Giải pháp thu thập, xử lý số liệu phóng xạ trên tàu biển dùng máy tính

Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 59, 02 - 2019 97 GIẢI PHÁP THU THẬP, XỬ LÝ SỐ LIỆU PHÓNG XẠ TRÊN TÀU BIỂN DÙNG MÁY TÍNH Đinh Kim Chiến1*, Đinh Tiến Hùng1, Nguyễn Kiều Hưng2 Tóm tắt: Để tăng độ chính xác của phép đo và nâng cấp, cải tiến hiệu năng làm việc của thiết bị, bài báo này trình bày một giải pháp dùng máy tính nhúng thu thập, xử lý số liệu phóng xạ cho các thiết bị đo phóng xạ đường biển trang bị trên các tàu hải quân, cảnh sát biển. Kết quả thu được là sai số phép đo so với trường suất liều gamma chuẩn Cs-137 đạt ≤ 5% và hiệu năng sử dụng được cải thiện đáng kể so với các kỹ thuật điện tử thông thường Từ khóa: Detector; Cổng giao tiếp RS232; Suất liều; Máy tính nhúng. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Hiện nay, trong số các tàu của lực lượng cảnh sát biển và các tàu chiến của Hải quân Việt Nam chỉ có một số ít các tàu được trang bị thiết bị đo phóng xạ, các tàu còn lại có thiết kế hệ thống đo phóng xạ nhưng không được lắp thiết bị kèm theo. Để hoàn thiện hệ thống đo phóng xạ cho các tàu chưa được trang bị hoặc nâng cấp, thay thế sửa chữa thì việc nghiên cứu, chế tạo hệ thống ghi đo bức xạ, hạt nhân thế hệ mới mang ý nghĩa quan trọng. Thiết bị đo, phát hiện và cảnh báo các tác nhân phóng xạ, hạt nhân là một trong những trang bị bắt buộc phải có trong trang bị của các tàu chiến trên thế giới [5]. Với mục đích đo, cảnh báo môi trường phóng xạ để người chỉ huy tàu định hướng di chuyển của tàu. Các hệ thống hiện tại đang dùng giải pháp thu số liệu từ detector dùng chuẩn RS485 truyền về trung tâm và dùng các hệ vi xử lý để xử lý, phân tích số liệu sau đó hiển thị kết quả. Việc xử lý kết quả trên các hệ vi xử lý có các nhược điểm sau: - Khả năng lưu trữ và truy vấn dữ liệu hạn chế vì dữ liệu được lưu dưới dạng thô. - Khả năng trao đổi thông tin và mở rộng hệ thống bị hạn chế. - Khả năng xử lý không linh hoạt do không được hỗ trợ các hàm xử lý chuyên dụng, nâng cao. Trước đây, Viện Hóa học - Môi trường quân sự/Bộ Tư Lệnh hóa học đã có một số công trình nghiên cứu liên quan đến các thiết bị đo phóng xạ [1,2,3] tuy nhiên các công trình này chỉ đề cập đến các thiết bị đơn lẻ và xử lý tại chỗ, chưa đưa ra giải pháp cho một hệ thống kết nối nhiều detector GM cũng như giải pháp tích hợp các hệ thống để thu thập xử lý số liệu trên một vùng bất kỳ. Trên thế giới, các công trình liên quan không được công bố và là bí mật của mỗi quốc gia. Xuất phát từ nhu cầu thu thập, xử lý nhanh, khả năng xử lý linh hoạt, hiển thị đa dạng và có khả năng trao đổi, kết nối giữa các tàu, dữ liệu được lưu trữ số lượng lớn, khả năng truy xuất nhanh thì việc xây dựng giải pháp dùng máy tính nhúng đáp ứng được các yêu cầu trên là cần thiết, đáp ứng yêu cầu nhiệm vụ mới đặc biệt là tình hình biển Đông hiện nay. 2. NỘI DUNG CẦN GIẢI QUYẾT 2.1. Mô hình hệ thống đo phóng xạ đường biển trên tàu Hệ thống bao gồm 3 thành phần chính: - Hệ thống detector ghi đo bức xạ, hạt nhân: được lắp chính tại 4 vị trí: trước(S1); 2 bên (S2, S3) và sau tàu (S4), các detector đo 3 chỉ tiêu chủ yếu: suất liều gamma tương đương trong không khí, đo xung nơtron và đo suất liều gamma tương đương dưới nước. - Hệ thống đường truyền: được thiết kế sẵn trên các tàu và dùng chuẩn truyền dẫn RS485. Kỹ thuật điều khiển & Điện tử Đ. K. Chiến, .., “Giải pháp thu thập trên tàu biển dùng máy tính.” 98 - Trung tâm xử lý là hiển thị: tại trung tâm xử lý dùng máy tính nhúng thu dữ liệu từ bốn detector sau đó tiến hành phân tích, lưu trữ và hiển thị kết quả trên các màn hình GLCD và MONITOR, đưa ra tín hiệu cảnh báo bằng âm thanh và ánh sáng. S1 S4 S2 S3 Trung tâm xử lý và hiển thị RS485 RS485 RS485 RS485 Hình 1. Mô hình hệ thống đo phóng xạ đường biển trên tàu. 2.2. Nghiên cứu, xây dựng các loại detector đo phóng xạ trên tàu Hình 2. Sơ đồ khối của mô-đun đo phóng xạ. Nguyên lý hoạt động: Khi bức xạ tương tác với chất khí trong detector sẽ suất hiện một xung điện ở cực âm của detector. Mạch tiền khuếch đại khuếch đại xung thu được, loại bỏ can nhiễu do tác động từ các yếu tố môi trường và truyền đến mạch khuyếch đại chính. Mạch khuếch chính chuẩn hóa xung theo yêu cầu về hình dạng xung và độ hẹp của đỉnh xung, thời gian mặt tăng hay thời gian mặt giảm của xung để đáp ứng được yêu cầu của mạch xử lý trung tâm[6]. Mỗi bức xạ tương tác với ống đếm sẽ tạo thành một xung điện tương ứng ở lối ra mạch khuếch đại chính. Các xung điện lối ra mạch khuyếch đại chính được đưa đến lối vào khối xử lý trung tâm. Khối xử lý trung tâm đếm xung trong chu kỳ nhất định và sử dụng phương pháp nội suy để tính suất liều phóng xạ thu được từ các detector. Số đếm được lấy trung bình theo thuật toán FIFO có n biến. Suất liều được tính dựa trên số đếm theo hàm đa thức, tùy theo yêu cầu độ chính xác của thiết bị đo để lựa chọn hàm đa thức phù hợp với khoảng đo của các detector tương ứng. Thông thường hàm đa thức bậc hai được sử dụng để biểu thị mối liên hệ giữa số đếm và suất liều gamma tương đương, được thể hiện theo công thức sau: 2( ) * *D N a N b N c   (1) Trong đó: D(N) là suất liều phóng xạ thu được tương ứng với tốc độ đếm N [μSv/h] N là tốc độ đếm ghi nhận được từ các detector [cps] a, b, c là các hệ số. Detector Cao áp 500V Tiền khuếch đại Khuếch đại chính Khối xử lý trung tâm RS485 Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 59, 02 - 2019 99 Các hệ số của phương trình trên tìm được thông qua phương pháp khớp hàm bình phương tối thiểu giữa tốc độ đếm ghi nhận và giá trị suất liều lý thuyết. Các giá trị suất liều lý thuyết được tính toán cho các nguồn chuẩn tại phòng kiểm chuẩn máy đo phóng xạ, Phòng Phóng xạ, Viện Hóa học - Môi trường quân sự. Nguồn phóng xạ chuẩn: sử dụng nguồn đồng vị Cs137 hoạt độ A0 = 5,5 Ci tương ứng với 2,035 x 10 11 Bq (sản xuất năm 1976) Hoạt độ phóng xạ tại thời điểm đo đạc thử nghiệm: 1/2 ln 2 0( ) t T A t A e   (2) Suất liều tương đương của nguồn chuẩn tại khoảng cách r được tính toán theo công thức:    2 1 [ Sv/ ] 5.236x x 114 ( ) /i i en iA t y E h r X      (3) Với A(t) là hoạt độ nguồn chuẩn tại thời điểm khảo sát [Bq] Ei là năng lượng của lượng tử gamma [MeV] yi là suất phát lượng tử gamma có năng lượng Ei  /en i  là hệ số hấp thụ năng lượng khối [cm 2 /g] r là khoảng cách từ nguồn tới điểm khảo sát [cm] Giá trị suất liều lý thuyết theo khoảng cách được trình bày trong Bảng 2 Giá trị suất liều đo đạc từ detector thử nghiệm, giá trị suất liều lý thuyết được so sánh với suất liều đo đạc từ các thiết bị đo hiện đang được biên chế trong quân đội: Máy đo suất liều SVG-2, RADOS-200 [7,8]. Kết quả so sánh được trình bày trong phần 3. 2.3. Thu thập xử lý số liệu và hiển thị kết quả 2.3.1. Sơ đồ khối Ghép kênh RS485 RS485 RS485 RS485 Máy tính nhúngRS232 MONITOR GLCD LOA RS232 MIC HDMI Hình 3. Sơ đồ khối thu thập và xử lý số liệu. Chức năng các khối: - Khối ghép kênh: ghép các luồng dữ liệu RS485 song song đầu vào thành 1 luồng RS232 nối tiếp đầu ra. Kỹ thuật điều khiển & Điện tử Đ. K. Chiến, .., “Giải pháp thu thập trên tàu biển dùng máy tính.” 100 - Máy tính nhúng: thu nhận dữ liệu từ các detector qua cổng RS232, phân tích, lưu trữ, cảnh báo và hiển thị kết quả. 2.3.2. Khối ghép kênh Vì số cổng RS232/RS485/RS222 của máy tính nhúng bị giới hạn nên phải ghép các luồng dữ liệu song song từ detector thành một luồng dữ liệu nối tiếp đưa vào máy tính xử lý. MUX S1 S2 S3 S4 D1 D2 D3 D4 D out Hình 4. Sơ đồ khối ghép kênh từ detector. Cấu trúc khung dữ liệu D1,D2.D3,D4 (19 byte) start senser vt_sensor data end start: 0XAA (1 byte đầu khung) sensor: 0X01 ÷ 0X06 (1 byte xác định loại sensor) vt_sensor: 0X01 ÷ 0X20 (1 byte xác định vị trí trên tàu) data: 15 byte (dữ liệu đo) end: 0X55 (1 byte kết thúc khung) 2.3.3.Detector và máy tính nhúng Các detector đo suất liều gamma được sử dụng là Detector LND 7121 và Detector LND 71623. Thông số của 2 detector được liệt kê trong bảng 1. Bảng 1. Thông số Detector đo suất liều gamma[9,10]. Tên Detector Thông số Detector LND 7121 Detector LND71623 Khoảng đo 10-4 mGy/h ÷ 1 mGy/h 1 mGy/h ÷ 104 mGy/h Nhiệt độ hoạt động -40℃ ÷ +75℃ -10℃ ÷ +75℃ Dải điện áp hoạt động 450V ÷ 650 V 450V ÷ 600 V Điện áp làm việc 500V 500V Cấu hình máy tính nhúng: - Vi xử lý: TI Cortex A8 AM3505 600 MHz - RAM: 256 MB DDR2 - Kêt nối:4 x RS-232/422/485, 1 x RS-485 - Hệ điều hành: WINCE 6.0 Hoạt động của máy tính được mô tả như lưu đồ thuật toán Hình 6. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 59, 02 - 2019 101 CSDL Phân tích, xử lý RS232 Cảnh báo âm thanh Cảnh báo đèn Hiển thị GLCD Hiển thị MONITOR Hình 5. Sơ đồ khối máy tính nhúng. Mô tả thuật toán: B1: Khởi động và mở cổng COM, thiết lập tham số B2: Đọc dữ liệu từ cổng COM và xác định trạng thái cổng, nếu lỗi thì kết thúc chương trình, nếu không chuyển sang B3. B3: Phân tích dữ liệu đọc từ cổng COM và kiểm tra dữ liệu, nếu dữ liệu không hợp lệ thì bỏ qua và quay lại B2, nếu dữ liệu hợp lệ thì lưu vào cơ sở dữ liệu và hiển thị kết quả sau đó chuyển sang B4. B4: So sánh giá trị đo với ngưỡng, nếu giá trị đo vượt ngưỡng thì đưa ra cảnh bảo và quay lại B2 tiếp tục đọc dữ liệu từ cổng COM. Start Kiểm tra ngưỡng Đọc COM Lưu dữ liệu Hiển thị kết quả Kiểm tra hợp lệ Cảnh báo End Lỗi COM True Phân tích dữ liệu Yes Yes No No Hình 6. Lưu đồ thuật toán xử lý số liệu đo. 2.3.4. Hiển thị kết quả Cấu hình Module hiển thị Kỹ thuật điều khiển & Điện tử Đ. K. Chiến, .., “Giải pháp thu thập trên tàu biển dùng máy tính.” 102 Máy tính nhúng DEMUX GLCD1 RS232 GLCD2 GLCD3 GLCD4 MONITORHDMI Hình 7. Sơ đồ khối hiển thị. Hiển thị trên GLCD Hiển thị trên MONITOR Hình 8. Giao diện hiển thị. 3. THỬ NGHỆM, TÍNH TOÁN, THẢO LUẬN 3.1. Sản phẩm nghiên cứu (a) Bên ngoài khối xử lý trung tâm (b) Bên trong khối xử lý trung tâm (c) Bên ngoài detector đo phóng xạ (d) Bên trong detector đo phóng xạ Hình 9. Các sản phẩm nghiên cứu. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 59, 02 - 2019 103 3.2. Phương pháp thử nghiệm Các kết quả kiểm tra thiết bị được thực hiện tại phòng kiểm chuẩn máy đo phóng xạ, Phòng Phóng xạ, Viện Hóa học - Môi trường quân sự. Đo trực tiếp giá trị phóng xạ từ nguồn phóng xạ chuẩn, xử lý và hiển thị kết quả trên hệ thống để đánh giá khả năng xử lý, độ chính xác của toàn bộ hệ thống, đặc biệt là khả năng đáp ứng của detector và khả năng xử lý của hệ thống máy tính nhúng. Bảng 2. Phân bố suất liều nguồn chuẩn (SLLT) theo khoảng cách. KC(cm) 20 30 40 50 60 80 100 120 140 160 180 200 SLLT(mSv/ h) 195.8 0 84.30 47.06 29.70 19.98 11.98 7.62 5.36 3.96 3.00 2.40 1.90 3.3. Kết quả thử nghiệm và bình luận Bảng 3. Phân bố tốc độ đếm (N) thu được từ các sensor và thời gian đáp ứng (TD) theo khoảng cách. Dựa trên số đếm thu được từ detector và suất liều chuẩn dùng phương pháp khớp hàm bình phương tối thiểu ta thu được các hệ số của phương trình tính suất liều (phương trình 1) như sau: a=0.001200( Sv/h.cps2); b= 21.063000( Sv/h.cps); c= 16.985500( Sv/h) Bảng 4. Suất liều thu được (SLTT) từ sensor đo phóng xạ và thời gian đáp ứng (TD). KC(cm) 20 30 40 50 60 80 100 120 140 160 180 200 SLTT(mSv/h) 190.67 86.53 47.22 30.04 20.8 3 11.8 2 7.59 5.10 3.96 2.97 2.45 1.93 Sai số(%)* 2.6 2.6 0.3 1.1 4.3 1.4 0.4 4.9 0.1 1.0 1.9 1.7 TD(ms) 14 15 16 14 11 13 14 16 15 14 15 13 *Sai số tương đối giữa suất liều nguồn chuẩn và suất liều tính toán từ thiết bị được tính theo công thức SS(%) *100(%) SLLT SLTT SLTT   Hình 10. Sai số tương đối giữa giá trị lý thuyết và giá thị đo thử nghiệm. KC(cm) 20 30 40 50 60 80 100 120 140 160 180 200 N(cps) 6582.9 3435.1 2010.6 1325.3 938.2 543.4 352.4 237.9 185.2 139.2 114.6 90.5 TD(ms) 16 15 12 9 14 12 16 15 14 13 15 16 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử Đ. K. Chiến, .., “Giải pháp thu thập trên tàu biển dùng máy tính.” 104 Sai số của phép đo giữa giá trị lý thuyết và thực nghiệm ≤ 5% được thể hiện ở hình 10, Kết quả đo so sánh với các thiết bị đo phóng xạ RADOS-200, Máy đo phóng xạ SVG-2 tại hình 11 cho thấy có sự tương đồng trong dải suất liều khảo sát. Hình 11. So sánh giá trị lý thuyết, thiết bị SVG-2, RADOS200 và giá thị đo thực tế của detector thử nghiệm. 4. KẾT LUẬN Căn cứ vào kết quả thử nghiệm, hệ thống đáp ứng đầy đủ yêu cầu thu thập và xử lý số liệu đo một cách nhanh và chính xác. Thời gian đáp ứng trung bình của hệ thống (theo bảng 2,3,4): 15ms là chấp nhận được và đáp ứng yêu cầu thực tế. Số liệu đo thực tế tiệm cận giá trị lý thuyết, dữ liệu trên đường truyền được xử lý triệt để, ko có sai số và mất dữ liệu. Căn cứ vào giao diện và kết quả hiển thị, phương án dùng máy tính nhúng để xử lý và hiển thị kết quả có hiệu quả cao, dữ liệu được xử lý một cách mềm dẻo và chính xác, kết quả hiển thị trực quan và linh hoạt, đáp ứng các yêu cầu quan sát và lưu trữ khác nhau. Tóm lại, phương pháp sử dụng máy tính nhúng thu thập và xử lý số liệu từ detector phóng xạ qua đường truyền RS485 trên các tàu cảnh sát biển và tàu chiến đáp ứng được yêu cầu thực tế, vừa có khả năng xử lý nhanh và chính xác, vừa có khả năng lưu trữ đáp ứng yêu cầu khai thác, phân tích. Hệ thống có khả năng mở rộng, kết nối các hệ thống trên các tàu chiến và tàu cảnh sát biển khác nhau để quan sát các số liệu phóng xạ trên khu vực bất kỳ. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Lưu Tam Bát, “Hoàn thiện công nghệ chế tạo một số loại máy đo phóng xạ mới”,Báo cáo tổng kết đề tài cấp BQP (2003). [2]. Đinh Kim Chiến, “Hoàn thiện quy trình công nghệ cải tiến máy đo phóng xạ ĐP-5V và ĐP-3B”, Báo cáo tổng kết đề tài cấp BC Hóa học (2009) [3]. Nguyễn Thanh Long, “Nghiên cứu hoàn thiện chế tạo máy đo phóng xạ PX-6KT trên tầu hải quân”, Báo cáo tổng kết đề tài cấp Viện HHMTQS (2009) Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 59, 02 - 2019 105 [4]. C. L. Morns, J. E. Bolger, G.W. Hoffinan, C. F. Moore, L. E. Smith, and H. A.Thiessen, “A Digital Technique for Neutron-Gamma Fulse Shape Discrimination,” Nuclear Instruments and Methods 137,397 (1976) [5]. MIL-STD 810A (USAF) 23 June 1962, Military Standard Environemtal Test Methods for Aerospace and Ground Equipment. Wringht Patterson AFB, Ohio 454333 [6]. Glenn F.Knoll. “Radiation detection and measurement”. Second edition. John Wiley & Son (1988) [7]. https://www.admnucleartechnologies.com.au/files/product/pdf/Thermo_SVG- [8]. [9]. https://www.lndinc.com/products/geiger-mueller-tubes/712-2/ [10]. https://www.lndinc.com/products/geiger-mueller-tubes/71623/ ABSTRACT THE METHOD COLLECTING AND PROCESSING RADIATION DATA ON THE SHIPS USING EMBEDED COMPUTER To improve the accuracy of measurements and to upgrade, improve the performance of the devices, this study presents a solution using embedded computer for collecting and processing radioactive data for radiation monitoring devices- equip on Navy and Vietnam Coast Guard ships Keywords: Detector; RS-232 interface; Gamma dose rate; Embeded computer. Nhận bài ngày 02 tháng 11 năm 2018 Hoàn thiện ngày 15 tháng 01 năm 2019 Chấp nhận đăng ngày 19 tháng 02 năm 2019 Địa chỉ: 1Viện Hóa học - Môi trường quân sự /Binh chủng Hóa học; 2Viện Điện tử - Viện Khoa học và Công nghệ quân sự. * Email: dinhkimchien@gmail.com.