PENGEMBANGAN MATERIAL WINDOW UNTUK DETEKTOR GEIGER-MUELLER TIPE END WINDOW

Transkripsi

1 rianto., dkk. SSN PENGEMBANGAN MATERAL WNDOW UNTUK DETEKTOR GEGER-MUELLER TPE END WNDOW rianto, Sayono, Tjipto Sujitno, Suprapto Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan BATAN, Yogyakarta Jl.Babarsari Kotak Pos 611 Ykbb, Yogyakarta ABSTRAK PENGEMBANGAN MATERAL WNDOW UNTUK DETEKTOR GEGER-MUELLER TPE END WNDOW. Telah dilakukan pengembangan material window untuk detektor Geiger-Mueller. Kreteria dasar rancangan material window untuk detektor end window adalah harus mempunyai koefisien serapan linier (µ) kecil sehingga kehilangan energi saat melewati window kecil. Untuk memenuhi kreteria dasar rancangan tersebut, maka dilakukan penentuan koefisien serapan linier beberapa material window seperti mika sheet, kaca, dan foil. titanium Dari hasil perhitungan diperoleh koefisien serapan linier material window masingmasing mika sheet 4,29 ±,72 mm -1, kaca 1,25 ±,41 mm -1 dan titanium foil 7,3 ±,46 mm -1. Berdasarkan koefisien serapan linier material window kecil dan kehilangan energi dalam saat melewati window kecil, dipilih lembaran mika 1,65 ±,2 mm -1 sebagai komponen material window detektor Geiger-Mueller tipe end wndow. Hasil uji karakteristik detektor Geiger-Mueller tipe end window diperoleh tegangan ambang 82 volt, daerah panjang tegangan plato 11 volt, slope 43 % per 1 volt, dan tegangan operasi yang direkomendasikan 87 volt. Kata kunci : detektor Geiger Mueller, µ-window, slope, tegangan ambang, tegangan plato ABSTRACT DEVELOPMENT OF WNDOW MATERALS FOR END WNDOW TYPE OF GEGER-MUELLER DETECTOR. The development of window materials for Geiger Mueller detector has been done. Basic designed criterion of window materials for end window detector is that the linier coefficient absorption (µ) is should be small, so that the loss energy through the window is small. To fulfill the basic requeriement it has been done the determination of the linier coefficient absorption (µ) for some window materials such as mica sheet, glass and titanium foil. From the calculation result, it was found the linier coefficient absorption (µ) are 4,29 ±,72 mm -1 for mica sheet, 1,25 ±,41 mm -1 for glass and 7,3 ±,46 mm -1 for titanium foil respectively. Based on these data, it was chosen a mica sheet as a window of Geiger Mueller detector. The yield of characterization test of the detector are 82 volt of threshold voltage, 11 volt of plateau, 43 % slope per 1 volt and 87 volt of recommended operating voltage. Keywords ; Geiger Mueller detector, µ-window, slope, plateau, threshold voltage,nda recommended operating voltage PENDAHULUAN S ejak ditemukan detektor radiasi pengion oleh Hans Geiger pada tahun 198, dan selanjutnya pada tahun 1928 oleh Walther Mueller, disempurnakan menjadi tabung detektor Geiger- Mueller (GM) yang kostruksinya sederhana dibandingkan dengan jenis detektor yang lain [1,5]. Namun demikian sampai saat ini, detektor Geiger Mueller masih banyak digunakan sebagai alat ukur radiasi dalam pemanfaatan iptek nuklir di berbagai bidang seperti energi, kesehatan, industri, lingkungan dan pendidikan yang melibatkan berbagai zat radioaktif, mengharuskan adanya suatu pengawasan yang cermat terhadap kemungkinan pencemaran radioaktif terhadap lingkungan [1]. Pada prinsipnya pendeteksian dan pengukuran radiasi menggunakan alat ukur radiasi memanfaatkan prinsip interaksi antara radiasi dengan materi. Setiap alat ukur radiasi selalu dilengkapi dengan detektor yang mampu mengenali adanya radiasi. Apabila radiasi melewati material suatu detektor, maka akan terjadi interaksi antara radiasi dengan material detektor tersebut atau terjadi pemindahan energi dari radiasi yang datang ke material detektor [3]. Perpindahan energi ini menimbulkan berbagai jenis tanggapan (response) yang berbeda-beda dari material detektor tersebut. Jenis tanggapan yang ditunjukkan oleh suatu detektor terhadap radiasi tergantung pada jenis radiasi dan material detektor yang digunakan sebagai dasar pengembangan material window dalam litbang pembuatan detektor Geiger Mueller. Kriteria dasar perancangan material window dalam pembuatan detektor Geiger Mueller adalah material window untuk detektor Geiger Mueller harus mempunyai koefisiensi serapan linier (µ) kecil, bahan isolator, energi radiasi yang terserap kecil, tidak

2 116 SSN rianto., dkk. korosif terhadap gas isian yang digunakan dan kuat menahan perbedaan tekanan yang terjadi akibat tekanan vakum di dalam tabung detektor Geiger Mueller [1,2,3]. Untuk memenuhi kreteria dasar perancangan material window dalam pembuatan detektor Geiger Mueller, maka dilakukan penentuan koefisiensi serapan linier berbagai material window misalnya kaca, mika sheet, dan titanium foil. Material window yang mempunyai nilai koefisiensi serapan linier kecil, dipilih untuk window detektor Geiger Mueller. Dalam konstruksi detektor Geiger Mueller, tabung dibuat dari bahan stainless steel sebagai katoda dan kawat tungsten sebagai anoda. Untuk memperoleh tegangan operasi yang rendah dipilih jenis campuran gas isian argon dan halogen dengan gas bromine sebagai quenching. Untuk menjaga kemurnian gas dan kebersihan di dalam tabung dilakukan pemvakuman tabung sampai orde 1-5 torr, selanjutnya diisi 99 % gas argon 1 % gas bromine [5]. Karakteristik detektor Geiger Mueller yang dibuat diamati dan diuji respon detector, meliputi tegangan ambang, panjang daerah tegangan plato dan slope (% ) per 1 volt. Dari hasil penelitian diperoleh jumlah prototipe detektor Geiger Mueller, sehingga dalam jangka pendek dapat menunjang program dalam mempersiapkan kebutuhan alat sistem detektor radiasi nuklir untuk menunjang secara internal beroperasionalnya nstalasi Nuklir termasuk rencana PLTN, dan pada jangka panjang akan menumbuhkan industri peralatan berbasis nuklir untuk menunjang tersedianya fasilitas monitor radiasi lingkungan dan mendukung keselamatan operasional PLTN. Dasar Teori Detektor Geiger Mueller merupakan jenis detektor isian gas yang paling banyak digunakan untuk mengukur radiasi seperti ditunjukkan pada Gambar 1 Gambar 1. Skema detektor Geiger Mueller tipe end window Detektor ini terdiri atas dua elektroda, positif dan negatif, serta berisi gas di antara kedua elektrodanya. Elektroda positif (anoda), dihubungkan ke kutub listrik positif, sedangkan elektroda negatif (katoda), dihubungkan ke kutub negatif. Detektor berbentuk silinder dengan sumbu yang berfungsi sebagai anoda dan dinding silindernya sebagai katoda Medan Listrik Dalam Tabung Detektor Tabung detektor yang digunakan berbentuk silinder yang berporos konsentris. Jari-jari tabung bagian luarnya (katode) adalah b dan jari-jari kawat yang terbentang di bagian dalam (anode) adalah a. Dengan r adalah jari-jari tabung antara a dan b atau a < r < b. Untuk lebih jelasnya dapat ditunjukkan pada Gambar 2. Gambar 2. Jari-jari tabung (r) antara a dan b Untuk detektor yang berbentuk silinder dengan pusat muatan adalah poros silinder dan jari-jari r serta beda potensial sebesar V pada jarak r, maka garis gaya yang menembus seluruh selimut silinder akan berbanding lurus dengan kuat medan listriknya E (r) dinyatakan dalam persamaan (1) [1,2,4] V( r) E( r) = (1) b r ln a Dengan adanya beda potensial antara anoda dan katoda, maka timbul medan listrik yang dapat memisahkan pasangan ion dan elektron yang terbentuk. on positip bergerak ke arah katoda dan elektron bergerak ke arah anoda. Kecepatan gerak (w) ion dan elektron dinyatakan sebagai fungsi linier [5,6]. Hubungan dengan tekanan total gas isian, maka persamaan (1) untuk bentuk silinder diformulasikan pada persamaan (2) [1,5]. µ V W = (2) P b r.ln a dengan W adalah kecepatan gerak ion, V tegangan antara anoda dengan katoda, b jari-jari katoda (cm), a jari-jari anoda (cm), r jari-jari tabung (cm), µ mobilitas (cm/secon)(volt/cm) -1 (cmhg), dan P tekanan gas isian

3 rianto., dkk. SSN Koefisiensi Serapan Linier Bahan Apabila foton γ menembus suatu materi, maka akan mengalami penurunan intensitas. Penurunan intensitas tersebut bersifat eksponensial dan mengikuti persamaan (3) [1,2,4, 5]. =. e µ x (3) dengan adalah intensitas foton γ setelah menembus materi tabung detektor sebagai katode, o intensitas foton γ sebelum menembus materi tabung detektor sebagai katode, µ koefisien serapan linier total, dan x tebal materi tabung detektor sebagai katode. Untuk menentukan koefisien serapan linier [5,8], maka persamaan (3) menjadi x µ x = e x ln = µ x atau ln = µ x (4) Hubungan antara ln x x terhadap tebal bahan katode merupakan persamaan linier regresi Y = A+ B* X, maka koefisien serapan linier adalah µ = B. Karakteristik Detektor Geiger Muller Karakteristik detektor Geiger Muller memegang peranan yang sangat penting, karena di dalamnya akan diketahui sifat-sifat yang dapat menentukan baik dan buruknya kualitas detektor Geiger Muller di antaranya daerah tegangan kerja (plateau) dan slope. Panjang plateau suatu detektor Geiger Muller adalah dari tegangan ambang sampai pada batas tegangan permulaan terjadinya proses lucutan (kenaikan jumlah akan melonjak cacah pada saat penambahan tegangan detektor). Slope adalah merupakan ukuran besarnya kemiringan plateau dan diberi satuan persen per volt (%/volt) atau persen per 1 volt (%/1 volt). Untuk merekomendasikan tegangan operasi detektor Geiger Muller, maka tegangan operasi dapat di atur pada tengah-tengah antara B dengan C atau titik D dari daerah tegangan kerja. Kurva daerah tegangan kerja (plateau) dari detektor Geiger Muller ditunjukkan pada Gambar 3. Gambar 3. Kurva daerah tegangan kerja detektor GM Berdasarkan kurva hubungan tegangan operasi terhadap jumlah cacah, maka panjang daerah tegangan kerja (plateau) dapat dihitung dengan persamaan [2] (5). Panjang plateau ( ) = (5) V 2 V 1 dengan V 1 adalah tegangan ambang (threshold voltage, V 2 adalah tegangan ambang mulai lucutan (break down discharge). Untuk kemiringan plateau atau slope dapat dihitung dengan persamaan [2] (6) : ( N N ) / N1 Slope = x1% (6) V V 2 dengan N 1 adalah jumlah cacah pada tegangan V 1, N 2 adalah jumlah cacah pada tegangan V 2, V 1 adalah besar tegangan 1, V 2 adalah besar tegangan 2 dan V 3 adalah seting tegangan opersi detektor TATA KERJA PENELTAN Dalam pelaksanaan penelitian pengembangan material window untuk detektor Geiger-Mueller diawali dengan menentukan koefisien serapan linier dari material window yang akan digunakan untuk detektor Geiger Mueller terhadap radiasi γ, dengan cara menempatkan material window detektor dengan ketebalan tertentu dan melakukan pencacahan radiasi. Hasil dari penentuan koefisien serapan material window digunakan untuk menghitung radiasi yang bisa lolos masuk ke tabung detektor. Berkaitan faktor jendela yang berpengaruh terhadap sensitifitas detector, sehingga dapat ditentukan material window yang akan digunakan untuk tabung detektor Geiger Mueller. Detektor Geiger Mueller tipe end window yang dibuat direncanakan untuk mendeteksi radiasi α, β dan γ, dengan isian gas 99 % argon dan 1 % bromine. Sebagai bahan katode digunakan bahan stainless steel, sedangkan anode digunakan kawat tungsten dan skema tabung detektor Geiger Mueller yang dibuat seperti ditunjukkan pada Gambar 3. Keterangan gambar : 1. Ring Penutup mica window 2. Mica window detektor 3. Bahan isolator berbentuk bulat 4. Kawat anoda 5. Katoda stainless steel 6. Sistem terminal anoda 7. Tutup keramik 8. Sistem aliran gas isian 9. Tutup pelindung pipa gelas Gambar 3. Skema tabung detektor Geiger 1

4 118 SSN rianto., dkk. Mueller tipe end window Setelah dilakukan perakitan tabung detektor Geiger Mueller, selanjutnya tabung tersebut disambung pada sistem pengisian gas untuk proses pemvakuman dengan tingkat kevakuman sampai orde 1-6 torr. Tujuan pemvakuman tinggi untuk menjaga kebersihan tabung dan untuk mengetahui kemampuan tabung detektor jika diisi dengan gas isian dan material window agar tidak terjadi kerusakan pada saat menahan perbedaan tekanan yang terjadi antara tekanan vakum dalam tabung detektor dan tekanan atmosfer. Jika proses pemvakuman telah dicapai pada 1-6 torr maka dilakukan proses pengisian gas isian argon dan bromine sebagai quenching dengan tekanan total 2 cmhg. Setelah dipastikan kondisi gas isian homogen maka dilakukan pengujian awal digunakan untuk mendeteksi sumber γ. Perangkat uji detektor Geiger Mueller adalah seperti ditunjukkan pada Gambar 4. Apabila detektor Geiger Mueller yang diuji telah memberikan respon yang baik ditinjau mulai dari tegangan awal dan diperkirakan panjang plateau dinyatakan baik. Selanjutnya tabung detektor Geiger Mueller dipotong dan dilakukan karakterisasi yang meliputi tegangan ambang, panjang daerah tegangan plateau, slope % per 1 Volt. Gambar 4. Diagram kotak alat uji detektor Geiger Mueller HASL DAN PEMBAHASAN Hasil perhitungan koefisien serapan linier dari masing-masing material window detektor Geiger Mueller berdasarkan persamaan (4) disajikan dalam bentuk Tabel 1. Tabel 1. Koefisien serapan linier material window detektor GM Koefisien No. Bahan katode serapan linier (4,39 ±,72) 1. Mika sheet,3 mm 2. Kaca,21 mm 3. Titaium foil,8 mm mm -1 (1,25 ±, 41) mm -1 (7,3 ±,46) mm -1 Berdasarkan persamaan (4) nilai koefisien serapan linier terhadap intensitas radiasi γ setelah melewati material window detektor GM adalah berbanding terbalik. Jika dibandingkan dari perhitungan koefisien serapan linier (µ) dari material window kaca dengan mika sheet dan titaium foil lebih kecil, sehingga intensitas radiasi γ yang lolos masuk ke tabung detektor semakin besar. Semakin besar intensitas radiasi γ yang masuk ke tabung detektor maka akan menghasilkan cacah yang tinggi. Namun demikian material window kaca mudah terjadi kerusakan pada saat menahan perbedaan tekanan yang terjadi antara tekanan vakum dalam tabung detektor dan tekanan atmosfer. Dengan pertimbangan nilai koefisiensi serapan linier dari material window yang ada, maka mika sheet dipilih sebagai window detektor karena mempunyai koefisiensi serapan linier yang lebih kecil dibandingkan dengan titanium foil. Untuk konstruksi dan perakitan pada material window detektor Geiger Mueller diperlukan ketelitian, hal ini disebabkan permukaan material window sangat licin, dimunkinkan yang digunakan tidak merekat lem merata ke permukaan window detektor, sehingga dimungkinkan juga masih ada lubang kecil yang menyebabkan kebocoran tabung. Dalam pembuatan tabung detektor Geiger Mueller tipe end window dibuat dari bahan stainles steel sebagai katode dan tunsten sebagai anoda serta dengan menggunakan material window mika sheet,3 mm. Untuk mengetahui pengaruh tekanan gas isian terhadap perubahan tegangan operasi, maka tabung detektor diisi gas isian argon dan bromine sebagai quenching dengan variasi tekanan gas isian total 2 cmhg dan 15 cmhg. Dari hasil pengujian detektor Geiger Mueller tipe end window yang dibuat disajikan dalam bentuk kurva hubungan daerah tegangan kerja terhadap cacah per menit seperti ditunjukkan pada Gambar 5. Gambar 5. Kurva daerah tegangan kerja detektor Geiger Mueller dengan variasi cacah dengan sumber radiasi Cs137 dan tanpa sumber radiasi (cacah latar) pada tekanan total gas isian 2 cmhg

5 rianto., dkk. SSN Gambar 5. Kurva daerah tegangan kerja detektor Geiger Mueller dengan variasi cacah dengan sumber radiasi Cs137 dan tanpa sumber radiasi (cacah latar) pada tekanan total gas isian 15 cmhg Pada Gambar 5. Dan Gambar 6. terlihat bahwa detektor Geiger Mueller yang telah dibuat dapat digunakan sebagai alat ukur intensitas radiasi, ditunjukkan dengan perbedaan respon pengukuran dengan sumber radiasi Cs137 dan cacah latar. Hasil uji karakteristik detector Geiger Mueller yang telah dibuat pada tekanan total gas isian 2 cmhg mempunyai karakteristik detektor dengan tegangan ambang 9 volt, daerah panjang tegangan plateau 15 volt dengan slope 34 % per 1 volt, sedangkan pada tekanan total gas isian 15 cmhg mempunyai karakteristik detektor dengan tegangan ambang 82 volt, daerah panjang tegangan plateau 11 volt dengan slope 43 % per 1 volt dan direkomendasikan tegangan operasi detector 87 volt. Ditinjau dari persamaan (2) dinyatakan hubungan kuat medan listrik terhadap tegangan berbanding lurus, sedangkan hubungan terhadap tekanan gas isian berbanding terbalik. Dari hasil pengujian karaktersitik detector Geiger Mueller pada Gambar 5 dan Gambar 6 terbukti bahwa semakin tinggi tekanan total gas isian maka kuat medan listrik yang timbul membuthkan tegangan rendah. Dengan demikian maka untuk menurunkan tegangan operasi detektor perlu diturunkan tekanan total gas isiannya apabila jumlah perbandingan gas isian dianggap tetap. KESMPULAN Dari hasil pengembangan material window untuk detektor Geiger-Mueller tipe end window, dapat disimpulkan sebagai berikut: 1. Koefisiensi serapan linier terkecil (1,25 ±, 41) mm -1 terjadi pada material window kaca, sehingga besar intensitas radiasi γ masuk kedalam tabung detektor Geiger Mueller mengakibatkan cacah yang dihasilkan lebih besar namun tidak bisa digunakan karena terjadi kerusakan pada saat menahan perbedaan tekanan yang terjadi antara tekanan vakum dalam tabung detektor dan tekanan atmosfer. 2. Untuk material window detektor Geiger Mueller dari ketiga material window detector dipilih mika sheet dengan ketebalan,3 mm mempunyai koefisiensi serapan linier material window (4,39 ±,72) mm -1 lebih kecil dibandingkan dengan material window titanium foil. 3. Detektor Geiger Mueller tipe end window dapat digunakan sebagai alat ukur intensitas radiasi dengan karakteristik tegangan ambang 82 volt, daerah panjang tegangan plato 11 volt, slope 43 % per 1 volt, dan tegangan operasi yang direkomendasikan 87 volt. tegangan ambang volt, daerah panjang tegangan plateau volt dengan slope 43 % per 1 volt. UCAPAN TERMA KASH Dengan selesainya penelitian ini kami mengucapkan banyak terima kasih kepada Bapak Sumarmo dan seluruh staf kelompok Pengembangan Aplikasi Akselerator, serta Elvi dan rma mahasiswa UN Yogyakarta atas segala bantuan yang telah diberikan. DAFTAR PUSTAKA 1. E. FEYVES AND O. HAMAN, The Phycical Principles of Nuclear Radiation Measurement, Academisi Kiado, Budapest, (1969) NCHOLAS TSOULFANDS, Measurement and Detection of Radiation, University of Missouri-Rolla, New York USA, (1983) PETER SOEDOJO, Azas-Azas lmu Fisika Jilid 4 Fisika Modern, FMPA-UGM, Gadjah Mada Press Yogyakarta, Edisi 1 (21) PRCE, W.J., Nuclear Radiation Detection, second Edition, Mc Graw-Hill Book Company, New York, 1964, Hal. 1-28, 41-49,73 5. SYED NAEEM AHMED, Physics and Engineering of Radiation Detection, Queen s University, Kingston, Ontario, Academic Press is an imprint of Elsevier,(27) Hal. ( ) TANYA JAWAB Bambang Siswanto Mengapa karakteristik dtektor GM tipe end window material Titanium foil dan Mica window terjadi perbedaan? rianto Berdasarkan koefisiensi serapan linear pada material window Titanium foil lebih

6 12 SSN rianto., dkk. Saminto besar dari pada mica sehinggacaah yangdihasilkan mica window lebih besar dari pada Titanium foil. Jika proses Lem untuk penyambungan window tidak baik, apa pengaruhnya terhadap karakteristik deteksi pada detektor GM? rianto Jika proses pengeleman material window tidak baik akan berpengaruh terhadap karakteristik deteksi, yaitu perubahan daerah panjang tegangan plato menjadi pendek