EVALUASI FLUKS NEUTRON TERMAL
DI FASILITAS SILIKON DOPING RSG G.A. SIWABESSY
Jaka Iman
1, Asnul Sufmawan
2, Kawkab Mustofa
3Pusat Reaktor Serba Guna – BATAN
Kawasan Puspiptek Gd. 31, Serpong, Tangerang 15310
Abstrak
EVALUASI FLUKS NEUTRON TERMAL DI FASILITAS SILIKON DOPING RSG G.A. SIWABESSY. Evaluasi fluks neutron di fasilitas silikon doping RSG-GAS telah dilakukan dengan metode
aktivasi keping. Dalam pengukuran distribusi fluks neutron termal menggunakan keping cobalt-60 sebanyak 8 buah dengan jarak yang sama yang diletakkan di pinggir. Hasil pengukuran fluks neutron termal rerata dipinggir kapsul sebesar 1,56E11 n/cm2.s. Pengukuran dilakukan pada daya reaktor 2 MW. Dengan demikian dapat dikatakan bahwa distribusi fluks neutron termal di fasilitas silikon doping RSG-GAS cukup merata dengan perbedaan kurang dari 5%.
Kata kunci : silikon doping, aktivasi, fluks neutron, keping, termal
Abstract
THERMAL NEUTRON FLUX EVALUATION AT SILICON DOPING FACILITY OF THE RSG G.A. SIWABESSY. Evaluation of the neutron flux at the silicon doping facility RSG-GAS has been done with
the foil activation method. In the measurement of thermal neutron flux distribution using as many as 8 cobalt-60 foils with the same placed in the side of the capsule. Results of measurement of thermal neutron flux average of 1.56E11 n/cm2.s in the side of the capsule. The measurement was done at the 2 MW power of reactor. Thus it can be said that the thermal neutron flux distribution in the silicon doping facility RSG-GAS fairly evenly with a difference of less than 5%.
Keyword : silicon doping, activation, neutron flux, foil, thermal
PENDAHULUAN
Dalam penelitian “penyisipan” (doping) kristal silikon oleh pengotor inti fosfor dari hasil dari transmutasi inti silikon yang menangkap sebuah neutron termal, diperlukan data fluks neutron termal untuk seluruh energi neutron di fasilitas tempat proses silikon doping tersebut terjadi. Untuk memperoleh hasil penelitian yang baik diperlukan data fluks neutron yang akurat. Cukup banyak metode pengukuran fluks neutron yang telah dikembangkan, salah satunya adalah metode aktivasi neutron. Prinsip dari metode tersebut cukup sederhana yaitu dengan mengaktifkan suatu material (foil) yang telah diketahui kadar dan karakteristiknya bila bereaksi dengan neutron,
kemudian material (foil) tersebut diukur aktivitasnya dengan sistem peralatan spektrometri gamma. Pada makalah ini dibahas secara garis besar proses pengaktifan keping, pengukuran aktivitas keping serta penentuan fluks neutron di fasilitas doping silikon RSG-GAS.
Fluks neutron termal ditentukan dari hasil pengukuran aktivitas jenuh per inti dari keping yang telah diiradiasi. Untuk memperoleh hasil penentuan fluks neutron yang akurat hendaknya digunakan spektrum awal yang berasal dari perhitungan teoritis yang mendekati kondisi teras yang sebenarnya.
TEORI
fluks neutron ditentukan dari hasil pengukuran aktivitas keping yang telah diiradiasi selama waktu tertentu. Besarnya aktivitas keping sebanding besarnya fluks neutron dan lamanya iradiasi. Semakin besar fluks neutron dan semakin lama keping aktivasi diiradiasi maka semakin besar aktivitas keping tersebut. Karena besarnya aktivitas keping dapat diukur dengan suatu peralatan sistem spektrometri gamma, maka besarnya fluks neutron dapat ditentukan berdasarkan hasil pengukuran aktivitas keping. Rangkaian peralatan sistem spektrometri gamma dapat dilihat pada Gambar 1.
Gambar 1. Rangkaian Peralatan Sistem Spektrometri Gamma
Bila suatu keping aktivasi diiradiasi di dalam medan fluks neutron yang berenergi beraneka ragam dari neutron termal, maka aktivitas yang timbul pada keping disebabkan oleh semua jenis neutron tersebut. Dalam hal ini penentuan fluks neutron menjadi agak sulit. Maka untuk mengukur fluks neutron termal digunakan keping cobalt-60.
Berdasarkan hasil pengukuran aktivitas keping cobalt-60 yang digunakan, besarnya fluks neutron termal ditentukan dengan persamaan
)
e
(
)
e
(
σ
N
m
t
e
A(t)
BA
=
φ
m t λ i t λ th o m d t λ . . .1
.
1
.
.
.
.
.
(1) denganBA = berat atom detektor keping
A(t) = aktivitas terukur keping
= tetapan peluruhan isotop yang timbul (s-1)
td = waktu peluruhan
tm = waktu pengukuran
ti = waktu iradiasi
m = massa keping
No = bilangan Avogadro
σth = tampang lintang inti keping terhadap
neutron termal METODE
Pengukuran fluks neutron dilakukan di dalam fasilitas silikon doping RSG-GAS. Konfigurasi teras
RSG G.A. Siwabessy dengan fasilitas pendukung diperlihatkan pada Gambar 2 dan kapsul doping silikon dapat dilihat pada Gambar 3.
B B B H H H H P IP IP IP IP S6 S5 S4 S3 S1 NR NTD P R T F
BERYLLI UM BL OCK REFLECTOR
10 9 8 7 6 51 2 3 4 3 2 1 K J H G F E D C B A S2 CIP
Gambar 2. Konfigurasi Teras RSG G.A Siwabessy dengan Fasilitas Pendukung
Gambar 3. Kapsul Doping Silikon
Pengukuran fluks neutron termal menggunakan keping cobalt-60 dengan data geometri dan massa yang tertera pada Tabel 1. Keping cobalt-60 tersebut disisipkan di pemegang keping (foil holder) aluminium sebanyak 8 (delapan) buah keping dan diletakkan dibagian samping stringer kapsul dimana kristal silikon akan di-dop. Karena fasilitas tersebut dilengkapi dengan alat pemutar kapsul, maka untuk posisi bagian tengah dapat dianggap paparan fluks neutronnya merata.
Langkah-langkah dalam proses iradiasi keping dimulai dari mengidentifikasi keping-keping dan meletakkannya di dalam pemegang keping aluminium yang kemudian dimasukkan di samping
stringer kapsul dan selanjutnya stringer kapsul
tersebut dimasukkan ke dalam fasilitas iradiasi silikon doping. Setelah pemasukan kapsul pada tempatnya, reaktor dioperasikan pada daya 2 MW dan dibiarkan daya stabil selama 20 menit. Setelah
itu reaktor dimatikan dan kapsul dikeluarkan dari tempatnya setelah menunggu beberapa jam (sesuai ketentuan). Keping-keping cobalt-60 yang telah diiradiasi dikeluarkan dari kapsul kemudian diukur paparannya.
Peralatan yang digunakan dalam pengukuran aktivitas keping-keping tersebut adalah detektor germanium yang berkemurnian tinggi (HPGe) dan sistem analisator saluran banyak (sistem MCA)
dengan perangkat lunak Gamma Trac. Karena metoda pengukuran aktivitas keping ini dengan metode relatif, maka digunakan beberapa isotop sumber standar untuk mengkalibrasi sistem peralatan pencacahan radiasi gamma. Setelah sistem peralatan pencacahan tersebut dikalibrasi, maka pencacahan keping yang telah diiradiasi dilakukan satu per satu dan ditentukan aktivitas jenuh per intinya.
Tabel 1. Data Geometri dan Massa Keping
No. Jenis Keping Tebal (mm) Diameter (mm) Massa (gram) Kemurnian (%)
1 Co-60 0,127 12,7 0,0642 99,9998 2 Co-60 0,127 12,7 0,0625 99,9998 3 Co-60 0,127 12,7 0,0613 99,9998 4 Co-60 0,127 12,7 0,0627 99,9998 5 Co-60 0,127 12,7 0,0643 99,9998 6 Co-60 0,127 12,7 0,0649 99,9998 7 Co-60 0,127 12,7 0,0628 99,9998 8 Co-60 0,127 12,7 0,0644 99,9998
Besarnya fluks neutron termal dapat ditentukan secara langsung dengan menggunakan rumusan Persamaan (1).
HASIL DAN PEMBAHASAN
Hasil pengukuran distribusi fluks neutron termal dapat dilihat pada Tabel 2 dan kurva fluks neutron di fasilitas doping silikon RSG G.A. Siwabessy digambarkan pada Gambar 4. Tabel dan gambar tersebut menunjukkan bahwa fluks neutron termal rerata sebesar 1,56E+11 n/cm2s. Dengan hasil fluks neutron termal dapat dikatakan bahwa distribusi fluks neutron di fasilitas doping silikon cukup merata. Kemerataan fluks neutron ini sangat menentukan kemerataan doping kristal silikon sehingga akan diperoleh kualitas semikonduktor
silikon yang merata resistansinya.
Tabel 2. Aktivitas dan Fluks Neutron Termal di Fasilitas Silikon Doping RSG-GAS
Posisi aksial (mm) Aktivitas (Bq/gr) Fluks Neutron (n/cm2.s) 12,5 5,23E+05 2,76E+10 87,5 3,44E+06 1,81E+11 162,5 6,24E+05 3,29E+10 237,5 3,09E+06 1,63E+11 312,5 5,38E+05 2,84E+10 387,5 2,97E+06 1,57E+11 462,5 3,83E+05 2,02E+10 537,5 2,50E+06 1,32E+11
Gambar 4. Kurva Fluks Neutron Termal di Fasilitas Doping Silikon RSG G.A. Siwabessy
Tahapan-tahapan pengukuran fluks neutron termal dapat dilihat pada diagram alir Gambar 5.
Gambar 5. Skema Diagram Alir Pengukuran Fluks Neutron Termal.
Dari kalibrasi energi dan kalibrasi efisiensi diperoleh hasil sebagai berikut:
Oxford Instruments, Nuclear Measurements Group. GammaTrac
Time and date of report: Jun 10, 2009 10:04:25 am.
file : c:\gt\doping67\kaldp67.spm description: Ba,Cs,Co
Sample quantity : 0.000 (u)
Sample acquisiton at : 8:30:24 am May 26, 2009
Sample preparation at : 12:00:00 pm Aug 01, 1987 (692334900 sec)
Sample irradiation at : 7:00:00 am Aug 01, 1987 (18000 sec)
Spectrum live time : 1829 (sec) Spectrum real time : 1728 (sec) Preset real time : 1000000 (sec) Number of channels : 8192
Energy = 59.242 + 0.37093*chn + 1.8563e- 07*chn^2
Fwhm = 1.0992 + 0.00064238*E - 2.5273e- 08*E^2
(calibration file: KALDP67.cal, detector: KALDP67)
Eff. = 1 / { 2.2067*E^(0.93764) } (efficiency file: KALDP67.eff)
parameters file name : kaldp67.par peak search sensitivity : 5.0 peak insertion sensitivity: 2.0 number of insertion passes : 10
start energy for search : beginning of spectrum stop energy for search : end of spectrum no. of background channels: 3
background peak subtraction is OFF
Number of peaks: 14
=================================== Peak Energy FWHM Net rate error Net area Background multi no. (keV) (ke V) (cps) (%) (counts) (cnts/chan) -plet =================================== 1 75.083 1.147 0.3291 60.9 602 5955.3 2 79.523 1.150 10.8403 1.4 19827 4770.0 a1 3 80.973 1.151 158.3237 0.3 289574 4770.0 a2 4 160.681 1.202 3.4215 6.4 6258 4255.5 5 223.277 1.242 1.6802 10.2 3073 3084.0 6 276.398 1.275 21.1722 0.9 38724 2216.8 7 302.841 1.292 47.8507 0.5 87519 2035.7 8 355.972 1.325 133.1247 0.2 243485 1790.0 9 383.790 1.343 17.4396 0.9 31897 1644.8 10 660.938 1.514 8.1925 62.8 14984 495.2 b1 11 661.552 1.514 228.2847 2.4 417533 495.2 b2 12 662.462 1.515 1.9960 83.9 3651 495.2 b3 13 1173.322 1.821 14.0601 0.7 25716 64.0 14 1332.746 1.914 12.3621 0.7 22610 20.2 ==================================================
FULL OUTPUT REPORT
File data
Sample data
Spectrum data
Calibration data
Peak search parameters
parameters file name : kaldp67.par Isotope library : NUCLIB.til Match tolerance : 3.50 (keV) Gamma fraction tolerance: 0.40 Decay tolerance : 20.00
==================================== Peak Energy Net Un- Critical Matched no. (keV) counts certainty level isotopes
==================================== 1 75.083 602 367 602 Pm-145 2 79.523 19827 275 486 Ti-44, Ba-133 3 80.973 289574 768 486 Ba-133 6 276.398 38724 344 465 Ba-133 7 302.841 87519 401 445 Ba-133, Pa-231 8 355.972 243485 590 533 Ba-133 9 383.790 31897 302 400 Ba-133 11 661.552 417533 9813 195 Cs-137 13 1173.322 25716 171 95 Co-60 14 1332.746 22610 154 57 Co-60 ==================================== ==================================== Peak Energy Net Un- Critical Net no. (keV) counts certainty level gamma/sec ==================================== 4 160.681 6258 399 644 3.422e+00 5 223.277 3073 315 510 1.680e+00 10 660.938 14984 9415 195 8.192e+00 12 662.462 3651 3062 195 1.996e+00 ====================================
(% error is at the 1.0 sigma value) Systematic calibration error: 0.0 % Activities are corrected for isotope decay
===================================
Isotope Average error Decay Energy Activity Notes name activity (%) factor (keV) for peak ================================================= Ti-44 2.05e+03 38.5 7.25e-01 78.38 2.05e+03
Co-60 4.2e+05 0.7 5.59e-02 1332.51 4.15e+05 1173.23 4.2e+05
Ba-133 4.44e+05 12.3 2.36e-01 355.86 4.93e+05 intrf a: 1/2 81.01 2.78e+05 302.71 interf.pk. 383.70 ident 276.29 5.27e+05 79.59 ident Cs-137 4.35e+05 2.5 6.03e-01 661.62 4.35e+05
Pm-145 4.24e-01 72.40 < 8.73e+03 ident
====================================
Explanation of notes:
a : m/n this indicates that the isotope is the m'th member of interference set 'a' which contains 'n' members; ident : isotope identified only, no activity calculation performed;
intrf : activity calculation is the least squares solution of an interference set;
mda : no peaks have been matched but the isotope is included in order to calculate the minimum detectable activity; share : the interference set cannot be solved so the areas of peaks which interfere are shared between each isotope. Total activity from 5 identified isotopes : 1.43e+06 Bq/gr Total emission from 4 unidentified peaks: 1.14e+04 counts/sec
Dari hasil pencacahan keping-keping Co-60 diperoleh hasil sebagai berikut :
Oxford Instruments, Nuclear Measurements Group. GammaTrac
Time and date of report: Jun 10, 2009 2:12:52 pm
file : c:\gt\doping67\bco-2.spm description : BCO-2
Sample quantity : 0.062 (GR)
Sample acquisiton at : 10:35:55 am May 26, 2009.
Sample preparation at : 4:20:00 pm May 15, 2009 ( 929755 sec).
Sample irradiation at : 4:00:00 pm May 15, 2009 (1200 sec).
Spectrum live time : 1800 (sec) Spectrum real time : 1816 (sec) Library search parameters
Matched peaks table
Unmatched peaks table
Isotope activities table units: Bq/GR
FULL OUTPUT REPORT
Sample data File data
Preset live time : 1800 (sec) Number of channels : 8192 Energy = 61.126 + 0.37133*chn + 2.0991e-07*chn^2 Fwhm = 1.0022 + 0.00072382*E - 1.0244e-07*E^2
(calibration file: KALDP67.cal, detector: KALDP67)
Eff. = 1 / { 6.6187*E^(1.0584) } (efficiency file: KALDP67.eff)
parameters file name : kaldp67.par peak search sensitivity : 3.0 peak insertion sensitivity : 3.0 number of insertion passes : 0
start energy for search : beginning of spectrum stop energy for search : end of spectrum no. of background channels: 1
background peak subtraction is OFF
Number of peaks: 8
==================================== Peak Energy FWHM Net rate error Net area Background multi no. (keV) (keV) (cps) (%) (counts) (cnts/chan) -plet ==================================== 1 310.439 1.218 0.0736 88.7 132 191.5 2 815.083 1.526 0.0622 90.5 112 142.0 3 1173.404 1.714 18.1656 0.6 32698 74.5 4 1332.900 1.789 15.9628 0.6 28733 18.5 5 1412.047 1.825 0.0039 155.8 7 1.0 6 1461.224 1.846 0.0078 110.2 14 2.0 7 1779.671 1.972 0.0181 30.2 32 0.5 8 2509.676 2.183 0.0161 34.7 29 0.5 ===================================
parameters file name : kaldp67.par Isotope library : nuclib.til Match tolerance : 0.70 (keV) Gamma fraction tolerance: 0.20 Decay tolerance : 0.20
====================================
Peak Energy Net Un- Critical Matched no. (keV) counts certainty level isotopes ==================================== 3 1173.404 32698 208 170 Co-60 4 1332.900 28733 177 85 Co-60 6 1461.224 14 15 25 K-40 ==================================== ====================================
Peak Energy Net Un- Critical Net gamma no. (keV) counts certainty level /sec.
==================================== 1 310.439 132 118 192 7.361e-02 2 815.083 112 101 166 6.222e-02 5 1412.047 7 11 17 3.889e-03 7 1779.671 32 10 13 1.806e-02 8 2509.676 29 10 14 1.611e-02 ==================================
Number of matched isotopes: 2
====================================
Isotope Half-life Energy Intensity Use Pk. Efficiency Area name (keV) (%) (+/-) no.value err(%) share
====================================
K-40 1.28e+09 yrs 1460.750 10.67 (0.11) quant 6 6.75e-05 2.6 Co-60 5.27 yrs 1332.510 99.98 (0.00) quant 4 7.44e-05 4.4 1173.230 99.86 (0.00) quant 3 8.52e-05 7.0
====================================
(% error is at the 1.0 sigma value) Systematic calibration error: 0.0 % Activities are corrected for isotope decay ===================================
Isotope Average error Decay Energy Activity Notes name activity (%) factor (keV) for peak =================================================
K-40 1.00e+00 1460.75 < 4.86e+04 ident
Co-60 3.44e+06 3.8 9.96e-01 1332.51 3.44e+06 1173.23 3.43e+06 ================================================== Explanation of notes:
a : m/n this indicates that the isotope is the m'th member of interference set 'a' which contains 'n' members; ident : isotope identified only, no activity calculation performed;
intrf : activity calculation is the least squares solution of an interference set;
mda : no peaks have been matched but the isotope is included in order to calculate the minimum detectable activity; share : the interference set cannot be solved so the areas of peaks which interfere are shared between each isotope. Total activity from 1 identified isotopes: 3.44e+06 Bq/GR Total emission from 5 unidentified peaks: 1.52e+03 counts/sec
Peak search parameters
Peak search table
Library search parameters
Matched peaks table
Unmatched peaks table
Matched isotopes table
Isotope activities table units: Bq/Gr
KESIMPULAN
Dari hasil pengukuran fluks neutron termal di fasilitas silikon doping di atas dapat disimpulkan bahwa posisi iradiasi pada jarak aksial terbawah (87,5 mm) mempunyai fluks neutron lebih besar yaitu 1,81E+11 n/cm2.s., dibandingkan pada jarak aksial teratas (537,5 mm) yaitu 1,32E+11 karena posisi keping terbawah mendapat interaksi neutron lebih besar.. Hal ini dapat dilihat pada Gambar 4. Untuk mendapatkan hasil yang baik dalam proses reaksi doping silikon neutron termal dengan penyerapan di posisi teras terbawah.
UCAPAN TERIMA KASIH
Pada kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih banyak kepada semua pihak baik langsung maupun tidak langsung atas terselesaikannya makalah ini. Ucapan terima kasih tersebut terutama disampaikan kepada Ka.Sub.Bid. Perencanaan Operasi dan staf, para staf operator dan supervisor reaktor Sub.Bid. Pelaksanan Operasi, dan staf Sub.Bid. Pelayanan Iradiasi dalam pengukuran fluks neutron termal di fasilitas doping silikon.
DAFTAR PUSTAKA
1. AMIR HAMZAH, Pengukuran fluks dan spektrum neutron di fasilitas silikon doping RSG-GAS, (Prosiding Seminar Teknologi dan Keselamatan PLTN Serta Fasilitas Nuklir IV, Serpong, 10 – 11 Desember 1996).
2. AMIR HAMZAH dkk, Pengukuran distribusi fluks neutron di RSG-GAS, Laporan Penelitian Pusat Reaktor Serba Guna-BATAN, Serpong, Tahun 1996/1997.
3. SUWOTO dkk, Evaluasi fluks neutron thermal dan epithermal di fasilitas iradiasi rabbit sistem, Prosiding Hasil Penelitian Pusat Pengembangan Teknologi Reaktor Riset-BATAN, Serpong (2005).
4. WISNU SUSETYO, Spektrometer gamma dan penerapannya dalam analisis pengaktifan neutron, Universitas Gadjah Mada, Yogyakarta, 1996.
TANYA JAWAB Pertanyaan
1. Bentuk keping kawat atau tail? (tegas Sutondo)
Jawaban:
1. Keping yang digunakan. Keping Co-59 dengan diameter 12,7 mm.
