CHƯƠNG TRÌNH XỬ LÝ PHỔ GAMMA TỰ ĐỘNG VÀ NHẬN DIỆN ĐỒNG VỊ PHÓNG XẠ

Hệ phổ kế gamma phông thấp HPGe tại Bộ môn Vật lý Hạt nhân (BM VLHN), khoa Vật lý – Vật lý kỹ thuật (VLVLKT), trường Đại học Khoa học Tự nhiên (ĐH KHTN), Đại học Quốc gia Tp. Hồ Chí Minh (ĐHQGHCM) phụ thuộc quá lớn vào chương trình xử lý phổ đang được sử dụng duy nhất hiện nay là Genie2K (phần mềm kèm theo hệ phổ kế gamma phông thấp HPGe). Phiên bản phần mềm Genie2K tại Bộ môn chỉ dừng lại việc tính toán diện tích đỉnh, chưa nhận diện được các đồng vị phóng xạ trong mẫu. Vì vậy, vấn đề xây dựng một chương trình xử lý phổ gamma tự động vẫn đang là mục tiêu nghiên cứu của nhiều tác giả. Mục đích chính của báo cáo là bước đầu xây dựng một chương trình xử lý phổ gamma tự động bao gồm tìm kiếm đỉnh phổ tự động; tính toán diện tích đỉnh; nhận diện đồng vị phóng xạ và thực nghiệm so sánh với mẫu chuẩn

CHƯƠNG TRÌNH XỬ LÝ PHỔ GAMMA TỰ ĐỘNG VÀ NHẬN DIỆN ĐỒNG VỊ PHÓNG XẠ TRỊNH QUANG VINH Văn phòng Đại học Quốc gia Tp.Hồ Chí Minh tqvinh@vnuhcm.edu.vn Tóm tắt: Hệ phổ kế gamma phông thấp HPGe tại Bộ môn Vật lý Hạt nhân (BM VLHN), khoa Vật lý – Vật lý kỹ thuật (VL-VLKT), trường Đại học Khoa học Tự nhiên (ĐH KHTN), Đại học Quốc gia Tp. Hồ Chí Minh (ĐHQG-HCM) phụ thuộc quá lớn vào chương trình xử lý phổ đang được sử dụng duy nhất hiện nay là Genie-2K (phần mềm kèm theo hệ phổ kế gamma phông thấp HPGe). Phiên bản phần mềm Genie-2K tại Bộ môn chỉ dừng lại việc tính toán diện tích đỉnh, chưa nhận diện được các đồng vị phóng xạ trong mẫu. Vì vậy, vấn đề xây dựng một chương trình xử lý phổ gamma tự động vẫn đang là mục tiêu nghiên cứu của nhiều tác giả. Mục đích chính của báo cáo là bước đầu xây dựng một chương trình xử lý phổ gamma tự động bao gồm tìm kiếm đỉnh phổ tự động; tính toán diện tích đỉnh; nhận diện đồng vị phóng xạ và thực nghiệm so sánh với mẫu chuẩn. Từ khóa: HPGe High Purity Germanium I. MỞ ĐẦU Chương trình xử lý phổ gamma tự động Gamma Spectrum được viết dựa trên ngôn ngữ lập trình C#, xây dựng giao diện bằng WPF (Windows Presentation Foundation) trên môi trường Microsoft Visual Studio 2010. Hình 1. Giao diện chính của chương trình Một số module và gói chính trong chương trình Gamma Spectrum: Module Đọc và hiển thị phổ; Module Làm trơn phổ; Module Trừ phông; Module Chuẩn năng lượng và bề rộng đỉnh; Module Tính diện tích đỉnh; Gói Tìm đỉnh phổ tự động; Gói Nhận diện đồng vị phóng xạ; Gói Xác định hoạt độ nguồn, tra cứu thư viện đồng vị; Gói Xác định hàm lượng nguyên tố trong mẫu. II. THỰC NGHIỆM 1. Chuẩn năng lượng, bề rộng đỉnh: Việc chuẩn năng lượng thường được làm trước khi tiến hành việc đo đạc để lấy phổ và thường được xem như là một phần của việc khởi động hệ đo. Việc chuẩn năng lượng bao gồm những bước sau: đo phổ của một nguồn phóng xạ có năng lượng gamma phát ra đã được biết trước; xác định các đỉnh gamma có trong phổ theo thứ tự; cung cấp năng lượng tương ứng với các đỉnh được xác định. Từ đó thiết lập mối quan hệ giữa năng lượng gamma và số kênh theo hàm bậc nhất. E = A + B.K (1) Tương tự việc chuẩn bề rộng đỉnh sẽ góp phần nâng cao tính chính xác của việc tính toán diện tích đỉnh cũng như xác định đỉnh chập. Các đỉnh gamma thường được xấp xỉ dưới dạng Gauss và bề rộng một nửa chiều cao (FWHM) của đỉnh thường được làm khớp theo năng lượng dưới dạng FWHM A B E   (2) Bảng số liệu kênh, năng lượng, bề rộng đỉnh tương ứng của 7 nguồn chuẩn giả điểm thu được từ phổ 7_nguon_chuan.TKA được nêu trong bảng 1. Sau đó làm khớp đường chuẩn năng lượng, bề rộng đỉnh và cho kết quả bởi công thức (3) và (4) Bảng 1. Kênh, năng lượng, bề rộng đỉnh tương ứng của 7 nguồn chuẩn giả điểm Đồng vị 133 Ba 109 Cd 57 Co 57 Co 133 Ba 133 Ba 133 Ba 133 Ba 137 Cs 54 Mn 60 Co 22 Na 60 Co Kênh 320 350 494 556 1150 1262 1488 1607 2788 3523 4963 5393 5640 Năng lư ợng 81,2 88,2 122,1 136,7 276,4 302,8 355,9 383,9 661,7 834,6 1173,3 1274,41332,5 FWHM 0,9915 1,00441,0600 1,0815 1,2472 1,2732 1,3225 1,3469 1,5528 1,6591 1,8393 1,88781,9149 E = 5,91200 + 0,23522.K (3) FWHM 0,68887 0,03359 E   (4) Hình 2. Giao diện chuẩn năng lượng theo kênh 2. Tính diện tích bằng phương pháp Quitter: Phương pháp Quittner được đưa ra nhằm hiệu chỉnh những sai sót khi giả thiết đưa ra là phông tuyến tính. Theo đó, phông bên dưới vùng đỉnh được mô tả bởi một đa thức bậc hai theo kênh. Cách xây dựng đường phông bậc hai này như sau: mỗi phía trái và phải ta lấy một số kênh, phông của phía trái và phải vùng đỉnh sẽ nhận được bằng cách làm khớp số đếm tại các kênh này với đa thức bậc hai. Số đếm và độ dốc tại các kênh giữa tính theo đa thức làm khớp của các vùng phông sẽ dùng để xây dựng đa thức bậc ba mô tả phông trong vùng đỉnh. Diện tích đỉnh theo phương pháp này sẽ được tính bởi công thức (5) n i i i n S (N C )     (5) Với C(i) là phông tại kênh thứ i được tính bởi đa thức bậc hai cho ở (6) i l l p l 2 r l r l p l 2 3 l r r l p l 3 2 C p q (x i x ) 3(p p ) (q q ) (x i x ) M M 2(p p ) (q q ) (x i x ) M M                             (6) Trong đó: x p là kênh trung tâm; x l , x r là kênh tâm của vùng phông bên trái và phải của đỉnh p l ,p r giá trị đa thức bậc hai tại x l , x r ; q l ,q r là độ dốc của các đa thức bậc hai tại x l , x r . Hình 3. Giao diện tính diện tích đỉnh của đồng vị 22 Na (1274,5 keV) từ phổ 7_nguon_chuan.TKA Hình 4. Giao diện nhận diện đồng vị phóng xạ 137 Cs (661,7 keV) từ phổ 7_nguon_chuan.TKA Để kiểm định tính đúng đắn của chương trình, chúng tôi đã so sánh với một trong những chương trình xử lý phổ thông dụng nhất hiện nay là chương trình Genie2K. Các phổ được dùng để so sánh là phổ của các nguồn chuẩn giả điểm Na 22 , Mn 54 , Co 57 , Co 60 , Cd 109 , Ba 133 và Cs 137 đo được mượn từ khoa Vật lý, trường Đại học Sư phạm Tp.HCM và được đo bởi hệ phổ kết HPGe tại BM VLHN. Nguồn chuẩn giả điểm có dạng trụ nhỏ với đường kính 2mm, chiều cao 2mm, được phủ một lớp plastic dày 1mm, có đường kính toàn phần 3cm, chiều cao toàn phần 4mm. (a) (b) Hình 5. Mặt cắt dọc (a) và mặt cắt ngang (b) của nguồn chuẩn giả điểm Bảng 2. Các thông số của các nguồn chuẩn giả điểm Đồng vị Nănglư ợ ng (keV) Xác suất phát trên một phân rã (%) Chu kỳ bán rã (ngày) 1 năm = 365,2422 ngày Hoạt độ (Bq) Ngày sản xuất E y  y T 1/2  T 1/2 A 0 T 133 Ba 81,2 32,90 0,30 3848,7 1,2 37000 15/1/08 109 Cd 88,2 3,626 0,020 461,4 1,2 37000 15/1/08 57 Co 122,1 85,51 0,06 271,80 0,05 37000 15/1/08 57 Co 136,7 10,71 0,15 271,80 0,05 37000 15/1/08 133 Ba 276,4 7,16 0,05 3848,7 1,2 37000 15/1/08 133 Ba 302,8 18,34 0,13 3848,7 1,2 37000 15/1/08 133 Ba 355,9 62,05 0,19 3848,7 1,2 37000 15/1/08 133 Ba 383,9 8,94 0,06 3848,7 1,2 37000 15/1/08 137 Cs 661,7 84,99 0,20 10990 40 26886 15/1/08 54 Mn 834,6 99,9746 0,0011 312,29 0,26 37000 15/1/08 60 Co 1173,3 99,85 0,03 1925,28 0,27 37000 15/1/08 22 Na 1274,4 99,940 0,014 950,57 0,23 37000 15/12/07 60 Co 1332,5 99,9826 0,0006 1925,28 0,27 37000 15/1/08 Đầu dò bức xạ gamma HPGe (High Pure Germanium Detector) được trang bị tại BM VLHN là đầu dò bức xạ loại p có cấu tạo như trong Hình 6. Hình 6. Sơ đồ cấu tạo đầu dò HPGe III. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Các kết quả tính diện tích đỉnh và nhận diện đồng vị phóng xạ bởi hai chương trình được cho trong Bảng 3, Bảng 4, Bảng 5, Bảng 6. Bảng 3. So sánh kết quả xử lý từ Genie2K và Gamma Spectrum đối với 7 nguồn đo độc lập ở khoảng cách 1K Đồng vị Thời gian đo (s) Vị trí đỉnh Năng lượng (keV) Genie2K Gamma Spectrum Tỉ lệ hai diện tích Diện tích đỉnh Nhận Diện tích đỉnh Nhận t K E S  S (%) diện S  S (%) diện 133 Ba 300 320 81,2 97297 0,34 97600 0,21 133 Ba 0,997 109 Cd 2100 350 88,2 11293 1,02 11187 1,10 109 Cd 1,009 57 Co 2400 494 122,1 74419 0,38 74678 0,62 57 Co 0,997 57 Co 2400 555 136,4 8975 1,14 8860 0,98 57 Co 1,013 133 Ba 300 1149 276,2 13353 0,95 13497 1,33 133 Ba 0,989 133 Ba 300 1262 302,8 31830 0,59 31868 2,01 133 Ba 0,999 133 Ba 300 1488 355,9 92393 0,33 92253 0,30 133 Ba 1,002 133 Ba 300 1606 383,7 12778 0,91 12765 0,85 133 Ba 1,001 137 Cs 300 2788 661,7 69533 0,38 69489 0,58 137 Cs 1,001 54 Mn 600 3523 834,6 9473 1,03 9535 0,31 54 Mn 0,993 60 Co 300 4961 1172,9 31865 0,58 32044 0,32 60 Co 0,994 22 Na 300 5394 1274,7 18123 0,75 18096 0,37 22 Na 1,001 60 Co 300 5637 1331,9 28488 0,60 28494 0,26 60 Co 1,000 Bảng 4. So sánh kết quả xử lý từ Genie2K và Gamma Spectrum đối với 7 nguồn đo độc lập ở khoảng cách 2K Đồng vị Thời gian đo (s) Vị trí đỉnh Năng lượng (keV) Genie2K Gamma Spectrum Tỉ lệ hai diện tích Diện tích đỉnh Nhận diện Diện tích đỉnh Nhận diện t K E S  S (%) S  S (%) 133 Ba 600 320 81,2 80665 0,38 80211 1,08 133 Ba 1,006 109 Cd 3600 349 88,2 7807 1,29 7674 1,33 109 Cd 1,017 57 Co 5400 494 122,1 67862 0,40 67888 0,38 57 Co 1,000 57 Co 5400 555 136,4 8218 1,29 8377 4,24 57 Co 0,981 133 Ba 600 1149 276,2 11907 1,00 11866 2,17 133 Ba 1,003 133 Ba 600 1262 302,8 27893 0,62 27710 1,09 133 Ba 1,007 133 Ba 600 1488 355,9 81628 0,35 81732 0,15 133 Ba 0,999 133 Ba 600 1606 383,7 11265 0,96 11296 0,74 133 Ba 0,997 137 Cs 600 2788 661,7 61145 0,41 61076 0,68 137 Cs 1,001 54 Mn 1500 3523 834,6 10054 1,01 10110 0,09 54 Mn 0,994 60 Co 900 4961 1172,9 43421 0,49 43394 0,54 60 Co 1,001 22 Na 600 5394 1274,7 16940 0,77 16816 0,76 22 Na 1,007 60 Co 900 5637 1331,9 38773 0,51 38983 0,32 60 Co 0,995 Bảng 5. So sánh kết quả xử lý từ Genie2K và Gamma Spectrum đối với 7 nguồn đo độc lập ở khoảng cách 5K Đ ồng vị Thời gian đo (s) Vị trí đỉnh Năng lượng (keV) Genie2K Gamma Spectrum Tỉ lệ hai diện tích Diện tích đỉnh Nhận diện Diện tích đỉnh Nhận diện t K E S  S (%) S  S (%) 133 Ba 2500 320 81,2 71201 0,42 71021 1,80 133 Ba 1,003 109 Cd 21600 350 88,2 9430 1,60 9254 2,06 109 Cd 1,019 57 Co 18000 494 122,1 48382 0,51 47885 1,06 57 Co 1,010 57 Co 18000 555 136,4 6070 2,03 5620 2,26 57 Co 1,080 133 Ba 2500 1149 276,2 11594 1,08 11681 0,11 133 Ba 0,993 133 Ba 2500 1262 302,8 27727 0,63 27538 2,25 133 Ba 1,007 133 Ba 2500 1488 355,9 80551 0,36 80468 0,51 133 Ba 1,001 133 Ba 2500 1606 383,7 10698 0,98 10728 1,18 133 Ba 0,997 137 Cs 1800 2788 661,7 43634 0,48 43614 0,07 137 Cs 1,000 54 Mn 5000 3523 834,6 7897 1,14 7807 2,67 54 Mn 1,012 60 Co 2400 4961 1172,9 28006 0,62 28015 1,14 60 Co 1,000 22 Na 2400 5395 1274,9 16518 0,78 16578 0,06 22 Na 0,996 60 Co 2400 5640 1332,5 25110 0,64 25008 0,60 60 Co 1,004 Bảng 6. So sánh kết quả xử lý từ Genie2K và Gamma Spectrum đối với 7 nguồn đo cùng nhau đặt sát đầu dò Đ ồng vị Thời gian đo (s) Vị trí đỉnh Năng lượng (keV) Genie2K Gamma Spectrum Tỉ lệ hai diện tích Diện tích đỉnh Nhận diện Diện tích đỉnh Nhận diện t K E S S (%) S S (%) 133 Ba 2700 320 81,2 81356 0,43 80895 0,38 133 Ba 1,006 109 Cd 2700 350 88,2 343 53,98 801 74,14 109 Cd 0,428 57 Co 2700 494 122,1 7531 2,78 7782 5,91 57 Co 0,968 57 Co 2700 556 136,7 779 25,14 755 116,62 57 Co 1,032 133 Ba 2700 1150 276,4 13792 1,47 14881 3,83 133 Ba 0,927 133 Ba 2700 1262 302,8 32276 0,75 31970 5,06 133 Ba 1,010 133 Ba 2700 1488 355,9 94336 0,36 94730 0,92 133 Ba 0,996 133 Ba 2700 1607 383,9 13022 1,27 13386 1,91 133 Ba 0,973 137 Cs 2700 2788 661,7 71578 0,39 71602 0,49 137 Cs 1,000 54 Mn 2700 3523 834,6 4415 2,39 4714 12,37 54 Mn 0,937 60 Co 2700 4963 1173,3 34365 0,56 34447 1,16 60 Co 0,998 22 Na 2700 5393 1274,4 20298 0,72 20288 0,20 22 Na 1,000 60 Co 2700 5640 1332,5 30819 0,57 30750 0,13 60 Co 1,002 Từ việc so sánh, kết quả của chương trình xử lý phổ tự động Gamma Spectrum cho thấy độ sai lệch không đáng kể so với kết quả thu được từ chương trình Genie2K. Tỉ lệ diện tích giữa các kết quả thu được cho thấy chương trình chạy tương tối ổn định. IV. KẾT LUẬN Chương trình xử lý phổ gamma tự động Gamma Spectrum có khả năng thực hiện được một số thao tác cơ bản như: đọc và hiển thị phổ; trừ phông; chuẩn năng lượng và bề rộng đỉnh; tính diện tích đỉnh đã được so sánh với một trong những chương trình xử lý phổ thông dụng nhất hiện nay là Genie2K với độ sai lệch không đánh kể. Chương trình đã cải tiến hơn Genie2K tại bộ môn là gói nhận diện đồng vị phóng xạ nguồn đơn và đa nguồn cho kết quả khá chính xác. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Charles Hacker (2009), “ Radiation decay ”, Version 4.1, FreeWare. [2] Eiji Yoshida (2002), “Application of neural networks for the analysis of gamma-ray spectra measured with a Ge spectrometer”, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, A484, pp. 557–563. [3] IAEA-TECDOC-1011(1998), Intercomparison of gamma ray analysis software packages, IAEA. [4] K. Debertin- R.G. Helmer (1988), Gamma and X – Ray spectrometry with semiconductor detectors, North Holland, Amsterdam. [5] Lê Hông Khiêm (2008), Phân tích số liệu ghi nhận trong phổ bức xạ, NXB Đại học Quốc gia, Hà Nội. [6] Nguyen Trung Tính (2007), Giáo trình xử lý tự động phổ hạt nhân, NXB Đại học Quốc gia, Hà Nội. PROGRAM OF AUTO ANALYSIS OF GAMMA SPECTRUM AND IDENTIFICATION OF RADIOACTIVE ISOTOPES TRINH QUANG VINH Ho Chi Minh National University Office tqvinh@vnuhcm.edu.vn Abstract: Low font spectrometer system HPGe at Nuclear Physics Branch, Physics – Technical Physics Faculty, University of Science, Ho Chi Minh National University; depends too heavily on analysis program of spectrum which is commonly being use today – Genie-2K (software attached low font spectrometer system HPGe). Version of Genie-2K software at the Branch just stops at calculation of peak area, do not identify radioactive isotopes in samples yet. Thus, to build up a gamma spectrum automatically analyzing program is still a research objective of many researchers. The main objective of the report is the first step to build a program processing auto gamma spectrum, includes automatically searching peak, calculating peak area, identifying isotope and practicing comparing with standard samples. Key words: HPGe High Purity Germanium . 133 Ba 133 Ba 137 Cs 54 Mn 60 Co 22 Na 60 Co Kênh 320 350 494 556 1150 1262 1488 1607 2788 3523 4963 5393 5640 Năng lư ợng 81,2 88,2 122, 1 136,7 276,4 302,8 355,9 383,9 661,7 834,6 1173,3 1274,41332,5 FWHM. 122, 1 136,7 276,4 302,8 355,9 383,9 661,7 834,6 1173,3 1274,41332,5 FWHM 0,9915 1,00441,0600 1,0815 1,2472 1,2732 1, 3225 1,3469 1,5528 1,6591 1,8393 1,88781,9149 E = 5,91200 + 0,23 522. K (3) FWHM 0,68887 0,03359 E   (4) Hình 2. Giao diện. 365,2 422 ngày Hoạt độ (Bq) Ngày sản xuất E y  y T 1/2  T 1/2 A 0 T 133 Ba 81,2 32,90 0,30 3848,7 1,2 37000 15/1/08 109 Cd 88,2 3,626 0,020 461,4 1,2 37000 15/1/08 57 Co 122, 1