RADIOGRAFI NEUTRON REAL-TIME: KEMUNGKINAN REALISASINY A DI REAKTOR KARTINI P3TM - BATAN

RADIOGRAFI

NEUTRON

REAL-TIME:

KEMUNGKINAN

REALISASINY A DI REAKTOR

KARTINI

P3TM - BATAN

Kusminarto

FMIPA - UGM,JI.Babarsari, Yogyakarta 55010

Abstrak

Prinsip dasar Radiografi Neutron Rea/-Time dibahas di makalah ini. Beberapa contoh penggunaannya dikemukakan. Hasil-hasil pengembangannya di beberapa laboratorium didiskusikan dan digunakan sebagai dasar pemikiran untuk merealisasikannya di Reaktor Kartini. Kata kunci: Radiografi Neutron, Rea/-Time.

1. Pendahuluan

Radiografi neutron adalah suatu teknik pencitraan tak merusak yang sangat

berdayaguna untuk evaluasi struktur internal objek. Hal ini melibatkan pelemahan

berkas neutron oleh objek dan perekaman proses pelemahan tersebut pada

detektor atau sensor (dapat berupa film atau video)

Radiografi neutron pad a dasamya serupa dengan radiografi sinar-x yang saling melengkapi. Mekanisme interaksi neutron dan sinar-x dengan bahan adalah berbeda. Sinar-x berinteraksi dengan awan elektron yang mengelilingi inti atom

sedangkan neutron berinteraksi dengan inti atom itu sendiri. Nilai tebal separo

bahan (half value thickness) terhadap pelemahan berkas neutron untuk berbagai

macam bahan ditunjukkan dalam Gambar 1 [I]. Gambar 2. menunjukkan

koefisien pelemahan bahan untuk sinar-x dan neutron termal sebagai fungsi

nomor atom [2]. Secara umum, koefisien pelemahan bahan untuk sinar-x

bertambah dengan bertambahnya nomor atom bahan atau kerapatan bahan dan

dengan berkurangnya energi sinar-x. Hal tersebut tidak berlaku untuk neutron

yaitu tidak adanya keteraturan perubahan koefisien pelemahan bahan terhadap

perubahan nomor atom. Oleh karena itu radiografi neutron sangat baik untuk

mengevaluasi struktur internal objek yang tersusun oleh bahan-bahan dengan

nomor atom yang berdekatan.

Radiografi neutron memerlukan sebuah sumber berkas neutron sebagai

komponen utamanya, dapat berupa sumber isotopik yang bersifat portable,

pembangkit neutron (neutron generator) yang semi-portable atau sebuah reaktor

sumber berkas neutron yang dapat dimanfaatkan untuk pengembangan sistem nadiografi, khususnya radiografi neutron real- time.

Gambar 1. Tebal separo bahan (half value thickness)

terhadap pelemahan berkas neutron untuk berbagai macam bahan [1]

_to .Po .U-%I!i .j T~eu o 10 :>0 j 30 4() 70 e U-T.J8 90 • 1.~":,,. h •. ~~~,1it • ;''S,'.~h 0;1 ,- ~.~" 1'\:>",_~~," X·;'b.Y' x·o:.;.1:~ X~£::·1'. &.').~ -- __ "'i":.J!~or~\Q02t,~ '5C:~~ - _ 'V~~ •• ,. ,,. ••

2. Sistem Radiografi Neutron REAL-TIME

Radiografi neutron konvensional telah banyak digunakan sebagai

komplemen terhadap radiografi sinar-x, khususnya penggunaannya di bidang

non-medis. Namun dengan berkembangnya kebutuhan akan instrumen evaluasi

terhadap objek yang dinamis, metode konvensional tersebut sudah tidak memadai. Oleh karena itu telah dikembangkan teknik radiografi neutron real-time.

Tidak seperti sinar-x, neutron tidak dapat menghitamkan plat film. Oleh

karena itu diperlukan sebuah converter untuk mengubah radiasi neutron menjadi radiasi foton dan selanjutnya radiasi sekunder inilah yang akan menghitamkan

plat film dalam radiografi neutron konvensional. Di dalam radiografi neutron

real-time plat film ini harus diganti dengan detektor atau sensor yang dapat merekam citra yang dinamis terhadap waktu. Beberapa jenis layar pendar seperti

Zn S(Ag) dapat digunakan dengan menambahkan Li sebagai converter dan

digandeng dengan perekam citra. Ada dua jenis sistem radiografi neutron

real-time ini yaitu yang pertama, sistem yang menggunakan penguat citra (intensifying screen) berupa tabung pengganda elektron yang memperkuat citra yang terbentuk

di layar pendar. Citra yang sudah diperkuat inilah kemudian direkam kamera video [1]. Jenis yang kedua, kamera video langsung merekam citra yang terbentuk

di layar pendar tanpa memperkuat citranya terlebih dahulu. Jenis yang kedua

tentunya jauh lebih murah. Peningkatan kualitas citra dapat dilakukan dengan

perangkat lunak pengolahan citra.

M~nl

~m

/

/'

~~

_"---~

object or procass s

clntillator-/,0

screen , Intensifier

,

.. /"

light tight oox

video recorder

control -unit on PC

s clntillator-// screen /"", /

M~nl·

~m

.

/

/0 ~~

_{'--_/}

object or process Kamera video video recorder

light tight box _{ur\it on PC}control

-Gambar 4. Sistem radiografi neutron jenis kedua (2)

Peningkatan kualitas citra dengan me~umlahkan kemudian merata-ratakan

beberapa bingkai citra yang diperoleh dalam waktu yang singkat biasanya

dilakukan sebelum memanfaatkan perangkat lunak pengolah citra. Gambar 5

menunjukan citra yang diperoleh dengan sebuah bingkai dan rerata dari beberapa bingkai [3].

a.

b.

Gambar 5. a. Satu bingkai radiografneutron

3. Parameter Unjuk Kerja Sistem

Disamping sistem detektor yang digunakan, sifat-sifat sumber neutron

berkas yang terbentuk akan membatasi penggunaan sistem radiografi ini.

Parameter yang biasa digunakan sebagai indikator unjuk kerja sistem adalah :

fluks neutron, nisbah kolimasi, nisbah cadmium (cadmium ratio), nisbah

neutron/gamma (neutron/gamma ratio), ukuran berkas, kekuatan sumber, dan

kualitas sumber.

a. Fluks neutron.

Besaran fluks neutron secara eksperimen dilakukan dengan metode

aktivasi lempeng Au. b. Nisbah kolimasi.

Nisbah kolimasi digunakan untuk menggambarkan seberapa baik sifat

paralel berkas neutron yang dihasilkan. Besaran ini dinyatakan dengan nilai LID dengan L adalah panjang kolimator dan D adalah diameter apertur. Semakin besar nilai LID semakin paralel berkas neutron yang dihasilkan.

c. Nisbah neutron/gamma.

Seperti dijelaskan dimuka bahwa sensor/detektor neutron

mengkonversikan radiasi neutron menjadi radiasi foton yang selanjutnya radiasi

foton inilah yang akan menghasilkan citra pada sensor/detektor yang sensitive

terhadap radiasi gamma. Komponen radiasi gamma yang terdapat dalam berkas

neutron juga akan terekam oleh sensor/detektor tersebut. Dengan demikian

besaran nisbah neutron/gamma menjadi sangat penting karena akan

mempengaruhi kualitas citra yang dihasilkan. Komponen gamma dari berkas

neutron diukur menggunakan detektor tak-sensitif neutron atau dengan detektor

d. Ukuran berkas.

Ukuran berkas dinyatakan dengan diameter efektif untuk penampang

berkas berbentuk lingkaran atau dengan luas penampang berkas.

Ukuran berkas ini membatasi ukuran objek yang akan diperiksa. e. Kekuatan sumber.

Besaran ini mengambarkan cacah neutron yang akan melewati luasan di

posisi objek. Kekuatan sumber (Source Strength, SS) merupakan perkalian fluks

neutron dan luas penampang berkas dalam satuan neutron/so

f. Kualitas sumber.

Secara ideal sistem radiografi neutron yang baik memiliki nilai LID besar

dan SS besar. Namun besaran yang pertama mempengaruhi besaran kedua secara

berkebalikan. Oleh karena itu untuk dapat mencakup keduanya didifinisikan

besaran Kualitas Sumber (Source Quality, SQ) sebagai [4]

SQ = SSX (LID)2 1)

Berikut ini disajikan data parameter unjuk kerja sistem radiografi di

beberapa laboratorium di negara-negara Eropa dan sebagai pembanding adalah

fasilitas di pusat penelitian terkemuka JAERI Jepang [4].

Gambar 6. menggambarkan fluks neutron dalam skala logaritmik diberbagai

i

/)EtOS

1 PEtOJ

i

pEfln

./ i'./ /' "•./ / / /' "./: ' / /

_.($/

r/ /~

.:f: ~~ /' /~ ~ /

?

~ ~p~

~

~ ~

Gambar 6. Fluks neutron di beberapa laboratorium di Eropa dibandingkan

dengan fasilitas di JAERI Jepang

Sebagian besar berkas neutron memiliki spektrum termal. Di laboratorium HMI

Jerman berkas neutron dingin dimonokromatiskan lebih lanjut sehingga fluksnya

menjadi sangat rendah.

Gambar 7. adalah nilai nisbah LID. Nilai ini digunakan untuk menghitung

nilai ketaktajaman citra (unsharpness) U yang berhubungan dengan jarak

objek-U=~

LID

bidang detektorlsensor d 2) 103 o

#~

#,i' /-. /" /-.

./ /

<P~ /" / •• /

~~,4'

,/

.(f ~ /' / ~.:f: ~ ~~ /' / /

?

~

~~,.

_~ ~ ~

Gambar 7. Nisbah LID di beberapa laboratorium di Eropa dibandingkan dengan fasilitas di JAERI Jepang.

Nilai Nisbah Kadmium disajikan dalam Gambar 8. Nilai ini untuk

melukiskan sumbangan neutron epitermal dalam spektrum neutron. Nilai mana

yang baik sangat tergantung dari tujuan penggunaan fasilitas radiografi neutron Inl.

Radiasi gamma latar dapat mempengaruhi kualitas citra. Radiasi ini dapat berasal dari proses pembangkitan neutron itu sendiri. Penggunaan moderator dan

shielding juga berakibat munculnya radiasi gamma latar ini. Gambar 9.

melukiskan besamya radiasi gamma latar sedang nilai nisbah neutron gamma

ditunjukkan dalam Gambar 10.

~

Ukuran penampang berkas neutron biasanya berbentuk lingkaran. Ukuran

berkas ini harus bersesuaian dengan ukuran detektor. Gambar 11 melukiskan

ukuran berkas neutron di berbagai laboratorium fasilitas radiografi neutron di

Eropa. Homoginitas berkas tidak terlalu penting karena dapat dikoreksi dengan

teknik normalisasi seperti yang dilakukan Kusminarto dkk. [5] untuk sistem

radiografi sinar-x.

neutr:mlgamltU1 ratioIcm~s~Sv·1hi

Gambar 10. Nisbah neutron gamma.

beam I.I'N[(m~

Gambar 11. Ukuran berkas neutron di berbagai fasilitas radiografi neutron di Eropa.

1,et12 1,e-1I t.ErlO

1.e.~

t ,Eta! 1,E+01

Gambar 12. Nilai SS di berbagai fasilitas radiografi neutron di Eropa.

1,E-" ',EttS U·M

u·a

U'U i,l.1i t,EtU U'" U'" Ut01 .,t.1IS ~.Q5

/

/'/"

" /~

/

/

{lP " •.

/'+ /

, /'./

' /

~{< •• /'/ ,/" / •• /;,

I'

~

/

~

"to,

_~

~

~

'S

Gambar 13. Nilai SQ di berbagai fasilitas radiografi neutron di Eropa

Parameter-parameter di muka menunjukkan adanya variasi yang sangat

besar di antara fasilitas radiografi neutron yang ada. Namun hal itu belum dapat

menunjukkan perbandingan kinerjanya. Besaran yang lebih global adalah

juga harns dimasukkan di dalam parameter indikator global yang tercakup di

dalam besaran kualitas sumber SQ. Gambar 13. melukiskan SQ di beberapa

laboratorium di Eropa. Dapat dilihat bahwa kinerja sistem radiografi di berbagai fasilitas radiografi neutron di Eropa sudah begitu merata.

4. Penggunaan Radiografi Neutron REAL-TIME

Beberapa contoh penggunaan radiografi neutron real-time dapat

disebutkan di sini yang kebanyakan adalah untuk visualisasi gerakan fluida,

khususnya yang mengandung atom hidrogen, di dalam wadah metal atau bahan lain:

• Pelumasan minyak untuk mesin, gear box.

• Perilaku bahan bakar (carburettors, injector)

• Aliran dua fase (heat exchanger, condenser. tabung pembangkit uap)

• Perpindahan dan migrasi fluida dalam media berpori (pembasahan tanah,

migrasi polutan, pertumbuhan tanaman)

Gambar 14. Radiografneutron bijijagung yang bam tumbuh dengan hama uret di

Gambar 15. Gelembung udara di dalam minyak untuk mendemonstrasikan Resolusi waktu sistem radiografi neutron real-time. [1]

~tepJ3

_4-' "

Gambar 16. Migrasi air keatas melalui sampel tanah dari tandon di bawah.[4].

5. Fasilitas Radiografi Neutron Di Reaktor Kartini

Berkas neutron yang dapat dimanfaatkan untuk radiografi neutron adalah berkas neutron pada beam port radial. Beberapa macam konfigurasi telah dicoba

dan yang terbaik dengan nilai L/O=75, menghasilkan fluks neutron 8,7 x 105

6. Kesimpulan

Dari tinjauan di muka kiranya dapat diperkirakan posisi kualitas fasilitas

radiografi neutron yang ada di reaktor, Kartini P3TM-BA TAN Yogyakarta

dibandingkan dengan fasilitas radiografi yang ada di negara-negara Eropa.

Besar fluks neutron mendekati 106 neutron cm-2 S-l di reaktor Kartini

adalah modal awal yang baik untuk dikembangkannya sistem radiografi neutron.

Paparan gamma sebesar 1 R/h atau 0.00869 Sv/h sangat baik untuk kualitas

radiograf yang dihasilkan (Gambar 9). Rasio neutron gamma di reaktor Kartini

adalah sebesar IxI08 n cm2 S·l Sv-I h bahkan lebih baik daripada fasilitas di

JRR-3M Jepang (Gambar 10). Dengan diameter jendela berkas 20 em, maka besar

kekuatan sumber SS berorde 108 neutronls, suatu nilai yang visible untuk

penggunaannya di bidang radiografi neutron (Lihat Gambar 12). Kualitas sumber

yang tidak begitu sempurna yang dihitung melalui persamaan (1) sebesar 5,6 x

1010 n S·I masih dapat ditingkatkan kinerjanya karena tersedianya sistem detektor

yang baik saat ini serta tersedianya perangkat lunak pengolah citra.

Daftar Pustaka

[1] The Ward Center for Nuclear Science (WCNS) Cornell University, Neutron

Radiography, http://www.osp.comell.eduIVPR/W ardINrav .html, 2000.

[2] Kusminarto, Development oj techniques in Computerised Neutron

Tomography, PhD Thesis, University of Surrey, 1987.

[3] de Menezes M.O., Pugliesi R., Pereira M.A.S. dan Andrade M.L.G., Real-time

Neutron Radiography at the lEA-RIm Nuclear Research Reactor, Braz. 1.

Phys. Vol. 33 no.22, June 2003.

[4] Lehmann E.H., Facilities Jor Neutron Radiography in Europe :Pelformance,

Applications and Future Use, 15\hWCNDT, Rome 2000.

[5] Kusminarto, Waskito Nugroho, Bambang Supardiyono, Korehi Efek Heel

pada Citra Radiograji Digital, Prosiding Simposium Fisika Nasional XVI, Bandung, Desember 1996.

[6] Tri Wulan Tjiptono dan Widarto, Konstruksi dan Karakterisasi Fasilitas

Radiograji Neutron pada Beam Port Reaktor Kartini (FahapJ). Laporan