Tujuan Percobaan :
1. Mempelajari cara kerja Detektor NaI(Tl)
2. Membuat Spektrum Energi Gamma dengan NaI(Tl)
3. Membuat Grafik Kalibrasi Energi, dan menentukan Energi suatu radioisotop yang belum diketahui
TEORI
I. Detektor Sintilator NaI(Tl)
Prinsip kerja sebuah detektor sintilator adalah terjadinya kelipan cahaya pada bahan sintilator apabila dikenai partikel radiasi ataupun foton radiasi. Banyak jenis bahan sintilator, baik anorganik maupun organik. Jenis sintilator sangat menentukan jenis radiasi yang dapat dideteksi. Salah satu jenis sintilator yang banyak digunakan untuk keperluan deteksi radiasi foton gamma adalah Sintilator NaI yang diberi aktivator Tl, sehingga detektornya lebih dikenal sebagai detektor NaI(Tl).
Sebuah detektor Sintilasi NaI(Tl) terdiri dari :
1. Kristal NaI(Tl) yang berfungsi mengubah foton radiasi menjadi kelipan
cahaya
2. Photokatode yang berfungsi mengubah kelipan cahaya menajdi
fotoelektron
3. Tabung Pengganda Elektron (PMT) berfungsi melipatgandakan elektron
yang terbentuk, dan pada akhirnya terbentuk pulsa.
Gambaran sebuah detektor NaI(Tl) dapat dilhat pada gambar 1.
Gambar 1. Detektor Sintilator NaI(Tl)
Kelipan cahaya yang timbul diakibatkan adanya foton radiasi, oleh fotokatode diubah menjadi fotoelektron. Kelipan cahaya yang timbul sebanding dengan energi foton yang datang. Semakin besar energi, maka kelipan cahaya yang timbul semakin banyak dan fotoelektron yang terbentukpun semakin banyak. Jika fotoelektron dilipatgandakan didalam tabung PMT, akan terbentuk pulsa yang tingginya sebanding dengan energi foton yang datang. Dengan
demikian tinggi pulsa yang timbulpun akan sebanding dengan energi yang foton datang.
II. Interaksi sinar gamma dengan materi.
lnteraksi sinar gamma dengan materi melalui tiga proses yaitu : proses photolistrik;
efek Compton;
bentukan pasangan.
Pada pancaran sinar gamma tidak ada tebal tertentu yang dapat menyerap semua sinar gamma dalam materi, seperti untuk sinar alpha dan sinar beta. Besar intensitas sinar gamma yang melalui materi akan turun secara eksponensial sesuai dengan persamaan :
x x I e
I = 0 −µ
Harga µ disebut koeffisien absorpsi linier sinar gamma yang nilainya tergantung pada jenis materi dan energi sinar gamma.
pp c pl µ µ µ µ = + + pl
µ = Koeff absorpsi sinar gamma akibat proses efek photo listrik c
µ = Koeff absorpsi sinar gamma akibat proses efek Compton pp
µ = Koeff absorpsi sinar gamma akibat proses bentukan pasangan 1. Efek Photolistrik.
Pada peristiwa ini sinar gamma berinteraksi dengan elektron yang terikat oleh inti atom menimbulkan elektron terlepas dari ikatannya. Besar energi kinetik elektron tersebut sama dengan besar energi sinar gamma dikurangi energi ikat elektron.
W h Ek = υ− k
E = energi ikat elektron.
ν
h = energi sinar gamma
W = energi ikat elektron.
Kebolehjadian peristiwa ini terjadi untuk sinar gamma yang berenergi < I MeV.
2. Efek Compton
Pada peristiwa ini sinar gamma berinteraksi dengan elektron bebas atau ataom yang terikat lemah suatu atom sehingga mengakibatkan elektron terlepas dan terjadi hamburan sinar gamma. Proses tersebut dapat dilihat pada gambar 2.
Gambar 2. Peristiwa Proses Compton
Jika energi sinar gamma mula-mula adalah hν, dan energi sinar gamma yang dihamburkan adalah hν’, dan besar sudut hamburan adalah θ, maka hubungan antara energi sinar gamma mula-mula dengan yang dihamburkan dapat ditulis seperti dalam rumus berikut:
(
1 cos)
h /mc2 1 h h υ θ υ υ − + =dan besarnya energi kinetik elektron yang terlepas adalah
(
)
(
)
2 2 k mc h cos 1 1 mc / h cos 1 E υ θ υ θ − + − =Kebolehjadian ini terjadi untuk energi sinar gamma sekitar 0,5 MeV - 5 MeV. Dalam hal ini khusus apabila terjadi backscattering (sudut θ sama dengan1800)
maka energi sinar gamma yang terhambur adalah :
E 4 1 E h + = υ
3. Efek Produksi Pasangan
Pada peristiwa ini sinar gamma berinteraksi dengan materi, sinar gamma akan lenyap dan timbut pasangan positron dan elektron negatif. Peristiwa ini terjadi apabila energi sinar gamma lebih besar dari 1,02 MeV. Besarnya energi kinetis kedua partikel tersebut sama dengan besarnya energi sinar gamma dikurangi besarnya energi yang hilang untuk membentuk positron dan elektron. Maka 2 2mc h Ekin = ν − = hν −1,02MeV
dengan E adalah energi gerak positron dan elektron.kin
Hasil akhir ketiga peristiwa tersebut adalah elektronyang dapat dimanfaatkan untuk sistem deteksi sehingga akhirnya lewat ketiga peristiwa tersebut dapat
III. Spektrum Energi dan Kalibrasi Energi serta Efisiensi Pencacahan
Untuk memperoleh spektrum energi sumber radioaktf, dapat menggunakan peralatan Multi Channel Analyser atau Single Channel Analyser (MCA/SCA) kedua alat tersebut tidak lain adalah penganalisa tinggi pulsa (Pulse Hight
Analyser PHA). SCA pada prinsipnya adalah dua buah diskriminator yaitu
diskriminator atas dan bawah. Selisih tinggi diskriminator atas dan bawah dikenal dengan nama jendela (window), yang lebarnya dapat dibuat tetap misal 0,2 Volt. Pulsa yang tingginya berada diantara diskriminator bawah ditambah lebar jendela akan tercacah, sedangkan diluarnya tidak tercacah.
Untuk mendapatkan spektrum dilakukan pencacahan pada setiap ketinggian diskrimanator bawah yang biasa disebut nomor kanal. Dengan melakukan pencacahan untuk setiap nomor kanal akan diperoleh cacah setiap nomor kanal. Dari hasil yang diperoleh dapat dibuat grafik antara cacah vs. nomor kanal yang tidak lain adalah spektrum energi dari suatu sumber radioaktif.
Contoh spektrum energi seperti gambar berikut :
Gambar 3. Spektrum Energi dari Cs-137
Dengan menggunakan sumber standar yang ada, antara lain: Co-60; Cs-137 atau Na-22 dapat diperoleh grafik kalibrasi energi yaitu grafik antara energi Vs nomor kanal. Ketiga sumber radioaktif tersebut masing masing memancarkan energi 1,17 dan 1,33 MeV; 0,662 MeV dan 1,274 MeV.
Untuk menetukan energi suatu sumber yang belum diketahui besarnya, dapat diperoleh dengan menggunakan grafik kalibrasi yaitu grafik energi vs. nomor kanal puncak, seperti pada gambar 4.
Gambar 4. Grafik Kalibrasi
Sedangkan untuk untuk mengetahui efisiensi pencacahan, dilakukan perhitungan hasil luasan dibawah puncak tersebut yang sebelumnya dikurangi
background dibandingkan dengan aktivitas dari sumber standard yang telah
diketahui maka akan didapatkan effisiensi sistem deteksi dari detektor Nal(TI). Percobaan kalibrasi efisiensi vs energi dilakukan dengan menggunakan sumber standard Na-22; Mn-54; Cs-137 dan Co-60. Dilakukan pula perhitungan effisiensi, untuk berbagai intensitas yang masuk ke detektor Nal(Tl) dengan cara mengubah jarak antara detektor dan sumber standard
Cara melakukan perhitungan luasan daerah dibawah grafik spektrum yaitu dengan menggambarkan spektrum sinar gamma diatas kertas, kemudian dilakukan pengurangan intensitas cacah total dikurangi intensitas cacah akibat background sehingga didapat intensitas cacah yang diakibatkan oleh sumber standard. Luasan dibawah intensitas cacah akibat sumber standard dibandingkan dengan aktivitas sumber standard setelah dikoreksi dengan waktu lamanya meluruh dari saat sumber dibuat sampai saat percobaan dilakukan dan fraksi disitegrasi dari sinar gamma.
UntuK mehghitung effisiensi detektor digunakan rumus
1 . . 1 1 Au f t U U E b p Ω Σ − Σ = dengan : p
E = Efisiensi detektorn NaI(Tl) t = waktu pencacahan (s)
1
U = Intensitas cacah total di bawah photo peak
b
U = Intensitas background pada waktu pencacahan yang sama denganU1
Ω = Faktor geometri + − = 2 2 2 1 R d d 1
Ω dengan d jarak detektor ke
sumber, R adalah jari-jari detektor f = fraksi peluruhan gamma
AU1 = aktifitas sumber
Harga f untuk berbagai isotop
Isotop Energi gamma (MeV) f
Cs-137 0,662 0,92 Cr-51 0,323 0,09 Co-60 1,17 0,99 Co-60 1,33 0,99 Na-22 1,276 0,99 Na-22 0,511 0,999 Mn-54 0,842 1,00 Zn-65 1,14 0,44
TATA KERJA PERC0BAAN
1. Rangkai peralatan seperti blok diagram pada Gambar 5.seperti
berikut:
Gambar 5. Diagram detektor Sintilasi NaI(Tl)
2. Atur tegangan tinggi detektor, atur penguatan (gain) Amplifier
(sesuai petunjuk Asisten) dan jendela diatur sebesar 0,2 Volt.
3. Lakukan pencacahan untuk beberapa sumber standard, untuk
setiap nomor kanal (tinggi diskrimator bawah)
4. Gambar intensitas pencacahan vs nomor kanal (spektrum energi)
untuk berbagai energi
SINTILATOR
SUMBER
RADIASI PRE AMP
ORTEC 113 AMPLIFIER ORTEC 551TSCA
ORTEC 571 OSILOSKOP HV ORTEC 456 PULSER ORTEC 580 PMT PHOTO KATODA LIGTH PIPE PENCACAH ORTEC 875
5. Dari data yang diperoleh (langkah 4), buat grafik energi vs nomor
kanal puncak fotolistrik.
6. Hitung effisiensi detektor dengan rumus diatas.
