RESPON ENERGI DAN KALIBRASI SPEKTROMETER SINAR-X DENGAN DETEKTOR CDTE TERHADAP SUMBER RADIASI
TERSTANDAR
Karya Tulis Ilmiah
Ni Kadek Nova Anggarani, S.Si., M.Si.
198811292019032021
PROGRAM STUDI FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
LEMBAR JUDUL
RESPON ENERGI DAN KALIBRASI SPEKTROMETER SINAR-X DENGAN DETEKTOR CDTE TERHADAP SUMBER RADIASI
TERSTANDAR
Karya Tulis Ilmiah
Ni Kadek Nova Anggarani, S.Si., M.Si.
198811292019032021
ABSTRAK
Radiasi merupakan bentuk energi yang datang dari suatu sumber yang mana dapat menembus berbagai jenis bahan disepanjang lintasan yang dilaluinya. Sinar-x merupakan salah satu jenis radiasi pengion, sinar-x sendiri dapat dikatagorikan menjadi dua yaitu sinar-x karakteristik dan sinar-x bremstrahlung. Perbedaan dari dua jenis sinar-x ini terletak pada cara menghasilkan spektrum energinya. Adapun alat yang dapat digunakan untuk mendeteksi pelepasan gelombang energi sinar-x adalah spektrometer. Pengujian awal berupa tanggapan dan kalibrasi energi diperlukan untuk penggunaan alat lebih lanjut, dimana diperlukan pengkalibrasian kanal untuk memudahkan pengguna dalam memperkirakan besar energi yang tertangkap oleh spectrometer. Pengukuran dilakukan dengan menggunakan sumber standar Am-241, Ba-133, Cs-163, Eu-152. Dari pengujian dan pengamatan diperoleh hasil respon yang baik yang memiliki kelinieran tinggi terhadap energi dimana puncak energi yang terdeteksi merupakan pancaran energi yang bernilai dibawah 100 keV. Persamaan energi yang diperoleh adalah sebesar y = 0.1708x - 0.1834 dengan nilai regresi satu. Sehingga dapat disimpulkan bahwa spektrometer memiliki kerja dan respon yang baik pada daerah kerja dibawah 100 keV.
Kata kunci : radiasi, sinar-X, respon, spektrometer
KATA PENGANTAR
Puji syukur kehadiran Tuhan Yang Maha Esa, atas segala rahmat-Nya sehingga penulisan dapat menyelesaikan penulisan karya ilmiah yang berjudul“Respon Energi Dan Kalibrasi Spektrometer Sinar-X Dengan Detektor CdTe Terhadap Sumber Radiasi Terstandar”. Penulis mengucapkan terimakasih kepada seluruh pihak yang telah membantu dan mendukung terselesaikannya karya tulis ilmiah ini. pada kesempatan kali ini penulis ingin mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada :
1. Seluruh keluarga besar penulis yang senantiasa tanpa henti memberikan semangat dan dorongan serta doanya agar penulis dapat menyelesaikan karya tulis ilmiah ini
2. Rekan - rekan di Program Studi Fisika FMIPA Universitas Udayana yang telah memberikan bantuan berupa dukungan dan informasi dalam penulisan.
3. Sayi, dan Ratna selaku teman seperjuangan yang tak henti menyemangati dan mengingatkan penulis untuk menyelesaikan tulisan ini
Penulis menyadari bahwa pemaparan materi dalam karya tulis ilmiah ini masih jauh dari sempurna dan masih terdapat keterbatasan dalam penyampaiannya. Oleh karena itu penulis mengharapkan saran dari pembaca agar penulis dapat menghasilkan karya yang lebih baik lagi kedepannya.
Bukit Jimbaran, 14 Januari 2019
Ni Kadek Nova Anggarani
DAFTAR ISI
LEMBAR JUDUL ... 2
LEMBAR IDENTITAS DAN PENGESAHAN ...i
ABSTRAK ...ii
KATA PENGANTAR ...iii
DAFTAR GAMBAR ...vii
DAFTAR TABEL ...viii
BAB I ... 1
PENDAHULUAN ... 1
1.1. Latar Belakang ... 1
1.2. Rumusan masalah ... 2
1.3. Tujuan ... 2
1.4. Manfaat ... 2
BAB II... 3
TINJAUAN PUSTAKA ... 3
2.3 Metode Pengukuran Radiasi ... 6
2.3.1. Mode pulsa ... 7
2.3.2 Mode Arus ... 7
2.4 Jenis- jenis detektor ... 7
2.4.1 Detektor isian gas... 8
2.4.2 Detektor Sintilasi ... 9
2.4.3 Detektor Semikonduktor ... 14
2.5. Detektor CdTe ... 16
2.6. Sinar-x karakteristik ... 16
2.7. Sumber Radiasi ... 18
2.7.1 Amerisium 241 ... 18
2.7.2 Barium 133 ... 19
2.7.3 Cesium 137 ... 19
2.8 Kalibrasi energi ... 19
BAB III ... 21
METODOLOGI... 21
3.1 Alat dan Bahan ... 21
3.2. Metode Penelitian... 21
3.2.1. Perangkaian alat ... 21
3.2.2. Pengukuran spektrum energi ... 22
3.2.3. Kalibrasi Energi ... 22
3.3. Diagram Alir Kerja... 24
BAB IV ... 25
HASIL DAN PEMBAHASAN ... 25
BAB V... 31
PENUTUP ... 31
5.1 Kesimpulan ... 31
5.2 Saran ... 31
DAFTAR PUSTAKA ... 32
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2. 1 Kontruksi alat ukur radiasi ... 4
Gambar 2. 2 kejadian pelepasan elektron saat terkena radiasi ... 5
Gambar 2. 3 Proses sintilasi; penyerapan energi radiasi (kiri) dan pemancaran cahaya (kanan) ... 6
Gambar 2. 4 Skema Detektor Radiasi... 8
Gambar 2. 5 proses terjadinya pancaran cahaya dalam sintilator ... 10
Gambar 2. 6 Skema Photomultiplier tube (PMT) ... 13
Gambar 2. 7 Struktur Pita energi ... 14
Gambar 2. 8 Diagram level energi untuk atom bernomer atmik tinggi ... 17
Gambar 3. 1 Sumber radiasi ... 21
Gambar 3. 2 Rangkaian alat spektrometer sinar-x ... 22
Gambar 4. 1 Spektrum sumber Ba-133... 26
Gambar 4. 2 Kalibrasi antara energi dan nomor salur/kanal... 28
Gambar 4. 3 Perbandingan gambar perolehan spektrum dengan dan tanpa kolimator (a) pengukuran sumber Am-241 dan (b) Eu-152... 29
Gambar 4. 4 Efisiensi detektor CdTe terhadap energi ... 30
DAFTAR TABEL
Tabel 1.1 Energi dan keboleh jadian beberapa jenis isotop ... 3 Tabel 2.1 Hasil Pengukuran Spektrum Energi sinar-x ... 27
BAB I PENDAHULUAN 1.1.Latar Belakang
Radiasi merupakan bentuk energi yang datang dari suatu sumber yang mana dapat menembus berbagai jenis bahan disepanjang lintasan yang dilaluinya. Terdapat dua jenis radiasi yaitu radiasi non pengion dan radiasi pengion. Adapun jenis radiasi yang akan dibahas di tulisan ini adalah jenis radiasi pengion, dikatakan pengion karena ia dapat menghasilkan partikel bermuatan dalam bahan. Radiasi jenis ini dihasilkan oleh atom tak stabil atau alat dengan tegangan tinggi seperti mesin sinar-x (Cherry, 2019).
Sinar-x merupakan salah satu jenis radiasi pengion, sinar-x sendiri dapat dikatagorikan menjadi dua yaitu sinar-x karakteristik dan sinar-x bremstrahlung.
Perbedaan dari dua jenis sinar-x ini terletak pada cara menghasilkan spektrum energinya.
Adapun jenis sinar-x yang akan diamati pada penelitian ini adalah sinar-x karakteristik yang merupakan pancaran sinar-x yang dihasilkan secara alami oleh suatu elemen ketika elektron melakukan transisi antar level energi pada kulit atom. Adapun alat yang dapat digunakan untuk mendeteksi pelepasan gelombang energi sinar-x adalah spectrometer (Cember,2000).
Sumber standar merupakan suatu material pemancar radiasi yang telah diketahui besar aktivitasnya, besar energi yang dipancarkan serta nilai energi dominan yang dipancarkan. Jenis sumber ini umumnya digunakan untuk menguji kelayakan alat monitoring radiasi. Sehingga pengukuran dengan sumber radiasi standar merupakan hal yang wajib dilakukan secara berkala.
Pengujian awal berupa tanggapan dan kalibrasi energi diperlukan untuk penggunaan alat lebih lanjut, dimana diperlukan pengkalibrasian kanal untuk memudahkan pengguna dalam memperkirakan besar energi yang tertangkap oleh spektrometer. Hal ini kemudian akan memudahkan dalam menentukan besaran energi sinar-x dan gamma yang dipancarkan oleh suatu bahan yang tidak diketahui jenis nya.
1.2.Rumusan masalah
Berdasarkan latar belakang tersebut maka rumusan masalah yang dapat disimpulkan adalah: Bagaimanakah respon spektrometer sinar-x dengan detektor CdTe dan bagaimanakah hasil kalibrasi energi dan kanal energi spektrometer tersebut?
1.3.Tujuan
Karya tulis ini bertujuan untuk memberikan informasi respon dan kurva kalibrasi spektrometer sinar-x dengan detektor CdTe energi yang kedepannya dapat digunakan untuk mempermudah pembacaan data dengan alat tersebut.
1.4. Manfaat
Penelitian ini diharapkan dapat memberikan manfaat bagi para peniliti maupun mahasiswa yang akan menggunakan spektrometer tersebut sehingga penggunaan alat menjadi tepat dan efisien.
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Radiasi
Radiasi merupakan suatu pancaran energi yang dapat menembus bahan yang dilaluinya dan menginduksi pelepasan elektron. Energi nuklir merupakan salah satu jenis radiasi, bersifat tak terihat dan tak dapat dirasakan oleh panca indera
2.1.1.Energi Radiasi
Energi radiasi adalah tenaga yang dilepaskan oleh suatu sumber radiasi yang mana tenaga ini dapat mengakibatkan ionisasi. Tingkat energi sumber radiasi nuklida umumnya dipengaruhi oleh jenis radionuklida adapun beberapa jenis radionuklida yang biasa digunakan dalam standarisasi alat ukur radiasi adalah ditunjukan pada tabel 1.1.
Tabel 1.1 Energi dan keboleh jadian beberapa jenis isotope (Anonim, 2019)
Jenis radionuklida Energi Keboleh jadian
Americium-241 59 KeV 35.9%
Barium-133 30.973 KeV 62%
Cesium-137 661.66 KeV 85.2%
2.2 Peralatan pengukuran radiasi
Alat pengukur radiasi terdiri dari alat penunjang dan detektror. Kedua komponen ini umum ditemui pada alat pengukuran radiasi adapun yang dimaksud dengan detektor adalah suatu bahan yang sensitive terhadap radiasi pengion yang mana ketika terjadi interaksi antara detektor dan radiasi maka akan timbul suatu reaksi yang dapat teramati atau terdeteksi. Peralatan penunjang adalah peralatan yang umumnya berupa peralatan elektronik yang berfungsi mengubah respon detektor menjadi suatu data yang dapat
diamati oleh panca indera dan biasanya dapat melakukan pengolahan informasi lebih lanjut. Gambar 2.1 menunjukan struktur kontruksi alat pengukuran radiasi.
Gambar 2. 1 rangkaian alat ukur radiasi (batan,2019)
Detektor radiasi memiliki kemampuan untuk mengukur suatu perubahan yang terjadi pada suatu bahan, ketika bahan tersebut terkena atau berinteraksi dengan sumber radiasi pengion. Adapun jenis interaksi yang dapat dialami oleh bahan detektor dan umum digunakan adalah proses ionisasi dan sintilasi (Batan, 2019).
2.2.1 Proses Ionisasi
Salah satu peristiwa fisik yang terjadi pada atom adalah ionisasi, yang mana ionisasi pada suatu bahan dapat mengakibatkan elektron terlepas dari orbital dan mengakibatkan suatu molekul mengalami kelebihan ion positif (Bailey, 2014). Gambar 2.2 menunjukan proses pelepasan elektron oleh atom akibat pemberian energi oleh sumber
Gambar 2. 2 kejadian pelepasan elektron saat terkena radiasi (Akbar, 2019) Selain eksitasi, radiasi juga dapat menyebabkan terbentuknya pasangan ion. Banyak pasangan ion yang terbentuk, sebanding dengan besar energi yang diserap. Dimana dapat dijabarkan dengan rumusan berikut:
=
(1)Dimana E merupakan energi radiasi yang terserap oleh bahan, N merupakan jumlah pasangan ion yang terjadi dan w adalah kemampuan ionisasi dari bahan penyerap
Pada peristiwa ionisasi, energi radiasi yang ad diubah untuk kemudian digunakan untuk memproduksi pelepasan elektron. Jika diberikan medan listrik eksternal pada peristiwa ini, maka elektron yang terlepas akan bergerak kearah kutub positif. Karena adanya pergerakan muatan yang diwakilkan oleh elektron yang terlepas ini, maka dihasilkan suatu arus listrik. Kenaikan arus yang timbul akibat peristiwa ini berbanding lurus dengan besar energi radiasi yang terserap oleh bahan (Batan, 2019).
2.2.2 Peristiwa Sintilasi
Merupakan peristiwa munculnya percikan cahaya saat terjadi perpindahan elektron dari tingkat energi yang lebih tinggi ke tingkat energi yang lebih rendah di dalam detektor, apabila terdapat kekosongan elektron pada orbit yang lebih dalam. Posisi elektron yang kosong disalah satu sub energi ini dapat diakibatkan karena terlepasnya elektron atau berpindahnya elektron ke tingkat energi yang lain ketika terkena radiasi.
Pada proses sintilasi, energi radiasi kemudian digunakan untuk menghasilkan pancaran cahaya tampak (Leo, 1994). Sehingga semakin besar energi radiasi yang diserap oleh bahan maka semakin banyak percikan cahaya yang dihasilkan . Gambar 2.3 menunjukan proses pendaran cahaya yang terjadi sebagai akibat pelepasan kelebihan energi yang diberikan oleh radiasi pengion (Knoll, 1989).
Gambar 2. 3 mekanisme sintilasi; pemancaran cahaya (kanan) sebagai akibat dari
2.3.1. Mode pulsa
Mode pulsa ini mengubah seluruh interaksi bahan dengan radiasi menjadi informasi pulsa listrik. Dimana hubungan interaksi radiasi dan bahan dengan pulsa listrik memiliki hubungan yang linier yaitu pulsa listrik yang bannyak mengindikasika interaksi radiasi yang tinggi. Energi dari sumber radiasi disini mempengaruhi perolehan tinggi pulsa listrik yang dihasilkan.
Alat ukur ini menyimpan informasi berupa banyak cacahan selama kurun waktu pengukuran tertentu disertai dengan tinggi pulsa listrik. Total pulsa listrik sebanding dengan banyaknya interaksi yang terjadi antara bahan dan detektor, dimana tinggi pulsa listrik akan setara dengan besar energi radiasi.
2.3.2 Mode Arus
Alat dengan mode arus menangkap radiasi pada detektor tidak mengubahnya menjadi pulsa listrik melainkan jumlahnya diakumulasikan dan di kalkulasi sebagai rerata jumlah energi radiasi dibagi satuan waktu yang kemudian ini akan diubah menjadi arus listrik. Pada mode ini juga berlaku kesebandingan antara aliran arus dengan banyaknya energi radiasi yang terserap oleh detektor. Pada metode perubahan energi menjadi arus, pengukuran arus dilakukan secara akumulatif. Dimana informasi yang ditampilkan berupa intensitas radiasi yang berinteraksi dengan detektor. (Batan,2019).
2.4 Jenis- jenis detektor
Terdapat beberapa jenis detektor diantaranya yaitu
2.4.1 Detektor isian gas
Merupakan detektor yang berbentuk gas dan bekerja dengan memanfaatkan interaksi komponen gas yang diberlakukan sebagai detektor dengan radiasi pengion.
Adanya interaksi radiasi pengion dengan detektor menyebabkan terlepasnya elektron dari atom detektor sehingga atom menjadi kehilangan elektron dan bersifat positif dan terbentukan elektron bebeas yang dikenal dengan ion negatif. Jenis dan besar energi menentukan banyaknya pasangan ion yang dihasilkan.
Detektor jenis ini umumnya memiliki bentuk silinder yang mana bagian silinder ini terisi oleh gas dan dilengkapi oleh dua buah elektroda.elektroda negatif merupakan bagian dinding tabung yang berfungsi juga sebagai selubung gas. Bagian tengah tabung berisi kawat yang berfungsi sebagai elektroda positif, kedua elektroda ini akan bekerja seperti halnya kapasitor yaitu sebagai penyimpan muatan listrik. Gambar 2.4. menunjukan skema rangkaian komponen yang ada pada detektor radiasi.
sesuai dengan muatannyamenuju plat dengan muatan berlawanan dimana pada katoda akan terjadi pengumpula ion bermuatan positif dan pada anoda akan terkumpul ion negatif. Karena pemisahan muatan menuju kutub-kutub tersebut maka terjadi pengurangan jumlah muatan listrik disepanjang elektroda. Akibatnya terjadi penurunan tegangan antar elektroda akibat jumlah muatan yang berkurang, sebagai mana dirumuskan sebagai berikut:
∆ =
∆ (2.2)∆Q = Ne (2.3)
sehingga diperoleh
∆ =
(2.4)Dengan merujuk pada rumusan diatas, maka dapat diketahui bahwa jumlah pasangan ion yang terjadi akan sebanding dengan penurunan tegangan. Hasil cacahn radiasi muncul sebagai akibat dari perubahan tegangan..
2.4.2 Detektor Sintilasi
Detektor sintilasi umumnya terdiri dari 2 bagian yaitu sintilator dan photomultiplier.
materi sintilator dapat berupa suatu bahan padat, cair, maupun gas, bersifat organic maupun anorganik yang mana bahan ini dapat menghasilkan pendaran atau percikan cahaya apabila brinteraksi dengan radiasi pengion. Photomultiplier merupakan suatu alat yang digunakan untuk mengubah percikan cahaya yang dihasilkan oleh bahan sintilator menjadi pulsa listrik. Terdapat 2 tahap mekanisme pendeteksian radiasi pada detektor jenis ini yaitu:
proses pengubahan radiasi yang mengenai detektor menjadi percikan cahaya didalam bahan sintilator
proses pengubahan percikan cahaya menjadi pulsa listrik dalam tabung photomultiplier.
Bahan Sintilator
Pada kristal bahan sintilator terdapat suatu level energi tertentu yang memisahkan pita valensi dan pita konduksi. Pada keadaan dasar tidak terdapat elektron pada pita konduksi karena seluruh elektron berada pada pita valensi. Ketika terjadi interaksi antara radiasi dengan Kristal maka akan ada sebagian energi yang diserap oleh beberapa elektron yang berada di pita valensi dan mengakibatkan elektron dapat berpindah dengan cara meloncat menuju pita konduksi melewati jarak energi. eberapa saat kemudian elektron ini akan kembali ke pita valensi sembari melepaskan cahaya tampak guna melepaskan energi tambahan yang diserap dari energi radiasi agar dapat kembali kekeadaan awal (Knoll,1989;Batan, 2019)
Prinsip kerja detektor sintilasi
Sintilasi adalah salah satu jenis detektor radiasi yang tertua karena ketika itu pengukuran dapat dilakukan dengan film fotografis. Gambar dapar dikumpulkan atau pengukuran intensitas dapat dilakukan. Pengukuran juga dapat dilakukan dengan pengamatan secara langsung terkait kecerahan atau kilatan dalam sintilator. Saat ini cahaya keluaran ini diubah menjadi pulsa tegangan yang diproses dengan cara yang sama dari pencacah proporsional, inti dari detektor sintilasi yaitu menghasilkan banyak cahaya keluaran pada jangkauan cahaya tampak. Terdapat dua jenis sintilator yaitu sintilator organic dan sintilator anorgnik kedua jenis sintilator ini memiliki mekanisme kerja yang berbeda (Knoll,1989)
Sintilator organic bergantung pada struktur kisi Kristal. Pada kisi Kristal murni anorganik seperti NaI, elektron hanya dapat menempati pita energi tertentu. Pita terlarang atau jarak pita merupakan jangkauan energi yang mana eektron tidak akan pernah ditemukan dalam Kristal murni. Pada Kristal murni, penyerapan energi dapat memungkinkan elektron dari pita valensi bergerak mnuju pita konduksi meninggalkan jarak pada pita valensi. Meskipun demikian, kembalinya elektron ke pita valensi dengan mengeluarkan emisi foton merupakan suatu proses yang tidak efisien, karena jarak pita yang besar pada Kristal murni sehingga foton yang diemisikan seringkali lebih tinggi dari jangkauan spektrum cahaya tampak. Untuk mengatasi masalah ini, maka diperlukan pengotor untuk ditambahkan pada Kristal, yang biasa disebut dengan activator adapun perubahan yang terjadi pada jarak pita energi akibat penambahan pengotor ditunjukan oleh gambar 2.6.
Gambar 2.6. struktur pita energi Kristal anorgnik
(https://www.science.mcmaster.ca/radgrad/images/6R06CourseResources/4R6Notes4_S cintillationDetectors.pdf)
Sintilator organic memiliki kerja yang berbeda dimana pada jenis Kristal ini, sintilasi muncul akibat struktur kisi Kristal. Pendaran pada bahan organic muncul dari transisi dalam tingkat energi molekul tunggal dan oleh karenanya pendaran dapat diamati secara mandiri secara fisis. Sintilator organic yang memiliki sifat simetris berkaitan dengan struktur elektronnya. Energi dari partikel bermuatan diserap dan mengeksitasikan elektron ke keadaan tunggal yang dilabeli sebagai S1,S2, S3 seperti pada gambar 2.7.
Tiap sintilator umumnya memiliki tabung pengali foton (Potonmultiplier Tube(PMT)). Baik digunakan untuk mengubah pendaran menjadi sinyal
Gambar 2.7. tingkat energi pada Kristal organik
https://www.science.mcmaster.ca/radgrad/images/6R06CourseResources/4R6Notes4_Sc intillationDetectors.pdf
Gambar 2. 6 mekanisme kerja tabung Photomultiplier (PMT) (Stabin, 2007)
2.4.3 Detektor Semikonduktor
Semikonduktor merupakan suatu bahan yang mulai banyak digunakan sebagai bahan detektor. Detektor jenis ini diketahui memiliki banyak kelebihan salah satu kelebihan detektor yaitu ukurannya yang dapat dibuat lebih kecil dari detektor jenis lainnya. Bahan semikonduktor merupakan suatu bahan yang berbentuk padat sehingga ia memiliki kerapatan massa yang jauh lebih rapat dibandingkan dengan gas. Sebagai akibatnya, maka ukuran detektor dapat jauh diperkecil tanpa mengurangi kemampuan kerjanya. Umumnya detektor jenis ini digunakan untuk pengukuran radiasi gamma dan elektron energi tinggi karena energi dua jenis radiasi ini relative tinggi sehingga dapat menembus bahan detektor. Kisi periodik dari material Kristal menentukan batas pita energi dari elektron untuk tetap berada pada material. Energi dari elektron dalam material murni dapat menunjukkan satu dari pita energi, yang mana pita energi ini dipisahkan oleh gap atau jarak dari energi terlarang. Penjelasan ini menjadi lebih sederhana seperti ditunjukkan oleh gambar 2.7 (Knoll,1989)
Prinsip Kerja Detektor Semikonduktor
Detektor ini dioperasikan dengan bantuan pemberian medan listrik eksternal, dimana medan listrik eksternal ini akan mengumpulkan elektron hasil interaksi detektor dengan radiasi.untuk dapat mendeteksi range energi tertentu maka diperlukan suatu pertimbangan dalam pemilihan bahan penyusun detektor semikonduktor ini. Terdapat tiga mekanisme interaksi radiasi pengion dengan bahan yang dapat terjadi selama penyinaran yaitu efek fotolistrik, hamburan Compton dan produksi pasangan. Efek fotolistrik menyerap seluruh energi yang diberikan ke elektron sehingga dihasilkan suatu aliran arus.
Pada hamburan Compton energi yang diserap hanya sebagian dimana energi ditransfer sebagian pada elektron terluar. Produksi pasangan hanya bisa terjadi apabila energi radiasi bernilai diatas 1,02 MeV, dan menghasilkan pasangan berupa elektron dan positron.
Dimana pada keadaan ini energi akan mempengaruhi medan coulomb inti dan inti atom.
Dari ketiga interaki yang terjadi efek fotolistrik memegang peranan penting dalam pemberian informasi terkait energi foton yang terserap oleh atom utamanya pada energi rendah (Sordo, 2009).
Seperti halnya ember ionisasi yang bekerja dengan mode pulsa begitu pula dengan spectrometer dengan detektor semikondukter juga bekerja dengan mode ini. Interaksi yang terjadi melalui dua proses pembentukan elektron yaitu melalui efek fotolistrik dan hamburan Compton dimana pada keadaan ini foton mengalami pengurangan energi akibat pembentukan elektron dan hole melalui efek fotolistrik ini dapat diketahui bahwa jumlah pasangan elektron dan hole yang terbentuk sebanding dengan energi foton yang berinteraksi dengan detektor. Kemudian elektron dan hole akan bergerak kearah berlawanan sesuai dengan muatan masing–masing (Sordo, 2009; Debertin, 1988).
2.5. Detektor CdTe
Pasangan elektron dan hole dibentuk oleh interaksi atom CdTe dengan radiasi pengion gamma dan sinar-x. Untuk tiap 4,43 eV penyerapan energi radiasi dan interaksi didominasi oleh efek fotolistrik dan hamburan Compton. Semakin tebal detektor CdTe maka kemampuan pembentukan elektron dan hole akan meningkat (Amptek, 2008).
Campuran CdTe umumnya memiliki nomer atom antara 48-52. Semikonduktor jenis ini memiliki kemampuan yang baik dalam penggunaan pada suhu ruang. Hal ini disebabkan oleh jarak pita energi yang cukup besar yaitu sebesar 1,47 eV. Detektor CdTe memiliki kerentanan interaksi fotolistrik yang 5 kali lebih dominan dibandingkan dengan detektorr germanium dan 100 kali lebih besar dari detektor silikon (Knoll,1989).
Detektor jenis ini bekerja dengan tegangan tinggi, akan tetapi tegangan yang diberikan tidak boleh terlalu tinggi guna menghindari terjadinya kebocoran arusyang kemudian dapat mengakibatkan konsleting. Tegangan yang tinggi mengakibatkan kenaikan suhu, dimana suhu ini akan melebihi suhu kamar. Sehingga diperlukan penggunaan pendingin untuk menghindari peningkatan suhu yang tinggi akibat penggunaan tegangan tinggi.
Pendinginan yang digunakan disini merupakan pendingin termoelektrik yang
garis spektrum atom. Level energi tempat kejadian emisi sinar-x karakteristik pada atom bernomer atom tinggi yaitu pada kulit atom n,l,j dan mjseperti ditunjukan oleh gambar.
Hanya transisi tertentu yang diperbolehkan yang memenuhi aturan khusus yang dapat menghasilkan sinar-x.
Aturan yang terjadi untuk menghasilkan transisi karakteristik adalah:
∆l = ± 1 dan ∆j = 0 atau ± 1 dengan tidak boleh ada perpindahan dari j =0 ke j=0.
Energi yang dilepaskan melalui transisi elektronik dipengaruhi oleh nomer atom Z dari atom penyerap dan nomer kuantum kulit atom yang terlibat dalam transisi elektrik.
Gambar 2. 8 diagram level energi untuk atom bernomer atmik tinggi
Transisi antar elektron kulit terluar dapat juga menghasilkan foton tampak dan disebut juga sebagai transisi optis; transisi antar kulit atom dalampada atom bernomer atom tinggi dapat menghasilkan sinar-x dan disebut sebagai transisi sinar-x (Podgorsak, 2006)
2.7. Sumber Radiasi
Untuk mengetahui apakah alat atau detektor bekerja dengan baik, maka diperlukan pengukuran atau pengamatan respon energi alat terhadap vairasi energi gamma yang dipancarkan oleh suatu sumber isotope yang telah terstandarisasi. Kalibrasi energi dapat juga dilakukan melalui pengukuran energi dari sumber radiasi dengan penggunaan minimum dua sumber radiasi. Terdapat empat sumber radiasi terstandar di BATAN PTKMR yang memancarkan radiasi sinar-x dan gamma yaitu Am-241, Ba-133, Cs-137, dan Eu-152
2.7.1 Amerisium 241
Amerisium merupakan logam berwarna putih keperakan yang menjadi kusam ketika terkena udara kering pada suhu ruang. Americium bukanlah unsur alami melainkan unsur yang dihasilkan secara buatan melalui reaksi penangkapan neutron oleh isotopes
2.7.2 Barium 133
Barium tergolong logam berat yang memiliki kelimpahan tinggi dialam. Merupaan unsur alami bernomer atom 56 dan bermassa atom 133. Memiliki waktu paruh 10,54 tahun dengan pancaran radiasi gamma dan sinar-x serta beta. Dapat dideteksi dengan metode sintilasi, ion chamber dan Geiger muller (Stanford, 2019; CNSC,2018).
2.7.3 Cesium 137
Merupakan sumber radioaktif yang mana menghasilkan barium-137 pada proses peluruhannya. Terbentuk secara spontan ketika material radioaktif seperti uranium dan plutonium menyerap neutron dan mengalami reaksi fisi. Cesium memiliki waktu paruh sepanjanng 30.1 tahun dan ia memancarkan radiasi beta dan gamma serta sinar-x (Nuclear Data, 2019).
2.8 Kalibrasi energi
Kalibrasi energi diperlukan untuk memberikan gambaran kelinieran kerja dari spectrometer terkait dengan hubungan kanal dan energi yang diperoleh pada pengamatan spektrum gamma dan sinar-x suatu sumber radiasi terstandar yang telah diketahui karakter energinya dan kemudian dicacah oleh detektor.
Perolehan persamaan hubungan antara kanal dan energi pancaran radiasi didapatkan dengan metode kuadrat terkecil yang diperoleh dengan melakukan pengolahan data pengukuran dan parameter terkait dengan menggunakan program Microsoft excel.
Setelah melalui pengolahan pada software tersebut maka akan diperoleh persamaan inieritas dan besar kefisin regresi yang menunjukan keeratan hubungan antar dua variable tersebut. Hubungan ditunjukan dengan parameter yang berada di sumbu absis x sebagai
nomer kanal dan sumbu Y sebagai variable terikat yaitu energi. Persamaan umum linieritas adalah
y = a + bx (2.5)
dengan: y adalah energi sinar-X(KeV), x adalah nomor kanal a dan b merupakan bilangan konstanta linier (Wijono, 2006)
BAB III METODOLOGI
3.1 Alat dan Bahan
Alat dan bahan yang digunakan pada penelitian ini dalah sumber radiasi standar Cs- 137 berbentuk cair, Eu-152 berbentuk cairan dalam tabung, sumber padat Am-241 dan Ba-133.
Gambar 3. 1 sumber radiasi 3.2. Metode Penelitian
Langkah–langkah yang dilakukan pada penelitian ini yaitu:
3.2.1. Perangkaian alat
Sebelumnya seluruh komponen alat dipersiapkan terlebih dahulu adapun komponen alat yang dimaksud yaitu computer, spectrometer dan sumber radiasi berupa sumber standar yang telah diketahui aktivitas dan besaran energi yang dipancarkan.
Kemudian alat disusun dengan urutan sebagai berikut:
Amplifier XR-100T dan detektor dihubungkan dengan Multi Channel Analyzer PX4 dengan menggunakan kabel penghubung sesuai dengan gambar 3.2. adapun kabel penghubung berfungsi menghubungkan amplifier dengan MCA dan MCA dengan computer.melalui kabel usb. Pada perangkaian ini alat juga disambungkan dengan sumber listrik AC yang sebelumnya dilalui pada adaptor arus listrik. Setelah semua komponen alat terhubung maka kemudian MCA dinyalakan dengan menekan tombol power hingga terdengan suara beep
Gambar 3. 2 rangkaian alat spektrometer sinar-x 3.2.2. Pengukuran spektrum energi
Pengukuran dilakukan dengan cara mendekatkan sumber pada bagian detektor,
Seluruh sumber radionuklida kemudian dicacah dan perolehan data yang berupa data kanal dan energi sesuai kebolehjadian dan tinggi puncak dicatat dan diolah dengan menggunakan program Microsoft Excel guna memdapatkan nilai regresi dan persamaan yang menunjukan hubungan antara kanal dan besar energi sumber radionuklida.
3.3. Diagram Alir Kerja
Mulai
Persiapan Spektrometer, Persiapan Sumber Standar Am-241, Ba-133, Cs-137, Eu-132
Pengukuran Sumber Standar
Spektrum Energi
Tidak muncul spektrum Muncul spektrum
Mencocokan dengan data teori
Membuat kurva kalibrasi
BAB IV
HASIL DAN PEMBAHASAN
Spektrometer memiliki sifat pengukuran spektrum yang relatif, karena sifatnya yang relatif inilah maka sebelum digunakan alat sebaiknya dikalibrasi dengan sumber radioaktif standar yang telah diketahui besar energi dan kelimpahannya.
Puncak yang ditunjukan pada hasil pengukuran keseluruhannya akan sebanding dengan energi yang dilepaskan oleh sumber radionuklida pemancar radiasi gamma dan sinar-x yang juga akan sesuai dengan nilai atau tingkat keboleh jadian (kelimpahan) dari pancaran energi tersebut.seperti yang ditunjukan pada tabel peluruhan masing – masing radionuklida secara teoritis.
Alat ini memiliki amplifier sebagai penguat pulsa yang dianggap sebagai parameter utama dari hasil pengukuran yang mana kemudian tinggi pulsa yang diperoleh ini dianggap setara dengan banyak nya kejadian interaksi antara sumber radiasi gamma dan sinar-x dengan bahan detektor. MCA pada rangkaian alat sendiri juga berfungsi mengumpulkan cacahan dengan tinggi energi yang sama dalam satu kanal yang sama.
Gambar 4. 1 spektrum sumber Ba-133
Gambar 4.1 merupakan hasil pengamatan spektrum energi sinar-x dan gamma untuk radionuklida Ba-133 dimana tinggi rendah dan posisi spektrum energi ini dicocokan dengan data energi dan probabilitas pancarannya. Dimana menurut teori energi radiasi dengan keboleh jadian tertinggi untuk Ba-133 adalah energi dengan besar 35 KeV dan menyusul disebelahnya yaitu energi dengan besar 53 KeV..
Pada penelitian ini, digunakan tiga jenis radio isotope yaitu Am-241, Ba-133, Cs- 137 untuk memperoleh kurva kalibrasi energi sinar-x. pengukuran dan pengamatan
Tabel 2 Hasil Pengukuran Spektrum Energi sinar-x Sumber Kanal Energi
(KeV)
FWHM Kelimpahan (%)
Kondisi sumber
Keterangan Jenis radiasi Am-
241
83.01 13.9 2.493 13.3 Padat Dengan
kolimator
Sinar-X
105.5 17.8 2.400 19.4 Sinar-X
123.71 20.8 2.566 4.9 Sinar-X
155.59 26.3 2.259 2.4 Gamma
350.09 59.5 3.233 35.9 Gamma
Ba-133 182.24 35 3.870 24.6 padat Dengan
kolimator
Sinar-X
206.31 53 2.684 2.0 Sinar-X
475.74 80 3.966 3.0 Gamma
Cs-137 189.39 32.19 4.022 3.68 Cair Tanpa
kolimator
Sinar-X
214.37 36.5 3.146 1.34 Sinar-X
Data yang diperoleh dari pengukuran seperti yang ditampilkan pada tabel 4.1 kemdian di olah dengan menggunakan Microsoft Excel dan diolah dengan menggunakan plot regresi linier antara saluran kanal dan energi sehingga diperoleh grafik hubungan antara dua variable tersebut seperti ditunjukan oleh gambar 4.2
Gambar 4. 2 kalibrasi antara energi dan nomor salur/kanal
Gambar 4.2 menunjukan perolehan hasil kalibrasi antara nomer salur cacahan dan energi, melalui gambar dapat dilihat bahwa kelinieran kerja detektor sangat baik dengan nilai koefisien regresi yang bernilai satu. Nilai energi dapat diprediksi dikemudian hari dengan memasukan nomer salur kedalam persamaan regresi sebagai variable x adapun persamaan yang diperoleh adalah
y = 0.1708x - 0.1834 (4.1)
Merujuk pada tabel 4.1 maka dapat dilihat perbedaan perolehan nilai lebar
y = 0.1708x - 0.1834 R² = 1
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
Energi (KeV)
No Saluran
Eu-152, puncak energi yang tertangkap juga menjadi lebih tinggi dan sempit. Resolusi spektrum yang berbeda ini terjadi karena sistem alat pengukur tidak mampu bekerja dengan efektif akibat laju kerja yang tinggi sehingga pengolah sinyal menjadi terlalu sibuk dan gagal memproses sinyal yang masuk dan kehilangan informasi cacahan, waktu mati dan factor – factor elektrik lainnya dapat juga mempengaruhi perolehan hasil spektrum dengan dan tanpa kolimator (Amptek,2008).
Gambar 4. 3 perbandingan gambar perolehan spektrum dengan dan tanpa kolimator (a) pengukuran sumber Am-241 dan (b) Eu-152
Perolehan hasil pengukuran menunjukan bahwa spektrum energi yang terdeteksi adalah jenis radiasi gamma dan sinar-x dengan pancaran energi dibawah 250 keV. Hal ini diakibatkan oleh daerah kerja detektor yang hanya efektif dibawah energi 100 keV. Energi gamma dan sinar-x rendah mampu menginduksi pembentukan pasangan elektron dan hole yang kemudian akan terbaca sebagai aliran arus akibat interaksi dengan radiasi pengion.
Detektor CdTe ini memiliki efisiensi kerja yang tinggi pada energi rendah seperti yang ditunjukkan oleh gambar 4.4. pada gambar juga dapat dilihat bahwa kerja detektor mengalami penurunan respon karena interaksi dominan yang terjadi pada bahan detektor bukan lah energi foto listrik lagi, sebagaimana diketahui bahwa interaksi dominan yang terjadi pada energi dibawah 251 keV adalah efek fotolistrik yang memegang peranan penting dalam pembentukan pasangan elektron dan hole.
Gambar 4. 4 efisiensi detektor CdTe terhadap energi (Amptek, 2008)
BAB V PENUTUP 5.1 Kesimpulan
Spektrometer sinar-X jenis ini memiliki respon yang baik terhadap sumber radiasi pengion dengan energi dibawah 100 keV. Hal ini disebabkan oleh interaksi radiasi pengion dengan materi penyusun Detektor yang memiliki efektifitas kerja yang baik pada range energi ini. Pembentukan pasangan elektron dan hole pada bahan semikondukter berlangsung maksimum pada range energi sinar-X rendah dan mengalami kegagalan pada tingkat energi yang lebih tinggi. Akibatnya spektrum energi menjadi tak dapat terbaca.
Proses kalibrasi kanal yang dilakukan menunjukan kemampuan kerja spectrometer yang baik, dimana berdasarkan hasil perhitungan dan pengolahan pada software Microsoft excel ditunjukan nilai regresi yang sama dengan satu sehingga dapat disimpulkan bahwa hasil pencacahan menunjukan kelinieran yang tinggi terhadap keboleh jadian energi yang dipancarkan oleh radionuklida.
5.2 Saran
Diperlukan jenis radionuklida yang lebih banyak dengan pancaran energi dominan dibawah 100 keV untuk menguji respon dan membuat kurva kalibrasi
DAFTAR PUSTAKA
Akbar, joely.2011. Mekanisme Detektor Radiasi Nuklir diakses di http://bukitcemaracitraindah.blogspot.com/2011/07/mekanisme-detektor-radiasi- nuklir.html. Tanggal 28 oktober 2019
Anonim. https://www.science.mcmaster.ca/radgrad/images /6R06Course Resources /4R6Notes4_Scintillation Detector s.pdf . diakses tanggal 28 november 2019
Amptek Inc. 2008. Operating Manual XR-100T CdTe X-Ray Detektor and Preamplifier With PX4 Digital Pulse Processor and Power Supply. Amptek Inc.USA
ANL, 2001. Human Health Fact Sheet.
http://hpschapters.org/northcarolina/NSDS/americium.pdf diakses tanggal 28 desember 2019
Bailey, D.L, dkk. 2014. Nuclear Medicine Physics: A Handbook For Teachers and Student. IAEA. Vienna
Batan. www.batan.go.id/pusdiklat/elearning/Pengukuran_Radiasi/_ private/ Prinsip%
20Dasar .pdf. diakses tanggal 8 november 2019
CNSC.2018.Radionuclide Information Booklet. Ottawa: Canadian Nuclear Safety Commision
Debertin,klaus, 1988, Gamma and X-Ray Spektrometry With Semiconductor Detektors, Physical Science and Engineering. Division Elsevier Science Publishers, Amsterdam Knoll, Glenn F. 1989. Radiation Detection and Measurement. John Wiley & Sons.
Canada.
Leo, William R. 1994. Techniques for Nuclear and Particle Physics Experiments.
Springer: Berlin
Nuclear Data. http://nucleardata.nuclear.lu.se/toi/nuclide.asp?iZA=550137. Diakses tanggal 5 desember 2019
Nucleide. http://www.nucleide.org/DDEP_WG/Nuclides/Am-241_tables.pdf. diakses tanggal 5 desember 2019
Podgorsak, Ervin B. 2006. Radiation Physics for Medical Physicists. Springer : Canada Sordo,Stefano Del. 2009. Progress in the Development of CdTe and CdZnTe
Semiconductor Radiation Detektor For Astrophysical and Medical Applications.Sensors.3491-3526.
Stabin, Michael G. 2007. Radiation Protection and Dosimetry: An Introduction to Health Physics. Springer: New York
Stanford. https://ehs.stanford.edu/reference/ba-133-radionuclide-fact-sheet. Diakses tanggal 5 desember 2019
Wijono, dan Rosdiani. 2006. Kalibrasi Energi dan Efisiensi Detektor HpGe Model Gc1018 Pada Rentang Energi 121 Sampai 1408 keV Dengan Sumber Standar Eu-152 LMRI. Prosiding pertemuan dan presentasi ilmiah fungsional teknis non peneliti
14 %
SIMILARITY INDEX
13 %
INTERNET SOURCES
0 %
PUBLICATIONS
5 %
STUDENT PAPERS
1 9 %
2 1 %
3 1 %
4 < 1 %
5 < 1 %
6 < 1 %
7 < 1 %
8 < 1 %
Respon Energi Dan Kalibrasi Spektrometer Sinar-X Dengan Detektor Cdte Terhadap Sumber Radiasi Terstandar
ORIGINALITY REPORT
PRIMARY SOURCES
documents.mx
Internet Source
infonuklir.com
Internet Source
id.123dok.com
Internet Source
www.scribd.com
Internet Source
Submitted to Universitas Jember
Student Paper
rramdhanni.blogspot.com
Internet Source
www.proteksiradiasi.com
Internet Source
triyadirikky06.blogspot.com
Internet Source
< 1 %
10 < 1 %
11 < 1 %
12 < 1 %
13 < 1 %
14 < 1 %
15 < 1 %
16 < 1 %
17 < 1 %
Internet Source
Submitted to Sriwijaya University
Student Paper
lib.unnes.ac.id
Internet Source
id.scribd.com
Internet Source
galacks.blogspot.com
Internet Source
text-id.123dok.com
Internet Source
Submitted to Universitas Diponegoro
Student Paper
Submitted to Universitas Sebelas Maret
Student Paper
es.scribd.com
Exclude bibliography Off
