Nghiên cứu phát triển hệ quan trắc phóng xạ môi trường sử dụng đầu dò nhấp nháy NaI-SiPM kết hợp internet vạn vật (IoT)

Đến nay, Viện Khoa học và Kỹ thuật hạt nhân (KH&KTHN) đã lắp đặt và đưa vào vận hành 12 hệ thiết bị quan trắc phóng xạ môi trường (QTPXMT) trực tuyến, trong đó có 7 hệ thiết bị Fuji (Nhật Bản) và 5 hệ thiết bi Sara (Envinet, Đức) tại 11 trạm quan trắc khí tượng thuỷ văn thuộc các tỉnh thành phố: Lạng Sơn, Hải Phòng, Móng Cái, Bãi Cháy, Lào Cai, Cao Bằng, Nghệ An, Sơn La,  Đà Nẵng, Hà Nội và đảo Bạch Long Vĩ. Một số thiết bị QTPXMT trực tuyến hoạt động cho đến nay cũng gần được 10 năm nên việc hỏng hóc, trục trặc cũng thường xuyên xảy ra. Chính vì vậy, việc duy trì, vận hành một cách thường xuyên liên tục các hệ thiết bị trong mạng quan trắc gặp nhiều khó khăn đặc biệt khi có sự cố hỏng hóc phải gửi thiết bị ra nước ngoài sửa chữa. Điều này không chỉ ảnh hưởng đến việc làm gián đoạn số liệu quan trắc trực tuyến tại mỗi trạm đo mà còn phải chi một khoản kinh phí lớn cho việc sửa chữa này.

Hệ quan trắc phóng xạ môi trường (QTPXMT) 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 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 QTPXMT được chế tạo hoàn chỉnh, có tên là VinaERMS.Spect-INST, như trong Hình 1, được gắn trên giá đỡ ở độ cao 1m so với mặt đất.

Hình 1. Hệ thống QTPXMT VinaERMS.Spec-INST hoàn chỉnh

Trung tâm giám sát là một phần mềm được xây dựng dựa trên nền tảng Web như một bộ hiển thị giao diện của hệ thống QTPXMT trong Hình 2, 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 2. Phần mềm cho người sử dụng dựa trên web của hệ thống VinaERMS.Spect-INST tại địa chỉ http://eradmon.nuclearelectronics-inst.com/

Hệ thiết bị 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. Hệ thiết bị cũng đã được lắp đặt ngoài hiện trường để tiến hành quan trắc và kiểm nghiệm trong điều kiện thực tế phóng xạ môi trường liên tục trong nhiều ngày. Một trong những dữ liệu điển hình đo được như ở Hình 3 tại địa điểm thuộc Viện KH&KTHN, với giá trị trung bình cho thấy sự tương quan giữa các thiết bị đo, đặc biệt phù hợp tại thời điểm có mưa vào lúc 15g-17g ngày 15/10/2024 do lượng radon trong không khí tăng nên xuất hiện đỉnh về suất liều tăng đột biến đồng thời ở các thiết bị.

Nhìn chung, hệ VinaERMS.Spect-INST 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 quan trắc phóng xạ môi trường. VinaERMS.Spect-INST, dựa trên các tiêu chuẩn công nghiệp cho phần cứng và giao thức mạng IoT, 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. Việc làm chủ công nghệ và chế tạo thành công hệ VinaERMS.Spect-INST cho thấy lợi thế về chi phí, chủ động hơn trong việc vận hành, bảo trì và sửa chữa mạng lưới quan trắc phóng xạ môi trường quốc gia. Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ là cơ sở, nguyên mẫu cho dự án sản xuất thử nghiệm một số hệ thống trong thời gian tới, nhằm cung cấp bổ sung, thay thế các hệ thống đã hỏng trong mạng lưới QTPXMT quốc gia.

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

Viện Khoa học và Kỹ thuật hạt nhân