PENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR Pusat Teknologi Akselerator don Proses Bahan
Yogyakarta, 28 Agustus 2008
RANCANG
BANGUN SISTEM PENCACAH NUKLIR DENGAN
OPSIONAL
KOMUNIKASI
SERIAL RS-232 MODEL:
BEM IN
-07.01
Jumari, Djuningran, Sunardi
Puslilbang Teknologi Maju - BATAN Yogyakarla
ABSTRAK
RANCANG BANGUN SISTEM PENCACAH NUKLIR DENGAN OPSIONAL
KOMUNIKASI SERIAL RS-232 MODEL : BEM IN - 07.01. Telah dibuat sistem pencacah nuklir berbasis mikrokontroler A T89C52 yang dilengkapi dengan sistem transfer data ke komputer melalui komunikasi serial RS-232. Latar belakang kegiatan ini adalah untuk pengolahan data sistem pencacah nuklir yang lama masih memakai cara manual, hal yang demikian dapat dikembangkan dengan transfer data/pengolahan data secara otomatis pada komputer melalui komunikasi serial RS-232. Prinsip metode ini adalah setiap Sistem Pencacah Nuklir selesai melakukan pencacahan dalam selang waktu tertentu maka data hasil cacahan tersebut langsung dikirim ke komputer untuk dicatatldisimpan, misalnya diinginkan pencacahan sebanyak 20x maka proses tersebut akan beru/ang 20x, kemudian dari data hasil pencacahan tersebut dapat diolah sesuai kebutuhan pengguna misalnya untuk mencari harga stabilitas pencacahan atau untuk keperfuan lain. Pada pengujian transfer data dari pulse generator ke counter mikrokontroler yang ditampilkan pada LCD diperoleh linieritas transfer data ~ = 0,9997, selain itu transfer data dari mikrokontroler ke komputer diperoleh nilai akurasi transfer data ~ = 1.Dari pengujian stabilitas pencacahan sumber radiasi standar Sr-90 untuk n =20 diperoleh harga Chi Square Test ( X2) = 12,80, nilai tersebut masuk dalam range yang ditentukan berarti menunjukkan bahwa stabilitas pencacahan alat cukup baik dan memenuhi syarat untuk digunakan.
ABSTRACT
DESIGN AND CONSTRUCTIONS OF THE NUCLEAR COUNTING SYSTEM WITH OPTIONALL Y SERIAL COMMUNICA TIONS RS-232 MODEL: BEM IN - 07.01. The nuclear counting system based on A T89C52 microcontroller has been counstructed.
The system is provided with the data transfer system which transfers data to computer through serial communication RS-232. The background of the construction is to develop the manual data processing into automatic data processing by transfering data to computer using RS 232 serial communication. The test of data tranfer from pulse generator to microcontro/Jer counter which displayed on LCD yields data transfer Iinierity ~ = 0.9997, the data transfer from microcontroller to computer yields data transfer accuraty ~ = 1. The test of counting stability using Sr-90 with n=20, yields X2 = 12.8. This value is the determined range, therefore is constructed that counting system is stable enough.
PENDAHULUAN
S
dipakaiistem Pencacahuntuk mengukurNuklir yaituintensitassuaturadiasi betaalat yang dan gamma. Pad a sistem pencacah nuklir hasil prod uk yang lalu dalam pencatatan dan pengolahandata hasil pencacahan masih dilakukan secara manual, maka untuk itu sistem pencacah nuklir terse but perlu dilengkapi sistem transmisi data ke komputer untuk keperluan pencatatan dan pengolahan data hasil pencacahan. Oalam sistem perantaralinterface untuk sistem transmisi data ada
PENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKA
T
NUKLIRPusat Teknologi Akselerator don Proses Bahan
Yogyakarta, 28 Agustus 2008
dua cara yaitu secara paralel dan serial [I].Interface paralel dengan melaui port ISA (Industry Standard Architecture) atau melalui port line printer/LPT(Conector DB-25), adapun yang Inteiface serial dapat melalui COMI/COM2 (Conector DB-9) atau dapat juga melalui Universal Serial Bus (USB). Masing-masing metode inteiface tersebut memiliki kelebihan dan kekurangan, kelebihan metode interface paralel adalah proses transfer data bisa lebih cepat namun tidak dapat dipakai untuk jarak yang jauh, sedangkan untuk metode inteiface serial walaupun dalam transfer data agak lambat tetapi dapat dipakai untuk jarak yang lebih jauh, dan metode interface serial ini sekarang banyak digemari orang karena lebih praktis dan tidak membutuhkan banyak kabel. Dengan pertimbangan tersebut maka untuk melengkapi sistem transmisi data pada' sistem pencacah nuklir dipilih inteiface serial melalui COM!. Tujuan dilakukannya kegiatan ini adalah untuk pengembangan instrumentasi nuklir khususnya sistem pencacah nuklir yang dalam pencatatan dan pengolahan data sudah dilakukan secara otomatis oleh komputer, serta hasilnya dapat disimpan pada komputer/dicetak pada printer. Dengan demikiar. maka tugas operator/pengguna alat akan menjadi lebih ringan tidak harus mencatat/menghitung hasil pencacahan secara manual. Pengujian transfer data dilakukan dengan memberikan pulsa masukan dari pulse generator dan dicari berapa nilai linieritas transfer data tersebut, selanjutnya dilakukan uji stabilitas pencacahan dengan memakai sumber radiasi.
DASAR TEORI
Rancangan Sistem
Sistem Pencacah Nuklir BEM - IN.07.01 terdiri dari detektor GM, catu daya tegangan rendah DC, catu daya tegangan tinggi DC, pembentuk pulsa, rnikrokontroler AT89C52, Max-232, LCD 16x2 dan komputer.
Prinsip kerja diagram blok sistem pencacah nuklir BEM-IN.07.01
Catu daya tegangan rendah DC +5V digunakan untuk mencatu seluruh sistem e1ektronik dari sistern pencacah nuklir, sedangkan catu daya tegangan tinggi DC digunakan sebagai catu daya detektor OM. Sinar radiasi beta/gamma yang datang akan ditangkap oleh detektor GM, se1anjutnya karena adanya gas isian pada tabung GM maka akan terjadi ionisasi dan hasil ionisasi tersebut akan menghasilkan ion bermuatan positip dan elektron yang bermuatan negatip, ion yang bermuatan positip akan tertarik ke katoda sedangkan elektron akan tertarik ke anoda, selanjutnya pada anoda akan muncul pulsa listrik, pulsa listrik oleh rangkaian
pembentuk pulsa akan dibentuk menjadi pulsa kotak standar TTL, selanjutnya pulsa tersebut akan dicacah pada mikrokontroler AT89C52 yang difungsikan sebagai Counter/Timer, angka cacahan ditampilkan pada LCD 16 bit. Selain itu datal angka hasil cacahan tersebut juga ditransfer ke komputer untuk keperluan pengolahan data dan se1anjutnya dapat disimpan pada komputer serta dicetak pada printer.
Gambar I. Diagram blok sistem pencacah nuklir BEM-IN.07.01
Catu daya tegangan tinggi yang digunakan disajikan pada gambar 2.
Gambar 2. Penyedia daya tegangan tinggi DC
Prinsip kerja rangkaian
Mengacu pada gambar 2, Rangkaian R C pada op amp pertama IC LM339 berfungsi sebagai pembangkit pulsa osilator, selanjutnya pulsa tersebut dikuatkan oleh rangkaian op amp pertama dan diteruskan ke op amp kedua dan ketiga untuk dibuat menjadi dua buah pulsa dengan polaritas positip dan negatip, transistor TI dan T2 merupakan rangkaian penguat push pull yang berfungsi untuk menguatkan pulsa yang akan diumpankan ke trafo step up (penaik tegangan), tegangan reference (referensi) diberikan oleh hasil pengaturan tegangan positip melalui potensiometer PI, tegangan referensi tersebut dimasukkan op amp ke tiga (IC LM339) yang berfungsi sebagai regulator tegangan dan transistor T3 sebagai driver tegangan yang akan dimasukkan ke tep tengah gulungan primer trafo step up. Pada gulungan sekunder trafo step up akan keluar tegangan AC dan besarnya tegangan keluaran tergantung dari harga perbandingan antara jumlah gulungan primer dan sekunder (N 1 dan N2), kemudian tegangan keluaran dari trafo step up disearahkan dengan menggunakan dioda penyearah
PENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR
Pusat Teknologi Akselerator don ProsesBahan
Yogyakarta, 28 Agustus 2008
tegangan tinggi IN649, adapun fungsi dari dua buah kondensator dan dua buah dioda adalah sebagai pelipat tegangan satu tingkat. Resistor yang tersusun secara seri dari keluaran tegangan tinggi ke ground berfungsi sebagai tahanan beban, sedangkan kondensator yang tersusun secara seri dari keluaran tegangan tinggi ke ground berfungsi sebagai filter (penyaring) t~gangan riple. Resistor feed back 22MQ berfungsi untuk mengumpan balikkan sebagian kecil arus keluaran ke rangkaian regulator sehingga kestabilan tegangan keluaran pada terminal HV Out akan lebih teljaga [4]. Keluaran tegangan tinggi didesain maksimal 1000V dan dapat diatur dari 0 sampai dengan 1000V, arus beban maksimal 500IlA, sedangkan tegangan riple maksimal yang diperbolehkan sebesar 20mV.
Rangkaian Pembentuk Pulsa
Rangkaian pembentuk pulsa yang dibuat disajikan pada gambar 3.
; .,'
mlT
;';';.,'
Gambar 3. Rangkaian pembentuk pulsa
Prinsip kerja rangkaian pembentuk pulsa adalah apabila ada pulsa masukan berpolaritas negatip yang berasal dari keluaran detektor GM masuk pada input rangkaian pembentuk pulsa maka kalau tinggi pulsa tersebut berada diatas batas diskriminator tertentu maka pulsa tersebut pada IC LM311 akan dikuatkan tinggi pulsanya, selanjutnya pulsa tersebut akan dibentuk menjadi pulsa kotak melalui gerbang NAND GATE dan dibalik polaritasnya, pada output rangkaian pembentuk pulsa keluar pulsa kotak positip standar TTL dengan tinggi pulsa 3V - 5V dan lebar pulsa lOllS. Pulsa kotak tersebut selanjutnya dimasukkan ke rangkaian counter/timer berbasis mikrokontroler AT89C52 untuk dihitung berapa jumlah pulsa radiasi yang ditangkap oleh detektor GM terse but persatuan waktu .
Rangkaian CounterlTimer
Rangkaian counter/timer yang dibuat seperti pada gambar 4.
Gambar 4. Rangkaian counter/timer berbasis mikrokontroler AT89C52
Prinsip kerja rangkaian counter/timer
A T89C52 :
Kristal 11,0592 MHz berfungsi sebagai osilator timer mikrokontroler, T. digunakan sebagai terminal pulsa masukan, Port PLO ... P1.3digunakan
sebagai perintah operasi yang tersambung ke S" S2. S3dan S4.Saklar SI untuk seting timer; S2 untuk start
; S3untuk stop dan S4untuk reset. Port P2( P20 ... P2.7 ) digunakan sebagai keluaran yang tersambung ke LCD 16x2 yang berfungsi sebagai penampil. Program pencacahan untuk sistem pencacah nuklir dibuat dengan bahasa BASCOM (Basic Compiller), kemudian program di down load ke IC mikrokontroler AT89C52, selanjutnya dipasang pada counter/timer untuk operasi pencacahan. Hasil pencacahan selain ditampilkan· pada LCD juga ditampilkan pada komputer melalui antarmuka RS -232.
Langkah Kerja
I. Mendesain rangkaian dan Lay Out PCB. 2. Mendesain dan membuat chasis sistem pencacah
nuklir.
3. Prosesing PCB rangkaian penyedia daya tegangan tinggi DC, rangkaian pembentuk pulsa, counter/timer, converter.
4. Pengujian komponen dan pemasangan komponen pada PCB.
5. Pengujian rangkaian penyedia daya tegangan tinggi DC
6. Pengujian rangkaian pembentuk pulsa menggunakan pulse generator.
7. Pengujian linieritas pencacahan counter berbasis mikrokontroler AT89C52
8. Pengujian stabilitas pencacahan dengan Chi Square Test(X2).
Alat Yang Djgunakan
I. Pulse Generator Model GL-3 dan Oscilloscope Textronic 40 MHz.
2. Multimeter Digital Fluke-83 dan Multimeter HIOKI.
PENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR
Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan
Yogyakarta, 28 Agustus 2008
3. Alat tes beban dan AC DC Differential Volt Meter merk Fluke.
4. Personal Komputer P4.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Pengujian penyedia daya tegangan tinggi DC 1000V.
Tabel I. Data hasil pengujian penyedia daya tegangan tinggi DC
No Bagian yang diujiDiharapkanTerukur 1 Konsumsi arus100 mA:::;150 mA beban +5V 2 Frekuensi osilator5 kHz3-25 kHz 3 Tegangan o-1000Vo-1000V keluaran 4 Tegangan 900V 900V keluaran tanpa 5 beban
Tegangan 899V890V - 900V keluaran dengan 6 beban
Faktor regulasi0,11% :::;0,5% 7
T egangan riple10mV :::;20mV
Pengujian stabilitas tegangan tinggi DC dengan alat tes beban.
Tabel 2. Data hasil pengujian stabilitas tegangan tinggi
No. Waktu (WIB)TeQ. TinQQi (V) 1 08.00 902,40 2 08.10 902,20 3 08.20 902,20 4 08.30 901,05 5 08.40 901,10 6 08.50 901,00 7 09.00 900,85 8 09.10 900,55 9 09.20 900,51 10 09.30 900,45 11 09.40 900,60 12 09.50 900,70 13 10.00 900,81 14 10.10 900,85 15 10.20 900,90 16 10.30 900,95 17 10.40 900,96 18 11.00 900,97 19 11.20 901,02 20 11.40 901,05
No. Waktu (WIB)Tea. Tinaai (V) 21 12.00 901,14 22 12.20 901,21 23 12.40 901,22 24 13.00 901,20 25 13.20 901,21 26 13.40 901,30 27 14.00 901,20 28 14.20 901,25 29 14.40 901,23 30 15.00 901,22
Dari data hasil pengujian stabilitas tegangan pada tabel 2 tersebut kemu dian disajikan dalam bentuk grafik seperti pada gambar 5
".
01100 0820 011<400800 0820(IUD10.00
--
102010.«1 1120 1200 124)1320 '4.00 14«1 Gambar 5. Gmfik stabilitas tegangan tinggi DCPengujian rangkaian pembentuk pulsa
dengan pulse generator.
Tabel3. Data hasil pengujian rangkaian pembentuk pulsa
No BagianHasil YangHasil Yang Diuji
Diharapkan Pengukuran 1
Bentuk pulsaPulsa negatipPulsa negatip
masukan 2
Frekuensi pulsa1 kHz 1 kHz
masukan 3
Bentuk pulsaPulsa kotakPulsa kotak
keluaran 4
Lebar pulsa 10llS0,5 - 30 IlS
keluaran 5
Tinggi pulsa 4,OV2,8 - 5,0 V
keluaran 6
Tegangan noise5mV:::;20mV 7
Respon 15,5 kHz;:: 12 kHz
trekuensi maksimum
Pengujian linieritas pencacahan counter dengan pulse generator
PENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR
Pusat Teknologi Akselerator don Proses Bahan
Yogyakalta, 28 Agu5tus 2008
Tabel 4. Data pengujian Iinieritas pencacahan PulsaCacah/menit
Cacah/menit Cacah/meni No. (Hz) masukan yangdiharapkan( Komputer )( LCD)
1 100 600059185918 2 150 900088778877 3 200 120001198611986 4 250 150001498314983 5 300 180001792617926 6 350 210002091420914 7 400 240002398223982 8 450 270002698026980 9 500 300002985829858 10 550330003284432844 11 600360003595435954 12 650390003895038950 13 700420004170041700 14 750450004467944679 15 800480004771547715 16 850510005069750697 17 900540005259952599 18 950570005552155521 19 1000600005937059370 20 1050630006233862338 21 1100660006548865488
Dari data tabel 4 kemudian dibuat grafik seperti pada gambar 6, 7, 8.
Gambar 6. Grafik Linieritas pencacahan pada counter LCD
o o
Gambar 8. Grafik Linieritas pencacahan antara counter LCD dengan counter pada komputer
Pengujian Kestabilan Pencacahan (Chi
Square Test)
Sumber Radiasi Sr-90 ; Aktivitas = lOmRad ( 983), r = 2cm ; t = 10 detik.
Tabel 5. Data pengujian stabilitas pencacahan. No Cacah (XJ(Xi - X)2 1 5204 21904 2 5098 1848 3 5088 1089 4 4983 5184 5 5133 6084 6 5032 529 7 5018 1369 8 5095 1600 9 5093 1444 10 5043 144 11 5088 1089 12 5019 1296 13 5030 625 14 5005 2500 15 5044 121 16 4967 7744 17 5014 1681 18 4982 5329 19 5075 400 20 5107 2704 N=20 LXi = 101117 L(Xi-X)2 X= 5054 64684
Menghitung harga Chi Square Test (X2) :
. - 2 X2 = ~:::<XI-X) = 64684 = 1280 X 5054 ' PEMBAHASAN o o
Gambar 7. Grafik Linieritas pencacahan pada counter Komputer
I. Dari grafik hasil pengujian stabilitas tegangan tinggi diperoleh harga ketidakstabilan tegangan
=
t1Y/v x 100%.Dimana t1Y = Y I-Y2 = 902,40Y - 900,51 Y = 1,89Y
PENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR Pusat Teknologi Akselerator don Proses Bahan
Yogyakarta, 28 Agustus 2008
Ketidakstabilan tegangan =
(!:NN)
x 100% = (1,89V/902,4V) x 100%=
0,209%, maka stabilitas tegangan tinggi=
100% - 0,209%=
99,79% dan harga ini sudah memenuhi ketentuan antara 95%-100%.2. Faktor regulasi tegangan
=
(VnL-VL)NnL x 100%.=
(900V - 899V)/900V x 100%= 0,11%. Harga ini cukup baik karena harga Faktor regulasi tegangan yang ditentuka., ::S0,5% 3. Pada pengujian rangkaian pembentuk pulsadiperoleh hasil keluar pulsa kotak 4V, lebar pulsa 10 IlS, tegangan noise 5mV, rangkaian pembentuk pulsa mempunyai jangkau frekuensi yang cukup baik sampai 15,5 kHz.
4. Dari grafik hasil pengujian Iinieritas pencacahan counter LCD dan counter pada komputer gambar 6 dan 7 maka diperoleh harga Iinieritas pencacahan yang sarna R2 = 0,9997, harga ini berarti kedua counter tersebut mempunyai harga Iinieritas yang cukup baik, karena harga R2 semakin mendekati I berarti Iinieritasnya semakin baik.
5. Dari grafik hasH pengujian linieritas pencacahan antara counter LCD dengan counter pada komputt:r Garnbar 8 maka diperoleh harga linieritas pencacahan R2 = I, harga ini menunjukkan bahwa dari transfer data tidak ada kesalahan, berarti transfer data sangat Iinier. 6. Dalam pengujian stabilitas pencacahan untuk n
= 20, dengan tingkat kepercayaan 99%, didapatkan harga Chi Square Test(X2) = 12,80. Batasan yang diijinkan : 7,663 <X2< 36,191 Bila harga X2 dimasukkan menjadi : 7,663 <
12,80< 36,191. Hal ini menunjukkan bahwa harga stabilitas pencacahan cukup baik.
KESIMPULAN
Dari data hasil pengujian dapat diambil kesimpulan sebagai berikut :
I. Penyedia daya tegangan tinggi DC yang dibuat sudah berfungsi dengan baik yaitu mempunyai harga stabilitas tegangan tinggi 99,79%, regulasi tegangan 0, II %, tegangan ripple 10mV. 2. Rangkaian pembentuk pulsa mengeluarkan
pulsa kotak dengan tinggi pulsa 4V, lebar pulsa 10 j.lS, tegangan noise 5mV, dan mempunyai jangkau frekuensi masukan yang cukup lebar
sampai 15,5 kHz.
3. Harga linieritas pencacahan counter cukup baik (R2
=
0,9997).4. Dari hasil pengujian secara keseluruhan telah terbukti bahwa proses transfer data dari sistem pencacah nukl ir ke komputer telah berhasil dengan baik dengan tingkat akurasi I, yang
berarti sangat baik dan memenuhi syarat untuk digunakan.
DAFT AR PUSTAKA
1. http://www.digitaUnterfaceseriaI.com/catalogue 2. ANONIMOUS, TECHNICAL
ASSOCIA-TEDS (1988), DC High Voltage Power Supply Model A4-600, USA.
3. ANONIMOUS, ORTEC (1991), Operating and Service Manual of High Voltage DC Power Supply, USA.
4. ANONIMOUS, TECHNICAL ASSOCIA-TEDS (1988), Gamma Counter Circuit Model A4-602, USA.
5. WIRANTO , DKK (2004), Diktat Aplikasi Mikrokontroler dalam Instrumentasi Nuklir", Pusdiklat -SATAN, Jakarta
6. ANONIMOUS, IAEA - TECDOC 317 (1984), Quality Control of Nuclear Medicine Instruments, VIENNA, AUSTRIA.
7. JAMES A. SORENSON (1987), Physics In Nuclear Medicine, Second Edition, Grune and Tratton Inc , USA.
TANYA JAWAB Tony Rahardjo
~ Bagaimana tingkat stabilitas pencacahan SPN yang dibuat?
Jumari
~ Tingkat stabi/itas pencacahan SPN yang dibuat cukup baik dengan n=20 harga chi square test x2 = 12,8 masuk pada batasan hargayangditetapkan 7,663<X2
<
36,191 S:amet Riyadi~ Berapa akurasi transfer data dari tampilan pada LCD ke penampil data cacahan pada komputer? ~ Mengapa data hams ditranfer ke komputer.
Jumari
~ Ni/ai akurasi transfer data dari tampi/an pada LCD ke komputer ada/ah R2=0,9997 dan ni/ai ini cukup baik karena semakin mendekati harga /.
~ Data ditranfer ke komputer karena untuk keper/uan penyimpanan dan pengo/ahan data.
Triyono
~ Dalam pembuatan penyedia tegangan tinggi diperlukan beberapa komponen, apakah komponen tersebut mempakan komponen khusus
PENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR
Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan
Yogyakarta, 28 Agustus 2008
(klas I) atau kampanen di pasaran umum mahan penjelasan.
Jumari
~ Komponen untuk pembuatan tegangan tinggi yang digunakan cukup komponen lokal
karena hanya akan dipakai untuk catu daya detektor GM.
