Nghiên cứu, chế tạo hệ đo gamma điều khiển và thu nhận tín hiệu bằng truyền phát không dây ứng dụng trong công nghiệp (soi tháp)

Tia gamma được phát hiện đầu tiên vào năm 1900 bởi nhà nhà hóa học và vật lý học người Pháp Paul Villard thông qua nghiên cứu về sự lệch hướng của các bức xạ phát ra từ Radium dưới ảnh hưởng của từ trường. Tuy nhiên mãi đến năm 1903, thuật ngữ “tia gamma” mới lần đầu được giới thiệu bởi Rutherford dựa trên tính xuyên thấu tương đối với hai loại bức xạ hạt nhân đã phát hiện trước đó - Tia alpha và tia beta. Tia gamma là một dạng của bức xạ điện từ, được phát ra khi hạt nhân nguyên tử chuyển từ trạng thái kích thích về trạng thái cơ bản trong các phản ứng hạt nhân hoặc từ sự hủy cặp Positron-electron.

Các ứng dụng của tia gamma trong cuộc sống được biết đến rộng rãi từ lâu trong nhiều lĩnh vực như y học, địa chất, nông nghiệp và công nghiệp. Trong đó, ứng dụng kỹ thuật gamma truyền qua được xem là một trong những phương pháp kiểm tra không phá hủy lý tưởng cho phép xác định mật độ vật chất bên trong tháp và đường ống công nghiệp giúp đưa ra phương án khắc phục sự cố và đảm bảo an toàn trong sản xuất. Phương pháp dựa trên nguyên lý: khi một chùm tia từ nguồn (như 137Cs, 60Co) đi qua hệ thống và được ghi nhận bởi hệ đo hạt nhân, mức độ suy giảm cường độ chùm tia phụ thuộc vào năng lượng của chùm tia, mật độ và bề dày vật liệu theo định luật Beer – Lambert. Ở Việt Nam thời gian qua với sự phát triển mạnh của công nghiệp, ứng dụng phương pháp gamma truyền qua khảo sát tháp và đường ống là một trong những thế mạnh đặc thù của Trung tâm Ứng dụng kỹ thuật hạt nhân. Phương pháp đã được triển khai thành công và góp phần cung cấp thông tin quan trọng trong việc khắc phục sự cố cho các cơ sở như nhà máy Đạm Phú Mỹ, Chế biến khí Nam Côn Sơn, nhà máy lọc hóa dầu Nghi Sơn, Bình Sơn...

Trong kỹ thuật soi gamma, việc bố trí hệ đo ảnh hưởng rất lớn đến độ chính xác của kết quả thu được. Việc thu truyền tín hiệu giữa đầu dò và hệ thống điều khiển của hệ đo thông qua cáp truyền làm cho hệ đo thiếu linh hoạt, trở ngại lắp đặt trong điều kiện hiện trường. Ngoài ra, các sự cố như vướng cấu kiện thiết bị của nhà máy, vật liệu dây dẫn trong cáp biến tính theo nhiệt độ gây ra các nhiễu loạn dẫn đến sai lệch kết quả đo. Xuất phát từ thực tiễn đó, Cơ quan chủ trì Trung tâm Ứng dụng kỹ thuật hạt nhân trong công nghiệp cùng phối hợp với Chủ nhiệm đề tài CN. Lại Viết Hải thực hiện “Nghiên cứu, chế tạo hệ đo gamma điều khiển và thu nhận tín hiệu bằng truyền phát không dây ứng dụng trong công nghiệp (soi tháp)” với mục tiêu chế tạo hệ đo gamma điều khiển và thu nhận tín hiệu bằng truyền phát không dây ứng dụng trong công nghiệp.

Hệ đo gamma đơn kênh sử dụng kỹ thuật truyền phát không dây được xây dựng từ các khối cơ bản. Khi các bức xạ gamma tương tác với Khối đầu dò NaI (Tl) sẽ tạo ra các xung điện với biên độ nhỏ. Xung điện sau đó được đưa vào Khối khuếch đại để khuếch đại biên độ và hình thành dạng xung Gauss. Sau khi qua Khối cắt ngưỡng, các xung dạng Gauss được chuyển thành các xung vuông theo chuẩn TTL. Khối vi điều khiển có chức năng đếm xung theo thời gian, điều khiển và đo lường cao thế, điều khiển và đo lường giá trị điện áp ngưỡng và giao tiếp với module RF bằng giao diện UART để nhận các lệnh điều khiển và truyền giá trị đo về máy tính. Máy tính có chức năng điều khiển, thu nhận và lưu trữ các giá trị đo thông qua phần mềm điều khiển.

Hệ đo sử dụng đầu dò NaI (Tl) của hãng Ludlum Measurements (Model M44-10) với kích thước khối tinh thể 2inch x 2 inch, điện áp hoạt động từ 500-1200V và dải năng lượng đo được từ 3 KeV-3 MeV.

Khối cao thế được xây dựng bao gồm IC tạo xung, biến thế, mạch nhân điện Cockcroft-Walton và mạch phản hồi. IC tạo xung có chức năng tạo ra xung có tần 3 số cố định để điều khiển biến thế. Biến thế sử dụng biến thế tăng áp, dòng điện qua biến thế có điện áp được nhân lên theo tỉ lệ giữa số vòng thứ cấp và số vòng sơ cấp. Dòng điện sau đó được đưa vào mạch nhân điện Crockcroft-Walton để chỉnh lưu và nhân lên nhiều lần hơn. Mạch phản hồi gồm mạch chia áp sử dụng điện trở và mạch khuếch đại đệm sử dụng op-amp. Mạch phản hồi có chức năng chia điện áp cao thành các mức điện áp nhỏ đủ để đưa vào ADC của vi điều khiển và chân “feedback” của IC tạo xung.

Đề tài đã chế tạo thành công các khối điện tử cho hệ đo gamma đơn kênh không dây như, khối cao thế, khối khuếch đại, khối cắt ngưỡng, khối nguồn thế thấp và kết hợp các khối này lại với nhau và với các module vi điều khiển, module RF tạo thành một hệ đo gamma đơn kênh không dây. Việc chế tạo thành công hệ đo gamma đơn kênh không dây đã làm giảm những nhược điểm của các hệ đo gamma sử dụng dây cáp, giúp phát huy những ưu điểm của kỹ thuật soi gamma nói riêng và kỹ thuật hạt nhân trong công nghiệp nói chung.

Có thể tìm đọc báo cáo kết quả nghiên cứu (mã số 17884/2019) tại Cục Thông tin khoa học và công nghệ quốc gia.

Đ.T.V (NASATI)