PEMBUATAN THERMOLUMINESCENCE DOSIMETER (TLD) SERBUK CaSO 4 :Tm SEBAGAI PROSES AWAL PRODUKSI DOSIMETER PERSONAL

Transkripsi

1 PEMBUATAN THERMOLUMINESCENCE DOSIMETER (TLD) SERBUK CaSO 4 :Tm SEBAGAI PROSES AWAL PRODUKSI DOSIMETER PERSONAL Mentari Firdha KP 1,*, Sutanto 1, Hasnel Sofyan 2 1 Program Studi Kimia, FMIPA Universitas Pakuan, Jl. Pakuan PB 452, Bogor, Jawa Barat Pusat Teknologi Keselamatan dan Metrologi Radiasi BATAN, Jl. Lebak Bulus Raya No. 49, Jakarta mentarifkp@gmail.com ABSTRAK Radiasi telah banyak dimanfaatkan dalam berbagai bidang kegiatan, seperti di rumah sakit, laboratorium penelitian dan industri. Radiasi selain bermanfaat juga dapat membahayakan kesehatan manusia, terutama kepada para pekerja radiasi. Aspek tentang keselamatan radiasi pengion dan keamanan sumber radioaktif diatur dalam Basic Safety Series (BSS) IAEA No. 115 Tahun 1996 dan PPRI No. 33 Tahun Untuk menjamin keselamatan kerja di kawasan radiasi nuklir maka dibutuhkan suatu alat pemantau radiasi, berupa Thermoluminescence Dosimeter (TLD). TLD yang digunakan saat ini di Indonesia adalah dosimeter yang diimpor seperti Harshaw dari Amerika dan BARC dari India. Untuk itu perlu dibuat alat pemantau radiasi di Indonesia. Penelitian ini merupakan studi pendahuluan pembuatan TLD CaSO 4 :Tm sebagai tahap awal produksi dosimeter personal dalam negeri. Penelitian ini bertujuan untuk pembuatan TLD serbuk yang memiliki respon terbaik terhadap radiasi. TLD CaSO 4 :Tm serbuk dibuat melalui proses kristalisasi menggunakan bahan dasar CaSO 4.2H 2 O yang ditambahkan dengan berbagai perbandingan konsentrasi dari Tm 2 O 3, yaitu 0,3%, 0,4% dan 0,5%. Campuran keduanya dihomogenkan dengan pelarut H 2 SO 4 pekat dan dipanaskan pada suhu 350ºC. TLD CaSO 4 :Tm serbuk yang dihasilkan kemudian diaktivasi pada suhu 700ºC. Selanjutnya dilakukan uji respon terhadap sumber radiasi 90 Sr, uji morfologi dan komposisi bahan dengan menggunakan SEM, XRD, XRF dan uji keseragaman respon radiasi. Hasil Penelitian menunjukkan bahwa TLD dapat dibuat melalui proses kristalisasi, diperoleh konsentrasi Tm optimum sebagai dopant pada pembuatan TLD yaitu 0,3% dengan dosis radiasi 15mGy menghasilkan respon radiasi terbaik sebesar 1539,31nC. Kata kunci: TLD, CaSO 4 :Tm, Kristalisasi, Dosimeter, Radiasi 1. PENDAHULUAN Radiasi nuklir telah banyak dimanfaatkan dalam berbagai bidang kegiatan, seperti di rumah sakit, laboratorium penelitian dan industri. Radiasi selain bermanfaat juga dapat membahayakan kesehatan manusia, terlebih lagi kepada para pekerja radiasi, maka dari itu pemanfaatan radiasi perlu pengawasan dan perlu dilakukan pemantauan rutin terhadap para perkerja radiasi. Dosis radiasi yang diterima oleh pekerja radiasi harus pada dosis serendah mungkin agar tidak membahayakan. Untuk menjamin keselamatan kerja di kawasan radiasi nuklir maka dibutuhkan suatu alat proteksi radiasi, berupa dosimeter. Dosis yang diterima para pekerja radiasi harus selalu terpantau dan nilainya berada di bawah nilai batas dosis yang telah ditetapkan. Aspek tentang keselamatan radiasi pengion dan keamanan sumber radioaktif diatur dalam Basic Safety Series (BSS) IAEA No. 115 Tahun 1996 dan PP No. 33 Tahun 2007 [4]. Pada umumnya alat pemantau radiasi yang biasa digunakan adalah jenis TLD (Thermoluminescence Dosimeter), alat ini

2 memiliki beberapa keuntungan diantaranya mudah dalam pengoperasiannya, hemat waktu karena evaluasi dosis dapat dilakukan lebih cepat dibandingkan dengan dosimeter lain, mampu memantau dosis dari rendah hingga tinggi, dapat dipakai ulang dan tidak peka terhadap faktor-faktor lingkungan. Sampai saat ini Indonesia belum mengembangkan dosimeter personal dan masih mengimpor TLD buatan Harshaw dari Amerika dan BARC dari India. Untuk itu perlu dibuat gagasan pembuatan alat pemantau radiasi yang dapat dibuat sendiri oleh Indonesia, yaitu pembuatan TLD CaSO 4 :Tm sebagai tahap awal produksi dosimeter personal dalam negeri yang memiliki kemampuan menerima respon radiasi dengan baik. Penelitian ini bertujuan untuk pembuatan TLD serbuk yang memiliki respon terbaik terhadap radiasi. TLD (Thermoluminescence Dosimeter) merupakan jenis dosimeter personal yang digunakan untuk mengukur dosis radiasi gamma, sinar-x, dan beta, serta neutron. TLD ini menggunakan kristal anorganik termoluminensi, seperti bahan LiF dan CaSO 4. Tm merupakan salah satu unsur lantanida yang memiliki kemampuan optoelectric, yaitu ketertarikannya akan radiasi gelombang elektromagnetik sehingga cocok untuk dijadikan dopan dalam meningkatkan sensitivitas bahan CaSO 4. Selain itu, unsur golongan lantanida yang memiliki eksitasi 4f, cenderung menghasilkan pusat f dan pusat H, dimana pusat tersebut juga merupakan perangkap elektron [1]. Kristalisasi merupakan peristiwa pembentukan partikel-partikel zat padat dalam suatu fasa homogen [2]. Kristalisasi dari larutan dapat terjadi jika padatan terlarut dalam keadaan berlebih (di luar kesetimbngan), maka sistem akan mencapai kesetimbangan dengan cara mengkristalkan padatan terlarut [6]. Kristalisasi dari larutan terdiri dari dua fenomena yang berbeda yaitu pembentukan inti kristal (nukleasi) dan pertumbuhan kristal. Baik nukleasi maupun pertumbuhan kristal memerlukan kondisi supersaturasi dari larutannya [5]. 2. CARA KERJA 2.1 Alat dan Bahan Alat-alat yang digunakan pada penelitian ini diantaranya neraca analitik, oven, grinder, saringan 150 mesh, alat destilasi, erlenmeyer, furnace, sumber radiasi 90 Sr, TLD Reader 3500 yang ada di Pusat Teknologi Keselamatan dan Metrologi Radiasi BATAN. Untuk alat analisis morfologi bahan digunakan Scanning Electron Microscope (SEM), X- Ray Diffraction (XRD) dan X-Ray Fluorescence (XRF). Semua alat yang digunakan dalam kondisi terkalibrasi dan terjaga baik. Bahan yang digunakan pada penelitian ini diantaranya kalsium sulfat dihidrat (CaSO 4.2H 2 O) dan asam sulfat (H 2 SO 4 ) 96%, tulium oksida (Tm 2 O 3 ), natrium hidroksida (NaOH) dan gas N 2 kering. 2.2 Pembuatan TLD Serbuk Dalam penelitian ini dilakukan pembuatan TLD serbuk yang diperoleh dengan cara kristalisasi. Dicampurkan 10 gram dari bahan CaSO 4.2H 2 O dan berbagai variasi konsentrasi dopan tulium (III) oksida (Dy 2 O 3 ), kemudian ditambahkan asam sulfat (H 2 SO 4 ) pekat lalu diaduk hingga homogen. Setelah itu dilakukan kristalisasi dengan suhu 350 C dan kemudian setelah kristal terbentuk lalu kristal dipanaskan pada suhu 700 C. Proses ini dilakukan dengan beberapa variasi konsentrasi tulium oksida

3 Intensitas (nc) yaitu 0,3 %; 0,4 %; dan 0,5 % dari banyaknya bahan kalsium sulfat dihidrat. Kemudian Kristal hasil dari berbagai variasi konsentrasi tersebut dilakukan proses pengecilan ukuran dari partikel kalsium sulfat dihidrat dan tulium oksida dengan grinder impactor hingga ukuran menjadi 150mesh. 2.3 Uji Respon Radiasi TLD yang telah dibuat terlebih dahulu dilakukan uji respon terhadap radiasi dengan menggunakan sumber radiasi Stronsium-90. Caranya adalah TLD dari masing-masing konsentrasi dibuat menjadi 5 plat dengan beratnya serbuk yaitu 15mg. Kemudian dilakukan penyinaran dengan dosis radiasi yaitu, 3 mgy, 7,5 mgy dan tiga sampel sisanya dengan 15 mgy sehingga didapatkan respon yang paling baik dari ketiga TLD yang memiliki konsentrasi berbeda. Setelah dilakukan pengujian respon kemudian TLD yang memiliki respon paling baik tersebut dipanaskan pada suhu 400 o C selama 1 jam agar dapat digunakan kembali pada uji morfologi dan komposisi bahan, serta uji keseragaman respon radiasi. lalu dibaca dengan menggunakan TLD Reader Model Selanjutnya dipilih beberapa TLD yang memiliki respon terhadap radiasi yang seragam, yaitu yang memiliki respon tidak jauh berbeda. 3. HASIL DAN PEMBAHASAN 3.1 Hasil Pembuatan TLD Serbuk Pembuatan TLD CaSO 4 :Tm serbuk telah dilakukan dengan teknologi yang sederhana yaitu proses kristalisasi. Secara kasat mata terlihat bentuk dan warna dari ketiga jenis sampel yang dilakukan memiliki kesamaan yaitu berbentuk padat dan berwarna putih serta terlihat ada kilapan kristalnya. 3.2 Hasil Uji Respon Radiasi Untuk menentukan konsentrasi yang paling optimum, dilakukan uji respon sehingga akan diketahui konsentrasi yang mempunyai sensitivitas yang baik terhadap radiasi. Uji respon dilakukan dengan beberapa dosis, yaitu 3 mgy; 7,5 mgy; dan 15 mgy menggunakan sumber radiasi 90 Sr. Didapatkan hasil sebagai berikut: Uji Morfologi dan Komposisi Bahan Setelah didapatkan respon radiasi paling baik dari TLD CaSO 4 :Tm, selanjutnya serbuk TLD diuji morfologi dan komposisi bahan dengan Scanning Electron Microscope (SEM), X-Ray Diffraction (XRD) dan X-Ray Flourensence (XRF) ,5 15 Dosis Radiasi (mgy) 0,30% 0,40% 0,50% 2.5 Uji Keseragaman Respon Radiasi TLD yang memiliki respon paling baik selanjutnya dilakukan uji keseragaman respon terhadap radiasi, dengan cara TLD dibuat menjadi 30 plat dengan berat serbuk yaitu 15mg. Kemudian dilakukan penyinaran dengan dosis yaitu 15 mgy, Gambar 1. Grafik uji respon radiasi dengan variasi konsentrasi Keterangan: mgy (mili Gray) nc (nanocoloumb)

4 Dari Gambar 1 ditunjukkan bahwa TLD CaSO 4 :Tm konsentrasi dopant 0,3% memiliki sensitivitas terhadap radiasi yang lebih tinggi dibandingkan TLD dengan dopant yang lain. Hal ini mengindikasikan bahwa pada konsentrasi dopant 0,3% memiliki nilai bacaan (nc) yang lebih tinggi dan mengalami intensitas luminesensi maksimum dan dopant tulium menyisip dengan sempuna diantara kisi CaSO 4, sedang pada konsentrasi 0,4 % dan 0,5 % perangkap yang terbentuk berlebihan sehingga menimbulkan kendala menghambat elektron yang akan tereksitasi dari pita valensi ke pita konduksi, akibatnya perangkap yang tersedia tidak optimal dalam menangkap elektron, sehingga banyak perangkap yang kosong. Untuk mendapatkan bacaan TL Bersih dilakukan pembacaan sebanyak dua kali, bacaan pertama merupakan bacaan intensitas total sedangkan bacaan kedua merupakan bacaan intensitas latar. diterima TLD dapat terperangkap secara optimum pada trap dalam. Suhu tersebut didapatkan dari pembacaan dengan cara menarik garis lurus antara puncak dosimetrik dengan channel yang dipotong pada garis merah. 3.3 Hasil Uji Morfologi dan Komposisi Bahan Hasil Uji Scanning Electron Microscope (SEM) Setelah didapatkan konsentrasi Tm optimum, selanjutkan dilakukan pengujian SEM, XRD dan XRF. Uji dengan menggunakan Scanning Electron Microscope (SEM) bertujuan untuk mengetahui bentuk dan ukuran kristal dari TLD yang telah dibuat. Pada uji morfologi menggunakan SEM didapatkan hasil struktur kristal yang terbentuk dari TLD CaSO 4 :Tm, dimana kristal-kristal yang berbentuk bulat dan ukurannya besar dengan warna abu-abu putih merupakan kristal CaSO 4, sedangkan gambar yang terlihat menggumpal berwarna putih merupakan tulium yang menyisip sebagai dopant, seperti pada gambar berikut: Gambar 2. Kurva pancar TLD serbuk CaSO 4 :Tm 0,3% Kurva pancar TLD serbuk CaSO 4 :Tm 0,3 % yang menunjukkan bahwa responnya sangat baik karena puncak yang terbentuk terletak diantara channel yaitu pada trap dalam dan pada suhu sekitar C seperti yang ditunjukkan oleh garis merah pada grafik. Hal ini berarti, radiasi yang Gambar 3. Uji SEM TLD serbuk CaSO 4 :Tm Hasil Uji X-Ray Diffraction (XRD) Uji dengan menggunakan X-Ray Diffraction (XRD) bertujuan untuk mengidentifikasi fasa kristalin dalam material dengan cara menentukan parameter struktur

5 kisi, mengetahui struktur kristal yang terbentuk dan mendapatkan ukuran partikel. Pada uji menggunakan XRD dapat terlihat dari intensitas yang dihasilkan, intensitas ini menunjukkan struktur kristal dan tinggi kristalinitas pada serbuk TLD. Pada kristal CaSO 4 yang dibuat memiliki kandungan kalsium yang sangat tinggi dan sedikit terdapat pengotor lain yakni terdapat pada kisaran sedangkan TLD referensi didapatkan pada kisaran 5200, seperti pada Gambar 4. lain seperti asam sulfat dan kalsium sulfat dihidrat yang tidak murni serta dari tulium oksida. Pengotor dengan konsentrasi tertingi yang terdapat pada TLD serbuk, dapat dilihat pada Tabel 1. Tabel 1. Hasil uji XRF TLD CaSO 4 :Tm Nomor Atom Unsur Konsentrasi (%) 13 Al 0, Si 10,07 15 P 0, K 0, Ca 25,4 22 Ti 0, Fe 0,02999 (a) 3.4 Hasil Uji Keseragaman Respon Radiasi Selanjutnya dilakukan uji keseragaman respon radiasi, yaitu TLD yang memiliki respon seragam atau respon yang tidak jauh berbeda, seperti yang terlihat pada Tabel 2 berikut ini: (b) Gambar 4. Hasil uji XRD TLD serbuk CaSO 4 :Tm (a) TLD CaSO 4 :Tm (b) TLD Referensi Hasil Uji X-Ray Fluorescence (XRF) Uji dengan menggunakan X-Ray Fluorescence (XRF) bertujuan untuk melihat unsurunsur yang terkandung dalam TLD serbuk CaSO 4 :Tm. Hasil uji XRD yang baik ini sebanding dengan analisis dengan menggunakan XRF, yakni unsur kalsium yang terukur dari sampel hasil penelitian sebesar 25,4%. Selain itu, terdapat banyak pengotor lain yang didapatkan dari bahan pendukung Tabel 2. Hasil uji keseragaman respon No. Dosis Bacaan Dosis Bacaan No. (mgy) (nc) (mgy) (nc)

6 Dari Tabel 2 terlihat yang memiliki pola keseragaman antara lain TLD No. 1, 3, 5, 8, 9, 10, 11, 12, 23, 24 dan 25, yang dalam penelitian lebih lanjut pola keseragaman ini digunakan sebagai acuan untuk dilakukannya pengelompokan, kalibrasi dan pemudaran (fading). 4. KESIMPULAN DAN SARAN Hasil penelitian menunjukkan bahwa TLD serbuk CaSO 4 :Tm yang telah dibuat melalui proses kristalisasi dengan konsentrasi pengotor (dopant) Tulium yang optimum adalah 0,3 % dengan dosis radiasi sebesar 15 mgy menghasilkan respon radiasi terbaik yaitu 1539,31nC. Untuk meningkatkan kualitas dari TLD CaSO 4 ada beberapa hal yang perlu diperhatikan dalam pembuatan TLD tersebut antara lain: a. Suhu pada proses pemanasan harus konstan pada 350ºC, perlu dilakukan pengecekan derajat lewat jenuh pada larutan, dan luas permukaan kristal sebelum dan sesudah proses kristalisasi sehingga pembentukan kristal menjadi sempurna. b. Perlu dilakukan proses rekristalisasi agar kristal yang terbentuk lebih sempurna dan bebas dari pengotor yang tidak diinginkan, seperti Al, Si, P, K Ti dan Fe yang terlihat dari pengujian XRF. c. Perlu dilakukan penelitian lebih lanjut dengan konsentrasi tulium yang lebih rendah untuk mengetahui respon radiasi yang dihasilkan lebih tinggi atau lebih rendah dari konsentrasi tulium 0,3%. d. Perlu dilakukan penelitian karakteristik lebih lanjut meliputi faktor pengelompokan, kalibrasi, kedapatulangan, pemudaran, ketergantungan energi, pengaruh waktu dan suhu aktivasi terhadap pembentukan kristal CaSO 4. e. Pembuatan TLD CaSO 4 :Tm dalam bentuk chip sehingga dapat digunakan dalam bidang proteksi radiasi sebagai dosimeter personal. 5. DAFTAR PUSTAKA 1. Krebs, Robert. E., The History and Use of Our Eart s Chemical Elements: A Reference Guide, Second Edition. Greenwood Press: London. 2. McCabe, W.L., Smith, J.C., dan Harriot, P., Unit Operation of Chemical Engineering. McGraw Hill Book company. USA. 3. Mc Kinlay A. F., Thermoluminescence Dosimetry. Medical Physics Handbook N 5, Adam Hilger. 4. Peraturan Pemerintah Republik Indonesia Nomor 33 Tahun 2007, Tentang Keselamatan Radiasi Pengion dan Keamanan Sumber Radioaktif. 5. Setyopratomo, P., Studi Eksperimental Pemurnian Garam NaCl dengan Cara Rekristalisasi. Jurusan teknik Kimia, Universitas Surabaya, Surabaya. 6. Tai, C.Y., Chien, W.Y., dan Chen, C.Y., Crystal Growth Kinetics of Calcite in Fluidized Bed Crystallization. Journal of Chemical Engineering. Vol. 45.