EKSPERIMEN TEKNIK KOINSIDENSI (KORELASI WAKTU) ASOSIASI PARTIKEL ALPHA GAMMA PADA PGFNAA

Transkripsi

1 Volume 13, Januari 2012 ISSN Dewita, Darsono, Irianto Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan - BATAN Jln. Babarsari Kotak Pos 6101 ykbb Yogyakarta dewit@batan.go.id ABSTRAK EKPERIMEN TEKNIK KOINSIDENSI (KORELASI WAKTU) ASOSIASI PARTIKEL ALPHA GAMMA PADA PGFNAA. Teknik PGFNAA (Prompt Gamma Fast Neutron Alpha Assosiated) menawarkan kemampuan lebih dari pada beberapa sistem inspeksi konvensional dalam mendeteksi bahan-bahan berbahaya seperti bahan peledak atau narkoba. Tehnik ini menggunakan waktu koinsidensi antara partikel gamma dan alpha untuk mengurangi cacah latar yang dihasilkan oleh neutron cepat tidak hanya interaksinya dengan obyek tetapi juga dengan material di sekelilingnya. Tulisan ini melaporkan eksperimen yang telah dilakukan dalam usaha menyusun peralatan yang menangkap peristiwa koinsiden antara partikel alpha dan gamma. Walaupun hasilnya belum sempurna tetapi telah terjadi pengurangan latar 100 % di luar daerah energi yang menjadi perhatian untuk cuplikan air dan grafit Kata kunci : Gamma Prompt Neutron Cepat Asosiasi Alpha partikel ABSTRACT COINCIDENCE TECHNIQUES (TIME CORRELATION) ALPHA-GAMMA PARTICELS ASSOCIATED EXPERIMENTS ON PGFNAA. PGFNAA (Prompt Gamma Fast Neutron Alpha Associated) techniques offers capabilities far beyond those of the conventional inspection system to detect hazardous materials such as explosives or drugs. This technique uses the time coincidence between alpha and gamma particles to reduce the background produced by fast neutron interactions not only with the objects but also with the surrounding material. This paper reports the experimental setup that have been conducted to capture coincident events between alpha and gamma particles. Although not perfect, but the reduction of the background almost 100 % had been obtained on the outside area of the spectrum energy interest for water and graphite samples. Keyword : Prompt Gamma Fast Neutron Alpha Associated Particles PENDAHULUAN T eknik PGFNAA atau beberapa artikel menyebut associated particle sealed-tube neutron generator (APSTNG)[1] ada juga yang menyebutnya Tagged Neutron Method (TMN) [2] dipakai untuk mendeteksi bahan-bahan yang tersembunyi dan berbahaya seperti bahan peledak atau obat-obat terlarang seperti kokain heroin dll. yang ada dalam kontainer[1,2,3]. Bahan-bahan tersebut mengandung unsur-unsur seperti C,N,O & Cl dengan perbandingan tertentu sebagai contoh Cocaine hydrochloride (C 17 H 22 ClNO 4 ) dan TNT (C 7 N 3 O 6 ). Pusat Teknologi Akselerator dan Proses bahan (PTAPB) memiliki mesin generator neutron cepat 14 MeV Tipe SAMES J25 buatan pabrik Perancis tahun Dengan dukungan dari kementrian Ristek melalui Program Insentif Peningkatan Kinerja Peneliti dan Perekayasa (PKPP), PTAPB mengaplikasikan Generator Neutron untuk PGFNAA[4]. Prinsip kerja dari PGFNAA adalah dari reaksi 3H(d,n)4He yaitu deutron dipercepat menabrak target tritium menghasilkan neutron dengan energi 14 MeV. Setiap neutron berasosiasi dengan partikel alpha 3.2 MeV yang bergerak bertolak belakang dengan arah neutron. Berkas neutron yang dihasilkan arahnya 90º relatif terhadap berkas deutron sedang berkas alpha 81.7 terhadap berkas deutron, dengan demikaian antara alpha dan neutron membentuk sudut [3]. Neutron dengan energi 14 MeV menabrak objek yang diamati terjadi reaksi tumbukan inelastic A(n,n γ )A yang menghasilkan radiasi γ serentak. Dengan hanya mengamati γ atau Dewita, dkk 149

2 ISSN Volume 13, Januari 2012 memproses sinyal γ yang berkorelasi dengan α maka diharapkan akan mengurangi cacah latar dan memunculkan puncak-puncak unsur yang diamati, Pada experimen kali ini unsur yang diamati air (O) dan grafit (C). Dalam makalah ini diuraikan ekperimetal setup yang dilakukan untuk mencapai harapan tersebut. TATA KERJA EKSPERIMEN SET UP Eksperimen pendahuluan dilakukan dengan menyusun peralatan yang menangkap peristiwa koinsiden. Peralatan yang dibutuhkan dalam mensetup sistem koinsidensi adalah sebagai berikut 1. Sumber radiasi simulasi, Persyaratan pemilihan sumber radioaktif sebagai simulasi dalam mensetup peralatan adalah mempunyai unsur koinsiden, Am-241 merupakan salah satu sumber radiasi yang pernah dicoba dipakai sebagai sumber simulasi, hasilnya kurang memuaskan [5]. Pada eksperimen kali ini menggunakan unsur Na-22, yang menghasilkan bentukan pasangan dengan energi 511 kev sebagai sumber koinsidensi karena pasangan ini bergerak saling bertolak belakang seperti halnya γ dan α pada PGFNAA, dan pulser untuk mengetahui waktu tunda alat. 2. Detektor Dibutuhkan 2 buah detektor sebagai penangkap alpha (Yap-Ce) dan gamma (NaITl). Diawali dengan konfigurasi NaITl-NaITl, kemudian Yap(Ce )-NaITl 3. Perangkat pemroses sinyal waktu dalam hal ini sebagian besar peralatannya menggunakan NIM modul buatan Ortec.[6] 4. Multichannel Analyser (MCA) yang memiliki gerbang, untuk mempresentasikan spektrum yang dihasilkan dari sinyal yang tidak digerbang (normal) dan sinyal yang di gerbang (koinsiden) Ada 2 konfigurasi yang dilakukan pada percobaan pendahuluan yaitu konfigurasi TSCA (Timing Single Chanel Analyser )-CFD (Constant Fraction Discriminator) seperti Gambar 1 dan CFD-CFD seperti Gambar 2. Hasil setup dengan waktu koinsiden terkecil dipakai dalam eksperimen PGFNAA dengan cuplikan air dan grafit. HASIL DAN PEMBAHASAN 1. Konfigurasi TSCA-CFD Pada konfigurasi TSCA-CFD sinyal keluaran dari CFD lebih dahulu datang dari pada sinyal keluaran TSCA seperti pada Gambar 3, dan sinyal spektrum dan sinyal gerbang datang bersamaan seperti pada Gambar 4. Diasumsikan TSCA untuk alpha karena energi alpha yang dihasilkan tunggal yaitu 3.2 MeV sehingga jendelanya dapat digunakan, sedangkan CFD untuk gamma. Dengan mengganti pulser dengan detektor NaITl dan menggunakan sumber Na-22 disusun rangkaian seperti pada Gambar 5 spektrum waktu yang dihasilkan seperti pada Gambar 6. Kanal 8192 ekivalen dengan 1 µs, puncak pada kanal 4474 berarti selisih waktu koinsiden 2 pulsa terbanyak pada 546 ns. Spektrum yang dihasilkan dengan MCA digerbang pada posisi koinsiden, seperti pada Gambar 7, untuk spektrum normal yaitu gerbang off seperti pada Gambar 8. Gambar 1. Konfigurasi TSCA- CFD. Gambar 2. Konfigurasi CFD-CFD. 150 Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Teknologi Akselerator dan Aplikasinya Vol. 13, Januari 2012 :

3 Volume 13, Januari 2012 ISSN Gambar 3. Selisih waktu sinyal keluaran CFD dan TSCA 165ns. Gambar 4. Sinyal keluaran Amplifier dan gerbang tepat koinsiden. Gambar 5. Rangkaian konfigurasi TSCA-CFD.. Gambar 6. Spektrum waktu. Gambar 7. Spektrum energi Na-22 dengan gerbang (koinsiden). Dewita, dkk 151

4 ISSN Volume 13, Januari 2012 Gambar 8. Spektrum energi Na-22 tanpa gerbang (normal). 2. Konfigurasi CFD-CFD Pada konfigurasi CFD-CFD, dengan menggunakan sumber simulasi pulser didapat selisih signal keluaran dari kedua CFD 10 ns seperti pada Gambar 9, selisih ini tergantung juga dengan eksternal delay pada CFD. Gambar 10 merupakan selisih signal spektrum dan gerbang yaitu 120µs. Agar signal gerbang dan signal spektrum dapat koinsiden maka signal spektrum harus digeser menggunakan delay amplifier. Dengan mengganti pulser dengan detektor Yap-Ce sebagai penangkap α dan detektor NaITl sebagai penangkap γ, untuk konfigurasi seperti pada Gambar 10, sinyal gerbang dan sinyal spektrum dapat tepat koinsiden setelah digeser 2.2µs seperti pada Gambar 11. Waktu puncak koinsiden untuk 225ns seperti pada Gambar 12, sangat sulit mendapatkan spektrum waktu koinsiden karena detektor Yap-Ce tidak menghasilkan puncak tenaga 511keV seperti pada Gambar 12. Spektrum normal yang didapatkan seperti pada Gambar 13 dan untuk digerbang koinsiden seperti pada Gambar 14. Spektrum normal yang didapatkan seperti pada Gambar 15, sedangkan yang digerbang koinsiden seperti pada Gambar 16. Gambar 9. Sinyal keluaran CFD-CFD 10 ns gerbang. Gambar 10. Sinyal keluaran amplifier dan koinsiden, selisihnya 120 µs. Gambar 11. Konfigurasi CFD-CFD pada eksperimen Yap(Ce)- NaITl. 152 Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Teknologi Akselerator dan Aplikasinya Vol. 13, Januari 2012 :

5 Volume 13, Januari 2012 ISSN Gambar 12. Atas sinyal gerbang, bawah sinyal spektrum. Gambar 13. Spektrum waktu koinsiden energi 511keV dari detektor Yap(Ce) dan NaITl pada configurasi CFD-CFD, TPHC diset maksimum 400 ns. Gambar 14. Spektrum yang terbentuk dengan detektor Yap(Ce) sumber Na-22. Dewita, dkk 153

6 ISSN Volume 13, Januari 2012 Gambar 15. Spektrum normal Na-22 (tanpa gerbang koinsiden). Gambar 17. Spektrum normal dengan cuplikan air. Gambar 18. Spektrum koinsiden dengan cuplikan air. Gambar 16. Spektrum koinsiden Na-22 (dengan gerbang koinsiden). Dengan menggunakan konfigurasi CFD-CFD diterapkan pada generator neutron dengan sampel air dan grafit hasilnya seperti pada Gambar 17 dan Gambar 18 untuk spektrum normal dan spektrum koinsiden sample air. Gambar 19 dan 20 untuk spektrum normal dan spektrum koinsiden sample grafit Pada cuplikan air, energi oksigin 2.74 MeV, 3.68 MeV, 4.44 MeV, 5.11 MeV, 5.62 MeV dan 6.13 MeV.. Pada cuplikan grafit energi karbon dan MeV. Sistem koinsiden dan detektor belum mampu memisahkan puncak energi yang selisih 950 kev. Pada Tabel 1 terlihat pada daerah di luar Energi oksigin maupun karbon supresi mendekati 100 %. Gambar 19. Spektrum normal grafit. 154 Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Teknologi Akselerator dan Aplikasinya Vol. 13, Januari 2012 :

7 Volume 13, Januari 2012 ISSN Gambar 20. Spektrum koinsiden grafit. Tabel 1. Supresi yang terjadi dari jangkau energi kev. Jangkau Energi kev Gross Normal Gross Koinsiden % Supresi Grafit Air Grafit Air Grafit Air Puncak Normal Koinsiden Energi kev FWHM kev Cacah puncak Cacah Area KESIMPULAN Sistem koinsiden sudah bekerja dan dapat mereduksi latar di luar daerah energi cuplikan hampir 100 %. Puncak-puncak energi oksigin maupun karbon belum terpisah dengan baik. UCAPAN TERIMAKASIH Ucapan terima kasih kami sampaikan pada Rakis Ismanto dan Jani B Setiawan yang telah menyiapkan peralatan modul-modul instrumentasi dan detektor dalam kondisi baik serta Suradji dan Bonijan sebagai operator generator neutron atas kerja samanya. DAFTAR PUSTAKA 1. RHODES, Advance in Associated Particels Sealed Led Tube Neutron Probe Diagnostics for Subtance Detection, Argone National Laboratory RE Building 9700 S. Cass Ave., Argonne,USA 2. V.M. BYSTRITSKY, et al, DviM- A Stationary Setup for Identification of Explosive, Vederal Security Service, Rusia Dewita, dkk 155

8 ISSN Volume 13, Januari SABLAGUS, ET AL, Hidden substances identification bydetection of fast neutron induced x ray using associated a particel technique Departement of Experience Physicws, Rud-er Bosskovic Institute, P.O. Box 180, Zagreb, Croatia 4. DARSONO, dkk, Pengembangan Aplikasi Akselerator Generator Neutron Untuk Deteksi Narkoba dan Bahan Peledak Program Insentif Peningkatan Kemampuan Peneliti Dan Perekayasa Tahun Irianto, dkk, Persiapan Sistem Instrumentasi Nuklir Tehnik Assosiasi Partikel Alpha untuk PGFNA Menggunakan Akselerator Generator Neutron, Prosiding Seminar Akselerator, Aplication Note AN42,, Principles and Application of Timing Spectroscopy,Ortec. TANYA JAWAB M. Rosyid 1. Cita cita penelitian ini adalah untuk mendeteksi narkoba, dll sedangkan sampel yang digunakan adalah air. Berapa prosentase hasil penelitian dibandingkan dengan tujuan penelitian? 2. Mengapa sampael yang dipakai air? Dewita 1. Air mewakili unsur oksigen yang merupakan unsure dari bahan bahan berbahaya jadi dilihat agar mampu mendeteksi oksigen. 2. Masih jauh dari cita cita karena untuk mencapainya sangat tergantung pada Generator Neutron, elektronika, dan analisis (softwarenya). Yang penting sebagai langkah awal penelitian ini mampu mendeteksi adanya unsur C, O, dan N yang menjadi penyusun unsur bahan bahan berbahaya. W. P. Daeng Beta Mengapa puncak puncak oksigen dan karbon belum dapat terpisah dengan baik? Apakah ada kendala teknis/khusus? Jika diterapkan dengan detektor dengan resolusi tinggi misalnya HPGe, apakah dapat teratasi masalah tersebut? Dewita Beberapa literatur memberikan informasi untuk detektor semikonduktor (HPGe) tidak baik/dianjurkan untuk tidak dipakai di medan radiasi neutron kecuali dishielding terhadap neutron dengan baik. Karena pada eksperimen ini shielding detektor HPGe yang diperlukan belum tersedia maka digunakan Detektor NaITl. Tidak terpisahnya puncak puncak oksigen dan karbon disamping karena resolusi detektor perlu diteliti lebih lanjut, apakah kestabilan dari α yang dihasilkan oleh generator neutron juga mempengaruhi. 156 Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Teknologi Akselerator dan Aplikasinya Vol. 13, Januari 2012 :