Tổng quan nghiên cứu

Quản lý chất thải phóng xạ là một trong những thách thức hàng đầu đối với an toàn hạt nhân toàn cầu, khi hàng triệu mét khối rác thải chứa các đồng vị có chu kỳ bán rã từ vài chục năm đến hàng triệu năm được thải ra từ các nhà máy điện hạt nhân, cơ sở điều chế dược chất và xạ trị y tế. Để lưu trữ và xử lý an toàn theo quy chuẩn quốc tế, rác thải phóng xạ thường được cố định trong các thùng thép tiêu chuẩn dung tích 220 lít. Việc xác định chính xác hoạt độ và vị trí phân bố của nguồn phóng xạ bên trong thùng chứa là nhiệm vụ bắt buộc trước khi tiến hành chôn cất hoặc xử lý cô lập. Tuy nhiên, do vật liệu matrix và các đồng vị phóng xạ thường phân bố bất quy tắc, các kỹ thuật đo truyền thống gặp nhiều giới hạn về độ chính xác.

Luận văn thạc sĩ chuyên ngành Vật lý nguyên tử của tác giả Vũ Lan Anh (2019) đã tập trung giải quyết vấn đề này với đề tài nghiên cứu ứng dụng phương pháp quét gamma cắt lớp (TGS) nhằm định vị nguồn phóng xạ trong thùng thải. Mục tiêu cụ thể của công trình là thiết lập hệ đo thực nghiệm, xây dựng thuật toán tái tạo ảnh cắt lớp hai chiều dựa trên kỹ thuật chiếu ngược có lọc, đồng thời kiểm chứng khả năng phát hiện đồng thời hai nguồn phóng xạ Cesium-137 có hoạt độ chênh lệch nhau hơn 12 lần (160 MBq và 13,3 MBq). Nghiên cứu được thực hiện tại Phòng thí nghiệm Kỹ thuật Hạt nhân thuộc Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, nằm trong khuôn khổ đề tài nghiên cứu mã số C2018-18-04. Kết quả nghiên cứu đạt độ chính xác cao với sai lệch vị trí nguồn thực nghiệm so với thực tế chỉ từ 3 mm đến 7 mm, mang lại giải pháp kiểm tra không phá hủy hiệu quả, góp phần nâng cao độ an toàn bức xạ và tối ưu hóa quy trình kiểm soát chất thải hạt nhân.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết tương tác của bức xạ gamma với vật chất, kết hợp với lý thuyết toán học về xử lý tín hiệu và tái tạo hình ảnh cắt lớp. Cơ sở cốt lõi bao gồm định luật suy giảm bức xạ đơn năng của tia gamma 662 keV và phép biến đổi Radon. Phép biến đổi Radon biểu diễn sự phân bố cường độ bức xạ trong không gian thực sang không gian hình chiếu thông qua tích phân đường dọc theo các tia quét song song. Dữ liệu hình chiếu thu được sau một vòng quay quét quanh đối tượng được số hóa thành ma trận hai chiều, được gọi là đồ thị Sinogram.

Để giải bài toán ngược nhằm khôi phục hình ảnh ban đầu từ Sinogram, nghiên cứu áp dụng kỹ thuật chiếu ngược có lọc (Filtered Back Projection - FBP). Lý thuyết biến đổi Fourier nhanh (FFT) và định lý lát cắt Fourier đóng vai trò chuyển đổi tích chập không gian phức tạp thành phép nhân đại số trong miền tần số. Ba khái niệm trung tâm chi phối toàn bộ mô hình tính toán bao gồm: ma trận hình chiếu Sinogram, hàm lọc tần số Ramp-Lak nhằm triệt tiêu hiệu ứng nhòe một phần r và độ phân giải không gian của pixel ảnh được chuẩn hóa theo bước dịch chuyển đầu dò.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp thực nghiệm kết hợp mô hình hóa thuật toán số học. Dữ liệu thực nghiệm được thu thập từ hệ phổ kế gamma trang bị đầu dò nhấp nháy NaI(Tl) kích thước 2x2 inch model 802-2x2 của hãng Canberra, có độ phân giải năng lượng danh định 8,5% tại đỉnh 662 keV. Đầu dò được đặt trong ống chuẩn trực bằng chì dày và tích hợp với khối biến đổi đa kênh số Osprey MCA, điều khiển qua phần mềm Genie-2k. Thùng thải thực nghiệm bằng thép C45 dung tích 220 lít, đường kính ngoài 580 mm, bề dày thành ống 5 mm, được cấu tạo từ các phân đoạn độc lập cao 120 mm xếp chồng lên nhau nhằm hỗ trợ việc định vị nguồn chuẩn xác. Hai nguồn điểm Cesium-137 (nguồn A có hoạt độ 160 MBq và nguồn B có hoạt độ 13,3 MBq) được bố trí cách tâm thùng 205 mm, tạo với nhau một góc 90 độ tại độ cao 714 mm.

Cỡ mẫu dữ liệu thực nghiệm bao gồm tổng cộng 2183 điểm đo rời rạc. Phương pháp chọn mẫu là quét dịch chuyển cơ học phối hợp xoay: đầu dò dịch chuyển ngang trên trục Ox với 59 bước quét (khoảng cách mỗi bước 10 mm), thực hiện lặp lại tại 37 góc quay quanh trục Oz (mỗi bước quay 10 độ, bao phủ toàn bộ góc quay 360 độ). Thời gian tích lũy phổ gamma tại mỗi vị trí đo là 500 giây trong điều kiện nhiệt độ phòng 26 độ C và độ ẩm 45%. Phương pháp phân tích sử dụng thuật toán FBP lập trình trên ngôn ngữ Python 3.4 với các thư viện Scipy và Skimage, áp dụng bộ lọc Ramp-Lak để khử nhiễu tần số cao và triệt tiêu độ mờ biên.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Dữ liệu thực nghiệm và thuật toán tái tạo ảnh cắt lớp đã mang lại các phát hiện khoa học quan trọng:

  • Sự phân bố diện tích đỉnh năng lượng 662 keV trên trục Ox thể hiện rõ ràng tọa độ không gian của các nguồn phóng xạ. Tại các góc quay xuất hiện nguồn, tốc độ đếm đạt giá trị cực đại vượt mức 1.191.000 số đếm đối với nguồn Cesium-137 hoạt độ cao (160 MBq), trong khi tại các vùng không có nguồn thì diện tích đỉnh tiệm cận về mức phông môi trường (gần bằng 0).
  • Kết quả tái tạo ảnh cắt lớp 2D định vị chính xác tọa độ của cả hai nguồn phóng xạ bên trong thùng thải. Nguồn A (160 MBq) được xác định tại tọa độ (190, 80) mm so với tọa độ thực tế (190, 77) mm, ghi nhận độ sai lệch chỉ 3 mm (tương đương 3,9% trên trục Oy). Nguồn B (13,3 MBq) được xác định tại tọa độ (70, -190) mm so với tọa độ thực tế (77, -190) mm, sai lệch 7 mm (tương đương 9,1% trên trục Ox). Cả hai sai số này đều nhỏ hơn kích thước của một pixel ảnh (10 mm).
  • Việc gia tăng mật độ góc quét từ 19 hình chiếu (bước quay 20 độ) lên 37 hình chiếu (bước quay 10 độ) kết hợp bộ lọc Ramp-Lak đã làm tăng độ tương phản hình ảnh lên rõ rệt, giảm thiểu hơn 80% hiện tượng vệt sáng hình sao (star artifacts), giúp phân biệt rõ ràng nguồn phóng xạ yếu đặt cạnh nguồn có hoạt độ gấp 12 lần.

Thảo luận kết quả

Cơ chế tạo ảnh cắt lớp gamma cho thấy độ sáng (cường độ pixel) có mối tương quan tuyến tính trực tiếp với hoạt độ phóng xạ của nguồn. Tuy nhiên, sự chênh lệch hoạt độ lớn giữa nguồn A và nguồn B đã tạo ra quầng sáng bao quanh nguồn mạnh, gây khó khăn nhất định cho việc phát hiện nguồn yếu nếu đặt quá gần nhau. Việc áp dụng hàm lọc Ramp-Lak trong miền tần số không gian bằng biến đổi Fourier nhanh (FFT) đã giải quyết triệt để vấn đề này nhờ loại bỏ thành phần tần số thấp gây nhòe và chặn đứng nhiễu tần số cao.

Dữ liệu nghiên cứu được biểu diễn trực quan qua các đồ thị phân bố diện tích đỉnh theo tọa độ quét Ox tại các góc quay 0 độ, 20 độ, 40 độ, 60 độ, kết hợp với các ma trận Sinogram hai chiều và hình ảnh tái tạo cắt lớp trên hệ tọa độ Descartes đồng nhất. So với các công bố quốc tế như nghiên cứu của Stanga năm 2012 với độ sai lệch hoạt độ dưới 16%, nghiên cứu của Krings năm 2013 có độ lệch trung bình từ 2,1% đến 4,0%, hay công trình của Roy năm 2017 có độ sai biệt dưới 10%, kết quả định vị không gian với sai số dưới 7 mm của luận văn hoàn toàn tương thích và khẳng định độ tin cậy của mô hình thực nghiệm.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả thực nghiệm và các hạn chế kỹ thuật đã ghi nhận, nghiên cứu đưa ra 4 giải pháp trọng tâm:

  1. Nâng cấp thuật toán tái tạo ảnh từ kỹ thuật chiếu ngược có lọc (FBP) sang các thuật toán tái tạo lặp như MLEM (Maximum Likelihood Expectation Maximization) hoặc SIRT. Mục tiêu là nâng cao độ phân giải không gian và tăng tỷ lệ phát hiện các nguồn có hoạt độ thấp dưới 10 MBq khi nằm cạnh nguồn mạnh lên trên 95%, dự kiến triển khai trong 12 tháng bởi các nhóm nghiên cứu công nghệ hạt nhân.
  2. Mở rộng thử nghiệm trên các thùng thải có matrix vật liệu hấp thụ không đồng nhất như cát, xi măng hoặc khối kim loại có mật độ dao động từ 0,5 g/cm3 đến 2,3 g/cm3. Đề xuất này cần được thực hiện trong giai đoạn 2024-2026 nhằm xây dựng bản đồ hệ số suy giảm bức xạ gamma tự hấp thụ cho hệ đo.
  3. Tối ưu hóa quy trình quét bằng cách ứng dụng thuật toán nén mẫu (Compressed Sensing). Giải pháp này giúp giảm số lượng góc quét từ 37 hình chiếu xuống còn khoảng 18 hình chiếu mà vẫn duy trì độ chính xác định vị dưới 5 mm, qua đó cắt giảm 50% tổng thời gian thực nghiệm (từ 30 giờ xuống khoảng 15 giờ mỗi thùng thải).
  4. Trang bị nâng cấp đầu dò nhấp nháy NaI(Tl) lên các dòng đầu dò bán dẫn HPGe hoặc đầu dò thế hệ mới LaBr3(Ce) nhằm cải thiện độ phân giải năng lượng từ mức 8,5% xuống dưới 3,0%, do các trung tâm đo lường bức xạ quốc gia chủ trì thực hiện nhằm phục vụ giám định đa đồng vị.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả của luận văn mang lại giá trị thực tiễn cho 4 nhóm đối tượng chính:

  • Học viên cao học và nghiên cứu sinh chuyên ngành Vật lý hạt nhân, Kỹ thuật y sinh: Tài liệu cung cấp phương pháp chi tiết về lý thuyết biến đổi Radon, thuật toán tái tạo ảnh FBP và mã nguồn Python mẫu ứng dụng trong xử lý dữ liệu bức xạ.
  • Kỹ sư an toàn bức xạ tại các nhà máy điện hạt nhân, lò phản ứng nghiên cứu và bệnh viện ung bướu: Nắm vững quy trình quét cắt lớp không phá hủy để kiểm tra, đánh giá phân loại các thùng rác thải hạt nhân 220 lít trước khi lưu kho dài hạn.
  • Chuyên gia thiết kế và chế tạo thiết bị đo lường hạt nhân (NDT): Tham khảo cấu hình cơ khí của hệ mâm quay chịu tải 1000 kg, bàn nâng hai trục độ chính xác 0,1 mm và giải pháp kết nối điều khiển tự động qua phần mềm Mach 3.
  • Cơ quan quản lý nhà nước về an toàn bức xạ và hạt nhân: Sử dụng các số liệu thực chứng để xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật quốc gia trong việc kiểm soát, phân loại và thanh tra chất thải phóng xạ rắn.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao nghiên cứu sử dụng đầu dò NaI(Tl) thay vì đầu dò bán dẫn HPGe? Đầu dò nhấp nháy NaI(Tl) kích thước 2x2 inch có hiệu suất ghi nhận tia gamma 662 keV rất cao, chi phí hợp lý và hoạt động ổn định ở nhiệt độ phòng 26 độ C mà không cần hệ thống làm lạnh bằng nitơ lỏng phức tạp, hoàn toàn đáp ứng độ phân giải danh định 8,5% để nhận diện đồng vị Cesium-137.

  2. Kỹ thuật chiếu ngược có lọc (FBP) vượt trội hơn chiếu ngược đơn giản ở điểm nào? Chiếu ngược đơn giản gây ra hiện tượng nhòe ảnh nghiêm trọng với hàm phân bố giảm dần một phần r xung quanh điểm ảnh. Phép lọc Ramp-Lak trong miền tần số Fourier đã loại bỏ các thành phần tần số thấp gây mờ, gia tăng độ tương phản biên và triệt tiêu các vệt sáng hình sao.

  3. Ý nghĩa thực tiễn của việc chia thùng thải 220 lít thành các phân đoạn nhỏ 120 mm là gì? Cấu trúc module nhiều phân đoạn cho phép người nghiên cứu dễ dàng thay đổi cấu hình nguồn điểm ở độ cao chính xác 714 mm, linh hoạt thay thế các loại matrix thử nghiệm khác nhau mà không làm thay đổi kết cấu hình học của hệ thống đo.

  4. Sai số định vị nguồn phóng xạ của phương pháp này là bao nhiêu? Phương pháp đạt độ chính xác cao với sai lệch tọa độ thực nghiệm so với thực tế chỉ là 3 mm trên trục Oy đối với nguồn A và 7 mm trên trục Ox đối với nguồn B. Mức sai số này đều nằm trong giới hạn cho phép của kích thước một pixel ảnh (10 mm).

  5. Làm cách nào để phân biệt hai nguồn phóng xạ có hoạt độ chênh lệch hơn 12 lần trên ảnh cắt lớp? Bằng cách thu thập đủ 37 hình chiếu quét góc 10 độ và áp dụng thuật toán lọc tần số không gian, hệ thống tách biệt rõ hai đỉnh tín hiệu cực đại tại các tọa độ pixel (19, 8) và (7, -19), tương ứng với nguồn Cesium-137 hoạt độ 160 MBq và 13,3 MBq.

Kết luận

  • Luận văn đã thiết lập thành công hệ đo quét gamma cắt lớp tự động hóa hoàn chỉnh gồm đầu dò NaI(Tl), ống chuẩn trực chì, khối xử lý số Osprey MCA và hệ cơ khí điều khiển chính xác bằng phần mềm Mach 3.
  • Xây dựng và thực thi hiệu quả chương trình tái tạo ảnh cắt lớp bằng thuật toán FBP trên nền tảng Python 3.4, xử lý thành công bộ cơ sở dữ liệu thực nghiệm 2183 điểm đo.
  • Định vị chính xác hai nguồn phóng xạ Cesium-137 có hoạt độ chênh lệch 12 lần (160 MBq và 13,3 MBq) với sai số tọa độ không gian nhỏ hơn kích thước pixel, chỉ từ 3 mm đến 7 mm.
  • Chứng minh tính ưu việt của bộ dữ liệu 37 hình chiếu kết hợp bộ lọc Ramp-Lak trong việc nâng cao độ sắc nét của ảnh và triệt tiêu nhiễu vệt hình sao.
  • Đặt nền móng kỹ thuật vững chắc cho việc ứng dụng phương pháp chụp ảnh phóng xạ cắt lớp trong quản lý và kiểm tra không phá hủy thùng thải hạt nhân 220 lít tại Việt Nam.

Trong thời gian 12 đến 24 tháng tới, các đơn vị chuyên môn nên tiếp tục tích hợp thuật toán tái tạo lặp MLEM và mở rộng thử nghiệm trên matrix vật liệu phức tạp. Hãy liên hệ các viện nghiên cứu hạt nhân chuyên ngành để áp dụng giải pháp công nghệ quét cắt lớp gamma vào quy trình quản lý chất thải phóng xạ thực tế.