BAB II DASAR TEORI
2.1.6 Besaran-Besaran Radioaktif
2.1.6 Besaran-Besaran Radioaktif
Komisi Internasional Pengukuran dan Besaran Radioaktif memperkenalkan tiga besaran pokok radiasi dan menganjurkan penggunaan satuan khusus untuk besaran tersebut. Besaran tersebut adalah rad (radiation absorbed dose) untuk dosis penyerapan, roentgen untuk penyinaran (exposure) dan curie untuk aktifitas.
Rad didefinisikan sebesar 100 erg/g. Besaran ini tidak tergantung pada jenis radiasi ataupun materi dimana energi diserap. Dosis dalam rad ini dapat diukur dengan menggunakan kamar ionisasi. Persaman dari rad adalah sebagai berikut :
wJ S dm dE m = (2.19)
dengan : Sm = Daya menghentikan massa relatif dari media gas
w = Energi hilang rata-rata dalam gas untuk tiap ion yang dibentuk
J = Jumlah ion yang terbentuk tiap satuan massa dari gas
Selain rad, besaran lain yang digunakan adalah gray (Gy) , dimana 1 Gy didefinisikan sebesar 1 J/kg atau sebesar 100 rad.
Penyinaran radioaktif diukur dalam roentgen (simbol R), yang berbeda dari dosis penyerapan. Roentgen didesinisikan oleh Komite Internasional sebagai berikut: 1 R adalah 1,61 x 1015 ion yang terbentuk setiap kg udara atau 2.08 x 109 ion per cm3 (diukur pada suhu 0o C dan tekanan 1 atm). Penyinaran memerlukan sekitar 34eV untuk membentuk sebuah ion di udara, dan penyinaran 1R menghasilkan penyerapan energi oleh udara 1.08 x 1010 eV/cm3 atau 0.113 erg/cm3 atau 88 erg/g, dalam satuan SI nilai 1R adalah 2.84x10-4 coulomb per kilogram (C/Kg) udara.
Roentgen ini adalah satuan dari penyinaran radioaktif berdasarkan efek dari radiasi sinar-γ atau sinar-X di udara yang dilewatinya. Yang perlu diingat adalah besaran ini hanya untuk radiasi sinar-γ dan sinar-X di udara. Usaha untuk menggunakan besaran ini untuk radiasi lain atau untuk media selain udara menunjukan perluasan definisi ini. Perluasan ini mungkin digunakan tetapi biasanya membingungkan.
Untuk menyatakan besaran dosis/penyinaran terhadap media selain gas digunakan besaran yang dinamai dosis serapan ekivalen. Dosis serapan ekivalen didefinisikan sebagai hasil kali dosis serapan dengan suatu bilangan tak berdimensi, yang disebut faktor kualitas (dilambangkan dengan Q). Faktor kualitas, Q, ditetapkan berdasarkan hasil percobaan dan pengalaman nyata. Hasil suatu dosis serapan ekivalen (H) diukur dalam satuan yang dinamakan sievert (Sv):
H (dalam Sv) = D (dalam Gy) x Q (2.20)
Dosis serapan ekivalen juga diukur dalam satuan rem (röntgen equivalent
man) yang merupan besaran dosis penyerapan radiasasi pada manusia, dengan
1 rem = 0.01 Sv (2.21)
Besaran aktifitas dari bahan radioaktif adalah jumlah perubahan inti yang diukur per satuan waktu. Satuan curie adalah 3.7 x 1010
disintegrasi per detik. Besaran 3.7 x 1010 disintegrasi per detik mendekati laju peluruhan 1.01g Ra226, yaitu jumlah inti Ra226 seberat 1.01g yang meluruh tiap detiknya menjadi unsur anak yang tercipta sesaat setelah Ra226 berada pada rantai peluruhan.
2.1.7 Pencacah Geiger-Müller
Pencacah Geiger-Müller (G-M) telah digunakan secara luas sebagai detektor radiasi nuklir selama bertahun-tahun. Kegunaan yang besar dari pencacah G-M adalah karena beberapa karakteristiknya antara lain: sensitifitasnya yang tinggi, kemampuan untuk digunakan pada beberapa jenis radiasi, memiliki beberapa bentuk dan bentuk jendala, sinyal keluaran yang cukup besar dan harga yang cukup murah.
Tabung pencacah G-M terdiri atas wadah/tabung yang diberi dua elektroda dan diisi denga gas tertentu. Elektroda bagian dalam atau
collector merupakan kabel tipis yang biasanya dibuat dari tungsten.
Elektroda yang lain yang sering disebut anoda, biasanya merupakan bagian dari tabung. Bila tabung terbuat dari logam, maka tabung tersebut berfungsi sebagai anoda. Bila tabung terbuat dari kaca, bagian dalam dari tabung ditutupi dengan lapisan penghantar untuk membentuk anoda Gambar 2.2.
Gas yang digunakan pada umumnya gas mulia, seperti helium, argon dan neon, yang lain yang biasa juga digunakan adalah higrogen dan nitrogen. Rentang tekanan gas yang digunakan cukup besar, beberapa tabung memiliki tekanan antara 7 sampai 20 cm Hg, meskipun begitu tekanan hingga 1 atm juga digunakan.
Gambar 2.2 Skema Tabung G-M R2 (1M) R1 (1M) C1(0.5 nF) C2 1 2 High Voltage Power Supply Counter Collector Cathoda G-M Tube
Gambar 2.3 Rangkaian Pencacah G-M Secara Umum
Rangkaian dari pencacah G-M pada umumnya, ditunjukan gambar 2.3. Sumber tegangan tinggi memberikan tegangan di antara elektroda
collector dan katoda. Bagian dari rangkaian masukan memiliki kelebihan
untuk menjaga katoda berada tegangan ground, sebuah kondisi yang diinginkan secara khusus bila tabung dari metal adalah katoda. Tegangan dc ditahan dari masukan pencacah (counter) oleh kapasitor C1. Resistor R2, dipasang secara serial dengan sumber tegangan untuk mengisolasi
sumber tegangan dari collector, yang memungkinkan tegangan di titik ini jatuh (drop) saat terjadi pelepasan muatan pada tabung G-M.
Ionisasi pertama di dalam tabung G-M memulai serangkaian kejadian di dalam tabung yang menghasilkan selubung dari pasangan-pasangan ion yang meliputi kabel collector. Hal ini meninggalkan selubung ion positif di sekitar kabel yang mengakiri pelepasan muatan karena berkurangnya kekuatan medan listrik di dekat kabel.
Selama periode yang singkat proses pelepasan muatan, medan listrik di dalam tabung G-M berada di bawah normal karena adanya selubung ion positif. Pulsa yang terbentuk oleh penambahan ionisasi selama periode ini berkurang sesuai dengan ionisasi. Hal ini ditunjukan oleh gambar 2.4. Partikel tambahan yang masuk ke dalam tabung selama tahap-tahap awal dari pulsa pertama tidak akan memicu pelepasan muatan. Interval ini disebut dead time (td) dari tabung.waktu yang dibutuhkan untuk pemulihan total pulsa setelah akhir dari interval dead time disebut
recovery time (tr).
Gambar 2.4 Dead time dari tabung G-M (waktu dalam Sec)
Dead time ini bagi tabung, mengatur rentang waktu yang lebih
sempit antara waktu kedatangan partikel-partikel nuklir, bila dead time ini dipisah-pisahkan. Untuk sistem yang menggunakan penguat tegangan yang peka, pemisahan waktu (τ) untuk sistem mendekati td. Untuk penguat yang kurang sensitif, τ terletak di antara td dan td + tr.
Secara garis besar prinsip kerja pencacah G-M adalah sebagai berikut:
1. Sinar radioaktif (sinar-γ dan sinar-X) masuk ke dalam tabung G-M dan mengionisasi atom gas yang berada di dalam tabung gambar 2.5. sedangakan Partikel-α dan partikel-β akan ditahan oleh jendela (window) dari tabung G-M.
Gambar 2.5 Proses Ionisasi
2. Ion positif akan mengumpul di anoda dan ion negatif mengumpul di katoda, gambar 2.6.
3. Ion negatif yang berupa elektron akan mengalir ke pencacah (counter), sehingga pencacah akan mendapat nilai tegangan yang tinggi sehingga dicatat sebagai satu cacahan, gambar 2.7.
Gambar 2.7 Aliran Elektron ke Pencacah
4. Elektron yang berasal dari sumber tegangan akan mengalir ke anoda dimana ion positif berkumpul dan kembali membentuk atom, sehingga hambatan antara anoda dan katoda menjadi sangat besar sehingga tidak ada elektron yang mengalir maka pencacah mencatat sebagai nilai rendah, gambar 2.8.
5. Jika ada radiasi yang masuk ke pencacah G-M, maka proses akan berulang dari proses pertama.
2.1.8 Penggunaan Pencacah Geiger-Müller 2.1.8.1Menentukan Waktu Paro
Dengan menaruh sebuah isotop di depan pencacah G-M dan mencatat dari waktu ke waktu cacahannya, dapat ditentukan waktu paro dari suatu isotop yang belum diketahui waktu paronya, terutama untuk isotop yang memiliki waktu paro relatif singkat antara beberapa menit hingga beberapa jam. Dengan melihat langsung cacahan awal dan cacahan yang menunjukkan nilai setengah dari nilai cacahan awal, maka waktu paro dapat ditentukan.
Untuk menentukan waktu paro suatu isotop yang memiliki waktu paro beberapa hari hingga beberapa tahun, dapat dihitung dari sampel data yang diambil. Dengan asumsi cacahan akan menurun sebanding dengan penurunan jumlah inti induk (N) yang berarti sebanding dengan penurunan aktivitas (A) seperti ditunjukkan oleh persamaan 2.1.
N=N0e-λt
Asumsikan jumlah inti induk awal (N) sebanding dengan cacahan awal (n CPM) dan jumlah inti induk setelah t waktu (N0) sebanding dengan cacahan setelah t waktu (n0 CPM) maka constanta peluruhan dapat dihitung sebagai berikut
ln (n/n0) = -λt t n n/ ) ln( 0 − = λ (2.22)
Dengan diketahuinya konstanta peluruhan maka waktu paro dapat diketahui dengan memasukkan hasil tersebut ke persamaan 2.2.
Untuk menentukan waktu paro dengan pencacah G-M ada hal yan gyang perlu diperhatikan, yang pertama tidak semua peluruhan isotop memancarkan sinar-γ, beberapa isotop hanya memancarkan radiasi α atau radiasi β. Jendela tabung geiger pada umumnya diberi penutup/cover
untuk mencegah agar partikel α dan β tidak masuk ke dalam tabung sehingga untuk menentukan waktu paro suatu isotop yang hanya memancarkan partikel α atau β saat meluruh akan memberikan hasil yang tidak akurat.
Kedua tidak semua isotop yang meluruh akan menghasilkan inti anak yang stabil tetapi inti anak ini masih akan meluruh ke keadaan yang lebih stabil, sehingga radiasi γ yang dideteksi pencacah G-M tidak hanya berasal dari inti induk tetapi juga berasal dari inti anak. Beberapa inti anak memiliki waktu paro yang lebih kecil dari pada inti induk. Sebagai contoh isotop protactinium yang meluruh ke uranium dalam tabel 2.1. Jadi penggunaan pencacah G-M dalam menentukan waktu paro sebaikmya hanya sebagai estimasi.
Tabel 2.1 Empat Isotop Pertama Deret Peluruhan Uranium Unsur Nuklida Waktu Paro Radiasi Uranium 23892U 4.51 milyar Tahun α dan γ
Thorium 234Th
90 24.1 hari β dan γ
Protactinium 23491Pa 6.75 hari β dan γ
Uranium 234U
92 247 ribu tahun α dan γ
2.1.8.2Mencari Koefisien Penyerapan Linier
Saat radiasi sinar-γ melewati sebuah materi, radiasi itu mengalami penyerapan menurut efek compton dan fotolistrik. Intensitas radiasi berkurang sebanding dengan ketebalan media yang dilaluinya. Persamaan matematika untuk intensitas (I) adalah sebagai berikut:
I = I0e- (2.23)
Dengan
I0= intensitas awal radiasi
I = intensitas radiasi setelah melalui sebuah materi dengan ketebalan/jarak (x).
Jika persamaan (2.23) disusun ulang dan memberikan fungsi logaritma natural, maka persamaan akan menjadi:
Ln(I/ I0) = - x (2.24)
Lapisan/ketebalan yang memberikan nilai setengah (the half-value
layer, THL) dari sebuah media penyerapan, ketebalannya didefinisikan
sebagai, x1/2, yang akan mengurangi intensitas radiasi hingga setengahnya. Sehingga I/ I0=0.5, jika nilai ini dimasukkan ke dalam persamaan (2.24)
Ln(0,5) = - x Dengan menyusun ulang
2 / 1 693 , 0 x = µ (2.25)
Pada pencacah G-M, jika intensitas sinar-γ berkurang maka jumlah cacahan per menitnya juga berkurang, dengan asumsi intensitas awal (I0) sama dengan cacahan awal (n0), dan intensitas yang melalui sebvuah materi setebal x sehingga intensitas tinggal setengahn (I) yang sebanding dengan cacahan (n), maka I/ I0 = n/ n0 = 0,5. Dengan memasukkan nilai ketebalan persamaan (2.25) maka koefisien penyerapan suatu materi dapat diketahui.
3.1.8.3 Mengukur Besaran Radioaktif dari Hasil Cacahan
Secara umum keluaran dari pencacah Geiger-Müller berupa perubahan tegangan. Perubahan tegangan ini biasanya berlangsung cepat antara ratusan hingga ribuan perubahan per menit. Pada umumnya besar perubahan tergantung dari besarnya energi radiasi yang diterima tabung, jenis dan tekanan gas di dalam tabung.
Untuk mengubah besaran cacahan menjadi suatu besaran radioaktif (pada umumnya besaran exposure dalam mR/h), jenis tabung terutama jenis gas dan tekanannya harus diketahui lebih dahulu. Selain itu perlu juga diketahui sensitifitas dari tabung tersebut. Sensitifitas adalah jenis
bahan radioaktif yang digunakan untuk mengkalibrasi tabung geiger-müller. Jenis bahan radioaktif yang digunakan biasanya 137Cs dan 60Co. Pada umumnya produsen dari tabung geiger-müller telah memberikan specifikasi tabung yang mereka buat. Sebagai contoh beberapa seri tabung geiger-müller memiliki sensitifitas seperti yang ditunjukkan tabel 2.2.
Tabel 2.2 Sensitivitas dari Beberapa Tabung Geiger-Müller
GM-10 GM-45 GM-50 GM-90 137 Cs Sensitivity 900 CPM/mR/Hr 3600 CPM/mR/Hr 6500 CPM/mR/Hr 6000 CPM/mR/Hr 60 Cs Sensitivity 1080 CPM/mR/Hr 3600 CPM/mR/Hr 7800 CPM/mR/Hr 7200 CPM/mR/Hr
2.1.8.4 Inverse Square Law
Ada kesamaan antara cahaya biasa dengan sinar-γ, kedua-duanya adalah radiasi elektromagnetik, karena itu keduanya memenuhi persamaan klasik
E= hv (2.26)
Dengan:
E = Energi poton dalam ergs
v = frekuensai radiasi dalam cycle/second h = konstanta Plank (6.624x10-27 ergs second)
oleh karena itu, dalam menerangkan hukum invers square law tepat sekali jika membuat analogi antara sumber cahaya dan sumber sinar-γ.
Diasumsikan sebuah sumber yang memancarkan foton-foton dalam kecepatan, N0 photons/second. Suatu hal yang masuk akal untuk
diasumsikan bahwa foton-foton ini akan memancar ke segala arah dengan intensitas yang sama. Bila sumber cahaya diletakkan di pusaat sebuah selubung bola yang transparan, cukup mudah untuk mengukur jumlah dari cahaya foton-foton setiap detik untuk setiap cm2 selubung bola. Intensitas ini dirumuskan sebagai berikut:
0 0 0 A N I = (2.27)
Dengan N0 adalah jumlah total dari photons/second dan A0 adalah luas bola dalam cm2.
Jika A0 = 4πR02 dengan R0 adalah radius bola, persamaan 2.27 dapat ditulis: