Analisis Persamaan Respon Dosis Thermoluminescent Dosimeter (TLD) Pada Spektrum Sinar-X Menggunakan Metode Monte Carlo Merina Handayani 1, Heru Prasetio 2, Supriyanto Ardjo Pawiro 1 1 Departemen Fisika, FMIPA UI, Kampus UI Depok 16424 2 Pusat Teknologi Keselamatan dan Metrologi Radiasi, BATAN Jakarta merina.handayani@gmail.com, prasetio@batan.go.id, supriyanto.p@sci.ui.ac.id ABSTRAK Informasi yang akurat dari respon energi thermoluminesensi detector (TLD) sangat penting untuk memahami ketergantungan TLD terhadap respon energi. Respon energi Thermoluminescent Dosimeter menjadi penting karena selama pengukuran radiasi spektrum tidak persis sama dengan spektrum kalibrasi Penelitian ini bertujuan untuk menentukan persamaan estimasi respon dosis TLD pada spektrum sinar x dan untuk mengetahui respon dosis TLD terhadap perubahan energi dengan menggunakan simulasi Monte Carlo. Simulasi dilakukan dengan meletakkan TLD [LiF:MgTi] di tengah sinar x dengan jarak 100cm dari sumber dengan luas lapangan berukuran 10 cm x 10 cm, dan diradiasi menggunakan spektrum monoenergi dari 10 kev sampai 1500 kev dan spektrum sinar x kontinyu. Spektrum sinar x dihitung menggunakan program XCOMP5r pada RQR 2 sampai RQR 10. Dari simulasi, database respon monoenergi yang hasilnya akan digunakan untuk perhitungan estimasi respon dosis TLD. Ada 4 metode perhitungan untuk estimasi respon dosis TLD, berdasarkan perhitungan energi rata-rata, dua model perhitungan tidak memasukkan koreksi stopping power dan dua model perhitungan terakhir memasukkan koreksi stopping power. Perbandingan hasil simulasi Monte Carlo spektrum kontinyu dengan perhitungan metode no. 4,!!.!".!!"#$%, memberikan hasil yang lebih mendekati.!!. Kata kunci : Monte Carlo, respon dosis, spektrum sinar x, monoenergi, TLD ABSTRACT An accurate information of thermoluminesensi detector (TLD) energy response is very important to understand TLD energy response dependence. Thermoluminescent Dosimeter energy response becomes important because during the measurement radiation spectrum is not exactly the same as calibration spectrum. This study aims to determine the dose-response estimation equation of TLD in the X ray spectrum and to understand the dose response of TLD due to energy changes using Monte Carlo simulation. Simulation is done by placing the TLD [LiF: MgTi] in the middle of the
X ray beam at 100 cm from the source with 10 cm x 10 cm field size, and irradiated using monoenergy spectrum from 10 kev to 1500 kev and continuous X ray spectrum. The X ray spectrum is calculated using XCOMP5r using RQR 2 to RQR 10. From the simulation, monoenergy response database will obtained used for calculation of TLD dose response estimation. There are 4 calculation methods to estimate TLD dose response, which based on mean energy calculation, two calculation model does not include stopping power correction and the last two calculation model include stopping power correction. Comparison of Monte Carlo simulation result of continuous spectrum with calculation method no. 4,!!.!".!!"#$%!!., is giving the closest result. Key Words : Monte Carlo, dose response, X ray spectrum, monoenergy, TLD I. PENDAHULUAN Pengukuran dengan detektor diperlukan untuk mengetahui besar dosis yang dikeluarkan oleh sumber yang digunakan dalam radiodiagnostik dan radioterapi. Detektor yang digunakan untuk pengukuran harus memberikan hasil pengukuran yang tepat, sehingga perlu dilakukan kalibrasi terhadap detektor. Proses kalibrasi detektor mengharuskan energi yang digunakan terstandarisasi dan diketahui kualitas radiasinya dengan baik, agar diketahui respon detektor terhadap energi yang digunakan agar diperoleh faktor kalibrasi yang benar. Hal ini penting dilakukan karena standarisasi dapat memastikan detektor yang dikalibrasi memberikan hasil pengukuran yang sama walaupun detektor tersebut dikalibrasi oleh laboratorium yang berbeda. Pengetahuan yang akurat dari respon energi merupakan alasan penting yang mendasar, karena permodelan thermoluminesensi detector (TLD) harus mampu menjelaskan ketergantungan TLD terhadap energi. Respon energi menjadi penting karena dalam aplikasi pengukuran paparan radiasi yang memiliki energi spektrum yang bervariasi. Informasi respon TLD terhadap perubahan energi menjadi sangat penting untuk menentukan faktor koreksi energi yang lebih akurat. Energi mempengaruhi faktor kalibrasi pada radiasi foton dengan energi rendah (energi <100 kev), perbandingan koefisien massa penyerap energi material menurun dengan meningkatnya energi [Ariono, 2012]. Perhitungan respon energi
dilakukan dengan melakukan perhitungan seluruh data energi yang terukur pada daerah sampling dengan persamaan berikut : Metode 1 2 Persamaan!!.!.!!"#$%!!.!!!.!!"#$%!! (2.6) (2.7) 3!!.!.!".!!"#$%!!.! (2.8) 4!!.!".!!"#$%!!. (2.9) Dimana w merupakan faktor bobot energi, E merupakan energi, Sw merupakan stopping power dan D merupakan dosis pada TLD. Dari persamaan ini akan diperoleh respon TLD yang dihasilkan berdasarkan simulasi Monte Carlo. II. METODE PENELITIAN Permodelan setting eksperimen yang dilakukan, yaitu dengan meletakkan TLD 100 LiF:MgTi berukuran 3mm x 3mm x 1mm di tengah-tengah medium udara berukuran 30 cm x 30 cm x 30 cm dengan jarak 100 cm dari sumber radiasi seperti pada Gambar 3.1 (a). Pada posisi penyinaran, posisi TLD terletak pada koordinat X=2, Y=2< dan Z=1. Jika dilihat dari sumbu X-Z, koordinat X=2 dan Z=1, sumbu X- Y, koordinatnya menjadi X=2 dan Y=2, dan sumbu Y-Z, koordinatnya menjasi Y=2 dan Z=1. Posisi pada fantom dapat dilihat pada Gambar 3.1 (b).
(a) (b) Gambar 3.1 (a) Pemodelan eksperimen yang digunakan untuk input DOSXYZnrc, (b) Peletakkan TLD pada koordinat [Yunita, 2013] Pemilihan energi pada eksperimen ini yaitu menggunakan energi diskrit dari 10 kev sampai 1500 kev. Pemilihan variasi energi ini karena energi terendah pada sinar-x yang mungkin dalam aplikasi medis adalah 10 kev. Sementara itu, memilih energi tertinggi 1500 kev karena energi tertinggi pada sinar gamma 1330 kev, yaitu Cobalt. Spektrum energi kontinyu dihitung menggunakan program XCOMP5r pada kualitas RQR 2 sampai RQR 10 atau pada tegangan potensial 40 kv sampai 150 kv sesuai panduan protokol dosimetri IAEA TRS No. 457. Sebelum menjalankan simulasi, dilakukan pemasukan data untuk komposisi material fantom yang digunakan adalah elemen udara dengan kerapatan sebesar 0.0012 g/cm 3. Material TLD adalah elemen lithium fluoride dengan kerapatan 12.904 g/cm 3 dan lithium fluoride di doping dengan magnesium dan titanium (LiF: Mg Ti) dengan kerapatan sebesar 2.64 g/cm 3. Foton yang digunakan adalah tipe 0 yaitu
berkas paralel yang diradiasikan dari depan dengan memasukkan ukuran sumber dengan sudut 90 o. Berkas energi sumber yang digunakan dalam simulasai adalah monoenergetic, jumlah history yang digunakan adalah 5 10 8. Dari database respon dosis di energi diskrit akan dicari hubungan terhadap respon dosis di spektrum energi kontinyu atau spektrum energi non diskrit. Rasio dosis TLD dihitung dengan persamaan :!"#$%!"#$# =!!"#!!"#$# (3.1) III. HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil respon rasio dosis terhadap energi seperti pada Gambar 4.1 dimana terlihat adanya perbedaan antara respon TLD dan udara. Hal tersebut disebabkan karena radiasi yang masuk pada medium udara dapat berinteraksi di seluruh medium udara yang dilewati, sehingga semakin banyak terjadi interaksi pada udara dan dosis yang dihasilkan lebih banyak. Sedangkan TLD mempunyai nomor atom lebih besar, sehingga radiasi yang berinteraksi pada medium cenderung lebih sedikit atau hanya dipermukaannya saja karena radiasi terhenti dipermukaan, maka dosis akan yang diterima lebih rendah. Pada energi rendah efek fotolistrik menjadi dominan pada probabilitas interaksi TLD. Ketika intensitas yang diberikan tinggi maka radiasi yang dapat ditangkap oleh TLD lebih banyak karena respon dosis TLD dipengaruhi oleh probabilitas pengisian traps pada saat radiasi berinteraksi dengan TLD.
100 100 10 Respon Dosis Rela<f 1 0.1 10 100 1000 Energi (kev) 10 1 0.1 Respon Dosis (Gy) 0.01 rasio dosis TLD 0.01 Gambar 4.1 Respon TLD, Udara dan Rasio Dosis terhadap Monoenergi Tabel 4.1 Respon Dosimeter TL, Udara dan Rasio Dosis TLD terhadap tegangan potensial sinar-x yang berbeda Energi (kev) Respon TLD (Gy/partikel) Respon Udara (Gy/partikel) Rasio Dosis (R TLD /R udara ) 40 1.073E- 12 ±0.2% 4.16E- 13 ±0.6% 2.582 ±0.15% 50 1.000E- 12 ±0.2% 3.94E- 13 ±0.6% 2.538 ±0.16% 60 8.101E- 13 ±0.2% 3.11E- 13 ±0.7% 2.604 ±0.22% 70 6.634E- 13 ±0.2% 2.49E- 13 ±0.7% 2.660 ±0.27% 80 5.899E- 13 ±0.2% 2.20E- 13 ±0.8% 2.678 ±0.35% 90 5.360E- 13 ±0.2% 1.98E- 13 ±0.8% 2.711 ±0.38% 100 5.036E- 13 ±0.2% 1.83E- 13 ±0.9% 2.753 ±0.46% 120 4.528E- 13 ±0.2% 1.62E- 13 ±0.9% 2.788 ±0.51% 150 4.172E- 13 ±0.2% 1.39E- 13 ±0.9% 2.993 ±0.55% Data hasil simulasi respon TLD pada rentang energi sinar-x pada tegangan potensial 40 kv hingga 150 kv dapat dilihat seperti pada Tabel 4.1. Dari hasil simulasi menunjukkan energi mempengaruhi respon dosis terhadap radiasi foton. Respon dosis TLD menurun sampai 70 kev dan setelah itu respon dosis TLD naik
kembali, sedangkan respon dosis menurun sampai tegangan tabung 150 kv, penurunan pada energi kontinyu terjadi karena spektrum kontinyu lebih didominasi oleh energi yang lebih rendah dari tegangan tabung sinar-x seperti pada Gambar 4.6(a), 4.6(b), 4.6(c) dan 4.6(d). Pada medium udara hampir sama dengan TLD pada saat energi terendah keduanya memiliki respon yang tinggi. Namun, pada spektrum monoenergi saat energi tertinggi respon dosis yang diterima lebih besar dibandingkan dengan spektrum energi kontinyu karena banyaknya interaksi diseluruh medium sehinga dosis yang diterima besar. Gambar 4.6 (a) Respon Dosis TLD pada Energi Kontinyu, (b) Respon Dosis TLD pada Monoenergi, (c) Respon Dosis Udara pada Energi Kontinyu, (d) Respon Dosis Udara pada Monoenergi
1.4 1.2 Rasio Dosis 1.0 0.8 0.6 0.4 40 50 60 70 80 90 100 120 150 Energi (kev) Rasio dosis simulasi Rasio dosis [Ariono,2012] Gambar 4.7 Perbandingan Grafik Rasio Dosis Simulasi dan Pengukuran Pada Gambar 4.7 menunjukkan energi mempengaruhi rasio dosis pada radiasi foton yang telah didapatkan pada penelitian sebelumnya [Ariono,2012]. Perbedaan pada energi rendah disebabkan karena tidak diketahui nilai spektrum pada pengukuran rasio dosis yang dilakukan oleh Ariono, tetapi memiliki pola yang sama yaitu turun satu nilai. Semakin tinggi energi terlihat rasio simulasi dan ariono tidak terlalu berbeda karena pada energi tinggi range spektrum semakin luas maka data error yang didapat semakin kecil Pada Tabel 4.3 menunjukkan data mean energy terhadap rasio dosis pada simulasi monte carlo dan XCOMP5r. Data pada Tabel 4.3 menunjukkan hasil energi rata-rata berbeda dengan simulasi maka penggunaan energi rata-rata kurang tepat untuk mengestimasi respon dosis TLD, sehingga perlu spektrum untuk estimasi respon agar lebih akurat.
Tabel 4.3 Mean Energy terhadap Rasio Dosis pada Simulasi Monte Carlo Monoenergi dan Kontinyu Energi Rata- rata (kev) Rasio Dosis MC (Energi rata- rata) Rasio Dosis (MC sp /MC Erata2 ) Rasio Dosis MC (Spektrum Kontinyu) Tegangan Potensial (kv) 28.461 2.978 ±0.06% 0.867 ±0.06% 2.582 ±0.15% 40 32.582 3.002 ±0.10% 0.845 ±0.07% 2.538 ±0.16% 50 36.542 3.019 ±0.15% 0.863 ±0.10% 2.604 ±0.22% 60 40.087 2.883 ±0.19% 0.923 ±0.12% 2.660 ±0.27% 70 44.421 2.796 ±0.19% 0.958 ±0.15% 2.678 ±0.35% 80 47.854 2.793 ±0.22% 0.971 ±0.16% 2.711 ±0.38% 90 50.554 2.591 ±0.28% 1.063 ±0.20% 2.753 ±0.46% 100 55.474 2.560 ±0.31% 1.089 ±0.22% 2.788 ±0.51% 120 64.421 2.681 ±0.35% 1.116 ±0.23% 2.993 ±0.55% 150 Dari simulasi yang dilakukan mendapatkan database respon monoenergi yang hasilnya akan digunakan sebagai perbandingan simulasi dengan penentuan estimasi, seperti pada Tabel 4.5. Terlihat bahwa dalam penentuan estimasi respon TLD yang lebih mendekati dengan hasil simulasi yaitu pada perhitungan metode 4 :!!.!".!!"#$%!!. (4.3) pada metode ini!.!! digunakan untuk menormalisasikan dosis terhadap spektrum, sedangkan dosis yang dikalikan denagn!"!!"# adalah untuk menormalisasikan TLD terhadap radiasi materi dengan stopping power berguna sebagai faktor skala terhadap rasio dosis TLD dengan udara.