Desenvolvimento de um código computacional aberto de análise quantitativa para determinação de radionuclídeos por espectrometria gama com detectores semicondutores

• Main Author: Máduar, Marcelo Francis
• Other Authors: Pecequilo, Brigitte Roxana Soreanu
• Format: Others
• Language: pt
• Published: Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP 2010
• Subjects: análise de espectros; código aberto; detectores HPGe; espectrometria gama; gamma-ray spectrometry; HPGe detectors; open source; radionuclide; radionuclídeos
• Online Access: http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/85/85131/tde-12082011-150805/

A quantificação da atividade de radionuclídeos emissores de raios gama em amostras medidas por espectrometria gama com detectores HPGe depende da análise dos fotopicos presentes no espectro, especialmente da determinação exata das suas áreas líquidas. Tal análise é geralmente realizada com o auxílio de ferramentas de software proprietário. Este trabalho apresenta uma metodologia, descrição de algoritmos e um aplicativo de código aberto, denominado OpenGamma, para a busca e análise de fotopicos a fim de se obter seus parâmetros relevantes e as atividades dos radionuclídeos na amostra. A implementação computacional é distribuída sob licença aberta para o código principal e com o uso de pacotes de software aberto para o projeto da interface e para bibliotecas matemáticas. O procedimento para a busca de picos é realizado em três etapas. Primeiramente, executa-se uma pesquisa preliminar com o método da segunda diferença, que consiste na geração de um espectro derivado para a busca de picos candidatos. Na segunda etapa, calculam-se as larguras experimentais dos picos, dos quais escolhem-se aqueles bem formados e isolados para a obtenção da função de ajuste da largura vs. canal, por meio do método de Levenberg-Marquardt para ajustes não-lineares. Por fim, regiões do espectro com picos agrupados são delimitadas e novo ajuste não-linear é aplicado a cada região para a obtenção dos termos da linha de base e dos fotopicos. A partir destes termos, são calculadas as áreas líquidas dos picos. Para a determinação da atividade, curvas de calibração de eficiência previamente obtidas, bem como dados de transições gama dos radionuclídeos, são incorporadas ao código e aplicadas. O código foi escrito em linguagem C++ e a interface foi desenvolvida com a ferramenta Qt. Para as funções matemáticas e procedimentos de ajuste, foi usada a biblioteca científica GNU (GSL). A validação de código foi feita por meio da análise de: 1) espectros sintéticos de teste da AIEA, especialmente desenhados para a avaliação de desempenho de software; 2) espectros obtidos com amostras de exercícios de intercomparação e 3) espectros da rotina de trabalho do Laboratório de Radiometria Ambiental (LRA) do IPEN e analisados com o aplicativo comercial InterWinner. Os resultados obtidos são consistentes com os valores de referência e com aqueles obtidos pelo aplicativo citado, sugerindo que o código OpenGamma pode ser utilizado com segurança na espectrometria de raios gama de uso geral. === Radioactivity quantification of gamma-ray emitter radionuclides in samples measured by HPGe gamma-ray spectrometry relies on the analysis of the photopeaks present in the spectra, especially on the accurate determination of their net areas. Such a task is usually performed with the aid of proprietary software tools. This work presents a methodology, algorithm descriptions and an open source application, called OpenGamma, for the peak search and analysis in order to obtain the relevant peaks parameters and radionuclides activities. The computational implementation is released entirely in open-source license for the main code and with the use of open software packages for interface design and mathematical libraries. The procedure for the peak search is performed on a three step approach. Firstly a preliminary search is done by using the second-difference method, consisting in the generation of a derived spectrum in order to find candidate peaks. In the second step, the experimental peaks widths are assessed and well formed and isolated ones are chosen to obtain a FWHM vs. channel relationship, by application of the Levenberg-Marquardt minimization method for non-linear fitting. Lastly, regions of the spectrum with grouped peaks are marked and a non-linear fit is again applied to each region to obtain baseline and photopeaks terms; from these terms, peaks net areas are then assessed. For the activity determination, previously obtained efficiency calibration curves, as well as nuclides gamma-ray data, are incorporated in the code and applied. The code was developed in C++ language and the interface was developed with Qt GUI software toolkit. GNU scientific library, GSL, was employed to perform fitting procedures as needed. Validation of code was done by analyzing: 1) synthetic test spectra from IAEA, especially designed for software performance evaluation; 2) spectra obtained from samples of intercomparison exercises and 3) spectra from routine activities of the Environmental Radiometric Laboratory (LRA) at IPEN and analyzed with the commercial software package InterWinner. Results obtained are consistent with the reference values and with those obtained by the aforementioned package. The results suggest that the OpenGamma code could be safely used in general-purpose gamma-ray spectrometry.