Sơ ựồ khối của chương trình xử lý phổ tự ựộng ựược mô tả trong Hình 4.2.
4.2.2 Module đỌC VÀ VẼ PHỔ
Chương trình có thể tương thắch với các tập tin phổ của nhiều chương trình thông dụng (vd: *.spe của MCA, *.tka của Genie2K, . . .) chương trình này ựược thiết lập mặc ựịnh chỉ ựọc số liệu của tập tin có chứa duy nhất số ựếm. Tuy nhiên nếu tập tin có chứa cả số kênh ghi nhận (ựược ghi trước số ựếm) thì cần phải chuyển ựổi sang tập tin chỉ chứa số ựếm. Sơ ựồ khối của module ựược mô tả trong Hình 4.3
4.2.3 Module CHUẨN NĂNG LƯỢNG VÀ BỀ RỘNG đỈNH
Module này nhằm chuẩn tương quan năng lượng theo kênh, từ ựó dễ dàng xác ựịnh ựược năng lượng tia gamma phát ra. đồng thời cũng chuẩn bề rộng ựỉnh theo năng lượng giúp cho việc phát hiện ựỉnh chập dễ dàng hơn. Sơ ựồ khối của một module như trên ựược mô tả trong Hình 4.4
Hình 4.4. Sơ ựồ khối của module Chuẩn năng lượng & bề rộng ựỉnh 4.2.4 Module TÌM đỈNH
Mục ựắch của module này là nhằm xác ựịnh vị trắ của các ựỉnh quang ựiện trong vùng quan tâm ựược chọn (ROI). Phương pháp sử dụng ựể tìm ựỉnh là phương pháp sử dụng ựạo hàm bậc 2. Sơ ựồ khối của nó ựược vẽ như trong Hình 4.5
Hình 4.5. Sơ ựồ khối module Tìm ựỉnh 4.2.5 Module LÀM KHỚP đỈNH
Mục ựắch của khối làm khớp phổ là tắnh toán các tham số của hàm xấp xỉ từ các số liệu thu nhận ban ựầu, từ ựó cung cấp các thông số về ựỉnh hấp thụ năng lượng quan tâm.
Phương pháp sử dụng ựể tắnh toán là thuật toán di truyền. Mỗi một ựỉnh quang ựiện j có thể xấp xỉ bằng một hàm phân bố Gauss ựược cho trong công thức sau [15]
( ) ( )2 2
ij i j i 0 j j
y =G x =A .exp - x −X / 2.σ (4.1) Ngoài ra, một số ựỉnh quang ựiện ựôi khi không ựối xứng. Tắnh ựến sự bất ựối xứng này ta có thể ựưa vào hàm (4.2) ựể mô tả sự lệch này[15].
( ) T ( i 0) T i T i A exp x -x / , y Y x 0, τ = = i 0 i 0 0 x x x x ≤ < > (4.2) Khi ựó vùng phổ quan tâm có thể xấp xỉ bằng tổng của các hàm Gauss và ựộ lệch của nó (nếu có), mỗi hàm mô tả một ựỉnh có trong vùng phổ
( ) sodinh ( ) i i j 0 j j j i j 1 y F x ,A ,X , G x BG = = σ = ∑ + (4.3a) hoặc ( ) sodinh ( ) ( ) i i j 0 j j Tj i T i i 1 y F x ,A ,X , , A , G x Y x BG = = σ τ = ∑ + + (4.3b)
Sơ ựồ khối của chương trình ựược mô tả trong hình 4.6 bao gồm 5 module nhỏ:
o Module Xây dựng tập hợp ban ựầu o Module đánh giá
o Module Lai tạo o Module đột biến
o Module Chọn lọc tự nhiên
Sơ ựồ khối của module Xây dựng tập hợp ban ựầu ựược mô tả trong Hình 4.7
Việc khởi tạo tập hợp các nghiệm ban ựầu ựược thực hiện thông qua ba bước: Bước 1: Thu nhận các dữ liệu ban ựầu như phổ bức xạ, số ựỉnh có trong phổ, năng lượng các ựỉnh E0, vùng phổ quan tâm ROI.
Bước 2 : Xác ựịnh ựộ dài bộ số liệu của từng phần tử lời giải. Trong trường hợp này, ựộ dài bộ số liệu là ba lần số ựỉnh có trong phổ. Mỗi bộ số liệu khi ựó có dạng ( 1 1 1 sodinh sodinh sodinh)
0 0
A ,X , ,...,Aσ ,X ,σ với mỗi bộ (A,X ,0 σ) cho biết các tham số của một ựỉnh tương ứng trong phổ.
Bước 3: Khởi tạo các giá trị ban ựầu bằng cách lấy ngẫu nhiên[15]
o Vị trắ ựỉnh X0 ựược lấy ngẫu nhiên trong khoảng 1 ựến 3 kênh bao quanh giá trị ựược tắnh toán thông qua E0
o Biên ựộ ựỉnh A ựược lấy ngẫu nhiên trong khoảng từ 0 ựến 1,5 lần số ựếm của kênh X0
o Bề rộng σ ựược lấy ngẫu nhiên trong khoảng từ 0,5 ựến 5 kênh với phổ ghi nhận bởi ựầu dò HpGe. Hoặc từ 6 ựến 10 kênh với ựầu dò NaI
o Nếu tắnh ựến ựộ lệch của ựỉnh ta sẽ lấy thêm hai tham số nữa bằng cách lấy ngẫu nhiên hai số tự nhiên a1 và a2 trong khoảng (0,1). Khi ựó ATj =a .A1 j và σ =j a .2τ
Bước 4 : Lặp lại bước 3 cho bộ số liệu mới ựến khi tạo ựủ số lượng phần tử của tập hợp lời giải ựược xác ựịnh ban ựầu thì dừng lại
Tập hợp các phần tử ựược xây dựng bởi module Xây dựng tập hợp ban ựầu sẽ ựược chuyển qua module đánh giá, các phần tử sẽ ựược tắnh toán ựộ phù hợp tương ứng bởi công thức (3.3) sau ựó sắp xếp theo thứ tự các phần tử phù hợp nhất cho ựến cái phần tử ắt tương thắch hơn. Sơ ựồ khối của quá trình đánh giá ựược mô tả qua Hình 4.8
Hình 4.8. Sơ ựồ khối module đánh giá
Tiếp theo, module Lai tạo sẽ nhận dữ liệu ựã ựược xử lý và tiến hành thuật toán lai tạo. Quá trình tiến hành theo các bước ựược mô tả bởi sơ ựồ khối Hình 4.9.
Bước 1: đối với mỗi phần tử trong tập hợp, một số r1 ựược lấy ngẫu nhiên trong khoảng (0,1). Nếu r1 nhỏ hơn hoặc bằng xác suất lai tạo R thì phần tử ựó sẽ ựược chọn ựể tiến hành lai tạo.
Bước 2: đối với mỗi cặp cha Ờ mẹ, một số nguyên r2 ựược lấy ngẫu nhiên trong khoảng (0, ựộ dài bộ số liệu).
Bước 3: Các bộ số liệu của cha Ờ mẹ sẽ ựược trao ựổi chéo với nhau từ ựầu chuỗi ựến vị trắ r2 . Khi ựó, hai phần tử mới ựược tạo thành.
Bước 4: Các phần tử mới tạo thành sẽ ựược ghi nhận. Tập hợp mới bao gồm tất cả các phần tử ựược tạo ra sẽ ựược sử dụng làm dữ liệu cho các bước tắnh toán tiếp theo của quá trình.
Module đột biến sẽ thực thi thuật toán ựột biến lên tập hợp mới. Quá trình ựược mô tả bằng hình 4.10.
Chọn ngẫu nhiên phần tử bị ựột biến Chọn ngẫu nhiên vị
trắ bị ựột biến Biến ựổi tương ứng
số liệu bị ựột biến Thay thế phần tử ựột
biến Dữ liệu ựầu vào
( phần tử bao gồm bố-mẹ-con)
Kết thúc Bắt ựầu
Với mỗi một số liệu của từng phần tử, một số r3 sẽ ựược lấy ngẫu nhiên trong khoảng (0,1). Nếu r3 nhỏ hơn hoặc bằng xác suất gây ựột biến thì phần tử này sẽ bị biến ựổi tương ứng giống như bước 3 của module khởi tạo.
Module Chọn lọc tự nhiên sẽ chọn lựa ra n phần tử thắch hợp ựể tiếp tục quá trình. Các phần tử ựược tạo thành thông qua module Lai tạo, đột biến sẽ ựược ựánh giá một lần nữa bởi module đánh giá và sau ựó n phần tử thắch hợp nhất sẽ ựược chọn. Hình 4.11 mô tả sơ ựồ khối của quá trình chọn lọc tự nhiên.
đánh giá
Chọn n phần tử cho tập hợp mới dựa vào
ựộ thắch nghi Dữ liệu ựầu vào (tập hợp sau khi
gây ựột biến)
Kết thúc Bắt ựầu
Hình 4.11. Sơ ựồ khối module Chọn lọc tự nhiên
Cuối cùng chương trình sẽ kiểm tra ựiều kiện dừng. điều kiện dừng bao gồm việc ựánh giá dựa trên tổng ựộ thắch nghi và số lần lặp của quá trình[4,15].
o đối với ựộ thắch nghi thì tổng ựộ thắch nghi qua bốn lần lặp liên tiếp không sai biệt quá 1% thì ựược chấp nhận.
o đối với số lần lặp lại thì tùy vào người sử dụng thiết lập thông số này. Cuối cùng, phần tử thắch nghi nhất của tập hợp cuối cùng sẽ ựược sử dụng ựể ựưa vào hàm fit ựã cho ở (4.3a) hoặc (4.3b)
CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ VÀ NHẬN XÉT
để kiểm ựịnh tắnh ựúng ựắn của chương trình, chúng tôi ựã so sánh với một trong những chương trình xử lý phổ thông dụng nhất hiện nay là chương trình Genie2K. Các phổ ựược dùng ựể so sánh là phổ của các nguồn Co57, Cs137, Mn54, Na22 và Co60 ựo trong 8 giờ ựược mượn từ Viện Nghiên cứu Hạt nhân đà Lạt và ựược ựo bởi hệ phổ kết HPGe tại Bộ môn Vật lý Hạt nhân. đối với việc tách ựỉnh, các phổ sử dụng là ADD1N1, ADD1N3, ADD3N1, ADD1N100 và phổ STRAIGHT ựược lấy từ trang web của IAEA.
Chương trình ựược thực thi với kắch cỡ tập hợp là 100 phần tử, xác suất lai tạo là 0.6, xác suất ựột biến là 0.1. Số lần lặp tối ựa ựối với việc làm khớp ựỉnh ựơn là 500 lần còn với việc tách ựỉnh là 1000 lần.
5.1 Làm khớp ựỉnh ựơn
Các kết quả tắnh diện tắch ựỉnh bởi hai chương trình ựược cho trong Bảng 5.1. Kết quả làm khớp ựược biểu diễn trong Hình 4.2 cho các ựỉnh Na22, Co57, Cs137, Mn54 và Co60 bởi chương trình GASPA.
Bảng 5.1: So sánh các kết quả xử lý từ chương trình của nhóm tác giả và Genie2K
GASPA Genie2K
đồng vị
E
(keV) VT ựỉnh σσ σσ Diện tắch VT ựỉnh σσ σσ Diện tắch
Tỉ lệ hai diện tắch Co57 122 493,0 1,43 28984 493 1,36 29113 0,995 Cs137 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 Na22 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 Co60 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
Từ việc so sánh, kết quả của chương trình xử lý phổ GASPA cho thấy ựộ sai lệch không ựáng kể so với kết quả thu ựược từ chương trình Genie2K. Tỉ lệ diện tắch giữa các kết quả thu ựược cho thấy chương trình chạy tương tối ổn ựịnh ựối với các ựỉnh ựơn có số ựếm thông kê tương ựối.
122 keV 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 480 485 490 495 500 505 510 Kênh S ố ự ế m 662 keV 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 2760 2765 2770 2775 2780 2785 2790 2795 Kênh S ố ự ế m 834 keV 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 3490 3495 3500 3505 3510 3515 3520 3525 3530 Kênh S ố ự ế m 1274 keV 0 500 1000 1500 2000 2500 5355 5360 5365 5370 5375 5380 5385 5390 Kênh S ố ự ế m 1173 keV 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 4925 4930 4935 4940 4945 4950 4955 4960 4965 Kênh S ố ự ế m 1332 keV 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 5595 5600 5605 5610 5615 5620 5625 5630 5635 5640 Kênh S ố ự ế m
Hình 5.1. Số liệu thực nghiệm (chấm ựiểm) và ựường làm khớp (ựường liền nét) các ựỉnh của phổ Co57, Cs137, Mn54, Na22 và Co60.
5.2 Làm khớp nhiều ựỉnh
Phổ Ra226 của IAEA (tên phổ STRAIGHT.ASC) ựo bằng hệ phổ kế gamma HPGe 8192 kênh ựược sử dụng ựể test khả năng làm khớp cùng lúc nhiều ựỉnh của chương trình GASPA. Kết quả ựược trình bày trong Hình 5.2. Kết quả theo nhận xét cảm quan là tương ựối tốt, biên ựộ và vị trắ các ựỉnh lệch so với phổ gốc là
không lớn. Tuy nhiên, thời gian thực thi của chương trình khá lâu trong trường hợp số ựỉnh lớn vùng ROI rộng. 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 170 180 190 200 210 220 230 Kênh S ố ự ế m
Hình 5.2. Làm khớp nhiều ựỉnh của phổ STRAIGHT.ASC. Số liệu thực nghiệm (chấm ựiểm) và ựường làm khớp (ựường liền nét).
5.3 Tách các ựỉnh chồng chập của phổ test IAEA
Tiếp theo, chúng tôi sử dụng thuật toán di truyền ựể tách các ựỉnh chồng chập trong phổ kiểm tra của IAEA. Phổ ựược sử dụng ở ựây là phổ tổng của 2 phổ Ra226 ựược ựo bằng detector 8192 kênh, vị trắ ựỉnh của hai phổ ựược dịch cách nhau 3 kênh. Các phổ ựược sử dụng trong luận văn này là:
o CALIB.ASC: phổ ựể chuẩn năng lượng theo kênh
o ADD1N1.ASC: tổng của hai phổ Ra226 với thời gian ựo bằng nhau là 2000s, phổ thứ 2 bị dịch về bên phải 3 kênh
o ADD1N3.ASC: tổng của hai phổ Ra226 với thời gian ựo lần lượt là 667s và 2000s, phổ thứ 2 bị dịch về bên trái 3 kênh
o ADD3N1.ASC: tổng của hai phổ Ra226 với thời gian ựo lần lượt là 2000s và 667s, phổ thứ 2 bị dịch về bên phải 3 kênh
o ADD1N100.ASC: tổng của hai phổ Ra226 với thời gian ựo lần lượt là 20s và 2000s, phổ thứ 2 bị dịch về bên trái 3 kênh
Các thông số chuẩn thu ựược từ phổ CALIB.ASC ựược nêu trong Bảng 5.2. Từ số liệu bảng 5.2, ta làm khớp ựường chuẩn năng lượng theo kênh bằng module Làm khớp. Kết quả ựược cho bởi công thức (5.1) và ựồ thị trong Hình 5.3
E = 0.3966* Kênh + 2.9057 (5.1) Bảng 5.2: Tương quan kênh theo năng lượng thu ựược từ CALIB.ASC
Kênh Năng lượng (keV)
301 122.06 1281 511.0 1661 661.66 2097 834.84 2951 1173.24 3207 1274.54 3353 1332.5 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 Kênh E ( k e V )
Hình 5.3. đường chuẩn năng lượng theo kênh ựược chuẩn từ CALIB.ASC
Việc tách ựỉnh ựược thực hiện thông qua module Làm khớp ựỉnh với dạng phổ ựược cho bởi (4.3a) hoặc (4.3b). Phông ựược tắnh theo dạng tuyến tắnh. Khi ựó mỗi một ựỉnh sẽ ựược xấp xỉ bởi một hàm Gauss với bộ số liệu thu ựược từ quá trình làm khớp. Thông qua quá trình ựó, ta thu ựược các thông số như vị trắ, diện tắch, bề rộng σ.
Các dữ liệu ựược nhập bao gồm, ROI, số ựỉnh cho trong vùng ROI. Năng lượng hay vị trắ của từng ựỉnh có thể ựược lấy từ thư viện tự tạo bởi người dùng hoặc bằng module Tìm ựỉnh.
Kết quả của việc làm khớp và tách ựỉnh ựược cho trong các Bảng 5.3, Bảng 5.4, Bảng 5.5 và Bảng 5.6 với các thông số của các ựỉnh thành phần.
Bảng 5.3: Vị trắ và diện tắch của 2 ựỉnh tách trong phổ ADD1N1.ASC (Tỉ lệ thời gian ựo là 1.00)
Bảng 5.4: Vị trắ và diện tắch của 2 ựỉnh tách trong phổ ADD1N3.ASC (Tỉ lệ thời gian ựo là 0.334)
đỉnh 1 đỉnh 2
Năng lượng
(keV) Vị trắ Diện tắch Vị trắ Diện tắch
Tỉ lệ diện tắch 352 876.43 32273.92 879.46 101214.30 0.319 609 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 đỉnh 1 đỉnh 2 Năng lượng
(keV) Vị trắ Diện tắch Vị trắ Diện tắch
Tỉ lệ diện tắch 352 879.46 99572.72 882.41 99882.66 0.997 609 1528.41 75178.29 1531.37 70808.55 1.062 1120 2817.53 13851.16 2820.63 13552.52 1.022 1765 4443.84 9655.19 4447.16 9119.93 1.059
Bảng 5.5: Vị trắ và diện tắch của 2 ựỉnh tách trong phổ ADD3N1.ASC (Tỉ lệ thời gian ựo là 3.00)
đỉnh 1 đỉnh 2
Năng lượng
(keV) Vị trắ Diện tắch Vị trắ Diện tắch
Tỉ lệ diện tắch 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 1765 4443.98 9382.26 4446.73 2928.93 3.203 Bảng 5.6: Vị trắ và diện tắch của 2 ựỉnh tách trong phổ ADD1N100.ASC
(Tỉ lệ thời gian ựo là 0.01)
đỉnh 1 đỉnh 2
Năng lượng
(keV) Vị trắ Diện tắch Vị trắ Diện tắch
Tỉ lệ diện tắch 352 876.10 873.92 879.46 98133.37 0.009 609 1525.00 852.16 1528.43 72661.27 0.012 1120 2812.87 188.80 2817.61 14047.74 0.013 1765 4440.61 128.46 4444.22 9078.81 0.014 0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 876 878 880 882 884 886 Kênh S ố ự ế m
Hình 5.4. Tách ựỉnh chồng chập ở vị trắ 352 keV của phổ ADD1N1.ASC: ựỉnh thực nghiệm (ựường gạch ựứt quãng) và hai ựỉnh ựược tách ra (ựường liền nét)
0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 873 875 877 879 881 883 Kênh S ố ự ế m
Hình 5.5. Tách ựỉnh chồng chập ở vị trắ 352 keV của phổ ADD1N3.ASC: ựỉnh thực nghiệm (ựường gạch ựứt quãng) và hai ựỉnh ựược tách ra (ựường liền nét)
0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 876 878 880 882 884 886 Kênh S ố ự ế m
Hình 5.6. Tách ựỉnh chồng chập ở vị trắ 352 keV của phổ ADD3N1.ASC: ựỉnh thực nghiệm (ựường gạch ựứt quãng) và hai ựỉnh ựược tách ra (ựường liền nét)
0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 873 875 877 879 881 883 Kênh S ố ự ế m 0 50 100 150 200 250 300 350 400 873 875 877 879 881 883 Kênh S ố ự ế m
Hình 5.7. Tách ựỉnh chồng chập ở vị trắ 352 keV của phổ ADD1N100.ASC: ựỉnh thực nghiệm (ựường gạch ựứt quãng) và hai ựỉnh ựược tách ra (ựường liền nét)
So sánh với tỉ lệ thời gian ựo của hai ựỉnh có ựược từ IAEA cho thấy sự sai biệt của việc tách ựỉnh không quá 5%, ựủ tin cậy ựể áp dụng cho các tắnh toán diện tắch các ựỉnh thành phần trong ựỉnh chập trong trường hợp có thống kê tương ựối tốt.
Tuy nhiên, chương trình vẫn gặp khó khăn với những ựỉnh có ựộ chồng chập