90 ISSN 016-318 Gede Sutresna W., dkk. PENGARUH JUMLAH KANAL MCA PADA DETERMINASI SUMBER ALPHA ( PU DAN CM) HASIL MIKRO- PRESIPITASI Gede Sutresna Wijaya, M. Yazid PTAPB-BATAN, Yogyakarta, E-mail : gedews@batan.go.id ABSTRAK Pengaruh jumlah kanal MCA pada determinasi sumber alpha Pu dan Cm hasil mikropresipitasi telah diteliti dengan menggunakan detektor surface barrier. Parameter tetap dalam penelitian ini adalah tekanan hampa, waktu pencacahan, konfigurasi ADC, konfigurasi stabilizer, penguat awal dan penguat (amplifier) serta aktivitas sumber sebesar 9, ± 0,06 Bq pada tanggal 30 Agustus 1996. Variabel tidak tetap terdiri dari jumlah salur MCA (1,,, 8 dan 16 kbyte), jangkau energi spektrometer alpha ( dan MeV) dan jarak sumber ke detektor ( dan mm). Resolusi dan effisiensi detektor ditentukan untuk masing-masing jumlah kanal MCA, jangkau energi spektrometer alpha dan jarak sumber ke detektor. Hasil yang diperoleh menunjukkan bahwa variasi jumlah salur MCA pada jangkau energi spektrometer alpha tetap ( dan MeV) serta jarak tetap ( dan mm) berpengaruh terhadap resolusi tapi tidak berpengaruh terhadap effisiensi detektor. Effisiensi detektor menurun dengan semakin bertambahnya jarak sumber alpha ke detektor. Kata kunci : spektrometer alpha, effisiensi, resolusi, mikropresipitasi ABSTRACT The influence of channel number MCA on determination of Pu and Cm alpha source prepared by microprecipitation by using surface barrier detector have been examined. Dependent variable on this experiment was vacuum pressure, counting time, ADC, stabilizer, preamplifier and amplifier configuration and also alpha source activity was 9, ± 0,06 Bq on August 30, 1996. Independent variable was number of channel MCA (1,,, 8 and 16 kbyte), energy range of spectrometer alpha ( and MeV) and the distance bettween source alpha and detector ( and mm). Resolution and efficiency of detector was determine for each number of channel MCA, energy range of spectrometer alpha and the distance between source and detector. Result of the experiment showed that number channel MCA variation at fixed energy range spectrometer alpha ( and MeV) and fixed distance ( and mm) had an influence on detector resolution but not for the efficiency. The detector efficiency decrease with increasing the distance between alpha source and detector. Key words: alpha spectrometer, efficiency, resolution, microprecipitation PENDAHULUAN S pektroskopi alpha merupakan suatu metode pengukuran dan identifikasi zat-zat radioaktif, dengan cara mengamati spektrum karakteristik yang ditimbulkan oleh interaksi antara partikel alpha yang dipancarkan oleh zat-zat radioaktif tersebut dengan materi. Alat ukur yang digunakan untuk mengamati spektrum karakteristik yang ditimbulkan oleh interaksi antara partikel alpha dengan materi dinamakan spektrometer alpha. Sistem utama spektroskopi alpha terdiri atas beberapa komponen yaitu: kamar hampa udara (vacuum chamber) dan detektor partikel alpha, penguat awal (preamplifier), penguat (amplifier), penganalisa saluran ganda (MCA), pompa vacuum dan seperangkat komputer [1]. Detektor yang biasa dipakai di dalam spektrometer alpha adalah detektor surface barrier. Detektor surface barrier ini digunakan untuk menyerap energi partikel alpha yang dipancarkan oleh radionuklida pemancar partikel alpha. Detektor surface barrier pada spektrometer alpha memiliki beberapa karakteristik yaitu daerah aktif sebesar 5-50 mm, lebar deplesi sebesar 1000-000 µm, FWHM (Full Width at Half Maximum) sebesar 13-6 kev dan panjar mundur (reverse bias) bekerja pada tegangan 100 volt [], sedangkan efisiensi detektor yang diperoleh dari penelitian untuk daerah aktif 50 mm dengan jarak sumber ke detektor 15 mm dan diameter sumber 15 mm sebesar 10,1%. Penggunaan detektor surface barrier pada spektrometer alpha memiliki beberapa kelebihan diantaranya: (1) Memiliki resolusi yang tinggi, () Memiliki stabilitas yang tinggi, (3) Memiliki sensitivitas yang tinggi, () Memiliki efisiensi yang tinggi, (5) Derau rendah [3]. Penggunaan detektor surface barrier pada spektrometer
Gede Sutresna W., dkk. ISSN 016-318 91 alpha juga memiliki kelemahan yaitu kemampuan detektor surface barrier terbatas dalam menahan kerusakan radiasi seperti pembalikan tipe material dan peningkatan arus bocor []. Partikel alpha memiliki massa yang cukup besar dan bergerak dengan kecepatan relatif tinggi. Kecepatan partikel alpha berkisar antara 0,05c hingga 0,07c berdasarkan percobaan yang dilakukan di dalam medan magnet dan medan listrik, sehingga partikel alpha memiliki energi kinetik yang cukup besar. Partikel alpha dari inti radioaktif alam biasanya mempunyai energi kinetik antara MeV hingga 8 MeV [5]. Jangkauan partikel alpha sangat pendek, karena mempunyai massa yang cukup besar. Partikel alpha dengan energi tertinggi kemampuan jelajahnya di udara hanya beberapa sentimeter, sedangkan dalam jaringan lunak hanya beberapa mikron. Terdapat dua jenis jangkauan dalam partikel alpha, yaitu jangkauan rata-rata dan jangkauan terekstrapolasi, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1. Gambar 1. Kurva penyerapan partikel alpha [5]. Kurva penyerapan partikel alpha berupa garis datar, karena pada dasarnya partikel alpha yang dipancarkan oleh sumber radioaktif adalah berenergi tunggal (monoenergetic). Tebal bahan penyerap hanya akan mengurangi energi partikel alpha yang melintas, dan tidak mengurangi jumlah partikel alpha itu sendiri. Jangkauan tertentu di akhir lintasan, jumlah partikel alpha berkurang sangat cepat, dan hal ini ditunjukkan dengan bentuk kurva yang turun hampir vertikal. Ada dua cara di dalam mempersiapkan sumber alpha yaitu : Cara kopresipitasi dan secara elektrodeposisi. Pada metode kopresipitasi, larutan yang dihasilkan dari separasi kimia ditambah dengan campuran NdF 3, HCl dan HF, kemudian didiamkan selama kira-kira 30 menit. Larutan tersebut kemudian disaring dengan filter dengan pori sebesar 0,1µm. Hasil proses penyaringan dikeringkan dengan oven yang suhunya diatur 70 o C, kemudian ditempelkan pada sebuah piring stainless steel. Metode elektro deposisi dilakukan dengan cara elektrolisa. Larutan yang dihasilkan dari pemisahan kimia dikeringkan, kemudian ditambah dengan campuran amoniak dan asam sulfat, dengan ph diatur sebesar. Larutan tersebut kemudian dimasukkan ke dalam tabung silindris dengan diameter 1 inchi. Pada dasar tabung tersebut dipasang piring stainless steel sebagai elektroda positif dan kawat platina sebagai elektroda negatif. Dengan memberikan tegangan searah 6 volt pada sistem, maka atom-atom pembawa partikel alpha tersebut akan tertarik dan terikat pada piring stainless steel. Proses ini berlangsung selama 3 jam, setelah itu dikeringkan. TATA KERJA Alat Peralatan yang dipakai dalam penelitian ini terdiri atas beberapa komponen, yaitu: spektrometer alpha (Alpha Spectrometer) Ortec 576A, dengan detektor Surface Barrier dengan daerah aktif sebesar 50 mm, pompa vaccum Ortec ALPHA- PPS-30, Penguat (amplifier) Canberra 00, MCA (Multi Channel Analyzer) Canberra Multiport II, Software Alpha Acquisition and Analysis tipe V1.3A yang merupakan bagian dari software Genie 000 dan software Microsoft Origin 6.1. Bahan Bahan yang digunakan dalam penelitian ini yaitu sumber standar Pu (,901 MeV) dan Cm (5,805 MeV) hasil mikropresipitasi dalam Gelman filter berdiameter 0 mm, aktivitas sumber mula-mula sebesar 9, ± 0,06 Bq dan dibuat pada tanggal 30 Agustus 1996. Cara Kerja Parameter tetap dalam penelitian ini meliputi: tekanan vacuum, waktu pencacahan, konfigurasi sumber tegangan, konfigurasi ADC, konfigurasi stabilizer dan konfigurasi penguat (amplifier) yang ditentukan terlebih dahulu. Parameter tidak tetap dalam penelitian ini meliputi: jumlah salur MCA (1,,, 8 dan 16 k), range energi pada spektrometer alpha ( dan MeV) dan jarak sumber ke detektor sebesar ( dan mm). Sumber standar Pu dan Cm yang dibuat dengan teknik mikropresipitasi dimasukkan ke dalam vacuum chamber pada spektrometer alpha, yaitu ruang tempat detektor berada, selanjutnya tombol vent digeser ke posisi pump pada saat pompa vacuum dalam keadaan hidup. Spektrometer alpha dibiarkan selama 10 menit sebelum digunakan untuk mencacah, dengan tujuan untuk memastikan bahwa spektrometer alpha benar-benar dalam keadaan vacuum.. Proses
9 ISSN 016-318 Gede Sutresna W., dkk. pencacahan dilakukan selama 18000 detik, pada tekanan vacuum 0,1 milibar dan akan diperoleh hasil spektrum yang memuat beberapa parameter yang terukur, yaitu nomor salur puncak spektrum energi sumber standar Pu dan Cm, cacah sumber standar Pu dan Cm, net area sumber standar Pu dan Cm, serta FWHM sumber standar Pu dan Cm. Nomor salur puncak spektrum energi sumber standar Pu dan Cm dipakai untuk kalibrasi energi, sedangkan cacah dan net area sumber standar Pu dan Cm dipakai untuk menentukan efisiensi detektor dan FWHM sumber standar Pu dan Cm dipakai untuk menentukan resolusi detektor. HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil pencacahan sumber alpha Pu dan Cm hasil mikropresipitasi dengan NdF 3 pada metricel filter dengan ukuran pori 0,1 mikron menggunakan detektor surface barrier yang memiliki area aktif 50 mm dapat dilihat pada Gambar. Penelitian juga dilakukan dengan melakukan pengukuran beberapa parameter diantaranya adalah nomor salur puncak spektrum energi sumber standar Pu dan Cm, cacah sumber standar Pu dan Cm, net area sumber standar Pu dan Cm, efisiensi detektor sumber standar Pu dan Cm, serta FWHM sumber standar Pu dan Cm. Dari hasil penelitian diperoleh nilai resolusi (FWHM) detektor radionuklida Pu dan Cm untuk berbagai variasi jumlah salur MCA, jangkau energi spektrometer alpha dan jarak sumber ke detektor seperti terdapat dalam Tabel 1. Kinerja spektrometer alpha yang menggunakan detektor surface barrier dikatakan baik, jika resolusi dan efisiensi detektor tinggi. Ukuran resolusi detektor dinyatakan dengan nilai FWHM (Full Width Half Maximum). Resolusi detektor dikatakan baik jika mempunyai nilai FWHM kecil sehingga mampu memisahkan spektrum puncak dengan energi yang berdekatan, sedangkan efisiensi detektor dikatakan tinggi apabila rasio cacah sinyal pulsa yang dihasilkan detektor terhadap aktivitas sumber alpha mendekati 100%. Resolusi detektor merupakan kemampuan suatu detektor untuk memisahkan dua puncak energi yang berdekatan. Nilai resolusi detektor ini dinyatakan dengan nilai FWHM (full width at half maximum), yaitu lebar puncak energi pada setengah tinggi puncaknya. Detektor mempunyai resolusi tinggi, apabila nilai FWHM detektor tersebut sangat kecil. Resolusi detektor pada spektrometer alpha dipengaruhi oleh beberapa faktor yang berasal dari detektor dan rangkaian elektronik dan dari keadaan sekeliling atau luar detektor. Gambar. Spektrum Pu dan Cm dengan waktu pencacahan 18000 detik, jumlah salur k, jarak mm, dan jangkau energi MeV. Resolusi detektor dipengaruhi oleh derau elektronik yang berasal dari arus bocor detektor, bias resistor, penguat awal, dan penguat. Derau elektronik terdiri dari variasi tegangan kecil di sekitar garis nol (zero line), dengan tegangan ratarata. Derau elektronik akan melapisi pulsa, sehingga tinggi puncak pulsa menjadi tidak sama. Resolusi detektor juga dipengaruhi oleh tangkapan pembawa muatan. Resolusi detektor lebih baik, dengan energi rata-rata yang dibutuhkan untuk pembentukan pasangan pembawa muatan lebih kecil. Faktor yang mempengaruhi resolusi detektor yang berasal dari keadaan sekeliling atau luar detektor diantaranya fraksi energi yang hilang pada jendela detektor. Setiap partikel alpha akan mengalami kehilangan fraksi energi, ketika melewati jendela detektor, yaitu pada saat berinteraksi dengan volume aktif detektor. Jejak efektif alpha bervariasi, ketika terjadi penyerapan fraksi energi tersebut, bergantung pada sudut datang pertikel tersebut ke detektor. Apabila variasi jejak efektif tersebut lebih banyak, maka akan menimbulkan variasi tinggi pulsa yang beragam, sehingga akan terjadi pelebaran puncak yang lebih besar pula. Faktor luar detektor lainnya yang mempengaruhi resolusi adalah efek serapan diri pada cuplikan. Pada metode kopresipitasi dalam preparasi cuplikan, cuplikan mengandung senyawa NdF 3, berarti terdapat materi di dalam cuplikan atau sumber itu sendiri yang dapat menyerap fraksi energi alpha sebelum berinteraksi dengan detektor. Apabila massa senyawa NdF 3 yang dipakai semakin besar, maka fraksi energi yang terserap oleh materi semakin banyak pula, sehingga variasi
Gede Sutresna W., dkk. ISSN 016-318 93 tinggi pulsa detektor semakin beragam, yang berdampak pada puncak semakin lebar. Adanya udara pada vacuum chamber menyebabkan serapan fraksi energi alpha oleh udara tersebut semakin besar, sehingga resolusi menjadi semakin jelek, karena partikel alpha yang keluar dari detektor itu ada bagian energi yang diserap oleh molekul udara, sehingga secara efektif, energi alpha nampak menjadi lebih kecil. Oleh karena itu, posisi puncak energi dapat bergeser menjadi lebih rendah. Tabel 1. FWHM Pu dan Cm pada berbagai variasi jumlah salur MCA dan jarak sumber ke detektor. Jarak sumber ke detektor (mm) Range energi (MeV) Salur MCA FWHM PU (KeV) FWHM Cm (KeV) 1K 38,08 303,819 K 179,799 156,787 K 9,953 76,08 8K,8 0,3 16K 1,319 0,36 1K 38,701 15,895 K 89,916 83,17 K 6,6 1,361 8K,73,11 16K 115,307 0,95 1K 78,0 9,969 K 18,79 13,88 K 5,0 5,377 8K 1,850 17,71 16K 1,08 1,030 1K 98,13 96,35 K 63,955 8,686 K,73 31,93 8K 11,113 1,77 16K 7,935,09 Hasil penelitian menunjukkan bahwa terjadi penurunan resolusi detektor yang cukup signifikan apabila jumlah salur MCA semakin besar, seperti terlihat pada Gambar 3. Resolusi detektor juga sedikit dipengaruhi oleh jangkau energi spektrometer alpha namun tidak nampak secara nyata dipengaruhi oleh jarak antara sumber dan detektor. Oleh sebab itu maka di dalam analisis dengan alpha spektrometer untuk energi radionuklida pemancar alpha yang berdekatan diperlukan MCA dengan jumlah salur yang lebih banyak disamping preparasi sampel melalui serangkaian proses kimia yang baik. Gambar 3. Grafik hubungan antara FWHM terhadap jumlah salur MCA untuk sumber Pu, range energi tetap MeV dan jarak sumber ke detektor tetap mm. Efisiensi detektor merupakan ukuran yang menghubungkan antara pulsa yang dihasilkan oleh detektor, jika diberikan sumber, dengan aktivitas tertentu. Efisiensi sebuah detektor mempunyai nilai yang berbeda-beda antara satu jenis dengan jenis lainnya. Setiap radiasi yang mengenai detektor akan diubah menjadi sebuah pulsa listrik dan akan dicatat sebagai sebuah cacahan. Berbeda dengan radiasi gamma, maka radiasi alpha yang datang ke detektor hampir diserap seluruhnya oleh materi detektor untuk diubah menjadi sinyal listrik yang dapat dicacah, sehingga effisiensi intrinsik detektor alpha mendekati 100 %. Efisiensi sistem deteksi secara menyeluruh dipengaruhi oleh dimensi sumber. Pada wadah cuplikan yang berbentuk piringan, atom-atom sumber atau cuplikan tersebar keseluruh luasan permukaan wadah cuplikan tersebut. Setiap partikel yang terdistribusi keseluruh luasan piringan dan jatuh kedetektor secara tegak lurus akan mempunyai jejak efektif ke detektor yang sama. Sumber yang berbentuk titik, jejak efektif setiap partikel alpha bergantung pada sudut datang partikel alpha keseluruh luasan detektor. Partikel alpha yang jejak efektifnya cukup panjang, ada kemungkinan energi alpha sudah habis sebelum berinteraksi dengan detektor, sehingga efisiensi sistem deteksi akan lebih kecil. Metode preparasi cuplikan dalam spektrometer alpha mempunyai peranan yang sangat penting, mengingat besarnya energi alpha yang hilang persatuan panjang pada jejak yang ditempuh. Metode preparasi cuplikan yang paling baik menggunakan mono moleculer layer, yaitu membuat tebal cupikan setipis mungkin. Tebal cuplikan sangat berpengaruh terhadap serapan diri tenaga alpha. Cuplikan yang
9 ISSN 016-318 Gede Sutresna W., dkk. mempunyai ketebalan yang lebih tipis, memiliki efek serapan diri yang lebih kecil, sehingga efisiensi sistem deteksi akan lebih baik. Tabel. Effisiensi Pu dan Cm pada berbagai variasi jumlah salur MCA dan jarak sumber ke detektor. Jarak sumber ke detektor (mm) Range Energy (MeV) Salur (Eff Pu ± (Eff Cm MCA σ Eff) % ± σ Eff)% 1K 17,5 ± 0,1 16, ± 0, K 16,5 ± 0,1 15,1 ± 0, K 16, ± 0,1 15, ± 0, 8K 16,6 ± 0,1 15, ± 0, 16K 16,6 ± 0,1 15, ± 0, 1K 16,6 ± 0,1 15,0 ± 0, K 16,5 ± 0,1 15, ± 0, K 16,5 ± 0,1 15,± 0, 8K 16,6 ± 0,1 15,5 ± 0, 16K 17,3 ± 0,1 15,7 ± 0, 1K,98 ± 0,0,7 ± 0,08 K 3,01 ± 0,03,71 ± 0,06 K 3,0 ± 0,03,7 ± 0,05 8K 3,0 ± 0,03,83 ± 0,05 16K 3,0 ± 0,,8 ± 0,3 1K 3,05 ± 0,0,8 ± 0,0 K 3,06 ± 0,0,76 ± 0,0 K 3,07 ± 0,0,79 ± 0,0 8K 3,06 ± 0,0,83 ± 0,0 16K 3,0 ± 0,1,8 ± 0, Sudut ruang atau posisi detektor-sumber dapat diukur dengan cara meletakkan di atas detektor. Cuplikan dalam spektrometer alpha memiliki aktivitas yang sangat rendah, sehingga pada waktu proses pencacahan, cuplikan harus diletakkan sedekat mungkin dengan detektor, hal ini dimaksudkan untuk mengurangi kesalahan yang dapat ditimbulkan oleh rangkaian elektronik spektrometer alpha dalam mengolah sinyal listrik yang masuk. Jarak sumber ke detektor yang lebih besar, akan mengakibatkan terjadi pengurangan intensitas. Hal ini disebabkan karena berkurangnya sudut ruang secara relatif, sehingga efisiensi lebih kecil. Pengaruh Variasi jumlah salur MCA, jangkau energi spektrometer alpha dan jarak sumber alpha ke detektor terhadap effisiensi terlihat pada Tabel. Gambar. Grafik hubungan antara efisiensi terhadap jumlah salur MCA untuk sumber Pu, range energi tetap MeV dan jarak sumber ke detektor tetap mm. Gambar 5. Grafik hubungan antara efisiensi terhadap jumlah salur MCA untuk sumber Cm, range energi tetap MeV dan jarak sumber ke detektor tetap mm. Pada Gambar dan Gambar 5, nampak bahwa effisiensi detektor tidak dipengaruhi oleh jumlah salur MCA dan jangkau energi spektrometer alpha, tetapi sangat dipengaruhi oleh jarak antara sumber terhadap detektor. Data efisiensi sumber standar Pu dan Cm menunjukkan bahwa semakin besar jarak sumber ke detektor, maka efisiensi detektor menjadi semakin rendah. Hal ini disebabkan karena jarak sumber ke detektor yang bertambah besar akan mengakibatkan pengurangan intensitas energi alfa sebagai akibat sudut ruang berkurang secara relatif. efisiensi detektor pada jarak tetap mm untuk sumber standar Pu dan Cm berkisar antara 16 % 18 % untuk sumber standar Pu dan 15 %
Gede Sutresna W., dkk. ISSN 016-318 95 16 % untuk sumber standar Cm, sedangkan efisiensi detektor pada jarak tetap mm untuk sumber standar Pu dan Cm berkisar antara % 3,1% untuk sumber standar Pu dan % 3% untuk sumber standar Cm. KESIMPULAN Berdasarkan analisis data dan perhitungan yang dilakukan dalam penelitian ini dapat disimpulkan bahwa: Variasi jumlah salur MCA pada range energi tetap MeV dan MeV, serta jarak sumber ke detektor tetap mm dan mm berpengaruh terhadap resolusi detektor. Semakin besar jumlah salur MCA, maka resolusi detektor untuk sumber standar Pu dan Cm menjadi semakin baik. Variasi jumlah salur MCA pada range energi tetap MeV dan MeV, serta jarak sumber ke detektor tetap mm dan mm tidak berpengaruh terhadap efisiensi detektor. Effisiensi detektor lebih dipengaruhi oleh jarak sumber terhadap detektor, dimana semakin besar jarak sumber ke detektor maka effisiensinya semakin kecil. DAFTAR PUSTAKA 1. NAEEM AHMED, SYED. Physics and Engineering of Radiation Detection. USA: Elsevier Science. 007.. R. CHOPPIN, GREGORY. Et. all. Radiochemistry and nuclear chemistry. USA: Butterworth-Heinemann. 00 3. F. L ANNUNZIATA, MICHAEL. Handbook of Radioactivity Analysis. USA: Elsevier Science. 003.. KAHN, BERND. Radioanalytical Chemistry. USA: Springer Science and Business Media. 007. 5. CEMBER, HERMAN. Introduction Health Physics. USA: The McGraw-Hill Companies. 00. 6. E. TURNER, JAMES. Atoms, Radiation and Protection Radiation. Germany: WILEY- VCH Verlag GmbH & Co. 007.