Đề tài: Đo liều lượng bức xạ bằng phương pháp đo khoảng thời gian giữa hai sự kiện

4

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:

ξ (r) =

V0
r ln

b

a

(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 10–3÷ 10–2 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

ξ(r)

Miền khuếch

đại khí

(miền xảy ra iôn hóa )

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

ống đếm trụ[6]
a rC

b

r

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 > 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


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 N 0 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 10 6÷ 108. 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 (90÷ 95)%
khí trơ (phổ biến là Ar và He) và khoảng (5÷ 10)% 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 10 9÷ 1010 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 V Rmax lớn
sẽ làm cho điện áp giữa hai cực của ống đếm giảm xuống tới giá trị
V = V0 – VRmax . 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 10 8Ω 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 µs, 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 10 9→1010 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 Cl 2, 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 τch 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 50÷ 100µs.
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 τ của ống đếm GM thường nằm giữa τch và τhp,
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 1000V.

Lê Vũ Văn

20

Trong khi đó, đối với ống đếm halogen chứa khí (Ne + Br 2) thì điện áp này chỉ
cỡ (200÷ 300)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 τ (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

GND

R10
3K3

VREF

D5
1N4148

T2

10N/2KV

GND

900K

200M

3

R12

GND

C12

HV

U3B

GND

5
CD4011BCN

U6A

5

VPP

RS-232

GND

10k

JP2

GND

R20

GND

CD4011BCN

GM

CD4011BCN

Diode 1N4148
D9
GND
Diode 1N4148
U6C

CD4011BCN

R24
50K

GND

GND

THR
CVOLT

7

GND
R25
8K

6

12V

5

JP4

1

C28
100N

C21

2
1

C20
100PF

NE555N

GND

1
2
3

DISC

C22

U8
1

C23

220UF 100N

GND

IN

100N

GND

GND

GND

3

OUT
GND

C24

100N

CON2

JP3
CON3

MC78M05CT
VCC

2

TRIG

VCC

RST

8

R23
2K

R22
10K

10

9

GND

C25

C26

C27

100uF

100N

100N

GND

GND

GND

Hình 2-2: Sơ đồ nguyên lý toàn mạch
2.2.1 Khối cao áp
D1

R1

330k

1N4148
R3
100k

3

5

2

VCC

VCC

U1B

8
4

6

CD4093BCN

GND

C1
1N

U1A

U1C
10

9

CD4093BCN

12V

3

1

R4
100K

R2
560k

12V

T1
C535

2

C6
3

10UF
2

R6
3K3

R7
2.2M
1

12

U3A
3

2

1N4148

U1D

10nF/2KV

TRF4

11

13

MPSA42

CD4093BCN

C7

2

4
GND

D5
1N4148

D4
1N4148

GND
10N/2KV

T2

R9
1M

1

VREF

R10

3K3

D3
1N4148

C5
2
2
0T

CD4011BCN

C10

GND

C12
GND

10N
R11

R12

900K

HV

200M

RV3
250K
2

3

GND

3
3
1000T

GND

GND
GND

10N/2KV
D2

3

3
C8
100N

1
GND

U2A

LM393N
1

8

U4
LM336

RV2
250K
2 R8
1M

C2

Bien ap

100N

VCC

GND

TR1
1
1
100T
C4

CD4093BCN

1

12V

VREF

GND

10nF/2KV
C13
GND

VCC

VCC

R13
1M

R16
10k

R17
10K
C16

6
5

7

100pF

6
5

LM393N

R14
1M

1M
C15
10N/2KV
GND

10k
GND

GND

Hình 2-3: Khối cao áp

Lê Vũ Văn

R15

D6
1N4148

R19

HV
10N/2KV

C14
100PF/3KV

GND

4

CD4011BCN

GND
U2B

8

U3B
4

1

12V

30
29
28
27
22

21
20
19

R20
2.2M

U9A

U9B

1
2

2.2M

D8

8

INTERRUPT

6

RS-232

VCC

C19

RD7
RD6
RD5
RD4
RD3
RD2
RD1
RD0

40
39
38
37
36
35
34
33

1M

4

VCC VCC
4

U5

C15
10N/2KV

GND

100PF

OUT

1M

D6
1N4148

R19

T1CLK
RC1
RC2
RC3
RC4
RC5

R15

100pF

VCC

3

GND

5

CD4011BCN

2

R14

C18

1
CD4011BCN

6

U7

C14
100PF/3KV

6

LM393N

R21
10k

2

3

U6B

1

7
100pF

VCC

10N
D7
1N4148

8

6

4

C17

U2B

C16

OSC2

T0CKL

4

50K

14

10N/2KV

GND

4

RV4

12V

HV

R13
1M

OSC1

15
16
17
18
23
24

C13
GND

R17
10K

Y1
4MHz

10nF/2KV

VCC

R16
10k

33pf
C11
33pf

GND

RV3
250K
2

13

GND

R9
1M

GND

10N
R11

VCC

R18
50K

1
C9

GND

RB7
RB6
RB5
RB4
RB3
RB2
RB1
RB0

JP2
GND

1
2
GM

1

CD4011BCN

C7

2

VCC

100K

AN0
AN1
AN2
AN3
AN4
AN5
AN6
AN7

PIC16F877

CD4093BCN

C10

GND

D4
1N4148

MPSA42

2
3
4
5
7
8
9
10

TX

GND

13

LCD0
LCD1
LCD2
LCD3
LCD4
LCD5

10nF/2KV

TRF4

11

R5

SW-SPST

5

GND

2
4

C8
100N

3

2
2
0T

U1D

12

U3A

1

GND

3

R7
2.2M

3

1
GND

U2A
LM393N
1

C5

100N

S1

GND

D3
1N4148

3

10UF
2

8

3

GND

RV2
250K
2 R8
1M

1N4148

GND
R6
3K3

C3
GND

3
3
1000T

100N

VCC

C6

U4
LM336

10N/2KV
D2

1
1
100T
C4

1
12V

VREF

GND

RX

TR1

VCC

25

T1
C535

2

CD4093BCN

GND
2

26

10

9

CD4093BCN

C2

Bien ap

2

8

4

6

12V

U1C

LCD1
LCD2
LCD3
LCD4
LCD5

3

U1B

RV1
10K

6

5

CD4093BCN

GND

VCC

1

3

2

VCC

VCC

560k

1

R4
100K

R2

C1
1N

U1A

1

1
2
3
4
5

6
7
8
9
10

330k

3

R3
100k

12V

JP1
HEADER 10

R1

1N4148

LCD0

D1


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.
MCLR /Vpp (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: AnalogDigital 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