Hệ thống quan trắc phóng xạ môi trường VinaERMS.Spect-INST

Hệ thống quan trắc phóng xạ môi trường (QTPXMT) VinaERMS.Spect-INST sử dụng đầu dò nhấp nháy NaI-SiPM kết hợp với Internet vạn vật (IoT) được nghiên cứu phát triển trong khuôn khổ nhiệm vụ khoa học công nghệ cấp Bộ do Viện Khoa học và Kỹ thuật hạt nhân chủ trì (mã số: ĐTCB.04/23/VKHKTHN) với mục tiêu nâng cao năng lực thiết kế, chế tạo, làm chủ công nghệ và nội địa hoá thiết bị sẵn sàng đáp ứng nhu cầu bảo dưỡng, nâng cấp và mở rộng phát triển mạng lưới quan trắc phóng xạ môi trường quốc gia. Kết quả của đề tài đã chế tạo thành công 01 hệ thống quan trắc phóng xạ môi trường đạt chuẩn quốc tế sử dụng đầu dò nhấp nháy NaI-SiPM kết hợp Internet vạn vật IOT. Hệ thống QTPXMT này bao gồm 2 kênh đo chính là kênh đo phổ dựa trên đầu dò nhấp nháy và kênh đo suất tương đương liều môi trường H*(10) dải rộng dựa trên tổ hợp đầu dò Geiger-Muller bù trừ năng lượng. Các kênh đo này đều được thiết kế chế tạo dựa trên vi điều khiển 32-bit họ STM32 để điều khiển quá trình đo đạc, thu nhận và lưu trữ dữ liệu theo thời gian thực. Ngoài ra hệ thống còn được tích hợp thêm các cảm biến về thời tiết như: nhiệt độ, độ ấm không khí, áp suất khí quyển, lượng mưa và bộ thu tín hiệu định vị vệ tinh toàn cầu GPS. Hệ thống sử dụng công nghệ IoT để truyền dữ liệu đến Trung tâm giám sát trên máy chủ đám mây thông qua kết nối mạng 4G LTE. Dữ liệu tạo ra từ hệ thống QTPXMT bao gồm: ngày/giờ thu dữ liệu, tốc độ đếm xung phóng xạ dải thấp/ dải cao, điện áp pin, nhiệt độ không khí, Độ ẩm tương đối, áp suất khí quyển, lượng mưa, phổ gamma, cường độ sóng GSM, tọa độ GPS, được lưu dưới dạng cơ sở dữ liệu trên máy chủ. Hệ thống được hoạt động dựa trên nguồn nuôi dựa trên pin mặt trời kết hợp với pin dự phòng lithium để hệ thống có thể hoạt động liên tục ngoài trời. Tất cả các đầu dò phóng xạ và khối điện tử chức năng được đặt trong hộp bảo vệ đạt chuẩn IP-68. Hệ thống QTPXMT được chế tạo hoàn chỉnh như hình 1, được gắn trên giá đỡ ở độ cao 1m so với mặt đất.

Hình 1. Hệ QTPXMT VinaERMS.Spect-INST

Cấu trúc hệ thống

Sơ đồ khối chức năng tổng quát của hệ thống QTPXMT được miêu tả như hình 2, bao gồm các thành phần:

Phần 1 – Hệ thống QTPXMT: có 2 kênh đo

+ Kênh đo phổ (Spectrometric Channel)

+ Kênh đo suất liều dải rộng (Wide Range Dosimetric Channel)

Ngoài ra có thêm cảm biến về thời tiết (Weather Sensors) như: Nhiệt độ, độ ấm không khí, áp suất khí quyển, lượng mưa.

Phần 2 – Trung tâm quan trắc (Monitoring Center): dựa trên máy chủ, cơ sở dữ liệu và một số thiết bị hỗ trợ khác

Hệ thống QTPXMT hoạt động đo đạc và truyền về Trung tâm quan trắc qua mạng không dây 4G/LTE các dữ liệu liên tục theo thời gian thực sau khoảng thời gian đo được định trước.

Hình 2. Sơ đồ khối hệ thống QTPXMT

Đặc trưng kỹ thuật

Đầu dò nhấp nháySiPM+NaI: 2×2 inch
Độ phân giải năng lượng 7,5% (tại 662 keV)
Phân tích biên độ đa kênh (MCA)4096 kênh
Đầu dò Geiger-MullerLoại bù trừ năng lượng, số lượng: 02
Loại bức xạ đoGamma, X-ray
Đại lượng đoH*(10) (suất tương đương liều môi trường)
Dải năng lượng38 keV – 1.3 MeV (±25 %)
35 keV – 2.5 MeV (-29% đến +67 %)
Dải suất liều, H*(10)10 nSv/h – 1 Sv/h
Độ chính xác± 5% (hiệu chuẩn với nguồn Cs-137 và Co-60)
Dải nhiệt độ và độ ẩm hoạt động-10oC – 50oC, 100% RH
Tuân thủ các tiêu chuẩn quốc tếIEC-60846, IP-68
Công nghệ truyền dữ liệu4G LTE; Giao thức IoT: HTTP; Giao tiếp: USB; Định vị: GPS
Trọng lượng và kích thước~30 kg, 530 x 430 x 210 mm
Nguồn nuôiPin mặt trời 100W và pin dự phòng 12V-30Ah

Tính năng

  • Phát hiện nhanh bức xạ nhân tạo mức thấp
  • Phân tích phổ trực tuyến
  • Nhận diện đồng vị tại chỗ
  • Hoạt động trong điều kiện môi trường khắc nghiệt
  • Hoạt động không cần gián sát
  • Thiết lập, điều khiển hệ thống từ xa dễ dàng và nhanh chóng
  • Đo đạc suất tương đương liều gamma môi trường dựa trên phổ ghi nhận
  • Thời gian thu thập dữ liệu có thể thiết lập bởi người sử dụng
  • Dải đó suất liều mở rộng với đầu dò GM bổ sung
  • Thư viện đồng vị phóng xạ có thể định cấu hình
  • Quản lý, cảnh báo vượt ngưỡng suất liều
  • Đo nhiệt độ, độ ẩm & lượng mưa
  • Truy cập dữ liệu và cài đặt thông số qua trình duyệt web
  • Hiển thị tọa độ vị trí đặt hệ thống QT&CBPXMT trên bản đồ kèm theo giá trị suất liều hiện tại.

Tại Trung tâm giám sát, một phần mềm được xây dựng dựa trên nền tảng Web như một bộ hiển thị giao diện của hệ thống QTPXMT trong hình 3, với các thẻ chức năng hiển thị biểu đồ kênh đo suất liều dải rộng và phổ gamma môi trường, hiển thị biểu đồ các thông số thời tiết và hiển thị bảng dữ liệu cụ thể theo thời gian thực. Ngoài ra, giao diện hệ thống còn tích hợp bản đồ hiển thị vị trí lắp đặt hệ thống theo tọa độ GPS cùng với thông số về suất liều phóng xạ cập nhật ở thời điểm gần nhất.

Hình 3. Phần mềm cho người sử dụng dựa trên web của hệ thống QTPXMT (VinaERMS.Spect-INST)

Hệ thống VinaERMS.Spect-INST (bao gồm một đầu dò nhấp nháy NaI-SiPM và 2 đầu dò Geiger-Muller) đã được hiệu chuẩn dựa trên hệ thống chiếu xạ tia Gamma (GC-60-10-A, Hopewell, Hoa Kỳ) của Phòng thí nghiệm chuẩn liều thứ cấp (SSDL) của Viện KH&KTHN để đáp ứng đầy đủ yêu cầu của thiết bị ghi đo bức xạ. Được thiết kế và chế tạo với cấu trúc nhỏ gọn và các thông số kỹ thuật của phần cứng cũng như các tính năng của phần mềm đáp ứng các yêu cầu của hệ thống QTPXMT và dựa trên các tiêu chuẩn công nghiệp cho phần cứng và giao thức mạng IoT, VinaERMS.Spect-INST là một hệ thống độc lập đáng tin cậy giúp nâng cấp khả năng sẵn sàng ứng phó sự cố hạt nhân bằng cách cung cấp dữ liệu bức xạ theo thời gian thực.

Hình 4. Một số hình ảnh về hệ QTPXMT VinaERMS.Spect-INST