2.01

70 BukuIProsiding Pertemua/J dan Pre:rentasi Ilmiah

PPNY-BATAN. Yogyakarta 25-27 Apri11995

OPTIMASI DIFRAKTOMETER NEU1RON SERBUK RESOLUSI

TINGGI (HRPD) PPSM

W. Prasuad, Epung S.B, Gunawan, Ridwan, MarsongkohadiPPSM-BATAN, Kawasan Puspitek Serpong, Tangerang 15310

ABSTRAK

OPT/MAS! DIFRAKTOMETER NEUTRON SERB UK RESOLUSI TINGGI (HRPD) PPSM Karakteristik

Difraktometer NeutronSerbukResolusi Tinggiyang telah dipasangdan dika lib ras"idiPPSM dilaporkan disini.Peralatan HRPD ini dipasang pada salah satu ujung tabling pemandu berkas neutron NGT-2. Komponenutama instrumen ini terdiri sistem monokromator dengan sndut hambur besoT, goniometer cuplikan serta tigapuluh duo 'line" kolimatoryang berkoresponsi dengan tiga puluh duo detektor. Faktor resolusi HRPD masihdibawah 0,50 sampai dengan sudut difraksi 1200. Analisa struktur Bi3GaSb20 11merupakan salah satu studikasus struktur kristal menggunakan HRPD guna memperlihatkan keunggulan metode difraksi neutron untukmenentukan posisi atom-atom ringan di dalam kristal. Analisa struktur yang telah dilakukan adalah dengan'memanfaatkon program analisa Rietveld versi terbaru, RlETAN'94.

ABSTRACT

OPT/MATION OF HIGH RESOLUTION POWDER DIFFRACTOMETER (HRPD) PPSM.Characten'stics of High Resolution Powder Diffractometer which has been installed and calibrated recentlyat PPSM are reported. This HRPD was installed at the one end of Neutron Guide Tube (NGT-2). The maincomponents of this instruments are monochromator system with high take off angle, sample goniometer aswell as thirty twofine collimator which attached to thirty two detector. Resolution factor of this HRPD isbelow 0.5° at difJractionangles less than 120°. TheBi3GaSb:;O// compound has been chosen as a study caseto showed supen'ority of neutron diffraction method in determining position of light atoms in the unit crystal.All the structure analysis have been done by means of the new Rietveld Analysis Program, RlETEN'94.

PENDAHULUAN

Teknik difraksi neutron sebagai komplemen datidifraksi sinar X merupakan metoda yang sangat

penting dalam analisa struktur mikroskopik suatubaron. Struktur mikroskopik ini sangat penting gunamemahami mekanisme dasar yang membentuksifat-sifat makro bahan. Mengingat sifat-sifatneutron yang unik, seperti mempunyai momenmagnetik, panjang hamburan atom yang tidakbergantung nomor atom serta mempunyai dayatembus yang tinggi di dalam bahan, maka metodedifraksi neutron mempunyai kelebihan tersendiridibandingkan dengan sinar-x. Penentuan strukturrnagnetik, mekanisme transisi rasa, serta penentuanposisi atom-atom ringan secara akurat merupakansalah satu contoh pemakaian neutron dalampenelitian ilmu baron yang sangat sulit atau malahantidak mungkin dilakukan dengan difraksi sinar-x.

Beberapa waktu yang lalu di Pusat PenelitianSilinsMateri (pPSM) Serpong telah selesai dipasangsejumlah fasilitas spektrometri neutron. Fasilitas ini

memanfaatkan empat dari enam tabling berkasneutron yang terdapat di Reaktor Serba Guna, RSGGAS Serpong. Difraktometer Serbuk ResolusiTinggi yang selanjutnya disebut HRPD (HighResolution Powder Diffractometer) merupakan salahsatu dari fasilitas yang terpasang.

Pactamakalah ini akan dibahas secara lengkaplangkah-langkah yang ditempuh guna meningkatkanoptirnasialat tersebut, baik dari segi efisiensi maupunakurasinya. Beberapa hasH yang telah diperolehdengan me!lggunakanalat ini juga akan ditampilkansebagai contoh.

TATA KERJA

Komponen Utama HRPD PPSM

Pactagambar I, secara skernatik dapat dilihatkomponen utarna peralatan HRPD PPSM. Beberapaprinsip dasar yang dipegang dalam desain sertapenempatan alat tersebut adalah :

W. Prasl1ad, dkk. ISSNO216-3128

Prosiding Pertemuan dan Presentasi llmiahPPNY-BATAN, Yogyakarta 25-27 April 1995 Buku I 71

DIFRAKTOMETER SERBUK .RESOLUSJTINGGI

(HRPD)

IsSl\HJ216-3128

ISH>IOlC>"" I

~4'~"'Jic":o' Jf;L-t~t<~~~-y.~i'~~'.'f ~~~~-;t~~~

'C~r;;~ ~i"""~:"

,

,, :~l!!.!!i

, ,~l1ti~~~

UOIIOI'.RCO >OR

rif) , " ~~ : "l)().:,/ , ,~~"",,".cp')\ 0 '..k( IV, ""*7 : 1oETtiTORuTmJ{ ~I W

I

~~

I p."YHoP IJ<RKASI

Gambar 1. Skema peralatan HRPD-PPSM

TabeJ 1. Komponen utama HRPD-PPSM1. Sudut difraksi (take off angle) daTi mono-

kromator dipilih cukup besar dengan tujuanmenghindarkan adanya berkas langsung yangsampai ke cuplikanJdetektor.Penempatan dua buah kolimator dengandivergensi yang sangat kecil (fine collimator)masing-masing didepan cuplilean daD detektorakan dapat memberikan resolusiyang tinggi darihasil pengukuran.Adanya 32 sistem detektor yang terpisah satusarna lain dalam jarak yang sarna 5°, me-mungkink an pengukuran untuk setiap selangsudut 0,05° antara 28 : 0 - 160° dalam intervalwaktu yang tidak begitu lama.Penempatan HRPD ill pada tabling pemanduberkas neutron-2 (Neutron Guide Tube,NGT-2)yang terbuat dari gelas bokron yang dilapisi olehNi-58 sebagai reflektor serta mempunyaikelengkungan R = 3926 meter, maka gangguanefek cacah latar belakang dapat dihindari denganbaile. Secara lengkap data komponen HRPD illdapat dilihat pactatebel 1..

PEMBAHASAN

Resolusi HRPD PPSM

Pacta lahar awal instalasi fasilitas HRPD-PPSM, monokromator yang digunakan sebagai

2.

3.

4.

W. Prasuad, dkk.

Tabung pemandu neutron NGT-2 pada S 5

Sudut monokromator 41,5°, 89° dan 130°II

Panjang gelombang

29 m '0(004) 2,352, 0,(331) I

1,815

Meia cuplikan 0° -360°

Kolimator 1. al = 0,39 2. a2 = 0,33 3,

a3 = 0,166 4. = 0,24

(PG-004), dan B = 0,39 (Ge-33 1)

Sudut keIja detektor 170° < 28s < 110°

Jenis detektor 32 set, He-3 HBRAM NH-15

72

penyeleksi panjang gelombangberkas neutronadalahkristal tunggal 'Pyrolitic Graphite " PG(004).Monokromator ini dipasang sedemikian rupamenggunakan sistem pemokus berkas (focussing)untuk meningkatkan intensitas neutron di cuplikan.Meningat kristal PG mcmiliki sistem hexagonalberpusat dasar (c-based center) maka refleksi yangdipantulkan tidak hanya berasal dari bidang (004)namun juga dapat berasal dari pantulan bidang-bidang (002) dan (006) yang berkorespondensidengan panjang gelombang 1/2 dan 2/3. Untukmengatasi hal ini, maka sebelum cuplikan telahdipasang kristal tunggal lainnya yang berfungsisebagai filter. Sebagai konsekuensinya, intensitasneutron yang sampai kecuplikan berlmrang cukupbesar akibat adanya faktor absorbsi ataupunhamburan lainnya. Selain dari pacta itu efek- efekpanjang gelombang parasitik ini tidak dapatdieliminasi sepenuhnya, lihat gambar 2 dan 3.Sehinggajelas apabila kondisi ini tidak dapat diatasi,maka kesulitan dalam analisis struktur untukkasus-kasus yang 'real' akan sangat menyulitkandimasa mendatang.

.800

600

.r.~ ..00~;;£ 200

0

0 20 40 60'80 100 120 140 160

28

Gambar 2. Pow difraksi neutron cuplikan Siserbuk menggunakan mono-kromator PG(OO4)

40 60 80 100 120 140 16029

20

Gambar 3. Pow difraksi neutron cllplikan Niserb Ilk menggunakan mono-kromator PG(OO4).

Buku IProsiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah

PPNY-BATAN, Yo1:.yakarta 25-27 April 1995

Terlepas dari masalah adanya panjanggelombang parasjtik ini, secara keseluruhan resolusialat masih baik. Hal ini dapat dilihat pactagambar 4,plot antara lebar setengah puncak maksimum(FWHM) terhadap sudut difraksi 28. Berdasarkanbasil pengamatan terhadapcuplikan standar TiO2,danSi menunjukkan bahwa resolusi alat masih dibawah0,5° untuk sudut difraksi dibawah 110°. Kurvaresolusi ini juga sangat sesuai dengan basil per-hitungan menggunakanpersamaan Caglioti( 1) :

(FWHM) = U(tg8sl + V(tg8&J + Wdengan :

u = ((1((112(122+ (11(32 +(122(3)] I (lam «(112 +a22 + 4(32)]

V =(4(122(aI2 + 2(32)] I (tgam «(112 + (122 + 4(32)]

W = ((112(122+(112(132+(122.(132+4(32(a22+a32)J / [(aI2+(122+4(32)]

dimana : a.!, a.2dan a.3adalah kolimator I, II dan III.Salah satu cara untuk menghindari efek panjanggelombang parasitik ini adalah mengganti mono-kromator PG(OO4)dengan Ge(33l). Berdasarkansistem kristal Germanium ini, maka kemungkinanpanjang gelombang lain yang ikut terdifraksi sangatked!. Namun demikian perlu diingat bahwa kristalGermanium ini pacta umumnya sangat 'perfect"sehingga apabila kristal tersebut langsung digunakansebagai monokromator tanpa dimodifikasi akansangat merugikan. Walaupun panjang gelombangneutron yang diperoleh akan monokromatik namuntotal intensitasnya akan sangat rendah (FWHMsangat sempit). Oleh schab itu Ge(33 1)yang diguna-kan sebagai monokromator pactaHRPD-PPSM telahdimodifikasi melalui proses pemanasan disertaipenekanan. Hal ini bertujuan untuk memperolehkristal dengan 'mosaic spread' yang memadai.Peralatan yang digullakan dalam proses' hot press'ini sepenuhnya dibuat dan dioperasikan olehstaff/teknisi PPSM.

(1)

.%:z:!O...

3.5

3.ol.. ~:o- . ' -. .-.caw.. .512.5f..-=r- - L

2.0f..~~- I .

1.5f.. ..."'=1"

.~.:~..;---~+.

O.CL.:..=..~=--=-~ i. ' I l___'0 40 80 120 160 200

2& -::- '-.

Gambar4. Kurva resoillsi HRPD-PPSMmenggunakan monokromatorPG(OO4)

W:Prasuad,-dkk. ISSN 0216-3128

7000

6000rsooo.. '000c.:so ¥>DO

2000

1000

0L......L

0

Prosiding Pertemuan dLJnPresentasi Ilmiah

PPNY-BATAN, Yot:Yakarta 25-27 April 1995

Pacta gambar Sa dan Sb dapat dengan jelasdibandingkan pola difraksi TiO2 yang diambilmasing-masing dengan PG(004) yang berfungsisebagai monokromator. Pacta gambar Sb puncak-puncak yang rendah tidak terlihat dalam pola difraksiyang acta. Hal ini menunjukkan bahwa panjanggelombang yang berasal daTimonokromator sudahsepenuhnya monokromatik.

Bcao---_.

- 6000~~i 4000

2000

0

0 75 100

. -2~ -125 15025 50

Gambar Sa. Pola difraksi neutron cuplikan TiO2menggunakan monokromatorPG(OO4)

5000

6000

E] ~oooc

12000

0

0 25 75 :ze'OO 125 150so

Gambar 5b. Pola difraksi neutron cuplikan TiO2menggunakan monokromatorGe(33])

Resolusi alat ditinjau daTi penggantianmonokromator tidak banyak berbeda. Pactagambar6, terlihat resolusi alat terlihat masih di bawah O,Sosampai sudut difraksi sekitar 1200atau dengan kalalain akurasi alat semakin baik sete1ahpenggantianmonokromator.

Analisa Struktur Kristal Bi3GaSb2011

Bahan BbGaSb2O11merupakan salah satucontohyang baik dalam pemanfaatandifraksi neutronuntuk analisa struktur kristal. Pactabahan ini dapatdilihat bahwa nomOIatom oksigen akan sangat kecilapabila dibandingkan dengan atom-atom lainnya.Apabi1a menggunakan difraksi sinaI-X, maka

Buku I 73

u. . ..;

I-'-aJr..-'I'Ii

I.$t " .....-, """'_"-"1+.

.1! ,....

...

I' ,.

.'.0

0.'~'.'

".' o.-~ ~.-'_.>to .. ... .. '.. '.. ,..II

Gambar 6. Kurva resolusi HRPD-PPSMmenggunakan metoda analisaRietveld, RlETAN'94J3,4J

hamburan yang berasal daTiatom-atom Bi, Ga atauSb akan sangat dorninan. Sehingga akan sangat sulituntuk menentukan dengan tepat posisi ala-atomoksigen di da1am kristal. Berbeda halnya dengandifraksi sinar-X, keempat jenis atom dalam bahanBbGaSb2O11interaksinya terhadap neutron mem-berikan efek panjang hamburan sebanding satu sarna1ain[2].Oleh karena itu dengan menggunakan metodadifraksi neutron tidak akan dihadapi kesulitan dalammenentukan posisi atom-atom oksigen di dalamkristal tersebut dengan akurasi yang tinggi.

A1'lalisa struktur kristal BbGaSb2O11yangtelah dilakukan dengan menggunakan metoda analisaRietveld, RIETAN'94[3,4]menunjukkan kesesuaianbasil yang tinggi antara basil perhitungan daTIobservasi seperti ditunjukkan pad a gambar 7,'Refinement' akhir mencapai konvergensi denganRwp = 14,44%, Rp = 14,13% daTI Si = 1,6%.Parameter kristal beserta posisi atom secara lengkapdapat dilihat pactalabel 2.

Tabel 2. Hasil analisa struktur kristalBbGaSb20J] dengan metoda Rietveld(RIETAN'94)

ISSN 0216-3128 W. Prasuad, dkk.

Parameter kisi(A) a 9.48161 b 9.48161 c 9.48161

Faktor 'R' (%) Rwp Rp s RI RF Re14.44 11.13 1,61 7,15 4,97 8,97

Posisi Atom (A) n x y z

Bi(l) 1 0,38116 0,38116 0,38116

Bi(2) 1 0,0 0,0 0,0

GaSB 1 0,5986 0,75 0,25

0(1) 1 0,14827 0,14827 0,14827

0(2) 1 0,61004 0,25 0,25

0(3) 1 0,59052 0,53824 0,24766

74

KESIMPULAN

Berdasarkan mekanisme interaksi neutrondengan bahan, maka metoda difraksi neutronmempunyai keunggulan tersendiri dibandingkandengan metoda difraksi sinar-X, dimana penentuanposisi atom-atomringan di dalam strukturkristal akanlebih mudah dilakukan dengan akurat apabiladigunakan difraksi neutron. Pemilihan sistemmonokromator yang tepat sangatlah renting dalammemperoleh berkas sumber monokromatik sehinggatidak menyulitkandalam analisa struktur dalamlaharlebih lanjut. Resolusi alai adalah merupakan faktoryang sangat renting dalam metoda difraksi sistembubuk ini. Hal ini mengingat makin tinggi resolusialai maka puncak-puncak yang berhimpitan dapatdipisahkan dengan baik, yang pacta akhimya akandapat memberikan informasi mengenai parameterkristal dengan akurasi yang tinggi. Dari hasilkalibrasi didapatkan harga resolusi peralatanmencapai sudut 1200 dengan FWHM 0,5. Dengandemikian peralatan ini sudah siap untuk digunakanpada percobaanyang sesungguhnya. HRPD ditinjaudaTi segi 'hardware' maupun 'software' sangatlahkompleks. Oleh sebab itu sejak bahan instalasisampai proses kalibrasi daD standardisasinyamemakan waktu yang cukup lama.

UCAPAN TERIMA KASIH

Penulis mengucapkan terima kasih kepadaProf. Y. Harnaguchi serta Mr. N. Minakawa yangbanyak membantu selamakalibrasi HRPD dilakukan,juga terimakasihdiucapkankepadaDr. F. Izumiyangtelah mengizinkan pemakaian program RIETAN'94versi terbaru sehingga memungkinkan analisastruktur kristal dapat dilakukan. Terima kasih danpenghargaan yang sebagian besarnya penulissampaikan kepada semua staff daD teknisiPTSN-PPSM yang penuh dedikasi membantu daTisejak instalasi alai hingga proses kalibrasi daDstandarisasi selesai dilaksanakan.

DAFTAR PUSTAKA

1. CAGLIOTI, G.,PAOLETTI, A and RICCI, S.P.,Nuc!. Instr. 3, 1958.GASON, G.D., Neutron Diffraction, ClarendonPress, Oxford, 1975.

2.

BllkulProsiding Pertemuan dan Presentasi llmi.ah

PPNY-BATAN, Yogyakarta 25-27 April 1995

3. IZUMI, F., The Rietveld Method, ed. by R.A.Young, Oxford University Press, Oxford, Chap.13, 1993.KTM. Y 1.and'IZUMI, F., J. Caram. Soc. lpn.,102,401,1994.Equipment Specification ofHRPD, 1991.KomunikasiPribadi dengan Prof. Y.Harnaguchi.

4.

5.6.

TANYAJAWAB

Agus Baskoro

Melihat judulnya apakah and a melakukanoptimasi untuk memperoleh resolusi yang tinggi,Bila ya'parameter apa saja yang berpengamh daDbagaimana cara penanganannya? Bila tidak, apayang anda maksudkan dengan optimasi?Mohon dijelaskan serta sedikit logika daTiprogram RIETAN'94?Mohon dijelaskan cara kerjaJkarakteristik daTimonokromator P.G004/GE 331.

Prasuad

- Parameter yang digunakan adalah tingginyadaerah 28s yang mempunyai FWHM < 0,7 danhasi/perhitungan Refinement Rietved.

- Rietan adalah proses upemiltiyan antara hasi/perhitungan dan hasi/ observasi.PG (004) mempunyai gelombang harmonik.

Tri Mardji Atmono

Apakah dengan diffraksi neutron bisa ditentukanbesamy.a maIDen magnetik suatu sampel yangbersifat magnetik. Mohon penjelasan!Suatu sampel mempunyai struktur amorph.Informasi apa saja yang bisa diperoleh daTipenelitian dengan diffraktometer neutron ini?Berapakah divergensi daTiberkas neutron?Pacta kesimpulan ditampilkan FWHM daTi 2monokromator yang berbeda. Apakah optimasiyang dilakukan "hanya" memperbaiki ataumengganti monokromator saja.

Prasuad

Dapat, dari hasi/perhitungan rietan.Parameterkisi,posisi atom,jarak atom,fasa-fasayang terbentuk.Divergensi ditebaldarifaktor U, V, Wdan aI, a2,a3.Tidak, langkah lain adalah memperbaiki soliarkollimator dan efisiensi 32 detektor.

W. Prasuad, dkk. ISSN 0216-3128