ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA



VÕ TÀI ĐẠI

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ
CHO LỊ NI TINH THỂ KIỂU BRIDGMAN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ

Đà Nẵng - Năm 2022


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA



VÕ TÀI ĐẠI

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ
CHO LỊ NI TINH THỂ KIỂU BRIDGMAN

Chuyên ngành : KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ
Mã số
: 85.20.11.4

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ

Người hướng dẫn khoa học: TS. ĐỖ THẾ CẦN

Đà Nẵng - Năm 2022

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


i
LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc tới TS. Đỗ Thế Cần đã tận
tình hướng dẫn và truyền cho em những kinh nghiệm quý báu trong nghiên cứu khoa học.
Em xin gửi lời cảm ơn tới toàn thể các quý thầy cơ giáo Khoa Cơ khí, Đại học Bách khoa
- Đại học Đà Nẵng đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em trong suốt quá trình làm luận
văn này. Em xin cảm ơn sự ủng hộ của bạn bè, đồng nghiệp đã giúp đỡ tạo điều kiện
thuận lợi trong quá trình làm luận văn. Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn đến gia đình
đã động viên ủng hộ trong suốt quá trình làm luận văn.
Mặc dù đã cố gắng hoàn thành luận văn tuy nhiên do hạn chế về kinh nghiệm, kiến
thức và thời gian có hạn cũng như tác động tiêu cực từ các tác động của dịch Covid-19
trên toàn quốc cũng như trên thế giới nên đề tài nghiên cứu khơng tránh khỏi những thiếu
sót, vì vậy em rất mong được sự thơng cảm và góp ý của Quý Thầy để em có thể tiếp tục
nghiên cứu và hoàn thành tốt hơn về sau.
Đà Nẵng, ngày 11 tháng 07 năm 2022
Tác giả luận văn

Võ Tài Đại

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.


Lưu hành nội bộ


ii
LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi, các kết quả nghiên cứu được
trình bày trong luận văn là trung thực, khách quan và chưa từng được cơng bố trong bất
kỳ cơng trình nào khác.
Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn đã được cám ơn, các
thơng tin trích dẫn trong luận văn này đều được chỉ rõ nguồn gốc.

Đà Nẵng, ngày 11 tháng 07 năm 2022
Tác giả luận văn

Võ Tài Đại

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


iii
TÓM TẮT LUẬN VĂN
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ
CHO LỊ NI TINH THỂ KIỂU BRIDGMAN
Học viên: Võ Tài Đại
Mã số: 85.20.11.4

Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ Điện tử
Khóa: 41


Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN

Tóm tắt – Nằm trong xu thế chung của thế giới, việc ứng dụng kỹ thuật hạt nhân

phục vụ đời sống đang phát triển mạnh mẽ ở Việt Nam trong những năm gần đây.
Trong y tế, công nghiệp hay nông nghiệp …. Tuy nhiên, ở Việt Nam, chúng ta mới
chỉ dừng lại ở việc nhập các hệ thiết bị ghi đo bức xạ, chưa có đơn vị nào định
hướng nghiên cứu phát triển và chế tạo tinh thể nhấp nháy, dẫn đến khơng làm chủ
được hồn toàn thiết bị, bị động trong việc sửa chữa, thay thế hệ đo, đặc biệt là bỏ
ngỏ một lĩnh vực nghiên cứu cơ bản định hướng ứng dụng thú vị. Chính vì vậy,
định hướng nghiên cứu ni tinh thể nhấp nháy sẽ mở ra hướng mới cho lĩnh vực
vật lý hạt nhân ứng dụng nhiều tiềm năng cho nước ta. Một trong các thông số
quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng tinh thể là độ ổn định nhiệt độ. Nghiên cứu
bộ điều khiển Fuzzy- PID sẽ góp phần làm chất lượng của lị ni tinh thể tốt hơn.
Từ khóa – bộ điều khiển Fuzzy PID, Lị ni tinh thể kiểu Brigdman, tinh thể NaI.
DESIGN TEMPERATURE CONTROLLER
FOR BRIDGMAN CRYSTAL GROWTH
Abstract – In line with the general trend of the world, the application of nuclear
technology to daily life has been developing strongly in Vietnam in recent years.
In medicine, industry or agriculture... However, in Vietnam, we have just been
stopping from importing radiation measuring equipment systems. There is no unit
oriented research, development, and manufacturing of strobe crystals, leading to an
inability to master completely passive equipment, especially leaving open an
interesting application-oriented basic research area. Therefore, the research
orientation of flashing crystals will open a new direction for the field of nuclear
physics with many potential applications for our country. One of the important
parameters affecting crystal quality is temperature stability. Research on FuzzyPID controller will contribute to better quality of crystal culture furnace.
Key words - Fuzzy PID controller, Brigdman type crystal furnace, NaI crystal...


THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


iv
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................... i
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................ii
TÓM TẮT LUẬN VĂN ................................................................................................ iii
MỤC LỤC ...................................................................................................................... iv
DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .................................................................................vii
DANH MỤC CÁC BẢNG .............................................................................................. x
DANH MỤC KÍ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT ..................................................................... xi
MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1:GIỚITHIỆU ............................................................................................... 4
1.1 TINH THỂ LÀ GÌ VÀ ỨNG DỤNG CỦA TINH .................................................... 4
1.2 NGUN LÝ NI TINH THỂ BẰNG LỊ NUÔI TINH THỂ KIỂU BRIDGMAN
....................................................................................................................................... 13
1.3 MỘT SỐ NGHIÊN CỨU Ở TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC .................................... 15
1.3.1Một số nghiên cứu của nước ngồi ....................................................................... 15
1.3.1.1Lị ni tinh thể EQ-SKJ-BG1650-LD .............................................................. 15
1.3.1.2Lị ni tinh thể SKJ-BG-1200........................................................................... 17
1.3.1.3Lị ni tinh thể OTF-1200X-S-VT-BMGH ...................................................... 18
1.3.2Một số nghiên cứu trong nước............................................................................... 20
1.4LÒ NUNG TINH ỨNG DỤNG TRONG ĐỀ TÀI .................................................. 20
CHƯƠNG 2:TỔNG QUAN .......................................................................................... 23
2.1PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ VÙNG GIA NHIỆT ................................................. 23

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.


Lưu hành nội bộ


v
2.1.1Một số phương pháp điều khiển nhiệt ................................................................... 24
2.1.1.1Lị ni tinh thể kiểu Bridgman tĩnh .................................................................. 24
2.1.1.2Lị ni tinh thể kiểu Bridgman động với 1 cuộn dây........................................ 25
2.1.1.3Lị ni tinh thể kiểu Bridgman động với 2 cuộn dây........................................ 26
2.1.1.4Lị ni tinh thể kiểu Bridgman động với nhiều hơn 2 cuộn dây....................... 26
2.1.2Phân tích lựa chọn phương án thiết kế .................................................................. 27
2.2Phương pháp điều khiển ổn đinh nhiệt độ ................................................................ 28
2.2.1Một số phương pháp ổn định nhiệt độ phổ biến .................................................... 28
2.2.1.1Phướng pháp sử dụng thuật toán PID ................................................................. 28
2.2.1.2Phương pháp sử dung thuật toán Fuzzy ............................................................. 33
2.2.1.3Phương pháp sử dụng thuật tốn Fuzzy – PID ................................................... 35
2.2.2Phân tích lựa chọn phương án ổn định nhiệt độ .................................................... 37
2.3KẾT QUẢ DỰ KIẾN ĐẠT ĐƯỢC ......................................................................... 38
CHƯƠNG 3: . THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN FUZZY PID CHO LỊ NI TINH THỂ
KIỂU BRIDGMAN ....................................................................................................... 39
3.1THIẾT KẾ BỘ FUZZY CÔNG SUẤT TRÊN PHẦN MỀM MATLAB ................ 39
3.1.1Thiết Thiết kế bộ Fuzzy công suất trên phần mềm MATLAB ............................. 39
3.1.2Kết quả chạy thực tế bộ Fuzzy .............................................................................. 43
3.2THIẾT KẾ BỘ FUZZY- PID ................................................................................... 44
3.3TÍNH TỐN HỆ SỐ VÀ MÔ PHỎNG BỘ PID BẰNG PHẦN MỀM MATLAB 51
CHƯƠNG 4:NHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM .............................................................. 57
4.1ĐÁNH GIÁ TÁC ĐỘNG CỦA BỘ FUZZY ĐẾN ĐỘ CHÍNH XÁC .................... 57

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.


Lưu hành nội bộ


vi
4.2KẾT QUẢ CHẠY BỘ ĐIỀU KHIỂN FUZZY - PID THỰC TẾ ............................ 59
4.2.1Kết quả chạy bộ Fuzzy - PID ................................................................................ 59
4.3GRADIENT NHIỆT CỦA MÁY THEO CÁC NHIỆT ĐỘ .................................... 65
4.4THỰC NGHIỆM NUÔI MỘT SỐ TINH THỂ: ...................................................... 67
4.4.1Tinh thể KDP ......................................................................................................... 67
4.4.2Tinh thể NaI ........................................................................................................... 68
4.4.3Tinh thể CsI ........................................................................................................... 69
KẾT LUẬN VÀ TRIỂN VỌNG ................................................................................... 74
DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ ............. 75
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 76
PHỤ LỤC ........................................................................................................................ 1

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


vii
DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Tinh thể Sapphire (Nguồn Internet) ............................................................ 4
Hình 1.2. Giản đồ của detector với tinh thể NaI (Tl) [12] .......................................... 7
Hình 1.3. Hệ ghi đo bức xạ trên biển [14] .................................................................. 8
Hình 1.4. Hệ phân tích phổ gamma [15] .................................................................... 9
Hình 1.5. Máy X quang ECAM Scintron Dual Head SPECT Camera Gamma [16] . 9
Hình 1.6. Máy gia tốc Tandem Pelletron 5SDH-2 [17]............................................ 10
Hình 1.7. Máy soi hàng hóa tại sân bay [18] ............................................................ 10

Hình 1.8. Tỷ lệ tiêu thụ tinh thể trong các lĩnh vực qua các năm (Nguồn Internet) . 11
Hình 1.9. Quá trình phát triển tinh thể (Nguồn Internet) .......................................... 12
Hình 1.10. Sơ đồ cấu tạo lị ni tinh thể kiểu Bridgman [23]................................. 13
Hình 1.11. Cấu tạo của cụm gia nhiệt và nguyên lý di chuyển của tinh thể trong
trường nhiệt [24] ........................................................................................................ 15
Hình 1.12. Lị ni tinh thể EQ-SKJ-BG1650-LD [26] ........................................... 16
Hình 1.13. Lị ni tinh thể SKJ-BG-1200 [26] ....................................................... 18
Hình 1.14. Lị ni tinh thể OTF-1200X-S-VT-BMGH [26]................................... 19
Hình 1.15. Lị ni tinh thể kiểu Bridgman thực tế .................................................. 21
Hình 2.1. Gradient nhiệt độ lý tưởng lị ni tinh thể kiểu Bridgman động (Nguồn
Internet) ...................................................................................................................... 23
Hình 2.2 Gradient nhiệt độ lý tưởng lị ni tinh thể kiểu Bridgman tĩnh (Nguồn
Internet) ...................................................................................................................... 24
Hình 2.3. Bố trí các cuộn dây lị ni tinh thể kiểu Bridgman với 1 cuộn dây
(Nguồn Internet) ........................................................................................................ 25
Hình 2.4. Bố trí các cuộn dây lị ni tinh thể kiểu Bridgman với 2 cuộn dây
(Nguồn Internet) ........................................................................................................ 26
Hình 2.5. Bố trí các cuộn dây trong lị nung ............................................................. 27
Hình 2.6. Sơ đồ khối hệ PID [27] ............................................................................. 28
Hình 2.7. Hàm quá độ [27] ....................................................................................... 30

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


viii
Hình 2.8. Sự ảnh hưởng của các hệ số [27] .............................................................. 31
Hình 2.9. Cấu trúc hệ điều khiển Fuzzy – PID ......................................................... 37
Hình 3.1. Điều chế chiều rộng xung [34] ................................................................. 39

Hình 3.2. Giao diện mơ phỏng mờ ........................................................................... 41
Hình 3.3. Hàm đầu vào của hệ Fuzzy ....................................................................... 42
Hình 3.4. Hàm đầu ra của hệ Fuzzy.......................................................................... 42
Hình 3.5. Giao diện system Identification ................................................................ 45
Hình 3.6. Giao diện import Data .............................................................................. 45
Hình 3.7. Chọn mơ hình xử lý tín hiệu ..................................................................... 46
Hình 3.8. Kết quả hàm truyền sau khi phân tích ...................................................... 46
Hình 3.9. So sánh chạy mơ phỏng hàm truyền so với số liệu ban đầu ..................... 47
Hình 3.10. Kết quả hàm truyền cuộn dây số 2 sau khi phân tích ............................. 47
Hình 3.11. So sánh chạy mơ phỏng hàm truyền so với số liệu ban đầu ................... 48
Hình 3.12. Kết quả hàm truyền cuộn dây số 2 sau khi phân tích ............................. 48
Hình 3.13. So sánh chạy mơ phỏng hàm truyền so với số liệu ban đầu ................... 49
Hình 3.14. Kết quả hàm truyền cuộn dây số 2 sau khi phân tích ............................. 49
Hình 3.15. So sánh chạy mơ phỏng hàm truyền so với số liệu ban đầu ................... 50
Hình 3.16. Kết quả hàm truyền cuộn dây số 2 sau khi phân tích ............................. 50
Hình 3.17. So sánh chạy mô phỏng hàm truyền so với số liệu ban đầu ................... 51
Hình 3.18. Sơ đồ khối mơ phỏng trên Matlab .......................................................... 51
Hình 3.19. ToolBox PID tuner để xác định hệ số PID ............................................. 52
Hình 4.1. Kết quả gia nhiệt có sử dụng Fuzzy.......................................................... 57
Hình 4.2. Kết quả gia nhiệt khơng sử dụng fuzzy .................................................... 57
Hình 4.3. Cuộn dây khi khơng sử dụng kết hợp bộ Fuzzy ....................................... 59
Hình 4.4. Cuộn dây khi sử dụng kết hợp bộ Fuzzy .................................................. 59
Hình 4.5. Biểu đồ nhiệt độ cuộn dây số 1 ................................................................. 60
Hình 4.6. Biểu đồ nhiệt độ cuộn dây số 2 ................................................................. 61
Hình 4.7. Biểu đồ nhiệt độ cuộn dây số 3 ................................................................. 61
Hình 4.8. Biểu đồ nhiệt độ cuộn dây số 4 ................................................................. 61

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ



ix
Hình 4.9. Biểu đồ nhiệt độ cuộn dây số 5 ................................................................. 62
Hình 4.10. Gradient nhiệt khi ni KDP .................................................................. 66
Hình 4.11. Tinh thể KDP .......................................................................................... 68
Hình 4.12. Tinh thể NaI ............................................................................................ 69
Hình 4.13. Tinh thể CsI ............................................................................................ 70
Hình 4.14. Quá trình cắt mẫu tinh thể CsI để đo ...................................................... 71
Hình 4.15. Sơ đồ hệ đo sử dụng để kiểm tra tính chất tinh thể ................................ 71
Hình 4.16. Quang phổ của trùm tia alpha Am241 .................................................... 72
Hình 4.17. Quang phổ của chùm gamma Cs137 ...................................................... 72

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


x
DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 một số cấu trúc tinh thể cơ bản..................................................................... 5
Bảng 2.1. Phương pháp điều chỉnh PID [27] ............................................................. 32
Bảng 3.1. Liên hệ giữa đầu vào và và đầu ra của bộ Fuzzy ...................................... 43
Bảng 3.2. Hệ số PID cuộn dây số 1 ........................................................................... 53
Bảng 3.3. Hệ số PID cuộn dây số 2 ........................................................................... 53
Bảng 3.4. Hệ số PID cuộn dây số 3 ........................................................................... 53
Bảng 3.5. Hệ số PID cuộn dây số 4 ........................................................................... 53
Bảng 3.6. Hệ số PID cuộn dây số 5 ........................................................................... 54
Bảng 3.7. Kết quả mô phỏng cuộn dây số 1 .............................................................. 54

Bảng 3.8. Kết quả mô phỏng cuộn dây số 2 .............................................................. 55
Bảng 3.9. Kết quả mô phỏng cuộn dây số 3 .............................................................. 55
Bảng 3.10. Kết quả mô phỏng cuộn dây số 4 ............................................................ 56
Bảng 3.11. Kết quả mô phỏng cuộn dây số 5 ............................................................ 56
Bảng 4.1. Kết quả chạy với nhiệt độ cài đặt 2500 C .................................................. 62
Bảng 4.2. Kết quả chạy với nhiệt độ cài đặt 3000 C .................................................. 63
Bảng 4.3. Kết quả chạy với nhiệt độ cài đặt 3500 C .................................................. 63
Bảng 4.4. Kết quả chạy với nhiệt độ cài đặt 4000 C .................................................. 63
Bảng 4.5. Kết quả chạy với nhiệt độ cài đặt 5000 C .................................................. 64
Bảng 4.6. Kết quả chạy với nhiệt độ cài đặt 6000 C .................................................. 64
Bảng 4.7. Kết quả chạy với nhiệt độ cài đặt 7000 C .................................................. 65
Bảng 4.8. Kết quả chạy với nhiệt độ cài đặt 8000 C .................................................. 65
Bảng 4.9. Nhiệt độ đặt tại các cuộn dây khi nuôi CsI ............................................... 66
Bảng 0.1.Tỷ lệ các sai số của cuộn dây số 1 ( đơn vị %) ............................................ 2
Bảng 0.2. Tỷ lệ các sai số của cuộn dây số 2 ( đơn vị %) ........................................... 3
Bảng 0.3. Tỷ lệ các sai số của cuộn dây số 3 ( đơn vị %) ........................................... 4
Bảng 0.4. Tỷ lệ các sai số của cuộn dây số 4 ( đơn vị %) ........................................... 5
Bảng 0.5. Tỷ lệ các sai số của cuộn dây số 5 ( đơn vị %) ........................................... 6

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


xi
DANH MỤC KÍ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu, chữ viết tắt

Giải thích


ADN

Axit Deoxyribonucleic

FWHM

Full Width at Half Maximum

IGBT

Insulated Gate Bipolar Transistor

keV

Kilo Electron Volts

kW

Kilo Watt

Mpa

Megapascal

Ph/Mev

Photon/Mega Electron Volts

PID


Proportional Integral Derivative

PMT

Photomultiplier tube

USD

United States dollar

VAC

voltage Alternating Current

W

Watt

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


1
MỞ ĐẦU
I.

LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀ I (TÍ NH CẤP THIẾT CỦ A ĐỀ TÀ I)
Nằm trong xu thế chung của thế giới, việc ứng dụng kỹ thuật hạt nhân phục vụ đời


sống đang phát triển mạnh mẽ ở Việt Nam trong những năm gần đây. Trong y tế, công
nghiệp hay nông nghiệp … đều thấy sự xuất hiện của kỹ thuật hạt nhân. Kèm theo sự phát
triển này là việc sử dụng số lượng lớn các hệ detector có chứa tinh thể nhấp nháy, đặc biệt
trong lĩnh vực y tế, quan trắc mơi trường [1]. Có thể nói rằng công nghệ nuôi tinh thể trên
thế giới vẫn đang là một lĩnh vực tiền năng, mặc dù đã có những bước tiến rất dài và xa.
Hướng đi chính hiện nay trong lĩnh vực ni tinh thể là tìm ra những chất mới, những hỗn
hợp pha trộn mới mang lại hiệu suất ghi đo, độ phân giải, độ bền, giá thành,... tốt hơn [2].
Đây là hướng nghiên cứu có nhiều triển vọng và hoàn toàn phù hợp với điều kiện trang
thiết bị cịn nhiều khó khăn tại Việt Nam.
Chi phí ngun vật liệu, cũng như giá thành nhân công rẻ trong nước cũng là một ưu
thế cạnh tranh rất lớn của chúng ta trong cuộc chạy đua về giá thành sản phẩm. Ngồi ra,
với sự bùng nổ của cơng nghệ thơng tin, việc truyền tải, tìm kiếm tài liệu, phối hợp làm
việc cũng như trao đổi, chia sẻ kinh nghiệm đã gần như là tồn cầu hóa và khơng cịn bị
giới hạn như nhiều năm trước đây. Điều này sẽ làm cho tốc độ phát triển tay nghề, hiểu
biết của chúng ta nhanh hơn và có thể hướng đến tiệm cận tới trình độ kĩ thuật thế giới.
Tuy nhiên, ở Việt Nam, chúng ta mới chỉ dừng lại ở việc nhập các hệ thiết bị ghi đo
bức xạ, chưa có đơn vị nào định hướng nghiên cứu phát triển và chế tạo thiết bị nuôi tinh
thể, dẫn đến không làm chủ được hoàn toàn thiết bị, bị động trong việc sửa chữa, thay thế
hệ đo, đặc biệt là bỏ ngỏ một lĩnh vực nghiên cứu cơ bản định hướng ứng dụng thú vị.
Chính vì vậy, định hướng nghiên cứu ni tinh thể nhấp nháy sẽ mở ra hướng mới cho
lĩnh vực vật lý hạt nhân ứng dụng nhiều tiềm năng cho nước ta.
Có 4 phương pháp ni tinh thể chính đó là phương pháp ni tinh thể nóng chảy và
dung dịch, hơi nước và chất rắn [3]. Mỗi phương pháp ứng dụng ni những loại tinh thể
có tính chất khác nhau. Trong đề tài này phương pháp ni tinh thể nóng chay được lựa
chọn để nghiên cứu. Đối với phương pháp ni nóng chảy có: phương pháp Verneuil,
Czokhralski, Bridgman, ... [3]. Mỗi một phương pháp lại có các tham số tương ứng (công
THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ



2
suất điện đầu vào, công suất nhiệt tỏa ra, cơ chế cơ học tạo thành tinh thể, loại tinh thể có
thể áp dụng phương pháp, tính chất của tinh thể sau khi ni được, ...) khác nhau, trong
đó phương pháp sử dụng lị ni tinh thể kiểu Bridgman được chứng minh phù hợp cho
việc tạo tinh thể to, nhanh hơn, đơn giản hơn so với các phương pháp khác [4].
Trên thị trường, thiết bị lị ni tinh thể kiểu Bridgman do nước ngồi chế tạo cũng
cịn nhiều hạn chế, ví dụ như công suất điện đầu vào và công suất nhiệt khơng có khả
năng thay đổi (nên thường chỉ có thể ni 1 loại tinh thể). Kích thước và hình dạng của
tinh thể nuôi được từ các thiết bị này cũng thường bị giới hạn khơng thể thay đổi. Ngồi
ra, q trình ni tinh thể cịn chứa đựng rất nhiều tham số khác cần hiệu chỉnh, thay đổi
để cho ra các kết quả tốt hơn. Vì vậy, các nhóm nghiên cứu trên thế giới theo hướng nuôi
tinh thể đều tiếp cận theo cách tự chế tạo lị ni tinh thể kiểu Bridgman.
Những yếu tố ảnh hưởng chính đến chấ t lươ ̣ng tinh thể là sự ổ n đinh
̣ nhiê ̣t đô ̣, phân
bố nhiê ̣t trong vùng nuôi tinh thể , giao động trong quá trin
̀ h nuôi tinh thể . Chính lý do đó,
trong đề tài này chúng tơi nghiên cứu bộ Fuzzy-PID cho lị ni tinh thể kiểu Bridgman
để mở đường cho hướng nghiên cứu nuôi tinh thể tại Việt Nam.
II.

MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
Ổn định nhiê ̣t đơ ̣ cho lị ni tinh thể kiểu Bridgman với sai số ±2.5oC so với nhiệt

độ cài đặt cho mỗi cuộn dây.
III.

ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
Đố i tươ ̣ng nghiên cứu: lị ni tinh thể kiểu Bridgman
Pha ̣m vi nghiên cứu: Nghiên cứu trong pha ̣m vi nhiệt đô ̣ nung trong khoảng 800oC


với thời gian nuôi tinh thể trong 15-20 ngày.
IV.

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Kết hợp nghiên cứu giữa phương pháp lý thuyết và thực nghiệm kiể m chứng nhiề u

lầ n để so sánh với kết quả tính tốn, mơ phỏng.
Phân tić h đánh giá mức đơ ̣ tương quan của các yế u tố đầ u vào đến yế u tố đầ u ra sản
phẩ m, chất lượng sản phẩm.

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


3
V.

Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN
Đề tài có ý nghiã khoa học và thực tiễn trong nước và trên thế giới. Đề tài sẽ ta ̣o tiề n

đề về định hướng cho các nghiên cứu phát triển trong nước về sau này, do ở trong nước
chưa có đề tài nào lớn làm về chế tạo thiết bị nung nóng chảy tinh thể.
Thiết bị hiện góp phầ n cải thiện 1 số điểm chưa hoàn thiện của các thiết bị do nước
ngồi sản xuất như có thể thay đổi cơng xuất đầu vào để nuôi được nhiều loại tinh thể
khác nhau ứng với các giá trị nhiệt độ nóng chảy khác nhau.
VI.

DỰ KIẾN KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC

Kế t quả dự kiến: Lò nung sau khi chế ta ̣o có khả năng ổ n đinh
̣ nhiê ̣t với sai số

±2.5oC so với nhiệt độ cài đặt cho mỗi cuộn dây.
VII.

DÀ N Ý, NỢI DUNG CHÍ NH
Bài tiểu luận được trình bày theo cấu trúc sau:
Mục lục
Danh mục hình vẽ, đồ thị
Danh mục các bảng
Danh mục kí hiệu, chữ viết tắt
Mở đầu
Chương 1: Giới thiệu
Chương 2: Tổng quan.
Chương 3: Thiết kế bộ điều khiển Fuzzy– PID cho lị ni tinh thể kiểu
Bridgman.
Chương 4: Kết quả thực tế khi chạy lò
Kết luận và triển vọng
Tài liệu tham khảo

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


4
CHƯƠNG 1:

GIỚI THIỆU


Chương này sẽ trình bày tổng quan về tinh thể là gì? Ứng dụng của tinh thể trong
các lĩnh vực của cuộc sống, nguyên lý nuôi tinh thể lị ni tinh thể kiểu Bridgman và các
nghiên cứu trong và ngồi nước về lị ni tinh thể.
1.1 TINH THỂ LÀ GÌ VÀ ỨNG DỤNG CỦA TINH
Theo khoa học, tinh thể được hiểu là những vật thể được cấu tạo từ các ion, nguyên
tử hoặc phân tử theo trật tự nhất định [5]. Theo kết quả của một nghiên cứu cho thấy, tinh
thế chiếm đến 99% lớp vỏ Trái Đất ở dạng vơ sinh như kim loại, khống vật, hay cây, tế
bào sinh vật, ADN,...

Hình 1.1. Tinh thể Sapphire (Nguồn Internet)
Hệ tinh thể là một nhóm điểm của các mạng tinh thể (tập hợp các phép đối xứng
quay và đối xứng phản xạ mà một điểm của mạng tinh thể khơng biến đối) . Hệ tinh thể
khơng có các ngun tử trong các ơ đơn vị. Nó chỉ là những biểu diễn hình học mà thơi
[6]. Có tất cả bảy hệ tinh thể. Hệ tinh thể đơn giản nhất và đối xứng cao nhất là hệ lập
phương, các hệ tinh thể khác có tính đối xứng thấp hơn là: hệ lục phương, hệ tứ phương,
hệ ba phương (còn gọi là hình mặt thoi), hệ thoi, hệ một nghiêng, hệ tam nghiêng. Một số
THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


5
nhà tinh thể học coi hệ tinh thể tam phương là một phần của hệ tinh thể lục phương.
Phân loại các loại mạng tinh thể: Mạng Bravais là một tập hợp các điểm tạo thành từ
một điểm duy nhất theo các bước rời rạc xác định bởi các véc tơ cơ sở [7]. Trong khơng
gian ba chiều có tồn tại 14 mạng Bravais (phân biệt với nhau bởi các nhóm khơng gian)
[6]. Tất các vật liệu có cấu trúc tinh thể đều thuộc vào một trong các mạng Bravais này
(không tính đến các giả tinh thể).
Bảng 1.1 một số cấu trúc tinh thể cơ bản

Tên

Cấu trúc

Độ dành

Góc

Ví dụ

cạnh
Lập

abc

      900

phương

FeS2  Barite

Tứ

abc

      900

phương

Apophylite

Trực thoi

abc

      900

BaCO3  Barite

Đơn tà

abc

    900  

Cu2 S  Chalcocite

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


6
Tam tà

abc

      900

Cu3  CO3 2  OH 2
 Azurite


Mặp thoi

abc

      900

CaCO3  Calcite
abc

Lục

    1200

Phương

Be3 Al2  SiO3 6
Aquamarien

Tinh thể thường có một số tính chất sau đây:
-

Có nhiều hình dạng: Theo tốn học, chúng có đến 7 hệ tinh thể dựa theo sự đối
xứng được tính toán. Do phép đối xứng và cấu tạo nguyên tử mà mạng lưới
của các loại tinh thể khác nhau.

-

Màu sắc tinh thể: Màu sắc phụ thuộc bởi thành phần tạo nên tinh thể, phụ
thuộc vào lượng nước mà tinh thể mang theo.


-

Độ cứng tinh thể: Thang đo Morth từ 1 ( tinh thể Muscovite ) đến 10 ( kim
cương ). Nếu kết quả trên 10 thì là những vật liệu đặc carbon pha boron,...

-

Tính đồng chất: Nguyên tử, phân tử trong cấu trúc tinh thể có sự phân bố, sắp
xếp giống nhau.

-

Gây ra hiệu ứng nhiễu xạ với tia X và chùm tia điện tử, Với cấu trúc tuần hoàn,
tinh thể có thể gây ra hiện tượng cực đại và cực tiểu nhiễu xạ tia X và chùm tia
điện tử.

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


7
-

Kết cấu của tinh thể: Bao gồm các ion mang điện tích trái dấu trong tinh thể sẽ
có lực hút tạo một kết cấu bền vững.

Ứng dụng của tinh thể NaI: khi bị bức xạ ion hố thì tinh thể NaI sẽ phát ra photon
và được dùng trong các đầu dò nhấp nháy (scintillation detector), chủ yếu trong y học hạt

nhân, địa vật lý, vật lý hạt nhân và trong các phép đo môi trường [8]. NaI(Tl) là vật liệu
phát quang được dùng rộng rãi nhất và có lượng sản xuất lớn nhất trong các vật liệu dò
phát quang. Các tinh thể được gắn với các ống nhân quang (photomultiplier tube) [9],
trong bình kín, vì natri iodide có tính hút ẩm cao [10]. Một vài thơng số (như độ phóng
xạ, lưu ảnh, độ sáng) có thể đạt đến bằng cách thay đổi việc hình thành tinh thể. Tinh thể
ở độ kích thích cao được dùng trong máy tìm kiếm tia X với chất lượng quang phổ cao
[11]. NaI có thể được dùng ở dạng đơn tinh thể hoặc đa tinh thể cho mục đích này.

Hình 1.2. Giản đồ của detector với tinh thể NaI (Tl) [12]
Ống nhân quang điện là một thiết bị kết hợp với tinh thể NaI(Tl). Đây là những ống
điện tử có thể tạo ra một xung dịng điện khi bị kích thích bởi các tín hiệu ánh sáng yếu.
Các nhấp nháy sáng đi qua cửa sổ trong suốt của ống nhân quang điện và đập vào bề mặt
của photocatốt. Những photon ánh sáng có năng lượng sẽ làm bức xạ các electron từ lớp
màn nhạy quang của photocatốt. Những photoelectron này sẽ được gia tốc và hội tụ bằng
điện trường, sao cho chúng lại đập vào một điện cực đặc biệt (được gọi là đinốt). Đinốt
được chế tạo bằng vật liệu có cơng thốt điện tử nhỏ và khi bị các electron bắn phá, sẽ
bức xạ những electron thứ cấp, với số lượng lớn hơn số lượng electron ban đầu từ 1 đến

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


8
10 lần. Những electron thứ cấp này lại được gia tốc và hội tụ lên đinốt tiếp theo và đinốt
này lại đóng vai trị phát xạ electron thứ cấp và v.v… Số lượng đinốt có thể rất lớn
(khoảng 10 đinốt). Cứ mỗi lần chuyển tiếp từ đinốt này sang đinốt tiếp theo, số lượng
electron sẽ nhân lên nhiều lần, và thông thường số lượng electron được bức xạ ở đinốt
cuối cùng sẽ lớn hơn số lượng electron ban đầu hàng vạn đến hàng triệu lần. Như vậy,
ống nhân quang điện đồng thời đóng vai trị biến tín hiệu quang học thành tín hiệu điện và

khuếch đại chúng [13].
Ứng dụng của tinh thể trong một số lĩnh vực của cuộc sống:
-

Trong ghi đo bức xạ mơi trường:

Hình 1.3. Hệ ghi đo bức xạ trên biển [14]

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


9
-

Trong các phịng thí nghiệm:

Hình 1.4. Hệ phân tích phổ gamma [15]
-

Trong y học hạt nhân:

Hình 1.5. Máy X quang ECAM Scintron Dual Head SPECT Camera Gamma [16]

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ



10
-

Trong lĩnh vực vật lý lượng tử:

Hình 1.6. Máy gia tốc Tandem Pelletron 5SDH-2 [17]
-

Trong hàng khơng, dân dụng:

Hình 1.7. Máy soi hàng hóa tại sân bay [18]
Sản lượng tiêu thụ tinh thể trên thế giới trong các năm 2014-2020 và dự đoán đến
năm 2024, được đánh giá dựa trên giá trị tinh thể sử dụng ( đơn vị triệu USD). Trong biểu
đồ cũng thể hiện sự tăng trưởng sử dụng tinh thể trong 4 nhóm ngành chính qua các năm.
Theo số liệu thống kê giá trị sử dụng tinh thể có xu hướng tăng đều qua các năm và dự

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


11
báo vẫn sẽ tăng cho đến năm 2024.

Hình 1.8. Tỷ lệ tiêu thụ tinh thể trong các lĩnh vực qua các năm (Nguồn Internet)
Quá trình nghiên cứu và phát triển tinh thể, có thể nói q trình nghiên cứu tinh thể
bắt đầu từ khá sớm vào những năm 40 của thế kỷ 20. Trong những năm đầu tiên của việc
nghiên cứu diễn ra khá chậm, quá trình nghiên cứu ra các tinh thể khơng cao, đến năm
2010 thì mới là sự bùng nổ của quá trình nghiên cứu tinh thể với việc xuất hiện nhiều loại
tinh thể mới trong năm 2010. Và tính đến thời điểm hiện tại q trình nghiên cứu tinh thể

vẫn được duy trì và phát triển trên thế giới. Nhiều tinh thể mới vẫn được tạo ra theo thời
gian. Hiện các cơng trình nước ngồi trong lĩnh vực này đã đạt được những tiến bộ rất
lớn. Tính chất của tinh thể thu được có chất lượng cao, khả năng phản hồi tốt, trường sáng
lớn hơn. Đơn cử như những tinh thể nhấp nháy đầu tiên được ni vào năm 1940 với
trường sáng đạt 20.000 photon/MeV, thì giá trị này đối với tinh thể NaI:Tl thương mại
hiện tại vào khoảng 40.000 photon/MeV [19]. Cá biệt có thể kể đến thành cơng của những
phịng thí nghiệm ni tạo được các tinh thể với giá trị trường sáng rất cao như
CsBa2I5:Eu với 100.000 photon/MeV [20] hay LuI3:Ce với 115.000 photon/MeV [21]
trường sáng, độ phân giải cũng như thời gian phản hồi cũng được cải thiện rất nhiều.
Tuy nhiên, một vướng mắc lớn mà các cơng trình quốc tế mắc phải đó là chi phí sản
xuất và giá sản phẩm quá cao làm giảm tính khả thi của việc sản xuất ở quy mô công

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


12
nghiệp. Có thể kể đến những thành tựu đáng kể trong việc thiết kế lị nung nóng chảy
Bridgman như: Các nhà khoa học thuộc công ty Carbolite Gero của Anh đã chế tạo thành
cơng và thương mại hóa sản phẩn lị nung có nhiệt độ nóng chảy tối đa đạt 1.800℃ [22].
Đây có thể xem như nhiệt độ cao nhất mà 1 lị nung nóng chảy Bridgman có thể đạt tới.
Các hãng Trung Quốc cũng sở hữu loại lò nung đạt giá trị này tuy nhiên, họ thường cung
cấp loại có nhiệt độ nóng chảy 1.000 – 1.650℃. Cuộc chạy đua trong vấn đề tăng nhiệt độ
nóng chảy tối đa đòi hỏi tất cả linh kiện cấu thành nên lò nung phải được cải tiến bằng các
vật liệu có độ bền nhiệt tốt hơn. Ngoài ra việc đảm bảo an toàn cho người sử dụng, cũng
như các hệ thống dẫn truyền tín hiệu, hệ thống điện tử cũng sẽ trở nên khó khăn hơn. Đây
là lí do chính làm cho các lị nung có nhiệt độ nóng chảy cao có giá thành cực kì đắt.
Hình 1.9 biểu diễn lịch sử công bố các tinh thể trong thời gian từ năm 1940 - 2017,
đại diện cho các tinh thể được báo cáo trong các bài báo được đánh giá ngang hàng, ngoại

trừ những tinh thể có chứa Rb, Lu và K do nền phóng xạ tự nhiên cao phù hợp với các
ứng dụng bảo mật quốc gia. Thanh màu xanh lam các hợp chất mới, thanh màu vàng là
các hợp chất đã biết với chất hoạt hóa mới hoặc được pha tạp, chữ màu đỏ là sản phẩm
thương mại, chữ màu xanh lá cây là đang được phát triển.

Hình 1.9. Quá trình phát triển tinh thể (Nguồn Internet)

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ