Vật lý Xử lý phổ gamma bằng thuật toán di truyền

1 ðẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ðẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN BÙI QUANG KHÁNH LỜI CẢM ƠN Trong trình thực luận văn này, ñã nhận ñược giúp ñỡ XỬ LÝ PHỔ GAMMA BẰNG THUẬT TOÁN DI TRUYỀN to lớn từ thầy cô, gia ñình bạn bè Tôi muốn gửi lời cảm ơn ñến thầy PGS TS Mai Văn Nhơn ñã giúp ñỡ, hướng dẫn nhiều trình tìm hiểu thực luận văn Tôi muốn cảm ơn cô Trương Thị Hồng Loan thành viên Chuyên ngành: Vật lý Nguyên tử, Hạt nhân Năng lượng cao nhóm NMTP, môn Vật lý Hạt Nhân trường ñại học Khoa học Tự nhiên Thành Mã số: 60-44-05 phố Hồ Chí Minh với ý kiến ñóng góp, ý tưởng thực lời khuyên giúp bổ xung, lý sửa chữa kịp thời Cuối xin cám ơn gia ñình bạn bè khóa ñã ñộng viên, giúp ñỡ LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS MAI VĂN NHƠN THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – NĂM 2009 ñể hoàn thành luận văn MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC DANH MỤC BẢNG DANH MỤC HÌNH VẼ, ðỒ THỊ 3.1.3 3.2 4.1 4.2 CHƯƠNG 1- SƠ LƯỢC VỀ PHỔ GAMMA 10 1.2 1.3 Nguyên lý ghi nhận phổ gamma 10 1.1.1 Tương tác xạ với vật chất 10 1.1.2 Nguyên lý ghi nhận 16 Hệ thống ghi nhận phổ xạ .16 1.2.1 Tổng quan 16 1.2.2 Các thiết bị hệ ño xạ .19 Các ñặc trưng phổ xạ 21 1.3.1 Hình dạng phổ 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 Làm khớp phổ gamma thuật toán di truyền 43 CHƯƠNG 4- CHƯƠNG TRÌNH XỬ LÝ PHỔ GAMMA 46 LỜI MỞ ðẦU .7 1.1 Ưu ñiểm thuật toán di truyền .43 Giới thiệu .46 Các thành phần chương trình 47 4.2.1 Sơ ñồ khối 47 4.2.2 Module ñọc phổ vẽ phổ 48 4.2.3 Module chuẩn lượng bề rộng ñỉnh 49 4.2.4 Module xác ñịnh vị trí ñỉnh tự ñộng 49 4.2.5 Module làm khớp phổ tính thông số 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 ñỉnh chồng chập 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 DANH MỤC BẢNG DANH MỤC HÌNH VẼ, ðỒ THỊ Bảng 2.1 : Hằng số Nn,m Ck,n,m 32 Hình 1.1: Tán xạ Rayleigh 10 Bảng 2.2: Các giá trị ∆ m,n 33 Hình 1.2: Tán xạ Compton 11 Bảng 5.1: So sánh kết xử lý ñỉnh ñơn 57 Hình 1.3: Hiệu ứng quang ñiện 12 Bảng 5.2: Tương quan kênh theo lượng 60 Hình 1.4: Hiệu ứng tạo cặp .14 Bảng 5.3: Tách ñỉnh phổ ADD1N1 61 Hình 1.5 Hệ thiết bị hạt nhân tiêu biểu 16 Bảng 5.4: Tách ñỉnh phổ ADD1N3 61 Hình 1.6 Hệ ñếm ñơn giản .18 Bảng 5.5: Tách ñỉnh phổ ADD3N1 62 Hình 1.7 Hệ thống ñếm trùng phùng 18 Bảng 5.6: Tách ñỉnh phổ ADD1N100 62 Hình 1.8 Hệ ño phổ xạ 19 Bảng 5.7 So sánh kết xử lý GASPA giá trị ban ñầu 65 Hình 1.9 Phổ gamma nguồn Am-Be 22 Hình 1.10 Phổ gamma lý thuyết .23 Hình 1.11 Các ñỉnh ñặc trưng phổ Gamma .23 Hình 3.1 Thuật toán di truyền 39 Hình 3.2 Kỹ thuật lai ñiểm 41 Hình 3.3 Kỹ thuật lai ñiểm 41 Hình 3.4 Kỹ thuật lai cắt nối .42 Hình 4.1 Giao diện chương trình 46 Hình 4.2 Sơ ñồ khối Chương trình Xử lý phổ 47 Hình 4.3 Sơ ñồ khối module ðọc & vẽ phổ 48 Hình 4.4 Sơ ñồ khối module Chuẩn 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 Co60 58 Hình 5.2 Làm khớp nhiều ñỉnh phổ STRAIGHT.ASC .59 LỜI MỞ ðẦU Hình 5.3 ðường chuẩn lượng theo kênh 60 Hình 5.4 Tách ñỉnh chồng chập lượng 352 keV phổ ADD1N1 .62 Hình 5.5 Tách ñỉnh chồng chập lượng 352 keV phổ ADD1N3 63 Hình 5.6 Tách ñỉnh chồng chập lượng 352 keV phổ ADD3N1 63 Hình 5.7 Tách ñỉnh chồng chập lượng 352 keV phổ ADD1N100 64 Hình 5.8 Tách ñỉnh chập ba tự tạo 65 Trong quy trình phân tích ñồng vị phóng xạ dựa việc ño phổ gamma, vấn ñề xử lý tính toán thông số ñỉnh Gamma xuất phổ có vai trò quan trọng, ñịnh thành công quy trình Các thao tác xử lý phổ phần lớn ñều dựa vào phần mềm chuyên dụng chẳng hạn Genie-2K, GammaVision, Sampo, Hypermet, Các phần mềm dựa nhiều thuật toán khác ñều có ưu khuyết ñiểm riêng ðặc biệt việc xử lý phổ có xuất ñỉnh chập phổ mẫu có hoạt ñộ thấp mẫu môi trường có sai biệt lớn kết tính toán phần mềm này[10]; chí phương thức tính toán khác phần mềm (như trường hợp Genie-2K) Do vậy, vấn ñề tìm kiếm chương trình xử lý phổ toàn diện ñang mục tiêu nghiên cứu nhiều nhà khoa học giới ðể thúc ñẩy phát triển phương thức xử lý phổ, IAEA vòng 10 năm qua ñã tổ chức số chương trình kiểm tra lực phần mềm xử lý phổ, ñó lĩnh vực xử lý phổ gamma có hai chương trình kiểm tra: IAEA Gamma-ray Test Spectra (1995) for Low-Level Spectrometry (2002) [11] [13] IAEA Gamma-ray Test Spectra Mục ñích nhằm kiểm tra khả phần mềm xử lý phổ việc tìm kiếm ñỉnh phổ tự ñộng, tính diện tích ñỉnh ñộc lập với tỉ lệ ñỉnh/phông nền, khả phát xử lý ñỉnh chập Ngoài ra, số phương pháp xử lý phổ ñang ñược nghiên cứu giới: kĩ thuật wavelet[18], kĩ thuật Bayes[17], chuỗi Markov[13], thuật toán di truyền [19] neural , cực tiểu hóa entropy [12] [14,15] , mạng , Trong tất kĩ thuật tối ưu hóa nay, thuật toán di truyền thuật toán ñược sử dụng rộng rãi nhất, nhiều lĩnh vực: trí tuệ nhân tạo, thiết kế tự ñộng hóa, chế tạo robot, phân tích thị trường, quản lý mạng liệu, ñược nhiều nhà khoa học giới quan tâm phát triển Ưu ñiểm thuật toán có khả tìm kiếm lời giải vùng không gian tìm kiếm phức tạp, nhiều tham số, loại trừ ñược tối ưu cục ðã có nhiều công trình nghiên cứu xử lý phổ dựa thuật toán bao gồm phổ Mossbauer, cộng hưởng từ hạt nhân, phổ chuỗi nguyên tử, [14] cho kết khả quan, thuật toán di truyền lựa chọn thích hợp cho mục tiêu xây Chương 3: Giới thiệu khái niệm kiến thức thuật toán di truyền; phép di truyền, lai, ñột biến Phương thức áp dụng thuật toán di truyền vào xử lý phổ gamma Chương 4: Xây dựng chương trình xử lý phổ gamma bao gồm dựng chương trình xử lý phổ gamma ñặc biệt với nguồn xạ hoạt ñộ thấp module ñọc phổ, tìm ñỉnh, tính toán diện tích, Các sơ ñồ khối, ñặc ñiểm cách Chương trình xử lý phổ bao gồm nhiều thuật toán ñể xử lý phổ xạ thức hoạt ñộng module xử lý chương trình ñược nêu cụ thể gamma, ñó chủ yếu tập trung vào thuật toán di truyền ñể làm khớp phổ, tách Chương 5: Một số kết tính toán ñược từ chương trình ñối với phổ ñỉnh chồng chập có Phần mềm xử lý phổ ñược xây dựng nguồn ñiểm (Co57, Cs137, Mn54, Na22, Co60) ño ñược từ detector HPGe với Bộ nâng cao tính xác việc ñánh giá hoạt ñộ với hệ phổ kế gamma phông môn Vật lý Hạt nhân, kết ñược so sánh với kết thu ñược từ Genie- thấp ñang có Mà ñiều ñó cần thiết việc ñánh giá mẫu phóng xạ có hoạt 2K ñể kiểm ñịnh tính ñúng ñắn chương trình ðồng thời khả xử lý ñỉnh ñộ tương ñối thấp mẫu môi trường chập chương trình ñược kiểm tra với phổ test IAEA Mục ñích luận văn bước ñầu xây dựng chương trình xử lý phổ gamma tự ñộng dựa việc tối ưu thông số hàm làm khớp phổ thông qua thuật toán di truyền kết hợp với số thuật toán khác Chương trình góp phần nhằm nâng cao tính xác việc ñánh giá hoạt ñộ nguồn, mẫu phóng xạ ñược ño hệ phổ kế gamma phông thấp HPGe bên cạnh chương trình xử lý phổ ñang ñược sử dụng Genie-2K Bộ môn Vật lý Hạt nhân Với mục ñích nêu trên, luận văn bao gồm nội dung sau: Chương 1: Sơ lược phổ gamma hình thành phổ gamma, hệ thống thiết bị thường ñược dùng ñể ghi nhận phổ gamma nguyên lý ghi nhận tín hiệu hệ phổ kế gamma ðồng thời số ñặc trưng quan trọng phổ gamma chẳng hạn dạng ñỉnh, phông ñỉnh ñặc trưng phổ gamma ñược nêu chương Chương 2: Các phương pháp xử lý phổ tự ñộng, bao gồm phương pháp chuẩn lượng, bề rộng ñỉnh, thuật toán tìm ñỉnh, làm trơn, tính toán làm khớp thông số tính toán diện tích ñỉnh 10 CHƯƠNG 1: 11 Lấy tích phân (1.1) ta có tiết diện tán xạ Rayleight toàn phần SƠ LƯỢC VỀ PHỔ GAMMA σR = re 2π ∫ (1 + cos 2θ ) F ( x, z ) d cos θ (1.2) 1.1 Nguyên lý ghi nhận phổ gamma b Tán xạ Compton 1.1.1 Tương tác xạ với vật chất Là tương tác xạ với electron tự ñó xạ truyền Khi xạ gamma ñi vào môi trường, chúng tương tác với môi trường ñó phần lượng cho electron lệch hướng so với ban ñầu thông qua loại tương tác sau: Electron hóa trị o Tán xạ Rayleigh[12] o Tán xạ Compton o Hiệu ứng quang ñiện o Hiệu ứng tạo cặp Electron Compton a Tán xạ Rayleigh Photon tới Góc tán xạ Là trình mà xạ bị tán xạ electron nguyên tử mà không Photon tán xạ gây ion hóa hay kích thích nguyên tử Bức xạ sau tán xạ không bị lượng mà bị lệch pha ðây tán xạ xảy chủ yếu xạ có lượng thấp môi trường có Z lớn Hình 1.2: Tán xạ Compton Tiết diện tán xạ vi phân tán xạ Compton ñược tính Tamn KleinNishina kiểm chứng thực nghiệm: α (1 − cosθ ) dσC + cos θ     1+ = re2    dΩ + cos θ  + α − cos θ  ( ) )    1 + α (1 − cosθ )    ( Photon tán xạ Photon tới với e2 me c2 α= E mec2 θ góc tán xạ Hình 1.1: Tán xạ Rayleigh Từ ñó : Tiết diện vi phân cho công thức sau[12]: dσ R = re (1 + cos 2θ ) F ( x, z ) dΩ re = (1.3) (1.1) 1 + k  2(1 + k) ln(1 + 2k)  ln(1 + 2k) + 3k  σC = 2π r02   − −   + k 2k (1 + 2k)   k  + 2k (1.4) 12 13 Trường hợp ñặc biệt o α E lk : 26   σC = σTh 1 − 2α + α +    (1.5) (σ ) qd K với σTh = o α >> 1: σC = πre2 8π e Tiết diện Thomson m e2 c 11   + ln 2α  α2   13,61  = 1, 09.10−16 Z5   E   γ  7/2 (1.7) Với E γ >> E lk (1.6) (σ ) qd K  Z5  = 1,34.10−23   E   γ (1.8) ðối với vật liệu nặng (Z lớn ) xác suất xảy hiệu ứng quang ñiện c Hiệu ứng Quang ñiện Là trình tương tác mà lượng xạ tới bị electron hấp thụ hoàn toàn bứt khỏi nguyên tử Hiệu ứng quang ñiện xảy lượng xạ tới lớn lượng liên kết electron Hiệu ứng quang ñiện không xảy lớn với tia gamma có lượng cao ðối với vật liệu nhẹ hiệu ứng quang ñiện có ý nghĩa với tia gamma có lượng thấp Tỉ số tiết diện hiệu ứng quang ñiện tầng khác (σ ) (σ ) qd L với electron tự Electron quang ñiện qd K = ( σqd )M = 1 ( σqd ) 20 K Hiệu ứng quang ñiện chủ yếu xảy ñối với xạ có lượng thấp vật chất nặng ( Z lớn) Ngoài ra, hiệu ứng quang ñiện kèm theo việc phát tia X Photon tới ñặc trưng electron Auger Hiệu ứng quang ñiện chế hấp thụ xạ chủ yếu vật chất nặng d Hiệu ứng tạo cặp Là trình tương tác ñó xạ biến trường hạt nhân sinh cặp electron positron truyền toàn lượng cho cặp electronHình 1.3: Hiệu ứng quang ñiện Tiết diện hiệu ứng quang ñiện σqd ∝ Eγ Khi lượng xạ E γ tiến dần ñến lượng liên kết E lk tiết diện quang ñiện tăng theo tỉ lệ σqd ∝ / E Hiệu ứng quang ñiện chủ yếu xảy với electron lớp K Tiết diện phụ thuộc chủ yếu vào lượng xạ ñiện tích hạt nhân môi trường positron nhân giật lùi Quá trình tương tác xảy chủ yếu với xạ có E γ ≥ 1,022 MeV Các electron positron sinh trường ñiện từ hạt nhân nên tác ñộng lực Coulomb: o Positron bay khỏi electron bị hãm lại Do ñó, phổ lượng ño ñược khác với hai loại xạ Sự khác biệt lớn Z môi trường lớn 14 15 o Năng lượng giật lùi hạt nhân ñáng kể trường hợp hai hạt bay Nhân tiết diện vi mô (1.9) với số nguyên tử N có cm2 ta ñược hệ số vuông góc với xạ tới ngược chiều hấp thụ hay hệ số suy giảm tuyến tính, xác suất cm ñể tương tác xảy µ = Nσ = N(σqd + σC + σ p ) (cm-1) Electron (1.10) Chùm gamma song song hẹp truyền qua vật chất có bề dày d giảm theo Photon tới qui luật: I = I0 exp(−µ d) Positron (1.11) I0 : Số lượng tử γ ñến vật chất bề dày d I : Số lượng tử γ có lượng sau lớp vật chất Hệ số hấp thụ mô tả dịch chuyển xạ gamma qua môi trường, Bức xạ hủy phụ thuộc vào tính chất môi trường lượng lượng tử gamma Khi chia hệ số suy giảm tuyến tính cho mật ñộ vật chất ρ (g/cm3), ta có hệ số Hình 1.4: Hiệu ứng tạo cặp suy giảm khối : Xác suất hiệu ứng tạo cặp thay ñổi xấp xỉ tỉ lệ với Z2 tăng ñối với nguyên tố có Z cao chẳng hạn chì hay uranium Trong chì, xấp xỉ 20% số tương tác tia gamma 1,5 MeV hiệu ứng tạo cặp, tỉ lệ 50% ñối với tia gamma có lượng MeV ðối với cacbon tỉ lệ tương ứng 2% 4% Trong khoảng lượng cao, tiết diện hiệu ứng quang ñiện Compton giảm ñến 0, hiệu ứng tạo cặp trở thành chế hấp thụ lượng chủ yếu µ= µ (cm2/g) ρ (1.12) Hệ số suy giảm khối ñại lượng có phần so với hệ số suy giảm tuyến tính áp dụng cho dạng chất hấp thụ: rắn, lỏng, khí Công thức hệ số suy giảm khối ñối với vật liệu hợp chất: µ = ∑ µi w i (1.13) với µi hệ số suy giảm khối nguyên tố thứ i w i trọng số nguyên tố thứ i e Hệ số hấp thụ tuyến tính: ðể ghi xạ gamma ñặc biệt ñối với suy giảm môi Chùm tia gamma ñược ñặc trưng quãng ñường tự trung trường, ba trình sau ñây có ý nghĩa thực : hấp thụ quang ñiện, tạo cặp bình λ , ñược ñịnh nghĩa khoảng cách trung bình vật chất tương trường hạt nhân sinh electron position, tán xạ lượng tử gamma tác Giá trị ñược tính công thức sau: lên electron tự (tán xạ Compton) ∞ ∫ t.exp(−µ t)dt Ta cần quan tâm ñến xác suất ñể xảy trình ta ñưa vào tiết diện tương tác σ Tiết diện tương tác toàn phần tổng tiết diện trình Tiết diện toàn phần vi mô (tính nguyên tử vật chất) cho bởi: σ = σqd + σC + σp λ= t ∫ exp(−µ t)dt (1.9) = µ (1.14) 16 1.1.2 Nguyên lý ghi nhận Chúng ta ghi nhận xạ hạt nhân thông qua tương tác xạ với 17 a Phát ghi nhận số liệu Phần bao gồm detector nơi xạ tương tác với môi trường vật chất vật chất Năng lượng trao ñổi (mất mát) xạ trình tương tác detector qua ñó chuyển hóa lượng tiêu hao xạ thành xung ñiện ñược biến ñổi thành dạng lượng khác phù hợp với trình ghi nhận Các xung ñiện mang thông tin xạ ghi nhận cường ñộ, Thông thường, lượng mát xạ trình tương tác ñược lượng loại xạ Sau ñó, xung ñiện ñược chuyển qua khuếch chuyển thành xung ñiện Các xung mang thông tin ñặc trưng ñại ñể làm tăng biên ñộ xung Tiếp ñến, phận phân tách có nhiệm vụ loại bỏ xạ ñược xử lý thông qua thiết bị ñiện tử hệ thống ghi nhận Cuối xung không phù hợp với mục ñích ghi nhận, xung có biên ñộ nhỏ giá xung ñược biểu diễn dạng số ñếm phổ xạ tùy vào thiết bị trị ngưỡng ñặt trước Ngoài ra, với mục ñích ñặc biệt, phần ghi nhận có lưu trữ hay mục ñích ban ñầu thí nghiệm 1.2 Hệ thống ghi nhận phổ xạ trùng phùng ñối trùng phùng ñể xem xét xung ñiện xuất ñồng thời hay không ñồng thời từ hai hay nhiều kênh ño b Phần lưu trữ liệu 1.2.1 Tổng quan Phần hệ ghi nhận xạ hệ thống bao gồm thiết bị ñiện tử có tác dụng lưu trữ thông số xạ ñược ghi nhận thông qua phần phát ghi nhận Tùy thuộc vào mục ñích thực nghiệm thiết kế hệ ño mà phần máy ñếm , máy ño tốc ñộ ñếm thiết bị phân tích xung hệ thống thiết bị Nếu phần máy phân tích ñộ cao xung chức nối tiếp sau phân thứ máy phân tích phân chia xung theo biên ñộ vào phần khác phân lưu trữ liệu c Hệ ñiều khiển Tầng cuối hệ ghi nhận có chức ñiều khiển toàn thiết Hình 1.5 Hệ thiết bị hạt nhân tiêu biểu[1] Một hệ thống ghi nhận xạ chia làm ba phần bản, tùy thuộc vào yêu cầu mục ñích việc ghi nhận mà hệ có mức ñộ ñơn giản hay bị ghi nhận, biểu diễn số liệu Việc biểu diễn số liệu thông qua thiết bị vẽ ñồ thị, hình biểu diễn hay suất dạng băng từ, file số liệu Hiện nay, thành phần tích hợp vào máy vi tính cá nhân phức tạp khác nhau[1] o Phát xạ chọn lựa số liệu o Lưu trữ số liệu o ðiều khiển d Một vài hệ thống ñiển hình[1] o Hệ thống ñếm xung: ðây hệ thống ñơn giản với mục ñích chủ yếu thống kê số lượng xạ ñược phát giới hạn 18 19 lượng ñặt trước Sơ ñồ khối ñơn giản hệ thống ñược mô xung có quan hệ tuyến tính với lượng xạ Xung ñược xử tả Hình 1.6 lý thông qua máy phân tích ñộ cao xung ( ñơn kênh ña kênh) qua máy ñếm Hệ thiết bị ñược kiểm soát tốc ñộ ñếm cách liên tục nhờ máy ño tốc ñộ ñếm Sơ ñồ khối hệ ñược mô tả Hình Detector (buồng ion hóa Máy phân biệt 1.8 Máy ñếm nhấp nháy Hình 1.6 Hệ ñếm ñơn giản[1] o Hệ ño trùng phùng: Là hệ thống tương ñối phức tạp, ñếm số xung trùng phùng lối từ hai detector ñồng thời tiến hành lấy phổ biên ñộ cách ñộc lập Sơ ñồ khối hệ ñược mô tả Hình 1.7 Detector Khuếch ñại Phân tích biên ñộ Trùng phùng Detector Khuếch ñại Phân tích biên ñộ Máy ñếm xung Máy ñếm xung Máy ñếm xung Ghi nhận Hình 1.8 Hệ ño phổ xạ[1] 1.2.2 Các thiết bị hệ ño xạ ðiều khiển tự ñộng a Detector[1,3] Detector thành phần hệ ghi nhận xạ Chức chúng phát chuyển ñổi lượng xạ Khi xạ ñi vào detector, tương tác với môi trường vật chất detector toàn hay Máy ñếm xung Thì kế phần lượng cho detector Năng lượng hao hụt ñược chuyển ñổi thành xung ñiện lối Một vài loại detector thường dùng là: Hình 1.7 Hệ thống ñếm trùng phùng [1] o Detector nhấp nháy (NaI, Plastic ) o Detector bán dẫn (HPGe, Si(Li) .) o Hệ thống ño phổ xạ: ñây hệ phổ kế ñược sử dụng ñể ño lượng xạ Detector khuếch ñại ñược chọn cho biên ñộ tín hiệu o Detector chứa khí (buồng ion hóa, ống ñếm tỉ lệ, detector Geiger Muller) o Ống ñếm Cerenkov 42 43 khoảng từ ñến F’n Nếu F'k +1 ≥ R ≥ F'k cá thể thứ k ñược lựa chọn Cha mẹ vào quần thể Quá trình lặp lại cho ñến số lượng cá thể ñạt giá trị ñặt trước o Phương pháp cạnh tranh, cá thể ñược xếp theo ñộ thích nghi chúng từ cá thể phù hợp ñến cá thể phù hợp Sau ñó, Con cá thể phía bị loại bỏ giữ lại cá thể phù hợp Hình 3.4 Kỹ thuật lai cắt nối[16] Thông qua việc áp dụng biến ñổi trên, tập hợp có ñộ phù hợp (khả thích nghi) cao ñược tạo Không gian tìm kiếm ñược mở rộng, số o Kỹ thuật lai ñồng ñều: Các nhiễm sắc thể tương ứng cha me ñược hoán ñổi với với xác suất 50% Với kỹ thuật này, số ngẫu nhiên R ñược tạo tương ứng với nhiễm sắc thể Nếu R ≤ 0,5 hai nhiễm sắc thể tương ứng ñược trao ñổi Tiến trình ñược lặp lại với cặp bố-mẹ tương ứng d ðột biến[6] ðột biến tượng cá thể mang số tính trạng không giống với cha lượng lời giải không phù hợp bị loại bỏ lời giải tốt ñược ghi nhận 3.1.3 Ưu , khuyết ñiểm thuật toán di truyền Những ưu ñiểm sử dụng thuật toán di truyền vào xử lý phổ gamma: o Có khả tìm kiếm song song với số chiều không gian lớn o Không bị chi phối nhiều không gian tìm kiếm liệu ban ñầu (khả vượt trội so với thuật toán truyền thống) o Có thể sử dụng với mô hình phi tuyến phức tạp mẹ Quá trình ñột biến có xác suất xảy thấp ñược tiến hành o Loại bỏ ñược tối ưu cục bộ, vài nhiễm sắc thể chuỗi Quá trình ñột biến tiến hành thông qua biến ñổi Tuy nhiên, thuật toán di truyền có số khuyết ñiểm như: ngẫu nhiên nhiễm sắc thể chuỗi nhiễm sắc thể cá thể ñược lựa o Thời gian thực tương ñối lâu chọn o Việc dự ñoán kết gặp khó khăn e Quá trình chọn lọc tự nhiên[6,16] 3.2 Làm khớp phổ gamma thuật toán di truyền Quá trình chọn lọc tự nhiên ñược thực dựa ñánh giá ñộ thích nghi Các phổ gamma thường ñược biểu diễn n ñiểm số liệu (xi,yi) với xi biểu cá thể với môi trường ñây ñộ phù hợp lời giải ñối với diễn kênh thứ i, yi cho biết số ñếm kênh Ta coi số ñếm hàm toán ñặt ðộ thích nghi cá thể ñược tính toán dựa hàm toán số kênh với dạng sau[4] : học ñược gán cho Quá trình chọn lọc thực theo hai phương pháp: chọn ngẫu nhiên cạnh tranh o Phương pháp ngẫu nhiên, ñộ thích nghi cá thể sau ñó ñược cộng dồn lập lại theo thứ tự cá thể Khi ñó thể thứ i có ñộ thích nghi F’i = F1 + F2 + + Fi Tạo số ngẫu nhiên R yi = F ( x i , a1 , ,a m ) với a1 , ,a m tham số chưa biết (3.1) 44 45 Hàm F ñược xét thường phụ thuộc phi tuyến vào tham số[4] Do ñó, Kết cuối trình tập hợp phần tử, phần tử ñể tìm tham số người ta thường sử dụng phương pháp làm khớp nhằm mang mã bao gồm tham số hàm làm khớp F ( x i ,a1 , ,a m ) Phần xác ñịnh cách gần ñúng giá trị tham số ñã nêu tử tốt tập hợp xem lời giải tối ưu cho toán ñặt ban Trong phần này, ta ứng dụng thuật toán di truyền việc tìm kiếm tham số chưa biết hàm làm khớp F Quá trình làm khớp hàm phổ thông qua bước sau Bước 1: Tạo tập hợp (quần thể ) bao gồm n phần tử (cá thể ), phần tử nghiệm toán Mỗi phần tử ñược biểu diễn dạng chuỗi giá trị a1,…,am ( mã di truyền) Mỗi giá trị ñược lấy cách ngẫu nhiên dựa kiện ban ñầu toán (phổ xạ) Khi ñó, tập hợp ban ñầu toán có dạng sau: α j, j=1,n = {a j1 ,a j2 , ,a jm } (3.2) Bước 2: Các phần tử tập hợp lời giải ñược tạo bước ñược ñánh giá thông qua giá trị thích nghi χ ñược tính công thức :  yi − F ( x i , α j )   χ =∑ si2 i =1 2 n (3.3) Bước 3: Áp dụng phép toán lai tạo, ñột biến, chọn lọc tự nhiên ñã ñược nêu mục 3.1.2 với tập hợp ban ñầu Qua ñó, tập hợp lời giải ñược tạo với ñộ thích nghi tốt Trong trình này, lời giải tốt trình trước ñược ghi nhận riêng ñể sử dụng cho tập hợp tiếp sau Bước 4: Kiểm tra ñiều kiện dừng ðiều kiện dừng xác ñịnh dựa vào giá trị thích nghi tập hợp hay dựa vào số lượng tối ña hệ ñược phép Các ñiều kiện ñược xác ñịnh dựa kinh nghiệm ñiều kiện tới hạn toán Nếu ñiều kiện dừng ñược thỏa trình dừng lại Ngược lại, trình ñược lặp lại từ bước với tập hợp lời giải ñược tính toán thông qua bước cho ñến ñiều kiện dừng ñược thỏa mãn ñầu 46 CHƯƠNG 4: 47 Một số module chương trình GASPA: CHƯƠNG TRÌNH XỬ LÝ o Module ðọc vẽ phổ o Module Chuẩn lượng bề rộng ñỉnh PHỔ GAMMA o Module Tìm ñỉnh o Module Làm khớp ñỉnh 4.1 Giới thiệu Trong chương này, xây dựng chương trình xử lý phổ gamma dựa 4.2 Các thành phần chương trình thuật toán di truyền ñã ñược giới thiệu chương kết hợp với vài thuật 4.2.1 Sơ ñồ khối toán xử lý phổ tự ñộng ñã ñược nêu chương Chương trình xử lý phổ gamma (GASPA – Gamma Spectrum Analysis) ñược Sơ ñồ khối chương trình xử lý phổ tự ñộng ñược mô tả Hình 4.2 viết dựa ngôn ngữ lập trình Fortran với giao diện ñược viết C++ Builder Các chức chương trình là: o ðọc file số liệu phổ, vẽ phổ o ðịnh vị ñỉnh diện phổ o Xử lý fit ñỉnh phổ theo phân bố Gauss o Chuẩn ñường cong lượng, hiệu suất Menu ngang Bảng Display Cửa sổ vẽ phổ Bảng ROI Bảng hiển thị kênh, số ñếm, lượng Hình 4.1 Giao diện chương trình Hình 4.2 Sơ ñồ khối chương trình Xử lý phổ thuật toán di truyền 48 4.2.2 Module ðỌC VÀ VẼ PHỔ Chương trình tương thích với tập tin phổ nhiều chương trình 49 4.2.3 Module CHUẨN NĂNG LƯỢNG VÀ BỀ RỘNG ðỈNH Module nhằm chuẩn tương quan lượng theo kênh, từ ñó dễ dàng xác thông dụng (vd: *.spe MCA, *.tka Genie2K, ) chương trình ñược ñịnh ñược lượng tia gamma phát ðồng thời chuẩn bề rộng ñỉnh theo thiết lập mặc ñịnh ñọc số liệu tập tin có chứa số ñếm Tuy nhiên lượng giúp cho việc phát ñỉnh chập dễ dàng Sơ ñồ khối tập tin có chứa số kênh ghi nhận (ñược ghi trước số ñếm) cần phải chuyển module ñược mô tả Hình 4.4 ñổi sang tập tin chứa số ñếm Sơ ñồ khối module ñược mô tả Hình 4.3 Hình 4.4 Sơ ñồ khối module Chuẩn lượng & bề rộng ñỉnh Hình 4.3 Sơ ñồ khối module ðọc & vẽ phổ 4.2.4 Module TÌM ðỈNH Mục ñích module nhằm xác ñịnh vị trí ñỉnh quang ñiện vùng quan tâm ñược chọn (ROI) Phương pháp sử dụng ñể tìm ñỉnh phương pháp sử dụng ñạo hàm bậc Sơ ñồ khối ñược vẽ Hình 4.5 50 51 A exp ( x i -x ) / τ  , yiT = YT ( x i ) =  T 0, ≤ xi < x0 xi > x0 (4.2) Khi ñó vùng phổ quan tâm xấp xỉ tổng hàm Gauss ñộ lệch (nếu có), hàm mô tả ñỉnh có vùng phổ yi = F ( x i , A j , X j , σ j ) = sodinh ∑ G ( x ) + BG j (4.3a) i j=1 yi = F ( x i , A j , X j , σ j , A Tj , τ ) = sodinh ∑ G ( x ) + Y ( x ) + BG i T i (4.3b) i =1 Sơ ñồ khối chương trình ñược mô tả hình 4.6 bao gồm module nhỏ: o Module Xây dựng tập hợp ban ñầu o Module ðánh giá o Module Lai tạo o Module ðột biến o Module Chọn lọc tự nhiên Hình 4.5 Sơ ñồ khối module Tìm ñỉnh 4.2.5 Module LÀM KHỚP ðỈNH Mục ñích khối làm khớp phổ tính toán tham số hàm xấp xỉ từ số liệu thu nhận ban ñầu, từ ñó cung cấp thông số ñỉnh hấp thụ lượng quan tâm Phương pháp sử dụng ñể tính toán thuật toán di truyền Mỗi ñỉnh quang ñiện j xấp xỉ hàm phân bố Gauss ñược cho công thức sau [15] yij = G ( x i ) = A j exp - ( x i − X j ) / 2.σ 2j    (4.1) Ngoài ra, số ñỉnh quang ñiện ñôi không ñối xứng Tính ñến bất ñối xứng ta ñưa vào hàm (4.2) ñể mô tả lệch này[15] Hình 4.6 Sơ ñồ khối module Làm khớp ñỉnh 52 Sơ ñồ khối module Xây dựng tập hợp ban ñầu ñược mô tả Hình 4.7 53 Việc khởi tạo tập hợp nghiệm ban ñầu ñược thực thông qua ba bước: Bước 1: Thu nhận liệu ban ñầu phổ xạ, số ñỉnh có phổ, lượng ñỉnh E0, vùng phổ quan tâm ROI Bước : Xác ñịnh ñộ dài số liệu phần tử lời giải Trong trường hợp này, ñộ dài số liệu ba lần số ñỉnh có phổ Mỗi số liệu ñó có dạng ( A1 , X10 , σ1 , , A sodinh , X sodinh , σsodinh ) với ( A, X ,σ ) cho biết tham số ñỉnh tương ứng phổ Bước 3: Khởi tạo giá trị ban ñầu cách lấy ngẫu nhiên[15] o Vị trí ñỉnh X0 ñược lấy ngẫu nhiên khoảng ñến kênh bao quanh giá trị ñược tính toán thông qua E0 o Biên ñộ ñỉnh A ñược lấy ngẫu nhiên khoảng từ ñến 1,5 lần số ñếm kênh X0 o Bề rộng σ ñược lấy ngẫu nhiên khoảng từ 0,5 ñến kênh với phổ ghi nhận ñầu dò HpGe Hoặc từ ñến 10 kênh với ñầu dò NaI o Nếu tính ñến ñộ lệch ñỉnh ta lấy thêm hai tham số cách lấy ngẫu nhiên hai số tự nhiên a1 a2 khoảng (0,1) Khi ñó A Tj = a1.A j σ j = a τ Bước : Lặp lại bước cho số liệu ñến tạo ñủ số lượng phần tử tập hợp lời giải ñược xác ñịnh ban ñầu dừng lại Tập hợp phần tử ñược xây dựng module Xây dựng tập hợp ban ñầu ñược chuyển qua module ðánh giá, phần tử ñược tính toán ñộ phù hợp tương ứng công thức (3.3) sau ñó xếp theo thứ tự phần tử phù hợp cho ñến phần tử tương thích Sơ ñồ khối trình ðánh giá ñược mô tả qua Hình 4.8 Hình 4.7 Sơ ñồ khối module Xây dựng tập hợp ban ñầu 54 55 Bước 1: ðối với phần tử tập hợp, số r1 ñược lấy ngẫu nhiên khoảng (0,1) Nếu r1 nhỏ xác suất lai tạo R phần tử ñó ñược chọn ñể tiến hành lai tạo Bước 2: ðối với cặp cha – mẹ, số nguyên r2 ñược lấy ngẫu nhiên khoảng (0, ñộ dài số liệu) Bước 3: Các số liệu cha – mẹ ñược trao ñổi chéo với từ ñầu chuỗi ñến vị trí r2 Khi ñó, hai phần tử ñược tạo thành Bước 4: Các phần tử tạo thành ñược ghi nhận Tập hợp bao gồm tất phần tử ñược tạo ñược sử dụng làm liệu cho bước tính toán trình Module ðột biến thực thi thuật toán ñột biến lên tập hợp Quá trình Hình 4.8 Sơ ñồ khối module ðánh giá ñược mô tả hình 4.10 Tiếp theo, module Lai tạo nhận liệu ñã ñược xử lý tiến hành thuật toán lai tạo Quá trình tiến hành theo bước ñược mô tả sơ ñồ khối Hình 4.9 Bắt ñầu Dữ liệu ñầu vào ( phần tử bao gồm bố-mẹ-con) Chọn ngẫu nhiên phần tử bị ñột biến Chọn ngẫu nhiên vị trí bị ñột biến Biến ñổi tương ứng số liệu bị ñột biến Thay phần tử ñột biến Kết thúc Hình 4.9 Sơ ñồ khối module Lai tạo Hình 4.10 Sơ ñồ khối module ðột biến 56 57 Với số liệu phần tử, số r3 ñược lấy ngẫu nhiên CHƯƠNG 5: khoảng (0,1) Nếu r3 nhỏ xác suất gây ñột biến phần tử bị biến ñổi tương ứng giống bước module khởi tạo KẾT QUẢ VÀ NHẬN XÉT ðể kiểm ñịnh tính ñúng ñắn chương trình, ñã so sánh với Module Chọn lọc tự nhiên chọn lựa n phần tử thích hợp ñể tiếp tục chương trình xử lý phổ thông dụng chương trình trình Các phần tử ñược tạo thành thông qua module Lai tạo, ðột biến ñược ñánh Genie2K Các phổ ñược dùng ñể so sánh phổ nguồn Co57, Cs137, Mn54, giá lần module ðánh giá sau ñó n phần tử thích hợp ñược Na22 Co60 ño ñược mượn từ Viện Nghiên cứu Hạt nhân ðà Lạt chọn Hình 4.11 mô tả sơ ñồ khối trình chọn lọc tự nhiên ñược ño hệ phổ kết HPGe Bộ môn Vật lý Hạt nhân ðối với việc tách ñỉnh, Bắt ñầu phổ sử dụng ADD1N1, ADD1N3, ADD3N1, ADD1N100 phổ STRAIGHT ñược lấy từ trang web IAEA Dữ liệu ñầu vào (tập hợp sau gây ñột biến) Chương trình ñược thực thi với kích cỡ tập hợp 100 phần tử, xác suất lai tạo 0.6, xác suất ñột biến 0.1 Số lần lặp tối ña ñối với việc làm khớp ñỉnh ñơn 500 lần với việc tách ñỉnh 1000 lần ðánh giá Chọn n phần tử cho tập hợp dựa vào ñộ thích nghi Kết thúc Hình 4.11 Sơ ñồ khối module Chọn lọc tự nhiên 5.1 Làm khớp ñỉnh ñơn Các kết tính diện tích ñỉnh hai chương trình ñược cho Bảng 5.1 Kết làm khớp ñược biểu diễn Hình 4.2 cho ñỉnh Na22, Co57, Cs137, Mn54 Co60 chương trình GASPA Bảng 5.1: So sánh kết xử lý từ chương trình nhóm tác giả Genie2K ðồng vị Cuối chương trình kiểm tra ñiều kiện dừng ðiều kiện dừng bao gồm việc ñánh giá dựa tổng ñộ thích nghi số lần lặp trình[4,15] o ðối với ñộ thích nghi tổng ñộ thích nghi qua bốn lần lặp liên tiếp không sai biệt 1% ñược chấp nhận o ðối với số lần lặp lại tùy vào người sử dụng thiết lập thông số Cuối cùng, phần tử thích nghi tập hợp cuối ñược sử dụng ñể ñưa vào hàm fit ñã cho (4.3a) (4.3b) GASPA E (keV) VT ñỉnh σ Genie2K Diện tích VT ñỉnh σ Tỉ lệ hai Diện tích diện tích Co57 122 493,0 1,43 28984 493 1,36 29113 0,995 137 662 2777,4 2,19 62085 2777 2,21 62252 0,997 Mn54 834 3510,9 2,46 24038 3511 2,32 24166 0,995 Cs Na 22 511 2139,3 4,67 56079 2139 4,32 56771 0,988 Na22 1274 5373,2 2,98 15045 5373 2,84 15105 0,996 60 1173 4943,8 2,90 30691 4944 2,74 30734 0,999 Co60 1332 5618,2 3,09 27437 5618 3,00 27528 0,997 Co 58 59 Từ việc so sánh, kết chương trình xử lý phổ GASPA cho thấy ñộ sai lệch không ñáng kể so với kết thu ñược từ chương trình Genie2K Tỉ lệ diện không lớn Tuy nhiên, thời gian thực thi chương trình lâu trường hợp số ñỉnh lớn vùng ROI rộng tích kết thu ñược cho thấy chương trình chạy tương tối ổn ñịnh ñối với 18000 ñỉnh ñơn có số ñếm thông kê tương ñối 122 keV 9000 16000 662 keV 12000 8000 Số ñếm 10000 Số ñếm 7000 6000 14000 8000 5000 S ố ñếm 12000 6000 4000 4000 3000 10000 2000 2000 1000 Kênh 480 485 490 495 500 505 2765 2770 2500 834 keV 4500 2760 510 Kênh 2775 2780 2785 2790 2795 8000 6000 1274 keV 4000 2000 4000 Số ñếm Số ñếm 3500 3000 1500 2000 2500 2000 1000 1500 1000 170 500 500 5355 Kênh 3490 3495 3500 3505 3510 3515 3520 3525 3530 1173 keV Kênh 180 190 200 210 220 230 Kênh 5360 5365 5370 5375 5380 5385 5390 Hình 5.2 Làm khớp nhiều ñỉnh phổ STRAIGHT.ASC Số liệu thực nghiệm 1332 keV 4000 4500 (chấm ñiểm) ñường làm khớp (ñường liền nét) 3500 Số ñếm Số ñếm 4000 3500 3000 2500 3000 2500 5.3 Tách ñỉnh chồng chập phổ test IAEA 2000 2000 1500 1500 Tiếp theo, sử dụng thuật toán di truyền ñể tách ñỉnh chồng 1000 1000 500 500 4925 Kênh 4930 4935 4940 4945 4950 4955 4960 4965 5595 Kênh 5600 5605 5610 5615 5620 5625 5630 5635 5640 Hình 5.1 Số liệu thực nghiệm (chấm ñiểm) ñường làm khớp (ñường liền nét) ñỉnh phổ Co57, Cs137, Mn54, Na22 Co60 5.2 Làm khớp nhiều ñỉnh Phổ Ra226 IAEA (tên phổ STRAIGHT.ASC) ño hệ phổ kế gamma HPGe 8192 kênh ñược sử dụng ñể test khả làm khớp lúc nhiều ñỉnh chương trình GASPA Kết ñược trình bày Hình 5.2 Kết theo nhận xét cảm quan tương ñối tốt, biên ñộ vị trí ñỉnh lệch so với phổ gốc chập phổ kiểm tra IAEA Phổ ñược sử dụng ñây phổ tổng phổ Ra226 ñược ño detector 8192 kênh, vị trí ñỉnh hai phổ ñược dịch cách kênh Các phổ ñược sử dụng luận văn là: o CALIB.ASC: phổ ñể chuẩn lượng theo kênh o ADD1N1.ASC: tổng hai phổ Ra226 với thời gian ño 2000s, phổ thứ bị dịch bên phải kênh o ADD1N3.ASC: tổng hai phổ Ra226 với thời gian ño 667s 2000s, phổ thứ bị dịch bên trái kênh 60 61 o ADD3N1.ASC: tổng hai phổ Ra226 với thời gian ño 2000s 667s, phổ thứ bị dịch bên phải kênh phổ ñược cho (4.3a) (4.3b) Phông ñược tính theo dạng tuyến tính Khi ñó o ADD1N100.ASC: tổng hai phổ Ra226 với thời gian ño 20s 2000s, phổ thứ bị dịch bên trái kênh Các thông số chuẩn thu ñược từ phổ CALIB.ASC ñược nêu Bảng 5.2 Làm khớp Kết ñược cho công thức (5.1) ñồ thị Hình 5.3 E = 0.3966* Kênh + 2.9057 Bảng 5.2: Tương quan kênh theo lượng thu ñược từ CALIB.ASC 1281 511.0 1661 661.66 Các liệu ñược nhập bao gồm, ROI, số ñỉnh cho vùng ROI Năng module Tìm ñỉnh Kết việc làm khớp tách ñỉnh ñược cho Bảng 5.3, Bảng 5.4, Bảng 5.5 Bảng 5.6 với thông số ñỉnh thành phần Năng lượng (keV) 122.06 tích, bề rộng σ lượng hay vị trí ñỉnh ñược lấy từ thư viện tự tạo người dùng (5.1) 301 ñỉnh ñược xấp xỉ hàm Gauss với số liệu thu ñược từ trình làm khớp Thông qua trình ñó, ta thu ñược thông số vị trí, diện Từ số liệu bảng 5.2, ta làm khớp ñường chuẩn lượng theo kênh module Kênh Việc tách ñỉnh ñược thực thông qua module Làm khớp ñỉnh với dạng Bảng 5.3: Vị trí diện tích ñỉnh tách phổ ADD1N1.ASC (Tỉ lệ thời gian ño 1.00) 2097 834.84 Năng lượng 2951 1173.24 (keV) Vị trí Diện tích Vị trí Diện tích 3207 1274.54 352 879.46 99572.72 882.41 99882.66 0.997 3353 1332.5 ðỉnh ðỉnh Tỉ lệ diện tích 609 1528.41 75178.29 1531.37 70808.55 1.062 1120 2817.53 13851.16 2820.63 13552.52 1.022 1765 4443.84 1.059 1400 9655.19 4447.16 9119.93 1200 E (keV ) 1000 Bảng 5.4: Vị trí diện tích ñỉnh tách phổ ADD1N3.ASC 800 (Tỉ lệ thời gian ño 0.334) 600 Năng lượng 400 (keV) Vị trí Diện tích Vị trí Diện tích 200 352 876.43 32273.92 879.46 101214.30 0.319 Kênh 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 Hình 5.3 ðường chuẩn lượng theo kênh ñược chuẩn từ CALIB.ASC ðỉnh ðỉnh Tỉ lệ diện tích 609 1525.35 24838.06 1528.44 71769.03 0.346 1120 2814.38 4391.25 2817.65 13433.92 0.327 1765 4440.65 2946.48 4444.14 9317.82 0.316 62 63 Bảng 5.5: Vị trí diện tích ñỉnh tách phổ ADD3N1.ASC 40000 (Tỉ lệ thời gian ño 3.00) 35000 Năng lượng ðỉnh ðỉnh Tỉ lệ diện tích 30000 (keV) Vị trí Diện tích Vị trí Diện tích 352 879.44 98894.38 882.44 32184.54 3.073 609 1528.41 72206.08 1531.36 23409.12 3.085 1120 2817.49 13887.14 2820.10 4603.55 3.017 15000 1765 4443.98 2928.93 3.203 10000 9382.26 4446.73 Số ñếm 25000 20000 Bảng 5.6: Vị trí diện tích ñỉnh tách phổ ADD1N100.ASC 5000 (Tỉ lệ thời gian ño 0.01) Năng lượng ðỉnh ðỉnh 873 Tỉ lệ diện tích Kênh 875 877 879 881 883 Hình 5.5 Tách ñỉnh chồng chập vị trí 352 keV phổ ADD1N3.ASC: (keV) Vị trí Diện tích Vị trí Diện tích 352 876.10 873.92 879.46 98133.37 0.009 ñỉnh thực nghiệm (ñường gạch ñứt quãng) hai ñỉnh ñược tách (ñường liền nét) 609 1525.00 852.16 1528.43 72661.27 0.012 1120 2812.87 188.80 2817.61 14047.74 0.013 35000 1765 4440.61 128.46 4444.22 0.014 30000 9078.81 40000 Số ñếm 25000 35000 20000 30000 15000 20000 10000 S ố ñếm 25000 15000 5000 10000 876 5000 876 Kênh 878 880 882 884 886 Hình 5.4 Tách ñỉnh chồng chập vị trí 352 keV phổ ADD1N1.ASC: ñỉnh thực nghiệm (ñường gạch ñứt quãng) hai ñỉnh ñược tách (ñường liền nét) Kênh 878 880 882 884 886 Hình 5.6 Tách ñỉnh chồng chập vị trí 352 keV phổ ADD3N1.ASC: ñỉnh thực nghiệm (ñường gạch ñứt quãng) hai ñỉnh ñược tách (ñường liền nét) 64 350 30000 300 25000 250 Số ñếm 20000 25000 20000 Số ñếm 400 35000 Số ñếm 40000 65 200 15000 150 10000 100 5000 50 15000 10000 873 Kênh 875 877 879 881 883 873 Kênh 875 877 879 881 883 Hình 5.7 Tách ñỉnh chồng chập vị trí 352 keV phổ ADD1N100.ASC: ñỉnh thực nghiệm (ñường gạch ñứt quãng) hai ñỉnh ñược tách (ñường liền nét) 5000 Kênh 4930 4935 4940 4945 4950 4955 4960 Hình 5.8 Tách ñỉnh chập ba tự tạo: ñỉnh chập ñược tạo (ñường gạch ñứt quãng) So sánh với tỉ lệ thời gian ño hai ñỉnh có ñược từ IAEA cho thấy sai ñỉnh ñược tách (ñường liền nét) biệt việc tách ñỉnh không 5%, ñủ tin cậy ñể áp dụng cho tính toán diện tích ñỉnh thành phần ñỉnh chập trường hợp có thống kê tương ñối tốt Bảng 5.7 So sánh kết xử lý GASPA giá trị ban ñầu Tuy nhiên, chương trình gặp khó khăn với ñỉnh có ñộ chồng chập lớn việc trừ phông ảnh hưởng không nhỏ ñến trình làm khớp Ban ñầu GASPA Tỉ lệ số ñếm Năng lượng Số ñếm ñỉnh Năng lượng Số ñếm ñỉnh phân tích ðối với ñỉnh thành phần có số ñếm nhỏ hay vùng có 1173.0 10000 1172.99 10152.39 1.02 thăng giáng thống kê lớn việc làm khớp cho kết không ñược tốt dạng 1173.75 5000 1173.80 5853.69 1.17 toán học phổ ñược sử dụng không phù hợp, thăng giáng thống kê ảnh hưởng 1174.5 20000 1174.52 19589.62 0.98 phông ðiều ñược thể rõ qua việc tách ñỉnh phổ ADD1N100 (có tỉ lệ diện tích ñỉnh theo lý thuyết chênh 100 lần) 5.4 Tách ñỉnh chập ba Một phổ chồng chập ba ñỉnh ñược tạo cách sử dụng phổ Co60 thực nghiệm ñược dịch chuyển ñi số kênh ñã ñịnh trước nhân với hệ số khác ñể thu ñược ñỉnh có chiều cao thay ñổi Kết xử lý phổ chập ba ñược trình bày Hình 5.8 Bảng 5.7 So với số liệu ban ñầu việc tách phổ khả quan, chương trình cho nhìn tương ñối vị trí ñỉnh, tỉ lệ biên ñộ bề rộng ñỉnh ñỉnh 66 KẾT LUẬN 67 Việc xử lý ñỉnh, tách ñỉnh phụ phuộc nhiều vào trình trừ phông Mô hình phông ñược sử dụng ñây phông tuyến tính nên phụ thuộc nhiều vào việc chọn biên trái phải vùng quan tâm (ROI), dạng phông Với việc áp dụng thuật toán di truyền, luận văn ñã bước ñầu xây dựng ñược chương trình xử lý phổ gamma (GASPA) có khả thực ñược số thao tác như: ñọc vẽ phổ, chuẩn lượng theo kênh, chuẩn bề rộng chưa phù hợp với phông thực tế phổ Chưa xây dựng ñược chương trình xử lý phổ hoàn toàn tự ñộng, phụ thuộc phần vào người dùng số công ñoạn xử lý ñỉnh theo lượng, dò tìm ñỉnh theo phương pháp ñạo hàm bậc nhất, bậc hai, Cho dù nhiều khó khăn ñể xây dựng ñược phần mềm xử lý ñặc biệt khả tính toán thông số ñỉnh thuật toán di truyền Các phổ hoàn hảo hi vọng ñược thực luận văn góp thông số thu ñược từ GASPA ñã ñược so sánh với chương trình xử phần nâng cao kiến thức xử lý phổ tìm hiểu sâu hướng phát lý phổ thông dụng Genie-2K, kết thu ñược cho thấy việc sử triển khả xử lý phổ tự ñộng dụng chương trình vào trình xử lý tính toán thông số ñỉnh hoàn toàn Một thành công luận văn ñã tiến hành xử lý tách ñược ñỉnh chập phổ test IAEA (ADD1N1, ADD1N3, ADD3N1, ADD1N100), tỉ lệ diện tích ñỉnh tách ñược so sánh với tỉ lệ ño ñỉnh phổ chập, kết cho thấy ñỉnh ñược tách với sai số tương ñối chấp nhận ñược ðây tiêu chí ñược quan tâm tất kiểm tra lực phần mềm xử lý phổ IAEA tổ chức Không có khả xử lý ñỉnh ñơn, chương trình GASPA ñược xây dựng ñể xử lý khoảng gồm nhiều ñỉnh phổ, kết làm khớp phù hợp với dạng phổ ño ñược Chương trình chạy ổn ñịnh, kết thu ñược không phụ thuộc nhiều vào giá trị khởi tạo ban ñầu Qua thu ñược cho thấy việc áp dụng thuật toán di truyền cho việc làm khớp phổ gamma hợp lý Kết thu ñược từ chương trình tương ñối tốt Tuy nhiên chương trình tồn số khuyết ñiểm sau: ðối với ñỉnh có số ñếm nhỏ hay vùng phổ có thăng giáng thống kê lớn việc làm khớp không xác ðiều hạn chế mặt lập trình mô hình toán học ñược sử dụng chưa phản ánh xác thực tế phổ gamma 68 KIẾN NGHỊ Một số hướng phát triển việc ứng dụng thuật toán di truyền xử lý phổ tương lai: o Cải tiến GASPA thành chương trình xử lý phổ hoàn toàn tự ñộng, không cần can thiệp người dùng o Áp dụng cho mô hình toán học ñỉnh phổ khác, phù hợp hơn, mô hình mô tả xác phần ñuôi phổ, phông o Ứng dụng việc làm khớp ñối với phổ hỗn hợp gồm tia X tia gamma o Trong tương lai, cần bổ sung thêm ñiều kiện ñể làm khớp phông ñạt ñược kết xác nhất, làm sở cho việc phân tích mẫu phóng xạ có hoạt ñộ thấp 69 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH o Bùi Quang Khánh, ðặng Nguyên Phương, Mai Văn Nhơn, Trương Thị Hồng Loan (2008), Áp dụng thuật toán di truyền vào xử lý phổ gamma, Hội nghị Khoa học lần 6, Trường ðHKHTN TP.Hồ Chí Minh 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Nguyễn ðình Gẫm (2003), Giáo trình Phương pháp ghi xạ hạt nhân, Khoa Vật lý hạt nhân, Tp Hồ Chí Minh [2] Võ Văn Hoàng (2007), Ngôn ngữ lập trình Fortran, NXB Giáo dục [3] Ngô Quang Huy (2006), Cơ sở Vật lý hạt nhân, NXB Khoa học Kỹ thuật, Tp Hồ Chí Minh [4] Lê Hồng Khiêm (2008), Phân tích số liệu ghi nhận phổ xạ, NXB ðại học Quốc Gia, Hà Nội [5] Mai Văn Nhơn (2001), Vật lý hạt nhân ñại cương, NXB ðại học Quốc Gia, Tp Hồ Chí Minh [6] Nguyễn ðình Thúc (2001), Trí tuệ nhân tạo: Lập trình tiến hóa, NXB Giáo dục [7] Nguyễn Trung Tính (2007), Giáo trình xử lý tự ñộng phổ hạt nhân, NXB ðại học Quốc Gia, Hà Nội 71 [12] K Debertin- R.G Helmer (1988), Gamma and X – Ray spectrometry with semiconductor detectors, North Holland, Amsterdam [13] IAEA-TECDOC-1011(1998), Intercomparison of gamma ray analysis software packages, IAEA [14] I.E Golovkin (2002), “Analysis of X-ray spectral data with genetic algorithms”, Journal of Quantitative Spectroscopy& Radiative Transfer, 75, pp.625–636 [15] M.Garcia - Talavera – B.Ulicny (2003), “A genetic algorithm approach for multiplet deconvolution in gamma -ray spectra”, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, A 512, pp 585-594 [16] John Holland (1975), Adaptation in Natural and Artificial Systems, University of Michigan Press, Ann Arbor, Michigan [17] S Gulam Razul (2003), “Bayesian model selection and parameter estimation of nuclear emission spectra using RJMCMC”, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, A497,pp 492-510 [18] Clair J Sullivan (2007), “Generation of customized wavelets for the analysis of g-ray spectra”, Nuclear Instruments and Methods in Physics Tiếng Anh [8] Dirk Arnold (2005), “The 2002 IAEA intercomparison of software for low-level γ-ray spectrometry”, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research , A536, pp 196-210 [9] M Los Arcos & Jo (1996), Gamma-ray spectra deconvolution by maximum-entropy methods, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, A 369, pp.634-636 [10] M Blaauw (1997),“The 1995 IAEA intercomparison of gamma-ray spectrum analysis software”, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, A387,pp 410-415 [11] Lance Chambers (2000), The practical handbook of Genetic algorithms, Chapman&Hall/CRC, New York Research, A579,pp 275-278 [19] 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 [...]... bài toán cụ thể Việc ñánh giá này sẽ dựa trên việc biểu LÀM KHỚP PHỔ BẰNG di n di truyền của các ñối tượng quan tâm Những cá thể tốt nhất sẽ ñược giữ lại THUẬT TOÁN DI TRUYỀN cho các thế hệ tiếp theo Bên cạnh ñó, các phép toán di truyền cũng ñược áp dụng CHƯƠNG 3: 3.1 Thuật toán di truyền 3.1.1 Khái niệm[6] Thuật toán di truyền ñược ñưa ra lần ñầu bởi TS John Holland vào ñầu những năm 1970 Thuật toán. .. chương này, chúng tôi xây dựng chương trình xử lý phổ gamma dựa 4.2 Các thành phần của chương trình trên thuật toán di truyền ñã ñược giới thiệu ở chương 3 kết hợp với một vài thuật 4.2.1 Sơ ñồ khối chính toán xử lý phổ tự ñộng ñã ñược nêu trong chương 2 Chương trình xử lý phổ gamma (GASPA – Gamma Spectrum Analysis) ñược Sơ ñồ khối của chương trình xử lý phổ tự ñộng ñược mô tả trong Hình 4.2 viết dựa... loại bỏ Mỗi thuật toán di truyền khi giải một bài toán bao gồm 5 thành phần sau: o Cách biểu di n di truyền o Cách khởi tạo quần thể ban ñầu o Một tiêu chuẩn ñánh giá hay ñộ phù hợp của mỗi cá thể trong quần thể o Các phép toán di truyền o Các tham số khác như : kích thước quần thể, xác suất xảy ra của các phép toán di truyền ,… Hình 3.1 Nguyên lý hoạt ñộng của Thuật toán di truyền[ 6] a Biểu di n[6] Nền... bỏ và các lời giải tốt hơn sẽ ñược ghi nhận 3.1.3 Ưu , khuyết ñiểm của thuật toán di truyền Những ưu ñiểm khi sử dụng thuật toán di truyền vào xử lý phổ gamma: o Có khả năng tìm kiếm song song với số chiều không gian lớn o Không bị chi phối nhiều bởi không gian tìm kiếm và dữ liệu ban ñầu (khả năng vượt trội so với các thuật toán truyền thống) o Có thể sử dụng với các mô hình phi tuyến phức tạp mẹ Quá... người xử lý thông qua các giải thuật hoặc các chương trình phân tích phổ o ðọc phổ ño, thực hiện các bước xử lý sơ bộ như trừ phông nền, khử nhiễu, làm trơn, Thông thường một chương trình xử lý phổ gamma cần phải thực hiện các thao tác cơ bản sau [4,7] : o Xác ñịnh các ñỉnh có trong phổ, các thông số của ñỉnh và các số liệu có thể rút ra ñược từ việc xử lý ñỉnh o Phát hiện các vị trí ñỉnh trong phổ. .. áp dụng thuật toán di truyền, luận văn ñã bước ñầu xây dựng ñược một chương trình xử lý phổ gamma (GASPA) có khả năng thực hiện ñược một số thao tác cơ bản như: ñọc và vẽ phổ, chuẩn năng lượng theo kênh, chuẩn bề rộng cũng chưa phù hợp với phông nền thực tế của phổ Chưa xây dựng ñược một chương trình xử lý phổ hoàn toàn tự ñộng, vẫn còn phụ thuộc một phần vào người dùng ở một số công ñoạn xử lý ñỉnh... khăn ñể có thể xây dựng ñược một phần mềm xử lý ñặc biệt là khả năng tính toán các thông số của ñỉnh bằng thuật toán di truyền Các phổ hoàn hảo nhưng hi vọng những gì ñược thực hiện trong luận văn này sẽ góp thông số thu ñược từ GASPA ñã ñược so sánh với một trong những chương trình xử phần nâng cao kiến thức về xử lý phổ cũng như tìm hiểu sâu về một hướng phát lý phổ thông dụng nhất hiện nay là Genie-2K,... phát triển của việc ứng dụng thuật toán di truyền trong xử lý phổ tương lai: o Cải tiến GASPA thành một chương trình xử lý phổ hoàn toàn tự ñộng, không cần sự can thiệp của người dùng o Áp dụng cho các mô hình toán học của ñỉnh phổ khác, phù hợp hơn, các mô hình mô tả chính xác hơn phần ñuôi của phổ, phông nền o Ứng dụng việc làm khớp ñối với phổ hỗn hợp gồm tia X và tia gamma o Trong tương lai, cần... giao di n ñược viết bằng C++ Builder Các chức năng chính của chương trình này là: o ðọc file số liệu phổ, vẽ phổ o ðịnh vị các ñỉnh hiện di n trong phổ o Xử lý và fit ñỉnh phổ theo phân bố Gauss o Chuẩn ñường cong năng lượng, hiệu suất Menu ngang Bảng Display Cửa sổ vẽ phổ Bảng ROI Bảng hiển thị kênh, số ñếm, năng lượng Hình 4.1 Giao di n chính của chương trình Hình 4.2 Sơ ñồ khối của chương trình Xử lý. .. các phần mềm xử lý phổ do IAEA tổ chức Không chỉ có khả năng xử lý các ñỉnh ñơn, chương trình GASPA cũng ñược xây dựng ñể có thể xử lý một khoảng gồm nhiều ñỉnh phổ, kết quả làm khớp cũng khá phù hợp với dạng của phổ ño ñược Chương trình cũng chạy khá ổn ñịnh, kết quả thu ñược không phụ thuộc nhiều vào các giá trị khởi tạo ban ñầu Qua những gì thu ñược cho thấy việc áp dụng thuật toán di truyền cho việc