do an tot nghiep == le vu van == final

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



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



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



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



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



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



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



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:

(1-1)

Trong đó:

V0 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 10–310–2 cm, b cỡ cm.

Nếu lấy V0=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 5x106 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



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 r0. 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 rc), 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 rc

rất nhỏ nên miền khuếch đại khí (bán kính trải từ a tới rc) 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 (r0) không còn quan trọng

nữa. Mỗi một e–, dù ban đầu được sinh ra ở đâu đó ngoài rc (r > rc), 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

(r)

ba rC 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



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 N0 cặp iôn ở vị trí r0

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

14



Để xảy ra sự phóng điện trong ống đếm GM, bên cạnh quá trình iôn hóa

thứ cấp do va chạm, phải kể đến vai trò rất quan trọng của các phôtôn nằm trong

vùng nhìn thấy và vùng từ ngoại phát ra từ các phần tử khí kích thích.

Thật vậy, các phôtôn này có thể bị khí hấp thụ lại hoặc có thể đến đập vào

Catốt. Các tương tác này đều có thể dẫn tới giải phóng e– tự do. Các e– sẽ trôi về

anốt gây ra thác điện tích. Cứ như vậy thác lan truyền rất nhanh dọc theo dây

anốt. Ống đếm sẽ phóng điện trong vài trăm micro giây (µs).

Trong ống đếm GM, hệ số khuếch đại khí M rất lớn, cỡ từ 106108. Do

đó, xác xuất giải phóng các e– từ quá trình quang điện là rất lớn. Có thể nói các

phôtôn có vai trò then chốt giúp cho thác e– lan truyền nhanh theo Anốt.

b. Sự dập tắt phóng điện.

Sau mỗi lần phóng điện (ghi hạt) cần phải dập tắt sự phóng điện đó để ống

đếm có thể ghi hạt mới tiếp theo.

Sự dập tắt phóng điện trong ống đếm GM do đóng góp của các yếu tố sau

đây:

- Mật độ điện tích dương rất cao tạo ra trong ống đếm sau mỗi lần phóng

điện làm giảm mạnh điện trường xuống tới mức không đủ để nhân e– thêm

nữa.

- Cơ cấu khí nạp vào ống đếm giúp ngăn cản sự giải phóng e– tự do từ các

quá trình thứ cấp. Thành phần khí nạp vào ống đếm GM gồm (9095)%

khí trơ (phổ biến là Ar và He) và khoảng (510)% khí đa nguyên tử giữ

Lê Vũ Văn

15



chức năng dập tắt phóng điện nên gọi là khí dập tắt. Khí dập tắt được chọn

sao cho thế iôn hóa của nó thấp.

Khi ống đếm chỉ dùng một loại khí trơ, ví dụ Ar, thì sau khi phóng điện

các iôn Ar+ trôi về Catốt. Nếu năng lượng của chúng lớn hơn 2 lần công thoát

của Catốt, thì sau khi iôn Ar+ trung hòa trên đó, chúng có thể bứt thêm e– mới.

Các e– này rơi vào gần Anốt có thể gây ra phóng điện. Vì thời gian iôn (+) trôi từ

vùng thác gần Anốt về Catốt khá lớn (cỡ 10–4 s) nên sự phóng điện gây bởi e– (có

nguồn gốc từ va đập của các iôn (+) trên Catốt) sẽ kéo dài sự phóng điện của tín

hiệu trước đó, hình thành nên các xung kéo dài (xung đa bậc).

Số cặp iôn tạo ra trong 1 lần phóng điện rất lớn, cỡ 1091010 nên xác xuất

xảy ra phóng điện kéo dài rất lớn.

Khí dập tắt sẽ ngăn cản sự phóng điện kéo dài bằng cơ cấu va chạm. Thật

vậy, sau mỗi lần phóng điện, mật độ các iôn (+), chủ yếu là của khí trơ, sẽ rất

cao, xác xuất va chạm của chúng với các phân tử khí trung hòa rất lớn, trong số

đó có nhiều phân tử khí dập tắt. Trong va chạm, do thế iôn hóa của khí dập tắt

thấp nên các phân tử khí dập tắt sẽ bị iôn hóa bởi các iôn (+) của khí trơ. Vì vậy

đến Catốt chủ yếu là các iôn (+) của khí dập tắt. Các iôn này sau khi trung hòa

trên Catốt thường phân ly chứ không bứt thêm e– dù cho còn dư thừa năng lượng.

Ngoài ra, khí dập tắt cần hấp thụ mạnh các phôtôn hồng ngoại và tử ngoại phát

ra từ các phân tử khí trơ bị kích thích, giảm bớt sự phát xạ e – quang điện, nên

cũng góp phần ngăn ngừa sự phóng điện kéo dài. Khí dập tắt thường chọn là các

khí hữu cơ như C2H5OH, CH3OH,… Với việc chọn tỷ lệ thích hợp giữa khí trơ

và khí dập tắt, sự phóng điện có thể tự ngừng lại.

Lê Vũ Văn

16



- Tác động từ bên ngoài

Với việc chọn điện trở tải R lớn, sụt áp trên R khi có phóng điện VRmax lớn

sẽ làm cho điện áp giữa hai cực của ống đếm giảm xuống tới giá trị

. Nếu V nhỏ hơn ngưỡng cần thiết gây ra một điện trường đủ mạnh

để sự khuếch đại khí có thể xảy ra thì các thác điện tử thứ cấp (khối phát bởi

phôtôn) không thể tiếp tục xảy ra. Sự phóng điện vì thế sẽ bị dập tắt. Muốn vậy,

cần chọn R lớn cỡ 108 để hằng số thời gian góp điện tích RC cỡ ms (C: điện

dung ký sinh). Nhược điểm của việc chọn R lớn là ống đếm làm việc chậm do

mất thời gian khá dài để dập tắt phóng điện.

Nếu không sử dụng yếu tố dập tắt từ bên ngoài, giá trị của R thường được

chọn sao cho RC cỡ vài s, tương ứng với thành phần nhanh của sườn xung.

Trong quá trình sử dụng, các phân tử khí dập tắt bị tiêu hao dần do bị phân

ly. Vì vậy, ống đếm GM thường chỉ đếm được 1091010 xung. Sau đó chức năng

làm ngừng phóng điện của khí dập tắt kém dần, không còn như trước.

Các ống đếm GM dùng khí halogen như Cl2, Br2 làm khí dập tắt, gọi là

ống đếm Halogen. Vì quá trình biến đổi Cl2 Cl + Cl; Br2 Br + Br. Có thể

diễn ra theo chiều ngược lại nên thời hạn của ống đếm Halogen tăng lên nhiều.

Tuy nhiên, vì khí Halogen thuộc loại khí âm nên chúng chỉ có thể có mặt trong

ống đếm với một lượng rất nhỏ (chỉ khoảng 0,1%). Mặt khác khí Halogen hoạt

tính hóa học mạnh khi có phóng điện, một số phản ứng xảy ra trên khí này sẽ tạo

ra các sản phẩm gây nhiễm bẩn bề mặt dây Anốt và Catốt và dẫn đến sự thoái

hóa của ống đếm.

Lê Vũ Văn

17



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 ch nào đó, được xác định

bởi khoảng thời gian giữa thời điểm xung trước đó bắt đầu tạo thành và thời

điểm sự phóng điện tiếp theo sau có thể phát triển được (hình 1-5).

Thời gian chết của các ống GM thông thường trong khoảng từ 50100s.

Khi các iôn (+) trôi về phía Catốt, điện trường hồi phục dần. Tương tác của bức

xạ xảy ra trong thời gian này sẽ gây ra các xung có biên độ nhỏ, nhưng biên độ

tăng dần khi các iôn (+) càng gần về Catốt.

Điện trường sẽ hồi phục hoàn toàn khi toàn bộ các ion (+) tới Catốt. Thời

gian hồi phục của ống đếm GM là thời gian cần thiết để điện trường trong ống

đếm trở về trạng thái ban đầu. Sau thời gian hồi phục, sự phóng điện gây bởi hạt

tiếp theo gây ra xung có biên độ bằng với biên độ gây bởi hạt rơi vào trước đó.

Vì biên độ xung ra từ ống đếm GM rất lớn, nên xung xuất hiện trong giai

đoạn hồi phục tuy có biên độ nhỏ hơn nhưng nếu vượt qua ngưỡng nhạy của

thiết bị điện tử theo sau ống đếm thì vẫn có thể được ghi.

Vì vậy thời gian phân giải của ống đếm GM thường nằm giữa ch và hp,

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



Hình 1-5: Thời gian chết, thời gian phân giải, thời gian hồi phục của ống

đếm GM[6]

Vậy thời gian phân giải của ống đếm GM không chỉ phụ thuộc vào mức

độ hồi phục của điện trường trong ống đếm mà còn phụ thuộc vào đặc điểm tạo

dạng và độ nhạy của khối xử lý xung sau ống đếm.

1.2.3. Đặc trưng đếm của ống đếm GM.

Đặc trưng đếm của ống đếm GM có dạng như trên hình 1-6. Nhìn chung,

Plato của ống đếm GM dốc hơn so với ống đếm tỷ lệ. Nguyên nhân dẫn đến sự

nghiêng này có thể kể đến là:

- Khi điện áp tăng , điện trường ở hai đầu ống đếm được mở rộng thêm và

mạnh hơn trước nên sẽ có thêm hạt rơi vào vùng này được ghi.

- Cơ cấu dập tắt phóng điện kém hiệu quả, sự phóng điện thứ cấp gây bởi

các e– tự do (kết quả va chạm giữa ion (+) với Catốt) thường xuất hiện

chậm sau tín hiệu thật nên dễ gây xung giả (vì ion (+) phải mất một thời

gian 10–4 s để đi từ nơi sinh ra (gần anốt) tới Catốt).

Lê Vũ Văn

19



- Mật độ ion (+) trong ống đếm GM lớn nên xác xuất gây xung giả rất lớn.

Các xung sinh ra trong thời gian điện trường chưa hồi phục có biên độ

nhỏ. Khi điện áp tăng, các xung có biên độ nhỏ có nhiều khả năng được

ghi hơn. Vì vậy, khi đo đặc trưng đếm để chọn điện áp nuôi thích hợp nên

cho ống đếm làm việc với tốc độ đếm thấp, cỡ vài trăm xung/s ở vùng

Plato.

Ở cuối Plato, nơi điện áp rất lớn, tốc độ đếm tăng đột ngột. Đó là do cơ

cấu dập tắt hoàn toàn mất tác dụng và lượng xung giả tăng đột biến. Ống đếm bắt

đầu phóng điện liên tục. Người sử dụng cần giảm ngay điện áp nuôi khi quan sát

thấy điểm cuối này để tránh những hỏng hóc có thể xảy ra.

Hình 1-6: Đặc trưng đếm của ống đếm GM[6]

Các ống đếm GM dùng khí dập tắt hữu cơ có Platô bằng phẳng nhất, độ

nghiêng chỉ khoảng (2–3)% tính trên 100V. Các ống đếm Halogen có Platô

nghiêng hơn nhưng bù lại có thời hạn làm việc dài hơn.

Điện áp làm việc được chọn ở đoạn đầu của Platô để đảm bảo sự ổn định

tốt nhất cho ống đếm trong khi hoạt động với một điện áp nuôi ở mức thấp có thể

được. Ống đếm chứa hỗn hợp (Ar + rượu) thường làm việc ở điện áp trên

Lê Vũ Văn

20



1000V. Trong khi đó, đối với ống đếm halogen chứa khí (Ne + Br2) thì điện áp

này chỉ cỡ (200300)V.

Hỗn hợp khí chứa trong ống đếm Halogen thường là Ne (khí chính) với

khoảng 0,1% Br2 và khoảng 0,1% Ar. Thế iôn hóa khí Ne rất lớn

(Iiôn(Ne)=21,5eV) nên với điện áp nuôi vài trăm vôn, các e– (mà bức xạ tới tạo ra)

khi chuyển động trong điện trường chỉ đủ năng lượng để kích thích các phần tử

khí Neon. Nhưng sự va chạm giữa các phần tử Ar với các phân tử Ne (xác xuất

xảy ra va chạm giữa chúng rất lớn) đã thúc đẩy nhanh khí Ne giải phóng năng

lượng kích thích bằng cách phát xạ phôtôn và chính các phôtôn này, thông qua

hấp thụ quang điện, giúp cho thác điện tử phát triển mau chóng dọc theo anốt,

gây phóng điện trên toàn ống đếm ngay ở điện áp thấp. Vì vậy, sự có mặt một

lượng nhỏ khí Ar trong ống đếm halogen đã làm cho ống đếm làm việc ở điện áp

nuôi thấp hơn so với ống đếm GM dùng khí dập tắt hữu cơ.

Trạng thái kích thích đầu tiên của khí Neon là trạng thái giả bền. Nếu các

phôtôn bị giải phóng “chậm” từ các trạng thái kích thích này thì các e – sinh ra

“muộn” có thể khởi động sự phóng điện mới, gây ra xung giả. Vì vậy, sự va

chạm giữa phân tử khí Ar với phân tử khí Ne, buộc Ne phải nhanh chóng rời bỏ

trạng thái kích thích và do đó hạn chế bớt các xung giả gây bởi các e– quang điện

sinh ra muộn. Tuy vậy, lượng xung giả trong ống đếm Halogen thường lớn hơn

lượng xung giả trong ống đếm GM chứa khí dập tắt là khí hữu cơ. Xung giả cũng

tăng lên theo điện áp nuôi nên Platô của ống đếm halogen dốc hơn.

Lê Vũ Văn

21



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 sau thời gian trễ (thời

gian để cao áp đạt giá trị làm việc của ống đếm) để phát xung vào bộ đếm.

Lê Vũ Văn

22



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 các cực dưới điện trường lớn gây ra thác điện

tích tạo thành tín hiệu điện tại đầu ra của ống đếm. Tín hiệu qua bộ hình thành

xung qua Trigơ RS làm lật trạng thái của Trigơ sẽ điều khiển bộ thời gian đóng

lại đồng thời làm ngắt cao áp.

Vi điều khiển sẽ đếm khoảng thời gian từ lúc bộ thời gian bắt đầu phát

xung vào bộ đếm tới khi đóng. Số đếm sẽ được truyền ra máy tính. Để tiếp tục

đếm với xung tiếp theo vi điều khiển điều khiển cho cao áp hoạt động trở lại.

Quá trình được lặp lại như trên. Khoảng thời gian vi điều khiển đếm được tỉ lệ

với suất liều đo. Nếu khoảng thời gian đó càng nhỏ tức số hạt bức xạ được ghi

nhận càng lớn, do đó suất liều tại vị trí đo lớn. Ngược lại, nếu khoảng thời gian

đo được lớn tức số hạt bức xạ được ghi nhận nhỏ, do đó suất liều tại vị trí đo

nhỏ.

Để thực hiện ý tưởng trên mạch nguyên lý bao gồm các khối nguồn nuôi

cấp điện áp thấp áp cho toàn mạch, khối cao áp cấp cao áp nuôi đầu ghi, ống

đếm GM để ghi nhận bức xạ, khối điều khiển trung tâm, bộ đo thời gian, khối

giao tiếp máy tính qua cổng COM.

Lê Vũ Văn

23



2.2. Mạch nguyên lý

1

23

U1A

CD4093BCN

5

64

U1B

CD4093BCN

8

910

U1C

CD4093BCN

12

1311

U1D

CD4093BCN

8

3

2

4

1

U2ALM393N

R2

560k

R1

330k

C11N

12V

C6

10UF

GND

GND

31

2

RV2250K

R63K3

R8

1M

C8100N

GNDC10

10NR11

900KGND

R12

200M

2

31

T1C535

VCC

GND

U4LM336

GND

R4100K

12V

R103K3

GND

23

1T2

MPSA42

GND

11

22

3 3

TR1

TRF4

12V

C4100N

GND C5

10nF/2KV

C2

10N/2KV

GND

C7

10N/2KV

GND

C12

10nF/2KV

C13

10N/2KV

GND

GND

R91M

HV

HV

84

5

67

U2B

LM393N

R15

1M

R14

1M

R20

2.2M

C1510N/2KV

GND

12

JP2

GM

GND

C14

100PF/3KV

GND

R131M

31

2

RV3250K

GND

VREF

VREF

GND

12V

R19

10k

GND

R72.2M

R1710K

VCC

12

JP4

CON2

GND

12V

C21

220UF

C23

100N

1000T100T

0T

R3100k

VP

P1

AN02

AN13

AN24

AN35

T0CKL 6

AN47

AN58

AN69

AN710

OSC113

OSC214

T1CLK15

RC116

RC217

RC318

RD0 19RD1 20RD2 21RD3 22

RC423

RX

26

RD4 27RD5 28RD6 29RD7 30

RB0 33RB1 34RB2 35RB3 36RB4 37RB5 38RB6 39RB7 40

RC524 TX

25

U5

PIC

16F877

R1610k

R2110k

VCC

VCC

VCC

C16

100pF

C18

100pF

1

23

U3A

CD4011BCN

5

64

U3B

CD4011BCN

1

23

U6A

CD4011BCN

5

64

U6B

CD4011BCN

VCC

8

910

U6C

CD4011BCN

123

U9A

CD4011BCN

5 64

U9B

CD4011BCN

R1850K

RV450K

C17

10N

GND

TRIG2

OUT3

RS

T4

CVOLT 5

THR 6

DISC 7

VC

C8

GN

D1

U7

NE555N

VCC VCC

GNDC28100N

C20100PF

GND

GND

R232K

R258K

VCC

IN1

2

OUT 3

GND

U8 MC78M05CT

GND

VCC

C25

100uF

GND

C26

100N

C27

100N

C24

100N

C22

100N

GND GND GND

Y14MHz

C9

33pfC11

33pf

GND

GND

S1

SW-SPST

R5

100KVCCGND

C3

100N

GND

GNDVCC

31

2RV110K

GND

VCC

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

JP1HEADER 10

GND

LC

D0

LC

D1

LC

D2

LC

D3

LC

D4

LC

D5

LCD0LCD1LCD2LCD3LCD4LCD5

VCC

GND

R2210K

1 2 3

JP3CON3

GND

INTERRUPT

C19

100PFR2450K

GND

Bien ap

D1

1N4148

D2

1N4148D3

1N4148

D61N4148

D7

1N4148

D41N4148

D51N4148

D8

Diode 1N4148D9

Diode 1N4148

RS-232RS-232

Hình 2-2: Sơ đồ nguyên lý toàn mạch

2.2.1 Khối cao áp

1

23

U1A

CD4093BCN

5

64

U1B

CD4093BCN

8

910

U1C

CD4093BCN

12

1311

U1D

CD4093BCN

8

3

2

4

1

U2ALM393N

R2

560k

R1

330k

C11N

12V

C6

10UF

GND

GND

31

2

RV2250K

R63K3

R8

1M

C8100N

GNDC10

10NR11

900KGND

R12

200M

2

31

T1C535

VCC

GND

U4LM336

GND

R4100K

12V

R103K3

GND

2

31T2

MPSA42

GND

11

22

3 3

TR1

TRF4

12V

C4100N

GND C5

10nF/2KV

C2

10N/2KV

GND

C7

10N/2KV

GND

C12

10nF/2KV

C13

10N/2KV

GND

GND

R91M

HV

HV

84

5

67

U2B

LM393N

R15

1M

R14

1M

R20

2.2M

C1510N/2KV

GND

12

JP2

GM

GND

C14

100PF/3KV

GND

R131M

31

2

RV3250K

GND

VREF

VREF

GND

12V

R19

10k

GND

R72.2M

R1710K

VCC

1000T100T

0T

R3100k

R1610k

VCC VCC

C16

100pF

1

23

U3A

CD4011BCN

5

64

U3B

CD4011BCN

VCC

Bien ap

D1

1N4148

D2

1N4148D3

1N4148

D61N4148

D41N4148

D51N4148

Hình 2-3: Khối cao áp

Lê Vũ Văn

24



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 theo nguyên tắc biến đổi DC-DC từ 12V

thành 400V.

IC 4093 là một bộ tự dao động đẩy kéo với biên độ dao động 12V. Dao

động này được nhân lên bởi biến áp và tiếp tục được chỉnh lưu nhân áp bởi hệ

thống điot, tụ điện cho điện áp ra 400V. Cao áp được điều chỉnh tăng giảm bằng

biến trở RV2. Mạch cao áp được ổn áp nhờ khuếch đại thuật toán bằng cách so

sánh một phần cao áp phản hồi về với một điện áp chuẩn để điều khiển biên độ

thế lối vào của mạch cao áp.

2.2.2 Chip vi điều khiển PIC16F877A

Chip vi điều khiển được sử dụng là PIC16F877A. Đây là loại chip vi điều

khiển được chế tạo bằng công nghệ CMOS tiêu thụ nguồn thấp, công nghệ

Flash/EEPROM tốc độ cao có khả năng xóa và lập trình lại và lưu trữ dữ liệu

trong bộ nhớ trên 40 năm. PIC16F877A là dòng vi điều khiển phổ biến tại Việt

Nam, dễ sử dụng và giá thành rẻ.

2.2.2.1. Các đặc điểm kỹ thuật của PIC16F877A

PIC16F877 là một vi điều khiển 8-bit có CPU kiểu kiến trúc RISC hoạt

động hiệu suất cao.

Người sử dụng chỉ phải lập trình với 35 lệnh đơn đơn giản.

Lê Vũ Văn

25



Tất cả các lệnh đều được thực hiện trong một chu kỳ lệnh chỉ trừ các lệnh rẽ

nhánh thực hiện trong hai chu kỳ lệnh.

Tốc độ hoạt động: - Xung clock tối đa 20 MHz

- Chu kỳ lệnh thực hiện trong 200 ns

Dải điện áp nguồn rộng: từ 2.0 V đến 5.5 V

Dòng tiêu thụ: 220 µA (2 V, 4 MHz); 11 µA (2 V, 32kHz); 50 µA (stanby)

Bộ nhớ FLASH 8K x14 words

Bộ nhớ RAM 368 x 8 bytes

Bộ nhớ EEPROM 256 x 8bytes

Có các model 28 chân hoặc 40 hoặc 44 chân phù hợp với nhiều mục đích

khác nhau.

Sơ đồ chân và kiến trúc cơ sở của PIC16F877A được mô tả như hình 2-4 và

2-5.

Lê Vũ Văn

26



2.2.2.2. Chức năng các chân

Hình 2-4: Sơ đồ chân của PIC16F877A[1]

VSS (Chân 12, 31): chân nối đất.

VDD (Chân 11, 32): chân cấp điện áp 5V.

(chân 1): chân reset chính (input) hoặc điện áp nạp chương

trình (output).

OSC1/CLKI (chân 13): lối vào xung thạch anh hoặc xung clock ngoài.

OSC2/CLKO (chân 14): lối ra xung thạch anh hoặc xung clock.

Lê Vũ Văn

27



* Các cổng xuất nhập:

Vi điều khiển tương tác với các linh kiện, thiết bị ngoại vi...qua cổng xuất

nhập (I/O port). Sự tương tác này rất đa dạng và thông qua quá trình tương tác đó

chức năng của vi điều khiển được thể hiện một cách rõ ràng.

Một cổng xuất nhập của vi điều khiển bao gồm nhiều chân xuất nhập (I/O

pin) tùy theo thiết kế và chức năng của vi điều khiển mà số cổng xuất nhập và số

chân trong mỗi cổng có thể khác nhau. Bên cạch đó, do vi điều khiển được tích

hợp sẵn các đặc tính ngoại vi nên bên cạnh chức năng là cổng xuất nhập, một số

chân còn có thêm các chức năng khác để thực hiện chức năng của các ngoại vi

đối với thế giới bên ngoài. Chức năng của từng chân trong các cổng xuất nhập

hoàn toàn có thể được xác lập và điều khiển thông qua điều khiển các thanh ghi

đặc biệt (SFR: Special Function Register) liên quan tới chân xuất nhập đó.

Vi điều khiển PIC16F877A có 5 cổng xuất nhập gồm PORTA, PORTB,

PORTC, PORTD, PORTE.

+ PORTA (Cổng A) (chân 2 đến chân 7): là lối vào/ra số hai chiều; lối vào

tương tự; lối vào điện áp chuẩn A/D; lối vào Timer0 dùng xung ngoài; lối ra điện

áp mẫu bộ so sánh...

Các thanh ghi liên quan đến PORTA bao gồm:

PORTA (địa chỉ 05h): chứa các giá trị pin trong PORTA.

TRISTA (địa chỉ 85h): điều khiển xuất nhập.

CMCON (địa chỉ 9Ch): điều khiển bộ so sánh.

CVRCON (địa chỉ 9Dh): điều khiển bộ so sánh điện áp.

Lê Vũ Văn

28



ADCON1( địa chỉ 9Fh): điều khiển bộ biến đổi tương tự/số (ADC: Analog-

Digital Converter).

+ PORTB (Cổng B) (chân 33 đến chân 40): lối vào/ra số hai chiều; ngắt

ngoài; nạp chương trình ICSP điện áp thấp...

Các thanh ghi liên quan tới PORTB:

PORTB (địa chỉ 06h, 106h): chứa giá trị các pin trong PORTB.

TRISTB (địa chỉ 86h,186h): điều khiển xuất nhập.

OPTION_REG (địa chỉ 81h, 181h): điều khiển ngắt ngoài và Timer0.

+ PORTC (Cổng C) (chân 15÷18, 23÷26): lối vào/ra số hai chiều; lối vào/ra

bộ dao động Timer 1; lối vào bộ bắt giữ xung; lối ra bộ so sánh và bộ điều chế

độ rộng xung...

Các thanh ghi liên quan tới PORTC:

PORTC (địa chỉ 07h): chứa giá trị các pin trong PORTC.

TRISTC (địa chỉ 87h): điều khiển xuất nhập.

+ PORTD (Cổng D) (chân 19÷22, 27÷30): lối vào/ra số hai chiều; cổng dữ

liệu phụ (Slave) song song

Các thanh ghi liên quan tới PORTD:

PORTD (địa chỉ 08h): chứa giá trị các pin trong PORTD.

TRISTD (địa chỉ 88h): điều khiển xuất nhập.

TRISTE (địa chỉ 89h): điều khiển chế độ giao tiếp chính/phụ

(Master/Slave), điều khiển xuất nhập PORTE.

Lê Vũ Văn

29



PORTE (Cổng E) (chân 8÷10): lối vào/ra số hai chiều; đọc/ghi/lựa chọn

điều khiển cổng phụ (Slave) song song.

Các thanh ghi liên quan tới PORTE:

PORTE (địa chỉ 09h): chứa giá trị các pin trong PORTE.

ADCON1( địa chỉ 9Fh): điều khiển bộ biến đổi tương tự/số (ADC: Analog-

Digital Converter).

TRISTE (địa chỉ 89h): điều khiển chế độ giao tiếp chính/phụ

(Master/Slave), điều khiển xuất nhập.

Lê Vũ Văn

30



Hình 2-5: Sơ đồ khối của PIC16F877A[1]

Lê Vũ Văn

31



2.2.2.3 Timer/Counter (Bộ định thời/Bộ đếm)

a) Timer0

Bộ Timer0 có các đặc trưng sau:

+ Là bộ timer/counter 8-bit.

+ Có thể đọc và ghi

+ Cho phép lựa chọn xung clock nội hay ngoại tác động.

+ Ngắt timer0 xảy ra khi tràn giá trị từ 00h đến FFh.

+ Chọn sườn dương tác động đối với xung ngoài.

Sơ đồ khối của Timer0 với bộ chia tần số được mô tả như hình 2-6.

Việc lựa chọn Timer0 làm việc ở chế độ bộ định thời hay bộ đếm dựa trên

thiết lập bit T0CS (OPTION_REG <5>). Để hoạt động ở chế độ định thời bằng

cách xóa bit T0CS. Ở chế độ định thời, giá trị Timer0 tăng sau mỗi chu kỳ lệnh

(không bị chia). Nếu thanh ghi TMR0 được ghi thì giá trị tăng sẽ bị ngừng trong

2 chu kỳ lệnh tiếp theo. Người dùng có thể điều chỉnh giá trị ghi lên thanh ghi

TMR0 một cách linh hoạt. Chế độ bộ đếm được lựa chọn bằng cách đặt bit T0CS

mức 1. Ở chế độ đếm, giá trị Timer0 tăng sau mỗi xung tác động của sườn

dương hoặc sườn âm tại chân RA4/TOCK1.

Timer0 bị ngắt khi giá trị thanh ghi TMR0 tràn từ FFh về 00h. Khi đó cờ

ngắt của Timer0 là TMR0IF được set lên 1. Cờ ngắt phải được xóa bằng chương

trình trước khi bộ đếm thực hiện đếm lại từ đầu.

Lê Vũ Văn

32



Hình 2-6: Sơ đồ khối Timer0[1]

b) Timer1

Timer 1 cũng là bộ định thời/bộ đếm 16-bit bao gồm 2 thanh ghi 8-bit có thể đọc

và ghi (TMR1H và TMR1L). Giá trị của hai thanh ghi TMR1H và TMR1L tăng

từ 0000h đến FFFFh. Timer1 bị ngắt khi xảy ra tràn và bit cờ ngắt TMR1IF

(PIR1<0>) được set lên 1. Có thể điều khiển ngắt này hoạt động hay không bằng

cách set hoặc xóa bit điều khiển TMR1IE (PIE1<0>).

Chế độ hoạt động của Timer1 được điều khiển bởi bit lựa chọn xung clock

TMR1CS (T1CON<1>). Ở chế độ định thời, giá trị Timer1 tăng sau mỗi chu kỳ

Lê Vũ Văn

33



lệnh. Còn ở chế độ đếm, giá trị Timer1 tăng sau sườn dương của đầu vào xung

clock ngoài.

Bằng việc điều khiển bit điều khiển TMR1ON (T1CON<0>) có thể cho phép

Timer1 hoạt động hoặc không hoạt động.

Sơ đồ khối của Timer0 với bộ chia tần số được mô tả như hình 2-7.

Hình 2-7: Sơ đồ khối Timer1[1]

2.2.2.4. Thiết kế phần cứng cho chip vi điều khiển PIC16F877A

Thiết kế phần cứng của vi điều khiển PIC16F877A được mô tả 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



VPP1

AN

02

AN

13

AN

24

AN

35

T0C

KL

6

AN

47

AN

58

AN

69

AN

710

OS

C1

13

OS

C2

14

T1C

LK15

RC

116

RC

217

RC

318

RD

019

RD

120

RD

221

RD

322

RC

423

RX26

RD

427

RD

528

RD

629

RD

730

RB

033

RB

134

RB

235

RB

336

RB

437

RB

538

RB

639

RB

740

RC

524

TX25

U5PIC16F877

1

23

U9A

CD4011BCN

5

64

U9B

CD4011BCN

Y1

4MHzC933pf

C1133pf

GND GND

S1SW-SPST

R5100K

VCC

GND

C3100N

GND

GND

VCC

3 1

2

RV110K

GNDVCC

123456789

10

JP1

HEADER 10

GND

LCD0

LCD1LCD2LCD3LCD4LCD5

LC

D0

LC

D1

LC

D2

LC

D3

LC

D4

LC

D5

VCC GND

R22

10K

123

JP3

CON3

GND

INT

ER

RU

PT

D8Diode 1N4148

D9Diode 1N4148

RS

-232R

S-232

Hình 2-8: Thiết kế phần cứng cho vi điều khiển

+ Vi điều khiển giao tiếp với máy 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



2.2.3. Bộ đo thời gian

5

64

U6B

CD4011BCN

R18

50K

RV450K

C1710N

GND

TRIG2

OUT3

RS

T4

CVOLT5

THR6

DISC7

VC

C8

GN

D1

U7

NE555N

VCC VCC

GND

C20100PF

GND

R232K

R258K

D71N4148

GND

C28100N

VCC

Dem

Xung dieu khien

Hình 2-9: Bộ đo thời gian

Bộ đo thời gian được mô tả như hình 2-9 gồm mạch tạo xung thời gian sử

dụng IC555 và một cổng NAND.

Khi có tín hiệu điều khiển từ PIC, tín hiệu được qua một mạch RC tạo trễ

với thời gian trễ = (R18 + RV4)C17 bằng thời gian hồi phục cao áp của ống đếm.

Sau thời gian cổng NAND được mở cho phép xung từ IC555 phát vào bộ

đếm. Kết thúc xung bức xạ, cổng NAND được 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



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 sơ đồ phát ra xung.

Đường nạp của tụ: +V→R23→R25→+C20→-C20→GND

Thời gian nạp

Ban đầu lối ra bộ so sánh 2 (đầu vào là chân 2) có mức cao (H) nên ban đầu

làm cho tranzito (bên trong IC555) khóa và C20 có thể nạp. Khi điện áp

trên tụ thì lối ra của bộ so sánh 1 (đầu vào là chân 6) có mức cao là

cho nên tranzito mở và tụ bắt đầu phóng.

Đường phóng của tụ: +C20→R25→tranzito→-C20

Do đó thời gian phóng:

Khi điện áp trên tụ thì tại lối ra bộ so sánh 2 có mức cao nên

làm cho tranzito khóa và C20 có thể nạp.

2.3. Ghép nối máy tính qua cổng COM

Cổng COM (hay cổng nối tiếp RS-232) là một trong những chuẩn giao tiếp

phổ biến được dùng để ghép nối thiết bị ngoại vi với máy tính. Cách ghép nối

này sử dụng phương pháp truyền thông theo kiểu nối tiếp trong đó có nhiều bit

được gửi đi dọc theo một đường dẫn. Khác với phương pháp truyền thông theo

kiểu song song, trong đó nhiều bit được gửi đồng thời. Ưu điểm chính của kiểu

ghép nối nối tiếp so với ghép nối song song là một đường dẫn được dùng để

truyền còn một đường khác để nhận.

Lê Vũ Văn

37



Chuẩn RS-232 khi mới ra đời là chuẩn không chính thức nhưng được nhiều

công ty máy tính và thiết bị đo lường chấp nhận. Sau đó, hiệp hội các nhà công

nghiệp điện tử đã xây dựng thành một tiêu chuẩn chính thức vào năm 1962. Tuy

nhiên chuẩn này chỉ cho phép sử dụng đường truyền ngắn với tốc độ thấp.

Có hai phiên bản RS-232 được lưu hành trong một thời gian dài là RS-232B

và RS-232C. Hiện nay, chỉ còn tồn tại chuẩn RS-232C, đôi khi nói ngắn gọn là

RS-232. Chuẩn này quy định khi ghép nối phải sử dụng cùng một loại đầu dây,

vi dụ loại đầu nối 25 chân hoặc 9 chân, được nối theo cùng một cách và phải sử

dụng cùng một mức điện áp khi biểu diễn các số nhị phân 1 và 0 tương ứng. Với

chuẩn này, nếu như mọi người cùng tham gia vào tiêu chuẩn theo cùng một cách

thì có thể kết nối với các thiết bị với cổng COM của các hãng khác nhau, các

mẫu mã khác nhau mà không cần thêm điều kiện nào.

Một trong những tham số đặc trưng cho quá trình truyền nhận dữ liệu qua

cổng COM là tốc độ truyền nhận dữ liệu. Điều đáng chú ý là bộ truyền và nhận

đều phải cùng hoạt động ở xấp xỉ tốc độ đó.

Trong khuôn mẫu khung truyền dị bộ (không đồng bộ), các bit bắt đầu dừng

và bit chẵn lẻ được bổ sung vào 7 bit dành cho ký tự mã ASCII. Như vậy cần

tổng cộng 10 bit để truyền một ký tự đơn. Với 2 bit dừng thì cần tổng cộng 11

bit. Nếu giả thiết có 10 ký tự thì tốc độ truyền tin là 110 bps (bit/giây). Như vậy,

tốc độ được đo theo các bit trong mỗi giây.

Ngoài tốc độ bit, còn có một thuật ngữ khác dùng để mô tả tốc độ truyền là

tốc độ baud. Tốc độ bit phản ánh tốc độ truyền thực tế mà các bit được truyền,

trong khi tốc độ baud liên quan với tốc độ mà các phần tử báo hiệu sự mã hóa

được sử dụng để diễn ra các bit truyền. Do một phần tử báo hiệu sự mã hóa một

Lê Vũ Văn

38



bit nên hai tốc độ là đồng nhất. Chỉ trong các modem, do có thêm các quá trình

biến đổi nên tốc độ bit mới khác tốc độ baud.

2.4. Lập trình cho vi điều khiển PIC16F877A

2.4.1. Chương trình soạn thảo và biên dịch CCS C

Một vi điều khiển muốn hoạt động được cần phải có một chương trình điều

khiển. Vi điều khiển chỉ hiểu và làm việc với hai con số 0 và 1. Lập trình cho vi

điều khiển là làm việc với các con số 0 và 1. Ngày nay các vi điều khiển có kiến

trúc phức tạp hơn và có nhiều thanh ghi lệnh hơn nên đòi hỏi sự ra đời của các

loại ngôn ngữ lập trình. Đầu tiên là ngôn ngữ hợp ngữ (assembly). Sau này khi

ngôn ngữ C ra đời, với các câu lệnh ngắn gọn và dễ hiểu hơn, mã lệnh được tối

ưu khi biên dịch nó dần được thay thế cho ngôn ngữ ASM trong lập trình. Cùng

với đó là sự ra đời của các chương trình soạn thảo và trình biên dịch C cho vi

điều khiển như: CCS C, HT-Pic, Keil C, Mikro C…Trong đồ án này sử dụng

trình soạn thảo và biên dịch CCS C. Đây là một công cụ mạnh cho việc lập trình

bằng ngôn ngữ C.

CCS C giúp người dùng nắm bắt nhanh vi điều khiển PIC và đạt hiệu quả

cao. CCS C chứa rất nhiều hàm phục vụ cho mọi mục đích và có nhiều cách lập

trình mã cho cùng một vấn đề dẫn đến khác nhau về tốc độ thực thi mã và độ dài

chương trình. Sự tối ưu đó là do kỹ năng lập trình của mỗi người dùng. CCS C

cũng có đủ khả năng để không cần phải chèn thêm bất kỳ dòng lệnh

ASSEMBLY (ngôn ngữ hợp ngữ - ngôn ngữ máy) nào. Nhưng CCS C vẫn cho

phép phối hợp với ASSEMBLY cùng với C, như cung cấp tiện ích giám sát hoạt

động của chương trình (C/ASM list) cho phép xem mã ASM của chương trình

Lê Vũ Văn

39



biên dịch, giúp người dùng quản lý mã và nắm được cách thức mã sinh ra và

chạy như thế nào. Và còn nhiều công cụ tiện ích khác trong mục Tool.

Hiện nay có khá nhiều hướng dẫn sử dụng CCS C nhưng quan trọng nhất

vẫn là phần Help của chương trình. Trong đó đã bao gồm tất cả các hướng dẫn

về khai báo biến, sử dụng câu lệnh và các ví dụ cụ thể.

Để bắt đầu một chương trình nhấn tạo một project. Chương trình sẽ khai

báo sẵn các thông số ban đầu như: loại PIC, tên PIC, Timer nào, dùng ở chế độ

gì, có sử dụng, ADC không....Tất cả các lựa chọn đó sẽ chuyển thành lệnh trong

chương trình, có thể xem mã sinh ra ngay trong phần này. Nhiệm vụ của người

lập trình là viết chương trình bằng các lệnh C trong CCS C.

Hình 2-10: Giao diện khởi động của CCS C

Lê Vũ Văn

40



2.4.2. Lưu đồ chương trìnhvới CCS C

Chương trình điều khiển PIC16F877A trong đồ án được mô tả như lưu đồ

hình 2-11.

Hình 2-11: Lưu đồ chương trình điều khiển

Lê Vũ Văn

Bắt đầu

Khởi tạo chương trình

(Đọc các thông số của chương trình, hệ số khớp hàm)

Bật cao áp

Đọc bộ đếm

Tính trung bình

Truyền ra máy tính

Kết thúc

Đợi có xung bức xạ

Khớp hàm

41



Bắt đầu chương trình, vi điều khiển PIC sẽ đọc các thông số khởi tạo ban

đầu trên các thanh ghi, đọc hệ số khớp hàm. Sau đó PIC xuất xung điều khiển ra

chân 16. Có xung điều khiển, cao áp sẽ hoạt động đồng thời bộ đo thời gian phát

xung vào bộ đếm. Đợi có bức xạ được ghi nhận, thì đồng thời bộ đo thời gian bị

đóng, cao áp ngừng hoạt động, và tạo tín hiệu ngắt. Khi đó vi điều khiển sẽ đọc

bộ đếm sau đó lưu số đếm vào bộ đệm để tính trung bình. Từ kết quả trung bình

PIC sẽ gán vào hàm để tính ra suất liều rồi truyền ra máy tính. Sau khi tính toán

PIC điều khiển cao áp hoạt động trở lại để thực hiện quá trình đếm với xung tiếp

theo. Vòng lặp sẽ ngừng khi có điều kiện sai.

Lê Vũ Văn

42



PHẦN 3 - KẾT QUẢ CHUẨN MÁY VÀ ĐO ĐẠC THỬ NGHIỆM

Dưới đây là một số hình ảnh về mạch in và ống đếm GM.

Hình 3-1: Mạch in hoàn thiện

Hình 3-2: Ống đếm GM đã được gá lắp

Lê Vũ Văn

43



Hình 3-3: Ống đếm có vỏ bọc

3.1. Nguồn bức xạ

Sử dụng nguồn Cs-137 có hoạt độ nguồn 37 MBq được đo ngày 28-8-2008

tại Trung tâm an toàn hạt nhân - Viện KH&KT hạt nhân.

Như vậy có thể tính được hoạt độ của nguồn Cs-137 tại thời điểm hiện tại

5/2010. Tính toán bằng phần mềm RadProCalculator do IAEA cung cấp và được

phát hành miễn phí trên mạng internet, hoặc tính toán trực tiếp hoạt độ nguồn

bằng công thức:

(3-1)

Trong đó:

A0, A: hoạt độ nguồn ban đầu và hiện tại (MBq)

: hằng số phân rã (=ln2/T1/2)

T1/2: chu kỳ rã nửa (đối với Cs-137: 30,7 năm)

t: thời gian từ lúc đo hoạt độ ban đầu tới hiện tại

được A = 35.6MBq

Lê Vũ Văn

44



Dùng chương trình RadProCalculator tính toán suất liều tại các vị trí cách

nguồn lần lượt 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70 (cm) được bảng kết quả

như bảng 1.

Bảng 1: Suất liều tại các vị trí cách nguồn một khoảng r (cm)

r (cm) Suất liều (µSv/h)

20 67.89

25 43.44

30 30.16

35 22.16

40 16.96

45 13.4

50 10.85

55 8.97

60 7.53

65 6.42

70 5.53

3.2. Tiến hành đo đạc

Nạp chương trình (phụ lục) cho PIC với giải thuật như lưu đồ hình 2-13.

Đặt nguồn Cs-137 tại vị trí cố định, dịch chuyển ống đếm theo khoảng cách đã

tính liều chiếu như bảng 1. Tiến hành đo tại mỗi vị trí 3 lần, mỗi lần lấy 5 số liệu.

Kết quả được thu thập và có bảng số liệu (phụ lục).

Lê Vũ Văn

45



Sử dụng phần mềm Excel vẽ đồ thị tương quan giữa suất liều và thời gian

như các hình 3-4.

Hình 3-4: Đồ thị chuẩn liều theo thời gian

Có thể thấy tương quan giữa suất liều và giá trị thời gian đọc từ bộ đếm

theo công thức thực nghiệm sau:

y = k.x-1 (3-2)

Với y: suất liều

x: thời gian đo

Từ đồ thị ta xác định được

k = 109

Sau khi xác định được hệ số k=109 đối với máy này, lập trình cho vi điều

khiển chuyển đổi số đếm ra suất liều.

Lê Vũ Văn

46



Từ đồ thị ta thấy suất liều tỉ lệ phi tuyến với số đếm. Kết quả có thể được sử

dụng để chuyển đổi thành suất liều theo công thức (3-2), tuy nhiên đây chưa

phải là kết quả như yêu cầu của bài toán đặt ra.

Có thể giải thích nguyên nhân dẫn tới kết quả đo không tuyến tính như sau.

Thời gian chết của ống đếm vẫn có ảnh hưởng lớn tới kết quả đo. Thời gian hồi

phục cao áp chưa hợp lý. Ngoài ra còn phải kể đến kỹ thuật chế tạo mạch in và

hàn linh kiện, điều này cũng ảnh hưởng lớn tới sai số của kết quả đo. Do đó để

phát triển tiếp đề tài cần tính toán thêm và hiệu chỉnh thời gian chết cho thiết bị

sao cho kết quả đo khả quan hơn.

Lê Vũ Văn

47



PHẦN 4 - KẾT LUẬN

Sau khi hoàn thành đồ án "Đo liều lượng bức xạ bằng phương pháp xác

định khoảng thời gian giữa hai sự kiện", các kết quả đạt được là:

- Hiểu rõ thêm lý thuyết vật lý hạt nhân cũng như điện tử đã học.

- Sử dụng phần mềm Protel DXP thiết kế mạch và chế tạo thành công mạch

điện tử thiết bị đo liều. Kết nối được mạch đo với máy tính.

- Nắm được hoạt động của chip vi điều khiển PIC.

- Kết quả đo đạc ban đầu ổn định.

- Từ kết quả đo tìm ra công thức thực nghiệm chuyển đổi ra suất liều.

- Hiểu rõ hơn quá trình làm thực nghiệm.

Về cơ bản đồ án đã hoàn thành một thiết bị đo liều sử dụng vi điều khiển và

ống đếm GM. Song vẫn còn các hạn chế là:

- Kết quả đo chưa tuyến tính như mong muốn do chưa loại bỏ được ảnh

hưởng thời gian chết của ống đếm.

- Thiết kế mạch in chưa chuyên nghiệp dẫn tới khó khăn trong việc kiểm tra

nếu có lỗi phát sinh.

- Phần lập trình phần mềm điều khiển còn đơn giản, chưa .

- Chưa có điều kiện để nắm bắt hết các chức năng của vi điều khiển PIC.

Hướng phát triển:

Lê Vũ Văn

48



Như đã nói ban đầu, mục đích của thiết bị này nhằm làm giảm hoặc loại bỏ

ảnh hưởng thời gian chết của ống đếm sao cho kết quả đo tuyến tính hơn nên

hướng phát triển tiếp theo là tính toán thêm để điều chỉnh một số yếu tố trong

thiết kế mạch điện tử, nâng cao kỹ năng thiết kế, chế tạo mạch, tìm hiểu và sử

dụng các chức năng khác của vi điều khiển.

Lê Vũ Văn

49



TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. Datasheet PIC16F877A

2. Th.S. Ngô Tiến Phán – Bài giảng điện tử hạt nhân

3. Th.S. Ngô Tiến Phán – Bài giảng kỹ thuật xung số

4. Phùng Văn Duân – An toàn bức xạ – NXB Bách Khoa 2006

5. ThS. Nguyễn Tất Thắng - Bài giảng xác định liều lượng bức xạ

6. TS. Trần Kim Tuấn – Bài giảng thực nghiệm hạt nhân

7. Các website: picvietnam.com, dientuvietnam.net ...

Lê Vũ Văn

50



Phụ lục

1. Kết quả đo đạc

Khoảng cách

(cm)

Lần 1

(ms)

Lần 2

(ms)

Lần 3

(ms)

20

1.52 1.72 1.52

1.17 1.34 1.56

1.44 1.48 1.68

1.45 1.41 1.42

1.44 1.56 1.40

25

2.44 2.61 2.39

2.19 2.34 2.59

2.59 2.39 2.21

2.41 2.44 2.77

2.32 2.45 2.48

30 3.23 3.22 3.43

3.68 3.51 3.36

3.93 3.50 3.45

Lê Vũ Văn

51



3.30 3.37 3.75

3.58 3.22 3.48

35

4.34 5.14 5.22

4.83 4.63 5.29

4.87 4.49 4.94

4.92 4.82 4.92

4.91 4.97 5.68

40

6.78 6.07 6.83

6.15 6.22 6.56

5.97 6.92 6.60

5.90 6.44 7.06

6.28 6.82 6.76

45 7.70 8.64 7.27

7.40 7.58 7.18

7.41 9.42 7.06

7.80 8.78 8.99

Lê Vũ Văn

52



8.42 7.50 8.20

50

9.80 9.78 10.40

10.82 9.56 9.67

10.12 9.43 10.43

9.10 10.75 11.00

10.42 9.73 9.96

55

11.98 12.06 11.66

10.46 11.83 11.22

11.80 11.86 10.88

10.94 10.63 11.00

11.95 13.40 11.28

60

13.62 15.46 13.80

14.73 13.87 13.57

13.23 13.03 15.01

14.50 13.66 15.02

13.81 13.90 13.81

Lê Vũ Văn

53



65

18.52 15.83 16.19

16.89 15.76 15.45

16.91 17.21 17.08

16.19 15.71 16.89

17.21 15.80 16.85

70

17.66 17.80 18.14

18.34 18.44 20.40

21.80 17.41 20.50

18.25 20.78 19.27

18.32 17.72 20.59

2. Chương trình phầm mềm điểu khiển PIC:

#include <16F877A.h>

#include <def_877a.h>

#include <math.h>

#FUSES NOWDT //No Watch Dog Timer

#FUSES XT //Crystal osc <= 4mhz

Lê Vũ Văn

54



#FUSES NOPUT //No Power Up Timer

#FUSES NOPROTECT //Code not protected from reading

#FUSES NODEBUG //No Debug mode for ICD

#FUSES NOBROWNOUT //No brownout reset

#FUSES NOLVP //No low voltage prgming, B3(PIC16) or

B5(PIC18) used for I/O

#FUSES NOCPD //No EE protection

#use delay(clock=4000000)

#use rs232(baud=9600,parity=N,xmit=PIN_C6,rcv=PIN_C7,bits=8) //giao tiep

//noi tiep voi may tinh

#include <lcd_lib_4bit.c>

int8 i;

short int st;

unsigned int32 count;

float tbcount,dose;

void hv();

//void average();

Lê Vũ Văn

55



//------------------------------------

#int_EXT

void EXT_isr()

{

st=1;

count=get_timer1();

set_timer1(0);

// printf(" %ld \r\n",count);

}

//=====================================

void main()

{

setup_adc_ports(NO_ANALOGS);

setup_adc(ADC_OFF);

setup_psp(PSP_DISABLED);

setup_spi(SPI_SS_DISABLED);

setup_timer_0(RTCC_DIV_256|RTCC_INTERNAL);

setup_timer_1(T1_DIV_BY_1|T1_EXTERNAL);

Lê Vũ Văn

56



setup_timer_2(T2_DISABLED,0,1);

setup_vref(FALSE);

enable_interrupts(INT_EXT);

enable_interrupts(GLOBAL);

ext_int_edge(H_TO_L);

set_timer1(0);

TRISA=0x00; //PORT A LA OUTPUT

TRISB=0xff; //PORT B LA INPUT

TRISE=0x00; //PORT E LA OUTPUT

TRISC=0x01; //PIN_C0 PORT C LA INPUT

// TODO: USER CODE!!

i=0;

hv();

st=0;

while(TRUE)

Lê Vũ Văn

57



{

delay_ms(10);

if (st==1)

{

tbcount+=count;

i++;

if(i>=55){ i=0; tbcount /= 55; printf(" %.2f \r\n",tbcount);}

st=0;

dose = 103.4*312500/tbcount; //312500 : tan so xung chuan - quy doi

//ve thoi gian

hv();

}

//hv();

}

}

//====================================

void hv() //dieu khien cao ap

{

Lê Vũ Văn

58



output_high(PIN_C1);

output_low(PIN_C1);

}

//================END=================

Lê Vũ Văn

59



3. Danh mục hình vẽ, bảng

Hình 1-1: Sơ đồ nguyên tắc hoạt động của ống đếm khí

Hình 1-2: Vùng điện áp làm việc của các loại ống đếm khí

Hình 1-3: Sơ đồ mắc ống đếm

Hình 1-4: Phân bố cường độ điện trường trong ống đếm trụ

Hình 1-5: Thời gian chết, thời gian phân giải, thời gian hồi phục của ống đếm GM

Hình 1-6: Đặc trưng đếm của ống đếm GM

Hình 2-1: Sơ đồ khối

Hình 2-2: Sơ đồ nguyên lý toàn mạch

Hình 2-3: Khối cao áp

Hình 2-4: Sơ đồ chân của PIC16F877A

Hình 2-5: Sơ đồ khối của PIC16F877A

Hình 2-6: Sơ đồ khối Timer0

Hình 2-7: Sơ đồ khối Timer1

Hình 2-8: Thiết kế phần cứng cho vi điều khiển

Hình 2-9: Bộ đo thời gian

Hình 2-10: Giao diện khởi động của CCS C

Hình 2-11: Lưu đồ chương trình điều khiển

Hình 3-1: Mạch in hoàn thiện

Hình 3-2: Ống đếm GM đã được gá lắp

Hình 3-3: Ống đếm có vỏ bọc

Hình 3-4: Đồ thị chuần liều theo thời gian

Bảng 1: Suất liều tại các vị trí cách nguồn một khoảng r (cm)

Lê Vũ Văn

do an tot nghiep == le vu van == final

Documents