Download - Laporan ADPR Nai(Tl) Hpge
-
8/10/2019 Laporan ADPR Nai(Tl) Hpge
1/15
-
8/10/2019 Laporan ADPR Nai(Tl) Hpge
2/15
I. Tujuan
a. Detektor HPGe
1. Agar mahasiswa dapat mengetahui spektrum gamma sumber radioaktif.
2. Agar mahasiswa dapat melakukan kalibrasi energi.
3. Agar mahasiswa dapat melakukan identifikasi unsur radioaktif
b. Detektor NaiTl
1. Mempelajari cara kerja Detektor NaI(Tl)
2. Membuat Spektrum Energi Gamma dengan NaI(Tl)
3. Membuat Grafik Kalibrasi Energi, dan menentukan Energi suatu radioisotop yang
belum diketahui
II. Dasar Teori
a. Detektor HPGe
Detektor CdTe merupakan detektor yang dibuat dari bahan Cadmium dan
Tellurium. Seperti halnya detektor semikonduktor lainnya, detektor ini bekerja
berdasarkan interaksi sinar-X atau sinar- dengan atom-atom CdTe yang kemudian
menghasilkan sebuah pasangan elektron-hole untuk setiap energi sebesar 4,43 eV.
Medan listrik dari luar digunakan untuk memisahkan pasangan elektron-hole sebelum
mereka bergabung kembali, selain itu menyebabkan elektron bergerak menuju anoda
dan hole menuju
katoda, sehingga
terkumpul muatan
pada elektroda dan
menghasilkan
isyarat. Melalui
proses pengolahan
dan analisa tinggi
pulsa akhirnya
isyarat tersebut
dapat dicacah dan ditampilkan bentuk spektrumnya. Sruktur detektor CdTe seperti
ditunjukkan pada gambar 1.
b. Detektor NaI(Tl)
Prinsip kerja sebuah detektor sintilator adalah terjadinya kelipan cahaya pada
bahan sintilator apabila dikenai partikel radiasi ataupun foton radiasi. Banyak jenis
bahan sintilator, baik anorganik maupun organik. Jenis sintilator sangat menentukan
jenis radiasi yang dapat dideteksi. Salah satu jenis sintilator yang banyak digunakan
untuk keperluan deteksi radiasi foton gamma adalah Sintilator NaI yang diberi aktivator
Tl, sehingga detektornya lebih dikenal sebagai detektor NaI(Tl).
Sebuah detektor Sintilasi NaI(Tl) terdiri dari :
Gambar 1. Struktur Detektor CdTe
ANODA (+)
KATODA (-)
ARUS ELEKTRON
ARUS HOLE
FOTON
-
8/10/2019 Laporan ADPR Nai(Tl) Hpge
3/15
1.Kristal NaI(Tl) yang berfungsi mengubah foton radiasi menjadi kelipan cahaya
2.Photokatode yang berfungsi mengubah kelipan cahaya menajdi fotoelektron
3.Tabung Pengganda Elektron (PMT) berfungsi melipatgandakan elektron yang
terbentuk, dan pada akhirnya terbentuk pulsa.
Gambaran sebuah detektor NaI(Tl) dapat dilhat pada gambar 1.
Gambar 1. Detektor Sintilator NaI(Tl)
Kelipan cahaya yang timbul diakibatkan adanya foton radiasi, oleh fotokatode
diubah menjadi fotoelektron. Kelipan cahaya yang timbul sebanding dengan energi
foton yang datang. Semakin besar energi, maka kelipan cahaya yang timbul semakin
banyak dan fotoelektron yang terbentukpun semakin banyak. Jika fotoelektron
dilipatgandakan didalam tabung PMT, akan terbentuk pulsa yang tingginya sebanding
dengan energi foton yang datang. Dengan demikian tinggi pulsa yang timbulpun akan
sebanding dengan energi yang foton datang.
II. Interaksi sinar gamma dengan materi.
lnteraksi sinar gamma dengan materi melalui tiga proses yaitu : proses
photolistrik, efek Compton dan bentukan pasangan.
Pada pancaran sinar gamma tidak ada tebal tertentu yang dapat menyerap
semua sinar gamma dalam materi, seperti untuk sinar alpha dan sinar beta. Besar
intensitas sinar gamma yang melalui materi akan turun secara eksponensial sesuai
dengan persamaan :
x
x eII
0
Harga disebut koeffisien absorpsi linier sinar gamma yang nilainya tergantung pada
jenis materi dan energi sinar gamma.
ppcpl
pl = Koeff absorpsi sinar gamma akibat proses efek photo listrik
c = Koeff absorpsi sinar gamma akibat proses efek Compton
pp = Koeff absorpsi sinar gamma akibat proses bentukan pasangan
Efek Photolistrik.
Pada peristiwa ini sinar gamma berinteraksi dengan elektron yang terikat oleh inti
atom menimbulkan elektron terlepas dari ikatannya. Besar energi kinetik elektron
tersebut sama dengan besar energi sinar gamma dikurangi energi ikat elektron.
-
8/10/2019 Laporan ADPR Nai(Tl) Hpge
4/15
WhEk
kE = energi ikat elektron.
h= energi sinar gamma
W = energi ikat elektron.
Kebolehjadian peristiwa ini terjadi untuk sinar gamma yang berenergi < I MeV.
Efek Compton
Pada peristiwa ini sinar gamma berinteraksi dengan elektron bebas atau ataom
yang terikat lemah suatu atom sehingga mengakibatkan elektron terlepas dan terjadi
hamburan sinar gamma. Proses tersebut dapat dilihat pada gambar 2.
Gambar 2. Peristiwa Proses Compton
Jika energi sinar gamma mula-mula adalah h, dan energi sinar gamma yang
dihamburkan adalah h, dan besar sudut hamburan adalah , maka hubungan antara
energi sinar gamma mula-mula dengan yang dihamburkan dapat ditulis seperti dalam
rumus berikut:
2mc/hcos11h
h
dan besarnya energi kinetik elektron yangterlepas adalah
2
2
k
mchcos11
mc/hcos1E
Kebolehjadian ini terjadi untuk energi sinar gamma sekitar 0,5 MeV - 5 MeV. Dalam hal
ini khusus apabila terjadi backscattering (sudut sama dengan1800) maka energi sinar
gamma yang terhambur adalah :
E41
Eh
Efek Produksi Pasangan
Pada peristiwa ini sinar gamma berinteraksi dengan materi, sinar gamma akan
lenyapdan timbut pasangan positron dan elektron negatif. Peristiwa ini terjadi apabila
-
8/10/2019 Laporan ADPR Nai(Tl) Hpge
5/15
energi sinar gamma lebih besar dari 1,02 MeV . Besarnya energi kinetis kedua partikel
tersebut sama dengan besarnya energi sinar gamma dikurangi besarnya energi yang
hilang untuk membentuk positron dan elektron.
Maka
22mchEkin
= MeVh 02,1
dengan kinE adalah energi gerak positron dan elektron.
Hasil akhir ketiga peristiwa tersebut adalah elektronyang dapat dimanfaatkan
untuk sistem deteksi sehingga akhirnya lewat ketiga peristiwa tersebut dapat dideteksi
intensitas dan energi sinar gamma.
Spektrum Energi dan Kalibrasi Energi serta Efisiensi Pencacahan
Untuk memperoleh spektrum energi sumber radioaktf, dapat menggunakan
peralatan Multi Channel Analyser atau Single Channel Analyser (MCA/SCA) kedua alat
tersebut tidak lain adalah penganalisa tinggi pulsa (Pulse Hight Analyser PHA). SCA pada
prinsipnya adalah dua buah diskriminator yaitu diskriminator atas dan bawah. Selisih
tinggi diskriminator atas dan bawah dikenal dengan nama jendela (window), yang
lebarnya dapat dibuat tetap misal 0,2 Volt. Pulsa yang tingginya berada diantaradiskriminator bawah ditambah lebar jendela akan tercacah, sedangkan diluarnya tidak
tercacah.
Untuk mendapatkan spektrum dilakukan pencacahan pada setiap ketinggian
diskrimanator bawah yang biasa disebut nomor kanal. Dengan melakukan pencacahan
untuk setiap nomor kanal akan diperoleh cacah setiap nomor kanal. Dari hasil yang
diperoleh dapat dibuat grafik antara cacah vs. nomor kanal yang tidak lain adalah
spektrum energi dari suatu sumber radioaktif.
Contoh spektrum energi seperti gambar berikut :
Gambar 3. Spektrum Energi dari Cs-137
-
8/10/2019 Laporan ADPR Nai(Tl) Hpge
6/15
Dengan menggunakan sumber standar yang ada, antara lain: Co-60; Cs-137 atau
Na-22 dapat diperoleh grafik kalibrasi energi yaitu grafik antara energi Vs nomor kanal.
Ketiga sumber radioaktif tersebut masing masing memancarkan energi 1,17 dan 1,33
MeV; 0,662 MeV dan 1,274 MeV.
Untuk menetukan energi suatu sumber yang belum diketahui besarnya, dapat
diperoleh dengan menggunakan grafik kalibrasi yaitu grafik energi vs. nomor kanal
puncak, seperti pada gambar 4.
Gambar 4. Grafik Kalibrasi
Sedangkan untuk untuk mengetahui efisiensi pencacahan, dilakukan
perhitungan hasil luasan dibawah puncak tersebut yang sebelumnya dikurangi
backgrounddibandingkan denganaktivitas dari sumber standard yang telah diketahui
maka akan didapatkan effisiensi sistem deteksi dari detektor Nal(TI). Percobaan
kalibrasi efisiensi vs energi dilakukan dengan menggunakan sumber standard Na-22;
Mn-54; Cs-137 dan Co-60. Dilakukan pula perhitungan effisiensi, untuk berbagai
intensitas yang masuk ke detektor Nal(Tl) dengan cara mengubah jarak antara detektor
dan sumber standard
Cara melakukan perhitungan luasan daerah dibawah grafik spektrum yaitu
dengan menggambarkan spektrum sinar gamma diatas kertas, kemudian dilakukan
pengurangan intensitas cacah total dikurangi intensitas cacah akibat background
sehingga didapat intensitas cacah yang diakibatkan oleh sumber standard. Luasan
dibawah intensitas cacah akibat sumber standard dibandingkan dengan aktivitas
sumber standard setelah dikoreksi dengan waktu lamanya meluruh dari saatsumber
dibuat sampai saat percobaan dilakukan dan fraksi disitegrasi dari sinar gamma.
UntuK mehghitung effisiensi detektordigunakan rumus
1..
11
Auft
UUE bp
dengan :
pE = Efisiensi detektorn NaI(Tl)
-
8/10/2019 Laporan ADPR Nai(Tl) Hpge
7/15
t = waktu pencacahan (s)
1U = Intensitas cacah total di bawah photo peak
bU =Intensitas background pada waktu pencacahan yang sama dengan 1U
= Faktor geometri
222
1
Rd
d1 dengan d jarak detektor ke sumber,
R adalah jari-jari detektor
f = fraksi peluruhan gamma
1UA = aktifitas sumber
Harga funtuk berbagai isotop
Isotop Energi gamma (MeV) f
Cs-137 0,662 0,92
Cr-51 0,323 0,09
Co-60 1,17 0,99
Co-60 1,33 0,99
Na-22 1,276 0,99
Na-22 0,511 0,999
Mn-54 0,842 1,00
Zn-65 1,14 0,44
-
8/10/2019 Laporan ADPR Nai(Tl) Hpge
8/15
III. PERALATAN YANG DIPERLUKAN :
a. Detektor HPGe
Accuspec.
Detektor CdTe & Preamp Model XR-100T-CdTe.
Power Supply & Amplifier Model PX2T.
Sumber radioaktif.
b. Detektor NaiTl
Seperangkat detektor NaiTl
Sumber radiasi Co-60, Cs-137, unknown
IV. PROSEDUR PERCOBAAN
a. Detektor HPGe
1.Sistem dihubungkan seperti gambar .
2.Sumber standar Cs-137 diletakkan dengan jarak 1 cm di depan jendela detektor
CdTe.
3.Accuspec, modul power supply dan amplifier model PX2T dihidupkan
4.Keluaran amplifier dengan CRO diamati, kemudian tinggi pulsa sesuai diatur
kebutuhan dengan memutar knop gain.
5.waktu cacah (livetime preset atau realtime preset) diatur sebesar 200 sekon.
6.Accuspec dijalankan dengan mengaktifkan akuisisi, tunggu beberapa saat hingga
proses selesai.
7.Hasil cacahan dicatat.
8.Sumber diganti dengan sumber X, proses akuisisi diulang.
9.Lakukan kalibrasi tenaga dengan terlebih dulu memasukkan data energi gamma dan
nomor saluran puncak untuk masing-masing sumber radioaktif.
10.Lakukan identifikasi terhadap sumber x berdasarkan besarnya energi gamma yang
diperoleh melalui proses kalibrasi.
Gambar 2. Sistem spektroskopi sinar gamma dengan detektor CdTe
-
8/10/2019 Laporan ADPR Nai(Tl) Hpge
9/15
b. Detektor NaiTl
1. Rangkai peralatan seperti blok diagram pada gambar berikut:
Gambar Diagram detektor Sintilasi NaI(Tl)
2. Atur tegangan tinggi detektor, atur penguatan (gain) Amplifier (sesuai petunjuk
Asisten) dan jendela diatur sebesar 0,2 Volt.
3. Lakukan pencacahan untuk beberapa sumber standard, untuk setiap nomor kanal
(tinggi diskrimator bawah)
4. Gambar intensitas pencacahan vs nomor kanal (spektrum energi) untuk berbagai
energi
5. Dari data yang diperoleh (langkah 4), buat grafik energi vs nomor kanal puncak
fotolistrik.
6. Hitung effisiensi detektor dengan rumus diatas. Buat grafik efisiensi detektor
terhadap energi gamma
V. Data pengamatan
a. Detektor NaiTl
1. Kalibrasi satu titik
Sumber = Cs-137
Aktivitas = 1 Ci
Tahun pembuatan = November 2011
Energy 660.0 KeV
Gross 5617 cacahan
Net 5470 cacahan
Waktu 100 sekon
FWHM 43.9 KeV
Centroid 652.0 KeV
Chanel 662
Count 117
SINTILATO
SUMBER
RADIASIPRE AMP
ORTEC 113TSCA
ORTEC 551
AMPLIFIER
ORTEC 571
OSILOSKOP
HV ORTEC
456
PULSER
ORTEC 580
PM
PHOTO KATODA
LIGTH
PIPE
PENCACAH
ORTEC 875
-
8/10/2019 Laporan ADPR Nai(Tl) Hpge
10/15
2. Kalibrasi tiga titik
Sumber aktivitas Tanggalpembuatan
Waktu paruh
(tahun)Chanel count Energy
(KeV)Cs-137 1 Ci November
2011355 1196 622
Co-60 1 Ci November2011
603 387 1173
644 266 1337
3. Pencacahan dengan menggunakan sumber standart Cs-137
Sumber Cs-137
Aktivitas = 1 Ci
Tahun pembuatan = November 2011
Energy 668.3 KeV
Gross 32340 cacahan
Net 28831 cacahan
Waktu 100 sekon
FWHM 42.3 KeV
Centroid 662.0 KeV
Chanel 354
Count 1230
E0 607.8 KeV
E1 719.4 KeV
E 668.0 KeV
4. Unknown
Energy 641.5 KeV
Gross 19140 cacahan
Net 18100 cacahan
Waktu 100 sekon
FWHM 42.8 KeV
Centroid 655.5 KeV
Chanel 362
Count 663
E0 601.6 KeV
E1 726.4 KeV
E 659.7 KeV
-
8/10/2019 Laporan ADPR Nai(Tl) Hpge
11/15
b. Detektor HPGe
1. Menetukan efisinsi detektor
Sumber : Co-60
Energi : 1172,85 Kev
FWHM : 1,82
Gross : 25808
Net : 24007
Cacahan : 240,07 cps
2. Pengkuran Unknown
Sumber Unknown
Peak = 74.91 KeVFWHM = 0.39
Library Cd at = 88.03 = 32.710.529
Gross = 274
Net = 67 +/- 48
Gross = 1.55 cps
Net = 0.38 cps
3. Pembacaan Standar
Sumber aktivitas Tanggalpembuatan
Waktu paruh
(tahun)Count
(cps)Energy
(KeV)FWHM
Cs-137 1 Ci November2011
550,92 6221,44
Co-60 1 Ci November2011
149,62 11731,84
139,98 1337 1,82
VI. Perhitungan
1. Detektor NaiTl
a. Kalibrasi Detektor NaiTl
y = 2.3858x - 230R = 0.9921
0
200
400
600
800
10001200
1400
1600
0 100 200 300 400 500 600 700
Energi(KeV)
Chanel
Grafik Hubungan Energi dengan Chanel
-
8/10/2019 Laporan ADPR Nai(Tl) Hpge
12/15
Dengan menggunakan persamaan garis dari grafik yaitu y = 2,385x 230, untuk
mencari sumber unkown dapat dilakukan dengan cara mengganti x pada
persamaan diatas dengan chanel yang didapat dari hasil pencacahan.
y = 2,385x230
= 2,385 (362)230
= 633,37 (Br-76)
b. Resolusi detektor
R =
x 100 %
R =()
x 100 % = 16,77%
c. Effisiensi detektor
ffisiensi =
Cacahan persekon = 28831/100 = 288,31 cps
Aktivitas (At) = A0et
At= 1 Ci x e-(0.693/30.07 tahun)/ 3 tahun
At= 1.0077 Ci x
= 10077 Bq
ffisiensi =
= 2,86 %
d. Aktivitas sumber unknown
Aktivitas = cps/effisiensi
Cps = 18100 cacahan /100 sekon = 181 cps
Aktivitas = 181 cps / 2.86 % = 6328,67 Bq
= 6328,67 Bq x
= 0.1710 Ci.
2. Detektor HPGe
a. Effisiensi detektor =
Sumber standar = Co-60
Ao = 1 x 10-6
Ci
-
8/10/2019 Laporan ADPR Nai(Tl) Hpge
13/15
= 1 x 10-6
Ci x
= 3.7 x 104 dps
t
= 5.27 tahun
Tanggal pembuatan = November 2011
T = November 201114 Oktober 2014 = 3 tahun
=
= 0.1315 /tahun
= 0.1315 /tahun x 3 tahun
= 0.3945
At =
= 37000 dps ()
= 24938,62 dps
Efisiensi = (cps/dps) x 100%
= (230,07 / 24938,62) x 100 %
= 0,92%
b. Aktivitas sampel Y
Aktivitas = 0.38 cps / 0,92 % = 41,30 dps
= 41,30 dps x
= 1,12 x 10-9Ci
= 1,12 x 10-3Ci.
VII. Pembahasan
Detektor yang bisa digunakan untuk melakukan pencacahan ada berbagai macam
dan jenis. Diantaranya ada detektor semikonduktor dan juga detektor sintilasi. Pada
praktikum kali ini yang digunakan adalah detektor NaI(Tl) dengan detektor HPGe sebagai
pembanding.
Prinsip kerja detektor NaI(Tl) adalah ketika Nai(Tl) terkena radiasi maka akan
terjadi eksitasi, saat elektron ingin kembali kepita valensi yang disebut dengan deeksitasi,
maka akan menghasilkan kerlipan cahaya, kerlipan cahaya yang dihasilkan sesuai dengan
jumlah radiasi yang mengenai kristal Nai(Tl), kerlipan cahaya ini akan diubah oleh
fotoelektron menjadi elektron kemudian elektron akan diperbanyak di PMT yang akan
membentuk pulsa yang dan ditampilkan dalam bentuk puncak-puncak yang dapat terlihat
disistem komputerisasi.
Sementara itu, prinsip kerja detektor HPGe adalah ketika sumber radiasi gamma
berinteraksi dengan bahan germanium murmi maka akan terjadi perpindahan elektron
dari pita valensi menuju pita konduksi, sehingga terjadi kekosongan pada pita valensi yang
disebut dengan hole, selanjutnya membentuk pasangan elektron-lubang (electron-hole
-
8/10/2019 Laporan ADPR Nai(Tl) Hpge
14/15
pair). Medan listrik dari luar digunakan untuk memisahkan pasangan elektron-hole
sebelum mereka bergabung kembali, selain itu menyebabkan elektron bergerak menuju
anoda dan hole menuju katoda, sehingga terkumpul muatan pada elektroda dan
menghasilkan isyarat. Melalui proses pengolahan dan analisa tinggi pulsa akhirnya isyarat
tersebut dapat dicacah dan ditampilkan bentuk spektrumnya.
Sebelum digunakan, baik itu detektor semikonduktor ataupun detektor sintilasi
harus dikalibrasi terlebih dahulu dengan menggunakan suatau standar yang sudah
diketahui jenisnya. Pada saat praktikum detektor NaI(Tl) menggunakan Cs-137 sebagai
standar sementara detektor HPGe menggunakan Co-60. Kalibrasi energi yang dilakukan ini
bertujuan untuk analisis kualitatif yang nantinya dapat menunjukkan apakah sistem
pencacah bekerja dengan baik atau tidak, karena sumber tertentu akan memiliki puncak
tertentu dengan energi tertentu. Contohnya pada Cs-137 yang memiliki satu puncak padaenergi 662 dan Co-60 yang memiliki dua puncak pada energi 1332 dan 1772.
Pada detektor NaI(Tl) dilakukan kalibrasi 3 titik dengan menggunakan standar
Cs-137 dan Co-60. Kalibrasi 3 titik ini dilakukan untuk mengetahui linearitas antara
energi dengan chanel yang dihasilkan dari hasil pencacahan. Dari hasil pembuatan grafik
didapatkan persamaan garis y = 2,385x 230 dengan regresi 0,992. Persamaan ini
kemudian digunakan untuk mencari sampel unkown. Setelah dilakukan perhitungan
diketahui ternyata sampel unkown adalah Br-76.
Resolusi atau daya pisah suatu detektor berbanding terbalik nilainya dengan
FWHM. FWHM sendiri adalah kependekan dari Full Width at Half Maximum atau
setengah dari lebar puncak yang dihasilkan dari pencacahan. Semakin besar nilai FWHM
maka nilai resolusinya semakin kecil. Ketika nilai resolusi kecil, artinya daya pisah
detektor tersebut kurang baik. Hal ini disebabkan oleh nilai FWHM yang besar, FWHM
yang besar menunjukkan lebar puncak yang besar pula. Jadi ada kemungkinan puncak
lain yang tertutup.
Jika dibandingkan antara detektor NaI(Tl) dan HPGe terlihat jelas perbedaannya.
Secara visual puncak yang dihasilakan oleh detektor NaI(Tl) lebih lebar. Hal ini
dibuktikan dengan nilai FWHM yang besar, yaitu pada kisaran 40 an dan didapatkan nilai
resolusi sebesar 16,77%. Berbeda dengan detektor HPGe, puncak yang dihasilkan hanya
terlihat seperti garis garis kecil, ini dibuktikan dengan nilai FWHM yang hanya berada
pada kisaran kurang lebih 1,4. Menurut teori, detektor yang baik memiliki nilai FWHM
kurang dari 1,8. Dengan demikian dapat dikatakan bahwa detektor HPGe memiliki
resolusi yang lebih baik bila dibandingkan dengan detektor NaI(Tl).
VIII. Kesimpulan
1. Detektor Nai(Tl) merupakan deteketor yang menggunakan bahan sintilator atau yang
bisa menghasilkan pendaran cahaya, sedangkan detektor HPGe merupakan detektor
yang menggunakan bahan semikonduktor berupa Germanium murni.
2. Kalibrasi energi brtujuan untuk mengetahui jenis sampel, sampel pada detektor
Nai(Tl) adalah Br-76.
-
8/10/2019 Laporan ADPR Nai(Tl) Hpge
15/15