SINGLE CHANNEL ANALYZER MENGGUNAKAN LM-311 SEBAGAI KOMP ARA TOR

Transkripsi

1 MODIFIKASI SINGLE CHANNEL ANALYZER MENGGUNAKAN LM-311 SEBAGAI KOMP ARA TOR Jumari, Djuningran, Nurhidayat S Puslitbang Teknologi Maju - BATAN Yogyakarta ABSTRAK MOlJlFIKASI SINGLE CHANNEL ANAL YZER MENGGUNAKAN LM311 SEBAGAI KOMPARA TOR. Telah dilakukan modifikasi Single Channel Analyzer (SCA) dengan menggunakan IC LM311 sebagai komparator. IC komparator SCA yang lama menggunakan IC LM710, sedangkan IC tersebut sudah langka dan tidak ada dipasaran lokal, maka dari itu harus dicari IC tipe lain dengan karateristik yang sama sebagai pengganti. SCA yang dibuat terdiri dari rangkaian pembagi dua, Uper Level Discriminator, Lower Level Discriminator, dan rangkaian pembentuk pulsa. Pelaksanaan kegiatan meliputi review disain, pembuatan dan pengujian. Pengujian rangkaian dilakukan dengan menggunakan generator pulsa dan sumber radiasi standar Co-60 dan Cs-137. Dari data hasil pengujian menggunakan generator pulsa menunjukkan bahwa SCA sudah berfungsi dengan baik dan mempunyai amplitudo 4V serta lebar pulsa 5 jjs. Dari data hasil pengujian seluruh sistem dengan mengguna kan sumber radiasi standar didapatkan hasil untuk Co-60 letak tenaga ada dua, pertama pada 5,7 V dengan angka cacahan 730 cacah/10detik dan yang kedua pada 6,4 V dengan angka cacahan 631 cacah/10detik. Sedangkan letak tenaga sumber radiasi Cs-137 pada 3,2 V dengan cacahan 3205 cacah/10detik. Dari hasil uji fungsi dapat diketahui bahwa SCA yang dibuat telah berfungsi dengan baik dan memenuhi standar yang ditentukan dalam instrumentasi nuklir. ABSTRACT MODIFICATION OF THE SINGLE CHANNEL ANALYZER USING IC LM311 AS CONIPARATOR. Modification of SCA using IC LM311 as comparator have been done. SCA is obsolent presently, therefore it should be find out the other IC type with similar characteristic for replacing the IC LM710. The constructed SCA consits of devicfer circuit, uper lever discriminator, lower lever discriminator, and pulse shaping circuit. Modification activity consists of design review, construction and function test. The circuit test was done by using pulse generator and standard radiation source Co 60 and Cs-137. The test done using pulse generator shown that the SCA is running well with the amplitude of 4V, pulse width 511S.The test done by using radiation source it is shown that for Co-60 there are two energies, namely at 5. 7V with 730 count/10 seconds and at 6.4V with 631 count/10 seconds. Where as for Cs-137 the energy at 3.2V with 3205 count/10 seconds. From the test done it is concluded that the SCA is functioning properly and fulfilled the standard of nuclear instrumentation. PENDAHUlUAN Da'am bidang penelitian, industri, radiografi dan radiologi sumber radiasi yang banyak digunakan adalah radiasi sinar gamma, dan untuk keperluan pengukuran intensitas dan tenaga radiasi gamma tersebut dibutuhkan sistem spektrometer gamma. Perangkat elektronik pada sistem spektrometer gamma ini terdiri dari detektor Nal (Tl), Pre Amplifier, Linear Amplifier, Single Channel Analyzer, Counter dan Timer serta Penyedia Daya Tegangan Tinggi DC dan Penyedia Daya Tegangan Rendah DC. Mekanisme deteksi radiasi adalah sinar radiasi gamma oleh detektor Nal (TI) akan dirubah menjadi pulsa listrik kemudian dimasukkan ke Pre Amplifier untuk Jumari, dkk. ISSN

2 dikuatkan tinggi pulsanya menjadi ratusan mv dan dibentuk menjadi pulsa "semi Gaussian". Pulsa semi Gaussian dimasukkan ke Amplifier untuk dikuatkan tinggi pulsanya menjadi maksimum 10 V dan dibentuk menjadi pulsa "Gaussian" [I). Setelah bentuk pulsa menjadi Gaussian kemudian dimasukkan ke SCA untuk dianalisa tinggi pulsanya dan dirubah menjadi pulsa digital dengan tinggi pulsa 3V - 5V dan lebar pulsa 5 ~S [2). Pulsa tersebut dimasukkan ke Counter yang sudah dilengkapi dengan Timer, untuk dicacah berapa pulsa radiasi yang ditangkap oleh detektor persatuan waktu. Setelah pulsa keluaran amplifier tersebut dianalisa maka akan dapat diketahui berapa intensitas dan tenaga radiasi gamma dengan cara melihat hasil cacahan pada Counter dan dibuat gambar spektrum dari sumber radiasi Cs-137 dan Co-60 tersebut. Sistem spektrometer gamma untuk pengukuran tenaga radiasi yang saat ini banyak digunakan adalah buatan "ORTEC" dan "CANBERRA", dimana kedua merk tersebut sudah terbukti berkualitas baik tetapi untuk pengadaan kedua merk perangkat elektronik tersebut memerlukan biaya yang sangat mahal, disamping itu apabila alat tersebut mengalami kerusakan maka untuk pengadaan komponen elektronik yang rusak sangat sulit karena komponennya sangat specific dan kebanyakan tidak ada dipasaran lokal. Karena hal tersebut maka telah dilakukan modifikasi dari sebagian Sistem Spektrometri Gamma, bagian yang dimodifikasi adalah SCA, yang mana fungsi SCA adalah untuk menganalisa tinggi pulsa keluaran linear amplifier yang merupakan pulsa Gaussian keluaran detektor yang sudah mengalami penguatan. Dalam kegiatan modifikasi SCA ini meliputi review design, pembuatan dan pengujian. Review design dititik beratkan pada bagian komparator yang tadinya menggunakan IC LM-71O diganti dengan IC r;ang mempunyai karateristik sarna yaitu LM-311 3), langkah selanjutnya adalah pembuatan dan pengujian spesifikasi teknis yang telah ditentukan. Dalam pengujian dilakukan dengan menggunakan generator pulsa dan sumber radiasi standar dan dari data hasil pengujian menunjukkan bahwa SCA hasil modifikasi telah berfungsi dengan baik sesuai standar yang ditentukan. Dengan telah berhasilnya dilakukan modifikasi SCA tersebut maka manfaatnya sangat besar yaitu dapat memanfaatkan komponen lokal dan mudah untuk SCAOUT mendapatkannya, kualitas hasil produk cukup OR baik dan alat tersebut telah terbukti dapat berfungsi secara INTEGRAL efektif dan efisien. Efektif karena dapat berdaya guna dan berhasil gun a, serta efisien karena alatnya sangat sederhana dan harganya jauh lebih murah dibandingkan dengan kalau harus beli dari luar negeri. DASAR TEORI Single Channel Analyzer merupakan bagian utama pada sistem Spektrometri y. Adapun blok diagram rangkaian SCA adalah seperti terlihat pada Gambar I. sv UL LL INPUT DIFITRENTIAl SCAour INTEGRAl. DIFFERENTIAL Gambar 2. Timing diagram SCA CN~ SCA J::: rl IL OUTPUT Gambar I. Blok diagram timing single channel analyzer Pada blok diagram gambar 1 terlihat bahwa tiap pulsa input dilengkapi kedua diskriminator Lower Level (LL) dan Uper Level (UL), dan tiap diskriminator membangkitkan sebuah pulsa keluaran jika masing-masing ambang melebihi sinyal masukan. Untuk operasi Integral LL berfungsi sebagai batas bawah sedangkan UL tidak digunakan, prinsipnya kalau ada pulsa yang tingginya diatas LL akan dilewatkan. Operasi Differential ada dua macam yaitu Differential Jendela dan Differential Normal. Pada operasi Differential Jendela LL berfungsi sebagai batasan bawah sedangkan UL berfungsi sebagi lebar jendela, dimana kalau ada pulsa masukan yang tingginya di atas LL sampai lebar jendela tertentu maka pulsa tersebut akan dilewatkan. Untuk operasi Differential Normal, LL berfungsi sebagai batasan bawah sedangkan UL berfungsi sebagai batasan atas, dimana kalau ada pulsa yang tingginya berada diatas LL sampai pada harga UL maka pulsa tersebut akan dilewatkan. Timing diagram cara kerja TSCA adalah seperti pada Gambar 2 : llv _n~ ~ULV Ildl n I UlOUT SL _. pulsa input dan out put 444 ISSN Jumari, dkk

3 Pada timing diagram gambar 2 digambarkan dua kemungkinan kondisi pulsa input. Pertama adalah sebuah pulsa yang melebihi am bang LL tanpa melebihi UL, dan pulsa lainnya adalah pulsa yang melebihi kedua ambang. Jika dipilih operasi integral, sebuah pulsa keluaran SCA dibangkitkan untuk setiap pulsa input pada saat pulsa input naik melintasi keluaran batas LLD. Jika dipilih diuji operasi differential 2. (salahkeluaran satu normal1. ataujendela), sebuah pulsa keluaran SCA dibangkitkan untuk pulsa pertama tapi tidak untuk pulsa yang kedua. Ambang LL dapat diatur dari 0 sid +10 V, sedangkan pengaturan ambang UL ditentukan oleh penetapan operasi. Bila ditetapkan pada operasi Integral maka UL tidak digunakan, sedang kan bila operasi differential Normal UL dapat diatur dari 0 sid + 10 V diukur terhadap ground. Bila operasi ditetapkan pada posisi differential jendela maka UL biasanya diatur 0 sid IV, diukur terhadap ambang LL TAT A KER.JA (Volt) harapkan 1. (Vol No I. Review disain rangkaian dan disain Lay Out PCB. 2. Pembuaum PCB Single Channel Analyzer. 3. Pengujian komponen yang akan dipasang baik pasip maupun aktif. 4. Pemasangan komponen pada PCB Single Channel Analyzer. 5. Pengujian sistem operasi SCA meliputi operasi Integral, Differential Jendela, dan Differential Normal dengan menggunakan sinyal masukan dari Pulse Generator berpolaritas positip dengan frekuensi I khz. 6. Pengujian pencacahan dan analisa tinggi pulsa dengan menggu nakan sumber standard Cs Pengujian pencacahan dan analisa tinggi pulsa dengan menggunakan sumber standard Co-60. Alat yang dligunakan I. Pulse Generator model: GL Frequency Counter Kenwood model: FC Multimeter Digital model: Fluke Oscilloscope 40 MHz Kenwood 40 MHz model : CS Unit sistem spektrometri gamma model: NIM Modul ORTEC 401A. 3. HASIL PENGUJIAN Pengujian Single Channel Analyzer dengan Generator Pulsa Tabel I. Data hasil pengujian spesifikasi teknis SCA No. Sentuk Tinggi Lebar Bagian pulsa diharapkan yanghasil 5Pulsa oositio 4JlS positip Volt yang kotak Hasil4 pengukuran -5 5JlSVolt Tabel 2. Data hasil pengujian operasi integral dengan generator pulsa bawah Respon ulsa SCAmasukar tinggi Sentuk Kesayang 0,50,5 6,56,5 0,10,1-1 4,54,5 5,5,5 7,57,5 8,58,5 2,52,5 3,53,5 9,59,5 1,51,5 5,0 6,0 8, ,0 4,0 1,0 3,0 7, , ,0-103,95-107,0 ~an(o/c -10,5-109,5-104,5-105,5-107,5 ~0 SCA ~2 ~ ~5 108,0 1, ,95 2,45 3,45 2,95 0,98 6,45-10 eluaran 0,1-10 ulsa Respon 2 8,5 - terukur (Volt) masuka 10 pulse SCI tinggi Aras Jumari, dkk. ISSN

4 Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan Tabel 3. Data hasil pengujian operasi differensia! dengan generator pulsa, lebar jendela 0,1 Volt. Respon ulsa masukar bawah linggi 0,10,1 0,50,5 2,52,5-3,53,5 11-1,10,98- sa-iahasca ("!o) 2SL 0,20,1-0,60,5- pulsa keluaran Respon Seniuk Pulsa lerukur masukan linggi harapkan 44-4,13, ,12,0-2,1 33-3,12,95-2 6,56,5 5,5,5-7,57,5-8,58,5 9,59,5-99-9, ,1 66-6,15, ,1-7,1-5SL 2,6 3,6 6,6 6,45-5,6 7,6 8,6 2,45-1,48-9,6 3,45-9,5 4,5-5-5,1 5,5-7,5-8,5-9-9,1 8-8,1-7,1 Aras (Vol (Volt) 4,05 3,05 6,05 1,08 6,55 2,55 4,6 5,6 7,6 0,6 1,58 9,6 0,2 8,6 3, Amplifier, Penyedia Daya Tegangan Rendah dan Tinggi DC, Counter dan Timer serta sistem NIM Modul. Tabel 5. Data hasil peneaeahan dengan sumber radiasi y Cs-137 Aktivitas Cs-137 = 10 flci (tanggal pembuatan : 9 Januari 198 I), tanggal penguj ian = 29 April 2008, Sistem operasi Differensial Jendela (Window), Lebar jendela (Upper Level) = 0,1 Volt, Jarak sumber radiasi dengan detektor = 5 em. No. Aras bawah, 0,9 0,3 0,8 0,4 0,6 0,2 0,7 0,5 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 1,1 1,2 1,3 2,1 3,7 2,2 3,2 3,3 3,5 3,4 3,6 2,3 2,6 2,4 3,1 2,7 2,8 2,5 2, (Volt) Cacah/10detik Tabel 4. Data hasil pengujian operasi differensial nonnal dengan generator pulsa. bawah Aras rras AIfTinggi asukanpulsa SC masukan Tinggi pulsa SCA enluk keluaran pul han Kesa (Ofc No I (Vall) (Vall) yang lerukur (Volt) SCA dihara kan ,96-2, ,96-2, ,96-3, ,96-5, ,96-5, ,96-7, ,96-8, ,96-9, ,96-9,96 4 Pengujian SCA Menggunakan Sumber Radiasi Cs-137 dan Co-GO. Pad a pengujian SCA dengan sumber radiasi ini SCA dilengkapi dengan detektor NaI (TI), dan perangkat "ORTEC" seperti Pre Amplifier, Dari data hasil pengujian Tabel 5 dengan sumber radiasi y Cs-137 kemudian disajikan dalam bentuk spektrum seperti pada Gambar ISSN Jumari, dkk

5 Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan No. Aras bawah 8,1 7,9 7,8 7,7 7,4 7,5 7,6 7,2 7,3 6,9 7,1 6,1 6,2 6,3 6,4 6,5 6,6 6,7 6,8 5,1 5,2 5,3 5,4 5,5 5,6 5,7 5,8 5,9 4,1 4,2 4,3 4,4 4,5 4,6 4,7 4,8 4,9 3,9 3,5 3,6 3,7 3, (Volt) Cacah/10detik 1000 o o 0,$ 1, (v.~) Gambar 3. Spektrum sumber radiasi standar Cs-137 Letak tenaga radiasi y Cs-137 pada 3,2 Volt (3205 eaeah/io det). Tabel 6. Data hasil peneaeahan dengan sumber radiasi y Co-60. Waktu peneaeahan = 30 April 2008, Jarak sumber radiasi dengan detektor = 0, I em No. Aras bawah 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,8 1,6 1,1 1,2 3,3 3,4 1,3 1,4 1,9 2,9 3,1 3,2 1,7 1,5 2,8 2,1 2,2 2,3 2,4 2,5 2,6 2, (Volt) Cacah/10detik Dari data hasil pengujian peneaeahan pada Tabel 6 dengan sumber radiasi y Co-60 kemudian disajikan dalam bentuk spektrum seperti terlihat pada Gambar 4. Jumari, dkk. ISSN

6 Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan 9'YJ -!OO 5 e IV"'" Gambar 4. Spektrum sumber radiasi standar Co - 60 Letak tenaga radiasi puncak I pada 5,7 V (730 cacah/io detik), dan puncak 2 pada 6,4 V (631 cacah/io detik). PEMBAHASAN I. Pada pengujian SCA dilakukan dengan menggunakan Generator Pulsa dan menggunakan Sumber Radiasi Standar Cs-137 dan Co-60. Keluaran pulsa output SCA berbentuk pulsa kotak positip dengan tinggi pulsa 4 Volt dan lebar pulsa 5 /ls dan hal itu sudah sesuai dengan yang diinginkan. 2. Untuk pengujian operasi Integral dari harga LL = 0,1 V sampai dengan 9,5 V terjadi kesalahan rata-rata = ( )% / 20 = 1,7%. 3. Pada pengujian operasi Differential Jendela UL diset pada 0, I V kemudian diteruskan dengan pengaturan LL dari 0,1 V sampai dengan 9,5 V, terjadi kesalahan rata-rata sarna dengan pada operasi integral sebesar 1,7%. 4. Pada pengujian operasi Differential Normal disini antara LL dan UL berdiri sendiri-sendiri (independent), dalam hal ini kalau ada pulsa yang tingginya diantara LL sampai dengan UL maka pulsa terse but akan dilewatkan dan dari hasil pengujian didapatkan kesalahan rata-rata sebesar 4 %. 5. Dari pengujian analisa tinggi pulsa untuk mencari letak tenaga dan intensitas sumber radiasi standar Cs-137 dari Gambar 3 didapatkan bahwa letak tenaga sumber radiasi y standar Cs-137 pada 3,2 Volt dengan angka cacahan sebesar 3205 cacah/lodetik. 6. Kemudian dari pengujian analisa tinggi pulsa untuk mencari letak tenaga dan intensitas sumber radiasi standar Co-60 dari Gambar 4 spektrum Co-60 didapatkan bahwa letak tenaga sumber radiasi y standar Co-60 ada dua, pertama pada 5,7 Volt dengan angka cacahan 730 cacah/iodetik dan yang kedua pada 6,4 Volt dengan angka cacahan 63 I cacah/i 0 detik. KESIMPULAN Dari data hasil pengujian dalam modifikasi Single Channel Analyzer dapat ditarik kesimpulan sebagai berikut : I. Dalam pembuatan SCA dari hasil pengujian dan pembahasan terbukti bahwa SCA yang dibuat telah berfungsi dengan baik dan telah dapat dipakai untuk menga'1alisa tinggi pulsa, dan membentuk menjadi pulsa kotak dengan lebar pulsa 5 /ls, tinggi pulsa 4V, baik pulsa dari generator pulsa maupun sumber radiasi. 2. Dengan melakukan desain ulang dalam rangka modifikasi Single Channel Analyzer ini maka tujuan kegiatan telah tercapai yaitu telah dapat memenuhi kebutuhan sebagian sarana dari sistem spektrometer gamma dengan memanfaatkan komponen lokal yang mudah dicari dipasaran sehingga dapat menghemat biaya yang begitu besar apabila dibandingkan dengan membeli SCA produk dari luar negeri. UCAPAN TERIMA KASIH Diucapkan terimakasih kepada Bp. Juwarno, Bp. Bambang Sumanto staf BEM dan Nurhalis Majid mahasiswa teknik elektronika UNY dan pejabat struktural BEM-PT APB atas bantuan dan kerjasama yang baik sehingga kegiatan modifikasi SCA ini dapat beijalan dengan lancar. DAFTAR PUSTAKA I. WISNU SUSETYA (1988), Sistem Spektrometri Gamma, Fakultas Tcknik UGM, Yogyakarta. 2. ORTEC (1991), Operating and Service Manual of Timing Single Channel Analyzer model 551, USA. 3. LINEAR DATA BOOK (1982), "National Semi Conductor" Santa Clara, California, USA 4. SUDIONO, dkk (2004), Petunjuk Praktikum Elektronika Nuklir, Bidang Studi Elektronika dan Instrumentasi, STTN - BATAN, Yogyakarta. 5. ATOMITRON (1980), Buku Petunjuk Pemakaian dan Perbaikan TSCA DIN-482, PPBMI - BATAN, Yogyakarta. TANYA JAWAB Kiswanto ~ Untuk pengujian SCA hasil modifikasi, dari tabel terlihat bahwa persentase kesalahan 0-5% dan 448 ISSN Jumari, dkk

7 tidak stabil, apakah pengujian dilakukan beberapa kali? ~ Apakah kesalahan tersebut sarna untuk setiap kali pengujian? Jumar; <} Dari hasi pengujian persentase kesalahan 0-5% terkesan belum stabil hal ini karena kemungkinan dari toleransi harga komponen sebesar 5%. Pengujian dilakukan 3 kali. <} Kesalahan untuk masing-masing pengujian besarna sama. Suhartono ~ Mengapa uji INL, DNL tidak dibahas (karena faktor tersebut juga rnernpengaruhi keandalan SCA). Jumar; <} Untuk uji INL dan DNL tidak dibahas karena sebetulnya untuk mencari INL dari data hasil pengujian operasi integral harga INL sudah dapat dicari yaitu dari harga penyimpangan LL terbesar dibagi LL mak. ~V Besar INL = -- -I 00% Vmak _ 0,005V 9,5V = 0,5263 % Untuk INL dan DNL pada pengujian SCA sebetulnya tidak perlu dilakukan. Jurnari, dkk. ISSN