Nghiên cứu xây dựng phương pháp và thiết kế, chế tạo hệ đo xác định hoạt độ và phân bố hoạt độ đồng vị phát gamma trong thùng thải bằng kỹ thuật Tomography Gamma Scanning

Tiểu ban E: Hóa phóng xạ, Hóa bức xạ và hóa học hạt nhân, Chu trình nhiên liệu, Cơng nghệ nhiên liệu hạt nhân, Quản lý chất
thải phóng xạ
Section E: Radiochemistry and adiation & nuclear chemistry, Nuclear fuel cycle, nuclear material science and technology, Radioactive
waste management

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP VÀ THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ ĐO XÁC ĐỊNH
HOẠT ĐỘ VÀ PHÂN BỐ HOẠT ĐỘ ĐỒNG VỊ PHÁT GAMMA TRONG THÙNG THẢI
BẰNG KỸ THUẬT TOMOGRAPHY GAMMA SCANNING
RESEARCH FOR ESTABLISHMENT OF METHOD AND DESIGN, PRODUCTION
OF A MEASUREMENT SYSTEM FOR ASSAY ACTIVITY AND ACTIVITY DISTRIBUTION
OF GAMMA EMITTING RADIONUCLIDES IN THE WASTE DRUM
BY TOMOGRAPHY GAMMA SCANNING TECHNIQUE
PHẠM HOÀI PHƯƠNG, PHẠM NGỌC SƠN, NGUYỄN VĂN KIÊN, HOÀNG MINH VŨ, PHAN QUỐC MINH,
NGUYỄN XUÂN TÂN, TRANG THẾ ĐẠT, ÔNG QUANG ĐÔNG, HỒ VĨNH ĐỨC, VÕ THỊ HOÀNG MỸ,

NGUYỄN DANH HƯNG
Viện Nghiên cứu hạt nhân, Tp. Đà Lạt, Việt Nam

Trường Đại học Đà Lạt, Tp. Đà Lạt, Việt Nam
Tóm tắt: Trong các giai đoạn quản lý chất thải phóng xạ bao gồm tiền chơn lấp và chôn lấp chất thải, cần thiết lập hồ sơ
về thơng tin thành phần đồng vị và hoạt độ phóng xạ chứa trong các kiện thải. Kỹ thuật đo Tomography Gamma Scanning
(TGS) xác định hoạt độ phóng xạ trong các kiện thải là kỹ thuật mới, cho kết quả phân tích có độ chính xác cao khi áp dụng
đối với các kiện thải phóng xạ có mật độ vật liệu, thành phần đồng vị và hoạt độ phân bố không đồng đều. Báo cáo này
trình bày các kết quả bước đầu nghiên cứu xây dựng phương pháp TGS và tiến độ thiết kế, chế tạo một hệ đo xác định hoạt
độ đồng vị phát gamma và phân bố hoạt độ hiện diện trong các thùng thải phóng xạ rắn có mật độ từ thấp tới trung bình (<
2,0 g/cm3). Đề tài đã đạt được những kết quả chính bao gồm: xây dựng thành công phương pháp và kỹ thuật đo TGS; bước
đầu xây dựng quy trình đo và xử lý số liệu trên cơ sở những trang thiết bị hiện có; từng bước thiết kế, chế tạo các thành
phần của hệ đo TGS, có thể vận hành tự động hoặc thủ cơng, bao gồm: hệ cơ khí qt thùng thải trong khơng gian 3 chiều,
khối phân tích đa kênh kỹ thuật số dùng FPGA cho đầu dò bán dẫn HPGe, khối cao thế,… Với những kết quả đạt được,
việc thiết kế, chế tạo hệ đo TGS đang được tiếp tục chuyển qua giai đoạn nết nối hệ thống và đo thử nghiệm tại hiện
trường.

Từ khóa: TGS, CT, SPECT, FPGA, DMCA, kiện chất thải phóng xạ.
Abstract: During the radioactive waste management stages including pre-disposal and disposal solid radioactive wastes, it
is necessary to establish a record of information on radionuclides composition and their radioactive contained in the waste
drums. Tomography Gamma Scanning measurement technique (TGS) to detemine the radioactive activity in waste
packages is a new technique, giving highly accurate analysis results when applied to radioactive waste packages with
material density, radionuclides composition and activity are heterogeneous distribution. This report presents the initial
results of the research on the TGS method development and progress of degigning and manufacturing a measurement
system to determine the gamma emitting radionuclides activity and activity distribution present in solid radioactive waste
drums with low to moderate materials density (<2.0 g/cm3). The project has achieved main results including: successfully
establishment of method and technique for measuring TGS; initially build a process of measuring and processing data on
the basis of existing equipment; step by step design and manufacture components of the TGS measurement system, which
can be operated automatically or manually, including: a mechanical system that scans the waste bin in 3D space, a digital
multi-channel analyzer (DMCA) using FPGA for HPGe detector, high voltage block, etc. With the achieved results, the
design and manufacture of TGS measurement system is continuing to move to the stage of system connection and field
testing.
Keywords: TGS, CT, SPECT, FPGA, DMCA, radioactive waste packages

1. MỞ ĐẦU
Quá trình hoạt động, bảo dưỡng hay tháo dỡ, tẩy xạ các cơ sở hạt nhân tất yếu phát sinh một lượng
đáng kể chất thải phóng xạ rắn có hoạt độ từ mức thấp tới trung bình và thường được thu gom, đóng gói trong
thùng phuy tiêu chuẩn 200 lít. Các thùng thải này phải được đo kiểm tra và lập hồ sơ thông tin theo quy định
trong pháp quy của mỗi quốc gia đối với việc quản lý chất thải phóng xạ, trong đó có yêu cầu về thơng tin
thành phần đồng vị và hoạt độ phóng xạ riêng [1]. Để phân tích tia gamma, có hai kỹ thuật đo là phân tích
phá hủy và phân tích khơng phá hủy mẫu. Các kỹ thuật đo không phá hủy được nghiên cứu và đưa vào sử
dụng phổ biến, bởi vì chúng có nhiều ưu điểm vượt trội so với kỹ thuật phân tích tia gamma phá hủy mẫu thể
hiện ở tính đại diện mẫu đo, độ chính xác, thời gian, chi phí, an tồn bức xạ, … Các hãng lớn chuyên sản xuất
các thiết bị đo đạc hạt nhân như ANTECH, CANBERRA đã đưa ra các hệ đo ứng dụng các kỹ thuật không
596

phá hủy như [2, 3]: ISO-CARD với sai số trong khoảng 10% - 50%, QED với sai số trong khoảng 15% 25%, SGS và shielded SGS với sai số trong khoảng 10% - 30%, các kỹ thuật đo này với giả định phân bố
đồng vị, hoạt độ và mật độ tương đối đồng đều cho toàn bộ thùng phuy hoặc cho từng lát cắt đối với kỹ thuật
SGS. Sai số của các kỹ thuật đo này có thể >500% nếu mẫu đo chứa vật liệu thải có mật độ, phân bố thành
phần đồng vị và hoạt độ không đồng đều và có ‘hot spot” trong mẫu. Trong thực tế, phần lớn các kiện thải
phóng xạ chứa vật liệu có mật độ, thành phần đồng vị và hoạt độ phóng xạ thường phân bố không đồng đều.
TGS là kỹ thuật mới và hiện đại, là sự kết hợp của kỹ thuật CT và kỹ thuật SPECT. Kết quả phân
tích thu được có độ chính xác cao và tin cậy khi áp dụng đối với những thùng phuy chứa vật liệu thải có
mật độ khơng đồng nhất và phân bố hoạt độ không đồng đều. Kỹ thuật TGS là một trong các kỹ thuật đo
không phá hủy mẫu được thực hiện theo nguyên tắc dựng ảnh phân bố mật độ hay hoạt độ cho mỗi lớp
scan từ dữ liệu nguồn gamma truyền qua và đồng vị phát gamma tồn tại trong thể tích chất thải phóng xạ;
phân tích hình ảnh và dữ liệu thực nghiệm sẽ cho kết quả hoạt độ và phân bố hoạt độ đồng vị phóng xạ
trong mỗi lớp scan và toàn bộ thùng phuy. Sai số kết quả phép đo trong dãi từ 5% - 15%, trong trường hợp
xấu nhất khoảng 50% [2]. Thời điểm hiện tại, TGS là phương pháp tốt nhất và kết quả phép đo có độ chính
xác cao cho những kiện chất thải có mật độ từ thấp tới trung bình mà khơng bị ảnh hưởng tới chất thải đồng
đều hay không đồng đều (cả về mật độ, thành phần hạt nhân phóng xạ và hoạt độ) [2].
Kỹ thuật CT/ SPECT đã được ứng dụng khá thành công trong công nghiệp [4, 5, 6], tuy nhiên việc
áp dụng, kết hợp các kỹ thuật này để nghiên cứu, xác định hoạt độ và xây dựng hình ảnh phân bố hoạt độ
nội tại của các thùng thải phóng xạ vẫn cịn chưa được áp dụng ở Việt Nam.
Thiết kế, chế tạo một hệ đo gamma và phân tích đa kênh kỹ thuật số (DMCA) là nhiệm vụ rất quan
trọng để thu nhận dữ liệu liên tục đảm bảo hệ TGS hoạt động liên tục khi quét một thùng thải. Với nhu cầu
ngày càng tăng về hiệu suất cao, chi phí thấp và kích thước nhỏ của hệ thống DMCA trong việc thu thập dữ
liệu hạt nhân, xử lý tín hiệu kỹ thuật số (DSP) là một cách tiếp cận mới trong việc thiết kế hệ ghi đo bức xạ
gamma. Gần đây, nhiều kỹ thuật tiên tiến về xử lý xung kỹ thuật số để cải thiện DMCA đã được báo cáo
trong [8, 9, 10, 11].
Báo cáo này trình bày các kết quả chính đạt được trong việc xây dựng và kiểm tra thực nghiệm khả
năng của kỹ thuật TGS đã xây dựng, quá trình thử nghiệm đã được thực hiện trên cơ sở các thiết bị hiện có,
nhằm tiến tới xây dựng một hệ đo hồn chỉnh [12]; từng bước thiết kế, chế tạo hệ đo TGS hoạt động tự
động bao gồm các thành phần chính: hệ cơ khí qt thùng thải trong khơng gian 3 chiều, khối ghi đo và
phân tích phổ gamma đa kênh kỹ thuật số (DMCA) dùng board mạch FPGA cho đầu dò bán dẫn HPGe,
phần mềm điều khiển và xử lý số liệu.

2. NỘI DUNG
2.1 Đối tượng và phương pháp
Đối tượng nghiên cứu bao gồm các phần cứng, phần mềm chủ yếu như hệ đo phổ gamma sử dụng
đầu dò bán dẫn HPGe; phần mềm thu nhận và phân tích phổ MCA, ống chuẩn trực cho nguồn – detector;
che chắn và đóng-mở nguồn truyền gamma qua; hệ giá đỡ cho đo scan thùng thải theo 3 chiều bằng thủ
công; mẫu mô hình thùng phuy hình trụ 200 lít chứa vật liệu có mật độ từ 0,2 – 2,4 g/cm3.
Về phương pháp nghiên cứu, đề tài đã thực hiện thiết kế, chế tạo các phần cứng như hệ giá đỡ, mẫu
mơ hình, ống chuẩn trực, che chắn và đóng-mở nguồn gamma; thiết lập hệ đo theo kỹ thuật TGS; quy trình
của quá trình thực hiện các phép đo; đo đạc và xử lý phổ gamma; thuật toán xây dựng ảnh phân bố mật độ,
hoạt độ và tính tốn hoạt độ; viết phần mềm dựng ảnh và tính hoạt độ các đồng vị phát gamma (nguồn Co60, Eu-152) và phân bố hoạt độ thùng thải phóng xạ rắn (mẫu mơ hình); kiểm tra kết quả thực nghiệm so
sánh với các thông số chuẩn được biết trước (mật độ vật liệu tại các cell, đồng vị và hoạt độ tại các cell) và
đánh giá.
Đối với hệ cơ khí, đề tài đã tính tốn tối ưu các thơng số theo u cầu bài tốn đặt ra bao gồm tính
kết cấu, lựa chọn các thiết bị, vật tư đối với các cụm máy cho hệ cơ khí TGS. Sử dụng phần mềm vẽ kỹ
thuật AutoCAD vẽ các bản vẽ kỹ thuật các cụm máy phục vụ gia cơng, chế tạo hệ cơ khí TGS. Kiểm tra và
chạy thử nghiệm.

597


Tiểu ban E: Hóa phóng xạ, Hóa bức xạ và hóa học hạt nhân, Chu trình nhiên liệu, Cơng nghệ nhiên liệu hạt nhân, Quản lý chất
thải phóng xạ
Section E: Radiochemistry and adiation & nuclear chemistry, Nuclear fuel cycle, nuclear material science and technology, Radioactive
waste management

Đối với hệ DMCA ghi đo phổ gamma, đề tài đã tính tốn và chọn các tham số bộ lọc dùng
MATLAB; mơ phỏng cấu hình phần cứng thiết kế của DMCA để cấu hình trên FPGA; chế tạo phần cứng
dùng FPGA và ADC tốc độ cao; cấu hình cấu trúc DMCA vào FPGA; viết phần mềm giao diện trên PC để
hiển thị phổ; kiểm tra thực nghiệm hoạt động của DMCA với đầu dò bán dẫn và đánh giá.
2.2 Kết quả

Sơ đồ khối các thành phần và cấu hình thực nghiệm hệ đo xây dựng và kiểm tra phương pháp cho kỷ
thuật TGS được chỉ ra trong Hình 1, Hình 2.

Hình 1. Sơ đồ khối cấu hình đo thực nghiệm xây dựng phương pháp TGS

Hình 2. Cấu hình thực nghiệm hệ đo

Thùng thải 200 lít có các kích thước: đường kính Φ = 57,4cm; chiều cao h = 88,4 cm. Thùng phuy
hình trụ được chia thành 16 lớp theo chiều cao thùng, mỗi lớp là mạng lưới các cell gồm 11 dòng, 11 cột.
Như vậy, mỗi lớp là một mạng lưới gồm có 11 x 11 = 121 cell, mỗi cell có kích thước 5,2 x 5,2 x 5,2 cm3.
Đối với phép đo scan nguồn truyền qua - CT (xác định hệ số suy giảm tuyến tính tại các cell) [13],
xem xét chùm tia chiếu tại dòng thứ 6 lớp đầu tiên của thùng phuy.

598


I6 = I06exp{-[µ(6,1)∆X1 + µ(6,2)∆X2 + …………. + µ(6,11)∆X11]}
Khi ∆X1 = ∆X2 = ……. ∆X11 = ∆X
I6 = I06exp{-[µ(6,1) + µ(6,2) + …………. + µ(6,11)] ∆X}

(1)
(2)

Khi thực hiện phép đo, ta thu được dữ liệu hình chiếu là tập hợp các giá trị I 1,I2,..,In. Thực tế là có
nhiều hình chiếu, tức là có nhiều tập hợp I1,I2,..,In. Bài tốn đặt ra là tính các giá trị 11,.., nm từ các số liệu
này. Tập hợp các số liệu này có thể viết thành hệ phương trình dưới dạng ma trận:
Af = p (3)
Trong đó:
- A: ma trận hệ thống;
- f: vector chứa hệ số hấp thụ của mỗi cell, tức ẩn số cần tìm;

- p: vector chứa số đo của mỗi tia chiếu;
- ∆X: bề dày cell.
Mục đích của bài tốn là giải phương trình (3) khi biết A và p. Để giải bài tốn này có nhiều phương
pháp khác nhau như giải nhiều phương trình tuyến tính đồng thời, sử dụng các kỹ thuật lặp, phương pháp
chiếu ngược, phương pháp chiếu ngược có lọc. Hệ TGS đo hoạt độ phóng xạ thùng thải có mức độ dữ liệu
khơng lớn, đề tài đã áp dụng phương pháp chiếu ngược có lọc. Phân bố mật độ vật liệu µ (cm-1) của mỗi
cell được chỉ ra trong Hình 4, Hình 5 và kết quả được so sánh với vật liệu được sắp xếp theo Hình 3.

Hình 3. Mẫu mơ hình, sắp xếp các loại
vật liệu và nguồn phóng xạ

Hình 4. Phân bố hệ số µ (cm-1) của
lớp 5 theo chiều đứng

Hình 5. Phân bố hệ số µ (cm-1) tại một lát cắt

599


Tiểu ban E: Hóa phóng xạ, Hóa bức xạ và hóa học hạt nhân, Chu trình nhiên liệu, Cơng nghệ nhiên liệu hạt nhân, Quản lý chất
thải phóng xạ
Section E: Radiochemistry and adiation & nuclear chemistry, Nuclear fuel cycle, nuclear material science and technology, Radioactive
waste management

Đối với phép đo scan nguồn phát - SPECT (tính hoạt độ tại các cell) [13], xem xét chùm tia chiếu tại
dòng thứ 6, cột thứ 5 lớp đầu tiên của thùng phuy

I = I(6,5)exp{-[µ(6,5) + µ(6,6) + …………. + µ(6,11)] ∆X}

 I(6,5) = I/exp{-[µ(6,5) + µ(6,6) + …………. + µ(6,11)] ∆X}

(4)
(5)

Trong phép đo CT, dữ liệu thu được dùng để tính tốn hệ số suy giảm tuyến tính µ tại các cell và
dựng ảnh phân bố µ. Trong khi đó phép đo scan nguồn phát (SPECT) bên trong thùng phuy, dữ liệu thu
được được sử dụng để tính hoạt độ nguồn tại các cell và dựng ảnh phân bố hoạt độ trong toàn thùng phuy
có sự hiệu chỉnh hệ số suy giảm tuyến tính từ phép đo scan nguồn truyền qua. Để tính hoạt độ và phân bố
hoạt độ đồng vị phóng xạ phát gamma, khi đã có dữ liệu về độ hấp thụ (CT), sử dụng số đo khi có nguồn
(SPECT) ta sẽ tính được hoạt độ. Thuật tốn cơ bản cũng vẫn là chiếu ngược có lọc, nhưng lần này ẩn số
cần tìm là các giá trị I01, I02, ..., I0n. Điểm khác biệt cơ bản ở đây là vị trí nguồn nằm trong thùng phuy, do
đó cần xác định vị trí để tính đúng các hệ số hấp thụ. Hoạt độ và phân bố hoạt độ của các nguồn phóng xạ
được chỉ ra trong Bảng 1, 2 và 3; Hình 6, Hình 7 và so sánh phân bố nguồn với Hình 3.

Hình 6. Phân bố hoạt độ(mCi) của lớp 6 theo chiều đứng

Hình 7. Hoạt độ và phân bố hoạt độ tại một lát cắt của nguồn Co-60

600


Bảng 1. Hoạt độ lớp 1, 2, 3

Lớp

Vị trí
cell
(4,4)
(5,4)
(5,5)

Tổng
(4,4)
(5,4)
(5,5)
(6,3)
(6,6)
Tổng
(4,4)
(5,4)
(5,5)
Tổng

1

2

3

Bảng 2. Hoạt độ lớp 10, 11, 12

TGS
Co-60, mCi
(hoạt độ nguồn tham khảo:
0,79 mCi)
1173 keV
1332 keV
0.08
0.08
0.08
0.09

0.11
0.11
0.28
0.28
0.18
0.18
0.20
0.20
0.22
0.23
0.15
0.16
0.16
0.16
0.91
0.93
0.15
0.15
0.15
0.15
0.19
0.19
0.49
0.50

Lớp

10

11

Bảng 3. Hoạt độ lớp 8

Lớp

8

13

TGS
Eu-152, mCi
Vị trí cell (hoạt độ nguồn tham
khảo: 2,12x10-3 mCi)
121 keV 1408 keV
(4,4)
4.94E-04 3.04E-04
(5,5)
7.09E-04 4.07E-04
(6,4)
7.47E-04 4.67E-04
Tổng
1.95E-03 1.18E-03

Vị trí
cell
(4,4)
(4,5)
(4,6)
(5,4)
(5,6)

(6,4)
Tổng
(4,4)
(4,5)
(4,6)
(5,4)
(5,6)
(6,4)
Tổng
(4,4)
(5,4)
(5,5)
(6,4)
(6,5)
Tổng

TGS
Co-60, mCi
(hoạt độ nguồn tham khảo: 0,79
mCi)
1173 keV
0.12
0.10
0.12
0.20
0.16
0.19
0.88
0.16
0.14

0.15
0.25
0.20
0.26
1.17
0.04
0.04
0.12
0.04
0.01
0.24

1332 keV
0.12
0.10
0.13
0.20
0.16
0.17
0.88
0.17
0.15
0.16
0.25
0.20
0.23
1.16
0.04
0.04
0.11

0.04
0.01
0.23

Các bước thực hiện của phép đo scan nguồn truyền qua (CT) và nguồn phát (SPECT) được chỉ ra
trong Hình 8. Trong phép đo scan nguồn truyền qua (CT), thùng phuy thực hiện dịch chuyển tịnh tiến
trước. Dịch chuyển tịnh tiến trước là đầu tiên đo chùm tia chiếu ở mép (vị trí 1), rồi tịnh tiến thùng phuy để
đo tia tiếp theo cho đến hết (vị trí 13), sau đó thùng phuy được đưa về vị trí ban đầu và xoay với một góc
cho trước và tiếp đó thực hiện tịnh tiến từ vị trí 1 tới vị trí 13, q trình như vậy được lặp lại đến khi góc
xoay đạt 1800. Q trình này được thực hiện từ lớp 1 tới lớp 16 của thùng phuy, với mỗi lớp có bề dày 5,2
cm. Thùng phuy thực hiện dịch chuyển tịnh tiến từ vị trí 1 tới vị trí 13 với mỗi bước dịch chuyển là 5,2 cm.
Thùng phuy được xoay từ vị trí 0 độ tới 180 độ, gồm có 12 lần xoay với mỗi góc xoay là 15 độ. Như vậy,
tổng tia chiếu (tổng số phổ gamma) nhận được khi thực hiện scan toàn bộ thùng phuy hình trụ 200 lít dùng
nguồn truyền qua là 12 (số lần xoay góc) x 13 (số tia chiếu) x 16 (số lớp thùng phuy) = 2496. Trong phép
đo scan nguồn phát (SPECT), hệ thống đo được bố trí, lắp đặt cho khảo sát phép đo nguồn phát là tương tự
hệ thống đo được bố trí lắp đặt cho khảo sát phép đo nguồn truyền qua. Quá trình thực hiện các phép đo
cho nguồn phát được thực hiện tương tự như quá trình thực hiện các phép đo nguồn truyền qua. Tuy nhiên,
phép đo nguồn phát không thực hiện tia chiếu ở hai mép của thùng phuy (vị trí 1 và vị trí 13) và nguồn
truyền qua được lấy đi hoặc được che chắn lại. Do vậy, tổng tia chiếu (tổng số phổ gamma) nhận được khi
thực hiện scan nguồn phát cho tồn bộ thùng phuy hình trụ 200 lít là 12 (số lần quay góc) x 11 (số tia
chiếu) x 16 (số lớp thùng phuy) = 2112.

601


Tiểu ban E: Hóa phóng xạ, Hóa bức xạ và hóa học hạt nhân, Chu trình nhiên liệu, Cơng nghệ nhiên liệu hạt nhân, Quản lý chất
thải phóng xạ
Section E: Radiochemistry and adiation & nuclear chemistry, Nuclear fuel cycle, nuclear material science and technology, Radioactive
waste management

Hình 7. Sơ đồ nguyên lý các bước thực hiện của phép đo CT và phép đo SPECT

Hệ cơ khí qt thùng thải trong khơng gian 3 chiều được thiết kế, chế tạo theo các mơ đun khác nhau
nhằm mục đích dễ vận chuyển và lắp đặt, thuận lợi trong bảo dưỡng, sửa chữa và thay thế. Các mơ đun
chính bao gồm như mơ đun che chắn nguồn truyền qua, mô dun truyền động thẳng đứng nguồn truyền qua
(máy 3), mô đun collimator và che chắn bức xạ cho detector, mô dun truyền động thẳng đứng cho khối
detector, collimator và che chắn bức xạ cho detector (máy 1), mô đun truyền động quay, dịch và nâng
thùng thải khỏi bề mặt băng tải (máy 2), mô đun băng tải con lăn. Một số thông số kỹ thuật cơ bản các mơ
đun chính được chỉ ra trong Bảng 4. Tổ hợp các mô đun máy 1, máy 2, máy 3 được chỉ ra trong Hình 9,
Hình 10. Tổ hợp các mơ đun hệ cơ khí TGS được chỉ ra trong Hình 11.
Bảng 4. Một số thơng số kỹ thuật các mơ đun chính của hệ cơ khí TGS
Thơng số kỹ
thuật

Máy 3

350 Kg
Nâng/ hạ
Kiểu loại máy
nâng
cơ khí
Vơ cấp (0Tốc độ nâng/ hạ
2 m/ph)
Vít me –
Cơ cấu truyền
động
đai ốc bi
Ray – con
Cơ cấu dẫn
hướng

trượt
Động cơ
Cơ cấu dẫn
động
bước
Sức nâng

Tốc độ quay

-

Tốc độ di
chuyển dọc

-

Máy 1

Cơ cấu nâng

Máy 2
Cơ cấy quay

750 kg
500 Kg
500 Kg
Nâng/ hạ cơ Vít me – đai
khí
ốc bi
Vơ cấp (0-2

m/ph)
Vít me – đai
Động cơ - Bánh răng trụ ăn
ốc bi
giảm tốc
khớp ngoài
Ray – con
trượt
Động cơ
Động cơ bước Động cơ bước
bước
Vơ cấp(03v/ph)
-

-

602

-

Cơ cấu di chuyển dọc

500 Kg
Vít me – đai ốc bi
Ray – con trượt
Động cơ bước
Vô cấp (0-2m/p)


Một số thông số kỹ thuật băng tải bao gồm kiểu loại băng tải: con lăn truyền động xích; tốc độ dịch

chuyển lớn nhất: 15 m/ph; cơ cấu truyền động: động cơ-giảm tốc; loại động cơ: động cơ không đồng bộ;
nguồn điện: 220/380/50Hz.

Hình 9. Mặt cắt đứng 03 máy hệ cơ khí TGS

Hình 10. Mặt cắt ngang 03 máy
hệ cơ khí TGS

Máy 1

Máy 3

Hình 11. Tổ hợp các mơ đun hệ cơ khí TGS

Khối phân tích biên độ đa kênh kỹ thuật số (DMCA) dùng mạch tích hợp mảng các phần tử logic lập
trình được (FPGA) cho đầu dị bán dẫn. Phần cứng chính của hệ DMCA bao gồm một vi mạch tích hợp
(IC) biến đổi tương tự sang số 16 bit (ADC) với tốc độ lấy mẫu 105 Mcps và FPGA Artix-7. Các thuật tốn
lọc hình thành xung, xác định đỉnh và hình thành phổ kỹ thuật số được thiết kế và mô phỏng trên phần
mềm MATLAB. Các tài nguyên sử dụng của FPGA được tối ưu hóa trong q trình thiết kế và mơ phỏng.
Tất cả các chức năng được cấu hình cứng trên FPGA, nên DMCA thực thi trong thời gian thực. Chồng
chập xung và ổn định đường cơ bản (baseline) được xử lý để nâng cao độ phân giải năng lượng. Lược đồ
hệ thống của DMCA được cấu hình trên FPGA được chỉ ra trong Hình 12. Cấu hình thực nghiệm được chỉ
ra trong Hình 13, Hình 14. Khối DMCA đã được đo thử nghiệm với đầu dò bán dẫn của hãng ORTEC
GEM5P4 dùng các nguồn chuẩn 137Cs, 60Co và 133Ba. Detector sử dụng cao thế 2,5 kV. Độ phân giải năng
lượng của hệ DMCA tại đỉnh 1332 keV của 60Co đạt được 2,3 keV. Kết quả cho thấy khối DMCA có kích
thước nhỏ, hoạt động ổn định, các đỉnh năng lượng tách tốt đáp ứng được cho mục đích nghiên cứu, chế tạo
hệ đo TGS.

603

Tiểu ban E: Hóa phóng xạ, Hóa bức xạ và hóa học hạt nhân, Chu trình nhiên liệu, Cơng nghệ nhiên liệu hạt nhân, Quản lý chất
thải phóng xạ
Section E: Radiochemistry and adiation & nuclear chemistry, Nuclear fuel cycle, nuclear material science and technology, Radioactive
waste management

Lowpass
FIR Filter

CR Filter

Differentiator

Pulse
Height
Analyzer

Trapezoidal
shape

Peak Counter

Pileup Detector

Controlling

Data
interface

USB

Port

Interface

RAM
(16K)

Level
Discrimination

Hình 12. Lược đồ hệ thống của DMCA

Hình 13. Khối DMCA 8k dùng
FPGA cho đầu dị HPGe

Hình 14. Thực nghiệm hiển thị phổ gamma

Trong Hình 15, Hình 16, chỉ ra phổ tia gamma của nguồn phóng xạ 133Ba, 137Cs và 60Co, việc
tách đỉnh tốt giữa các đỉnh năng lượng

Hình 15. Phổ tia gamma của nguồn phóng xạ 133Ba

604


FWHM=2,3keV

Hình 16. Phổ tia gamma của các nguồn phóng xạ 137Cs và 60Co

Khối cao thế cho đầu dò bán dẫn HPGe được thiết kế, chế tạo theo sơ đồ khối khối điều khiển cao thế

được chỉ ra trong Hình 17. Vi điều khiển PIC16F877A đọc bàn phím điều khiển giá trị thiết lập điều khiển.
Sau đó, vi điều khiển đưa ra giá trị V-Control để điều khiển giá trị cao áp đầu ra, đồng thời vi điều khiển
PIC16F877A cũng đọc giá trị phản hồi V-Monitor để giám sát giá trị cao áp đầu ra và hiển thị lên LCD.

Hình 17. Sơ đồ khối khối cao thế

Sản phẩm khối cao thế cho đầu dị bán dẫn Hình 18, Hình 19 hiện đang được sử dụng và hoạt động
ổn định có các thơng số chính như cao thế dương: 0-6 kV; dịng: 0,84 mA; công suất: 5 W; ripple: 0,05%
(P-P), khối cao thế có cổng điều khiển H.V. Inhibit bảo vệ đầu dò.

605


Tiểu ban E: Hóa phóng xạ, Hóa bức xạ và hóa học hạt nhân, Chu trình nhiên liệu, Cơng nghệ nhiên liệu hạt nhân, Quản lý chất
thải phóng xạ
Section E: Radiochemistry and adiation & nuclear chemistry, Nuclear fuel cycle, nuclear material science and technology, Radioactive
waste management

3. KẾT LUẬN

Hình 18. Khối cao thế
+6 kV

Hình 19. Khối DMCA
và HV

cho đầu dị HPGe

cho đầu dị HPGe

Báo cáo trình bày những kết quả đạt được trong nghiên cứu thiết lập phương pháp TGS, thiết kế và
chế tạo các bộ phận của hệ đo TGS. Nhóm nghiên cứu đang tiếp tục thiết kế, chế tạo kết nối hệ thống các
bộ phận khác nhau của hệ đo TGS, viết các phần mềm điều khiển, phần mềm giao diện để tiến tới tổ hợp
các bộ phận, phần mềm cho thiết lập một hệ đo TGS hoàn chỉnh áp dụng trong thiết lập hồ sơ hoạt độ
phóng xạ và quản lý thùng thải phóng xạ rắn đang được lưu giữ tại Viện Nghiên cứu hạt nhân.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
[10]
[11]
[12]
[13]

Thông tư số 22/2014/TT-BKHCN về Quy định quản lý chất thải phóng xạ và nguồn phóng xạ đã qua sử dụng, 2014.
Comparison of Gamma-Ray Nondestructive assay measurement techniques, ANTECH, ORTEC.
WM2900 Tomographic gamma scanner, CANBERRA; Series 3800 Tomographic gamma scanner, ANTECH.
Đặng Nguyễn Thế Duy, Nghiên cứu phương pháp chụp cắt lớp diện tốn thế hệ thứ nhất có cấu hình do dứng yên, đề
tài cấp cơ sở 2011.
Nguyễn Hữu Quang, Nghiên cứu thiết kế và chế tạo thiết bị chụp cắt lớp điện tốn ứng dụng trong cơng nghiệp dầu
khí ở Việt Nam, đề tài cấp nhà nước KC.05/11-15.
Trần Thanh Minh, Nghiên cứu chụp cắt lớp điện toán thế hệ thứ 4 khảo sát tháp cơng nghiệp có kích thước < 2m, đề
tài cấp bộ 2017-2019.
J.B. Simões, C.M. Correia, "Pulse processing architectures,” Instruments and Methods in Physics Research A, vol.

422, no.1 pp. 405–410, 1999.
M. Bolic, V. Drndarevic," Digital gamma-ray spectroscopy based on FPGA technology," Nuclear Instruments and
Methods in Physics Research A, vol. 482,no.3, pp. 761–766, 2002.
Z. Weihua,"The design of digital multi-channel analyzer based on FPGA," Energy Procedia, vol. 39, pp. 428-433,
2013.
P. S. Lee, C. S. Lee and J. H. Lee," Development of FPGA-based digital signal processing system for radiation
spectroscopy," Radiation Measurements, vol. 48, pp. 12-17, 2013.
S. Saxena, and A. I. Hawari,"Investigation of FPGA Based Real Time Adaptive Digital Pulse Shaping for High Count
Rate Applications," IEEE Transactions on Nuclear Science, vol. 64, no.7, pp. 1733 - 1738, 2017.
Phạm Hoài Phương, Nghiên cứu xây dựng phương pháp xác định hoạt độ và phân bố hoạt độ của đồng vị phát
gamma trong thùng thải mơ hình bằng kỹ thuật Tomography Gamma Scanning, CS/12/01-01, 2012.
J. Steven Hansen, Tomographic gamma-ray scanning of uranium and plutonium, LA-UR-07-5150.

606