Desain dan Karakterisasi Performa Spektrometer Small Angle Neutron Scattering (SANS) BATAN Menggunakan Program Simulasi Vitess 3.1

(1)

DESAIN DAN KARAKTERISASI PERFORMA SPEKTROMETER

SMALL ANGLE NEUTRON SCATTERING

(SANS) BATAN

MENGGUNAKAN PROGRAM SIMULASI VITESS 3.1

M. ARIF EFENDI

DEPARTEMEN FISIKA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR

(2)

(3)

PERNYATAAN MENGENAI SKRIPSI DAN

SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA*

Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi berjudul Desain dan Karakterisasi Performa Spektrometer Small Angle Neutron Scattering (SANS) BATAN Menggunakan Program Simulasi Vitess 3.1 adalah benar karya saya dengan arahan dari dosen pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk apa pun kepada perguruan tinggi mana pun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir skripsi ini.

Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada Institut Pertanian Bogor.

(4)

ABSTRAK

M. ARIF EFENDI. Desain dan Karakterisasi Performa Spektrometer Small Angle Neutron Scattering (SANS) BATAN Menggunakan Program Simulasi Vitess 3.1. Dibimbing oleh TONY IBNU SUMARYADA dan EDY GIRI RACHMAN PUTRA.

Small Angle Neutron Scattering (SANS) merupakan teknik yang mampu memetakan dan memberikan informasi struktur dan dinamika secara tiga dimensi bentuk, ukuran, dan orientasi suatu inhomogenitas dalam skala nanometer. Performa spektrometer SANS dapat ditingkatkan melalui simulasi ataupun eksperimen. Metoda Monte Carlo merupakan metoda yang paling tepat untuk simulasi eksperimen SANS, salah satu program simulasi yang menggunakan Metoda Monte Carlo adalah Vitess 3.1. Salah satu parameter penting dalam SANS ini adalah fluks neutron pada pada posisi sampel yang menurun secara eksponensial sebagai fungsi panjang kolimator dan secara linear sebagai fungsi panjang neutron guide berdasarkan hasil simulasi. Distribusi fluks neutron pada berkas neutron tidak homogen dengan nilai rata-ratanya sama dengan hasil pengukuran fluks neutron pada seluruh luasan berkas neutron. Hasil simulasi pengukuran fluks neutron sesuai dengan hasil eksperimen.

Kata kunci: fluks neutron, simulasi, Small Angle Neutron Scattering (SANS)

ABSTRACT

M. ARIF EFENDI. Design and Characterizing Performance of Small Angle Neutrons Scattering (SANS) BATAN Spectrometer Using Program Simulation Vitess 3.1. Supervised by TONY IBNU SUMARYADA and EDY GIRI RACHMAN PUTRA.

Small Angle Neutron Scattering (SANS) is a technique for mapping and providing the information of structure and dynamics in three dimension of shape, size, and orientation of an inhomogenitas in nanometer scale. The performance of SANS spectrometer can be improved through simulation or experiment. Monte Carlo method is the most appropriate method for simulating SANS experiment. One of the simulation program based on Monte Carlo method is Vitess 3.1. From the simulation, the neutron flux at the sample position decreases exponentially as a function of collimator length and decreases linearly as a function of the neutron guide length. Neutron flux distribution in the neutron beam is inhomogenous with the average value is equal to the neutron flux measurement results on the entire area of the neutron beam. The simulation result on neutron flux measurement is

comparable with the experimental results.

(5)

Skripsi

sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Sains

pada

Departemen Fisika

DESAIN DAN KARAKTERISASI PERFORMA SPEKTROMETER

SMALL ANGLE NEUTRON SCATTERING

(SANS) BATAN

MENGGUNAKAN PROGRAM SIMULASI VITESS 3.1

M. ARIF EFENDI

DEPARTEMEN FISIKA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR

(6)

(7)

Judul Skripsi : Desain dan Karakterisasi Performa Spektrometer Small Angle Neutron Scattering (SANS) BATAN Menggunakan Program Simulasi Vitess 3.1

Nama : M. Arif Efendi NIM : G74100058

Disetujui oleh

Dr Tony Ibnu Sumaryada

Pembimbing I Dr Edy Giri Rachman Putra Pembimbing II

Diketahui oleh

Dr Akhiruddin Maddu Ketua Departemen Fisika

(8)

PRAKATA

Alhamdulillahirabbil'alamin. Puji syukur penulis panjatkan kepada Allah SWT karena berkat rahmat, hidayah dan karunia-Nya penulis dapat menyelesaikan karya ilmiah yang berjudul _“Desain dan Karakterisasi Performa Spektrometer Small Angle Neutron Scattering (SANS) BATAN Menggunakan Program Simulasi Vitess 3.1” yang dilaksanakan sejak bulan Juni 2013. Shalawat serta salam semoga tetap tercurahkan kepada Nabi Muhammad SAW.

Terima kasih penulis ucapkan kepada Bapak Dr Tony Ibnu Sumaryada dan Bapak Dr Edy Giri Rachman Putra selaku pembimbing. Terima kasih penulis sampaikan kepada khususnya Bapak Drs Abarrul Ikram, M.Sc. PhD, Bapak Dr Epung Saepul Bahrum M.T, dan Bapak Ir Tagor Malem Sembiring yang telah memberi masukan dan revisi yang sangat berguna bagi kesempurnaan karya tulis ini. Terimakasih juga penulis ucapkan kepada kedua dosen penguji, Ibu Mersi Kurniati S.Si, M.Si dan Bapak Drs Mahfuddin Zuhri M.Si yang telah memberikan banyak masukan dan dukungan kepada penulis. Ungkapan terima kasih setulus hati penulis sampaikan kepada ayah, ibu, serta seluruh keluarga, atas doa dan kasih sayangnya kepada penulis. Begitu juga dengan rekan-rekan mahasiswa/i fisika angkatan 47 yang senantiasa memberikan motivasi, saran dan bimbingannya selama ini.

Semoga karya ilmiah ini bermanfaat untuk mengembangkan simulasi hamburan neutron di Departemen Fisika FMIPA-IPB.

Bogor, April 2014

(9)

DAFTAR ISI

Small Angle Neutron Scattering (SANS) 2

Vitess (Virtual Instrumentation Tool for the European Spallation Source) 3

ModulSource Constant Wave 3

Pengenalan Spektrometer SANS BATAN 7

Studi Pustaka 7

Simulasi Monokromatisasi Neutron Polikromatik 7

Pengukuran Fluks Neutron 8

Hubungan Kecepatan Putar MVS Terhadap Panjang Gelombang dan Fluks

Neutron 8

Distribusi Fluks Neutron pada Panjang Gelombang 3.2 Å 8

HASIL DAN PEMBAHASAN 8

Hasil Simulasi Monokromatisasi Neutron Polikromatik 8 Fluks Neutron pada Posisi Sampel Sebagai Fungsi Panjang Kolimator 10 Fluks Neutron Sebagai Fungsi Panjang Neutron Guide 12 Hubungan Kecepatan Putar MVS Terhadap Panjang Gelombang dan Fluks

(10)

Distribusi Fluks Neutron pada Panjang Gelmbang 3.2 Å 15

SIMPULAN DAN SARAN 16

Simpulan 16

Saran 17

DAFTAR PUSTAKA 17

LAMPIRAN 18

(11)

DAFTAR TABEL

1 Fluks neutron pada posisi sampel sebagai fungsi panjang kolimator 11 2 Perbandingan fluks neutron hasil simulasi dengan eksperimen 11 3 Fluks neutron sebagai fungsi panjang neutron guide 12 4 Panjang gelombang dan fluks neutron pada berbagai kecepatan putar

MVS 14

5 Perbandingan panjang gelombang teori, eksperimen dan simulasi 14 6 Distribusi fluks neutron pada panjang tabung pemandu neutron 16.5 m

menggunakan panjang gelombang 3.2 Å 16

DAFTAR GAMBAR

1 Diagram skematik spektrometer SANS 3

2 Koordinat moderator 4

3 Koordinat neutron guide 5

4 Koordinat spacewindow 6

5 Hasil analisis kalibrasi berbagai panjang gelombang berdasarkan simulasi pada kecepatan putar MVS (a) 6300 RPM (b) 5160 RPM dan

(c) 3480 RPM 10

6 Hasil simulasi hubungan fluks neutron pada posisi sampel terhadap panjang kolimator tanpa perhitungan gravitasi 11 7 Hasil simulasi hubungan fluks neutron pada posisi sampel terhadap

panjang kolimator dengan perhitungan gravitasi 12 8 Hasil simulasi hubungan fluks neutron terhadap panjang neutron guide

tanpa perhitungan gravitasi 13

9 Hasil simulasi hubungan fluks neutron terhadap panjang neutron guide

dengan perhitungan gravitasi 13

10 Profil berkas neutron pada panjang tabung pemandu neutron 16.5 m 15 11 Koordinat berkas neutron pada panjang tabung pemandu neutron

16.5 m 15

DAFTAR LAMPIRAN

1 Layout fasilitas hamburan neutron BATAN 18

2 Neutron guide 18

3 Diagram skematik SANS BATAN 18

4 Konfigurasi pengukuran fluks neutron pada panjang kolimator (a) 1.5 m

m (b) 4 m (c) 8 m (d) 13 m (e) 18 m 19

5 Konfigurasi pengukuran fluks neutron pada panjang neutron guide (a) 5

m (b) 10 m (c) 14 m (d) 16.5 m 20

6 Contoh tampilan layar pada Program Vitess 3.1 21

7 Kurva neutron termal polikromatik 21

8 Profil berkas neutron setelah MVS pada panjang gelombang (a) 3.2 Å

(12)

9 Distribusi berkas neutron pada posisi sampel dengan panjang gelombang 3.2 Å pada panjang kolimator (a) 1.5 m (b) 4 m (c) 8 m (d)

13 m (e) 18 m 22

13 m (e) 18 m 23

13 m (e) 18 m 24

12 Distribusi berkas neutron setelah neutron guide dengan panjang gelombang 3.2 Å pada panjang neutron guide (a) 5 m (b) 10 m (c) 14 m

(d) 16.5 m 25

(13)

PENDAHULUAN

Latar Belakang

Hamburan neutron sudut kecil, Small Angle Neutron Scattering (SANS) merupakan teknik yang mampu memetakan dan memberikan informasi struktur dan dinamika secara tiga dimensi baik bentuk, ukuran, dan orientasi suatu inhomogenitas dalam skala nanometer, yaitu 1 _– 500 nm.1 Perkembangan di dunia saat ini, SANS telah digunakan untuk investigasi struktur dan dinamika material, bahan biologi dan polimer pada berbagai kondisi seperti perubahan temperatur, tekanan dan gesekan (shear). Untuk memenuhi tantangan penelitian dalam nanosains dan nanoteknologi diperlukan spasial, temporal dan resolusi energi yang tinggi.2 Fasilitas penelitian BATAN di Puspiptek Serpong memiliki spektrometer SANS dengan panjang total 36 meter memanfaatkan berkas neutron termal dari Reaktor Serba Guna G.A. Siwabessy (RSG-GAS) memberikan peluang untuk melakukan karakterisasi struktur dan dinamika material dalam skala nanometer di Indonesia.1

Fluks neutron pada posisi sampel adalah faktor penting dalam karakteristik performa spektrometer SANS. Fluks neutron yang tinggi diperlukan untuk penelitian dinamika material.3 Penggunaan neutron dengan panjang gelombang lebih besar akan memungkinkan untuk mencapai momentum transfer minimum (Qmin) yang lebih rendah akan tetapi fluks neutron akan berkurang. Terlebih lagi bila panjang sistem kolimasi diperbesar untuk mendapatkan resolusi yang lebih tinggi. Dengan demikian untuk mendapatkan fluks neutron dan resolusi lebih tinggi pada panjang gelombang neutron yang besar, maka sumber neutron harus sedekat mungkin dengan sampel atau menggunakan ukuran slit (aperture) yang besar. Keadaan ini sangat sulit untuk tercapai oleh spektrometer SANS tanpa kehilangan resolusi dan memperoleh fluks neutron yang tinggi. Berdasarkan alasan tersebut, karakteristik performa SANS BATAN khususnya fluks neutron perlu diketahui, baik secara simulasi ataupun eksperimen.3

Metoda Monte Carlo merupakan metoda yang paling tepat untuk simulasi eksperimen hamburan neutron, salah satu program simulasi yang menggunakan Metoda Monte Carlo adalah Vitess 3.1. Program Vitess 3.1 digunakan untuk desain instrumen baru serta untuk meningkatkan performa instrumen.4

Perumusan Masalah

1. Bagaimanakah konfigurasi spektrometer SANS BATAN sebagai masukan data pada program simulasi?

2. Berapakah fluks neutron yang sampai ke posisi sampel dan perbandingannya terhadap hasil eksperimen?

(14)

2

Tujuan Penelitian

Tujuan dari penelitian ini adalah mendapatkan karakteristik fluks neutron pada berbagai konfigurasi spektrometer SANS BATAN menggunakan program simulasi Vitess 3.1.

Hipotesis

Fluks neutron tertinggi dihasilkan pada panjang kolimator terpendek, namun berkas neutron yang dihasilkan akan tidak sejajar. Pada pertambahan panjang kolimator, fluks neutron akan menurun secara eksponensial.

TINJAUAN PUSTAKA

Small Angle Neutron Scattering (SANS)

SANS adalah teknik yang digunakan untuk mencirikan struktur statis dan dinamis partikel pada skala nanometer, 1 - 500 nm. Informasi tentang ukuran rata-rata dan distribusi spasial korelasi, serta bentuk dan struktur internal partikel dapat diperoleh dari profil berkas hamburan SANS. Analisis kuantitatif pada nomor atau kerapatan volume dari investigasi struktur dalam mediumnya dapat ditentukan melalui skala intensitas hamburannya. Dengan demikian, SANS merupakan teknik yang handal untuk karakterisasi dalam ilmu material dan biologi, seperti paduan (alloys), keramik, polimer, koloid, vesikel, dan virus.5

Reaktor merupakan sumber neutron polikromatik pada spektrometer SANS. Monokromatisasi neutron polikromatik menggunakan Mechanical Velocity Selector (MVS) yang terdiri dari cakram berputar. Karakteristik terpenting MVS ditentukan oleh geometri cakram. Panjang gelombang neutron _(λ) yang dihasilkan oleh MVS dapat dirumuskan melalui hubungan antara parameter mekanik dan fisik MVS.6

(1)

dimana c adalah konstanta yang bernilai 6.5933 × 105 (Å rpm mm/derajat),

α adalah sudut spiral rotor, n adalah kecepatan putar, dan l adalah panjang

rotor.

(15)

3 merupakan detektor yang paling banyak digunakan pada spektrometer SANS. Gas yang umum digunakan digunakan sebagai detektor neutron adalah helium (3He). Penyerapan neutron oleh molekul helium (3He) menyebabkan terjadinya reaksi fisi dan emisi partikel bermuatan yaitu triton dan proton, dalam arah yang berlawanan. Reaksi akan menghasilkan energi kinetik total 760 keV yang mengakibatkan ionisasi dalam gas. Keuntungan dari detektor isian gas adalah efisiensinya yang tinggi yaitu sekitar 80% pada panjang gelombang 6 Å dan sensitivitas dari radiasi gamma yang rendah.7

Gambar 1 Diagram skematik spektrometer SANS.7

Vitess (Virtual Instrumentation Tool for the European Spallation Source)

Vitess menggunakan Metoda Monte Carlo ray-tracing untuk mensimulasikan trayektori neutron dari modul sumber melalui berbagai komponen instrumen sampai ke detektor. Vitess merupakan program yang berguna untuk pengembangan instrumen baru atau meningkatkan performa instrumen yang sudah ada. Modul sumber merupakan modul untuk menghasilkan neutron, sedangkan modul lain dapat membaca trayektori neutron dari modul sebelumnya atau data dari file keluaran yang dibuat dalam simulasi sebelumnya. Seluruh modul tersebut digunakan untuk menghitung interaksi neutron dengan komponen instrumen, dan kemudian membuat trayektorinya. Simulasi seluruh instrumen selesai setelah semua modul dijalankan berturut-turut dalam pipe, di mana program akan menghasilkan modul tunggal dalam bentuk GUI. Transfer data dilakukan untuk 10.000 neutron.8

Struktur modular yang fleksibel membuat program Vitess 3.1 mudah untuk mensimulasikan instrumen menjadi beberapa bagian dan untuk memodifikasi instrumen secara intuitif oleh penyusunan modul yang berbeda, melalui baris perintah langsung, Graphic User Interface (GUI). Virtual instrumen dapat diekspor dari GUI ke batch atau tcl untuk simulasi lebih lanjut dalam bahasa scripting. Pengguna dapat membuat dan menambahkan modul baru atau mengubah modul yang sudah ada.8_{Beberapa modul yang terdapat dalam program}

Vitess 3.1 diantaranya adalah:

Modul Source Constant Wave

(16)

4

Posisi awal neutron didistribusikan secara acak pada permukaan moderator persegi panjang. Parameter seperti perbedaan panjang gelombang dan waktu di moderator ditentukan secara acak. Modul ini mensimulasikan hanya neutron yang mencapai propagasi window yang dapat dilanjutkan ke modul selanjutnya. Sistem koordinat terlihat pada Gambar 2, dimana neutron berpusat pada tengah permukaan moderator dan bergeser secara sejajar terhadap sumbu-x, koordinat x dari setiap neutron yang melewati propagasi window adalah nol.9

Gambar 2 Koordinat moderator.9

Efek gravitasi diperhitungkan dalam modul ini. Jika opsi ini dipilih, maka parameter berat minimal diabaikan. Setiap trayektori neutron mewakili jumlah neutron yang lewat per waktu atau arus neutron, jumlah dari semua trayektori merupakan total perhitungan jumlah neutron. Jumlah trayektori menurun jika window atau sampel tidak dilewati neutron. Intensitas dapat menurun karena pemantulan atau penyerapan didalam sebuah material. Dalam kasus ini jumlah trayektori tidak berubah tetapi perhitungan rata-rata per-trayektori yang menurun. Jadi nilai mutlak perhitungan trayektori neutron ditentukan pada semua bagian dalam instrumen.9

Sumber CWS membutuhkan data distribusi panjang gelombang. Data ini terdiri dari panjang gelombang dalam angstrom (Å) dan fluks neutron dalam fluks unit (cm-² s-1 Å-1 str-1). Fungsi distribusi Maxwellian dapat digunakan untuk menggambarkan hubungan panjang gelombang dengan fluks neutron.9

₍₂₎

(3)

Temperatur hanya akan digunakan jika data distribusi panjang gelombang tidak ada.

Modul Guide

(17)

5 terdiri dari beberapa saluran vertikal yang dipisahkan oleh bilah (bender). Modul berikutnya selalu mengikuti modul yang sebelumnya yang dihasilkan secara otomatis oleh program, dalam kasus kelengkungan trayektori neutron mengikuti bentuk kelengkungan tabung pemandu neutron. Efek gravitasi diperhitungkan dalam modul ini. Jika opsi ini dipilih, trayektori dengan probabilitas atau perhitungan yang kurang dari berat minimal neutron akan keluar dari simulasi.9

Gambar 3 Koordinat neutron guide.9

Modul Velselect

Modul Velselect mensimulasikan MVS. Posisi MVS sejajar dengan koordinat yz dengan jarak 0 dari modul sebelumnya. Setelah neutron melintasi MVS nilai dari koordinat y dan z akan sama dengan nilai koordinat sebelumnya, sementara koordinat x akan menjadi 0. Modul berikutnya akan membaca koordinat baru. Modul ini akan memberikan hasil yang benar, jika dan hanya jika semua neutron yang masuk sudah berada pada window y-z, karena itu hanya modul guide, window atau source yang dapat mendefinisikan masukan yang benar untuk modul velselect.9

Modul Spacewindow

(18)

6

Gambar 4 Koordinat Spacewindow.9

Modul Collimator

Modul collimator mensimulasikan sebuah kolimator dengan panjang, lebar dan tinggi tertentu yang terdiri dari sejumlah saluran yang dipisahkan oleh bilah. Lebar dan tinggi neutron yang keluar dapat dibedakan dengan lebar dan tinggi neutron yang masuk. Setiap trayektori dapat digunakan untuk memeriksa apakah neutron berada didalam atau diluar kolimator. Jika neutron berada didalam kolimator maka trayektori neutron akan diteruskan ke modul selanjutnya, sebaliknya jika neutron berada diluar kolimator maka trayektori neutron akan dihilangkan.9

Modul Capture Flux

Modul capture flux menghitung fluks pada setiap titik dari modul sebelumnya. Metode penangkapan fluks digunakan untuk menentukan nilai mutlak fluks dalam berkas neutron. Dalam simulasi, metode penangkapan fluks ini dapat menggunakan bahan foil emas, sedangkan secara eksperimen foil emas ini diekspos dengan neutron selama beberapa waktu dan kemudian diukur aktivas menggunakan metode analisis pengaktifan neutron.9 Integral penyerapan neutron meningkat secara linear terhadap panjang gelombang.

∫ (4)

Panjang gelombang referensi adalah 1.798 Å, sehingga memungkinkan perbandingan langsung dengan pengukuran. Ukuran dan bentuk dari foil emas perlu dimasukkan ke dalam modul.

METODE

Waktu dan Tempat

Penelitian ini dilaksanakan pada bulan Juni 2013 sampai bulan Januari 2014. Tempat penelitian dilakukan di laboratorium hamburan neutron, Pusat Teknologi Bahan Industri Nuklir (PTBIN) BATAN dan laboratorium Fisika Teori dan Komputasi, Departemen Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Pertanian Bogor.

(19)

7 Alat

Penelitian ini menggunakan peralatan berupa alat tulis (kertas/buku tulis, pena, pensil), netbook HP Mini 110-3700 dengan processor intel atom N570 1.66GHz dan memori 2GB. Netbook tersebut dilengkapi dengan Program Vitess 3.1 sebagai simulator SANS BATAN, dan Program Igor Pro 5.04B sebagai pengolah grafik.

Persiapan

Pengenalan Spektrometer SANS BATAN

RSG-GAS merupakan sumber neutron untuk SANS. Neutron dipandu oleh neutron guide sepanjang 49 m dari RSG-GAS sampai ke spektrometer SANS. Spektrometer SANS BATAN terdiri dari 18 m tabung yang berfungsi sebagai sistem kolimasi dan 18 m tabung yang mengakomodasi detektor dua dimensi 128 × 128 3He (2D-PSD). Pada sistem kolimasi terdapat empat bagian tabung pemandu neutron dan kolimator yang dapat divariasikan penggunaannya dan satu bagian tabung kolimator tetap. Konfigurasi penggunaan tabung pemandu neutron dan kolimator akan menghasilkan panjang kolimasi yang berbeda pada spektrometer SANS BATAN. Variasi jarak kolimasi dari posisi sampel adalah 1.5, 4, 8, 13 dan 18 m yang dapat dikontrol menggunakan komputer. Monokromatisasi neutron termal menggunakan MVS jenis MDR-14-460-420, yang memiliki kecepatan rotasi minimum 700 RPM dan maksimum 7000 RPM.

Studi Pustaka

Studi pustaka dilakukan untuk memahami dan mempelajari konsep rancangan spektrometer SANS BATAN, sumber yang digunakan, fungsi masing-masing instrumen, variasi kecepatan MVS, panjang gelombang yang digunakan, dan konfigurasi sistem kolimasi agar mendapatkan performa SANS yang optimal.

Simulasi Monokromatisasi Neutron Polikromatik

(20)

8

Pengukuran Fluks Neutron

Pengukuran fluks neutron dilakukan menggunakan modul capture flux pada beberapa posisi dan konfigurasi instrumen, yaitu pada akhir tabung pemandu neutron, setelah MVS, dan setelah sistem kolimasi. Pengukuran juga dilakukan dengan menggunakan beberapa panjang gelombang neutron, yaitu 3.2 Å, 3.9 Å, dan 5.7 Å. Fluks neutron sebagai fungsi panjang neutron guide diukur pada panjang tabung pemandu neutron 5, 10, 14, dan 16.5 m. Fluks neutron pada posisi sampel sebagai fungsi panjang kolimator diukur pada panjang kolimator 1.5, 4, 8, 13 dan 18 m, dan kemudian dibandingkan dengan hasil eksperimen.

Hubungan Kecepatan Putar MVS Terhadap Panjang Gelombang dan Fluks Neutron

Kecepatan putar MVS divariasikan dari 3000 RPM sampai 7000 RPM, dengan interval 500 RPM. Variasi kecepatan putar MVS akan menghasilkan panjang gelombang dan fluks neutron yang beragam. Visualisasi data pada program Vitess 3.1 menggunakan GNUplot sehingga dapat dilihat output hubungan antara fluks neutron terhadap panjang gelombang. Data dianalisis menggunakan program Igor Pro 5.04B untuk mengetahui panjang gelombang dan FWHM. Selanjutnya, fluks neutron diukur menggunakan modul capture flux.

Distribusi Fluks Neutron pada Panjang Gelombang 3.2 Å

Distribusi fluks neutron dianalisis pada panjang tabung pemandu neutron 16.5 m dan diletakkan slit berukuran 3 × 5 cm pada akhir tabung pemandu neutron, agar berkas neutron dapat dibagi menjadi 15 bagian dengan ukuran 1 cm2. Berkas neutron dibagi menjadi lima belas bagian sesuai dengan koordinatnya. Fluks neutron diukur sesuai dengan koordinat berkas neutron menggunakan modul capture flux.

HASIL DAN PEMBAHASAN

Hasil Simulasi Monokromatisasi Neutron Polikromatik

(21)

9 menghasilkan panjang gelombang 5.737 Å dengan FWHM 1.373 (Gambar 5(c)). Hasil eksperimen untuk panjang gelombang 3.2 Å, 3.9 Å dan 5.7 Å dihasilkan berturut-turut pada kecepatan putar MVS 6500 RPM, 5000 RPM dan 3500 RPM. Hasil ini menunjukkan bahwa penentuan panjang gelombang neutron monokromatik sebagai fungsi kecepatan putar MVS secara simulasi dan eksperimen tidak terlalu jauh berbeda. Sehingga program simulasi dapat digunakan untuk memperkirakan panjang gelombang neutron yang dihasilkan sebagai fungsi kecepatan putar MVS. FWHM menunjukkan tingkat kemonokromatisan neutron termal. Jika FWHM makin kecil maka neutron akan semakin monokromatik. Dari hasil simulasi menunjukkan semakin kecil panjang gelombang neutron, maka FWHM akan semakin kecil artinya neutron akan semakin monokromatik. Profil berkas neutron pada monitor 2D dapat dilihat pada Lampiran 8.

(a)

(22)

10

(c)

Gambar 5 Hasil analisis kalibrasi berbagai panjang gelombang berdasarkan simulasi pada kecepatan putar MVS (a) 6300 RPM (b) 5160 RPM dan (c) 3480 RPM

Fluks Neutron pada Posisi Sampel Sebagai Fungsi Panjang Kolimator

(23)

11 Tabel 1 Fluks neutron pada posisi sampel sebagai fungsi panjang kolimator

Panjang

Perbandingan hasil simulasi fluks neutron pada posisi sampel sebagai fungsi panjang kolimator dengan perhitungan gravitasi dan hasil eksperimen tersaji pada Tabel 2.

Tabel 2 Perbandingan fluks neutron hasil simulasi dengan eksperimen

Panjang

(24)

12

Gambar 7 Hasil simulasi hubungan fluks neutron pada posisi sampel terhadap panjang kolimator dengan perhitungan gravitasi

Fluks Neutron Sebagai Fungsi Panjang Neutron Guide

Neutron guide merupakan tabung pemandu neutron yang berfungsi untuk memindahkan neutron dengan prinsip pemantulan. Tabung tersebut dilapisi bahan isotop nikel-58 yang memiliki kemampuan memantulkan neutron pada sudut tertentu. Selama neutron bergerak dengan sudut dibawah sudut kritisnya yaitu sekitar 0.5 derajat, maka neutron akan direfleksikan sempurna pada tabung pemandu neutron. Hasil simulasi fluks neutron sebagai fungsi panjang neutron guide tersaji pada Tabel 3. Terlihat bahwa fluks neutron tanpa dan dengan perhitungan gravitasi tidak terlalu besar perbedaannya, artinya pengaruh efek gravitasi sangat kecil dalam neutron guide. Gambar 8 dan 9 menunjukkan fluks neutron menurun secara linear sebagai fungsi panjang neutron guide, artinya neutron tidak benar-benar ideal dipindahkan melainkan ada pengurangan secara linear.

Tabel 3 Fluks neutron sebagai fungsi panjang neutron guide

(25)

13

Gambar 8 Hasil simulasi hubungan fluks neutron terhadap panjang neutron guide tanpa perhitungan gravitasi

Gambar 9 Hasil simulasi hubungan fluks neutron terhadap panjang neutron guide dengan perhitungan gravitasi

Hubungan Kecepatan Putar MVS Terhadap Panjang Gelombang dan Fluks Neutron

(26)

14

simulasi beberapa parameter instrument diasumsikan kondisinya ideal, seperti kualitas transmisi tabung pemandu neutron, konfigurasi tabung pemandu neutron, transmisi MVS, hamburan udara dan lainnya

Panjang gelombang hasil eksperimen dapat ditentukan berdasarkan hukum Bragg dengan menggunakan sampel standar AgBE. Bubuk AgBE memiliki parameter kisi (d) 58.378 ± 0.008 Å dan puncak Bragg muncul pada momentum transfer (Q) 0.108 Å-1 untuk semua panjang gelombang neutron dari hasil eksperimen. Dengan mengetahui parameter kisi dari sampel standar tersebut dan sudut difraksi yang dihasilkan dari eksperimen, maka panjang gelombang pada spektrometer SANS yang dihasilkan oleh MVS dapat ditentukan.10 Panjang gelombang teori didapatkan berdasarkan persamaan yang dirumuskan melalui hubungan antara parameter mekanik dan fisik MVS. Pada simulasi nilai panjang gelombang didapatkan melalui metode numerik. Pada metode numerik hanya diperoleh nilai yang menghampiri atau mendekati nilai yang sebenarnya. Solusi numerik disebut juga solusi hampiran atau solusi pendekatan. Solusi hampiran tidak tepat sama dengan nilai sebenarnya. Sehingga ada selisih antara keduanya, yang disebut simpangan baku.

Tabel 5 Perbandingan panjang gelombang teori, eksperimen dan simulasi

(27)

15 Distribusi Fluks Neutron pada Panjang Gelombang 3.2 Å

Distribusi fluks berkas neutron yang ditunjukkan pada Gambar 10, merupakan profil berkas neutron dengan panjang tabung pemandu neutron 16.5 m. Pada konfigurasi inidiletakkan slit berukuran 3 × 5 cm pada akhir tabung pemandu neutron tersebut agar berkas neutron dapat dibagi menjadi 15 bagian dengan ukuran 1 cm2. Berkas neutron dibagi menjadi lima belas bagian sesuai dengan koordinatnya seperti terlihat pada Gambar 11. Pada Tabel 6 tersaji hasil dari simulasi pengukuran fluks neutron pada masing-masing foil emas. Hasil menunjukkan distribusi neutron tidak homogen dengan fluks tertinggi pada koordinat y(-1.5,-0.5) dan z(1.5,-2.5) dengan nilai fluks neutron 4.904 × 107 cm−2 s−1_{. Rata-rata fluks neutron dari kelima belas foil emas tersebut adalah 3.499 × 10}7

cm−2 s−1 dengan simpangan baku 8.60%. Jika berkas neutron tersebut diukur menggunakan foil emas berbentuk persegi dengan ukuran 3 × 5 cm nilai fluks neutronnya adalah 3.499 × 107 cm−2 s−1 dengan simpangan baku 25.26%. Jadi hasil rata-rata dari distribusi fluks neutron akan sama dengan hasil pengukuran fluks neutron pada seluruh luasan berkas neutron tersebut, tetapi dengan nilai simpangan baku atau kesalahan yang lebih besar.

Gambar 10 Profil berkas neutron pada panjang tabung pemandu neutron 16.5 m

(28)

16

Tabel 6 Distribusi fluks neutron pada panjang tabung pemandu neutron 16.5 m menggunakan panjang gelombang 3.2 Å

Performa spektrometer SANS BATAN, meliputi penentuan panjang gelombang neutron monokromatik, fluks neutron pada posisi sampel serta fluks neutron sebagai fungsi panjang neutron guide dapat ditentukan atau diperkirakan dengan menggunakan program simulasi. Hasil simulasi fluks neutron pada posisi sampel sebagai fungsi panjang kolimator sebanding dengan hasil eksperimen yang menurun secara eksponensial sebagai fungsi panjang kolimator dan menurun secara linear sebagai fungsi panjang neutron guide. Perbedaan panjang gelombang teori, eksperimen dan simulasi disebabkan penggunaan metode yang berbeda. Panjang gelombang hasil eksperimen dapat ditentukan berdasarkan hukum Bragg dengan menggunakan sampel standar AgBE. Panjang gelombang secara teori didapatkan melalui perhitungan analitik. Pada simulasi nilai panjang gelombang didapatkan melalui metode numerik menggunakan program simulasi.

Saran

(29)

17 akhir tabung pemandu neutron sepanjang 49 m secara simulasi bisa didapatkan dan dibandingkan dengan data eksperimen.

DAFTAR PUSTAKA

1. Putra EGR, Bharoto, Santoso E, Suparno N, Sairun. Aplikasi Teknologi Hamburan Neutron Sudut Kecil (SANS) Untuk Investigasi Ultrastruktur dan Mekanisme Self-Assembly Virus Demam Berdarah Sebagai Dasar Pengembangan Target Obat dan Vaksin. Prosiding InSINas 2012.

2. Anderson IS, Horton L, Isaacs E, Ratner MA. 2005 Juni. X-rays and Neutrons: Essential Tools for Nanoscience Research. Report of the National Nanotechnology Initiative Workshop, siap terbit.

3. Putra EGR, Bahrum ES, Maulana A, Sairun. Development of Focusing Neutron Small-Angle Scattering Spectrometer in Serpong, Indonesia for Macromolecular Structure Investigation. Chinese Journal Of Physics. 50(2):193-203.

4. Han YS, Choi SM, Kim TH, Leea CH, Kima HR. Current Status Of The 40 M Small-Angle Neutron Scattering Instrumen Development At The Hanaro Research Reactor. J.Appl.Cryst. 2007;40:1-5.

5. Putra EGR, Ikram A, Kohlbrecher J. Smarter For 3-Magnetic Structure Studies. Journal of physics. 2008; 71(5):1015-1019.

6. Anonim. 1992. SANS (PM-105) Operation Manual (Hardware). Tokyo (JP): Sumitomo Corporation. p 280-282. 1992.

7. Grillo. 2008. Small-Angle Neutron Scattering and Applications in Soft Condensed Matter. Berlin(DE): Springer-Verlag.

(30)

18

Lampiran 1 Layout fasilitas hamburan neutron BATAN

Lampiran 2 Neutron guide

(31)

19 Lampiran 4 Konfigurasi pengukuran fluks neutron pada panjang kolimator (a) 1.5 m (b) 4 m (c) 8 m (d) 13 m (e) 18 m

(a)

(b)

(c)

(d)

(32)

20

Lampiran 5 Konfigurasi pengukuran fluks neutron pada panjang neutron guide (a) 5 m (b) 10 m (c) 14 m (d) 16.5 m

(a)

(b)

(c)

(33)

21 Lampiran 6 Contoh tampilan layar pada Program Vitess 3.1

(34)

22

Lampiran 8 Profil berkas neutron setelah MVS pada panjang gelombang (a) 3.2 Å (b) 3.9 Å (c) 5.7 Å

(a) (b) (c)

Lampiran 9 Distribusi berkas neutron pada posisi sampel dengan panjang gelombang 3.2 Å pada panjang kolimator (a) 1.5 m (b) 4 m (c) 8 m (d) 13 m (e) 18 m

(35)

23

(d) (e)

(a) (b) (c)

(36)

24

(a) (b) (c)

(37)

25 Lampiran 12 Distribusi berkas neutron setelah neutron guide dengan panjang gelombang 3.2 Å pada panjang neutron guide (a) 5 m (b) 10 m (c) 14 m (d) 16.5 m

(a) (b) (c)

(d)

Lampiran 13 Distribusi berkas neutron setelah neutron guide dengan panjang gelombang 3.9 Å pada panjang neutron guide (a) 5 m (b) 10 m (c) 14 m (d) 16.5 m

(38)

26

(d)

Lampiran 14 Distribusi berkas neutron setelah neutron guide dengan panjang gelombang 5.7 Å pada panjang neutron guide (a) 5 m (b) 10 m (c) 14 m (d) 16.5 m

(a) (b) (c)

(39)

27

RIWAYAT HIDUP

Penulis dilahirkan di Kota Bukittinggi pada tanggal 3 September 1992 dari Ayah Agusnil Efendi dan Ibu Elniwati. Penulis adalah anak pertama dari 3 bersaudara. Pada tahun 2010 penulis berhasil menyelesaikan studi di SMA Negeri 2 Bukittinggi dan pada tahun yang sama penulis lulus seleksi masuk Institut Pertanian Bogor (IPB) melalui jalur Ujian Saringan Masuk IPB (USMI) dan diterima di Departemen Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam.