Rosika Kriswarini, dkk. ISSN 0216-3128 11 PENGARUH KEVAKUMAN TERHADAP ANALISIS UNSUR TI DAN SI DALAM AlMg 2 MENGGUNAKAN XRF (X-RAY FLUORESCENCE) Rosika Kriswarini, Dian Anggraini, Djoko Kisworo Pusat Teknologi Bahan Bakar Nuklir BATAN Kawasan PUSPIPTEK Gedung 20 & 65 Serpong Tangerang 15314 Banten E-mail: ptbn@batan.go.id ABSTRAK PENGARUH KEVAKUMAN TERHADAP ANALISIS UNSUR Ti DAN Si DALAM AlMg 2 MENGGUNAKAN XRF (X-RAY FLUORESCENCE). Analisis Unsur Ti dan Si Dalam Bahan Kelongsong AlMg 2 telah dilakukan menggunakan Spektrometer X-Ray Fluorescence (XRF). Unsur pemadu AlMg 2 di antaranya Ti dan Si berfungsi untuk meningkatkan sifat kekuatan bahan kelongsong AlMg 2. Untuk mengetahui kualitas bahan AlMg 2 perlu dilakukan uji komposisi kimia untuk unsur pemadu. Kandungan unsur Si dan Ti sebagai unsur pemadu AlMg 2 cukup rendah dan unsur Si dalam sistem periodik berdekatan dengan unsur O (Oksigen) sehingga analisis menggunakan Spektrometer X-Ray Fluorescence (XRF) sangat dipengaruhi oleh kondisi lingkungan pengukuran. Pada penelitian ini dilakukan analisis Si dan Ti dalam kondisi lingkungan secara tunggal dan simultan serta pemilihan bahan standar berbasis aluminium dengan variasi konsentrasi untuk pembuatan kurva kalibrasi. Hasil pengukuran unsur Si dan Ti dengan cara tunggal memberikan nilai intensitas yang acak sehingga tidak dapat menghasilkan kurva kalibrasi yang baik. Sedangkan pengukuran dengan cara simultan memberikan nilai intensitas lebih baik untuk dapat dibuat kurva kalibrasi. Identifikasi linearitas kurva kalibrasi unsur Si dan Ti dalam AlMg 2 berada pada konsentrasi 0,05% sampai dengan 0,20% sedangkan untuk unsur Ti dari 0,03% sampai dengan 0,15% dengan koefisien regresi masing- masing adalah 97,5% dan 98,5%. Nilai konsentrasi Ti dan Si yang diperoleh dengan menggunakan kurva kalibrasi dengan daerah linearitas yang berbeda tidak memberikan perbedaan yang signifikan. Konsentrasi Ti dan Si dalam AlMg 2 masing-masing adalah 0,0083% dan 0,1102%. Kata Kunci : Pengaruh Pengukuran, Unsur Ti dan Si, AlMg 2, XRF ABSTRACT Analysis of Ti and Si element in AlMg 2 Cladding Materials was performed using X-Ray Fluorescence Spectrometer (XRF). AlMg 2 alloy which are Ti and Si has function to increase the material strength properties AlMg 2 cladding. To determine the quality of materials, it is necessary to test the chemical composition of the AlMg 2 alloy, especially Ti and Si elements. The content of element Si and Ti in AlMg 2 alloy was quite low and Si elements in the periodic system next to the element of O (Oxygen), so analysis using X-Ray Fluorescence Spectrometer (XRF) is strongly influenced by environmental conditions of measurement. In this research, the analysis of Si and Ti in the environmental conditions were in single and simultaneous and the selection of aluminumbased standard materials was with various concentrations for calibration curve. The measurement results of Si and Ti elements in a single way gave the random intensity values that could not produce a good calibration curve. Otherwise, simultaneous measurements gave the better value for the intensity could be made calibration curve. Identification of linearity of calibration curves of Si and Ti elements in AlMg 2 at concentration of 0.05% to 0.20%, while for Ti element from 0.03% to 0.15% with a regression coefficient of each were 97.5% and 98.5%. Value of Ti and Si concentrations using calibration curves with linearity of different areas did not provided significant differences. Concentrations of Ti and Si in Almg 2 respectively 0.0083% and 0.1102%. Keywords: Analysis Effect, Ti and S Elements, AlMg 2 PENDAHULUAN K elongsong dalam bahan bakar nuklir berfungsi untuk membungkus bahan bakar agar tidak bersentuhan dengan air pendingin reaktor dan juga untuk mengungkung gas hasil fisi supaya tidak keluar ke lingkungan. Reaktor Serba Guna G.A. Siwabessy (RSG-GAS) menggunakan bahan bakar U 3 Si 2 -Al dan bahan kelongsong berupa paduan AlMg2. Paduan AlMg2 digunakan sebagai bahan kelongsong bahan bakar karena sifat-sifat aluminium yang yang sesuai untuk material kelongsong bahan bakar reaktor riset antara lain tampang lintang serapan netron rendah, stabil terhadap radiasi, stabil pada suhu tinggi dan tahan terhadap korosi. Selain itu adanya unsur pemadu Ti dan Si yang ditambahkan
12 ISSN 0216-3128 Rosika Kriswarini, dkk. dalam bahan tersebut akan meningkatkan sifat kekuatan bahan sehingga dapat mengimbangi tegangan internal akibat terjadinya swelling dan terbentuknya hasil fisi selama dalam reaktor [1]. Untuk menjamin keselamatan dan keamanan selama reaktor beroperasi maka pada setiap komponen elemen bahan bakar dilakukan kontrol kualitas sebelum dilakukan proses fabrikasi, termasuk bahan kelongsong AlMg 2. Pada umumnya kegiatan kontrol kualitas yang dilakukan pada tahap awal adalah uji komposisi kimia. Hal ini karena komposisi kimia dalam suatu paduan merupakan parameter yang sangat berpengaruh dengan sifat-sifat yang dimiliki oleh paduan tersebut, seperti sifat mekanik, sifat fisis dan lain-lain [2]. Uji komposisi kimia melalui analisis unsur-unsur logam dapat dilakukan dengan metode spektrometri X-Ray Flourescence (XRF). Spektrometer X-Ray Fluorescence (XRF) adalah salah satu alat analisis kimia unsur dalam suatu bahan secara kualitatif dan kuantitatif berdasarkan intensitas sinar-x karakteristik yang dihasilkan dari sampel dengan kemampuan deteksi secara umum sekitar 0,01% [3]. Kemampuan deteksi tersebut sangat tergantung dari beberapa faktor yaitu energi sinar-x karakteristik, konsentrasi dari unsur yang dianalisis dan kondisi lingkungan (kevakuman). Alat spektrometer XRF EDAX DX 95 yang ada di PTBN BATAN, Serpong dapat digunakan untuk analisis unsur dalam bahan padat (masif) dengan ukuran diameter 3 cm. Bila bahan yang dianalisis mempunyai diameter lebih besar dari 3 cm, maka pengukuran bahan dilakukan satu persatu (tunggal) sedangkan bila diameter sampel kurang dari 3 cm maka analisis dapat dilakukan secara kontinyu dengan tidak melakukan pengkondisian kevakuman sample chamber untuk setiap sampel. Spektrometer XRF dilengkapi dengan sample holder 10 lubang untuk pengukuran secara kontinyu [4]. Berdasarkan kemampuan Spektrometer X-Ray Fluorescence (XRF) tersebut di atas telah dilakukan analisis unsur Mg (energi sinar-x karakteristik 1,25 kev), Mn (5,89 kev), dan Fe (6,40 kev) dalam paduan AlMg2 sebelumnya secara tunggal dan kontinyu. Kandungan ketiga unsur ini dalam AlMg2 [6] dalam batas kemampuan alat yaitu sekitar 1%. Hasil penelitian menunjukkan bahwa nilai akurasi dan presisi pengukuran dari ketiga unsur tersebut baik secara tunggal maupun manual secara tinjauan statistik tidak berbeda dan memenuhi persyaratan analisis. Sehubungan dengan kandungan unsur Si (1,74 kev) dan Ti (4,51 kev) dalam AlMg2 cukup rendah yaitu berada pada kondisi batas minimum deteksi alat 1% [5], maka kemungkinan akan memberikan hasil yang deteksi berbeda. Selain itu, unsur Si dalam sistem periodik mendekati unsur yang terkandung dalam udara (Oksigen dan Nitrogen). Udara dalam sample chamber menyebabkan terjadinya serapan sinar-x karakteristik unsur dalam sampel sehingga akan mengurangi berkas sinar-x yang mencapai detektor. Serapan tersebut akan lebih besar terjadi pada sinar-x karakteristik unsur yang mempunyai energi sinar-x berdekatan dengan energi Oksigen dan Nitrogen, sehingga kemungkinan kondisi lingkungan seperti tekanan vakum akan berpengaruh terhadap akurasi hasil analisis. Oleh karena itu, pada penelitian ini akan dilakukan pengamatan pengaruh kondisi lingkungan pengukuran dan metoda pemilihan bahan standar berbasis aluminium yang selanjutnya data tersebut dapat digunakan untuk menganalisis unsur Si dan Ti dalam bahan kelongsong AlMg 2 secara akurat. METODOLOGI Bahan yang digunakan untuk kalibrasi energi adalah paduan AlCu (Al2024), sedangkan untuk pengujian digunakan blanko standar Aluminum dan 11 buah standar paduan Aluminium yang berdiameter 5 cm dan 3 cm produksi Jerman [7]. Komposisi unsur Ti dan Si dalam standar paduan Aluminum tercantum dalam Tabel 1. Alat yang digunakan untuk analisis bahan tersebut adalah Spektrometer Fluoresensi Sinar-x (EDAX DX-95), Phillips yang dilengkapi sistem pengolahan data (DX-4). Sebelum analisis, dilakukan penyiapan sampel dengan cara membubut permukaan sampel hingga rata, halus dan bersih. Sampel dengan diameter 5cm dan 3cm dibersihkan permukaannya menggunakan aseton dan ditunggu sampai kering. Setelah kering, sampel ditempatkan pada 10 lubang sample holder alat XRF. Tabel 1. Konsentrasi Ti dalam Standar Paduan Aluminum Kode Standar Paduan Al 511/01 512/01 515/01 521/01 522/01 523/01 Konsentrasi Ti (%) 0,0051 0,0031 0,0015 0,006 0,012 0,110 Konsentrasi Si (%) 0,022 0,023 0,050 0,032 0,180 0,087 Kode Standar Paduan Al 525/01 526/01 543/01 5010AA 57SBF Konsentrasi Ti (%) 0,020 0,015 0,036 0,020 0,043 Konsentrasi Si (%) 0,180 0,155 0,080 0,180 0,140
Rosika Kriswarini, dkk. ISSN 0216-3128 13 Peralatan dikondisikan dengan cara memvakum sample chamber sampai dengan 200 mtorr dan selanjutnya dilakukan kalibrasi energi. Kalibrasi energi menggunakan sampel uji Al2024 pada kondisi tegangan kerja 14 kv dan kuat arus 90 µa serta input count rate sebesar 10000 cps (count per second). Selanjutnya dilakukan pengukuran secara tunggal dan dan simultan untuk mengetahui intensitas unsur Ti dan Si pada blanko Al dan 11 buah standar Al masing-masing dengan 4 kali pengulangan. Setelah mendapatkan hasil pengukuran standar Al, maka dibuat kurva kalibrasi. Kondisi pengukuran sama dengan kondisi kalibrasi energi yaitu pada tegangan 14 kv dan kuat arus 90 µa. Setiap pengukuran memerlukan waktu 300 detik. Bila daerah linearitas pengukuran sudah ditentukan, maka kurva tersebut digunakan untuk analisis unsur Ti dan Si dalam paduan AlMg2. HASIL DAN PEMBAHASAN Data intensitas blanko Al dan standar Al dengan variasi konsentrasi pada pengukuran secara tunggal dan simultan dibuat kurva kalibrasi. Hubungan antara intensitas dan konsentrasi unsur Ti dan Si dalam standar diplotkan sehingga membentuk kurva kalibrasi unsur Ti dan unsur Si, seperti yang terlihat pada Gambar 1. Pada Gambar 1 dapat dilihat bahwa pengukuran Ti dan Si secara tunggal pada konsentrasi Ti dan Si yang bervariasi memberikan nilai intensitas yang tidak beraturan sehingga dapat dinyatakan bahwa kurva tersebut tidak bisa digunakan untuk pengukuran sampel. Fenomena ini disebabkan kondisi kevakuman pada saat pengukuran relatif tidak stabil, karena pada saat penggantian sampel sering dilakukan buka-tutup sample chamber. Selain itu dalam metoda XRF analisis Si pada konsentrasi rendah (<0,1 %) sangat dipengaruhi oleh kondisi kevakuman lingkungan (sample chamber) karena energi sinar-x Si (1,739 kev) berdekatan dengan energi Oksigen (0,525 kev). Dengan menjaga kondisi pengukuran dalam keadaan vakum maka pengaruh adanya Oksigen (O) terhadap intensitas hasil pengukuran Si akan dapat dihindari. Pada pengukuran secara simultan nilai intensitas berbanding lurus (linear) terhadap konsentrasi. Hal ini menunjukkan bahwa kondisi pengukuran lebih stabil dibanding pengukuran secara tunggal. Nilai regresi (R 2 ) kedua unsur tersebut memenuhi persyaratan kurva kalibrasi pada pengukuran menggunakan metoda spektrometri yaitu berkisar 95% {7}. Selanjutnya kurva tersebut digunakan untuk analisis Ti dan Si dalam paduan AlMg2. Nilai intensitas hasil pengukuran diplotkan pada kurva kalibrasi sehingga diperoleh konsentrasi Ti dan Si dalam paduan AlMg2 yang tercantum pada Tabel 2. Gambar 1. Kurva Kalibrasi Unsur Ti dan Si Secara Tunggal dan Simultan Dalam Standar Aluminum Tabel 2. Konsentrasi Ti dan Si dalam Paduan AlMg2 Konsentrasi Ti (%) Konsentrasi Si (%) Perhitungan Sertifikat Perhitungan Sertifikat 0,0089 0,0090 0,1105 < 0,3000
14 ISSN 0216-3128 Rosika Kriswarini, dkk. Tabel 2 di atas menunjukkan bahwa konsentrasi Ti dan Si dalam paduan AlMg2 memenuhi persyaratan sebagai kelongsong bahan bakar karena nilai tersebut berkisar pada nilai yang tercantum pada sertifikat. Karena konsentrasi kedua unsur tersebut mempunyai nilai konsentrasi yang rendah, maka dilakukan pembuatan kurva kalibrasi pada daerah konsentrasi yang lebih rendah daripada daerah konsentrasi kurva kalibrasi pada Gambar 1. Hasil pembuatan kurva ini tercantum pada Gambar 2. Gambar 2 menunjukkan bahwa kalibrasi unsur Ti dalam standar Aluminum pada rentang konsentrasi rendah ( 0 0,03% ) dan rentang konsentrasi tinggi ( 0 0,13% ) memberikan hasil yang linear. Demikian pula kurva kalibrasi unsur Si pada 2 rentang konsentrasi yaitu (0 0,15%) dan (0 0,20%) juga memberikan hasil kurva kalibrasi yang linear. Dengan substitusi nilai y (intensitas) ke dalam persamaan kurva kalibrasi pada Gambar 2 untuk daerah linearitas konsentrasi rendah dan konsentrasi tinggi unsur Ti maupun Si, maka diperoleh nilai x (konsentrasi) kedua unsur tersebut. Persamaan dan linearitas kurva kalibrasi serta hasil perhitungan konsentrasi kedua unsur dalam paduan AlMg2 dituangkan pada Tabel 3. Untuk mengetahui nilai konsentrasi yang diperoleh dari hasil perhitungan menggunakan kurva kalibrasi daerah linearitas konsentrasi rendah maupun tinggi, maka dilakukan uji beda yaitu uji-f maupun uji-t [8] seperti yang tercantum pada Tabel 4. Pada Tabel 4 terlihat bahwa hasil perhitungan uji F dan uji t lebih kecil daripada nilai batas keberterimaan pada derajat kepercayaan 95%. Hal ini menunjukkan bahwa kedua nilai hasil perhitungan konsentrasi unsur Ti dan Si dalam paduan AlMg2 menggunakan kurva kalibrasi dengan daerah linearitas yang berbeda tidak menunjukkan perbedaan yang signifikan, sehingga dapat dinyatakan bahwa konsentrasi unsur Ti dalam paduan AlMg2 adalah 0,0083% dan konsentrasi unsur Si 0,1102%. Gambar 2. Kurva Kalibrasi Unsur Ti dan Si Dalam Standar Aluminum Tabel 3. Data Kurva Kalibrasi dan Konsentrasi Unsur Ti dan Si dalam paduan AlMg2 Unsur Daerah Linearitas (%) Persamaan R 2 Konsentrasi Perhitungan (%) Konsentrasi (Sertifikat) (%) Ti 0,00 0,03 y = 89,43x + 0,526 0,988 0,00779 0,00900 0,00 0,13 y = 51,35x + 0,767 0,985 0,00887 0,00900 Si 0,00 0,15 y = 42,12x + 0,916 0,946 0,11002 < 0,3000 0,00 0,20 y = 45,92x + 0,978 0,975 0,11045 <0,3000 Tabel 4. Uji Beda Konsentrasi Unsur Ti dan Si dalam Paduan AlMg2 pada 2 Daerah Linearitas Unsur Uji-F Uji-t Perhitungan Batas Keberterimaan Perhitungan Batas Keberterimaan Ti 0,33 9,28 0,007 3,18 Si 1,19 9,28 0,025 3,18
Rosika Kriswarini, dkk. ISSN 0216-3128 15 KESIMPULAN Kondisi kevakuman pada pengukuran simultan dapat digunakan untuk analisis Ti dan Si dalam paduan AlMg2 karena pada kurva kalibrasi pengukuran memberikan daerah linearitas yang mempunyai nilai regresi > 95%, sedangkan pada pengukuran tunggal kondisi kevakuman tidak stabil sehingga tidak memberikan nilai linearitas pada kurva kalibrasi. Kurva kalibrasi pada daerah linearitas konsentrasi rendah dan konsentrasi tinggi dapat digunakan untuk penentuan unsur Ti dan Si dalam paduan AlMg2. Nilai konsentrasi Ti dan Si dalam paduan AlMg2 adalah 0,0083% dan 0,1102%. DAFTAR PUSTAKA 1. MASRUKAN, Paduan AlMgSi Sebagai Materian Cladding Bahan Bakar Reaktor Riset Alternatif, Prosiding Presentasi Ilmiah Daur Bahan Bakar Nuklir III,, PEBN, BATAN, ISSN 1410-1998 2. SIGIT, ELIN NURAINI, Karakteristik AlMgSi Sebagai Bahan Struktur Reaktor Riset, Prosiding Presentasi Ilmiah Daur Bahan Bakar Nuklir III, PEBN, BATAN, ISSN 1410-1998. 3. JENKIN, RON, X-Ray Fluorescence Spectrometry, John Wiley & Sons., 1988. 4. ANONIM, Operation Manual XRF-EDAX, Phillips, 1995 5. JENKIN, RON; GOULD, R.W.; GEDKE, DALE, Quantitative X-Ray Spectrometry, Second Edition, 1995, Marcel Dekker, Inc. 6. Analysen Zertifikat, Spectrochemische Al- Eichproben, 1985 7. ASTM, Use of Statistics in The Evaluation of Spectrometric Data, Volume 03.05.2000 8. ANDERSON, ROBERT L., Practical Statistics of Analytical Chemist, Van Nostrand Reinhold Company, New York, 1987 TANYA JAWAB Sahat Simbolon - Bagaimana dapat diterangkan bahan Si dapat dianalisis dengan detektor Si(Li). - Mengapa kondisi simultan kurvanya lurus(linear) sedang kondisi berulang besarnya tidak linear. - Kesimpulan anda bukan kesimpulan, siapa dan apa saja yang dilakukan hal tersebut pasti dikerjakan. Rosika Analisis XRF berdasarkan identifikasi Sinar-X karakteristik yang dihasilkan oleh bahan yang dianalisis. Sinar-X karakteristik setiap unsure dalam table periodik unsure mempunyai energi yang berbeda. Detektor Si (Li) mempunyai kemampuan analisis dengan resolusi tinggi sehingga bisa untuk menganalisis unsure Si dalam suatu bahan. Kevakuman dalam kondisi simultan relative lebih stabil dibanding kondisi tunggal karena tidak melakukan pemvakuman secara berulang sehingga menghasilkan kurva yang linear. Kesimpulan merupakan jawaban dari judul. Terimakasih atas masukannya. Suyanti - XRF (X-Ray Flourence) yang digunakan untuk analisis sempel padat berbentuk serbuk, bagaimana dengan sempel cair? - Jika sempel cair dalam suasana asam nitrat kurang lebih 5 M dengan unsur mayor 2 r diapakan alat tersebut untuk menganalisis Si&Hf? Rosika XRF bisa untuk menganalisis sempel cair dengan cara sempel tersebut di teteskan pada kertas saring sehingga seolah-olah menjadi bentuk padat. Pada dasarnya XRF bisa untuk menganalisis unsur Si, Hf. Analisis secara kuantitatif dilakukan dengan menggunakan standar yang mempunyai komposisi sama dengan sempel.