Luận văn Xử lý phổ Gamma bằng thuật toán di truyền

ðẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ðẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN BÙI QUANG KHÁNH XỬ LÝ PHỔ GAMMA BẰNG THUẬT TOÁN DI TRUYỀN Chuyên ngành: Vật lý Nguyên tử, Hạt nhân và Năng lượng cao Mã số: 60-44-05 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS. MAI VĂN NHƠN THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – NĂM 2009 1 LỜI CẢM ƠN Trong quá trình thực hiện quyển luận văn này, tôi ñã nhận ñược sự giúp ñỡ rất to lớn từ thầy cô, gia ñình và bạn bè. Tôi muốn gửi lời cảm ơn ñến thầy PGS. TS. Mai Văn Nhơn ñã giúp ñỡ, hướng dẫn tôi rất nhiều trong quá trình tìm hiểu và thực hiện luận văn. Tôi cũng muốn cảm ơn cô Trương Thị Hồng Loan và các thành viên trong nhóm NMTP, bộ môn Vật lý Hạt Nhân trường ñại học Khoa học Tự nhiên Thành phố Hồ Chí Minh với những ý kiến ñóng góp, ý tưởng thực hiện cũng như những lời khuyên giúp tôi có thể bổ xung, chính lý và sửa chữa kịp thời. Cuối cùng xin cám ơn gia ñình và bạn bè cùng khóa ñã ñộng viên, giúp ñỡ tôi ñể có thể hoàn thành quyển luận văn này. 2 MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN. ............................................................................................................1 MỤC LỤC...................................................................................................................2 DANH MỤC BẢNG...................................................................................................4 DANH MỤC HÌNH VẼ, ðỒ THỊ ..............................................................................5 LỜI MỞ ðẦU .............................................................................................................7 CHƯƠNG 1- SƠ LƯỢC VỀ PHỔ GAMMA...........................................................10 1.1 Nguyên lý ghi nhận phổ gamma ....................................................................10 1.1.1 Tương tác của bức xạ với vật chất ..................................................10 1.1.2 Nguyên lý ghi nhận .........................................................................16 1.2 Hệ thống ghi nhận phổ bức xạ .......................................................................16 1.2.1 Tổng quan........................................................................................16 1.2.2 Các thiết bị trong hệ ño bức xạ .......................................................19 1.3 Các ñặc trưng của phổ bức xạ ........................................................................21 1.3.1 Hình dạng phổ bức xạ .....................................................................21 1.3.2 Dạng phông .....................................................................................24 1.3.3 Dạng quang ñỉnh .............................................................................25 CHƯƠNG 2- PHÂN TÍCH PHỔ TỰ ðỘNG...........................................................26 2.1 Quá trình xử lý phổ ........................................................................................26 2.2 Các bước tiến hành.........................................................................................27 2.2.1 Chuẩn hóa........................................................................................27 2.2.2 Dò tìm ñỉnh......................................................................................28 2.2.3 Làm trơn phổ ...................................................................................31 2.2.4 Phương pháp làm tăng ñộ phân giải ................................................33 2.2.5 Các phương pháp tính diện tích ñỉnh ..............................................34 CHƯƠNG 3- LÀM KHỚP PHỔ BẰNG THUẬT TOÁN DI TRUYỀN.................38 3.1 Thuật toán di truyền .......................................................................................38 3.1.1 Khái niệm ........................................................................................38 3.1.2 Nguyên lý hoạt ñộng .......................................................................39 3 3.1.3 Ưu ñiểm của thuật toán di truyền. ...................................................43 3.2 Làm khớp phổ gamma bằng thuật toán di truyền ..........................................43 CHƯƠNG 4- CHƯƠNG TRÌNH XỬ LÝ PHỔ GAMMA ......................................46 4.1 Giới thiệu .......................................................................................................46 4.2 Các thành phần của chương trình ..................................................................47 4.2.1 Sơ ñồ khối chính..............................................................................47 4.2.2 Module ñọc phổ và vẽ phổ ..............................................................48 4.2.3 Module chuẩn năng lượng và bề rộng ñỉnh.....................................49 4.2.4 Module xác ñịnh vị trí ñỉnh tự ñộng................................................49 4.2.5 Module làm khớp phổ và tính các thông số của ñỉnh .....................50 CHƯƠNG 5- KẾT QUẢ VÀ NHẬN XÉT ..............................................................57 5.1 Làm khớp ñỉnh ñơn........................................................................................57 5.2 Làm khớp nhiều ñỉnh .....................................................................................58 5.3 Tách các ñỉnh chồng chập của phổ test IAEA ...............................................59 5.4 Tách ñỉnh chập ba ..........................................................................................64 KẾT LUẬN...............................................................................................................66 KIẾN NGHỊ ..............................................................................................................68 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ..........................................................................69 TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................70 4 DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1 : Hằng số Nn,m và Ck,n,m..............................................................................32 Bảng 2.2: Các giá trị m,n∆ .........................................................................................33 Bảng 5.1: So sánh các kết quả xử lý ñỉnh ñơn ..........................................................57 Bảng 5.2: Tương quan kênh theo năng lượng...........................................................60 Bảng 5.3: Tách ñỉnh phổ ADD1N1 ..........................................................................61 Bảng 5.4: Tách ñỉnh phổ ADD1N3 ..........................................................................61 Bảng 5.5: Tách ñỉnh phổ ADD3N1 ..........................................................................62 Bảng 5.6: Tách ñỉnh phổ ADD1N100 ......................................................................62 Bảng 5.7. So sánh kết quả xử lý GASPA và giá trị ban ñầu.....................................65 5 DANH MỤC HÌNH VẼ, ðỒ THỊ Hình 1.1: Tán xạ Rayleigh ........................................................................................10 Hình 1.2: Tán xạ Compton........................................................................................11 Hình 1.3: Hiệu ứng quang ñiện .................................................................................12 Hình 1.4: Hiệu ứng tạo cặp .......................................................................................14 Hình 1.5. Hệ thiết bị hạt nhân tiêu biểu ....................................................................16 Hình 1.6. Hệ ñếm ñơn giản .......................................................................................18 Hình 1.7. Hệ thống ñếm trùng phùng........................................................................18 Hình 1.8. Hệ ño phổ bức xạ ......................................................................................19 Hình 1.9. Phổ gamma của nguồn Am-Be .................................................................22 Hình 1.10. Phổ gamma lý thuyết...............................................................................23 Hình 1.11. Các ñỉnh ñặc trưng của phổ Gamma.......................................................23 Hình 3.1. Thuật toán di truyền ..................................................................................39 Hình 3.2. Kỹ thuật lai một ñiểm................................................................................41 Hình 3.3. Kỹ thuật lai 2 ñiểm....................................................................................41 Hình 3.4. Kỹ thuật lai cắt và nối ...............................................................................42 Hình 4.1 Giao diện chính của chương trình ..............................................................46 Hình 4.2 Sơ ñồ khối của Chương trình Xử lý phổ ....................................................47 Hình 4.3. Sơ ñồ khối của module ðọc & vẽ phổ ......................................................48 Hình 4.4. Sơ ñồ khối của module Chuẩn năng lượng & bề rộng ñỉnh......................49 Hình 4.5. Sơ ñồ khối module Tìm ñỉnh ....................................................................50 Hình 4.6. Sơ ñồ khối module Làm khớp ñỉnh...........................................................51 Hình 4.7. Sơ ñồ khối module xây dựng tập hợp ban ñầu..........................................52 Hình 4.8. Sơ ñồ khối module ðánh giá.....................................................................54 Hình 4.9. Sơ ñồ khối module Lai tạo ........................................................................54 Hình 4.10. Sơ ñồ khối module ðột biến ...................................................................55 Hình 4.11. Sơ ñồ khối module Chọn lọc tự nhiên ....................................................56 Hình 5.1. Tách ñỉnh ñơn phổ Co57, Cs137, Mn54, Na22 và Co60. ................................58 Hình 5.2. Làm khớp nhiều ñỉnh của phổ STRAIGHT.ASC .....................................59 6 Hình 5.3. ðường chuẩn năng lượng theo kênh .........................................................60 Hình 5.4. Tách ñỉnh chồng chập năng lượng 352 keV phổ ADD1N1 .....................62 Hình 5.5. Tách ñỉnh chồng chập năng lượng 352 keV phổ ADD1N3......................63 Hình 5.6. Tách ñỉnh chồng chập năng lượng 352 keV phổ ADD3N1......................63 Hình 5.7. Tách ñỉnh chồng chập năng lượng 352 keV phổ ADD1N100..................64 Hình 5.8. Tách ñỉnh chập ba tự tạo ...........................................................................65 7 LỜI MỞ ðẦU Trong quy trình phân tích ñồng vị phóng xạ dựa trên việc ño phổ gamma, vấn ñề xử lý và tính toán các thông số của các ñỉnh Gamma xuất hiện trong phổ có vai trò rất quan trọng, quyết ñịnh thành công của cả một quy trình. Các thao tác xử lý phổ hiện nay phần lớn ñều dựa vào các phần mềm chuyên dụng chẳng hạn như các Genie-2K, GammaVision, Sampo, Hypermet, . . . Các phần mềm này dựa trên nhiều thuật toán khác nhau và ñều có những ưu khuyết ñiểm riêng. ðặc biệt trong việc xử lý phổ có xuất hiện ñỉnh chập hoặc phổ của các mẫu có hoạt ñộ thấp như mẫu môi trường thì có sự sai biệt khá lớn giữa các kết quả tính toán của những phần mềm này[10]; hoặc thậm chí là giữa các phương thức tính toán khác nhau trong cùng một phần mềm (như trường hợp của Genie-2K). Do vậy, vấn ñề tìm kiếm một chương trình xử lý phổ toàn diện vẫn ñang là mục tiêu nghiên cứu của nhiều nhà khoa học trên thế giới. ðể thúc ñẩy sự phát triển của các phương thức xử lý phổ, IAEA trong vòng hơn 10 năm qua ñã tổ chức một số chương trình kiểm tra năng lực của các phần mềm xử lý phổ, trong ñó về lĩnh vực xử lý phổ gamma có hai chương trình kiểm tra: IAEA Gamma-ray Test Spectra (1995) [13] và IAEA Gamma-ray Test Spectra for Low-Level Spectrometry (2002) [11]. Mục ñích chính là nhằm kiểm tra khả năng của các phần mềm xử lý phổ trong việc tìm kiếm ñỉnh phổ tự ñộng, tính diện tích ñỉnh ñộc lập với tỉ lệ ñỉnh/phông nền, khả năng phát hiện và xử lý ñỉnh chập. Ngoài ra, một số phương pháp xử lý phổ cũng ñang ñược nghiên cứu trên thế giới: kĩ thuật wavelet[18], kĩ thuật Bayes[17], chuỗi Markov[13], thuật toán di truyền [14,15], mạng neural[19], cực tiểu hóa entropy [12], . . . Trong tất cả các kĩ thuật tối ưu hóa hiện nay, thuật toán di truyền là một trong những thuật toán ñược sử dụng rộng rãi nhất, trong nhiều lĩnh vực: trí tuệ nhân tạo, thiết kế tự ñộng hóa, chế tạo robot, phân tích thị trường, quản lý mạng dữ liệu, . . . và ñược nhiều nhà khoa học trên thế giới quan tâm phát triển. Ưu ñiểm của thuật toán này là có khả năng tìm kiếm lời giải trên vùng không gian tìm kiếm phức tạp, 8 nhiều tham số, và có thể loại trừ ñược các tối ưu cục bộ. ðã có nhiều công trình nghiên cứu xử lý phổ dựa trên thuật toán này bao gồm các phổ Mossbauer, cộng hưởng từ hạt nhân, phổ chuỗi nguyên tử, . . . [14] và cho kết quả khá khả quan, do vậy thuật toán di truyền là một trong những lựa chọn thích hợp cho mục tiêu xây dựng một chương trình xử lý phổ gamma ñặc biệt là với nguồn bức xạ hoạt ñộ thấp. Chương trình xử lý phổ này sẽ bao gồm nhiều thuật toán ñể xử lý phổ bức xạ gamma, trong ñó chủ yếu tập trung vào thuật toán di truyền ñể làm khớp phổ, tách các ñỉnh chồng chập nếu có. Phần mềm xử lý phổ ñược xây dựng như vậy có thể nâng cao tính chính xác trong việc ñánh giá hoạt ñộ với hệ phổ kế gamma phông thấp ñang có. Mà ñiều ñó là cần thiết trong việc ñánh giá các mẫu phóng xạ có hoạt ñộ tương ñối thấp như mẫu môi trường. Mục ñích chính của luận văn là bước ñầu xây dựng một chương trình xử lý phổ gamma tự ñộng dựa trên việc tối ưu các thông số của hàm làm khớp phổ thông qua thuật toán di truyền kết hợp với một số thuật toán khác. Chương trình này sẽ góp phần nhằm nâng cao tính chính xác trong việc ñánh giá hoạt ñộ nguồn, mẫu phóng xạ ñược ño bằng hệ phổ kế gamma phông thấp HPGe bên cạnh chương trình xử lý phổ ñang ñược sử dụng duy nhất hiện nay là Genie-2K tại Bộ môn Vật lý Hạt nhân. Với mục ñích nêu trên, luận văn bao gồm các nội dung như sau: Chương 1: Sơ lược về phổ gamma và sự hình thành phổ gamma, các hệ thống thiết bị thường ñược dùng ñể ghi nhận phổ gamma và nguyên lý ghi nhận tín hiệu trong hệ phổ kế gamma. ðồng thời một số ñặc trưng quan trọng của phổ gamma chẳng hạn như dạng của ñỉnh, phông nền cũng như các ñỉnh ñặc trưng của phổ gamma cũng ñược nêu trong chương này Chương 2: Các phương pháp xử lý phổ tự ñộng, bao gồm các phương pháp chuẩn năng lượng, bề rộng ñỉnh, các thuật toán tìm ñỉnh, làm trơn, tính toán làm khớp các thông số và tính toán diện tích của ñỉnh. 9 Chương 3: Giới thiệu khái niệm và những kiến thức cơ bản về thuật toán di truyền; các phép di truyền, lai, ñột biến. Phương thức áp dụng thuật toán di truyền vào trong xử lý phổ gamma. Chương 4: Xây dựng một chương trình xử lý phổ gamma bao gồm các module ñọc phổ, tìm ñỉnh, tính toán diện tích, . . . Các sơ ñồ khối, ñặc ñiểm và cách thức hoạt ñộng của các module xử lý trong chương trình cũng ñược nêu ra cụ thể. Chương 5: Một số kết quả tính toán ñược từ chương trình ñối với các phổ nguồn ñiểm (Co57, Cs137, Mn54, Na22, Co60) ño ñược từ detector HPGe với tại Bộ môn Vật lý Hạt nhân, các kết quả này ñược so sánh với kết quả thu ñược từ Genie- 2K ñể kiểm ñịnh tính ñúng ñắn của chương trình. ðồng thời khả năng xử lý ñỉnh chập của chương trình cũng ñược kiểm tra với các phổ test của IAEA. 10 CHƯƠNG 1: SƠ LƯỢC VỀ PHỔ GAMMA 1.1 Nguyên lý ghi nhận phổ gamma 1.1.1 Tương tác của bức xạ với vật chất Khi bức xạ gamma ñi vào môi trường, chúng sẽ tương tác với môi trường ñó thông qua 4 loại tương tác chính sau: o Tán xạ Rayleigh[12]. o Tán xạ Compton o Hiệu ứng quang ñiện. o Hiệu ứng tạo cặp a. Tán xạ Rayleigh Là quá trình mà bức xạ bị tán xạ trên các electron của nguyên tử mà không gây ra ion hóa hay kích thích nguyên tử. Bức xạ sau tán xạ không bị mất năng lượng mà chỉ bị lệch pha. ðây là tán xạ xảy ra chủ yếu khi bức xạ có năng lượng thấp và môi trường có Z lớn Hình 1.1: Tán xạ Rayleigh Tiết diện vi phân cho bởi công thức sau[12]: ( ) ( ) 22 2R ed 1 r 1 cos F x,zd 2 σ = + θ Ω (1.1) Photon tán xạ Photon tới 11 Lấy tích phân (1.1) ta có tiết diện tán xạ Rayleight toàn phần ( ) ( ) 22R e1 r 2 1 cos F x,z d cos2σ = pi + θ θ∫ (1.2) b. Tán xạ Compton Là tương tác của bức xạ với các electron tự do trong ñó bức xạ truyền một phần năng lượng cho electron và lệch hướng so với ban ñầu. Hình 1.2: Tán xạ Compton Tiết diện tán xạ vi phân của tán xạ Compton ñược tính bởi Tamn và Klein- Nishina và kiểm chứng bằng thực nghiệm: ( ) ( ) ( ) ( ) 222 2C e 2 2 1 cosd 1 cos r 1 d 1 cos 1 1 cos2 1 1 cos   α − θσ + θ   = +  Ω + θ  + α − θ  + α − θ        (1.3) với 2 e 2 e e r m c = 2 e E m c α = θ góc tán xạ Từ ñó : 2 C 0 2 2 1 k 2(1 k) ln(1 2k) ln(1 2k) 1 3k2 r k 1 2k k 2k (1 2k)  + + + + +  σ = pi − + −  + +   (1.4) Electron hóa trị Electron Compton Góc tán xạ Photon tán xạ Photon tới 12 Trường hợp ñặc biệt o α << 1 : 2C Th 261 2 ... 5   σ = σ − α + α +    (1.5) với 4 Th 2 4 e 8 e 3 m c pi σ = Tiết diện Thomson o α >> 1: 2C e 1 1 r ln 2 2   σ = pi + α α   (1.6) c. Hiệu ứng Quang ñiện Là quá trình tương tác mà năng lượng bức xạ tới bị electron hấp thụ hoàn toàn và bứt ra khỏi nguyên tử. Hiệu ứng quang ñiện chỉ xảy ra khi năng lượng bức xạ tới lớn hơn năng lượng liên kết của electron. Hiệu ứng quang ñiện không xảy ra với electron tự do. Hình 1.3: Hiệu ứng quang ñiện Tiết diện của hiệu ứng quang ñiện qd 1 Eγ σ ∝ Khi năng lượng bức xạ Eγ tiến dần ñến năng lượng liên kết lkE thì tiết diện quang ñiện tăng theo tỉ lệ qd 7 / 2 1 E σ ∝ . Hiệu ứng quang ñiện chủ yếu xảy ra với các electron ở lớp K. Tiết diện của nó phụ thuộc chủ yếu vào năng lượng bức xạ và ñiện tích hạt nhân môi trường. Electron quang ñiện Photon tới 13 Với năng lượng liên kết nhỏ( cỡ eV) và lkE Eγ > : ( ) 7 / 2 16 5 qd K 13,611,09.10 Z E − γ   σ =      (1.7) Với Eγ >> lkE thì ( ) 523qd K Z1,34.10 E− γ   σ =      (1.8) ðối với những vật liệu nặng (Z lớn ) thì xác suất xảy ra hiệu ứng quang ñiện lớn ngay cả với những tia gamma có năng lượng cao. ðối với những vật liệu nhẹ thì hiệu ứng quang ñiện chỉ có ý nghĩa với những tia gamma có năng lượng thấp. Tỉ số tiết diện của hiệu ứng quang ñiện ở các tầng khác nhau. ( ) ( ) qd L qd K 1 5 σ = σ và ( ) ( ) qd M qd K 1 20 σ = σ Hiệu ứng quang ñiện chủ yếu xảy ra ñối với bức xạ có năng lượng thấp và vật chất nặng ( Z lớn). Ngoài ra, hiệu ứng quang ñiện còn kèm theo việc phát tia X ñặc trưng và electron Auger. Hiệu ứng quang ñiện là cơ chế hấp thụ bức xạ chủ yếu trong vật chất nặng. d. Hiệu ứng tạo cặp Là quá trình tương tác trong ñó bức xạ biến mất trong trường hạt nhân sinh ra một cặp electron và positron và truyền toàn bộ năng lượng cho cặp electron- positron này và nhân giật lùi. Quá trình tương tác xảy ra chủ yếu với bức xạ có Eγ ≥ 1,022 MeV. Các electron và positron sinh ra trong trường ñiện từ của hạt nhân nên dưới tác ñộng của lực Coulomb: o Positron bay ra khỏi và electron bị hãm lại. Do ñó, phổ năng lượng ño ñược khác nhau với hai loại bức xạ này. Sự khác biệt càng lớn khi Z của môi trường lớn. 14 o Năng lượng giật lùi của hạt nhân là ñáng kể trong trường hợp hai hạt bay ra vuông góc với bức xạ tới và ngược chiều nhau. Hình 1.4: Hiệu ứng tạo cặp Xác suất của hiệu ứng tạo cặp thay ñổi xấp xỉ tỉ lệ với 2Z và tăng ñối với các nguyên tố có Z cao chẳng hạn như chì hay uranium. Trong chì, xấp xỉ 20% số tương tác là của tia gamma 1,5 MeV là hiệu ứng tạo cặp, và tỉ lệ là 50% ñối với tia