Khi công nghệ hạt nhân phát triển và tiếp tục được sử dụng trong nhiều lĩnh vực kể từ khi được phát hiện cách đây hơn một thế kỷ, an toàn bức xạ đã trở thành mối quan tâm lớn đối với con người và môi trường. Giám sát, quan trắc bức xạ đóng vai trò quan trọng trong việc phát hiện hạt nhân phóng xạ tại các cơ sở hạt nhân, bệnh viện hoặc bất kỳ hoạt động nào liên quan đến vật liệu phóng xạ. Ngoài môi trường làm việc, giám sát bức xạ còn cần thiết trong các phản ứng khẩn cấp đối với sự cố bức xạ cũng như các khu vực bức xạ ngoài trời. Nhiều cảm biến bức xạ đã được phát triển, từ đơn giản như bộ đếm Geiger-Muller đến các hệ thống bức xạ lớn hơn như máy dò Germanium tinh khiết cao, với các chức năng khác nhau để sử dụng trong các môi trường khác nhau. Tuy nhiên, khả năng không cung cấp dữ liệu thời gian thực làm cho các hoạt động giám sát bức xạ kém hiệu quả hơn. Việc triển khai các phương tiện có người lái được trang bị các cảm biến bức xạ này làm giảm đáng kể phạm vi hoạt động giám sát bức xạ, an toàn của các nhân viên giám sát bức xạ bị ảnh hưởng. Gần đây, công nghệ Internet vạn vật (IoT) đã được giới thiệu và mang lại giải pháp cho những hạn chế này.
Từ khi Geiger-Muller giới thiệu bộ đếm bức xạ năm 1928, các thiết bị điện tử hiện đại đã được ứng dụng rộng rãi trong nghiên cứu và sử dụng công nghệ hạt nhân. Công nghệ này mang lại lợi ích cho nhiều lĩnh vực như năng lượng, y tế, môi trường, nông nghiệp, nhưng cũng tiềm ẩn rủi ro phơi nhiễm bức xạ đối với con người và môi trường. ICRP đề ra nguyên tắc ALARA nhằm giảm thiểu liều bức xạ, áp dụng các biện pháp bảo vệ về thời gian, khoảng cách, che chắn, cùng với việc sử dụng thiết bị giám sát bức xạ. Nhu cầu giám sát bức xạ di động ngày càng tăng, đặc biệt trong các sự cố như Fukushima, vừa phục vụ bảo vệ sức khỏe, vừa hỗ trợ chống khủng bố hạt nhân. Sau vụ 11/9, IAEA đã triển khai kế hoạch an ninh hạt nhân toàn cầu. Tuy nhiên, việc dùng phương tiện có người lái để giám sát có thể gây nguy hiểm cho phi hành đoàn. Công nghệ WSN và sau đó là IoT giúp truyền dữ liệu bức xạ từ xa, giảm rủi ro cho con người, nhưng vẫn tồn tại thách thức về tính ổn định mạng. Sự phát triển UAV (drone), ban đầu cho mục đích quân sự nhưng nay phổ biến trong nhiều lĩnh vực dân sự, mở ra khả năng kết hợp với IoT và cảm biến bức xạ để giám sát hiệu quả hơn trong công nghiệp hạt nhân. Dù mang lại nhiều lợi ích, công nghệ này cũng đặt ra những thách thức mới cần tiếp tục nghiên cứu.
Cảm biến là một thiết bị hoặc phần tử của hệ thống được sử dụng để đo các tham số vật lý, hóa học, sinh học và bất kỳ tham số nào khác, và là cơ bản cho giám sát, đo lường và hệ thống kiểm soát. Trong khi bức xạ được định nghĩa là năng lượng phát ra từ một nguồn qua môi trường dưới dạng sóng và hạt, từ sóng radio – bước sóng thấp nhất, đến bức xạ gamma – năng lượng cao nhất trong phổ điện từ. Máy dò hạt nhân là một công cụ độc đáo được sử dụng để phát hiện các hạt hạt nhân như hạt alpha, hạt beta, tia gamma, tia X, proton, neutron, v.v., dựa trên nguyên tắc ion hóa. Khi một hạt hạt nhân năng lượng cao đi vào môi trường vật chất, nó ion hóa môi trường, và thông qua các cơ chế cảm biến khác nhau, bức xạ có thể được phát hiện. Việc phát hiện năng lượng như vậy đòi hỏi các loại cảm biến khác nhau, được phân loại rộng rãi.
Máy dò khí là máy dò đơn giản nhất, so với máy dò nhấp nháy hoặc máy dò bán dẫn. Loại máy dò này gồm một xi lanh kim loại hoặc làm từ vật liệu khác như nhựa, chứa một điện cực chứa khí trơ làm môi trường và kết nối với tải điện dung thuần túy hoặc mạch điện với nguồn điện, điện trở tải và tín hiệu. Trong trường hợp bức xạ ion hóa xảy ra đi vào môi trường; nó ion hóa khí trơ và sản xuất cặp ion-electron tự do sau đó bị chịu điện trường. Trong khi ion dương di chuyển về bề mặt xi lanh, electron tự do di chuyển về điện cực và vào mạch điện, tạo ra xung điện hoặc đếm trước khi quay lại xi lanh kim loại và tái kết hợp với ion dương và trở nên trung tính lại. Có ba loại Máy Dò Khí – buồng ion hóa, bộ đếm tỷ lệ, và Bộ đếm Geiger-Muller.
Buồng Ion Hóa là dạng đơn giản nhất của máy dò khí đầy, đo tốc độ tiếp xúc của tia X và bức xạ gamma và liều hấp thụ qua ứng dụng nguyên tắc Bragg-Gray, hoạt động ở điện áp thấp không gây ra lở tuyết electron và không có vấn đề thời gian chết. Buồng Ion Hóa có thể phát hiện hạt alpha và beta với ứng dụng cửa sổ mỏng. Các ứng dụng sử dụng buồng ion hóa bao gồm dụng cụ khảo sát bức xạ, máy hiệu chuẩn nguồn bức xạ, và cảm biến ion hóa từ xa. Trường điện hướng tâm giữa cathode và anode được tạo ra bằng cách áp dụng điện áp cao dương vào anode, cao hơn buồng ion hóa để gây ra hiện tượng khuếch đại khí, là sự tăng tốc electron tự do từ ion hóa ban đầu trong trường điện mạnh gây ra lở tuyết Townsend. Loại ion hóa thứ cấp này xảy ra tại trường ngưỡng thứ tự 106 V/m. Tỷ lệ giữa kích thước xung đầu ra và tổng mất năng lượng do bức xạ xảy ra định nghĩa bộ đếm tỷ lệ, và đáng tin cậy cho phân biệt alpha và beta và được sử dụng như phổ kế tia X mềm cho sàng lọc ô nhiễm, cũng như phát hiện neutron.
Ống Geiger-Muller (GM) theo cùng cơ chế như bộ đếm tỷ lệ bằng cách gây ra lở tuyết Townsend, nhưng khuếch đại khí gây ra bởi một lở tuyết đơn lẻ cao hơn, thứ tự 106–108. Việc khử kích thích electron tự do thứ cấp giải phóng photon tia cực tím với năng lượng đủ để gây ra lở tuyết khác xuất phát từ khí hoặc thậm chí tường ống, và lở tuyết chuỗi không kiểm soát xảy ra trên toàn bộ thể tích khí trong xi lanh. Toàn bộ quá trình này mất giữa 200 μs–400 μs để hoàn thành. Trong thời gian này, máy dò Geiger-Muller được coi là chết, và không thể phát hiện thêm hạt hạt nhân. Thêm rượu, ví dụ 10% ethanol, bên trong ống khí có thể hấp thụ năng lượng dư thừa dưới dạng năng lượng rung và quay. Do đó, nó giúp giảm thời gian chết của bộ đếm trước khi nó có thể đếm lại. Vì hạt năng lượng thấp có thể gây lở tuyết trên toàn bộ buồng, bộ đếm Geiger-Muller không thể phân biệt năng lượng của hạt xảy ra dựa trên kích thước xung cho đếm năng lượng chọn lọc [26]. Tuy nhiên, bộ đếm Geiger-Muller là công cụ đáng tin cậy có thể được sử dụng để phát hiện sự hiện diện của hạt tích điện, neutron, và photon.
Nhấp nháy là tính chất của môi trường vật chất khi hạt tích điện đi vào, nó hấp thụ năng lượng và dẫn đến phát xạ ánh sáng. Có hai loại nhấp nháy, đầu tiên là nhấp nháy hữu cơ, như anthracene và stilbene và thứ hai là tinh thể nhấp nháy vô cơ như lanthanum bromide (LaBr3), natri iodide (NaI), và kẽm sulfide (ZnS). Ánh sáng cực tím hình thành trong nhấp nháy tập trung vào photocathode, do đó gây ra hiệu ứng quang điện, và sau đó đâm vào loạt dynodes với sự khác biệt tiềm năng khác nhau sẽ trải qua khuếch đại trong ống nhân quang. Việc thu thập electron được diễn giải bởi bộ khuếch đại xung. Ngoài tia gamma và hạt tích điện, máy dò nhấp nháy thường được sử dụng trong Phổ kế Huỳnh quang Tia X Phân tán Bước sóng và có thể được áp dụng để phát hiện tia X năng lượng cao.
Máy dò bán dẫn là lựa chọn thay thế cho máy dò khí đầy và nhấp nháy. Máy dò nhỏ gọn, với mật độ rắn gấp 1000 lần khí, có thể cung cấp thông tin carrier nhiều hơn cho sự kiện bức xạ xảy ra so với các loại máy dò khác. Khi sử dụng diode PN junction doped với silicon, germanium, kim cương hoặc cadmium zinc telluride (CZT), bức xạ xảy ra đi vào vùng cạn, gây kích thích nhiệt electron (~3 eV) từ dải valance đến dải conduction, tạo cặp electron-hole trong cấu hình bias ngược. Qua việc thu thập cặp electron-hole, tín hiệu phát hiện được hình thành. Vì kích thích nhiệt electron thấp, máy dò bán dẫn có thể cung cấp độ phân giải năng lượng nâng cao và được sử dụng cho phổ học hạt tích điện chung, phổ học hạt alpha, phổ học tia X, tia gamma và giám sát nhân viên. Thật không may, máy dò xuất sắc này dễ bị suy giảm hiệu suất từ thiệt hại gây ra bởi bức xạ.
Tất cả các thiên thể, bao gồm trái đất là sản phẩm của một số quá trình vật lý thiên văn năng lượng được gọi là nucleosynthesis, khởi xướng bởi sự kiện nổ gọi là big bang. Sau hàng tỷ năm, và vẫn đang diễn ra, loạt quá trình hạt nhân, bao gồm fusion, capture neutron, capture proton, tương tác hạt năng lượng, và spallation, giới thiệu các nuclide khác nhau mà chúng ta biết ngày nay. Điều này có nghĩa là tất cả các sinh vật sống đều bị tiếp xúc bức xạ ở bất cứ đâu và bất cứ lúc nào vì radionuclide có thể được tìm thấy tự nhiên trong không khí, đất, nước và thực phẩm. Con người bị tiếp xúc liều bức xạ cao đến 82% từ nguồn vũ trụ và đất, hít thở khí phóng xạ radon và sản phẩm phân rã của nó bên trong bất kỳ tòa nhà nào, tất cả đều xảy ra tự nhiên. Hơn nữa, việc tiêu thụ Potassium-40 trong thực phẩm cũng có thể dẫn đến tiếp xúc. Do đó, tiếp xúc bức xạ cần được đo lường dù bức xạ bắt nguồn từ bức xạ nền hay bất kỳ hoạt động hạt nhân nào khác, vì mục đích an toàn.
Với những tiếp xúc bức xạ nền không thể tránh khỏi xung quanh chúng ta, các cơ quan quản lý trên toàn thế giới khuyến nghị giới hạn liều bức xạ để giảm rủi ro bức xạ đối với con người. Đo liều cá nhân có thể được sử dụng để giám sát tiếp xúc cá nhân. Đối với tiếp xúc công chúng, Hội đồng Quốc gia về Bảo vệ và Đo lường Bức xạ (NCRP) gợi ý liều hiệu dụng hàng năm 1 mSv cho tiếp xúc liên tục hoặc 5 mSv nếu tiếp xúc không thường xuyên. Đồng thời, ICRP đề xuất liều hiệu dụng hàng năm 1 mSv hoặc cao hơn nếu cần miễn là trung bình hơn 5 năm không vượt quá 1 mSv. Ở Malaysia, Ban Cấp phép Năng lượng Nguyên tử (AELB) gợi ý liều hiệu dụng hàng năm 1 mSv trong một năm lịch. Liều hiệu dụng hàng năm trung bình từ bức xạ đất, bao gồm đá, cây, tòa nhà, khoảng 0.28 mSv. Liều bức xạ này dưới khuyến nghị của cả NCRP và ICRP. Trong hoàn cảnh bình thường, công chúng không cần theo dõi mức độ tiếp xúc của họ. Trong tai nạn Nhà máy Điện hạt nhân Fukushima Daiichi, cư dân tham gia Khảo sát Quản lý Sức khỏe Fukushima được cung cấp máy đo liều cá nhân kính.
Đối với tiếp xúc nghề nghiệp, nhân viên bức xạ làm việc trong cơ sở hạt nhân có khả năng cao bị tiếp xúc với rủi ro bức xạ. NCRP gợi ý liều hiệu dụng hàng năm 50 mSv, và ICRP khuyến nghị 20 mSv, trung bình hơn 5 năm với liều không vượt quá 50 mSv trong bất kỳ năm nào trong khi AELB gợi ý liều hiệu dụng hàng năm 20 mSv trong một năm lịch. Bị tiếp xúc bức xạ quá lâu có thể gây hại sinh học. Nó có thể ảnh hưởng đến tế bào hoặc dẫn đến thay đổi DNA. Hiệu ứng sinh học này được phân loại là hiệu ứng quyết định, ngưỡng liều nhận được, trên đó thiệt hại sinh học và hiệu ứng ngẫu nhiên có khả năng xảy ra, là xác suất không phụ thuộc vào liều nhận được. Giám sát bức xạ sử dụng máy đo liều cá nhân là bắt buộc đối với nhân viên bức xạ để quản lý hiệu ứng sinh học này.
Mặt khác, máy đo liều phát quang nhiệt (TLD) là máy đo liều cá nhân thụ động được sử dụng bởi hơn 50% nhân viên bức xạ trên toàn thế giới năm 2016. Nó chủ yếu được sử dụng trong vật lý y tế và giám sát môi trường. Một số loại TLD như calcium fluoride và lithium fluoride được đặt trong huy hiệu TLD để phát hiện mức gamma thấp hoặc cao, electron, và năng lượng neutron, và cần được gửi đến phòng thí nghiệm để phân tích. Mặc dù độ chính xác cao trong phát hiện các bức xạ ion hóa này, chức năng chính của nó là giám sát liều tích lũy nhận được bởi nhân viên bức xạ. Tuy nhiên, nếu xảy ra tai nạn bức xạ và tốc độ liều tức thời cao, TLD không thể cung cấp đọc liều lượng hoặc cảnh báo nhân viên bức xạ về tình huống như vậy. Để giảm thiểu hạn chế này, đã tạo ra máy đo liều cá nhân điện tử cho ứng dụng di động bằng cách tích hợp máy dò CsI(Tl) 5 mm2, máy dò photodiode silicon 3 mm2, mạch tích hợp ứng dụng cụ thể (ASIC), và đơn vị vi điều khiển (MCU). Hệ thống này được xây dựng hình trụ và kết nối với điện thoại android qua jack âm thanh cho thu hoạch năng lượng và giao tiếp dữ liệu. Cửa sổ giao diện người dùng sẽ hiển thị tốc độ liều thời gian thực, với ba mức rủi ro bức xạ, chẳng hạn như liều bức xạ bình thường, ngưỡng liều bức xạ, và liều bức xạ không chịu nổi để nhân viên bức xạ có thể giám sát an toàn của họ.
Như đã đề cập trước đó, sự hình thành trái đất qua quá trình nucleosynthesis kéo dài, dẫn đến số lượng radionuclide đáng kể. Chúng có thể được tìm thấy trên đất và biển, và có thể được phân loại thành: (i) radionuclide nguyên thủy, bao gồm radionuclide chưa phân rã hoàn toàn và cổ xưa như Trái đất; (ii) radionuclide thứ cấp, sản phẩm của radionuclide nguyên thủy phân rã và (iii) radionuclide vũ trụ, sản phẩm của nuclide ổn định bị bắn phá liên tục bởi tia vũ trụ trong khí quyển. Sự phân bố của các radionuclide này, với việc thêm radionuclide nhân tạo từ hoạt động con người, khác nhau từ nơi này đến nơi khác, và hoạt tính nên được giám sát. Vào ngày 26 tháng 4 năm 1986, thế giới bị choáng ngợp bởi sự kiện hạt nhân tại Nhà máy Điện hạt nhân Chernobyl. Việc phát thải chính chất phóng xạ từ Đơn vị 4 kéo dài mười ngày, dẫn đến khu vực hơn 200,000 km2 ở châu Âu bị ô nhiễm bởi cesium phóng xạ. Sự lắng đọng rất không đồng đều, bị ảnh hưởng bởi mưa. Kết quả của sự kiện hạt nhân, giám sát môi trường được thực hiện ở nhiều quốc gia trên toàn thế giới bằng cách thiết lập trạm từ xa cho mục đích giám sát.
Phát triển hệ thống giám sát môi trường thông minh (SEM) tích hợp chất lượng không khí, nước và cảm biến bức xạ đòi hỏi phương pháp học máy bền vững, khử nhiễu và mạng cảm biến không dây. Buồng ion hóa Xenon áp lực cao (HPXe) hứa hẹn cho phổ học gamma, nhưng chi phí cao và đầu ra không ổn định do biến đổi nhiệt độ tạo thách thức trong tìm cảm biến phù hợp. Chất ô nhiễm phóng xạ môi trường từ nhiều nguồn (nhà máy điện, radionuclide nhân tạo công nghiệp) yêu cầu chiến lược phát hiện lợi ích cho con người và môi trường. Các thiết bị cảm biến IoT mới cho phép truyền dữ liệu không dây đến đám mây, hỗ trợ tính toán dự đoán chất ô nhiễm và hợp tác quốc tế qua thỏa thuận ngoại giao.
Với phát triển gần đây trong IoT và sự tăng trưởng của mạng trong máy móc công nghiệp, việc triển khai IoT đã trở thành phương pháp cách mạng mới để phát triển ngành giám sát bức xạ. Do đó, trong những năm gần đây, nhiều đơn vị học thuật và công nghiệp đã phát triển công cụ và kỹ thuật giám sát để giám sát vấn đề bức xạ với tốc độ nhanh hơn nhiều so với công cụ và phương pháp truyền thống. Theo định nghĩa, IoT là mạng của tất cả mọi thứ, bao gồm vật không sống và sinh vật sống có thể được xác định, nhúng với khả năng cảm biến thông minh, và có thể trao đổi dữ liệu qua Internet [89]. Hệ sinh thái IoT gồm các thiết bị thông minh kích hoạt web sử dụng hệ thống nhúng như bộ xử lý, cảm biến và phần cứng giao tiếp để thu thập, gửi và hành động trên dữ liệu lấy từ môi trường của chúng. Thiết bị IoT chia sẻ dữ liệu vật lý thu thập từ cảm biến đến cổng IoT hoặc các thiết bị edge khác, nơi dữ liệu được gửi đến đám mây hoặc phân tích cục bộ để hình thành lớp ứng dụng. Nói cách khác, Hệ thống Vật lý Mạng (CPS) trong IoT liên quan đến cảm biến, tính toán, kiểm soát, và giao tiếp giữa các thành phần vật lý (ví dụ, cảm biến thông minh, thiết bị, hệ thống, và con người) và thành phần mạng (ví dụ, đám mây và trung tâm dữ liệu lớn). Do đó, mô-đun hệ thống giao tiếp đóng vai trò quan trọng trong giao tiếp CPS. Trong IoT, các công nghệ giao tiếp cạnh tranh chính là Wi-Fi, Bluetooth, ZigBee, Near Field Communication (NFC), 2G/3G/4G/5G di động, cũng như Mạng Khu vực Rộng Công suất Thấp (LPWAN), bao gồm Long Range (LoRa), SigFox và Narrowband IoT (NB-IoT).
Từ khóa: giám sát; bức xạ;
– CMD –
