PENERAP AN SIMULASI KOMPOSISI TIMBAL OKSIDA P ADA PEREKA Y ASAAN KACA TIMBAL PERISAI RADIASI SINAR-X

Transkripsi

1 102 ISSN Sri Mulyono, dkk. -- PENERAP AN SIMULASI KOMPOSISI TIMBAL OKSIDA P ADA PEREKA Y ASAAN KACA TIMBAL PERISAI RADIASI SINAR-X Sri Mulyono Atmojo, Triharjanto Pusat Standardisasi dan Jaminan Mutu Nuklir BATAN, Pusat Pengembangan Perangkat Nuklir BATAN ABSTRAK PENERAPAN SlMUL4Sl KOMPOSlSl TlMBAL OKSlDA PADA PEREKAYASAAN KACA TlMBAL P ERlSAl RADlASl SlNAR-X. Untuk mengefektifkan pelaksanaan penelitian dan perekayasaan kacatimbal, telah dilakukan penerapan simulasi komposisi timbal-oksida pada perekayasaan kacatimbal untuk perisai radiasi sinar-x pada energi 0, J MeV, dengan card menghitung dayaserap terhadap radiasi sinar-x untuk setiap komposisi timbal-oksida dan kemudian dipilih komposisi tertentu yang mempunyai da,vaserap dig/as 90%, untuk dilakukan fabrikasi. Dari hasil'pembuatan ternyata bahwa kacatimbal dengan bahan silikat (SiO]) dengan kompos,fsi PbO sebesar 3%, 40%, 4% berat mempunyai dayaserap lerhadap radiasi sinar-x masing-masing sebesar 93,7%, 97,68 %, dan 99, J l %. Hasil ini tidak berbeda jauh dengan hasil simulasi. Oleh karena itu dapat disimpulkan bahwa card simulasi ini cukup memadai dan memungkinkan pula hila diterapkan pada proses pembualan kaca/imbal dengan dimensi.vang sesuai dengan slandar yang ditetapkan. Kala /unci.. simu/asi, komposisi limbo/, perisai radiasi sinar-x ABSTRAC1 THE IMPLEMENTATION OF LEAD OXIDE COMPOSITION SIMULATION ON THE LEAD GLASS I~BRICATION. The implementation of lead oxide composition simulation have been carried OUI. Aim 01 this implementation is effectiveness of the research. Method 01 this implementation is determine the absorption strength to X-ray which has energy 0.1 MeV for every composition of lead oxide on the lead glass and then fabricate it in three compositions, 3%, 40%, 4% weight. Their absorption strength are 93,7%, 97,68%, 99,11~~ respectively. This result is not difference to the simulation. so the implementation of simulation on the research and manufacture is possible. Key word: simulation. lead composition. X-ray shield PENDAHULUAN P emodelan atau simulasi sangat penting di dalam suatu proses penelitian. Hal ini dilakukan untuk mendapatkan gambaran basil penelitian yang akan dilakukan dan melalui pemoclelan akan membantu mengefektitkan serta mengoptimalkan proses penelitian, sehingga biaya penelitian dapat ditekan. Pad a pembuatan kacatimbal untuk perisai radiasi sinar-x, pemodelan atau simulasi sangat dibutuhkan untuk memperkirakan besarnya dayaserap kacatimbal terhadap radiasi tersebut, karena kemampuan penyerapan kacatimbal sangat penting bagi keselamatan personil terhadap adanya paparan radiasi sinar-x. Dua hal utama yang barns diperhatikan adalah proses pembentukan kaca dan fungsi menyerap radiasi sinar-x. Hal yang pertama akan menyangkut masalah penggunaan bahan-bahan pembentuk sifat-sifat kaca, antara lain kaliumoksida dan sodiumoksida. Masing-masing senyawa akan mempengaruhi sifat kaca dalam hal meningkatkan indeks biasnya dan menurunkan suhu peleburannya}l] Pada simulasi ini, dua senyawa tersebut dibuat tetap, sehingga parameter hanya bergantung kepada bahan kaca (SiOJ dan timbaloksida (PbO). Dengan berdasar kepada dua parameter ini, dapat dihitung massajenis kacatimbal untuk setiap komposisi. Selanjutnya untuk menetapkan koefisien serapan linier (u) kacatimbal, dihitung terlebih dahulu besamya J.l senyawa pembentuk kaca berdasar kepada J.l unsur pembentuk senyawa. Karena komposisi tak lain adalah fraksi berat, maka J.l kacatimbal dipengaruhi juga oleh fraksi berat timbaloksida yang digunakan di dalam campuran kacatimbal tersebut. Dengan menetapkan besamya komposisi, maka dapat dihitung J.1 kacatimbal dan dayaserapnya untuk setiap komposisi. Prosldlng Pertemuan d,an Presentasl IImiah Penelitlan Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi Nukllr P3TM-BATAN Yogyakarta. 27 Juni 2002

2 ~ Sri MulYOIIO, dkk. ISSN Akhirnya tabel komposisi dan dayas.erap dapat dibuat, sehingga dihar:apkan dapat digunakan sebagai pedoman penelitian maupun fabrikasi kacatimbal. Contoh Untuk NazOz -+- S = 2x BA 1 (atom Na +lx 0) BA o = 1/62 (2) TEORI Kaca dapat dibuat untuk keperluan khusus, dengan memasukkan bahan tertentu. Kaca yang digunakan sebagai jendela pengamat di rumah sakit atau poliklinik yang memanfaatkan sinar-x untuk diagnosa maupun terapi, memerlukan spesifikasi tertentu yaitu harus tern bus pandang dan rnarnpu rnenyerap radiasi sinar-x. Kaca ini dipasang untuk rnelindungi operator pesawat sinar-x dari paparan radiasinya, narnun operator rnasih harus dapat rnelihat pasien yang diiradiasi dengan sinar-x. Agar kaca dapat digunakan sebagar pelindung, rnaka kaca ini harus dicarnpur dengan bahan-bahan yang rnarnpu rnenyerap radiasi sinar-x. Unsur dengan Z besar, cukup baik untuk digunakan sebagai carnpuran kaca. Unsur yang dapat digunakan adalah tirnbal dalarn bentuk senyawa tirnbaloksida (PbO)}2J Dayaserap kacatirnbal pada energi sinar-x tertentu bergantung kepada besamya p, dan p bergantung kepada rnassajenis kacatirnbal p, dan p bergantung kepada kornposisi}3j Penghitungan p berdasar teori dapat dilakukan sebagai berikut : Menentukan senyawa fraks; oksida (SM) dalam =0,01613 Jika didalam kacatimbal terdapat 0,7% berat, maka fraksi berat (Na2O) = 0,007 x 0,01613 Tabell. = 0, Harga 8M beberapa oksida yang digunakan pada pembuatan kacatimba/.is] Demikian seterusnya dihitung untuk senyawa SiO2, PbO dan K20. Langkah selanjutnya menghitung Nsi untuk kacatimbal. Setelah didapat besamya Nsi, maka tinggal mencocokkannya pada Tabel 2, dan dilihat apakah harga tersebut berada pada kolom A, B, C atau D. Dari kolom tersebut akan diketahui besamya konstanta volume spesifik senyawa pembentuk kacatimbal. Selanjutnya dapat dihitung volume spesifik kacatimbal, dengan menggunakan persamaan (3). Untuk menentukan 8M dapat digunakan persamaan berikut : Vsp = ~ VMi x (fraksi berat)i (3) 8M= Setelah SM didapat, langkah selanjutnya adalah menentukan Nsi, yaitu jumlah gram atom unsur pembentuk senyawa per gram oksigen, seperti persamaan (1). :(1) Tabel2. Dimana: (fraksi berat)i adalah fraksi berat masingmasing senyawa. V Mi : konstanta volume spesifik masingmasing senyawa. Daftar harga Nsi don k%m penggunaan. --- N'i 0,270-0,34 0,34-0,400 0,400-0,43 0,43-0,00 Ko)om A B C D dimana Nsi = jumlah gram atom Si per gram atom Tabel3. Konstanta volume spesifik VM. oksigen. is; fthf '~I'S: = fraksi berat Sia2 dalam kaca = fraksi berat masing-masing senyawa = jumlah atom oksigen dalam masingmasing senyawa dibagi BM senyawa - Prosiding Pertemuan Idan Presentasl IImlah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir

3 ISSN Sri Mulyono, dkk. Untuk menghitung p, maka l(gr~m) p= V,p Dengan menggunakan persamaam tersebut, maka r setiap komposisi kacatimbal dapat dihitung. Penentuan,u/p senyawa pembentuk kacalimbo! Pada penelitian ini senyawa yang digunakan adalah : SiO2, K2O, Na2O dan PbO. IlIP masingmasing senyawa dapat dihitung berdasar persamaan (4) berikut. besamya 86% berat. Oemikian seterusnya kenaikan PbO selang % berat, sehingga nilai SiO2 akan selalu berkurang % pula. Oari prosentase berat tersebut, maka fraksi berat senyawa adalah seperti pada Tabel4. Tabel 4. Fraksi berat senyawa. Senyawa SiO2 PbO K2O Na2O % berat 86 8,3 0,7 Fraksi berat 0,86 0,0 0,083 0,007 dimana : Wi = fraksi berat molekul unsur dalam senyawa (pip) = koefisien serapan massa, cm2/gram Jadi: (,uj p)sio1 = ~!!:!.!!.x(,ul p)x ~(,ul p)o () 8M 8M Demikian!.lIp (PbO), (K2O) clan (SiOJ dapat dihitung. Selanjutnya dengan menggunakan persamaan (4) clan () dapat dihitung f.lip clan!.l kacatimbal untuk setiap komposisi. Dayas.erap kacatimbal (DS) terhadap radiasi sinar-x dapat dihitung dengan persamaan (6). DS = (l-e-i'x) x 100%[7) (6) dimana : )l = dayaserap kacatimbal untuk setiap komposisi,cm-' 1 = tebal kacatimbal, cm Dari perhitungan ini dapat dibuat tabel daya serap versus komposisi. Berdasar pad a tabel ini dibuat kacatimbal dengan komposisi 3 %, 40 % dan 0 % bernt. Selanjutnya dayaserap hasil pembuatan kacatimbal ini dibandingkan dengan dayaserap hasil simulasi. Contoh perhitungan untuk komposisi PbO % berat. fx S (SiOJ = 0,86 x 0,0330 = 0, fx S ( PbO) = 0,0 x 0, = 0, fxs(k2o) = 0,083xO,01062 = 0, fxs(na20) = 0,007xO,01613 = 0, Jumlah 0, Jadi Nsi = 0, = 0, x 0, Jika harga ini dicocokkan pada Tabel 3, maka harga ini berada pada kolom D. Oleh karena itu, untuk menetapkan nilai Vsp digunakan angka-angka pada Tabel. Tabel. Hasi/ perka/ian fraksi berat senyawa dengan angka pada k%m D)4) Senyawa I Fraksi berat I Kolom 0 I erkalian fuxv M SiO2 PbO K2O Na2O Vsp 0,86 0,0 0,083 0,007 0,442 0,0807 0,329 0,281 = 0, , , , , TATAKERJA Jadi harga p untuk komposisi PbO % = 1 I V = 1 I 0, = 2,36 gram I cmj Bila perhitungan Perh;tungan Berdasar Teor; Pad a pembuatan kacatimbal, komposisi K2O dam Na2O tetap, masing-masing 8,3% dan 0,7% berat, sedangkan PbO clan SiO2 bervariasi sesuai dengan kenaikan rho. Jadi sisa proses berat untuk PbO dan SiO2 adalah : 100% -(8,3% + 0,7%) = 91%. Jika prosen berat PbO %, maka SiO2 dilakukan untuk semua komposisi, akan diperoleh harga Vsp dad p untuk masing-masing komposisi. Untuk menentukan.ulp senyawa pembentuk kacatimbal, didasarkan kepada.ui p unsur pemb~tuk senyawa pada energi E = 0,1 MeV yang daftamya tercantum pada Tabel 6. Prosiding Pt~rtemuan dan Presentasillmiah Penelitlan Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologl Nuklir

4 Sri MuIYOlltJ, dkk. ISSN Tabel6. UnSUl Si K Daftar pip unsur.pada E = 0,1 MeV. 'tlfp, cm2/gr 0,173 0,216 Unsur ~/p, cm2/gr 0,12 0,12 Pb,62. Dengan menggunakan persamaan (), maka besamya!lip SiO2 adalah 0 'Na IxBASi.2xBAO (u I P )si02 = 8M Si02 x(}l/p}s/+.(}ilp)o BM 8/02 I x xI,994 '- -~xo,173+. ; r"".xo,12 I x 28,O86+2xI,994 = 0,1634 Untuk senyawa yang lain juga dihitung seperti diatas dan hasilnya seperti terc:antum pacta Tabel 7. Tabel 7. Hasi/ perhitungan Jilp senyawa pemben- {uk kacatimba/.[6] SenV;;;a\ ~/p, Cm2/g1 Senyawa SiO2 Na~O 0,6134 0,12 1<~20 PbO!lIp, cm2/g1 0,201,2889 os = (1-e"'.9109xo.J)x 100% = 43,63 % Oayaserap untuk komposisi dan tebal kacatimbal yang lain dapat dihitung pula, dan hasilnya seperti tercantum pacta Tabel9. Tabel 8. Hasi/ perhitungan p,.ulp, dan Jl kacatimba/ berdasar teari. Komposisi \p, gr/cm % beret ,36 2,47 2,9 2,72 2,86 3,03 3,21 3,40 3,62 3,83 4,16 4,47 4,87,37!.lIp, cm2/gram 0,8101 1,0438 1,2776 1,114 1,742 1,9789 2,2127 2,446 2,6804 2,9140I 3,1478 \ 3, :6460 r-~ ~,cm-1 1,9109 2,78 3,300 4,1082 4,9973,9869 7,1099 8,3271 9, , ,1090 1, , ,623 Untuk menghitung ;J! p kacati'mbal setiap komposisi, dihitung menggunakan persamaan (4). Sebagai contoh untuk menghitung IL' p kacatimbal dengan komposisi PbO % berat. (jj!p) kts = 0,0 x, ,86 x 0, ,0'83 x 0, ,007 )( 0,12 Ilkl = 0,8101 = 0,8101 x 2,36 = 1,9109 Demikian seterusnya dihitung!.lip, p,!.l untuk komposisi 10 %, IS %"...sampai 70 %. Hasil perhitungan seperti tercantum pada Tabel 8. Untuk menghitung besamya nilai dayaserap terhadap radiasi sinar-x, ditetapkan tebal kacatimbal adalah 0,3 cm, O,S cm dan 1 cm. Dengan menggunakan persamaan (6;1, maka dapat dihitung nilai dayaserap untuk setiap komposisi. Contoh perhitungan dayaserap (DS) kacatimbal dengan komposisi PbO S%. Nilai!.l untuk komposisi PbO"S% adalah 1,9109. Maka dayaserap : Pembuatan Sampel Kacatimbal Untuk keperluan pembuatan sam pel ini, ditetapkan komposisi PbO sebesar 3%, 40 %, clan 4 % berat clan tebalnya 0, cm. Masing-masing bahan yang berupa serbuk halus, ditimbang sesuai dengan kebutuhan, lalu dicampur sampai merata. Kemudian dimasukkan ke dalam "crusib/e" clan dipanaskan mencapai suhu lebumya. Pada suhu tersebut, struktur kaca akan terbentuk. Oleh karena itu pada suhu ini pemanasan ditahan agak lam, sehingga pembentukan kaca akan lebih sempuma. Selanjutnya dituang ke dalam cetakan clan didinginkan perlahan-lahan hingga mencapai suhu kamar. Kaca lalu dikeluarkan dari cetakan clan dilakukan ':finishing", sehingga permukaan maupun ukuran kacatimbal sesuai dengan yang direncanakan. Pengujian dayaserap terhadap radiasi sinar-x dilakukan dengan menggunakan standar SNI , "Metode pengujian ekivalen timbai untuk peralatan proteksi radiasi"}&\ Sam pel kacatimbal yang berbentuk pelat diletakkan di depan pesawat sinar-x dengan arah tegak lurus sumber Sinar-X, pad a jarak 1, m, clan detektor sinar-x diletakkan di belakang sampel pada jarak 3 Prosiding Pertemuan '~an Presentasi IImlah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir

5 106 ISSN Sri Mulyono, dkk. cm. Selanjutnya sampel diiradiasi dengan sinar-x pada tegangan operasi sebesar 10 kv, selama 6 detik. Penunjukan pengukuran pada detektor merupakan intensitas radiasi sinar-x yang sebagian telah diserap oleh sampel, dan disebut dengan 1. Untuk mengetahui intensitas radiasi tanpa diserap oleh sampel, maka sampel diambil dan detektor diiradiasi langsung dengan kondisi yang sarna seperti sebelumnya. Penunjukan angka pada detektor disebut dengan 10. Secara matematis penyerapan bahan merupakan fungsi eksponensial dan dapat dituliskan sebagai berikut: /0 x e-jlx [9) (7) dengan Dayaserap persamaam untuk setiap berikut: komposisi. dapat dihitung I os = (10 -/)/10 x 100% = (1 -e-j1x) x 100% Hasil perhitungan daya serap kacatimbal untuk setiap komposisi berdasar simulasi seperti tercantum pada Tabel9. Tabel 9. Hasil perhitungan dayaserap berdasar teori beberapa ketebalan kacatimbal. Komposisi, Dayaserap kacatimbal, % % berat I t ~ 0,3 cm\ t = 0, cm t=lcm Q 43,63 3,83 62,90 70,84 77,67 83,4\ 88,1 9\,78 94, 96,49 98,04 98,93 99,1 99,8G 61,4 72,42 80,84 ~ 87,18 91,78 94,99.97,14 98,4 99,22 99,62 99,86 99,9 99,986 99,991 HASIL DAN PEMBAHASAN 8,21 92,39 96,33 98,36 99,32 99,7 99,92 99,98 99,984 I 99,998 99, , , Hasil perhitungan 'tllp senyawa pembentuk kacatimbal secara teori seperti tercantum pada Tabel 7 diatas. Nilai ~/p ini kemudian digunakan untuk menghitung ~/p kaca-timbal. Perhitungan massjenis kacatimbal menghasilkan nilai yang cenderung linier, demikian pula untuk koefisien serapan liniemya. Sedangkan dayaserapnya terhadap radiasj sinar-x cenderung eksponensial. Kelengkungan eksponensial untuk kacatimbal tebal 0,3 cm dimulai pada komposisi sekitar 30% -3%, untuk tebal 0, cm dimulai pada komposisi sekitar 30% - 3%, sedangkan untuk ketebalan dan komposisi yang sarna, hasil perhitungan dayaserap sampel terhadap radiasi sinar-x berbeda sedikit jika dibandingkan dengan hasil perhitungan berdasar teori. Sampel kacatimbal pada tebal 0, cm dengan komposisi PbO 3% berat, mempunyai dayaserap sebesar 93,7%, sedangkan hasil perhitungan berdasar teori sebesar 94,99% yang berarti berbeda 1,24%. Untuk sam pel dengan komposisi 40% berat, mempunyai dayaserap sebesar 97,68%, sedangkan hasil perhitungan berdasar teori sebesar 98,4%, yang berarti mempunyai selisih 0,77%. Untuk sam pel dengan komposisi 4% berat, mempunyai dayaserap sebesar 99, II %, sedangkan hasil perhitungan berdasar teori sebesar 99,22% berarti ada selisih 0, II %. Perbedaan ini mungkin disebabkan karena pada saat peleburan ada unsurunsur dengan Z besar yang menguap atau mungkin karena senyawa pembentuk kaca masih tercampur dengan unsur lain yang sulit dipisahkan, serta mungkin karena senyawa K2O yang berasal dari K2CO) dan Na2O yang berasal dari N~CO), menyebabkan produk K2O dan Na2O pada suhu tinggi tidak sepenuhnya terjadi. Berdasar kepada hasil tersebut diatas, maka penghitungan massajenis berdasar kepada jumlah oksida pembentuk kaca, cukup memadai untuk digunakan dalam meramalkan hasil kacatimbal yang akan dibuat. TabellO. Hasil pengujian dan penghilungan daya serap kacalimballebal 0, cm. Komposisi Paparan Dayaserap Kacatimbal, % Radiasi, ~G % - 3, anpa sam pel ,3 0,3 KESIMPULAN 93,7 97,68 99,11 ~. cm-' \P, gram! cm' Oari pembahasan diatas, temyata hasil perhitungan p clan dayaserap DS kacatimbal yang diperoleh berdasar teori jika dibandingkan dengan kenyataan hanya berbeda sedikit. Oleh karena'itu, dapat disimpulkan bahwa penerapan simulasi ini cukup memadai jika digunakan untuk merancang penelitian maupun fabrikasi kacatimbal. Prosiding Pertemuan dan Presentasillmiah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir

6 Sri Mulyollo. dkk. ISSN DAFTARPUSTAKA 2 AGUS PUR WAD!, Studi Pengaruh Kadar Ph dalam Kacatimhal Terhadap Penyerapan Radiasi Sinar-X, Universitas Indonesia, Jakarta, 1993 GLENN MURPHY, Elements of Nuclear Engineering, John Wiley and Sons, Inc. New York, SRI MUL YaNG A TI'v'IOJO, Pengembangan Metoda Pengendalian Mutu pada Pembuatan Apron Timbal, Prosiding Seminar Nasional VIII, Jurusan Kimia UGfll1, Yogyakarta, FAY V. TOOLEY, The Handbook of Glass Manufacture, Vol. I dan II, 3rd Edition, Books for Glass Industry Division Ashlee Pubkishing Inc. New York, 1993 MARTHA WINDHOLZ dkk., An Encyclopedia of Chemicals, Drugs and Biologicals, The Merck Index, Merck an~ Co. Inc. New Jersey, USA, R. G. JAEGER, dkk., Engineering Compendium on Radiation Shielding Vol. I, Springer - Verlag, Berlin,1968. TANYAJAWAB Widi Usada -Oalam pengartian umum, istilah kaca dikonotasikan di transparan, dalam hal ini apakah perisai kaca timbal juga transparan. -Berapa -Bagaimana Sri Mulyono tebal kaca timbal yang disimulasikan struktur kaca timbal? -Perisai kaca timbal memang harus transparan. don standar yang disyaratkan adalah harus mampu meneruskan cahaya ge/ombang 0 nm sebesar minimum 80 %. -Tebal kaca limbo! yang disimulasikan 0,3 cm. 0, cm don 1 cm. Hal ini di!akukan, karena kaca timbal digunakan sebagai kaca mala anti radiasi yang diperkirakan mempunyai leba! 1: 0,3 cm sekarang yang leba! / cm digunakan untuk jendela pengamat. -Struktur kaca tidak diamati, karena kaca adalah amozf don bentuk kristal kaca tidak diperlukan do/am kaca timba/ perisai radiasi sinar -X. 7 SRI MUL YOND A TMOJO, Diversifikasi Karet Ngasifudin Alam untuk Perlengkapan Peralatan Proteksi -Berapa komposisi maksimum dari PbOz yang Radiasi NukJir, Kumpulan Karya Tulis Lomba diperlukan? Alasannya? Inovasi IPTEK-2000, PUSPIPTEK, Jakarta, Sri Mulyono 8 STANDAR NASIONAL INDONESIA 18- -Untuk mendapatkan daya serap yang tinggi , Metoda Pengujian Ekivalen Timbal maka untuk tebal kaca: 0,3 cm komposisi PbO Untuk Peralatan Proteksi Radiasi, Badan paling tidak 60 % berat. Hal ini untuk Standardisasi Nasional, Jakarta, 2000 mendapatkan daya serap -99%. Tetapi berdasar standar yang digunakan syarat tebal kaca timbal 9. R. M. SINGRU, Introduction to Experimental Nuclear Physics, Wiley Eastern, Private.:t J cm. maka komposisi PbO yang optimum Limited, New Delhi, ~'ebesar 4 % berat.\"ltdah cukup. karena pada komposisi ini mempunyai daya serap sebesar 99%. Prosiding Pertemuan ~jan Presentasi IImiah Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir