TARGET BERILIUM SEBAGAI SUMBER NEUTRON PADA BORON NEUTRON CAPTURE THERAPY

Transkripsi

1 PERANCANGAN PEMANDU BERKAS NEUTRON HASIL REAKSI PROTON 30 MeV PADA TARGET BERILIUM SEBAGAI SUMBER NEUTRON PADA BORON NEUTRON CAPTURE THERAPY (BNCT) MENGGUNAKAN SOFTWARE MCNPX Disusun oleh : Dian Novitasari M SKRIPSI PROGRAM STUDI FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA April, 2016

2 PERANCANGAN PEMANDU BERKAS NEUTRON HASIL REAKSI PROTON 30 MeV PADA TARGET BERILIUM SEBAGAI SUMBER NEUTRON PADA BORON NEUTRON CAPTURE THERAPY (BNCT) MENGGUNAKAN SOFTWARE MCNPX Disusun oleh : Dian Novitasari M SKRIPSI Diajukan untuk memenuhi sebagian persyaratan mendapatkan gelar Sarjana Sains PROGRAM STUDI FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA April, 2016 i

3 ii

4 PERNYATAAN Dengan ini saya menyatakan bahwa isi intelektual Skripsi saya yang berjudul PERANCANGAN PEMANDU BERKAS NEUTRON HASIL REAKSI PROTON 30 MeV PADA TARGET BERILIUM SEBAGAI SUMBER NEUTRON PADA BORON NEUTRON CAPTURE THERAPY (BNCT) MENGGUNAKAN SOFTWARE MCNPX adalah hasil kerja saya dan sepengetahuan saya hingga saat ini. Isi Skripsi tidak berisi materi yang telah dipublikasikan atau ditulis oleh orang lain atau materi yang telah diajukan untuk mendapatkan gelar kesarjanaan di Universitas Sebelas Maret atau di Perguruan Tinggi lainnya kecuali telah dituliskan di daftar pustaka Skripsi ini dan segala bentuk bantuan dari semua pihak telah ditulis di bagian ucapan terima kasih. Isi Skripsi ini boleh dirujuk atau diphotocopy secara bebas tanpa harus memberitahu penulis. Surakarta, 30 Maret 2016 Dian Novitasari iii

5 MOTTO Dan segala sesuatu yang kamu lakukan dengan perkataan atau perbuatan, lakukanlah semuanya itu dalam nama Tuhan Yesus, sambil mengucap syukur oleh Dia kepada Allah, Bapa kita. ~Kolose 3:17~ Segala perkara dapat kutanggung di dalam Dia yang memberi kekuatan kepadaku ~Filipi 4:13~ If it doesn t challenge you, it doesn t change you. Do not give up, because the beginning is always the hardest ~NN~ Apabila bertambah banyak pikiran dalam batinku, penghiburanmu menyenangkan jiwaku. ~Mazmur 94:19~ Bersukacitalah dalam pengharapan, sabarlah dalam kesesakan, dan bertekunlah dalam doa! ~Roma 12:12~ Always pray to have eyes that see the best, a heart that forgives the worst, a mind that forgets the bad, and a soul that never loses faith ~NN~ iv

6 HALAMAN PERSEMBAHAN Dengan segala ucapan syukur kepada Tuhan Yesus, karya ini saya persembahkan kepada: 1. Mami Harti dan kakak Abel yang turut mendukung dalam doa dan semangat selama perkuliahan dari awal hingga akhir pembuatan tugas akhir ini. 2. Alm.Ibu Ariati Wiretno yang merupakan bulik kesayangan, yang berjuang melawan kanker selama 1 tahun lebih. Banyak kebaikan yang beliau berikan kepada saya terutama dalam bidang pendidikan. 3. Seluruh keluarga besar Sofiati dan Sularno yang memberikan doa dan semangat. 4. Pak Suharyana selaku pembimbing I sekaligus motivator favorit saya. 5. Bu Riyatun selaku pembimbing II yang telah memberikan banyak ilmu pengetahuan dengan sepenuh hati. 6. Pak Fajar selaku kepala Lab Komputasi Kimia yang telah memberikan akses dengan username pribadi dan memberikan keuntungan lebih fleksibel di dalam running program. 7. Oktaviana Erawati S,Si dan Dwi Wahyuningsih M,Si yang merupakan kakak pembimbing dan motivator selama pengerjaan skripsi saya. 8. Teman-teman seperjuangan saya diantaranya Dea, Umi, dan Asih yang selalu menemani baik suka maupun duka. Banyak kebaikan yang telah kalian berikan hingga saya bisa menjadi sekarang ini karena kesatuan hati, kebersamaan, dan kasih selalu ada diantara kita. 9. Yuda A.T.P 10. Olick, Buce, dan Ikhlas yang telah meluangkan waktu untuk berdiskusi bersama mengenai BNCT. 11. Keluarga besar Creativity of Physics v

7 Perancangan Pemandu Berkas Neutron Hasil Reaksi Proton 30 MeV Pada Target Berilium Sebagai Sumber Neutron Pada Boron Neutron Capture Therapy (BNCT) Menggunakan Software MCNPX Dian Novitasari Jurusan Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sebelas Maret ABSTRAK Telah dilakukan perancangan pemandu berkas neutron sebagai sumber neutron pada BNCT melalui reaksi proton 30 MeV dengan 9 Be. Perancangan dibuat dengan simulasi komputer menggunakan software MCNPX. Penggunaan sistem BSA dan CA dalam pemandu berkas neutron supaya dihasilkan berkas neutron dan foton sesuai dengan parameter yang ditetapkan oleh IAEA untuk mendukung keperluan BNCT. Hasil penelitian menyatakan bahwa setelah diberi sistem BSA dan CA fluks neutron cepat menurun signifikan, selain itu terdapat tiga parameter yang sudah memenuhi kriteria IAEA yaitu, D ɣ Φ epitermal bernilai 8, Gy.cm 2.n -1, Φ termal Φ epitermal, bernilai 0,02 dan J Φ total bernilai 0,76. Kedua parameter yang belum sesuai dengan kriteria IAEA adalah, Φ epitermal hanya bernilai 3, n.cm -2.s -1, D f Φ epitermal bernilai 2, Gy.cm 2.n -1. Penelitian ini dilanjutkan dengan uji BNCT untuk kanker glioblastoma multiforme pada phantom ORNL-MIRD. Reaksi pada BNCT yaitu 10 B(n,α) 7 Li *, kemudian 7 Li * meluruh memancarkan foton. Hasil menunjukkan bahwa laju dosis foton yang dihasilkan sebesar 1, Gy.s -1. Kata Kunci : BNCT, siklotron, pemandu berkas neutron, BSA, CA. vi

8 Design of Beam Neutron Guide by Proton Reaction 30 MeV on Beryllium Target for Neutron Source in Boron Neutron Capture Therapy (BNCT) Using MCNPX Software Dian Novitasari Department of Physics, Faculty of Mathematics and Natural Science Sebelas Maret University ABSTRACT Design of neutron beam guide as BNCT s neutron source has been done for proton reaction 30 MeV with 9 Be. The design created by computer simulation and software named MCNPX. BSA and CA system in neutron beam guide lead to neutron beam and photon where all IAEA recommended criteria are met for BNCT treatment. The result showed that after using BSA and CA fast neutron flux decreased steadily, however three parameters are met IAEA recommended criteria D ɣ Φ epithermal is 8, Gy.cm 2.n -1, Φ thermal Φ epithermal is 0,02 and J Φ total is 0,76. But, there are two parameters are not in accordance with IAEA recommended criteria including Φ epithermal amount 3, n.cm -2.s -1 and D f Φ epithermal amount 2, Gy.cm 2.n -1. Then, this study continued to experiment BNCT treatment for glioblastoma multiforme cancer with ORNL- MIRD phantom. BNCT utilizes the reaction 10 B(n,α) 7 Li *, and 7 Li * back to ground state with photon emitting. The result showed photon dose rate is 1, Gy.s -1. Key word : BNCT, cyclotron, neutron beam guide, BSA, CA. vii

9 KATA PENGANTAR Puji syukur kepada Tuhan yang Maha Esa, yang telah melimpahkan karunia dan kebaikannya, sehingga penulis mampu untuk menyelesaikan Skripsi ini. Penulis mampu mempersembahkan karya ini bukan karena kuat gagah sendiri, melainkan karena Tuhan yang telah membantu dan menyertai penulis dari awal hingga akhir pembuatan skripsi ini. Penulis menyusun skripsi dengan judul Perancangan Pemandu Berkas Neutron Hasil Reaksi Proton 30 MeV Pada Target Berilium Sebagai Sumber Neutron Pada Boron Neutron Capture Therapy (BNCT) Menggunakan Software MCNPX dalam tujuan untuk mendapatkan gelar Sarjana Sains. Penulis mengucapkan terima kasih kepada berbagai pihak yang telah ikut membantu sehingga skripsi ini boleh terselesaikan dengan baik dan maksimal. Dengan penuh rasa hormat, penulis mengucapkan terima kasih kepada: 1. Drs. Suharyana M.Sc. selaku pembimbing I 2. Dra. Riyatun M.Si. selaku pembimbing II 3. Rekan-rekan dalam Radiasi dan Nuklir Grup Riset 4. Dwi Wahyuningsih M.Si Biarlah Tuhan yang selalu melimpahkan anugrahnya atas kebaikan Bapak/Ibu kepada penulis. Penulis memahami banyak kekurangan di dalam skripsi yang telah tersusun ini, alangkah baiknya jika ada yang berkenan untuk memberikan kritik maupun saran. Semoga karya ini boleh bermanfaat sebagai referensi penelitian selanjutnya. Surakarta, 30 Maret 2016 Dian Novitasari viii

10 PUBLIKASI Sebagian skripsi saya yang berjudul Perancangan Pemandu Berkas Neutron Hasil Reaksi Proton 30 MeV Pada Target Berilium Sebagai Sumber Neutron Pada Boron Neutron Capture Therapy (BNCT) Menggunakan Software MCNPX telah dipublikasikan pada Repository FMIPA UNS. ix

11 DAFTAR ISI Halaman HALAMAN JUDUL... i HALAMAN PENGESAHAN... ii HALAMAN PERNYATAAN... iii HALAMAN MOTTO... iv HALAMAN PERSEMBAHAN... v HALAMAN ABSTRAK... vi HALAMAN ABSTRACT... vii KATA PENGANTAR... viii HALAMAN PUBLIKASI... ix DAFTAR ISI... x DAFTAR GAMBAR... xii DAFTAR TABEL... xiv DAFTAR SIMBOL... xv DAFTAR LAMPIRAN... xvii BAB I. PENDAHULUAN Latar Belakang Masalah Batasan Masalah Perumusan Masalah Tujuan Penelitian Manfaat Penelitian... 7 BAB II. TINJAUAN PUSTAKA Kanker Terapi Kanker dengan BNCT Sumber Neutron Berbasis Siklotron Pemandu Berkas Neutron Reflektor Moderator Filter Berkas Neutron dalam BNCT Penggunaan Neutron dalam BNCT Parameter Berkas Neutron oleh IAEA untuk BNCT Interaksi Radiasi dalam BNCT Interaksi Neutron Interaksi α Interaksi Foton dengan Materi Tampang Lintang Neutron Reaksi Utama dalam BNCT Reaksi Tangkapan Neutron Termal oleh 10 B Reaksi Tangkapan Neutron oleh Unsur Penyusun Jaringan Tubuh Dosimetri x

12 2.10.Simulasi Monte Carlo BAB III. METODE PENELITIAN Tempat dan Waktu Penelitian Alat dan Bahan Tahapan Penelitian Tahap Pesiapan Tahap Simulasi Reaksi Proton dengan 9 Be Tahap Simulasi BSA dan CA Tahap Validasi dengan Jurnal Acuan Tahap Analisa Fluks Neutron Sistem BSA dan CA Tahap Analisa Hasil Simulasi BSA dan CA terkait Parameter IAEA Tahap perhitungan dosis foton pada sel sehat di sekitar kanker Glioblastoma Multiforme Tahap Kesimpulan BAB IV. HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil Simulasi Reaksi Proton dengan 9 Be Pemilihan Energi Proton 30 MeV Hasil Interaksi Proton dengan 9 Be Hasil Simulasi Sistem BSA dan CA Validasi Hasil Simulasi Analisa Fluks Neutron Sistem BSA Penambahan Reflektor Pb Penambahan Filter Neutron Cepat Fe Penambahan Moderator CaF Penambahan Filter Neutron Termal Analisa Fluks Neutron Sistem CA Hasil Simulasi BSA dan CA Terkait Parameter IAEA Hasil Simulasi BNCT pada Kanker Glioblastoma Mutiforme BAB V. KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan Saran DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN xi

13 DAFTAR GAMBAR Halaman Gambar 2.1. Reaksi BNCT dalam Sel Tubuh Gambar 2.2. Perbandingan Spektrum Neutron Epitermal antara Siklotron dengan KURR Gambar 3.1. Diagram Alur Tahap dalam Penelitian Gambar 3.2. Tahap Persiapan Gambar 3.3. Hasil Simulasi Sistem BSA dan CA Gambar 3.4. Flowchart Penelitian Tahap Simulasi Reaksi Proton dengan 9 Be Gambar 3.5. Flowchart Penelitian Tahap Validasi dengan Jurnal Acuan Gambar 3.6. Tahap Perhitungan Laju Dosis Foton pada BNCT Gambar 4.1. Fluks Proton yang Mengenai Target 9 Be Gambar 4.2. Fluks Neutron sebagai Fungsi Energi Neutron Gambar 4.3.a. Desain 3 Dimensi BSA dan CA Hasil Penelitian Gambar 4.3.b. Desain 2 Dimensi BSA dan CA Hasil Penelitian D f Gambar 4.4. Rasio dengan Filter 208 Pb Φepitermal Gambar 4.5. Fluks Neutron Cepat (a) dan Laju Dosis Neutron Cepat (b) sebagai Fungsi Ketebalan Filter Gambar 4.6. Distribusi Fluks Neutron sebagai Fungsi Energi dengan Penambahan Fe sebagai Filter Neutron Cepat Gambar 4.7. Distribusi Fluks Neutron sebagai Fungsi Energi dengan Penambahan CaF2 sebagai Moderator Gambar 4.8. Distribusi Fluks Neutron sebagai Fungsi Energi dengan Penambahan Filter Neutron Termal Gambar 4.9. Distribusi Fluks Neutron Setelah Melewati Sistem BSA dan CA Gambar Hasil Perbandingan Tanpa dan Memakai Sistem BSA & CA Gambar Phantom Kepala untuk Perhitungan Dosis Foton Gambar Hasil Simulasi Terapi BNCT pada Glioblastoma Multiforme Gambar Laju Dosis Foton pada Bagian Kepala Gambar L.3.1. Grafik Tampang Lintang Reaksi 9 Be(p,2n+p) 7 Be Gambar L.3.2. Grafik Tampang Lintang Reaksi 9 Be(p,n) 9 B Gambar L.3.3. Tampang Lintang Hamburan Elastis (a) dan Serapan (b) Neutron pada Reflektor Gambar L.3.4. Tampang Lintang Serapan Neutron 56 Fe dan 208 Pb sebagai Filter Neutron Cepat xii

14 Gambar L.3.5. Tampang Lintang Hamburan Non-Elastis pada Material 56 Fe Gambar L.3.6. Tampang Lintang Hamburan Non-Elastik pada 40 Ca Gambar L.3.7. Tampang Lintang Hamburan Non-Elastik pada 19 F Gambar L.3.8. Tampang Lintang Serapan Neutron pada 7 Li, Cd dan 19 F sebagai Filter Neutron Termal xiii

15 DAFTAR TABEL Halaman Tabel 2.1. Parameter Berkas Neutron oleh IAEA untuk BNCT Tabel 2.2. Tampang Lintang Tangkapan Neutron Tabel 2.3. Jenis Tally Perhitungan dalam MCNP Tabel 3.1. Data Spesifikasi Akeselerator Siklotron Tabel 3.2. Data Material BSA dan CA Tabel 3.3. Ukuran Material BSA dalam Penelitian Tabel 3.4. Ukuran CA dalam Penelitian Tabel 4.1. Hasil Fluks Neutron dari Reaksi Proton dan 9 Be Tabel 4.2. Hasil Laju Dosis dari Reaksi Proton dan 9 Be Tabel 4.3. Keterangan dari Bagian BSA dan CA Tabel 4.4. Hasil Keluaran Sistem BSA dan CA Terkait Parameter IAEA Tabel 4.5. Fluks Neutron di Sel Kanker Tabel 4.6. Laju Dosis Foton dan Dosis Foton Tabel L.1.1. Data Material Sistem BSA dan CA Tabel L.4.1. Rasio Laju Dosis Neutron Cepat dengan Fluks Epitermal pada Ujung Aperture Filter 208 Pb xiv

16 DAFTAR SIMBOL Lambang Definisi 60 Co Cobalt Cs Cesium Ir Iridium I Iodine Pd Palladium Gd Gadolinium B Boron-10 7 Li Lithium-7 7 Li * Lithium-7 tereksitasi 16 O Oxygen C Carbon-12 1 H Hydrogen-1 2 H Hydrogen-2 14 N Nytrogen B Boron B * Boron-11 tereksitasi 4 He Helium-4 ɣ Gamma α Alpha 9 Be Berrilium-9 CaF2 Calcium fluoride Bi Bismuth-209 Pb Timbal Fe Besi LiF Lithium fluoride Cd Cadmium Lambang Kuantitas Satuan Φ termal Fluks neutron termal n.cm -2.s -1 Φ epitermal Fluks neutron epitermal n.cm -2.s -1 D f Laju dosis neutron cepat Gy.s -1 D ɣ Laju dosis foton Gy.s -1 J Arus neutron pada permukaan n.cm -2.s -1 D Dosis serap Gy D Laju dosis serap Gy.s -1 de Energi rata-rata Joule dm Massa kg t Waktu detik xv

17 I Arus Ampere Q Muatan Coulomb fm neutron faktor pengali neutron n/s A Luas cm 2 fm foton faktor pengali foton foton/s V volume cm 3 r jari-jari cm ρ massa jenis g/cc BNCT MCNPX LET KURRI KURR HM-30 BSA CA IAEA ORNL-MIRD Boron Neutron Capture Therapy Monte Carlo N-Particle X Linear Energy Transfer Kyoto University Research Reactor Institute Kyoto University Research Reactor Hydrogen Minus-30 Beam Shaping Assembly Collimator Assembly International Atomic Energy Agency Oak Ridge National Laboratory-Medical Internal Radiation Dose xvi

18 DAFTAR LAMPIRAN Halaman Lampiran 1. Data Material Lampiran 2. Scribd Phantom ORNL-MIRD dengan 10 B Dalam kanker Glioblastoma Lampiran 3. Data Tampang Lintang Lampiran 4. Data Validasi dengan Jurnal Acuan Lampiran 5. Scribd sistem BSA dan CA xvii