BAB II RADIASI PENGION Salah satu bidang penting yang berhubungan dengan keselamatan radiasi pengukuran besaran fisis radiasi terhadap berbagai jenis radiasi dan sumber radiasi. Untuk itu perlu perlu pengetahuan tentang radiasi, sumber radiasi dan besaran radiasi. A. Radiasi Pada awalnya yang dimaksud dengan radiasi adalah gelombang elektromagnetik. Dalam perkernbangannya, yang dimaksud dengan radiasi adalah pancaran energi. Oleh karenari ya pancaran energi tersebut tidak hanya energi foton tetapi termasuk energi kinetik suatu materi, sehingga radiasi dapat berupa pancaran foton atau partikel. Berdasarkan jenis radiasi, radiasi dapat dibedakan menjadi 3 yaitu gelombang elektromagnetik, partikel tidak bermuatan, dan partikel bermuatan. Radiasi juga dapat dibedakan berdasarkan kemampuan mengionkan materi yang dilaluinya, yaitu : 1. Radiasi pengion : radiasi yang dapat mengionkan materi yang dilaluinya. Yang masuk dalam kelompok ini adalah foton dengan panjang gelombang < 1 nm atau setara dengan energi 12 ev, dan radiasi yang berupa partikel antara lain alfa, netron, dan beta. 2. Radiasi non pengion : radiasi yang tidak termasuk kelompok radiasi pengion, yaitu foton yang panjang gelombang < 1 nm, misalnya gelombang radio, dan sinar matahari (Tsoulfanadis). Dalam pembahasan selanjutnya yang dimaksud dengan radiasi adalah radiasi pengion. Sumber radiasi dapat berupa zat radioaktif atau dengan alat misalnya pesawat sinar-x, akselerator electron dan lain sebagainya. Karakteristik radiasi nuklir yang banyak dikenal dirinci dalam Tabel II.1. Jenis Netron Proton Deuteron Alfa Positron Electron, beta Tabel II.1. Karakteristik Radiasi Nuklir Symbol Muatan Massa rihat Energy rihat relative (sma) (MeV) n 1.8982 939.57 p 1 1.7593 938.213 d 1 2.14187 1 875.5 α 2 4.2777 3 727.16 β +,e + 1.549.51976 β -,e - -1.549.5 1976 Umur rerata (detik) 1.13 1 3 Universitas Gadjah Mada 1
Muon µ ±1.114 15.655 2,212 1-6 Pion π ±1.15 139.59 2,55 1-8 Kaon K ±1.531 493.9 1,224 1-8 Gama γ Sianr-x x Neutrino v ~ ~ Hasil belah Ringan ~2 ~95 Berat ~22 ~139 Sumber : (Prce,1958) B. Interaksi radiasi dengan materi Pada prinsipnya proses interaksi radiasi dengan materi adalah proses perpindahan energi radiasi ke materi yang dilaluinya. Untuk maksud terebut radiasi dapat dikelompokkan menjadi tiga yaitu partikel bermuatan, partikel tidak bermuatan, dan gelombang elektromagnetik. 1. Partikel bermuatan Interaksi pertikel bermuatan dengan materi dibedakan menjadi 2 yaitu: a. interaksi tumbukan dengan elektron orbital yang mengakibatkan proses ionisasi dan eksitasi. lonisasi terjadi jika electron memperoleh energi yang cukup untuk meninggalkan atom menjadi partikel bebas. b. Interaksi dengan muatan inti yang rnengakibatkan pengerernan kecepatan partikel yang mengakibatkan pelepasan sinar x. Intensitas sinar-x berbanding lurus dengan percepatan partikel Persamaan (1) tersebut menunjukkan bahwa: a. Untuk 2 partikel meleawati medium yang sama maka partkel yang ringan akan rnenghasikan jurnlg foton sinar-x yang lebih banyak. b. Untuk partikel yang sarna melewati 2 medium yang nomor atomnya berbeda maka partikel yang melewati medium yang nomor atomnya lebih besar akan rnenghasilkan sinar-x yang lebih banyak. Pada proses interaksi dengan materi terjadi perpindahan energi dan radiasi ke medium, sehinga akhimya radiasi tersebut akan berhenti. Sehubungan dengan ha! tersebut besaran penting terkait dengan interaksi pertikel bermuatan dengan materi Universitas Gadjah Mada 2
adalah jangkau panjang lintasan maksimum partikel bermuatan. Satuan jangkau dapat dinyatakan dengan satuan panjang ( cm, m) atau satuan ketebaalan (g/cm 2, kg/m 2 ). Berikut persamaan semi empiris jangkau partikel alfa di udara sebagai fungsi energi kinetiknya pata tekanan dan temperatur normal: Kleeman : Untuk menentukan jangkau pada medium lain, maka digunakan hukum Bragg- ρ 1 adalah densitas dan A adalah berat atom. Untuk campuran maka berat efektif dapat dihitung dengan persamaan berikut: dalam hal ini w 1 adalah fraksi berat atom komponen campuran Untuk jangkau electron, dapat digunakan persamaan semiempiris yang dikembangkan oleh Tabata, Ito, dan Okabe ( Persamaan ITO), untuk energi,3 kev sampai dengan 3 MeV.. Universitas Gadjah Mada 3
berikut : Jika medium merupakan campuran maka Z ef dan A ef dihitung dengan persamaan Dalam hal ini w 1 adalah fraksi berat atom komponen campuran. 2. Partikel tidak bermuatan (netron) Interaksi netron dengan materi dapat dibedakan menjadi 2 yaitu hamburan dan serapan. Interaksi serapan akan mengakibatkan reaksi tranformasi nuklir atara lain pembentukan inti senyawa yang diikuti dengan pembelahan (yang disebut reaksi fisi atau pembelahan) dan atau pelepasan radiasi (yang sering disebut reaksi tangkapan.). Peluang terjadinya interaksi individual masing-masing nuklida dengan netron dinyatakan dengan tampang mikroskopik yang dinyatakan dengan satuan luas, biasanya baru, yang mana 1 barn = 1-24 cm 2. Tampang mikroskopik dapat diartikan sebagai peleang terjadinya interaksi dengan netron persatuan luas. Di samping tampang mikroskopik didifinisikan tampang makroskopik, yaitu peluang terjadinya interaksi persatuan panjang lintasan netron. Hubungan tampang makroskopik dengan tampang mikroskopik dapat dituliskan sebagai berikut: Dalam hal ini adalah tampang makroskopik, σ adalah tampang mikroskopik, dan N A adalah tetapan Avogadro. Dengan menggunakan besaran tampang makroskopik maka laju reaksi persatuan volume adalah hasil kali tampang makroskopik dengan jumlah netron yang menembus per satuan luas per satuan waktu atau dapat ditulis dengan persamaan berikut: Dalam ini R adalah laju reaksi, dan Φ adalah fluks netron. Contoh data tampang mikroskopik nuklida dapat dilihat pada Tabel 2.2. Universitas Gadjah Mada 4
Nama Z Simbol A Hydrogen Carbon Boron Uranium 1 6 5 92 H C B U Tabel 2.2. Tampang Mikroskopik Nuklida 1 2 3 1 11 235 238 Hamburan 2,4 3,4 1,5 4,75 3,6 2,2 3,9 13,8 238 Tampang Mikroskopik (Barn) Energi Netron Jenis,253 Integral Reaksi ev Resonansi (n, ),33,53 (n, ),34,15 759 341 (n, ) 3837 1722,55 (n, α) (n, ) (n, ) (n, f) (n, ) (n, f) 98,6 582,2 2,7 144 275 275 2 Mev,4,8,1 1,3,54,55 3. Gelombang elektromagnetik Radiasi yang berupa gelombang elektromagnetik yang banyak di kenal adalah radiasi gama dan sinar-x. Interasi foton gengan materi daoat dikelompokkan menjadi 3 yaitu a. Efek foto listrik. Terjadi tumbukan dengan electron orbital, yang mana seluruh energi foton dipindahkan ke pada electron sehingga elektron tersebut terpelanting, sehingga energi kinetik elektronter pelanting sama dengan energi foton dikurangi energi ikat electron orbital tersebut. Probabilitas interaksi foto listrik disebut koefisien foto listrik (t) atau tampang foto elektrik b. Hamburan Compton. Terjadi tumbukan dengan electron orbital, yang mana sebagian energi foton dipindahkan ke pada electron sehingga elektron tersebut terpelanting, sehingga energi kinetik electron ter pelanting sama dengan energi foton dikurangi energi foton terhambur dan energi ikat electron orbital tersebut. Probabilitas interaksi hamburan Compton disebut koefisien hamburan Compton (a) atau tampang hamburan Compton. c. Produksi Pasangan. Terjadi interaksi foton dengan medan muatan intl sehingga terbentuk pasangan negatron dan positron yang terhambur dengan arah yang berlawanan. Interaksi tersebut dapat terjadi jika energi foton lebih besar disbanding 2 masa rihat electron. Positron yang terbentuk akan bertemu electron bebas sehingga terjadi proses anihilasi. Probabilitas interaksi produksi pasangan disebut koefisien produksi pasangan (ic) atau tampang produksi pasangan. Universitas Gadjah Mada 5
Ketiga jenis interaksi foton dengan materi tersebut akan mengakibatkan penurunan intensitas foton dan perpindahan energi foton ke materi. Probabilitas total interaksi (t) disebut koefisien atenuasi, sehingga dapat di tulis: Secara fisik, koefisien atenuasi adalah probabilitas interaksi persatuan panjang. Koefien atenuasi dapat dinyatakan dengan koefisien atenuasi massa Interaksi tersebut di atas akan menurunkan fluks foton yang hubungan matematikanya dapat ditulis sbb: Dalam hal ini Φ adalah fluks foton dan x adalah tebal materi, maka jika persamaan di atas diselesaikan, untuk berkas sejaajar akan diperoleh hubungan: Faktor e -µx pada persamaan di atas dapat diartikan sebagai probabilitas dapat menembus (tidak berinteraksi) materi dengan tebal x. Jarak rerata interaksi atau disebut jarak pukul rata (t) dapat ditentukan dengan persaaaamaan berikut: Persamaan tersbut menunjukkan bahwa jarak pukul rata adalah kebalikan koefisien atenuasi total. C. Sumber radiasi Sumber radiasi dapat berupa alat atau zat radioaktif. Sumber radiasi yang berupa alat, akan mengemisikan radiasi pada sata alt tersebut dioperasikan, sebagai contoh pesawat sinai-x. Pesawat sinar-x tersebut mengemisikan sinar-x yang merupakan hash interaksi electron cepat dengan materi target, yang mengakibatkan Universitas Gadjah Mada 6
proses pembentukan sinar abar yang spectrum energinya kontinue. Kuat sumber radiasi dapat diatur sesuai dengan spesifikasi alat. Berbeda dengan sumber radiasi berbentuk alat, sumber radiasi berupa zat radioaktif akan mengemisikan radiasi terus menerus balk saat digunakan maupun tidak digunakan. Radionuklida mempunyal umur paro tertentu dan akan mengemisikankan jells radiasi dan energi yang tertentua, sehingga spectrum energi yang diemisikan diskrit, tetapi kuat sumber akan menurun dengan waktu tergantung umur paronya. Contoh sumber radiasi berupa zat radioaktif antara lain 6 Co, 137 Cs, dan 252 Cf. Informasi jenis dan energi radiasi suatu radionukllda dapat diperoleh dan tabel nuklida atau skema peluruhan. Gambar 2.1. Skema Peluruhan 6 Co Universitas Gadjah Mada 7