p~ ~ N~ H t N...t.- .lA.. ~-X k 4. ISSN 1410-')6g6

KEGIATAN HAMBURAN NEUTRON DI SERPONG

Abarrullkram

Puslitbang Iptek Bahan -BATAN, Kawasan Puspiptek Serpong, Tangerang

ABSTRAK

KEGIATAN HAMBURAN NEUTRON DI SERPONG. Peralatan hamburan neutron yang ada di Serpong terdiri dari tiga difraktometer,tiga spektrometer dan sebuah fasilitas radiografi neutron. Peralatan ini dimaksudkan untuk mendayagunakan neutron yang dihasilkan RSG GASterutama untuk litbang iptek bahan. Setelah sembi Ian tahun keberadaannya berbagai perubahan telah te~adi dan berpengaruh pacta kondisi sertakemampuan peralatan tersebut. Makalah ini menyajikan peralatan-peralatan tersebut, kondisi terakhimya serta kegiatan-kegiatan yang melibatkanmasing-masing peralatan tersebut.

ABSTRACT

NEUTRON SCATTERING ACTIVITIES IN SERPONG. Neutron Scattering instruments installed in Serpong consist of threedifractometers, three spectrometers and one neutron radiography facility. These instruments were meant to utilize neutrons produced by the MultiPurpose Research Reactor GA Siwabessy, especially for research and development in materials science and technology. After nine years of theirexistence various and different changes have taken places and affecting the condition and capabilities of the instruments. This paper presents theinstruments, their latest condition and activities involving them.

PENDAHULUAN

Dalarn rangka peningkatan dan perluasan saranalitbang iptek nuklir, pada awal tahun 1980an BAT ANmulai membangun berbagai fasilitas dan instalasi nuklirdi Kawasan PUSPIPTEK Serpong sejalan denganpesatnya pembangunan di Indonesia saat itu. Berbagaifasilitas dan instafasi nuklir tersebut mencakup InstalasiProduksi Elemen Bakar Reaktor Riset, lnstalasi ElemenBakar Eksperimental, lnstalasi Radioisotop danRadiofarmaka, Instalasi Pengolahan Limbah Radioaktif,lnstalasi Keselarnatan dan Keteknikan Reaktor, lnstalasiRadiometalurgi, Fasilitas Pengembangan lnformatika,Fasilitas Perangkat Nuklir dan Rekayasa serta lain-lainsarana pendukung termasuk berbagai sistem pengamanandan keselarnatan yang mutakhir. Deras dan hingarbingarnya pembangunan ini terns memuncak dan mulaimereda 10 tahun kemudian pada awal tahun 1990an.

Dari berbagai fasilitas dan instalasi nuklir yangdibangun itu, Reaktor Serba Guna GA Siwabessy (RSGGAS) merupakan yang paling monumental dan menjadipusat kegiatan ketenaga-nukliran BAT AN di Serpong,termasuk Iptek Nuklir. Reaktor riset ini didisain untukberoperasi dengan claya maksimum 30 MW termal clanmemiliki fluks 2,5 x 1014 n/cm2.detik pada posisi di pusatterasnya. Berbagai fasilitas iradiasi juga tersedia, baik di

teras maupun melalui beam tube nya. Sebagaimanafasilitas clan instalasi nuklir lainnya di Serpong, setelahpembangunan clan commissioning selesai, programpendayagunaan RSG-GAS menjadi pusat perhatian clanprioritas utama. Selain untuk memproduksi radioisotopclan kegiatan litbang untuk reaktor sendiri, RSG-GASjuga disiapkan untuk dimanfaatkan bagi litbang yangmenggunakan neutron dari beam tube nya. Untuk itudibangun lnstalasi Spektrometri Neutron (ISN) yangdilengkapi dengan berbagai peralatan hamburan neutronbeserta fasilitas pendukung yang diperlukannya mulaidari Media Energy Supply, Ruang Sediaan Cuplikan,Bengkel Mekanik, Elektronik clan Optik serta fasilitaskomputer terbaik pada zamannya. ISN ini selesaidibangun clan diresmikan oleh Presiden RI pada bulanAgustus 1992. Sejak itu dimulailah kegiatan hamburanneutron di Serpong.

Fasilitas pemanfaatan neutron ini terutamauntuk analisis struktur bahan dalam rangkapengembangan untuk mendapatkan bahan baru yanglebih baik. Modifikasi dan sintesa untuk mendapatkanbahan baru dengan sifat makro yang lebih baik tidakdapat dilepaskan dari pemahaman terhadap sifat-sifatmikro bahkan sifat atomiknya. Dengan sendirinya selain

~, 6 J~ 200136

~H~N~~~A"" l'~

pemodelan daD simulasi, metoda karakterisasimakroskopik, mikroskopik bahkan metode karakterisasiuntuk struktur atpmik menjadi penting. Teknik hamburanneutron ,merupakan teknik karakterisasi bahan yangselain memiliki keunggulan karena sifat-sifat neutronnyajuga dapat mencakup rentang ukuran pengamatan yangcukup luas, baik makro, mikro apalagi atomik.

Pengembangan Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Bahandiharapkan dapat mencakup : kristalografi dan strukturmagnetik, eksitasi struktur atomik, inhomogenitas dalampaduan logam seperti segregasi, agregasi dan presipitasi,makromolekul dan polimer. Selain itu, ingin puladikembangkan teknik uji tak merusak antara lain analisistegangan sisa, tekstur dan cacat bahan. Untuk itu dipilihperalatan hamburan neutron yang dapat mendeteksiobyek dari berbagai ukuran dalam orde I A sampai mm.Tabel I. menunjukkan berbagai peralatan neutron yangdigunakan sesuai dengan ukuran obyek yang hendakdiamati.

PERALA T AN HAM BURAN NEUTRON

Tabel1. Berbagai peralatan neutron untuk berbagaiukuran obyek

Pada umumnya teknik hamburan neutrondigunakan untuk penelitian struktur tingkat atom,termasuk struktur magnetik, ketidakteraturan (disorder)clan cacat bahan. Selain itu teknik ini juga digunakanuntuk penelitian sistem molekul, gelas (termasuk cairan),polimer, permukaan clan biologi.

Sejak beroperasinya Reaktor Serba Guna GASiwabessy (RSG-GAS) di Serpong yang memproduksineutron termal terbukalah kesempatan untukmengembangkan teknik hamburan neutron untukpenelitian ilmu bahan clan penggunaannya dalamindustri. Reaktor jenis MTR ini menggunakan elemenbakar uranium silisida yang diperkaya dengan U23S « 20%). Terasnya terdiri daTi 40 elemen bakar clan sepuluhbatang kendali yang menghasilkan tluks neutron di teras2,5 x 1014 n/cm2.detik, pada daya maksimum 30 MWtermal. Ada enam tabung berkas yang dapat menyalurkanneutron daTi teras reaktor, dua buah diantaranyatangensial (S2 clan S6) clan lainnya radial. Hanya empatdaTi 6 tabung berkas tersebut yang digunakan untukkegiatan hamburan neutron [I]. Gambar Imemperlihatkan instalasi clan tala letak peralatanhamburan neutron di dalam balai percobaan reaktor(BPR) clan balai percobaan hamburan neutron (BPHN).Dua tabung pemandu neutron TPN-I clan TPN-2dipasang pada lubang percobaan S5, menembus dindingreaktor clan melalui terowongan sepanjang 35 m, masukke dalam BPHN. Tujuh macam peralatan neutron, yaknitiga difraktometer berbagai jenis (DN I-M, DN2 clanDN3), tiga macam spektrometer (SNl, SN2 clan SN3)clan sebuah fasilitas radiografi neutron telah terpasang,sehingga dapat memperluas ruang lingkup clan

keanekaragaman penelitian.

Tabung Pemandu Neutron (TPN)Tabung Pemandu Neutron (TPN) ini terbuat dari

tabung gelas borkron, berpenampang dalam 33 mrn x 90mrn dengan lapisan Ni58 pada permukaan dalamnya.Gelas borkron dipilih karena mengandung banyak atom-atom boron penyerap neutron termal. Lapisan Ni58 yangdigunakan dapat memantulkan neutron sehingga dapatmenyalurkan neutron ke tempat yang jauh darisumbernya tanpa mengalami penurunan fluks yangberarti. TPN yang dapat menyalurkan neutron ke tempatjauh ini, selain dapat meningkatkan ruang kerja di sekitarperalatan hamburan neutron juga mengurangi latarbelakang pada cacahan detektor.

Dari empat tabung berkas yang disediakanuntuk kegiatan hamburan neutron, tabung berkas 85memiliki diameter terbesar clan dapat dimanfaatkan bagipemasangan 2 buab TPN. TPN-I memiliki panjang total52,5 m dan sebagian (39m) melengkung dengan jari-jarikelengkungan 3926 m dan sisanya lurus. TPN-2memiliki panjang total 70 m sebagian (37m) melengkungke arab berlawanan dengan TPN-I dengan jari-jarikelengkungan 6979 m clan sisanya lurus. Panjanggelombang neutron karakteristik kedua tabung itumasing-masing 2 A clan 1,5 A. Tabung pemandu neutronini hams selalu dalam keadaan hampa udara (10-1 -10-3torr ).

C,cdung RSG.(JAS

Gedung ISN

~PN

]

BPHr Pemasangan dua TPN ini telah memungkinkanpenambahan empat buah spektrometer daD difraktometer,clan tiga diantaranya dit~mpatkan di BPHN yang terletak-40m dari reaktor

BPR

~~r:I~~~Gambar 1. Tata letak peralatan hamburan neutron

Difraktometer NeutronAda tiga buah peralatan neutron yang dapat

digolongkan ke dalarn difraktometer neutron.Ruang lingkup penelitian ilmu bahan dengan

teknik hamburan neutron di Pusat Penelitian dan

37~I ~ J~ 2001

logam. HaT In1 dlIal(UKan aengan mengaman canaya yangdipancarkan oleh layar sintilator dengan sistem TV.

~H~N~~~Af".,v...ll~

terpaksa tidak dapat dioperasikan lagi. Usaha untukpemulihannya sedang dalam penjajakan daD menunggukeputusan pendanaan.

Difraktometer ini menggunakan teknik difraksi neutron

yang bertumpu pada prinsip Bragg. Penggunaan praktisprinsip ini antara lain untuk :.Analisa struktur, misalnya menentukan rasa-rasa

dalam paduan logam atau mineral..Dengan menambah suatu goniometer Euler dapat

dilakukan penentuan tekstur bahan.Dengan menambah perangkat khusus dapat diukur

regangan dalam bahan sehingga dapat ditentukantegangan internal ataupun yang tersisa dalam bahan

Oifraktometer Neutron pertama saat ini digunakan untukmengukur tegangan sisa (ON l-M). Pacta awalnya ON 1-M merupakan difraktometer standar jenis dua-sumbuyang kegunaan utamanya untuk menentukan strukturalkristal dengan cuplikan berupa serbuk. KeistimewaanON l-M adalah dipakainya monokromator parabola yangsaat ini terdiri dari lima kristal tunggal Si(3ll) yangdapat memfokuskan berkas neutron pacta posisi cuplikanserbuk. Hal ini sangat menguntungkan karena tidaksemua bahan dapat dibuat kristal tunggalnya. Oenganbantuan JAERI, Jepang, difraktometer ini telahdikembangkan untuk mengukur tegangan sisa.

Oifraktometer yang kedua disebutOifraktometer Neutron Empat Lingkaran/DifraktometerTekstur (ON2). ON2 digunakan untuk menentukanstruktur kristal tunggal dengan teliti. Alat ini juga dapatmenentukan tekstur bahan. Analisa tekstur denganneutron memberikan informasi rata-rata bulk lebihlengkap dari pacta menggunakan sinar-x karena dayatembus neutron sangat tinggi. Untuk itu ON2 dilengkapi

dengan goniometer empat lingkaran"Oifraktometer ketiga dinamakan Oifraktometer

Neutron Serbuk Resolusi Tinggi (ON3). ON3 inimerupakan difraktometer standar dua-sumbu denganresolusi tinggi". Resolusi ini dicapai dengan pemilihankolimator ketiga dengan divergensi 6' daD sudut "take-off' monokromator 28M mendekati 90°. Oetektorutamanya berupa multicounter yang terdiri dari 32pencacah He3 berjarak 5° daD masing-masing dilengkapikolimator di depannya. Pola difraksi dapat diperolehdengan relatif lebih cepat karena dilakukan secarasirnultan oleh 32 pencacah. Analisis data dilakukandengan program Rietveld. ON3 dipasang pada TPN-2,menggunakan monokromator Ge(3ll). Meja cuplikandan detektor yang sangat berat itu dapat digerakkandengan mudah dengan bantuan bantalan udara (aircushion) yang bergerak di alas lantai dansa (dance floor)yang sangat licin. Pada umumnya kegunaan alat iniuntuk meneliti struktur kristal dari cuplikan serbuk. "

Oari ketiga difraktometer ini, saat ini:hahyaON l-M lab yang masih dapat difungsikan. ON2mengalami kerusakan pada sistem komputemya tigatahun yang lalu daD saat ini masih dalam prosespemulihan dengan menggunakan sistem kontrol altematifyang dapat dibuat sendiri dengan bahan lokal. ON3 mulaimengalami gangguan pula pacta sistem komputemyasejak akhir tahun lalu daD akhirnya pacta akhir bulan lalu

Spektrometer NeutronAda tiga peralatan neutron di Serpong yang

digolongkan ke dalam spektrometer. Spektrometerpertama dikenal dengan nama Spektrometer NeutronTiga Sumbu (SNl). Spektrometer ini disebut demikiankarena mempunyai tiga sumbu, dua sumbu dipakaisebagai difraktometer daD sumbu ketiga untukmenganalisis energi neutron terhambur. SN I dapatberfungsi sebagai :.spektrometer hamburan neutron inelastik dengan

neutron tak terpolarisasi (fonon) atau terpolarisasi

(magnon).difraktometer elastik untuk bahan non magnetik daD

spektrometer neutron terpolarisasi untuk bahanmagnetik.

.dengan penambahan beberapa komponen dapatdigunakan untuk spektrometer analisis polarisasineutron

SNI ditempatkan pada ujung tabung berkas S4di dalam BPR. Spektrometer ini dapat digerakkan denganmudah dengan bantuan bantalan udara yang bergerak diatas lantai dansa. Untuk mendapatkan neutronterpolarisasi SNI dilengkapi dengan polarisatorCu2MnAl (Ill), kolimator magnet dan pembalik spintipe Mezei. Tersedia pula medan elektromagnet, kriostatdaD tungku.

Sejak 6 tahun yang lalu spektrometer inimengalami kerusakan yang sampai saat ini belum dapatditentukan letak daD penyebabnya. Usaha ke arabpemulihan masih ditangguhkan mengingat komplikasiyang ada serta prioritas yang bisa disusun saat inimengingat kemampuan daD pengetahuan maupun

pendanaan.Dua buah spektrometer yang lain bergerak di

bidang yang diberi nama hamburan neutron sudut kecil.Kedua spektrometer itu diberi nama berturut-turutSpektrometer Neutron Hamburan Sudut Kecil (SN2) daDSpektrometer Neutron Hamburan Sudut Kecil ResolusiTinggi (SN-3).

SN2 atau SANS adalah spektrometer yangdiharapkan dapat digunakan untuk mengamati fenomenahamburan neutron elastik pada rentang momentumtransfer -

q: 10-4 <q<O,l A-I

dengan momentum transfer

q = (47t sin<p )/1..

Oisini <p dan A masing-masing adalah suduthamburan dan panjang gelombang neutron. Agardiperoleh q kecil, maka <p harus kecil atau A besar.

~I 6 J~ 200138

~H~N~~~A~(~

daftar pemulihan peralatan berada pada urutan yang lebihbawah.

Untuk mendapatkan <p kecil maka diperlukanspektrometer yang panjang untuk mengakomodasi jarakdetektor-cuplikan yang panjang. Pada SN2 jarak cuplikanke detektor maksimum 18m. Harga q juga dapat dibuatkecil dengan menggunakan A besar yang dapat diperolehdaTi neutron dingin. SN2 tidak menggunakan neutrondingin dan panjang gelombang efektifnya antara 2 A dan4A.

Fasilitas Radiografi Neutron (RNI)RN 1 adalah satu-satunya peralatan neutron yang

bekerja berdasarkan atenuasi neutron, bukan hamburan.Radiografi neutron dapat memberikan informasi yangtidak mungkin diperoleh dengan radiografi sinar-X atausinar gamma. Hal ini disebabkan karena sifat-sifatneutron yang unik antara lain :.teratenuasi oleh bahan-bahan ringan seperti air,

hidrokarbon, boron.menembus bahan-bahan berat seperti baja, timbal.peka terhadap substitusi isotop

RN1 juga mampu memberi bayangan dinamik.Dengan metoda ini real-time imaging dapat dilakukanmisalnya untuk mengamati aliran dua rasa dalam pipalogam. Hal ini dilakukan dengan mengamati cahaya yangdipancarkan oleh layar sintilator dengan sistem TV.Untuk basil gambar yang jelas dipasang image intensifierantara sintilator dengan kamera. Pengembangan untukComputed Tomography (CT) telah pula dilakukan untukmelengkapi RN 1. Dengan teknik ini dapat divisualisasipenampang suatu obyek dengan merekonstruksi berbagaigambar yang didapat dari berbagai posisi pengamatanberbeda.

KEGIATAN HAMBURAN NEUTRON

Dengan melihat keadaan dan kondisi peralatanyang ada (saat ini hanya DNI-M, SN2 dan RNI yangmasih dapat berfungsi) serta keadaan ekonomi yang tidakmenguntungkan, maka kegiatan yang dilakukan meliputi

Teknik harnburan neutron sudut kecil iniberguna untuk mendeteksi cacat berukuran kecil yangtidak terdeteksi oleh mikroskop elektron. Penggunaannyaantara lain untuk [2] :.menentukan ukuran daD distribusi presipitat,

molekul makro bahkan polimer..menentukan ukuran daD distribusi porositas dalarn

barn bara, batuan yang mengandung minyak, semendll.

.menentukan endapan daD agregat dalam paduanlogarn, misalnya pengelompokan Cu dalarn baja dll.

Alat ini dipasang diujung TPN 1 , terdiri daritabung kolimator yang berisi tabung pemandu neutronsepanjang 18m daD tabung detektor yang panjangnyajuga 18m di dalarn mana detektor dapat bergerak secarakontinu. Detektor tersebut adalah detektor dua dimensi(128 x 128 elemen) berisi gas He3. Alat ini diharapkandapat digunakan dalarn penelitian bidang fisika logarn,metalurgi, pengetahuan bahan daD biologi, khususnyapenentuan ukuran daD distribusi cacat, partikel endapan,porositas, polimer daD sebagainya. Dengan berbagaikekurangan yang dimiliki daD kesulitan yangdihadapinya, saat ini SN2 masih dapat berfungsi.

Spektrometer ketiga yakni SN3 yang biasadisebut HRSANS, dipasang pada TPN2 denganmonokromator PG(004). Dua kristal tunggal silikonSi(311) dipasang di alas meja optik, sedangkan cuplikandiletakkan di antara kedua kristal tersebut. Tiga buahdetektor He3 masing-masing untuk monitor, berkaslangsung daD berkas terhambur dapat bergerak denganmudah di alas bantalan udara daD lantai dansa.Sebagaimana SN2 (SANS), spektrometer SN3(HRSANS) ini digunakan untuk mengarnati fenomenaharnburan sudut kecil dengan resolusi tinggi, sehinggadapat mendeteksi inhomogenitas (cacat, endapan, ronggadll) berukuran antara 1000 A-I 0000 A. Berbeda denganSN2 yang mengukur harnburan sudut kecil secaralangsung, SN3 menggunakan dua kristal tunggal silikon.Karena itu spektrometer ini juga disebut difraktometerkristal ganda. Harnburan sudut kecil diarnati denganmengukur kurva ayunan (rocking-curve) tanpa daDdengan cuplikan. Harnburan sudut kecil dari cuplikanmenyebabkan kurva ini melebar. Karena pelebaran kurvaini peka terhadap perubahan suhu, maka seluruhperalatan ini berada dalarn ruang termostatik. Sejak akhirtahun lalu, HRSANS tidak dapat berfungsi lagi karena

kerusakan yang terjadi pada komputer pengontrolnya.Selain itu, spektrometer ini juga memerlukan waktu yangsangat lama untuk pengkalibrasiannya sehingga dalam

Pemberdayaan Fasilitas Hamburan NeutronDalam kegiatan ini diusahakan untuk

memulihkan kembali kondisi beberapa peralatan sesuaiprioritasnya. Pada saat ini sedang dilakukan penerapansistem kontrol altematif pada DN2 yang menghilangkanketergantungan pada experties maupun suku cadang daTiluar negeri. Keberhasilan program ini akan dijadikan titikawal untuk memperbaiki peralatan lain seperti DN3(HRPD), SNI (TAS) maupun SN3 (HRSANS).

Pendayagunaan Perill!ltanPeralatan yangterlibat dalarn kegiatan ini adalah

ON I-M daD SN2 (SANS). Kedua peralatan ini telahbeberapa kali diuji dengan berbagai cuplikan standar daDmeskipun hasilnya belum bisa dikatakan memuaskan tapikeduanya telah menunjukkan kinerja yang dapatdiandalkan untuk menunjang berbagai kegiatanpenelitian, terutama dalarn bidang iptek bahan. Garnbar 2daD 3 menarnpilkan salah satu hasil pengukran dengankedua alat tersebut. .

Pengembangan Pera/atan dan SDMDalam kegiatan ini selain peralatan DNI-M

yang memang terns dikembangkan juga melibatkan

39~I ~ J~ 2001

~ H~ Nc..iM... J;. ~A~I~

berbagai peralatan pendukung, diantaranyapenngembangan sistem kontrol pompa vakum tabungpemandu neutron. Hal ini dapat dilihat sebagai dampakpositif dari program pemberdayaan yang banyakmelibatkan penggantian sistem kontrol. PengembanganSDM juga dilakukan melalui diklat daD pendidikaninformal daD formal lainnya. Selain itu juga sedangdijajaki pengembangan fasilitas radiografi neutron yangsaat ini belum memberikan hasil citra yang memuaskankarena kelemahan pada disain inner co//imator-nya.Pengembangan tersebut akari melibatkan berbagai pihaktermasuk IAEA dengan bantuan tenaga ahlinya.

diharapkan dapat rnernbantu perkernbangan polirner ditanah air. Kerja sarna da~ bantuan pihak lain, terutarnapada tataran yang tepat dan diperlukan akan sangatrnernbantu dalam pencapaian basil yang rnaksirnal.HRPD yang rnerupakan peralatan hamburan neutronyang paling handal dan sangat dibutuhkan rnernerlukanpenggantian sistern kontrol sebelurn dapat dirnanfaatkanlagi untuk penentuan struktur kristal.

UCAPAN TERIMA KASIH

Penulis mengucapkan terima kasih kepadaseluruh star daD teknisi OPT -Balai Spektrometri BA TANyang telah membantu dalam penyiapan makalah initerutama kepada AD Puspitasari daD Yatno yang telahmembantu pengetikannya. Penghargaan yang setinggi-tingginya juga kami sampaikan kepada BapakMarsongkohadi daD Bapak Djajusman alasbimbingannya selama ini. Ucapan terima kasih jugapenulis sampaikan kepada Panitia Seminar NasionalHamburan Neutron daD Sinar-X ke 4 yang telahmemberikan kesempatan untuk menyampaikan makalahini.

KESIMPULAN

BAT AN dengan RSG-GAS nya telah memilikiberbagai peralatan hamburan neutron yang dengan teknikdifraksi, hamburan sudut kecil daD radiografi neutronmampu mengamati fenomena dalam bahan pada rentang10-10 m (angstrom) sampai 10-3 m (mrn). Berbagai teknikkarakterisasi ini telah dimanfaatkan untuk penelitianbahan. Saat ini hanya DN-IM daD SANS yang dapatdifungsikan sementara RN I masih memerlukanpengembangan sebelum dapat diperhitungkan.Pemberdayaan DN2 telah mendekati tahap akhir daDtelah pula memberikan dampak positif padapengembangan peralatan pendukung yang ada.Sementara itu peralatan SANS telah dipersiapkan untukdapat menunjang penelitian bahan, terutama penelitianmakromolekul. Pendayagunaan peralatan SANS saat inidiarahkan pada penelitian di bidang polimer yang

DAFTARPUSTAKA

[1]

[2].

MARSONGKOHADI, Neutron Beam Research atMSRC, 1993J.S. HIGGINS and H.C. BENOIT, Polymers andNeutron Scattering, Oxford Science Publications,1994

40 ~, 6 J~ 2001