Xử lý phổ gamma bằng thuật toán di truyền

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN







BÙI QUANG KHÁNH








XỬ LÝ PHỔ GAMMA BẰNG
THUẬT TOÁN DI TRUYỀN








LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – 2009


1




LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình thực hiện quyển luận văn này, tôi đã nhận được sự giúp đỡ
rất to lớn từ thầy cô, gia đình và bạn bè.
Tôi muốn gửi lời cảm ơn đến thầy PGS. TS. Mai Văn Nhơn đã giúp đỡ,
hướng dẫn và cho tôi rất nhiều lời khuyên quý giá 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 (nhóm nghiên cứu Monte-Carlo bộ môn Vật lý Hạt Nhân trường đại
học Khoa học Tự nhiên Thành phố Hồ Chí Minh) với những ý kiến đóng góp, ý
tưởng thực hiện cũng như những lời khuyên giúp tôi có thể chính lý, sửa chữa và bổ
xung kịp thời.
Xin cảm ơn các thầy cô trong Hội đồng đã bỏ thời gian đọc và góp ý cho

quyển luận văn của tôi được hoàn thiện về mặt nội dung cũng như hình thức.
Cuối cùng xin cám ơn gia đình và bạn bè cùng khóa đã động viên, giúp đỡ
tôi để có thể hoàn thành quyển luận văn này.

Tp. Hồ Chí Minh, ngày 26, tháng 06, năm 2009
Bùi Quang Khánh


2
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN 1
MỤC LỤC 2
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT 4
DANH MỤC BẢNG 5
DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 6
LỜI MỞ ĐẦU 8
CHƯƠNG 1:SƠ LƯỢC VỀ PHỔ GAMMA 11
1.1 Nguyên lý ghi nhận phổ gamma 11
1.1.1 Tương tác của bức xạ với vật chất 11
1.1.2 Nguyên lý ghi nhận 17
1.2 Hệ thống ghi nhận phổ bức xạ 17
1.2.1 Tổng quan 17
1.2.2 Các thiết bị trong hệ đo bức xạ 20
1.3 Các đặc trưng của phổ bức xạ 22
1.3.1 Hình dạng phổ bức xạ 22
1.3.2 Dạng phông 25
1.3.3 Dạng đỉnh quang điện 26
CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH PHỔ TỰ ĐỘNG 27
2.1 Quá trình xử lý phổ 27
2.2 Các bước tiến hành 28

2.2.1 Chuẩn hóa 28
2.2.2 Dò tìm đỉnh 29
2.2.3 Làm trơn phổ 32
2.2.4 Phương pháp làm tăng độ phân giải 34
2.2.5 Các phương pháp tính diện tích đỉnh 35
CHƯƠNG 3:LÀM KHỚP PHỔ BẰNG THUẬT TOÁN DI TRUYỀN 39
3.1 Thuật toán di truyền 39
3.1.1 Khái niệm 39


3
3.1.2 Nguyên lý hoạt động 40
3.1.3 Ưu, khuyết điểm của thuật toán di truyền 44
3.2 Làm khớp phổ gamma bằng thuật toán di truyền 44
CHƯƠNG 4:CHƯƠNG TRÌNH XỬ LÝ PHỔ GAMMA 47
4.1 Giới thiệu 47
4.2 Các thành phần của chương trình 48
4.2.1 Sơ đồ khối chính 48
4.2.2 Module ĐỌC VÀ VẼ PHỔ 49
4.2.3 Module CHUẨN NĂNG LƯỢNG VÀ BỀ RỘNG ĐỈNH 49
4.2.4 Module TÌM ĐỈNH 50
4.2.5 Module LÀM KHỚP ĐỈNH 51
CHƯƠNG 5:KẾT QUẢ VÀ NHẬN XÉT 58
5.1 Làm khớp đỉnh đơn 58
5.2 Làm khớp nhiều đỉnh 59
5.3 Tách các đỉnh chồng chập của phổ kiểm tra của IAEA 60
5.4 Tách đỉnh chập ba 65
KẾT LUẬN 67
KIẾN NGHỊ 69
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH 70

TÀI LIỆU THAM KHẢO 71
PHỤ LỤC 73



4

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
ADC : Analog to Digital Converter.
FWHM : Full Width at Half Maximum.
GASPA : Gamma Spectrum Analysis.
HPGe : High Purity Germanium.
IAEA : International Atomic Energy Agency.
ROI : Region Of Interest



5
DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1: Tham số N
n,m
và C
k,n,m
33
Bảng 2.2: Các giá trị 34
m,n
Δ
Bảng 5.1: So sánh các kết quả xử lý đỉnh đơn 58
Bảng 5.2: Tương quan kênh theo năng lượng 61
Bảng 5.3: Tách đỉnh phổ ADD1N1.ASC 62

Bảng 5.4: Tách đỉnh phổ ADD1N3.ASC 62
Bảng 5.5: Tách đỉnh phổ ADD3N1.ASC 63
Bảng 5.6: Tách đỉnh phổ ADD1N100.ASC 63
Bảng 5.7: So sánh kết quả xử lý GASPA và giá trị ban đầu 66



6
DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1: Tán xạ Rayleigh 11
Hình 1.2: Tán xạ Compton 12
Hình 1.3: Hiệu ứng quang điện 13
Hình 1.4: Hiệu ứng tạo cặp 15
Hình 1.5: Hệ thiết bị hạt nhân tiêu biểu 18
Hình 1.6: Hệ đếm xung đơn giản 19
Hình 1.7: Hệ đo phổ bức xạ 19
Hình 1.9: Phổ gamma lý thuyết 23
Hình 1.10: Các đỉnh đặc trưng của phổ gamma 24
Hình 1.11: Phổ gamma của nguồn Am-Be 24
Hình 3.1: Nguyên lý hoạt động của Thuật toán di truyền 40
Hình 3.2: Kỹ thuật lai một điểm 42
Hình 3.3: Kỹ thuật lai 2 điểm 42
Hình 3.4: Kỹ thuật lai cắt và nối 43
Hình 4.1:Giao diện chính của chương trình 47
Hình 4.2:Sơ đồ khối của chương trình Xử lý phổ 48
Hình 4.3: Sơ đồ khối của module Đọc & vẽ phổ 49
Hình 4.4: Sơ đồ khối của module Chuẩn năng lượng & bề rộng đỉnh 50
Hình 4.5: Sơ đồ khối module Tìm đỉnh 51
Hình 4.6: Sơ đồ khối module Làm khớp đỉnh 52
Hình 4.7: Sơ đồ khối module Xây dựng tập hợp ban đầu 53

Hình 4.8: Sơ đồ khối module Đánh giá 55
Hình 4.9: Sơ đồ khối module Lai tạo 55
Hình 4.10: Sơ đồ khối module Đột biến 56
Hình 4.11: Sơ đồ khối module Chọn lọc tự nhiên 57
Hình 5.1: Làm khớp đỉnh đơn các phổ Na
22
, Mn
54
, Co
57
, Co
60
, Cs
137
59
Hình 5.2: Làm khớp nhiều đỉnh của phổ STRAIGHT.ASC 60
Hình 5.3: Đường chuẩn năng lượng theo kênh 61


7
Hình 5.4: Tách đỉnh chồng chập ở năng lượng 352 keV phổ ADD1N1.ASC 63

Hình 5.5: Tách đỉnh chồng chập ở năng lượng 352 keV phổ ADD1N3.ASC 64
Hình 5.6: Tách đỉnh chồng chập ở năng lượng 352 keV phổ ADD3N1.ASC 64
Hình 5.7: Tách đỉnh chồng chập ở năng lượng 352 keV phổ ADD1N100.ASC 65
Hình 5.8: Tách đỉnh chập ba tự tạo 66



8

LỜI MỞ ĐẦU

Trong quy trình phân tích đồng vị phóng xạ dựa trên việc đo phổ gamma, vấn
đề xử lý và tính toán các thông số của các đỉnh gamma xuất hiện trong phổ có vai
trò rất quan trọng, quyết định thành công của cả một quy trình. Các thao tác xử lý
phổ hiện nay phần lớn đều dựa vào các phần mềm chuyên dụng chẳng hạn như
Genie-2K, GammaVision, Sampo, Hypermet, . . . Các phần mềm này dựa trên nhiều
thuật toán khác nhau và đều có những ưu khuyết điểm riêng. Đặc biệt trong việc xử
lý phổ có xuất hiện đỉnh chập hoặc phổ của các mẫu có hoạt độ 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 đề tìm kiếm một chương
trình xử lý phổ toàn diện vẫn đang là mục tiêu nghiên cứu của nhiều nhà khoa học
trên thế giới.
Để thúc đẩy sự phát triển của các phương thức xử lý phổ, IAEA (International
Atomic Energy Agency- Cơ quan nguyên tử lượng quốc tế) trong vòng hơn 10 năm
qua đã tổ chức một số chương trình kiểm tra năng lực của các phần mềm xử lý phổ,
trong đó 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 đích chính là nhằm kiểm tra khả năng của các phần
mềm xử lý phổ trong việc tìm kiếm đỉnh phổ tự động, tính diện tích đỉnh độc lập
với tỉ lệ đỉnh/phông nền, khả năng phát hiện và xử lý đỉnh chập. Ngoài ra, một số
phương pháp xử lý phổ cũng đang được 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 được sử dụng rộng rãi nhất, trong nhiều lĩnh vực: trí tuệ nhân tạo,
thiết kế tự động hóa, chế tạo robot, phân tích thị trường, quản lý mạng dữ liệu, . . .
và được nhiều nhà khoa học trên thế giới quan tâm phát triển. Ưu điểm của thuật

9
toán này là có khả năng tìm kiếm lời giải trên vùng không gian tìm kiếm phức tạp,
nhiều tham số, và có thể loại trừ được các tối ưu cục bộ. Đã 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 đặc biệt là với nguồn bức xạ hoạt độ thấp.
Chương trình xử lý phổ này sẽ bao gồm nhiều thuật toán để xử lý phổ bức xạ
gamma, trong đó chủ yếu tập trung vào thuật toán di truyền để làm khớp phổ, tách
các đỉnh chồng chập nếu có. Phần mềm xử lý phổ được xây dựng như vậy có thể
nâng cao tính chính xác trong việc đánh giá hoạt độ với hệ phổ kế gamma phông
thấp đang có. Mà điều đó là cần thiết trong việc đánh giá các mẫu phóng xạ có hoạt
độ tương đối thấp như mẫu môi trường.
Mục đích chính của luận văn là bước đầu xây dựng một chương trình xử lý
phổ gamma bằng cách 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 đánh giá hoạt độ nguồn, mẫu phóng xạ được đo bằng hệ phổ kế gamma
phông thấp HPGe (High Purity Gemarnium- Gemarnium siêu tinh khiết) bên cạnh
chương trình xử lý phổ đang được sử dụng duy nhất hiện nay là Genie-2K tại Bộ
môn Vật lý Hạt nhân.
Với mục đích 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 được dùng để ghi nhận phổ gamma và nguyên lý ghi nhận tín hiệu
trong hệ phổ kế gamma. Đồng thời một số đặc trưng quan trọng của phổ gamma
chẳng hạn như dạng của đỉnh, phông nền cũng như các đỉnh đặc trưng của phổ
gamma cũng được nêu trong chương này.
Chương 2: Các phương pháp xử lý phổ tự động, bao gồm các phương pháp
chuẩn năng lượng, bề rộng đỉnh, các thuật toán tìm đỉnh, làm trơn, tính toán làm
khớp các thông số và tính toán diện tích của đỉnh.

10
Chương 3: Giới thiệu khái niệm và những kiến thức cơ bản về thuật toán di
truyền; các phép di truyền, lai, đột 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 đọc phổ, tìm đỉnh, tính toán diện tích, . . . Các sơ đồ khối, đặc điểm và cách
thức hoạt động của các module xử lý trong chương trình cũng được nêu ra cụ thể.
Chương 5: Một số kết quả tính toán được từ chương trình đối với các phổ
nguồn điểm (Co
57
, Cs
137
, Mn
54
, Na
22
, Co
60
) đo được từ detector HPGe tại Bộ môn
Vật lý Hạt nhân, các kết quả này được so sánh với kết quả thu được từ Genie-2K để
kiểm định tính đúng đắn của chương trình. Đồng thời khả năng xử lý đỉnh chập của
chương trình cũng được kiểm tra với các phổ kiểm tra của IAEA.


11
CHƯƠNG 1:
SƠ LƯỢC VỀ PHỔ GAMMA
1.1 Nguyên lý ghi nhận phổ gamma

1.1.1 Tương tác của bức xạ với vật chất
Khi bức xạ gamma đi vào môi trường, chúng sẽ tương tác với môi trường đó
thông qua 4 loại tương tác chính sau:
o Tán xạ Rayleigh[12]
o Tán xạ Compton
o Hiệu ứng quang điện
o Hiệu ứng tạo cặp
a. Tán xạ Rayleigh
Là quá trình mà bức xạ bị tán xạ trên các electron của nguyên tử mà không
gây ra ion hóa hay kích thích nguyên tử. Bức xạ sau tán xạ không bị mất năng lượng
mà chỉ bị lệch pha. Đây là tán xạ xảy ra chủ yếu khi bức xạ có năng lượng thấp và
môi trường có Z lớn

Photon tán xạ
Photon tới
Hình 1.1: Tán xạ Rayleigh.


12
Tiết diện vi phân cho bởi công thức sau[12]:

()
()
2
22
R
e
d1
r1cos Fx,z
d2

σ
=+θ
Ω
(1.1)
với
2
e
2
e
e
r
mc
=
bán kính electron cổ điển
(
)
Fx,z
là thừa số dạng

θ
là góc tán xạ
Lấy tích phân (1.1) ta có tiết diện tán xạ Rayleight toàn phần
()
()
2
22
Re
1
r1cosFx,zdcos
2

σ= π + θ θ
∫
(1.2)
b. Tán xạ Compton
Là tương tác của bức xạ với các electron tự do trong đó bức xạ truyền một
phần năng lượng cho electron và lệch hướng so với ban đầu.

Electron hóa trị
Electron Compton
Góc tán xạ
Photon tán xạ
Photon tới
Hình 1.2: Tán xạ Compton.
Tiết diện tán xạ vi phân của tán xạ Compton được tính bởi Tamn và Klein-
Nishina và kiểm chứng bằng thực nghiệm:
()
()
()
()
2
2
2
2
C
e
2
2
1cos
d
1cos

r1
d
1cos 1 1cos
21 1 cos
⎧⎫
⎧
⎫
α−θ
σ
+θ
⎪⎪⎪
=+
⎨⎬⎨
Ω
⎪
⎬
+
θ⎡+α − θ⎤
⎡+α − θ⎤
⎪⎪⎪
⎪
⎣
⎦
⎩⎭
⎣⎦
⎩⎭
(1.3)


13

với
2
e
E
mc
α=


θ
góc tán xạ

Từ đó :
2
Ce
2 2
1 2(1 ) ln(12) ln(12) 13
2r
12 2 (12)
⎧⎫
+α +α +α +α +α
⎡⎤
σ=π − + −
⎨⎬
⎢⎥
α+α α α +α
⎣⎦
⎩⎭
(1.4)

Trường hợp đặc biệt

o α << 1 :
2
CTh
26
1 2
5
⎛⎞
σ=σ −α+ α+
⎜⎟
⎝⎠
(1.5)
với
4
Th
24
e
8e
3mc
π
σ=
Tiết diện Thomson
o α >> 1:
2
Ce
11
rln
2
⎛⎞
σ=π + α
⎜⎟

α
⎝⎠
2
c.
(1.6)
Hiệu ứng Quang điện
Là quá trình tương tác mà năng lượng bức xạ tới bị electron hấp thụ hoàn
toàn và bứt ra khỏi nguyên tử. Hiệu ứng quang điện chỉ xảy ra khi năng lượng bức
xạ tới lớn hơn năng lượng liên kết của electron. Hiệu ứng quang điện không xảy ra
với electron tự do.
Electron quang điện
Photon tới

Hình 1.3: Hiệu ứng quang điện.


14
Tiết diện của hiệu ứng quang điện
qd
1/E
γ
σ
∝
. Khi năng lượng bức xạ
E
γ
tiến dần đến năng lượng liên kết thì tiết diện quang điện tăng theo tỉ lệ
.
lk
E

7/2
qd
1/E
γ
σ∝
Hiệu ứng quang điện chủ yếu xảy ra với các electron ở lớp K. Tiết diện của
nó phụ thuộc chủ yếu vào năng lượng bức xạ và điện tích hạt nhân môi trường.
Với năng lượng liên kết nhỏ (cỡ eV) và :
lk
EE
γ
>
()
7/2
16 5
qd
K
13,61
1, 09.10 Z
E
−
γ
⎛⎞
σ=
⎜⎟
⎜⎟
⎝⎠
(1.7)
Với
E

γ
>> thì
lk
E
()
5
23
qd
K
Z
1,34.10
E
−
γ
⎛⎞
σ=
⎜
⎜
⎝⎠
⎟
⎟
(1.8)
Đối với những vật liệu nặng (Z lớn) thì xác suất xảy ra hiệu ứng quang điện
lớn ngay cả với những tia gamma có năng lượng cao. Đối với những vật liệu nhẹ thì
hiệu ứng quang điện chỉ có ý nghĩa với những tia gamma có năng lượng thấp.
Tỉ số tiết diện của hiệu ứng quang điện ở các tầng khác nhau:
()
()
qd
L

qd
K
1
5
σ
=
σ
và
(
)
()
qd
M
qd
K
1
20
σ
=
σ

Hiệu ứng quang điện chủ yếu xảy ra đối với bức xạ có năng lượng thấp và
vật chất nặng (Z lớn). Ngoài ra, hiệu ứng quang điện còn kèm theo việc phát tia X
đặc trưng và electron Auger.
Hiệu ứng quang điện là cơ chế hấp thụ bức xạ chủ yếu trong vật chất nặng.
d. Hiệu ứng tạo cặp
Là quá trình tương tác trong đó bức xạ biến mất trong trường hạt nhân sinh
ra một cặp electron và positron và truyền toàn bộ năng lượng cho cặp electron-
positron này và nhân giật lùi. Quá trình tương tác xảy ra chủ yếu với bức xạ có
1,022 MeV.

E
γ
≥


15
Các electron và positron sinh ra trong trường điện từ của hạt nhân nên dưới
tác động của lực Coulomb:
o Positron bay ra khỏi và electron bị hãm lại. Do đó, phổ năng lượng đo được
khác nhau với hai loại bức xạ này. Sự khác biệt càng lớn khi Z của môi
trường lớn.
o Năng lượng giật lùi của hạt nhân là đáng kể trong trường hợp hai hạt bay ra
vuông góc với bức xạ tới và ngược chiều nhau.

Hình 1.4: Hiệu ứng tạo cặp.

Xác suất của hiệu ứng tạo cặp thay đổi xấp xỉ tỉ lệ với và tăng đối với
các nguyên tố có Z cao chẳng hạn như chì hay uranium. Trong chì, xấp xỉ 20% số
tương tác của tia gamma 1,5 MeV là hiệu ứng tạo cặp, và tỉ lệ là 50% đối với tia
gamma có năng lượng 2 MeV. Đối với cacbon thì các tỉ lệ tương ứng là 2% và 4%.
2
Z
Trong khoảng năng lượng cao, do tiết diện của hiệu ứng quang điện và
Compton tiến về 0, vì vậy hiệu ứng tạo cặp trở thành cơ chế hấp thụ năng lượng
chủ yếu.
e. Hệ số hấp thụ tuyến tính:
Để ghi bức xạ gamma và đặc biệt đối với sự suy giảm của nó trong môi
trường, ba quá trình sau đây có ý nghĩa thực sự: hấp thụ quang điện, sự tạo cặp

16
trong trường hạt nhân sinh ra electron- position, và sự tán xạ của lượng tử gamma
lên electron tự do (tán xạ Compton).
Ta cần quan tâm đến xác suất để xảy ra các quá trình trên vì thế ta đưa vào
tiết diện tương tác
σ
. Tiết diện tương tác toàn phần là tổng tiết diện của các quá
trình. Tiết diện toàn phần vi mô (tính trên 1 nguyên tử vật chất) cho bởi:
qd C p
σ=σ +σ +σ
(1.9)
Nhân tiết diện vi mô (1.9) với số nguyên tử N có trong 1 cm
3
ta được hệ số
hấp thụ hay hệ số suy giảm tuyến tính, là xác suất trên mỗi cm để tương tác xảy ra.
qd C p
NN( )
μ
= σ= σ +σ +σ
(cm
-1
) (1.10)
Chùm gamma song song hẹp khi truyền qua vật chất có bề dày d giảm theo
qui luật:
0
IIexp( d)
=
−μ (1.11)
với I
0

: Số lượng tử γ đến tấm vật chất bề dày d.
I : Số lượng tử
γ có cùng năng lượng sau lớp vật chất.
Hệ số hấp thụ mô tả sự dịch chuyển của bức xạ gamma qua môi trường, nó
phụ thuộc vào tính chất của môi trường và năng lượng của lượng tử gamma.
Khi chia hệ số suy giảm tuyến tính cho mật độ vật chất
ρ (g/cm
3
), ta có hệ số
suy giảm khối:
μ
μ=
ρ
(cm
2
/g) (1.12)
Hệ số suy giảm khối là đại lượng có phần cơ bản hơn so với hệ số suy giảm
tuyến tính vì có thể áp dụng cho bất kì dạng nào của chất hấp thụ: rắn, lỏng, khí.
Công thức hệ số suy giảm khối đối với vật liệu là hợp chất:
ii
wμ= μ
∑
(1.13)
với là hệ số suy giảm khối của nguyên tố thứ i
i
μ
là trọng số của nguyên tố thứ i
i
w

17
Chùm tia gamma còn có thể được đặc trưng bằng quãng đường tự do trung
bình , được định nghĩa là khoảng cách trung bình trong vật chất giữa các tương
tác. Giá trị của nó được tính bằng công thức sau:
λ
0
0
t.exp( t)dt
1
exp( t)dt
∞
∞
−μ
λ= =
μ
−μ
∫
∫
(1.14)
1.1.2
Nguyên lý ghi nhận
Chúng ta ghi nhận bức xạ hạt nhân thông qua những tương tác của bức xạ với
vật chất. Năng lượng trao đổi (mất mát) của bức xạ trong quá trình tương tác sẽ
được biến đổi thành một dạng năng lượng khác phù hợp với quá trình ghi nhận.
Thông thường, năng lượng mất mát của bức xạ trong quá trình tương tác sẽ được
chuyển thành các xung điện. Các xung này mang những thông tin đặc trưng về bức
xạ và được xử lý thông qua các thiết bị điện tử của hệ thống ghi nhận. Cuối cùng
các tín hiệu này được biểu diễn dưới dạng số đếm hoặc các phổ bức xạ tùy vào thiết
bị lưu trữ hay mục đích ban đầu của thí nghiệm.

1.2 Hệ thống ghi nhận phổ bức xạ
1.2.1 Tổng quan
Một hệ thống ghi nhận bức xạ có thể chia làm ba phần cơ bản:
o Phát hiện bức xạ và chọn lựa số liệu.
o Lưu trữ số liệu.
o Điều khiển.
Tùy thuộc vào yêu cầu và mục đích của việc ghi nhận mà mỗi hệ sẽ có mức
độ đơn giản hay phức tạp khác nhau[1]. Một hệ ghi nhận phổ hạt nhân tiêu biểu
được mô tả trong Hình 1.5.


18

Hình 1.5: Hệ thiết bị hạt nhân tiêu biểu[1]
.
a.
b.
Phát hiện và ghi nhận số liệu
Phần này bao gồm detector là nơi bức xạ tương tác với môi trường vật chất
của detector qua đó chuyển hóa năng lượng tiêu hao của bức xạ thành các tín hiệu
điện dưới dạng các xung. Các xung này mang những thông tin về bức xạ ghi nhận
như cường độ, năng lượng cũng như loại bức xạ. Sau đó, các xung này được chuyển
qua bộ khuếch đại để làm tăng biên độ. Tiếp đến, bộ phận phân tách có nhiệm vụ
loại bỏ các xung không phù hợp với mục đích ghi nhận, các xung có biên độ nhỏ
hơn một giá trị ngưỡng đặt trước. Ngoài ra, với mục đích đặc biệt, phần ghi nhận
còn có bộ trùng phùng hoặc đối trùng phùng để xem xét các xung xuất hiện đồng
thời hay không đồng thời từ hai hay nhiều hệ đo.
Phần lưu trữ dữ liệu
Phần tiếp theo của hệ ghi nhận bức xạ là một hệ thống bao gồm các thiết bị
điện tử có tác dụng lưu trữ các thông số về bức xạ được ghi nhận thông qua phần

phát hiện và ghi nhận. Tùy thuộc vào mục đích thực nghiệm cũng như thiết kế hệ đo
mà phần này có thể là một máy đếm, máy đo tốc độ đếm hoặc thiết bị phân tích
xung hay là một hệ thống các thiết bị trên. Nếu phần này là một máy phân tích độ
cao xung thì chức năng của nó nối tiếp ngay sau bộ phận thứ nhất vì máy phân tích


19
có thể phân chia các xung theo biên độ vào các phần khác nhau của bộ phận lưu trữ
dữ liệu trong chính nó.
c.
d.
Hệ điều khiển
Tầng cuối cùng trong một hệ ghi nhận có chức năng điều khiển toàn bộ hệ
thiết bị và ghi nhận, biểu diễn số liệu. Việc biểu diễn số liệu có thể thông qua đồ thị,
các màn hình biểu diễn hay suất ra dưới dạng băng từ, file. Hiện nay, thành phần
này có thể tích hợp vào một máy vi tính cá nhân.
Một vài hệ thống điển hình[1]
o
Hệ thống đếm xung: Đây là một trong những hệ thống đơn giản với mục
đích chủ yếu là thống kê số lượng bức xạ được phát ra ở một giới hạn năng
lượng đặt trước. Sơ đồ khối đơn giản của một hệ thống như trên được mô
tả trong Hình 1.6.

Hình 1.6: Hệ đếm xung đơn giản[1].

o Hệ thống đo phổ bức xạ: đây là hệ phổ kế được sử dụng để đo năng lượng
của bức xạ. Hình 1.7 mô tả một hệ đo phổ bức xạ.

Hình 1.7: Hệ đo phổ bức xạ[1].

20
Detector và bộ khuếch đại sẽ được chọn sao cho biên độ tín hiệu xung ra có
quan hệ tuyến tính với năng lượng của bức xạ. Xung ra sẽ được xử lý thông
qua một máy phân tích độ cao xung (đơn kênh hoặc đa kênh) rồi qua máy
đếm. Hệ thiết bị được kiểm soát tốc độ đếm một cách liên tục nhờ máy đo
tốc độ đếm.
o Hệ đo trùng phùng: Là hệ thống tương đối phức tạp, có thể đếm số xung
trùng phùng ở lối ra từ hai detector đồng thời tiến hành lấy phổ biên độ một
cách độc lập. Sơ đồ khối của một hệ như trên được mô tả như Hình 1.8.
Điều khiển
tự động
Detector
Khuếch
đại
Ghi nhận
Trùng
phùng
Phân tích
biên độ
Máy đếm
xung
Thì kế
Máy đếm
xung
Máy đếm
xung
Máy đếm
xung

Phân tích
biên độ
Khuếch
đại
Detector
Hình 1.8: Hệ thống đếm trùng phùng[1].
1.2.2
Các thiết bị trong hệ đo bức xạ
a. Detector[1],[3]
Detector là thành phần chính của một hệ ghi nhận bức xạ. Chức năng chính
của chúng là phát hiện và chuyển đổi năng lượng của các bức xạ. Khi bức xạ đi vào
detector, nó sẽ tương tác với môi trường vật chất của detector và mất toàn bộ hay
một phần năng lượng của nó cho detector. Năng lượng hao hụt này sẽ được chuyển
đổi thành xung ở lối ra.


21
Một vài loại detector thường dùng là:
o Detector nhấp nháy (NaI, Plastic . . .).
o Detector bán dẫn (HPGe, Si(Li). . .).
o Detector chứa khí (buồng ion hóa, ống đếm tỉ lệ, detector Geiger Muller).
o Ống đếm Cerenkov.
b. Hệ thống điện tử[1],[3]
Một hệ thống điện tử phục vụ cho việc ghi nhận bức xạ bao gồm rất nhiều
thành phần. Chúng thường được chia thành các khối (Module) khác nhau, mỗi khối
thực hiện một công việc cụ thể. Các khối chủ yếu của hệ ghi nhận bức xạ :
o Khối cao thế: cung cấp điện áp cho detector hoạt động.
o Khối tiền khuếch đại: tạo ra kết nối tối ưu giữa lối ra của detector và các
khối điện tử phía sau của hệ phổ kế, loại bỏ ảnh hưởng của các xung nhiễu.
o Khối khuếch đại: chức năng chính là khuếch đại biên độ của xung. Nó có

thể khuếch đại biên độ xung lên hàng nghìn lần hoặc nhiều hơn. Một chức
năng quan trọng nữa của khối khuếch đại là biến đổi dạng xung của khối
tiền khuếch đại thành dạng phù hợp với mục đích của thực nghiệm. Đa số
khối khuếch đại cho ra hai dạng xung: xung đơn cực và xung đa cực.
o Khối phân biệt biên độ hay khối phân tích đơn kênh: nhiệm vụ chính của
khối này là loại bỏ nhiễu hay loại bỏ các xung không mong muốn. Thường
khối này có hai chế độ làm việc: là phân biệt chế độ xung và phân tích đơn
kênh.
o Bộ đếm: bộ đếm dùng để đếm số xung xuất hiện ở lối ra của khối phân tích
đơn kênh (phân biệt biên độ xung). Cứ mỗi lần xuất hiện xung đến bộ đếm
thì số đếm sẽ tăng một đơn vị. Khi thời gian đo kết thúc, bộ đếm sẽ hiển thị
tổng số đếm.
o Khối thời gian: được nối với khối đếm, chức năng chính của khối này là
điều khiển hoạt động của khối đếm.


22
o Khối phân tích đa kênh: chức năng chính của khối này là số hóa biên độ
của xung. Khối này còn được gọi là khối biến đổi tương tự–số ADC
(Analog to Digital Converter). Kết quả làm việc của ADC là một con số mà
độ lớn của nó tỉ lệ với biên độ của xung vào. Độ phân giải của ADC là độ
lớn của nó, còn gọi là số kênh và thường có các giá trị là: 256, 512,1024,
2048, 4096, 8192. Các khối phân tích đa kênh hiện đại thường được lắp đặt
trong các máy vi tính dưới dạng các card tích hợp và có nhiều chức năng
quan trọng cho người sử dụng, đặc biệt là các chức năng phân tích phổ.
1.3 Các đặc trưng của phổ bức xạ
1.3.1 Hình dạng phổ bức xạ[12]
Phổ bức xạ của nguồn thường bao gồm những vạch rời rạc với bề rộng rất nhỏ.
Đỉnh hấp thụ toàn phần của các phổ này có thể chỉ chiếm một phần nhỏ trong số
đếm tổng nhưng mang lại rất nhiều thông tin hữu ích, phần còn lại của phổ có thể

coi như phổ phông. Phổ bức xạ được ghi nhận thông qua các tương tác của bức xạ
đó trong detector như hiệu ứng quang điện, tán xạ Compton hay hiệu ứng tạo cặp.
Hiệu ứng quang điện sinh ra một xung tương ứng với năng lượng toàn phần
của bức xạ nếu các điều kiện sau được đảm bảo:
o Các tia X thứ cấp phải được hấp thụ hoàn toàn trong detector.
o Các electron quang điện phải mất hết năng lượng trong detector.
o Các hiệu ứng phụ đóng vai trò không đáng kể trong việc hình thành xung.
Đối với tán xạ Compton, nếu các electron Compton bị mất hết năng lượng
trong detector thì nó tạo ra một phân bố năng lượng liên tục từ 0 đến E/(1+m
0
c
2
/E),
với E là năng lượng bức xạ tới và m
0
c
2
là năng lượng nghỉ của electron. Những bức
xạ bị tán xạ, có năng lượng nằm trong khoảng E/(1+m
0
c
2
/E) đến E, có thể tương tác
tiếp trong detector theo hai cách:
o Nếu nó bị hấp thụ hoàn toàn bởi hiệu ứng quang điện, xung tổng cộng sẽ
được tính vào đỉnh hấp thụ toàn phần.


23
o Nếu nó tiếp tục gây ra tán xạ Compton và bức xạ sau đó thoát ra khỏi

detector thì xung sẽ được tính vào phần phổ liên tục bên dưới đỉnh quang
điện.
Khi năng lượng bức xạ tới lớn hơn 1,022 MeV thì lúc đó hiệu ứng tạo cặp bắt
đầu đóng góp vào phổ bức xạ.
o Nếu động năng của cặp electron–positron bị hấp thụ hoàn toàn và bức xạ
phát ra từ sự hủy positron thoát ra khỏi detector thì nó sẽ tạo thành đỉnh
thoát đôi tại năng lượng E – 2m
0
c
2
trong phổ.
o Nếu chỉ một thành phần bức xạ của sự hủy positron thoát ra khỏi detector
thì sẽ tạo thành đỉnh thoát đơn tại mức năng lượng E – m
0
c
2
.
o Nếu cả hai tia bức xạ hủy positron đều bị hấp thụ thì xung tổng cộng sẽ
đóng góp vào đỉnh quang điện hoặc phần phổ nằm trong khoảng năng
lượng từ E – 2m
0
c
2
đến E – m
0
c
2
.
Các tương tác trên hình thành trên phổ bức xạ các đỉnh đặc trưng. Hình 1.9
trình bày phổ gamma lý thuyết được ghi nhận. Có hai nhân tố đóng góp vào phổ

gamma quan sát được làm khác biệt so với phổ lý thuyết, một là sự nở rộng tự nhiên
của năng lượng photon và hai là khả năng ghi nhận của hệ đo. Tuỳ theo cách bố trí
những vật liệu che chắn trong hệ đo ví dụ như loại vật liệu che chắn, hệ chuẩn trực
cho tia, khay đựng nguồn,… trong phổ sẽ xuất hiện những đỉnh đặc trưng được mô
tả trong Hình 1.10, Hình 1.11. Những đỉnh này được tạo thành do các bức xạ tán xạ
từ vật liệu xung quanh đi vào detector.

Hình 1.9: Phổ gamma lý thuyết.




24

Hình 1.10: Các đỉnh đặc trưng của phổ gamma.


Hình 1.11: Phổ gamma của nguồn Am-Be.

Các đỉnh đặc trưng của phổ gamma bao gồm :
o Đỉnh quang điện: Đỉnh hình thành do quá trình hấp thụ toàn phần năng
lượng gamma tới.