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

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.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
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 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 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 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 ...