Nghiên cứu ứng dụng học máy nhận diện đồng vị phóng xạ - Phạm Văn Quốc Hiếu

Nghiên cứu ứng dụng học máy để nhận diện đồng vị phóng xạ qua phổ gamma, khắc phục hạn chế của detector nhấp nháy có độ phân giải thấp.

• Tác giả: Phạm Văn Quốc Hiếu
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Văn Hiếu
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm, Đại học Đà Nẵng
• Chuyên ngành: Sư phạm Vật lý
• Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng học máy trong nhận diện đồng vị phóng xạ trong môi trường dựa vào phổ gamma được đo bằng detector nhấp nháy độ phân giải thấp
• Loại tài liệu: Khoá luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Đà Nẵng

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Nhận Diện Đồng Vị Phóng Xạ bằng Phổ Gamma

Nhận diện đồng vị phóng xạ là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong vật lý hạt nhân và ứng dụng công nghệ bức xạ. Phương pháp phổ gamma sử dụng detector nhấp nháy để đo lường năng lượng bức xạ phát ra từ các vật liệu phóng xạ. Phóng xạ gamma có năng lượng đặc trưng cho từng đồng vị phóng xạ, giúp xác định chính xác loại vật chất đang được phân tích. Trước đây, nhân viên chuyên môn phải phân tích phổ gamma thủ công, điều này tốn thời gian và dễ xảy ra sai sót. Sự phát triển của học máy đã mở ra những cơ hội mới để tự động hoá và nâng cao độ chính xác trong quá trình nhận diện này.

1.1. Hiện Tượng Phóng Xạ và Quy Luật Phân Rã

Phóng xạ là quá trình mà các hạt nhân không ổn định tự động phát ra năng lượng dưới dạng hạt hoặc bức xạ. Quy luật phân rã phóng xạ mô tả hành vi toán học của quá trình này theo thời gian. Đồng vị phóng xạ có chu kì bán rã khác nhau, tùy thuộc vào độ không ổn định của hạt nhân. Hiểu rõ các quy luật này là nền tảng để phát triển các phương pháp nhận diện chính xác.

1.2. Detector Nhấp Nháy và Tương Tác Bức Xạ Gamma

Detector nhấp nháy NaI là thiết bị phổ biến dùng để ghi nhận bức xạ gamma. Khi bức xạ gamma tương tác với vật chất, xảy ra các hiệu ứng như hiệu ứng quang điện và tạo cặp. Độ phân giải của detector ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng phổ gamma thu được. Các đỉnh năng lượng trong phổ gamma cung cấp thông tin về loại và hoạt độ của đồng vị phóng xạ.

II. Hạn Chế của Phương Pháp Nhận Diện Truyền Thống

Mặc dù phương pháp phổ gamma là kỹ thuật cổ điển và hiệu quả, nhưng nó gặp phải nhiều hạn chế khách quan và chủ quan. Khi phổ gamma chứa nhiều đỉnh năng lượng chồng chéo nhau, việc nhận diện các đồng vị phóng xạ trở nên khó khăn và dễ dẫn đến sai lầm. Các nguồn phóng xạ trong môi trường tự nhiên như K-40, U-238, Th-232 thường xuất hiện cùng lúc, tạo nên các phổ phức tạp. Ngoài ra, độ phân giải thấp của một số detector nhấp nháy không đủ để phân biệt các đỉnh gần nhau. Những hạn chế này đòi hỏi các giải pháp công nghệ mới như học máy để cải thiện hiệu suất nhận diện.

2.1. Các Hạn Chế Khách Quan

Độ phân giải của detector là yếu tố chính ảnh hưởng đến chất lượng phổ gamma. Hiệu ứng quang điện và tạo cặp tạo ra các đỉnh năng lượng không hoàn toàn sắc nét. Phổ gamma thu được từ môi trường thường chứa nhiễu nền, làm khó phân tích. Sự chồng chéo của các đỉnh năng lượng từ đồng vị phóng xạ khác nhau là thách thức lớn.

2.2. Các Hạn Chế Chủ Quan và Nhu Cầu Tự Động Hoá

Nhân viên phân tích phải dựa vào kinh nghiệm cá nhân để giải thích phổ gamma, dẫn đến kết quả không nhất quán. Thời gian phân tích thủ công kéo dài và tốn nhiều tài nguyên. Học máy cung cấp giải pháp tự động, khách quan hơn và có thể xử lý dữ liệu lớn nhanh chóng.

III. Ứng Dụng Học Máy trong Nhận Diện Đồng Vị Phóng Xạ

Học máy (Machine Learning) là công nghệ cho phép máy tính học từ dữ liệu mà không cần lập trình rõ ràng. Mạng nơ-ron nhân tạo (ANN) là một thuật toán học máy mạnh mẽ, được lấy cảm hứng từ cấu trúc của não bộ. Để nhận diện đồng vị phóng xạ, các nhà nghiên cứu xây dựng mô hình ANN có thể phân loại phổ gamma tự động. Quá trình này bao gồm thu thập dữ liệu, xử lý dữ liệu, xây dựng mô hình, và đào tạo mô hình. Mạng nơ-ron học cách nhận dạng các mẫu đặc trưng trong phổ gamma để dự đoán loại đồng vị phóng xạ một cách chính xác. Phương pháp này vượt trội hơn so với phân tích thủ công truyền thống.

3.1. Nguyên Tắc Hoạt Động của Mạng Nơ Ron Nhân Tạo

Mạng nơ-ron gồm nhiều lớp neuron được kết nối với nhau. Mỗi neuron nhận đầu vào từ phổ gamma, áp dụng các trọng số, và tính toán đầu ra. Quá trình học của mạng nơ-ron điều chỉnh các trọng số dựa trên sai số dự đoán. Kiến trúc ANN thường bao gồm lớp đầu vào, các lớp ẩn, và lớp đầu ra để phân loại các đồng vị phóng xạ khác nhau.

3.2. Quy Trình Xây Dựng và Đào Tạo Mô Hình

Thu thập dữ liệu phổ gamma từ các đồng vị phóng xạ đã biết là bước đầu tiên. Xử lý dữ liệu bao gồm chuẩn hóa và loại bỏ nhiễu. Xây dựng mô hình quyết định số lượng lớp neuron và kết nối. Đào tạo mô hình dùng dữ liệu huấn luyện để tối ưu hoá trọng số. Hiện tượng quá khớp cần được theo dõi để đảm bảo mô hình tổng quát hoá tốt.

IV. Đánh Giá Hiệu Suất và Ứng Dụng Thực Tiễn

Sau khi mô hình học máy được đào tạo, cần đánh giá hiệu suất của mô hình một cách toàn diện. Độ chính xác (Accuracy) là chỉ số cơ bản để đánh giá tỉ lệ dự đoán đúng so với tổng số dự đoán. Ma trận lỗi (Confusion Matrix) cung cấp thông tin chi tiết về các dự đoán đúng và sai cho từng loại đồng vị phóng xạ. Các kết quả thử nghiệm cho thấy mạng nơ-ron nhân tạo có thể đạt độ chính xác cao trong việc nhận diện phổ gamma từ các đồng vị phóng xạ khác nhau. Phương pháp này có ứng dụng rộng rãi trong kiểm soát chất lượng môi trường, an toàn hạt nhân, và y tế hạt nhân. Công nghệ học máy hứa hẹn sẽ cách mạng hoá lĩnh vực phát hiện và nhận diện bức xạ.

4.1. Các Phương Pháp Đánh Giá Mô Hình Phân Loại

Hiệu suất (Accuracy) được tính bằng tỉ lệ số lần dự đoán đúng so với tổng số mẫu kiểm tra. Ma trận lỗi hiển thị chi tiết các trường hợp True Positive, False Positive, True Negative, và False Negative. Precision và Recall là các chỉ số khác để đánh giá hiệu suất chi tiết của mô hình phân loại đồng vị phóng xạ.

4.2. Ứng Dụng Thực Tiễn và Triển Vọng

Nhận diện đồng vị phóng xạ bằng học máy được ứng dụng trong giám sát môi trường, kiểm tra an toàn hạt nhân, và chẩn đoán y tế. Mạng nơ-ron có thể xử lý phổ gamma thực tế chứa nhiễu nền và các đồng vị phóng xạ không mong muốn. Công nghệ này giúp giảm thời gian phân tích và nâng cao độ tin cậy của kết quả.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NHẬN DIỆN ĐỒNG VỊ PHÓNG XẠ 1. Lịch sử nghiên cứu về các phương pháp nhận diện phóng xạ Hiện tượng phóng xạ tự nhiên được phát hiện rất sớm, trước cả khi khám phá ra hạt nhân nguyên tử. Năm 1896, nhà bác học người Pháp là Henri Becquerel tình cờ đã quan sát được rằng, dù không bị chiếu sáng kính ảnh vẫn hoá đen khi tiếp xúc với quặng Uranium [5]. Những nghiên cứu tiếp theo với các hợp chất khác nhau của Uranium đã đã đưa ông đến kết luận rằng các hợp chất này phát ra những tia không nhìn thấy được, nhưng tác dụng lên kính anh gọi là các tia phóng xạ.

Becquerel cũng chứng minh rằng những bức xạ này, giống với tia X, chúng sở hữu đặc điểm của các vật mang điện. Chính tính chất này đã và đang là cơ sở của hầu hết các phương pháp phát hiện bức xạ từ các chất phóng xạ. Ngoài việc phát hiện ra tia phóng xạ, một trong những đóng góp quan trọng nhất của Becquerel là chỉ ra rằng các bức xạ từ Uranium sẽ khiến một vật nhiễm điện trong không khí bị phóng điện. Ông đã sử dụng một dạng kính điện nghiệm cơ bản được thiết kế bởi Dragomir Hurmuzesen để thực hiện các phép đo bán định lượng về cường độ phóng xạ.

Phương pháp này nhanh hơn và thuận tiện hơn nhiều so với phương pháp quan sát hiệu ứng trên màn ảnh. Nữ bác học đã sử dụng phương pháp đo điện kết hợp với hiện tượng áp điện được phát minh bởi Jacques và chồng của cô là Pierre Marie, hình 1.1 là sơ đồ mô tả các thiết bị của phương pháp này. Thiết bị nhận diện các tia bức xạ bằng hiện tượng áp điện [18] -6- Đây là một phép đo tương đối thô về cường độ phóng xạ của lớp vật liệu trên tấm B. Với phương pháp này Marie Curie đã kiểm tra rất nhiều hợp chất hoá học, đá và khoáng chất để tìm xem liệu có nguyên tố nào cho ra hiện tượng phóng xạ như Uranium hay không.

Kết quả là nguyên tố Thorium đã được tìm thấy, một kết quả độc lập khác cũng đã thu được bởi nhà bác học người Đức G. Schmidt khi ông cũng tìm thấy Thorium và xuất bản trước đó vài tuần. Marie Curie cũng chỉ ra rằng phóng xạ xảy ra độc lập với bất kỳ trạng thái vật lý hoặc sự phân huỷ hoá học, bà đã kết luận rằng phóng xạ là một hiện tượng nguyên tử. Sự nghi ngờ về khả năng tồn tại các hợp chất phóng xạ mạnh hơn Uranium trong các khoáng vật này đã thúc đẩy gia đình Curie tiến hành nghiên cứu phân chia các khoáng tự nhiên, đây được coi là các thí nghiệm Hoá phóng xạ đầu tiên.

Nhờ thế vào năm 1902, hai nhà bác học đã tìm ra Radium và Polonium và giành giải Nobel Vật lý cho công trình này vào năm 1903 [18]. Năm 1899, bằng cách nghiên cứu khả năng xuyên thấu của tia phóng xạ từ Uranium, Rutherford đã chỉ ra rằng có hai loại tia phóng xạ [2]. Đầu tiên là tia 𝛼 có thể dễ dàng bị chặn lại bởi một tờ giấy và nó chỉ đi được vài centimet trong không khí. Tiếp đến là tia 𝛽, có khả năng đâm xuyên mạnh hơn nhiều so với tia tia 𝛼 và có thể xuyên qua vài milimet nhôm.

Rutherford là người đầu tiên đã đánh giá gần đúng năng lượng liên quan đến các tia phóng xạ, mà bấy giờ còn chưa rõ bản chất. Nối tiếp ý tưởng ấy, Marie Curie đã đo tổng đương lượng nhiệt của năng lượng phóng xạ radi và đưa ra giá trị 100cal/s đối với 1g Radium. Tia này có khả năng xuyên thấu mạnh hơn nhiều so với tia 𝛽 và được đặt tên là tia gamma (𝛾). Trong những năm đầu, phương pháp nhận diện đồng vị phóng xạ được các nhà khoa học chủ yếu sử dụng là các thiết bị đo lường đơn giản như bảng đo độc tố trên giấy, đồng hồ đo và các thiết bị đo khác.

Tuy nhiên, các phương pháp này có giới hạn và không đủ nhạy để phát hiện các đồng vị phóng xạ với nồng độ thấp. Nhưng với sự phát hiện ba loại tia phóng xạ đã đặt nền móng cho phương pháp nhận diện đồng vị phóng xạ bằng cách đo lường phổ phát xạ của chúng. -7- Năm 1914, George de Hevesy sử dụng phương pháp phát xạ gamma để theo dõi di chuyển của ion trong hệ thống sinh học. Đây là bước đầu tiên trong việc sử dụng phổ phát xạ để phân tích đồng vị phóng xạ.

Joliot Curie phát hiện ra hiện tượng bức xạ rất giống bức xạ 𝛽 nhưng hạt này mang điện dương vì lệch theo hướng ngược với hạt 𝛽 nói trên (và lệch nhiều hơn so với các hạt 𝛼) [2]. Để phân biệt hai bức xạ trên, người ta kí hiệu bức xạ 𝛽 − cho hạt mang điện âm và 𝛽 + cho hạt mang điện dương và gọi chung là bức xạ 𝛽. Những nghiên cứu chính xác cho thấy tia 𝛽 − chính là chùm các electron, còn tia 𝛽 + là chùm các hạt positron, là phản hạt của electron (cùng khối lượng 𝑚𝑒 , mang điện trái dấu). Trong quá trình nghiên cứu, các nhà khoa học đã phát hiện ra rằng các tia gamma hoặc các hạt alpha, beta khi đồng vị phóng xạ phân rã có năng lượng đặc trưng cho từng đồng vị.

Bằng cách đo năng lượng của các tia này, ta có thể xác định loại đồng vị phóng xạ đó là gì. Từ đó, các phương pháp mới như phương pháp đo lường phổ phát xạ gamma, neutron và phương pháp đo lường phổ phát xạ vật liệu đã được phát triển và sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như y học, địa chất học, công nghiệp hạt nhân và nhiều lĩnh vực khác. Đặc biệt phương pháp phổ gamma được ứng dụng rộng rãi hơn cả. Hiện tượng phóng xạ và quy luật phân rã phóng xạ 1.

Đồng vị Các hạt nhân có cùng số nguyên tử Z giống nhau nhưng với số khối A khác nhau được gọi là các hạt nhân đồng vị hay gọi tắt là đồng vị. Chẳng hạn Uranium với Z = 92 có các đồng vị 235 238 92𝑈 và 92𝑈 với số neutron bằng 143 và 146 tương ứng. Đa số các nguyên tố tạo thành từ hỗn hợp các đồng vị khác nhau. Đối với mỗi nguyên tố, tỉ lệ giữa các đồng vị thành phần gọi là độ phổ biến.

Ví dụ: Nguyên tố Oxygen có 3 đồng vị với độ phổ biến lần lượt là 168𝑂 (99,759%), 178𝑂 (0,037%) và 188𝑂 (0,204%). Mỗi nguyên tố chiếm một vị trí trong bảng tuần hoàn hoá học Mendeleev nên các đồng vị của cùng một nguyên tố có cùng một vị trí trong bảng tuần hoàn. Do đó các nguyên tử của các đồng vị khác nhau nhưng của cùng một nguyên tố đều có tính chất hoá học giống nhau. Đồng vị phóng xạ Các đồng vị có thể tồn tại trong tự nhiên, gọi là các đồng vị tự nhiên.

Hay có thể được tạo ra trong các lò phản ứng hạt nhân và các máy gia tốc hạt, gọi là các đồng vị nhân tạo. Một số đồng vị tự nhiên và hầu hết các đồng vị nhân tạo đều không bền vững và thường phát ra các bức xạ để trở thành đồng vị bền. Tính chất phát ra các tia bức xạ này gọi là tính phóng xạ và các đồng vị phát bức xạ gọi là đồng vị phóng xạ. Hiện tượng phân rã phóng xạ Hiện tượng hạt nhân tự động phóng ra các loại tia phóng xạ như 𝑎𝑙𝑝ℎ𝑎 (𝛼), 𝑏𝑒𝑡𝑎 (𝛽) 𝑣à 𝑔𝑎𝑚𝑚𝑎 (𝛾) mà mắt thường không nhìn thấy và biến đổi thành một hạt nhân mới được gọi là hiện tượng phóng xạ.

Các bức xạ đều có những tính chất như có thể kích thích một số phản ứng hoá học, phá huỷ tế bào, ion hoá không khí, xuyên qua vật chất [4] Đặc điểm cơ bản của hiện tượng phóng xạ là không phụ thuộc vào điều kiện bên ngoài (áp suất, nhiệt độ…) [2] a) Phóng xạ alpha (𝛼) Bản chất của hạt alpha là hạt nhân hạt nhân Heli ( 42𝐻𝑒). Hạt alpha bị lệch trong điện từ trường do có mang điện. Nó bị môi trường hấp thụ mạnh nên khả năng đâm xuyên yếu. Trong không khí hạt alpha đâm xuyên khoảng vài dm.

Phương trình phóng xạ: 𝛼 𝐴 𝐴−4 4 𝑍𝑋 → 𝑍−2𝑌 + 2𝛼 trong đó: X là hạt nhân mẹ, Y là hạt nhân con Ta thấy hạt nhân mới sinh ra có diện tích giảm đi 2 đơn vị và số khối giảm đi 4 đơn vị. Hạt nhân con là hạt nhân đứng trước hạt nhân mẹ 2 ô vị trí trong bảng hệ thống tuần hoàn Mendeleev. Chính vì lý do này người ta gọi đây là quy tắc dịch chuyển: có sự dịch chuyển vị trí của hạt nhân trong bảng hệ thống tuần hoàn. Quy tắc dịch chuyển này xuất phát từ định luật bảo toàn số khối A và bảo toàn điện tích Z.

-9- b) Phóng xạ beta (𝛽) Có 2 dạng phóng xạ β là: Phóng xạ β− , phóng xạ β+ - Phóng xạ β− là hạt nhân tự phát phóng xạ ra bức xạ β− (Tức là chùm hạt electron) và biến đổi thành một hạt nhân khác theo phương trình: 𝛽 𝐴 𝐴 0 − 𝑍𝑋 → 𝑍+1𝑌 + −1𝛽 Như vậy hạt nhân tạo thành có vị trí ở ô đứng sau hạt nhân mẹ trong bảng tuần hoàn Mendeleev. Tuy nhiên số khối A của hạt nhân con không khác số khối của hạt nhân mẹ. Nói cách khác ta có hạt nhân đồng phân (Cùng số khối), khác nhau điện tích Z một đơn vị. - Phóng xạ β+ được tìm thấy trong phóng xạ nhân tạo, là hạt nhân tự phát phóng xạ ra bức xạ β+ (Tức là chùm hạt positron) và biến đổi thành một hạt nhân khác theo phương trình: 𝛽 𝐴 𝐴 0 + 𝑍𝑋 → 𝑍−1𝑌 + +1𝛽 Tương tự, hạt nhân phân rã β+ trở thành hạt nhân con có điện tích giảm đi một đơn vị, bằng Z – 1.

Hạt nhân con đứng ở ô trước hạt nhân mẹ trong bảng tuần hoàn Mendeleev, ta cũng có hai hạt nhân đồng phân. c) Phóng xạ gamma (𝛾) Phóng xạ gamma thực chất là bức xạ ra sóng điện từ có bước sóng ứng với photon có năng lượng vào bậc MeV. Tia gamma không mang điện nên không bị lệch hướng trong điện từ trường. Quá trình phân rã γ của hạt nhân là một quá trình hạt nhân ban đầu ở trạng thái kích thích sau đó chuyển vể trạng thái cơ bản hoặc trạng thái thấp hơn và bức xạ ra một photon là tia γ.

Các tia này phát ra với năng lượng gián đoạn , chứng tỏ hạt nhân có những mức năng lượng gián đoạn. Năng lượng của photon γ bằng: ℎ.