Luận văn Thạc sĩ Vật lý 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 N n,m và C k,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 Co 57 , Cs 137 , Mn 54 , Na 22 và Co 60 . 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 (Co 57 , Cs 137 , Mn 54 , Na 22 , Co 60 ) 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. [...]... phân tích thông tin c a ngư i x lý thông qua các gi i thu t ho c các chương trình phân tích ph Thông thư ng m t chương trình x lý ph gamma c n ph i th c hi n các thao tác cơ b n sau[4,7]: o Phát hi n các v trí ñ nh trong ph o Ư c lư ng di n tích ñ nh v i sai s ñi kèm o Xác ñ nh năng lư ng gamma ng v i các ñ nh trong ph Trong ñó, vi c phát hi n v trí ñ nh và tính toán di n tích có ý nghĩa r t quan... quanh ñi vào detector ð nh quang ñi n ð nh thoát ñôi ð nh thoát ñơn ð nh Compton Hình 1.9 Ph gamma c a ngu n Am-Be 23 Hình 1.10 Ph gamma lý thuy t Hình 1.11 Các ñ nh ñ c trưng c a ph gamma Các ñ nh ñ c trưng c a ph gamma bao g m : o ð nh quang ñi n : ð nh hình thành do quá trình h p th toàn ph n năng lư ng gamma t i o ð nh tán x n n: các b c x mà ta mu n ghi nh n có th thoát kh i detector và tán x... sinh ra electron position, và s tán x c a lư ng t gamma lên electron t do (tán x Compton) Ta c n quan tâm ñ n xác su t ñ x y ra các quá trình trên vì th ta ñưa vào ti t di n tương tác σ Ti t di n tương tác toàn ph n là t ng ti t di n c a các quá trình Ti t di n toàn ph n vi mô (tính trên 1 nguyên t v t ch t) cho b i: σ = σqd + σC + σp (1.9) 15 Nhân ti t di n vi mô (1.9) v i s nguyên t N có trong 1 cm2... năng lư ng gamma phát ra ñã ñư c bi t trư c Xác ñ nh các ñ nh gamma có trong ph theo th c t Cung c p năng lư ng tương ng v i các ñ nh ñư c xác ñ nh T ñó thi t l p m i quan h gi a năng lư ng gamma và s kênh theo hàm b c nh t ho c b c hai 28 b Chu n b r ng ñ nh Vi c chu n b r ng ñ nh s góp ph n nâng cao tính chính xác c a vi c tính toán di n tích ñ nh cũng như xác ñ nh ñ nh ch p Các ñ nh gamma thư ng... Trong chì, x p x 20% s tương tác là c a tia gamma 1,5 MeV là hi u ng t o c p, và t l là 50% ñ i v i tia gamma có năng lư ng 2 MeV ð i v i cacbon thì các t l tương ng là 2% và 4% Trong kho ng năng lư ng cao, do ti t di n c a hi u ng quang ñi n và Compton gi m ñ n 0, vì v y hi u ng t o c p tr thành cơ ch h p th năng lư ng ch y u e H s h p th tuy n tính: ð ghi b c x gamma và ñ c bi t ñ i v i s suy gi m c a... nhiên có th h n ch s ñóng góp này khi b trí thí nghi m h p lý Ngoài quá trình hu do ngu n phát ra, s ñóng góp photon hu vào ph còn do tia gamma có năng lư ng cao ñ n tương tác v i v t li u che ch n bên ngoài b i hi u ng t o c p o ð nh tán x ngư c: Trong ph gamma còn có th xu t hi n m t ñ nh trong vùng lân c n năng lư ng 0.2 – 0.25 MeV do tia gamma t ngu n tương tác v i v t li u xung quanh b i hi u ng...10 CHƯƠNG 1: SƠ LƯ C V PH GAMMA 1.1 Nguyên lý ghi nh n ph gamma 1.1.1 Tương tác c a b c x v i v t ch t Khi b c x gamma ñi vào môi trư ng, chúng s tương tác v i môi trư ng ñó thông qua 4 lo i tương tác chính sau: o Tán x Rayleigh[12] o Tán x Compton o Hi u ng quang ñi n... c ph n ph n m trong kho ng năng lư ng t E – 2m0c2 ñ n E – m0c2 Các tương tác trên hình thành trên ph b c x các ñ nh ñ c trưng Hình 1.10 trình bày ph gamma lý thuy t ñư c ghi nh n Có hai nhân t ñóng góp vào ph gamma quan sát ñư c làm khác bi t so v i ph lý thuy t, m t là s n r ng t nhiên c a năng lư ng photon và hai là kh năng ghi nh n c a h ño Tuỳ theo cách b trí nh ng v t li u che ch n trong h ño ví... t toán ñ có th làm tăng ñ phân gi i c a ph Phương pháp ñơn gi n nh t ñư c th c hi n theo công th c : yr(i)=y(i)+ky”(i) v i y”(i) là ñ o hàm b c 2 c a y(i) k là h ng s (2.11) 34 Giá tr t i ưu c a k ph thu c vào ñ r ng c a ñ nh, s kênh có trong vùng ñ nh và t s tín hi u/ phông trong vùng ñ nh 2.2.5 Các phương pháp tính di n tích ñ nh a Phương pháp di n tích ñ nh toàn ph n[4] Theo phương pháp này, di. .. 1,34.10−23   ( K E   γ (1.8) ð i v i nh ng v t li u n ng (Z l n ) thì xác su t x y ra hi u ng quang ñi n l n ngay c v i nh ng tia gamma có năng lư ng cao ð i v i nh ng v t li u nh thì hi u ng quang ñi n ch có ý nghĩa v i nh ng tia gamma có năng lư ng th p T s ti t di n c a hi u ng quang ñi n (σ ) (σ ) qd L qd K = các t ng khác nhau ( σqd )M = 1 1 và 5 ( σqd ) 20 K Hi u ng quang ñi n ch y u x y ra . 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. 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. 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