12/03/2015

1

PERTEMUANKE-3

PEMBENTUKAN DAN

PENDETEKSIAN SINAR-XNurun Nayiroh, M.Si

MK DIFRAKSI SINAR-X

SEKILAS SEJARAH

� William Roentgen menemukan sinar-x yang memiliki sifat:

1. Merambat dengan lintasan lurus

2. Diserap bahan (dengan kesebendandingan secara eksponensial dengan massa bahan)

3. Menghitamkan pelat fotografi

4. Membuat bayangan bahan pada kertas foto

� Roentgen menerima Nobel Prize tahun 1901

� Sinar-x gelombang atau partikel berkembang ke relativity dan quantum mechanics

TABUNG SINAR-X

• Tampang lintang tabung sinar-x• Anoda adalah logammurni, seperti Cu, Mo, Feand Cr. •Selama operasi, aluminium dikondisikan dingin dengan air dalam wadah pelindungselongsong aluminium.

SKEMA TABUNG SINAR-X

12/03/2015

2

SKEMA CATU DAYA TEGANGAN TINGGI

� Anoda (no 8) diground

� #2 (KV) dan #7 (ma) berubah dengan mengubah#1 dan #5

� Tegangan dan arus operasi: 30 kV dan 40 mA.Idle: 15 kV dan 5 mA.

KARAKTERISTIK BEBERAPA LOGAM ANODA

PROSEDUR PEMBENTUKAN SINAR-X

� Adanya aliran listrik yang masuk kedalam tabung sinar-X, akan memanaskan filamen. Pemanasan filamen akan menyebabkan filamen menjadi berpijar, sehingga elektron-elektron bergerak dari atom-atom filamen tersebut dan membentuk kabut elektron atau ruang muatan disekitar elektron. Semakin berpijar filamen, semakin banyak pelepasan elektron. Pada keadaan demikian, jika antara anoda dan katoda diberi beda potensial yang tinggi, maka elektron-elektron yang terlepas tadi akan bergerak dari katoda ke anoda dengan kecepatan tinggi.

� Sinar-X yang dihasilkan bergerak ke segala arah di dalam tabung, sebagian besar sinar-X yang dibentuk tersebut dipusatkan pada daerah kecil di permukaan anoda dengan cara menetapkan sebuah cawan kecil yang terbuat dari molybdenum yang mengelilingi filamen. Cawan tersebut bermuatan negatif untuk membatasi elektron sehingga menyatu dan hanya sebagian kecil sinar-X yang dihasilkan melewati lubang keluar. Sinar-X yang terlepas ini melewati filter yang akan menyerap sinar-X yang tidak berguna yaitu sinar-X dengan energi yang rendah. Selanjutnya sinar-X melewati collimator yang terbuat dari timah yang mana akan membatasi penyebaran sinar. Kemudian, sinar-X akan melewati cone mengarah film dengan melewati obyek.

PEMBANGKITAN SINAR-X

� Sinar-x sebagai gelombang dan partikel,(λ) dan (E)

� Persamaan:

– E = energi fluks elektron dalam keV

– h = konstanta Planck (4.135 x 10-15 eVs)

– v = frekuensi

– c = laju cahaya (3 x 1018 Å/s)– λ= panjang gelombang dalam Å

12/03/2015

3

� Faktor-faktor yang Mempengaruhi

Pancaran sinar-x

Besarnya radiasi sinar-x yang keluar dari tabung sinar-x dapat diubah-ubah sesuai dengan kebutuhan dengan cara mengubah:

- waktu penyinaran (timer),

- jumlah sinar yang keluar (mA), - energi penyinaran (kVp) dan filtrasi, - berkas sinar (collimator), dan - jarak obyek-film-focal spot.

PENDETEKSIAN SINAR-X OLEH FILM FOTOGRAFI

Sebuah sampel dari beberapa ratus kristal (seperti sampel serbuk)

menunjukkan bahwa berkas terdifraksi membentuk kerucut yang

kontinyu. Sebuah lingkaran film digunakan untuk merekam pola difraksi

sebagaimana yang ditunjukkan di atas. Setiap kerucut memotong film

memberi garis difraksi. Garis itu terlihat seperti busar pada film.

PENDETEKSIAN SINAR-X OLEH DIFRAKTOMETER

Bragg - Brentano Focus Geometry, Cullity

SPEKTRUM KONTINYU (POLYKROMATIS)

� Sinar-x Bremstrahlung terjadi ketika elektron proyektil dengan energi kinetik berinteraksi dengan medan energi pada inti atom pada anoda.

� Karena inti atom ini mempunyai energi (+) dan elektron mempunyai energi (-), maka terjadi hubungan tarik-menarik antara inti atom dengan elektron.

� Ketika elektron ini cukup dekat dengan inti atom dan inti atom mempunyai medan energi yang cukup besar untuk ditembus oleh elektron proyektil, maka medan energi pada inti atom ini akan melambatkan gerak dari elektron proyektil.

� Melambatnya gerak dari elektron proyektil ini akan mengakibatkan elektron proyektil kehilangan energi dan berubah arah.

� Energi yang hilang dari elektron proyektil ini dikenal dengan foton sinar – x Bremsstrahlung (Jerman → radiasi yang mengalami pengeriman/perlambatan)

12/03/2015

4

Sinar-x Bremsstrahlung

(Spektrum kontinyu)

Nilai λmin secara matematikdapat ditentukan sebagai barikut:

Spektrum sinar-x bremstrahlung untuk tegangan tinggi dengan beberapa harga tegangan tinggi.

Proses bremsstrahlung akanmenghasilakan radiasi denganspektrum kontinyu yang memilikifrekuensi atau gelombang yangbergantung pada teganganakselerasi

Spektrum kontinyu mencapaiintensitas tertinggi pada paanjang gelombanag 1,5 s.d. 2 kali λmin.

SPEKTRUM KARAKTERISTIK

� Sinar-X karakteristik terjadi ketika elektron proyektil dengan energi kinetik yang tinggi berinterkasi dengan elektron dari tiap-tiap kulit atom pada anoda.

� Elektron proyektil ini harus mempunyai energi kinetik yang cukup tinggi untuk melepaskan elektron pada kulit atom tertentu dari orbitnya.

� Saat elektron dari kulit atom ini terlepas dari orbitnya maka akan terjadi transisi dari orbit luar ke orbit yang lebih dalam.

� Energi yang dilepaskan saat terjadi transisi ini dikenal dengan foton sinar-X karakteristik.

� Energi photon sinar-X karakteristik ini bergantung pada besarnya energi elektron proyektil yang digunakan untuk melepaskan elektron dari kulit atom tertentu dan bergantung pada selisih energi ikat dari elektron transisi dengan energi ikat elektron yang terlepas tersebut.

Sinar-X Karakteristik

12/03/2015

5

ILUSTRASI SPEKTRUM KARAKTERISTIK

GARIS SPEKTRUM SINAR- X KARAKTERISTIK

Deret K

Kulit K (n=1)

αK

βKγK

Kulit L (n=2)

Kulit M (n=3)

αL βL

γL

Kulit N (n=4)

Deret L

Deret M

αM βM

SPEKTRUM K UNTUK CU

12/03/2015

6

� Ketika spektrum suatu atom berelektron banyak dieksitasi oleh elektron proyektil, maka akan terlihat latar belakang bremstrahlung yang kontinu dengan panjang gelombang minimum, sprektrum bremstrahlung ini tentulah bersama-sama dengan spektrum sinar-x karakteristik yaitu garis tajam yang dinyatakan oleh Kα, Kβ,... dan seterusnya.

� Setiap garis-garis sinar-x karakteristik, ternyata mengandung sejumlah garis-garis yang sangat berdekatan, splitting ini sebagai hasil dari splitting struktur halus dari tingkat-tingkat energi atom.

Sinar -x karakteristik K αdan K β yang tumpang tindih di dalam spektrum bremsstrahlung.

SPEKTRUM KONTINYU DAN KARAKTERISTIK Cu

PANJANG GELOMBANG KARAKTERISTIK

(DLM Å) BEBERAPA LOGAM ANODA

Angka dalam kurung menunjukkan estimasi intensitas

relatif.

SUMBER SINAR-X UNTUK DIFRAKSI

� Perlu sebisa mungkin monokromatik.� Tabung sinar-x & elektronikanya menghasilkan

sinar-x dengan frekuensi sangat terbatas tetapi dengan intensitas tinggi.

� Pendukung: filter, monokromator, detektor dan perangkat lunak (membantu mengatur sinar-x yang ditembakkan ke material).

12/03/2015

7

BAGAIMANA SUPAYA BISA

MONOKROMATIS?

� Radiasi yang keluar dari target terdiri atas kontinyu dan karakteristik Kα1, Kα2, and Kβ

� Menjadikan monokromatik:� Filter β

� Detektor proporsional dan pulse height

selection

� Detektor zat padat Si(Li)

� Monokromator datang maupun hambur

FILTER DAN MONOKROMATOR

� Filter melemahkan Kβ dan hanya sedikit berefek pada panjang gelombang lain.

� Monokromator melewatkan panjang gelombang yang dikehendaki dan melemahkan yang lain.

FILTRASI

� Radiasi foton sinar-x mempunyai spektrum dengan energi foton yang berbeda-beda, tapi hanya foton dengan energi tertentu yang dapat menembus struktur kristal. Foton dengan energi yang lebih rendah (panjang gelombang yang panjang) tidak mempunyai energi yang cukup untuk mencapai detektor.

� Untuk meredam foton dengan energi rendah dapat dilakukan dengan meletakkan filter aluminium pada lintasan sinar-x.

� Aluminium digunakan karena dapat menyerap foton berenergi rendah dengan sedikit efek pada foton berenergi tinggi yang dapat sampai ke detektor

Ada dua filtrasi yang digunakan pada tabung sinar-x yaitu filtrasi utama (inherent filtration) dan filtrasi tambahan (added filtration).

12/03/2015

8

FILTRASI UTAMA

� Filtrasi utama (inherent filtration) pada tabung sinar-x adalah material yang terletak di lintasan foton sinar-x dari focal spot (target) untuk membentuk berkas yang dikeluarkan dari tabung.

� Terdiri dari dinding kaca tabung sinar-x, minyak penyekat (insulating oil), dan material penghambat minyak tadi untuk keluar dari tabung.

� Material filter itu sendiri terdiri dari aluminium dengan ketebalan 0,5 – 2,0 mm.

FILTER TAMBAHAN

� Filtrasi tambahan (added filtration) adalah peletakan cakram aluminium di lintasan sinar-x, antara collimator dan tubehead seal.

� Cakram ini mempunyai ketebalan 0,5 mm dan berfungsi menghalangi lewatnya foton sinar-x berenergi rendah, panjang gelombang lebih panjang, dan tidak berguna dalam proses difraksi

� Hasilnya adalah pancaran foton dengan panjang gelombang lebih rendah, berenergi tinggi, dan mempunyai tingkat penetrasi lebih tinggi, yang bermanfaat untuk proses difraksi.

DETEKTOR

� Pulse Height Discriminator

– Kendali elektronik untuk membatasi limit energi sinar-x

– Menghilangkan radiasi kontinum dan fluoresen– Lebih efektif ketika dikombinasi dengan

monokromator kristal� “Tunable” Detectors

– Detektor zat pada, biasanya Si(Li)→ resolusi energi tinggi

– Bisa memilih hanya Kα atau Kβ

– Tidak perlu filter lain, rasio S/N tinggi

12/03/2015

9

KESIMPULAN

� Filter Ni hanya melemahkan radiasi Cu Kβ

� Detektor Si(Li) dapat diatur hanya ‘melihat’ radiasi Kα

� Monokromator grafit memilih Cu Kα, tapi sebagian panjang gelombang masih bisa lewat. Radiasi (W) L α mungkin muncul sebagai kontaminasi anoda pada tabung Cu yang sudah ‘lanjut usia’.

� Hamburan Compton selalu meningkatkan intensitas latar(background).