PENGENALAN SPEKTROMETER ALPHA MODEL 7401 DENGAN DETEKTOR PIPS (PASSIVATED IMPLANTED PLANAR SILICON)
I.
TUJUAN 1. Mahasiswa dapat menggunakan spektrometer alpha model 7401 dengan benar 2. Mahasiswa dapat melakukan kalibrasi tenaga 3. Mahasiswa dapat menghitung aktivitas mutlak 4. Mahasiswa dapat menghitung resolusi
II.
DASAR TEORI Spektrometri alpha adalah suatu cara analisis radioaktif pemancar apha berdasarkan pengukuran tenaga dari intensitas zarah alpha yang dipancarkan oleh radioaktif tersebut. Tenaga sinar alpha yang terukur dipakai sebagai dasar analisis kuantitatif. Zarah alpha adalah suatu zarah yang terdiri atas 2 proton dan 2 neutron, sehingga sebenarnya merupakan inti helium. Zat radioaktif pemancar alpha adalah unsur yang mempunyai nomor atom tinggi yaitu >83. Zarah alpha yang dipancarkan dari inti atom mempunyai tenaga yang tertentu besarnya (diskrit) sehingga spektrum alpha merupakan spektrum garis. Sebagai contoh Am-241 memancarkan zarah alpha denan tenaga sebesar 5433 KeV dan 5477 KeV. Zarah alpha mempunyai massa dan muatan yang besar yang dapat berinteraksi secara efektif, jika dibandingkan dengan zarah beta dan gamma, namun zarah alpha mempunyai daya tembus sangat rendah. daya tembusnya yang rendah menyebabkan sering terjadi efek serapan diri( self self absorbtion). absorbtion). Efek serapan diri ini merupakan kendala yang harus dihilangkan pada analisis secara spektrometri alpha karena dapat memperkecil daya tembus zarah alpha yang diterima oleh detektor PIPS. Rumus untuk menentukan aktivitas mutlak :
( )
Keterangan : ϵ
= jumlah cacah di bawah puncak (net area)
s
= jarak sumber dengan detektor
r
= lingkaran detektor (cm)
t
= waktu (detik)
sinar alpha yang mempunyai tenaga tinggi akan menghasilkan pulsa yang tinggi, sedangkan sinar alpha bertenaga rendah akan menghasilkan pulsa yang rendah pula. Di lain pihak
intensitas sinar alpha yang dideteksi mempengaruhi cacah elektron yang dibebaskan. Makin tinggi intensitas sinar alpha, maka semakin banyak elektron yang dibebaskan dan makin banyak pula pulsa yang dihasilkan detektor. Cacah pulsa yang mempunyai tinggi yang sama dicatat dalam satu salur dengan nomor tertentu. Dengan demikian nomor salur penganalisa salur ganda juga sebanding dengan tenaga sinar alpha. Rumus untuk menentukan resolusi detektor :
Keterangan : ∆E
= selisih energi puncak
E
= energi pada puncak
Suatu perangkat spektrometer alpha terdiri dari beberapa piranti yaitu detektor, penyedia tegangan, penguat awal, penguat, penganalisis saluran ganda. Skema perangkat spektrometer alpha pada umumnya : 4
6
1
7
5 2
3
Gambar 1. Blok diagram spektrometer alpha
Keterangan gambar : 1. Saluran dari pompa vakum 2. Detektor PIPS 3. Ruang hampa udara 4. Catu daya tegangan 5. Pulser 6. Penguat awal 7. Penguat 8. Penganalisis saluran ganda (MCA)
8
Detektor PIPS
Detektor PIPS merupakan detektor semikonduktor yang terbuat dari unsur golongan IV pada tabel periodik yaitu silicon. Detektor ini mempunyai beberapa keunggulan yaitu lebih effisien dibandingkan dengan detektor isian gas, karena terbuat dari zat padat, serta mempunyai resolusi yang lebih baik daripada detektor sintilasi.
Gambar 2. Bahan isolator dan semikonduktor
Pada dasarnya, bahan isolator dan bahan semikonduktor tidak dapat meneruskan arus listrik. Hal ini disebabkan semua elektronnya berada di pita valensi sedangkan di pita konduksi kosong. Perbedaan tingkat energi antara pita valensi dan pita konduksi di bahan isolator sangat besar sehingga tidak memungkinkan elektron untuk berpindah ke pita konduksi ( > 5 eV ) seperti terlihat di atas. Sebaliknya, perbedaan tersebut relatif kecil pada bahan semikonduktor ( < 3 eV ) sehingga memungkinkan elektron untuk meloncat ke pita konduksi bila mendapat tambahan energi. Energi radiasi yang memasuki bahan semikonduktor akan diserap oleh bahan sehingga beberapa elektronnya dapat berpindah dari pita valensi ke pita konduksi. Bila di antara kedua ujung bahan semikonduktor tersebut terdapat beda potensial maka akan terjadi aliran arus listrik. Jadi pada detektor ini, energi radiasi diubah menjadi energi listrik.
Gambar 3. Sambungan Semikonduktor
Sambungan semikonduktor dibuat dengan menyambungkan semikonduktor tipe N dengan tipe P (PN junction). Kutub positif dari tegangan listrik eksternal dihubungkan ke tipe N sedangkan kutub negatifnya ke tipe P seperti terlihat pada Gambar 7. Hal ini menyebabkan pembawa muatan positif akan tertarik ke atas (kutub negatif) sedangkan pembawa muatan negatif akan tertarik ke bawah (kutub positif), sehingga terbentuk (depletion layer) lapisan kosong muatan pada sambungan PN. Dengan adanya lapisan kosong muatan ini maka tidak akan terjadi arus listrik. Bila ada radiasi pengion yang memasuki lapisan kosong muatan ini maka akan terbentuk ion-ion baru, elektron dan hole, yang akan bergerak ke kutub-kutub positif dan negatif. Tambahan elektron dan hole inilah yang akan menyebabkan terbentuknya pulsa atau arus listrik. Oleh karena daya atau energi yang dibutuhkan untuk menghasilkan ion-ion ini lebih rendah dibandingkan dengan proses ionisasi di gas, maka jumlah ion yang dihasilkan oleh energi yang sama akan lebih banyak. Hal inilah yang menyebabkan detektor semikonduktor sangat teliti dalam membedakan energi radiasi yang mengenainya atau disebut mempunyai resolusi tinggi. Sebenarnya, kemampuan untuk membedakan energi tidak terlalu diperlukan dalam pemakaian di lapangan, misalnya untuk melakukan survai radiasi. Akan tetapi untuk keperluan lain, misalnya untuk menentukan jenis radionuklida atau untuk menentukan jenis dan kadar bahan, kemampuan ini mutlak diperlukan. Kelemahan dari detektor semikonduktor adalah harganya lebih mahal, pemakaiannya harus sangat hati-hati karena mudah rusak dan beberapa jenis detektor semikonduktor harus didinginkan pada temperatur Nitrogen cair sehingga memerlukan dewar yang berukuran cukup besar.
III.
ALAT DAN BAHAN A. Alat Perangkat spektrometer alpha yang terdiri dari : 1. Detektor PIPS 2. Pompa vakum 3. Power Supply 4. Amplifier 5. Pre-amplifier 6. MCA B. Bahan 1. Sumber standar Po-210 2. Sampel
IV.
LANGKAH KERJA 1. Pompa dihidupkan 2. Serangkaian alat spektrometer alpha dihidupkan 3. Dilakukan kalibrasi dengan pulser (dimana 1 MeV = 100 kanal) 4. Sumber standar Po-210 dimasukkan ke dalam ruang hampa kemudian ditutup dengan pengunci 5. Setelah tekanan dalam ruang hampa stabil, daya detektor di setting 40 volt 6. Waktu operasi diatur 300 detik 7. Pencacahan dimulai 8. Setelah pencacahan selesai, dilakukan ROI untuk mengetahui nilai energi pada puncak dan beberapa data penting lainnya. 9. Percobaan no. 2 sampai no. 7 dilakukan juga untuk sampel.
V.
DATA PERCOBAAN Aktivitas sumber Po
210
1. Ao = 0.1 µCi, November 2011
138,4 hari
2. t
3. r = 0.5 cm a. data pencacahan No 1
Standar Waktu cacahan
Sampel
Real : 300
Real : 300
Live : 299,98
Live : 299,98
2
Energi awal puncak
5120,41
5223,78
3
Peak
5175,39 = 5296,84
5223,59
keV
kev
5356,83
5386,51
4
Energi
akhir
=
5346,10
puncak 5
VI.
FWHM
11,59 fw
(1/5)m=
30,32
64,90
45,31
fw(1/5)m
6
Gross area
1372
1442
7
Net area
1141 +- 99
1358 +- 59
8
Gross/net count rate
4,57/3,80 cps
4,81/4,53 cps
=
PERHITUNGAN. Diketahui energi puncak sampel sebesar 5346,10 KeV dan hanya terdapat 1 puncak. Dari tabel energi, maka dapat diprediksikan bahwa sampel yang dicacah merupakan Po-210, karena Po-210 hanya mempunyai satu puncak energi dan besar energinya adalah 5310 KeV. Berdasarkan perbandingan dengan sumber standar Po-210 juga dapat dikatakan bahwa sampel merupakan radionuklida Po-210.
a. Menghitung aktivitas sumber pada saat percobaan Ao = 0.1 µCi = 0.1 x 10 -6 Ci. T ½ = 138,4 hari, November 2011 t = 20 Mei 2014 – November 2011 = 932 hari.
At
0.1 x10 .e 6
932 0.693 138, 4
Ci
b. Menghitung resolusi detector Pada percobaan ini sampel yang digunakan sama dengan standar, maka diperoleh hasil sebagai berikut nilai R
keV
c. Menghitung Aktivitas Mutlak 1.
Standar
( ) ( ) ϵ
2.
Sampel
ϵ
VII. PEMBAHASAN Praktikum kali ini adalah bertujuan untuk mengetahui prinsip dari spektrometri alfa dan mengkalibrasi memakai pulser dan dapat menghitung aktivitas zarah alpha pada saat dilakukan pencacahan, serta dapat mengetahui resolusi detector yang digunakan. Spektrometri yang digunakan adalah spektrometri alfa yang menggunakan detektor PIPS. PIPS adalah spectroscopy alpha yang memberikan optimasi maksimum untuk resolusi yang tinggi, tingkat sensitivitas yang tinggi dan latar background yang rendah. Pada detector PIPS memiliki lapisan jendela yang tipis, dimana maksud dari lapisan tipis ini untuk memberikan jarak yang cukup antara detector dengan sumber untuk meningkatkan efesiensi dari alat. Pada detector PIPS jenis alpha ini dibuat dengan rancangan yang khusus dan terpilih untuk proses pengemasan bahan material dengan mengurangi cacah latar alpha dan di proses dan di uji dalam kondisi cacah latar yang rendah untuk mengindari kontaminasi peluruhan radionuklida alpha. Detector PIPS merupakan teknologi detector semikonduktor. Detektor PIPS dibuat dengan proses perencanaan menggunakan teknik photolithographic untuk menjelaskan sampel yang dilihat secara geomatrik. Dalam percobaan ini digunakan sumber alfa yang pada umumnya dipancarkan oleh elemen berat yaitu unsur dengan nomor massa besar yang biasanya memiliki nomor atom lebih dari 82 tetapi tenaga ikatnya rendah. Tenaga ikat yang dimaksud adalah tenaga ikat antara elektron terluar dan inti atom. Sumber atau unsur pemancar alpha nomor massanya akan berkurang 4 dan nomor atomnya akan berkurang 2 sehingga radiasi alpha disamakan dengan pembentukan inti Helium ( 4H2). Prinsip kerja dari spektrometri alfa ini adalah dengan mengkedapkan udara di dalam spektrometri dan memberikan tekanan ke dalam sumber radioaktif sehingga di dapatkan pencacahan yang maksimal. Sumber yang digunakkan dalam praktikum ini adalah Po-210 yang merupakan sumber yang memancarkan radiasi alfa. Polonium 210 adalah isotop paling umum yang terjadi yang memiliki paruh waktu 138 hari. Banyak isotop lain yang sudah berhasil disintesis. Dari peluruhan Po-210 menjadi Pb-206 menghasilkan 1 buah partikel alpha yang bisa dilihat dari spektrum yang dihasilkan berupa 1 puncak yang menunjukkan besarnya energi yang dihasilkan partikel alpha selama meluruh.
Untuk melihat kemampuan sistem spektrometer alpha dalam memisahkan antar energi radiasi maka dihitung resolusi detektor. Resolusi juga sangat penting karena dapat memberikan informasi seberapa valid informasi energi radiasi yang muncul dalam
spektrum radiasi yang dihasilkan. Berdasarkan percobaan, resolusi yang kami peroleh dalam percobaan memiliki nilai 3,044 %. Dari hasil yang diperoleh, kemampuan detektor untuk memisahkan energi cukup baik karena memiliki resolusi yang relatif kecil.
VIII. KESIMPULAN 1. Spektrometer Alpha dapat dikalibrasi dengan cara mencacah suatu sumber standar yang telah diketahui energi puncaknya kemudian nilai energi puncak yang diperoleh saat praktikum dibandingkan dengan nilai energi puncak secara teori sehingga diperoleh faktor kalibrasinya. 2. Nilai aktivitas mutlak yang diperoleh : -
Standar = 0,9508
-
Sampel = 1,1317
3. Resolusi detektor adalah
4. Sampel merupakan Po-210
IX.
DAFTAR PUSTAKA http://batan.go.id/pusdiklat/elearning/Pengukuran_Radiasi/Pencacah_05.htm http://hendriyanto.web.id/ukur/Pencacah_00.htm http://www.batan.go.id/pusdiklat/elearning/Pengukuran_Radiasi/Dasar_04.htm Pusdiklat BATAN, “ Detektor ,” Pengukuran Radiasi dan Spektroskopi Nuklir, 1997, hal. 32-
33.
Yogyakarta, 3 Juni 2014 Asisten,
Praktikan,
Maria Christina P
Dian Puspita Hapsari Fazry Fachrurony Risha Diah Ramadhani Tino Umbar
