PENGEMBANGAN KAMERA CCD PADA FASILITAS RADIOGRAFI NEUTRON, RN1, DI BATAN SERPONG

Transkripsi

1 PENGEMBANGAN KAMERA CCD PADA FASILITAS RADIOGRAFI NEUTRON, RN1, DI BATAN SERPONG Sutiarso, Bharoto, Setiawan, Juliyani, Fahrurrozi Pusat Teknologi Bahan Industri Nuklir- BATAN Gd. 40 Kawasan Puspiptek Serpong Tangerang- Banten Abstrak PENGEMBANGAN KAMERA CCD PADA FASILITAS RADIOGRAFI NEUTRON, RN1, DI BATAN SERPONG. Telah dilakukan pengembangan kamera CCD pada fasilitas radiografi neutron, RN1 di BATAN Serpong dengan menggunakan kamera CCD dari Andor Technology yang dapat digunakan untuk metoda real time dan tomografi. Penggunaan kamera CCD baru dengan resolusi 1024 x 1024 piksel yang dilengkapi dengan pendingin CCD hingga -100oC memberikan kualitas citra yang cukup baik dengan noise (dark current) yang rendah. Pemasangan dan uji coba kamera CCD baru untuk radiografi neutron Serpong disajikan pada makalah ini. Hasil pengamatan citra dengan kamera CCD baru dibandingkan dengan kamera CCD sebelumnya menunjukan peningkatan kualitas citra yang cukup signifikan. Metoda kamera ini dilengkapi dengan cermin refleksi tinggi dan skrin sintilator Li6-ZnS yang terpasang pada kotak kedap cahaya. Dengan tersedianya kamera baru ini maka fasilitas radiografi neutron di BATAN Serpong siap digunakan untuk mengamati obyek secara real time. Kata kunci: Radiografi neutron, kamera CCD, metoda real time Abstract DEVELOPMENT OF CCD CAMERA FOR NEUTRON RADIOGRAPHY FACILITY, RN1 IN BATAN SERPONG. Development of CCD camera for neutron radiography facility, RN1 in BATAN Serpong using a CCD camera from Andor Technology is carried out which can be used for real time method and tomography. The use of a new camera with resolution of 1024 x1024 pixels and supported with cooled head CCD which can be cooled up to -100 oc gives rise to a good image quality with low dark current noise. The set up and the performance of the new CCD camera for neutron radipgraphy in Serpong is described. The images which were taken using the new CCD camera compared with the previous one show a significant increase in the image quality. The camera method is equipped with high reflectivity mirror and scintillator sceen Li6-ZnS which are placed in the dark box. The avalibility of the new camera makes the neutron radiography facility is ready to be used for investigating object in real time mode. Keywords: Neutron radiograpy, CCD camera, real time method PENDAHULUAN Fasilitas radiografi neutron telah terpasang pada tabung berkas S2 reaktor RSG-GAS sejak tahun 1992 bersama-sama dengan peralatan hamburan neutron lainnya. Hingga saat ini peralatan tersebut telah banyak dimanfaatkan untuk menguji kualitas bahan untuk berbagai aplikasi. Metoda yang sering digunakan adalah metoda langsung (direct method) yang menggunakan film sebagai detektornya. Radiografi neutron dengan metoda film saat ini sudah terakreditasi oleh BATAN [1]. Sejak awal, selain menggunakan metoda film fasilitas ini juga dilengkapi dengan kamera CCD yang memungkinkan digunakan untuk mengamati obyek bergerak secara real time dan tomografi. Namun karena kamera CCD yang ada mengalami kerusakan sehingga sejak itu hanya metoda film yang bisa digunakan. Sejak dua tahun terakhir, kegiatan radiografi neutron menggunakan metoda kamera dimulai lagi Sutiarso, dkk 439 STTN-BATAN & Fak. Saintek UIN SUKA

2 dengan menggunakan kamera CCD milik PTAPB - BATAN Yogyakarta. Beberapa kegiatan pengamatan obyek secara real time dan tomografi neutron dapat dihasilkan menggunakan kamera CCD buatan Videoscope International tersebut dan hasilnya cukup memadai meskipun resolusi gambar yang dihasilkan relatif rendah [2]. Beberapa waktu yang lalu telah dilakukan kegiatan pengembangan detektor radiografi neutron dengan menggunakan kamera CCD baru dari Andor Technology yang memiliki resolusi yang lebih tinggi dibanding dengan kamera yang digunakan sebelumnya. Pada makalah ini akan disajikan set up peralatan radiografi neutron menggunakan metoda kamera. Perbandingan hasil pencitraan menggunakan kamera baru dan kamera lama akan disampaikan. Tulisan ini bertujuan untuk memberikan informasi terbaru tentang pengembangan fasilitas radiografi neutron di BATAN Serpong sebagai alat uji tak rusak bahan industri. Fasilitas Hamburan Neutron Sumber neutron yang digunakan untuk radiografi neutron adalah reaktor RSG-GAS yang berlokasi di kawasan Puspiptek Serpong. Reaktor Riset Serba Guna yang berdaya termal 30 MWatt (MPR-30) memiliki 6 tabung berkas neutron. Empat dari enam tabung berkas yang ada digunakan untuk peralatan berkas neutron yaitu: Difraktometer Neutron untuk Pengukuran Tegangan Sisa, DN1-M, Difraktometer Empat Sumbu/ Difraktometer Tekstur, DN2, Spektrometer Tiga Sumbu, SN1, Fasilitas Radiografi Neutron, RN1, Spektrometer Neutron Hamburan Sudut Kecil, SN2, Spektrometer Neutron Hamburan Sudut Kecil Resolusi Tinggi, SN2, Difraktometer Neutron Resolusi Tinggi, DN3. Ketiga peralatan terakhir dipasang pada gedung kendali neutron yang terletak disebelah gedung reaktor dan keduanya terhubung oleh sebuah terowongan (tunnel) yang didalamnya dipasang tabung kendali neutron yang memandu neutron dari tabung berkas S5 dari gedung reaktor ke gedung kendali neutron. Gambar 1 menunjukan layout dari laboratorium hamburan neutron. Fluks neutron yang keluar dari tabung berkas alat rata-rata berkisar n/cm 2 dtk dan yang mengenai meja cuplika besarnya tergantung pada kolimator yang digunakan. Peralatan hamburan neutron dari awal diperuntukan untuk penelitian dan uji bahan secara tidak merusak. Hampir dari semua peralatan yang ada beroperasi dengan baik dan siap digunakan untuk penelitian. Gambar 1. Fasilitas Hamburan Neutron di Serpong. NR (Radiografi Neutron, RN1), TAS (Spektrometer Tiga Sumbu, SN1), FCD/TD (Difraktometer Tekstur, DN2), RSM (Difraktometer Tegangan Sisa, DN1M), SMARter (Spektrometer Neutron Hamburan Sudut Kecil, SN3 ), HRSANS (Spektrometer Neutron Hamburan Sudut Keci Resolusi Tinggi, SN2), HRPD (Difraktometer Neutron Resolusi Tinggi, DN3) STTN-BATAN & Fak. Saintek UIN SUKA 440 Sutiarso, dkk

3 Gambar 2. Irisan samping dari fasilitas radiografi neutron, RN1 di Serpong Fasilitas Radiografi Neutron, RN1 Salah satu dari peralatan yang terdapat di laboratorium hamburan neutron yang banyak digunakan sebagai uji tak rusak produk industri adalah fasilitas radiografi neutron, RN1 (Gambar 2). Pemanfaatan fasilitas radiografi neutron sejauh ini menggunakan metoda langsung (direct method) yang menggunakan film sebagai media perekam citranya. Sejak awal fasilitas radiografi ini sebenarnya dilengkapi dengan sistim kamera yang memungkinkan digunakan untuk mengamati obyek bergerak secara real time dengan kamera CCD. Namun kualitas citra yang dihasilkan saat itu masih belum baik [3,4,5]. Kualitas berkas neutron yang keluar dari tabung berkas selain ditentukan oleh kualitas kamera CCDnya juga ditentukan oleh karakteristik kolimator yang digunakan. Kolimator yang terpasang pada tabung berkas S2 memiliki perbandingan L/D ratio (L : panjang total kolimator dan D: diameter aperatur kolimator) 83. Berdasarkan standar ASTM E-545 sistim kolimator tersebut memberikan jumlah neutron termal: 60,95 %, neutron terhambur: 0,78%, gamma: 0,48%, produksi pasangan : 2,85 %, jumlah garis dan yang terlihat masing-masing : 7 dan 4 [6]. Dari hasil pengukuran kualitas berkas fasilitas radiografi neutron ini masuk dalam kategori kelas III. Meskipun tidak terlalu baik namun banyak obyek-obyek yang dapat diamati menggunakan fasilitas radiografi neutron ini. TEORI DAN METODE Konfigurasi dari metoda kamera ditunjukkan pada Gambar 3. Neutron yang datang dari tabung berkas S2 ditembakkan ke benda uji (obyek), selanjutnya neutron yang ditransmisikan oleh benda uji tersebut dlewatkan ke sebuah skrin sintilator Li 6 -ZnS yang mengubah neutron tersebut menjadi cahaya tampak yang kemudian ditangkap oleh kamera CCD. Konversi dari neutron menjadi cahaya tampak melalui reaksi sebagai berikut: 6 Li + n = 3 H + α + 4,78 MeV Perbedaan medan listrik yang dihasilkan oleh pergerakan produk reaksi yang bemuatan (α) tersebut akan memindahkan elektron pada kisi kristal dari pita valensinya ke pita konduksi. Ketika elektron tersebut kembali ke tingkat energi sebelumnya energi yang diserap ketika meloncat diberikan kembali sebagai radiasi elektromagnetik. Karena celah energi dari zona terlarang (forbidden zone) diantara kedua pita energi terletak diluar selang cahaya tampak. Maka perlu ditambahkan sebuah activator untuk menghasilkan tingkat energi diantara forbidden zone tersebut yang memungkinkan elektron pada pita konduksi melepaskan energinya sebagian dengan melompat diantara kedua tingkatan energi tersebut. Lompatan elektron yang kecil ini menghasilkan radiasi dalam spektrum cahaya tampak. Untuk melindungi kamera dari berkas langsung digunakan cermin TiO 2 dengan reflektivitas 95% yang diletakkan pada posisi 45 o terhadap sinar datang. Cermin, skrin sintilator dan kamera ditempatkan dalam sebuah kotak kedap cahaya (dark box) sehingga hanya cahaya dari sintilator saja yang ditangkap oleh kamera. Kamera CCD dihubungkan dengan sebuah komputer untuk membaca dan menampilkan data yang ditangkap oleh kamera CCD tersebut. Untuk melindungi kamera dari hamburan berkas neutron dan gamma disekitar kamera dipasang pelindung radiasi dari timbal (Pb) dan boron karbida (B 4 C). Sutiarso, dkk 441 STTN-BATAN & Fak. Saintek UIN SUKA

4 Gambar 3. Diagram skematik dari metoda kamera radiografi neutron Kamera baru yang digunakan adalah dari Andor Technology dengan tipe ikon M DD-934N BV yang memiliki resolusi lebih tinggi dengan jumlah piksel 1024 x 1024 dengan ukuran 13 x 13 mikron. Kamera tersebut memiliki Quantum Efficiency (QE) 95% untuk panjang gelombang nm. Presisi yang tinggi dari sistim elektronik CCDnya didukung oleh digitisasi 16 bit (gray level 65535). Kamera ini dilengkapi dengan pendingin peltier yang mampu mendinginkan CCD hingga -100 o C. Dengan sistim pendingin ini mampu menekan noise (dark current) hingga e/pix/det. Lensa yang digunakan adalah Tamron dengan spesifikasi 58 mm F 1.4 yang diatur fokusnya secara manual. Dengan lensa ini dapat ditampilkan secara penuh ukuran skrin sintilator (field of view). Untuk dapat menampilkan dalam ukuran yang lebih besar perlu digunakan lensa dengan fokus F 1.2 HASIL DAN PEMBAHASAN Peningkatan kualitas citra Gambar 4 menunjukkan perbandingan citra dari sebuah obyek yaitu koil mobil kijang yang diambil menggunakan kamera CCD lama dan kamera CCD baru. Citra diambil menggunakan single scan dengan waktu eksposur 6 detik. Dari kedua citra tersebut tampak peningkatan kualitas citra yang cukup signifikan. Dengan kamera baru diperoleh kontras citra yang lebih baik sehingga mampu menampilkan struktur internal obyek dengan lebih jelas. Gambar 4. Perbandingan kualitas citra pada sebuah obyek diambil menggunakan kamera lama dan baru Aliran Dua Fasa Gambar 5 menunjukkan snap shot citra video dari sistim aliran dua fasa yang menampilkan aliran air dalam koil aluminium yang diletakkan dalam sebuah tabung aluminium secara real time. Citra diambil menggunakan kamera lama dan kamera baru dengan kinetic scan dengan waktu eksposur 0,3 detik. Karena atenuasi neutron yang rendah pada bahan bernomor atom tinggi seperti logam pada umumnya, sehingga neutron ditransmisikan oleh bahan-bahan tersebut. Tampak bahwa neutron dapat menembus kontainer aluminium dengan tebal 6 mm, demikian juga air didalam pipa aluminium helik dapat diamati aliranya karena adanya kontras yang cukup tinggi antara air dan udara. Gambar 5. Perbandingan kualitas gambar video dari sistim aliran dua fasa diambil menggunakan kamera lama dan kamera baru. STTN-BATAN & Fak. Saintek UIN SUKA 442 Sutiarso, dkk

5 Tampak dari Gambar 5 bahwa kontras yang lebih tajam diperoleh menggunakan kamera baru. Namun karena terdapat kendala pada interface perangkat lunaknya gambar video belum dapat direkam dalam format video (AVI file). Aplikasi lain dari Radiografi Neutron Aplikasi lain dari radiografi neutron salah satunya adalah untuk mengamati perkembangan akar tanaman dalam media tanah. Hal ini dapat dilakukan karena neutron memiliki kontras yang baik untuk membedakan air (yang mengandung unsur hidrogen) dan media tanah (yang mengandung silika). Perbedaan kontras antara kedua unsur tersebut mengakibatkan akar dalam tanah dapat diamati perkembangannya tanpa merusak tanaman tersebut. Teknik ini akan menjadi teknik tak rusak yang berguna khususnya pada bidang pertanian karena sejauh ini penelitian tentang akar tanaman selalu menggunakan cara destruktif yaitu dengan mencabut tanaman dari tanah. Gambar 6 menunjukkan citra radiografi neutron dari akar tanaman toge yang ditumbuhkan dalam sebuah kontainer aluminium. Tampak bahwa perkembangan akar tanaman tersebut dapat diamati dengan jelas pertumbuhannya tanpa harus merusak tanaman tersebut. Kamera CCD tersebut juga dilengkapi dengan perangkat lunak pengolah citra yang mampu menampilkan perbedaan intensitas neutron pada citra radiografi neutron dalam bentuk kontur sehingga dapat menampilkan citra obyek dengan lebih jelas seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6b. Gambar 6. Pengamatan akar tanaman kedelai dalam media tanah dengan radiografi neutron a) citra akar b) pengolah citra menampilkan kontur intensitas. Dari Gambar 6 diatas tampak pada salah satau akar tanaman a kedelai terdapat satu b daerah dengan kontras ang terang (bagian kanan). Hal ini dikarenakan adanya penambahan D 2 O pada bagian tanah tersebut yang memberikan kontras yang cukup jelas terhadap media air dan tanah sekitarnya. Karena deterium (D 2 O) memiliki koefisien atenuasi yang lebih rendah dibanding dengan hidrogen (H 2 O) maka tampak ditampilkan lebih terang pada citranya. Adanya kontras antara air dan air berat (D 2 O) memungkinkan dilakukan pengamatan transport air dalam tanaman. KESIMPULAN Dari hasil pengamatan-pengamatan yang diperoleh dapat disimpulkan bahwa penggunaan kamera CCD Andor dapat meningkatkan kualitas citra dengan cukup signifikan. Hal ini terutama disebabkan oleh resolusi dan quantum efisensi kamera yang lebih tinggi Peningkatan kualitas citra terutama tampak dalam peningkatan kontras dari citra. UCAPAN TERIMA KASIH Ucapan terima kasih kepada Kepala PTBIN-BATAN dan Kepala Bidang Spektrometri Neutron yang telah membantu mengadakan kamera CCD untuk fasilitas radiograi neutron, RN1 di Serpong dan rekan-rekan di Bidang Spektrometri Neutron yang telah membantu dalam pengembangan radiografi neutron metoda kamera. DAFTAR PUSTAKA 1. Dokumen LUMBS Radiografi Neutron, PTBIN Serpong, MADIYANTO, dkk., Tomografi Neutron Sebagai Alternatif Teknik Uji Tak Merusak, Prosiding Seminar Sains dan Teknologi Nuklir, PPTN-BATAN Bandung, Maret SUTIARSO et.al., Neutron and X-ray radiography of Engineering Components Using Film and Real time Method, sedang proses publikasi, SUTIARSO, dkk., Radiografi Neutron: Teknik Komplementer dari Radografi Sinar- X Untuk Uji Tak Merusak Produk Industri, Prosiding Pertemuan Ilmiah Iptek Bahan, SUTIARSO, et.al., Neutron Radiography Facility in Serpong, Neutron News, 17 (4), GUNAWAN, dkk., Penentuan Karakteristik Fasilitas Radiografi Neutron di Batan Serpong Dengan Metoda Film-Konverter Tunggal, Prosiding PIIB Serpong, 2009 Sutiarso, dkk 443 STTN-BATAN & Fak. Saintek UIN SUKA

6 STTN-BATAN & Fak. Saintek UIN SUKA 444 Sutiarso, dkk