PENGEMBANGAN SPEKTROMETER GAMMA PORTABEL BERBIAYA MURAH MENGGUNAKAN SOUND CARD USB

Transkripsi

1 PENGEMBANGAN SPEKTROMETER GAMMA PORTABEL BERBIAYA MURAH MENGGUNAKAN SOUND CARD USB Rasito, Putu Sukmabuana, Ade Suherman, dan Tri Cahyo L. Pusat Sains dan Teknologi Nuklir Terapan BATAN, Jl. Tamansari No.71 Bandung ABSTRAK PENGEMBANGAN SPEKTROMETER GAMMA PORTABEL BERBIAYA MURAH MENGGUNAKAN SOUND CARD USB. Alat untuk keperluan pengukuran radioaktivitas tanah secara insitu telah dibuat spektrometer gamma portabel berbiaya murah dengan memanfaatkan sound card USB sebagai ADC dan penguat sinyal. Berbeda dengan spektrometer gamma konvensional, spektrometer gamma hasil pengembangan ini menggunakan mekanisme peubah sinyal keluaran PMT detektor NaI(Tl) menjadi sinyal audio, kemudian diperkuat dan didigitalisasi menggunakan sound card USB. Analisis saluran ganda menggunakan program komputer perekam sinyal audio untuk menampilkan spektrum. Spektrometer gamma portabel ini diperlukan perangkat detektor NaI(Tl) beserta PMT dan rangkaian pembagi tegangan, rangkaian HV portabel, rangkaian filter, sound card USB, dan program perekam sinyal audio dalam sebuah laptop. Spektrometer gamma hasil pengembangan ini memiliki unjuk kerja yang sangat baik berdasarkan dua uji yang dilakukan yaitu uji kelinearan dan uji kestabilan pencacahan. Spektrometer gamma hasil pengembangan ini dapat digunakan untuk pengukuran radioaktivitas gamma baik dengan meode sampling maupun secara in-situ. Kata kunci : spektrometer gamma, biaya murah, detektor sintilasi, sound card USB ABSTRACT DEVELOPMENT OF LOW COST GAMMA SPECTROMETER PORTABLE USING USB SOUND CARD. Tool for the purposes of measurement of in-situ soil radioactivity has created a low cost portable gamma spectrometer by using a USB sound card as an ADC and signal amplifiers. Different with conventional gamma spectrometry, gamma spectrometer results of this development using variable mechanism PMT output signal detector NaI(Tl) into the audio signal, then amplified and digitized using a USB sound card., and analyzed to multi-channel with a recording audio signals computer code into a spectrum display. To make this portable gamma spectrometer device needs NaI(Tl) detector and PMT and voltage divider circuit, portable HV circuit, filter circuit, USB sound card, and program for recording audio signals in a laptop. Gamma spectrometer results of this development has excellent performance on two tests performed i.e count linearity and stability test. The gamma spectrometer results of this development is best used for gamma radioactivity measurements of both the sampling and the in-situ method. Keywords : gamma spectrometer, low cost, scintilation detector, USB sound card I. PENDAHULUAN Dalam rangka penyiapan data dukung program dekomisioning reaktor TRIGA 2000 telah dilakukan pengukuran radioaktivitas tanah permukaan di kawasan reaktor. Salah satu data ukur yang diperlukan dalam program ini adalah tingkat radioaktivitas tanah. Radioaktivitas tanah yang diukur meliputi gross alfa dan beta serta radionuklida pemancar gamma. Pengukuran radioaktivitas pemancar gamma dari tanah permukaan dapat dilakukan menggunakan spektrometer gamma baik dengan metode in-situ ataupun sampling. Namun karena dalam pengukuran dilakukan pada area yang cukup luas sementara alokasi waktu pengerjaan yang cukup singkat maka dipilih metode in-situ. Untuk dapat melakukan pengukuran radioaktivitas tanah secara in-situ PTKMR-BATAN, Universitas Indonesia, KEMENKES-RI, Universitas Pakuan 73

2 maka dirancang sebuah perangkat spektrometer gamma portabel. Karena biaya pengadaan spektrometer gamma portabel konvensional cukup mahal maka dilakukan pengembangan spektrometer gamma portabel baru yang murah biayanya. Spektrometer gamma konvensional Spektrometer gamma konvensional adalah spektrometer gamma yang saat ini lazim digunakan. Spektrometer gamma portabel umumnya menggunakan detektor sintilasi, misalnya NaI(Tl). Diagram spektrometer Prinsip kerja spektrometer gamma detektor sintilasi NaI(Tl) adalah sebagai berikut; jika ada radiasi gamma mengenai kristal sintilator (1) maka dengan mekanisme fluoresensi akan dihasilkan cahaya tampak dalam rentang warna kuning dengan panjang gelombang 410 nm. Cahaya yang dihasilkan ini selanjutnya diarahkan ke permukaan katoda PMT (2) dan dengan mekanisme fotokatoda akan dihasilkan elektron. Elektron yang terbentuk di katoda akan dipercepat dan diperkuat hingga 10 6 kali oleh tegangan antar dinoda-dinoda dan anoda yang diatur oleh rangkaian pembagi HV (3) dari sumber tegangan HV (4). Pada spektrometer konvensional sinyal keluaran dikuatkan oleh pre-amp dan amplifier (5). gamma detektor sintilasi konvensional diperlihatkan pada Gambar 1. Gambar 1. Diagram spektrometer gamma sintilasi [1] Sinyal yang diperkuat digitalisai oleh analog digital converter (ADC) dan MCA (6) untuk memisahkannya ke dalam kanal berdasarkan tingkat energinya [1]. Spektrometer gamma pengembangan Spektrometer gamma yang dikembangkan adalah dengan menambahkan rangkaian filter (5) dan menggantikan amplifier dan ADC dengan perangkat yang sangat murah yaitu sound card USB (6). Adapun penganalisis digunakan program komputer perekam sinyal (7) audio yang bebas biaya. Diagram spektrometer gamma sintilasi hasil pengembangan menggunakan sound card USB diperlihatkan pada Gambar 2 berikut. PTKMR-BATAN, Universitas Indonesia, KEMENKES-RI, Universitas Pakuan 74

3 Gambar 2. Diagram spektrometer gamma sintilasi dengan sound card USB Perbedaan antara sistem konvensional dengan sistem yang baru adalah terletak pada pengolahan sinyal keluaran PMT hingga terbentuknya spektrum cacahan. Dengan sistem baru ini biaya pembuatan perangkat spektrometer gamma menjadi jauh lebih murah. Pengembangan spektrometer gamma menggunaan sound card telah dikembangkan oleh Sugihara, dkk (2013) namun masih menggunakan amplifier dan sound card internal komputer [1]. Alessio, dkk di samping mengeluarkan program Theremino MCA juga menawarkan konsep rangkaian PMT adapter berupa rangkaian filter, amplifier dan HV yang disatukan [2]. Sementara Steven Sesselmann, dkk bahkan telah mengkomersialkan kesatuan rangkaian filter, amplifier dan HV, namun masih menggunakan sound card internal komputer [3]. II. TATA KERJA Dalam rancangan ini diperlukan beberapa komponen yaitu detektor sintilasi untuk mengubah radiasi menjadi sinyal listrik, filter sinyal untuk memisahkan sinyal dengan tegangan detektor, USB sound card untuk penguat sinyal dan ADC, serta program perekam sinyal audio dalam sebuah PC atau laptop untuk penganalisis saluran ganda. 2.1 Detektor sintilasi Sistem detektor sintilasi terdiri dari kristal sintilator, tabung photomultiplier (PMT) dan rangkaian pembagi tegangan tinggi (HV). Kristal sintilator yang digunakan adalah jenis NaI(Tl) dengan ukuran kristal 2 x 2. Detektor dan PMT yang telah dipasang perisai dan rangkaian pembagi HV yang digunakan diperlihatkan pada Gambar 3 berikut. Pembagi HV menggunakan sebuah rangkaian resistor dipasang secara seri yang berfungsi sebagai pembagi tegangan HV untuk setiap elektroda PMT. Tegangan operasional PMT ini atau untuk katoda-anodanya adalah volt, katoda-dinoda 130 volt dan dinoda-dinoda 75 volt. PTKMR-BATAN, Universitas Indonesia, KEMENKES-RI, Universitas Pakuan 75

4 Gambar 3. Kristal sintilator NaI(Tl) 2 x 2 dan PMT dilengkapi perisai dan rangkaian pembagi HV Dalam penggunaannya PMT harus dibungkus dengan bahan kedap cahaya dan perisai magnet, karena masuknya cahaya akan menjadi sinyal-sinyal pengganggu (noise). Untuk bahan kedap cahaya dan perisai magnet digunakan plat logam dan selotip warna hitam. Untuk memastikan ada tidaknya kebocoran pada perisai dapat dilakukan pencacahan dengan kondisi bagian muka PMT ditutup lembaran logam. 2.2 Filter sinyal Filter sinyal merupakan sebuah rangkaian elektronik yang berfungsi untuk memblokir HV dan melewatkan sinyal atau pulsa yang akan diumpankan ke sound card. Rangkaian filter sinyal ini tersusun atas komponen resistor dan kapasitor yang dipasang secara seri dan paralel. Rangkaian filter sinyal diperlihatkan pada Gambar 4 berikut; Gambar 4. Rangkaian filter Rangkaian filter berupa kapasitor (C1) 10 nf/3 kv dan resistor (R1) 220 k yang disusun secara seri dan diparalel dengan kapasitor (C2) 47 nf/3 kv. Fungsi kapasitor adalah untuk memblokir HV dan melewatkan sinyal, sedangkan resistor difungsikan untuk PTKMR-BATAN, Universitas Indonesia, KEMENKES-RI, Universitas Pakuan 76

5 menurunkan arus agar kerja dari sound card tidak terlalu berat. Untuk mengurangi noise maka rangkaian filter ini ditempatkan di dalam sebuah wadah logam berbahan aluminium. Tampilan rangkaian filter dalam wadah aluminium diperlihatkan pada Gambar 5. Gambar 6. Sound card USB Gambar 5. Rangkaian filter dalam wadah Aluminium 2.3 Sound card USB Sinyal yang telah dipisahkan oleh rangkaian filter selanjutnya diumpankan ke sound card USB. Sound card USB merupakan perangkat yang sangat mudah ditemukan di pasaran karena umumnya digunakan sebagai asesoris komputer. Selain bentuk USB, sebenarnya dapat juga menggunakan sound card internal yang ada di komputer PC ataupun laptop. Namun penggunaan internal sound card disamping akan sulit dan mahal perbaikannya jika terjadi kerusakan juga dapat menerima noise dari beberapa aplikasi, seperti jam yang ada di komputer [1]. Keuntungan sound card USB adalah tidak terdapat kelemahan seperti diatas, dan dari sisi biaya sangat murah, harga per USB sekitar Rp Tampilan salah satu jenis sound card USB yang ada di pasaran diperlihatkan pada Gambar 6. Sound card USB umumnya memiliki spesifikasi, diantaranya dapat mendigitalisasi sinyal (laju sampling) 44,1 khz hingga 48 khz, bandwidth 20 khz, resolusi 16 bit dan tegangan pulsa maksimum ±2 V. Ada kelebihan lainnya, jika yang digunakan adalah sound card internal PC yaitu dapat mendigitalisasi sinyal keluaran detektor sintilasi hingga 96 khz. 2.4 Program perekam sinyal audio Kebutuhan selanjutnya adalah sebuah program perekam sinyal audio yang telah terinstal dengan baik dalam sebuah komputer atau laptop. Program komputer ini harus dapat menyusun sinyal suara berdasarkan tinggi tegangan pulsa dan jumlah pulsa ke dalam bin atau kanal-kanal menjadi sebuah tampilan spektrum. Beberapa program tersebut telah dikembangkan bahkan digratiskan, diantaranya adalah Pulse Recorder and Analyser atau PRA, Theremino MCA, Fitzpeaks NaI, dan BecqMoni [2 5]. PTKMR-BATAN, Universitas Indonesia, KEMENKES-RI, Universitas Pakuan 77

6 ambar 7. Tampilan Theremino MCA [2] Gambar 8. Tampilan Fitzpeaks NaI [5] Pada pengambangan spektrometer ini program yang digunakan adalah Theremino MCA dan Fitzpeaks NaI. Theremino MCA digunakan untuk membaca cacahan, karena memiliki respon paling baik meski dengan masukan sinyal yang lemah, sedangkan Fitzpeaks NaI digunakan untuk analisis spektrum hasil pencacahan karena kemampuan ini tidak dimiliki Theremino MCA. Tampilan spektrum dari program tersebut juga seluruhnya dapat disimpan dalam format text sehingga dapat juga diolah secara mudah menggunakan program MS excel. III. HASIL DAN PEMBAHASAN Pada sistem tersebut masih perlu ditambahkan rangkaian HV dan sumber tegangan listrik. Rangkaian HV portabel menggunakan sumber tegangan listrik dari baterai dapat dibuat dengan mudah. Namun demikian rangkaian HV portabel juga dapat kita peroleh dari surveimeter bekas, dengan syarat tegangan keluaran dari HV surveimeter sesuai dengan kebutuhan PMT detektor sintilasi. Dalam kegiatan ini, HV diambilkan dari portabel analyzing ratemater TA PRS-5. Tegangan keluaran bisa mencapai 2500 V, namun dapat diset pada 900 V sesuai dengan tegangan operasi PMT detektor NaI(Tl) yang digunakan. Selain HV, alat lain yang diperlukan untuk menjalankan sistem ini adalah sebuah komputer atau laptop yang telah diinstal program Theremino MCA dan Fitzpeaks NaI. Dalam kegiatan ini digunakan netbook dengan processor 1,5 GHz, RAM 2 GB dan sistem operasi Windows 7. Setelah seluruhnya terpasang dengan baik maka spektrometer gamma ini diuji pulsa keluarannya dengan melakukan pencacahan sumber radioaktif. Sinyal keluaran Uji sinyal keluaran dilakukan dengan menempatkan sumber radioaktif 137 Cs dekat detektor. Dengan pemberian radiasi gamma dari sumber radioaktif ini akan meningkatkan jumlah sinyal keluaran. Sumber 137 Cs memiliki energi gamma tunggal yaitu 662 kev. Energi gamma tersebut mampu menghasilkan sinyal atau pulsa setinggi 0,3 volt. Adapun aktivitas sumber akan memberikan pengaruh terhadap jumlah pulsa yang terbentuk. PTKMR-BATAN, Universitas Indonesia, KEMENKES-RI, Universitas Pakuan 78

7 Pulsa yang keluar dari rangkaian filter selanjutnya diumpankan ke rangkaian sound card USB. Pulsa yang dihasilkan dapat diproses oleh sound card USB karena maksimum tinggi pulsa input adalah 2 volt. Sound card akan mendigitalisasi pulsa keluaran filter tersebut oleh rangkaian perekam audio yang berfungsi sebagai ADC. Disamping ADC, di dalam sound card juga terdapat DAC yang berupa rangkaian penghasil sinyal audio. Dalam pengembangan spektrometer gamma ini hanya digunakan fasilitas perekam audionya saja. Namun demikian fasilitas DAC pada sound card juga dapat dimanfaatkan untuk memperdengarkan sinyal audio pencacahan yaitu dengan cara menghubungkannya pada speaker. Bentuk pulsa keluaran sound card USB dalam tampilan Theremino MCA diperlihatkan pada Gambar 9. pencacahan dan uji kestabilan pencacahan. Spektrometer gamma yang baik adalah jika cacahan dalam setiap kanalnya linear dan stabil. Untuk uji kelinearan pencacahan dilakukan dengan mencacah sinyal dari generator pulsa dengan dua variasi yaitu variasi frekuensi untuk memberikan variasi hasil cacahan dan variasi tegangan pulsa untuk variasi kanal. Spektrometer gamma yang baik adalah jika memiliki kelinearan pencacahan (R) mendekati atau sama dengan 1 untuk setiap kanal. Dari hasil pencacahan diperoleh grafik kelinearan cacahan pada setiap kanal diperlihatkan pada Gambar 10. Gambar 10. Grafik kelinearan pencacahan Gambar 9. Pulsa keluaran sound card USB Uji kelinearan dan kestabilan pencacahan Untuk mengetahui unjuk kerja spektrometer gamma ini dilakukan uji unjuk kerja terhadap dua aspek yaitu uji kelinearan Adapun uji kestabilan pencacahan dilakukan dengan mencacah sinyal dari generator pulsa pada frekuensi tertentu dengan variasi tegangan pulsa. Pada setiap variasi dilakukan pencacahan sebanyak 21 kali (minimal 10 kali). Tingkat kestabilan pencacahan diukur dari nilai chi-square ( 2 ). Spektrometer gamma dinilai baik jika untuk jumlah pengulangan pencacahan 21 kali pada rentang nilai probabilitas 0,1 sampai 0,9 memiliki nilai 2 antara 13,24 < 2 < PTKMR-BATAN, Universitas Indonesia, KEMENKES-RI, Universitas Pakuan 79

8 28,41[6]. Nilai chi-square tersebut dihitung menggunakan persamaan; x 2 = (X i X) 2 X (1) komputer ini akan menganalisis pulsa untuk ditempatkan ke dalam kanal-kanal berdasarkan tinggi tegangan pulsa. Pencacahan sumber radioaktif 137 Cs dengan perangkat ini menghasilkan tampilan spektrum gamma sebagaimana diperlihatkan pada Gambar 12, 13, dan 14. dengan Xi adalah nilai cacah setiap pengukuran dan x adalah nilai rata-rata cacahan. Dari hasil pencacahan diperoleh grafik kestabilan cacahan pada setiap kanal diperlihatkan pada Gambar 11. Gambar 12. Pengujian pencacahan sumber radioaktif 137 Cs (point source) Gambar 11. Grafik kestabilan pencacahan Dari hasil pencacahan sebanyak 21 kali pada setiap variasi tegangan pulsa diperoleh nilai 2 yaitu 27,9-28,2. Nilai 2 tersebut masih berada dalam rentang 13,24 < 2 < 28,41. Oleh karena itu dari hasil uji kestabilan pencacahan menunjukkan bahwa spektrometer gamma hasil pengembangan ini memiliki unjuk kerja yang baik. Gambar 13. Tampilan spektrum 137 Cs dengan Theremino MCA Pencacahan sumber radioaktif Pulsa keluaran sound card USB untuk selanjutnya diproses oleh program Theremino MCA menjadi tampilan spektrum. Program PTKMR-BATAN, Universitas Indonesia, KEMENKES-RI, Universitas Pakuan 80

9 pengukuran radioaktivitas gamma baik dengan sampling maupun secara in-situ. Gambar 14. Tampilan spektrum 137 Cs dengan Fitzpeaks NaI IV. KESIMPULAN Spektrometer gamma portabel berbiaya murah telah dikembangkan dengan memanfaatkan sound card USB yang berfungsi sebagai penguat dan ADC. Dari serangkaian uji yang dilakukan dapat disimpulkan bahwa spektrometer gamma portabel hasil pengembangan memiliki unjuk kerja yang baik. Oleh karena itu spektrometer gamma portabel ini dapat diaplikasikan untuk V. UCAPAN TERIMA KASIH Ucapan terima kasih disampaikan kepada Mr K. Endoh Sugihara atas diskusi dan pemberian makalahnya. Kepada Mr. Steven Sesselmann dan rekan-rekan yang tergabung dalam atas diskusi dan tukar pengalamannya. Kepada Mr. Alessio dan Mr. Jim Fitzgerald atas penggunaan program Theremino MCA dan Fitzpeaks NaI. Juga kepada bapak Zainal Arifin atas ijin penggunaan ratemeter TA PRS-5 untuk dimanfaatkan sumber HV portabelnya. DAFTAR PUSTAKA 1. Sugihara K., Satoshi N. Nakamura, Nobuyuki Chiga, Yuu Fujii, Hirokazu Tamura, Development of the low-cost multi-channel analyzer system for -ray spectroscopy with a PC sound card, Am. J. Phys. Vol.81, No.10, October 2013, oactivity 3. re-downloads/becqmoni 4. a/index.html 5. m 6. Holnizar dan Agung Agusbudiman, Uji kestabilan pencacah radiasi dose calibrator, Prosiding pertemuan dan presentasi ilmiah fungsional teknis non peneliti, 18 Desember 2008, TANYA JAWAB 1. Penanya : Tatin RH Pertanyaan : - Apakah Spetrometer gamma yang dikembangkan pernah dikomparasi dengan spktrometer gamma yang telah diproduksi secara komersial? Jawaban : - Belum pernah PTKMR-BATAN, Universitas Indonesia, KEMENKES-RI, Universitas Pakuan 81