4
Đồ án tốt nghiệp
Đo liều lượng bức xạ bằng phương pháp đo khoảng thời gian giữa hai sự kiện
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN 3
MỤC LỤC 4
MỞ ĐẦU 6
PHẦN 1- TỔNG QUAN VỀ CÁC THIẾT BỊ ĐO LIỀU LƯỢNG BỨC XẠ 7
1.1. Cơ sở vật lý của đo liều lượng bức xạ 7
1.2. Ống đếm Geiger-Mueller (GM) 7
1.2.1. Cấu tạo, nguyên tắc hoạt động của ống đếm khí 7
1.2.1. Các quá trình diễn ra trong ống đếm GM 13
1.2.2. Thời gian phân giải của ống đếm GM 17
1.2.3. Đặc trưng đếm của ống đếm GM 18
PHẦN 2-THIẾT KẾ MÁY ĐO LIỀU GAMMA THEO PHƯƠNG PHÁP ĐO
KHOẢNG THỜI GIAN GIỮA CÁC SỰ KIỆN 21
2.1. Sơ đồ khối và nguyên lý hoạt động của mạch 21
2.2. Mạch nguyên lý 23
2.2.1 Khối cao áp 23
2.2.2 Chip vi điều khiển PIC16F877A 24
2.2.2.1. Các đặc điểm kỹ thuật của PIC16F877A 24
2.2.2.2. Chức năng các chân 26
2.2.2.3 Timer/Counter (Bộ định thời/Bộ đếm) 31
Lê Vũ Văn
5
Đồ án tốt nghiệp
Đo liều lượng bức xạ bằng phương pháp đo khoảng thời gian giữa hai sự kiện
2.2.2.4. Thiết kế phần cứng cho chip vi điều khiển PIC16F877A 33
2.2.3. Bộ đo thời gian 35
2.3. Ghép nối máy tính qua cổng COM 36
2.4. Lập trình cho vi điều khiển PIC16F877A 38

PHẦN 1-TỔNG QUAN VỀ CÁC THIẾT BỊ ĐO LIỀU LƯỢNG BỨC XẠ
1.1. Cơ sở vật lý của đo liều lượng bức xạ
Lượng tử tương tác với vật chất có thể dẫn tới hiệu ứng iôn hoá. Khi đó
trong phần nhạy với tương tác của bức xạ sẽ xuất hiện các phần tử có điện tích là
electron tự do và các iôn. Nếu phần nhạy được đặt trong một điện trường, thì
chúng sẽ chuyển động định hướng về phía điện cực trái dấu, do đó tạo nên tín
hiệu điện. Bằng cách xử lý và đo đạc các tín hiệu điện quen thuộc này, có thể xác
định được liều lượng bức xạ.
Do đó các máy đo liều phải có nguồn nuôi cấp điện áp thích hợp cho đầu
dò, mạch hình thành xung để tạo xung từ tín hiệu điện do đầu ghi ghi nhận được
và các khối điện tử khác thích hợp với phương pháp đo được đưa ra.
Trong các thiết bị đo liều, bộ phận quan trọng đầu tiên là đầu dò bức xạ.
Dưới đây trình bày một số lý thuyết về ống đếm Geiger-Mueller được sử dụng
trong đồ án.
1.2. Ống đếm Geiger-Mueller (GM)
1.2.1. Cấu tạo, nguyên tắc hoạt động của ống đếm khí
Hoạt động của các ống đếm khí dựa trên hiện tượng iôn hóa của các phần
tử khí dọc theo đường đi của hạt mang điện khi chúng rơi vào môi trường khí.
Về hình thức cấu tạo, ống đếm khí tương tự như một tụ điện (hình 1-1):
hai cực của ống đếm là anốt và catốt đúng vai trò như hai bản tụ, lớp khí giữa hai
bản cực giống như lớp điện môi của tụ điện. Điện áp một chiều thích hợp được
Lê Vũ Văn
8
Đồ án tốt nghiệp
Đo liều lượng bức xạ bằng phương pháp đo khoảng thời gian giữa hai sự kiện
đặt lên hai bản cực tạo ra một điện trường đủ mạnh để đưa các e
–
, iôn (+) (kết
quả iôn hóa khí của bức xạ tới) về anốt và catốt tương ứng. Vì vậy, từ đầu ra của
ống đếm sẽ có tín hiệu điện mỗi khi có hạt bức xạ rơi vào.

, iôn +) sẽ được tạo ra trong ống đếm. Trong khi các e
–
nhanh chóng trôi về
anốt thì các iôn (+) với khối lượng lớn hơn, sẽ chuyển độngcường độ rọi bức xạ
không thay đổi thì tốc độ tạo cặp (e
–
, iôn +) là một hằng số. Vì vậy, biên độ xung
ra sẽ đạt đến bão hòa. Vùng (2) là vùng làm việc của vùng buồng iôn hóa.
Nếu tiếp tục tăng điện áp nuôi, điện trường trong ống đếm sẽ mạnh lên. Các
electron, do khối lượng nhỏ, khi chuyển động trong điện trường mạnh sẽ thu
được năng lượng lớn có thể đủ để iôn hóa các phân tử khí khác (gọi đó là iôn hóa
thứ cấp). Vì thế số e
–
đến anốt được nhân lên. Ta nói rằng ống đếm có sự khuếch
đại khí. Nhờ quá trình này, biên độ xung ra tăng lên. Sự khếch đại khí trong miền
(3) có đặc điểm tuyến tính. Nghĩa là, lượng điện tích được góp, tức biên độ xung,
tỷ lệ tuyến tính với số cặp (e
–
, iôn +) tạo ra ban đầu. Đây là vùng làm việc của
ống đếm tỷ lệ.
Khi tăng điện áp nuôi thêm nữa (vùng 4), sự khuếch đại khí trở nên càng
mạnh hơn, một lượng lớn các phần tử dẫn (e
–
chậm hơn, còn đang trên đường tới
catốt. Sự có mặt một lượng lớn các điện tích (+) chậm phân tán trong khoảng
không gian giữa hai cực (giống như đám mây mang điện dương) sau mỗi lần có
Lê Vũ Văn
10
Đồ án tốt nghiệp
Đo liều lượng bức xạ bằng phương pháp đo khoảng thời gian giữa hai sự kiện

Đồ án tốt nghiệp
Đo liều lượng bức xạ bằng phương pháp đo khoảng thời gian giữa hai sự kiện
Hình 1-3: Sơ đồ mắc ống đếm
[2, 6]
Ở hình học trụ, như đã biết, điện trường ở tại điểm có bán kính r tính từ
tâm cho bởi công thức:
( )
a
b
r
V
r
ln
0
=
ξ
(1-1)
Trong đó:
V
0
là điện áp nuôi giữa anốt và catốt (cỡ một vài nghìn Vôn)
a là bán kính anốt
b là bán kính catốt
Các ống đếm GM trụ thông thường có a cỡ 10
–3
÷ 10
–2
cm, b cỡ cm.
Nếu lấy V
0

Hơn nữa, sự iôn hóa trong miền khuếch đại khí mạnh hơn hàng nghìn lần
sự iôn hóa ở ngoài vùng này nên vị trí iôn hóa ban đầu (r
0
) không còn quan trọng
nữa. Mỗi một e
–
, dù ban đầu được sinh ra ở đâu đó ngoài r
c
(r > r
c
), một khi đã
rơi vào miền khuếch đại khí đều được nhân lên gần như với cùng một hệ số
khuếch đại M. Vì vậy, biên độ xung ra từ ống đếm GM xem như không phụ
Lê Vũ Văn
ξ (r)
b
a
r
C
r
Miền khuếch đại khí
(miền xảy ra iôn hóa )
Hình 1-4:
Phân bố cường độ
điện trường trong
ống đếm trụ
[6]
13
Đồ án tốt nghiệp
Đo liều lượng bức xạ bằng phương pháp đo khoảng thời gian giữa hai sự kiện

–
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
Đồ án tốt nghiệp
Đo liều lượng bức xạ bằng phương pháp đo khoảng thời gian giữa hai sự kiện
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
÷ 10
8

+
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
÷ 10
10
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

cần chọn R lớn cỡ 10
8
Ω 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 µ 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 10
9
→10
10
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
, Br
2
làm khí dập tắt, gọi là
ống đếm Halogen. Vì quá trình biến đổi Cl
2
→ Cl + Cl; Br
2
→ 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.

–4
s. Vì vậy ống đếm GM là loại ống đếm chậm, khi làm việc
với tốc độ hạt cỡ 10
3
/s trở nên, sự hiệu chỉnh số đếm đo được trở nên cần thiết.
Lê Vũ Văn
18
Đồ án tốt nghiệp
Đo liều lượng bức xạ bằng phương pháp đo khoảng thời gian giữa hai sự kiện
Hình 1-5: Thời gian chết, thời gian phân giải, thời gian hồi phục 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

khoảng 0,1% Br
2
và khoảng 0,1% Ar. Thế iôn hóa khí Ne rất lớn
(I
iôn
(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

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
Đồ án tốt nghiệp
Đo liều lượng bức xạ bằng phương pháp đo khoảng thời gian giữa hai sự kiện
2.2. Mạch nguyên lý
1
2
3
U1A
CD4093BCN
5
6
4
U1B
CD4093BCN
8
9
10
U1C
CD4093BCN
12
13
11
U1D
CD4093BCN
8
3

900K
GND
R12
200M
2
31
T1
C535
VCC
GND
U4
LM336
GND
R4
100K
12V
R10
3K3
GND
2
31
T2
MPSA42
GND
1
1
2
2
3
3

R15
1M
R14
1M
R20
2.2M
C15
10N/2KV
GND
1
2
JP2
GM
GND
C14
100PF/3KV
GND
R13
1M
31
2
RV3
250K
GND
VREF
VREF
GND
12V
R19
10k

T0CKL
6
AN4
7
AN5
8
AN6
9
AN7
10
OSC1
13
OSC2
14
T1CLK
15
RC1
16
RC2
17
RC3
18
RD0
19
RD1
20
RD2
21
RD3
22

TX
25
U5
PIC16F877
R16
10k
R21
10k
VCC
VCC
VCC
C16
100pF
C18
100pF
1
2
3
U3A
CD4011BCN
5
6
4
U3B
CD4011BCN
1
2
3
U6A
CD4011BCN

OUT
3
RST
4
CVOLT
5
THR
6
DISC
7
VCC
8
GND
1
U7
NE555N
VCC VCC
GND
C28
100N
C20
100PF
GND
GND
R23
2K
R25
8K
VCC
IN

R5
100K
VCCGND
C3
100N
GND
GND
VCC
31
2
RV1
10K
GND
VCC
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
JP1
HEADER 10
GND
LCD0
LCD1
LCD2

D3
1N4148
D6
1N4148
D7
1N4148
D4
1N4148
D5
1N4148
D8
Diode 1N4148
D9
Diode 1N4148
RS-232RS-232
Hình 2-2: Sơ đồ nguyên lý toàn mạch
2.2.1 Khối cao áp
1
2
3
U1A
CD4093BCN
5
6
4
U1B
CD4093BCN
8
9
10

3K3
R8
1M
C8
100N
GND
C10
10N
R11
900K
GND
R12
200M
2
3 1
T1
C535
VCC
GND
U4
LM336
GND
R4
100K
12V
R10
3K3
GND
2
3 1

HV
HV
8 4
5
6
7
U2B
LM393N
R15
1M
R14
1M
R20
2.2M
C15
10N/2KV
GND
1
2
JP2
GM
GND
C14
100PF/3KV
GND
R13
1M
3 1
2
RV3

4
U3B
CD4011BCN
VCC
Bien ap
D1
1N4148
D2
1N4148
D3
1N4148
D6
1N4148
D4
1N4148
D5
1N4148
Hình 2-3: Khối cao áp
Lê Vũ Văn
24
Đồ án tốt nghiệp
Đo liều lượng bức xạ bằng phương pháp đo khoảng thời gian giữa hai sự kiện
Khối cao áp có nhiệm vụ cấp điện áp từ vài trăm V đến vài kV cho đầu ghi
bức xạ tùy loại. Đồ án này sử dụng ống đếm GM halogen nên cao áp khoảng
400V là đủ cho ống đếm hoạt động. Sơ đồ nguyên lý như hình 2-3.
Nguồn cao áp hoạt động dựa 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

Lê Vũ Văn
26
Đồ án tốt nghiệp
Đo liều lượng bức xạ bằng phương pháp đo khoảng thời gian giữa hai sự kiện
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
Đồ án tốt nghiệp
Đo liều lượng bức xạ bằng phương pháp đo khoảng thời gian giữa hai sự kiện
* 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.

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

Trích đoạn Lập trình cho vi điều khiển PIC16F877A

---