Prosiding Pertemuan don Presentasi Ilmiah P3TM-BATAN, Yogyakarta 14-15 Juli 1999 Buku I 71 PEMBUATAN PROGRAM APN UNTUK SIMULASI ANALISA PENGAKTIF AN NEUTRON CEP AT Zaenal Abidin, Supriyono PATH-Balan, Yogyakarata Darsono P3TM-Batan, Kotak Pas 1008, Yogyakarta 55010 ABSTRAK PEMBUATAN PROGRAM APN UNTUK SIMULASI ANAL/SA PENGAKTIFAN NEUTRON CEPAT Te/ah dibuat program APN untuk simu/asi proses ana/isis dengan aktivasi neutron cepat. APN dibuat dengan menggunakan bahas program Turbo Pascal. Prinsip kerja APN ada/ah dengan menyusun bank data nuk/irdan perhitungannya, ditampi/kan do/am menu utama yang berisi: menu Pustaka APN, Tampang Lintang Reaksi, F/uks neutron,pandu untuk panduan penggunaan program APN, Efisiensi Detektor, Konsentrasi Bahan, Sensitivitas Ana/itik, Batas Deteksi, dan Dos untuk ke/uar. Simu/asi dapat di/akukan dengan memasukkanlmemi/ih data yang te/ah disediakan atau menambah data baru. Program simu/asi ini dapat digunakan dengan baik untuk perhitungan-perhitungan maupun untuk mempero/eh data-data nuk/ir dari berbagai unsur untuk keper/uan ana/isa pengaktifan neutron cepat. Hasi/ simu/asi sensitivitas ana/itik menunjukkan bahwa jika jluks neutron yang digunakan semakin besar maka sensitivitas ana/itik dari masing-masing unsur akan mengeci/. ABSTRACT A COMPUTER CODE TO SIMULATE THE FAST NEUTRON ACTIVATION ANALYSIS. The fast neutron activation analysis (FNAA) computer code for simulation which is executable on IBM-PC/AT computer or its compatible has been mode using Turbo Pascal programming language of the 6.0 version. This code works based on the nuclear data bank and the calculations related to FNAA formulas. The main menu of this code are library, reaction cross-section, neutron flux. detector efficiency, concentration, analytical sensitivity. detection limit, help, and Exit. This code can be run by highlighted its menu and then press the Enter. The simulation can be don by selecting the available data or inputting new data from the keyboard The demo proved that this code works properly. The result of analytical sensitivity's simulation showed that if the neutron flux become higher the analytical sensitivity for each isotop element's became smaller. PENDAHULUAN P embuatan program APN merupakan pengembangan dati aplikasi Ms-Excel untuk simulasi analisis pengaktifan neutron yang ada di PATN[5]. Program ini dimaksudkan sebagai alat peraga untuk praktikurn Fisika Atom Inti clan sekaligus untuk membantu para pemakai generator neutron di PPNY dalam memilih data-data nuklir dati berbagai isotop clan untuk perhitungan yang berhubungan dengan metode Analisis Pengaktifan Neutron Cepat (APNC). Pada makalah ini dibahas tentang pembuatan APN clan aplikasinya. APN dibuat dengan menggunakan bahasa program pascal yang berisi perhitungan-perhitungan clan data-data nuklir yang ditampilkan dalam suatu menu utama. Data yang digunakan sebagai bank data berasal dati aktivasi neutron Gerhard Erdtman clan data J.Csikai.[2]. Menu utama terdiri dati : Pandu, Pustaka APNC, Tampang Lintang, Fluks Neutron, Efisiensi Detektor, Konsentrasi, Sensitivitas Analitik, Hatas Deteksi dan Dos. Dengan memilih menu utama ini program APN dapat digunakan sebagai media simulasi dan simulasi sensitifitas analitik, efisiensi detektor, fluks neutron, konsentrasi dan tampang lintang reaksi sebelum melakukan praktektikum. ANALISIS PENGAKTIFAN NEUTRON CEPAT (APNC) APNC adalah suatu tara untuk menganalisis suatu unsur berdasarkan timbulnya radioaktivitas imbas suatu unsur akibat ditembak dengan neutron cepat dengan energi di atas 0.5 MeV. Prinsip dasar APNC adalah : bila suatu bahan yang terdiri dari beberapa unsur ditembak dengan neutron (cepat) maka akan terjadi reaksi inti pada unsur-unsur yang terdapat dalam bahan tersebut. Akibat terjadinya reaksi inti, maka unsur-unsur akan menjadi radioaktif yang ditandai dengan adanya pancaran radiasi dari unsur-unsur yang telah menjadi radioaktif tersebut.
EA.}" Inti atom dari unsur-unsur yang ditembak dengan neutron cepat akan mengalami eksitasi atau inti terganggu sehingga menjadi radioaktif clan untuk kembali ke keadaan dasarnya, inti akan mengalami peluruhan clan memancarkan radiasi. Radiasi yang dipancarkan dari inti yang tereksitasi dapat berupa pancaran radiasi Alpha, Beta atau Gamma. Peristiwa eksitasi atau perubahan inti atom menjadi radioaktif dipengaruhi oleh beberapa faktor, antara lain dipengaruhi oleh : fluks neutron cepat yang ditembakkan, tampang lintang reaksi neutron clan banyak atom dalam unsur tersebut. Inti yang ditembak dengan neutron akan mempunyai kecepatan reaksi R yang mengikuti persamaan : R = <I>NoO" (I) Pada saat terjadi pembentukan inti radioaktif, secara bersamaan terjadi pula proses peluruhan atau pemancaran radiasi, sehingga laju pertumbuhan inti radioaktif selama berada dalam pengaruh medan neutron akan mengikuti persamaan : dn = <1>NftD" u -AN -- (2) dt dimana : <1> = fluks neutron (neutron/cm2/detik) (cm1 N = jumlah inti atom semula No = jumlah inti atom yang terbentuk 0" = tampang lintang reaksi neutron )., = konstanta peluruhan Bila ditentukan bahwa pacta saat f = 0 -:,. N = 0 dan fluks neutron selarna penembakan (iradiasi) dianggap tetap, maka untuk selang waktu penembakan (iradiasi) fir jumlah isotop radioaktif yang terbentuk dapat diturunkan dari persarnaan (2), yaitu : N=(l-exp(-JJir)) (3) A Jika bahan terdiri atas atom sejenis dengan berat atom BA dan massa unsur adalah m, maka rapat atom dalam bahan adalah : Nn = m*a*na v BA (4) dimana: a = kelimpahan isotop unsur atom/mol) dimana : m N A = bilangan Avogadro (6.02 x 1023 t d BA t c Y a = massa cuplikan = waktu tunda = berat atom = waktu pencacahan = Gamma Yield = kelimpahan isotop Bila bahan dikeluarkan dari medan neutron, maka hanya akan terjadi pelumhan saja. Jika cuplikan diletakkan pacta medan neutron itu selama t Ir detik dan barn dicacah setelah t d ' maka dari persamaan (5) dapat diperoleh aktivitasnya sebesar Ad = <I>Noo-(l-exp(-At;r)XeXp(-Atd)) (7) Andaikan unsur diiradiasi selarna waktu tak terhingga, maka besarnya radioaktivitas akan tetap dad keadaan ini dinamakan sebagai radioaktivitas imbas mencapai keadaan jenuh. Berdasarkan eksperimen, bila unsur diiradiasi selama 5 x waktu paro, maka aktivitas akan mencapai 97% keadaan jenuhnya. Untuk waktu tertentu yaitu 10, maka radioaktivitas akan diperoleh dengan mengintegrasikan dari keadaan 1 = 0 hingga 1 = 1c, yaitu : (8) Adapun k = liyadalah tetapan yang mengandung efisiensi detektor Ii dad prosentase peluruhan radiasi gamma yang disebut Gamma Yield (Y). Secara lengkap persamaan (8) dapat ditulis sebagai : m.n.a.<i>.o'.y.& c= a Z, (9) dim ana, Z = (l-exp(-jjir)xexp(-jjd)xl-exp(-jjc)) NA A fir <I> & a = bilangan Avogadro = konst. peluruhan = waktu irradiasi = fluks neutron = efisiensi detektor = tampang lintang reaksi
Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah P3TM-BATAN, Yogyakarta 14-15 Ju/i 1999 Buku I 73 SIMULASI SENSITIVITAS ANALITIK Untuk mendapatkan sensivitas analitik yang rendah, maka perlu diperhatikan beberapa parameter yang acta pacta persamaan (9). Parameter tluks neutron tergantung pacta mesin generator neutron, sedangkan parameter efisiensi detektor dad serapan diri tergantung pacta sistem deteksi. Parameter waktu tergantung pacta sistem transfer pneumatik dad teknik pendeteksian. Sedangkan parameter konstanta nuklir tergantung pacta sifat fisik dari isotop yang dipilih. Ada beberapa tahapan pemilihan pacta simulasi sensitivitas analitik suatu unsur yaitu : Pemilihan isotop yang paling melimpah, tampang lintang dad intensitas sinar gamma terbesar serta umur paro yang pendek. Memilih tenaga gamma yang tidak berinterferensi (jika terpaksa pilih yang interferensi terkecil). Sub menu FLUKS NEUTRON. Sub menu EFISIENSI DETEKTOR. Sub menu KONSENTRASI. Sub menu SENSITIVITAS ANALITIK. Sub menu BATAS DETEKSI. Algoritma menu utarna beserta susunan submenunya, telah disusun seperti dalam bagan algoritma berikut. _u ur-. > I!.." I "'AKA IIPItC I"' II WPJ'- ku 11 om --'- A (V '\ <V (.!;:) Pacta simuli sensitivitas analitik -.TW no A8 diasumsikan bahwa luas puncak foto (CN) sebesar 0*1 AKAU- 200 cacah yang tercatat oleh efisiensi detektor ( E > =I:= 001 /4' 15% ) cukup untuk mendeteksi suatu unsur. Waktu iradiasi (t;) dad waktu pencacahan (to ) masingmasing 1 sebesar 900 detik. Sedangkan waktu pendinginan ( ) yang berhubungan dengan kemampuan waktu transfer cuplikan adalah 5 detik. Pacta simulasi sensitivitas analitik ini faktor serapan diri tidak diikut sertakan karena faktor ini sangat \!)'------) Bagan 1 : Diagram Alir Menu Utama tergantung pacta tempat cuplikan dad bentuk Sub-sub menu tersebut mempunyai sub-sub menu cuplikan, sedang parameter tluks neutron tergantung lagi yang penjelasannyadalah sebagai berikut : pacta generator yang digunakan yaitu generator dippny. Sub Menu PANDU PENYUSUNAN ALGORITMA APN Bahasa Pascal sebagai bahasa pemrograman tingkat tinggi yang terstruktur mempunyai kelebihan-kelebihan dalam memudahkan penyusunan program dad pelacakan kesalahan. Tahapan awal dari proses simulasi ini adalah penyusunan algoritma guna memudahkan penyusunan suatu program komputer, yaitu dengan membuat bagan alir. Algoritma dad bagan alirnya dituliskan dengan urut-urutan sebagai berikut. Bagan Alir Menu Utama Dalam Pascal dad juga kebanyakan bahasa pemrograman terstruktur lainnya, pengambilan keputusan untuk sejumlah altematif jawaban dapat dilaksanakan dengan statemen CASE. Statemen inilah yang mendasari pembuatan menu utama dengan 9 sub-menunya, yaitu : Sub menu P ANDU : Berisi panduan yang digunakan untuk mendapatkan keterangan tentang program APN. Sub menu PUSTAKA APNC. Sub menu TAMPANG LINTANG. Menu PANDU terdiri dari 2 sub menu, yaitu "Baca Aku Dulu" yang berisi aturan-aturan pemasukan data dan penggunaan program yang berisi keterangan singkat metode Analisa Pengaktifan Neutron dan keterangan penggunaan masing-masing menu. Sedangkan menu "DOS" berisi fasilitas untuk keluar dari program. Sub Menu PUST AKA APNC Menu PUSTAKA APNC berisi 5 sub menu, yaitu "TAMPIL ISOTOP" digunakan untuk menampilkan data-data isotop berdasarkan lambang unsur, "TAMPIL ENERGI" digunakan untuk menampilkan semua data-data isotop berdasarkan energi gamma, "URUT ENERGI" digunakan untuk menampilkan semua data isotop yang acta dalam file Atom.dta berdasrkan urutan energi, "TAMBAH DATA", "KOREKSI DATA" dan "HAPUS DATA" masing-masing digunakan untuk menambah, mengkoreksi dan menghapus data. Detail dari sub menu ini ditulis dalam Lampiran 1. Sub Menu TAMPANG LINTANG Menu TAMPANG LINTANG mempunyai 2 sub-menu, yaitu "Tampang Lintang (Cara 1)" dan
1.52325 74 Buku I Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah PPNY-BATAN, Yogyakarta 6-27 Mei 1998 "Tampang Lintang (Cara 2)" yang semuanya digunakan untuk membantu perhitungan tampang lintang reaksi (0") suatu isotop. Detail dari sub menu ini ditulis dalam Lampiran 2. Sub Menu FLUKS NEUTRON Menu FLUKS NEUTRON langsung digunakan untuk menghitung besarnya fluks neutron. Detail dari sub menu ini ditulis dalam Lampiran 3. Sub Menu KONSENTRASI Menu EFISIENSI mempunyai 8 sub menu, yaitu "PERBAIKAN", "T AMPILKAN" dan "HAPUS" berkaitan dengan masalah pendataan, sedangkan "MASUKKAN", "ABSOLUT", "INTRlNSIK" berkaitan dengan perhitungan efisiensi detektor. Detail dari sub menu ini ditulis dalam Lampiran 4. Sub Menu KONSENTRASI Menu KONSENTRASI terdiri dari 3 sub menu, yaitu "Konsentrasi I", "Konsentrasi II" dan "Konsentrasi III" masing-masing sub-menu berguna untuk menentukan besarnya konsentrasi suatu unsur dalam cuplikan dengan cara berbeda seperti yang telah tersusun dalam pembuatan algoritma. Detail dari sub menu ini ditulis dalam Lampiran 5. HASIL DAN PEMBAHASAN Setelah program APN selesai dibuat, untuk memastikan bahwa program APN tersebut sesuai Tabell. Hasil Perhitungan Konsentrasi Vanadium j Cuplikan, Standar Waktu iradiasi (dtk 600 600 waktu tunda(dtk) I. r3oo Waktu cacah(dtk) L1QQ noo cps dengan yang kita inginkan, maka perlu diuji kebenarannya. Pengujian dilakukan dengan memasukkan data-data yang sesuai dengan deklarasi variabel yang telah ditentukan. Dalam pengujian ini sebagian besar data diambil dati basil-basil pengamatan orang lain yang berkaitan dengan penggunaan teknik APNC. Sebagai misal : Untuk pembuatan Pustaka APNC yang memuat tenaga sinar gamma, intensitas sinar gamma, kelimpahan isotop, berat atom, jenis unsur, umur paroh, tampang lintang reaksi dad jenis reaksi dati beberapa unsur, data diambil dati [5] dad hasilnya dapat dilihat pada [1]. Karena data tersebut banyak sekali, maka hanya sebagian yang dilampirkan pada makalah ini. Menu konsentrasi / Konsentrasi dapat digunakan untuk menghitung konsentrasi suatu unsur, misalnya unsur Vanadium (SIV) sebagai sampel cuplikan dad Aluminium r7 AI) sebagai sampel standar, maka dapat dilakukan perhitungan konsentrasi Vanadium dengan cara sebagai berikut Cuplikan dad standar diiradiasi bersarna Untuk menghitung konsentrasi V, ditentukan lebih dulu faktor sensitivitasnya dengan data yang ada, kemudian dihitung konsentrasi dengan rumus yang ada diprogram. Massa sampel standar sarna dengan massa total=o.oi gr. Hasilnya adalah tabell. Faktor sensitivitas Massa dim Sampel (gr) I 558 I 5.71530xlO.':u I 9.01_ I 900 I 8.29205xlO""u Konsentrasi Cuplikan clan standar diiradiasi sendirisendiri. Massa sampel standar = massa total = 0.01 gr. Fluks neutron untuk standar = 1 x 10-9 n/cm2.dt dan untuk sampel = 1 X 10-10 n/cm2.dt Tabel2. Hasil Perhitungan Konsentrasi Vanadium Cuplikan Standar Waktu waktu Waktu iradiasi tunda(dtk) cacah(dt k) 600 300 300 cps Massa dim Sampel (gr) Faktor Sensitivitas 558 9.013310 5.71530xIO. 26 600 300 300 900 8.29205xlO' 26 Konsentrasi 9% Pada perhitungan Fluks Neutron diambil Sampel = Aluminiumf7 AI) dengan Efisiensi detektor = Hasiinya adalah tabel3. berikut beserta datanya. X 10-4. Zaenal Abidin, dkk. ISSN 0216-3128
11.rr: ProsidingPertemuan dan Presentasi Ilmiah P3TM-BATAN, Yogyakarta 14-15 Juli 1999 -- Buku I 75 Tabel 3. Hasil Perhitungan Fluks Neutron No Massa (gr) fir td (menit) 'C CD Fluks Neuton ( detik) enit) 1.0199 14400 300 300 46214 3.02824 x 10" 1.0199 7200 24289 1.62701 x 10 1.0181 10800 12475 8.37001 x 10 1.0181 10800 25217 1.69191 x 10 0.9963 300 16539 1.04257 x 10 Tabel 3 mendemonstrasikan program yang dibuat untuk menghitung fluks neutron. Data no. 2 sid 5 pada tabel 3 berdasarkan hasil eksperimen untuk kondisi arus berkas ion deutron yang berbeda. Fluks neutron pacta data no. } dan 2 ditentukan menggunakan massa foil Al yang sarna, waktu tunda dan cacah yang sarna tetapi pacta waktu irradiasi yang berbeda. Kondisi arus berkas ion deutron pacta no.} lebih besar dari pacta no.2. Dengan menggunakan program APN besar fluks neutron ditentukan, dan hasilnya seperti pacta tabel I. Untuk arus berkas ion deutron yang besar, fluks neutron yang besar. Hal ini menunjukkan prograrn yang dibuat berfungsi dengan baik. Pacta simulasi analisa pengaktifan neutron cepat dan perhitungan batas deteksi perlu dilakukan pemilihan data nuklir. Data nuklir diarnbil dari pustaka 2. Selanjutnya sebelum menggunakan menu Sensitivitas\Sentivitas Tunggal atau Sensitivitas\ Sensitivitas Siklik untuk menghitung sensitivitas analitik, maka program pemilihan reaksi, dengan menu Sensitivitas\Pilih Data atau Limit\Pilih Data harus dijalankan dulu untuk mendapatkan file data PILIH.DT A yang berisi record-record data isotop yang mewakili ke 76 unsur. Data nuklir terpilih dapat dilihat Lampiran 8. Tabel 4 di bawah ini adalah basil perhitungan barns deteksi beberapa unsur dengan memakai menu Batas Deteksi. Data masukan yang digunakan adalah sebagai berikut : Laju cacah latar (7:t2.64) cps, waktu cacah 300 dtk, waktu tunda 300 dtk, waktu iradiasi 600 dtk, fluks neutron 1 x 109 n/cm2.dt, efisiensi detektor 20%, dan ralat maksimum yang diijinkan 0.5 % Dari tabel 4 terlihat bahwa Cu mempunyai batas deteksi yang paling kecil dibanding unsur lain, tetapi untuk menentukan sensitivtasnya harus dicari dari menu Sensitivitas Analitik. Hasil simulasi sensitivitas pengaktifan neutron cepat untuk fluks neutron = 109 n/cm2.detik dan efisiensi detektor 15% dan 20% dapat dilihat pada Lampiran 9 Sedangkan untuk fluks neutron = 1010 n/cm2.detik dengan efisiensi detektof 15% dan 20% dapat dilihat Lampiran 10. Hasilyang diperoleh ini sarna dengan basil simulasi menrgunakan Ms- Excel maupun Lotus 123. KESIMPULAN Dari uraian dan pembahasan yang telah dilakukan tentang pembuatan program APN sebagai media simulasi dan basil simulasi APNC, maka dapat diambil kesimpulan bahwa : Media simulasi pacta program APN dapat digunakan dengan baik untuk perhitunganperhitungan maupun untuk mendapatkan data-data nuklir dari berbagai unsur, yang diperlukan dalam APNC oleh para pekerja generator neutron. Program APN lebih praktis digunakan dibanding menggunakan program spreedsheet. Perhitungan terpenting dalam analisa pengaktifan neutron cepat adalah perhitungan sensitivitas analitik, karena perhitungan ini dapat digunakan untuk menentukan massa unsur yang dapat diaktivasi oleh perangkat pengaktifan neutron, perhitungan lain adalah sebagai penunjang. Sensitivitas akan mengecil untuk fluks neutron dan efisiensi detektor yang tinggi.. ISSNO216-3128 " ZaenalAbidin,dkk.
DAFTARPUSTAKA 1. AGUNG SURADIYO., Simulasi Analisa Pengaktifan Neutron Cepat Dengan Menggunakan Program Komputer Bahasa Turbo Pascal, Tugas akhir tingkat sarjana, Fakultas MIPA UNDIP Semarang (1997). 2. DARSONO, "Pembuatan Bank Data dad Simulasi Analisa Aktivasi Neutron Cepat dengan Program Lotus-123", prosiding Komputasi Dalam Sains dad Teknologi Nuklir II, PPI-BA TAN Jakarta (1993). 3. EKO NUGROHO., Pemrograman Terstruktur dengan Pascal, Andi Offset, Yogyakarta (1996). 4. ERDMAN. G, Neutron Activation Tabel, Verlag Chemic, Weinheim, New York (1976). 5. Kruger P, Principle of Activation Analysis, Weley Interscience, New York (1971). 6. WISNU A W., ZAENAL A,..Aplikasi Ms- Excel Untuk Simulasi Analisa Pengaktifan Neutron Cepat", Seminar Widyaiswara Batan,Jakarta(1998). Lampiran 1. Diagram alir menu pustaka APNC Lampiran 2. Diagram alir menu tampang lintang TANYAJAWAB Tegas Sutondo * Mengapa judul makalah ditekankan untuk neutron cepat. * Apakah basil simulasi sudah divalidasi terhadap basil eksperimen. Mohon penjelasan validasi program tersebut. Zaenal Abidin * Karena untuk memenuhi kebutuhan para peneliti yang menggunakan generator neutron dan generator yang tersedia hanya hanya generator neutron cepat saja. (lihat pendahuluan makalah ini). * Program ini disusun berdasar hasil-hasil percobaan jadi validasinya sesuai dengan validasi penelitian sebelumnya. Suparmono * Apakah program APNC "ini dapat digunakan untuk analisa neutron termal. Zainal Abidin * Program APN ini khusus dibuat untuk analaisa pengaktifan neutron cefalo Jadi jika mau digunakan untuk neutron termal harus merubah bank datanya. --u L7 T'.uoo. -- Ko-. zaenai Abidin, dkk. ISSN 0216-312:8
Lampiran 4. Diagram alir menu efisiensi Lampiran 6. Diagram alii menu sensitivitas Lampiran 5. Menu konsentrasi Lampiran 7. Diagram alir menu barns deteksi ISSN 0216-3128
I 78 Lampiran 8. Data nuklir Lampiran 9. Graflk sensitivitas pacta fluks 109 = i a. = ftjc xl Zaenal Abidin. dkk. ISSN 0216-3128
: i p e 30 27,1 IO ;J.If'If", IC SeaI Grafik Se (J.1g) Lampiran 11. Graafik efisiensi detektor p- C/]. r l'-e:6 s.e8 &.81 Or. "-rehc.t.k - K.lu.r - Koe.,tsi.n.,1,] -.t2] -.[3] - KoefJ(or8 12.47 %M 1.68 1.1? 121.7 3-+'i.2 2..6 778.1 ISSN 0216-3128 Zaenal Abidin, dkk.