SPEKTROSKOPI-γ (GAMMA) Veetha Adiyani Pardede M2954, Program Studi Fisika FMIPA UNS Jl. Ir. Sutami 36 A, Kentingan, Surakarta, Jawa Tengah email: veetha_adiyani@yahoo.com ABSTRAK Aras-aras inti dipelajari guna [engamatan radiasi-γ yang dipancarkan oleh inti anak hasil peluruhan yang bersifat radioaktif maupun yang stabil. Sinar γ memiliki daya tembus yang tinggi serta merupakan gelombang electromagnet dan relative mudah dideteksi. Detektor sintilasi mampu untuk mendeteksi sinar γ dalam satua. Detektor NaI(Tl) mempunyai resolusi 24% dalam menangkap energy radiasi γ. dan digunakan sebagai sumber dalam menentukan energy radiasi γ yang dipancarkan oleh. Besar radiasi γ dan, sehingga radiasi γ yang dipancarkan. Kata kunci: radioaktif barium, radiasi sinar γ, peluruhan cesium 1. PENDAHULUAN 1.1 LATAR BELAKANG Unsur radiaoaktif alam dan buatan menunjukkan aktivitas radiasi yang sama yaitu radiasi sinar-α, sinar-ß, dan sinar-γ. Salah satu sifat menguntungkan dari sinar radioaktif adalah daya tembusnya yang tinggi. Kekuatan tembus sinar-sinar radioaktif ini dipengaruhi oleh daya ionisasinya. Sinar radioaktif terdapat pula di udara. Tersebar secara distribusi acak. Spektrometer sinar gamma dapat digunakan untuk menganalisis sumber radioaktif yang kemudian dapat digunakan untuk mengidentifikasi unsure atau isotop-isotop radioaktif yang ada di dalamnya. Hasil pengukuran intensitas radiasi suatu sumber selalu merupakan gabungan antara radiasi yang berasal dari sumber dan lingkungan sekitarnya. Oleh karena itu diperlukan suatu percobaan spekstroskopi sinar gamma guna mengetahui energy gamma yang dipancarkan oleh bahan radioaktif,, dan. 1
1.2 TUJUAN - Mempelajari cacah latar (background counting) - Mempelajari spectrum isotop - Mempelajari pengaruh waktu pencacahan terhadap spectrum isotop - Mempelajari spectrum isotop - Mengkalibrasi detektor dengan isotop dan - Menggunakan hasil kalibrasi detektor untuk menentukan energy gamma dari suatu sumber radioaktif yang belum diketahui energinya (isotop ) 1.3 DASAR TEORI Secara definisi, radiasi merupakan salah satu cara perambatan energi dari suatu sumber energi ke lingkungannya tanpa membutuhkan medium atau bahan penghantar tertentu. Radiasi memiliki dua sifat yang khas, yaitu tidak dapat dirasakan secara langsung oleh panca indra manusia dan beberapa jenis radiasi dapat menembus berbagai jenis bahan. Energi radiasi (E) merupakan kekuatan dari setiap radiasi yang dipancarkan oleh sumber radiasi. Bila sumber radiasinya berupa radionuklida maka tingkat atau nilai energi radiasi yang dipancarkan tergantung pada jenis radionuklidanya. Kalau sumber radiasinya berupa pesawat sinar-x, maka energi radiasinya bergantung kepada tegangan anoda (kv). Tabel 1.3.1 Probabilitas dan energi beberapa jenis isotop Jenis Energi Probabilitas radionuklida Cd-19 88 kev 3,7% Cs-137 662keV 85% Co-6 1173 kev 1332 kev 99% dan 1% (Hendriyanto Haditjahyono: 26) Dalam menghitung energy partikel alpha dan beta yang dipancarkan dalam perluruhan radioaktif di depan diangap tidak ada sinar gamma yang dipancarkan. Jika ada sinar gamma yang dipancarkan dalam peluruhan radioaktif, dianggap tidak ada sinar gamma yang dipancarkan, maka energy yang ada (Q) harus dibagi bersama antara partikel dengan sinar gamma. Ada tiga proses utama yang dapat terjadi apabila radiasi melewati bahan, yaitu efek fotolistrik, hamburan Compton dan produksi pasangan. Ketiga proses tersebut melepaskan elektron yang selanjutnya dapat mengionisasi atom-atom lain dalam bahan. (Beiser: 1999) Detektor yang umum digunakan dalam spektroskopi gamma adalah detektor sintilasi NaI(Tl). Detektor ini terbuat dari bahan yang dapat memancarkan kilatan cahaya apabila berinteraksi dengan sinar gamma. Efisiensi detektor bertambah dengan 2
meningkatnya volume Kristal sedangkan resolusi energy tergantung pada kondisi pembuatan pada saat pengembangan Kristal. Sinar gamma yang masuk ke dalam detektor berinteraksi denganatomatom bahan sintilator menurut efek fotolistrik, hamburan Compton dan pasangan produksi, yang akan menghasilkan kilatan cahaya dalam sintilator. Jika energi radiasi yang dipancarkan oleh unsur radioaktif Cs- 137 diserap seluruhnya oleh elektronelektron pada kristal detektor NaI(Tl) maka interaksi ini disebut efek fotolistrik yang menghasilkan puncak energi (photopeak) pada spektrum gamma pada daerah energi 661,65 kev. Apabila foton gamma berinteraksi dengan sebuah elektron bebas atau yang terikat lemah, misal elektron pada kulit terluar suatu atom, maka sebagian energi photon akan diserap oleh elektron dan kemudian terhambur. Interaksi ini disebut dengan hamburan Compton. Titik batas antara interaksi Compton dan efek foto listrik menghasilkan puncak energi yang disebut Compton edge. Puncak Backscatter disebabkan oleh foton yang telah dihamburkan keluar ternyata didefleksi balik kedalam detektor sehingga terdeteksi ulang. Sebagian besar energi foton 137 Cs (89,98%) dipancarkan dengan energi 661,65 kev, tetapi ada juga foton yang dipancarkan dengan energi masingmasing: 4,47 kev (1,4%), 31,82 kev (2,7%), 32,19 kev (3,82%) dan 36,4 kev (1,39%). Energi foton sebesar 4,47 kev terlampau kecil untuk terdeteksi oleh detektor NaI(Tl). Tiga energi berikutnya (31,82, 32,19 dan 36,4 kev) terlalu dekat untuk dapat dipisahkan oleh detektor NaI(Tl) sehingga muncul sebagai multiplet dengan energi ratarata 32,89 kev. Demikian contoh karakteristik spektra dari isotop, setiap isotop mempunyai karakteristik pola spektral yang berbeda-beda yang dapat digunakan untuk mengidentifikasi isotop-isotop tersebut. (M. Syamsa: 22) Gambar 1.3.1 Spektrum Gamma 137 Cs 3
2. METODE PENELITIAN 2.1 Alat dan Bahan - Seperangkat alat spectrometer gamma (1 Set) o MCA o Detektror NaI(Tl) - Sumber Radiasi o Cs-137 1 buah o Co-6 1 buah o Ba-133 1 buah 2.2 Flowchart Percobaan MCA, layar, detektor dihidupkan MCA Detektor Dihidupkan TIME Cs-137 Co-6 Cs-Ba 1 menit START Analisis Spektrum 2.3 Gambar Alat Gambar 2.3.1 Detektor NaI(Tl) 3. DATA Terlampir Gambar 2.3.2 MCA dan Layar Tabel 3.1 Puncak-puncak Energi Tiap Sumber Radioaktif CH 4. PEMBAHASAN KeV 71 662 152 1417.24 178 1659.66 Sinar-sinar radioaktif memiliki karakteristik yang unik dan berbeda satu sama lainnya, walaupun berasal dari sumber yang sama. Salah satu sifat menguntungkan dari sinar radioaktif adalah daya tembusnya yang tinggi. Kekuatan tembus sinar-sinar radioaktif ini dipengaruhi oleh daya ionisasinya. Daya ionisasi adalah kemampuan sinar radioaktif menarik elektron dari atom-atom yang dilewatinya. Partikel-γ memiliki daya ionisasi paling lemah. Untuk mengionisasi, atom sinar radioaktif akan menggunakan energi yang dimilikinya, sehingga semakin kuat daya 4
ionisasinya semakin banyak energinya yang hilang. Hal ini tentu saja berpengaruh pada daya tembusnya. Sinar-γ memiliki daya tembus paling kuat, Di udara terbuka sinar-γ tidak kehilangan banyak energi karena daya ionisasi untuk molekul-molekul udara lemah. Sinar gamma (γ) adalah radiasi elektromagnetik berenergi tinggi, tidak bermuatan dan tidak bermassa. Sinar gamma dinyatakan dengan notasi. Percobaan spektroskopi gamma bertujuan untuk mencari pola distribusi, mengamati cacah latar, mempelajari spectrum isotop dan, serta pengaruh waktu terhadapnya. Gambar 4.1 Bagian Detektor Sintilator 1 Detektor yang digunakan merupakan detektor sintilasi, sintilasi merupakan kelipan, suatu bahan yang dapat memancarkan kelipan cahaya apabila berinteraksi dengan sinar-γ, sinar-α, maupun sinar-β disebut dengan sintilator. Detektor sintilasi mempunyai lapisan permukaan berbahan NaI(Tl). Setelah permukaan merupakan lapisan foto layar elektrik, dan PMT (Photonics Multiplayer Tube), tabung pengganda. 1 1997-23, James H. Wittke http://www4.nau.edu/microanalysis/microprobe/im g/pmtube.gif Percobaan diawali dengan mencacah udara sebagai cacah latar/background counting. Foton yang bergerak di udara merupakan gelombang elektromagnetik, seperti sinar-γ yang juga merupakan gelombang elektromagnetik. Sinar-γ menumbuk lapisan detektor NaI(Tl). Peristiwa materi yang dikenai oleh energy/foton akan menghasilkan salah satu dari tiga peristiwa efek fotolistrik, efek Compton, dan produksi pasangan. Ketiga peristiwa tersebut menghasilkan elektron akibat eksitasi elektron. Sebuah foton berarti satu kelipan berarti satu sinar-γ yang berarti satu buah elektron. Ketika sebuah atom yang elektronnya tereksitasi, maka terjadi kekosongan pada kulit elektron tadi. Akibat kekosongan tadi, maka akan terjadi deeksitasi, dimana proses deeksitasi elektron selalu menghasilkan foton. Foton tersebut memasuki foto layar elektrik sehingga terjadi efek fotolistrik. Efek fotolistrik menghabiskan energy dari foton tadi, dan menghasilkan elektron. Di dalam PMT terdapat dynode (banyak diode), yang mana ketika sebuah elektron menumbuk diode pertama yang mempunyai beda potensial (berarti jumlah proton banyak), maka sebuah elektron tersebut akan termultiplikasi (tergandakan), sehingga akan banyak elektron yang dihasilkan dari diode tersebut, dan diode selanjutnya. Hasil elektron dari sinar-γ yang menumbuk detektor sintilasi tadi akan dilewatkan ke penguat muka 5
preamplifier untuk diubah menjadi pulsa tegangan. Amplitude pulsa tegangan yang keluar dari penguat muka masih sangat kecil (dalam orde milivolt). Oleh karena itu, pulsa tegangan ini diperkuat menggunakan rangkaian penguat amplifier sehingga pulsa tegangan keluaran sekitar beberapa volt dan ditampilkan dalam bentuk histogram melalui MCA (Multi Channel Analyzer). Tinggi pulsa (CH), sebanding dengan tenga radiasi γ, dan banyaknya pulsa (CT). Dari data yang dihasilkan selama, terlihat bahwa distribusi cacah latar bersifat acak. Keacakan ini dikarenakan udara terus bergerak karena pengaruh angin, dan angin terus bergerak dari tekanan tinggi ke tekanan yang lebih rendah. Percobaan kedua mempelajari spectrum isotop. Dari data, dapat ditentukan backscatter-nya (2395) pada channel 6. Puncak Backscatter disebabkan oleh foton yang telah dihamburkan keluar ternyata didefleksi balik kedalam detektor sehingga terdeteksi ulang. Dengan Compton edge, titik batas antara interaksi Compton dan efek foto listrik menghasilkan puncak energi, pada channel (2653) pada channel 21. Isotop mempunyai puncak pada channel 71 bernilai 7866 dan FWHM (Full Width at Half Maximum) pada channel 63 serta 8 dengan besar cacah 2391. Dari data tersebut dapat ditentukan resolusi detektor (R), Resolusi detektor adalah kemampuan detektor untuk membedakan energi radiasi yang berdekatan. Suatu detektor diharapkan mempunyai resolusi yang sangat kecil (high resolution) sehingga dapat membedakan energi radiasi secara teliti. Resolusi detektor disebabkan oleh peristiwa statistik yang terjadi dalam proses pengubahan energi radiasi, noise dari rangkaian elektronik, serta ketidak-stabilan kondisi pengukuran. Detektor pada percobaan mempunyai (lampiran). Jika dibandingkan dengan puncak waktu pencacahan, maka dapat dilihat bahwa banyaknya cacah ketika hampir dua kali lipat dengan ketika. Hal ini dikarenakan banyaknya sinar-γ di sekitar udara yang memasuki detektor semakin banyak seiring lamanya waktu pencacahan. Percobaan kedua menggunakan bahan radioaktif. Dengan backscatter pada channel 6 sebanyak 396 cacah, Compton edge pada channel 35 sebesar 242 cacah. mempunyai puncak pada channel 152 dan 178 dengan cacah 3123 dan 2159. Pada percobaan selanjutnya, menggunakan bahan radioaktif dan secara bergantian dalam waktu. Terlihat bahwa puncak cacah bernilai 1.451 dengan nomor channel 71. Puncak channel 151 dan 177 dengan banyak cacah masing-masing 3254 dan 2213. Banyaknya cacah pada, tidak terlalu 6
jauh dengan yang tidak digabung dengan. Pengkalibrasian channel detekor dilakukan pada amplifier 4. Cara mengkalibrasi dengan mengkalikan energinya (lampiran). memancarkan sinar-γ sebesar dan. Masing-masing puncak dari energy tersebut berarti cesium memiliki 55 proton. Salah satu isotop cesium, memiliki 82 neutron, atau 55 +82 = 137 "nukleon". Isotop ini disebut 137 Cs. Sebuah nukleus dari 137 Cs tidak stabil dan akhirnya akan meluruh ke inti energi yang lebih rendah, 137 Ba, yang memiliki 56 proton dan 81 neutron dengan peluruhan β. Namun elektron yang dipancarkan tidak dapat pergi jauh, karena diserap di dalam sampel atau di dinding detektor. Ada juga neutrino yang dipancarkan, yang bergerak menjauh dengan kecepatan cahaya dan sangat tidak mungkin untuk berinteraksi dengan apa pun. Dalam beberapa menit terjadi peluruhan menjadi inti barium ke keadaan dasar dengan memancarkan foton berenergi cukup tinggi (sinar-γ memiliki energi,66 MeV). Energi sinar-γ senilai dengan perbedaan antara energi dari keadaan tereksitasi dan dasar, dan hal ini sesuai dengan percobaan dimana sinar-γ yang dipancarkan oleh bernilai. Gambar 4.2 Peluruhan 2 Dari puncak energy (sinar-γ) yang dipancarkan oleh dan dibuat sebuah grafik (grafik 7) untuk menentukan besar energy γ yang dipancarkan oleh barium, didapat persamaan garis. Dari perhitungan (lampiran) besar energy γ barium senilai. Perbedaan besar energy γ yang dihasilkan dari percobaan dengan sumber yang tertera di kotak penyimpanan radioaktif, dikarenakan detektor sintilasi mempunyai kekurangan dalam resolusinya, sehingga tidak dapat memisahkan antar puncak radiasi yang berdekatan. 2 5. KESIMPULAN - Cacah latar/ background counting merupakan hasil cacahan dari detektor tanpa ada bahan radioaktif. Cacah latar digunakan untuk mengurangi detektor. cacah dari serapan - Pola distribusi bersifat random. - Resolusi spektroskopi sebesar 24% dengan radioaktif 137 Cs http://felix.physics.sunysb.edu/~allen/313/radioactiv ity_lab.html 7
- Besarnya energy gamma untuk unsure. - Pengaruh variasi waktu pada pencacahan dengan dan terletak pada jumlah CT (cacah) hampir dua kalinya. DAFTAR PUSTAKA Ardisasmita, M. Syamsa. 22. Pengembangan Spektrometer Sinar- Gamma Dengan Sistem Identifikasi Isotop Radioaktif Menggunakan Metode Jaringan Syaraf Tiruan. https://www.batan.go.id/ppin/lokakarya/l KSTN_13/M%252Syamsa2.pdf Beiser, Arthur. 1999. Konsep Fisika Modern. Jakarta: Erlangga. Haditjahyono, Hendriyanto. 26. Prinsip Dasar Pengukuran Radiasi. http://www.batan.go.id/pusdiklat/elear ning/pengukuran_radiasi/_private/prin sip_dasar.pdf http://felix.physics.sunysb.edu/~allen/313/ra dioactivity_lab.html http://www4.nau.edu/microanalysis/microprobe/i mg/pmtube.gif LAMPIRAN 1. GRAFIK 8 7 6 5 4 3 2 1 Grafik 1. Cacah Latar t=6s 2 4 6 8 1 12 14 16 18 2 22 24 26 8 71; 7866 Grafik 2. Cs-137, t=6s 6 CT 4 2 2 4 6 8 1 12 14 16 18 2 22 24 26 CH 8
35 3 25 2 15 1 5 Grafik 3. Co-6, t=6s 152; 3123 178; 2159 2 4 6 8 1 12 14 16 18 2 22 24 26 Grafik 4. Cs-137 & Co-6, t=6s 1 71; 1451 8 6 4 2 151; 3254 177; 2213 2 4 6 8 1 12 14 16 18 2 22 24 26 Grafik 5. Ba-133, t=6s 1 8 23; 9885 6 4 2 2 4 6 8 1 12 14 16 18 2 22 24 26 Grafik 6. Cs-137, t=12s 15 72; 15889 1 5 2 4 6 8 1 12 14 16 18 2 22 24 26 9
Energi Grafik 8. Cs 137 dan Co 6 18 16 14 12 1 8 6 4 2 y = 9.3239x +.12 R² = 1 5 1 15 2 CH 2. PERHITUNGAN Resolusi detektor Puncak barium pada channel 23 1