TUGAS
INSTRUMENTASI FISIKA
SISTEM PENGUKUR NEUTRON
Oleh:
Ridha Mayanti (08072681519006)
Dosen Pengajar : Dr. Menik Ariani, M.Si
PROGRAM STUDI MAGISTER FISIKA
PROGRAM PASCA SARJANA UNIVERSITAS SRIWIJAYA
2016
SISTEM PENGUKUR NEUTRON A. Pendahuluan
Instrumentasi merupakan bidang ilmu dan teknologi yang mencakup perancangan, pembuatan, penggunaan instrumen/alat fisika untuk keperluan deteksi, penelitian, pengukuran dan pengolahan data. Instrumen merupakan alat ukur yang mempunyai sifat komplek yang terdiri dari komponen-komponen ukur misalnya elemen pengindera, amplifier, peredam, unit keluaran analog, peraga digital dan lain sebagaimana bergantung pada tingkat dan keperluan instrumen tersebut. Instrumentasi bisa berarti alat untuk menghasilkan efek suara, seperti pada instrumen musik misalnya, namun secara umum instrumentasi mempunyai 3 fungsi utama: sebagai alat pengukuran
sebagai alat analisa, dan sebagai alat kendali.
Instrumen banyak digunakan di industri maupun di Lab pengujian Instrumentasi sebagai alat pengukur sering kali merupakan bagian awal dari bagian-bagian selanjutnya (bagian-bagian kendali nya), dan bisa berupa pengukur dari semua jenis besaran fisis, kimia, mekanis, maupun besaran listrik. Beberapa contoh di antaranya adalah system pengukur: massa, waktu, panjang, luas, sudut, suhu, kelembaban, tekanan, aliran, pH (keasaman), level, radiasi, suara, cahaya, kecepatan, torque, sifat listrik (arus listrik, tegangan listrik, tahanan listrik), viskositas, density, dll. Instrumen dalam penggunaanya harus mampu secara akurat mendeteksi setiap perubahan.
Salah satu contoh pengukuran besaran fisis sebagai awal dari bagian sistem selanjutnya yaitu sistem pengukur neutron. Neutron merupakan partikel yang tidak bermuatan listrik seperti elektron dan proton. Karena tidak bermuatan, neutron tidak dapat menyebabkan ionisasi secara langsung terhadap materi yang dikenai atau dilewatinya. Namun demikian, apabila neutron berinteraksi dengan materi, neutron akan menyebabkan ionisasi sekunder. Dengan melakukan deteksi/pengukuran terhadap partikel/ion hasil dari proses ionisasi sekunder, inilah pengukuran terhadap radiasi neutron dapat dilakukan.
1. Sistem Pengukuran Neutron
Neutron adalah zarah elementer penyusun inti atom yang tidak mempunyai muatan listrik. Atom tersusun dari proton, neutron dan elektron. Proton dan neutron sebagai penyusun inti atom, sedangkan elektron bergerak mengelilingi inti atom. Neutron dalam inti seperti sinar gamma dapat menembus suatu bahan dengan mudah. Interaksi neutron dengan inti atom berbeda dengan interaksi partikel radioaktif.
Keadaan neutron mempengaruhi parameter – parameter dasar reaktor seperti reaktivitas,dan daya reactor itu sendiri. Dengan neutron sebuah reaksi nuklir dapat terjadi serta berlangsung secara berantai. Kebutuhan untuk mengukur flux neutron di dalam reaktor merupakan suatu hal yang mutlak dilakukan untuk mengetahui daya reaktor yang dibangkitkan untuk selanjutnya dilakukan pengendalian terhadap reactor. Neutron memiliki massa namun tidak memiliki muatan listrik. Sehingga ia tidak dapat secara langsung menghasilkan ionisasi pada detector, oleh karena itu tidak dapat secara langsung dideteksi. Ini berarti detektor neutron harus melakukan proses konversi dimana neutron yang masuk berinteraksi dengan inti atom tertentu yang menghasilkan partikel bermuatan (secondary charged particle). Partikel bermuatan tersebut secara langsung dideteksi dan dari hal tersebut kehadiran neutron dapat diketahui. Neutron memiliki sifat-sifat yang membuatnya menjadi penting dalam bagian teknologi dan riset. Karena neutron tidak bermuatan, meutron dapat memasuki nucleus (inti) dengan energy yang sangat rendah. Dengan kata lain, untuk mendeteksi neutron harus dikonversi atau diubah dulu melalui reaksi nuklr atau sinar gamma. Reaksi nuklir terjadi ketika neutron berinteraksi dengan materi.
Interaksi Neutron dengan Materi
Inti atom terdiri dari sejumlah proton dan neutron. Proton merupakan pembentuk partikel inti bermuatan positif, neutron tidak bermuatan listrik, bebas dari pengaruh medan listrik coulomb dan medan magnet. Dengan sifat ini menyebabkan interaksi neutron dengan materi dapat terjadi terhadap inti atom. Apabila sebuah neutron bergerak mendekati suatu inti atom dan memasuki daerah medan pengaruhnya maka ada beberapa kemungkinan yang dapat terjadi. Kemungkinan pertama, neutron akan menumbuk inti dan sesudah tumbukan neutron dibelokkan arahnya dari arah semula dengan membentuk sudut θ dan
inti atom akan terpental, peristiwa seperti ini disebut reaksi hamburan (scattering). Kemungkinan kedua, neutron masuk ke dalam inti atom dan tidak lagi merupakan badan yang berdiri sendiri, peristiwa ini disebut reaksi tangkapan (capture). Bila reaksi tangkapan neutron ini disertai dengan pancaran radiasi maka dapat digolongkan dalam reaksi (n, ). Inti atom baru terbentuk sebagai akibat tangkapan neutron ini dapat bersifat mantap dan tidak mengalami perubahan lagi, dapat pula bersifat tidak mantap dan akan mengalami proses peluruhan radioaktif. Dalam kedua hal reaksi (n, ) di atas, reaksinya tetap disebut reaksi tangkapan atau reaksi absorpsi radioaktif.
1) Reaksi Hamburan (scattering)
Reaksi hamburan adalah sebuah proses yang hasil akhirnya hanyalah merupakan pemindahan energi dari satu partikel (inti) ke partikel lainnya. Reaksi hamburan sangat berguna untuk moderasi (perlambatan) terhadap neutron cepat. Jika neutron mencapai energi thermal maka tampang lintang fisi menjadi lebih luas.
Reaksi hamburan ada dua jenis yaitu:
a) Hambuaran lenting sempurna (elastis)
Pada proses hamburan lenting sempurna (elastis) adalah proses tumbukan antara neutron dengan inti atom yang sedemikian sehingga tidak terjadi perubahan energi gerak dari neutron dan inti atom sebelum dan sesudah reaksi tumbukan.
b) Reaksi hamburan tak lenting (inelastis)
Pada reaksi ini neutron menyerahkan sebagian tenaga kinetiknya kepada inti atom materi, sehingga inti atom menjadi tereksitasi. Inti atom yang tereksitasi menjadi tidak stabil dan akan kembali menjadi stabil dengan memancarkan radiasi gamma.
2) Reaksi Tangkapan
Selain dihamburkan neutron juga memiliki reaksi bentuk lain yang memungkinkan untuk neutron dapat diserap atau ditangkap oleh suatu inti atom: a) Pemancaran sinar gamma
Reaksi pemancaran sinar gamma termasuk ke dalam tangkapan radiatif. Tangkapan radiatif adalah semua reaksi yang ditimbulkan oleh tangkapan neutron dan tidak mengalami pembelahan. Pada reaksi pemancaran sinar gamma, neutron ditangkap oleh inti dan menyebabkan inti kelebihan energi. Kelebihan energi kemudian dipancarkan dalam bentuk sinar gamma γ sehingga inti kembali normal atau ground state.
b) Reaksi Fisi
Beberapa proses fisi terjadi secara spontan. Biasanya fisi dihasilkan hanya jika sejumlah energi yang cukup diberikan kepada inti melalui tangkapan neutron lambat, atau penembakan dengan neutron, proton, deuteron atau sinar gamma. Pada proses reaksi fisi, neutron ditangkap oleh inti atom sehingga menghasilkan inti atom majemuk yang bersifat sangat tidak stabil. Dalam waktu singkat ini atom majemuk ini akan membelah menghasilkan 2 belahan utama dan melahirkan 2 sampai 3 neutron baru disertai beberapa partikel dan timbulnya tenaga
c) Pelontaran partikel bermuatan (n,α),(n,p)
Reaksi neutron lambat disertai oleh pemancaran partikel bermuatan seperti alpha dan proton. Pada reaksi ini agar dapat keluar dari inti, partikel bermuatan haru s mempunyai energi yang cukup untuk mengatasi rintangan potensial. Sebagian energi diperoleh dari neutron yang ditangkap.
B. Jenis-Jenis Detektor Neutron
Partikel Neutron dalam perjalanannya melalui medium gas menghasilkan sedikit sekali ionisasi secara langsung karena tidak bermuatan, sehingga tidak dapat dideteksi secara langsung menggunakan peralatan instrumentasi seperti Pencacah Geiger atau kamar ionisasi. Operasi sejenis (dengan peralatan berbasis ionisasi gas) hanya dapat mendeteksi elektron bebas hasil ionisasi yang terbentuk oleh adanya partikel bermuatan yang masuk ke detector, sehingga tidak dapat merespon adanya neutron secara langsung. Oleh karena itu dibutuhkan instrument yang dapat diadaptasikan untuk mendeteksi dan mencacah partikel neutron dengan memanfaatkan efek sekunder dari masuknya partikel tak bermuatan tersebut.
Namun, Neutron dapat di deteksi dengan detector neutron isian gas. Sebuah counter khas terdiri dari sebuah tabung diisi gas-dengan tegangan tinggi diterapkan di anoda dan katoda. Sebuah neutron melewati tabung akan berinteraksi dengan helium-3 untuk menghasilkan tritium (hidrogen-helium-3) dan proton. Pulsa yang dihasilkan dikumpulkan sebagai pulsa elektrik diukur dengan amplitudo sebanding dengan energi neutron. Pulsa dikompilasi untuk membentuk spektrum energi pulsa-tinggi yang berfungsi sebagai ‘tanda’ untuk mengidentifikasi dan mengkuantifikasi neutron dan energy.
Gambar1. Set-up detector neutron isian gas (3He, 10B)
Metode yang paling sering digunakan untuk mencacah neutron thermal (0,025 eV) mengggunakan reaksi (n, α ) dengan B10 ,yang mempunyai tampang lintang besar atau secara sederhana:
5B10 + 0n1 3Li7 + α
Pada reaksi B-10 dengan sebuah partikel neutron , dihasilkan sebuah inti atom Lithium dan sebuah partikel alpha α ; keduanya mempunyai energy relative tinggi dan mengakibatkan ionisasi pada medium yang dilaluinya. Untuk memaksimalkan proses ini, detektor yang mengandung boron atau senyawa boron dikembangkan. Misalkan sebuah Pencacah Proporsional (Proportional Counter) mengandung boron trifluoride sebagai bagian dari gas yang ada dalam detector, atau
dinding dilapisi dengan elemen padat boron carbide. Karena isotop B-10 mempunyai efektifitas lebih besar pada reaksi dengan neutron, maka hasil yang lebih baik dapat dicapai dengan memasukkan konsentrasi B-10 lebih besar pada elemen boron. Pada detektor dengan desain geometri yang sesuai, setiap neutron yang masuk akan menghaslkan cukup ionisasi sekunder yang memungkinkan pencacahan dilakukan tanpa kesulitan.Jika luas permukaan yang ditutupi/dilapisi boron diketahui maka flux nutron dapat diketahui.
Tipe detector dan pencacah yang lain memanfaatkan proses reaksi fisi. Neutron termal menyebabkan reaksi fisi pada atom Uranium-235, dan fragmen/hasil belahnya menghasilkan efek ionisasi yang cukup besar. Alat sederhana yang dapat mendeteksi adanya neutron termal terdiri dari detector kamar ionisasi (ionization chamber) yang mana salah satu elektrodanya dilapisi dengan Uranium Oksida, atau lebih baik jika diperkaya dengan isotop Uranium-235. Dengan demikian setiap neutron yang masuk detector ionisasi dan menumbuk electrode yang telah dilapisi U-235 dapat dicacah.
Dalam operasi reactor pada umumnya menggunakan enam jenis detektor neutron yaitu:
a) BF3 proportional counter,
10B + 1n (thermal) 7Li + α + energy
Reaksi B10 (n , α ) Li7 mungkin merupakan dasar reaksi paling berguna untuk mendeteksi neutron thermal . B10 adalah salah satu bagian pembentuk senyawa BF3, yang digunakan sebagai gas isian pada proportional counter atau ionization chamber. Kemudian sistem pencacah BF3 mencacah emisi sinar a yang dipancarkan pada reaksi B10 (n , α ) Li7 . Kuantitas partikel α yang tercacah tentunya akan proporsional dengan kuantitas neutron yang mengenai detector. B10 mempunyai tampang lintang absorpsi sa untu neutron berenergi rendah sebesar 3840 barns dibandingkan dengan He-3 sebesar 5330 barns. Hal ini menyebabkan BF3 kurang sensitive dibandingkan dengan detector He3 .
b) Boron lined detector,
Boron Lined Detectors adalah detektor isian gas yang didasarkan pada reaksi yang sama pada BF3, namun pada Boron Lined Detector boron yang digunakan berbentuk padat (solid), material Boron B-10 padat tersebut melapisi dinding detector. Detektor berisi gas yang terionisasi oleh partikel bermuatan, hasil dari reaksi yang dilepaskan dari interaksi boron dan neutron pada dinding detector.
c) Fission Chamber (FC),
Fission Chambers adalah pencacah isian gas yang mendeteksi bagian-bagian produk reaksi fisi. Untuk jenis ini pada permukaan bagian dalam detector dilapisi dengan bahan isotop dapat belah (fissile isotope) Uranium-235. Ketika neutron dari dinding luar diserap (absorb) oleh atom U-235 maka terjadi reaksi pembelahan (fissi) yang menghasilkan 2 unsur berbeda dan , salah satu bagian hasil pembelahan diemisikan ke arah pusat geometri detector dan dicacah. Bagian yang lain akan berhenti dan mengendap pada dinding detektor. Laju cacahan pada detektor proporsional pada laju reaksi fissi, yang juga proporsional dengan flux neutron. Untuk mendeteksi neutron thermal detector dilapisi U-235 karena memiliki tampang lintang yang lebih besar untuk neutron thermal, sedangkan untuk neutron cepat detektor dilapisi U-238 karena memiliki tampang lintang lebih besar untuk neutron cepat.
d) 3He Neutron Proportional Counter
Helium propotional counter menggunakan helium sebagai bahan target radiasi partikel neutron dan sebagai gas isian dalam detektor. Dalam hal aspek-aspek yang
lainnya, jenis detektor ini sama dengan detektor jenis boron trifluoride proportional counter.
e) Gas recoil proportional counter
Neutron dengan tingkat energi di atas 500 keV dapat dideteksi dengan menggunakan proportional counter yang diisi dengan gas seperti methane yang berisi porsi lebih banyak atom hidrogen, neutron cepat akan bertumbukan dengan atom hidrogen. Secara alternatif, atom hidrogen dapat diperoleh dengan menggunakan bahan seperti polyethylene pada dinding counter. Counter ini ditutup/dilapisi dengan lembaran tipis cadmium yang akan meng-absorp neutron slow dan neutron thermal.
f) Superheated drop detector
Superheated drop detector berisi microscopic liquid drops dalam bahan seperti gel. Neutron yang datang akan memberikan energinya pada liquid drops tersebut untuk membuatnya mendidih dengan cepat dan berubah menjadi butiran-butiran/gelembung. Terdapat audible pop yang dikumpulkan dan direkam dengan menggunakan peralatan tertentu. Cartridge yang berisi superheated liquid harus diganti pada saat seluruh drops telah mendidih. Pengukuran laju dosis ekuivalen dari neutron sulit untuk dilakukan karena faktor kualitas untuk neutron ini cukup bervariasi tergantung pada energinya. Salah satu alat yang dapat secara langsung dapat mengukur laju dosis ekuivalen dari neutron adalah neutron rem meter. Alat ini pada umumnya digunakan untuk pendeteksian neutron di instalasi nuklir
C. 3He Proportional Counter
Detektor ini bekerja berdasarkan reaksi
2He3 + 0n1(thermal) 1H1 + 1T3 + E (± 765 keV)
Energy yang dilepaskan dalam reaksi antara neutron dan detektor isian gas Helium-3 sekitar 765 keV. Energi ini ditransmisikan sebagai energy kinetik dari inti produk reaksi (reaction daughter product). Detektor He-3 manghasilkan sebuah output pulsa untuk setiap interaksi neutron thermal, yang mana proporsional atau sebanding dengan energi sebesar 765 keV. Muatan yang diproduksi sebagai hasil dari ionisasi gas relatif kecil. Oleh karena muatan ini diperbesar dengan memasang tegangan tinggi pada bagian anoda dari detektor. Rasio muatan pada kawat anoda dengan muatan awalnya disebut dengan Gas Gain atau Gas Mutiplication. Meningkatkan tegangan pada anoda akan meningkatkan Gas Multiplication.Tegangan operasi diatur untuk mendapatkan Gas Multiplication yang cukup untuk tujuan pencacahan.
Energi yang dilepaskan dalam reaksi He3(n,p)T3 ini besarnya hanya seperempat dari energy yang dilepaskan reaksi B10 (n ,a) Li7 yang digunakan pada BF3 proportional counter. Oleh karena itu He-3 dapat digunakan sebagai spectrometer neutron seperti detektor neutron umumnya. Selain itu besarnya nilai tampang lintang absorpsi neutron termal untuk He-3 menghasilkan system pencacahan yang sensitif.
Gbr. 2 Kurva sensitivitas sebagai fungsi tekanan gas b. Karakteristik Geometri, dan Material
memiliki konstruksi berbentuk segi empat dengan bagian sisi pipih (gepeng) dengan diameter 10 , 25, dan 50 mm dan ketebalan 15 mm. Diisi dengan gas Helium, Argon, Krypton, dan Tertafluoromethane.
Spesifikasi
Diameter (cm) 1, 2,5, 5
Rectangular squashed sections 2,5 hingga 15 mm Active length 1 cm – 1m
Helium-3 pressure 1 -20 bar ( 1-20 atm)
Add-on heavy gases Argon, Krypton, Tetrafluoromethane Aluminum made neutron beam monitors
Sensitivity up to 500 c.s-1per n.cm-2 (or cps /nv) Typical detection Efficiency: 75 % for thermal neutron.
Charge amplifiers for neutron scattering, NDT
Current amplifiers for industrial applications like measurement in spent fuel reprocessing plants
Fast current amplifiers
Amplifiers for Bonner multisphere system
c. Pengisian gas (Gas Filling)
Sebelum proses pengisisan dilaksanakan, seluruh detektor melewati uji kebocoran dengan spectrometer massa dan melewati pemindahan, uji bakar, dan proses pembersihan. Proses pengisisan gas meliputi pencampuran (mixture) antara 3He (gas) dengan tipe gas lain, seperti Krypton atau Karbon Dioksida. Pencampuran ini dapat dipilih untuk optimasi aspek performansi yang diinginkan, misal Krypton memberikan hasil lebih baik untuk penggunaan spektroskopi neutron, dimana Karbon Dioksida memberikan sensitivitas lebih rendah untuk
radiasi gamma ketika dilakukan pencacahan hanya untuk neutron termal. Untuk pengisian standar dilakukan sampai tekanan 10 atm.
Sensitivitas pencacah tergantung dari keduanya, yaitu tekanan pengisisan dan energy dari neutron yang datang. Gambar sebelumnya memperlihatkan sensitivitas dari detektor He-3 pada berbagai variasi tekanan. Sensitivitas yang ditunjukkan adalah rasio relatif dibandingkan dengan detektor BF3. Bf3 memiliki kesamaan konstruksi namun diisi dengan tekanan konstan sekitar 68 cm Hg isotop B10 dengan pengayaan 95%.
d. Sensitivitas
Untuk neutron termal tampang lintang serapan σ dari He3 adalah sekitar 5400 barn, dibandingkan dengan untuk B10 sekitar 4200 barn. Untuk σ kedua material untuk neutron termal sampai energy 0.2 MeV memiliki hubungan 1/v dimana v adalah energy neutron. Artinya nilai σ berbanding terbalik dengan kecepatan neutron.
Berkurangnya σ dari He3 pada v neutron yang tinggi menghasilkan karakteristik untuk neutron epitermal dan neutron cepat yang mana mendekati linier dibandingkan saat menjadi neutron termal. Hal ini memungkinkan kita untuk meningkatkan sensitivitas untuk pencacahan neutron termal dan epitermal dengan meningkatkan tekanan gas. Kurva untuk neutron termal dan cepat, mencapai level saturasi jika kurva naik terus-menerus namun pada tekanan yang sangat tinggi dan tidak mungkin dicapai.
e. Ukuran Pulsa (Pulse Size) dan Gas Multiplication
Dengan menghasilkan energy sebesar 765 KeV pada reaksi He3(n,p)T3 dan sekitar 40 eV energy yang diperlukan untuk ionisasi dari atom Helium maka dari satu reaksi akan menyebabkan terbentuknya 1.9 x 104 pasangan ion = 3 x 10-15
Coulombs. Oleh karena itu membutuhkan Gas Multiplication agar menghasilkan output pulsa yang cukup dan sesuai dengan rangkaian selanjutnya.
f. Karakteristik Parameter Detektor He-3 a) Gas Multiplication
Resolusi optimum untuk setiap sistem counter proporsional dicapai dengan mencari perbandingan terbaik dengan melakukan kompromi antara besarnya Gas Multiplication dan Electronic Amplification. Perhitungan menunjukkan bahwa nilai Gas Amplication sekitar 20 adalah yang paling baik untuk pencacah He-3.
b) Efek dari radiasi Gamma
Pencacah He-3 entah mengapa memiliki sensitivitas berlebih terhadap sinar gamma dibanding pencacah BF3. Pada tempat/medan dengan paparan gamma yang lebih besar (dengan time constan besar) dari pada yang direkomendasikan, akan menyebabkan banyak sinar gamma kecil yang ikut tercacah pada waktu tersebut. Pulsa tersebut akan membentuk sebagai satu pulsa dengan magnitude dimana diskriminator tidak bisa menghilangkannya. Fenomena ini dinamakan “pulse pile-up”. Walaupun demikian dengan konstanta waktu yang pendek, pencacah He-3 dapat dioperasikan pada tempat dimana paparan gamma sekitar 1 R/jam.
c) Amplifier Time Constant
Fakta bahwa reaksi He3(n,p)T3 menghasilkan 2 produk partikel yang bergerak pada arah yang berbeda menghasilkan collection time yang panjang untuk hasil ionisasi. Waktu Integrasi dan Diferensiasi yang direkomendasikan yakni antara 1 dan 3 detik. Namun dibutuhkan waktu lebih cepat dari waktu yang direkomendasikan tersebut jika pencacah dioperasikan pada kecepatan cacah tinggi, atau jika paparan radiasi gamma cukup tinggi, untuk mengurangi pulse pile-up.
d) Amplifier Gain
Muatan dasar dari reaksi He3(n,p)T3 sekitar 3 x 10-15 Coulombs. Jika diperhatikan energy tersebut sekitar ¼ dari muatan yang dihasilkan setiap pulsa atau reaksi B10 (n, α ) Li7. Dengan menggunakan nilai Gas Multiplication sekitar 20, disarankan menggunakan sebuah amplifier dengan kemampuan sensitifitas dalam menganalisa pulsa lebih kecil dari 7 x 10-14 Coulumb. Rangkaian ini diharapkan mampu mengurangi pulsa yang hilang akibat kapasitansi kabel.
g. Operasi dan Signal Conditioning
Amplitudo pulsa yang dihasilkan detector He-3 pada operasi proporsional sangat kecil (sekitar 0.005 sampai 2 picoCoulomb). Oleh karena itu detector tersebut harus dihubungkan dengan amplifer dengan penguatan tinggi dan sinyal background yang kecil. Seperti blok system pencacah dibawah ini :
Gambar 3. Blok diagram sistem pencacah He-3
Sumber neutron, neutron Termal
PENUNJANG Sumber Neutron Amplifier Preamp Detektor MC A HV
Detector Helium He3(n,p) T3 dengan mode operasi proportional. HV supply dengan polaritas positif, stabil, dam maksimum arus 0.1 µA.
Penentuan tegangan kerja detektor untuk sistem spektroskopi adalah dengan cara mencari tegangan kerja yang dapat menghasilkan nilai resolusi terbaik Preamplifier; Pada umumnya digunakan charge amplifier untuk stabilitas operasi,
namun dapat menggunakan current amplifier untuk kondisi tertentu.
Penggunaan Charge Amplifier
Dengan sebuah charge amplifier dengan kapasitas ekivalent sekitar 0.005 pF (gain : 20 V.pC-1), kita memilih memengoperasikan tegangan tinggi dimana sesuai dengan faktor pelipatannya sekitar 15 x (dengan muatan 0.05 pC). Amplitudo pulsa output analog dari filter amplifier menjadi:
V =Q C
V =0,05.10 −12
0,05. 10−12=1 volt Kondisi ini disebut sebagai “thermal peak” .
Proton atau Triton mungkin kehilangan sebagian dari energinya pada dinding detector. Pada kasus ini, hanya muatan primer yang diambil dan amplitude pulsa ini lebih rendah daripada thermal peak-nya; efek ini dinamakan “wall effect”.
Spektrum energy ditampilkan pada MCA, menampilkan cacah latar elektronik (electronic background) dan wall effects sebagai lembah dimana batas threshold diskriminator di set. Dimana kehadiran “lembah” ini dengan sedikit pulsa memastikan stabilitas kecepatan pencacahan. Dengan pemrosesan elektronis, kabel penghubung anatar detector dan charge amplifier harus sependek mungkin
(beberapa meter dengan kabel berkapasitansi rendah,mis: 30pF/meter). Adanya interferensi kapasitansi antara input charge amplifier dengan detector menyebabkan noise elektronik. Lebih lanjut, time constant untuk pulse shaping relatif tinggi (0.1 sampai 1 µs, dengan waktu mati sekitar 3 sampai 10 µs), yang mana menambah pulsa yang lolos dari pencacahan secara signifikan pada laju cacah yang tinggi (maksimum laju cacah sekitar 150000 c/sec).
Gambrar 4. Thermal Neutron Induced Pulse Height Spectrum from a Moderated 3He Detector Penggunaan Current Amplifier
Dengan menggunakan current amplifier tipe G-ADSF10 atau 7820-ADS+7821-HT (produk CANBERRA-TM) dimana mempunyai gain lebih rendah, HV harus diset lebih tinggi (+200 s/d 300 Volt), yang mana sesuai dengan gain multiplication sekitar 500x. Dengan pemrosesan elektronis, pada spektrum energi yang dihasilkan tidak terlihat lagi thermal peak maupun wall effect. Pada current amplifier memungkinkan koneksi kabel yang lebih panjang antara detector dengan amplifier (beberapa ratus meter untuk kabel mu-metal) dan mengijinkan operasi pada medan dengan paparan gamma alami (dari 1 cGy/hours s/d 0.2 Gy/hours ,tergantung ukuran detector. Time konstan yang sangat cepat (20ns, dan rise time 50 ns) menyebabkan detector dapat beroperasi pada laju cacah tinggi (sekitar beberapa ratus sampai seribu pulsa per detik).
Penganalisa Tinggi Pulsa (Pulse Height Analyzer PHA); dapat berupa MCA (Multi Channel Analyzer) atau Oscilloscope. MCA merupakan alat yang menerapkan teknologi relatif baru. Bagian utama dari suatu MCA adalah ADC (analo g to digital conerter) yang berfungsi untuk menentukan tinggi pulsa dari setiap pulsa listrik (sinyal analog) yang memasukinya dan mengubahnya menjadi bilangan biner (sinyal digital). Bilangan biner tersebut akan diteruskan ke bagian memory yang akan menyimpan jumlah dari masing-masing bilangan biner yang dihasilkan ADC. Isi dari memory akan ditampilkan pada layar berupa spektrum radiasi.
Diskriminator dengan lebar kanal tegangan yang dapat diubah. Diskriminator yang merupakan ciri dari sebuah pencacah karena alat ini yang berfungsi untuk menyaring apakah suatu pulsa listrik keluaran amplifier diteruskan ke counter atau tidak. Diskriminator mempunyai fasilitas batas atas dan batas bawah.Diskriminator akan melewatkan pulsa yang tingginya hanya berada diantara tegangan jendelanya (mode diferensial), dan melewatkan seluruh pulsa yang tingginya diatas tegangan treshold (mode integral)
Sistem pencacah
Penggunaan dan pengoperasian High Voltage untuk detector He-3 sangat tergantung pada system elektronik yang digunakan (charge amplifier, current amplifier, nilai penguatan (gain), dan pemilihan threshold pada diskriminator). Resolusi maksimum (lebar setengah tinggi maksimum FWHM) tergantung dari sistem elektronik, kemurnian gas isian( tidak ada ion electronegative) , tekanan gas isian dan diameter detector. Tambahan gas dengan nomor massa besar (Argon, CF4) akan mengurangi jangkauan jejak partikel ionisasi, mengurangi wall effect, memperbaiki resolusi, dan mengurangi collection time.
Puncak Energi dan Wall Effect
Untuk energy neutron hanya puncak energy yang dapat diamati dengan detector helium, disisi sebelah kiri energy puncak, terdapat daerah yang dinamakan “wall effect”. Wall effect ini muncul karena proton dan triton yang merupakan produk dari reaksi menghasilkan energy yang diskrit (573 keV dan 191 keV) yang mana rentang ini biasanya lebih besar dari dimensi detector. Ketika salah satu produk dari reaksi bertabrakan dengan dinding detector, energy terdisipasi dan tidak memberikan kontribusi untuk energy penuh, hal ini menyebabkan step terpisah dalam spectrum. Pada beberapa kasus, terdapat du acara untuk mengurangi wall effect, yaitu:
1. Meningkatkan diameter detector sehingga reaksi menghasilkan energy yang lebih banyak yang akan disetor penuh pada volume gas
2. Meningkatkan tekanan gas untuk mengurangi berbagai produk dalam volume gas.
Daftar Pustaka
Berry, K. 2016. Neutron Lifecycle Series: Helium-3 Gas Detectors at the SNS and HFIR. Tersedia di https://conference.sns.gov/event/56/attachments/64/192/ Crane, T.W, Baker, M.P. Neutron Detectors. Tersedia di:
http://www.lanl.gov/orgs/n/n1/panda/00326408.pdf
