Prosiding Perlemuan don Presenlasi IlmiahP3TM-BATAN. Yogyakarla 25 -26 Juti 2000 Buku I 77

PENGARUH PERUBAHAN TEGANGAN TINGGI TER-PASANG TERHADAP KARAKTERISTIK DETEKTORNaI(TI)

Sudarti Siswohartoyo, Dcwita Triyono, WijiyonoPuslitbang Teknologi Maju Badan Tenaga Nuklir Nasional

ABSTRAKPENGARUIl PERUBAIlAN TEGANGAN T/NGG/ TERPASANG TERHADAP KARAKTER/ST/KDETEKTOR Na/(TI). Dampak perubahan tegangan tinggi terpasang terhadap sinyal keluaran detektorNal(Tl) telah dipelajari. Pada tegangan 600 volt, perubahan catu tegangan tinggi HV per volt menyebabkanperubahan amplitudo sinyal sebesar 7,6 mJl: Pada tegangan 700. 800 dan 900 volt, perllbahan tegangantinggi sebesar per volt masing masing akan menyebabkan perubahan amplitudo sinyal sebesar 38, 47 don75 mIl: I'ariasi tegangan tinggi pada jangkau 600 sampai 900 volt tidak mengakibatkan perubahan yangsignifikan terhadap resolusi Nal(Tl), karena resolusi detektor Nal(Tl) terukur sangat lebar (55 sampai 66keV) dibandingkan dengan perubahan resolusi yang seharusnya terjadi akibat perubahan catu tegangantinggi HV itu sendiri.

ABSTRACTHIGH VOLTAGE VARIATION IMPACT TO THE CHARACTERISTICS OF NAI(TL) DETECTOR.The effect of high voltage variation on the NaIITI) detector output signal has been studied. It was found thatat 600 volt, the increment of one volt HV has changed the detector output signal of about 7.6 m II: At thevoltage of 700. 800 and 900 volt. the increment of one volt HV will cause variation of the output detectorsignal of about 38, 47 and 75 m V respectively. High voltage variation in the range of 600 to 900 volt did notchange the resolution of Na/(TI) significantly, because resolution of Na/ITI) photo peak is very large (55 to65 ke V) compared to the expected value resulting of HV variation itself

PENDAHULUANN aI(Tl) adalah detektor radiasi gamma, yang

dapat dipakai sebagai detektor untuk

pemantauan radiasi lingkungan, selain itu, dapatdipakai untuk keperluan fisika medis yaitu untukdiagnosis sebagai kamera gamma. Da!am kameragamma, kete!itian dal~m pencacahan sangatdiperlukan, karena distribusi radioaktivitas dalamjaringan tubuh akan memberikan informasi yangsangat penting tentang keadaan pasien yangdiperiksa dcngan kamera gamma tcrscbut. Untukbekerjanya, detektor Nal(TI) memerlukan tegangan

tinggi pad a tabung peganda elektron, agar sinyalkeluaran detektor Nal(Tl) cukup tinggi untuk dapatdicatat. Perubahan tegangan tinggi akan sangatmempengaruhi besar sinyal keluaran detektorNaI(Tl) tersebut (I), Didalam fisika medis, ketelitianpembacaan distribusi radionuklida dalam jaringantubuh sangat bergantung pada resolusi detektor,yaitu suatu daerah puncak foto!istrik dan lebamyaakan memberikan jumlah cacah atau informasiintensitas radiasi pada titik tertentu suatu jaringan

tubuh. Perubahan tegangan tinggi terpasang dapatmenyebabkan perubahan karakteristik detektor

NaI(Tl) yaitu perubahan amplituda tegangankeluaran dan rcsolusi dctcktor, schingga posisi danIcbar d~cr:lh fotolistrik d:lp:lt bcrgcscr pula.Schingga dcngan pcrubahan tcgangan tcrpasang

pad a tabung peganda elektron, penggunaan jendelayang sudah diatur semula pada daerah puncakfotolistrik, akan bergeser yang menyebabkan cacahclan ketelitiannya berubah pula.

Pad a studi ini, dipelajari dampak perubahantegangan tinggi terpasang terhadap karakteristikdetektor NaI(TI) yaitu resolusi dan amplitudo sinyalkeluaran detektor. Dari studi ini diharapkan untukbisa diketahui persaratan stabilitas tegangan tinggiyang diperlukan oleh sistem detektor NaI(TI).Karena akibat perubahan tegangan tinggi akanberpengaruh terhadap ketelitian basil cacah radiasisebagai contoh untuk keperluan fisika medikketelitian ukur disuatu titik jaringan tubuh, dapatmemprediksi lebih baik keadaan pasien dalarndiagnosis yang telah dilakukan.

TEOR! & KINERJA TABUNGPEGANDAELEKTRON

Pad a detektor NaI(T), radiasi gamma datangke detektor diubah menjadi sejumlah raton cahaya(melalui proses fotolistrik, hamburan Comptonataupun bentukan pasangan), yang menabrak rotakatoda TPE (tabung peganda elektron) dan akanterjadi pelepasan elektron. Seperti diketahui untukoperasional, dctektor Nal(TI) memerlukan TPEdengan tegangan tinggi terpasang seperti terlihat

ISSN 0216-3128 Sudarti; dkk.

pad a Gambar 1 yang datang sebesar I k e V, namun rata-rata nilaitersebut kira kira 4 -6 untuk tegangan beberaparatus Volt. Pad a dinoda dengan bahan GaP(Cs) nilaitersebut dapat mencapai 50-60 pad a pemakaiantegangan sebesar 1000 Volt.

Dalam TPE, terjadi multiplikasi yangbergantung pada jumlah tingkat dinoda yan~dipakai. Untuk N dinoda, multiplikasi total adalah (

M=aoN (1

R"

R0

a merupakan fraksi rota elektron yangdikumpulkan ke dinoda pertama, 0' adalah faktoremisi elektron sekLinder. Untuk material dinoda

konvensional, nilai 0" adalah = 5, sedang nilai a

mcndekati 1. Multiplikasi total sualu labung TPEsangat sensitif terhadap tcgangan terpasang. Karcna0" merupakan fungsi linier tegangan antar dinoda V,maka untuk 10 tingkat dinoda, faktor multiplikasitotal akan sebanding dengan tegangan antar dinodatersebut, apabila K adalah suatu konstanta, faktormultiplikasi tersebut adalah (I):

M = K V 10 (2)

Untuk suatu tenaga gamma Er' akandiperoleh puncak foto yang besar amplitudonyasebanding dengan faktor multiplikasi tersebut jadiamplitudo sinyal keluaran detektor NaI(TI) akansebanding dengan V /0 , K/ adalah konstanta, yang

besamya adalah:A = K1 V 10

(3)

Dengan perubahan tegangan tinggi terpasangpada TPE, besar amplitudo sinyal keluaran TPEakan berubah pula, sehingga posisi puncakfotolistrik untuk suatu energi tertentu (nomor kana 1)tersebut akan bergeser seperti yang terlihat padaGambar 2.

Gambar I. Skema Rangkaian

Tabung Pcganda Elcktron

Sensitivitas fotokatoda yang ditunjukkanoleh jumlah elektron yang terlepas apabila fotoncahaya menabrak fotokatoda disebut efisiensikuantum, besarnya berkisar antara 20 sampai 30 % .Nilai tersebut sangat bergantung pad a panjanggelombang foton cahaya atau energi kuantum fotoncahaya yang datang ke foro katoda. Nilai tersebutakan optimal apabila kurva tanggap :;pektrum forokatoda sesuai (match) dengan spektrum emisidetektor sintilator Nal(TI) yang dipakai. Nilaipanjang gelombang foton cahaya pada keadaanoptimal adalah mendekati 360 nano-meter.

Elektron tersebut akan ditarik ke dinodapertama (0.) dan mendapat tambahan tenaga gerakakibat perbedaan tegangan antar dinoda, sehinggasewaktu sampai ke dinoda pertama mampumelepaskan elektron dari dinoda pertama lebihbanyak, sehinggajumlah elektron yang terlepas daridinoda pertama akan diperbanyak, ini disebut emisielektron sekunder. Untuk proses berikutnya,elekn'on tersebut ditarik ke dinoda kedua (OJ dandiperbanyakjumlahnya, demikian seterusnya hinggamencapai dinoda terakhir (anoda) yang dipakaisebagai kolektor muatan yang teljadi pada prosespenggadaan tersebut.Amplitudo Sinyal Kcluaran Dctcktor Nal(TI) (1),

(2)

Faktor multiplikasi untuk satu tingkat dinodaatau faktor emisi elektron sekunder diberikan oleh: Nomor kanall'J

l:. 1\1

Gambar 2. Pergeseran Spektrum gamma

RESOLUSI ENERGI (2), (3)

Didalam aplikasinya untuk spektroskopiradiasi, detektor biasa dipakai untuk mengukurintensitas pad a suatu energi tertentu. Tanggapanterhadap gamma tenaga tunggal merupakan sifatyang sangat penting suatu detektor yangdiaplikasikan untuk spektroskopi radiasi. Pad aGambar 3, ditunjukkan sifat detektor dalamkemampuannya memisahkan suatu energi terhadapyang lain yang biasa disebut resolusi yang diukursebagai lebar setengah maksimum (FWHM). Faktormultiplikasi akan lebih besar akibat tengangan

terpasang akan mengakibatkan pula pelebaranpuncak atau pelebaran resolusi.

Dari acuan (I) besar resolusi relatif yang

diukur dengan FWHM untuk distribusi Gauss adalah

A2AI AmplitudaAmplihldo A3 AInplihldo

Gambar 3. Tanggapan spektrum

amplitudo sinyal detektor clan resolusinya padasumber Co6o diamati sebagai fungsi variasitegangan tinggi terpasang.

Sehingga resolusi dapat dirumuskan sebagai:

&VS

R=-

(5)2.35

~K~VIORalat resolusi hila tegangan V berubah adalah:

SR =I~I

Oari hubungan tersebut, kelihatan resolusirelatip detektor NaI(Tl) adalah berbanding terbalikdengan tegangan terpasang pangkat 5, sedang ralatrelatif

resolusi adalah :

!!.-JLR

(5)v Gambar 4. Skema Peralatan Detektor Nal(TI)

Perubahan amplitudo dan resolusi dicatatdengan mencatat pergeseran kanal puncak danFWHM (Full Width Half Maximum) spektrum Co6Oyang mempunyai energi 1173 dan 1332 keY denganvariasi tegangan tinggi (HV) yang terpasang pad akelima TPE detektor Nal(TI). Spektrum energi

METODA EKSPERIMENPada studi ini dilakukan pengukuran terhadap

detektor NaI(TI) tipe sumur yang merupakandetektor perisai sistem supresi Compton. Perubahan

~ .,""ISSN 0216-3128 Sudarti, dkk.

Prosiding Perlemllan dan Presenlasi J/miahP3TNI-BATAN. Yogyakarla 2.5 -26 Jllii 200080 Buku I

tersebut disimpan untuk masing-masing perubahantegangan tinggi, yaitu antara 600 sampai 900 voltdengan variasi sebesar 2 volt.

Nal.(TJ) akibat perubahan tegangan tinggi padadetektor tersebut pad a tcgangan tinggi disekitar600,700,800, dan 900 volt, energi I. J 73 dan 1332 keV.

Dari hasil eksperimen yang diperoleh terlihatbahwa amplitudo sinyal akan berubah denganberubahnya HV terpasang. Untuk energi 1173 keYdiperoleh amplitudo tegangan lebih rendah dari padaenergi 1332 keY.

HASIL DAN PEMBAHASAN

Perubahan Amplitudo Sinyal vcrsus Tcgangan'.mggi

Pacta gambar 5, 6, 7 dan 8 diperJihatkanperubahan ampJitudo sinyaJ keJuaran detektor

500

~~~-",,::::;;;O~ ~

~c~

~~0

E0z-0

"t:J~

;'t:"Q.E~

&X) 610 615 620

Tegangan Tinggi Volt

AMPLITUDO SINY AL KELUARAN DETEKTOR

Gambar 5. Amplitudo vs Tegangan disekitar 600 volt

625600

2000

1700

1400

1100

BOO

~CN~~0E0z""-0'U:3~c..Eo:J:

710 715Tegangan Tinggi Volt

720 725705700

Gambar 6. Amplitudo vs Tegangan disekitar 700 volt

400

~

200

100

Prosiding Perlemuan dan Presenlasi llmiahP3TM-BATAN. Yogyakarla 25 -26 Juli 2000 Buku I 81

6000

""iijs:~~i..0E0z-0

"U:J

~a..E

c(

5250

4500

3750

3000845 850 860 865855

T egangan Tinggi Volt

Amplitudo vs Tegangan disekitar 800 voltGanlbar 7.

8500

";a~ 7~O~Q

5Q

~ 6~OQ

oe...-=:=.eo 5~O

~4500

895 900 905

Te~1gaIl Thlggi Volt

Gambar 8. Amplituda vs Tegangan disekitar 900 volt

9108W

Nilai resolusi pad a jangkau tegangan tinggi tersebuttidak dapat memberikan perubahan resolusi secarasignifikan, karena resolusi detektor Nal(TI) terukursangat lebar (55 sampai 66 keY) bila dibandingkandengan detektor HPGe (1,85 keY). Untuk resolusidetektor NaI(Tl) diperoleh hasil 55 -66 keY, ralatpengukuran yang terjadi sangat besar sekitar 10 %.

Perub:lhan Resolusi versus Tcgang:ln Tinggi

Pada Gambar 9 ditunjukkan hasil pcngukuranperubahan resolusi dctektor Nal(TI) sebagai akibatperubahan tegangan tinggi dari 600 sampai 900 volt.Pad a Gambar 10 disajikan pcrubahan rcsolusi relatifmenggunakan rumus 6 dalam % untuk variasitegangan tinggi pada jangkau 600 sampai 900 volt.

80

ResoblSi

(ke V)70

60

50

40

30

20

10

0

Q \0 Q \0 Q ..~ \0 Q ..". = C", \0 Q ..". =Q Q --t". Q = ---ar. Ir. \0 0\ Q\\0 \0 \0 \0 \0 r- r- t- r- r- = = = ~ ~

Caw daya teg~al\ ti1~gi (V)

...\CC C0\ 0\

Gambar 9. Pengaruh perubahan tegangan tinggi terhadap resolusi detektor , ralat pcngukuran 10 %

= 1,8

.oS 1,6

~.-1,4~~.= 1,2=~"-"' 1~ ~= '-'0,8~~ 0,6~0$ 0,4.E:4)

~0,2

0

...b -~, ~ " ...~ ~~ ~ ~t"' ~;b". (~(\ (\" (\". ~..,.. ~ ~1 ~

Cain daya tegangan tUlggi (\17)b~ ~~ ~~

Gambar 10. Pengaruh perubahan tcgangal1 tinggi tcrhadap resolusi relatif detektor (menggunakan rumus 6)

perubahan resolusi secara signifikan, karenaresolusi detektor Nal(TI) tcrukur sangat lebaryaitu 55 sampai 66 keY dan ralat pengukuranyang terjadi sangat besar sckitar 10 %) biladibandingkan dcngan detcktor HPGe (1,85keY).

3. Dari hasil perhitungan menggunakan rumus.6terlihat dengan perubahan tegangan, hanya akanada perubahan resolusi sebesar kira.kira 1,17 %

4. Efek perubahan resoillsi akibat perubahan

KESIMPULAN

Dari hasil pengukuran dapat disimpulkansebagai berikut

1. Semakin tinggi catu daya yang dipakai,perubahan per voltnya akan mcmberikm1 efekperubahan sinyal yang makin besar pula.

2. Nilai rcsolusi pada jangkau tcgangan tinggi 600sampai 900 volt tidak clapat mcmberikan

Prosiding Pertemuan don l'resentasi lImia'"P3TM-BATAN. Yogyakarta 25 -26 Jl/li 2000 BukuI 83

5

tegangan HV yang jauh lebih kecil dari ralatpengukuran resolusi itu sendiri makaperubahannya tidak bisa dilihat secara

signifikan.

Dari kedua sifat detektor yaitu respon tegangansinyal keluaran dan resolusinya, pengaruh

perubahan tegangan tinggi sangat signifikanpada respon tegangan sinya\ ke\uaran detektorsehingga perlu diperhatikan stabilitas catutegangan tinggi pada sistem detektor Nal(TI)harus cukup baik, yang mana mcnurut acuan 5)

diperlukan faktor ripel scbesar 0.1 % padategangan HV sebesar 1000 Volt.

DAFTARACUANI. G. F. Knoll, "'?adiation Detection and

Meas/lrement ." John Willey and Sons Inc1979. New York.

2. R. L. Heath, " Gamma Ray SpectrumCataloque ..

3. J. H. Kaye, " Nuclear Radiation Detector."

Methuen & Co, Ltd. London (1964)

4. Nicholas Tsufoundis, "Nuclear RadiationDetector" John Willey and Sons Inc 1990. NewYork.

5. _Service Manual: 456 Ortec High Voltage

tertentu dengan resolusi tertentu pula. Halbaru/spesifik apakah yang anda dapatkan daTipenelitian tersebut.

Sudarti

-Yang akan dipero/eh dari studi ini ada/ah untukmendapa/kan keyakinan dari sua/u hasi/pengukuran. Dalam daerah f% lis/rik dipakaisebagai ukuran sua/u in/ensi/as radiasi; hilaintensitas i/u /erjadi fluk/uasi yang sangat besar(diluar fluk/uasi sta/is/ik), maka perlu dicurigaisistem ukur yang dipakai.

Edi Triyono

-Ditinjau dari. prinsip kerja NaI(TI) persamaantegangan tinggi hanya berpengaruh pada sistemion multiplier dalam bagian (Photo multipliertube). Mengenahi resolusi detektor NaI(TI)apakah tidak dilakukan dengan membandingkanmaterial NaI(TI) dengan material pendar jenislainnya ?

Sudarti

-Tadak di/akukan de/1gan memvariaside/ektornya. Un uk kerja yang dipelajari inimemang dominan dipengaruhi o/eh TPE(tabung pengganda e/ek/ron), karena tujuannyaadalah menge/ahui seberapa jauh karakteristikdetektor i/u berubah dengan berubahnya HJI;sehingga dapat dike/al1ui detek/ornya a/au/egangan tinggi /erpasanganya yang tidakberfungsi secara baik.

Widnrto

-Ditinjau dari resolusinya, apakah korelasi antaravariasi tegangan tinggi dengan resolusi detektorNaITI tersebut. Berapa volt tegangan HVtervariasi sehingga resolusi mencapai optimumpada deektor NaITI tersebut.

Sudatri-Ya ado kore/asinya menuru/ hubungan Sr/R -

J/V %, dimana SR/R adalah rala/ rela/ifreso/usi don V ada/ah /egangan antar diO/1a.Sesuai dengan studi ini HV pada suatu daerah/egangan /erpakai /idak signifikan, ini berar/iperubahan HV /idak memperbaiki reso/usi.Yang perlu diperha/ikan ada/ah bahwaperubahan HV akan n1engubah amplitudasecara signifikan a/au akan mengubah nom orkana/, sedangkan jumlah kana/ tidak nampakberubah secara nya/a.

TANYAJAWAll

Budiarto

-Dari mana ibu mendapatkan sampel detektorNaI ? at au NaI dibuat sendiri ? mohon

penjelasan.

-Apa akibatnya kalau detektor NaI(TI) terukursangat lebar? Kalaulebih sempit bagaimana ?

Sudarti

-De/ek/or yang dipakai adalah de/ek/or ya/lgdipakai un/uk sis/em moni/oring/ingkungan.Be/um bisa dibl/al deleklor Na/(Tl). Tujllans/udi ini adalah bah\l'allnlllk mendapalkan datayang benar diperlllkan sualu sislen yang benarjuga dengan memperl1a/ikan persyaralan olehsisleln deleklor i/ll sendiri.

-Bi/a reso/usi sanga/ lebar rala/ pembacaanjllga sanga/ be.~ar. jika resoll/si sempi/ ralatpembacaannyajllga kecil.

Taxwim

-Biasanya karakteristik detektor NaI(TI) buatan

pabrik telah tercanlum data-data tegangan

ISSN 0216-3128