Optimasi Posisi Filter Pb Pada Kolimator Luar Fasilitas Radiographi RN

Karya Tulis Ilmiah sebagai Tugas Individu pada Diklat Fungsional Peneliti Pertama PUSBINDIKLAT LIPI Th.2009 Ang.2.

Optimasi Posisi Filter Pb pada Kolimator-Dalam Fasilitas Radiografi Neutron RN-1 Serpong

Topan SetiadipuraPusat Pengembangan Informatika Nuklir – PPIN-BATAN

Kawasan PUSPIPTEK Gd.71 Tangerang , [email protected]

Abstrak

Fasilitas Radiografi Neutron RN-1 Serpong merupakan salah satu fasilitas Non Destructive Test yang sangat potensial. Radiografi neutron memberikan solusi dalam banyak masalah yang tidak bisa diberikan oleh Radiografi menggunakan sinar-x, khususnya dalam melakukan analisis terkait bahan yang berbasis hidrogen seperti plastik, minyak atau pelumas dengan bahan metal. Salah satu faktor yang mendukung performa dari fasilitas Radiografi neutron adalah kualitas kolimator-dalam dalam mentransmisikan fluks neutron dari sumber dan juga menyaring sinar gamma. Kemampuan kolimator- dalam melakukan fungsi itu sangat dipengaruhi oleh posisi dan ketebalan dari filter Pb. Dalam penelitian ini dilakukan studi mengenai posisi optimal dari Pb untuk dapat mentransmisikan fluks neutron secara maksimal. Studi dilakukan dengan simulasi monte carlo terhadap proses transport partikel yang terjadi pada kolimator-dalam menggunakan perangkat lunak MCNP. Parameter yang dibandingkan adalah nilai fluks neutron skalar pada bagian ujung kolimator-dalam setelah melewati filter dan aperture. Simulasi monte carlo yang dilakukan dapat dipercaya karena memiliki estimasi kesalahan yang lebih kecil dari 0.1. Dari hasil simulasi terlihat bahwa posisi filter Pb lebih optimal bila diletakkan di depan aperture berbeda dengan posisi filter Pb sekarang pada RN-1 Serpong. Dari hasil penelitian ini disarankan agar dilakukan perubahan dari posisi filter Pb pada fasilitas RN-1 Serpong. Selain itu penelitian lain perlu juga dilakukan untuk melihat efek posisi terhadap atenuasi gamma.Kata Kunci : Radiografi neutron, kolimator-dalam, RN-1 Serpong, filter Pb, MCNP.

Pendahuluan

Fasilitas Radiografi Neutron RN-1 Serpong merupakan salah satu fasilitas Non Destructive Test yang sangat potensial. Radiografi neutron memberikan solusi dalam banyak masalah yang tidak bisa diberikan oleh Radiografi menggunakan sinar-x, khususnya dalam melakukan analisis terkait bahan yang berbasis hidrogen seperti plastik, minyak atau pelumas dengan bahan metal. Secara umum, Radiografi neutron sangat berperan dalam kasus dimana diperlukan kemampuan untuk membedakan antara dua bahan yang memiliki nilai serapan neutron yang jauh berbeda. Misalnya pengamatan visual terhadap plastik dalam suatu sistem metal akan sangat terbantu dengan Radiografi neutron.

Aplikasi dari Radiografi neutron dalam industri sangat luas, mencakup teknologi sipil, arkeologi, otomotif, sel surya, nuklir, mesin turbin, komponen pesawat terbang, industri senjata1. Aplikasi Radiografi neutron tidak ditujukan untuk menggantikan peran

mailto:[email protected]


Radiografi x-ray pada industri namun keduanya saling melengkapi untuk memberikan pemahaman yang lebih baik terhadap suatu sistem yang diamati3. Perbedaan kedua hal ini terutama dikarenakan perbedaan interaksi antara neutron dan x-ray dengan bahan yang akan diamati. Sinar x dan sinar gamma berinteraksi dengan elektron pada kulit atom, sehingga atenuasi semakin tinggi dengan meningkatnya nomor massa bahan yang diamati. Hal ini membuat Radiografi sinar x atau sinar gamma sangat baik untuk mengamati bahan metal dan non-metal. Sedangkan neutron berinteraksi dengan inti atom dimana koefisien atenuasi dari tiap isotop tidak bergantung pada nomor atom namun cendrung bersifat acak. Sifat ini membuat Radiografi neutron sangat baik untuk melakukan pengamatan terhadap sistem yang mengandung bahan berbasis hidrogen dengan bahan metal. Perbedaan hasil pengamatan oleh Radiografi sinar x dan neutron ditunjukkan pada Gambar 1.

Gambar 1. Hasil visualisasi Radiografi sinar x dan neutron3

Salah satu faktor yang mendukung performa dari fasilitas Radiografi neutron adalah kualitas kolimator-dalam untuk mentransmisikan fluks neutron dari sumber dan juga menyaring sinar gamma. Faktor lainnya adalah kualitas sumber dan detektor untuk menghasilkan gambar dari perbedaan atenuasi berkas neutron yang telah melewati bahan. Ilustrasi sederhana dari unsur penyusun utama fasilitas Radiografi neutron ditunjukkan pada Gambar 2.


Masalah yang akan dipecahkan pada penelitian ini adalah mencari posisi yang optimal dari filter Pb pada kolimator-dalam fasilitas RN-1 Serpong. Parameter yang akan dinilai adalah pengaruh posisi filter Pb tersebut terhadap kemampuan kolimator-dalam untuk mentransmisikan neutron. Metoda monte carlo digunakan untuk simulasi transport neutron pada kolimator dalam karena keunggulannya dalam mensimulasikan interaksi neutron dengan bahan secara lengkap dan mampu mensimulasikan geometri tanpa banyak penyederhanaan. Metoda ini telah banyak digunakan dalam desain dan optimasi fasilitas radiografi4,5. Perangkat lunak yang digunakan untuk melakukan simulasi monte carlo terhadap transport neutron pada kolimator dalam adalah MCNP6.

Metodologi Penelitian

a. Fasilitas RN-1 Serpong

Fasilitas RN-1 Serpong adalah salah satu fasilitas yang memanfaatkan neutron dari Reaktor Serba Guna G.A Siwabessy yang terletak di kawasan BATAN Serpong. Denah dari fasilitas eksperimen neutron selengkapnya dapat dilihat pada Gambar 3.

Gambar 3: Fasilitas Experiment Neutron RSG-GA Siwabessy


Sedangkan fasilitas RN-1 Serpong secara lengkap digambarkan pada gambar berikut

Gambar 4. Skema lengkap fasilitas RN-1 Serpong

Lebih detail terkait data geometri dan bahan kolimator-dalam yang menjadi inti objek penelitian saat ini adalah sebagai berikut

Gambar 5. Geometri dan Bahan RN-1 Serpong

b. Simulasi Monte Carlo .

Penelitian dilakukan melalui simulasi monte carlo menggunakan perangkat lunak MCNP4. Dalam metoda monte carlo proses tranport neutron disimulasikan semenjak lahir dari sumber neutron kemudian diikuti sejarah setiap interaksinya dengan bahan hingga hilang karena mengalami interaksi serapan atau bocor dari sistem. Untuk mendapatkan


parameter fluks neutron skalar digunakan estimasi panjang lintasan. Dalam estimasi ini fluks neutron skalar diperoleh dengan melakukan tabulasi terhadap panjang lintasan dari tiap neutron yang disimulasikan. Pemaparan dari estimasi panjang lintasan untuk menghitung fluks neutron pada volume dan permukaan ditunjukkan pada Persamaan 1.

Persamaan 1. menunjukkan bahwa fluks neutron skalar dapat diperoleh dengan melakukan tabulasi dari ( W.Tl / V ) dimana W adalah bobot dari tiap neutron yang disimulasikan, Tl adalah panjang lintasan neutron, dan V adalah volume dari sel yang diamati. Dalam perangkat lunak MCNP parameter ini dihitung dengan memberikan kata kunci F4 pada inputan juga diindikasikan nomor sel terkait. Ilustrasi dari panjang lintasan neutron dan bobot dari tiap lintasan dapat dilihat pada Gambar 6.

Gambar 6. Ilustrasi panjang lintasan neutron dan bobotnya.

Fluks neutron skalar yang melewati bidang merupakan kasus dari perhitungan rerata fluks diatas namun dengan ketebalan ruang nol sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 6.

Gambar 7. Deskripsi geometri perhitungan fluks neutron skalar pada permukaan

Dari gambar 6. terlihat bahwa rerata fluks skalar pada permukaan yang diamati dapat dihitung sebagai berikut


Langkah simulasi dengan perangkat lunak MCNP dapat digambarkan sebagai berikut : Simulasi geometri dari kolimator-dalam ; Pendefinisian bahan-bahan penyusun sistem, yaitu menghitung rapat atom dari tiap bahan penyusun kolimator-dalam.; Simulasi sumber neutron pada sistem. Dalam pembahasan ini neutron sumber tidak disimulasikan dari sumber langsung yaitu teras reaktor, namun sumber yang dibuat adalah sumber bidang homogen yang masuk ke awal kolimator. ; Simulasi perhitungan rerata fluks neutron skalar pada berbagai permukaan. Jumlah neutron yang disimulasikan adalah 106 neutron.

c. Estimasi Kesalahan

Dalam perhitungan monte carlo, selain hasil perhitungan hasil simulasi diberikan juga nilai estimasi kesalahan, R, yang disebabkan oleh proses stokastik. Nilai R ini diperoleh dengan persamaan berikut

Apabila xi merupakan hasil dari persamaan 2. untuk tiap panjang lintasan neutron yang disimulasikan, dan diperoleh hasil simulasi untuk N lintasan maka x adalah rerata-nya yang diberikkan oleh Persamaan 4.

Sedangkan Sx adalah estimasi varian dari x

dengan

Dari persamaan 3 dan 5 terlihat bahwa nilai estimasi kesalahan dari perhitungan sebanding dengan dimana N adalah jumlah panjang lintasan neutron yang di sampling. Sehingga untuk mengurangi nilai estimasi kesalahan diperlukan N yang lebih besar, dimana hal ini akan memerlukan waktu komputasi yang lebih lama. Hasil dari simulasi dengan menggunakan MCNP akan bermakna apabila nilai R<0.1. Apabila


0.1<R< 0.2 maka hasil perhitungan masih dipertanyakan kebenarannya. Dan apabila nilai R>0.2 maka hasil perhitungan tidak dapat digunakan.

Hasil dan Pembahasan

Desain geometri dari kolimator-dalam RN-1 Serpong pada MCNP ditunjukkan pada Gambar 8.

Gambar.8. Model MCNP Kolimator-dalam RN-1 serta penomoran bidang [A] dan penomoran sel [B].

Dari simulasi diperoleh data rerata fluks neutron skalar pada lima permukaan dengan berbagai kasus sebagaimana ditampilkan pada tabel.1. Sel no.13 merupakan posisi filter Pb yang berada di depan aperture, sedangkan untuk filter dibelakang aperture digunakan sel no.1. Untuk tiap sel diatas, dilakukan pula variasi untuk melihat pengaruh jarak posisi filter Pb terhadap aperture.

KasusLokasi sel Pb Rerata fluks neutron permukaan (ternormalisasi)Sel Dpn/Blk 41 9 10 2 1 40

Depan aperture #1

13 Blk 3.04053E-02

1.66902E-05

1.31513E-05

1.20478E-05

1.12268E-05

7.93663E-06

29_c1 1 Blk 1.23150E-02

1.73319E-02

5.34827E-03

1.30703E-03

4.81054E-06

4.63358E-06


29_b3 13 Dpn 4.71736E-02

1.29526E-05

9.35844E-06

1.05320E-05

7.97307E-06

5.19755E-06

29_b1 1 Dpn 1.23502E-02

1.81981E-02

9.18908E-03

3.15577E-03

4.75312E-06

4.23234E-06

19_a9 13 Full 4.71723E-02

1.16109E-05

9.41726E-06

1.02119E-05

7.81524E-06

5.35515E-06

29_a4 1 Full 1.23502E-02

1.81982E-02

9.18903E-03

3.15581E-03

3.82568E-06

3.99017E-06

39_a1 13 2cmBlkng 2.57448E-02

1.93223E-05

1.57395E-05

1.37708E-05

1.30745E-05

9.75753E-06

39_a2 1 2cmDpn 1.23474E-02

1.82006E-02

9.13888E-03

3.14337E-03

5.74097E-06

4.25885E-06

Semua simulasi diatas memiliki nilai R<0.1. Nilai R maksimum diantara hasil simulasi diatas adalah 0.0893 dan rerata nilai R adalah 0.030676. Nilai estimasi kesalahan ini menunjukkan bahwa hasil simulasi dapat dipercaya.

Dari data yang diperoleh terlihat bahwa dengan posisi filter didepan aperture memberikan kemampuan transmisi fluks neutron yang lebih besar. Hal ini ditunjukkan dengan nilai rerata fluks neutron skalar permukaan untuk tiga kasus variasi yang diberikan sebagai mana ditunjukkan oleh Gambar 8.


Gambar.9. Perbandingan Fluks neutron skalar pada tiap permukaan

Gambar 9. menampilkan data simulasi dimana posisi filter Pb ada di depan aperture (sel13) dan di belakang apertur (sel1). Dilakukan tiga posisi untuk masing-masing kasus. Pada Gambar 9.a ditampilkan kasus dimana filter Pb lebih jauh dari aperture dibandingkan pada data yang ditampilkan oleh Gambar 9.b, sedangkan Gambar 9.c menampilkan data dimana filter Pb lebih tebal dua kali dari dua kasus sebelumnya. Dari variasi jarak ke aperture dan ketebalan filter Pb, selalu didapatkan bahwa posisi filter Pb di depan aperture memberikan kemampuan transmisi fluks neutron yang lebih baik. Hal ini ditunjukkan dengan nilai rerata fluks pada permukaan 6 yang selalu lebih besar. Secara umum terlihat bahwa keberadaan filter Pb telah mengurangi nilai rerata fluks hingga empat orde.

Kesimpulan

Posisi filter Pb didepan aperture memberikan hasil yang lebih optimal dalam hal kemampuan kolimator-dalam untuk meneruskan fluks neutron. Kondisi ini berbeda dengan keadaan sekarang dimana filter Pb pada fasilitas RN-1 Serpong terletak dibelakang aperture. Dari hasil penelitian ini disarankan agar dilakukan perubahan dari posisi filter Pb pada fasilitas RN-1 Serpong. Selain itu penelitian lain perlu juga dilakukan untuk melihat efek posisi terhadap atenuasi gamma.

Ucapan Terimakasih

Penulis mengucapkan terimakasih kepada rekan-rekan di Laboratorium Difraksi Neutron yang telah melibatkan penulis kepada permasalah yang menarik ini, khususnya Dr.Sutiarso. Kepada Fra Yudi Wirdana, mahasiswa PKL dari Universitas Andalas, yang telah membantu penulis dalam simulasi geometri kolimator-dalam fasilitas RN-1 Serpong.

Daftar Pustaka

1Kolbe E., “Radiation and Radioisotope Applications”, EPFL Doctoral Course, 2007.


2Reddy AR ,Rao MVN, “ Neutron Radiography”, Def Sci J, Vol 32, No.2, July 1982.

3Sutiarso, “X-Ray and Neutron Radiography, Complementary Technique”, ICNX-2007 Workshop, 2007.

4Design for Neutron Radiography and Computed Tomography at ORNL”, JCPDS-International Centre for Diffraction Data, 1999.

5Mishra K.K ,Hawari A.I, Gillete V.H, “ Design and Testing of a New Neutron Imaging Facility at The NC State University PULSTAR Reactor”, Impact of INIE on University Research Reactor-II.

6T.E.Booth,et.al, “ MCNP : A General Monte Carlo N-Particle Transport Code, Ver.5”, LA-UR-03-1987, 2003.

Optimasi Posisi Filter Pb Pada Kolimator Luar Fasilitas Radiographi RN

Documents

Transcript of Optimasi Posisi Filter Pb Pada Kolimator Luar Fasilitas Radiographi RN