Nội dung

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Vũ Lan Anh ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP QUÉT GAMMA CẮT LỚP ĐỂ XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ NGUỒN PHÓNG XẠ BÊN TRONG THÙNG THẢI LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT Thành phố Hồ Chí Minh – 2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Vũ Lan Anh ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP QUÉT GAMMA CẮT LỚP ĐỂ XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ NGUỒN PHÓNG XẠ BÊN TRONG THÙNG THẢI Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử Mã số : 60 44 01 06 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS. TRẦN THIỆN THANH Thành phố Hồ Chí Minh – 2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng bản thân tôi. Các số liệu trong luận văn là trung thực. Kết quả của luận văn chưa từng được ai công bố trong bất kì công trình nào. Tác giả luận văn Vũ Lan Anh LỜI CÁM ƠN Trong quá trình học tập ở Trường Đại học Sư Phạm cũng như trong thời gian thực hiện luận văn của mình tại phòng thí nghiệm Vật lý Hạt nhân, Khoa Vật lý – Vật lý Kỹ thuật, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, em đã nhận được sự giúp đỡ tận tình, quý giá của thầy, cô, cán bộ cũng như các anh, chị và các bạn học viên. Thông qua luận văn này, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến:  PGS. TS. Trần Thiện Thanh, người hướng dẫn trực tiếp, đã tạo mọi điều kiện về cơ sở vật chất cũng như những yếu tố khác để hoàn thành luận văn một cách thuận lợi nhất. Thầy đã tận tình chỉ bảo, hướng dẫn cặn kẽ cũng như giúp đỡ, động viên tháo gỡ những khó khăn vướng mắc trong quá trình thực hiện luận văn.  ThS. Huỳnh Đình Chương, như là người hướng dẫn thứ hai cũng như một người anh, đã ân cần chỉ bảo, hướng dẫn nhiệt tình, chi tiết, không ngại khó khăn cùng em giải quyết những điều còn vướng mắc trong quá trình thực hiện luận văn bên cạnh sự chỉ bảo của thầy Thanh.  TS. Trần Nhân Giang, đã giúp đỡ em rất nhiều về ngôn ngữ lập trình trong quá trình dựng ảnh.  Bộ môn Vật lý Hạt nhân đã đáp ứng các điều kiện cơ sở vật chất, trang thiết bị cần thiết để em thực hiện luận văn.  Các Thầy Cô trong hội đồng bảo vệ luận văn đã đọc, nhận xét và đóng góp ý kiến giúp luận văn hoàn thiện hơn.  Các thành viên trong gia đình đã dành tất cả tình yêu thương, sự hy sinh, lúc nào cũng bên cạnh, giúp con vượt qua những khó khăn trong học tập và cuộc sống.  Phòng sau đại học đã tạo điều kiện và giúp đỡ em để hoàn thành luận văn một cách tốt nhất. Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 9 năm 2019 VŨ LAN ANH MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CÁM ƠN DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ MỞ ĐẦU.................................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN .................................................................................... 3 1.1. Tổng quan về đề tài nghiên cứu ....................................................................... 3 1.1.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới ............................................................ 3 1.1.2. Tình hình nghiên cứu trong nước .............................................................. 6 1.1.3. Nhận xét ..................................................................................................... 7 1.1.4. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của luận văn ......................................... 8 1.2. Cơ sở lý thuyết ................................................................................................. 9 1.2.1. Phép biến đổi Radon .................................................................................. 9 1.2.2. Kỹ thuật chiếu ngược ............................................................................... 11 1.2.3. Kỹ thuật lọc ảnh ....................................................................................... 13 1.2.4. Kỹ thuật lọc ảnh trong miền tần số .......................................................... 14 1.3. Tổng kết chương 1 ......................................................................................... 16 CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM ............................................................................. 17 2.1. Thiết lập thực nghiệm .................................................................................... 17 2.2. Quy trình tái tạo ảnh gamma cắt lớp trên thùng thải ..................................... 23 2.3. Tổng kết chương 2 ......................................................................................... 26 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN......................................................... 27 3.1. Dữ liệu thu được trên các hình chiếu ............................................................. 27 3.2. Kết quả tái tạo ảnh cắt lớp.............................................................................. 28 3.3. Xác định vị trí của nguồn phóng xạ ............................................................... 32 3.3. Tổng kết chương 3 ......................................................................................... 33 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................ 34 TÀI LIỆU THAM KHẢO...................................................................................... 35 PHỤ LỤC ..............................................................................................................PL1 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1. Thông tin của các nguồn phóng xạ 137Cs sử dụng trong luận văn ....... 19 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1. Mô tả phép biến đổi Radon................................................................... 10 Hình 1.2. Ma trận hình chiếu của một ảnh cắt lớp ................................................ 11 Hình 1.3. Quá trình ghi nhận hình chiếu và tái tạo ảnh ........................................ 12 Hình 1.4. Sự nhòe ảnh trong phép chiếu ngược ................................................... 13 Hình 2.1. Đầu dò nhấp nháy NaI(Tl) được sử dụng trong luận văn ..................... 17 Hình 2.2. Cấu hình của ống chuẩn trực đầu dò .................................................... 18 Hình 2.3. Thùng thải được sử dụng trong luận văn .............................................. 19 Hình 2.4. Vị trí của các nguồn phóng xạ bên trong phân đoạn của thùng thải .... 20 Hình 2.5. Hệ đo quét gamma cắt lớp cho thùng thải phóng xạ ............................ 21 Hình 2.6. Giao diện phần mềm March 3 điều khiển hoạt động của hệ cơ khí ..... 22 Hình 2.7. Sơ đồ thực hiện quét cắt lớp thùng thải ................................................ 24 Hình 2.8. Phổ gamma ghi nhận được và diện tích đỉnh........................................ 25 Hình 2.9. Sơ đồ mô tả các bước xử lý của chương trình tái tạo ảnh cắt lớp ........ 26 Hình 3.1. Sự phân bố của diện tích đỉnh theo tọa độ của đầu dò trên trục Ox ..... 27 Hình 3.2. Sinogram tương ứng với bộ dữ liệu ...................................................... 28 Hình 3.3. Ma trận hình chiếu tương ứng với bộ dữ liệu 19 hình chiếu ................ 29 Hình 3.4. Ma trận hình chiếu tương ứng với bộ dữ liệu 37 hình chiếu ................ 30 Hình 3.5. Ảnh chụp cắt lớp tương ứng với bộ dữ liệu 19 hình chiếu ................... 31 Hình 3.6. Ảnh chụp cắt lớp tương ứng với bộ dữ liệu 37 hình chiếu ................... 31 Hình 3.7. Ảnh cắt lớp được tái tạo bằng kỹ thuật chiếu ngược có lọc ................. 32 1 MỞ ĐẦU Các hoạt động nghiên cứu và ứng dụng công nghệ hạt nhân như: sản xuất điện hạt nhân, điều chế dược phẩm phóng xạ, xạ trị y học và chiếu xạ công nghiệp v.v. sẽ tạo ra một lượng lớn rác thải phóng xạ. Những rác thải này chứa các đồng vị phóng xạ có hoạt độ khác nhau và chu kì bán rã có thể từ vài chục năm đến hàng triệu năm. Công tác quản lý rác thải phóng xạ luôn là mối quan tâm của các quốc gia sử dụng và phát triển công nghệ hạt nhân. Thông thường, rác thải phóng xạ sẽ được chứa đựng bên trong các thùng kín lớn để đảm bảo chúng cách ly hoàn toàn với môi trường bên ngoài. Sau đó, hoạt độ của các đồng vị phóng xạ bên trong thùng chứa rác thải phóng xạ (sau đây sẽ gọi tắt là thùng thải) được xác định để phân loại cho phù hợp với các quy tắc xử lý của từng quốc gia. Việc phân tích hoạt độ của các đồng vị phóng xạ bên trong thùng thải thường được thực hiện bằng hệ phổ kế gamma. Để đạt được kết quả phân tích chính xác, sự phân bố của các đồng vị phóng xạ và các vật liệu (matrix) bên trong thùng thải cần phải được biết rõ. Tuy nhiên, các đồng vị phóng xạ có thể phân bố tại những vị trí bất kỳ bên trong thể tích của thùng thải, đồng thời thể tích của thùng thải có thể được lấp đầy bởi nhiều loại vật liệu khác nhau (đối với trường hợp matrix không đồng nhất). Do đó, việc tìm kiếm một phương pháp để xác định được vị trí của các đồng vị phóng xạ và matrix bên trong thùng thải là cần thiết. Phương pháp chụp ảnh gamma cắt lớp đã được ứng dụng rộng rãi cho việc chẩn đoán hình ảnh trong y tế. Phương pháp này được phân làm hai mô hình chụp khác nhau. Mô hình thứ nhất có nguồn phóng xạ và đầu dò nằm bên ngoài đối tượng cần chụp ảnh để ghi nhận các tia gamma truyền qua. Mô hình này cho biết thông tin về sự phân bố của các vật liệu bên trong đối tượng. Mô hình còn lại là nguồn phóng xạ được đưa vào bên trong đối tượng, đầu dò được đặt bên ngoài để ghi nhận tín hiệu. Ảnh từ mô hình này cho thấy sự phân bố của nguồn phóng xạ bên trong đối tượng. Về nguyên lý, phương pháp chụp ảnh gamma cắt lớp có thể được ứng dụng cho bài toán phân tích thùng thải phóng xạ. Do đó, đề tài nghiên cứu về xác định sự phân bố vị trí của nguồn phóng xạ và vật liệu bên trong thùng thải bằng phương pháp chụp ảnh gamma cắt lớp là công việc có ý nghĩa. Một điểm mới của 2 luận văn là tiến hành khảo sát cho trường hợp có hai nguồn phóng xạ với hoạt độ khác nhau được bố trí tại hai vị trí khác nhau bên trong thùng thải. Luận văn được thực hiện với mục tiêu là ứng dụng phương pháp chụp ảnh gamma cắt lớp để xác định sự phân bố của các nguồn phóng xạ bên trong thùng thải. Trong đó, luận văn tập trung vào việc khai thác thuật toán chiếu ngược có lọc (filtered back projection algorithm) để dựng ảnh từ các dữ liệu ghi nhận được của hệ đo. Vị trí của các nguồn phóng xạ xác định từ hình ảnh được so sánh với vị trí thực tế bên trong thùng thải để kiểm chứng phương pháp. Nội dung nghiên cứu của luận văn là một phần trong đề tài khoa học và công nghệ cấp Đại học Quốc Gia – Hồ Chí Minh mã số C2018-18-04, với tiêu đề “Nghiên cứu phương pháp phân tích không phá hủy để xác định sự phân bố hoạt độ của đồng vị phóng xạ bên trong thùng chứa rác thải hạt nhân có matrix không đồng nhất”. Nội dung của luận văn được trình bày trong 03 chương. Trong đó: Chương 1 trình bày tổng quan tình hình nghiên cứu về các chủ đề liên quan đến luận văn; các cơ sở của lý thuyết dựng ảnh. Chương 2 mô tả chi tiết điều kiện thực nghiệm của phép đo trên hệ phổ kế gamma dùng đầu dò NaI(Tl) được thực hiện trong luận văn; quy trình đo và phân tích dữ liệu để thu được ảnh chụp cắt lớp. Chương 3 trình bày các ảnh chụp cắt lớp đạt được từ dữ liệu thực nghiệm và chương trình dựng ảnh đã xây dựng; đánh giá sự ảnh hưởng của một vài yếu tố lên chất lượng ảnh; so sánh giữa kết quả dựng ảnh và giá trị thực tế. 3 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan về đề tài nghiên cứu 1.1.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới Stanga và cộng sự [1] (năm 2012) đã đưa ra một phương pháp để xác định hoạt độ của đồng vị phóng xạ trong thùng thải bằng kỹ thuật quét gamma. Về nguyên lý hoạt động, thùng thải phóng xạ quay liên tục trong quá trình phân tích, trong khi đó đầu dò sẽ lần lượt dịch chuyển đến các vị trí tương ứng với độ cao và khoảng cách với thùng thải khác nhau để ghi nhận các phổ gamma cho mỗi vị trí đo. Về mặt ý tưởng của phương pháp, thể tích của thùng thải được chia thành một hệ thống voxel tạo nên một hình trụ bên trong và các vòng trụ bên ngoài. Cho rằng trong mỗi voxel các đồng vị phóng xạ phân bố đồng nhất và có hoạt độ chưa biết. Đối với một vị trí đo của đầu dò, tốc độ đếm tại đỉnh năng lượng quan tâm từ phép đo thùng thải được tính bằng tổng của tốc độ đếm của các voxel. Trong đó, tốc độ đếm cho mỗi voxel được xác định bởi tích của hoạt độ, hiệu suất ghi nhận và hệ số hiệu chỉnh của voxel đó. Trong trường hợp matrix của thùng thải gần như đồng nhất thì hệ số hiệu chỉnh được cho là bằng 1. Từ các phép đo ở nhiều vị trí khác nhau của đầu dò và các mức năng lượng khác nhau của bức xạ gamma phát ra từ đồng vị thì một hệ phương trình đa biến được thiết lập. Trong đó, hoạt độ phóng xạ của mỗi voxel là biến số; tốc độ đếm của phép đo, hiệu suất ghi nhận của mỗi voxel là các hệ số của phương trình. Sau đó, hệ phương trình này được chuẩn hóa về dạng ma trận và phương pháp Tikhonov được sử dụng để đưa ra lời giải. Từ đó, hoạt độ phóng xạ tổng trong thùng thải được xác định. Phương pháp này đã được ứng dụng để phân tích thùng thải được lấp đầy bởi xi măng Portland (mật độ 2,1 g/cm3) và chứa nguồn Eu dạng dây. Kết quả cho thấy độ sai biệt tương đối giữa hoạt độ 152 thực và giá trị tính toán là nhỏ hơn 16%. Krings và cộng sự [2] (năm 2012) đã đề xuất một phương pháp để xác định hoạt độ của các đồng vị phóng xạ bên trong thùng thải không đồng nhất. Trong nghiên cứu này, tính không đồng nhất của matrix được xem như sự phân lớp của vật liệu rác thải và các cấu trúc che chắn bên trong thùng chứa, mà hình học của chúng