Luận văn Thạc sĩ Vật lý Xử lý phổ gamma bằng thuật toán di truyền

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


BÙI QUANG KHÁNH




XỬ LÝ PHỔ GAMMA BẰNG THUẬT TOÁN DI TRUYỀN



Chuyên ngành: Vật lý Nguyên tử, Hạt nhân và Năng lượng cao
Mã số: 60-44-05


LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ



NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS. TS. MAI VĂN NHƠN





THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – NĂM 2009

1





LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình thực hiện quyển luận văn này, tôi ñã nhận ñược sự giúp ñỡ
rất to lớn từ thầy cô, gia ñình và bạn bè.
Tôi muốn gửi lời cảm ơn ñến thầy PGS. TS. Mai Văn Nhơn ñã giúp ñỡ,
hướng dẫn tôi rất nhiều 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, bộ môn Vật lý Hạt Nhân trường ñại học Khoa học Tự nhiên Thành
phố Hồ Chí Minh với những ý kiến ñóng góp, ý tưởng thực hiện cũng như những
lời khuyên giúp tôi có thể bổ xung, chính lý và sửa chữa kịp thời.
Cuối cùng xin cám ơn gia ñình và bạn bè cùng khóa ñã ñộng viên, giúp ñỡ
tôi ñể có thể hoàn thành quyển luận văn này.


2

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN. 1
MỤC LỤC 2
DANH MỤC BẢNG 4
DANH MỤC HÌNH VẼ, ðỒ THỊ 5
LỜI MỞ ðẦU 7
CHƯƠNG 1- SƠ LƯỢC VỀ PHỔ GAMMA 10
1.1 Nguyên lý ghi nhận phổ gamma 10

1.1.1 Tương tác của bức xạ với vật chất 10
1.1.2 Nguyên lý ghi nhận 16
1.2 Hệ thống ghi nhận phổ bức xạ 16
1.2.1 Tổng quan 16
1.2.2 Các thiết bị trong hệ ño bức xạ 19
1.3 Các ñặc trưng của phổ bức xạ 21
1.3.1 Hình dạng phổ bức 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


3

3.1.3 Ưu ñiểm của thuật toán di truyền 43
3.2 Làm khớp phổ gamma bằng thuật toán di truyền 43
CHƯƠNG 4- CHƯƠNG TRÌNH XỬ LÝ PHỔ GAMMA 46
4.1 Giới thiệu 46
4.2 Các thành phần của chương trình 47

4.2.1 Sơ ñồ khối chính 47
4.2.2 Module ñọc phổ và vẽ phổ 48
4.2.3 Module chuẩn năng lượng và bề rộng ñỉnh 49
4.2.4 Module xác ñịnh vị trí ñỉnh tự ñộng 49
4.2.5 Module làm khớp phổ và tính các thông số của 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 các ñỉnh chồng chập của 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



4

DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1 : Hằng số N
n,m
và C
k,n,m
32

Bảng 2.2: Các giá trị
m,n
∆
33

Bảng 5.1: So sánh các kết quả xử lý ñỉnh ñơn 57

Bảng 5.2: Tương quan kênh theo năng lượng 60

Bảng 5.3: Tách ñỉnh phổ ADD1N1 61

Bảng 5.4: Tách ñỉnh phổ ADD1N3 61

Bảng 5.5: Tách ñỉnh phổ ADD3N1 62

Bảng 5.6: Tách ñỉnh phổ ADD1N100 62

Bảng 5.7. So sánh kết quả xử lý GASPA và giá trị ban ñầu 65




5

DANH MỤC HÌNH VẼ, ðỒ THỊ
Hình 1.1: Tán xạ Rayleigh 10

Hình 1.2: Tán xạ Compton 11

Hình 1.3: Hiệu ứng quang ñiện 12

Hình 1.4: Hiệu ứng tạo cặp 14

Hình 1.5. Hệ thiết bị hạt nhân tiêu biểu 16

Hình 1.6. Hệ ñếm ñơn giản 18

Hình 1.7. Hệ thống ñếm trùng phùng 18

Hình 1.8. Hệ ño phổ bức xạ 19

Hình 1.9. Phổ gamma của nguồn Am-Be 22

Hình 1.10. Phổ gamma lý thuyết 23

Hình 1.11. Các ñỉnh ñặc trưng của phổ Gamma 23

Hình 3.1. Thuật toán di truyền 39

Hình 3.2. Kỹ thuật lai một ñiểm 41

Hình 3.3. Kỹ thuật lai 2 ñiểm 41

Hình 3.4. Kỹ thuật lai cắt và nối 42

Hình 4.1 Giao diện chính của chương trình 46

Hình 4.2 Sơ ñồ khối của Chương trình Xử lý phổ 47

Hình 4.3. Sơ ñồ khối của module ðọc & vẽ phổ 48

Hình 4.4. Sơ ñồ khối của module Chuẩn năng 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 Co
57
, Cs
137
, Mn
54
, Na
22
và Co
60
. 58

Hình 5.2. Làm khớp nhiều ñỉnh của phổ STRAIGHT.ASC 59



6

Hình 5.3. ðường chuẩn năng lượng theo kênh 60

Hình 5.4. Tách ñỉnh chồng chập năng lượng 352 keV phổ ADD1N1 62

Hình 5.5. Tách ñỉnh chồng chập năng lượng 352 keV phổ ADD1N3 63

Hình 5.6. Tách ñỉnh chồng chập năng lượng 352 keV phổ ADD3N1 63

Hình 5.7. Tách ñỉnh chồng chập năng lượng 352 keV phổ ADD1N100 64

Hình 5.8. Tách ñỉnh chập ba tự tạo 65




7

LỜI MỞ ðẦU

Trong quy trình phân tích ñồng vị phóng xạ dựa trên việc ño phổ gamma, vấn
ñề xử lý và tính toán các thông số của các ñỉnh Gamma xuất hiện trong phổ có vai
trò rất quan trọng, quyết ñịnh thành công của cả một quy trình. Các thao tác xử lý
phổ hiện nay phần lớn ñều dựa vào các phần mềm chuyên dụng chẳng hạn như các
Genie-2K, GammaVision, Sampo, Hypermet, . . . Các phần mềm này dựa trên nhiều
thuật toán khác nhau và ñều có những ưu khuyết ñiểm riêng. ðặc biệt trong việc xử
lý phổ có xuất hiện ñỉnh chập hoặc phổ của các mẫu có hoạt ñộ 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 ñề tìm kiếm một chương
trình xử lý phổ toàn diện vẫn ñang là mục tiêu nghiên cứu của nhiều nhà khoa học
trên thế giới.
ðể thúc ñẩy sự phát triển của các phương thức xử lý phổ, IAEA trong vòng
hơn 10 năm qua ñã tổ chức một số chương trình kiểm tra năng lực của các phần
mềm xử lý phổ, trong ñó 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 ñích chính là nhằm kiểm tra khả năng
của các phần mềm xử lý phổ trong việc tìm kiếm ñỉnh phổ tự ñộng, tính diện tích
ñỉnh ñộc lập với tỉ lệ ñỉnh/phông nền, khả năng phát hiện và xử lý ñỉnh chập. Ngoài
ra, một số phương pháp xử lý phổ cũng ñang ñược 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 ñược sử dụng rộng rãi nhất, trong nhiều lĩnh vực: trí tuệ nhân tạo,
thiết kế tự ñộng hóa, chế tạo robot, phân tích thị trường, quản lý mạng dữ liệu, . . .
và ñược nhiều nhà khoa học trên thế giới quan tâm phát triển. Ưu ñiểm của thuật
toán này là có khả năng tìm kiếm lời giải trên vùng không gian tìm kiếm phức tạp,


8

nhiều tham số, và có thể loại trừ ñược các tối ưu cục bộ. ðã 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 ñặc biệt là với nguồn bức xạ hoạt ñộ thấp.
Chương trình xử lý phổ này sẽ bao gồm nhiều thuật toán ñể xử lý phổ bức xạ
gamma, trong ñó chủ yếu tập trung vào thuật toán di truyền ñể làm khớp phổ, tách
các ñỉnh chồng chập nếu có. Phần mềm xử lý phổ ñược xây dựng như vậy có thể
nâng cao tính chính xác trong việc ñánh giá hoạt ñộ với hệ phổ kế gamma phông
thấp ñang có. Mà ñiều ñó là cần thiết trong việc ñánh giá các mẫu phóng xạ có hoạt
ñộ tương ñối thấp như mẫu môi trường.
Mục ñích chính của luận văn là bước ñầu xây dựng một chương trình xử lý
phổ gamma tự ñộng dựa trên việc tối ưu các thông số của hàm 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 ñánh giá hoạt ñộ nguồn, mẫu
phóng xạ ñược ño bằng hệ phổ kế gamma phông thấp HPGe bên cạnh chương trình
xử lý phổ ñang ñược sử dụng duy nhất hiện nay là Genie-2K tại Bộ môn Vật lý Hạt
nhân.
Với mục ñích 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 ñược dùng ñể ghi nhận phổ gamma và nguyên lý ghi nhận tín hiệu
trong hệ phổ kế gamma. ðồng thời một số ñặc trưng quan trọng của phổ gamma
chẳng hạn như dạng của ñỉnh, phông nền cũng như các ñỉnh ñặc trưng của phổ
gamma cũng ñược nêu trong chương này
Chương 2: Các phương pháp xử lý phổ tự ñộng, bao gồm các phương pháp
chuẩn năng lượng, bề rộng ñỉnh, các thuật toán tìm ñỉnh, làm trơn, tính toán làm
khớp các thông số và tính toán diện tích của ñỉnh.


9

Chương 3: Giới thiệu khái niệm và những kiến thức cơ bản về thuật toán di
truyền; các phép di truyền, lai, ñột 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 ñọc phổ, tìm ñỉnh, tính toán diện tích, . . . Các sơ ñồ khối, ñặc ñiểm và cách
thức hoạt ñộng của các module xử lý trong chương trình cũng ñược nêu ra cụ thể.
Chương 5: Một số kết quả tính toán ñược từ chương trình ñối với các phổ
nguồn ñiểm (Co
57
, Cs
137
, Mn
54
, Na
22
, Co
60
) ño ñược từ detector HPGe với tại Bộ

môn Vật lý Hạt nhân, các kết quả này ñược so sánh với kết quả thu ñược từ Genie-
2K ñể kiểm ñịnh tính ñúng ñắn của chương trình. ðồng thời khả năng xử lý ñỉnh
chập của chương trình cũng ñược kiểm tra với các phổ test của IAEA.


10

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 ñi vào môi trường, chúng sẽ tương tác với môi trường ñó
thông qua 4 loại tương tác chính sau:
o Tán xạ Rayleigh
[12]
.
o Tán xạ Compton
o Hiệu ứng quang ñiện.
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. ðây là tán xạ xảy ra chủ yếu khi bức xạ có năng lượng thấp và
môi trường có Z lớn

Hình 1.1: Tán xạ Rayleigh
Tiết diện vi phân cho bởi công thức sau
[12]
:

( )

( )
2
2 2
R
e
d 1
r 1 cos F x,z
d 2
σ
= + θ
Ω
(1.1)
Photon tán xạ
Photon tới


11

Lấy tích phân (1.1) ta có tiết diện tán xạ Rayleight toàn phần
( )
( )
2
2
R e
1
r 2 1 cos F x,z dcos
2
σ = π + θ θ
∫
(1.2)

b. Tán xạ Compton
Là tương tác của bức xạ với các electron tự do trong ñó bức xạ truyền một
phần năng lượng cho electron và lệch hướng so với ban ñầu.

Hình 1.2: Tán xạ Compton
Tiết diện tán xạ vi phân của tán xạ Compton ñược tính bởi Tamn và Klein-
Nishina và kiểm chứng bằng thực nghiệm:
( )
( )
( )
( )
2
2
2
2
C
e
2
2
1 cos
d 1 cos
r 1
d
1 cos 1 1 cos
2 1 1 cos
 
 
α − θ
σ + θ
  

= +
  
Ω
+ θ  + α − θ 
 + α − θ 
  
 
 
 
 
(1.3)
với
2
e
2
e
e
r
m c
=

2
e
E
m c
α =


θ
góc tán xạ

Từ ñó :

2
C 0
2 2
1 k 2(1 k) ln(1 2k) ln(1 2k) 1 3k
2 r
k 1 2k k 2k (1 2k)
 
+ + + + +
 
σ = π − + −
 
 
+ +
 
 
(1.4)

Electron hóa trị
Electron Compton
Góc tán xạ
Photon tán xạ
Photon tới


12

Trường hợp ñặc biệt
o

α
<< 1 :
2
C Th
26
1 2
5
 
σ = σ − α + α +
 
 
(1.5)
với
4
Th
2 4
e
8 e
3 m c
π
σ = Tiết diện Thomson
o
α
>> 1:
2
C e
1 1
r ln 2
2
 

σ = π + α
 
α
 
(1.6)
c. Hiệu ứng Quang ñiện
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 ñiện chỉ xảy ra khi năng lượng bức
xạ tới lớn hơn năng lượng liên kết của electron. Hiệu ứng quang ñiện không xảy ra
với electron tự do.


Hình 1.3: Hiệu ứng quang ñiện
Tiết diện của hiệu ứng quang ñiện
qd
1
E
γ
σ ∝
Khi năng lượng bức xạ
E
γ
tiến dần ñến năng lượng liên kết
lk
E
thì tiết diện
quang ñiện tăng theo tỉ lệ
qd
7 / 2
1

E
σ ∝ .
Hiệu ứng quang ñiện chủ yếu xảy ra với các electron ở lớp K. Tiết diện của
nó phụ thuộc chủ yếu vào năng lượng bức xạ và ñiện tích hạt nhân môi trường.
Electron quang ñiện
Photon tới


13

Với năng lượng liên kết nhỏ( cỡ eV) và
lk
E E
γ
>
:
( )
7 / 2
16 5
qd
K
13,61
1,09.10 Z
E
−
γ
 
σ =
 
 

 
(1.7)
Với
E
γ
>>
lk
E
thì
( )
5
23
qd
K
Z
1,34.10
E
−
γ
 
σ =
 
 
 
(1.8)
ðối với những vật liệu nặng (Z lớn ) thì xác suất xảy ra hiệu ứng quang ñiện
lớn ngay cả với những tia gamma có năng lượng cao. ðối với những vật liệu nhẹ thì
hiệu ứng quang ñiện chỉ có ý nghĩa với những tia gamma có năng lượng thấp.
Tỉ số tiết diện của hiệu ứng quang ñiện 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 ñiện chủ yếu xảy ra ñối với bức xạ có năng lượng thấp và
vật chất nặng ( Z lớn). Ngoài ra, hiệu ứng quang ñiện còn kèm theo việc phát tia X
ñặc trưng và electron Auger.
Hiệu ứng quang ñiện là cơ chế hấp thụ bức xạ chủ yếu trong vật chất nặng.
d. Hiệu ứng tạo cặp

Là quá trình tương tác trong ñó 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
E
γ
≥
1,022 MeV.
Các electron và positron sinh ra trong trường ñiện từ của hạt nhân nên dưới
tác ñộng của lực Coulomb:
o Positron bay ra khỏi và electron bị hãm lại. Do ñó, phổ năng lượng ño ñược
khác nhau với hai loại bức xạ này. Sự khác biệt càng lớn khi Z của môi
trường lớn.


14

o Năng lượng giật lùi của hạt nhân là ñáng 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 ñổi xấp xỉ tỉ lệ với
2
Z
và tăng ñối với
các nguyên tố có Z cao chẳng hạn như chì hay uranium. Trong chì, xấp xỉ 20% số
tương tác là của tia gamma 1,5 MeV là hiệu ứng tạo cặp, và tỉ lệ là 50% ñối với tia
gamma có năng lượng 2 MeV. ðối với cacbon thì các tỉ lệ tương ứng là 2% và 4%.
Trong khoảng năng lượng cao, do tiết diện của hiệu ứng quang ñiện và
Compton giảm ñến 0, vì vậy hiệu ứng tạo cặp trở thành cơ chế hấp thụ năng lượng

chủ yếu.
e. Hệ số hấp thụ tuyến tính:
ðể ghi bức xạ gamma và ñặc biệt ñối với sự suy giảm của nó trong môi
trường, ba quá trình sau ñây có ý nghĩa thực sự : hấp thụ quang ñiện, sự tạo cặp
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 ñến xác suất ñể xảy ra các quá trình trên vì thế ta ñưa 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)
Electron
Bức xạ hủy
Positron
Photon tới


15

Nhân tiết diện vi mô (1.9) với số nguyên tử N có trong 1 cm
2
ta ñược hệ số
hấp thụ hay hệ số suy giảm tuyến tính, là xác suất trên mỗi cm ñể tương tác xảy ra.
qd C p
N N( )
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
I I exp( d)
= −µ
(1.11)
I
0
: Số lượng tử γ ñến 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 ñộ 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 ñại 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 ñối với vật liệu là hợp chất:
i i
w
µ = µ

∑
(1.13)
với
i
µ
là hệ số suy giảm khối của nguyên tố thứ i

i
w
là trọng số của nguyên tố thứ i
Chùm tia gamma còn có thể ñược ñặc trưng bằng quãng ñường tự do trung
bình
λ
, ñược ñịnh nghĩa là khoảng cách trung bình trong vật chất giữa các tương
tác. Giá trị của nó ñược tính bằng công thức sau:
0
t
0
t.exp( t)dt
1
exp( t)dt
∞
−µ
λ = =
µ
−µ
∫
∫
(1.14)

16

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 ñổi (mất mát) của bức xạ trong quá trình tương tác sẽ
ñược biến ñổi 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 ñược
chuyển thành các xung ñiện. Các xung này mang những thông tin ñặc trưng về bức
xạ và ñược xử lý thông qua các thiết bị ñiện tử của hệ thống ghi nhận. Cuối cùng
các xung này ñược biểu diễn dưới dạng số ñếm hoặc các phổ bức xạ tùy vào thiết bị
lưu trữ hay mục ñích ban ñầu của thí nghiệm.
1.2 Hệ thống ghi nhận phổ bức xạ
1.2.1 Tổng quan

Hình 1.5. Hệ thiết bị hạt nhân tiêu biểu
[1]
Một hệ thống ghi nhận bức xạ có thể chia làm ba phần cơ bản, và tùy thuộc
vào yêu cầu và mục ñích của việc ghi nhận mà mỗi hệ sẽ có mức ñộ ñơn giản hay
phức tạp khác nhau
[1]
.
o Phát hiện bức xạ và chọn lựa số liệu
o Lưu trữ số liệu
o ðiều khiển.


17

a. 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 ñó chuyển hóa năng lượng tiêu hao của bức xạ thành các xung ñiện.
Các xung ñiện này mang những thông tin về bức xạ ghi nhận như cường ñộ, năng
lượng cũng như loại bức xạ. Sau ñó, các xung ñiện này ñược chuyển qua bộ khuếch
ñại ñể làm tăng biên ñộ xung. Tiếp ñến, bộ phận phân tách có nhiệm vụ loại bỏ các
xung không phù hợp với mục ñích ghi nhận, các xung có biên ñộ nhỏ hơn một giá
trị ngưỡng ñặt trước. Ngoài ra, với mục ñích ñặc biệt, phần ghi nhận còn có bộ
trùng phùng hoặc ñối trùng phùng ñể xem xét các xung ñiện xuất hiện ñồng thời hay
không ñồng thời từ hai hay nhiều kênh ño.
b. Phần lưu trữ dữ liệu
Phần tiếp theo của hệ ghi nhận bức xạ là một hệ thống bao gồm các thiết bị
ñiện tử có tác dụng lưu trữ các thông số về bức xạ ñược ghi nhận thông qua phần
phát hiện và ghi nhận. Tùy thuộc vào mục ñích thực nghiệm cũng như thiết kế hệ ño
mà phần này có thể là một máy ñếm , máy ño tốc ñộ ñếm hoặc thiết bị phân tích
xung hay là một hệ thống các thiết bị trên. Nếu phần này là một máy phân tích ñộ
cao xung thì chức năng của nó nối tiếp ngay sau bộ phân thứ nhất vì máy phân tích
có thể phân chia các xung theo biên ñộ vào các phần khác nhau của bộ phân lưu trữ
dữ liệu trong chính nó.
c. Hệ ñiều khiển
Tầng cuối cùng trong một hệ ghi nhận có chức năng ñiều khiển toàn bộ thiết
bị và ghi nhận, biểu diễn số liệu. Việc biểu diễn số liệu có thể thông qua các thiết bị
vẽ ñồ thị, các màn hình biểu diễn hay suất ra dưới dạng băng từ, file số liệu. Hiện
nay, thành phần này có thể tích hợp vào một máy vi tính cá nhân.
d. Một vài hệ thống ñiển hình
[1]

o Hệ thống ñếm xung: ðây là một trong những hệ thống ñơn giản với mục
ñích chủ yếu là thống kê số lượng bức xạ ñược phát ra ở một giới hạn năng

18

lượng ñặt trước. Sơ ñồ khối ñơn giản của một hệ thống như trên ñược mô
tả trong Hình 1.6.


Hình 1.6. Hệ ñếm ñơn giản
[1]


o Hệ ño trùng phùng: Là hệ thống tương ñối phức tạp, có thể ñếm số xung
trùng phùng ở lối ra từ hai detector ñồng thời tiến hành lấy phổ biên ñộ một
cách ñộc lập. Sơ ñồ khối của một hệ như trên ñược mô tả như Hình 1.7.

Hình 1.7. Hệ thống ñếm trùng phùng
[1]


o Hệ thống ño phổ bức xạ: ñây là hệ phổ kế ñược sử dụng ñể ño năng lượng
của bức xạ. Detector và khuếch ñại sẽ ñược chọn sao cho biên ñộ tín hiệu
Detector
(buồng ion hóa
hoặc nhấp nháy

Máy phân biệt

Máy ñếm
Detector
Khuếch
ñại

Phân tích
biên ñộ
Detector
Khuếch
ñại
Phân tích
biên ñộ
Trùng phùng
Máy
ñếm
xung
Máy
ñếm
xung
Máy
ñếm
xung
Máy
ñếm
xung
ðiều khiển
tự ñộng
Thì kế
Ghi
nhận



19

xung ra có quan hệ tuyến tính với năng lượng bức xạ. Xung ra sẽ ñược xử
lý thông qua một máy phân tích ñộ cao xung ( ñơn kênh hoặc ña kênh) rồi
qua máy ñếm. Hệ thiết bị ñược kiểm soát tốc ñộ ñếm một cách liên tục nhờ
máy ño tốc ñộ ñếm. Sơ ñồ khối của một hệ như thế ñược mô tả trong Hình
1.8.


Hình 1.8. Hệ ño phổ bức xạ
[1]


1.2.2 Các thiết bị trong hệ ño 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 ñổi năng lượng của các bức xạ. Khi bức xạ ñi 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 ñược chuyển
ñổi thành xung ñiện ở lối ra.
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 ñếm tỉ lệ, detector Geiger Muller)
o Ống ñếm Cerenkov


20

b. Hệ thống ñiện tử

[1,3]

Một hệ thống ñiện tử phục vụ cho việc ghi nhận bức xạ bao gồm rất nhiều
thành phần. Chúng thường ñược 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 ñiện áp cho detector hoạt ñộng.
o Khối tiền khuếch ñại: tạo ra kết nối tối ưu giữa lối ra của detector và các
khối ñiện tử phía sau của hệ phổ kế, loại bỏ ảnh hưởng của các xung nhiễu.
o Khối khuếch ñại: chức năng chính là khuếch ñại biên ñộ của xung. Nó có
thể khuếch ñại biên ñộ xung lên hàng nghìn lần hoặc nhiều hơn. Một chức
năng quan trọng nữa của khối khuếch ñại là biến ñổi dạng xung của khối
tiền khuếch ñại thành dạng phù hợp với mục ñích của thực nghiệm. ða số
khối khuếch ñại cho ra hai dạng xung: xung ñơn cực và xung ña cực.
o Khối phân biệt biên ñộ hay khối phân tích ñơn 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 ñộ làm việc: là phân biệt chế ñộ xung và phân tích ñơn
kênh.
o Bộ ñếm: bộ ñếm dùng ñể ñếm số xung xuất hiện ở lối ra của khôi s phân
tích ñơn kênh (phân biệt biên ñộ xung). Cứ mỗi lần xuất hiện xung ñến bộ
ñếm thì số ñến sẽ tăng một ñơn vị. Khi thời gian ño kết thúc, bộ ñếm sẽ
hiển thị tổng số ñếm.
o Khối thời gian: ñược nối với khối ñếm. chức năng chính của khối này là
ñiều khiển hoạt ñộng của khối ñếm.
o Khối phân tích ña kênh: chức năng chính của khối này là số hóa biên ñộ
của xung. Khối này còn ñược gọi là khối biến ñổi tương tự - số ADC
(Analog to Digital Converter). Kết quả làm việc của ADC là một con số mà
ñộ lớn của nó tỉ lệ với biên ñộ của xung vào. ðộ phân giải của ADC là ñộ
lớn của nó và còn gọi là số kênh và thường có các giá trị là: 256, 512,1024,
2048, 4096, 8192. Các khối phân tích ña kênh hiện ñại thường ñược lắp ñặt

21

trong các máy vi tính dưới dạng các card tích hợp và có nhiều chức năng
quan trọng cho người sử dụng, ñặc biệt là các chức năng phân tích phổ.
1.3 Các ñặc 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.
ðỉnh hấp thụ toàn phần của các phổ này có thể chỉ chiếm một phần nhỏ trong số
ñếm tổng nhưng mang lại rất nhiều thông tin hữu ích, phần còn lại của phổ có thể
coi như phổ phông. Phổ bức xạ ñược ghi nhận thông qua các tương tác của bức xạ
ñó trong detector như hiệu ứng quang ñiện, tán xạ Compton hay hiệu ứng tạo cặp.
Hiệu ứng quang ñiện sinh ra một xung ñiện tương ứng với năng lượng toàn
phần của bức xạ nếu các ñiều kiện sau ñược ñảm bảo:
o Các tia X thứ cấp phải ñược hấp thụ hoàn toàn trong detector.
o Các electron quang ñiện phải mất hết năng lượng trong detector.
o Các hiệu ứng phụ ñóng vai trò không ñáng kể trong việc hình thành xung.
ðối 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 ñến 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) ñến E, có thể tương tác
tiếp trong detector theo hai cách:
o Nếu nó bị hấp thụ hoàn toàn bởi hiệu ứng quang ñiện, xung tổng cộng sẽ
ñược tính vào ñỉnh hấp thụ toàn phần.
o Nếu nó tiếp tục gây ra tán xạ Compton và bức xạ sau ñó thoát ra khỏi
detector thì xung sẽ ñược tính vào phần phổ liên tục bên dưới ñỉnh.
Khi năng lượng bức xạ tới lớn hơn 1.022 MeV thì lúc ñó hiệu ứng tạo cặp bắt
ñầu ñóng góp vào phổ bức xạ.
o Nếu ñộng năng của cặp electron–positron bị hấp thụ hoàn toàn và bức xạ
phát ra tự sự hủy positron thoát ra khỏi detector thì nó sẽ tạo thành ñỉnh
thoát ñôi tại năng lượng E – 2m
0
c
2
trong phổ.


22

o Nếu chỉ một thành phần bức xạ của sự hủy positron thoát ra khỏi detector
thì sẽ tạo thành ñỉnh thoát ñơn tại mức năng lượng E – m
0
c
2
.
o Nếu cả hai tia bức xạ hủy positron ñều bị hấp thụ thì xung tổng cộng sẽ

ñóng góp vào ñỉnh quang ñiện hoặc phần phổ nằm trong khoảng năng
lượng từ E – 2m
0
c
2
ñến E – m
0
c
2
.
Các tương tác trên hình thành trên phổ bức xạ các ñỉnh ñặc trưng. Hình 1.10
trình bày phổ gamma lý thuyết ñược ghi nhận. Có hai nhân tố ñóng góp vào phổ
gamma quan sát ñược 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 ño. Tuỳ theo cách bố trí
những vật liệu che chắn trong hệ ño ví dụ như loại vật liệu che chắn, hệ chuẩn trực
cho tia, khay ñựng nguồn,…. trong phổ sẽ xuất hiện những ñỉnh ñặc trưng. Những
ñỉnh này ñược tạo thành do các bức xạ tán xạ từ vật liệu xung quanh ñi vào detector.

Hình 1.9. Phổ gamma của nguồn Am-Be

ðỉnh thoát ñôi
ðỉnh thoát ñơn
ðỉnh
Compton
ðỉnh quang
ñiện


23

Hình 1.10. Phổ gamma lý thuyết


Hình 1.11. Các ñỉnh ñặc trưng của phổ gamma

Các ñỉnh ñặc trưng của phổ gamma bao gồm :
o ðỉnh quang ñiện : ðỉnh hình thành do quá trình hấp thụ toàn phần năng
lượng gamma tới.
o ðỉnh tán xạ nền: các bức xạ mà ta muốn ghi nhận có thể thoát khỏi detector
và tán xạ lên các vật liệu bên ngoài như tán xạ với thành chì che chắn, tán


24

xạ với thành ống chuẩn trực, tán xạ với các chất hấp thu, tán xạ với giá ñỡ
của nguồn, hộp chứa tinh thể, cửa sổ nhân quang ñiện. Và nó ñóng góp
trong phổ bức xạ một ñỉnh gọi là ñỉnh tán xạ nền.
o ðỉnh tia X ñặc trưng: tia gamma từ nguồn có thể thoát ra từ detector ñến
tương tác với vật liệu che chắn chung quanh (thường dùng chì) bởi hiệu
ứng quang ñiện. Kết quả là trên phổ nhấp nháy ở vùng năng lượng thấp
xuất hiện một ñỉnh tia X ñặc trưng cho vật liệu mà nó tương tác thí dụ
E=72 keV với chì.
o Sự ñóng góp do bức xạ huỷ: ñây chính là trường hợp nguồn có phát tia β
+
.
Tia β
+
từ nguồn có thể bị huỷ trong các vật liệu che chắn khi ño phổ. Khi
ñó từ vật liệu này sẽ phát ra các photon huỷ có năng lượng 0.511MeV. Các

photon này có thể ñi vào detector và tạo ra xung ñóng góp vào phổ của
nguồn. Nếu phần trăm trong mỗi phân rã cao thì sự ñóng góp do huỷ có thể
ñáng kể. Tuy nhiên có thể hạn chế sự ñóng góp này khi bố trí thí nghiệm
hợp lý. Ngoài quá trình huỷ do nguồn phát ra, sự ñóng góp photon huỷ vào
phổ còn do tia gamma có năng lượng cao ñến tương tác với vật liệu che
chắn bên ngoài bởi hiệu ứng tạo cặp.
o ðỉnh tán xạ ngược: Trong phổ gamma còn có thể xuất hiện một ñỉnh trong
vùng lân cận năng lượng 0.2 – 0.25 MeV do tia gamma từ nguồn tương tác
với vật liệu xung quanh bởi hiệu ứng Compton, gọi là ñỉnh tán xạ ngược
(back scattering peak ).
1.3.2 Dạng phông
Khi phân tích một phổ bức xạ, hai ñiều thường ñược quan tâm chính là ñỉnh
quang ñiện và phông. Thông thường chúng ta thường hay xác ñịnh phông theo
những cách sau
[12]
:
o ðo phổ phông không có nguồn bức xạ, hay còn gọi là phổ phông tự nhiên.
o Coi tất cả các thành phần tạo nên phổ ngoại trừ thành phần có năng lượng
mà chúng ta quan tâm là phông. Bao gồm phổ phông môi trường và phổ do