ABSRACT PENDAHULUAN. Setyadi WS, dkk. ISSN Setyadi WS, Dewita P3TM-BATAN

Setyadi WS, dkk. ISSN 0216 -3128

₂₁₃

Setyadi WS, Dewita P3TM-BATAN

ABSTRAK I

Detektor Sintilasi CsI(TI) dalam bentuk kompak dapat dirakit sendiri dengan menggunakon suku cadang terurai dari beberapa vendor. Bagian detektor tersebut adalah Kristal sintilator berbentuk kubus ukuran (IxIxl)cm3buatan BICON, Si PIN photodioda tipe S3590-08 don hybrid pramplifier tipe H4083 keduanya buatan Hamamatsu. Sedangkon komponen lain dibuat sendiri yaitu kemasan aluminium berbentuk selinder, buffer amplifier serlo kabel konektor. Hasil pengujian detektor menggunakan sumber standar Cs-137 menunjukan resolusi detector(FWHM) sebesar 8,99%, Catu daya + 12 J-: -12 V don +24 Volt serta Gras derau minimum sebesar < 110 keV. Hasil ini menunjukkan derajat kesaksamaan yang tinggi dengan detektor sejenis buatan Crismatex yang menghasilkan resolusi (FWHM) sebesar 10,72%,.

ABSRACT

The compact CsI(TI) detector can be assembly by using detector part from many vendors. The parts of detector are, cubical CsI(TI)crystal made by Bicron, Si PIN photo diode type S3590-08 and hybrid preamplifier type H4083 both are made by Hamamatsu. The other parts such as cylindrical aluminum housing, buffer amplifier and connector cable a1;e hand made. Test result shows 8.99 % detector resolution, J 2 V, -12 V and 24 V pover supply, minimum energy level less than J JOke V. These results agree with high accuracy to Crismatex detector with J 0.72% enc gy resolution specification.

PENDAHULUAN

S pektroskopi gamma adalah salah satu dari teknik yang paling baik untuk mengkaji radioisotop dalam berbagai bentuk, karena sinar gamma menunjukan tenaga diskrit dan unik untuk setiap nuklida. Keuntungan spektroskopi nuklir antara lain, memungkinkan analisis nuklida secara simultan atau individual pacta sam pel yang sarna.

Untuk melakukan spektroskopi nuklir tersebut diperlukan perangkat peralatan deteksi dan spektroskopi yang terdiri dari detektor yang dapat mendeteksi pancaran radiasi yang akan menghasil kan keluaran yang dapat diukur dengan peralatan ukur lainnya.I).

Oetektor gamma dalam bentuk kecil dan kompak d3.pat dibentuk dengan menggunakan kombinasi Sintilator Csl(T.\) dan Pin photo dioda. Usaha ini dilakukan guna mengganti Photo Multiplier Tube

(PMT) pacta detektor untuk mengurangi kekurangan detektor Sintilasi Nal(Tl), besarnya tegangan tinggi misalnya. Photo dioda silikon yang dikopel dengan

kristal Sintilator, memberikan karakteristik yang menarik seperti ukuran yang lebih kecil, tegangan catu rendah yaitu sebesar :t 24 V, stabilitas tinggi dan tidak sensitip terhadap medan magnit:2). Namun

demikian pacta kejadian tertentu, di-dalam photo-dioda tersebut memungkinkan dihasilkan beberapa

ribu pasangan hole-elektron. sehingga memerlukan

penguat awal yang rendah derau (low noise amplifier). Desain penguat awal ini lain dari desain penguat awal biasa sehubungan dengan besamya kapasitansi photo dioda:3.4.5)

Photo dioda merupakan salah satu peralatan detektor sintilasi pada eksperimen fisika tenaga tinggi dan fisika nuklir, bentuknya sangat kompak, memerlukan tenaga yang rendah, kuantum efisiensi tinggi dan tidak sensitmterhadap medan magnit. Kelebihan lain adalah keragaman yang tinggi pada luasan aktip, kecilnya dark current. Photo dioda dibuat dari Si/ikon wafer resitiviti tinggi dengan ketebalan 300 J.1 yang menghasilkan kapasitansi rendah pada bias rendah. Ada 2 cara pemakaian photo dioda yaitu pengukuran tak langsung dan pengukuran langsung. Pada pengukuran tak langsung digunakan kombinasi photo dioda -Sintilator terutama untuk aplikasi:-elektron tenaga tinggi dan sinar gamma. Dengan pertolongan sintilator, radiasi yang lewat photo dioda dikonversi menjadi cahaya dan dideteksi. Pada cara deteksi langsung, photo dioda memiliki resolusi tenaga yang tinggi karena sinyal muatan dibangkitkan dengan efisiensi tinggi. Demikian pula respon yang relatip lebih tinggi. Cara langsung ini digunakan untuk mendeteksi partikel bermuatan .7).

Pada makalah ini dibahas perakitan detektor sintilasi Csl(TI) yang dibentuk dari kristal sintilator, photo dioda dan hybrid amplifier. Komponen tersebut bisa didapatkan secara terpisah dari

Prosidlng Pertemuan dan Presentasi IImiah Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir P3TM-BATAN Yogyakarta, 7 -8 Agustus 2001

214

ISSN 0216-3128 _{Setyadi WS, dkk.} beberapa vendor. Pengujian dilakukan menggu

nakan detector tersebut untuk mencacah sumber standard Cs-137, dengan membanding kannya dengan detektor sejenis dengan dimensi kristal yang sarna buatan Crismatex.

TEORI

Sinti/ator

Beberapa sintilator yang bisadikopel dengan photo dioda ditunjukkan pada Tabel 1 dan Gambar 1 di bawah. Dari inforrnasi ini, jejak radiasi yang pendek diperlukan untuk efisiensi deteksi sinar gamma, demikian pula panjang gelombang sinar yang dipancarkan harus pada daerah yang paling sensitip photo dioda yaitu merah sampai dengan infra merah.

CsI(Tl) adalah inorganik sintilator yang sangat cocok untuk digandeng dengan photo dioda karena memiliki yield cahaya paling tinggi. CsI(Tl) tidak lazim digunakan sebagai sintilator dari Photo Multiplier Tube (PMT), namun :demikian memiliki kelebihan seperti panjang gelombang radiasi sebesar

1,85 cm dibanding dengan 2,59 cm pada NaI(Tl). Kuatum efisiensi sebesar 69-,"10 untuk CsI(Tl) sepanjang spektrumnya, dibanding dengan 49% pada NaI(Tl) untuk photodioda*6).

Sambungan optik antara sintilator dengan photodioda tidak berbeda dengan PMT, mengguna-kan optical greaseO6). Dari pengalaman pemakaian selama ini permukaan sintilator yang lebih luas terhadap permukaan photodioda akan menghasilkan spektrum yang lebih baik dari pada menggunakan sintilator yang lebih kecil.

Tabell. Karakteristik

sinti/ator.

IlK) '(.0)

-"

~-~

1-

-~

~

~

~

~

~

~ *I . ).~!

_...

-::\

~ ' '~'

--,.~-~

I i

;

,..;, e,;:.

: ~\1~;+-_-~I_~:::~

-\:"."\

_\

_.

i

"I: .:_{~ '}

~

.

_-:.

_\

--;"

~

:..

;

.

: I -"L -. -03 ~. 0: ) -.c.c. ..I:.c'D I ~ ",,-."...':;L.;,-;,.-r.. .r~1

Gambar I. Respon spectrum photo dioda Hamamatsu

tipe S3590-80

dan spectrum

emisi beberapa

sintitator.

.~

>-~

..

t;.

~

aA

~

_~

~

.

_.~ ..:.

_i

_:

!T-

..+---+

~ ;2o:J

Prosldlng Pertemuan dan Presentasilimiah F'enelltlan Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologl Nukllr P3TM-BATAN Yogyakarta, 7 -8 Agustus 2001

ISSN 0216 -3128

215

Setyadi WS, dkk.

PiN Photodioda-

Sintilator.

Secara singkat urutan proses terjadinya kelipatan adalah sebagai berikut. Apabila sumber radiasi pengion melewati kristal, maka elektron pada kristal tersebut meningkat sampai ke conduction band. Sehingga pada pita valensi terbentuk hole, hal ini menyebabkan terjadinya eksitasi. Apabila pusat aktivasi meningkat sampai ke excited state oleh karena penyerapan elektron, hole dan eksitasi, maka akan terjadi peristiwa deeksitasi yang diikuti dengan pancaran photon-photon:"). Photo dioda mempunyai karakteristik respon spec-trum yang cocok dengan spektrum emisi beberapa sintilator, seperti pada Gambar 2 di bawah ini.

r

RIc~'"

t;t~

,',...ITE:

_~

buatan BICRON yang diletakkan pada p-I-n Photodioda tipe 83590-08 buatan HAMAMA T8U dengan menggunakan optical grease yang

berfungsi pula sebagai pemandu cahaya. Kristal sintilator CsI(Tl) bersama photo dioda dan penguat hibrid tipe H4083 beserta perlengkapan elektronik lainnya, kemudian dikemas dalam aluminium berbentuk sili.iJer yang kedap cahaya. Hal ini dilakukan untuk menghindari kesalahan deteksi, karena kristal sintilator CsI(Tl) dan photo dioda

mendeteksi photon.

Penguat awal dan penguat menggunakan teknologi hybrid component sehingga dihasilkan dimensi, derau dan daya yang lebih kecil. 8pesifikasi teknis penguat awal dan penguat sebagai berikut :

Polaritas masukan/keluaran : Polaritas terbalik Penguatan muatan : 0,5 V/pico Coulomb

22 mV/Mev (8i)

Derau : 550 elektron FWHM

Konstanta Feedback : 50 M .0. /2pF Waktu bangkit (Cj=O pF) : < 30 ns

Waktu Jatuh : 100 ~s

Tegangan of set DC : -0,6 V Catu Tegangan ::t 12 V Konsumsi daya : 150 m W

Dimensi :(24xl0x4) mm) , 9 pin Dimensi penguat hibrid ini seperti pada Gambar 3. Gambar 2. Krisla/ sinli/alor dilelakkan pa

da Photo dioda.

Buffer Amplifier

Penguat awaI

Bila suatu detektor semikonduktor seperti Si digunakan untuk mendeteksi soft x-ray dan gamma tenaga rendah ataupun tinggi, sinyal keluarannya berupa muatan yang lemah dan lebar pulsa beberapa puluh nano detik. Detektor sebagai

elemen deteksi, mempunyai sifat kapasitip dan impedansi sangat tinggi. Oleh karena itu diperlukan penguat operational dalam mode integrator dengan menggunakan umpan balik kapasitor. Karena penguat ini memiliki impedansi masukan tinggi dan mengintegrasikan pulsa-pulsa muatan yang lemah, serta mengubah menjadi pulsa tegangan sehingga dihasilkan impedansi keluaran rendah. Oleh karena sifut operasinya tersebut, maka penguat ini disebut penguat awal peka muatan.

Agar supaya keluaran penguat Hibrid Hamamatsu model H4083 dapat dideteksi oleh peralatan lain. Maka diperlukan buffer amplifier. Selain itu difungsikan pula sebagai inverter yang membalik polaritas masukan/keluaran. Komponen yang digunakan adalah komponen standard yang banyak digunakan dalam instrumentasi nuklir.

Sedang gambar detektor secara keseluruhan termasuk penguat peka muatan dtunjukan oleh Gambar 4 dan Gambar S.

HASIL DAN PEMBAHASAN

TATA KERJA

Pada pengujian detektor Csl(TI )-pin Photo dioda digunakan peralatan sebagai berikut : 1. Add on Card Multi Channal Analyzer 16 K

Kanal

2. Osiloskop Textronix Digunakan kristal sintilator Csl(Tl)

ber-bentuk kubus dengan dimensi 10 x 10 x 10 mm3

Proaldlng Pertemu.n dan Preaentaal IImlah Penelltl.n Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologl Nukllr P3TM-BATAN Yogyakarta. 7 -8 Aguatua 2001

ISSN 0216 -3128 Setyadi WS, dkk.

216

Gambar 3. Bentukfisik dan dimensi penguat hibrid Hamamatsu model H 4083.

Digunakan sumber radio aktip standard Cs-137 yang ditempatkan didepan detektor dengan jarak sekitar 40 cm. Jarak yang cukup ini dapat dilihat dari waktu mati MCA. Pada pengujian ini waktu mati MCA peralatan yaitu penguatan kasar, penguatan halus clan pengaturan lainnya diatur sedemikian dihasilkan waktu mati sekitar 15%.

Pengujian detektor yang dirakit dilakukan dengan menggunakan mode live time 1000 detik sedangkan detektor pembanding dicacah selama 2000 detik. sehingga dihasilkan spektrum yang baik untuk dianalisis, yaitu ditandai jumlah cacah yang cukup besar (dalam orde ribuan cacah pada photo-peak). Hasil pencacahan sumber radioaktip standard Cs-137 dengan detektor CsI(TI) seperti pada lampiran I clan 2. Dari spektrum ini dihitung FWHM (Full Width Half Maksimum) dari spektrum Cs-137. Perhitungan menggunakan fasilitas analisis yang dimiliki MCA didapatkan FWHM sebesar 8,99 % untuk detektor yang dirakit clan 10,72 % untuk detektor buatan Crismatex. 3. Bin Module

4. Penguat pembentuk pulsa 5. Personel komputer

6. Sumner radiasi standard Cs-137 -7. Kabel dan peralatan lainnya.

Parameter yang diamati adalah spektrum sumber radio aktip standard dan tenaga gamma minimum. -Untuk mendapatkan kedua parameter ini perlu diamati spektrumnya oleh Multi Channel Analyzer (MCA) dengan mencacah sumber radiasi standard. Parameter ini merupakan spesifikasi yang lazim diberikan oleh produsen detektor. Untuk memberi-kan gambaran tentang penelitian sejenis, digunamemberi-kan pembanding yaitu detektor CsI(Tl) buatan

Cri-matex yang menggunakan kristal sintilator ber-bentuk kubus ukuran (lxIxl)cm3 .Kedua detektor tersebut diuji dengan peralatan yang sarna.

a. Pengamatan

Spektrum

,- Hy~rtd preamplifier

I J

!

-~

~;

~ ~

'3 +

_...

'ts'L

Phot<.KlK>d~ Scintillation LTY.\tal

Reflector

Aluminum Dody ,O.S nwil

"--Gambar 4. Detektor Cs/(T/) beserta penguat peka muatan.

-Prosldlng Pertemuan dan Presentasl IImlah Penelltlan Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologl Nukllr P3TM-BATAN Yogyakarta. 7 -8 Agustus 2001

Setyadi WS, dkk. ISSN 0216-3128

₂₁₇

waktu mati. Sebelum dilakukan pencacahan sumber standard dengan menggunakan MCA, perlu diamati clan diatur besamya waktu mati, agar diperoleh pencacahan yang optimum. Pencacahan optimum antara lain ditandai dengan kecilnya waktu mati MCA sebesar <1%. Untuk itu diatur Low Level Discriminator (LLD) MCA, sehingga pulsa dengan tenaga minimal tertentu saja yang diproses atau tidak didiskriminator.

b. Tenaga

Gamma

Minimum

Selain FWHM, parameter yang perlu diamati adalah besamya aras derau. Aras derau adalah besamya derau yang berasal dari derau electronik ataupun derau karena sinar kosmis ataupun lingkungan, umumnya muncul pacta tenaga rendah. Derau ini perlu didiskriminasi atau tidak dicacah, karena aI~an mengakibatkan tingginya

PEMBAHASAN

tidak dapat dihilangkan sehubungan dengan sifat fisis Si-PIN photo dioda yang digunakan

Hal yang dirasakan adalah efisiensi detektor yang rendah, disebabkan karena bentuk geom..etri kristal daD photo dioda yang relatif kecil. Hal ini mudah dikenali dengan jumlah cacah yang lebih kecil dibandingkan dengan detektor sintilasi NaI(TI), untuk mencapai jumlah cacah yang sarna.

Penggunaan catu daya detektor yang memerlukan tegangan rendah sebesar :I: 24 Volt merupakan salah satu keunggulan dibandingkan dengan detektor sintilasi NaI(TI) ataupun detektor OM.. Berkurangnya derau elektronik pada catu daya amat berpengaruh terhadap stabilitas spektrum tinggi pulsa. Stabilitas spektrum tinggi pulsa ini merupakan salah satu syarat yang harus dipenuhi pencacahan radiasi nuklir. Derau elektronik sebesar <110 KeV, merupakan batas bawah tenaga gamma yang bisa dideteksi oleh detektor ini.

1. Pengujian dengan

sumber radioaktip

Pengujian menggunakan sumber radioaktif standard biasanya menggunakan Cs-137, kemudian diukur beberapa parameternya. Dari hasil pengujian tersebut didapatkan hasil sebagai berikut

Resolusi : 8,9~1 %

Aras derau : Kurang dari 110 key Catudaya :+12V,-12Vdan+24V

Dari data pengukuran daD spektrum yang dihasilkan, Detekt()r Csl(Tl)-pin photo dioda yang dirakit ini memiliki sifat-sifat yang sarna dengan detektor Sintilasi CsI(TI) buatan Crismatex. Hal ini nampak dari spektrum ~~il pencacahan dengan

sumber standar Cs-137.

Selain hal itu kekurangan dari detektor sintilasi CsI(Tl) aljalah adanya tenaga minimum, yaitu besarnya tenaga minimum dimana detektor Csl(Tl) ini laYilk dioperasikan. Dari hasil pencacahan Cs-137 didapatkan tenaga minimum lebih kecil dari 110 keV. Tenaga minimum ini

2. Penguat awal

Sambungan optis antara Sintilator dengan photo dioda tidak berbeda dengan sambungan

Prosldlng F'ertemuan dan Presentasilimiah Penelltlan Oasar IImu Pengetahuan dan Teknologl Ntlkllr P3TM-BATAN Yogyakarta, 7 -8 Agustus 2001

218

ISSN 0216-3128 _{Setyadi WS, dkk.}

UCAPAN TERIMA KASm

NaI(T1) yang menggunakan optical grease. Sambungan antara sinti1ator CsI(TI) dengan photo dioda 1ebih menguntungkan dari pada menggunakan PMT. Parameter yang penting adalah rendahnya fluktuasi statistik pada pembangkit muatan atau dengan kata lain adanya peningkatan resolusi detektor, hila noise elektronik dapat ditekan. Besarnya Equivalent Noise Charge (ENC) seperti pada persamaan (1)

Penulis menyampaikan ucapan terima kasih kepada Mr. Kazuaki SHIMIZU dari Electronic Division, Department Engineering Services, Tokai Research Establishment -JAERI-JAPAN selama mengikuti program STA tahun 1997 atas penyediaan komponen, diskusi clan kerjasama yang baik.

DAFTAR PUSTAKA

1. Glenn F. Knoll., Radiation Detection and Measurement, John Wiley and Son, New York, Brisbane, Toronto Singapore (1979). 2. Nicholas Tsoulfanidis., Measurement and

Detection of radiation, Hemisphere Publishing Corporation, New York, London, Washington, Philadelphia (1972).

3. G .Bellia at all, 1977, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 38,5 halaman 116-112.

4. Makino at all, 1994, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 353 halaman

453-456.

5. Bird at all, 1994, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 353 halaman 46-49.

6. V.Prat at all, 1996, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 369 halaman 617-621.

7. 'Si Photodioda and Charge sensitive amplifier for Scintillation Counting and High Energy Physics' Hamamatsu-Co, Hamamatsu Japan,

1997.

8. Setyadi Ws dkk."Detektor Cs(ltl)-PIN PHOTODIODE Untuk Renograf Jinjing" Prosiding Temu Ilmiah Dua Tahunan Perhimpunan Kedokteran & Biologi Nuklir Indonesia, Semarang 12 Desember 1998.

TANYAJAWAB

Bambang Supardiyono

-Contoh detektor adalah hasil penelitian di Jepang dengan perlengkapan cukup lengkap untuk perakitan sendiri memerlukan ruang kedap udara, mohon dijelaskan tehnik

pelaksanaan pembuatan. Mohon penjelasan.

Prosldlng Perlemuan dan Presentallilimiah Penelltlan Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologl Nukllr P3TM-BATAN Yogyakarta, 7 -8 Agustus 2001

dim ana t adalah shaping time (l.1s), Id adalah dark current photo dioda (nA), ~ tahanan total (G?), C jumlah kapasitas kondensator parallel (pF), gm

adalah FET transconductance clan ai, ~ adalah konstanta. Pada umumnya besarnya noise sebanding dengan bl:sarnya kapasitor parallel C, hila dark current dipertahankan pada jangkau nA. Pada hybrid charge sensitive preamp yang digunakan, didesain dengan ENC yang rendah yaitu sebesar kurang dari 1 keY pada kapasitansi

--₀₁(6) II .

Dari bentuk fisik yang kecil clan kompak, yang terdiri dari detektor, penguat awal, penguat hibrid, maka tinggal diperlukan rangkaian luar berupa rangkaian diskriminator, catu daya clan antar:muka serta komputer laptop untuk mengkonstruksi peralatan spektroskopi gamma dalam berbagai bentuk clan keperluan. Dengan konsumsi daya yang rendah clan bentuk yang kompak ini memudahkan konstruksi peralatan tersebut lebih andal.

KESIMPULAN

Dari basil perkitan clan pengujian detektor CsI(TI)-PIN photodioda dapat disimpulkan : I. Detektor ini memiliki kelebihan antara lain

bentuk yang lebih kompak, tidak memerlukan catu daya tegangan tinggi clan mampu mendeteksi gamma dengan jangkau ukur tenaga yang sarna dengan detektor Sintilasi NaI(TI). 2. Untuk pemakaian tertentu detektor ini memiliki

keunggulan dibandingkan detektor Sintilasi NaI(TI), dari segi harga, bentuk yang kompak clan catu daya.

3. Oari basil pengujian detektor CsI(TI)-pin Photodiode, didapaikan unjuk kerja yang lebih baik, terbukti dari resolusi detektor sebesar 8.99% dibandingkan dengan 10,72 % buatan Crismatex.

219

ISSN 0216 -3128

Setyadi WS, dkk.

Setyadi

WS

-Pada pembuatan detektor CsI (Fl)- PIN Photo dioda tidak memerlukan kondisi ruangan atau tempat khusus, ataupun peralatan khusus.

Prosldlng Pertemuan dan Presentasillmiah Penelitlan Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologl Nuklir P3TM-BATAN Yogyakarta, 7 -8 Agustus 2001