ansn ind ins alat ukur radiasi

7/27/2019 Ansn Ind Ins Alat Ukur Radiasi

1/73

DAFTAR ISI

BAB. I PENDAHULUAN . 01A. Latar Belakang ...... 01

Tujuan Instruksional Umum ... 01Tujuan Instruksional Kusus ... 01

BAB II MEKANISME DETEKSI DAN PENCACAHAN ... 02A. Prinsip dasar Kerja Alat Ukur Radiasi ... 02B. Pengelompokan Alat Ukur Radiasi ... 03C. Mekanisme Deteksi Radiasi .. 04

1. Proses Ionisasi .... 042. Proses Sintilasi ... 043. Proses Termoluminensi .. 054. Efek Pemanasan . 06

5. Reaksi Kimina ... 06D. Cara Pengukuran Radiasi .. 071. Cara Pulsa ... 072. Cara Arus 08

E. Sistem Pencacahan 101. Sistem Pencacahan Integral . 112. Sistem Pencacahan Differencial .. 11

BAB III DETEKTOR ISIAN GAS . 13A. Sistem Kerja .. 13B. Detektor Kamar Pengionan ....... 18C. Detektor Proporsional ... 20D. Detektor Geger Muller .. 22

BAB IV. DETEKTOR SEMIKONDUKTOR .. 31A. Sistem Kerja ... 31B. Jenis Detektor Semikonduktor ... 33C. Kelebihan Detektor Semikonduktor . 36

BAB V. DETEKTOR SINTILASI .. 36A. Sistem Kerja ... 37

B. Bahan Sintilasi ... 38C. Jenis Detektor Sintilasi .. 38D. Tabung Photomultiplier . 39

BAB VI. DETEKTOR NEUTRON . 42A. Sistem Kerja .. 42B. Jenis Detektor Neutron .. 43

1. Boron Trifluoride Proportional Counter 43


2/73

2. Boron Lined Proportional Counter 443. Halium Proportional Counter 444. Gas Recoil Proportional Counter .. 445. Superheated Drop Detector 45

BAB VII ALAT UKUR RADIASI PERORANGAN .. 46A. Sifat Alat Ukur Radiasi Perorangan .......... 46B. Jenis-Jenis Alat Ukur Radiasi/ Monitor Radiasi Perorangan . 47

1. Dosimeter Saku .. 472. Fim Badge .. 493. Dosimeter Termoliminensi (TLD) . 53

C. Bioassay dan Whole Body Counting . 56

BAB VIII PEMANTAUAN LINGKUNGAN .. 58A. Monitor Radiasi . 58B. Monitor Kontaminasi . 60

BAB IX SPEKTROSKOPI . 61A. Sistem Kerja ... 61B. Resolusi .. 64C. Analisis Kualitatif .. 64D. Analisis Kuantitatif 64

BAB X. PEMILIHAN, UJI FUNGSI DAN KALIBRASI .. 65A. Pemilihan Alat Ukur Radiasi . 65B. Uji Fungsi Alat Ukur Radiasi 66

C. Kalibrasi Alat Ukur Radiasi .. 68Daftar Pustaka 70


3/73


4/73

BAB II

MEKANISME DETEKSI DAN PENCACAHAN

A. Prinsip Dasar Kerja Alat Ukur Radiasi

Hal yang paling mendasar untuk mengendalikan bahaya radiasi adalah

mengetahui besarnya radiasi yang dipancarkan oleh suatu sumber radiasi

(zat radioaktif atau mesin pemancar radiasi), baik melalui pengukuran

maupun perhitungan. Keberadaan radiasi tidak dapat dirasakan secara

langsung oleh sistem panca indera manusia. Radiasi tidak bisa dilihat,

dicium, didengar, maupun dirasakan. Oleh sebab itu, untuk keperluan

mengetahui adanya dan mengukur besarnya radiasi, manusia harus

mengandalkan pada kemampuan suatu peralatan khusus.

Pada prinsipnya, pendeteksian dan pengukuran radiasi dengan

menggunakan alat ukur radiasi memanfaatkan prinsip-prinsip kemampuan

interaksi (saling-tindak) antara radiasi dengan materi. Setiap alat ukur

radiasi selalu dilengkapi dengan detektor yang mampu mengenali adanya

radiasi. Apabila radiasi melewati bahan suatu detektor, maka akan terjadi

interaksi antara radiasi dengan bahan detektor tersebut (terjadi pemindahan

energi dari radiasi yang datang ke bahan detektor). Perpindahan energi ini

menimbulkan berbagai jenis tanggapan ( response ) yang berbeda-beda dari

bahan detektor tersebut. Jenis tanggapan yang ditunjukan oleh suatu

detektor terhadap radiasi tergantung pada jenis radiasi dan bahan detektor

yang digunakan. Pendeteksian keberadaan dan atau besarnya radiasi

dilakukan dengan mengamati tanggapan yang ditunjukan oleh suatu

detektor.

Untuk mengukur besarnya tanggapan yang diberikan oleh bahan detektor,

maka detektor tersebut dihubungkan dengan peralatan khusus yang mampu

mengubah tanggapan-tanggapan tersebut menjadi sinyal-sinyal elektronik.

Selanjutnya, sinyal-sinyal elektronik tersebut diubah/dikonversikan ke

dalam besaran tertentu. Dengan menggunakan faktor konversi tertentu, besaran-besaran tersebut dapat ditampilkan secara digital/analog sebagai

2


5/73

hasil akhir berupa angka-angka yang menunjukan besarnya radiasi yang

diterima oleh bahan detektor.

B. Pengelompokan Alat Ukur Radiasi

Hingga saat ini, telah dikembangkan berbagai jenis alat ukur radiasi dengan

spesifikasi dan keunggulannya masing-masing. Dilihat dari garis besar

pemanfaatannya, alat ukur radiasi dapat dibedakan menjadi dua kelompok,

yaitu: (1). Untuk kegiatan proteksi radiasi, dan (2). Untuk kegiatan

aplikasi/penelitian radiasi nuklir. alat ukur radiasi yang digunakan untuk

kegiatan proteksi radiasi harus memiliki kemampuan untuk menunjukan

nilai intensitas atau dosis radiasi yang mengenai alat tersebut. Nilai

intensitas atau besaran dosis radiasi yang ditunjukkannya itu dapat

dijadikan sebagai bahan acuan oleh seorang pekerja radiasi untuk dapat

langsung mengambil tindakan tertentu. Sedangkan alat ukur radiasi yang

digunakan untuk kegiatan aplikasi radiasi dan penelitian biasanya

ditekankan memiliki kemampuan untuk dapat menampilkan nilai kuantitas

/spektrum energi dari radiasi yang mengenainya.

Dari segi cara pembacaannya, alat ukur radiasi juga dapat dibedakan pula

menjadi dua kelompok, yaitu: (1). Alat ukur pasif, yaitu alat ukur radiasi

yang hasil pengukurannya tidak dapat dibaca secara langsung, melainkan

harus melalui proses khusus terlebih dahulu. Contoh alat ukur radiasi pasif,

antara lain: Film badge dan TLD badge. (2). Alat ukur aktif, yaitu alat ukur

radiasi yang hasil pengukurannya dapat dibaca secara langsung. Contoh

alat ukur radiasi aktif, antara lain: surveimeter dan dosimeter saku.

Selain itu, berdasarkan fungsinya terhadap manusia atau lingkungan, alat

ukur radiasi dapat dibedakan pula menjadi dua kelompok, yaitu: (1). alat

ukur radiasi untuk pemonitoran dosis perseorangan, yaitu alat yang

digunakan untuk mengukur besarnya radiasi yang diterima oleh tubuh

manusia. Alat ini dapat berupa alat ukur aktif atau alat ukur pasif, dan (2).

alat ukur radiasi yang digunakan untuk pemonitoran lingkungan.

3


6/73

C. Mekanisme Deteksi Radiasi

Detektor radiasi bekerja dengan cara mendeteksi perubahan yang terjadi di

dalam bahan detektor/medium penyerap. Perubahan ini terjadi karena

adanya perpindahan energi dari radiasi ke medium tersebut. Terdapat

beberapa mekanisme yang pada umumnya digunakan untuk mendeteksi

dan mengukur radiasi, yaitu: (1). Proses ionisasi, (2). Proses sintilasi, (3).

Proses termoluminensi, (4). Efek pemanasan, dan (5). Reaksi kimia.

1. Proses Ionisasi

Ionisasi pada suatu medium secara langsung dapat disebabkan oleh

radiasi partikel alpha dan beta; dan ionisasi secara tidak langsung dapat

disebabkan oleh Sinar-X, sinar gamma, dan neutron. Kumpulan/jumlah

pasangan ion yang terjadi/diproduksi berkaitan erat dengan jumlah

energi radiasi yang mengakibatkan terjadinya proses ionisasi tersebut.

Dalam proses ionisasi ini, energi radiasi diubah menjadi peristiwa

terlepasnya sejumlah elektron dari atomnya (energi listrik).

Bila diberikan medan listrik terhadap pasangan ion yang terbentuk itu,

maka elektron akan bergerak menuju ke kutub positif, sedangkan

residual atom -nya yang bermuatan positif akan bergerak menuju kutub

negatif. Pergerakan elektron-elektron tersebut dapat menginduksikan

arus atau tegangan listrik. Arus dan tegangan listrik yang ditimbulkan ini

dapat diukur dengan menggunakan peralatan penunjang misalnya

Ampermeter atau Voltmeter. Semakin besar energi radiasinya, maka

akan dihasilkan lebih banyak pasangan ion. Semakin banyak pasangan

ion, maka arus atau tegangan listrik yang ditimbulkannya akan semakin

besar pula.

2. Proses Sintilasi

Yang dimaksud dengan proses sintilasi adalah terpancarnya sinar tampak pada saat terjadinya perpindahan/transisi elektron dari tingkat energi

4


7/73

yang lebih tinggi ke tingkat energi yang lebih rendah. Perpindahan

elektron seperti ini dapat terjadi di dalam bahan detektor. Perpindahan

elektron dari tingkat energi yang lebih rendah ke tingkat energi yang

lebih tinggi terjadi karena adanya proses eksitasi. Dalam proses

kembalinya elektron dari tingkat energi yang lebih tinggi ke tingkat

energi yang lebih rendah/keadaannya semula, maka akan dipancarkan

energi yang berupa foton sinar-X. Karena bahan detektor ditambahkan

bahan pengotor berupa unsur aktivator, yang berfungsi sebagai

penggeser panjang gelombang, maka radiasi yang dipancarkannya bukan

lagi Sinar-X melainkan berupa sinar tampak.

Proses sintilasi ini akan terjadi apabila terdapat kekosongan elektron

pada orbit elektron yang lebih dalam. Kekosongan elektron ini dapat

disebabkan karena lepasnya elektron dari ikatannya (proses ionisasi) atau

proses loncatnya elektron ke tingkat energi yang lebih tinggi (lintasan

elektron yang lebih luar) karena dikenai radiasi. Semakin besar energi

radiasi yang diterima, maka akan terjadi kekosongan elektron di orbit

sebelah dalam akan semakin banyak, sehingga percikan cahaya yang

dikeluarkannya akan semakin banyak. Cahaya tampak yang terjadi ini

selanjutnya akan dikonversikan menjadi sinyal elektrik.

3. Proses Termoluminensi

Pada prinsipnya, proses termoluminensi ini hampir sama dengan proses

sintilasi. Letak perbedaannya adalah: pada proses sintilasi, elektron yang

tereksitasi akan kembali ke orbit semula secara langsung (selang waktu

yang sangat cepat) sambil memancarkan Sinar-X yang selanjutnya

dikonversikan menjadi cahaya tampak, sedangkan pada proses

termoluminensi, untuk membuat elektron-elektron yang tereksitasi

kembali ke orbitnya semula, maka medium detektornya harus

dipanaskan terlebih dahulu sampai dengan temperatur tertentu. Sebelum

medium detektor tersebut dipanaskan, elektron-elektron masih

terperangkap pada keadaan eksitasinya, sehingga tidak bisa kembali keorbitnya semula.

5


8/73

Semakin banyak radiasi yang diterima, maka akan semakin banyak pula

elektron yang terperangkap di orbit elektron yang lebih luar dari atom

medium detektor. Ketika medium detektor tersebut dipanaskan sampai

dengan temperatur tertentu, elektron-elektron tersebut kembali ke orbit

semula dengan memancarkan sinar tampak. Sinar tampak yang timbul

akan dikonversikan menjadi sinyal elektrik.

4. Efek pemanasan

Peristiwa lain yang diakibatkan oleh adanya perpindahan/penyerapan

energi radiasi oleh medium detektor adalah timbulnya kenaikan

temperatur pada medium. Semakin besar energi radiasi yang

dipindahkan/diserap, maka kenaikan temperaturnya akan semakin tinggi.

Jadi dalam mekanisme ini, energi radiasi diubah menjadi energi panas.

Mekanisme ini jarang/tidak cocok digunakan untuk melakukan

pengukuran radiasi secara rutin. Mekanisme pengukuran radiasi dengan

memanfaatkan mekanisme ini memiliki tingkat sensitivitas yang sangat

rendah (diperlukan dosis energi radiasi yang sangat tinggi untuk

menaikan temperatur medium, dan kenaikan temperatur medium pada

umumnya tidak tinggi). Mekanisme ini, pada umumnya hanya digunakan

sebagai standar primer untuk peralatan kalibrasi.

5. Reaksi kimia

Energi radiasi dapat mengakibatkan perubahan kimia. Perubahan atau

reaksi kimia ini juga merupakan suatu mekanisme yang sering digunakan

dalam pengukuran radiasi. Bahan yang diradiasi dengan dosis tertentu

akan mengalami perubahan kimia, misalnya perubahan warna.

Selain itu radiasi juga dapat berfungsi sebagai katalisator pada reaksi

kimia, sehingga apabila diberikan dosis radiasi dengan besar tertentu,maka reaksi kimia dalam medium dapat berlangsung lebih cepat. Jadi

6


9/73

dalam mekanisme ini, energi radiasi diubah menjadi perubahan-

perubahan/reaksi kimia. Pada umumnya digunakan untuk menganalisa

film fotografi untuk dosimetri perseorangan, Sinar-X medis, dan

radiografi industri.

D. Cara Pengukuran Radiasi

Terdapat dua cara pengukuran radiasi, yang menampilkan hasil

pengukurannya secara langsung, yaitu cara pulsa ( pulse mode ), dan cara

arus ( current mode ).

1. Cara Pulsa

Setiap radiasi yang mengenai alat ukur akan dikonversikan menjadi

sebuah pulsa listrik. Apabila kuantitas/jumlah radiasi yang mengenai

suatu alat ukur semakin tinggi maka jumlah pulsa listrik yang

dihasilkannya akan semakin banyak pula.

Sedangkan energi dari setiap radiasi yang mengenai alat ukur akan

sebanding dengan tingginya pulsa listrik yang dihasilkan. Jadi semakin

besar energi radiasinya, maka akan semakin tinggi pula pulsa listrik

yang ditimbulkannya. Tingginya pulsa yang dihasilkan dapat dihitung

dengan persamaan:

C

Q

V

=

(Persamaan II.1 )

V adalah tinggi pulsa listrik yang dihasilkan, Q adalah jumlah

muatan listrik, dan C adalah kapasitas detektor.

7


10/73

Contoh soal:

Bila ada 100 buah radiasi dalam 10 detik, dengan energi radiasi

sebesar 35 keV memasuki detektor gas yang mempunyai daya ionisasi

35 eV, maka setiap radiasi tersebut akan mengionisasi detektor dan

akan menghasilkan 1000 pasangan ion (elektron). Muatan listrik setiap

elektron adalah 1,6 x 10 -19 Coloumb, sehingga jumlah muatan yang

dihasilkan oleh radiasi tersebut adalah 1,6 x 10 -16 coloumb. Tinggi

pulsa yang dihasilkan oleh muatan tersebut adalah 0,1 mVolt

(misalkan kapasitas detektor tersebut adalah 1,6 x 10 -12 farad). Jadi

dalam contoh ini akan menghasilkan 100 buah pulsa listrik dalam 10

detik dengan tinggi pulsa masing-masing adalah 0,1 mVolt .

Informasi yang dihasilkan oleh alat ukur radiasi yang menggunakan

cara pulsa ini adalah jumlah pulsa listrik (cacahan) dalam selang waktu

pengukuran tertentu dan tinggi pulsa listriknya. Jumlah pulsa listrik

yang ditimbulkannya akan sebanding dengan jumlah radiasi yang

masuk detektor, sedangkan tinggi pulsa akan sebanding dengan energi

radiasinya.

Kelemahan alat ukur radiasi yang menerapkan cara pulsa ini adalah

adanya kemungkinan tidak tercacahnya radiasi karena terlalu cepatnya

proses konversi radiasi yang masuk menjadi pulsa listrik.

Untuk dapat mengubah sebuah radiasi menjadi sebuah pulsa listrik

dibutuhkan waktu konversi tertentu. Apabila jumlah radiasi yang akan

diukur sedemikian banyaknya sehingga selang waktu antara dua buah

radiasi yang berurutan lebih cepat dari konversi alat, maka radiasi yang

terakhir tidak akan tercacah.

2. Cara Arus

Pada cara arus ini, radiasi yang masuk detektor tidak dikonversikan

menjadi pulsa listrik melainkan rata-rata akumulasi energi radiasi per satuan waktunya akan dikonversikan menjadi arus listrik. Semakin

8


11/73


12/73

E. Sistem Pencacahan

Seperti halnya dengan alat ukur yang digunakan untuk keperluan proteksi

radiasi, sistem pencacah radiasi juga terdiri atas detektor dan peralatan-

peralatan lain sebagai penunjang. Perbedaannya, peralatan penunjang pada

alat ukur proteksi radiasi biasanya sudah merupakan satu kesatuan yang

sifatnya portabel (mudah untuk dibawa-bawa), sedangkan pada sistem

pencacah radiasi, peralatan-peralatan penunjang tersebut terpisah dan

terdiri atas beberapa modul yang mengikuti standar tertentu, seperti: NIM

( Nuclear Instrument Module ), misalnya modul penguat ( amplifier ), modul

sumber beda potensial, modul pencacah ( counter ), dan modul-modul

lainnya.

Modul-modul tersebut bersifat bongkar-pasang, sehingga suatu modul

dapat digunakan untuk berbagai macam konfigurasi sistem pencacah.

Sistem pencacah radiasi yang digunakan dalam aplikasi dan penelitian

nuklir, bertujuan untuk mengukur kuantitas dan energi radiasi. Kuantitas

radiasi merupakan jumlah radiasi yang memasuki detektor. Besarnya

kuantitas radiasi ini dipengaruhi oleh beberapa faktor, antara lain: aktivitas

sumber radiasi, jenis dan energi radiasi, serta jarak dan jenis penahan

radiasi yang disimpan di antara sumber radiasi dan detektor. Sedangkan

energi radiasi merupakan kekuatan dari setiap radiasi yang dipancarkan

oleh suatu sumber radiasi. Besarnya energi radiasi ini bergantung pada

jenis radionuklidanya. Jenis radionuklida yang berbeda akan memancarkan

radiasi dengan energi yang berbeda.

Berdasarkan pada kegunaannya, untuk mengukur kuantitas dan atau energi

radiasi, sistem pencacah radiasi dapat dibedakan menjadi dua konfigurasi:

10


13/73

1. Sistem pencacah integral

Sistem pencacahan ini digunakan untuk menghitung jumlah radiasi

yang memasuki detektor tanpa memperhatikan tingkat energi

radiasinya. Modul peralatannya dapat dikatakan sangat sederhana. Jenis

detektor yang digunakan adalah detektor jenis G-M yang tidak dapat

membedakan tingkat energi radiasinya.

Gambar II.1. Sistem Pencacahan Integral

Inverter berfungsi untuk meng-inversi-kan polaritas pulsa yang berasal

dari detektor G-M, High Voltage Power Supply berfungsi untuk

memberikan sumber energi listrik pada detektor G-M, Counter

berfungsi untuk menghitung serta menampilkan jumlah pulsa dalam

rentang waktu tertentu, sedangkan pencatat waktu berfungsi untuk

menentukan rentang waktu pencacahan.

2. Sistem pencacahan differensial

Sistem pencacahan differensial ini digunakan untuk menghitung

jumlah radiasi yang memasuki detektor dengan memperhatikan rentang

energinya. Detektor yang digunakan harus mampu membedakan energiradiasi yang memasukinya.

Detektor Geiger Muller

HV

Inverter Counter

Pencatat Waktu

11


14/73

Gambar II.2. Sistem Pencacahan Differensial

HV

Detektor

Amplifier Diskriminator

Counter

Pencatat Waktu

12


15/73

BAB III

DETEKTOR ISIAN GAS

A. Sistim Kerja

Salah satu jenis alat ukur radiasi yang pertama kali dikenalkan dan sampai

saat ini masih terus dan sering digunakan untuk mengukur radiasi adalah

detektor isian gas. Detektor ini terdiri dari dua elektroda, yaitu positif dan

negatif, serta berisi gas di antara kedua elektrodanya. Elektroda positif

disebut sebagai anoda yang dihubungkan ke kutub listrik positif, dan

elektroda negatif disebut sebagai katoda yang dihubungkan ke kutub listrik

negatif. Kebanyakan detektor ini berbentuk silinder yang terbuat dari bahan

gelas, dengan sumbu tengahnya sebagai konduktor yang berfungsi sebagai

anoda, dan dinding (selimut) silinder berfungsi sebagai katoda. Gas yang

digunakan sebagai bahan isian untuk detektor ini ( detektor-detektor isian

gas yang sederhana) dapat berupa udara kering pada tekanan atmosfir.

Gambar III.1. Detektor Isian Gas

Apabila konstanta waktu R.C jauh lebih besar daripada waktu yang

diperlukan untuk mengumpulkan semua ion yang terbentuk karena proses

ionisasi, maka tinggi pulsa dapat dihitung dengan menggunakan rumus

tinggi pulsa seperti yang telah dijelaskan di atas (persamaan II.1).

d Kapasitansi C

Katoda

Anoda

Resistansi R

V(t) = Sinyal Output

13


16/73

Arus listrik yang mengalir di Resistansi R sangat kecil, alat ukur pada

daerah arus listrik sekecil itu adalah alat ukur beda potensial. Agar

besarnya beda potensial dapat diukur, pada arus listrik yang mengalir

sangat kecil, harus dipasang nilai resistansi R yang besar (biasanya

mencapi ratusan megaohm). Melakukan pekerjaan dengan menggunakan

nilai resistor yang besar seperti ini, besarnya kelembaban udara harus

diusahakan serendah mungkin.

Radiasi yang memasuki detektor akan memberikan sebagian atau seluruh

energinya untuk mengionisasi gas, sehingga timbul ion-ion positif (dari

atom atau molekul residu) dan ion-ion negatif (elektron bebas). Radiasi

partikel dan dapat melakukan proses ionisasi langsung pada bahan isian

gas, sedangkan gelombang elektromagnetik/foton (Sinar-X atau sinar )

dan neutron dapat melakukan proses ionisasi secara tidak langsung. Karena

bahan penyerap/bahan isian detektor yang akan mengalami proses ionisasi

adalah gas, maka disebut sebagai detektor isian gas. Sehingga pada

umumnya, semua alat ukur radiasi jenis ini harus kedap udara dari luar

untuk menghindari tercampurnya gas isian detektor dengan gas-gas yang

berasal dari udara di luar detektor.

Karena prinsip kerjanya adalah pengumpulan muatan listrik yang terjadi

karena adanya radiasi, maka bentuk medan elektrostatik dalam tabung juga

memiliki pengaruh. Oleh karena itu untuk mencapai efisiensi dan

sensitivitas yang tinggi, geometri bentuk ruangan, letak dan bentuk

elektroda, dan campuran gas isiannya berbeda-beda.

Karena adanya medan listrik antara katoda dan anoda, muatan-muatan

listrik (ion positif dan ion negatif) tersebut dapat dikumpulkan. Besarnya

medan listrik ini dapat diatur melalui pengaturan tegangan kerja ( High

Voltage ) detektor. Elektron-elektron akan terkumpul di anoda, sedangkan

ion-ion positif akan terkumpul di katoda. Karena elektroda-elektroda

detektor menarik ion-ion yang muatannya berlawanan, maka akan terjadi pengurangan muatan listrik pada masing-masing elektroda. Beberapa

14


17/73


18/73

yang sangat besar. Tekanan gas isian dapat diperbesar melebihi tekanan

atmosfir. Untuk mendeteksi partikel jenis elektron, dinding detektor harus

dibuat setipis mungkin untuk memungkinkan partikel tersebut dapat

mencapai dan berinteraksi dengan gas isian. Dinding biasanya terbuat dari

plastik yang sangat tipis. Sedangkan untuk mendeteksi jenis proton,

dinding tersebut harus dibuat lebih tipis lagi.

Pada gambar III.2 di bawah ini akan dijelaskan hubungan antara beda

potensial dengan jumlah ion yang dapat terkumpul pada masing-masing

elektroda detektor isian gas.

Gambar III.2. Hubungan antara beda potensial elektroda detektor isian gas dengan

jumlah ion yang terkumpul pada masing-masing elektroda.

Jumlah ion yang terkumpul dalam satuan waktu

Beda Potensial 0 V1 V2 V3 V4

Daerah 1 Daerah 2

Daerah 3

Daerah 4 Daerah 5

16


19/73


20/73

Jumlah total muatan yang terkumpul akan sebanding dengan ionisasi

primer. Jadi tinggi pulsa yang terjadi proporsional dengan ionisasi primer,

atau sebanding dengan energi radiasi yang masuk detektor. Oleh karena

itu, pada daerah ini detektor dapat digunakan untuk keperluan identifikasi

energi radiasi. Daerah ini disebut daerah proporsional .

Daerah 4 .

Medan listrik dalam detektor sangat kuat sehingga satu pasangan ion

positif dan elektron cukup kuat untuk menginisiasi terjadinya guguran

elektron ( electon avalenche ). Guguran elektron ini akan menimbulkan

pulsa yang kuat, yang bentuk dan tingginya tidak tergantung pada ionisasi

primer dan tipe partikel radiasi. Pulsa hanya akan tergantung pada

elektronik pencacah. Pada daerah ini detektor tidak bisa lagi digunakan

untuk mengidentifikasi energi radiasi. Daerah ini disebut daerah Geiger

Muller .

Daerah 5

Jika tegangan detektor ditinggikan dan lebih besar lagi, ionisasi tunggal

akan menimbulkan lucutan kontinu ( continous discharge ) dalam gas, dan

alat tidak bisa untuk menghitung lagi. Jika detektor dioperasikan pada

tegangan yang lebih besar dari daerah kerja 4, maka detektor akan rusak.

Daerah ini disebut daerah discharge .

B. Detektor Kamar Pengionan

Kamar pengionan ialah bilik/ruangan tertutup yang berisi gas. Ionisasi yang

terjadi pada gas isian karena radiasi akan dikumpulkan pada elektroda dan

diukur. Medan listrik dalam bilik tersebut sangat sensitif untuk menarik elektron-elektron bebas dan ion-ion positif ke elektrodanya masing-masing.

18


21/73

Detektor ini bekerja pada daerah ionisasi. Pada daerah ini tidak terjadi

proses multiplikasi muatan dalam detektor. Output pulsa

sebanding/proporsional dengan energi radiasi yang masuk/diserap oleh

detektor, sehingga energi radiasinya dapat diukur. Karena pulsa yang

terbentuk tidak besar, maka hanya partikel-partikel pengionisasi kuat

seperti , proton, fragmen fisi, dan ion-ion besar yang bisa dideteksi secara

efektif dengan menggunakan jenis detektor ini.

Partikel alfa dan beta dengan tingkat energi yang sama akan menghasilkan

keluaran pulsa yang berbeda, pulsa dari partikel alfa akan lebih besar

daripada pulsa dari partikel beta. Beda potensial yang digunakan pada

umumnya kurang dari 1000 volt.

Apabila Variable High Voltage Power Supply kita hidupkan mulai dari 0

volt, maka akan terbentuk suatu daerah tegangan operasi yang disebut

daerah ionisasi, namun tegangan operasi ini masih relatif rendah, namun

sudah cukup untuk menarik ion-ion yang terbentuk ke elektroda-

elektrodanya, sebelum ion-ion tersebut bergabung kembali/rekombinasi

untuk membentuk atom netral gas isian.

Pergerakan elektron menuju anoda yang dikarenakan adanya perbedaan

potensial antara elektroda detektor tidak mungkin menghasilkan ionisasi

sekunder. Jadi jumlah elektron yang terkumpul pada anoda hanya

merupakan hasil ionisasi primer, sehingga tinggi pulsa yang terbentuk akan

sebanding dengan jumlah ion primer yang dihasilkan pada proses ionisasi

primer atau dengan kata lain faktor penguatan/multiplikasi pada detektor

ini sama dengan satu.

Aliran elektron di dalam detektor dapat menimbulkan aliran listrik yang

dipakai sebagai dasar untuk pengukuran radiasi. Seperti telah disebutkan di

atas, bahwa pada umumnya arus listrik yang timbul sebagai pulsa keluaran,

biasanya sangat rendah kira-kira 10-12

ampere, sehingga memerlukan

19


22/73

rangkaian elektronik penguat arus yang besar dan sangat sensitif.

Rangkaian penguat arus ini dikenal dengan amplifier dc ( direct current ).

Pada umumnya pengukuran radiasi dengan menggunakan jenis detektor ini

menerapkan mode arus ( current mode ). Namun, apabila ingin

menggunakan jenis detektor ini dengan menerapkan mode pulsa, maka

diperlukan penguat pulsa yang sangat baik

Dalam membuat kamar ionisasi, maka pengaruh dindingnya sangat penting

dan harus diketahui betul karakteristiknya. Jika bahan dari dinding kamar

ionisasi memiliki komposisi atom yang sama dengan komposisi atom gas

isian di dalamnya, maka kamar ionisasi ini disebut dengan kamar ionisasi

homogen. Jenis dinding lain yang sering digunakan juga ialah dinding

plastik yang mempunyai komposisi atomik seperti komposisi atomik

jaringan-jaringan tubuh manusia, dan diisi dengan gas yang memiliki

komposisi atomik yang sama. Ini disebut dengan Tissue Equivalent

Ionization Chamber .

Keuntungan detektor jenis ini adalah, dapat membedakan energi radiasi

yang memasukinya, serta tegangan kerja yang dibutuhkan dalam

pengoperasiannya tidak terlalu tinggi.

C. Detektor Proporsional

Dibandingkan dengan daerah ionisasi, jumlah pasangan ion yang dihasilkan

di daerah proporsional ini lebih banyak. Karena jumlah pasangan ion lebih

banyak maka tinggi pulsa keluarannya akan lebih tinggi. Detektor yang

bekerja pada daerah ini, pada umumnya memiliki beda potensial kerja

antara 800 s.d. 2000 volt. Karena pulsa keluarannya lebih tinggi, maka

pengukuran radiasi dengan menggunakan detektor ini lebih sering

menerapkan metode pulsa.

Dalam kurva karakteristik di atas dapat dilihat bahwa jumlah pasangan ionyang dihasilkan sebanding dengan energi radiasi yang memasuki detektor,

20


23/73

sehingga detektor ini dapat membedakan energi radiasi. Misalnya: apabila

radiasi alfa dan beta yang memiliki energi radiasi yang sama besar, maka

radiasi alfa dapat menimbulkan pulsa yang lebih tinggi daripada radiasi .

Namun demikian, jumlah pasangan ion atau tinggi pulsa keluaran yang

dihasilkan juga dipengaruhi oleh tegangan kerja detektor.

Dalam kurva tersebut slope kurva pada daerah proporsional berbentuk

curam, yang artinya adalah sedikit saja perubahan beda potensial/tegangan

kerja detektor maka akan meningkatkan jumlah pasangan ion juga

avalenche -nya yang lebih banyak secara signifikan. Karena sifat detektor

ini, maka tegangan operasi yang diperlukannya harus sangat stabil.

Selain dipengaruhi oleh tegangan kerjanya, besarnya multiplikasi muatan

juga tergantung pada diameter anoda. Apabila diameter anoda kecil, maka

multiplikasi muatan yang terjadi akan semakin besar.

Elektron-elektron yang terbentuk dari hasil proses ionisasi primer yang

tertarik ke elektroda positif dan negatif akan mengakibatkan proses ionisasi

sekunder. Proses ionisasi sekunder mengakibatkan jumlah ion sekunder,

atau yang lebih dikenal dengan nama avalenche menjadi lebih banyak

sehingga faktor pelipatan (multiplikasi) akan menjadi lebih besar dari satu.

Proses ionisasi sekunder dapat meningkatkan jumlah ion sebanyak 10000

kali lipat dari jumlah ion primer. Hal ini berarti bahwa untuk setiap elektron

yang dihasilkan dalam proses ionisasi primer akan menghasilkan tambahan

10000 elekton lagi karena terjadinya proses ionisasi sekunder ini.

Campuran dan tekanan gas isian harus dipilih agar proses multiplikasi

bersifat linear dengan radiasi yang diterima. Di samping itu pula, campuran

gas isian harus dapat juga berfungsi sebagai penghenti proses multiplikasi.

Sifat multiplikasi yang diskrit dan linear terhadap energi radiasi merupakan

sifat dasar detektor proporsional. Tekanan gas isian menentukan pula

proses multiplikasi.

21


24/73

Output-nya berupa rangkaian pulsa yang kemudian dihitung dengan

menggunakan sirkuit penghitung. Rentang waktu terbentuknya pulsa serta

pergerakan pulsa tersebut menuju sirkuit penghitung berhubungan dengan

waktu-mati ( dead-time ) dan resolusi detektor.

Pada umumnya waktu-mati detektor proporsional sangat singkat, kurang

dari microsekon. Singkatnya, waktu-mati detektor proporsional

memungkinkan bagi detektor ini untuk dapat menghitung laju pulsa yang

tinggi. Amplitudo untuk masing-masing pulsa pada umumnya sangat kecil,

lebih kurang berorde milivolt. Agar amplitudo pulsa ini dapat dibaca dan

dihitung, maka diperlukan proses preamplification . Sedangkan untuk

meningkatkan kemampuan resolusi detektor, dapat digunakan pulse height

discrimination circuit .

Secara teoritis, detektor yang sama dapat digunakan sebagai kamar ionisasi,

detektor proporsional, atau penghitung Geiger Muller. Perbedaan mendasar

dari ketiga jenis detektor ini adalah terletak hanya pada perbedaan tegangan

kerjanya. Namun, pada kenyataannya dan juga karena pertimbangan

ekonomis-praktis, maka ketiga jenis detektor ini dibuat secara terpisah.

Gas flow proportional counters , adalah salah satu jenis detektor

proporsional yang sering digunakan untuk perhitungan sampel dalam fisika

kesehatan. Detektor ini memiliki end-window yang sangat tipis agar

memungkinkan partikel alfa dan beta dapat memasuki detektor. Gas flow

artinya adalah harus ada aliran gas yang masuk pada bilik penghitung,

untuk menggantikan gas isian yang telah didifusikan keluar detektor

melalui end-window yang sangat tipis tersebut.

Campuran gas yang pada umumnya digunakan pada detektor jenis ini salah

satunya adalah campuran inert gas dan hidrokarbon, antara lain: gas P-10,

yang terdiri dari 90% gas argon dan 10% metana.

D. Detektor Geiger Muller

22


25/73

Detektor ini merupakan salah satu jenis detektor yang tertua dan sampai

dengan sekarang masih sering digunakan, khususnya dalam bidang proteksi

radiasi. Penggunaan detektor ini untuk pertama kalinya diperkenalkan oleh

Geiger dan Muller pada tahun 1928. Detektor G-M merupakan alat

pencacah radiasi yang sederhana dan tidak dapat digunakan untuk

keperluan spektroskopi.

Beberapa peralatan ukur radiasi portabel, menggunakan detektor jenis

Geiger Muller. Dari sudut pandang elektronika, detektor G-M sangat

sederhana dan juga ekonomis serta pengoperasiannya yang mudah.

Detektor ini bekerja pada daerah Geiger Muller. Pada umumnya, sebagai

bahan gas isiannya dipilih menggunakan gas P-10, seperti halnya gas isian

pada detektor proporsional. Namun sering juga digunakan gas Helium dan

Argon sebagai gas isiannya.

Jumlah pasangan ion dalam gas isian yang terjadi karena radiasi, pada

detektor yang bekerja di daerah ini sangat banyak, bahkan dapat mencapai

nilai saturasinya. Tinggi rendahnya pulsa keluaran tidak tergantung pada

energi radiasi yang memasukinya. Berapa pun besarnya energi radiasi yang

memasuki jendela detektor, banyaknya pasangan ion yang dihasilkan sama

dengan nilai saturasinya. Jadi pulsa keluaran tabung G-M hanya

menunjukan tinggi rendahnya muatan listrik yang terkumpul. Karena

jumlah muatan listrik yang terkumpul sangat besar (sekitar 10 9 s.d. 10 10

pasangan ion), sehingga amplitudo pulsa keluarannya relatif tinggi (dalam

orde volt). Tingginya amplitudo pulsa keluaran merupakan salah satu

keunggulan detektor G-M, karena tidak memerlukan rangkaian sirkuit

elektronika penguat pulsa ( pre-amplifier ).

Detektor G-M pada umumnya dapat menghitung radiasi dengan

menerapkan metode pulsa sama halnya dengan detektor proporsional, dan

juga dapat menghitung radiasi dengan menerapkan metode arus sama

seperti halnya detektor kamar pengionan.

23


26/73

Tingginya tegangan kerja tabung detektor G-M, akan menimbulkan medan

listrik yang tinggi. Tingginya medan listrik pada tabung detektor G-M

dapat mengakibatkan terjadinya guguran elektron ( electron avalenche ).

Pada kondisi tertentu, satu guguran elektron menjadi pemicu terjadinya

guguran elektron berikutnya pada tempat yang berbeda di dalam tabung.

Pada satu nilai beda potensial tertentu, medan listrik akan bersifat kritis,

artinya setiap terjadinya guguran satu elektron akan diikuti oleh rata-rata

satu guguran elektron lainnya. Peningkatan jumlah guguran elektron

menyebar dengan cepat. Secara teoritis, jumlah guguran elektron dapat

meningkat secara eksponensial dalam rentang waktu yang singkat.

Elektron-elektron bebas yang terbentuk karena adanya guguran elektron

mengakibatkan molekul-molekul pada gas isian akan mengalami eksitasi.

Dalam rentang waktu yang singkat (orde nanosekon), molekul-molekul gas

yang tereksitasi tersebut akan kembali stabil, artinya elektron-elektron pada

molekul gas isian yang tereksitasi akan kembali pada tingkat

energi/orbitnya semula. Perpindahan elektron dari keadaan tereksitasi

menuju keadaan semula memancarkan gelombang elektromagnetik, dengan

panjang gelombang yang berada pada rentang panjang gelombang cahaya

tampak.

Gelombang elektromagnetik ini adalah elemen penting dalam reaksi rantai

yang terjadi dalam tabung G-M. Apabila satu foton berinterkasi fotolistrik

dengan atom/molekul gas isian maka akan terbentuk satu elektron bebas.

Elektron bebas tersebut akan bergerak menuju anoda dan akan memicu

terjadinya guguran elektron lain. Karena keadaan tereksitasinya molekul

gas isian sangat singkat, sementara foton bergerak dengan kecepatan

cahaya, maka terbentuknya elektron bebas yang dihasilkan dari proses

fotolistrik (elektron sekunder) hampir bersamaan dengan terjadinya

guguran elektron yang pertama.

Ketika Geiger discharge mencapai angka tertentu, efek kolektif dari

guguran elektron berperan dalam menghentikan rantai reaksi yang terjadidalam tabung G-M. Berhentinya rantai reaksi dalam tabung G-M akan

24


27/73

terjadi setelah kira-kira jumlah guguran elektron berikutnya sama dengan

jumlah elektron sebelumnya, maka seluruh pulsa keluaran memiliki besar

amplitudo yang sama, dan tidak tergantung pada jumlah pasangan ion awal

yang terjadi pertama kali dalam tabung G-M, sebagai akibat interaksi

radiasi dengan molekul gas isian.

Mobilitas ion positif jauh lebih kecil jika dibandingkan dengan mobilitas

elektron. Ketika konsentrasi ion positif cukup tinggi, maka akan

menurunkan medan listrik dalam tabung. Karena multiplikasi/reaksi rantai

dalam gas isian memerlukan medan listrik di atas harga minimum tertentu,

maka penurunan medan listrik itu akan menghentikan proses Geiger

discharge .

Pada detektor jenis ini, proses discharge terjadi sepanjang anoda. Seluruh

proses discharge terjadi dalam waktu singkat (orde mikrosekon). Waktu ini

lebih kecil dibandingkan dengan waktu yang dibutuhkan untuk membentuk

pulsa keluaran yang timbul karena guguran elektron tunggal.

Proses discharge ini, harus didinginkan secara tiba-tiba ( quenching )

untuk mencegah terjadinya proses discharge yang terus menerus serta

untuk mencegah terjadinya multiplikasi pembentukan pulsa. Setelah proses

Geiger discharge berhenti, ion-ion positif bergerak lambat ke katoda.

Kemudian dinetralisir oleh elektron-elektron yang ada di permukaan

katoda. Dalam proses ini sejumlah energi, yang disebut sebagai fungsi kerja

(work function ), dibebaskan. Energi tersebut sama dengan energi ionisasi

gas dikurangi dengan energi yang diperlukan untuk mengeluarkan elektron

dari permukaan katoda. Jika energi yang dibebaskan tersebut masih

melebihi fungsi kerja katoda, maka energi tersebut mungkin akan

mengeluarkan elektron lagi dari permukaan katoda. Elektron ini akan

bergerak ke anoda, dan akan memicu guguran lain yang akan menjadi

Geiger discharge yang kedua. Maka akan tercatat, pulsa tambahan yang

bukan berasal dari radiasi yang masuk.

25


28/73


29/73

listrik negatif baru sebelum proses pembentukan pulsa keluaran karena

tangkapan muatan listrik negatif sebelumnya selesai.

Apabila detektor digunakan untuk mengukur radiasi yang tinggi, maka

detektor ini akan menunjukan hasil bacaan pulsa awal yang tinggi dan akan

kembali kepada titik nol dengan cepat.

Untuk menghindari terjadinya foldback biasanya tabung G-M dilengkapi

dengan sirkuit elektronik tambahan, ini dilakukan apabila dalam spesifikasi

tabung G-M yang diterbitkan oleh pabrik pembuatnya tidak menyatakan

bahwa: proses foldback tidak akan terjadi.

Segera setelah satu butir partikel masuk detektor, akan terjadi muatan

listrik positif dan negatif dalam gas isian. Muatan positif di dalam tabung

menyebabkan medan listrik dalam detektor menurun. Radiasi yang masuk

pada saat medan listrik menurun tidak dapat menghasilkan pulsa yang

cukup tinggi untuk tercacah. Waktu-mati detektor adalah waktu saat

detektor tidak dapat mencacah sama sekali. Bila sebagian muatan positif

sudah dinetralkan maka kuat medan berangsur-angsur menjadi besar

sehingga pulsa mulai terbentuk lagi walaupun masih kecil. Waktu ini

dinamakan waktu pulih ( recovery time ).

Pada beberapa sistem pencacahan pulsa harus mencapai tinggi amplitudo

tertentu dulu untuk dapat tercacah. Waktu yang dibutuhkan untuk

membentuk discharge kedua yang melebihi amplitudo tersebut disebut

resolving time . Dalam prakteknya, sering disebut dengan waktu-mati saja.

Harga waktu-mati detektor GM sekitar 50-100 sekon/cacah.

Pada detektor GM, jika tegangan dioperasikan dari nol samapi tegangan

yang tinggi dan hasil cacahannya digambarkan maka akan ada bagian yang

datar. Daerah ini disebut plateau. Pada daerah plateau, jika ada perubahan

tegangan, hasil cacahan tidak berubah secara signifikan. Tegangan kerja

yang mulai timbulnya cacah disebut starting voltage . Bila V1 adalah

27


30/73

tegangan mulainya plateau, V2 adalah tegangan batas dari plateau . Lereng

plateau (slope) didefinisikan sebagai berikut:

Rumus plateau slope untuk daerah kerja detektor Geiger Muller adalah:

V

N N PS

=

/

(Persamaan III.1.)

V

N N x PS

= /100(%)

(Persamaan III.2.)

Rumus perubahan prosentase laju cacah setiap perubahan beda potensialsebesar 100 V adalah:

Laju Cacah (Count/Menit)

V1 V2

Beda Potensial (HV)

N1

N2

Gambar Hubungan antara Beda Potensial dengan Laju Cacah Detektor Geiger Muller

28


31/73

100/100

xV

N N PS

=

(Persamaan III.3.)

( )12 1/12104

V V

N N N PS

=

(Persamaan III.4.)

N1 dan N2 adalah laju cacah pada V1 dan V2, jika harganya 10 %/100

volt maka detektor itu baik. Hal ini berarti tegangan berubah 100 volt ada

kenaikan laju cacah 5 %. Di atas V2 tegangan terlalu tinggi untuk detektor

ini sehingga terjadi pulsa yang terus menerus. Jika detektor dioperasikan di

atas tegangan V2, maka akan rusak. Tegangan kerja detektor diambil padadaerah plateau .

Karena satu pasangan ion yang terbentuk dalam gas dapat memicu Geiger

discharge penuh, maka efisiensi pencacahan untuk sembarang partikel

bermuatan yang masuk daerah aktif adalah 100%. Dalam situasi praktis,

efisiensi pencacah efektif ditentukan oleh probabilitas radiasi masuk

jendela detektor tanpa absorpsi atau hamburan.

Ada beberapa alasan mengapa detektor jenis GM jarang digunakan untuk

mendeteksi neutron. Untuk neutron termal gas GM memiliki tampang

lintang tangkapan yang kecil. Gas yang mempunyai tampang lintang

tangkapan yang tinggi (BF6) lebih cocok dioperasikan pada daerah

proporsional.

Neutron cepat dapat mereproduksi inti rekoil dalam gas isian yang dapat

menghasilkan pasangan ion. Karena itu tabung Geiger terutama yang berisi

gas Helium dapat mendeteksi netron cepat. Tetapi detektor isian gas untuk

netron dioperasikan sebagai detektor proporsional.

Sinar gamma dapat dideteksi dengan jalan sinar gamma tersebut

berinteraksi dengan dinding detektor. Interaksi tersebut menghasilkan

elektron. Jika interaksi tersebut terletak di bagian dalam dinding elektron

29


32/73

tersebut bisa masuk gas detektor. Kemudian elektron tersebut dideteksi

oleh detektor GM sebagaimana biasanya.

Efisiensi pencacahan gamma tergantung pada: (1). Probabilitas sinar

gamma yang berinteraksi dengan dinding dan menghasilkan elektron, dan

(2). Probabilitas elektron tersebut mencapai gas dalam tabung GM.

Probabilitas interaksi sinar gamma dengan materi meningkat dengan

naiknya nomor atom materi. Karena itu dinding detektor GM untuk sinar

gamma dibuat dengan materi yang nomor atomya tinggi. Bismuth (z=83)

digunakan secara luas. Bagaimanapun efisiensi GM untuk gamma jarang

lebih besar dari beberapa persen. Ketebalan dinding dibuat sedemikian rupa

agar interaksi besar. Tetapi jika terlalu tebal akan melebihi range elektron

dan elektron tidak bisa mencapai gas, biasanya tebal dinding sekitar 1-2

mm.

Detektor ini dapat dibuat dengan bentuk dan ukuran yang berbeda-beda.

Walau demikian, pada umumnya di lapangan, jenis detektor ini dibuat

dengan bentuk silinder, dan dikenal dengan nama G-M tube . Detektor G-M

yang kecil telah cukup sensitif untuk mengukur dosis radiasi yang rendah.

Bagi detektor jenis kamar ionisasi, untuk memperoleh tingkat sensitivitas

yang sama, harus dibentuk dengan ukuran yang lebih besar. Apabila

detektor jenis ini, akan digunakan untuk mengukur radiasi alfa dan beta,

maka detektor ini harus memiliki jendela detektor yang sangat tipis, yang

memungkinkan partikel alfa dan beta dapat memasukinya.

Secara umum, detektor jenis isian gas tidak cukup efektif untuk mengukur

radiasi gamma. Namun demikian, untuk detektor isian gas jenis G-M

memerlukan rangkaian sirkuit elektronik tambahan dan dipsanang dalam

bungkus padat, apabila digunakan sebagai peralatan survai radiasi gamma.

Apabila detektor G-M akan digunakan sebagai peralatan dose-meter atau

dose-rate meter, maka detektor ini harus memiliki tanggapan (response)

yang sama dengan jaringan tubuh manusia, pada seluruh rentang energinya.

30


33/73

Detektor G-M akan mengalami over-response pada energi kira-kira di

bawah 200 keV, sehingga diperlukan filtrasi yang cocok, yang dipasang

mengelilingi tabung detektor G-M untuk menjamin bahwa respon

energinya linear. Hal ini disebut dengan kompensasi energi.

31


34/73

BAB IV

DETEKTOR SEMIKONDUKTOR

A. Sistim Kerja

Konduktivitas dapat didefinisikan sebagai kemampuan suatu bahan untuk

mengalirkan arus listrik. Detektor semikonduktor, pada prinsipnya bekerja

melalui konsep pengukuran perubahan konduktivitas suatu bahan yang

disebabkan oleh adanya radiasi ionisasi. Detektor semikonduktor memiliki

kesamaan dengan jenis detektor isian gas dalam beberapa prinsip sistem

kerjanya.

Semikonduktor adalah bahan-bahan yang dapat mengalirkan arus listrik,

namun kemampuan daya hantarnya tidak sebaik bahan konduktor, juga

dapat menghambat aliran arus listrik, namun daya hambatnya tidak sebaik

bahan insulator. Pada dasarnya, terdapat juga bahan-bahan isolator yang

terbuat dari bahan semikonduktor tidak dapat mengalirkan arus listrik. Hal

ini disebabkan semua elektronnya berada di pita valensi, sedangkan di pita

konduksinya tidak ditempati oleh elektron.

Detektor bahan semikonduktor, merupakan jenis detektor yang masih baru.

Detektor ini memiliki beberapa keunggulan yaitu lebih efisien

dibandingkan dengan detektor isian gas, karena terbuat dari zat padat, serta

memiliki resolusi yang lebih baik daripada detektor sintilasi.

Energi radiasi yang memasuki bahan semikonduktor akan diserap oleh

bahan, dan memberikan energi yang cukup, sehingga beberapa elektron

dalam kristal berpindah dari pita valensi ke pita konduksi, sehingga

menyisakan hole . Pasangan elektron dan hole ini seperti juga pasangan ion

dalam zat cair atau gas, akan bergerak apabila ada beda tegangan, seperti

ion positif dan ion negatif. Ingat bahwa muatan positif dalam bahan

semikonduktor pada kenyataannya tidak bergerak. Yang sebenarnya terjadi

adalah bahwa hole-hole dalam kristal akan diisi oleh elektron-elektrontetangganya, elektron-elektron yang bergerak ini pun akan

32


35/73

meninggalkan/membuat hole-hole baru di tempatnya semula. Hal ini

menyebabkan seolah-olah hole itu bergerak.

Pada umumnya bahan semikonduktor yang sering digunakan adalah silikon

(Si) dan Germanium (Ge). Untuk meningkatkan daya hantar listrik-nya,

maka ditambahkan bahan pengotor ( doping ). Apabila bahan pengotor

memiliki kelebihan elektron sehingga aliran listrik adalah pergerakan

muatan negatif dalam bahan, yang dikenal dengan sebutan semikonduktor

tipen. Apabila bahan pengotor menambah hole, aliran listrik disebabkan

oleh adanya pergerakan efektif muatan positif dalam bahan, yang dikenal

dengan sebutan semikonduktor tipep.

Detektor terdiri dari tipen dan tipep. Semikonduktor tipen dihubungkan

dengan kutub positif dari tegangan listrik, sedangkan semikonduktor tipep

dihubungkan dengan kutub negatif dari tegangan listrik. Hal ini

menyebabkan pembawa muatan positif akan tertarik ke kutub negatif (atas),

dan pembawa muatan negatif akan tertarik ke kutub positif (bawah). Hal ini

menyebabkan timbulnya lapisan kosong muatan ( depletion layer ). Lapisan

kosong muatan ini sama dengan halnya volume sensitif pada ruangan

dalam kamar ionisasi. Dengan timbulnya lapisan muatan yang kosong ini,

maka tidak akan timbul arus listrik. Bila ada radiasi pengion memasuki

daerah ini, akan terbentuk pasangan ion-ion baru, yaitu elektron dan hole

yang masing-masing akan bergerak ke kutub positif dan kutub negatif.

Tambahan elektron dan hole inilah yang akan menyebabkan terbentuknya

pulsa atau arus listrik. Jadi pada detektor ini, energi radiasi diubah menjadi

energi listrik.

Detektor semikonduktor sangat teliti dalam membedakan energi radiasi

yang mengenainya atau disebut memiliki resolusi yang tinggi. Sebagai

gambaran, detektor sintilasi untuk radiasi gamma biasanya memiliki

resolusi sebesar 50 keV, artinya detektor ini dapat membedakan energi dari

dua buah radiasi yang memasukinya bila kedua radiasi tersebut memiliki

perbedaan energi lebih besar daripada 50 keV. Sedang detektor semikonduktor untuk radiasi gamma biasanya memiliki resolusi 2 keV. Jadi

33


36/73

terlihat bahwa detektor semikonduktor jauh lebih teliti untuk membedakan

energi radiasi.

Sebenarnya kemampuan untuk membedakan energi tidak terlalu diperlukan

dalam pemakaian di lapangan, misalnya untuk melakukan survai radiasi.

Akan tetapi untuk keperluan lain, misalnya untuk menentukan jenis dan

kadar bahan, kemampuan ini mutlak diperlukan.

Kelemahan dari detektor semikonduktor ini adalah harganya lebih mahal,

pemakaiannya harus hati-hati karena mudah rusak dan beberapa jenis

detektor semikonduktor harus didinginkan pada nitrogen cair.

B. Jenis Detektor Semikonduktor

Beberapa jenis detektor semikonduktor:

1. Surface barrier: untuk mengukur radiasi alfa dan beta;

Detektor ini memiliki lapisan jenisp yang sangat tipis, yang diletakan

di atas lapisan jenisn. Detektor ini sangat efektif dalam pendeteksian

partikel bermuatan dan pemisahan tingkat energi yang berbeda-beda.

Kemampuan untuk memisahkan energi yang berbeda-beda disebut

dengan resolusi energi. Detektor surface barrier dapat memisahkan tiga

kelompok partikel alfa dari Am-241 dengan energi 5,486; 5,443; dan

5,389 MeV.

Satu masalah pada detektor surface barrier yang harus mendapat

perhatian adalah permukaan kristal harus selalu tetap bersih dan bebas

dari minyak atau bahan-bahan pengotor lainnya. Selain itu, detektor ini

sangat sensitif terhadap cahaya, karena foton cahaya dapat mencapai

volume sensitif-nya dan menghasilkan pasangan elektron dan hole .

2. PIPS (Passivate Implant Planar Silicon): untuk mengukur radiasi alfa

dan beta;

Salah satu metode yang digunakan untuk memasukan bahan pengotor pada permukaan semikonduktor adalah dengan memberikan paparan

34


37/73

berkas ion pada permukaan menggunakan akselerator. Sebagai contoh:

kristal silikon diberi paparan berkas ion boron, akan memiliki lapisanp

yang terbentuk pada permukaannya. Metode pemberian doping ini akan

membuat kristal lebih stabil dan tidak akan dipengaruhi oleh kondisi

lingkungan.

Detektor ini dapat digunakan dalam spektrometri alfa, monitoring beta,

deteksi beta berenrgi rendah dan ion-ion berat.

3. HPGe: untuk mengukur radiasi gamma;

Detektor semikonduktor germanium memiliki efisiensi yang tinggi

untuk mengukur radiasi gamma, namun pada kenyataannya detektor

Ge(Li) harus tetap berada dalam temperatur yang sangat rendah,

walaupun sedang tidak digunakan, pada umumnya digunakan nitrogen

cair. Hal inilah yang merupakan salah satu keterbatasan jenis detektor

ini. Apabila bahan pengotor dalam kristal germanium tetap rendah, hal

ini dapat menyebabkan untuk mendapatkan volume sensitif relatif lebih

kecil. Jenis detektor ini disebut dengan High Purity Germanium

Detektor. Detektor jenis ini dapat disimpan dalam ruangan dengan

temperatur kamar tanpa menimbulkan kerusakan pada kristalnya,

namun harus tetap didinginkan sebelum digunakan untuk mengurangi

jumlah panas yang ditimbulkan oleh elektron dalam pita konduksi.

Seperti detektor Ge(Li), detektor ini juga efisien digunakan untuk

mengukur radiasi gamma.

4. LEGe: untuk mengukur radiasi Sinar-X dan gamma;

LEGe merupakan kependekan dari Low Energy Germanium Detektor,

merupakan konsep baru dalam geometri detector germanium dengan

beberapa kelebihan tersendiri dibandingkan dengan detector planar atau

coaxial dalam beberapa aplikasi. Detektor LEGe dibuat dengan jendela

bagian depan yang tipis. Kapasitansi detektor lebih kecil daripada

detektor planar dengan ukuran yang sama. Bising ( noise ) pada amplifier

pada umumnya meruapakan fungsi dari kapasitansi detektor, namundetektor LEGe memiliki bising yang lebih rendah, sehingga memiliki

35


38/73

resolusi yang lebih baik pada energi yang rendah dan menengah.

Detektor LEGe memiliki daerah aktif 50 mm2 s.d. 38 mm2 dan dengan

ketebalan berkisar antara 5 mm s.d. 20 mm. . Untuk meningkatkan

respon pada tingkat eneergi yang rendah, biasanya dilengkapi dengan

jendela tipis yang terbuat dari bahan Be. Untuk aplikasi yang

melibatkan energi di atas 30 keV, detektor LEGe dapat dilengkapi

dengan jendela yang terbuat dari bahan alumunium setebal 0,5 mm.

5. SiLi: untuk mengukur radiasi Sinar-X.

Detektor jenis ini sama dengan detektor semikonduktor Ge(Li), namun

memiliki kelebihan yaitu detektor ini dapat disimpan pada temperatur

kamar tanpa menimbulkan kerusakan pada kristal, dan dapat

dioperasikan pada temperatur kamar. Untuk meningkatkan

kemampuannya, detektor ini dapat didinginkan dengan menggunakan

nitrogen cair sebelum digunakan. Silikon memiliki nomor atom yang

lebih rendah dibandingkan dengan germanium, hal ini berarti

kemungkinan berinteraksinya dengan radiasi gamma lebih kecil.

Detektor semikonduktor Si(Li) tidak lebih efisien dalam pengukuran

radiasi gamma, apabila dibandingkan dengan detektor Ge(Li), namun

sangat efisien untuk mengukur radiasi gamma yang memiliki energi

yang rendah (kira-kira kurang dari 150 keV) atau Sinar-X dan partikel

beta atau elektron.

6. Ge (Li)

Detektor semikonduktor yang terbuat dari bahan-bahan seperti silikon

dan germanium, dapat ditambahkan ke dalamnya bahan lithium.

Daerah, tempat ditambahkannya bahan lithium tersebut dinamakan

sebagai intrinsic region atau lithium drifted yang berada di antara bahan

semikonduktor jenis p dan jenis n. Besar kecilnya ukuran instrinsic

region menentukan volumen sensitif sebuah detektor. Salah satu

kelebihan detektor semikonduktor untuk pengukuran radiasi gamma

adalah ukuran detektor yang pada umumnya berukuran kecildibandingkan dengan detektor isian gas. Jenis detektor yang terbuat dari

36


39/73

bahan semikonduktor, yang ke dalam kristal germanium-nya

ditambahkan bahan lithium disebut sebagai detektor Ge(Li).

Pada temperatur ruangan, atom-atom lithium akan terus bergerak

melalui kristal germanium akan mengubah ukuran instrinsic region, hal

inilah yang menjadikan detektor Ge(Li) harus selalu berada dalam

temperatur yang sangat rendah, bahkan pada saat detektor jenis ini tidak

sedang digunakan. Detektor Ge(Li) merupakan detektor yang efisien

dalam pengukuran radiasi gamma dan memiliki resolusi energi yang

baik.

C. Kelebihan detektor semikonduktor dibandingkan dengan detektor

isian gas

1. Detektor berukuran lebih kecil;

2. Memiliki resolusi energi yang lebih baik untuk seluruh jenis radiasi;

3. Memiliki efisiensi yang lebih tinggi untuk radiasi gamma;

4. Fast timing characteristic yang memungkinkannya dapat mengukur

laju cacah yang tinggi;

5. Memiliki volume detektor efektif yang daoat diatur sesuai dengan jenis

radiasi yang diukurnya.

37


40/73

BAB V

DETEKTOR SINTILASI

A. Sistim Kerja

Detektor sintilasi selalu terdiri dari dua bagian, yaitu: bahan sintilator dan

photomultiplier. Detektor sintilasi bekerja memanfaatkan radiasi

fluoresensi (biasanya cahaya) yang dipancarkan ketika elektron dari

keadaan tereksitasi kembali ke keadaan dasarnya pada pita valensi. Bahan

yang dipilih sebagai bahan detektor adalah bahan yang memungkinkan

peristiwa kerlipan cahaya tersebut dapat terjadi dalam waktu yang sangat

cepat (kira-kira 1 sekon).

Bahan sintilator merupakan suatu bahan padat, cair maupun gas, yang akan

menghasilkan percikan cahaya bila dikenai radiasi pengion. Photomultiplier

digunakan untuk mengubah percikan cahaya yang dihasilkan bahan

sintilator menjadi pulsa listrik. Mekanisme pendeteksian radiasi pada

detektor sintilasi dapat dibagi menjadi dua tahap, yaitu:

Proses pengubahan radiasi yang mengenai detektor menjadi kerlipan

cahaya di dalam bahan sintilator;

Proses pengubahan kerlipan cahaya menjadi pulsa listrik di dalam

tabung photomultiplier.

Penyerapan radiasi gamma yang berenergi 1 MeV dalam detektor sintilasi

menghasilkan kira-kira 10.000 eksitasi elektron, dan jumlah radiasi

elektromagnetik dalam bentuk cahaya. Efisiensi pendeteksian detektor gas

terhadap radiasi gamma sangat rendah kira-kira 1%. Dengan mengguakan

kristal sintilasi padat, dapat diperoleh efisiensi pendeteksian radiasi gamma

yang cukup tinggi, bervariasi antara 20 s.d. 30 %.

38


41/73

B. Bahan sintilator

Dalam kristal bahan sintilator terdapat pita-pita atau daerah yang

dinamakan sebagai pita valensi dan pita konduksi yang dipisahkan dengan

tingkat energi tertentu. Pada keadaan dasar ( ground state ), seluruh elektron

berada di pita valensi sedangkan di pita konduksi kosong. Ketika terdapat

radiasi yang memasuki kristal, terdapat kemungkinan bahwa energinya

akan terserap oleh beberapa elektron di pita valensi, sehingga elektron

tersebut dapat melompat ke pita konduksi. Beberapa saat kemudian

elektron-elektron tersebut akan kembali ke pita valensi melalui pita energi

bahan aktivator sambil memancarkan percikan cahaya.

Jumlah percikan cahaya sebanding dengan energi radiasi diserap dan

dipengaruhi oleh jenis bahan sintilatornya. Semakin besar energinya

semakin banyak percikan cahayanya. Percikan-percikan cahaya ini

kemudian ditangkap oleh photomultiplier.

C. Jenis Detektor Sintilasi

Beberapa kristal sintilator yang sering digunakan adalah sebagai berikut:

1. Kristal NaI(Tl): digunakan untuk mengukur radiasi gamma dan Sinar-

X.

Detektor sintilasi NaI(Tl) dibuat dari kristal tunggal natrium iodida

(NaI) yang sudah sedikit diberi pengotor Talium (Tl). Karena kristal

NaI bersifat higroskopis, maka kristal tersebut ditutup rapat-rapat dalam

wadah alumunium (Al) yang dilapisi cromium (Cr). Di antara kristal

NaI(Tl) dan dnding wadah Al dimasukan reflektor berupa serbuk

mangan oksida (MnO) atau Alumunium trioksida (Al2O3). Kristal

NaI(Tl) direkatkan pada sebuah tabung pelipat ganda elektron

menggunakan perekat bening yang terbuat dari silikon. Pada ujung

tabung pelipat ganda elektron terdapat elektroda peka cahaya yang

disebut fotokatoda.

2. Kristal ZnS(Ag): digunakan untuk mengukur radiasi alpha dan beta;

39


42/73

3. Kristal LiI(Eu): digunakan untuk mengukur radiasi neutron lambat

karena unsur Li akan bereaksi dengan neutron menghasilkan partikel

alfa. Partikel alfa yang dihasilkannya akan mengeksitasi bahan

sintilator sehingga mwnghasilkan percikan cahaya. Jadi proses sintilasi

di sini terjadi secara tidak langsung.

4. Sintilator organik: sintilator organik ini dibuat dari bahan organik

seperti anthracene atau stilbene. Sintilator ini dapat berupa cair

(sintilator cair) atau berupa padat. Kegunaan utama sintilator cair ini

adalah untuk pengukuran radiasi beta aktivitas rendah ( low level

counting ).

D. Tabung photomultiplier

Sebagaimana telah dibahas sebelumnya, tabung multiplier berfungsi untuk

mengubah percikan cahaya tersebut menjadi berkas elektron, sehingga

dapat diolah lebih lanjut sebagai pulsa/arus listrik.

Tabung multiplier terbuat dari tabung hampa yang kedap cahaya dengan

photokatoda yang berfungsi sebagai sensor cahaya pada salah satu

ujungnya. Photokatoda yang ditempelkan pada bahan sintilator, akan

memancarkan elektron bila dikenai percikan cahaya. Elektron yang

dihasilkan akan diarahkan, dengan perbedaan potensial, menuju dinode

pertama. Dinode tersebut akan memancarkan beberapa elektron sekunder

bila dikenai oleh elektron.

Elektron-elektron sekunder yang dihasilkan dinode pertama akan menuju

dinode kedua dan dilipatgandakan kemudian ke dinode ketiga dan

seterusnya sehingga elektron yang terkumpul pada dinode terakhir

berjumlah sangat banyak. Dengan sebuah kapasitor kumpulan elektron

tersebut akan diubah menjadi pulsa listrik.

40


43/73

Apabila radiasi gamma memasuki tabung detektor maka akan terjadi

interaksi radiasi gamma dengan bahan detektor. Interaksi itu dapat

menghasilkan efek fotolistrik, hamburan compton dan produksi pasangan.

Karena reaksi ini maka elektron-elektron bahan detektro akan terpental

keluar sehingga atom-atom itu berada dalam keadaan tereksitasi. Atom-

atom yang tereksitasi akan kembali ke keadaan dasarnya sambil

memancarkan kerlipan cahaya. Cahaya yang dipancarkan itu selanjutnya

diarahkan ke foto katoda sensitif. Apabila foto katoda terkena kerlipan

cahaya, maka dari permukaan foto katoda itu akan dilepaskan elektron.

Antara foto katoda dan anoda terdapat dinoda-dinoda yang diberi tegangan

tinggi dan diatur sedenikian rupa sehingga tegangan dinoda yang di

belakangnya selalu lebih tinggi daripada tegangan dinoda di depannya.

Perbedaan tegangan antara dinoda kira-kira 100 volt. Elektron yang

dilepaskan oleh fotokatoda akan dipercepat oleh medan listrik dalam

tabung pelipat ganda elektron menuju dinoda pertama. Dalam proses

tumbukan antara elektron dan dinoda akan dilepaskan elektron-elektron

lain yang kemudian dipercepat menuju dinoda kedua dan seterusnya.

Dinoda terakhir yang terdapat dalam tabung pengganda elektron berupa

anoda.

Hasil akhir jumlah pelipatan elektron tergnatung pada jumlah dinoda.

Tabung pelipat ganda elektron yang mempunyai 10 tingkat

dinodamisalnya, pada anoda (dinoda terakhir yang sekaligus berperan

sebagai pelat pengumpul elektron) bisa didapatkan faktor penggandaan

elektron antara 107-108. Dengan demikian, sinar gamma yang dideteksi

akan menghasilkan pulsa listrik sebagai keluaran dari detektor NaI(Tl).

Tenaga elektron yang dilepaskan ini bergantung pada intensitas sinar

gamma yang mengenai detektor. Makin tinggi energi elektron, makin tinggi

pula pulsa listrik yang dihasilkannya, sedang makin banyak elektron yang

dilepaskan, makin banyak pula cacahan pulsanya.

Pulsa listrik dari detektor akan diproses lebih lanjut oleh penguat awal dari peralatan elektronik berupa penganalisis saluran ganda (MCA) sehingga

41


44/73

pada layar penganalisis itu dapat ditampilkan spektrum radiasi gamma yang

ditangkap oleh detektor. Data tampilan spektrum gamma pada layar

penganalisis dapat dipakai untuk analisis spektrometri gamma baik secara

kuantitatif maupun kualitatif.

Detektor sintilasi NaI(Tl) memiliki efisiensi yang cukup baik untuk radiasi

gamma. Kerlipan cahaya yang dipancarkan dari bahan pemendar memiliki

panjang gelombang sekitar 4200 angstrom pada temperatur kamar dengan

waktu peluruhannya 0,25 detik. Waktu peluruhan ini merupakan waktu

yang diperlukan untuk memancarkan sekitar 63 % dari cahaya foton yang

disimpan oleh bahan detektor. Kadar Talium sebanyak 0,1 % akan

menghasilkan efisiensi detektor yang lebih besar dengan menurunnya

temperatur.

Karakteristik dari detektor NaI(Tl) ini, adalah:

a. Memiliki pancaran kerlipan cahaya yang tinggi dari energi radiasi yang

tersimpan dalam bahan detektor;

b. Memiliki nomor atom (Z) yang tinggi karena adanya atom Iodine (I):

c. Bahan pemendar padat dengan rapat jenis sebesar 3,57 gr/cm3 memiliki

kemungkinan interaksi per cm yang cukup tinggi,

Untuk pencacahan beta, dapat dengan cara melarutkan sampel pada bahan

sintilator toluenen,, hal ini dapat meningkatkan efisiensi pencacahan

sebesar 100 %.

42


45/73

BAB VI

DETEKTOR NEUTRON

A. Sistim Kerja

Neutron merupakan partikel yang tidak bermuatan listrik seperti elektron

dan proton. Karena tidak bermuatan, neutron tidak dapat menyebabkan

ionisasi secara langsung terhadap materi yang dikenai atau dilewatinya.

Namun demikian, apabila neutron berinteraksi dengan materi, neutron akan

menyebabkan ionisasi sekunder. Dengan melakukan deteksi/pengukuran

terhadap partikel/ion hasil dari proses ionisasi sekunder, inilah pengukuran

terhadap radiasi neutron dapat dilakukan.

Neutron cepat ( fast neutron ) dapat dideteksi melalui hasil interaksinya

dengan bahan-bahan yang banyak mengandung atom hidrogen. Jenis

interaksi antara neutron dengan inti atom hidrogen adalah tumbukan elastis.

Tumbukan elastis antara neutron dengan inti atom hidrogen akan

mengeluarkan partikel proton dari inti atom. Deteksi terhadap neutron

dilakukan dengan ionisasi yang dilakukan oleh proton yang keluar dari inti

atom hidrogen akibat tumbukan ini. Untuk deteksi neutron cepat sering

digunakan alat ukur proporsional dengan bahan isian yang memiliki kadar

atom hidrogen yang tinggi, seperti polietilin. Peralatan ini memiliki

kepekaan yang sangat rendah dan sulit untuk melakukan pengukuran di

bawah laju dosis radiasi 50 Sv/jam.

Interaksi nuklir yang sering terjadi, yang digunakan dalam deteksi neutron

adalah reaksi antara neutron dengan bahan boron-10 dan lithium-6. Boron-

10 memiliki penampang lintang tangkapan yang tinggi (4010 barn)

terhadap neutron termik. Interaksi antara neutron dengan kedua bahan ini

menghasilkan radiasi partikel alfa. Partikel alfa ini yang akan melakukan

ionisasi terhadap bahan detektor.

43


46/73

Neutron termik dapat dideteksi pula dengan memanfaatkan interaksi antara

neutron dengan helium-3 yang menghasilkan proton dan tritium. Sistem

pendeteksian ini lebih disukai dibandingkan dengan pendeteksian yang

menggunakan gas boron-10, karena reaksi ini tidak sensitif terhadap

gangguan sinar gamma. Dalam daerah yang memiliki radiasi campuran

sinar gamma dan neutron, lebih mudah melakukan pengukuran neutron

dengan menggunakan detektor proporsional.

Tiga jenis interaksi yang pertama disebutkan merupakan interaksi neutron

yang sering terjadi pada neutron dengan energi kira-kira/kurang dari 0,5

eV. Neutron dengan tenaga ini disebut sebagai neutron lambat.

B. Jenis detektor neutron

1. Boron trifluoride proportional counter

Gas Boron trifluoride, diperkaya dengan boron-10 digunakan dalam

penghitung proporsional isian gas. Pada prinsipnya, detektor jenis ini

sangat peka/sensitif untuk mengukur radiasi neutron termik, dan tidak

sensitif untuk neutron cepat. Apabila detektor ini digunakan untuk

mendeteksi neutron dengan energi intermediate dan cepat (energinya di

atas 1 MeV), detektor ini harus ditambahkan dengan dikelilingi oleh

bahan pemoderasi neutron, seperti polyethylene, untuk mengurangi

energi/kecepatan neutron cepat menjadi neutron termal. Filter yang

terbuat dari bahan cadmium dapat ditambahkan untuk lebih

menyeragamkan respon energi.

Detektor ini dapat digunakan untuk mengukur radiasi neutron dengan

energi mulai dari energi thermal sampai dengan energi 10 MeV.

Detektor ini dapat dipakai untuk membedakan laju dosis neutron termik

dan neutron cepat di medan radiasi neutron campuran dengan

memodifikasi teknik pengukuran sebagai berikut:

44


47/73

Jika detektor ini dipakai untuk pengukuran langsung (tanpa

ditambah bahan moderator), maka akan terpantau oleh detektor

hanyalah laju dosis neutron termik saja;

Jika detektor ini diberikan bahan tambahan moderator polietilin dan

dilapisi lempeng filter bahan cadmium, maka neutron termik akan

terserap oleh bahan filter cadmium, sehingga yang terdeteksi hanya

neutron cepat saja.

2. Boron lined proportional counter

Boron digunakan sebagai pelapis ( liner ) di dalam dinding proportional

counter yang memungkinkan dikatakan sebagai proportional gas

daripada boron trifluoride. Namun untuk tingkat stabilitasnya tidak

sebaik stabilitas yang dimiliki oleh boron trifluoride proportional

counter.

3. Helium proportional counter

Helium propotional counter menggunakan helium sebagai bahan target

radiasi partikel neutron dan sebagai gas isian dalam detektor. Dalam hal

aspek-aspek yang lainnya, jenis detektor ini sama dengan detektor jenis

boron trifluoride proportional counter.

4. Gas recoil proportional counter

Neutron dengan tingkat energi di atas 500 keV dapat dideteksi dengan

menggunakan proportional counter yang diisi dengan gas seperti

methane yang berisi porsi lebih banyak atom hidrogen, neutron cepat

akan bertumbukan dengan atom hidrogen. Secara alternatif, atom

hidrogen dapat diperoleh dengan menggunakan bahan seperti

polyethylene pada dinding counter. Counter ini ditutup/dilapisi dengan

lembaran tipis cadmium yang akan meng-absorp neutron slow dan

neutron thermal.

45


48/73

5. Superheated drop detector

Superheated drop detector berisi microscopic liquid drops dalam bahan

seperti gel. Neutron yang datang akan memberikan energinya pada liquid

drops tersebut untuk membuatnya mendidih dengan cepat dan berubah

menjadi butiran-butiran/gelembung. Terdapat audible pop yang

dikumpulkan dan direkam dengan menggunakan peralatan tertentu.

Cartridge yang berisi superheated liquid harus diganti pada saat seluruh

drops telah mendidih.

Pengukuran laju dosis ekuivalen dari neutron sulit untuk dilakukan karena

faktor kualitas untuk neutron ini cukup bervariasi tergantung pada

energinya. Salah satu alat yang dapat secara langsung dapat mengukur

laju dosis ekuivalen dari neutron adalah neutron rem meter. Alat ini pada

umumnya digunakan untuk pendeteksian neutron di instalasi nuklir. Alat

ini dapat dipasang pada posisi yang tetap atau dapat juga bersifat portable.

46


49/73

BAB VII

ALAT UKUR RADIASI PERORANGAN

A. Sifat alat ukur radiasi perorangan

Alat ukur atau lebih tepatnya dikatakan alat monitor radiasi perseorangan,

ada pula yang menyebutnya sebagai dosimeter perorangan harus bersifat

ringan dan mudah untuk dibawa kemana-mana. Selain itu pula, harus

terbuat dari bahan yang cukup kuat agar dapat menahan penggunaan sehari-

hari, harus dapat mendeteksi dan mencatat dosis radiasi yang kecil maupun

yang besar, secara konsisten dan tepat. Pengaruh-pengaruh

eksternal/lingkungan seperti: temperatur yang tinggi, kelembaban, dan

mechanical shock tidak boleh mempengaruhi unjuk kerja alat ini. Karena

banyak Pekerja Radiasi (PR) yang diharuskan menggunakan alat ini, secara

ekonomis alat ini pun semaksimal mungkin memiliki harga yang murah.

Ditinjau dari dari sudut pandang tingkat sensitivitasnya, jenis alat monitor

perseorangan dikelompokan lagi sesuai dengan medan radiasi dan jenis

radiasi yang ada dalam lingkungan pekerjaan tempat Pekerja Radiasi yang

bersangkutan tersebut bekerja. Contohnya: untuk dosimeter film emulsi,

dikelompokan menjadi: (1). Dosimeter film neutron, yang digunakan untuk

memonitor dosis radiasi neutron, dan (2). Dosimeter film gamma, yang

digunakan untuk memonitor dosis radiasi gamma. Demikian halnya dengan

TLD, ada yang didesain untuk memonitor radiasi beta (elektron), radiasi

sinar gamma, maupun campuran berbagai jenis radiasi seperti: beta-

gamma, neutron-gamma, serta neutron-beta-gamma.

Interpretasi dan evaluasi terhadap penerimaan dosis radiasi yang telah

diterima oleh pekerja radiasi didasarkan pada hasil rekaman alat monitor

perorangan ini. Evaluasi ini, pada umumnya dilakukan secara berkala,

misalnya: setiap bulan atau kwartalan. Sebagai penunjang, pada saat

melakukan pekerjaan, pada umumnya pekerja radiasi dilengkapi tidak hanya dengan satu jenis alat monitor radiasi perorangan, yang

47


50/73


51/73

Keuntungan dosimeter saku ini adalah dapat dibaca secara langsung dan

tidak membutuhkan peralatan tambahan untuk pembacaannya. Peralatan

lain yang dibutuhkan adalah charger untuk me-reset skala jarum quartz.

Kelemahannya, dosimeter ini tidak menyimpan informasi dosis yang

telah mengenainya dalam waktu yang lama (sifat akumulasi kurang

baik). Hal ini disebabkab oleh adanya kebocoran elektrostatik pada

detektor. Jadi, meskipun tidak sedang dikenai radiasi, nilai yang

ditunjukan jarum akan berubah. Untuk menghindari kebocoran yang

seperti ini, diperlukan adanya sistem isolasi yang bagus pada

elektrodanya. Laju kebocoran dosimeter yang normal untuk dosimeter

saku yang baik harus kurang dari 3 % dalam periode 48 jam. Dosimeter

yang kebocorannya lebih dari 5 % pembacaan skala penuh per hari tidak

boleh digunakan. Selain itu, dosimeter ini kurang teliti dan memiliki

rentang energi pengukuran tertentu yang relatif lebih sempit

dibandingkan dengan alat monitor perorangan yang lain.

Pada saat ini, sudah dibuat dan dipasarkan dosimeter saku yang

diintegrasikan dengan komponen elektronika sehingga skala

pembacaannya tidak lagi dengan melihat pergeseran jarum, melainkan

dengan melihat display digital yang dapat langsung menampilkan angka

hasil pengukurannya. Dosimeter saku digital ini juga tidak membutuhkan

peralatan charger terpisah karena sudah built-in di dalamnya. Setiap kali

diaktifkan, secara otomatis dosimeter ini menampilkan angka nol.

Jenis dosimeter yang telah disebutkan di atas, digolongkan pada jenis

dosimeter saku jenis baca langsung. Dosimeter saku jenis bacaan

langsung tersedia dengan jangkauan kepekaan skala penuh

penyimpangannya sebesar 1 mSv sampai 100 mSv. Dosimeter ini

memberikan tanggapan dengan tingkat kebergantungannya terhadap

energi cukup tinggi, terutama untuk foton dengan energi kurang dari 300

keV. Terhadap foton dengan energi yang lebih dari 300 keV,

tanggapannya cukup akurat dengan simpangan 10 % dari nilaisebenarnya. Sedang untuk foton dengan energi yang di bawah 300 keV,

49


52/73

kesalahan hasil pembacaannya bisa mencapai faktor 2 atau 3 kali nilai

yang sebenarnya.

Ada pula dosimeter saku jenis kapasitor. Dosimeter ini pada prinsipnya

merupakan detektor kamar ionisasi, namun tidak menghasilkan

tanggapan secara langsung karena muatan listrik yang terkumpul pada

proses ionisasi akan disimpan terlebih dahulu seperti halnya suatu

kapasitor.

Prinsip kerja dari dosimeter saku jenis ini adalah dengan memanfaatkan

fenomena kapasitor listrik. Apabila pada kapasitor diberi muatan listrik

Q, maka antara kedua keping kapasitor akan terdapat perbedaan

potensial sebesar V, yang besarnya adalah V=Q/C, C adalah kapasitas

dari kapasitor. Jika dosimeter menerima radiasi pengion, maka akan

terjadi ionisasi di dalam ruang sensitif kapasitor tersebut. Proses ionisasi

ini menghasilkan ion-ion yang selanjutnya akan tertarik pada keping-

keping kapasitor. Tertariknya ion-ion listrik tersebut mengakibatkan

berkurangnya beda potensial di antara kedua keping kapasitor itu.

Besarnya penurunan keping kapasitor ini sebanding dengan besarnya

dosis radiasi yang masuk.

Pembacaan dosimeter perseorangan ini dengan menggunakan peralatan

khusus, yang berfungsi sekaligus pengisi muatan listrik kapasitor pada

dosimeter ini akan digunakan. Dosimeterr ini pada umumnya memiliki

rentang pengukuran 200 mR atau 2 mSv dengan ketelitian sekitar 15 %

untuk energi foton dari 50 keV sampai 2 MeV.

2. Film Badge

Alat pemantau dosis radiasi perorangan yang lazim digunakan adalah

film badge. Detektor jenis ini menggunakan detektor berupa film

fotografi, serta memanfaatkan sifat radiasi ionisasi yaitu menghitamkan

pelat film yang dilewatinya. Dosimeter film emulsi dibuat dari bahan

dasar berupa selulosa asetat yang dilapisi bahan sensitif radiasi padasalah satu atau kedua permukaannya. Lapisan yang sensitif ini disebut

50


53/73


54/73

Gambar VII.1. Konstruksi Holder Film merk Chiyoda

Radiasi yang mengenai film, akan berinteraksi dan mengionisasi AgBr,

semakin besar radiasi yang mengenainya, maka akan semakin banyak

pasangan ion Ag + dan Br - yang terbentuk. Pemrosesan film dimulai

dengan memasukan film ke dalam larutan developer , Ag + akan berubah

menjadi hitam berwarna perak. Pemrosesan film selanjutnya adalah

dengan memasukan film ke dalam larutan pemantap (fixer), larutan ini

akan melarutkan sisa-sisa AgBr, dan AgBr yang sebagai logam perak

akan semakin diperkuat sebagai film laten.

Sebelum menentukan hasil pembacaan film, harus dibuat terlebih dahulu

kurva kalibrasi. Dengan membandingkan antara tingkat kehitaman film

dengan dosis radiasi yang sebenarnya.

Sensitivitas film dipengaruhi oleh energi radiasi yang mengenainya. Bilamenggunakan filter, maka terdapat suatu batas (cut off) energi. Bila

energi radiasinya lebih besar daripada batas tersebut, maka film akan

sensitif dan sensivitasnya relatif tidak dipengaruhi lagi oleh energi

radiasi. Bila energi radiasinya lebih kecil daripada batas, maka film tidak

sensitif atau film tidak akan mempengaruhi perubahan kimia. Batas

energi tersebut di atas sangat ditentukan oleh jenis filter dan jenis radiasi.

6 7 8

5 43

1 2 Keterangan:1 : Tanpa filter; 2 : Plastik 0,5mm 3 : Plastik 1,5 mm 4 :

Plastik 3,0 mm 5 : Alumunium 0,6 mm 6 : Tembaga 0,3 mm 7 :Sn 0,8 mm + Pb 0,4 mm 8 : Cd 0,8mm + Pb 0,4 mm

52


55/73

Film-film yang digunakan dalam dosimeter film badge sangat tergantung

pada energi dalam kisaran energi yang rendah, dan radiasi gamma

maksimal 0,2 MeV. Ketergantungan energi ini timbul dari kenyataan

bahwa penampang lintang fotoelektrik perak dalam bentuk emulsi

meningkat jauh lebih cepat daripada penampang lintang fotoelektrik

udara atau jaringan tubuh manusia untuk energi foton di bawah 0,2 MeV.

Sensitivitas maksimum film untuk foton gamma teramati pada rentang

tenaga 30 s.d. 40 keV. Di bawah energi ini, tingkat sensitivitas film

menurun karena adanya pelemahan radiasi oleh pembungkus kertas.

Sebagai akibat dari ketergantungan energi ini, film badge tidak berguna

bagi foton Sinar-X yang energinya kurang dari 0,2 MeV, kecuali apabila

filmnya dikalibrasikan dengan radiasi distribusi energi sinar-X.

Dalam penggunaan film badge, perlu diperhatikan dua hal penting yaitu

batas saturasi tingkat kehitaman film dan masalah fadding. Apabila film

telah mencapai batas saturasinya, maka penambahan dosis radiasi tidak

akan mempengaruhi tingkat kehitaman film. Oleh karena itu, film badge

harus sudah diproses sebelum dosis radiasi yang mengenainya mencapai

nilai saturasinya. Beberapa jenis film memiliki tingkat saturasi dosis 2

rad (0,02 gray). Sedangkan masalah fadding adalah peristiwa perubahan

tingkat kehitaman film karena pengaruh temperatur dan kelembaban.

Dosimeter film badge memiliki sifat akumulatif yang lebih baik daripada

dosimeter saku. Keuntungan lainnya adalah film badge dapat

membedakan jenis radiasi yang mengenainya dan memiliki rentang

pengukuran energi yang lebih besar daripada dosimeter saku. Selain itu,

film yang telah diproses dapat digunakan untuk perhitungan yang lebih

teliti serta dapat didokumentasikan. Kelemahannya adalah untuk

mengetahui dosis yang telah mengenainya harus diproses terlebih dahulu

secara khusus serta membutuhkan peralatan tambahan untuk membaca

tingkat kehitaman film, yaitu densitometer.

Film badge mampu mengukur penyinaran sinar gamma antara 10 mR sampai dengan 1800 R yang berasal dari radium, radiasi partikel beta

53


56/73

yang energi maksimumnya 400 keV, dengan dosis radiasi antara 50 mrad

sampai dengan 1000 rad, radiasi neutron thermal dari 5 mrad sampai

dengan 500 rad dan neutron cepat dengan dosis radiasi 4 mrad sampai

dengan 10 rad.

Netron cepat yang energinya di atas 0,5 MeV dapat dimonitor dengan

film penjejak nuklir seperti Eastman Kodak NTA yang ditambahkan

pada film badge. Radiasi neutron pada film badge menyebabkan adanya

proton rekoil (proton yang terpental) yang disebabkan oleh tumbukan

elastis inti atom hidrogen dalam pembungkus kertas, emulsi, dan film.

3. Dosimeter Termoluminensi (TLD)

Dosimeter ini sangat menyerupai dosimeter film badge, hanya detektor

yang digunakan adalah kristal anorganik thermoluminensi, misalnya

bahan LiF. Proses yang terjadi pada detektor ini apabila dikenai radiasi

sama halnya dengan proses detektor sintilasi. Perbedaannya adalah

bahwa cahaya tampak baru akan dipancarkan, setelah kristal dipanaskan.

Proses ini disebut proses termoluminensi. Senyawa lain yang sering

digunakan untuk TLD adalah CaSO 4, CaF 2 yang mengandung bahan

pengotor Mn.

Sebagaimana diketahui bahwa beberapa bahan memiliki kemampuan

untuk menyimpan energi radiasi pengion yang diterimanya. Jika bahan

tersebut mendapat rangsangan berupa energi panas yang cukup maka

akan dipancarkan cahaya tampak dengan intensitas sebanding dengan

energi total yang diserap oleh bahan tersebut. Materi-materi yang

memiliki sifat tersebut disebut fosfor. Selain bahan-bahan yang telah

disebutkan di atas, bahan-bahan lain yang termasuk bahan fosfor, antara

lain: NaCl, LiB 4O7.

Zat padat dengan struktur kristal memiliki berbagai macam kerusakan

kisi-kisi kristal di dalamnya. Beberapa kerusakan kisi-kisi itu disebabkanantara lain oleh hilangnya atom-atom atau ion-ion dari bahan, struktur

54


57/73

bidang kristal yang terputus atau adanya bahan-bahan asing (pengotor)

yang terdapat dalam kristal. Pada daerah di sekitar terjadinya kerusakan

kisi tersebut sering kali terbentuk pusat-pusat muatan listrik yang dapat

menarik muatan listrik yang berlawanan. Oleh sebab itu, jika elektron

bergerak memasuki daerah kerusakan di mana terdapat pusat muatan

positif, maka elektron akan tertarik oleh pusat muatan tersebut.

Sebaliknya ion positif dapat tertarik memasuki daerah kerusakan kisi-kisi

dimana terdapat muatan listrik negatif.

Jika pusat-pusat muatan yang terbentuk cukup kuat, maka pusat muatan

itu mampu mengikat ion yang tertarik padanya. Pusat-pusat muatan yang

cukup kuat itu disebut sebagai perangkap, sedangkan kemampuan

perangkap dalam mengikat ion disebut kedalaman perangkap. Tingkat

kedalaman perangkap tergantung pada tingkat kerusakan kisi. Jika satu

jenis kristal ditambahkan bahan pengotor, maka diperoleh kristal dengan

satu jenis perangkap.

Banyak perangkap-perangkap yang tidak stabil secara termik sehingga

akan melepaskan tangkapannya pada suhu kamar. Pada perangkap yang

stabil, elektron akan tetap terperangkap sampai dengan kisi diberikan

energi panas yang cukup.

Radiasi ionisasi yang memasuki detektor akan berinteraksi dengan kristal

termoluminensi, menyebabkan elektron yang berada dalam pita valensi

berpindah ke pita kon

ansn ind ins alat ukur radiasi

Documents