laporan adpr nai(tl) hpge

8/10/2019 Laporan ADPR Nai(Tl) Hpge

1/15


2/15

I. Tujuan

a. Detektor HPGe

1. Agar mahasiswa dapat mengetahui spektrum gamma sumber radioaktif.

2. Agar mahasiswa dapat melakukan kalibrasi energi.

3. Agar mahasiswa dapat melakukan identifikasi unsur radioaktif

b. Detektor NaiTl

1. Mempelajari cara kerja Detektor NaI(Tl)

2. Membuat Spektrum Energi Gamma dengan NaI(Tl)

3. Membuat Grafik Kalibrasi Energi, dan menentukan Energi suatu radioisotop yang

belum diketahui

II. Dasar Teori

a. Detektor HPGe

Detektor CdTe merupakan detektor yang dibuat dari bahan Cadmium dan

Tellurium. Seperti halnya detektor semikonduktor lainnya, detektor ini bekerja

berdasarkan interaksi sinar-X atau sinar- dengan atom-atom CdTe yang kemudian

menghasilkan sebuah pasangan elektron-hole untuk setiap energi sebesar 4,43 eV.

Medan listrik dari luar digunakan untuk memisahkan pasangan elektron-hole sebelum

mereka bergabung kembali, selain itu menyebabkan elektron bergerak menuju anoda

dan hole menuju

katoda, sehingga

terkumpul muatan

pada elektroda dan

menghasilkan

isyarat. Melalui

proses pengolahan

dan analisa tinggi

pulsa akhirnya

isyarat tersebut

dapat dicacah dan ditampilkan bentuk spektrumnya. Sruktur detektor CdTe seperti

ditunjukkan pada gambar 1.

b. Detektor NaI(Tl)

Prinsip kerja sebuah detektor sintilator adalah terjadinya kelipan cahaya pada

bahan sintilator apabila dikenai partikel radiasi ataupun foton radiasi. Banyak jenis

bahan sintilator, baik anorganik maupun organik. Jenis sintilator sangat menentukan

jenis radiasi yang dapat dideteksi. Salah satu jenis sintilator yang banyak digunakan

untuk keperluan deteksi radiasi foton gamma adalah Sintilator NaI yang diberi aktivator

Tl, sehingga detektornya lebih dikenal sebagai detektor NaI(Tl).

Sebuah detektor Sintilasi NaI(Tl) terdiri dari :

Gambar 1. Struktur Detektor CdTe

ANODA (+)

KATODA (-)

ARUS ELEKTRON

ARUS HOLE

FOTON


3/15

1.Kristal NaI(Tl) yang berfungsi mengubah foton radiasi menjadi kelipan cahaya

2.Photokatode yang berfungsi mengubah kelipan cahaya menajdi fotoelektron

3.Tabung Pengganda Elektron (PMT) berfungsi melipatgandakan elektron yang

terbentuk, dan pada akhirnya terbentuk pulsa.

Gambaran sebuah detektor NaI(Tl) dapat dilhat pada gambar 1.

Gambar 1. Detektor Sintilator NaI(Tl)

Kelipan cahaya yang timbul diakibatkan adanya foton radiasi, oleh fotokatode

diubah menjadi fotoelektron. Kelipan cahaya yang timbul sebanding dengan energi

foton yang datang. Semakin besar energi, maka kelipan cahaya yang timbul semakin

banyak dan fotoelektron yang terbentukpun semakin banyak. Jika fotoelektron

dilipatgandakan didalam tabung PMT, akan terbentuk pulsa yang tingginya sebanding

dengan energi foton yang datang. Dengan demikian tinggi pulsa yang timbulpun akan

sebanding dengan energi yang foton datang.

II. Interaksi sinar gamma dengan materi.

lnteraksi sinar gamma dengan materi melalui tiga proses yaitu : proses

photolistrik, efek Compton dan bentukan pasangan.

Pada pancaran sinar gamma tidak ada tebal tertentu yang dapat menyerap

semua sinar gamma dalam materi, seperti untuk sinar alpha dan sinar beta. Besar

intensitas sinar gamma yang melalui materi akan turun secara eksponensial sesuai

dengan persamaan :

x

x eII

0

Harga disebut koeffisien absorpsi linier sinar gamma yang nilainya tergantung pada

jenis materi dan energi sinar gamma.

ppcpl

pl = Koeff absorpsi sinar gamma akibat proses efek photo listrik

c = Koeff absorpsi sinar gamma akibat proses efek Compton

pp = Koeff absorpsi sinar gamma akibat proses bentukan pasangan

Efek Photolistrik.

Pada peristiwa ini sinar gamma berinteraksi dengan elektron yang terikat oleh inti

atom menimbulkan elektron terlepas dari ikatannya. Besar energi kinetik elektron

tersebut sama dengan besar energi sinar gamma dikurangi energi ikat elektron.


4/15

WhEk

kE = energi ikat elektron.

h= energi sinar gamma

W = energi ikat elektron.

Kebolehjadian peristiwa ini terjadi untuk sinar gamma yang berenergi < I MeV.

Efek Compton

Pada peristiwa ini sinar gamma berinteraksi dengan elektron bebas atau ataom

yang terikat lemah suatu atom sehingga mengakibatkan elektron terlepas dan terjadi

hamburan sinar gamma. Proses tersebut dapat dilihat pada gambar 2.

Gambar 2. Peristiwa Proses Compton

Jika energi sinar gamma mula-mula adalah h, dan energi sinar gamma yang

dihamburkan adalah h, dan besar sudut hamburan adalah , maka hubungan antara

energi sinar gamma mula-mula dengan yang dihamburkan dapat ditulis seperti dalam

rumus berikut:

2mc/hcos11h

h

dan besarnya energi kinetik elektron yangterlepas adalah

2

2

k

mchcos11

mc/hcos1E

Kebolehjadian ini terjadi untuk energi sinar gamma sekitar 0,5 MeV - 5 MeV. Dalam hal

ini khusus apabila terjadi backscattering (sudut sama dengan1800) maka energi sinar

gamma yang terhambur adalah :

E41

Eh

Efek Produksi Pasangan

Pada peristiwa ini sinar gamma berinteraksi dengan materi, sinar gamma akan

lenyapdan timbut pasangan positron dan elektron negatif. Peristiwa ini terjadi apabila


5/15

energi sinar gamma lebih besar dari 1,02 MeV . Besarnya energi kinetis kedua partikel

tersebut sama dengan besarnya energi sinar gamma dikurangi besarnya energi yang

hilang untuk membentuk positron dan elektron.

Maka

22mchEkin

= MeVh 02,1

dengan kinE adalah energi gerak positron dan elektron.

Hasil akhir ketiga peristiwa tersebut adalah elektronyang dapat dimanfaatkan

untuk sistem deteksi sehingga akhirnya lewat ketiga peristiwa tersebut dapat dideteksi

intensitas dan energi sinar gamma.

Spektrum Energi dan Kalibrasi Energi serta Efisiensi Pencacahan

Untuk memperoleh spektrum energi sumber radioaktf, dapat menggunakan

peralatan Multi Channel Analyser atau Single Channel Analyser (MCA/SCA) kedua alat

tersebut tidak lain adalah penganalisa tinggi pulsa (Pulse Hight Analyser PHA). SCA pada

prinsipnya adalah dua buah diskriminator yaitu diskriminator atas dan bawah. Selisih

tinggi diskriminator atas dan bawah dikenal dengan nama jendela (window), yang

lebarnya dapat dibuat tetap misal 0,2 Volt. Pulsa yang tingginya berada diantaradiskriminator bawah ditambah lebar jendela akan tercacah, sedangkan diluarnya tidak

tercacah.

Untuk mendapatkan spektrum dilakukan pencacahan pada setiap ketinggian

diskrimanator bawah yang biasa disebut nomor kanal. Dengan melakukan pencacahan

untuk setiap nomor kanal akan diperoleh cacah setiap nomor kanal. Dari hasil yang

diperoleh dapat dibuat grafik antara cacah vs. nomor kanal yang tidak lain adalah

spektrum energi dari suatu sumber radioaktif.

Contoh spektrum energi seperti gambar berikut :

Gambar 3. Spektrum Energi dari Cs-137


6/15

Dengan menggunakan sumber standar yang ada, antara lain: Co-60; Cs-137 atau

Na-22 dapat diperoleh grafik kalibrasi energi yaitu grafik antara energi Vs nomor kanal.

Ketiga sumber radioaktif tersebut masing masing memancarkan energi 1,17 dan 1,33

MeV; 0,662 MeV dan 1,274 MeV.

Untuk menetukan energi suatu sumber yang belum diketahui besarnya, dapat

diperoleh dengan menggunakan grafik kalibrasi yaitu grafik energi vs. nomor kanal

puncak, seperti pada gambar 4.

Gambar 4. Grafik Kalibrasi

Sedangkan untuk untuk mengetahui efisiensi pencacahan, dilakukan

perhitungan hasil luasan dibawah puncak tersebut yang sebelumnya dikurangi

backgrounddibandingkan denganaktivitas dari sumber standard yang telah diketahui

maka akan didapatkan effisiensi sistem deteksi dari detektor Nal(TI). Percobaan

kalibrasi efisiensi vs energi dilakukan dengan menggunakan sumber standard Na-22;

Mn-54; Cs-137 dan Co-60. Dilakukan pula perhitungan effisiensi, untuk berbagai

intensitas yang masuk ke detektor Nal(Tl) dengan cara mengubah jarak antara detektor

dan sumber standard

Cara melakukan perhitungan luasan daerah dibawah grafik spektrum yaitu

dengan menggambarkan spektrum sinar gamma diatas kertas, kemudian dilakukan

pengurangan intensitas cacah total dikurangi intensitas cacah akibat background

sehingga didapat intensitas cacah yang diakibatkan oleh sumber standard. Luasan

dibawah intensitas cacah akibat sumber standard dibandingkan dengan aktivitas

sumber standard setelah dikoreksi dengan waktu lamanya meluruh dari saatsumber

dibuat sampai saat percobaan dilakukan dan fraksi disitegrasi dari sinar gamma.

UntuK mehghitung effisiensi detektordigunakan rumus

1..

11

Auft

UUE bp

dengan :

pE = Efisiensi detektorn NaI(Tl)


7/15

t = waktu pencacahan (s)

1U = Intensitas cacah total di bawah photo peak

bU =Intensitas background pada waktu pencacahan yang sama dengan 1U

= Faktor geometri

222

1

Rd

d1 dengan d jarak detektor ke sumber,

R adalah jari-jari detektor

f = fraksi peluruhan gamma

1UA = aktifitas sumber

Harga funtuk berbagai isotop

Isotop Energi gamma (MeV) f

Cs-137 0,662 0,92

Cr-51 0,323 0,09

Co-60 1,17 0,99

Co-60 1,33 0,99

Na-22 1,276 0,99

Na-22 0,511 0,999

Mn-54 0,842 1,00

Zn-65 1,14 0,44


8/15

III. PERALATAN YANG DIPERLUKAN :

a. Detektor HPGe

Accuspec.

Detektor CdTe & Preamp Model XR-100T-CdTe.

Power Supply & Amplifier Model PX2T.

Sumber radioaktif.

b. Detektor NaiTl

Seperangkat detektor NaiTl

Sumber radiasi Co-60, Cs-137, unknown

IV. PROSEDUR PERCOBAAN

a. Detektor HPGe

1.Sistem dihubungkan seperti gambar .

2.Sumber standar Cs-137 diletakkan dengan jarak 1 cm di depan jendela detektor

CdTe.

3.Accuspec, modul power supply dan amplifier model PX2T dihidupkan

4.Keluaran amplifier dengan CRO diamati, kemudian tinggi pulsa sesuai diatur

kebutuhan dengan memutar knop gain.

5.waktu cacah (livetime preset atau realtime preset) diatur sebesar 200 sekon.

6.Accuspec dijalankan dengan mengaktifkan akuisisi, tunggu beberapa saat hingga

proses selesai.

7.Hasil cacahan dicatat.

8.Sumber diganti dengan sumber X, proses akuisisi diulang.

9.Lakukan kalibrasi tenaga dengan terlebih dulu memasukkan data energi gamma dan

nomor saluran puncak untuk masing-masing sumber radioaktif.

10.Lakukan identifikasi terhadap sumber x berdasarkan besarnya energi gamma yang

diperoleh melalui proses kalibrasi.

Gambar 2. Sistem spektroskopi sinar gamma dengan detektor CdTe


9/15

b. Detektor NaiTl

1. Rangkai peralatan seperti blok diagram pada gambar berikut:

Gambar Diagram detektor Sintilasi NaI(Tl)

2. Atur tegangan tinggi detektor, atur penguatan (gain) Amplifier (sesuai petunjuk

Asisten) dan jendela diatur sebesar 0,2 Volt.

3. Lakukan pencacahan untuk beberapa sumber standard, untuk setiap nomor kanal

(tinggi diskrimator bawah)

4. Gambar intensitas pencacahan vs nomor kanal (spektrum energi) untuk berbagai

energi

5. Dari data yang diperoleh (langkah 4), buat grafik energi vs nomor kanal puncak

fotolistrik.

6. Hitung effisiensi detektor dengan rumus diatas. Buat grafik efisiensi detektor

terhadap energi gamma

V. Data pengamatan

a. Detektor NaiTl

1. Kalibrasi satu titik

Sumber = Cs-137

Aktivitas = 1 Ci

Tahun pembuatan = November 2011

Energy 660.0 KeV

Gross 5617 cacahan

Net 5470 cacahan

Waktu 100 sekon

FWHM 43.9 KeV

Centroid 652.0 KeV

Chanel 662

Count 117

SINTILATO

SUMBER

RADIASIPRE AMP

ORTEC 113TSCA

ORTEC 551

AMPLIFIER

ORTEC 571

OSILOSKOP

HV ORTEC

456

PULSER

ORTEC 580

PM

PHOTO KATODA

LIGTH

PIPE

PENCACAH

ORTEC 875


10/15

2. Kalibrasi tiga titik

Sumber aktivitas Tanggalpembuatan

Waktu paruh

(tahun)Chanel count Energy

(KeV)Cs-137 1 Ci November

2011355 1196 622

Co-60 1 Ci November2011

603 387 1173

644 266 1337

3. Pencacahan dengan menggunakan sumber standart Cs-137

Sumber Cs-137

Aktivitas = 1 Ci

Tahun pembuatan = November 2011

Energy 668.3 KeV

Gross 32340 cacahan

Net 28831 cacahan

Waktu 100 sekon

FWHM 42.3 KeV

Centroid 662.0 KeV

Chanel 354

Count 1230

E0 607.8 KeV

E1 719.4 KeV

E 668.0 KeV

4. Unknown

Energy 641.5 KeV

Gross 19140 cacahan

Net 18100 cacahan

Waktu 100 sekon

FWHM 42.8 KeV

Centroid 655.5 KeV

Chanel 362

Count 663

E0 601.6 KeV

E1 726.4 KeV

E 659.7 KeV


11/15

b. Detektor HPGe

1. Menetukan efisinsi detektor

Sumber : Co-60

Energi : 1172,85 Kev

FWHM : 1,82

Gross : 25808

Net : 24007

Cacahan : 240,07 cps

2. Pengkuran Unknown

Sumber Unknown

Peak = 74.91 KeVFWHM = 0.39

Library Cd at = 88.03 = 32.710.529

Gross = 274

Net = 67 +/- 48

Gross = 1.55 cps

Net = 0.38 cps

3. Pembacaan Standar

Sumber aktivitas Tanggalpembuatan

Waktu paruh

(tahun)Count

(cps)Energy

(KeV)FWHM

Cs-137 1 Ci November2011

550,92 6221,44

Co-60 1 Ci November2011

149,62 11731,84

139,98 1337 1,82

VI. Perhitungan

1. Detektor NaiTl

a. Kalibrasi Detektor NaiTl

y = 2.3858x - 230R = 0.9921

0

200

400

600

800

10001200

1400

1600

0 100 200 300 400 500 600 700

Energi(KeV)

Chanel

Grafik Hubungan Energi dengan Chanel


12/15

Dengan menggunakan persamaan garis dari grafik yaitu y = 2,385x 230, untuk

mencari sumber unkown dapat dilakukan dengan cara mengganti x pada

persamaan diatas dengan chanel yang didapat dari hasil pencacahan.

y = 2,385x230

= 2,385 (362)230

= 633,37 (Br-76)

b. Resolusi detektor

R =

x 100 %

R =()

x 100 % = 16,77%

c. Effisiensi detektor

ffisiensi =

Cacahan persekon = 28831/100 = 288,31 cps

Aktivitas (At) = A0et

At= 1 Ci x e-(0.693/30.07 tahun)/ 3 tahun

At= 1.0077 Ci x

= 10077 Bq

ffisiensi =

= 2,86 %

d. Aktivitas sumber unknown

Aktivitas = cps/effisiensi

Cps = 18100 cacahan /100 sekon = 181 cps

Aktivitas = 181 cps / 2.86 % = 6328,67 Bq

= 6328,67 Bq x

= 0.1710 Ci.

2. Detektor HPGe

a. Effisiensi detektor =

Sumber standar = Co-60

Ao = 1 x 10-6

Ci


13/15

= 1 x 10-6

Ci x

= 3.7 x 104 dps

t

= 5.27 tahun

Tanggal pembuatan = November 2011

T = November 201114 Oktober 2014 = 3 tahun

=

= 0.1315 /tahun

= 0.1315 /tahun x 3 tahun

= 0.3945

At =

= 37000 dps ()

= 24938,62 dps

Efisiensi = (cps/dps) x 100%

= (230,07 / 24938,62) x 100 %

= 0,92%

b. Aktivitas sampel Y

Aktivitas = 0.38 cps / 0,92 % = 41,30 dps

= 41,30 dps x

= 1,12 x 10-9Ci

= 1,12 x 10-3Ci.

VII. Pembahasan

Detektor yang bisa digunakan untuk melakukan pencacahan ada berbagai macam

dan jenis. Diantaranya ada detektor semikonduktor dan juga detektor sintilasi. Pada

praktikum kali ini yang digunakan adalah detektor NaI(Tl) dengan detektor HPGe sebagai

pembanding.

Prinsip kerja detektor NaI(Tl) adalah ketika Nai(Tl) terkena radiasi maka akan

terjadi eksitasi, saat elektron ingin kembali kepita valensi yang disebut dengan deeksitasi,

maka akan menghasilkan kerlipan cahaya, kerlipan cahaya yang dihasilkan sesuai dengan

jumlah radiasi yang mengenai kristal Nai(Tl), kerlipan cahaya ini akan diubah oleh

fotoelektron menjadi elektron kemudian elektron akan diperbanyak di PMT yang akan

membentuk pulsa yang dan ditampilkan dalam bentuk puncak-puncak yang dapat terlihat

disistem komputerisasi.

Sementara itu, prinsip kerja detektor HPGe adalah ketika sumber radiasi gamma

berinteraksi dengan bahan germanium murmi maka akan terjadi perpindahan elektron

dari pita valensi menuju pita konduksi, sehingga terjadi kekosongan pada pita valensi yang

disebut dengan hole, selanjutnya membentuk pasangan elektron-lubang (electron-hole


14/15

pair). Medan listrik dari luar digunakan untuk memisahkan pasangan elektron-hole

sebelum mereka bergabung kembali, selain itu menyebabkan elektron bergerak menuju

anoda dan hole menuju katoda, sehingga terkumpul muatan pada elektroda dan

menghasilkan isyarat. Melalui proses pengolahan dan analisa tinggi pulsa akhirnya isyarat

tersebut dapat dicacah dan ditampilkan bentuk spektrumnya.

Sebelum digunakan, baik itu detektor semikonduktor ataupun detektor sintilasi

harus dikalibrasi terlebih dahulu dengan menggunakan suatau standar yang sudah

diketahui jenisnya. Pada saat praktikum detektor NaI(Tl) menggunakan Cs-137 sebagai

standar sementara detektor HPGe menggunakan Co-60. Kalibrasi energi yang dilakukan ini

bertujuan untuk analisis kualitatif yang nantinya dapat menunjukkan apakah sistem

pencacah bekerja dengan baik atau tidak, karena sumber tertentu akan memiliki puncak

tertentu dengan energi tertentu. Contohnya pada Cs-137 yang memiliki satu puncak padaenergi 662 dan Co-60 yang memiliki dua puncak pada energi 1332 dan 1772.

Pada detektor NaI(Tl) dilakukan kalibrasi 3 titik dengan menggunakan standar

Cs-137 dan Co-60. Kalibrasi 3 titik ini dilakukan untuk mengetahui linearitas antara

energi dengan chanel yang dihasilkan dari hasil pencacahan. Dari hasil pembuatan grafik

didapatkan persamaan garis y = 2,385x 230 dengan regresi 0,992. Persamaan ini

kemudian digunakan untuk mencari sampel unkown. Setelah dilakukan perhitungan

diketahui ternyata sampel unkown adalah Br-76.

Resolusi atau daya pisah suatu detektor berbanding terbalik nilainya dengan

FWHM. FWHM sendiri adalah kependekan dari Full Width at Half Maximum atau

setengah dari lebar puncak yang dihasilkan dari pencacahan. Semakin besar nilai FWHM

maka nilai resolusinya semakin kecil. Ketika nilai resolusi kecil, artinya daya pisah

detektor tersebut kurang baik. Hal ini disebabkan oleh nilai FWHM yang besar, FWHM

yang besar menunjukkan lebar puncak yang besar pula. Jadi ada kemungkinan puncak

lain yang tertutup.

Jika dibandingkan antara detektor NaI(Tl) dan HPGe terlihat jelas perbedaannya.

Secara visual puncak yang dihasilakan oleh detektor NaI(Tl) lebih lebar. Hal ini

dibuktikan dengan nilai FWHM yang besar, yaitu pada kisaran 40 an dan didapatkan nilai

resolusi sebesar 16,77%. Berbeda dengan detektor HPGe, puncak yang dihasilkan hanya

terlihat seperti garis garis kecil, ini dibuktikan dengan nilai FWHM yang hanya berada

pada kisaran kurang lebih 1,4. Menurut teori, detektor yang baik memiliki nilai FWHM

kurang dari 1,8. Dengan demikian dapat dikatakan bahwa detektor HPGe memiliki

resolusi yang lebih baik bila dibandingkan dengan detektor NaI(Tl).

VIII. Kesimpulan

1. Detektor Nai(Tl) merupakan deteketor yang menggunakan bahan sintilator atau yang

bisa menghasilkan pendaran cahaya, sedangkan detektor HPGe merupakan detektor

yang menggunakan bahan semikonduktor berupa Germanium murni.

2. Kalibrasi energi brtujuan untuk mengetahui jenis sampel, sampel pada detektor

Nai(Tl) adalah Br-76.


15/15

laporan adpr nai(tl) hpge

Documents