Nghiên cứu, chế tạo robot tự hành mang thiết bị phát hiện nguồn phóng xạ dùng trong hỗ trợ sự cố hạt nhân

Nội dung text: Nghiên cứu, chế tạo robot tự hành mang thiết bị phát hiện nguồn phóng xạ dùng trong hỗ trợ sự cố hạt nhân

1. NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO ROBOT TỰ HÀNH MANG THIẾT BỊ PHÁT HIỆN NGUỒN PHÓNG XẠ DÙNG TRONG HỖ TRỢ SỰ CỐ HẠT NHÂN RESEARCHING AND MANUFACTURING A MOBILE ROBOT BRINGS A DETECTION OF RADIOACTIVE SOURCES EQUIPMENT USED FOR DEALING WITH NUCLEAR INCIDENTS. Lê Chí Cương(1), Nguyễn Quang Thuận(2) Trường Đại Học Sư Phạm Kĩ Thuật TP.HCM Email: (1) lccuong@gmail.com; (2) quangthuanspkt@gmail.com; TÓM TẮT Hiện nay, các nguồn phóng xạ và điện hạt nhân được sử dụng rộng rãi trên cả nước và thế giới. Trong quá trình sử dụng đặt ra các vấn đề như : rò rĩ phóng xạ, thất lạc nguồn phóng xạ, tiếp cận các vị trí có phóng xạ mà con người không thể tới. Tuy nhiên ở Việt Nam chưa có một nghiên cứu nào hỗ trợ giải quyết các vấn đề này, trên thế giới chỉ có một vài nước như Mỹ, Nhật Bản có sử dụng robot hỗ trợ cho các sự cố hạt nhân. Trong nghiên cứu này, một robot tự hành được chế tạo nhằm mục đích mang thiết bị phát hiện nguồn phóng xạ dùng tìm kiếm các nguồn phóng xạ, phát hiện các rò rĩ phóng xạ, quay phim và thu thập dữ liệu. Robot được điều khiển và truyền nhận dữ liệu bằng sóng vô tuyến không dây với bán kính 500 m, vận tốc của robot là 0,5 m/s, có khả năng hoạt động bình thường khi bị lật. Kết quả thử nghiệm cho thấy robot có khả năng thu thập dữ liệu về vị trí và nồng độ của nguồn phóng xạ đồng thời quay phim. Dựa vào số liệu ghi nhận được từ robot có thể phát hiện ra vị trí của nguồn phóng xạ, thu thập các số liệu cần thiết cho việc đảm bảo an toàn hạt nhân. Từ khóa: phóng xạ, detector,robot tự hành, dò tìm phóng xạ Nowadays, radiation sources and nuclear power are used widely in our country and all around the world. During the processing timeframe, we have faced number of problems including radiation leakage, missing radiation source, individuals approaching the radiation locations without permission. While there have not been any researches conducted in an attempt to find solutions to these issues in Vietnam, countries like the USA and Japan have used robots to help them with handling those incidents. In this research, a mobile robot was created to bring for detection of radioactive sources to look for radiation sources, find out radiation leakage, make video and collect data. The robot which is operated remotely will transmit data through radio waves within 5000m radius and with the speed of 0.5m/s. More importantly, the robot is able to work even if it is overturned. Test result shows that robot is capable of collecting data about location and concentration of radiation courses and making film at once. Based on the recording of data from robot we may find out radiation source locations, collect necessary data to make ensure nuclear safety. Keywords : radiation, detector, mobile robot, detection of radioactive sources
2. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ 2. MÔ HÌNH THIẾT KẾ, CHẾ TẠO ROBOT Ngày nay, Robot tự hành càng được ứng 2.1 Mô hình thiết kế robot dụng rộng rãi, được đầu tư và phát triển mạnh mẽ sử dụng trong nhiều lĩnh vực như quân sự ,giám sát ,trong môi trường độc hại mà con người không thể trực tiếp hoạt động. Theo báo cáo của Cơ quan Năng lượng nguyên tử quốc tế (IAEA) năm 2013, đã có 615 vụ mất nguồn phóng xạ từ năm 1993 đến năm 2012, tức là trung bình mỗi năm có từ 20 đến 40 vụ vật liệu phóng xạ bị thất lạc hoặc bị đánh cắp trên thế giới. Riêng năm 2013, IAEA nhận được báo cáo về 140 vụ mất nguồn phóng xạ. Từ quý I năm 2013 đến quý III năm 2014, trên thế giới đã xảy ra 266 sự cố về nguồn bức Hình 2.1 Mô hình thiết kế robot xạ. Ở các nước như Mỹ ,Nhật, .thì cũng đã có các Robot tự hành thực hiện các công việc Robot được thiết kế 4 bánh, công suất động cơ : tương tự nhưng chủ yếu vẫn sữ dụng các thiết 60W, điện áp làm việc : 24 V, dòng điện làm bị cầm tay. Ngoài ra các nước như Nam Phi, việc : 1.5A, tốc độ động cơ sau giảm tốc : 70 Pháp, Đức, Canada và một số nước phát triển v/p, khả năng tải : 25 kg cũng xảy ra nhiều sự cố mất nguồn phóng xạ. Robot có khả năng hoạt động bình thường khi Thống kê của Cục An toàn bức xạ và hạt bị lật do trọng lượng và kích thước của robot nhân (ATBXHN) thuộc Bộ Khoa học và Công được phân bố đều giữa trọng tâm của bánh xe. nghệ Việt Nam năm 2014. Cả nước có trên Vì vậy cho phép xe có thể lật và hoạt động bình 6000 nguồn phóng xạ, với hơn 1.000 cơ sở sử thường dụng thiết bị bức xạ. Điều này tiềm ẩn nhiều 2.2 Chế tạo robot nguy cơ về an toàn phóng xạ. Trong 12 năm qua, nước ta xảy ra 7 vụ mất nguồn phóng xạ. Và nước ta hiện nay đang đầu tư phát triển về điện hạt nhân. Một nhóm nghiên cứu tài Trường đại học công nghệ Ontario ở Canada đã nghiên cứu một robot điều khiển bằng tay để phát hiện nguồn phóng xạ [1]. Trong năm 2013 các thành viên thuộc Trung Tâm nghiên cứu, Trường đại học Islamic Azad Iran đã nghiên cứu điều khiển logic mờ tối ưu cho robot [2]. Hay nghiên cứu của Phòng Kỹ thuật Điện tử, Đại học De Guanajuato ở Mexico để thiết lập quỹ đạo đường đi cho robot tránh vật cản [3]. Hình 2.2 Phần cơ khí Robot
3. Hình 2.3 Động cơ planet của Robot Động cơ motor sử dụng là DC motor 24V ,60W có encoder 13ppr, tỉ số truyền 1:139k, Hình 3.2 Mạch điều khiển sau khi hoàn thành chiều dài L = 67.5mm, tốc độ sau khi giảm tốc là 70 v/p Mạch điều khiển sử dụng là Arduino UNO có thể xử lí những tác vụ đơn giản như điều khiển đèn LED nhấp nháy, xử lí tín hiệu cho xe điều khiển từ xa. Arduino UNO có thể được cấp nguồn 5V thông qua cổng USB hoặc cấp nguồn ngoài với điện áp khuyên dùng là 7-12V DC và giới hạn là 6-20V. Arduino UNO có 14 chân digital dùng để đọc hoặc xuất tín hiệu. Ngôn ngữ lập trình cho Arduino bắt nguồn từ C/C++ phổ biến hiện nay do đó rất dễ học, dễ hiểu. Hình 2.4 Mô hình hoàn thành thực tế của robot 3. ĐIỀU KHIỂN CHO ROBOT 3.1 Mạch điều khiển trung tâm Hình 3.3 Giao diện phần mềm cho mạch điều khiển Arduino Hình 3.1 Sơ đồ khối mạch điều khiển
4. 3.2 Mạch phát và thu tín hiệu 3.4 Phần mềm lập bản đồ, ghi nhận kết quả Hình 3.4 Nguyên lý kết nối Bộ thu tín hiệu RC Hình 3.7 Hình phần mềm lập bản đồ và ghi 8325.8G Wireless nhận kết quả Hệ thống phát tín hiệu gồm có 2 bộ phát tín Phần mềm lập bản đồ được lập trình C# 2013 hiệu được gắn trên robot, 1 bộ để phát tín hiệu có khả năng hiển thị đường đi, suất liều của từ camera và 1 bộ dùng để phát tín hiệu thu robot, khoảng cách mà robot đi được, góc quay, nhận suất liều, đường đi của robot về máy tính trạng thái tiến hay lùi, tốc độ di chuyển của Hệ thống thu tín hiệu cũng gồm 2 bộ tương ứng robot để thu nhận tín hiệu từ camera và thu tín hiệu 4. THỬ NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ suất liều, đường đi của robot sau đó hiển thị lên 4.1 Thiết bị sử dụng thử nghiệm phần mềm lập bản đồ đưa ra kết quả. 4.1.1 Liều kế cá nhân bỏ túi điện tử cho tia X 3.3 Mạch điều khiển động cơ và gamma Mini Instrument 6100 - Detector: Ống đếm Geiger-Muller tự tắt dùng khí halogel có kích thước bé được đặt ngay trong máy. - Đại lượng đo được: liều tương đương, đơn vị mSv; suất liều tương đương, đơn vị mSv/h tương ứng với các ngưỡng đo như sau 0 – 9999 mSv, 0 – 99,99 mSv/h. Hình 3.5 Thiết kế mạch điều khiển động cơ - Chỉ thị: Màn hình tinh thể lỏng, có báo động bằng tín hiệu âm thanh khi liều vượt quá ngưỡng cài đặt hoặc khi pin yếu. - Trọng lượng: 125 gam. - Kích thước: 110 60 18 mm3. Hình 3.6 Mạch điều khiển động cơ
5. Hình 4.1 Máy Mini Instruments 6100 Series Hình 4.4 sơ đồ mô phỏng đường đi của robot Dosimeter. 4.3 Trình tự tiến hành thử nghiệm 4.1.2 Nguồn phóng xạ - Chuẩn bị các thiết bị cần thiết, kết nối - Tên nguồn: Co – 60 với máy tính và phần mềm - Hoạt độ 0,83 mCi tại thời điểm ngày sản - Điều khiển robot lần lượt đi qua các vị xuất là tháng 01/2014 trí theo hình 8.4 - Thời gian bán rã của nguồn: T1/2 = 5,27 o Vị trí 1 : nguồn phóng xạ đặt năm ngoài hành lang o Vị trí 2 : nguồn phóng xạ đặt ngoài hành lang sau dãy đồ chuyên dụng o Vị trí 3 : nguồn phóng xạ đặt sau cánh cửa nhôm o Vị trí 4 : nguồn phóng xạ đặt ở giữa phòng có chướng ngại vật Hình 4.2 Nguồn phóng xạ Co – 60 4.2 Sơ đồ không gian thử nghiệm và sơ đồ đường đi của robot Không gian tiến hành thí nghiệm là : Hành lang và Phóng thí nghiệm của Trung tâm đào tạo thuộc Viện nghiên cứu hạt nhân. Địa chỉ : Số 01 Nguyên Tử Lực, Đà Lạt, Lâm Đồng. Hình 4.5 Sơ đồ vị trí của nguồn phóng xạ - Ghi nhận kết quả mà robot đo được trong từng vị trí của nguồn phóng xạ - Đồng thời quay video tiến trình thực hiện và quá trình di chuyển của robot Hình 4.3 sơ đồ mô phỏng không gian thí nghiệm
6. 4.4 Kết quả thử nghiệm Vị trí 2 : Nguồn phóng xạ sau dãy đồ Vị trí 1: Nguồn phóng xạ bên ngoài chổ trống Hình 4.8 Hình vị trí và giá trị đo tương ứng với vị trí 2 Hình 4.6 Hình vị trí và giá trị đo tương ứng với vị trí 1 Hình 4.9 Biểu đồ kết quả đo suất liều ở vị trí 2 - Kết quả tại vị trí 2 : Hình 4.7 Biểu đồ kết quả đo suất liều ở vị trí 1 Bình thường robot đo được giá trị suất liều - Kết quả tại vị trí 1: là 0.03 – 0.05 Msv/h nhưng khi robot đi đến các Bình thường robot đo được giá trị suất liều điểm 14,15,16,17,18,19 giá trị suất liều bắt đầu là 0.03 – 0.04 Msv/h nhưng khi robot đi đến các tăng cao đến điểm số 20 tương ứng trên bản đồ điểm 54,55,56 giá trị suất liều bắt đầu tăng cao theo dõi đường đi robot đi được 35.7 m giá trị đến điểm số 57 tương ứng trên bản đồ theo dõi suất liều là 0.12 Msv/h sau đó hạ xuống thấp đường đi robot đi được 54.7m giá trị suất liều là đột ngột. Giá trị suất liều 0.12 Msv/h là giá trị 0.12 Msv/h sau đó hạ xuống thấp. Giá trị suất tại điểm có nguồn phóng xạ liều 0.12 Msv/h là giá trị tại điểm có nguồn Sau khi đi qua vị trí có nguồn phóng xạ suất phóng xạ liều giảm xuống đột ngột do đầu dò được gắn phía trước robot và sau khi đi qua robot trở thành vật cản ảnh hưởng đến việc ghi nhận của đầu dò.
7. Vị trí 3 : Nguồn phóng xạ phía sau cánh phía trước robot và sau khi đi qua robot trở cửa nhôm dày 30 mm thành vật cản ảnh hưởng đến việc ghi nhận của đầu dò. Vị trí 4 : Nguồn phóng xạ giữa phòng thí nghiệm Hình 4.10 Hình vị trí và giá trị đo tương ứng với vị trí 3 Hình 4.12 Hình vị trí và giá trị đo tương ứng với vị trí 4 Hình 4.11 Biểu đồ kết quả đo suất liều ở vị trí 3 - Kết quả tại vị trí 3 : Bình thường robot đo được giá trị suất liều Hình 4.13 Biểu đồ kết quả đo suất liều ở vị trí 4 là 0.03 – 0.05 Msv/h nhưng khi robot đi đến các - Kết quả tại vị trí 4 : điểm 7,8,9 giá trị suất liều bắt đầu tăng cao đến điểm số 10 tương ứng trên bản đồ theo dõi Bình thường robot đo được giá trị suất liều đường đi robot đi được 9 m giá trị suất liều là là 0.03 – 0.05 Msv/h nhưng có một vị trí 21 0.12 Msv/h sau đó hạ xuống thấp đột ngột. Giá suất liều tăng cao đến 0.09 Msv/h sau đó giảm trị suất liều 0.12 Msv/h là giá trị tại điểm có xuống và khi robot đi đến các điểm 57,58,59 nguồn phóng xạ giá trị suất liều bắt đầu tăng cao đến điểm số 60 tương ứng trên bản đồ theo dõi đường đi robot Sau khi đi qua vị trí có nguồn phóng xạ suất đi được 17 m giá trị suất liều là 0.12 Msv/h. Giá liều giảm xuống đột ngột do đầu dò được gắn
8. trị suất liều 0.12 Msv/h là giá trị tại điểm có 5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ nguồn phóng xạ Luận văn đã giải quyết được các vấn đề sau: Tại vị trí số 21 suất liều tăng cao đến 0.09 Tính toán, thiết kế và chế tạo được Robot. Điều Msv/h sau đó giảm xuống điều này được lý giải khiển robot, kết nối để thu nhận hình ảnh và dữ vì trong phòng thí nghiệm lúc thử nghiệm có liệu. Lập bản đồ đường đi và ghi nhận kết quả phòng chứa các nguồn phóng xạ khác nên khi đo của robot bằng phần mềm. Tiến hành thử robot đi lại gần vị trí đó suất liều lập tức tăng nghiệm robot trong phòng thí nghiệm và ngoài cao. hành lang. Kết quả nghiên cứu là cơ sở để 4.5 Đánh giá kết quả thử nghiệm nghiên cứu ứng áp dụng cho các thí nghiệm và thực nghiệm ngoài thực tế của robot. Căn cứ vào kết quả thử nghiệm ghi nhận được bằng trực quan và bằng phần mềm lập biểu đồ. Tuy nhiên đề tài vẫn còn một số hạn chế: Sau đó được thống kê bằng biểu đồ. Tôi có thể Do điều kiện hạn hẹp về kinh phí, thời gian và đưa ra một số nhận xét và đánh giá sau : sự đặc thù nguy hiễm của các nguồn phóng xạ - Nguồn phóng xạ được phát hiện tại giá trị : nên đề tài chỉ mới tiến hành thí nghiệm trong 0,12 mSv/h phòng thí nghiệm và ngoài hành lang của phòng - Ở điều kiện bình thường thì giá trị của thí nghiệm. Đề tài cần nghiên cứu tiếp theo sâu detector ghi nhận là : 0,03-0,04 mSv/h. hơn về robot tự hành để có thể thực nghiệm ngoài môi trường thực, phát triễn robot có thể - Khi giá trị của detector ghi nhận tăng lên đột dò tìm được các nguồn nhỏ và trong điều kiện ngột chứng tỏ rằng trong vùng hoạt động của khắc nghiệt hơn. robot có tồn tại nguồn phóng xạ hoặc nồng độ phóng xạ tự nhiên cao TÀI LIỆU THAM KHẢO - Robot có thể phát hiện nguồn đặt ở các vị trí [1] Đỗ uý Sơn, u nh Văn Trung Cơ sở hóa như : học phóng xạ Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật à Nội o Ngoài vị trí thông thoáng [2] S.TS. Ngô uang uy Cơ sở vật lý hạt o Sau cửa nhôm dày 30 mm nhân Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật o Sau dãy đồ chuyên dụng bằng vãi [3] PGS.TS Nguyễn Hữu Lộc Cơ sở thiết kế - Robot không thể phát hiện được nguồn máy Nhà xuất bản Đ TP CM. phóng xạ nếu đặt sau bức tường dày 200 mm [4] A.I. Abramov, IU.A. Kazanski và E.X. Ngoài ra, độ chính xác của các giá trị đo được Matuxevich "Cơ sở các phương pháp vật lý hạt của detector phụ thuộc vào các yếu tố sau : nhân thực nghiệm" do TS. Nguyễn Đức Kim dịch thuật - Độ nhạy của detector [5] Sercan Arslan and akan Temeltaş - Độ mạnh của nguồn phóng xạ : Robust Motion Control of a Four Wheel Drive Nguồn phóng xạ không bọc chì và thép Skid-Steered Mobile Robot 2011 7th, Bursa, không gĩ bên ngoài dễ phát hiện hơn TURKEY Các nguồn phóng xạ nhỏ khó phát hiện [6] A. Miller , R. Machrafi , A. Mohany Development of a Semi-Autonomous - Địa hình thực nghiệm của robot. Địa hình Directional and Spectroscopic Radiation phức tạp nhiều chướng ngại vật và vật cản thì Detection Mobile Platform. 20 November càng khó phát hiện nguồn phóng xạ 2014, Ontario, Canada.
9. Thông tin liên hệ tác giả chính (người chịu Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 20 trách nhiệm bài viết) Xác nhận của giảng viên hướng dẫn Họ tên: Nguyễn Quang Thuận (Ký & ghi rõ học tên) Đơn vị: Trường Đại Học Sư phạm kỹ thuật TP HCM Điện thoại: 0169.6878.406 Email: quangthuanspkt@gmail.com
10. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2017-2018 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.