MODUL LINEAR AMPLIFIER SEBAGAI SARANA PEMBELAJARAN PADA PRAKTIKUM PEMELIHARAAN INSTRUMENTASI NUKLIR ABSTRAK Nugroho trisanyoto trisanyotonugroho@yahoo.co.id STTN BATAN MODUL LINEAR AMPLIFIER SEBAGAI SARANA PEMBELAJARAN PADA PRAKTIKUM PEMELIHARAAN INSTRUMENTASI NUKLIR. Telah dilakukan pembuatan modul linear amplifier yang merupakan bagian dari sistem Spektroskopi Nuklir, sebagai sarana praktikum pemeliharaan instrumentasi nuklir pada Sekolah Tinggi Teknologi Nuklir (STTN) Batan di Yogyakarta. Alat ini pernah dibuat saudara Arifin istafara sebagai tugas akhir. Sedangkan modul ini dibuat untuk memudahkan pemahaman rangkaian dan cara kerja alat. Kemudahan diberikan dengan menambahkan saklar pemutus pada setiap bagian sebagai pelacak sinyal pada rangkaian tersebut. Modul linear amplifier ini terdiri dari pole zero (Pz), pulse shapping (PS), rangkaian base line restorer (BLR), dan gain atau penguatan. Praktikum ini dilakukan pada laboratorium Instrumentasi Nuklir STTN dengan cara simulasi memberi masukkan pulsa dari pulser. Dengan menggunakan modul diharapkan mahasiswa dapat mengenal, memahami dan mengetahui cara kerja dari linear amplifier dengan bentuk pulsa keluaran samigaussian dan tingga maksimum 10volt, sehingga mahasiswa dapat melakukan pemeliharaan alat dengan benar. Kata kunci: modul, linear Amplifier, pembelajaran dan instrumentasi abstrack LINEAR AMPLIFIER MODULE AS A MEANS OF LEARNING IN PRACTICUM MAINTENANCE NUCLEAR INSTRUMENTATION. Has made the manufacture of linear amplifier modules are part of the nuclear spectroscopy systems as a means of maintenance of nuclear instrumentation lab at the Polytecnic Institute of Nuclear Technology (STTN) Batan di Yogyakarta. This module is designed to facilitate the understanding and ways of working so that in some parts of given switch circuit breaker as the tracer signal. This amplifier module consists of a pole zero (Pz), pulse shaping (PS), a series of base line restorer (BLR), and the gain or reinforcement. This lab work done at the laboratory of nuclear Instrumentation STTN by giving input pulse of Pulser. By using the amplifier module students are expected to know, understand and know the workings of the amplifier so that it can perform maintenance tool correctly. Keywords : module, linear Amplifier, learning and instrumentation 129
PENDAHULUAN Instrumentasi Nuklir merupakan instrumentasi yang menggunaan detektor nuklir yang umumnya digunakan untuk pengukuran atau pendeteksian gejala radioaktivitas. Untuk dapat melakukan pengukuran radioaktivitas diperlukan detektor yang dapat berinteraksi secara efisien dengan sinar radioaktif yang diselidiki. Komponen dari keseluruhan sistem pengukur yang mendeteksi radiasi dan mengubahnya ke sinyal listrik adalah detektor radiasi, sedangkan unit yang mengolah dan mencatat sinyal dari detektor disebut sebagai alat ukur adalah Sistem spektroskopi nuklir. Sistem spektroskopi nuklir berfungsi untuk menyelidiki dan menganalisa suatu radioisotop, atau sumber radiasi dengan cara mengukur distribusi energi radiasi tersebut, serta varibel lainnya yang mempunyai ikatan kuat dengan sumber radiasi. Sistem terdiri dari dua kelompok yaitu bagian sensor pengolahan dan pengukuran data. Radiasi dan tranduster yang biasa dikenal sebagai detektor nuklir dan spektofotometer untuk pengukuran dan pengolahan data. Teknik ini telah dipakai secara luas dalam berbagai bidang, misalnya dalam menganalisis radiasi alfa, beta, gamma, sinar-x dan neutron. Spektroskopi nuklir berfungsi untuk analisis sumber radiasi atau radioisotop dengan mengukur distribusi energinya, sedangkan Linear Amplifier pada spektroskopi nuklir berfungsi sebagai pengolah pulsa keluaran dari detektor sehingga dapat dibaca oleh penganalisis tinggi pulsa. Spektroskopi nuklir mempunyai prinsip untuk mengetahui energi dari suatu sumber radiasi alpa, beta dan gamma. Pada spektroskopi nuklir terdiri dari : detektor, catu daya tegangan tinggi (HV), pre- Amplifier, linear Amplifier, single chanal analyser (SCA), pencacah (Counter dan Timer) (1). DASAR TEORI 1. Pole Zero Concellation (PZC) Pole Zero Cancellation adalah suatu rangkaian elektronik yang berfungsi untuk menghilangkan/menekan pulsa under shoot atau pulsa yang berada dibawah level ground agar apabila Linear Amplifier digunakan untuk keperluan spektroskopi dapat mempunyai tingkat akurasi yang tinggi (2). 2. Pulse Shaping Pada sistem spektrometer linear Amplifier adalah merupakan bagian dari system instrumentasi nuklir yang berfungsi sebagai penguat pulsa dan berfungsi sebagai pembentuk pulsa (pulse shaping). Untuk membentuk pulsa cepat keluaran detektor menjadi pulsa semigaussian seperti ditunjukkan pada Gambar 1. Pada keluaran linear Amplifier prinsipnya diperoleh dengan melambatkan rise time dengan rangkaian integral dan mempercepat decay time dengan rangkaian differential. Gambar 1. Pulsa Semigaussian (1) 3 Base Line Restorer (BLR) Rangkaian BLR untuk cacah radiasi yang cukup besar, BLR masih mempunyai bagian pulsa negative sedikit dan juga ada efek penyearahan derau yang akan terkumpul sehingga mengurangi resolusi sistem spektroskopi. Untuk mengatasi hal ini digunakan rangkaian gate base line stabilization, yang mana kerjanya selalu mengembalikan garis aras ke level nol (3). 4 Rangkaian Penguat (Gain) Kemampuan suatu penguat untuk memperkuat pulsa disebut gain. Dalam rangkaian penguat ini terdiri dari sebuah rangkaian yang mampu melipatkan tegangan keluaran dengan tegangan maksimum 10 volt. TATA KERJA Dalam bidang teknologi nuklir banyak instrumen yang mendukung berbagai keperluan penelitian, keselamatan kerja dan 130
pendidikan. Salah satu instrumen itu adalah spektroskopi amplifier, yang berfungsi sebagai pengolahan pulsa dari keluaran detektor sehingga dapat dibaca oleh penganalisa tinggi pulsa.rangkaian ini terdiri dari Pole-zero Concelation dan Penguat Transresistance. 1. Rangkaian Pole-zero Concelation dan Penguat Transresistance Pada pembentukan pulsa, keluaran dari penguat awal yang berupa pulsa ekor akan menghasilkan suatu pulsa yang mempunyai bagian di bawah garis nol (zero cross over). Pergeseran ini jika terlalu besar tidak dikehendaki karena akan memberikan kesalahan dalam pengukuran tinggi pulsa yang datang dibelakangnya. Maka dari itu perlu sebuah rangkaian pole-zero concelation yang dapat mereduksi pergeseran tersebut, hasilnya seperti tampak pada Gambar 2. 2. Pembentukan Pulsa (Pulse Shapping) Pulsa berbentuk Gaussian adalah pulsa yang diharapkan dari linear amplifier maka diperlukan rangkaian differensiator yang akan mempercepat waktu meluruh pulsa ekor dan rangkaian integrator yang akan memperlambat waktu bangkit pulsa. Kedua rangkaian tersebut dapat dibuat dari komponen pasif C dan R. Rangkaian Differensiator Rangkaian differensiator terdiri dari komponen resistor dan kapasitor. Jika V i (t) adalah tegangan yang tergantung dari waktu yang diberikan suatu rangkaian seperti pada Gambar 4, maka hubungan dari nilai nilai tegangannya adalah terlihat pada persamaan : q ( t) q( t) dq( t) + RI C C dt v i (t)...(1) Sebelum waktu waktu sesudah Gambar 2 Kompensasi pole-zero (4) Dalam perancangan rangkaian polezero concelation dan penguat transresistence ini, nilai-nilai kapasitor dan resistornya dapat ditentukan sesuai dengan setting serta menyesuaikan dari timing pulsa keluaran penguat awal detektor. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada Gambar 3 Yang mana q(t) adalah muatan kapasitor pada saat t. jika sinyal masukan adalah fungsi undak, maka fungsi tegangan keluaran adalah : Seperti pers: 2 dq ( t) V o (t)=r V i e t/rc...(2) dt t=0 t=t Vi... RC=T t=0 RC=T/10 waktu Gambar 3. Pole zore concelation Gambar 4. Rangkaian CR differensiator 131
A. Rangkaian Integrator Rangkaian integrator juga terdiri dari resistor dan kapasitor, tetapi sinyal keluaran dari rangkaian ini melintang pada kapasitor seperti pada Gambar 3., untuk sinyal keluaran dari rangkaian pengintegral sebagai hasil dari masukan undak diberikan oleh persamaan (3) : V o (t)= q ( t) C V i (1-e -t/rc ) (3) Jika RC >T maka sinyal keluarannya tampak seperti integral dari masukannya. Dengan nilai untuk tegangan keluarannya seperti pers, V dq I = i maka dq = I dt R dt q= Idt (4) q 1 V o = Idt C C (5) 1 V o = CR dt i (6) T T=0 t=t waktu Gambar 5. Rangkaian Intregrator Gambar 6. Rangkaian pulse shapping 6. Rangkaian Base Line Restorer Gambar 7. Base Line Restorer (BLR) Bila radiasi yang datang cukup besar maka rangkaian BLR dapat dipergunakan untuk cacah, akan tetapi BLR masih mempunyai bagian pulsa negative sedikit dan juga ada efek penyearahan derau yang akan terkumpul sehingga mengurangi resolusi sistem spektroskopi. Untuk mengatasi hal ini digunakan rangkaian gate base line stabilization, yang mana kerjanya selalu mengembalikan garis aras ke level nol. Dalam modul ini, dibuat dengan cara merangkai seperti pada rangkaian BLR yang ada pada Gambar 7. Sebuah blok rangkaian dalam instrument Diskriminator Bias Modulation, yang mana prinsip kerjanya adalah sama dengan BLR yang terangkai dalam berbagai instrumen. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat dalam Gambar 8 5. Perancangan Pulse Shapping Rangkaian pulse shapping sangat diperlukan agar pulsa dapat dibaca oleh penganalisa tinggi pulsa, maka haruslah pulsa tersebut dibentuk sesuai setting yang dikehendaki. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat dalam Gambar 6 : 132
Gambar 8. Rangkaian BLR Untuk mendapatkan posisi pulsa pada aras nol, maka untuk keseimbangannya nilai V b harus setara dengan tegangan supply pada transistor. Yang mana dapat diselesaikan dengan persamaan (7) : V b = ( Vk. R R 9 ) ( Vl. R7 ) 7 R 9 (7) 7. Rangkaian Penguat Dalam rangkaian penguat ini terdiri dari sebuah IC Op-Amp dan resistor, dimana rangkaian tersebut dikonfigurasikan sebagai penguat. Tampak seperti pada Gambar. 9 adalah rangkaian penguat maka berlaku persamaan (8) sebagai berikut : Gambar 10. Rangkaian penguat HASIL DAN PEMBAHASAN Untuk mengetahui keluaran dari linear amplifier perlu adanya masukan dari pulser, agar tidak terjadi kejenuhan pada keluaran, yang perlu untuk diperhatikan adalah pulsa masukkan. Adapun hasil dari percobaan tersebut diharapkan seperti pada Gambar 11. Pengujian ini dilakukan dengan simulasi dengan pulser sebagai pulsa masukkan dan bertujuan untuk melihat bentuk keluaran dari linear amplifier. amp 90 % V o = - Rf R V i (8) FWHM τr τf waktu 10% τ Gambar 11. Pengukuran pulsa Gambar. 9. Rangkaian penguat Untuk rangkain lengkap dalam pembuatan rangakain penguat maka dapat dilihat dalam Gambar 10 : Keterangan gambar : Τr : rise time(waktu bangkit pulsa) τf : fall time (waktu jatuh pulsa) τ : lebar pulsa FWHM : Full wave half maximum(lebar pulsa dari setengahpulsa maksimum) 133
Gambar 12. Pulsa masukan dari pulser. Gambar 15. Bentuk pulsa Setelah melewati differensiator dan integrator Gambar 13. Bentuk pulsa ekor Gambar 14. Bentuk pulsa yang telah melewati rangkaian BLR Gambar 16. Pulsa keluaran PEMBAHASAN Modul linear amplifier ini adalah alat praktikum yang memberikan pengetahuan tentang prinsip kerja dari alat, dan mengetahui bagian dari amplifier serta dapat mengukur keluaran pulsa pada tiap bagian. Modul ini digunakan untuk mempermudah pemahaman tentang linear amplifier serta pulsa gaussian, kemudahan ini diberikan dengan cara menambahkan saklar pada tiap bagian sebagai penelusuran pulsa keluaran. Penelusuran yang dilakukan adalah jika ada pulsa masukkan dari detektor yang diganti dengan pulser dalam orde milivolt seperti pada Gambar 12 ditelusur pada tiap keluaran yang disiapkan pada modul tersebut. Dalam pembentukan pulsa keluaran dari penguat awal atau pulser yang berupa pulsa ekor akan menghasilkan suatu pulsa yang mempunyai bagian di bawah garis nol (zero cross over). Jika pergeseran ini terlalu besar tidak dikehendaki karena akan memberikan 134
kesalahan dalam pengukuran tinggi pulsa yang datang dibelakangnya. Maka dari itu perlu sebuah rangkaian pole-zero concelation yang dapat mereduksi pergeseran tersebut yang hasilnya untuk direduksi tampak pada Gambar 13. Sedangkan bentuk dan analisa pulsa adalah seperti Gambar 10. Agar pulsa tersebut menjadi pulsa berbentuk semigaussian diperlukan rangkaian differensiator yang akan mempercepat waktu meluruh pulsa ekor dan rangkaian integrator yang akan memperlambat waktu bangkit pulsa. Kedua rangkaian tersebut dapat dibuat dari komponen pasif yaitu C dan R seperti pada Gambar 15. Untuk cacah radiasi yang cukup besar, BLR masih mempunyai bagian pulsa negative sedikit dan juga ada efek penyearahan derau yang akan terkumpul sehingga mengurangi resolusi sistem spektroskopi. Untuk mengatasi hal ini digunakan rangkaian gate base line stabilization,rangkaian ini bekerja untuk mengembalikan garis aras ke level nol seperti pada Gambar 16. Dengan melewati pemrosesan sinyal melalui PZC,BLR dan Pulseshaping serta penguat yang terdiri dari sebuah IC Op-Amp dan resistor, dari pulsa masukkan dengan orde millivolt dan bentuk pulsa keluaran adalah pulsa semigaussian dengan yang dapat diatur seperti yang diharapkan. KESIMPULAN 1. Modul linear amplifier bagi mahasiswa adalah dapat untuk mengetahui bagian bagian alat serta prinsip kerja sehingga dapat merawat alat dengan baik. 2. Pole-zero concelation dapat mereduksi pergeseran, pulsa berbentuk semigaussian serta diperlukan rangkaian differensiator yang akan mempercepat waktu meluruh pulsa ekor dan rangkaian integrator yang akan memperlambat waktu bangkit pulsa. Dengan pemrosesan sinyal melalui, BLR dan penguat yang terdiri dari sebuah IC Op- Amp dan resistor, dari pulsa masukkan dengan orde millivolt dengan bentuk pulsa keluaran adalah semigaussian dengan yang dapat diatur. DAFTAR PUSTAKA 1. Setiawan, W., Santoso, W., 2002, Petunjuk Praktikum Elektronika Nuklir, Laboratorium Elektronika Nuklir Jurusan Teknik Fisika Universitas Gadjah Mada, Yogyakarta. 2. Tsoulfanidis, N., 1983, Measurement and Detection of Radiation, Hemisphere Publishing Corporation, New York. 3. Darsono, Santoso, A, Irianto, 2003, Petunjuk Praktikum Instrumentasi Nuklir, Sekolah Tinggi Teknologi Nuklir, Badan Tenaga Nuklir Nasional, Yogyakarta. 4. Susetyo, Wisnu, 1988, Spektrometri Gamma Dan Penerapannya Dalam Analisis Pengaktifan Neutron, Gajah Mada Unifersity Press, Yogyakarta. 135