UNIVERSITAS INDONESIA
RANCANG BANGUN RATEMETER MENGGUNAKAN DETEKTOR NaI (Tl) BERBASIS MIKROKONTROLER
SKRIPSI
Diajukan sebagai salah satu syarat untuk mendapatkan gelar Sarjana
BONDAN KANIGORO 1006703276
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM PROGRAM STUDI FISIKA
PEMINATAN FISIKA INSTRUMENTASI DEPOK
HALAMANPENGESAHAN
Nama : Bondan Kanigoro NPM : 1006703276 Program studi : Fisika
Peminatan : Fisika Instrumentasi
Judul : Rancang Bangun Ratemeter Menggunakan Detektor NaI (Tl) Berbasis Mikrokontroler
Telah berhasil dipertahankan di hadapan Dewan Penguji dan diterima sebagai bagian persyaratan yang diperlukan untuk memperoleh gelar Sarjana Sains pada Program Studi Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Indonesia
Menyetujui,
Pembimbing I : Wibisono ( )
Pembimbing II : Drs. Arief Sudarmaji, M.T. ( )
Penguji I : Dr. B. E. F. Da Silva, M.Sc. ( )
Penguji II : Drs. Lingga Hermanto, M.Si. ( )
Ditetapkan di : Depok Tanggal : 4 Juni 2014
Rancang Bangun Ratemeter Menggunakan Detektor NaI(Tl)
Berbasis Mikrokontroler
Bondan Kanigoro1
1. Departemen Fisika, FMIPA UI, Kampus UI Depok, 16424, Indonesia
Email: [email protected]
ABSTRAK
Telah dilakukan penelitian mengenai membangun suatu rancang bangun ratemeter menggunakan detektor NaI (Tl) berbasis mikrokontroler. Dimana menghitung jumlah cacahan suatu radiasi sinar gamma dari suatu unsur radioaktif. Cacahan tersebut terukur dari pulsa-pulsa listrik yang dihasilkan dari detektor NaI (Tl). Detektor yang terdiri dari scintillator dan tabung
photomultiplier dapat mendeteksi adanya suatu aktivitas radioaktif. Menggunakan unsur
Amerisium-241 (Am-241) sebagai sumber radioaktif dan mengukur tingkat cacahan radioaktif terhadap tingkat perubahan tengan detektor yang digunakan. Menentukan daerah Plateau dari detektor yang digunakan pada tegangan 1000V sampai dengan 1020V dengan daerah kerja optimal detektor pada tegangan 1010V. Membandingkan ratemeter yang telah dibuat dengan surveymeter yang terkalibrasi dengan hasil cacahan terhadap perubahan jarak radioaktif yang digunakan.
ABSTRACT
Has conducted research on building a design ratemeter using NaI detector (Tl)-based microcontroller. Where counting the number of counts of a gamma-ray radiation from a radioactive element. The initial count of measurable electrical pulses generated from the detector NaI (Tl). Scintillator detector consists of a photomultiplier tube and can detect the presence of a radioactive activity. Using Americium-241 (Am-241) as a radioactive source and measuring the level of radioactive chopped the rate of change amid the detector used. Determining the Plateau area of the detector used at voltages up to 1020V 1000V with optimal work area detector voltage 1010V. Comparing ratemeter which has been made with SurveyMETER calibrated with the results of counts to changes in the use of radioactive distance.
1. PENDAHULUAN
Pada masa kini pemanfaatan teknologi energi nuklir dalam berbagai bidang berkembang cukup pesat.Nuklir dimanfaatkan bidang kedokteran, pertanian, energi listrik, inspeksi, dan juga senjata. CT-Scan dan SPECT adalah contoh aplikasi nuklir dalam bidang kedokteran yang telah banyak dikenal masyarakat. Sedangkan pembangkit listrik tenaga nuklir (PLTN) adalah sumber listrik yang diakui sangat ramah lingkungan.
Teknik nuklir juga bermanfaat untuk inspeksi pada instalasi industri proses dengan memanfaatkan energi sinar gamma. Energi sinar gamma yang dapat menembus logam sangat bermanfaat untuk memeriksa instalasi industri proses. Metode inspeksi dengan teknik nuklir memiliki keuntungan karena pemeriksaan dapat dilakukan tanpa harus menghentikan produksi. Hasil pemeriksaan merupakan diagnosa masalah yang ada pada instalasi pabrik sehingga dapat direncanakan langkah perbaikan dan persiapan materialnya. Persiapan material dan lokalisasi perbaikan akan memperpendek waktu shutdown dan mengurangi kerugian besar karena tidak produksi.
Perangkat nuklir untuk inspeksi industri diantaranya adalah film radiografi dan pencacah radiasi atau ratemeter. Film radiografi telah banyak dikenal orang untuk pemeriksaan casting atau welding berdasarkan kehitaman film karena radiasi nuklir. Pencacah merupakan alat ukur intensitas radiasi secara numerik baik dalam format analog maupun digital. Peralatan pencacah ini telah beredar dipasaran akan tetapi masih sangat mahal dan terbatas. Teknik gamma tomografi adalah teknik inspeksi yang membutuhkan sangat banyak pencacah sedemikian hingga memerlukan investasi yang besar. Meskipun tersedia dipasaran akan tetapi fitur dan karakteristiknya kadang-kadang tidak sesuai dengan keinginan serta maintenance/reparasinya sulit karena pabrikan berada di luar negeri.
Skripsi ini akan membuat rancang bangun pencacah sinar radiasi dengan komponen lokal sebayak mungkin serta fitur yang fleksible dalam format digital sehingga dapat disesuaikan dengan keperluan pengukuran. Data-data digital hasil pengukuran disimpan dalam file spreadsheet sehingga dapat dianalisa dengan program aplikasi lainnya.
Sistem ini dirancang dalam pengambilan data dari detektor berupa suatu bentuk sinyal yang dikuatkan oleh bagian preamplifier kemudian penentuan batasan dan dibandingkan menggunakan comparator sehingga pulsa-pulsa yang telah dipilih bisa dicacah dengan menggunakan counter yang kemudian datanya diterima oleh mikrokontroller dan ditampilkan pada labview dalam jumlah cacahan. Dimana dalam ratemeter ini sinyal-sinyal pulsa yang dihasilkan oleh detektor diambil secara keseluruhan merupakan suatu cara untuk mengukur
jumlah (kuantitas) radiasi yang memasuki detektor tanpa memperhatikan tingkat energi radiasinya (gross activity).
Tujuan penelitian ini ialah membuat rancang bangun ratemeter berbasis mikrokontroler dan detektor NaI (Tl) sebagai pendeteksi radiasi. Rancang bangun ini dapat dikontrol dengan aplikasi komputer berbasis labView. yang diharapkan dapat mempermudah pada saat penggunaan dan istalasi dan melakukan pengukuran cacahan radiasi dari detektor NaI (Tl).
2. TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Radioaktivitas
Radioaktivitas adalah kemampuan inti atom yang tak-stabil untuk memancarkan radiasi dan berubah menjadi inti stabil. Proses perubahan ini disebut peluruhan dan inti atom yang tak-stabil disebut radionuklida. Materi yang mengandung radionuklida disebut zat radioaktif [1].
Radioaktif adalah zat yang mengandung inti yang tidak stabil. Pada tahun 1903, Ernest Rutherford mengemukakan bahwa radiasi yang dipancarkan zat radioaktif dapat dibedakan menjadi dua jenis berdasarkan muatannya. Radiasi yang bermuatan positif disebut sinar alfa, sedangkan yang bermuatan negatif disebut sinar beta. Kemudian ditemukan sinar ketiga yang tidak bermuatan dan diberi nama sinar gama, penemunya adalah Paul U. Vilard.
Radiasi adalah energi dalam bentuk gelombang atau partikel subatomic yang bergerak. Radiasi secara umum dapat dibagi dalam dua jenis yaitu [2]: radiasi elektromagnetik dan radiasi partikel. Radiasi elektromagnetik terdiri dari non-ionisasi(gelombang radio, microwave, infra merah, sinar tampak, ultraviolet) dan ionisasi (sinar X dangamma) seperti telihat pada Gambar 1. Adapun radiasi partikel terdiri dari: radiasi alpha, beta danneutron. Radiasi umumnya diartikan sebagai radiasi ionisasi. Pengaruh radiasi terhadap tubuh manusiabisa mengakibatkan kerusakan organ karena bersifat karsiogenik.
2.2 Detektor Gamma
Sensor radiasi nuklir adalah sensor yang mampu mendeteksi baik partikle dan radiasi elektromagnetik, yang adakalanya disebut detektor nuklir. Ada 3 (tiga) tipe sensor radiasi yang umum digunakan saat ini yaitu: (a) gas-filled detectors, (b) scintillation counters, dan (c) solid-sate detectors[5]
2.3 Gas filled detector
Gas filled detector, dimana dapat di bagi dalam 3 (tiga) tipe yaitu: ionization
chamber, Geiger-Muller counters (tubes) dan proportional counter [6].Prinsip kerja dari Gas
filled detector adalah [2] ketika radiasi melalui tabung yang berisi spesifik gas, maka akan
terjadi proses ionisasi dan membentuk molekul-molekul dan sepasang ion. Ketika diberi tegangan tinggi diantaranya maka ion positif akan bergerak ke katoda dan ion negatif ke anoda, hal ini akan menghasilkan aliran arus yang kecil yang ditangkap sebagi sebuah sinyal yang mengindetifikasikan adanya radiasi.
2.4 Scintillator Detector
Detektor sintilasi[6] selalu terdiri dari dua bagian yaitu bahan sintilator dan photomultiplier. Bahan sintilator merupakan suatu bahan padat, cair maupun gas, yang akan menghasilkan percikan cahaya bila dikenai radiasi pengion. Photomultiplier digunakan untuk mengubah percikan cahaya yang dihasilkan bahan sintilator menjadi pulsa listrik. Mekanisme pendeteksian radiasi pada detektor sintilasi dapat dibagi menjadi dua tahap yaitu :
proses pengubahan radiasi yang mengenai detektor menjadi percikan cahaya di dalam bahan sintilator dan
proses pengubahan percikan cahaya menjadi pulsa listrik di dalam tabung photomultiplier.
2.5Bahan sintilator
Proses sintilasi [6] adalah terpencarnya sinar tampak ketika terjadi transisi elektron dari tingkat energi (orbit) yang lebih tinggi ke tingkat energi yang lebih rendah di dalam bahan penyerap. Dalam proses ini, sebenarnya, yang dipancarkan adalah radiasi sinar-γ tetapi
karena bahan penyerapnya (detektor) dicampuri dengan unsur aktivator, yang berfungsi sebagai penggeser panjang gelombang, maka radiasi yang dipancarkannya berupa sinar tampak. Proses sintilasi ini akan terjadi bila terdapat kekosongan elektron pada orbit yang lebih dalam. Kekosongan elektron tersebut dapat disebabkan karena lepasnya elektron dari ikatannya (proses ionisasi) atau loncatnya elektron ke lintasan yang lebih tinggi bila dikenai radiasi (proses eksitasi). Jadi dalam proses sintilasi ini, energi radiasi diubah menjadi pancaran cahaya tampak. Semakin besar energi radiasi yang diserap maka semakin banyak kekosongan elektron di orbit sebelah dalam sehingga semakinbanyak percikan cahayanya.
Di dalam kristal bahan sintilator terdapat pita-pita atau daerah yang dinamakan sebagai pita valensi dan pita konduksi yang dipisahkan dengan tingkat energi tertentu. Pada keadaan dasar, ground state, seluruh elektron berada di pita valensi sedangkan di pita konduksi kosong. Ketika terdapat radiasi yang memasuki kristal, terdapat kemungkinan bahwa energinya akan terserap oleh beberapa elektron di pita valensi, sehingga dapat meloncat ke pita konduksi. Beberapa saat kemudian elektronelektron tersebut akan kembali ke pita valensi melalui pita energi bahan aktivator sambil memancarkan percikan cahaya.
Jika energi radiasi [3] yang dipancarkan oleh unsur radioaktif diserap seluruhnya oleh elektron-elektron pada kristal detektor NaI(Tl) makainteraksi ini disebut efek fotolistrik yang menghasilkan puncak energi (photopeak) pada spektrum gamma (gambar 2.5) pada daerah energi 661,65 keV. Apabila foton gamma berinteraksi dengan sebuah elektron bebas atau yang terikat lemah, misal elektron pada kulit terluar suatu atom, maka sebagian energi photon akan diserap oleh elektron dan kemudian terhambur. Interaksi ini disebut dengan hamburan Compton.
Gambar 2.3. Proses sintilasi penyerapan energi radiasi (kiri) dan pemancaran cahaya (kanan)
Proses sintilasi [6] pada bahan ini dapat dijelaskan dengan Gambar 2.3. Didalam kristal bahan sintilator terdapat pita-pita atau daerah yang dinamakan sebagai pita valensi dan pita konduksi yang dipisahkandengan tingkat energi tertentu. Pada keadaan dasar, ground state, seluruhelektron berada di pita valensi sedangkan di pita konduksi kosong. Ketikaterdapat radiasi yang memasuki kristal, terdapat kemungkinan bahwaenerginya akan terserap oleh beberapa elektron di pita valensi, sehinggadapat meloncat ke pita konduksi. Beberapa saat kemudian elektronelektrontersebut akan kembali ke pita valensi melalui pita energi bahanaktivator sambil memancarkan percikan cahaya.
Jumlah percikan cahaya sebanding dengan energi radiasi diserap dan dipengaruhi oleh jenis bahan sintilatornya. Semakin besar energinya semakin banyak percikan cahayanya. Percikan-percikan cahaya ini kemudian „ditangkap‟ oleh photomultiplier. Berikut ini adalah beberapa contoh bahan sintilator yang sering digunakan sebagai detektor radiasi.
Kristal NaI(Tl) Kristal ZnS(Ag) Kristal LiI(Eu) Sintilator Organik
2.6 Tabung Photomultiplier
Setiap detektor sintilasi terdiri atas dua bagian [6] yaitu bahan sintilator dan tabung photomultiplier. Bila bahan sintilator berfungsi untuk mengubah energi radiasi menjadi percikan cahaya maka tabung photomultiplier ini berfungsi untuk mengubah percikan cahaya tersebut menjadi berkas elektron, sehinggadapat diolah lebih lanjut sebagai pulsa / arus
listrik. Tabung photomultiplier terbuat dari tabung hampa yang kedap cahaya dengan photokatoda yang berfungsi sebagai masukan pada salah satu ujungnya dan terdapat beberapa dinode untuk menggandakan elektronseperti terdapat pada gambar 5. Photokatoda yang ditempelkan pada bahan sintilator, akan memancarkan elektron bila dikenai cahaya dengan panjang gelombang yang sesuai. Elektron yang dihasilkannya akan diarahkan, dengan perbedaan potensial, menuju dinode pertama. Dinode tersebut akan memancarkan beberapa elektron sekunder bila dikenai oleh elektron.
Elektron-elektron sekunder yang dihasilkan dinode pertama akan menuju dinode kedua dan dilipatgandakan kemudian ke dinode ketiga dan seterusnya sehingga elektron yang terkumpul pada dinode terakhir berjumlah sangat banyak.Dengan sebuah kapasitor kumpulan elektron tersebut akan diubah menjadi pulsa listrik.
3. METODE PENELITIAN 3.1 Perancangan Kerja Sistem
Ratemeter dirancang dengan berbasis mikrokontroler agar penggunaannya menjadi lebih mudah, efektif, dan efisien dibandingkan dengan ratemeter produk dari perusahaan asing yang telah ada Detektor yang akan digunakan adalah scintillation dengan kristal NaI(Tl) sebagai salah satu bagian dari alat ratemeter ini.
Berikut adalah diagram alur kerja dari rancang bangun ratemater berbasis mikrokontroller dengan menggunakan detektor NaI (Tl) [8] :
Blok diagram diatas memperlihatkan alur kerja sistem instrumentasi yang dibuat untuk penelitian ini. Sistem ini dirancang dalam pengambilan data dari detektor berupa suatu bentuk sinyal yang dikuatkan oleh bagian preamplifier kemudian penentuan batasan dan dibandingkan menggunakan comparator sehingga pulsa-pulsa yang telah dipilih bisa dicacah dengan menggunakan counter yang kemudian datanya diterima oleh mikrokontroller dan ditampilkan pada labview dalam jumlah cacahan. Dimana dalam ratemeter ini sinyal-sinyal pulsa yang dihasilkan oleh detektor diambil secara keseluruhan merupakan suatu cara untuk mengukur jumlah (kuantitas) radiasi yang mengenai detektor tanpa memperhatikan tingkat energi radiasinya (gross activity).
Seperti terlihat dalam blok diagram radiasi nuklir yang mengenai kristal NaI(TL) akan menghasilkan foton (kerlipan), foton selanjutnya dikuatkan dinode-dinode yang ada pada
photo multiplier tube (PMT) dalam bentuk aliran elektron. PMT bekerja menggunakan
tegangan besar sekitar 500-2000 V. Untuk itu digunakan power supply tegangan tinggi. Sinyal listrik dari PMT akan dikuatkan menggunakan rangkaian penguat agar dapat diidentifikasi sebagai efek radiasi.
Penggunaan high voltage power supply sebagai sumber tegangan untuk bekerjanya detektor NaI (Tl) dimana tegangan tinggi tersebut diterjemahkan ke dalam bentuk digital oleh rangkaian Analog to Digital Converter (ADC) yang terdapat pada rangkaian mikrokontroller yang memiliki resolusi ADC 16bit.
Counter yang digunakan dalam mencacah jumlah pulsa yang diterima dan diberikan oleh detektor yang mendeteksi adanya aktivitas radioaktif yaitu beresolusi 16 bit yang
Gambar 3.1 Blok diagram kerja sistem ratemeter
kemudian hasil data cacahan tersebut dikirim ke mikrokontroller untuk ditampilkan dalam Labview.
3.2 Perancangan Rangkaian Elektronik
Sistem elektronika pada sistem instrumentasi untuk membuat ratemeter ini, diperlukan rangkaian regulator dan rangkaian high voltage power supply, rangkaian preamplifier, rangkaian komparator, dan rangkaian counter.
3.2.1 Rangkaian Regulator dan Rangkaian High Voltage Power Supply (HVPS)
Power supply adalahrangkaian elektronika yang berfungsi untuk memasok daya ke komponenlain pada perangkat elektronika. Semua komponen elektronika yang ada dalam suatu perangkat elektronika akan memperoleh pasokan daya dari power supply tersebut. Power supply sangat mempunyai peranan yang sangat penting dalam suatu perangkat elektronika[7]. Oleh karena itu, tanpa power supply, maka suatu perangkat elektronika tidak akan dapatbekerja.
3.2.2 Rangkaian Preamplifier
Detektor sintilasi [6] juga membutuhkansumber tegangan tinggi (HV). Penentuan tegangan kerja detektor sintilasi adalah dengan cara mencari perbandingan cacahan sumber terhadap cacahanlatar belakang yang terbaik.
Detektorsintilasimenghasilkan pulsa listrikyangrelatif sangat kecil, dalam orde mVolt. Oleh karena itu diperlukan peralatan untuk membentuk dan memperkuat pulsa tersebut yaitu penguat(preamplifier).Pulsa listrik yang dihasilkan oleh detektor biasanya berbentuk pulsaeksponensial yang sangat cepat rise-time nya dan sangat lambat fall-time nya. Sangatlah sukar untuk mendeteksi atau mengukur tinggi pulsa yangberbentuk eksponensial ini.Amplifiermempunyai fungsi utama untukmengubah pulsa eksponensial menjadi pulsa Gaussian dan memperkuatnya, bila diperlukan, agar mempunyai tinggi dengan orde Volt.
3.2.3 Rangkaian Komparator
Peralatan selanjutnya adalah Komparator yang merupakan ciri dari sebuah alat pencacah karena alat ini yang berfungsi untuk menyaring apakah suatupulsa listrik keluaran amplifier diteruskan ke counter atau tidak. Komparator mempunyai fasilitas batasan untuk sinyal yang masuk. Pulsa-pulsayang lebih tinggi dari batas bawah tetapi lebih rendah dari batas atas saja yang akan diteruskan ke counter untuk dicacah dimana dalam menset batas bawah dari komparator ini harus lebih tinggi dari sinyal noise yang ada dan timbul dari
rangkaian ratemeter ini yang diharapkan dengan men-set nilai dari batas bawah tersebut agar sinyal-sinyal noise tersebut tidak ikut masuk dan terhitung pada bagian selanjutnya yakni bagian counter. Menggunakan jenis komparator yang berjenis komparator pull up, dimana sinyal-sinyal yang telah diperkuat oleh pre-amplifier dengan berbagai jenis tinggi/amplitude dari sinyal yang dihasilkan tadi akan dipotong sama rata dengan tinggi/amplitude sebesar 5volt sebagai puncak dari semua sinyal tersebut.
3.2.4 Rangkaian Counter
Pulsa input dapat berupa pulsa clock atau pulsa yang dibangkitkan oleh sumber eksternal dan muncul pada interval waktu tertentu. Counter banyak digunakan pada peralatan yang berhubungan dengan teknologi digital, biasanya untuk menghitung jumlah kemunculan sebuah kejadian/event atau untuk menghitung pembangkit waktu. Pada bagian ini rangkaian counter berfungsi dalam menghitung jumlah pulsa cacahan yang masuk dari rangkaian sebelumnya yang mendeteksi cacahan pulsa listrik dari detektor NaI (Tl).
3.2.5 Mikrokontroller
Bagian mikrokontroller adalah bagian controller yang digunakan dalam rangkaian ratemeter ini. Dimana bagian mikrokontroller yang digunakan meliputi bagian kontrol DAC untuk men-set tegangan High-Voltage pada setiap channel yang terdapat pada rate meter dan men-set time-sampling dalam pengambilan lamanya waktu pencacahan. Mikrokontrol juga menjalankan komunikasi secara serial dengan pc dengan komunikasi RS-232 yang terintegrasi dengan labview. Dimana labview digunakan untuk menset tegangan yang digunakan yang nantinya peritah tersebut dikirim ke mikro.
4. HASIL DAN PEMBAHASAN
Dalam bab ini dijelaskan hasil pengambilan data terhadap rancang bangun ratemeter menggunakan detektor NaI (Tl). Setelah dilakukan pengerjaan keseluruhan sistem, maka perlu dilakukan pengujian alat serta penganalisaan terhadap alat, apakah sistem sudah bekerja sesuai yang diinginkan atau tidak. Pengujian – pengujian tersebut meliputi:
4.1 Data Karakteristik High Voltage Power Supply
Rancang bangun ratemeter ini menggunakan sumber power supply yang cukup besar yang digunakan dalam kerja dari detektor NaI (Tl). Oleh karena itu power supply yang digunakan dengan menggunakan power supply tipe CA20-5P yang menggunakan tegangan
referensi 0V – 2,048V yang dapat menghasilkan output tegangan 0V – 2000V. Karakteristiklinearitas input yang digunakan terhadap output yang dihasilkan menggunakan nilai tegangan referensi dari 0V – 1V dengan interval setiap 0,05V. Hal ini dikarenakan keterbaasan daya jangkauan pembacaan ukuran pada alat ukur yang terbatas hanya mencapai nilai maksimum 1000V.
Berikut data kalibrasi perbandingan tegangan input yang digunakan dan output yang dihasilkan secara naik dan turun.
Gambar 4.2 Grafik Karakteristik variasi tegangan Vin vs Vout HVPS (turun) Grafik Karakteristik variasi
tegangan Vin vs Vout HVPS (naik) Grafik Karakteristik variasi
tegangan Vin vs Vout HVPS (turun)
Grafik Karakteristik variasi
tegangan Vin vs Vout HVPS (naik - turun)
29
Gambar 4.3 Grafik Karakteristik variasi tegangan Vin vs Vout HVPS (naik - turun)
Dari Gambar 4.1 yang didapat pada variasi tegangan input naik didapat besar dari gradien grafk tersebut mewakili dari nilai penguatan yang dimiliki power supply high voltage ini. Dimana nilai yang ditunjukan adalah sebesar 976,15 kali dari nilai input yang digunakan terhadap output yang dihasilkan.
Gambar 4.2 merupakan hasil dari variasi tegangan input turun didapat besar dari gradien grafik tersebut mewakili dari nilai penguatan yang dimiliki power supply high voltage ini. Dimana nilai yang ditunjukan adalah sebesar 976,08 kali dari nilai input yang digunakan terhadap output yang dihasilkan. Dan memiliki perbedaan yang tidak terlalu jauh dari grafik sebelumnya.
Berikut Gambar 4.3 grafik histerisis naik dan turun variasi tegangan input yang digunakan terhadap tegangan output yang dihasilkan dan terlihat kerapatan grafik naik dan turun yang menunjukan kelinearitasan dari power suppy yang digunakan sudah cukup baik.
4.2 Data Karakteristik ADC High Voltage Power Supply
Berikut ini pada Gambar 4.4, 4.5 dan 4.6 merupakan data karakteristik nilai tegangan keluaran dari pengkondisi sinyal dari sistem instrumentasi terhadap nilai ADC yang dihasilkan dari sistem pemeroses berbasis mikrokontroler Atmega-16.
Dimana terlihat bahwa data persamaan garis yang didapat sudah cukup linear dengan nilai gradien . Data tersebut dapat digunakan sebagai fungsi pengkoreksi dari nilai linearitas pembacaan ADC pada mikrokontroler.
4.3 Pembacaan pulsa listrik Photomultiplier Tube (PMT)
Dalam sistem kerja ratemeter ini untuk mencacah radiasi gamma yang dideteksi oleh Photomultiplier Tube (PMT), dimana PMT yang mendeteksi radiasi gamma dan mengubah menjadi pulsa-pulsa listrik yang kemudian diteruskan kebagian preamplifier untuk sedikit diperkuat sinyalnya agar dapat dibaca selanjutnya oleh comparator untuk kemudian dicacah oleh counter. Pada bagian ini preamplier diharuskan dapat membaca pulsa-pulsa listrik tersebut. Berikut gambar sinyal yang terbaca oleh keluaran preamplifier sebelum dilanjutkan kembagian window comparator.
Rancang bangun ratemeter ini menggunakan variasi tegangan tinggi yang digunakan dalam penggunaan untuk power supply dari detektor NaI (Tl). Menggunakan teganagan dari 820 volt – 1900 volt dengan interval kenaikan tegangan 10volt. Dengan pengambilaan data cacahan menggunakan time sampling 5detik..
Penggunaan unsur Amersium-241 dan didapat daerah plateau untuk unsur Amersium (Am-241) dengan aktifitas radioaktif 10mCi pada tanggal 16-02-1993 sebagai sumber radiasi gamma dan didapat niai aktivasi radioaktif pada tanggal 02-04-2014 dengan nilai konstanta peluruha Am-241 λ = 2,3030 x 10-9 per-detik sehingga nilai aktifitas radio aktifnya sebesar :
Gambar 4.4 Grafik karakteristik variasi tegangan ADC Vin vs ADC Vout HVPS (naik)
Grafik karakteristik variasi tegangan ADC Vin vs ADC Vout HVPS (naik)
Grafik karakteristik variasi tegangan ADC Vin vs ADC Vout HVPS (turun)
( ) ( ) (4.1) Dengan,
A(t) = aktifitas zatradioaktif pada waktu tertentu. A(0) = aktifitas zat radioaktif pada saat awal (t=0) λ = konstanta peluruhan radioaktif.
t = selang waktu peluruhan.
Sehingga diketahui :
t = 7626 hari = 658.886.400 detik λ = 2,3030 x 10-9 per-detik (Am-241)
A(0) = 10mCi pada tanggal 16-02-1993
( ) ( ) (4.1)
( ) (
)
( )
Gambar 4.6 Grafik karakteristik variasi tegangan ADC Vin vs ADC Vout HVPS (naik-turun) Grafik karakteristik variasi
tegangan ADC Vin vs ADC Vout HVPS (naik-turun)
18
Daerah plateau pada V1= 1000 volt dan V2=1020 volt yang terlihat pada Gambar 4.8 grafik tegangan terhadap cacahan. Sehingga :
Panjang plateau = V2-V1
Panjang Plateau = 1020 – 1000
Panjang Plateau = 20
Untuk menentukan slope menggunakan cacahan per menit terhadap kenaikan tegangan yang digunakan.
Berikut Gambar 4.9 perbandingan alat ukur ratemeter dengan survey meter berdasarkan atas perubahan jarak dengan skala variasi 2cm dari jarak 2cm sampai 28cm dengan
detektor/surveymeter. 0 20000 40000 60000 80000 820 870 920 970 1020 1070 1120 Cacah an (Cou n t/5s econ ) Tegangan (volt)
Grafik Tegangan VS Cacahan
Gambar 4.9 Grafik perbandingan cacahan ratemeter dengan surveymeter
Gambar 4.10 Grafik linearitas cacahan/detik vs Surveymeter
Dilihat pada gambar 4.9 dan 4.10 bahwa grafik menunjukan hasil yang hampir identik dengan perbandingan surveymeter yang terkalibrasi. Dan grafik 4.10 memiliki nilai R2=0,9842
5. KESIMPULAN DAN SARAN
Pada bab 5 ini akan dipaparkan mengenai kesimpulan yang ditarik dari penelitian yang 0 50 100 150 200 250 0 1.000 2.000 3.000 4.000 5.000 6.000 7.000 8.000 9.000 0 10 20 30 40 cps HV: 1010 V
Time sampling: 1 sec
point source : Am241 10 mCi (16/2/1993) energy: 40 keV
distance source to det (cm)
co u n t/ sec m sv /H r y = 0,029x - 4,3246 R² = 0,9842 0 50 100 150 200 250 0 2000 4000 6000 8000 10000
Count/sec vs micro Sv/jam
micro Sv/jam Linear (micro Sv/jam) count/sec m sv /H r
telah dilakukan mengenai rancang bangun ratemeter menggunakan detektor NaI (Tl) berbasis mikrokontroller ini dan berbagai saran yang dapat menjadi pengembangan penelitian selanjutnya.
5.1 Kesimpulan
Berikut merupakan kesimpulan dari hasil eksperimen yang dilakukan secara langsung melalui sistem instrumentasi rancang bangun ratemeter menggunakan detektor NaI (Tl) Berbasis Mikrokontroller :
• Karakteristik High Voltage Power Supply yang digunakan sebagai sumber utama untuk bekerjanya detektor NaI (Tl) memiliki tegangan output yang stabil dan linear dengan R2=0,99999
• Nilai penguatan tergangan output dari HVPS dengan input 0 V – 1 V adalah sebesar Vout = 976 Vin
• Karakteristik nilai ADC mikrokontroller linear dengan R2
=0,99998.
• Daerah plateau Am-127 panjang plateau 20volt pada tegangan 1000 volt – 1020 volt.
• Perbandingan performa ratemeter hasil rancang bangun dengan surveymeter yang terkalibrasi R2=0,9842 dengan persamaan y = 0,029x - 4,3246. Dimana x adalah cacahan per-detik dan y adalah mSv / jam.
5.2 Saran
Pada proses pembuatan alat ratemeter menggunakan detektor NaI (Tl) berbasis mikrokontrolerini memiliki kekurangan yaitu pengendalian secara otomatis dengan keypad panel yang masih belum tersedia untuk mengatur tegangan tinggi yang digunakan ke detektor dan penambahan jumlah channel untuk penggunaan ratemeter yang multichannel sehingga dapat menggunakan jumlah detektor lebih dari 1 dimana sudah terdapat fasilitas pada rangkaian elektronik untuk dikembangkan menjadi multichannel.
DAFTAR REFERENSI
[1]. “Radioaktivitas” Ensiklopedi Teknologi Nuklir. BATAN. 10 April. 2014. <https://www.batan.go.id/ensiklopedi/08/01/01/03/08-01-01-03.html>
[2]. Pustek Akselerator dan Proses Bahan – BATAN (2007, Juli). Perkembangan
Teknologi sensor dan Aplikasinya untuk dideteksi Radiasi Nuklir. Prosiding
PPI - PDIPTN 2007, Yogyakarta.
[3]. Ardisasmita, M. Syamsa. Pengembangan Spektrometer Sinar Gamma dengan
Sistem Identifikasi Isotop Radioaktif menggunakan Metode Jaringan Syaraf Tiruan. Pusat Pengembangan Teknologi Informasi dan Komputasi – BATAN.
[4]. Beiser, Arthur. Chapter 2 Sifat Partikel dari Gelombang. Konsep Fisika Modern Edisi 3. Erlangga. 1986.
[5]. LARRY A. FRANKS, RALP B. JAMES, LARRY S. DARKEN,
Radioactivity Measurement, The Measurement, Instrumentation, and Sensors
Handbook 2, John G. Webster, Editor in chief, CRC Press, 66-1-66-27, 1999. [6]. BATAN, elearning. Pengukuran Radiasi. 10 April 2014.
http://www.batan.go.id/pusdiklat/elearning/Pengukuran_Radiasi/_private/Prin sip%20Dasar.pdf
[7]. KARLINA IKA SARI., “Efek Material Katoda Terhadap Karakteristik Detektor Geiger- Mueller tipe Side Window”, UNY, Yogyakarta, (2010).
