CHƯƠNG TRÌNH XỬ LÝ PHỔ GAMMA TỰ ĐỘNG VÀ NHẬN DIỆN ĐỒNG VỊ PHÓNG XẠ

CHƯƠNG TRÌNH XỬ LÝ PHỔ GAMMA TỰ ĐỘNG VÀ NHẬN DIỆN
ĐỒNG VỊ PHÓNG XẠ

TRỊNH QUANG VINH
Văn phòng Đại học Quốc gia Tp.Hồ Chí Minh


Tóm tắt: Hệ phổ kế gamma phông thấp HPGe tại Bộ môn Vật lý Hạt nhân (BM VLHN),
khoa Vật lý – Vật lý kỹ thuật (VL-VLKT), trường Đại học Khoa học Tự nhiên (ĐH KHTN), Đại học
Quốc gia Tp. Hồ Chí Minh (ĐHQG-HCM) phụ thuộc quá lớn vào chương trình xử lý phổ đang được
sử dụng duy nhất hiện nay là Genie-2K (phần mềm kèm theo hệ phổ kế gamma phông thấp HPGe).
Phiên bản phần mềm Genie-2K tại Bộ môn chỉ dừng lại việc tính toán diện tích đỉnh, chưa nhận diện
được các đồng vị phóng xạ trong mẫu. Vì vậy, vấn đề xây dựng một chương trình xử lý phổ gamma tự
động vẫn đang là mục tiêu nghiên cứu của nhiều tác giả. Mục đích chính của báo cáo là bước đầu xây
dựng một chương trình xử lý phổ gamma tự động bao gồm tìm kiếm đỉnh phổ tự động; tính toán diện
tích đỉnh; nhận diện đồng vị phóng xạ và thực nghiệm so sánh với mẫu chuẩn.
Từ khóa: HPGe High Purity Germanium
I. MỞ ĐẦU
Chương trình xử lý phổ gamma tự động Gamma Spectrum được viết dựa trên ngôn
ngữ lập trình C#, xây dựng giao diện bằng WPF (Windows Presentation Foundation) trên môi
trường Microsoft Visual Studio 2010.

Hình 1. Giao diện chính của chương trình
Một số module và gói chính trong chương trình Gamma Spectrum: Module Đọc và
hiển thị phổ; Module Làm trơn phổ; Module Trừ phông; Module Chuẩn năng lượng và bề
rộng đỉnh; Module Tính diện tích đỉnh; Gói Tìm đỉnh phổ tự động; Gói Nhận diện đồng vị
phóng xạ; Gói Xác định hoạt độ nguồn, tra cứu thư viện đồng vị; Gói Xác định hàm lượng

nguyên tố trong mẫu.
II. THỰC NGHIỆM

1. Chuẩn năng lượng, bề rộng đỉnh:
Việc chuẩn năng lượng thường được làm trước khi tiến hành việc đo đạc để lấy phổ và
thường được xem như là một phần của việc khởi động hệ đo. Việc chuẩn năng lượng bao gồm
những bước sau: đo phổ của một nguồn phóng xạ có năng lượng gamma phát ra đã được biết
trước; xác định các đỉnh gamma có trong phổ theo thứ tự; cung cấp năng lượng tương ứng với
các đỉnh được xác định. Từ đó thiết lập mối quan hệ giữa năng lượng gamma và số kênh theo
hàm bậc nhất.
E = A + B.K (1)
Tương tự việc chuẩn bề rộng đỉnh sẽ góp phần nâng cao tính chính xác của việc tính
toán diện tích đỉnh cũng như xác định đỉnh chập. Các đỉnh gamma thường được xấp xỉ dưới
dạng Gauss và bề rộng một nửa chiều cao (FWHM) của đỉnh thường được làm khớp theo
năng lượng dưới dạng

FWHM A B E
 

(2)

Bảng số liệu kênh, năng lượng, bề rộng đỉnh tương ứng của 7 nguồn chuẩn giả điểm
thu được từ phổ 7_nguon_chuan.TKA được nêu trong bảng 1. Sau đó làm khớp đường chuẩn
năng lượng, bề rộng đỉnh và cho kết quả bởi công thức (3) và (4)
Bảng 1. Kênh, năng lượng, bề rộng đỉnh tương ứng của 7 nguồn chuẩn giả điểm
Đồng vị
133
Ba

109
Cd

57

Co

57
Co

133
Ba

133
Ba

133
Ba

133
Ba

137
Cs

54
Mn

60
Co

22
Na

60

Co

Kênh
320
350 494
556
1150
1262
1488
1607
2788
3523
4963
5393 5640
Năng lư
ợng
81,2
88,2 122,1
136,7
276,4
302,8
355,9
383,9
661,7
834,6
1173,3
1274,41332,5
FWHM
0,9915
1,00441,0600

1,0815
1,2472
1,2732
1,3225
1,3469
1,5528
1,6591
1,8393
1,88781,9149
E = 5,91200 + 0,23522.K (3)

FWHM 0,68887 0,03359 E
 

(4)

Hình 2. Giao diện chuẩn năng lượng theo kênh

2. Tính diện tích bằng phương pháp Quitter:
Phương pháp Quittner được đưa ra nhằm hiệu chỉnh những sai sót khi giả thiết đưa ra
là phông tuyến tính. Theo đó, phông bên dưới vùng đỉnh được mô tả bởi một đa thức bậc hai
theo kênh. Cách xây dựng đường phông bậc hai này như sau: mỗi phía trái và phải ta lấy một
số kênh, phông của phía trái và phải vùng đỉnh sẽ nhận được bằng cách làm khớp số đếm tại
các kênh này với đa thức bậc hai. Số đếm và độ dốc tại các kênh giữa tính theo đa thức làm
khớp của các vùng phông sẽ dùng để xây dựng đa thức bậc ba mô tả phông trong vùng đỉnh.
Diện tích đỉnh theo phương pháp này sẽ được tính bởi công thức (5)

n
i i
i n

S (N C )

 

(5)
Với C(i) là phông tại kênh thứ i được tính bởi đa thức bậc hai cho ở (6)

i l l p l
2
r l r l
p l
2
3
l r r l
p l
3 2
C p q (x i x )
3(p p ) (q q )
(x i x )
M M
2(p p ) (q q )
(x i x )
M M
   
 
 
   
 
 
 

 
   
 
 
(6)
Trong đó:
x
p
là kênh trung tâm;
x
l
, x
r
là kênh tâm của vùng phông bên trái và phải của đỉnh p
l
,p
r
giá trị đa thức
bậc hai tại x
l
, x
r
;

q
l
,q
r
là độ dốc của các đa thức bậc hai tại x
l

, x
r
.

Hình 3. Giao diện tính diện tích đỉnh của đồng vị
22
Na (1274,5 keV) từ phổ
7_nguon_chuan.TKA


Hình 4. Giao diện nhận diện đồng vị phóng xạ
137
Cs (661,7 keV) từ phổ
7_nguon_chuan.TKA
Để kiểm định tính đúng đắn của chương trình, chúng tôi đã so sánh với một trong
những chương trình xử lý phổ thông dụng nhất hiện nay là chương trình Genie2K. Các phổ
được dùng để so sánh là phổ của các nguồn chuẩn giả điểm Na
22
, Mn
54
, Co
57
, Co
60
, Cd
109
,
Ba
133
và Cs

137
đo được mượn từ khoa Vật lý, trường Đại học Sư phạm Tp.HCM và được đo
bởi hệ phổ kết HPGe tại BM VLHN.
Nguồn chuẩn giả điểm có dạng trụ nhỏ với đường kính 2mm, chiều cao 2mm, được
phủ một lớp plastic dày 1mm, có đường kính toàn phần 3cm, chiều cao toàn phần 4mm.


(a) (b)
Hình 5. Mặt cắt dọc (a) và mặt cắt ngang (b) của nguồn chuẩn giả điểm
Bảng 2. Các thông số của các nguồn chuẩn giả điểm
Đồng vị

Nănglư
ợ
ng
(keV)
Xác suất phát trên
một phân rã (%)
Chu kỳ bán rã (ngày)
1 năm = 365,2422 ngày

Hoạt độ
(Bq)
Ngày
sản xuất
E y

y
T
1/2


T
1/2

A
0
T
133
Ba 81,2 32,90 0,30 3848,7 1,2 37000 15/1/08

109
Cd 88,2 3,626 0,020 461,4 1,2 37000 15/1/08
57
Co 122,1 85,51 0,06 271,80 0,05 37000 15/1/08
57
Co 136,7 10,71 0,15 271,80 0,05 37000 15/1/08
133
Ba 276,4 7,16 0,05 3848,7 1,2 37000 15/1/08
133
Ba 302,8 18,34 0,13 3848,7 1,2 37000 15/1/08
133
Ba 355,9 62,05 0,19 3848,7 1,2 37000 15/1/08
133
Ba 383,9 8,94 0,06 3848,7 1,2 37000 15/1/08
137
Cs 661,7 84,99 0,20 10990 40 26886 15/1/08
54
Mn 834,6 99,9746 0,0011 312,29 0,26 37000 15/1/08
60

Co 1173,3 99,85 0,03 1925,28 0,27 37000 15/1/08
22
Na 1274,4 99,940 0,014 950,57 0,23 37000 15/12/07
60
Co 1332,5 99,9826 0,0006 1925,28 0,27 37000 15/1/08
Đầu dò bức xạ gamma HPGe (High Pure Germanium Detector) được trang bị tại BM
VLHN là đầu dò bức xạ loại p có cấu tạo như trong Hình 6.

Hình 6. Sơ đồ cấu tạo đầu dò HPGe
III. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Các kết quả tính diện tích đỉnh và nhận diện đồng vị phóng xạ bởi hai chương trình
được cho trong Bảng 3, Bảng 4, Bảng 5, Bảng 6.
Bảng 3. So sánh kết quả xử lý từ Genie2K và Gamma Spectrum đối với 7 nguồn đo độc lập ở
khoảng cách 1K
Đồng vị

Thời gian
đo (s)
Vị trí
đỉnh
Năng
lượng
(keV)
Genie2K Gamma Spectrum
Tỉ lệ hai

diện tích

Diện tích đỉnh Nhận Diện tích đỉnh Nhận

t K E S

S (%)

diện
S

S (%)

diện
133
Ba 300

320

81,2

97297

0,34


97600

0,21

133
Ba 0,997

109

Cd 2100

350

88,2

11293

1,02


11187

1,10

109
Cd 1,009

57
Co 2400

494

122,1

74419

0,38

74678

0,62

57
Co 0,997

57
Co 2400

555

136,4

8975

1,14


8860

0,98

57
Co 1,013

133
Ba 300

1149

276,2

13353

0,95


13497

1,33

133
Ba 0,989

133
Ba 300

1262

302,8

31830

0,59


31868

2,01

133
Ba 0,999

133
Ba 300

1488

355,9

92393

0,33


92253

0,30

133
Ba 1,002

133
Ba 300

1606

383,7

12778

0,91


12765

0,85

133
Ba 1,001

137
Cs 300

2788

661,7

69533

0,38


69489

0,58

137
Cs 1,001

54
Mn 600

3523

834,6

9473

1,03


9535

0,31

54
Mn 0,993

60
Co 300

4961

1172,9

31865

0,58

32044

0,32

60
Co 0,994

22
Na 300

5394

1274,7

18123

0,75


18096

0,37

22
Na 1,001

60
Co 300

5637

1331,9

28488

0,60


28494

0,26

60
Co 1,000

Bảng 4. So sánh kết quả xử lý từ Genie2K và Gamma Spectrum đối với 7 nguồn đo độc lập ở
khoảng cách 2K
Đồng vị

Thời gian
đo (s)
Vị trí
đỉnh
Năng
lượng
(keV)
Genie2K Gamma Spectrum
Tỉ lệ

hai
diện tích

Diện tích đỉnh
Nhận
diện
Diện tích đỉnh
Nhận
diện
t K E S

S (%)

S

S (%)

133
Ba 600

320

81,2

80665

0,38


80211

1,08

133
Ba 1,006

109
Cd 3600

349

88,2

7807

1,29


7674

1,33

109
Cd 1,017

57
Co 5400

494

122,1

67862

0,40


67888

0,38

57
Co 1,000

57
Co 5400

555

136,4

8218

1,29


8377

4,24

57
Co 0,981

133
Ba 600

1149

276,2

11907

1,00


11866

2,17

133
Ba 1,003

133
Ba 600

1262

302,8

27893

0,62


27710

1,09

133
Ba 1,007

133
Ba 600

1488

355,9

81628

0,35


81732

0,15

133
Ba 0,999

133
Ba 600

1606

383,7

11265

0,96


11296

0,74

133
Ba 0,997

137
Cs 600

2788

661,7

61145

0,41

61076

0,68

137
Cs 1,001

54
Mn 1500

3523

834,6

10054

1,01


10110

0,09

54
Mn 0,994

60
Co 900

4961

1172,9

43421

0,49


43394

0,54

60
Co 1,001

22
Na 600

5394

1274,7

16940

0,77


16816

0,76

22
Na 1,007

60
Co 900

5637

1331,9

38773

0,51


38983

0,32

60
Co 0,995

Bảng 5. So sánh kết quả xử lý từ Genie2K và Gamma Spectrum đối với 7 nguồn đo độc lập ở
khoảng cách 5K
Đ
ồng vị

Thời

gian đo
(s)
Vị trí
đỉnh
Năng
lượng
(keV)
Genie2K Gamma Spectrum
Tỉ lệ
hai
diện tích

Diện tích đỉnh
Nhận
diện
Diện tích đỉnh
Nhận
diện
t K E S

S (%)

S

S (%)


133
Ba 2500

320

81,2

71201

0,42


71021

1,80

133
Ba 1,003

109
Cd 21600

350

88,2

9430

1,60


9254

2,06

109
Cd 1,019

57
Co 18000

494

122,1

48382

0,51


47885

1,06

57
Co 1,010

57
Co 18000

555

136,4

6070

2,03


5620

2,26

57
Co 1,080

133
Ba 2500

1149

276,2

11594

1,08


11681

0,11

133

Ba 0,993

133
Ba 2500

1262

302,8

27727

0,63


27538

2,25

133
Ba 1,007

133
Ba 2500

1488

355,9

80551

0,36


80468

0,51

133
Ba 1,001

133
Ba 2500

1606

383,7

10698

0,98


10728

1,18

133
Ba 0,997

137

Cs 1800

2788

661,7

43634

0,48


43614

0,07

137
Cs 1,000

54
Mn 5000

3523

834,6

7897

1,14

7807

2,67

54
Mn 1,012

60
Co 2400

4961

1172,9

28006

0,62


28015

1,14

60
Co 1,000

22
Na 2400

5395

1274,9

16518

0,78


16578

0,06

22
Na 0,996

60
Co 2400

5640

1332,5

25110

0,64


25008

0,60

60
Co 1,004

Bảng 6. So sánh kết quả xử lý từ Genie2K và Gamma Spectrum đối với 7 nguồn đo cùng
nhau đặt sát đầu dò
Đ
ồng vị

Thời
gian đo
(s)
Vị trí
đỉnh
Năng
lượng
(keV)
Genie2K Gamma Spectrum
Tỉ lệ
hai
diện tích

Diện tích đỉnh
Nhận
diện
Diện tích đỉnh
Nhận
diện
t K E S
S (%)

S
S (%)

133
Ba 2700

320

81,2

81356

0,43


80895

0,38

133
Ba 1,006

109
Cd 2700

350

88,2

343

53,98


801

74,14

109
Cd 0,428

57
Co 2700

494

122,1

7531

2,78


7782

5,91

57
Co 0,968

57
Co 2700

556

136,7

779

25,14


755

116,62

57
Co 1,032

133
Ba 2700

1150

276,4

13792

1,47

14881

3,83

133
Ba 0,927

133
Ba 2700

1262

302,8

32276

0,75


31970

5,06

133
Ba 1,010

133
Ba 2700

1488

355,9

94336

0,36


94730

0,92

133
Ba 0,996

133
Ba 2700

1607

383,9

13022

1,27


13386

1,91

133
Ba 0,973

137
Cs 2700

2788

661,7

71578

0,39


71602

0,49

137
Cs 1,000

54
Mn 2700

3523

834,6

4415

2,39


4714

12,37

54
Mn 0,937

60
Co 2700

4963

1173,3

34365

0,56


34447

1,16

60
Co 0,998

22
Na 2700

5393

1274,4

20298

0,72


20288

0,20

22
Na 1,000

60
Co 2700

5640

1332,5

30819

0,57


30750

0,13

60
Co 1,002

Từ việc so sánh, kết quả của chương trình xử lý phổ tự động Gamma Spectrum cho
thấy độ sai lệch không đáng kể so với kết quả thu được từ chương trình Genie2K. Tỉ lệ diện
tích giữa các kết quả thu được cho thấy chương trình chạy tương tối ổn định.

IV. KẾT LUẬN
Chương trình xử lý phổ gamma tự động Gamma Spectrum có khả năng thực hiện được
một số thao tác cơ bản như: đọc và hiển thị phổ; trừ phông; chuẩn năng lượng và bề rộng
đỉnh; tính diện tích đỉnh đã được so sánh với một trong những chương trình xử lý phổ thông
dụng nhất hiện nay là Genie2K với độ sai lệch không đánh kể. Chương trình đã cải tiến hơn
Genie2K tại bộ môn là gói nhận diện đồng vị phóng xạ nguồn đơn và đa nguồn cho kết quả
khá chính xác.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Charles Hacker (2009), “ Radiation decay ”, Version 4.1, FreeWare.
[2] 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.
[3] IAEA-TECDOC-1011(1998), Intercomparison of gamma ray analysis software packages,
IAEA.
[4] K. Debertin- R.G. Helmer (1988), Gamma and X – Ray spectrometry with semiconductor

detectors, North Holland, Amsterdam.
[5] Lê Hông Khiêm (2008), Phân tích số liệu ghi nhận trong phổ bức xạ, NXB Đại học Quốc
gia, Hà Nội.
[6] Nguyen Trung Tính (2007), Giáo trình xử lý tự động phổ hạt nhân, NXB Đại học Quốc
gia, Hà Nội.

PROGRAM OF AUTO ANALYSIS OF GAMMA SPECTRUM AND
IDENTIFICATION OF RADIOACTIVE ISOTOPES

TRINH QUANG VINH
Ho Chi Minh National University Office


Abstract: Low font spectrometer system HPGe at Nuclear Physics Branch, Physics –
Technical Physics Faculty, University of Science, Ho Chi Minh National University; depends too
heavily on analysis program of spectrum which is commonly being use today – Genie-2K (software
attached low font spectrometer system HPGe). Version of Genie-2K software at the Branch just stops
at calculation of peak area, do not identify radioactive isotopes in samples yet. Thus, to build up a
gamma spectrum automatically analyzing program is still a research objective of many researchers.
The main objective of the report is the first step to build a program processing auto gamma spectrum,
includes automatically searching peak, calculating peak area, identifying isotope and practicing
comparing with standard samples.
Key words: HPGe High Purity Germanium