Proseding Pertemuan dan Presentasi /ImiahP3TM-BATAN, Yogyakarta 25 -26 Juli 2000176 Buku I

PERANCANGAN SHIELDING DETEKTOR GAMMA P ADAMETODA ANALISIS GAMMA SERENT AK

Elin Nuraini, Darsono, ElisabethP3TM -BA1i1N

ABSTRAKPERANCANGAN SHIELDING DETEKTOR GAMMA PADA METODA ANALISIS GAMMASERENTAK. 7e/alr di/akukan pl!rancangan konfigurasi perisai dl!tektor gamma. Da/am perancangan iniber/ujuan un/uk mendapa/kan jenis bahan perisai yang efekJif dan konfigurasi yang baik supaya nan/inyamampu me/indungi detekJor gamma /erhadap neutron cepat. Dari hasi/ pene/i/ian dan perhitunganmenggunakan metoda ana/isis pengakJivan neutron cepa/. dipero/eh konfigurasi perisai de/ekJor gammayang terdiri dari air dan beton dengan penyerapan fluks neutron sebesar 99.5 %. dan fluks neutron yangmasih di/eruskon sebesar 2.4 x 103 nlcm2 dt. pada posisi de/ekJor! arah sumbu X = 60 cm (searah berkasneutron). dan ke arah sumbu Z = 30 cm (tegak /urus berkas neutron) depan large/. Pada posisi detek/orordinal (60. 30) dipero/eh cacah /atar un/uk ko/imator Pb -104358. Pipa para/on (PVC) = 246652. Dari

hasil pengujian bahwa berat si/ikon yang masih bisa diamati da/am orde dia/as 175 gram.

ABSTRACTCONFIGURATION DESIGN OF DETECTOR SHIELDING FOR GAMMA PROMPT ANALYSIS.Configuration on design of detector shielding for gamma prompt analysis has been performed. The ain ofthis design is to obtain effective shielding material and configuration that able to protect the detector forfast neutron. The result shown that detector shielding configuration that obtained by configuration of waterand concrete. would be able io absorb fa.it f/eutron up to 99,5 %. The neutron flzas that passed throughshielding configuration is 2,4 x J03 nlcm2 dt. in the detector position of 60 cm (forward neutron beamderection) on the X axis and 30 cm (side ward neutron beam direction) on the Z axis of target. On thisposition (60.30) counting result was JO4358 for Pb collimator and 246652 for PVC collimator. Fromexamination result shown that the weight of silicon is in orde J 75 gram.

PENDAHULUAN

M etode nuklir untuk analisis telah dikembang-kan untuk berbagai aplikasi, khususnya untuk

analisis dan proses bahan mineral yang ekonomisdan prospektifl>. Metode yang masih dikembang-kan mencakup teknik sumber isotop imbasan sinar-xfluresensi, hamburan gamma, dan teknik berdasar-kan interaksi neutron, khususnya hasil tangkapanneutron dan hamburan neutron inelastik(2).

Metode Analisis Pengaktifan Neutron yangbiasa digunakan tidak mampu untuk menganalisisunsur secara insitu ( serentak ), Untuk itu diperlukanmetode terapan praktis untuk analisis mineralvolume besar secara insitu(J>. Teknik yang diguna-kan dikenal dengan Analisis Gamma Serentak(AGS). Pengembangan metode analisis bahanmenggunakan teknik Analisis Gamma Serentak(AGS) dengan memanfaatkan sumber neutron darigenerator neutron, dan memanfaatkan interaksineutron inelastik, sebagai contoh untuk analisisunsur silikon serbuk (Si) maka digunakan reaksi28S' ( , )28S' ' I " I n,n ,1 I, yang mempunyal tampang mtang

(0) 524 mb pada neutron cepat 14 Mev, danmenghasilkan gamma serentak. Hasil' reaksi iniakan memberikan spektrum puncak sinar gammadengan energi 1779 keY dan 2838 key(4).

Pada AGS cuplikan dan detektor beradadalam medan neutron. Cup1ikan yang akan dianalisdiradiasi dengan menggunakan neutron dari sumberneutron misalnya generator neutron. Inti atomunsur-unsur dalam cuplikan berinteraksi denganneutron dan berubah menjadi radioaktif, sinargamma yang dipancarkan oleh unsur-unsur radio-aktif dalam cuplikan secara langsung dapat dideteksidan dianalisa dengan spektrometer gamma.

Metode AGS ini juga mempunyai kelemahanyaitu adanya cacah Jatar yang besar, serta meng-hasilkan nisbah sinyal terhadap sinyal yang kecilsehingga berpengaruh kuat pada intensitas sinyaldan akibatnya berpengaruh terhadap konsentrasiunsur(2). Untuk detektor gamma NaI(TI) efek neu-tron lebih berpengaruh di banding dengan detektorgermanium. Oleh karena itu diperlukan perisaidetektor gamma terhadap neutron cepat untukmengurangi efek kerusakan detektof4). "

ISSN 0216 -3128Elin Nuraini, dkk.

Proseding Pertenluan dan Presentasi /lmiahP3TM-BATAN. Yogyakarta 25 -26 Juli 2000 :77Buku I

beton. Agregat dapat dibedakan menjadi dua bagianyaitu agregat kasar (kerikil) dan agregat halus(pasir). Agregat kasar adalah semua agregat yangukurannya lebih besar dari 4,8 mm dan agregathalus adalah bagian agregat yang ukuran butirannyalebih kecil dari 4,8 mm(6).

Berdasarkan uraian di atas, maka pada pene-litian ini dirancang dan diteliti konfigurasi perisaidetektor gamma, tujuan penelitian ini untuk men-dapatkan perisai yang mampu melindungi detektorgamma dari Jatar neutron, serta di peroleh sistim

konfigurasi pendeteksian yang optimum. Denganmemvariasikan jenis dan tebal perisai akan dapatdiketahui perbandingan cacah unsur dengan cacahlatar yang optimum.

TEORI

PENGERTIAN PER/SA I

Perisai adalah suatu benda yang dapatmelindungi serta manahan dari energi radiasi.

Perisai neutron yang baik yaitu mampu menurunkan

dan menyerap energi neutron cepat sampai energineutron rendah. Bahan yang biasa digunakan

sebagai perisai anatara lain: beton, semen, air,agregat (butiran mineral), dll.

Beton

Beton adalah suatu jenis perisai yang terdiridari campuran semen portland, pasir, kerikil, dan airdengan suatu perbandingan dan cara pembuatantertentu. Campuran bahan-bahan tersebut akan

menghasilkan campuran yang plastis sehingga dapatdituangkan kedalam cetakan dengan bentuk danukuran yang diinginkan. Air dan semen mengalamiproses hidrasi sehingga akan mengeras, sedangkanpasir dan kerikil berfungsi sebagai pengisi betodS).

Atenuasi Neutron

Pengurangan energi neutron pada saat mele-wati bahan perisai terjadi karena adanya proseshamburan elastik, tak elastik, dan serapan neutronlambat (thermal). Untuk energi neutron mendekatithermal yang mempunyai tampang lintang serapanyang besar, akan relatif lebih mudah terserap olehbahan dari pada neutron berenergi tinggi (neutroncepat)(B), Hamburan tak elastik biasanya meng-hasilkan penurunan energi neutron yang besar,tetapi proses ini hanya mungkin terj,adi untukneutron cepat dengan elemen-elemen berat yangmerupakan jenis penghambur yang paling efektif.Tampang lintang hamburannya akan bertambahbesar dengan bertambahnya energi neutron dannomor atom bahan perisai.

Hamburan elastik diperlukan untuk menurun-kan energi neutron ke daerah termal. Pada prosesini neutron akan menyerahkan energinya apabilabertumbukan dengan bahan dengan nomor atomyang rendah, seperti air clan parafin. Jadi dalam halmenahan radiasi neutron proses yang diperlukanadalah :

1. Proses perlambatan neutron cepat denganhamburan-hamburan tak elastik menggunakanelemen-elemen berat.

2. Proses perlambatan lebih lanjut dengan meng-gunakan elemen-elemen ringan.

3, Dan proses serapan neutron(7).

Semen

Semen portland adalah semen hidrolisis yang

dihasilkan dengan tara menghaluskan klingker yangterdiri dari silikat-silikat kalsium yang bersifat

hidrolisis dengan gips sebagai bahan tambahan.Fungsi semen adalah untuk merekatkan butir-butir

agregat agar terjadi suatu massa yang padat, selainitu untuk mengisi rongga-rongga diantara butiran

agregat.

Tampang Lintang

Tampang lintang merupakan suatti' parameteruntuk mengetahui kemampuan atenuasi bahanterhadap radiasi neutron cepat, atau didetinisikansebagai kebolehjadian tumbukan-tumbukan dimananeutron cepat mengalami proses hamburan elastikmaupun tak elastik kemudian mengalami per-lambatan atau degradasi energi(7),

dirumuskan :

Air

Air merupakan bahan dasar pembuat beton,yang harganya paling murah. Air diperlukan untukbereaksi dengan semen, serta untuk menjadi bahanpelumas antara butir butir agregat agar dapat mudah

dikerjakan dan dipadatkan.0" r = 2/ 3( 0" .Iasllk + 0" Tak.lasllk + 0" tangJ.Jf'an n-I-IOMeV) (1)

untuk nomor atom A > 10 makaAgrcgat

(2)Agrcgat adalah butiran mineral alami yangbcrl"ungsi scbagai bahan pcngisi dalam campuran

(Tr = 0,35 AO,42 barn

Proseding Perlemuan dan Presenlasi /lmiahP3TM-BATAN. Yogyakarla 25 -26 Juli 2000178 Buku /

.Spektrometer gamma.

.Osiloskop Textronix dan komputer

dimana O"r adalah tampang lintang removal mikros-

kopik peratom (barn).

Tampang lintang removal makroskopis (2::r)atau peluang neutron berinteraksi dengan materipersatuan panjang,(9) dirumuskan : Prosedur Penelitian

Penelitian dilakukan dalam beberapa tahap,yaitu tahap persiapan sam pel, penyiapan alat,kalibrasi energi, penentuan fluks neutron, penentuancacah latar tanpa sumber neutron, dan penentuancacah latar dengan sumber neutron.

Z, = 1/.-1. (cmol) (3)

Tampang lintang removal makroskopis dapat di.dekati dengan persamaan (4) :

0,602 a, Pk, = A (4) Pers;apan Sampel

Serbuk silikon ( Si ) yang digunakan dalampenelitian ini seberat 500 gram dimasukkan dalamkantong plastik, kemudian diaktifkan dc:ngan neu-tron cepat 14 MeV dari generator neutron selama 30men it, dan dicacah selama 3 menit dengan meng-

gunakan spektrometer gamma.

denganA = Berat atom

p = Beratjenis material (gr/cm3)

Untuk bahan yang terdiri dari beberapa unsur,tampang lintang removal makroskopik merupakanjumlahan dari tampang lintang removal masing-masing un sur. Dan dapat ditulis dengan persamaan : Ka/ibrasi Energi

Sebelum dilakukan pencacahan terhadapsampel yang akan dianalisa, maka tcrlcbih dahuludilakukan kalibrasi energi dengan dengan sumberstandart Cs-137 dan CO-6O, tujuannya agar puncak-puncak spektrum yang muncul menunjukkan energiyang sesungguhnya. Shaping time yang digunakanpada percobaan sekitar 1-2 ~s, dan dicacah selama 3men it.

'"~ = , (5)L 1::,,/ xp/

dengan i = I, 2, 3, 4, sampai ke n

CARA KERJ APenentuan F/uks Neutron

Dalam penentuan fluks neutron digunakansampel standart Cu-63, AI-27, dan In-143 denganjarak 0, 60, dan 75 cm dari target, serta arah x, Z(60,0 cm), (60,30 cm), dan (60,60 cm) dengantujuan untuk mencari posisi detektor yang aman daTineutron.

Penentuan Cacah Latar

Pada penentuan cacah latar ini dilakukan 2

tahap yaitu pertama pencacahan dilakukan tanpasumber neutron dan yang kedua dilakukan denganmenggunakan sumber neutron clan s-erbuk Si.Penentuan cacah Jatar dengan tanpa sumber ber-tujuan untuk mendeteksi radionuklida yang berasaldari alam clan dari perisai dengan detektor NaI(TI),

sedangkan pencacahan dengan menggunakansumber neutron clan serbuk Si ini bertujuan untuk

mengetahui posisi detektor gamma terbaik (fluks

neutron tidak tercacah).

Bahan dan Alat

Bahan-bahan yang digunakan dalam penelitianini terdiri dari :

.Perisai (Shielding) daTi beton (25 x 25 x 6 cm3)sebanyak 17 buah, balok parafin (PbO2) (10 x 10x 30 cm3) sebanyak 20 buah, air mumi dalamaquarium berlobang (60 x 60 x 60 cm3) berdia.meter 10 cm 1 buah, kolimator daTi pipa paralonberdiameter 10 cm dengan panjang 50 cm 1buah, serta satu buah kolimator timbal dengantebal3,5 cm, panjang 21,5 cm, berdiameter 14,5cm.

.Sumber sandart Cs-137 clan C0-60

.Foil AI-27, Cu-63, serta In-143

Alat-alat yang digunakan sebagai berikut :

.Akselerator Generator Neutron tipe SAMES J.25P3TM-Batan.

Elin Nuraini. dkk. ISSN 0216 -3128

Proseding Pertemuan don Presentasi I/miahP3TM-BATAN, Yogyakarta 25 -26 Juti 2000 Buku I 17Q

I. Pipa2. Detektor3. Paratin

~

l.

Gambar 1. Perancancangan Sistem AGS tampak dari alas.

HASIL DAN PEMBAHASAN

Untuk mengetahui jumlah cacah neutron

yang teratenuasi pada jarak dan ketebalan diudarabebas, air serta beton dalam air terhadap radiasineutron cepat 14 MeV, dapat ditentukan denganmenggunakan analisis pengaktifan neutron cepat(Tabel 1). Perisai yang baik adalah perisai yangmampu menurunkan dan menyerap energi neutronsampai energi neutron rendah, hal ini dapat dilihatdengan harga tluks neutron yang lebih kecil, sertaharga tam pang lintang makroskopik clan koefisienatenuasi yang lebih besar (Gambar 1).

~ 20

.;;"e 15u...c

..102~ 5e

0udlfa bebas air beton dalam

Gambar 2. Fluks neutron teratenuasi sebagailungsi tebal pada udara bebas, air,serta beton dalam air.

Pada Gambar 2, terlihat bahwa kombinasiperisai beton dalam air mampu menyerap fluksneutron hingga 99,5%, untuk perisai berupa airdengan ketebalan yang sarna kearah sumbu Z (30cm) hanya mampu menyerap hingga 94,2 % nya.Sedangkan untuk udara bebas mampu menyeraphingga 74,6%. Perbedaan dari persentase penye-rapan masing-masing perisai disebabkan karenaharga tam pang lintang removal makroskopik yangberbeda. Tampang lintang removal makroskopikuntuk beton = 0,0800 cm-l, air = 0.0790 cm-1 danudara = m cm-l. Pada pcrisni bcton dnlam air

tampang lintang removal makroskopiknya palingbesar, karena merupakan gabungan dari beton danair.

Tabcl 1. Data percobaan rata-rata fluks neutrondengan arah sumbu Z (30 cm) sebagaifungsijarak dan teba/ pada udara bebas.air serta beton do/am air yang di ukurpada posisi sumbu X (60 cm).

No Medium Jarak -

Z (cm)

015

30

Fluks neutron «I»6 1

(10 n/cm det)

1,7376

1,1755

0,4424

Udara bcbas

0

15

30

1,73760,8198

0,1008

2. Air

Dari Tabel I dapat dilihat juga bahwa padapengukuran detektor mencapai optimum" diperolehcacah latar paling rendah yaitu pada posisi Z = 30

cm dengan komposisi perisai beton dalam air, dan

1,73760,1365

0,0024

0

15

303 Beton dalam air

Proseding Perlemuan don Presenlasi JlmiahP3TM-BATAN. Yogyakarla 25 -26 Juli 2000180 Buku I

tluks neutron yang mencapai detektor masih sebesar2.4 x 103 n/cm2det. Harga tluks neutron tersebutmasih cukup besar atau jauh dari yang diharapkan.karena dengan tluks sebesar 2,4 x 103 n/cm2detmasih dapat dihasilkan gamma latar yang cukupbesar sehingga sampeJ yang diukur harus besar.Selanjutnya untuk mengetahui cacah Jatar. riilaku-kan aktivasi tanpa sam pel serbuk Si.

uraian di atas, maka untuk mengurangi harga lajucacah sebesar 822,173 cps (pada Tabel 2) digunakankolimator timbal. Nampak pad a Gambar 2 kolima-tor timbal mampu menurunkan harga laju cacahsebesar 57,69 %). Besamya degradasi laju cacah inidikarenakan koefisien serapan massa timbal yanglebih besar dibanding pipa paralon. Selanjutnyadilakukan aktivasi sampel serbuk Si sebagai fungsimassa dengan menggunakan konfigurasi beton airdan kolimator Pb untuk mendapatkan baSil cacah Sipad a tiap-tiap perubahan massa. Hasil pengukurandapat dilihat pada Tabel3.

Tabel2. Hasi/ cacah /alar pada lenaga /779 keVmenggunakan ko/imalor pipa para/on donlimbo/.

No CacahJcnis kolimator Laju cacah(cps)

Tabcl3. Hasi/ cacah si/ikon pada tenaga 1779 keVdengan ko/imotor timbo/ (Pb).

Pipa paralon 246652 No Massa

(gr)Cacah822.173 Laju cacah

(cps)2 Timbal 104358 347,860

1. 175 12563 41.876

2 350 49983 166.610

Cps900,000 ,. 800,000 .

700,000 .600,000 .500,000 .

400,000 .

300 000,.200,000 ~100,000 ~

0 "

3. 500 57055 190.180--llec~ca~ I~tlr I

,!

4. 1000 77970 259.900

-Dari Tabel 3 diperoleh harga laju cacah

terendah pada berat sam pel 175 gram sebesar41,876 cps. Untuk massa yang kurang daTi 175gram, dimungkinkan mengalami kesulitan dalampencacahan. Hal ini dikarenakan masih besamyaharga laju cacah Jatar menggunakan kolimatortimbal (Pb).

Plpa paralon Tlmbal

Gambar 2. Degradasi cacah Jatar dengan ko/ima-tor pipa para/on don timba/.

KESIMPULANDari Tabel 2 dapat dilihat harga laju cacah

latar terletak pacta tenaga 1779 keY yang ber-sesuaian dengan tenaga Si. Hal ini menunjukkanbahwa cacah latar yang berasal dari sumbanganperisai beton, dinding ruang akselerator, dll, me-ngandung unsur silikon. Adanya kandungan unsursilikon yang sebagian besar berasal dari sumbanganperisai beton dapat ditoleransi karena beton tersusunatas, semen portland, pasir, kerikil, dan air.Berdasarkan informasi yang diperoleh dari literaturkandungan pasir pacta umumnya sebagian besarterdiri dari senyawa silika (SiO2), akan tetapi belumdianalisa kandungan unsur Si dalam beton sehinggatidak bisa dibandingkan dengan hasil penelitian

Pacta perancangan konfigurasi perisai detek-tor gamma NaI(TI) hasil cacah latar dengan meng-gunakan kolimator pipa paralon (pada Tabel 2)masih terlalu besar yaitu sebesar 822,173 cps. Dari

Dari perancangan konfigurasi perisaidetektor pada analisis gamma serentak diperolehkesimpulan bahwa :

1. Konfigurasi terbaik perisai detektor gammauntuk analisis gamma serentak, yaitu menggu-nakan perisai yang terdiri daTi air dan betondengan persentase penyerapan fluks netronsebesar 99,5 %.

2. Penempatan posisi detektor gamma terbaikpada koordinat X = 60 cm dan sumbu Z = 30

cm, karena pada posisi tersebut harga fluksneutron sebesar 2,4 x 103 n/cm2 dt. 00

3. Berat silikon terkecil yang masih dapat diamatiadalah 175 gram.

Elin Nuraini, dkk. ISSN 0216 -3128

Proseding Pertemuan dan Presentasi J/miahP3TM-BATAN. Yogyakarta 25 -26 Juli 2000 181Buku I

DAFTARPUSTAKA Elin Nuraini

-Spektrometri gamma yaitu suatu alai yangdigunakan untuk analisis unsur (baik secarakualitatifmaupun secara kuantitatif).

-Prompt gamma (gamma serentak) yaitu suaturadiasi gamma yang dipancarkan secarabersamaan dari suatu radioisotop dengan waktu

paruh yang sangat pendek (106 ns).

2.

3. Suwoto

-Mengapa (alasan apa) pengambilan sampeldilakukan dengan serbuk silikon (Si).

-Kira-kira berapa persen (%) kesalahanpengukuran yang telah dilakukan?4

Elin Nuraini

-Dipilih serb uk silikon dalam penelitian ini karenapertama ..shielding yang kilo gunakan (beton)mengandung 42.67% Sia2. Jadi silikon disinihanya sebagai pembanding soja. Kedua..mencari cacah latar yang ditimbulkan oleh Siyang ado di sekitar olaf. Sebenarnya Si disinitidak mutlak digunakan (bisa diganti sam pel lain,

seperti C).

6

CLAYTON C.G. And WORMALD M. R.,"Coal Analysis by Nuclear Methods", Int. J.Appl.Radiat. Isot 34.3, (1983).

WATTERSON J. I. W., KALA B. R.,LALLAD.R. and SELLSCHO'> J.P.F., "Nulear Methodsfor the On-line Characterization of Coal",University of the Witwatersrand, Johannesburg,Schonland Research Centre for NuclearScience, Report No SRCNS 88/06, (1988).

WORMALD M.R. and CLAYTON C.G, "InSitu Analysis of Coal by Measurement ofNeutron-Induced Prompt Gamma-Rays", Int. J.Appl. Radiat. Isot.34, 71, (1983).

CSIKAI J., 1987, "CRC Handbook Of FastNeutron Generators", CRC Press Inc. Boca

Raton, Florida.

KRISHNA RAJU N., "Design of ConcretMixes", CBS Publishers and Distributors 485,Jain Bhawan, Bhola Nath Nagar Shandra,Delhi- India.

GIDEON, KUSUMA, "Pedoman PengerjaanBeton Berdasarkan SKSNI", S-15-1991-03,Penerbit Erlangga Jakarta.

SUHAEMI TJIPT A., "Perisai Radiasi", PusatPenelitian Bahan Mumi dan Instrumentasi-BA TAN Yogyakarta, 1982.

7-Kesa/ahan pengukuran do/am pene/itian yang

komi /akukan yaitu 1,52 % untuk air don 39,97 %untuk beton do/am air. Menurut teori harga Zruntuk air sebagai perisai sebesar 0,0790 cm-1dan 0,0803 cm-1 untuk beton da/am air sebagaiperisai. Sedangkan hasi/ pene/itian dipero/eh0,0802 cm-1 untuk air don 0,1124 cm-1 untukbeton dalam air. Jadi hasi/ pene/itian yang komi/akukan terjadi kesa/ahan seperti yangdisebutkan di alas.

TANYAJAWAB

VIS Wardhani

-Apakah bedanya spektrometri gamma dengan

prompt gamma (gamma insitu).