Xử lý phổ gamma bằng thuật toán di truyền

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN BÙI QUANG KHÁNH XỬ LÝ PHỔ GAMMA BẰNG THUẬT TOÁN DI TRUYỀN LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – 2009 1 LỜI CẢM ƠN Trong quá trình thực hiện quyển luận văn này, tôi đã nhận được sự giúp đỡ rất to lớn từ thầy cô, gia đình và bạn bè. Tôi muốn gửi lời cảm ơn đến thầy PGS. TS. Mai Văn Nhơn đã giúp đỡ, hướng dẫn và cho tôi rất nhiều lời khuyên quý giá 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 (nhóm nghiên cứu Monte-Carlo bộ môn Vật lý Hạt Nhân trường đại học Khoa học Tự nhiên Thành phố Hồ Chí Minh) với những ý kiến đóng góp, ý tưởng thực hiện cũng như những lời khuyên giúp tôi có thể chính lý, sửa chữa và bổ xung kịp thời. Xin cảm ơn các thầy cô trong Hội đồng đã bỏ thời gian đọc và góp ý cho quyển luận văn của tôi được hoàn thiện về mặt nội dung cũng như hình thức. Cuối cùng xin cám ơn gia đình và bạn bè cùng khóa đã động viên, giúp đỡ tôi để có thể hoàn thành quyển luận văn này. Tp. Hồ Chí Minh, ngày 26, tháng 06, năm 2009 Bùi Quang Khánh 2 MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN 1 MỤC LỤC 2 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT 4 DANH MỤC BẢNG 5 DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 6 LỜI MỞ ĐẦU 8 CHƯƠNG 1:SƠ LƯỢC VỀ PHỔ GAMMA 11 1.1 Nguyên lý ghi nhận phổ gamma 11 1.1.1 Tương tác của bức xạ với vật chất 11 1.1.2 Nguyên lý ghi nhận 17 1.2 Hệ thống ghi nhận phổ bức xạ 17 1.2.1 Tổng quan 17 1.2.2 Các thiết bị trong hệ đo bức xạ 20 1.3 Các đặc trưng của phổ bức xạ 22 1.3.1 Hình dạng phổ bức xạ 22 1.3.2 Dạng phông 25 1.3.3 Dạng đỉnh quang điện 26 CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH PHỔ TỰ ĐỘNG 27 2.1 Quá trình xử lý phổ 27 2.2 Các bước tiến hành 28 2.2.1 Chuẩn hóa 28 2.2.2 Dò tìm đỉnh 29 2.2.3 Làm trơn phổ 32 2.2.4 Phương pháp làm tăng độ phân giải 34 2.2.5 Các phương pháp tính diện tích đỉnh 35 CHƯƠNG 3:LÀM KHỚP PHỔ BẰNG THUẬT TOÁN DI TRUYỀN 39 3.1 Thuật toán di truyền 39 3.1.1 Khái niệm 39 3 3.1.2 Nguyên lý hoạt động 40 3.1.3 Ưu, khuyết điểm của thuật toán di truyền 44 3.2 Làm khớp phổ gamma bằng thuật toán di truyền 44 CHƯƠNG 4:CHƯƠNG TRÌNH XỬ LÝ PHỔ GAMMA 47 4.1 Giới thiệu 47 4.2 Các thành phần của chương trình 48 4.2.1 Sơ đồ khối chính 48 4.2.2 Module ĐỌC VÀ VẼ PHỔ 49 4.2.3 Module CHUẨN NĂNG LƯỢNG VÀ BỀ RỘNG ĐỈNH 49 4.2.4 Module TÌM ĐỈNH 50 4.2.5 Module LÀM KHỚP ĐỈNH 51 CHƯƠNG 5:KẾT QUẢ VÀ NHẬN XÉT 58 5.1 Làm khớp đỉnh đơn 58 5.2 Làm khớp nhiều đỉnh 59 5.3 Tách các đỉnh chồng chập của phổ kiểm tra của IAEA 60 5.4 Tách đỉnh chập ba 65 KẾT LUẬN 67 KIẾN NGHỊ 69 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO 71 PHỤ LỤC 73 4 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ADC : Analog to Digital Converter. FWHM : Full Width at Half Maximum. GASPA : Gamma Spectrum Analysis. HPGe : High Purity Germanium. IAEA : International Atomic Energy Agency. ROI : Region Of Interest 5 DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1: Tham số N n,m và C k,n,m 33 Bảng 2.2: Các giá trị 34 m,n Δ Bảng 5.1: So sánh các kết quả xử lý đỉnh đơn 58 Bảng 5.2: Tương quan kênh theo năng lượng 61 Bảng 5.3: Tách đỉnh phổ ADD1N1.ASC 62 Bảng 5.4: Tách đỉnh phổ ADD1N3.ASC 62 Bảng 5.5: Tách đỉnh phổ ADD3N1.ASC 63 Bảng 5.6: Tách đỉnh phổ ADD1N100.ASC 63 Bảng 5.7: So sánh kết quả xử lý GASPA và giá trị ban đầu 66 6 DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1: Tán xạ Rayleigh 11 Hình 1.2: Tán xạ Compton 12 Hình 1.3: Hiệu ứng quang điện 13 Hình 1.4: Hiệu ứng tạo cặp 15 Hình 1.5: Hệ thiết bị hạt nhân tiêu biểu 18 Hình 1.6: Hệ đếm xung đơn giản 19 Hình 1.7: Hệ đo phổ bức xạ 19 Hình 1.9: Phổ gamma lý thuyết 23 Hình 1.10: Các đỉnh đặc trưng của phổ gamma 24 Hình 1.11: Phổ gamma của nguồn Am-Be 24 Hình 3.1: Nguyên lý hoạt động của Thuật toán di truyền 40 Hình 3.2: Kỹ thuật lai một điểm 42 Hình 3.3: Kỹ thuật lai 2 điểm 42 Hình 3.4: Kỹ thuật lai cắt và nối 43 Hình 4.1:Giao diện chính của chương trình 47 Hình 4.2:Sơ đồ khối của chương trình Xử lý phổ 48 Hình 4.3: Sơ đồ khối của module Đọc & vẽ phổ 49 Hình 4.4: Sơ đồ khối của module Chuẩn năng lượng & bề rộng đỉnh 50 Hình 4.5: Sơ đồ khối module Tìm đỉnh 51 Hình 4.6: Sơ đồ khối module Làm khớp đỉnh 52 Hình 4.7: Sơ đồ khối module Xây dựng tập hợp ban đầu 53 Hình 4.8: Sơ đồ khối module Đánh giá 55 Hình 4.9: Sơ đồ khối module Lai tạo 55 Hình 4.10: Sơ đồ khối module Đột biến 56 Hình 4.11: Sơ đồ khối module Chọn lọc tự nhiên 57 Hình 5.1: Làm khớp đỉnh đơn các phổ Na 22 , Mn 54 , Co 57 , Co 60 , Cs 137 59 Hình 5.2: Làm khớp nhiều đỉnh của phổ STRAIGHT.ASC 60 Hình 5.3: Đường chuẩn năng lượng theo kênh 61 7 Hình 5.4: Tách đỉnh chồng chập ở năng lượng 352 keV phổ ADD1N1.ASC 63 Hình 5.5: Tách đỉnh chồng chập ở năng lượng 352 keV phổ ADD1N3.ASC 64 Hình 5.6: Tách đỉnh chồng chập ở năng lượng 352 keV phổ ADD3N1.ASC 64 Hình 5.7: Tách đỉnh chồng chập ở năng lượng 352 keV phổ ADD1N100.ASC 65 Hình 5.8: Tách đỉnh chập ba tự tạo 66 8 LỜI MỞ ĐẦU Trong quy trình phân tích đồng vị phóng xạ dựa trên việc đo phổ gamma, vấn đề xử lý và tính toán các thông số của các đỉnh gamma xuất hiện trong phổ có vai trò rất quan trọng, quyết định thành công của cả một quy trình. Các thao tác xử lý phổ hiện nay phần lớn đều dựa vào các phần mềm chuyên dụng chẳng hạn như Genie-2K, GammaVision, Sampo, Hypermet, . . . Các phần mềm này dựa trên nhiều thuật toán khác nhau và đều có những ưu khuyết điểm riêng. Đặc biệt trong việc xử lý phổ có xuất hiện đỉnh chập hoặc phổ của các mẫu có hoạt độ 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 đề tìm kiếm một chương trình xử lý phổ toàn diện vẫn đang là mục tiêu nghiên cứu của nhiều nhà khoa học trên thế giới. Để thúc đẩy sự phát triển của các phương thức xử lý phổ, IAEA (International Atomic Energy Agency- Cơ quan nguyên tử lượng quốc tế) trong vòng hơn 10 năm qua đã tổ chức một số chương trình kiểm tra năng lực của các phần mềm xử lý phổ, trong đó 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 đích chính là nhằm kiểm tra khả năng của các phần mềm xử lý phổ trong việc tìm kiếm đỉnh phổ tự động, tính diện tích đỉnh độc lập với tỉ lệ đỉnh/phông nền, khả năng phát hiện và xử lý đỉnh chập. Ngoài ra, một số phương pháp xử lý phổ cũng đang được 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 được sử dụng rộng rãi nhất, trong nhiều lĩnh vực: trí tuệ nhân tạo, thiết kế tự động hóa, chế tạo robot, phân tích thị trường, quản lý mạng dữ liệu, . . . và được nhiều nhà khoa học trên thế giới quan tâm phát triển. Ưu điểm của thuật 9 toán này là có khả năng tìm kiếm lời giải trên vùng không gian tìm kiếm phức tạp, nhiều tham số, và có thể loại trừ được các tối ưu cục bộ. Đã 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 đặc biệt là với nguồn bức xạ hoạt độ thấp. Chương trình xử lý phổ này sẽ bao gồm nhiều thuật toán để xử lý phổ bức xạ gamma, trong đó chủ yếu tập trung vào thuật toán di truyền để làm khớp phổ, tách các đỉnh chồng chập nếu có. Phần mềm xử lý phổ được xây dựng như vậy có thể nâng cao tính chính xác trong việc đánh giá hoạt độ với hệ phổ kế gamma phông thấp đang có. Mà điều đó là cần thiết trong việc đánh giá các mẫu phóng xạ có hoạt độ tương đối thấp như mẫu môi trường. Mục đích chính của luận văn là bước đầu xây dựng một chương trình xử lý phổ gamma bằng cách 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 đánh giá hoạt độ nguồn, mẫu phóng xạ được đo bằng hệ phổ kế gamma phông thấp HPGe (High Purity Gemarnium- Gemarnium siêu tinh khiết) bên cạnh chương trình xử lý phổ đang được sử dụng duy nhất hiện nay là Genie-2K tại Bộ môn Vật lý Hạt nhân. Với mục đích 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 được dùng để ghi nhận phổ gamma và nguyên lý ghi nhận tín hiệu trong hệ phổ kế gamma. Đồng thời một số đặc trưng quan trọng của phổ gamma chẳng hạn như dạng của đỉnh, phông nền cũng như các đỉnh đặc trưng của phổ gamma cũng được nêu trong chương này. Chương 2: Các phương pháp xử lý phổ tự động, bao gồm các phương pháp chuẩn năng lượng, bề rộng đỉnh, các thuật toán tìm đỉnh, làm trơn, tính toán làm khớp các thông số và tính toán diện tích của đỉnh. [...]... thức cơ bản về thuật toán di truyền; các phép di truyền, lai, đột 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 đọc phổ, tìm đỉnh, tính toán di n tích, Các sơ đồ khối, đặc điểm và cách thức hoạt động của các module xử lý trong chương trình cũng được nêu ra cụ thể Chương 5: Một số kết quả tính toán được từ... ra từ phổ có sự chính xác và đáng tin cậy hay không phụ thuộc vào chất lượng đo đạc và khả năng phân tích thông tin của người xử lý thông qua các giải thuật hoặc các chương trình phân tích phổ Thông thường một chương trình xử lý phổ gamma cần phải thực hiện các thao tác cơ bản sau[4],[7]: o Phát hiện các vị trí đỉnh trong phổ o Ước lượng di n tích đỉnh với sai số đi kèm o Xác định năng lượng gamma. .. hệ chuẩn trực cho tia, khay đựng nguồn,… trong phổ sẽ xuất hiện những đỉnh đặc trưng được mô tả trong Hình 1.10, Hình 1.11 Những đỉnh này được tạo thành do các bức xạ tán xạ từ vật liệu xung quanh đi vào detector Hình 1.9: Phổ gamma lý thuyết 24 Hình 1.10: Các đỉnh đặc trưng của phổ gamma Hình 1.11: Phổ gamma của nguồn Am-Be Các đỉnh đặc trưng của phổ gamma bao gồm : o Đỉnh quang điện: Đỉnh hình thành... trình đối với các phổ nguồn điểm (Co57, Cs137, Mn54, Na22, Co60) đo được từ detector HPGe tại Bộ môn Vật lý Hạt nhân, các kết quả này được so sánh với kết quả thu được từ Genie-2K để kiểm định tính đúng đắn của chương trình Đồng thời khả năng xử lý đỉnh chập của chương trình cũng được kiểm tra với các phổ kiểm tra của IAEA 11 CHƯƠNG 1: SƠ LƯỢC VỀ PHỔ GAMMA 1.1 Nguyên lý ghi nhận phổ gamma 1.1.1 Tương... trường hợp, đỉnh năng lượng được mô tả bởi một hàm Gauss và một hàm khác mô tả phần lệch của phổ Ngoài ra, đôi khi người ta mô tả đỉnh phổ bằng cách biến đổi hàm Gauss sao cho nó bao gồm cả phần đuôi của đỉnh 27 CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH PHỔ TỰ ĐỘNG 2.1 Quá trình xử lý phổ Các phổ bức xạ sau khi được ghi nhận bởi hệ phổ kế sẽ được phân tích để tìm các thông tin đáng quan tâm Thông thường, những thông tin về... đều bị hấp thụ thì xung tổng cộng sẽ đóng góp vào đỉnh quang điện hoặc phần phổ nằm trong khoảng năng lượng từ E – 2m0c2 đến E – m0c2 Các tương tác trên hình thành trên phổ bức xạ các đỉnh đặc trưng Hình 1.9 trình bày phổ gamma lý thuyết được ghi nhận Có hai nhân tố đóng góp vào phổ gamma quan sát được làm khác biệt so với phổ lý thuyết, một là sự nở rộng tự nhiên của năng lượng photon và hai là khả... Nói chung, một chương trình xử lý phổ thường có ba bước sau đây[4],[12]: o Sử dụng thư viện số liệu để xác định tương quan năng lượng theo kênh, chuẩn bề rộng đỉnh, đường cong hiệu suất cho mẫu cần phân tích Các thư viện khác nhau có thể được sử dụng cho mỗi bước xử lý Các phổ của các nguồn chuẩn cần được sử dụng để thực hiện công việc này o Đọc phổ đo, thực hiện các bước xử lý sơ bộ như trừ phông nền,... dụng, đặc biệt là các chức năng phân tích phổ 1.3 Các đặc trưng của phổ bức xạ 1.3.1 Hình dạng phổ bức xạ[12] Phổ bức xạ của nguồn thường bao gồm những vạch rời rạc với bề rộng rất nhỏ Đỉnh hấp thụ toàn phần của các phổ này có thể chỉ chiếm một phần nhỏ trong số đếm tổng nhưng mang lại rất nhiều thông tin hữu ích, phần còn lại của phổ có thể coi như phổ phông Phổ bức xạ được ghi nhận thông qua các tương... lượng gamma ứng với các đỉnh trong phổ Trong đó, việc phát hiện vị trí đỉnh và tính toán di n tích có ý nghĩa rất quan trọng, nó quyết định tính chính xác của các bước sau và của cả quá trình phân tích Ngoài ra chương trình xử lý phổ cũng có thể thực hiện một số chức năng nâng cao sau: o Hiệu chỉnh số đếm bị mất do thời gian chết và trùng phùng ngẫu nhiên o Tính toán hiệu suất, xác định độ rộng đỉnh,... electron- position, và sự tán xạ của lượng tử gamma lên electron tự do (tán xạ Compton) Ta cần quan tâm đến xác suất để xảy ra các quá trình trên vì thế ta đưa vào tiết di n tương tác σ Tiết di n tương tác toàn phần là tổng tiết di n của các quá trình Tiết di n toàn phần vi mô (tính trên 1 nguyên tử vật chất) cho bởi: σ = σ qd + σ C + σ p (1.9) Nhân tiết di n vi mô (1.9) với số nguyên tử N có trong . trình xử lý phổ gamma đặc biệt là với nguồn bức xạ hoạt độ thấp. Chương trình xử lý phổ này sẽ bao gồm nhiều thuật toán để xử lý phổ bức xạ gamma, trong đó chủ yếu tập trung vào thuật toán di truyền. 3 3.1.2 Nguyên lý hoạt động 40 3.1.3 Ưu, khuyết điểm của thuật toán di truyền 44 3.2 Làm khớp phổ gamma bằng thuật toán di truyền 44 CHƯƠNG 4:CHƯƠNG TRÌNH XỬ LÝ PHỔ GAMMA 47 4.1 Giới. các phép di truyền, lai, đột 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 đọc phổ, tìm đỉnh,