PERENCANAAN DAN PEMBUATAN SUATU "INVERTED FILTER NEUTRON

SrEKTROMBTBR",

Marsongkohadi,

I.T.B. Departemen Fisika, dan BATAN - Pusat Reaktor Atom Bandung

Karsono Linggoatmodjo

BATAN - Pusat Reaktor Atom Bandung

dan

Zuharli Amilius

BA TAN - Pusat Reaktor Atom Bandung

Abstrak

PERENCANAAN DAN PEMBUATAN SUATU "INVERTED FILTER NEUTRONSPEKTROMETER". Untuk pcnelitian dengan menggunakan teknik hamburan neu­tron inclastik, sedang dibuat suatu "inverted Filter Neutron Spektrometer". Alatinilah yang paling sesuai untuk reaktor berdaya rendah. Berkas neutron denganpenampang 5 em x 5 em, dipantulkan oleh bidang-bidang 0 II) dari kristal tung­gal Cu, guna memprodusir neutron monochromatik. Energi neutron datang dapatdirubah-rubah dari 20 - 150 meV. Sample yang akan diselidiki berada 120 emdari monochromator. Sebuah Soller slit ditaruh diantara monochromator dansample. Sudut hamburan dapat dirubah-rubah sampai 1050. Pencacahan neutrondilakukan dcngan sebuah pencacah BF3 dan dipasang vertikal.Dimuka pencacah BF3 dipasang sebuah filter BeO yang panjangnya 20 em. Ener­gi rata-rata dari filter "cut-off' ialah 2.5 meV. Keuntungan dan kerugian spektro­meter ini dibahas. Kemungkinan penggunaan Spektrometer ini untuk penelitiandiberbagai bidang diutarakan.

1. Pendahuluan:

Dengan ditingkatkannya daya reaktor TRIGA MARK II menjadi I MW, makaterbukalah suatu bidang penelitian baru yang dapat dilakukan di Pusat Reaktor AtomBandung, yakni penelitian "Condensed Matter" dengan teknik hamburan neutron ine­lastik. Biasanya teknik ini dilakukan dengan suatu Spektrometer yang dapat meng- .analisa energi neutron yang dihamburkan oleh sample, atau dengan perkataan lain dapatmenentukan penampang hamburan differensial bcrganda (double differential cross-sec­tion). Hal ini dilakukan misalnya dengan Triple Axis Spectrometer, dimana energi neu­tron yang dihamburkan dianalysir dengan sebuah kristal tunggal (analysat6r). Akan te­tapi dengan memakai dua kristal tunggal (satu untuk monochromator dan satu untukanalysator intensitasnya menjadi turun sekali. Hal ini bukan persoalan yang seriousuntuk reaktor yang berdaya tinggi. Akan tetapi untuk TRIGA MARK II yang berdaya1 MW, Triple Axid Spectrometer tak mungkin dipakai. Cara lain untuk menganalysaenergi ialah dengan methoda Time-of-Flight Spectroscopy, tetapi ini membutuhkanperatalan elektronik yang rumit dan maha!.

Yang paling cocok untuk reaktor kita ialah suatu Spektrometer yang dapat me­nganalysa energi neutron yang dihamburkan dengan suatu "filter detector" yang tidakmenurunkan intensitasnya secara serious dan mempunyai resolusi yang cukup baik.

Untuk ini maka suatu "Inw-t('d Filter Neutron Spektrometer" sedang dibuat.

124

a. In-pile collimator.

b. Monochromator & Monochromator Shield.

c. Specktrometer

d. Filter detector (analysator).

e. Counting system.

Marilah kita bahas peralatan pokok itu satu persatu:

a. In-pile Collimator:

In-pile Collimator dipasang didalam ·'brem port" dengan maksud untukmendapatkan berkas neutron yang terkolimasi dengan ukuran penampang yangdikehendaki. Akan tetapi dengan adanya collimator tersebut fluks neutron sangatmenurun. Bermacam-macam design dari Collimator telah dikemukakan untuk men­cacah penurunan fluks yang drastis apabila neutron dari teras (core) reaktormelaluinya.

Salah satu design yang kami pandang cukup baik ialah dengan menggunakanpolykristal grafitsebagai monochromator yang dipasang dekat teras.

Bagannya dapat dilihat pada gambar. 2.

Sebuah pcnghalang berbentuk kerucut terbuat dari baja dan timbal, se­bagai penghalang neutron dan sinar gamma; dipasang sedalam mungkin dida­lam beam port sehingga menghasilkan berkas neutron yang berbentuk konis.

Berkas itu dijatuhkan pad a monochromator. Berdasarkan perhitungandapat ditunjukkan bahwa untuk grafit dengan puncak kerucut 200, fluksneutron berbcntuk Maxwellian yang dihamburkan oleh grafit tersebut (ref­leksi pad a bidang 002) menghasilkan berkas dengan panjang gelombang1.16 Ao. Kontaminasi neutron dengan panjang gelombang 0.70 K hanya5%.

Selain dari itu system ini juga menunjukkan adanya kcnaikan fluks.Gambar 3 menunjukkan perbandingan fluks apabila system ini dipakaidan tanpa system tersebut.

b. Monochromator & Monochromator Housing.

Monochromator yang dipakai adalah kristal tunggal Cu (111), yang di­taruh diatas meja monochromator. Meja ini dapat berputar secara otomatisdengan steps 15' atau 7.5'. Sudut monochromator dapat dibaca pada skaladengan vernier dengan ketelitian yang tinggi.Perputaran meja monochromator digandeng (coupled) dengan monochro­mator shield dengan perbandingan I : 2. ladi setiap kali monochromatorberputar dengan sudut theta Soller collimator yang dipasang pada monoch­romator shield turut berputar dengan sudut 2 theta. Ini menjaga supaya se­tiap berkas neutron yang dipantulkan oleh kristal Cu (Ill) melalui Sollercollimator, dan jatuh pada sample yang akan diselidiki.

Konstriksi dari Monochromator housing hampir sama dengan Monoch­romator housing dari double Axis Spectrometer. Perbedaannya ialah bahwadrum yang ditengah ikut berputar pada waktu percobaan berjalan.

c. Spectrometer:

Spektrometer ini terdin dari sumbu pertama dan sumbu kedua. Padasumbu-sumbu itu masing-masing dipasang meja monochromator dan mejakristal (sample).

125

Kedudukan monochromator dan sample dapat dibaca dad skala danvernier. Kedua meja itu dapat berputar secara independent. Bagian-bagian

dari spektrometer ini sedang dibuat di Bhabha Atomic Research Centre,Bombay, India.

d. Filter detector (Analysator)

2 Untuk filter dipakai BeO berupa balok dengan penampang 4 x 4em dan panjangnya 20 em Energi "cut-off" rata-rata ialah 2.5 meV, se­hingga resolusi energinya lebih baik dari pad a filter beryllium. Dibelakangfilter tersebut dipasang pencacah BF3 secara vertikal.

Panjang pencacah tersebut 15 em dan diameternya 5 em. SystemfUter dan pencacah ini ditaruh didalam "Detector Shielding".

e. Counting system.

Spektrometer ini memakai dua saluran pencacah, yakni pencacahmonitor dan pencacah utama yang mencacah neutron yang dihamburkanoleh sample.

Pencacahan neutron yang dihamburkan dinormalisir terhadap "pre­set count" dari monitor. Hal ini dimaksudkan untuk menghindari penga­ruh fluktuasi daya reaktor pacta pencacahan.

Diagram blok dari counting system tersebut dapat dilihat pacta gam­bar 4.

BF3 COUNTER

MAIN DETECTOR

H. V I i Preampl

Ampl

Printing

Scaler

Printer Control Unit

Gambar 4

BF3

MONITOR

Ampl

Decade

Scaler

Spectrometer

126

Diagram blok system pencacah

2. Prinsip Dasar suatu "Filter Detector Spectrometer".

Filter Detector Spectrometer pertama kali dibuat oleh Brockhouse et al (I, 2).Prinsipnya dapat dilihat pada gambar 1.

==:JBF3

Gambar 1

Bagan "Filter Detector Spectrometer"

Suatu berkas neutron monochromatik yang clihasilkan oleh satu kristal tunggal,dapat dirubah-rubah energinya. Neutron itu, setelah melalui Soller slit jatuh pada sam­ple yang akan diselidiki. Neutron yang dihamburkan dicacah dengan suatu pencacahBF3 yang didepannya dipasang sebuah blok beryllium sebagai filter. Karena cut-offenergy dari beryllium ialah 0.005 eV maka hanya neutron dengan energi kurang dari0.005 mV dapat masuk kedalam pencacah.

Perpindahan energi (energy transfer) dapat dituliskan,

Eo - < E' > ))

~ Eo - 0.003 eV

.......................................(I)

dimana Eo energi neutron datang, <E' > adalah "cut-off energy" rata-rata.Perpindahan energi ini dibarengi dengan perpindahan momentum (momentum

transfer)..Q

.....ko- k' ......................................... (2)

+ +

dimana ko dan k masing-masing vektor gelombang datang dan dihamburkan.Pencacahan neutron yang dihamburkan dinormalisir terhadap "pre-set count"

dari monitor dan dapat ditentukan dari:

N(Eo) = C -<'>f R(e - Eo) de S(E - e) dE (3)

adalah fungsi distribusi neutron datang ditentukan oleh resolusiinstrumen ..

127

S(E) adalah fungsi distribusi neutron yang dihamburkan.

Ef "cut-off' energy dari filter.

Untuk merubah-rubah Eo maka monochromator diputar secara selangkah-selangkah(steps) dan untuk menjaga geometry yang tetap dari ham buran, maka setiap perubah­an monochromator diikuti perubahan meja sample dengan perbandingan sudut I : 2.

Spektrum dari neutron yang dihamburkan didapat dengan mencatat intensitasneutron yang dihamburkan (yang dicatat oleh filter detector) sebagai fungsi dari per­pindahan energi (berbandingan lurus dengan sudut monochromator).

Puncak-puncak teIjadi apabila

Eo - h v j = <Ef> (4)

dimana Eo

V']energi neutron datang

frakwensi dari mode ke j dimana neutron memberikan energinya.

<Ef> energi rata-rata dari cut-off '" 0.003 eV.

Oleh karena neutron yang dipakai adalah neutron thermis dan sample biasanya diding­inkan pad a suhu nitrogen cair, maka methode yang dipakai ialah methode "energyloss". Dalam methode ini neutron datang memberikan sebagian energynya pada' sys­tem vibrasi/rotasi sample.

Keuntungan dan kerugian dari Filter detector Spectrometer ini ialah:

Keun tungan-k eun tungan:

I. Konstruksi dapat sederhana seperti Double Axis Spectrometer.

2. Effisiensi dari system analysator (filter detector) konstan sehingga intensitasyang dicatat tak perlu dikoreksi dengan fungsi kepekaan dari system analysator.

3. Karena methoda "energy loss' yang dipakai maka perpindahan energi yang cu­kup tinggi tetap dapat diamati. Berbeda dengan methoda". energi gain" dimanabesarnya perpindahan energi yang diamati dibatasi oleh faktor populasi exp( IkT).

4. Keadaan percobaan dapat diatur sedemikian rupa sehingga pencacah dapat men­cakup sudut ruang yang lebih besar sehingga intensitasnya bertambah.

5. Penggunaan filter detector dapat mengurangi kontaminasi neutron orde tinggi.

6. Apabila pencacah monitor mempunyai fungsi kepekaan I lv, maka ia dapat me­lenyapkan faktor k Ik dari penampang hamburan differensial sehingga hanyadidapat hukum hambu<ian S(Q, w) yang hanya bergantung pada perpin­dahan energi dan momentum.

Kerugian-kerugian:

I. Resolusi alat kurang.

2. Karena vektor gelombang yang dihamburkan kecil, maka besarnya perpindahanmomentum terbatas, untuk suatu perpindahan energi tertentu.

3. Perpindahan energi yang besar menyebabkan adanya proses multi phonen.

3. Instrumentasi:

Peralatan pokok dari suatu "Inverted Filter Neutron Spectrometer" ialah:

128

Selama percobaan dengan spektrometer (sudut hamburan phi) dipa­sang tetap. Monochromator berputar secara diskontinu, berdiam pada sua­tu posisi sampai saat dimana pencacah monitor mencapai "pre-set count".Dalam interval waktu inilah pencacah utama mencacah neutron yang di­hamburkan, mencetak (print) dan mereset, kedua scaler "(monitor scalerdan printing scaler). Monochromator berputar pada stop berikutnya dankedua scaler distart, dan seterusnya.

Kerjasama antara spektrometer dengan kedua counting system inidiatur oleh Control unit.

Skema dari control unit tersebut dapat dilihat pada gambar 5.

4. Kemungkinan-kemungkinan pemakaian "Filter Detector Spectrometer" un­tuk penelitian diberbagai bidang.

a. Spektroskopi MolekuljDynamika Molekul dalam Kristal.

Energy-loss Neutron Spectroscopy" dengan menggunakan "FilterDetector Spectrometer" telah banyak dipakai dalam Spektroskopi Mole­kul. Zat-zat yang diselidiki terutama yang mengandung atom hydrogen,karena penampang hamburan inkoherennya sangat besar. Ketiga tehnik,

Spektroskopi Infra Merah, Spektroskopi Raman dan Spektroskopi Neu­tron, saling bantu-membantu (complementary) dalam memecahkan per­soalan Spektroskopi Molekul. Suatu review yang lengkap mengenai ini di­tulis oleh l.W. White. (3)

Dynamika dari ion NH+4 dalam amonium-halide telah diungkapkandengan menggunakan "Filter Detector Technique" (4).

Venkataraman et al (4) bahkan dapat memisahkan puncak yang timbuldari anharmonisitas dengan menggunakan suatu filter detector khususyakni window filter.

Gerak librasi dari molekul H")O dalam crystal hydrates telah dapatdiselidiki dengan "Filter Detector Spec." oleh Thaper et al (5, 6)Dengan menggunakan sample kristal tunggal dimana ~ dapat diatursehingga: sejajar atau tegak lurus pada vektor H-H, mereka dapat meng­indentifisir gerak rocking, twisting dan waving.

b. Penelitian dibidang zat cairo

Bersama-sama dengan Rotating Crystal Spectrometer, Filter DetectorSpectrometer dapat dipakai untuk menyelidiki zat cairo Liquid Zinc telah diselidiki dengan tehnik ini. Suatu penjajagan kemungkinan pemakaian tehnikini diketemukan dalam "Seminar" ini.

c. Pengukuran Fonon (Dynamika kisi).

Pengukuran fonon-fonon berfrekwensi tinggi biasanya sulir dilakukandengan Triple Axis Spectrometer apabila reaktor yang dipakai berfIuks me­dium. Pada permulaannya orang berpendapat bahwa "Filter Detector Spec­trometer" tak mungkin dipakai, karena ketidak pastian dari vektor k'(disebabkan karena sifat dari filter), menyebabkan sulitnya menentukan be­

sar dan arahnya vektor gelombang fonon. ~Akan tetapi apabila kita dapat memilih k' effektip, penggunaan filter

detector dapat dilakukan dengan baik.

Teknik ini peitama kali dilakukan oleh Bergsma, (7) kemudian juga

oleh Haywood dan Collins.(8)

129

Dengan menggunakan filter BeO maka k' berkorespondensi denganenergi 2.5 meV. Pengukuran-pengukuran "Optical modes" dari kurva disper­

si dengan cara "Constant Q" dan "Constant E" telah dilakukan untuk Beryl-liumW), dalam arah [OOO~J dan [O~~OJ dan juga untuk CaO (10)dalam arah [100], [110 J. [Ill ] .Hasilnya sangat memuaskan.

Catatan :

Gambar-gambar: 2, 3 dan 5 harap dilihat halaman berikut.

KEPUST AKAAN :

1. Brockhouse, B.N. Sakamoto, M, Sinclair, R.N. Woods, A,D,B, Bull.Phys.Soc. 5 (1960, 373.)

2. Woods, A.D.B, Brockhouse, B.N., Sakamoto, N, and Sinclair, R.N. Proc.Symp "Inelastic Scattering of Neutrons" Vienna, 1960, 487.

3. J .W. White, Proc. Symp. "Inelastic Scattering of Neutrons" Grenoble, 1972.

4. Venkataraman, G, Usha Deniz,K, Iyengar, P.K, Roy, A.P. VijayaraghavanpPR J .Phys.Chem.Solids 27, 1103 (1966).

5. C.L. Thaper, A.Sequera, B, A.Dasannacharya, and P.K. Iyengar, Phys. Stat.Sol. 34,279, (1969).

6. C.L. Thaper, B.A. Dasannacharya, A. Sequera, P.K.Iyengar, Solid State Comm.8, 497, 1970.

7. Bergsma, Petten Report RCN-121, 1970.

8. Haywood and Collins, Harwell report, AERE-PRjPMD2, 1970.

9. c.L. Thaper, B.A. Dasannacharya, Srinivasan; Mithani, Iyengar, AnnualReport, N.P.D. 1970, Bhabha Atomic Research Centre, 81.

10. Vijayaraghavan, P.R., Marsongkohadi, and P.K.Iyengar, Proc.Symp. "inelasticScattering of Neutron", Grenoble, 1972.

DISKUS1:

IJOS SUBKI:

Apakah performance dari Inverted Filter Spe.ctrometer dapat diperbaiki de­ngan operasi pada pulsing mode.

MARSONGKOHADI :

Memang benar dengan "pulsed reactor" kita mendapat fluks yang jauh Iebihtinggi, sehingga pengukuran intensitas Iebih teliti. Akan tetapi "pulsed reactor" Ie­bih cocok digunakan dengan "Time-of-Flight" Spectroscopy, dimana kita tidak u­sah menggunakan chopper Iagi.

BAMBANG PERMADI:

Bagaimanakah pendapat pembicara pada kemungkinan digunakannya neu-tron guide tube di TRIGA kita bandingkan dengan time of flight maupun BDS.;dilihat dari sudut keuntungan teknis penelitian maupun pembiayaan.

MARSONGKOHADI:

Neutron guide tubes sangat sulit pembuatannya dan mahal sekali harganya.Menurut Saudara Djajusman yang pernah bekerja dengan alat ini, harganya US.$~OO,- per meter, sedangkan yang dibutuhkan sampai 140 meter.Teranglah bahwa ini diluar kemampuan kita.

130