INSTRUMENTASI NUKLIR

SILABUS INSTRUMENTASI NUKLIR• Pendahuluan:peranan instrumentasi nuklir dalama kehidupan, evolusi instrumentasi

nuklir; radiasi nuklir:

• Jenis-jenis radiasi nuklir, interaksi radiasi dengan bahan, sumber radiasi nuklir;

• detector nuklir: prinsip kerja, jenis-jenis detector nuklir, karakteristik detector nuklir;

• pre amplifier: prinsip kerja, karakteristik pre amplifier, contoh rangkaian dan analisisnya;

• amplifier nuklir: prinsip kerja, karakteristik amplifier, contoh rangkaian dan analisisnya;

• diskriminator: prinsip kerja, contoh rangkaian dan analisisnya;

• Single Channel Analyzer (SCA): prinsip kerja, contoh rangkaian dan analisisnya; rangkaian pewaktu, timer-scaler: prinsip kerja, contoh rangkaian dan analisisnya;

• Multi Channel Analyzer(MCA): prinsip kerja, karakteristik MCA, contoh rangkaian dan analisisnya. Analisa spectrum MCA;

• Instrumentasi nuklir untuk medis dan industry: NDT untuk mendeteksi kebocoranpipa, kualitas sambungan, deteksi objek, Sinar-X, MRI, CT scan, kamera sinar gamma, dll

SISTEM

•Kuliah singkat

•RBL kecil➔ 2-3 pekan ➔ presentasi

•PR

•QUIZ

DETEKTOR NUKLIR

IONIZATION CHAMBER

• Detektor paling tua dan tipe yang paling banyak digunakan adalah dengan memanfaatkan efek yang dihasilkan ketika partikel radioaktif melewati gas.

• Bentuk utama interaksi : ionisasi dan eksitasi molekul gas sepanjang jejak partikel

• Ion-ion terbentuk karena interaksi langsung partikel radioaktif dengan gas atau karena efek sekunder

• Parameter penting: jumlah ion yang terbentuk sepanjang jejak partikel

Energi yang diperlukan untuk membentuk pasangan ion pada beberapa jenis gas (W)

GAS 1st ionization

potential (ev)

W untuk elektron

cepat (ev/ion pair)

W untuk alfa

(ev/ion pair)

Ar 15,7 26,4 26,3

He 24,5 41,3 42,7

H2 15,6 36,5 36,4

N2 15,5 34,8 36,4

Udara 33,8 35,1

O2 12,5 30,8 32,2

CH4 14,5 27,3 29,1

Detektor Ion Chamber

• Energi rata-rata yang diperlukan untuk pembentukan pasangan ion lebih tinggi dari energi ionisasi karena ada mekanisme yang memungkinkan partikel radioaktif kehilangan energi tanpa menimbulkan ionisasi misalnya eksitasi ke bound state yang energinya lebih tinggi.

• Untuk 1 Mev partikel kira-kira ia akan berhenti setelah mengionisasi ~ 30000 pasangan ion.

• Muatan yang terkumpul Q=4.8x10-15Coulomb.

• Faktor Fano: Faktor pengali yang harus dilakukan pada varian yang diprediksi agar sesuai dengan harga eksperimen.

Ion Chamber: Difusi, transfer muatan dan rekombinasi

• Atom dan molekul netral berada dalam gerak termal yang tetap, ditandai dengan jarak bebas rata-rata yang spesifik untuk jenis gas tertentu.

• Ion + dan elektron juga mengalami gerak termal dengan elektron lebih besar geraknya.

• Sebuah kumpulan titik elektron akan menyebar disekitar titik itu dengan distribusi gaussian dengan standar deviasi:

σ = √(2Dt)

D =tetapan difusi, t = elasped time

Ion Chamber: rekombinasi

• Bila ion + bertumbukan dengan elektron akan terjadi rekombinasi

• Laju rekombinasi:

• n+=kerapatan ion +

• n- =kerapatan ion -

irekombinaskoefisien α =

−== −+−+

nndt

dn

dt

dn

Ion Chamber: rekombinasi (lanjutan)

• Untuk ion di gas kecepatan drift dapat diprediksi dengan

• P=tekanan gas, v=laju drift,

E = kuat medan listrik

• Untuk P=1atm, E=104 V/m, mobility=1~1.5x10-4

then the drift velocity is about 1 m/s

mobilitas

P

Ev

=

=

Ion Chamber: rekombinasi (lanjutan)

• Untuk elektron mobilitasnya jauh lebih tinggi, mobilitasnya sekitar 1000 kali ion.

• Collection time untuk ion dalam orde ~10ms, sedang untuk elektron dalam orde miko sekon.

Ion Chamber: Arus Ionisasi

• Dalam pengaruh medan listrik ion+ dan elektron akan bergerak dan menimbulkan arus listrik.

• Bila fluks partikel radioaktif cukup konstan dengan ukuran tabung cukup kecil, maka laju pembentukan ion akan setimbang dengan laju hilangnya ion (rekombinasi, keluar, dll.)

• Bila rekombinasi relatif kecil, maka arus tunak yang mengalir menggambarkan laju pembentukan pasangan ion, yang berarti fluks partikel radioaktif.

• Ini merupakan prinsip kerja detektor ini.

Ion Chamber: Arus Ionisasi

Didaerah datar Ion Chamber, medan listrik telah cukup besar untuk menekan rekombinasi ke level yang dapat diabaikan.

PROPORSIONAL COUNTER

• Dikembangkan pertama kali akhir tahun 40an.

• Bekerja dalam modus pulsa

• Menggunakan ionisasi sekunder untuk memperbesar muatan yang terbentuk akibat masuknya partikel radioaktif.

• Tinggi pulsa sebanding dengan energi partikel radioaktif yang masuk

• Aplikasi penting adalah pada radiasi sinar X energi rendah

Proportional counter

Proportional Counter: Gas Multiplication

• Medan listrik yang lebih tinggi dari pada Ion chamber menyebabkan terjadinya ionisasi sekunder

• Kuat medan listrik : E = V / (r lnb/a) ; di sini a adalah radius kawat dan b adalah radius silinder. Jika a=0.01 cm dan b=1.0 cm dan V=1000 volt maka kuat medan listriknya 104 Volt/cm.

• Ambang medan listrik untuk gas yang biasa pada tekanan 1 atm adalah 106 V/m

n(x)=n(0)e x

• Di sini alfa adalah konstanta Townsend pertama dari gas.

Proportional Counter: Daerah kerja

Proportional counter

• Untuk daerah mendekati darah geiger counter maka proporsionalitas detektor menjadi berkurang (ada deviasi) ➔ disebut daerah proporsional terbatas

Geiger Muller Counter• Bila tegangan elektroda terus dinaikkan dari daerah

proporsional (1000volt atau lebih) maka akan terjadi kondisi ionisasi sekunder yang sangat tinggi sehingga terjadi keadaan dadal (avalanche). Di sini pulsa yang terjadi akibat masuknya partikel radioaktif ke bejana gas akan menghasilkan pulsa tegangan yang cukup tinggi dibandingkan dengan pulsa pada proportional counter.

• Sebaliknya, tinggi pulsa di sini tak lagi menyimpan informasi energi partikel datang karena tegangan pulsa akan sama untuk berbagai jenis energi pratikel radioaktif yang masuk.

• Jadi pencacah ini fungsinya untuk mencacah jumlah partikel yang masuk saja, bukan melihat spektrum energinya

• Pencacah geiger counter memiliki daerah operasi tegangan yang lebar(plateau) sehingga tak memerlukan sistem regulasi tegangan yang sangat ketat. Ini merupakan keuntungan pencacah Geiger Counter.

Geiger Muller Counter(2)

• Bentuk Pencacah geiger counter seperti pada pencacah proporsional, diisi dengan gas bertekanan sekitar 10 cm Hg yang terdiri atas campuran 90% argon, dan 10% nya adalah uap organik (seperti etil alkohol) atau dari gas halogen seperti Cl2 atau Br2. Tekanan rendah menyebabkan discharge terjadi pada tegangan yang relatif lebih rendah dari pada di pencacah proporsional.

• Elektron hasil ionisasi partikel datang akan ditarik dengan kuat ke kawat dan menghasilkan ionisasi sekunder yang lebih besar dari pada pada pencacah proporsional, menghasilkan pulsa listrik yang tak sensitif terhadap harga energi atau inisialisasi awal.

Geiger Muller Counter(3)

• Masalah pada geiger counter adalah terjadinya breakdown baru mengikuti terjadinya pulsa akibat adanya radiasi masuk. Avelanche terjadi tak merata/uniform di seluruh panjang kawat. Ada elektron yang diserap dan menghasilkan foton yang dapat memicu avelanche berikutnya.

• Ini dapat diatasi dengan menaruh gas diatomik yang akan menyerap foton ini. Jadi di sini gas poliatomik bertindak untuk "quenching"

DETEKTOR SINTILASI

• Mampu mencacah jumlah partikel radioaktif dan energinya.Prinsip kerjanya dapat dilihat pada gambar di samping.

• Partikel radioaktif yang menembus detektor menimbulkan cahaya tampak. Cahaya tampak ini kemudian menimbulkan efek foto listrik yang menghasilkan elektron.

• Elektron ini akan muncul dalam bentuk pulsa dan untuk memudahkan proses deteksinya terlebih dahulu diperkuat dengan tabung photo multiplier.

PRINSIP KERJA DETEKTOR SINTILASI

Sifat-sifat detektor sintilasi yang ideal:

1. Mengubah energi kinetik partikel bermuatan ke cahaya yang dapat dideteksi dengan efisiensi yang tinggi

2. Konversi ini bersifat linier terhadap energi partikel datang

3. Medium bersifat transparan terhadap panjang gelombang yang dipancarkannya

4. Waktu tunda ke terbentuknya pulsa sesingkat mungkin

5. Material bersifat baik secara optik dan memungkinkan fabrikasi dengan ukuran ideal

6. Indeks refraksi mendekati gelas (~1,5) untuk memungkinkan kopling secara efisien cahaya sintilasi ke tabung fotomultiplier

Struktur elektronik sintilator organik

Peran bahan aktivator seperti Tl di NaI

Detektor Sintilasi

Prinsip kerja tabung foto multiplier: terjadinya ionisasi sekunder dengan menarik elektron dengan beda potensial yang tinggi

Sifat-sifat beberapa sintilator yang umum

Nama Tipe Density

(g/cm3)

Index of

Refract.

Max

emisi

(nm)

Relative

output

(%)

Time

const.

(ns)

Antrasena Organik padat 1.25 1.62 447 0.43 30

Pilot B Plastik (organik padat) 1.03 1.58 408 0.30 1.8

NE 213 Organik cair 0.87 1.508 425 0.34 3.7

NaI (Tl) Kristal inorganik 3.67 1.85 410 1.00 230

CsF Inorganik kristal 4.11 1.48 390 0.05 5

DETEKTOR ZAT PADAT / SEMIKONDUKTOR

• Dibuat dari bahan semikonduktor, ada beberapa jenis : high purity germanium, high purity silicon, lithium drifted germanium dan lithium drifted silicon

• Ge dan Si memiliki elektron valensi 4, secara umum semuanya terikat dalam ikatan kovalen, sehingga seluruh pita valensi terisi penuh sedang pita konduksi kosong.

• Semikonduktor memiliki orde energi gap yang kecil sekitar 1 ev atau kurang. Sedangkan insulator energi gap nya dapat mencapai 5 ev.

DETEKTOR ZAT PADAT / SEMIKONDUKTOR(2)

• Pada suhu ruang sejumlah kecil elektron tereksitasi ke pita konduksi dan ada lubang di pita valensi.

• Lubang ini dapat diisi elektron dari atom sebelahnya maka seakan lubang ini dapat bergerak(tentu mmuatan positif inti atom tak berpindah).

• Untuk mengontrol konduksi di semikonduktor, sejumlah kecil bahan dari golongan III atau V yang dikenal sebagai doping diberikan pada bahan semikonduktor ini.

• Dengan adanya bahan doping gol. V maka ada atom dari doping ini yang kelebihan elektron (tak berpasangan). Elektron ini mudah terksitasi ke pita konduksi. Bahan ini menjadi semikonduktor tipe n.

• Sebaliknya kalau doping dari golongan III maka atom doping hanya bervalensi 3 maka ada sebuah lubang yang mudah diisi oleh elektron dari pita valensi. Bahan ini menjadi semikonduktor tipe p)

Semikonduktor dengan doping dari golongan V (menjadi semikonduktor tipe n)

Semikonduktor dengan doping dari golongan III (menjadi semikonduktor tipe p)

DETEKTOR ZAT PADAT / SEMIKONDUKTOR(3)

• Jika semikonduktor tipe n dan tipe p disambungkan maka elektron dari tipe n akan menyeberang sambungan menuju tipe p menyebabkan terjadinya daerah deplesi. Di sekitar sambungan ini pembawa muatan bebas ternetralisasi.

• Akibatnya terjadi medan listrik di sekitar sambungan yang mencegah penyeberangan selanjutnya.

• Bila partikel radioaktif memasuki daerah deplesi dan menimbulkan ionisasi (pasangan elektron dan hole) maka elektron dan hole akan bergerak dalam arah berlawanan di bawah medan listrik yang ada sehingga tercipta pulsa elektronik yang sebanding dengan energi partikel radioaktif tersebut.

Sambungan semikonduktor jenis n dan p yang bertindak sebagai detektor semikonduktor.

Tampak bahwa di daerah deplesi ada medan listrik yang mencegah rekombinasi berikutnya.

Pada gambar bawah bias eksternal digunakan

Contoh Detektor Semikonduktor

DETEKTOR ZAT PADAT / SEMIKONDUKTOR(4)

• Pada prakteknya detektor semikonduktor dioperasikan dengan tegangan balik sekitar 1000~3000V

• Tegangan ini berfungsi untuk meningkatkan medan listrik menyebabkan pengumpulan muatan menjadi lebih efisien

• Fungsi lain adalah untuk memperlebar daerah deplesi

Pembuatan detektor semikonduktor

• High purity Ge atau Si : penyimpanan bisa suhu kamar tetapi operasi pada suhu N2 cair untuk menekan noise.

• Pembuatan Lithium drifted detector:

- Mulai dari sampel semikonduktor tipe p

- Li didifusikan ke salah satu ujungnya dengan reverse bias dan sedikit penaikan temperatur maka Li masuk ke bahan itu. Ini menyebabkan tipe n

- Ini menyebabkan daerah deplesi yang luas

- Detektor ini harus disimpan di suhu N2 cair agar Li tak kembali keluar. Operasi juga harus dengan suhu N2 cair.

• Tebal daerah tipe n sekitar 1 mm.

Detekor surface barrier

• Sinar gamma 100 kev data tembusnya di Ge sekitar 4mm dan di Si sekitar 2 cm.

• Untuk 1 Mev elektron daya tembusnya ~ 1mm di Si dan Ge.

• Untuk 5 Mev alfa daya tembusnya ~ 0.02 mm di Si dan Ge.

• Karena itu untuk partikel bermuatan dibuat detektor khusus yaitu dengan meng-etching lapisan p sangat tipis (~< 0.1 u m) di semikonduktor n Si. ➔ detektor surface barrier

STATISTIK DETEKTOR NUKLIR

• Distribusinya poisson:

• p=probabilitas decay

n

pNn

n

ennP

nn

=

=

=−

!)(

Distribusi Poisson

Multi Channel Analyzer

Bagan hasil pengukuran dengan MCA

Masalah resolusi detektor pada MCA