo liều lượng bức xạ bằng phương pháp đo khoảng thời gian giữa hai sự kiện đặt lên hai bản cực tạo ra một điện trường đủ mạnh để đưa các e – , iôn (+) (kết quả iôn hóa khí của bức xạ tới) về anốt và catốt tương ứng. Vì vậy, từ đầu ra của ống đếm sẽ có tín hiệu điện mỗi khi có hạt bức xạ rơi vào. Hình 1-1: Sơ đồ nguyên tắc hoạt động của ống đếm khí [4] Độ lớn của điện áp một chiều đặt vào hai cực của ống đếm khí có ảnh hưởng mạnh tới đặc điểm của quá trình iôn hóa khí. Chính sự khác nhau về đặc điểm của quá trình iôn hóa khí dưới các vùng điện áp nuôi khác nhau đã tạo nên các loại ống đếm khí khác nhau như buồng iôn hóa, ống đếm tỷ lệ, ống đếm Geiger–Muller. Sự khác nhau về vùng điện áp làm việc giữa các loại đầu dò khí làm việc ở chế độ xung được minh họa trên hình 1-2. Hình 1-2: Vùng điện áp làm việc của các loại ống đếm khí [6] Lê Vũ Văn 9 Đồ án tốt nghiệp Đo liều lượng bức xạ bằng phương pháp đo khoảng thời gian giữa hai sự kiện Ở điện áp thấp (vùng 1), điện trường trong ống đếm yếu nên các e – , iôn (+), tạo ra bởi sự iôn hóa ban đầu của hạt tới, có thể tái hợp lại với nhau. Vì vậy số cặp (e – , iôn +) về góp ở các điện cực tương ứng nhỏ hơn số cặp tạo ra. Sự tái hợp giảm đi theo sự tăng của điện áp nuôi nên biên độ xung cũng tăng dần theo điện áp. Dưới điện trường đủ mạnh (vùng 2), có thể bỏ qua sự tái hợp (e – , iôn +) dọc đường trôi về các cực nên gần đúng coi lượng điện tích đến góp ở điện cực bằng lượng điện tích tạo ra. Khi , iôn +) sẽ được tạo ra trong ống đếm. Trong khi các e – nhanh chóng trôi về anốt thì các iôn (+) với khối lượng lớn hơn, sẽ chuyển độngcường độ rọi bức xạ không thay đổi thì tốc độ tạo cặp (e – , iôn +) là một hằng số. Vì vậy, biên độ xung ra sẽ đạt đến bão hòa. Vùng (2) là vùng làm việc của vùng buồng iôn hóa. Nếu tiếp tục tăng điện áp nuôi, điện trường trong ống đếm sẽ mạnh lên. Các electron, do khối lượng nhỏ, khi chuyển động trong điện trường mạnh sẽ thu được năng lượng lớn có thể đủ để iôn hóa các phân tử khí khác (gọi đó là iôn hóa thứ cấp). Vì thế số e – đến anốt được nhân lên. Ta nói rằng ống đếm có sự khuếch đại khí. Nhờ quá trình này, biên độ xung ra tăng lên. Sự khếch đại khí trong miền (3) có đặc điểm tuyến tính. Nghĩa là, lượng điện tích được góp, tức biên độ xung, tỷ lệ tuyến tính với số cặp (e – , iôn +) tạo ra ban đầu. Đây là vùng làm việc của ống đếm tỷ lệ. Khi tăng điện áp nuôi thêm nữa (vùng 4), sự khuếch đại khí trở nên càng mạnh hơn, một lượng lớn các phần tử dẫn (e – chậm hơn, còn đang trên đường tới catốt. Sự có mặt một lượng lớn các điện tích (+) chậm phân tán trong khoảng không gian giữa hai cực (giống như đám mây mang điện dương) sau mỗi lần có Lê Vũ Văn 10 Đồ án tốt nghiệp Đo liều lượng bức xạ bằng phương pháp đo khoảng thời gian giữa hai sự kiện hạt bức xạ rơi vào ống đếm sẽ làm méo điện trường và do đó kìm hãm sự iôn hóa thứ cấp tiếp theo. Kết quả là, sự khuếch đại khí không còn tuyến tính nữa. Vùng (4) gọi là vùng tỷ lệ hạn chế. Trong vùng (5), điện trường rất mạnh khiến cho quá trình iôn hóa thứ cấp trở nên chiếm ưu thế hoàn toàn. Nhờ đó các e – trên đường tới anốt được nhân lên rất mạnh thành dòng thác e – . Mỗi e – trong thác lại có thể khởi động một thác khác, nên chỉ sau một thời gian rất ngắn, ống đếm bị phóng điện. Đặc điểm của vùng (5) sự khuếch đại khí rất mạnh, do các quá trình iôn hóa thứ cấp chi phối và nó xảy ra bất chấp số cặp (e – , iôn +) tạo ra ban đầu là bao nhiêu. Vì vậy, xung ra gần như có cùng biên độ và không phản ánh bất cứ tính chất nào của hạt. Cùng với quá trình phát triển thác, đám mây dày đặc tích điện dương sẽ làm giảm nghiêm trọng điện trường trong ống đếm. Do đó, sự phát triển thác sẽ bị hạn chế đi đến kết thúc (trong những điều kiện nhất định). Đây là vùng làm việc của ống đếm Geiger-Mueller tự tắt. Nhìn chung, ống đếm GM có cấu tạo hình trụ tương tự ống đếm tỉ lệ. Vỏ trụ đảm nhiệm luôn vai trò của Catốt và thường nối đất. Anốt là một sợi dây kim loại rất mảnh được căng dọc theo trục ống trụ. Tuy nhiên vì biên độ xung ra từ ống GM đều giống nhau và không cho thông tin gì về hạt bức xạ nên yêu cầu về độ đồng đều, độ nhẵn của dây Anốt không đòi hỏi khắt khe. Sơ đồ điện của ống đếm như hình 1-3. Lê Vũ Văn 11 Đồ án tốt nghiệp Đo liều lượng bức xạ bằng phương pháp đo khoảng thời gian giữa hai sự kiện Hình 1-3: Sơ đồ mắc ống đếm [2, 6] Ở hình học trụ, như đã biết, điện trường ở tại điểm có bán kính r tính từ tâm cho bởi công thức: ( ) a b r V r ln 0 = ξ (1-1) Trong đó: V 0 là điện áp nuôi giữa anốt và catốt (cỡ một vài nghìn Vôn) a là bán kính anốt b là bán kính catốt Các ống đếm GM trụ thông thường có a cỡ 10 –3 ÷ 10 –2 cm, b cỡ cm. Nếu lấy V 0 =2000V, một ống đếm trụ có a=0,008 cm, b=1 cm, từ biểu thức (1-1) có thể thấy cường độ điện trường sát anốt rất lớn, vào khoảng 5x10 6 V/m. Cường độ điện trường rất lớn gần anốt và giảm rất nhanh theo bán kính r trong ống đếm trụ trên hình 1-4. Lê Vũ Văn 12 Đồ án tốt nghiệp Đo liều lượng bức xạ bằng phương pháp đo khoảng thời gian giữa hai sự kiện Nếu hai bản cực có dạng phẳng thì điện trường đều, hệ số khuếch đại khí sẽ phụ thuộc hàm mũ vào vị trí iôn hóa ban đầu r 0 . Tuy nhiên trong ống đếm dạng trụ, điện trường chỉ có giá trị lớn ở sát anốt (hình 1-4). Do đó, sự khuếch đại khí chỉ thực sự bắt đầu từ vị trí (ký hiệu r c ), mà từ đó đến anốt, điện trường lớn hơn ngưỡng để tạo cho e – có đủ năng lượng iôn hóa phần tử khí khác. Vì r c rất nhỏ nên miền khuếch đại khí (bán kính trải từ a tới r c ) có thể tích rất bé so với toàn bộ thể tích của ống đếm. Vì vậy, sự iôn hóa ban đầu xem như xảy ra ở ngoài miền khuếch đại khí. Chỉ khi e – rơi vào miền khí sát anốt, vùng gạch chéo trên hình (2-13) thì chúng mới khởi động quá trình phát triển thác. Hơn nữa, sự iôn hóa trong miền khuếch đại khí mạnh hơn hàng nghìn lần sự iôn hóa ở ngoài vùng này nên vị trí iôn hóa ban đầu (r 0 ) không còn quan trọng nữa. Mỗi một e – , dù ban đầu được sinh ra ở đâu đó ngoài r c (r > r c ), một khi đã rơi vào miền khuếch đại khí đều được nhân lên gần như với cùng một hệ số khuếch đại M. Vì vậy, biên độ xung ra từ ống đếm GM xem như không phụ Lê Vũ Văn ξ (r) b a r C r Miền khuếch đại khí (miền xảy ra iôn hóa ) Hình 1-4: Phân bố cường độ điện trường trong ống đếm trụ [6] 13 Đồ án tốt nghiệp Đo liều lượng bức xạ bằng phương pháp đo khoảng thời gian giữa hai sự kiện thuộc vào vị trí iôn hóa ban đầu. Nói cách khác biên độ xung không cho thông tin gì về tính chất của hạt tới. Biên độ xung ra từ ống đếm GM rất lớn, cỡ Vôn. Với các ưu điểm như đơn giản trong sử dụng, rẻ tiền, ống đếm GM là một lựa chọn hợp lý cho các hệ đo chỉ dùng để đếm hạt. Nhược điểm cơ bản của chúng là: thời gian chết lớn nên ống đếm GM chỉ hạn chế trong các ứng dụng với tốc độ đếm thấp (cỡ vài trăm đến ngàn xung trên giây). Một số ống đếm GM có thời gian làm việc ngắn. 1.2.1. Các quá trình diễn ra trong ống đếm GM. a. Sự phóng điện Giả sử, một hạt bức xạ rơi vào ống đếm trụ và tạo ra N 0 cặp iôn ở vị trí r 0 như trên hình (2-12). Dưới điện trường, các e – trôi về phía anốt được tăng tốc, nên chúng thu được năng lượng. Với điện trường đủ mạnh lớn hơn ngưỡng nào đó, năng lượng của e – trở nên lớn hơn thế iôn hóa khí. Vì vậy khi xảy ra va chạm với các phân tử khí trung hòa, e – có thể iôn hóa khí để tạo ra các (e – , iôn) mới (iôn hóa thứ cấp). Các e – mới được giải phóng lại được tăng tốc và lại có thể iôn hóa các phân tử khí khác… Quá trình nhân e – cứ tiếp diễn liên tục như vậy tạo nên một dòng thác e – khi chúng chuyển động đến anốt và do đó số cặp (e – , iôn) đến gúp ở các điện cực được nhân lên nhiều lần so với số cặp (e – , iôn) tạo ra ban đầu. Ta nói, trong ống đếm có sự khuếch đại khí. Lê Vũ Văn [...]... chính/phụ (Master/Slave), điều khiển xuất nhập Lê Vũ Văn 30 Đồ án tốt nghiệp Đo liều lượng bức xạ bằng phương pháp đo khoảng thời gian giữa hai sự kiện Hình 2-5: Sơ đồ khối của PIC16F877A[1] Lê Vũ Văn 31 Đồ án tốt nghiệp Đo liều lượng bức xạ bằng phương pháp đo khoảng thời gian giữa hai sự kiện 2.2.2.3 Timer/Counter (Bộ định thời/ Bộ đếm) a) Timer0 Bộ Timer0 có các đặc trưng sau: + Là bộ timer/counter... nghiệp Đo liều lượng bức xạ bằng phương pháp đo khoảng thời gian giữa hai sự kiện PHẦN 2-THIẾT KẾ MÁY ĐO LIỀU GAMMA THEO PHƯƠNG PHÁP ĐO KHOẢNG THỜI GIAN GIỮA CÁC SỰ KIỆN 2.1 Sơ đồ khối và nguyên lý hoạt động của mạch Hình 2-1 - Sơ đồ khối Hoạt động của mạch được mô tả như hình 2-1 Khi mạch được cấp nguồn, vi điều khiển xuất xung điều khiển Xung điều khiển vừa bật cao áp, vừa điều khiển bộ thời gian mở... được ghi Vì vậy thời gian phân giải τ của ống đếm GM thường nằm giữa τ τ hp ch và , tức vào cỡ 10–4 s Vì vậy ống đếm GM là loại ống đếm chậm, khi làm việc với tốc độ hạt cỡ 103/s trở nên, sự hiệu chỉnh số đếm đo được trở nên cần thiết Lê Vũ Văn 18 Đồ án tốt nghiệp Đo liều lượng bức xạ bằng phương pháp đo khoảng thời gian giữa hai sự kiện Hình 1-5: Thời gian chết, thời gian phân giải, thời gian hồi phục... đóng lại Vi điều khiển sẽ đếm thời gian được quy đổi từ lúc bắt đầu có xung tới khi kết thúc theo công thức: T=1/f (µs) với T - thời gian đo (đơn vị là µs) f - tần số xung từ IC555 (đơn vị là kHz) Lê Vũ Văn 36 Đồ án tốt nghiệp Đo liều lượng bức xạ bằng phương pháp đo khoảng thời gian giữa hai sự kiện Hoạt động: Tụ C20 được nối với lối vào của hai bộ so sánh của IC555 Nhờ có sự phóng nạp của tụ C20 mà... điều khiển xuất xung điều khiển Xung điều khiển vừa bật cao áp, vừa điều khiển bộ thời gian mở sau thời gian trễ τ (thời gian để cao áp đạt giá trị làm việc của ống đếm) để phát xung vào bộ đếm Lê Vũ Văn 22 Đồ án tốt nghiệp Đo liều lượng bức xạ bằng phương pháp đo khoảng thời gian giữa hai sự kiện Khi bức xạ rơi vào ống đếm gây ion hóa chất khí tạo ra các hạt mang điện Các electron và ion di chuyển về... nghiệp Đo liều lượng bức xạ bằng phương pháp đo khoảng thời gian giữa hai sự kiện 1.2.2 Thời gian phân giải của ống đếm GM Như đã thấy ở trên, sau mỗi lần phóng điện, mật độ iôn (+) tạo ra rất lớn làm cho điện trường trong ống đếm giảm mạnh đến mức không thể xảy ra phóng điện mới nếu như có một hạt bức xạ tiếp theo rơi vào đúng thời điểm điện trường bị suy yếu mạnh nhất Ống đếm có một thời gian chết τ... tính bằng cổng COM qua chân 25, 26 + Vi điều khiển đưa chỉ thị ra LCD qua các chân 2, 3, 4, 5, 7, 8 + Chân 1 là chân reset Để vi điều khiển có thể hoạt động cần cấp nguồn nuôi 5V và xung dao động Xung này được cấp bởi mạch dao động gồm thạch anh (Y1) 4MHz, các tụ điện C9, C11 Lê Vũ Văn 35 Đồ án tốt nghiệp Đo liều lượng bức xạ bằng phương pháp đo khoảng thời gian giữa hai sự kiện 2.2.3 Bộ đo thời gian. .. không bằng cách set hoặc xóa bit điều khiển TMR1IE (PIE1) Chế độ hoạt động của Timer1 được điều khiển bởi bit lựa chọn xung clock TMR1CS (T1CON) Ở chế độ định thời, giá trị Timer1 tăng sau mỗi chu kỳ Lê Vũ Văn 33 Đồ án tốt nghiệp Đo liều lượng bức xạ bằng phương pháp đo khoảng thời gian giữa hai sự kiện lệnh Còn ở chế độ đếm, giá trị Timer1 tăng sau sườn dương của đầu vào xung clock ngoài Bằng. .. như trên hình 2-8 + Vi điều khiển xuất xung điều khiển cao áp ra chân 16 + Xung từ bộ đo thời gian đưa vào bộ đếm timer1 qua chân 15 + Xung ngắt ngoài đưa vào chân 33 (RB0) + Chân 13, 14 nối với thạch anh 4MHz Lê Vũ Văn 34 Đồ án tốt nghiệp INTERRUPT Đo liều lượng bức xạ bằng phương pháp đo khoảng thời gian giữa hai sự kiện U5 1 PIC16F877 2 25 U9A 3 JP3 CD4011BCN RS-232 26 15 16 17 18 23 24 OSC2 T1CLK... 3 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 330k 1N4148 R3 100k 12V JP1 HEADER 10 R1 LCD0 D1 24 Đồ án tốt nghiệp Đo liều lượng bức xạ bằng phương pháp đo khoảng thời gian giữa hai sự kiện Khối cao áp có nhiệm vụ cấp điện áp từ vài trăm V đến vài kV cho đầu ghi bức xạ tùy loại Đồ án này sử dụng ống đếm GM halogen nên cao áp khoảng 400V là đủ cho ống đếm hoạt động Sơ đồ nguyên lý như hình 2-3 Nguồn cao áp hoạt động dựa . tốt nghiệp Đo liều lượng bức xạ bằng phương pháp đo khoảng thời gian giữa hai sự kiện PHẦN 1-TỔNG QUAN VỀ CÁC THIẾT BỊ ĐO LIỀU LƯỢNG BỨC XẠ 1.1. Cơ sở vật lý của đo liều lượng bức xạ Lượng tử tương. Văn 21 Đồ án tốt nghiệp Đo liều lượng bức xạ bằng phương pháp đo khoảng thời gian giữa hai sự kiện PHẦN 2-THIẾT KẾ MÁY ĐO LIỀU GAMMA THEO PHƯƠNG PHÁP ĐO KHOẢNG THỜI GIAN GIỮA CÁC SỰ KIỆN 2.1. Sơ đồ. đếm đo được trở nên cần thiết. Lê Vũ Văn 18 Đồ án tốt nghiệp Đo liều lượng bức xạ bằng phương pháp đo khoảng thời gian giữa hai sự kiện Hình 1-5: Thời gian chết, thời gian phân giải, thời gian