RANCANGAN AWAL PERISAI RADIASI MESIN BERKAS ELEKTRON DUET

Transkripsi

1 RANCANGAN AWAL PERISAI RADIASI MESIN BERKAS ELEKTRON DUET Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan - Badan Tenaga Nuklir Nasional Jl. Babarsari Kotak Pos 6101 ykbb Yogyakarta rany@batan.go.id ABSTRAK RANCANGAN AWAL PERISAI RADIASI MESIN BERKAS ELEKTRON DUET. Telah dibuat rancangan awal perisai radiasi mesin berkas elektron (MBE) DUET. Dengan beroperasinya mesin berkas elektron, maka timbul sinar X yang dapat membahayakan keselamatan dan kesehatan manusia apabila dosisnya berlebihan. Oleh karena itu antara MBE daerah kerja (daerah terkontrol) perlu diberi perisai radiasi demi keselamatan pekerja dari bahaya radiasi. Perisai radiasi berfungsi untuk menahan/mengurangi sinar X yang diterima pekerja radiasi. Rancangan perisai radiasi ini meliputi penentuan bahan, bentuk dan dimensi, mempertimbangkan besarnya sumber radiasi sinar X dan bahan perisai yang digunakan. Perisai radiasi antara MBE daerah kerja dibuat dari bahan timbal (Pb) tebal 2,4 cm, ketentuan laju dosis paparan radiasi 1 mrem/jam. Kata kunci : sinar X, perisai radiasi, mesin berkas elektron ABSTRACT DESIGN OF RADIATION SHIELDING FOR DUET ELECTRON BEAM MACHINE (EBM). Design of the radiation shielding for controlling area of DUET electron beam machine has been made. When electron beam machine is in operation, the X rays will be produced. It is dangerous for health and personal safety, when the radiation dose greater than permissible dose. Therefore between the EBM and working area it is necessary to construct a radiation shielding for personel safety from radiation hazard. The function of radiation shielding is to shield or to reduce X rays. The design of radiation shielding consists of determination of model, dimension and material, with consideration on X ray source and the thickness of shielding material. The radiation shielding between EBM and working area were made from lead (Pb) with 2.4 cm of thickness, with the permissible exposure dose rate of 1 mrem/hour. Key words : X ray, radiation shielding, electron beam machine PENDAHULUAN PTAPB-BATAN Yogyakarta bekerjasama Pemda Kabupaten Landak Kalimantan Barat dan pihak swasta, berencana mendatangkan mesin berkas elektron (MBE) DUET dari Nagata Saiki Jepang untuk keperluan irradiasi lateks karet alam, dalam rangka membangun pilot plant pabrik vulkanisasi lateks karet alam berbasis mesin berkas elektron[1]. Rencananya dalam pengadaan MBE DUET ini ada beberapa komponen yang dibuat oleh PTAPB, satu di antaranya perisai radiasi. Dalam pengoperasian suatu MBE harus diikuti pelaksanaan kegiatan yang berpedoman kepada perundangan yang berlaku. Salah satu bagian yang menjadi perhatian adalah keselamatan personil dari bahaya radiasi yang ditimbulkan MBE ketika beroperasi. Peraturan proteksi radiasi dan ketentuan keselamatan kerja terhadap radiasi didasarkan pada prinsip bahwa bekerja menggunakan sumber radiasi pengion dapat dan boleh dilakukan cara membatasi dosis radiasi yang diterima oleh seseorang (pekerja radiasi) sampai serendah mungkin. RANCANGAN AWAL PERISAI RADIASI MESIN BERKAS ELEKTRON DUET Dalam mesin berkas elektron, partikel elektron yang dipercepat di dalam tabung pemercepat akan menghasilkan berkas elektron energi yang cukup tinggi arus berkas tertentu. Berkas elektron energi tinggi akan ditembakkan/dikenakan pada bahan target. Akan tetapi sebelum terkena pada target, berkas elektron mengenai material sepanjang lintasannya. Akibat interaksi antara berkas elektron material sepanjang lintasannya, akan menghasilkan sinar X. Secara teori sinar X berenergi tinggi cukup berbahaya bagi kesehatan dan keselamatan manusia. Semakin besar tegangan pemercepat MBE, maka semakin tinggi energi sinar X yang dibangkitkan. Demikian pula semakin besar arus berkas elektron yang digunakan, maka semakin besar intensitas radiasi sinar X yang dibangkitkan. Kondisi ini akan menyebabkan besar kecilnya laju dosis paparan pada suatu tempat. Oleh karena itu, fungsi perisai radiasi menjadi sangat penting dalam memberikan keselamatan bagi operator maupun lingkungan dari bahaya sinar X. Perhitungan tebal perisai radiasi akan menentukan kemampuannya dalam menyerap radiasi 23

2 sinar X. Fungsi perisai radiasi harus memenuhi ketentuan keselamatan yang dikeluarkan oleh Badan Pengawas Tenaga Nuklir (BAPETEN), yang intinya adalah ruang penyinaran harus didisain sedemikian rupa sehingga paparan radiasi pada ruang kontrol (control area) tidak melebihi 10 µsv/jam (1 mrem/jam)[2]. Berdasarkan hal tersebut maka perlu dirancang perisai radiasi antara MBE daerah kerja sebagai pengaman radiasi pada saat MBE beroperasi. Perisai radiasi ini direncanakan menggunakan bahanbahan yang cukup efektif untuk menyerap sinar X, seperti timbal atau besi. Perisai radiasi yang dirancang sebagian besar merupakan konstruksi mekanik yang berfungsi untuk menahan/mengurangi radiasi sinar X yang timbul akibat beroperasinya MBE, sehingga tidak membahayakan bagi orang yang bekerja di sekitar MBE. Tebal perisai radiasi dirancang berdasarkan pada besarnya energi dan arus berkas elektron maksimum yang dihasilkan oleh MBE. Berikut ini disampaiakan rancangan perisai radiasi sinar X untuk MBE DUET menggunakan bahan timbal. DASAR TEORI Sinar X akan terbentuk apabila zarah ringan bermuatan, misalnya elektron oleh pengaruh gaya inti atom bahan mengalami perlambatan. Sinar X yang merupakan gelombang elektromagnet yang terbentuk melalui proses ini disebut sinar X bremstrahlung. Sinar X yang terbentuk cara demikian mempunyai energi paling tinggi sama energi kinetik zarah bermuatan pada waktu terjadinya perlambatan. Pada proses bremstrahlung sinar X mempunyai kemungkinan dipancarkan ke segala arah. Jenis radiasi yang mempunyai potensi bahaya bila berada di luar tubuh (eksternal) adalah radiasi neutron, sinar gamma dan sinar X, sebab mempunyai jangkauan yang panjang, daya tembus besar dan bersifat pengion. Radiasi pengion adalah radiasi yang apabila melintasi bahan atau jaringan biologi dapat mengionisasi bahan atau sel jaringan. Proses ionisasi selalu mengubah atom atau molekul, sehingga dapat mengubah struktur molekul yang mengandung atom itu. Jika molekul yang terpengaruh ada dalam sel yang hidup, kadang-kadang sel itu dapat rusak, baik secara langsung, yaitu jika molekul memegang peran menentukan bagi sel, maupun secara tidak langsung melalui perubahan kimia yang terjadi dalam molekul di dekatnya, misalnya melalui terbentuknya radikal bebas. Manusia menerima paparan radiasi yang berasal dari alam (sinar kosmik), sumber radiasi untuk medik (kedokteran), industri dan pekerjaan yang melibatkan pemakaian zat radioaktif dan atau sumber radiasi. Dosis radiasi sekecil apapun sudah dianggap mempunyai efek terhadap jaringan tubuh, meskipun efek tersebut baru terlihat bila dosisnya melebihi dosis ambang. Untuk sumber radiasi yang mempunyai potensi bahaya eksternal, penerimaan radiasi dapat dikurangi pengendalian sebagai berikut: pembatasan jangka waktu kerja pada daerah medan radiasi, pembatasan jarak terhadap sumber radiasi, dan penggunaan perisai radiasi. Dalam kaitannya bahan perisai untuk radiasi sinar X, umumnya dipakai bahan yang mempunyai densitas tinggi seperti beton, besi dan timbal, karena bahan tersebut cukup efektif untuk menyerap radiasi gamma dan sinar X[3]. Perisai radiasi yang dipakai disini harus mampu menahan radiasi sinar X yang timbul akibat beroperasinya MBE, sehingga tidak membahayakan bagi pekerja yang berada di luar ruang MBE. Syarat agar pekerja radiasi tidak menerima dosis melebihi batas maksimum yang diijinkan oleh Badan Pengawas Tenaga Nuklir Nasional, yaitu 20 msv/tahun, maka laju dosis di luar MBE harus 10 µsv/jam (1 mrem/jam)[2]. Pada umumnya, setiap radiasi nuklir yang melewati suatu bahan akan berinteraksi unsur pemebentuk bahan, yang berakibat terpindahnya energi radiasi kepada unsur tersebut. Perpindahan energi akan menyebabkan radiasi terserap dalam bahan tersebut, dimana besar kecilnya jumlah berkas radiasi yang lolos akan tergantung pada besarnya nilai koefisien serapan linier bahan dan tebal bahan. Jika bahan perisai terdiri dari unsur yang murni, maka hubungan antara intensitas radiasi sebelum dan sesudah melewati bahan perisai dapat dinyatakan I = I 0 e -µx (1) I 0 = intensitas radiasi sebelum melewati bahan I = intensitas radiasi setelah melewati bahan µ = koefisien serapan linier bahan (cm-1) x = tebal bahan perisai (cm) Jika I 0 dapat diukur, x diketahui, maka I dapat dihitung atau diukur. Apabila bahan perisai terdiri dari beberapa unsur, maka µ bahan perisai dihitung terlebih dahulu berdasar µ dan fraksi berat masing-masing unsur pemebentuk bahan perisai. Pernyataan ini dapat dituliskan dalam bentuk [4] µ c (m 2 /kg) = Σ w i µ i (m 2 /kg) (2) µ c = koefisien serapan total massa bahan campuran µ i = koefisien serapan total massa unsur pembentuk bahan w i = fraksi berat unsur pembentuk bahan Dalam pembuatan rancangan ini besarnya I 0 belum diketahui, sehingga digunakan metode lain untuk Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Teknologi Akselerator dan Aplikasinya Vol. 15, Oktober 2013 :

3 memperoleh tebal perisai, yaitu persamaan umum perhitungan laju indeks dosis ekivalen, seperti ditunjukkan pada persamaan [5] 2 H m d Bx ( 1, ) (3) D0 T B x = rasio transmisi perisai untuk sinar X H m = batas laju dosis maksimum yang digunakan (mrem jam -1 ) d = jarak antara sumber sinar X titik yang ditinjau D o = indeks laju dosis terserap pada jarak acuan standar 1 m dari sumber sinar X (rads m 2 menit -1 ) T = faktor penempatan Untuk menghitung tebal perisai, harus dihitung terlebih dahulu banyaknya tenth value layer (TVL) persamaan [5] n = log (1/B x ) (4) n = banyaknya TVL. Tebal perisai radiasi dapat dihitung menggunakan persamaan [5] S = T i + (n-1) T e (5) T i = TVL pertama yang langsung berhadapan sumber T e = TVL berikutnya (setelah T i ) S = tebal perisai Untuk lebih amannya tebal perisai radiasi (S) direkomendasikan untuk ditambah 1 half value layer (HVL)[6], sedangkan nilai D 0, T i, T e dan HVL dapat diperoleh cara membaca kurva pada Gambar 2, 3 dan Tabel 4. D 0 dapat dihitung membaca kurva pada Gambar 2. T i dan T e dapat dihitung membaca kurva pada Gambar 3, sedangkan HVL dapat dilihat pada Tabel 4 terlampir. Dari beberapa rumusan di atas diharapkan dapat memberikan pertimbangan rancangan yang lebih terinci serta pembuatan perisai radiasi yang lebih baik. METODOLOGI PENELITIAN Sistem pemercepat elektron DUET adalah mesin berkas elektron berbasis katoda plasma untuk menghasilkan berkas elektron yang luas dan berarus listrik tinggi energi elektron yang relatif rendah (tidak lebih dari 200 kev). Teknologi katoda plasma pulsa yang digunakan dalam sistem ini mampu memberikan sebuah pemercepat elektron efisiensi lebih tinggi, rendah biaya perawatan, dan umur katoda yang lebih panjang dibandingkan sistem konvensional yang menggunakan katoda filamen panas. Adapun spesifikasi utama MBE DUET Nagata Saiki Jepang ini dtunjukkan pada Tabel 1. Gambar 1. Model of DUET electron beam machine. 1. case of DUET electron source, 2. vacuum system, 3. capacitor bank with the power system of plasma emitter, 4. set of high voltage cables, 5. high voltage rectifier RANCANGAN AWAL PERISAI RADIASI MESIN BERKAS ELEKTRON DUET 25

4 Tabel 1. Specification of DUET electron beam machine. Electron Beam Irradiation parameter Main specification Accelerating Voltage (kv) Electron beam current (A) up to 100 Pulse duration (µs) Pulse repletion frequency (Hz) 0,1 50 Average beam power (kw) up to 10 Beam irradiated area (cm 2 ) Gambar 2. X-ray emission rates from high-z targets[5]. Gambar 3. Dose equivalent index tenth value layers for broad beam X-rays in lead[5]. Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Teknologi Akselerator dan Aplikasinya Vol. 15, Oktober 2013 :

5 Perhitungan Tebal Perisai Untuk menentukan tebal perisai dari bahan timbal agar mampu menahan radiasi sinar X sehingga paparan radiasi menjadi 1 mrem/jam, diperlukan perhitungan menggunakan persamaan 3, 4 dan 5 serta data teknis sebagai berikut: MBE DUET: 200 kev/100 A E = 200 kev I = 100 A = ma d (90 0 ) = 0,5 m T = 1 H m = 1 mrem/jam Perhitungan indeks laju dosis serap (D o ) pada arah 90 o terhadap arah berkas elektron, pada jarak 1 meter dari sumber radiasi sinar X sebagai berikut: Dari kurva pada Gambar 2, di mana berkas elektron berinteraksi bahan tungsten (W) arah berkas 90 o terhadap D 0. D 0 (90 o, W) = 0,5 rad m 2 ma -1 min -1 Untuk arus berkas = ma, maka : D 0 (90 o, W) = ma 0,5 rad m 2 ma -1 min -1 = rad m 2 min -1 Menghitung B x pada arah 90 o terhadap arah berkas elektron menggunakan persamaan 3. B x = ( 1, ) H m D (0,5) B x = (1,67 10 ) B x = 8, n = log (1/B x ) = log (1/8, ) = 10,0783 Dari kurva pada Gambar 3 diperoleh: T i = 0 cm T e = 0,25 cm Dengan menggunakan persamaan 5, dapat dihitung besarnya tebal perisai radiasi S = Ti + (n - 1) Te = 0 + (10,0783-1) 0,25 = 2,2695 cm Untuk lebih amannya direkomendasikan tebal perisai ditambah 1 HVL, sehingga: S = S + HVL, dimana HVL untuk timbal pada E = 200 kev adalah 0,052 cm [6] S = 2, ,052 = 2,3215 cm d T 2 Jadi tebal perisai radiasi pada jarak 0,5 m dari sumber adalah 2,3215 cm, bahan dari timbal ρ = 11, kg/m 3. HASIL PERCOBAAN DAN PEMBA- HASAN Penggunaan perisai radiasi yang ditempatkan di antara sumber radiasi dan orang merupakan salah satu cara untuk menekan penerimaan dosis agar tidak melebihi ketentuan yang telah ditetapkan oleh Badan Pengawas Tenaga Nuklir (BAPETEN) yaitu yang biasa disebut Nilai Batas Dosis (NBD). Pemakaian perisai radiasi di sekitar MBE merupakan salah satu syarat mutlak dalam pengoperasian MBE, guna melindungi pekerja dari bahaya radiasi sinar X. Prinsip perisai radiasi adalah mengurangi fluks radiasi di balik perisai, pengurangan ini dapat terjadi karena adanya interaksi antara radiasi bahan perisai. Di dalam perancangan perisai radiasi ada beberapa hal yang menjadi petimbangan agar perisai radiasi dapat berfungsi baik, antara lain: 1. Perisai radiasi harus mampu menahan radiasi sinar X yang ditimbulkan oleh MBE, sehingga orang yang bekerja di sekitar MBE tetap aman selama mesin beroperasi. 2. Perisai radiasi dibuat dari bahan yang cukup efektif untuk menyerap radiasi sinar X. 3. Perisai radiasi dibuat ringkas agar lebih kompak dan mudah dipindahkan. Berdasarkan pertimbangan tersebut di atas, maka dihitung tebal perisai radiasi dari bahan timbal, karena bahan tersebut cukup efektif untuk menyerap radiasi gamma dan sinar X, sehingga mampu menahan sinar X yang timbul akibat beroperasinya MBE. Perhitungan tebal perisai radiasi didasarkan pada kebolehjadian terbesar timbulnya radiasi sinar X, yaitu saat MBE beroperasi pada daya maksimum (tegangan 200 kv dan arus berkas 100 A). Hasil perhitungan tebal perisai radiasi dari bahan timbal, ketentuan pekerja radiasi tidak menerima dosis melebihi batas laju dosis yang diijinkan yaitu 1 mrem/jam, disajikan dalam Tabel 2. Hasil perhitungan diperoleh tebal perisai radiasi dari bahan timbal adalah 2,3215 cm, akan tetapi dalam konstruksinya dibuat 2,4 cm. Dari hasil perhitungan tebal perisai dan dimensi MBE DUET, maka ditentukan bentuk dan dimensi perisai radiasi yang akan dikonstruksi. Pada sambungan antar lempengan timbal dibuat bentuk sudut 90 o tujuan apabila disusun bertumpuk, berkas sinar X yang menabrak perisai radiasi tidak langsung melewati sela-sela sambungan antara lempengan timbal, seperti ditunjukkan pada Gambar 4. RANCANGAN AWAL PERISAI RADIASI MESIN BERKAS ELEKTRON DUET 27

6 Tabel 2. Hasil perhitungan tebal perisai radiasi. No Jenis bahan perisai Massa jenis bahan (gr/cm 3 ) Energi Elektron (kev) Arus Berkas (A) Jarak perisai sumber (m) Tebal perisai radiasi (pada laju dosis maksimum 1 mrem/jam 1 Timbal (Pb) 11, ,5 2,3215 cm Gambar 4. Rancangan perisai radiasi sinar X dari bahan timbal (Pb). Gambar 5. Skema perisai radiasi MBE DUET. Perisai radiasi dibuat dalam bentuk potonganpotongan lempengan timbal ukuran maksimum 135 cm 10 cm 2,4 cm, berat sekitar 35 kg tujuan agar lebih ringan, sehingga memudahkan dalam pencetakan maupun pemasangan dalam kerangka, serta mudah untuk dipindahkan. Perisai radiasi disesuaikan bentuk kerangka penyangga MBE DUET yang berbentuk kotak melingkupi daerah radiasi sinar X ukuran panjang 135 cm, lebar 100 cm dan tinggi 75 cm, seperti ditunjukkan pada Gambar 5. Pemasangan perisai pada kerangka menggunakan plat penjepit yang dikait menggunakan baut-mur. Pintu untuk keluar masuknya bejana iradiasi lateks diberi seal karet di antara permukaan pintu yang bersentuhan kerangka agar rapat, tujuan agar gas ozon yang timbul dari proses iradiasi Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Teknologi Akselerator dan Aplikasinya Vol. 15, Oktober 2013 :

7 tidak keluar, walaupun dalam proses iradiasi gas ozon di sekitar MBE dihisap blower. Hasil rancangan perisai radiasi ini merupakan acuan untuk pembuatan perisai radiasi MBE DUET. Dari hasil perhitungan rancangan perisai radiasi tersebut, dapat dibuat spesifiksi teknik seperti pada Tabel 3. Tabel 3. Spesifiksi teknik perisai radiasi. Bahan perisai Timbal (Pb) Densitas bahan (ρ) 11, kg/m 3 Tebal perisai Jarak sumber radiasi perisai KESIMPULAN 2,4 cm 0,5 m Rancangan perisai radiasi ini meliputi penentuan bahan, bentuk dan dimensi. Perisai radiasi pengaman MBE dibuat dari bahan timbal (Pb) tebal 2,4 cm. Tebal perisai radiasi hasil rancangan ini sudah memenuhi syarat ketentuan batas laju dosis yang diijinkan 1 mrem/jam. Rancangan perisai radiasi ini merupakan acuan untuk pembuatan perisai radiasi MBE DUET. DAFTAR PUSTAKA [1] YOHANNES SARDJONO, Sebuah Perjalanan Panjang Yang Akan Segera Berujung Menjadi Kebanggaan, Caraka Nuklida, Volume 28 No. 1 tahun [2] SK. Kepala BAPETEN No. 4 tahun 2013 tentang Proteksi dan Keselamatan Radiasi Dalam Pemanfaatan Tenaga Nuklir. [3] SUWARNO WIRYOSIMIN, Mengenal Asas Proteksi Radiasi, Penerbit ITB Bandung, [4] NICHOLAS T., Measurement and Detection of Radiation, Copyright 1983 Hemisphere Publishing Corporation. [5] NCRP Report No. 51, Radiation Protection Design Guidenlines for MeV Particle Accelerator Facilities, Issued, March [6] BATAN-JAERI, Radiation Shielding Design For X-Ray Room, Training Course on Radiation Protection, Jakarta. TANYA JAWAB Bambang Siswanto Apakah design shielding tersebut tidak terlalu over, karena makin jauh dari target seharusnya lebih tipis. Rany Saptaaji Semakin jauh dari target diperlukan perisai radiasi semakin tipis, tetapi hasil perhitungan ini didasarkan pada daya maksimum yaitu ketika MBE beroperasi pada tegangan 200 kev dan arus berkas 100 ma, sedangkan jarak antara sumber sinar X titik yang ditinjau 0,5 m. Silakhuddin Dalam perhitungan ini dianggap berkas elektron mengenai bahan apa/ Z berapa? Apakah dalam perhitungan ini dipertimbangkan distribusi sudut dari pancaran sinar X. Apakah juga dihitung/dipertimbangkan pancaran sinar X pada sudut antara 0 dan 90. Rany Saptaaji Diasumsikan berkas elektron mengenai bahan yang ada pada komponen sumber elektron dan bahan sepanjang lintasan berkas elektron antara lain: Ti, Fe, Al, Be, SS, dll. Untuk menjamin keamanannya, dalam acuan No. 5 (NCRP Report No. 51) diasumsikan berkas elektron mengenai bahan yang tebal Z yang tinggi. Dalam perhitungan ini distribusi sudut pancaran sinar X yang diperhitungkan hanya yang kearah 90, karena untuk energi dibawah 1 MeV kebolehjadian indeks laju dosis terserap sinar X yang kearah 90 lebih besar dari pada yang kearah 0, begitu pula sebaliknya. Sudut pancaran sinar X antara 0 dan 90. Belum diperhitungkan, mengingat formula/rumus perhitungannya belum diperoleh. RANCANGAN AWAL PERISAI RADIASI MESIN BERKAS ELEKTRON DUET 29

8 Lampiran Tabel 4. Half-Value and Tenth-Value Layers[6]. Peak Voltage (kv) Attenuation material Lead (mm) Concrete (cm) Iron (cm) HVL TVL HVL TVL HVL TVL Cs Co Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Teknologi Akselerator dan Aplikasinya Vol. 15, Oktober 2013 :