Sistem Pencacah dan Spektroskopi

Transkripsi

1 Sistem Pencacah dan Spektroskopi Latar Belakang Sebagian besar aplikasi teknik nuklir sangat bergantung pada hasil pengukuran radiasi, khususnya pengukuran intensitas ataupun dosis radiasi. Alat pengukur yang digunakan untuk keperluan ini adalah sistem pencacah dan sistem spektroskopi. Materi ini akan membahas fungsi, prinsip kerja, dan contoh aplikasi sistem pencacah dan sistem spektrokopi. Tujuan Instruksional Setelah mengikuti mata pelajaran ini para peserta diharapkan mampu untuk menguraikan fungsi dan prinsip kerja alat ukur radiasi baik sebagai surveimeter, dosiemeter personal maupun monitor kontaminasi. Secara khusus setiap peserta akan mampu untuk: 1. menjelaskan fungsi detektor dan peralatan penunjang dalam sistem pencacah dan spektroskopi; 2. menguraikan fungsi, prinsip kerja dan contoh aplikasi sistem pencacah integral; 3. menguraikan fungsi, prinsip kerja dan contoh aplikasi sistem pencacah diferensial; 4. menguraikan fungsi, prinsip kerja dan contoh aplikasi sistem spektroskopi; 5. Menguraikan empat aspek pengukuran radiasi. Sistem Pencacah dan Spektroskopi Halaman 1

2 Materi Pembahasan Pendahuluan Latar Belakang Tujuan Instruksional Materi Pembahasan Komponen Sistem Pengukur Radiasi Detektor Peralatan Penunjang Sistem Pencacah Integral Sistem Pencacah Diferensial Sistem Spektroskopi Aspek Pengukuran Waktu Mati Efisiensi Resolusi Energi Kalibrasi Energi Sistem Pencacah dan Spektroskopi Halaman 2

3 Sistem Pencacah dan Spektroskopi Komponen Sistem Pengukur Radiasi Dalam pengukuran suatu besaran fisis selalu diperlukan beberapa komponen peralatan yang membentuk suatu sistem, demikian pula untuk melakukan pengukuran radiasi nuklir. Sistem pencacah radiasi yang akan dibahas disini merupakan susunan peralatan yang digunakan untuk mengukur radiasi nuklir. Sistem pengukur radiasi selalu terdiri atas detektor dan peralatan penunjang yang biasanya merupakan rangkaian elektronik. Detektor berfungsi untuk mengubah energi nuklir menjadi energi lain yang lebih mudah untuk diolah, seperti energi listrik, sedangkan peralatan penunjang berfungsi untuk mengolah sinyal listrik yang dihasilkan oleh detektor menjadi suatu informasi yang mempunyai arti bagi pekerja. Detektor Gambar 1: konfigurasi sistem pencacah radiasi Detektor merupakan bagian yang sangat penting dari suatu sistem pencacah radiasi karena dialah yang berfungsi untuk menangkap radiasi dan mengubahnya menjadi, biasanya, sinyal atau pulsa listrik. Terdapat dua besaran yang biasa diukur dari suatu paparan radiasi nuklir yaitu jumlah radiasi dan energi radiasi. Sebagai contoh, jumlah radiasi diperlukan untuk mengetahui aktivitas sumber radiasi sedang energi radiasi digunakan untuk menentukan jenis sumber radiasi. Secara ideal, setiap radiasi yang mengenai detektor akan diubah menjadi sebuah sinyal (pulsa) listrik sehingga jumlah radiasi dapat ditentukan dengan mengukur jumlah pulsa listrik yang dihasilkan detektor. Tinggi sinyal (pulsa) listrik yang dihasilkan detektor menunjukkan energi radiasi yang mengenai Sistem Pencacah dan Spektroskopi Halaman 3

4 detektor sehingga energi radiasi dapat ditentukan dengan mengukur tinggi pulsa listrik yang dihasilkan detektor. Gambar 2: visualisasi pulsa listrik yang dihasilkan detektor Dari gambar 2 di atas dapat dilihat bahwa terdapat tujuh buah radiasi yang mengenai detektor, empat radiasi mempunyai energi rendah, dua radiasi mempunyai energi sedang dan sebuah radiasi yang mempunyai energi tinggi. Peralatan Penunjang (Instrumentasi Nuklir) Sinyal listrik yang dihasilkan oleh detektor perlu diproses lebih lanjut agar dapat diamati oleh manusia, misalnya ditampilkan melalui peraga, suara atau bahkan fasilitas pengolah sinyal yang lebih canggih. Peralatan yang diperlukan untuk melengkapi detektor guna membentuk suatu sistem pencacah disebut sebagai peralatan penunjang. Peralatan penunjang harus bersifat linier, artinya setiap informasi yang dihasilkan oleh peralatan penunjang, baik jumlah pulsa maupun tinggi pulsa harus sebanding dengan informasi yang diterimanya dari detektor. Linieritas merupakan parameter yang sangat mempengaruhi unjuk kerja dari suatu sistem pencacah. Berdasarkan peralatan penunjangnya, suatu sistem pencacah radiasi dapat dibedakan menjadi tiga yaitu sistem pencacah integral, sistem pencacah diferensial dan sistem spektroskopi. Sistem pencacah integral dan sistem pencacah diferensial mempunyai fungsi yang hampir sama yaitu mengukur jumlah (kuantitas) radiasi yang mengenainya. Perbedaannya, sistem pencacah integral tidak memperdulikan energi radiasi yang datang sedang sistem pencacah diferensial hanya mengukur radiasi yang mempunyai energi tertentu saja. Sistem spektroskopi mempunyai fungsi yang berbeda yaitu mengukur energi radiasi, atau lebih tepatnya mengukur distribusi energi dari radiasi yang mengenai detektor. Sistem pencacah integral menghasilkan suatu nilai yang sebanding dengan jumlah radiasi yang mengenai detektor tidak memperdulikan energinya (gross activity), sedang sistem pencacah diferensial menghasilkan suatu nilai yang sebanding dengan jumlah radiasi yang mengenai detektor dalam selang Sistem Pencacah dan Spektroskopi Halaman 4

5 energi tertentu. Sistem spektroskopi menghasilkan suatu spektrum distribusi energi radiasi yang mengenai detektor. Sebenarnya sistem pencacah diferensial juga dapat berfungsi sebagai sistem spektroskopi tetapi dengan resolusi yang sangat rendah. Sebaliknya sistem spektroskopi juga dapat berfungsi sebagai sistem pencacah tetapi dengan kecepatan yang lebih rendah. Gambar 3: Spektrum distribusi energi radiasi Sistem Pencacah Integral Pencacahan secara integral merupakan suatu cara untuk mengukur jumlah (kuantitas) radiasi yang memasuki detektor tanpa memperhatikan tingkat energi radiasinya (gross activity). Sistem pencacah akan menampilkan suatu nilai yang sebanding dengan kuantitas radiasi yang memasuki detektor. Pada sistem pencacah integral biasanya digunakan detektor GM dengan konfigurasi sebagaimana gambar berikut. Gambar 4: Konfigurasi sistem pencacah integral Detektor berfungsi untuk mengubah radiasi yang mengenainya menjadi pulsa listrik. Detektor yang sering digunakan disini adalah detektor GM karena detektor ini mempunyai karakteristik tidak dapat membedakan energi radiasi (sesuai dengan keperluan sistem pencacah integral) tetapi detektor GM dapat menghasilkan pulsa listrik yang relatif sangat besar dibandingkan Sistem Pencacah dan Spektroskopi Halaman 5

6 dengan jenis detektor yang lain sehingga peralatan penunjangnya sangat sederhana. HV adalah sumber tegangan tinggi yang dibutuhkan oleh semua jenis detektor termasuk detektor GM. Penentuan tegangan kerja detektor GM adalah dengan cara mencari daerah tegangan plateaunya sebagaimana gambar berikut. Gambar 5: daerah plateau detektor isian gas Inverter digunakan untuk mendistribusikan tegangan tinggi ke detektor dan menerima pulsa listrik dari detektor untuk diteruskan ke rangkaian selanjutnya. Pulsa listrik yang dihasilkan inverter sudah dalam orde Volt sehingga dapat langsung diproses oleh rangkaian counter. Counter adalah peralatan yang digunakan untuk mencacah (menghitung jumlah) pulsa listrik yang memasukinya. Selang waktu pencacahan dapat dilakukan secara manual (start/stop) atau secara otomatis menggunakan timer, yaitu alat yang dapat memberikan sinyal ke counter agar memulai atau menghentikan pencacahan dengan selang waktu tertentu yang dapat diatur sebelumnya. Sistem pencacah integral banyak digunakan dalam pengukuran radiasi beta karena sumber beta memancarkan radiasi dengan energi yang bersifat kontinyu, mulai dari nol hingga nilai energi maksimumnya. Sistem Pencacah Diferensial Pencacah diferensial digunakan untuk mengukur jumlah radiasi dalam selang energi tertentu. Sebagai contoh, dua jenis zat radioaktif yang berbeda akan memancarkan radiasi dengan tingkat energi yang berbeda sehingga bila ingin mengukur aktivitas salah satu zat radioaktif tersebut maka diperlukan suatu sistem pencacah diferensial. Bila menggunakan pencacah integral maka aktivitas kedua zat radioaktif tersebut tidak dapat dibedakan. Konfigurasi sistem pencacah diferensial adalah sebagai berikut. Sistem Pencacah dan Spektroskopi Halaman 6

7 Gambar 6: Konfigurasi sistem pencacah diferensial Detektor yang digunakan disini tidak boleh detektor GM karena tidak dapat membedakan energi radiasi yang mengenainya. Detektor yang sering digunakan adalah detektor NaI(Tl) digunakan untuk pengukuran radiasi gamma dan detektor surface barrier digunakan untuk pengukuran radiasi alpha. Sebagaimana detektor yang lain, detektor sintilasi juga membutuhkan sumber tegangan tinggi (HV). Penentuan tegangan kerja detektor sintilasi adalah dengan cara mencari perbandingan cacahan sumber terhadap cacahan latar belakang yang terbaik. κ = κ adalah faktor pembanding, R s adalah laju cacahan yang berasal sumber radiasi (laju cacah total dikurangi dengan laju cacah latar belakang) sedang R b adalah laju cacahan yang berasal dari latar belakang (tanpa sumber). Berbeda dengan detektor GM, detektor sintilasi menghasilkan pulsa listrik yang relatif sangat kecil, dalam orde mvolt. Oleh karena itu diperlukan peralatan untuk membentuk dan memperkuat pulsa tersebut yaitu penguat (amplifier). Pulsa listrik yang dihasilkan oleh detektor biasanya berbentuk pulsa eksponensial yang sangat cepat rise-time nya dan sangat lambat fall-time nya. Sangatlah sukar untuk mendeteksi atau mengukur tinggi pulsa yang berbentuk eksponensial ini. Amplifier mempunyai fungsi utama untuk mengubah pulsa eksponensial menjadi pulsa Gaussian dan memperkuatnya, bila diperlukan, agar mempunyai tinggi dengan orde Volt. Rs 2 R b Sistem Pencacah dan Spektroskopi Halaman 7

8 Gambar 7: Bentuk pulsa eksponensial dan Gaussian Peralatan selanjutnya adalah diskriminator yang merupakan ciri dari sebuah pencacah diferensial karena alat ini yang berfungsi untuk menyaring apakah suatu pulsa listrik keluaran amplifier diteruskan ke counter atau tidak. Diskriminator mempunyai fasilitas batas atas dan batas bawah. Pulsa-pulsa yang lebih tinggi dari batas bawah tetapi lebih rendah dari batas atas saja yang akan diteruskan ke counter untuk dicacah. Gambar 8: Diskriminasi pulsa pada diskriminator Dua rangkaian terakhir dalam sistem pencacah diferensial adalah counter dan timer yang berfungsi sebagaimana dalam sistem pencacah integral. Sistem pencacah diferensial digunakan untuk mengukur radiasi yang dipancarkan oleh sumber radiasi alpha atau gamma. Energi radiasi alpha dan gamma bersifat diskrit, artinya mempunyai nilai atau tingkat energi tertentu. Misalnya isotop Cs-137 memancarkan radiasi gamma dengan tingkat energi 662 kev atau isotop Am-241 yang memancarkan radiasi alpha dengan tingkat energi 5,48 MeV. Sistem Pencacah dan Spektroskopi Halaman 8

9 Sistem Spektroskopi Sistem spektroskopi sebenarnya juga melakukan pencacahan sebagaimana sistem pencacah diferensial akan tetapi dengan selang energi yang sangat sempit sehingga dapat dikatakan melakukan pencacahan (jumlah radiasi) pada setiap tingkat energi. Hasil pencacahan tersebut ditampilkan sebagai suatu grafik antara jumlah radiasi (sumbu Y) terhadap energi radiasi (sumbu X) yang sering disebut sebagai spektrum radiasi, seperti contoh pada gambar 3 sebelum ini. Memang suatu spektrum radiasi dapat saja diperoleh menggunakan suatu sistem pencacah diferensial dengan mode SCA (single channel analyzer), sebagaimana dilakukan pada era sebelum tahun 70 an. Saat ini, atau setelah ditemukannya teknologi ADC (analog to digital converter), sistem spektroskopi sudah tidak lagi memakai mode SCA melainkan menggunakan peralatan yang disebut sebagai MCA (multi channel analyzer). Gambar 9: Konfigurasi sistem spektroskopi Seperti halnya pada sistem pencacah diferensial, detektor yang digunakan disini tidak boleh detektor GM. Detektor yang terbaik untuk keperluan ini adalah detektor semikonduktor karena mempunyai noise yang lebih kecil (low noise) dibandingkan detektor yang lain, sehingga lebih teliti dalam membedakan energi radiasi. Sebagai contoh detektor yang digunakan untuk radiasi gamma adalah detektor HPGe sedangkan untuk radiasi sinar-x adalah detektor SiLi atau LEGe. Sebagaimana detektor yang lain, detektor yang digunakan disini juga membutuhkan sumber tegangan tinggi (HV). Penentuan tegangan kerja detektor untuk sistem spektroskopi adalah dengan cara mencari tegangan kerja yang dapat menghasilkan nilai resolusi terbaik. Pre amplifier mutlak dibutuhkan dalam sistem spektroskopi karena pulsa yang dihasilkan detektor sangat lemah. Sedang amplifier yang digunakan pada sistem spektroskopi mempunyai beberapa fasilitas tambahan dibandingkan dengan spektroskopi yang digunakan pada sistem pencacah diferensial, diantaranya shaping time, base line restorer dan pile up rejection. Sistem Pencacah dan Spektroskopi Halaman 9

10 MCA merupakan alat yang menerapkan teknologi relatif baru. Bagian utama dari suatu MCA adalah ADC (analog to digital conerter) yang berfungsi untuk menentukan tinggi pulsa dari setiap pulsa listrik (sinyal analog) yang memasukinya dan mengubahnya menjadi bilangan biner (sinyal digital). Bilangan biner tersebut akan diteruskan ke bagian memory yang akan menyimpan jumlah dari masing-masing bilangan biner yang dihasilkan ADC. Isi dari memory akan ditampilkan pada layar berupa spektrum radiasi. Sistem spektroskopi digunakan untuk pengukuran yang bersifat analisis baik kualitatif maupun kuantitatif, karena untuk keperluan ini harus berdasarkan spektrum radiasi yang dipancarkan oleh sampel yang dianalisis. Salah satu aplikasi yang paling banyak adalah untuk menganalisis jenis dan kadar unsur yang terkandung di dalam suatu bahan. Aspek Pengukuran Waktu Mati Proses pengubahan sebuah radiasi menjadi pulsa listrik dan akhirnya tercatat sebagai sebuah cacahan memerlukan selang waktu tertentu yang sangat dipengaruhi oleh kecepatan detektor dan peralatan penunjangnya. Selang waktu tersebut dinamakan sebagai waktu mati (dead time) dari sistem pencacah karena selama selang waktu tersebut sistem pencacah tidak dapat mendeteksi radiasi yang datang. Dengan kata lain, radiasi yang datang berurutan dengan selang waktu yang lebih singkat daripada waktu matinya tidak dapat dicacah atau tidak terhitung oleh sistem pencacah. Karena intensitas radiasi yang dipancarkan oleh suatu sumber bersifat acak (random) maka terdapat kemungkinan bahwa beberapa radiasi yang mengenai detektor tidak tercatat, semakin tinggi intensitasnya (laju cacahnya) semakin banyak radiasi yang tidak tercatat sehingga hasil pengukuran sistem pencacah lebih sedikit dari seharusnya. Salah satu metode yang sering digunakan untuk mengeliminasi masalah waktu mati ini adalah menggunakan persamaan berikut. Rk R = u 1 τ Ru R k adalah laju cacah setelah dikoreksi, R u adalah laju cacah yang dihasilkan sistem pencacah dan τ adalah waktu mati sistem pencacah. Waktu mati sistem pencacah ( τ ) dapat ditentukan dengan cara pengukuran dua sumber yang identik. Sistem Pencacah dan Spektroskopi Halaman 10

11 τ = R + R R12 R R R R 1 adalah laju cacah sumber 1, R 2 adalah laju cacah sumber 2, R 12 adalah laju cacah sumber 1 dan sumber 2 bersama-sama, sedang R b adalah laju cacah latar belakang. Waktu mati sistem pencacah yang menggunakan detekor GM adalah sekitar ratusan µdetik sedangkan detektor NaI(Tl) di bawah 10 µdetik. Jadi sumber yang akan digunakan (R 1 dan R 2 ) untuk melakukan penentuan waktu mati sistem pencacah harus disesuaikan. Aktivitas masing-masing sumber (R 1 atau R 2 ) dipilih yang masih belum terlalu dipengaruhi waktu mati tetapi bila dicacah bersama-sama harus telah dipengaruhi oleh waktu mati. Bila aktivitas sumber terlalu kecil sehingga keduanya belum dipengaruhi oleh waktu mati maka nilai waktu mati yang diperoleh tidak benar, bahkan sering bernilai negatif, karena pembilang persamaan di atas bernilai negatif. Sebaliknya bila aktivitasnya terlalu besar maka detektor akan mengalami saturasi sehingga nilai waktu matinya juga salah, bisa bernilai negatif karena penyebutnya yang bernilai negatif. R 2 2 b Efisiensi Efisiensi adalah suatu parameter yang sangat penting dalam pencacahan karena nilai inilah yang menunjukkan perbandingan antara jumlah pulsa listrik yang dihasilkan sistem pencacah (cacahan) terhadap radiasi yang diterima detektor. Sebagaimana telah dibahas sebelumnya bahwa secara ideal, setiap radiasi yang mengenai detektor akan diubah menjadi sebuah pulsa listrik dan akan dicatat sebagai sebuah cacahan. Bila hal itu terjadi maka sistem pencacah mempunyai efisiensi 100%. η = Jumlah Cacahan IntensitasRadiasi 100% Efisiensi sistem pencacah sangat ditentukan oleh efisiensi detektor yang mempunyai nilai sangat berbeda-beda antara satu jenis detektor dengan jenis lainnya. Sebagai contoh detektor sintilasi dapat mempunyai efisiensi 50% untuk radiasi gamma sedang detektor isian gas hanya 5%. Selain jenis detektornya, efisiensi sistem pencacah juga dipengaruhi oleh setting atau pengaturan selama melakukan pencacahan, misalnya jarak antara sumber dan detektor, tegangan kerja, faktor amplifikasi pada amplifier, batas atas dan bawah pada diskriminator dan sebagainya. Oleh karena itu nilai efisiensi sistem pencacah harus ditentukan secara berkala atau bila terdapat perubahan setting pada sistem pencacah. Sistem Pencacah dan Spektroskopi Halaman 11

12 Hal lain yang mempengaruhi efisiensi sistem pencacah adalah jenis radiasi, energi radiasi, dan intensitas radiasi. Sangatlah jelas bahwa jensi radiasi yang berbeda akan mempunyai efisiensi yang berbeda karena proses interaksi radiasi terhadap materi berbeda-beda, bahkan mungkin suatu detektor hanya dapat mengukur satu jenis radiasi saja. Sebagai contoh detektor sintilasi NaI(Tl) hanya digunakan untuk mengukur radiasi gamma. Yang menjadi persoalan, ternyata efisiensi dipengaruhi, meskipun sedikit, oleh energi dan intensitas radiasi yang datang. Gambar 10: Pengaruh intensitas dan energi radiasi Resolusi Energi Resolusi energi adalah suatu parameter yang menunjukkan kemampuan sistem spektroskopi untuk membedakan dua tingkat energi yang berdekatan. Nilai ini direpresentasikan sebagai nilai FWHM (full width at half maximum), yaitu lebar peak energi pada setengah tinggi puncaknya. Gambar 11: resolusi energi radiasi Sistem spektroskopi yang mempunyai nilai FWHM sangat kecil disebut sebagai sistem spektroskopi resolusi tinggi sedangkan sebaliknya adalah sistem resolusi rendah. Sebagai gambaran sistem spektroskopi gamma resolusi tinggi mempunyai FWHM sekitar 1,8 kev. Sistem Pencacah dan Spektroskopi Halaman 12

13 Kalibrasi Energi Dalam sistem spektroskopi terdapat beberapa langkah konversi pada pengolahan setiap radiasi menjadi pulsa listrik dan akhirnya menjadi suatu spektrum distribusi energi radiasi yaitu sebagai berikut: o Energi radiasi dikonversikan menjadi tinggi pulsa listrik oleh detektor dan amplifier. o Tinggi pulsa listrik dikonversikan menjadi posisi channel dalam spektrum radiasi oleh ADC dan MCA. Jadi sebenarnya, sumbu X pada spektrum energi radiasi adalah skala posisi channel atau skala tinggi pulsa. Agar sumbu X tersebut dapat diubah menjadi skala energi maka perlu dilakukan kalibrasi energi, yaitu dengan melakukan pengukuran sumber radiasi standar yang memancarkan beberapa tingkat energi sehingga kemudian dapat menentukan persamaan korelasi antara energi dan posisi channel. Gambar 12: kurva kalibrasi energi radiasi Pada sistem MCA yang berbasis komputer, perhitungan kalibrasi energi tersebut di atas dilakukan secara otomatis menggunakan program aplikasi spektrometer. ooooo Sistem Pencacah dan Spektroskopi Halaman 13

14 Daftar Pustaka 1. Kenneth S. Crane, Introductory Nuclear Physics, John Wiley & Sons, Toronto, G.F. Knoll, Radiation Detection and Measurement, John Wiley, Toronto, Tsoulfanidis, Detection and Measurement of Radiation, Taylor and Francis, New York, K. Debertin and R.G. Helmer, Gamma and X-ray Spectrometry with Semiconductor Detectors, North-Holland, Amsterdam, Sistem Pencacah dan Spektroskopi Halaman 14