SEMINAR NASIONAL V YOGYAKARTA, 5 NOVEMBER 2009 RANCANG BANGUN TEGANGAN TINGGI DC DAN PEMBALIK PULSA PADA SISTEM PENCACAH NUKLIR DELAPAN DETEKTOR NOGROHO TRI SANYOTO, SUDIONO, SAYYID KHUSUMO LELONO Sekolah Tinggi Teknologi Nuklir Badan Tenaga Nuklir Nasional Jl. Babarsari Kotak Pos 6101 YKBB Yogyakarta 55281 Telp: (0274) 48085, 489716; Fax: (0274) 489715 Abstrak RANCANG BANGUN TEGANGAN TINGGI DC DAN PEMBALIK PULSA PADA SISTEM PENCACAH NUKLIR DELAPAN DETEKTOR. Telah dibangun rangkaian tegangan tinggi DC sebagai catu daya detektor dan inverter sebagai pembalik pulsa keluaran dari detektor Geiger Mueller agar dapat diterima oleh sistem penampil pencacah delapan masukan. Tegangan tinggi dapat menghasilkan 1000V DC dengan arus 1,5 ma, sebagai catu daya delapan buah detektor GM, serta 8 buah inverter sebagai pembalik pulsa keluaran detektor dengan tinggi amplitudo 3,8 volt. Rangkaian tegangan tinggi terdiri dari 4 bagian yaitu, Pembentuk pulsa kotak, flip flop, penguat daya, pengali tegangan dan penyearah. Kata kunci: Tegangan tinggi DC, pembalik pulsa, detektor Geiger Mueller Abstract DC HIGH VOLTAGE AND PULSE INVERTER DESIGN AT EIGHTS DETECOR NUCLEAR COUNTING SYSTEM. Has been building DC high voltage and pulse inverter circuit to give voltage and invert output pulse from Geiger Mueller detector in order to be able receive by eights input display counting system. High voltage circuit consist 4 section, that is square pulse circuit, flip flop, power amplifier, voltage multiplier and rectifier. The high voltage can produce up to 1000 V DC which can give voltage to eights unit of Geiger Mueller detector. Then polarity of output pulse detector will be inverted by pulse inverter circuit. Keywords : DC High voltage, inverter, Gieger Mueller detector PENDAHULUAN Energi nuklir merupakan suatu bentuk energi yang dipancarkan secara radiasi dengan memiliki dua sifat khas, yaitu tidak dapat dirasakan secara langsung oleh indra manusia dan berbagai jenis radiasi dapat menembus beberapa jenis bahan. Dengan adanya sifat sifat tersebut, maka untuk menentukan atau mengetahui ada tidaknya radiasi nuklir diperlukan alat untuk mengukur atau mendeteksi radiasi nuklir. (Anonim, 2008). Dengan demikian seorang pekerja radasi dapat mengambil tindakan yang sesuai setelah membaca alat ukur yang digunakan untuk tujuan proteksi terhadap radiasi. Alat ukur radiasi nuklir terdiri dari dua bagian yaitu detektor dan peralatan penunjang lain. Detektor merupakan sutu alat yang peka terhadap radiasi nuklir, yang apabila terkena pancaran radiasi akan menghasilkan suatu tanggapan tertentu. Sedangkan peralatan penunjang merupakan suatu rangkaian elekronik yang berfungsi untuk mengubah tanggapan yang dihasilkan detektor menjadi suatu informasi yang dapat diamati panca indra manusia atau diolah menjadi suatu informasi yang berarti. ( Abdillah, 2008 ). 161
SEMINAR NASIONAL IV YOGYAKARTA,5 NOVEMBER 2009 DASAR TEORI Detektor Geiger Mueller Detektor Geiger Mueller (GM) merupakan salah satu detektor radiasi nuklir tipe isian gas. Jika tegangan catu daya pada GM dinaikkan lebih tinggi, maka peristiwa pelucutan elektron sekunder makin besar dan elektron sekunder yang terbentuk banyak sekali. Akibatnya anoda diselubungi serta terlindung oleh muatan negative elektron sekunder, sehingga peristiwa ionisasi akan terhenti. Karena gerak ion positif kedinding tabung katoda lambat. Maka ion - ion ini dapat membentuk semacam lapisan pelindung positif pada permukaan dinding tabung. Keadaan yang demikian ini disebut efek muatan ruang atau space range effect.( Wardhana, W. A) disempurnakan oleh Muller. Sehingga secara lengkap disebut detektor Geiger Muller atau tabung G.M. Untuk mengetahui besarnya tegangan kerja detektor GM, terlebih dahulu diketahui bentuk plateunya. Bentuk plateu suatu detektor GM merupakan salah satu karakteristik detektor GM. Detektor GM yang baik bentuk plateunya mendatar tidak boleh terlalu terjal. Daerah tegangan kerja detektor GM yang menghasilkan keadaan ini disebut daerah GM atau lebih sering disebut daerah plateu. Untuk lebih jelasnya dilihat pada Gambar 2. Gambar 1. Detektor GM Tegangan yang menimbulkan efek muatan ruangan ini adalah tegangan minimum yang membatasi terkumpulnya elektron - elektron pada anoda. Dalam keadaan seperti ini detektor tidak peka lagi terhadap datangnya atom radiasi. Oleh karena itu efek muatan ruang harus dihindarkan dengan cara menambah tegangan GM. Penambahan tegangan GM ini dengan maksud supaya terjadi pelepasan muatan pada anoda, sehingga detektor dapat bekerja normal kembali. Pelepasan dapat terjadi karena elektron mendapat tembahan tegangan kinetik akibat penambahan daerah GM, Gambar 1. adalah detektor GM. Apabila tegangan daerah GM terus dinaikkan, terjadi pelucutan elektron sekunder akan semakin banyak. Pada suatu tegangan tertentu peristiwa avalanche elektron sekunder tidak tergantung lagi oleh jenis atom radiasi yang datang maupun tenaga atom radiasi radiasi yang datang tersebut. Sifat demikian ini pertama kali diamati oleh Geiger, dalam perkembangan lebih lanjut detektor Gambar 2. Daerah tegangan kerja GM Keterangan : A = starting voltage (tegangan awal) B = threshold voltage (tegangan ambang) C = tegangan kerja GM D = tegangan batas mulai timbul kerusakan BD = plateu Penampilan baik buruknya suatu detektor GM, ditentukan oleh panjang plateu, kemiringan plateu dan resolving time. Detektor yang baik biasanya mempunyai plateu sekitar 200 volt, kemiringan dapat dicari lewat perhitungan seperti rumus kemiringan hasil yang baik adalah sekitar 3% dan resolving time dalam orde mikrodetik. Tegangan kerja suatu detektor GM umumnya terletak antara 1/3 sampai 1/2 panjang plateu dihitung dari titik V1. Sedangkan kemiringan atau slope detektor GM dihitung berdasarkan penambahan laju pencacah dalam persen per 100 volt, (persamaan 1). ( Wardhana, W. A) kemiringan 2 1 N2 N1 / N1 100% V V.100 (1) 162
SEMINAR NASIONAL V YOGYAKARTA, 5 NOVEMBER 2009 Tegangan Tinggi DC Rangkaian tegangan tinggi DC merupakan rangkaian elektronik yang digunakan untuk menghasilkan tegangan tinggi ke sebuah detektor. Power supply yang disusun dan diuji menghasilkan 850V DC seperti pada Gambar 3. Prinsip kerja dari rangkaian tegangan tinggi adalah dengan memanfaatkan tegangan +12V DC untuk memberikan daya pada suatu pembangkit gelombang bolak-balik pada suatu rangkaian penguat yang kemudian melipatkan tegangan tersebut dengan sebuah transformator yang sesuai, lalu tegangan ini disearahkan lagi ( Azmi, 2008). Gambar 3. Gambar rangkaian tegangan tinggi Inverter Inverter (pembalik pulsa) merupakan rangkaian elektronik yang apabila ada pulsa masukan yang berpolaritas negatif maka pulsa tersebut akan di balik polaritasnya menjadi positif. Rangkaian inverter diperlukan dalam pengkondisian sinyal keluaran dari detektor Geiger Mueller yang berpolaritas negatif ( Sanyoto, 2005 ). Gambar 4. Rangkaian Inverter 163
SEMINAR NASIONAL IV YOGYAKARTA,5 NOVEMBER 2009 TATA KERJA PENELITIAN Sistem pencacah dengan delapan detektor sebagai saluran masukan, alat ini termasuk dalam salah satu peralatan proteksi yang mampu memantau paparan radiasi secara langsung pada suatu daerah instalasi yang memanfaatkan penggunaan energi nuklir dengan menggunakan delapan saluran masukan. Seperti pada Gambar 5. Gambar 5. Diagram Blok Monitor Area Keterangan gambar : 1. 8 buah detektor 2. rangkaian tegangan tinggi 3. Rangkaian pemballik pulsa 4. Multiplexer. 5. Mikrokontroler 6. LCD 7. Keypad 8. Speaker HASIL PENGUJIAN DAN PEMBAHASAN Pengujian tegangan tinggi Pengujian tegangan tinggi dengan perubahan frekuensi dari 500 Hz sampai 5 KHz dan tegangan regulator yang tetap 15 volt, hasil dapat dituangkan pada Gambar 6. Gambar 6. Linieritas tegangan keluaran terhadap frekuensi Dari Gambar 6 dapat dilihat bahwa jika frekuensi < 500 Hz, maka belum menghasilkan tegangan keluaran, setelah frekuensi mencapai 500 Hz, tegangan keluaran yang muncul adalah sebesar 600 V dan akan terus naik seiring dengan naiknya nilai frekuensi. Namun pada saat frekuensi mencapai lebih dari >5 KHz, maka tegangn akan menjadi nol kembali. Dari data ini dapat disimpulkan bahwa nilai tanggap dari trafo adalah merupakan daerah kerja trafo, 164
SEMINAR NASIONAL V YOGYAKARTA, 5 NOVEMBER 2009 serta pada saat 5 KHz trafo memberikan keluaran yang maksimal. Gambar 7. hubungan kestabilan tegangan keluaran tegangan tinggi pada saat tanpa beban selama 90 menit. Gambar 7. Linieritas tegangan keluaran tegangan tinggi terhadap waktu pengujian Linieritas tegangan tegangan tinggi setelah mendapatkan beban diatas dapat di lihat pada Gambar 8. Gambar 8. Linieritas tegangan tinggi dengan beban Dari Gambar 8. dapat dilihat bahwasanya linieritas tegangan setelah mendapatkan beban bahwa kestabilan tegangan keluaran rangkaian tegangan tinggi tidak dipengaruhi oleh waktu, dilakukan pengujian linieritas tegangan rangkaian tegangan tinggi setelah mendapatkan beban. Pengujian ini dilakukan dengan beban R sebesar 560 K ohm. Dengan perhitungan mampu melewatkan arus sebesar 1,5 ma atau 0,00149 Amper, dimana R tersebut diasumsikan dimiliki beban yang sama dengan delapan detektor. Pengujian ini dilakukan dengan waktu 90 menit dengan tegangan 15 V pada CT trafo. Dalam perhitungan dapat kita lihat kesetabilan dari tegangan tinggi dengan beban pada tegangan rata rata 697 V DC. Secara keseluruhan rancang bangun tegangan tinggi yang dikerjakan telah dapat dikatakan stabil. Dikarenakan unjuk kerja rangkaian dan tegangan keluaran dari tegangan tinggi telah dapat memenuhi kebutuhan tegangan kerja dari detektor. Dari Gambar 9. hubungan antara tegangan masukan dengan tegangan keluaran pada rangkaian tegangan tinggi dapat di lihat pada Gambar 9. Gambar 9. Hubungan antara tegangan masukan dengan tegangan keluaran(hv) 165
SEMINAR NASIONAL IV YOGYAKARTA,5 NOVEMBER 2009 Dari pengujian hubungan antara regulator dengan keluaran tegangan tinggi, keluaran tegangan tinggi DC dipengaruhi oleh input regulator yang di berikan pada CT trafo. Dapat dilihat pada Gambar 9. dari hasil percobaan tegangan tinggi akan mulai bekerja setelah tegangan masukan mencapai 1 v dengan tegangan keluaran 120 V dan akan naik seiring kenaikan input tegangan regulator kepada CT trafo. Namun pada saat nilai tegangan input regulator kepada CT trafo mencapai lebih dari >17 Volt, maka tegangan keluaran dari tegangan tinggi akan menjadi nol kembali. Dari data yang diperoleh tegangan masukan maksimum pada regulator adalah 17 volt, akan memberikan tegangan keluaran 1000 volt DC. Tabel 1. Pengujian rangkaian inverter. Bagian No. yang diuji 1. Frekuensi pulsa masukan Bentuk 2. pulsa keluaran 3. Lebar pulsa keluaran 3. Tinggi pulsa keluaran 4. Respon frekuensi maksimum Direncanakan Terukur 1 KHz 1 KHz Pulsa kotak Positif Pulsa kotak Positif 0,5 3mS 2,5 ms 2,8 5,0 V 3,6 V 10 KHz 10 KHz Tegangan keluaran dari rangkaian tegangan tinggi dipengaruhi oleh tegangan input regulator kepada CT trafo. Semakin besar tegangan input regulator pada CT trafo semakin besar keluaran dari rangkaian tegangan tinggi. 2. Rangkaian inverter dapat membalik pulsa keluaran dari detektor Geiger Mueller menjadi pulsa positif, dengan tinggi pulsa 3,6 V yang dapat dilihat melalui Cathode Ray Oscilloscope (CRO). DAFTAR PUSTAKA 1. ABDILAAH ANNAS, Rancang Bangun Sistem Penampil Cacaha Dengan Saluran Masukan Berbasis Mikrokontroler AT89S8252, Tugas Akhir STTN BATAN Yogyakarta, 2008. 2. ANONIM, Alat Ukur Radiasi, Diktat Pelatihan Petugas Proteksi, STTN BATAN Yogyakarta, 2008. 3. AZMI BAYU, Rancang Bangun Robot Mobil Penlusuran Sumber Radiasi Nulir Mengunakan Detektor Geiger Meuller, Tugas Akhir STTN BATAN Yogyakarta, 2008. 4. SANYOTO, NUGROHO TRI, Rancang Bangun Area Monitor Berbasis Mikrokontroler Menggunakan Detektor Geiger Mueller, Tugas Akhir STTN-BATAN, yogyakarta, 2005. 5. WARDHANA, WISNU ARYA, Kumpulan Diktat Diklat Elektronika Dan Instrumentasi Nuklir, Pusat Pendidikan Dan Latihan, BADAN TENAGA ATOM NASIONAL, 1985. Pada tabel 1 adalah data hasil uji inverter, pada pengujian inverter pulsa yang masuk pada inverter adalah pulsa negatif dan keluaran dari inverter adalah pulsa positif. Pulsa masukan dari pulse generator dengan amplitudo 2 volt dan dengan dengan lebar pulsa 0,5ms sampai 3ms dengan frekuensi maksimum 10.000 Hz dan memperoleh keluaran dengan ampltudo 3,6 V. KESIMPULAN 1. Tegangan keluaran dari catu daya tegangan tinggi yang telah dibuat mampu menghasilkan tegangan keluaran berkisar 0 1000 V DC dan arus 1,5 milli Amper. 166