Menentukan Spektum Energi Radiasi Gamma Menggunakan Detektor Sintilasi dan Multi dan Multi Channel Analyzer (MCA) (MCA)
Rizki Agung Satrio Darmawan
M0214060
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SEBELAS MARET 2016
I.
Latar Belakang
Spektrometer merupakan alat yang digunakan untuk menentukan energi yang ditransmisikan dari suatu sumber sebagai fungsi panjang gelombang (Gandjar, 2007). Suatu sumber radioaktif apabila meluruh akan memancarkan partikel α, β atau γ. Partikel-partikel tersebut mempunyai tingkat energi tertentu. Partikel-partikel tersebut tidak dapat dilihat oleh mata manusia, sehingga dibutuhkan detektor untuk mendeteksi partikel tersebut dan mengetahui besarnya energi yang dipancarkan oleh sumber radioaktif tersebut. Dalam eksperimen kali ini, detektor yang digunakan adalah detektor sintilasi NaI(Tl). Detektor tersebut dihubungkan dengan Multi Channel Analyzer (MCA) untuk menampilkan pulsa-pulsa sinyal energi. Dari pulsa-pulsa sinyal tersebut kemudian dianalisa untuk menentukan besarnya energi pancaran dari sumber radioaktif. Untuk mengetahui dan menentukan spektrum energi dari sumber radioaktif maka dilakukan eksperimen ini.
II.
Tujuan
a. b.
Memahami prinsip kerja detektor sintilasi NaI(Tl). Menentukan
besarnya
energi
pancaran
dari
sumber
radioaktif
dengan
menggunakan detektor sintilasi NaI(Tl) dan Multi Channel Analyzer .
III.
Tinjauan Pustaka
Seperti halnya inti atom yang tereksitasi dapat memancarkan foton. Inti atom dapat berada pada keadaaan tereksitasi sebagai aki bat peluruhan alfa, beta atau melalui proses tumbukan dengan zarah lain. Setelah peluruhan alfa dan beta, inti biasanya dalam keadaan tereksitasi. Seperti halnya atom, inti akan mencapai ground state (stabil dengan memancarkan foton) yang dikenal dengan sinar gamma (γ). Sebuah inti yang tereksitasi dapat meluruh dengan emisi radiasi elektromagnetik dengan cara menuju tingkat energi yang lebih rendah. Proton yang tereksitasi dapat meemancarkan radiasi elektromagnetik yaitu sinar gamma melalui proses peluruhan. Hal ini identik dengan transisi elektron tereksitasi dalam atom dari tingkat energi yang lebih tinggi ke tingkat energi yang lebih rendah disertai dengan pancaran radiasi elektromagnetik. Radiasi sinar gamma umumnya dikenal sebagai radiasi elektromagnetik yang dihasilkan inti atom. Radiasi gamma memiliki panjang gelombang lebih pendek dari 10 4 F, dengan
energi lebih besar 0,1 MeV sampai dengan 10 MeV, yang merupakan karakteristik selisih antara keadaan-keadaan inti. Energi sinar gamma yang dipancarkan sama dengan selisih antara tingkat-tingkat energi dimana inti atom melakukan transisi. Apabila foton berinteraksi dengan sebuah elektron bebas atau yang terikat lemah, energi yang dilepaskan pada saat terjadi transisi adalah energi inti yang digunakan sebagai tenaga sinar gamma (Yusman, 2006). Interaksi sinar γ dengan materi bisa terjadi melalui bermacam-macam proses. Dari berbagai proses tersebut hanya ada 3 proses, yaitu (Beiser, 1995) : a.
Efek fotolistrik merupakan peristiwa terlepasnya elektron atom karena ditumbuk oleh foton. Sebuah foton diserap oleh elektron orbit yang terikat dalam atom. Tenaga foton diberikan kepada elektron sebagian untuk melepaskan diri dari orbit atom dan sisanya digunakan untuk bergerak sebagai tenaga kinetik. Secara skematis dapat dilihat pada gambar berikut.
Gambar 1. Skema Efek Fotolistrik
b.
Hamburan Compton terjadi antara foton dan sebuah elektron bebas atau hampir bebas, yaitu yang terdapat pada kulit terluar sebuah atom. Foton akan menyerahkan sebagian energinya pada elektron untuk bergerak dan foton akan terhambur dengan sudut sebesar terhadap arah gerak foton datang. Secara skematis dapat dilihat pada gambar berikut.
Gambar 2. Skema Hamburan Compton
c.
Produksi pasangan, foton datang yang berenergi sekurang-kurangnya 1,02 MeV (karena Energi untuk electron adalah 0,51 MeV) maka dapat melakukan meteralisasi menjadi pasangan electron-positron ketika melewati dekat inti; kedatangan inti diperlukan supaya kekalan momentum terpenuhi.
Ketiga proses sinar γ dan daerah dominannya dapat dilihat pada gambar berikut (Krane, 1992).
Gambar 3. Tiga Proses Sinar γ
Radiasi partikel radioaktif tidak dapat dilihat oleh mata, oleh karena itu dibutuhkan detekotr untuk melihatnya. Detektor merupakan suatu bahan yang peka terhadap radiasi, yang bila dikenai radiasi akan menghasilkan tanggapan. Salah satu jenis detektor adalah detektor sintilasi. Detektor ini terbuat dari bahan yang dapat memancarkan kilatan cahaya apabila berinteraksi dengan sinar gamma. Efisiensi detektor bertambah dengan meningkatnya volume kristal sedangkan resolusi energi tergantung pada kondisi pembuatan pada waktu pengembangan kristal (Syamsa, 2012). Detektor NaI(Tl) sering digunakan karena memiliki efisiensi tinggi meskipun resolusinya rendah (Pftansiel,1997). Mekanisme kerja detektor sintilasi NaI(Tl) adalah sebagai berikut. NaI merupakan material isolator, sehingga pita valensi penuh dengan elektron sedangkan pita konduksi dalam keadaan kosong. Suatu radiasi γ dapat mengeksitasi sebuah elektron dari pita valensi ke pita konduksi. Ketika elektron kembali ke pita valensi, sebuah foton dipancarkan. Foton ini akan menumbuk katoda yang permukaannya terdapat lapisan fotosensitive yang biasanya terbuat dari antimony dan cesium. Akibatnya, melalui mekanisme efek fotolistrik katoda akan menghasilkan paling sedikit satu elektron tiap foton yang mengenainya. Di belakang katoda terdapat tabung pengganda elektron yang dinamakan photomultiplier tube (PMT) yang terdiri atas beberapa elektroda yang dinamakan dynode yang masing-masing dihubungkan dengan tegangan listrik searah yang bertambah besar. Dynode ini diberi tegangan tinggi positif bertingkat untuk memperbanyak cacah elektron dan cacah elektron ini akan terakumulasi di anoda sehingga mampu menimbulkan sinyal dalam bentuk pulsa muatan. Pulsa muatan ini oleh preamplifier diubah menjadi pulsa tegangan negatif berorde milivolt. Selanjutnya pulsa ini diperkuat kembali oleh amplifier menjadi
pulsa tegangan positif orde volt dan dianalisis dengan menggunakan penganalisis saluran ganda (Multi Channel Analyzer, MCA) (Desi, 2001). Kemampuan sistem spektrometer energi radiasi untuk memisahkan antara energi radiasi yang masuk sangat penting diketahui akrena untuk memberikan infromasi seberapa valid informasi energi radiasi yang muncul dalam spektrum radiasi yang dihasilkan. Resolusi energi radiasi dapat dijelaskan dengan gambar berikut.
Gambar 4. Resolusi energi radiasi
Resolusi energi radiasi tergantung dari berbagai variabel. Variabel tersebut diantaranya adalah jenis bahan yang digunakan sebagai detektor radiasi dan tegangan tinggi (HV atau High Voltage) yang dioperasikan. Semakin jelas dua buah energi radiasi yang berdekatan yang dipisahkan, semakin baik untuk kerja spektrometer tersebut. Nilai Resolusi bisa dihitung dengan menggunakan persamaan : =
∆
100%
dengan R merupakan resolusi spektrometer, FWHM ( Full Width Half Medium) dan ∆ adalah jarak antara dua energi (Zaidan, 2012). Sumber Radiasi dapat dilihat pada tabel berikut (Haditjahyono, 2006). Tabel 1. Sumber Radiasi
Jenis radionuklida
Energi (keV)
Cd-109
88
Cs-137
662
Co-60
1173 1332
IV.
Metode Eksperimen
A. Alat dan Bahan a. Detektor Sintilasi NaI(Tl) b. Multi Channel Analyzer (MCA) c. Sumber Tegangan d. Sumber Radioaktif : Co-60, Ba-133, Na-22, Cs-137
B. Gambar Alat
Gambar 5. Detektor Sintilasi dan MCA
Gambar 7. Sumber Radioaktif
Gambar 6. Sumber Radioaktif
Gambar 8. Sumber Radioaktif
Gambar 9. Sumber Radioaktif
C. Langkah Kerja Mulai
Alat dan bahan disiapkan
Sumber radioaktif dipilih dan diletakkan pada space holder
MCA, layar, detektor dihidupkan
Waktu cacah ditentukan dengan menekan tombol TIME dan Digit Angkat ( 300 detik)
Tombol Mulai Start ditekan
Sinyal energi didapatkan pada layar
Nilai CH, CT, dan Resolusi tia sumber dicatat
Tombol erase ditekan
MCA la ar detektor dimatikan
Selesai
D. Metode Grafik
i g r e n E
No Channel
V.
Hasil Eksperimen Tabel 2. Nilai Channel tiap Sumber Radioaktif
Sumber
Compton Edge
Puncak I
Puncak II
CH
CT
CH
CT
CH
CT
Co-60
104
6466
144
7028
169
4817
Cs-137
32
3928
68
37213
-
-
Na-22
23
341
45
439
65
211
Ba-133
4
6304
20
34349
66
289
Menentukan Besarnya Resolusi adalah dengan persamaan berikut. =
∆
100%
Lebar puncak (FWHM) = 77-58 = 15 ∆
VI.
= 68
Analisa
Pada eksperimen kali ini yaitu menentukan besarnya energi tiap sumber radioaktif dengan detektor sintilasi dan Multi Channel Analyzer . Prinsip kerja dari detektor sintilasi dapat dijelaskan dengan gambar berikut.
Gambar 10. Prinsip Kerja Detektor NaI(Tl)
Pada gambar tersebut dapat dijelaskan bahwa sinar γ yang masuk ke dalam detektor berinteraksi dengan atom-atom bahan sintilator menimbulkan efek fotolistrik, hamburan compton dan produksi pasangan serta menghasilkan kilatan cahaya dalam sintilator. Keluaran cahaya yang dihasilkan oleh kristal sintilasi sebanding dengan energi sinar γ. Kilatan cahaya oleh pipa cahaya dan pembelok cahaya kemudian
ditransmisikan ke fotokatoda lalu ditransmisikan ke photomultiplier tube (PMT). Dalam photomultiplier tube (PMT) elektron digandakan dan arus elektron yang dihasilkan membentuk pulsa tegangan pada input penguat awal ( preamplifier ). Pulsa ini setelah melewati alat pemisah dan pembentuk pulsa dihitung dan dianalisis oleh Mulichannel Analyzer (MCA) dengan tinggi pulsa sebanding dengan energi γ. Dalam detektor sintilasi terjadi 3 proses yaitu efek fotolistrik, efek Compton, dan produksi pasangan. Efek fotolistrik terjadi saat sinar γ menumbuk elektron yang terikat pada atom dan energi radiasi γ lebih besar jika dibandingkan dengan energi ikat elektron pada atom tersebut. Energi radiasi akan terserap seluruhnya oleh elektron sehingga elektron mampu melepaskan ikatannya dari atom dan kelebihan energi yang diserap digunakan sebagai energi gerak elektron tersebut. Efek Compton terjadi saat sinar γ menumbuk elektron bebas atau elektron yang terikat lemah pada atomnya. Keadaan ini menyebabkan energi foton tidak akan terserap seluruhnya oleh elektron tersebut tidak seperti dalam perisitiwa fotolistrik sehingga elektron hanya akan menyearakan sebagain energinya kepada elektron dan kemudian sinar γ akan terhambur dengan sudut terhadap arah gerak mula – mula dan tentunya dengan energi yang lebih rendah dari energi semula (energinya sisa). Produksi pasangan akan terjadi dan menghasilkan pasangan elektron – positron. Massa elektron dan postiron masing masing setara dengan energi sebesar 0,511 MeV yang merupakan massa diam elektron. Dengan demikian efek pembentukan pasangan ini tidak akan terjadi kecuali bila energi radiasi gamma minimal sama dengan 2 x 0,511 MeV = 1,022 MeV. Bila energi radiasi gamma melebihi 1,022 MeV maa kelebihan energinya akan dibagi oleh elektron dan positron sebagai energi geraknya. Pada percobaan ini, sumber radioaktif Co-60 dan Cs-137 digunakan untuk menentukan grafik kalibrasi. Grafik kalibrasi berbentuk polinomial sebagai berikut.
Gambar 11. Grafik Kalibrasi
Pada grafik tersebut, variabel bebasnya adalah nilai channel pada setiap puncak yang ditampilkan oleh Multi Channel Analyzer (MCA). Variabel terikatnya adalah besarnya energi radiasi sumber radioaktif Co-60 dan Cs-137 yang diperoleh dari literatur. Sehingga didapatkan persamaan grafik y = -0.0036x 2 + 7.4847x + 169.12. Dari persamaan grafik tersebut kemudian akan digunakan untuk mencari nilai energi radiasi pada Ba-133 dan Na-22 dimana nilai x adalah nilai channel pada puncak tiap sumber radioaktif dan nilai y adalah energi yang dicari. Energi yang didapat untuk sumber radiasi Co-60 pada channel 144 adalah 1172.26 keV dan pada channel 169 adalah 1331.21 keV. Energi yang didapat untuk sumber radiasi Cs-137 pada channel 68 adalah 661.43 keV. Nilai channel dan energi tersebut menjadi acuan pada grafik kalibrasi. Untuk energi sumber radiasi Na-22 pada channel 45 adalah 498.64 keV dan pada channel 65 adalah 640.41 keV. Untuk energi sumber radiasi Ba-133 pada channel 20 adalah 317,37 keV dan pada channel 66 adalah 647,12 keV. Besarnya energi pancaran yang diperoleh perhitungan berbeda dengan literatur yang ada. Hal ini disebabkan karena adanya resolusi pada alat. Untuk menentukan besarnya resolusi adalah dengan persamaan berikut. =
∆
100%
Besarnya FWHM adalah adalah lebar puncak tiap sumber radioaktif dan ∆ adalah channel puncak. Dengan menggunakan sumber radiasi Cs-137 didapatkan resolusi sebesar 27.94%. Semakin besar resolusi maka ketelitian dari akan semakin kecil.
VII.
a.
Kesimpulan
Prinsip kerja detektor sintilasi NaI(Tl) saat radiasi γ mengeksitasi elektron dari pita valensi ke pita konduksi. Ketika elektron kembali ke pita valensi, sebuah foton dipancarkan. Akibatnya, melalui proses efek fotolistrik katoda akan menghasilkan elektron. Di belakang katoda terdapat tabung pengganda elektron yang dinamakan photomultiplier tube (PMT) yang terdiri atas beberapa elektroda yang dinamakan dynode. Dynode ini diberi tegangan tinggi positif bertingkat untuk memperbanyak cacah elektron dan akan terakumulasi di anoda sehingga mampu menimbulkan sinyal dalam bentuk pulsa muatan. Pulsa muatan ini akan diubah oleh preamplifier menjadi pulsa tegangan negatif berorde milivolt. Selanjutnya pulsa ini diperkuat kembali oleh amplifier menjadi pulsa tegangan positif orde volt dan dianalisis dengan menggunakan penganalisis saluran ganda ( Multi Channel Analyzer ).
b.
Energi yang didapat untuk sumber radiasi Tabel 3. Energi Pancaran tiap Sumber Radiasi
Sumber Radiasi
Channel
Energi (keV)
Co-60
144
1172.26
Co-60
169
1331.21
Cs-137
68
661.43
Na-22
45
498.64
Na-22
65
640.41
Ba-133
20
317.37
Ba-133
66
647.12
VIII. Daftar Pustaka
Ardisasmita, M.Syamsa. 2012. Pengembangan Spektrometer Sinar-Gamma Dengan Sistem Identifikasi Isotop Radioaktif Menggunakan Jaringan Syaraf Tiruan. Batan: Yogyakarta. Beiser, Arthur. 1995. Konsep Fisika Modern, Edisi Keempat . Jakarta: Erlangga. Desy dan Munir. 2001. Pengaruh Perubahan Tegangan Tinggi Tabung Photomultiplayer (PMT) Terhadap Amplitudo Keluaran Detektor NaI(Tl). Jurnal Berkala Fisika Vol.4, No.3 , hal 69-78. Gandjar, G.H., dan Rohman, A., (2007). Kimia Farmasi Analisis. Pustaka Pelajar: Yogyakarta: hal.120, 164, 166. Haditjahyono,
Hendriyanto.
2006. Prinsip Dasar
Pengukuran
Radiasi.
http://www.batan.go.id/pusdiklat/elearning/Pengukuran_Radiasi/_private/pr insip_dasar.pdf Krane, Kenneth. 1992. Fisika Modern. Jakarta : Erlangga. Pftansiel S.E., Hofsetter K.J,dan Devoll T.A. 1997. Comparison of Four Types of Gamma-and X-ray Detectors for Environmental . Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry, Vol. 223, No. 1-2. Wiyatmo, Yusman. 2006. Fisika Nuklir . Pustaka Pelajar : Yogyakarta. Zaidan, A. 2012. Pengantar Fisika Modern. Jurusan Fisika : Universitas Airlangga.
Surakarta, 12 Desember 2016 Mengetahui, Asisten
Praktikan
Aulia Litsa Ariffiyah
Rizki Agung Satrio Darmawan
IX.
Lampiran
1. Gambar sinyal pulsa pada setiap sumber radioaktif
Sinyal pada Sumber Cs-137
Sinyal pada Sumber Co-60
Sinyal pada Sumber Ba-133
Sinyal pada Sumber Na-22
2. Perhitungan a. Resolusi
=
∆
100 %
Lebar puncak (FWHM) = 77-58 = 15 ∆
= 68 =
15 68
100 %
= 27.94 %
b. Perhitungan Energi Ba-133 dan Na-22 Persamaan grafik kalibrasi sebesar y = -0.0036x2 + 7.4847x + 169.12 -
Mencari energi Ba-133 pada channel 20 adalah
y = -0.0036x 2 + 7.4847x + 169.12 y = -0.0036(20) 2 + 7.4847(20) + 169.12 y = 317,37 keV -
Mencari energi Ba-133 pada channel 66 adalah
y = -0.0036x 2 + 7.4847x + 169.12 y = -0.0036(66) 2 + 7.4847(66) + 169.12 y = 647,12 keV -
Mencari energi Na-22 pada channel 45 adalah
y = -0.0036x 2 + 7.4847x + 169.12 y = -0.0036(45) 2 + 7.4847(45) + 169.12 y = 498.64 keV -
Mencari energi Na-22 pada channel 65
y = -0.0036x 2 + 7.4847x + 169.12 y = -0.0036(65) 2 + 7.4847(65) + 169.12 y = 640.41 keV
