By:

Agung Nugroho Catur Saputro,S.Pd.,M.Sc

Lecture Presentation

DETECTION AND MEASUREMENTOF NUCLEAR RADIATION

2

METODE DETEKSI RADIASI

Mengapa kita memerlukan alat deteksi (detektor)

radiasi nuklir

?

METODE DETEKSI RADIASI

Sinar radioaktif (radiasi nuklir) tidak dapat ”dirasakan” oleh panca indera manusia oleh karena itu alat ukur radiasi mutlak diperlukan untuk mendeteksi dan mengukur radiasi nuklir.

Alat deteksi sinar radioaktif dinamakan detektor radiasi.

Deteksi radiasi didasarkan pada dua proses hasil interaksi radiasi dengan materi, yaitu proses ionisasi dan proses eksitasi.

Hal ini menentukan metode deteksi dan jenis detektor yang digunakan.

Detektor radiasi adalah alat atau instrumen yang dipergunakan untuk mendeteksi keberadaan radiasi.

Detektor Radiasi Detektor radiasi merupakan tranducer

(sensor) yang dapat mengenali adanya radiasi nuklir, baik alfa, beta, maupun gamma.

Prinsip kerja detektor berdasarkan pada interaksi radiasi, sehingga menghasilkan besaran fisis lain yang mudah dilihat atau diukur.

Partikel tidak bermuatan seperti neutron ionisasi yang sangat sedikit, bahkan tidak ada ionisasi, sehingga sangat sulit untuk dideteksi.

Detektor bekerja berdasarkan prinsip ionisasi ataupun eksitasi.

Detektor yang bekerja berdasarkan prinsip ionisasi adalah :

a. Detektor isian gas

b. Detektor semikonduktor Detektor yang bekerja berdasarkan prinsip

eksitasi adalah :

a. Detektor sintilasi.

b. Perangkat spektrometer gamma

Mekanisme Pendeteksian Radiasi

Bagaimana mekanisme pendeteksian radiasi

?

Mekanisme Pendeteksian Radiasi

1. Proses ionisasi Ionisasi adalah peristiwa terlepasnya

elektron dari ikatannya di dalam atom. Peristiwa ini dapat terjadi secara

langsung oleh radiasi alpha atau beta dan secara tidak langsung oleh radiasi sinar-X, gamma dan neutron.

Jumlah pasangan ion, elektron yang bermuatan negatif dan sisa atomnya yang bermuatan positif sebanding dengan jumlah energi yang terserap.

N adalah jumlah pasangan ion, E adalah energi radiasi yang terserap dan w adalah daya ionisasi bahan penyerap, yaitu energi yang dibutuhkan untuk menghasilkan sebuah proses ionisasi.

Jadi dalam proses ionisasi ini, energi radiasi diubah menjadi pelepasan sejumlah elektron (energi listrik).

Bila diberi medan listrik maka elektron yang dihasilkan dalam peristiwa ionisasi tersebut akan bergerak menuju ke kutub positif.

Pergerakan elektron-elektron tersebut dapat menginduksikan arus atau tegangan listrik yang dapat diukur oleh peralatan penunjang misalnya Amperemeter ataupun Voltmeter.

Semakin banyak radiasi yang mengenai bahan penyerap atau semakin besar energi radiasinya maka akan dihasilkan arus atau tegangan listrik yang semakin besar pula.

2. Proses Sintilasi Proses sintilasi adalah terpencarnya sinar

tampak ketika terjadi transisi elektron dari tingkat energi (orbit) yang lebih tinggi ke tingkat energi yang lebih rendah di dalam bahan penyerap.

Dalam proses ini, sebenarnya, yang dipancarkan adalah radiasi sinar-X tetapi karena bahan penyerapnya (detektor) dicampuri dengan unsur aktivator, yang berfungsi sebagai penggeser panjang gelombang, maka radiasi yang dipancarkannya berupa sinar tampak.

Proses sintilasi ini akan terjadi bila terdapat kekosongan elektron pada orbit yang lebih dalam.

Kekosongan elektron tersebut dapat disebabkan karena lepasnya elektron dari ikatannya (proses ionisasi) atau loncatnya elektron ke lintasan yang lebih tinggi bila dikenai radiasi (proses eksitasi).

Jadi dalam proses sintilasi ini, energi radiasi diubah menjadi pancaran cahaya tampak. Semakin besar energi radiasi yang diserap maka semakin banyak kekosongan elektron di orbit sebelah dalam sehingga semakin banyak percikan cahayanya.

Detektor Isian Gas Detektor isian gas merupakan detektor yang

paling sering digunakan untuk mengukur radiasi.

Detektor ini terdiri dari dua elektroda, positif dan negatif, serta berisi gas di antara kedua

elektrodanya. Elektroda positif disebut sebagai anoda, yang

dihubungkan ke kutub listrik positif, sedangkan elektroda negatif disebut sebagai katoda, yang dihubungkan ke kutub negatif.

Kebanyakan detektor ini berbentuk silinder dengan sumbu yang berfungsi sebagai anoda dan dinding silindernya sebagai katoda

Detektor Isi Gas Prinsip Kerja :

ionisasi gas (Ion-ion yang terjadi di dalam gas terkumpul di katoda dan anoda dan melalui suatu rangkaian elektronik dirubah menjadi pulsa listrik.

Bentuk :

Umumnya berbentuk selinder (Elektroda di tengahnya yang merupakan elektroda positif ( anoda) dan bagian dinding selinder merupakan elektroda negatif (katoda).

Cara Kerja Jika suatu radiasi pengion masuk melalui

gas dalam tabung, maka terjadi ionisasi gas sepanjang lintasan menghasilkan pasangan ion positif dan ion negatif atau elektron.

Ion positif bergerak menuju dinding tabung yang berfungsi sebagai katoda dan elektron bergerak ke arah kawat di tengah tabung yang berfungsi sebagai anoda.

Keluaran detektor ini adalah suatu pulsa tegangan.

Jenis-jenis Detektor Isi Gas

LKM.1 Jelaskan setiap daerah kerja detektor isian

gas!

Daerah Rekombinasi

Daerah Tegangan kerja detektor dimana pasangan ion yang terbentuk akan terjadi rekombinasi membentuk atom netral sebelum mencapai elektroda.

Rekombinasi akan semakin kecil apabila tegangan kerja detektor dinaikan

Kenaikan tegangan kerja menambah jumlah pasangan ion yang terjadi.

Daerah Kamar Ionisasi Pada batas rentang tegangan kerja tertentu, jumlah

pasangan ion (pulsa) yang terjadi tidak tergantung pada tegangan tetapi tergantung pada energi radiasi.

Detektor yang bekerja pada daerah tegangan ini disebut Detektor Kamar Ionisasi.

Pulsa yang terbentuk relatif rendah Efektif mengukur radiasi dengan energi yang besar. Kenaikan tegangan tidak mempengaruhi tinggi pulsa

Daerah Proporsional Elektron yang terbentuk disekitar anoda

memproduksi ionisasi sekunder, shg terjadi multiplikasi pasangan ion (Avalance).

Avalance sebanding dengan energi partikel, shg tinggi pulsa sebanding dengan jumlah ion primer yang terjadi.

Detektor ini disebut Detektor Proporsional. Kenaikan tegangan juga menaikkan tinggi pulsa,

detektor proporsional membutuhkan tegangan kerja yang stabil.

Keuntungan dapat mengukur radiasi dengan energi yang rendah.

Daerah Geiger Muller

Apabila tegangan kerja terus dinaikan, volume sensitif akan meluas sepanjang tabung detektor, sehingga proses ionisasi mengalami titik jenuh.

Tinggi pulsa yang terbentuk sama untuk semua energi Detektor disebut Detektor Geiger Muller. Tidak dapat membedakan energi Sangat baik sebagai counting (c/s) Sering digunakan sebagai control probe detector Bekerja pada daerah Plateau yaitu daerah tegangan

Jenis-jenis Detektor Isi Gas

Kamar ionisasi Detektor pencacah proporsional Detektor Geiger-Muller

1. Kamar Ionisasi

Kamar ionisasi bekerja menggunakan daerah jenuh dan bekerja pada tegangan antara Vo dan V1.

Kamar ionisasi pada umumnya berupa silinder atau bola yang terbuat dari logam. Dindingnya berfungsi sebagai salah satu elektroda, sedangkan elektroda yang lain merupakan batang yang terletak di tengah-tengah.

Kamar Ionisasi

a. Kamar Ionisasi untuk berkas partikel kontinue atau x-ray

b. Kamar Ionisasi dan rangkaian untuk deteksi berkas partikel tunggal

Kamar ionisasi digunakan sebagai alat penghitung partikel alfa.

Pengaruh partikel-partikel beta dan gamma dapat dihilangkan dengan menggunakan kamar yang kecil, karena partikel alfa mempunyai jarak tempuh yang pendek. Pulsa yang dihasilkan dikuatkan dengan penguat (amplifier) tabung hampa, kemudian dihubungkan dengan penghitung mekanik.

2. Electroscope• Elektroskup merupakan peralatan yang paling

awal untuk mendeteksi ionisasi radiasi.• Alat ini cukup sederhana dan dapat mengukur

potensial dari muatan, biasanya terbuat dari dua buah kepingan emas tipis.

• Bahan radioaktif ditempatkan di dalam wadah electroscope bermuatan. Radiasi yang dihasilkan oleh bahan radioaktif tersebut menyebabkan gas yang ada di dalam electroscope tersebut terionisasi.

• Muatan-muatan yan terkumpul pada kepingan itu menyebabkan kepingan itu menyatu (converge). Laju konvergensi itu secara langsung sebanding dengan jumlah ionisasi dan juga sebanding dengan jumlah radiasi.

3. Pencacah Proporsional Pencacah Proporsional merupakan bentuk

modifikasi dari kamar ionisasi, perbedaannya terdapat pada dua aspek.

1. Pada pencacah proporsional salah satu elektroda berupa silinder berlubang (hollow cylinder), dan satu elektroda lagi berupa kawat di dalam silinder sepanjang sumbu silinder itu.

2. Tegangan yang terpasang pada pencacah proporsional lebih besar daripada kamar ionisasi.

Ukuran pulsa akan meningkat sejalan dengan kenaikkan tegangan sampai dengan batas tegangan tertentu.

Ukuran pulsa berbanding langsung dengan jumlah ionisasi primer partikel.

Pencacah Proporsional

Detektor Sintilasi Dalam detektor Sintilasi, radiasi dirubah

menjadi kilatan cahaya. Radiasi berinteraksi dengan material

sintilasi, seluruh energi kinetik radiasi diserap oleh sintilator untuk menghasilkan pulsa-pulsa cahaya yang jumlahnya sebandingan dengan energi radiasi

SKEMA DIAGRAM DETEKTOR SINTILASI

Bahan-bahan Sintilator

Bahan Organik Sintilator Kristal Murni Sintilator Cair Sintilator Plastik Bahan Anorganik NaI(Tl) : untuk Radiasi Gamma dan sinar-X ZnS(Ag) : untuk radiasi Alpha Sintilator Gas : Ar, Kr, Xe, He, N, dll

Detektor Semikonduktor

Prinsip:

Ionisasi bahan/medium pada semikonduktor, membentuk pasangan lubang dan elektron

Bahan/medium:

Zat padat, Germanium dan Silicon. Energi diperlukan untuk membntuk elektron kecil

adalah 3,5 eV, medium udara sebesar 35 eV. Bentuk detektornya kecil dan resolusi energinya

lebih baik, cocok untuk digunakan sebagai spektrometri.

Skema Sistem Detektor SemiKonduktor

Monitor Perorangan Dosimeter Saku:

Dapat langsung dibaca tanpa alat bantu lainnya.

Prinsip kerja:

Ionisasi gas dan juga menggunakan prinsip elektroskop, dimana apabila pada anodanya diberi muatan, maka kedua tuas pada ujung anodanya (satu tetap, yang satu dapat bergerak bebas) akan saling menolak, sehingga tuas yang bergerak bebas akan menunjukan angka nol.

Rentang terbatas :Sampai dengan 200 mrem/1 Rem.

DOSIMETER SAKU

Film Badge Prinsip:

Penghitaman/densitas film. Emulsi AgBr yang digunakan sebagai detektornya apabila terkena radiasi akan terurai menjadi ion Ag+ dan ion Br- dan setelah melalui tahapan proses pengambangan dan pemantapan akan terjadi bayangan laten pada film.

Tingkat kehitaman film sebanding dengan jumlah dosis radiasi.

Holder film badge terdapat filter :Alumunium, timah hitam dan tembaga atau seng yang gunanya untuk membedakan jenis dan energi radiasi.

Pengukuran terbatas sampai dengan 300 rem.

Gambar skema Film Badge Holder

Thermo Luminesence Dosimeter (TLD)

Prinsip Kerja: Koversi Penas menjadi Cahaya Bahan: kristal fosfor, jika terkena radiasi pada temperatur

normal, elektron-elektron bebas yang terjadi diperangkap dalam kisi-kisi dalam bentuk cacad dgkondisi tidak stabil.

Apabila fosfor dipanaskan, energi yang berasal dari elektron yang terperangkap akan terlepas dan kembali pada posisi semula sambil memancarkan cahaya. Cahaya yang timbul ini akan ditangkap oleh alat “TLD Reader” dan dikonversikan dalam pembacaan dosis radiasi.

Dengan adanya proses pemanasan inilah maka detektor ini disebut Thermo Luminesence Dosimeter.

Dapat mengukur dosis radiasi sampai dengan 4.000 rem.

Perbandingan Beberapa Monitor

Perorangan

49

To detect something, you need to identify something it does

1) Radioactive rays can expose light-protected photographic film

Use photographic filmto detect its presence – film badges

50

2) Radioactive rays cause air to become ionized An electroscope detects radiation by its

ability to penetrate the flask and ionize the air inside

Geiger-Müller Counter works by counting electrons generated when Ar gas atoms are ionized by radioactive rays

Apakah satuan radiasi?Ada berapa macam satuan radiasi?Bagaimana cara menghitung

intensitas radiasi?

Sama halnya dengan besaran fisis lainnya, seperti panjang yang mempunyai satuan (ukuran) meter, inchi, feet; satuan berat (kilogram, ton, pound); satuan volume (liter, meter kubik); maka radiasi pun mempunyai satuan atau ukuran untuk menunjukkan besarnya paparan atau pancaran radiasi dari suatu sumber radiasi maupun banyaknya dosis radiasi yang diberikan atau diterima oleh suatu medium yang terkena radiasi.

Mengapa radiasi nuklir mempunyai satuan…?

Radiasi nuklir mempunyai satuan tidak lain karena radiasi nuklir, seperti halnya panas dan cahaya yang dipancarkan dari matahari, membawa (mentransfer) energi yang diteruskan ke bumi dan atmosfir. Jadi radiasi nuklir juga membawa atau mentransfer energi dari sumber radiasi yang diteruskan ke medium yang menerima radiasi. Sumber radiasi dapat berasal dari zat radioaktif, pesawat sinar-X, dan lainnya.

Satuan radiasi ada beberapa macam. Satuan radiasi ini tergantung pada kriteria penggunaannya, yaitu :

1. Satuan untuk paparan radiasi adalah Rontgen, dengan simbol satuan R.

2. Satuan untuk dosis absorbsi medium adalah Radiation Absorbed Dose, dengan simbol satuan Rad.

3. Satuan untuk dosis ekuivalen adalah Rontgen equivalen of man, dengan simbol satuan Rem.

4. Satuan untuk aktivitas sumber radiasi adalah Bacquerel, dengan simbol satuan Bq.

Paparan radiasi dengan satuan Rontgen, atau sering disingkat dengan R saja, adalah suatu satuan yang menunjukkan besarnya intensitas sinar-X atau sinar gamma yang dapat menghasilkan ionisasi di udara dalam jumlah tertentu.

Dalam hal ini 1 Rontgen adalah intensitas sinar-X atau sinar gamma yang dapat menghasilkan ionisasi di udara sebanyak 1,61 x 1015 pasangan ion per kilogram udara

Energi yang diperlukan untuk membuat membuat satu pasangan ion di udara adalah  5,4 x 10-18 Joule Oleh karena itu 1 Rontgen dapat dikonversikan ke Joule sebagai berikut :  1 R = (1,6 x 1015)(5,4 x 10-18) J/kg udara         = 8,69 x 10-3 J/kg udara         = 0,00869 J/kg udara

Satuan Rontgen penggunaannya terbatas untuk mengetahui besarnya paparan radiasi sinar-X atau sinar Gamma di udara.

Satuan Rontgen belum bisa digunakan untuk mengetahui besarnya paparan yang diterima oleh suatu medium, khususnya oleh jaringan kulit manusia.

Radiasi pengion yang mengenai medium akan menyerahkan energinya kepada medium. Dalam hal ini medium menyerap radiasi. Untuk mengetahui banyaknya radiasi yang terserap oleh suatu medium digunakan satuan dosis radiasi terserap atau Radiation Absorbed Dose yang disingkat Rad.

Jadi dosis absorbsi merupakan ukuran banyaknya energi yang diberikan oleh radiasi pengion kepada medium.

Dosis absorbsi sebesar 1 Rad sama dengan energi yang diberikan kepada medium sebesar 0,01 Joule/kg. Bila dikaitkan dengan radiasi paparan maka akan diperoleh hubungan antara Rontgen (R) dan Rad sebagai berikut : Kalau 1 R = 0,00869 Joule/kg. udara, maka 1 R akan memberikan dosis absorbsi sebesar 0,00869/0,01 Rad atau sama dengan 0,869 Rad.

Jadi 1 R = 0,869 Rad.

Bila medium yang dikenai radiasi adalah jaringan kulit manusia, harga 1 R = 0,0096 Joule/kg. jaringan, sehingga 1 R akan memberikan dosis absorbsi pada jaringan kulit sebesar 0,0096/0,01 Rad = 0,96.

Jadi dosis serap untuk jaringan kulit dengan paparan radiasi sebesar 1 R = 0,96 Rad.

Dalam satuan SI, satuan dosis radiasi serap disebut dengan Gray yang disingkat Gy. Dalam hal ini 1 Gy sama dengan energi yang diberikan kepada medium sebesar 1 Joule/kg. Dengan demikian maka :  1 Gy = 100 RadSedangkan hubungan antara Rontgen dengan Gray adalah :  1 R = 0,00869 Gy

Satuan untuk dosis ekuivalen lebih banyak digunakan berkaitan dengan pengaruh radiasi terhadap tubuh manusia atau sistem biologis lainnya.

Dalam hal ini tingkat kerusakan sistem biologis yang mungkin ditimbulkan oleh suatu radiasi tidak hanya tergantung pada dosis serapnya saja (Rad) akan tetapi tergantung juga pada jenis radiasinya.Sebagai contoh, kerusakan sistem biologis yang disebabkan oleh radiasi neutron cepat sebesar 0,01 Gy (1Rad) akan sama dengan yang diakibatkan oleh radiasi sinar Gamma sebesar 0,1 Gy (10 Rad).

Dua harga dosis serap yang berlainan yang berasal dari dua jenis radiasi, namun mengakibatkan kerusakan yang sama perlu diperhatikan dalam menghitung besarnya dosis ekuivalen. Dalam hal ini ada suatu faktor yang ikut menentukan perhitungan dosis ekuivalen, yaitu yang dinamakan dengan Quality Factor ata disingkat Q, yaitu suatu bilangan (faktor) yang tergantung pada jenis radiasinya.

Dosis ekuivalen ini semula berasal dari pengertian Rontgen equivalen of man atau disingkat dengan Rem yang kemudian menjadi nama satuan untuk dosis ekuivalen.

Hubungan antara dosis ekuivalen dengan dosis absobrsi dan quality factor adalah sebagai berikut :Dosis ekuivalen (Rem) = Dosis serap (Rad) X Q

Sedangkan dalam satuan SI, dosis ekuivalen mempunyai satuan Sievert yang disingkat dengan Sv. Hubungan antara Sievert dengan Gray dan Quality adalah sebagai berikut :Dosis ekuivalen (Sv) = Dosis serap (Gy) X Q X N

Dalam persamaan tersebut di atas harga N adalah faktor modifikasi yang juga merupakan faktor koreksi terhadap adanya laju dosis serap dan lain sebagainya. Pada saat ini harga N menurut International Commision on Radiation Protection (ICRP) mendekati 1, sehingga persamaannya menjadi :  Dosis ekuivalen (Sv) = Dosis serap (Gy) X Q

Berdasarkan perhitungan   1 Gy = 100 Rad, maka   1 Sv = 100 Rem.

Harga quality factor (Q) ditentukan oleh kemampuan jenis radiasi dalam mengionisasikan zarah yang ada pada jaringan kulit. Sebagai contoh, radiasi alpha mampu menghasilkan 1 juta pasangan ion untuk setiap milimeter panjang lintasan pada jaringan kulit.

Harga Q untuk radiasi Gamma, dan juga untuk sinar-X adalah 1, sedangkan harga Q untuk jenis radiasi lainnya adalah sebagai berikut :

Jenis Radiasi Harga Q

Gamma, Beta, dan Sinar-X

1

Neutrol thermal 2,3

Neutron cepat dan proton

10

Alpha 20

Pancaran radiasi sifatnya sama dengan pancaran cahaya yaitu menyebar ke segala arah. Oleh karena itu banyaknya partikel yang dipancarkan per satuan waktu dari suatu sumber radiasi merupakan ukuran intensitas atau aktivitas suatu sumber radiasi.

Banyaknya partikel yang dipancarkan per satuan waktu sering juga dinamakan dengan peluruhan per satuan waktu

Apabila suatu sumber radiasi memancarkan 1 partikel per detik maka aktivitas sumber radiasi tersebut adalah 1 Bacquerel.

Nama Bacquerel dipakai sebagai satuan untuk iaktivitas sumber radiasi, disingkat menjadi Bq. Dengan demikian maka :1 Becquerel (Bq) = 1 peluruhan per detik

Satuan Becquerel (Bq) ini dipakai dalam satuan SI sejak tahun 1976. Sebelum itu satuan untuk intensitas suatu sumber radiasi menggunakan satuan Curie atau disingkat Ci.

Satu Curie didenifinisikan sebagai :1 Ci = 3,7 x 1010 peluruhan per detik

Hubungan antara satuan Bacquerel dan satuan Curie adalah sebagai berikut :   1 Ci = 3,7 x 1010 Bq atau :  1 Bq = 27,027 x 1012 Ci

Kedua satuan aktivitas radiasi tersebut, Curie dan Bequerel, sampai saat ini masih tetap dipakai.

Pada umumnya untuk intensitas radiasi yang tinggi digunakan satuan Curie, sedangkan untuk intensitas rendah digunakan satuan Bequerel.

Radiasi intensitas rendah sering juga memakai satuan mili dan mikro, dimana :  1 mCi = 10-3 Ci dan 1 μCi = 10-6Ci

The End