zunia.vn

Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z

zunia.vn

» Kỹ Thuật - Công Nghệ

» Năng lượng

Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo lò nung kiểu Bridgman ứng dụng trong nuôi tinh thể nhấp nháy sử dụng trong ghi đo bức xạ

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:6

Báo xấu

6
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo lò nung kiểu Bridgman ứng dụng trong nuôi tinh thể nhấp nháy sử dụng trong ghi đo bức xạ trình bày nguyên lý, sơ đồ cấu tạo, phương pháp thiết kế chế tạo lò nung kiểu Bridgman để nuôi tinh thể nhấp nháy dùng trong ghi đo bức xạ cũng như một số kết quả thu được.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo lò nung kiểu Bridgman ứng dụng trong nuôi tinh thể nhấp nháy sử dụng trong ghi đo bức xạ

Tiểu ban C: Ghi đo bức xạ, An toàn bức xạ và Quan trắc môi trường Section C: Radiation measurement, Radiation safety and Environmental NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO LÒ NUNG KIỂU BRIDGMAN ỨNG DỤNG TRONG NUÔI TINH THỂ NHẤP NHÁY SỬ DỤNG TRONG GHI ĐO BỨC XẠ RESEARCH, DESIGN AND MANUFACTURE OF BRIDGMAN FURNACE APPLICATED IN SCINTILLATION CRYSTALS GROWTH USE IN RADIATION MEASUREMENT LÂM TẤN TRÚC1, VÕ TÀI ĐẠI1, LÊ TUẤN ANH2, PHAN TUẤN ANH1, TRẦN VĂN HUY1, TĂNG TRUNG KIÊN1, LÊ ĐỨC ANH1, HUỲNH THẾ PHI1, DƯƠNG ĐỨC NHẬT3, ĐOÀN ANH TÚ3, PHAN VIỆT CƯƠNG1 (1) Trung tâm Nghiên cứu & Triển khai Công nghệ Bức xạ (2) Khoa cơ khí, trường Đại học Bách Khoa – Đại học Đà Nẵng (3) Viện Khoa học và Kỹ thuật hạt nhân lamtantruc@gmail.com Tóm tắt: Trong báo cáo này, chúng tôi trình bày nguyên lý, sơ đồ cấu tạo, phương pháp thiết kế chế tạo lò nung kiểu Bridgman để nuôi tinh thể nhấp nháy dùng trong ghi đo bức xạ cũng như một số kết quả thu được. Thiết kế của chúng tôi có nhiều ưu điểm khi so sánh với các sản phẩm thương mại hiện nay như giá thành cạnh tranh, khả năng tùy chỉnh tất cả các thông số, nội địa hóa từ phần mềm điều khiển cho tới phần cứng. Việc kiểm soát nhiệt độ của thiết bị được vận hành tự động bằng bộ điều khiển tỉ lệ, vi phân, tích phân PID do chúng tôi tự thiết kế chế tạo. Với thiết bị này, chúng tôi đã nuôi thành công một số loại tinh thể có nhiệt độ nóng chảy dưới 1000℃, tiêu biểu là NaI đường kính 10 mm. Các nghiên cứu, khảo sát, tùy chỉnh các thông số để cho ra chất lượng tinh thể tốt hơn đang tiếp tục được tiến hành. Thành công bước đầu trong việc nuôi được tinh thể NaI chứng minh cho tính khả thi cũng như tiềm năng phát triển của hướng nghiên cứu này. Từ khóa: Lò nung Bridgman, nuôi tinh thể nhấp nháy, vi điều khiển Adruino, PID. Abstract: In this research, we present the principle, structure diagram, method of designing and manufacturing our Bridgman furnace applied in growing scintillation crystals used in radiation measurement as well as some obtained results. Our design has several advantages when compared to today's commercial products such as competitive prices, the ability to customize all parameters, complete localization from software to hardware, optimal parameters for each individual chemical. The temperature control of the apparatus is operated automatically by the proportional, differential, and integral PID controller which we designed and manufactured by ourselves. With this device, we have successfully grown a number of crystals with melting temperatures below 1000℃, typically 10mm diameter NaI. Studies to customize parameters to give the best crystal quality are underway. The initial success in growing NaI crystals proves the feasibility and development potential of this research direction. Keywords: Bridgman furnace, scintillation crystal, Adruino, PID. 1. GIỚI THIỆU Trong nghiên cứu này, chúng tôi tập trung chế tạo lò nung để có thể nuôi được các loại đơn tinh thể nhấp nháy phổ biến trên thị trường hiện nay như NaI, CsI. Từ đó, làm tiền đề nghiên cứu, nuôi thử nghiệm các loại tinh thể yêu cầu kĩ thuật nuôi cao hơn, có tính chất phát sáng tốt hơn, độ phân giải năng lượng cao hơn, hướng tới việc có thể tự chế tạo được thiết bị ghi đo bức xạ. NaI:Tl và một số đơn tinh thể nhấp nháy được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như đo đạc phóng xạ môi trường, vật lý hạt nhân, y học hạt nhân, địa vật lý, khảo sát khoáng chất,... [2]. NaI(Tl) có hiệu suất phát sáng cao so với các vật liệu nhấp nháy khác và có phạm vi phát xạ tương thích với hiệu suất tối đa của photocathode PMT. Về thiết bị nuôi tinh thể, các sản phẩm trên thị trường hiện nay thường giới hạn các thông số kĩ thuật nhằm mục đích nuôi 1 hoặc vài loại tinh thể nhất định. Điều này gây trở ngại không nhỏ trong định hướng nghiên cứu, tìm ra các tinh thể nhấp nháy mới của các phòng thí nghiệm. Do đó, chúng tôi nhận thấy việc làm chủ khả năng chế tạo và tùy biến thiết bị nuôi là cần thiết và có ý nghĩa. Sơ đồ cấu tạo 1 lò nung Bridgman tiêu chuẩn được mô tả như hình 1. Thiết bị được chia làm 3 phần, phần trên cùng – vùng nóng có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ nóng chảy của tinh thể cần nuôi, và phần dưới cùng – vùng lạnh có nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ nóng chảy. Phần thứ 3, nằm ở giữa đóng vai trò là 1 đoạn cách nhiệt. Hóa chất dạng rắn đặt trong cốc nung di chuyển từ trên xuống, nóng chảy ở vùng nóng và dần kết tinh, tạo thành 1 đơn tinh thể duy nhất khi di chuyển rất chậm đi qua vùng lạnh. Đây là phương pháp thường được áp dụng để nuôi các đơn tinh thể bán dẫn, ví dụ như GaAs (Gallium arsenide), chất rất khó nuôi được khi sử dụng các phương pháp khác. Bên cạnh đó, phương pháp này cũng được áp dụng rộng rãi trong các phòng thí nghiệm để nuôi các đơn tinh thể halide của kim loại kiềm, vì lí do đơn giản, dễ tiếp cận và thực hiện, chi phí đầu tư hợp lí [4]. 245
Tuyển tập báo cáo Hội nghị Khoa học và Công nghệ hạt nhân toàn quốc lần thứ 14 Proceedings of Vietnam conference on nuclear science and technology VINANST-14 Hình 1: Sơ đồ cấu tạo lò nung Bridgman tiêu chuẩn Để kiểm soát phân bố nhiệt độ bên trong lõi lò nung, chúng tôi sử dụng hệ điều khiển PID. Đây là phương pháp tối ưu giúp kiểm soát quán tính và độ trễ trong quá trình gia nhiệt, có khả năng tự dò ra các hệ số PID, giúp tính toán thiết kế điều khiển nhiệt độ lõi được đơn giản hơn nhưng vẫn đảm bảo hiệu quả so với các cách truyền thống vd như sử dụng hệ thống rơ le đóng ngắt ON – OFF. Các kết quả mô phỏng trường nhiệt trên matlab và số liệu đo được thực tế trùng khớp chứng minh cho tính hiệu quả của phương pháp. Sau giai đoạn đầu tiên của nghiên cứu là lắp ráp lò nung, những tinh thể đầu tiên đã được nuôi thành công, như KDP (𝐾𝐻2 𝑆𝑂4 : nhiệt độ nóng chảy 260oC) và NaI (nóng chảy 661oC). Bước tiếp theo của dự án là hiệu chỉnh các thông số hệ thống để tinh thể nuôi được có tính chất tốt nhất. 2. NGUYÊN LÍ, THIẾT KẾ 2.1. Nguyên lí mạch điều khiển PID Mạch điều khiển và kiểm soát nhiệt độ có thể nói là phần quan trọng nhất của lò nung, đóng vai trò quyết định chất lượng tinh thể nuôi được. Sơ đồ điều khiển PID được đặt tên theo ba khâu hiệu chỉnh của nó, bao gồm: K_p – Độ lợi tỉ lệ: giá trị càng lớn thì đáp ứng càng nhanh do đó sai số càng lớn. K_i – Độ lợi tích phân: giá trị càng lớn thì sai số ổn định bị khử càng nhanh, biên giao động nhiệt càng lớn. K_d – Độ lợi vi phân: giá trị càng lớn càng giảm biên gia động, nhưng lại làm chậm đáp ứng quá độ và có thể dẫn đến mất ổn định do khuếch đại nhiễu tín hiệu trong phép vi phân sai số. Hàm kiểm soát được cho bởi công thức 2.1 [5]. i de(t ) (2.1) u (t )  K p e(t )  K i  e( )d  K d 0 dt Có nhiều phương pháp giúp xác định 3 hệ số này để tạo thành 1 chương trình điều khiển hoàn chỉnh. Trong nghiên cứu này chúng tôi áp dụng phương pháp điều chỉnh thủ công (manual tuning). Đầu tiên cho K_i và K_d = 0, tăng dần K_p tới khi biên độ cực đại vượt 25% so với giá trị cài đặt. Sau đó tăng dần K_i tới một giá trị phù hợp sao cho đủ thời gian xử lí. Cuối cùng là điều chỉnh K_d để đạt được đồ thị mong muốn. Đối với việc điều khiển một lò nung nhiệt điện trở như trong trường hợp này thì thời gian đáp ứng không phải là ưu tiên hàng đầu, mà là biên độ giao động tối đa không được vượt ngưỡng cho phép là ∆𝑇 ≤ 3℃. 2.2. Các thành phần chính của lò nung Hệ chuyển động tịnh tiến: Để đáp ứng tốc độ di chuyển tinh thể chậm nhất đạt 0,3 mm/h, thì hệ chuyển động được thiết kế bao gồm một động cơ bước kết hợp với bộ truyền vít me để tạo chuyển động tịnh tiến từ chuyển động quay (hình 2). Thông số các bộ phận sử dụng trong hệ chuyển động tịnh tiến bao gồm: Động cơ bước: kích thước động cơ bước 57mm, góc bước 1.8°/step, dòng chịu tải 3.5A, momen xoắn trên trục 1.5 Nm. Vít me TBI bước 5. 246
Tiểu ban C: Ghi đo bức xạ, An toàn bức xạ và Quan trắc môi trường Section C: Radiation measurement, Radiation safety and Environmental Hệ cấp nhiệt cho lò nung: Lò nung được thiết kế để đảm bảo nhiệt độ tại mỗi điểm là ổn định tuân theo phân bố nhiệt độ tiêu chuẩn Bridgman. Để đáp ứng yêu cầu này hệ gia nhiệt được thiết kế với nhiều cuộn dây trở nhiệt (vật liệu crom-niken) để dễ dàng kiểm soát nhiệt độ. Hệ cảm biến nhiệt: Yêu cầu về đảm bảo ổn định nhiệt độ là một trong những yếu tố quan trọng vậy nên lò nung được thiết kế với một hệ cảm biến gồm nhiều cảm biến nhiệt độ K (chịu được 1800℃) ứng với mỗi cuộn dây sẽ được bố trí 1 cảm biến nhiệt độ (giúp xác định và điều khiển nhiệt độ của mỗi cuộn dây) (hình 3). Tín hiệu của cảm biến nhiệt độ K được xử lý bởi ic max6675 và xuất tín hiệu về mạch điều khiển trung tâm. Hình 2: Hệ chuyển động tịnh tiến Hình 3: Cấu tạo phần lõi, hệ gia nhiệt, hệ cảm biến Cơ cấu cách nhiệt cho lò nung: Lò nung có 2 cơ cấu cách nhiệt chính: Bông thủy tinh: Để hạn chế nhiệt lượng nhiệt thoát ngoài thì xung quanh cuộn dây trở được bố trí bông thủy tinh thạch anh chịu nhiệt. Cơ cấu nắp đậy: Để hạn chế thất thoát nhiệt khi cốc đựng tinh thể di chuyển từ trên xuống thân lò, lò nung được thiết kế thêm một nắp đậy tự động, có khả năng hoạt động nhờ vào cảm biến khoảng cách. 247
Tuyển tập báo cáo Hội nghị Khoa học và Công nghệ hạt nhân toàn quốc lần thứ 14 Proceedings of Vietnam conference on nuclear science and technology VINANST-14 Hình 4: Thiết kế tổng quát lò nung Hệ điều khiển trung tâm: Hệ điều khiển trung tâm gồm: Nguồn: 12V DC, 24 V DC và 220V AA. Board mạch chính: Được tích hợp 01 Arduino mage (tiếp nhận tín hiệu điều khiển và điều hướng hoạt động cho các arduino nano), 03 Arduino nano (đọc nhiệt độ, điều khiển ổn định nhiệt độ của các cuộn dây thông qua thuật toán PID), 01 Adduino nano (điều khiển hệ chuyển động tịnh tiến và hệ chuyển động quay), 01 Esp 8266 (kết nối wifi và đưa dữ liệu lên wedsever), 01 module Sd card (lưu trữ dữ liệu), 01 module Ds1307 (cập nhập thời gian), 09 module max6675 (đọc nhiệt độ từ cảm biến nhiệt độ K), 01 module RS485 (giao tiếp modbus giữa Arduino mega và HMI Weintek). Board mạch công suất: Hệ điều khiển gồm 55 mạch điều khiển công suất cấp cho lò nung, phương pháp điều khiển PWM xung AC với một công tắc điện tử IGBT. Hệ thống hiển thị: Lò nung được thiết kế với 03 đèn báo (với chức năng báo nguồn, báo hoạt động và báo sự cố) và 01 màn hình cảm ứng Weintek MT6070ih (dùng để hiện thị thông tin hệ thống cũng như điều khiển lò). Hệ thống an toàn: 02 cảm biến hành trình. 01 nút dùng khẩn cấp cũng được tích hợp để ngắt hoạt đông của máy trong những trường hợp khẩn cấp. 2.3. Phần mềm điều khiển Từ những yêu cầu kĩ thuật kể trên, phần mềm điều khiển được thiết kế như sau: Hình 5: Sơ đồ hoạt động của mạch điều khiển trung tâm 248
Tiểu ban C: Ghi đo bức xạ, An toàn bức xạ và Quan trắc môi trường Section C: Radiation measurement, Radiation safety and Environmental 3. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN Lò nung tinh thể dạng đứng kiểu Bridgman được chế tạo và lắp ráp đúng theo yêu cầu và thiết kế. Hình 6: Hình ảnh thực tế của lò nung nuôi tinh thể được chế tạo hoàn thiện. Phân bố nhiệt trong lò nung: Phân bố nhiệt của lõi (hình 7) đảm bảo yêu cầu của lý thuyết Bridgman, và hiện có thể hoàn toàn tùy chỉnh, tùy theo mong muốn của người vận hành và yêu cầu kĩ thuật của quá trình nuôi đối với từng loại tinh thể. Hình 7: Phân bố nhiệt bên trong lõi theo các mức nhiệt độ +Phần mềm điều khiển lò nung: Để sử dụng thiết bị, đầu tiên người dùng cần vào màn hình điều khiển chính (hình 8a) chọn “Set temperature”. Ở màn hình này (hình 8b) yêu cầu nhập nhiệt độ của 03 cuộn dây cấp nhiệt cho lõi và các thông số phụ về thời gian. Người dùng có thể theo dõi nhiệt độ thực tế trong lò thông qua màn hình “Temperature graph” (hình 8c). Ở màn hình “Position control” (hình 8d) cập nhật các giá trị liên quan đến vị trị hiện tại của tinh thể trong lò cũng như một số thông số phụ liên quan. 249
Tuyển tập báo cáo Hội nghị Khoa học và Công nghệ hạt nhân toàn quốc lần thứ 14 Proceedings of Vietnam conference on nuclear science and technology VINANST-14 Hình 8: Giao diện điều khiển và hiển thị chính của lò nung + Các tinh thể nuôi được KDP (nhiệt độ nóng chảy ở 252 ℃) Đây là hóa chất phổ biến thường được dùng để nuôi tinh thể bằng phương pháp dung dịch. Chúng tôi sử dụng hóa chất này để kiểm tra độ ổn định của thiết bị. NaI (nhiệt độ nóng chảy ở 661 ℃) Hình 10: Các tinh thể nuôi được sử dụng lò nung Bridgman tự chế tạo. 4. KẾT LUẬN Các kết quả chính cho tới nay là hệ kiểm soát nhiệt độ và cơ khí vận hành trơn tru, ổn định trong thời gian dài. Hệ thống điều khiển tối ưu, đơn giản dễ sử dụng. Nuôi thành công tinh thể PDP và NaI. Hiện tại các mẫu NaI đang được gửi đi kiểm tra các tính chất kĩ thuật. Nhóm đang tiến hành nuôi CsI và CsI:Na, dự kiến sẽ có kết quả vào cuối tháng 12. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Derenzo S., Boswell M., Bourret-Courchesne E., Boutchko R., Budinger T.“IEEE Trans. Nuclear Science”, 55,1458– 1463, 2008. [2] Lecoq P., Annenkov A., Gektin A., Korzhik M., Pedrini C. “Inorganic Scintillators for Detector Systems”, Springer, Berlin Heidelberg, 2006. [4] Mooney R., McFadden S., Lapin J. “An experimental–numerical method for estimating heat transfer in a Bridgman furnace”, Applied Thermal Engineering, 67(1-2), 61–71, 2014. [5] Phung Tien D., Nguyen Duc N., Nguyen Duc A., Tran Trung D., Nguyen D., Mai Van C. “Autotuning of PID controller for heat system”, Journal of science and technology Hung Vuong University Vol. 19, No. 2: 88-100, 2020. 250

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

LV.15: Bộ Đồ Án Tốt Nghiệp Chuyên Ngành Cơ Khí

65 tài liệu

2418 lượt tải

THÔNG TIN

TRỢ GIÚP

HỖ TRỢ KHÁCH HÀNG

Theo dõi chúng tôi

Chịu trách nhiệm nội dung:

Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA

LIÊN HỆ

Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM

Hotline: 093 303 0098

Email: support@tailieu.vn

Giấy phép Mạng Xã Hội số: 670/GP-BTTTT cấp ngày 30/11/2015 Copyright © 2022-2032 TaiLieu.VN. All rights reserved.