DETEKSI RADIASI NUKLIR

DETEKTOR ISIAN GAS

Prinsip Kerja Sinar radioaktif tidak dapat dilihat dengan mata biasa, sehingga untuk mendeteksinya harus digunakan alat. Alat deteksi sinar radioaktif dinamakan detektor radiasi. Salah satu jenis detektor radiasi yang pertama kali diperkenalkan dan sampai saat ini masih digunakan adalah detektor ionisasi gas. Detektor ini memanfaatkan hasil interaksi antara radiasi pengion dengan gas yang dipakai sebagai detektor. Lintasan radiasi pengion di dalam bahan detektor dapat mengakibatkan terlepasnya elektron-elektron dari atom bahan itu sehingga terbentuk pasangan ion positif dan ion negatif. Karena bahan detektornya berupa gas maka detektor radiasi ini disebut detektor ionisasi gas.

Jumlah pasangan ion yang terbentuk bergantung pada jenis dan energi radiasinya. Radiasi alfa dengan energi 3 MeV misalnya, mempunyai jangkaun (pada tekanan dan suhu standar) sejauh 2,8 cm dapat menghasilkan 4.000 pasangan ion per mm lintasannya. Sedang radiasi beta dengan energi kinetik 3 MeV mempunyai jangkaun dalam udara (pada tekanan dan suhu standar) sejauh 1.000 cm dan menghasilkan pasangan ion sebanyak 4 pasang tiap mm lntasannya. Detektor ionisasi gas berbentuk silinder yang diisi gas dan mempunyai dua elektroda. Dinding tabung yang dipakai sebagai selubung gas sebagai elektroda negatif (katoda). Kawat di tengah-tengah tabung berfungsi sebagai elektroda positif (anoda). Kedua elektroda berfungsi sebagai keping-keping kapasitor. Apabila kapasitas dari kapasitor adalah C dan beda potensial antara kedua elektrodanya adalah sebesar sumber tegangannya V, maka muatan listrik Q yang disimpan dalam kapasitor adalah:

Q=VxC (8.1)Masuknya radiasi ke dalam tabung detektor menyebabkan terbentuknya pasangan ion. Ion positif akan tertarik ke katoda dan ion negatif tertarik ke anoda. Karena menarik ion-ion yang berlawanan, maka akan terjadi pengurangan muatan listrik pada masing-masing elektroda. Penurunan jumlah muatan itu, mengakibatkan penurunan tegangan antara kedua elektroda, yang dirumuskan:

ΔV=ΔQ (8.2)C

Jika N menyatakan jumlah pasangan ion yang terbentuk dan e adalah muatan elektron (1,6 x 10-19 C) maka jumlah penurunan muatan pada kapasitor:

ΔQ = Ne (8.3)Dengan mensubstitusi persamaan 8.2 dan 8.3 diperoleh:

ΔV =Ne (8.4)C

Dari persamaan tersebut terlihat bahwa penurunan tegangan sebanding dengan pasangan ion yang terbentuk. Sedang jumlah pasangan ion itu sendiri bergantung pada jenis dan energi radiasi yang ditangkap detektor. Perubahan tegangan itu akan mengakibatkan terjadinya aliran listrik (denyut out put) yang dapt diubah menjadi angka-angka hasil cacahan radiasi.

Dengan memanfaatkan tingkah laku ion-ion gas dalam medan listrik, telah berhasil dikembangkan tiga jenis alat pantau radiasi yang menggunakan gas sebagai detektornya, yaitu: alat pantau kamar ionisasi, alat pantau proporsional, dan alat pantau Geiger-Muller (GM). Ketiganya mempunyai bentuk dasar dan prinsip kerja yang sama. Perbedaanya terletak pada tegangan operasi masing-masing.

Detektor Kamar Ionisasi Detektor kamar ionisasi beroperasi pada tegangan paling rendah. Jumlah elektron yang terkumpul di anoda sama dengan jumlah yang dihasilkan oleh ionisasi primer. Dalam kamar ionisasi ini tidak terjadi pelipat-gandaan (multiplikasi) jumlah ion oleh ionisasi sekunder. Dalam daerah ini dimungkinkan untuk membedakan antara radiasi yang berbeda ionisasi spesifikasinya, misalnya antara partikel alfa, beta dan gamma. Namun, arus yang timbul sangat kecil, kira-kira 10-12 A sehingga memerlukan penguat arus sangat besar dan sensitivitas alat baca yang tinggi.

Detektor Proporsional Salah satu kelemahan dalam mengoperasikan detektor pada daerah kamar ionisasi adalah out put yang dihasilkan sangat lemah sehingga memerlukan penguat arus sangat besar dan sensitivitas alat baca yang tinggi. Untuk mengatasi kelemahan tersebut, tetapi masih tetap dapat memanfaatkan kemampuan detektor dalam membedakan berbagai jenis radiasi, maka detektor dapat dioperasikan pada daerah proporsional. Alat pantau proporsional beroperasi pada tegangan yang lebih tinggi daripada kamar ionisasi. Daerah ini ditandai dengan mulai terjadinya multiplikasi gas yang besarnya bergantung pada jumlah elektron mula-mula dan tegangan yang digunakan. Karena terjadi multiplikasi maka ukuran pulsa yang dihasilkan sangat besar.

Multiplikasi terjadi karena elektron-elektron yang dihasilkan oleh ionisasi primer dipercepat oleh tegangan yang digunakan sehingga elektron tersebut memiliki energi yang cukup untuk melakukan ionisasi berikutnya (ionisasi sekunder). Meskipun terjadi multiplikasi, namun jumlah elektron yang dihasilkan tetap sebanding (proporsional) dengan ionisasi mula-mula. Karena itu dinamakan alat pantau proporsional.

Keuntungan dari alat pantau proporsional adalah bahwa alat ini mampu mendeteksi radiasi dengan intensitas cukup rendah. Namun, memerlukan sumber tegangan yang super stabil, karena pengaruh tegangan pada daerah ini sangat besar terhadap tingkat multiplikasi gas dan juga terhadap tinggi pulsa out put.

Detektor Geiger-Muller Detektor Geiger-Muller (GM) beroperasi pada tegangan di atas detektor proporsional. Dengan mempertinggi tegangan akan mengakibatkan proses ionisasi yang terjadi dalam detektor menjadi jenuh. Pulsa yang dihasilkan tidak lagi bergantung pada ionisasi mula-mula maupun jenis radiasi. Jadi, radiasi jenis apapun akan menghasilkan keluaran sama. Karena tidak mampu lagi membedakan berbagai jenis radiasi yang ditangkap detektor, maka detektor GM hanya dipakai untuk mengetahui ada tidaknya radiasi. Keuntungan dalam pengoprasian GM ini adalah denyut out put sangat tinggi, sehingga tidak diperlukan penguat (amplifier) atau cukup digunakan penguat yang biasa saja.

DETEKTOR SINTILASI

Detektor generasi lebih baru dibanding dengan detektor isian gas adalah detektor sintilasi. Detektor jenis ini menggunakan dasar efek sintilasi (kelipan) apabila bahan sintilator dikenai suatu radiasi nuklir. Proses ini terutama disebabkan oleh proses eksitasi yang diikuti oleh deeksitasi. Banyak bahan yang bersifat sintilator ini tetapi mempunyai kebolehjadian efek sintilasi yang berbeda-beda untuk ketiga jenis radiasi α, β dan γ. Untuk radiasi α biasa dipakai bahan ZnS(Ag), CsI(Tr). Untuk radiasi β adalah jenis plastik, organik (antrasin). Sedang untuk γ sering dipakai NaI(Tl) juga plastik. Mengenai proses sintilasinya dapat dijelaskan sebagai berikut. Ditinjau tingkat-tingkat energi atom sintilatornya. Sebagai contoh adalah ZnS(Ag).

Bila energi antara pita valensi dan pita konduksi atau pita eksitasi cukup besar (orde 10 eV), maka keboleh-jadian berpindahnya elektron ke pita konduksi atau eksitasi sangat kecil. Namun, dengan adanya aktivator (Ag) maka energi dasar dan eksitasinya menjadi kecil (3 eV) sehingga proses sintilasi menjadi mudah. Karena selisih energi tingkat dasar dan eksitasi 3 eV maka energi foton yang dipancarkan adalah juga 3 eV atau panjang gelombangnya sebesar 4500 A.

Sintilator dilekatkan pada dinding PMT (Photomultiplier Tube) dengan minyak silicon untuk menghilangkan pantulan oleh dinding PMT. Cahaya yang terjadi karena proses sintilasi tadi mengenai katoda yang terbuat dari foto sel (disebut fotokatoda) yang menghasilkan fotoelektron yang banyaknya sebanding dengan intensitas cahaya. Selanjutnya fotoelektron tersebut melalui deretan anoda yang terbuat dari bahan fotosel juga, yang tegangannya bertingkat dari rendah dekat katoda, makin tinggi sampai di anoda terakhir. Anoda-anoda ini disebut dinoda. Oleh tegangan tinggi yang terpasang pada dinoda-dinoda, fotoelektron tadi dipercepat ke dinoda pertama menghasilkan elektron lebih banyak, lalu dipercepat ke dinoda kedua menghasilkan elektron lebih banyak lagi. Demikian seterusnya sampai semua elektron dikumpulkan di anoda dan menghasilkan pulsa listrik. Tinggi pulsa yang dihasilkan sebanding dengan banyaknya elektron yang terkumpul di anoda, sedang banyaknya elektron terkumpul ini sebanding dengan banyaknya fotoelektron, banyaknya fotoelektron sebanding dengan intensitas cahaya hasil proses sintilasi dan intensitas cahaya ini sebanding dengan tenaga radiasi. Maka, detektor sintilasi dapat dipakai untuk spektroskopi.

Karena pulsa ini masih cukup tinggi, perlu diperkuat dengan penguat awal (pre amp) dan penguat utama (main amp) baru dimasukkan ke penganalisa tinggi pulsa, bisa berupa SCA (single channel analyzer) atau MCA (multi channel analyzer). SCA dan MCA ini tidak lain adalah penganalisa tinggi pulsa (pulse high analyzer/PHA) yang dapat digunakan untuk mentransformasikan distribusi tinggi pulsa pada keluaran penguat utama menjadi spektrum energi.

DETEKTOR KAMAR KABUT

Jika udara didinginkan sehingga uap mencapai keadaan jenuh, maka udara itu masih dapat didinginkan tanpa terjadi pengembunan. Pada keadaan ini, uap dinamakan superjenuh. Keadaan superjenuh ini akan terjadi hanya jika udara bebas dari debu

atau partikel-partikel garam yang dapat bertindak sebagai inti pengembunan sehingga membentuk tetes-tetes kabut.

Pada tahun 1911, Wilson menemukan bahwa ion-ion gas dapat juga bertindak sebagai inti pengembunan. Kemudian gejala ini digunakan untuk menunjukkan lintasan-lintasan radiasi ionisasi melalui udara.

Sebuah sumber radioaktif memancarkan partikel-partikel dalam sebuah kamar udara yang jenuh dengan uap air dan alkohol. Ketika partikel-partikel ini melalui udara, mereka bertumbukan dengan molekul-molekul udara. Tumbukan ini mengakibatkan terjadinya ionisasi, sehingga meninggalkan jejak ion positif dan negatif. Jika tekanan dalam kamar dikurangi dengan cara memompa sebagian udara keluar, maka udara menjadi lebih dingin. Keadaan ini memungkinkan partikel-partikel uap superjenuh mengembun pada ion-ion tersebut, sehingga jejak tetes-tetes uap sepanjang lintasan ion-ion dapat terlihat. Bentuk jejak kabut yang dihasilkan dalam kamar kabut bergantung pada partikel- partikel radioaktif yang digunakan.

Uap (alkohol) jenuh diembunkan pada ionion udara yang ditimbulkan oleh radiasi. Akibatnya, terlihat garis putih dari tetesan-tetesan zat cair yang sangat kecil, yang merupakan jejak lintasan dalam kamar tersebut, asal diterangi dengan tepat. Perlu dicatat, bahwa yang kita lihat hanyalah jejak lintasan, bukan radiasi yang menimbulkan ionisasi. terdapat tiga jenis kamar kabut yaitu :a. Expansion cloud chamber (kamar kabutpemuaian)b. Diffusion cloud chamber (kamar kabutdiffusi)c. Bubble chamber (kamar gelembung)Pada bubble chamber radiasi yang mengionkan akan mennggalkan jejak berupagelembung-gelembung didalam hidrogen cair. Pada sistem ini perkiraan massa dan kelanjutannya dapat diperoleh, berdasarkan hukum kekekalan energi dan momentum.

Emulsi Film

Garis-garis sinar dari ketiga jenis radiasi, dapat juga dipelajari pada film fotografi. Emulsi film foto, dapat mengurangi jangkauan partikel alpha sekitar 0,002 mm dan bahkan garis lintasan partikel beta, hanya sekitar 1 mm. Karena itu, harus menggunakan mikroskop untuk mengamatinya. Emulsi nuklir yang khusus, digunakan untuk maksud ini. Emulsi tersebut lebih tebal dari biasanya dan mempunyai kepekaan butir-butir perak bromida yang lebih tinggi. Metoda ini mempunyai keuntungan karena secara otomatis diperoleh rekaman yang permanen dari gejala yang dipelajari.

Ratu Qurroh `AinXII IPA 7

18