Penentuan Fluks Neutron Termal di Fasilitas Kalibrasi Neutron dengan
Menggunakan Keping Indium
Tjipta
BATAN Serpong, Jakarta
E-mail: tjipta60@gmail.com
Abstract
The purpose of this study was to determine the magnitude of the thermal neutron flux in the neutron calibration facility. Determination of the neutron flux in the neutron calibration facility has been carried out by the method of activation puck. In the measurement of thermal neutron flux distribution using Indium-116m puck as much as 17 pieces with the same distance that attaches to the front placed 80×80 cm graphite. Results of the thermal neutron flux measurement has an average of 922.1139179 n/cm2s. Thus
it can be said that the thermal neutron flux distribution in the neutron calibration facility fairly evenly with a difference of less than 5%.
Keywords: Neutron flux, thermal neutron, activation, neutron calibration.
Pendahuluan
Dalam kehidupan sehari-hari, disadari atau tidak, kita selalu terkena radiasi. Radiasi yang dimaksud di sini adalah radiasi pengion yang be-rasal dari alam, yaitu dari sinar kosmik dan kerak bumi. Radiasi pengion merupakan suatu radi-asi yang menyebabkan terjadinya proses ionisradi-asi apabila menumbuk suatu bahan, misalnya sinar gamma, sinar x, partikel alfa, beta, elektron dan proton.
Di samping radiasi alam, ada juga radiasi bu-atan yang dihasilkan oleh aktivitas manusia. Radi-asi tersebut pun menambah kontribusi radiRadi-asi latar, namun bersifat insidental, misalnya radiasi medik, radiasi dari kecelakaan nuklir dan jatuhan radioak-tif (fall out). Radiasi nuklir tidak dapat ”dirasakan” oleh panca indera manusia oleh karena itu alat ukur radiasi mutlak diperlukan untuk mendeteksi dan mengukur radiasi nuklir. Oleh karena itu, seir-ing dengan perkembangan teknologi nuklir dalam berbagai bidang, peranan proteksi radiasi menjadi sangat penting dan harus ditangani secara sungguh-sungguh agar paparan radiasi dari kegiatan yang dilakukan serendah mungkin.
Berbicara mengenai teknologi nuklir, di PTKMR-BATAN terdapat ruang kalibrasi (Gam-bar 1). Kalibrasi merupakan proses untuk
mem-bandingkan model dengan hasil pengamatan dan pengukuran lapangan. Pada fasilitas kalibrasi neu-tron PTKMR, terdapat 80 × 80 × 105 cm balok grafit dan 35 × 80 × 91 cm balok policilin yang terbagi dalam 10 × 80 × 91 cm balok pembatas dan 25 × 80 × 91 cm balok wadah sumber (Gambar 2). Di dalam balok policilin berisi satu lubang kalibrasi silindris (penempatan sumber) yakni 241Am-Be (3
Ci) dan252Cf (5 Ci) yang memiliki aktivitas 40 µg.
Penempatan sumber241Am-Be dan252Cf dalam
wadah tersebut dimungkinkan akan memberikan perubahan nilai laju dosis radiasi di ruang kali-brasi. Untuk mengetahui tingkat laju dosis radi-asi di ruang kalibrradi-asi diperlukan pemetaan dosis. Pemetaan dosis radiasi di ruang kalibrasi dilakukan untuk mengetahui nilai laju dosis radiasi di daerah kalibrasi alat.
Penelitian ini bertujuan untuk menentukan fluks neutron termal di dalam fasilitas kalibrasi neutron. Fluks neutron merupakan banyaknya neutron yang bergerak per satuan luas per detik. Berdasarkan energi dan kecepatannya, fluks neutron dibedakan menjadi tiga kategori yaitu: fluks neutron cepat, fluks neutron epithermal dan fluks neutron thermal. Dalam hal ini dibahas fluks neutron termal yang di-tentukan dari hasil pengukuran aktivitas jenuh per inti dari keping yang telah diiradiasi.
Gambar 1 Denah fasilitas kalibrasi neutron PTKMR-BATAN.
Gambar 2 Struktur balok pada fasilitas kalibrasi neutron PTKMR-BATAN.
Pengukuran fluks neutron dilakukan dengan berbagai metode baik secara langsung maupun tidak langsung. Salah satu cara pengukuran fluks neutron secara langsung adalah metode detektor swadaya. Dan pada penelitian ini akan dilakukan penentuan fluks neutron secara tidak langsung yaitu dengan menggunakan metode aktivasi neu-tron keping (foil detector). Bahan yang digunakan adalah keping Indium (In). Prinsip dari metode tersebut cukup sederhana yaitu dengan mengak-tifkan suatu material (foil) yang telah diketahui kadar dan karakteristiknya bila bereaksi dengan neutron, kemudian material (foil) tersebut diukur aktivitasnya dengan sistem peralatan Spektrometri Gamma. Seperti yang telah dijelaskan di atas, pada kesempatan ini penulis akan meneliti dalam sebuah penelitian kolokium yang berjudul: ”Penen-tuan Fluks Neutron Termal di Fasilitas Kalibrasi Neutron dengan Menggunakan Keping Indium”.
Rumusan Masalah
Untuk memperjelas arah dan tujuan penelitian ini, masalah yang dirumuskan dan akan dicarikan penyelesaiannya melalui penelitian ini adalah ”Be-rapakah besarnya fluks neutron termal di fasilitas kalibrasi neutron yang ditentukan dari hasil pen-gukuran aktivitas keping yang telah diiradiasi se-lama waktu tertentu?”.
Batasan Masalah
Permasalahan dalam penelitian ini dibatasi pada penentuan fluks neutron termal di
fasili-tas kalibrasi neutron dengan menggunakan bahan keping Indium sebanyak 17 keping yang memiliki massa berbeda-beda sebagai akibat dari pengaruh iradiasi sumber neutron241Am-Be dan252Cf.
Kajian Teori
NeutronAtom tersusun dari proton, neutron dan elek-tron. Proton dan neutron sebagai penyusun inti atom, sedangkan elektron bergerak mengelilingi inti atom. Neutron dalam inti seperti sinar gamma da-pat menembus suatu bahan dengan mudah. Inter-aksi neutron dengan inti atom berbeda dengan in-teraksi partikel radioaktif.
Neutron merupakan zarah elementer penyusun inti atom yang tidak mempunyai muatan listrik. Energi diam sebuah neutron hampir sama den-gan massa sebuah proton, yaitu sebesar 1, 67492 × 10−24 gram atau 939, 6 MeV/c2. Neutron dil-ambangkan dengan 10n, sedangkan cacah neutron dalam inti atom biasa dilambangkan dalam huruf N .
Metode Pengukuran Fluks
Fluks neutron adalah banyaknya neutron yang lewat pada tiap satuan luas per sekon. Secara matematis dapat ditulis
φ = nv (1)
Dengan φ menyatakan fluks neutron (n/cm2s), n adalah banyaknya neutron (n/cm3), v kecepatan neutron (cm/s).
Pada penelitian ini pengukuran fluks neutron termal di fasilitas kalibrasi neutron dilakukan un-tuk mengetahui seberapa besar fluks neutron ter-mal dan bagaimana karakteristik distribusi fluks neutron termal di fasilitas kalibrasi neutron dengan metode aktivasi.
a. Aktivasi Foil
Metode aktivasi keping merupakan suatu pro-duksi isotop radioaktif melalui penyerapan neutron. Metode ini dilakukan dengan cara meletakkan cup-likan di dalam medan neutron. Inti-inti atom yang berada dalam cuplikan akan menyerap neutron dan berubah menjadi isotop radioaktif yang mampu me-mancarkan sinar gamma. Energi sinar gamma yang dipancarkan bersifat sangat spesifik untuk setiap unsur cuplikan. Energi sinar gamma ini dapat di-identifikasi dengan spektrometer gamma.
Adapun analisis spektrum energi sinar gamma bertujuan untuk menentukan jenis radioisotop dalam cuplikan. Sedang hasil pencacahan (count-ing) untuk perhitungan fluks neutron serta analisis
pencocokan kurva (curve fitting) untuk menentukan fungsi distribusi fluks neutron pada fasilitas kali-brasi neutron tersebut.
b. Metode Analisis Aktivasi Neutron (AAN) AAN adalah suatu metode analisis unsur berdasarkan radioaktivitas imbas jika suatu cu-plikan diiradiasi dengan menggunakan neutron. Teknik AAN mampu mengidentifikasi unsur kelu-mit (trace element yaitu unsur dalam kadar yang sangat rendah) dalam orde bagian per juta (ppm), bahkan untuk beberapa kasus mampu hingga orde bagian per milyar (ppb). Di samping itu, teknik AAN tidak terpengaruh oleh perlakuan kimia dan tidak merusak terhadap bahan yang dianalisis. Dengan teknik AAN dimungkinkan analisis ter-hadap sekitar 50 jenis unsur yang berbeda dalam satu cuplikan secara simultan.
c. Sistem Pencacah
Suatu gejala radiokaktivitas tidak dapat lang-sung diamati dengan panca indra manusia. Oleh karena itu untuk dapat melakukan pengukuran ra-dioaktivitas maka diperlukan suatu detektor yang dapat berinteraksi secara efisien dengan sinar ra-dioaktif yang diselidiki. Ada bermacam-macam de-tektor radiasi yang dapat dibagi menurut 3 golon-gan yaitu detektor isian gas, detektor sintilasi dan detektor semikonduktor.
Pada bab ini ditekankan pada detektor yang di-gunakan untuk pengukuran fluks neutron, yaitu de-tektor semikonduktor. Apabila sinar gamma men-genai detektor semikonduktor maka terjadi inter-aksi yang membentuk pasangan elektron-hole, pada daerah intrinsik dalam detektor. Oleh karena pen-garuh medan listrik yang dikenakan, elektron akan bergerak menuju lapisan-n dan hole akan bergerak menuju lapisan-p. Pada ujung-ujung elektroda, elektron dan hole akan mengakibatkan perubahan beda potensial yang menimbulkan pulsa. Tinggi pulsa akan sebanding dengan tenaga gamma yang berinteraksi dengan detektor. Sinyal pulsa yang di-hasilkan langsung diterima oleh penguat awal yang peka terhadap muatan. Karena kesenjangan en-ergi dalam Kristal Germanium sangat kecil (∆E = 0, 7 eV) maka untuk mengatasi arus bocor balik, detektor HPGe (High Pure Germanium) harus di-operasikan pada suhu yang sangat rendah. Apabila hal ini tidak dilakukan, arus akan bocor maka akan menimbulkan derau yang akan merusak daya pisah (resolusi) detektor. Nitrogen cair yang mempun-yai suhu 77 K (−196 ◦C) adalah medium pendin-gin yang biasa dipakai untuk mendinpendin-ginkan detek-tor HPGe. Oleh sebab itu detekdetek-tor HPGe biasanya ditempatkan dalam suatu wadah hampa yang
dima-sukkan dalam dawar nitrogen cair. Sistem ini dise-but sebagi ”cryostat”. Sedangkan perangkat sistem pencacah dapat dilihat pada Gambar 3 di bawah ini.
Gambar 3 Perangkat sistem pencacah. Keterangan: (1) HV, (2) Detektor HPGe, (3) Pre-amp, (4) Amplifier, (5) ADC, (6) Komputer, (7)
Printer, dan (8) Cryostat.
Spektrometer Gamma
Sinar-γ merupakan bagian dari gelombang elek-tromagnetik yang memiliki kisaran energi antara 50 keV hingga 4 MeV. Sinar-γ dapat dihasilkan dari proses aktivasi suatu unsur dan bersifat diskrit un-tuk setiap unsur tertentu. Dalam metode Analisis Aktivasi Neutron (AAN), sinar-γ yang dihasilkan dari proses aktivasi kemudian dianalisis menggu-nakan spektrometer-γ.
Menurut Parry (1991), komponen spektrometer-γ dapat dibagi menjadi 5 bagian, yaitu detektor, catu daya tegangan tinggi, rangkaian pembentuk pulsa, Multi Channel Analyszer (MCA), dan pe-nampil spektrum.
Gambar 4 Spektrometer sinar-γ di laboratorium cacah PTKMR.
Detektor merupakan komponen yang berfungsi mengubah energi radiasi yang mengenai detektor menjadi pulsa listrik. Catu daya tegangan tinggi merupakan komponen yang berfungsi menyediakan tegangan listrik untuk detektor. Rangkaian pem-betuk pulsa berfungsi untuk mengubah pulsa listrik keluaran detektor menjadi bentuk spektrum melalui
komponen preamplifier dan amplifier. MCA meru-pakan komponen yang berfungsi menampilkan dis-tribusi intensitas iradiasi terhadap energi. Pe-nampil spektrum berfungsi untuk mePe-nampilkan spektrum hasil analisis spektrometer-γ.
Hasil keluaran suatu pencacahan oleh detek-tor dalam sistem spektrometer-γ adalah distribusi tinggi pulsa yang memberikan gambaran dari spek-trum energi yang terserap oleh detektor. Den-gan melakukan analisis terhadap spektrum tersebut maka dapat diketahui masing-masing energi yang terserap dan besar aktivitas sumbernya. Adapun hasil keluaran tadi, sebenarnya merupakan akibat dari interaksi sinar-γ dengan detektor yang diolah pada perangkat elektronik sehingga terjadi pulsa-pulsa cacahan.
Metodologi Penelitian
Penelitian ini dilaksanakan di PTKMR (Pusat Teknologi Keselamatan Meterologi Radiasi) BATAN (Badan Tenaga Nuklir Nasional) Jl. Cinere Raya, Lebak Bulus, Jakarta Selatan.
Adapun metode dalam penelitian ini terdiri atas 2 metode, yaitu:
a. Metode Eksperimen
Peneliti menggunakan metode eksperimen dalam penelitian ini karena untuk memperoleh banyaknya konsentrasi radon pada kelembaban udara dan gas LPG harus melakukan pengamatan langsung di BATAN.
b. Metode Literatur
Selain menggunakan metode eksperimen, peneliti juga menggunakan metode literatur dalam penyusunan laporan akhir kolokium ini, karena dalam penyusunan laporan membutuhkan literatur buku-buku yang relevan untuk menunjang hasil pengamatan di BATAN.
Hasil dan Pembahasan
Deskripsi Hasil PenelitianBerdasarkan hasil penelitian yang dilakukan di PTKMR BATAN, didapatkan hasil seperti ditun-jukkan dalam Tabel 1.
Pembahasan Hasil Penelitian
Dalam penentuan fluks neutron ini dilakukan secara tidak langsung yakni dengan menggunakan metode analisis pengaktifan neutron dengan meng-gunakan bahan cuplikan yakni indium (In-116m). Alasan penggunaan indium pada penelitian ini dikarenakan indium merupakan bahan yang co-cok dengan memiliki cross section yang tinggi
un-tuk pengukuran neutron termal (162 barn) dan waktu paruhnya yang cocok yaitu 54,1 menit. Un-tuk mengukur fluks neutron termal pada fasili-tas kalibrasi neutron yakni berdasarkan radioak-tivitas yang terinduksi pada indium. Dan adanya pelepasan partikel gamma tersebut maka dapat di-manfaat untuk menentukan nilai aktivitas indium menggunakan spektrometer gamma.
Tabel 1 Data Geometri dan Massa Keping. Jenis Keping In-116m, Tebal 0,5 mm, dan
Diameter 1,4 cm. Massa (mg) Kemurnian (%) 1483,7 99,993 1450,7 99,993 1484,8 99,993 1463,7 99,993 1484,4 99,993 1467,0 99,993 1500,5 99,993 1495,0 99,993 1455,7 99,993 1453,7 99,993 1473,2 99,993 1486,1 99,993 1443,1 99,993 1480,4 99,993 1473,3 99,993 1491,5 99,993 1513,9 99,993
Spektrometer gamma yang digunakan pada penelitian ini adalah spektrometer gamma den-gan detektor High Purity Germanium (HPGe) tipe GEM60 buatan ORTEC. Adapun penggunaan spektrometer gamma ini yaitu untuk menentukan nilai counting dari proses selama iradiasi terse-but. Setelah didapat nilai counting tersebut, maka bisa ditentukan nilai fluks neutron termal tersebut. Akan tetapi dalam penentuan fluks neutron termal tersebut perlu diperhatikan faktor absorpsi diri foil indium. Hal ini dikarenakan dalam penentuan fluks neutron termal tersebut menggunakan foil indium yang cukup tebal. Selain itu indium memiliki daya serap yang kuat terhadap neutron termal. Sehingga hasil dari perhitungan fluks neutron ini nantinya akan dikalikan dengan faktor absorpsi diri foil in-dium (G1
th) yaitu sebesar 1,38.
Hasil yang didapat untuk keping indium bermassa 1483,7 mg memiliki fluks neutron termal sebesar 1274,493403, sedangkan untuk keping in-dium bermassa 1513,9 mg memiliki fluks neutron termal sebesar 628,8454117. Dan dari ke 17 keping indium dengan massa foil yang bervariasi tersebut
memiliki nilai fluks neutron termal yang berbeda-beda dengan rata-rata 922,1139179. Adapun perbe-daan tersebut terlihat bahwa massa foil tidak mem-pengaruhi nilai fluks neutron termal tetapi jarak an-tar masing-masing keping terhadap sumber neutron (241AmBe dan 252Cf) itulah yang mempengaruhi besar kecilnya nilai fluks tersebut. Dimana semakin dekat jarak keping terhadap sumber neutron maka semakin besar nilai fluks neutron termalnya, seperti yang terlihat pada Gambar 5.
Gambar 5 Grafik hubungan fluks neutron termal dengan massa foil In-116m.
Kesimpulan
Dari hasil pengukuran fluks neutron termal di fasilitas kalibrasi neutron dengan menggunakan keping indium di atas dapat disimpulkan bahwa
posisi iradiasi pada jarak aksial teratas yakni pada massa indium 1453,7 mg mempunyai fluks neutron lebih kecil yaitu 593,7710240 n/cm2s, dibandingkan
pada jarak aksial terbawah yakni pada massa in-dium 1450,7 mg mempunyai fluks neutron lebih besar yaitu 1317,129828 n/cm2s. Hal ini dikare-nakan, posisi keping terbawah mendapat interaksi neutron lebih besar. Untuk mendapatkan hasil yang baik dalam proses reaksi aktivasi neutron ter-mal dengan penyerapan di posisi terdekat sumber neutron. Dengan demikian, semakin dekat jarak keping terhadap sumber neutron, maka semakin besar nilai fluks neutron termalnya.
Referensi
[a] L.Y. Suparman, Widarto, Y. Wiyatmo, dalam Prosiding Seminar Nasional ke-17 dan Kesela-matan PLTN serta Fasilitas Nuklir (2011). [b] Syarip, GANENDRA V (1).
[c] I. Jaka, A. Sufmawan, K. Mustofa, dalam Seminar Nasional VI SDM Teknologi Nuklir, (Yogyakarta, 2010).
[d] L. Risalatul, Bunawas, Teknik Aktivasi Foil Indium untuk Menentukan Distribusi Neutron Termal Dalam Fantom Padat di Bawah Iradi-asi LINAC 15MV, (2013).
[e] Affandy, Pengukuran Radionuklida Alam Pada Bahan Bangunan Plasterboard Fos-fogipsum dengan menggunakan Spektrometer GAMMA, (Fisika UI, Tidak Diterbitkan).
