PERCOBAAN III

SPEKTROSKOPI GAMMA DENGAN DETEKTOR SINTILASI

I. Tujuan Percobaan

1.1 Mempelajari prinsip kerja detector sintilasi

1.2 Pembuatan spectrum dan pengukuran tenaga sinar gamma

1.3 Pengukuran resolusi tenaga, ujung Compton dan hamburan balik sinar gamma

II. Dasar Teori

Sinar Gamma termasuk gelombang elektromagnetik yang diperoleh dari peluruhan

zat radioaktif yang dipancarkan dari atom dengan kecepatan tinggi karena adanya

kelebihan energi. Radioaktivitasnya tidak terpengaruh oleh suhu, kelembaban,

tekanan dan lain-lain tetapi terpengaruhi oleh keadaan inti-inti isotopnya. Radiasi

sinar Gamma dapat dipancarkan oleh Cobalt-60 dan Caesium-137 (Soeminto, 1985

dalam Darjanto, 1995).

SPEKTRUM SINAR-GAMMA

Sinar gamma adalah radiasi gelombang elektromagnetik dengan panjang gelombang yang

sangat pendek (dalam orde Angstrom) yang dipancarkan oleh inti atom yang tidak stabil

yang bersifat radioaktif. Setelah inti atom memancarkan partikel , (elektron),

(positron), atau setelah peristiwa tangkapan elektron, intiyang masih dalam keadaan

tereksitasi tersebut akan turun ke keadaan dasarnya dengan memancarkan radiasi gamma.

Sebagai contoh, peluruhan unsur 137Cs menjadi 137Ba melalui peluruhan yang diikuti

pemancaran radiasi .

Gambar 1. Skema peluruhan 137Cs

Detektor yang umum digunakan dalam spektroskopi gamma adalah detector sintilasi NaI

(Tl). Detektor ini terbuat dari bahan yang dapat memancarkan kilatan cahaya apabila

berinteraksi dengan sinar gamma. Efisiensi detektor bertambah dengan meningkatnya

volume kristal sedangkan resolusi energi tergantung pada kondisi pembuatan pada waktu

pengembangan kristal. Sinar gamma yang masuk ke dalam detektor berinteraksi dengan

atom-atom bahan sintilator menurut efek fotolistrik, hamburan Compton dan pasangan

produksi, yang akan menghasilkan kilatan cahayadalam sintilator. Keluaran cahaya yang

dihasilkan oleh kristal sintilasi sebanding dengan energi sinar gamma. Kilatan cahaya

oleh pipa cahaya dan pembelok cahaya ditransmisikan ke fotokatoda dari photomultiplier

tube (PMT) kemudian digandakan sebanyak-banyaknya oleh bagian pengganda elektron

pada PMT. Arus elektron yang dihasilkan membentuk pulsa tegangan pada input penguat

awal (preamplifier). Pulsa ini setelah melewati alat pemisah dan pembentuk pulsa

dihitung dan dianalisis olehMulichannel Analyzer (MCA) dengan tinggi pulsa sebanding

dengan energi gamma.

Gambar 2. Skema bagan spektrometer sinar gamma.

Jika energi radiasi yang dipancarkan oleh unsur radioaktif 137Cs diserap seluruhnya oleh

elektron-elektron pada kristal detektor NaI(Tl) maka interaksi ini disebut efek fotolistrik

yang menghasilkan puncak energi (photopeak) pada spectrum gamma (gambar 3) pada

daerah energi 661,65 keV. Apabila foton gamma berinteraksi dengan sebuah elektron

bebas atau yang terikat lemah, misal elektron pada kulit terluar suatu atom, maka

sebagian energi photon akan diserap oleh elektron dan kemudian terhambur. Interaksi ini

disebut dengan hamburan Compton.

Gambar 3. Spektrum gamma dari 137Cs

Titik batas antara interaksi Compton dan foto listrik menghasilkan puncakenergi yang

disebut Compton edge. Puncak Backscatter disebabkan oleh foton yang telah

dihamburkan keluar ternyata didefleksi balik kedalam detektor sehingga terdeteksi

ulang. Sebagian besar energi foton 137Cs (89,98%) dipancarkan dengan energi

661,65 keV, tetapi ada juga foton yang dipancarkan dengan energi masingmasing:

4,47 keV (1,04%), 31,82 keV (2,07%), 32,19 keV (3,82%) dan 36,40 keV (1,39%).

Energi foton sebesar 4,47 keV terlampau kecil untuk terdeteksi oleh detector NaI(Tl).

Tiga energi berikutnya (31,82 , 32,19 dan 36,40 keV) terlalu dekat untuk Nuclear

Radiation Scintilator Photocathode Light reflector Light pipe Preamplifier Discriminator and

pulse shaper High voltage Photomultiplier Tube MCA dapat dipisahkan oleh detektor

NaI(Tl) sehingga muncul sebagai multiplet dengan energi rata-rata 32,89 keV.

Demikian contoh karakteristik spektra dari isotop 137Cs, setiap isotop mempunyai

karakteristik pola spektral yang berbeda-beda yang dapat digunakan untuk

mengidentifikasi isotop-isotop tersebut.( M. Syamsa Ardisasmita)

7.3 INTERAKSI SINAR GAMMA DAN MATERI

Ada tiga proses utama yang dapat terjadi apabila radiasi gamma melewati bahan,

yaitu efek fololistrik, hamburan Compton dan produksi pasangan. Ketiga proses tersebut

melepaskan elektron yang selanjutnya dapat mengionisasi atom-atom lain dalam bahan.

Peluang terjadinya interaksi antara radiasi gamma dengan bahan ditentukan oleh

koefisien absorbsi linier (). Karena penyerapan intensitas gelombang elektromagnetik

melalui tiga proses utama, maka nilai juga ditentukan oleh peluang terjadinya ketiga

proses tersebut, yaitu f

untuk foto listrik, c

untuk hamburan Compton dan pp

untuk

produksi pasangan. Koefisien absorbsi total (t) dari ketiga koefisien tersebut

ppcft++= (7.6)

7.3.1 Efek fotolistrik

Efek foto listrik adalah peristiwa diserapnya energi foton seluruhnya oleh

elektron yang terikat kuat oleh suatu atom sehingga elektron tersebut terlepas dari

ikatan atom. Elektron yang terlepas dinamakan fotoelektron.efek foto listrik terutama

terjadi antara 0,01 MeV hingga 0,5 MeV. Efek fotolistrik ini umumnya banyak terjadi

pada materi dengan Z yang besar, seperti tembaga (Z = 29). Energi foton yang datang

sebagian besar berpindah ke elektron fotolistrik dalam bentuk energi kinetik elektron

dan sebagian lagi digunakan untuk melawan energi ikat elektron (W0). Besarnya

energi kinetik fotoelektron (K) dalam peristiwa ini adalah:

0WhfK= (7.7)

Dari persamaan 7.7 terlihat bahwa agar efek fotolistrik terjadi, maka energi

foton harus sekurang-kurangnya sama dengan energi ikat elektron yang berinteraksi.

7.3.2 Hamburan Compton

Hamburan Compton terjadi apabila foton dengan energi hf berinteraksi dengan

elektron bebas atau elektron yang tidak terikat dengan kuat oleh inti, yaitu elektron

terluar dari atom. Elektron itu dilepaskan dari ikatan inti dan bergerak dengan energi

kinetik tertentu disertai foton lain dengan energi lebih rendah dibandingkan foton

datang. Foton lain ini dinamakan foton hamburan. Kemungkinan terjadinya

hamburan Compton berkurang bila energi foton yang datang bertambah dan bila Z

bertambah. Dalam hamburan Compton ini, energi foton yang datang yang diserap

atom diubah menjadi energi kinetik elektron dan foton hamburan. Perubahan panjang

gelombang foton hamburan dari menjadi dirumuskan

)cos1(==cmhe (7.8)

dengan memasukkan nilai-nilai h, m dan c diperoleh

)cos1(0242,0)(=A (7.9)

Hamburan foton penting untuk radiasi elektromagnetik dengan energi 200 keV

hingga 5 MeV dalam sebagian besar unsur-unsur ringan.

7.3.3 Produksi pasangan

Produksi pasangan terjadi karena interaksi antara foton dengan medan listrik

dalam inti atom berat. Jika interaksi itu terjadi, maka foton akan lenyap dan sebagai

gantinya akan timbul sepasang elektron-positron. Karena massa diam elektron

ekivalen dengan energi 0,51 MeV, maka produksi pasangan hanya dapat terjadi pada

energi foton 1,02 MeV (2mec

2

). Energi kinetik total pasagan elektron-positron

sesuai dengan persamaan:

22cmcmKKhfpepe+++=. (7.10)

Kedua partikel ini akan kehilangan energinya melalui proses ionisasi atom

bahan. Positron yang terbentuk juga bisa bergabung dengan elektron melalui suatu

proses yang dinamakn annihiliasi.

III. Metode Pengambilan Data

3.1 Alat dan Bahan

3.1.1 Seperangkat Alat Spektroskopi Gamma

Seperangkat alat spectrometer gamma didalamnya termasuk detector

sintilasi (NaITl). Berfungsi sebagai alat pencacah sumber radioisotop.

3.1.2 Osiloskop

Berfungsi sebagai alat yang menampilkan gelombang energy

radioisotope hasil pencacahan.

3.1.3 Radioisotop

Berfungsi sebagai sumber yang akan dicacah dan dicari nilai dari

energinya. Radioisotop yang digunakan ada tiga yaitu 137

Cs, 60

Co, 152

Eu.

3.2 Skema dan Gambar Rangkaian Percobaan

3.2.1 Skema Rangkaian Percobaan

Gambar 1 Skema Rangkaian Percobaan Spektroskopi Gamma dengan Detektor

Sintilasi

3.2.3 Gambar Rangkaian Percobaan

Gambar 2 Gambar Rangkaian Percobaan Spektroskopi Gamma dengan

Detektor Sintilasi

3.3 Diagram Alir Percobaan

PMT Pre-amplifier

Diskriminator dan

pembaca pulsa

Amplifier

CRO dan SCA Tegangan tinggi

(HV)

Mula

Merangkai peralatan spektroskopi gamma, setelah rangkaian

benar maka alat dapat dinyalakan.

Mengatur tegangan secara perlahan dengan tidak melebihi

tegangan operasional detector (Vop=800 Volt) yaitu sebesar

760 Volt.

Gambar 3 Diagram Alir Percobaan Spektroskopi Gamma dengan Detektor

Sintilasi

3.4 Diagram Proses Fisis

Sinar- yang dipancarkan radioisotop menumbuk lapisan detektor NaI(Tl).

Peristiwa materi yang dikenai oleh energy/foton akan menghasilkan salah satu

dari tiga peristiwa efek fotolistrik, efek Compton, dan produksi pasangan.

Ketiga peristiwa tersebut menghasilkan elektron akibat eksitasi elektron.

Elektron hasil dari proses interaksi sinar- dengan materi tersebut akan masuk

ke dalam PMT. Di dalam PMT terdapat dynode (banyak diode), yang mana

ketika sebuah elektron menumbuk diode pertama yang mempunyai beda

potensial (berarti jumlah proton banyak), maka sebuah elektron tersebut akan

termultiplikasi (tergandakan), sehingga akan banyak elektron yang dihasilkan

dari diode tersebut, diode selanjutnya.

Selesa

Menentukan nilai E sebesar 0.1 Volt dan nilai E dimulai

dari E=2 Volt.

Meletakkan sumber radiasi dibawah detector, kemudian

dilanjutkan dengan mencacah sumber radiasi tersebut.

Melakukan pencacahan pada sumber radiasi dilakukan

sebanyak dua kali untuk satu kali variasi nilai E.

Pencacahan dilakukan untuk setiap kenaikan E sebesar 0.1

Volt dari E=2 Volt sampai dengan E=7 Volt.

Melakukan langkah yang sama seperti diatas untuk sumber

radiasi yang berbeda. Sumber radiasi yang digunakan

meliputi, 137

Cs, 60

Co, 152

Eu.

Gambar 4 Diagram Proses Fisis Percobaan Spektroskopi Gamma dengan

Detektor Sintilasi.