Trong luận văn này, quá trình thực nghiệm được thực hiện tại Phòng thí nghiệm Kỹ thuật Hạt nhân, Trường Đại học Khoa học Tự Nhiên, Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh. Thực nghiệm được thiết lập gồm một hệ phổ kế gamma có chuẩn trực, hai nguồn phóng xạ 137Cs dạng điểm, một thùng thải dạng trụ và một hệ cơ khí để thực hiện các dịch chuyển cho việc quét gamma cắt lớp.
Hệ phổ kế gamma sử dụng đầu dò nhấp nháy NaI(Tl) thuộc mẫu 802-2x2 do hãng Canberra sản xuất [10], như thể hiện trong hình 2.1. Độ phân giải năng lượng danh định của đầu dò là 8,5% tại đỉnh 662 keV. Đầu dò được kết nối với OspreyTM [11], đây là một thiết bị tích hợp bên trong nó gồm: nguồn cung cấp cao thế, tiền khuếch đại, bộ xử lý tín hiệu số hoạt động với chức năng khuếch đại tín hiệu, phân tích đa kênh và giao tiếp điều khiển. Sau đó, ngõ ra của OspreyTM được kết nối với máy tính điện tử thông qua một sợi cáp với cổng kết nối USB để truyền dữ liệu và cấp điện thế hoạt động cho đầu dò. Sự hoạt động của hệ phổ kế và thu nhận phổ gamma được quản lý bằng phần mềm Genie-2k phiên bản 3.3. Đầu dò NaI(Tl) được đặt bên trong một ống chuẩn trực bằng chì để thu hẹp vùng không gian mà các bức xạ gamma phát ra từ đó có thể đến được đầu dò. Cấu hình của ống chuẩn trực được mô tả như trong hình 2.2.
Hình 2.1. Đầu dò nhấp nháy NaI(Tl) được sử dụng trong luận văn
Hình 2.2. Cấu hình của ống chuẩn trực đầu dò
Hai nguồn đồng vị phóng xạ 137Cs, thuộc mẫu P03 do hãng Eckert&Ziegler sản xuất [12], được sử dụng trong luận văn để cung cấp các bức xạ gamma có năng lượng 662 keV. Các nguồn này có dạng viên trụ với đường kính ngoài 6 mm và chiều dài 8 mm. Hợp chất chứa đồng vị phóng xạ được bao bọc bởi lớp vỏ nguồn làm bằng thép không gỉ. Do kích thước của nguồn phóng xạ rất nhỏ so với khoảng cách từ nguồn đến đầu dò, nên các nguồn này được xem như là nguồn dạng điểm.
Các thông tin của nguồn phóng xạ được trình bày trong bảng 2.1.
Bảng 2.1. Thông tin của các nguồn phóng xạ 137Cs sử dụng trong luận văn Ký
hiệu nguồn
Thời gian bán rã
(năm)
Hoạt độ tại thời điểm tham khảo
(MBq)
Thời điểm tham khảo
Hoạt độ tại thời điểm đo
(MBq)
137Cs-A 30,05 ± 0,08 181 ± 5 08/04/2013 160 ± 5
137Cs-B 30,05 ± 0,08 15,0 ± 0,5 15/01/2014 13,3 ± 0,4 Thùng thải sử dụng trong luận văn được chế tạo riêng cho việc nghiên cứu phương pháp quét gamma cắt lớp, mà nó bao gồm nhiều phân đoạn xếp chồng lên nhau như biểu diễn trong hình 2.3. Mỗi phân đoạn của thùng thải là một ống trụ có đáy làm bằng thép C45 với bề dày thành ống 5 mm, đường kính ngoài 580 mm và chiều dài 120 mm. Mặt đáy được hàn kín với thành ống để có thể chứa đựng các loại vật liệu khác nhau. Việc phân chia thùng thải thành nhiều phân đoạn nhỏ giúp cho việc bố trí nguồn phóng xạ và các loại vật liệu (matrix) bên trong thùng dễ dàng và chính xác hơn. Đồng thời, cấu trúc này cũng tạo ra sự thuận tiện cho việc thay thế mẫu đo khi cần khảo sát nhiều đối tượng khác nhau.
Hình 2.3. Thùng thải được sử dụng trong luận văn
Trong luận văn này, phép đo quét gamma cắt lớp được tiến hành cho trường hợp có hai nguồn phóng xạ 137Cs-A và 137Cs-B nằm tại hai vị trí khác nhau bên
trong một phân đoạn. Cụ thể, hai nguồn phóng xạ này được đặt bên trên đỉnh của các ống nhựa mà chúng gắn cố định vào mặt đáy của một phân đoạn thùng thải, như trong hình 2.4. Như vậy, chúng nằm tại các vị trí trên cùng một độ cao và cách tâm thùng 205 mm, đồng thời hai đường thẳng xuyên tâm từ các nguồn phóng xạ tạo với nhau một góc 900. Vật liệu được chứa bên trong phân đoạn này là không khí. Bởi vì hoạt độ của các nguồn phóng xạ được sử dụng là khá thấp, nên matrix không khí được lựa chọn để hạn chế sự suy giảm của bức xạ gamma bên trong thùng thải nhằm làm giảm thời gian thực hiện phép đo.
Hình 2.4. Vị trí của các nguồn phóng xạ bên trong phân đoạn của thùng thải Một hệ cơ khí được chế tạo để thực hiện các dịch chuyển cần thiết cho phép đo quét gamma cắt lớp như trong hình 2.5. Hệ cơ khí này gồm có hai thành phần chính là mâm quay và bàn nâng. Mâm quay là nơi đặt thùng thải phóng xạ và có thể chịu được tải trọng lên đến 1000 kg. Trục của mâm quay được gắn với một mô tơ bước, mà nó cho phép thực hiện chuyển động xoay tròn quanh trục đối xứng của thùng thải với độ chính xác 0,10. Bàn nâng là nơi đặt đầu dò NaI(Tl) cùng với ống chuẩn trực và có thể chịu được tải trọng lên đến 120 kg. Bàn nâng cho phép thực hiện các dịch chuyển của đầu dò dọc theo các trục Ox và Oz (như chú thích trong hình 2.5) thông qua sự truyền động của các mô tơ bước đến vit me. Hành trình dịch chuyển của bàn nâng trên các trục Ox và Oz lần lượt là 650 mm và 1200 mm với độ
chính xác 0,1 mm. Hành trình này cho phép đầu dò NaI(Tl) có thể quét đến tất cả vị trí bên trong thể tích của thùng thải được khảo sát.
Hình 2.5. Hệ đo quét gamma cắt lớp cho thùng thải phóng xạ
Các chuyển động của mâm quay và bàn nâng được điều khiển bằng máy tính điện tử sử dụng phần mềm March 3. Hình 2.6 biểu diễn giao diện của phần mềm March 3 để điều khiển hoạt động của hệ cơ khí. Hộp thoại X biểu thị tọa độ của đầu dò trên trục Ox, đơn vị mm; hộp thoại Y biểu thị góc quay của thùng thải, đơn vị [0]; hộp thoại Z biểu thị tọa độ của đầu dò trên trục Oz, đơn vị mm. Các dịch chuyển được thực hiện bằng cách gõ cấu trúc câu lệnh “G0 KN” trong hộp thoại Input, với K là tên của trục muốn dịch chuyển (tức là X/Y/Z) và N là tọa độ muốn dịch chuyển đến.
Hình 2.6. Giao diện của phần mềm March 3 để điều khiển hoạt động của hệ cơ khí
Với các thiết bị được mô tả như trên, một hệ đo quét gamma cắt lớp cho thùng thải phóng xạ được thiết lập như trong hình 2.5. Các phân đoạn của thùng thải được sắp xếp chồng lên nhau bên trên mâm quay sao cho phân đoạn có chứa nguồn phóng xạ nằm tại vị trí thứ sáu (tức là phân đoạn này nằm bên trên 5 phân đoạn khác). Do đó, hai nguồn phóng xạ 137Cs-A và 137Cs-B nằm ở độ cao 714 ± 0,5 mm từ đáy của phân đoạn thứ nhất. Đầu dò NaI(Tl) và ống chuẩn trực được đặt bên trên bàn nâng sao cho trục đối xứng của chúng vuông góc với trục dịch chuyển Ox của hệ cơ khí. Khoảng cách từ mặt bên ngoài của thùng thải đến bề mặt của ống chuẩn trực là 70 mm. Toàn bộ hệ đo nằm bên trong một phòng kín với điều kiện môi trường ổn định (nhiệt độ khoảng 26 0C và độ ẩm 45%) để hạn chế sự trôi kênh của đầu dò NaI(Tl) trong quá trình đo.
Xét hệ trục tọa độ Descartes Oxyz với gốc tọa độ nằm tại tâm của mặt đáy thùng thải và trục Oz nằm trên trục đối xứng của thùng thải. Chọn giao điểm giữa trục Oy và mặt ngoài của thùng thải làm mốc tham chiếu. Dựa trên mốc tham chiếu này, hai nguồn phóng xạ 137Cs-A và 137Cs-B có tọa độ lần lượt là (190, 77, 714) mm và (77, -190, 714) mm. Sai số của tọa độ nguồn trên các trục Ox và Oy là 0,5 mm.
Do việc đặt nguồn và cố định vào thùng bằng thủ công nên gây ra lệch so với vị trí mong muốn, việc xác định sai số này rất khó xác định nên chúng tôi dựa vào thước đo từ tâm thùng đến nguồn để tính sai số.
2.2. Quy trình tái tạo ảnh gamma cắt lớp trên thùng thải
Nội dung nghiên cứu của luận văn chỉ tập trung vào việc tái tạo ảnh chụp cắt lớp cho sự phân bố của nguồn phóng xạ bên trong thùng thải (như đã nêu trong mục 1.1.4). Do đó, để rút ngắn thời gian đo thực nghiệm, độ cao của các nguồn phóng xạ bên trong thùng thải xem như được biết. Các phép đo quét gamma được tiến hành bên trong phân đoạn có nguồn phóng xạ.
Trước tiên, đầu dò NaI(Tl) được dịch chuyển đến vị trí ứng với tọa độ 714 mm trên trục Oz. Vị trí này tương đương với độ cao của các nguồn phóng xạ bên trong thùng thải. Sau đó, đầu dò được dịch chuyển từng bước trên trục Ox tương ứng với các vị trí từ mép phải đến mép trái của thùng thải, như mô tả trong hình 2.7. Khoảng cách giữa các bước dịch chuyển liên tiếp là 10 mm. Tại mỗi vị trí di chuyển đến, đầu dò NaI(Tl) sẽ tiến hành ghi nhận phổ gamma trong khoảng thời gian 500 giây.
Sau khi hoàn thành việc ghi nhận phổ gamma, diện tích đỉnh tương ứng với năng lượng 662 keV được xác định bằng phần mềm Genie-2k và được thu thập để làm dữ liệu cho việc dựng ảnh. Hình 2.8 cho thấy các phổ gamma ghi nhận được và diện tích đỉnh tại năng lượng 662 keV trên giao diện của phần mềm Genie-2k. Tập hợp của các giá trị diện tích đỉnh đo được theo vị trí của đầu dò trong suốt quá trình quét trên trục Ox được gọi là một hình chiếu. Để tái tạo được một ảnh cắt lớp, một tập hợp các hình chiếu ứng với những góc quay khác nhau của thùng thải được yêu cầu.
Do đó, sau khi hoàn thành việc quét và thu thập dữ liệu của một hình chiếu, thùng thải sẽ quay một góc 100 và đầu dò tiếp tục quét để thu thập dữ liệu cho hình chiếu ứng với góc quay mới. Quy trình này được lặp lại cho đến khi thùng thải hoàn thành
một vòng quay 3600. Như vậy, với quy trình quét được thực hiện, ta thu được một bộ dữ liệu gồm 37 hình chiếu ứng với các góc quay cách nhau 100 của thùng thải và có 59 dữ liệu đo trong một hình chiếu ứng với các vị trí quét cách nhau 10 mm của đầu dò.
Hình 2.7. Sơ đồ thực hiện quét cắt lớp thùng thải
Trong luận văn này, một chương trình tái tạo ảnh cắt lớp được xây dựng trên ngôn ngữ lập trình Python phiên bản 3.7.4 với code đã có sẵn. Ngôn ngữ Python được sử dụng phổ biến hiện nay để thực hiện tính toán và lập trình các thuật toán chuyên phục vụ trong kỹ thuật. Nó đơn giản hoá quá trình tính toán tốt hơn so với các ngôn ngữ lập trình truyền thống như C/C++. Trong lĩnh vực xử lý ảnh kỹ thuật số, Python cung cấp công cụ xử lý ảnh (image processing toolbox) bao gồm các hàm chức năng và mở rộng phạm vi ứng dụng đối với người dùng.
Hình 2.9 mô tả các bước xử lý của chương trình tái tạo ảnh cắt lớp được xây dựng. Cơ sở lý thuyết của các bước biến đổi Fourier, biến đổi Fourier ngược, lọc tín hiệu nhiễu và tái tạo ảnh chiếu ngược đã được trình bày trong mục 1.2. Các số liệu đo thực nghiệm thu được từ quá trình quét thùng thải được sử dụng làm dữ liệu đầu vào cho sự hoạt động của chương trình. Khi kết thúc, chương trình sẽ xuất ra ảnh chụp cắt lớp được tái tạo.
(a)
(b)
Hình 2.8. Phổ gamma ghi nhận được và diện tích đỉnh tại năng lượng 662 keV tương ứng với vị trí quét của đầu dò NaI(Tl) khi (a) có nguồn phóng xạ,
(b) không có nguồn phóng xạ
Hình 2.9. Sơ đồ mô tả các bước xử lý của chương trình tái tạo ảnh cắt lớp 2.3. Tổng kết chương 2
Trong chương 2, luận văn đã trình bày những nội dung sau:
- Mô tả chi tiết thiết lập thực nghiệm của hệ đo quét gamma cắt lớp cho thùng thải phóng xạ. Đặc biệt, luận văn đã tiến hành khảo sát cho trường hợp có hai nguồn phóng xạ 137Cs với hoạt độ khác nhau được bố trí tại hai vị trí khác nhau bên trong một phân đoạn của thùng thải. Đây là một điểm mới của luận văn so với các nghiên cứu trước đây. Bên cạnh đó, ý tưởng về việc chế tạo thùng thải phóng xạ gồm nhiều phân đoạn nhỏ giúp việc bố trí thực nghiệm chính xác hơn và thuận tiện hơn cho việc thay mẫu.
- Trình bày các bước tái tạo ảnh gamma cắt lớp cho thùng thải phóng xạ được thực hiện trong luận văn. Với quy trình quét được thực hiện, bộ dữ liệu thu được gồm 37 hình chiếu ứng với các góc quay cách nhau 100 của thùng thải và có 59 dữ liệu đo trong một hình chiếu ứng với các vị trí quét cách nhau 10 mm của đầu dò.
Ảnh chụp cắt lớp được tạo ra bằng một chương trình tái tạo ảnh xây dựng trên ngôn ngữ lập trình Python phiên bản 3.7.4.
Dữ liệu đầu vào
Sinogram
Chọn bộ
lọc Biến đổi
Fourier Lọc tín
hiệu nhiễu Biến đổi
Fourier ngược
Tái tạo chiếu ảnh ngược
Xuất ra ảnh cắt
lớp
thúcKết