~

batan

PROSIDING SEMINARPENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKA T NUKLIR

Pusat Teknologi Akselerator don Proses BahanYogyakarta, Rabu, 11 September 2013

OPTIMASI PARAMETER SPEKTROSKOPI GAMMA DENGANDETEKTOR HPGE

Agus Tri Purwanto, Elin NuraeniPusat Teknologi Akselerator Dan Proses Bahan - BATAN

ptapb@batan.go.id

ABSTRAK

OPTIMASI PARAMETER SPEKTROSKOPI GAMMA DENGAN DETEKTOR HpGe.Telah dilakukan optimasi spektrometer gamma dengan detektor semikonduktor(HpGe). Untuk mendapatkan kondisi operasi yang optimum, maka perlu dilakukanoptimasi terhadap parameter-parameter operasi yang akan digunakan. Darieksperimen menggunakan sumber standar Co-60 dan Cs-137, diperoleh kondisioperasi optimal pada : coarse gain 50, fine gain 0, shaping time 2 us dan teganganoperasi 1600 volt. Pada jarak detektor dengan sumber 5 cm dan kondisi optimaldiperoleh FWHM 6,41 keV, FWTM 12,49 keV, cacah tertinggi 25420 cacah, denganrasio Peak To Compton 1: 26.Kata kunci: spektrometer gamma, optimasi

ABSTRACT

OPTIMIZING OF GAMMA SPECTROMETER PARAMETER BY USING HpGeDETECTOR. Gamma spectrometer optimization has been done use a semiconductordetector (HpGe). To obtain the optimum operating conditions, it is necessary to theoptimization of the operating parameters that will be used. Through the experimentusing Co-60 dan Cs-137 standard, in operation condition: coarce gain 50, fine gain 0,shapping time 2 J1S and operation voltage 1600 volt. At a distance of 5 cm between thesource and detector at the optimal conditions obtained FWHM 6.41 keV, FWTM 12.49keV, the highest count of 25420 count, gained Peak To Compton ratio 1: 26.Keywords: gamma spectrometer, optimizing

merupakan salah satu peralatan intek nuklir yangdapat digunakan untuk analisis unsur dalam suatubahan dengan teknik analisis pengaktipan neutroncepat (APNe). Teknik APNC ini mempunyaikeunggulan mampu menganalis unsur ringansampai berat, namun akan lebih baik digunakanuntuk unsur ringan dan medium. Kekurangannyaadalah biayanya cukup mahal khususnya untukcuplikan yang jumlahnya sedikit. Untukmendukung kegiatan analisis tersebut di atas,diperlukan perangkat yang handal, dimana dalamhal ini diperlukan seperangkat spektrometri gamma.

Gejala radioaktivitas tidak dapat dirasakanlangsung oleh pancaindra manusia, sehingga sangatberbahaya bila terkena radiasi dengan dosis yang

PENDAHULUAN

A kselerator generator neutronberlebihan. Meskipun demikian radiasi nuklir dapatdideteksi dengan detektor nuklir. Pengertian deteksiradiasi nuklir tidak hanya terbatas untukmengetahui adanya pancaran radiasi dari suatusumber, tetapi yang lebih penting adalah untukmengetahui berapa intensitas maupun energinya.

Detektor nuklir merupakan bagianterpenting dalam sistem alat ukur radiasi nuklir.Detektor nuklir yang digunakan banyakmemanfaatkan interaksi radiasi nuklir denganmateri. Interaksi tersebut menimbulkan beberapaefek yang pad a akhirnya dapat diubah menjadipulsa listrik.

Spektometri gamma merupakan metodepengukuran dan identifikasi unsur dengan jalanmengamati gejala akibat interaksi radiasi gammadengan materi.

Peralatan spektrometri gamma yang adasaat ini dalam keadaan tidak dapat digunakan,

Agus Tri P, did

-----.- --.-- - - - - - -. -_.- --- - - --

PRO SIDING SEMINARPENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR

Pusat Teknologi Akselerator dan Proses BahanYogyakarta, Rabu 11 September 2013

©>batan

dewar pendingin detektor bocor, sehingga detektorsemikonduktor (HpGe) tidak dapat bekerja karenapendinginan tidak dapat terpenuhi sesuai denganpersyaratan. Untuk kelancaran kegiatan penelitian,diperlukan peralatan pengganti sebagai jalankeluarnya dengan mengoptimalkan detektor HpGeyang sudah lama tidak digunakan, oleh karena ituperlu dilakukan komisioning untuk mengetahuikinerja peralatan. Agar mendapatkan hasil analisissinar gamma yang akurat sangat dibutuhkanpemilihan harga parameter spektroskopi gammayang optimum, karena parameter ini sangatmempengaruhi hasil spektrum yang akan dianalisis.Kegiatan ini menggunakan detektor semikonduktorGermanium Kemurnian Tinggi Canbera,PRINCETON GAMMA - TECH HpGe Model IGC8, Serial DC-48.

Detektor HPGe yang dimiliki PTAPBYOGY AKART A tersebut saat ini belum dioptimasiparameter - parameternya untuk spektroskopigamma. Oleh karena itu dalam kegiatan ini dipilihjudul "Optimasi Parameter Spektroskopi Gammadengan Detektor HPGe".

TEORI·DASAR

Spektrum sinar- r terbentuk sebagai hasilinteraksi antara sinar- r dengan detektorl21. ]ikasinar- r mengenai suatu materi maka sinar- r akanmenyerahkan seluruh atau sebagian energinya padamateri tersebut. Interakasi sinar- r dengan materibisa teIjadi melalui berbagai proses, antara lain:1. efek foto listrik2. hamburan compton3. produksi pasangan

Melalui ketiga proses ini, sinar gammamenyerahkan sebagian atau seluruh tenaganya padabahan detektor dan sebagai hasilnya dilepaskanelektron -elektron bebas yang dipergunakan dalamproses deteksi.

Secara ideal sinar gamma yang bertenagatunggal menghasilkan spektrum berbentuk satugaris lurus. Dengan menggunakan detektor HpGekenyataannya spektrum yang terjadi tidak demikian.Spektrum gamma tidak berbentuk garis lurusmelainkan terjadi pelebaran simetris sehinggaberbentuk fungsi Gauss atau fungsi agihan normaLHal ini disebabkan karena bermacam - macam

peristiwa yang dialami, mulai dari pembentukanpulsa sampai proses analisis tinggi pulsa,merupakan suatu proses acak (random) yang tundukpad a kaedah - kaedah statistik. Pengukuran suatugejala acak secara berulang - ulang akanmenghasilkan kurva agihan normal(2}.

1. Spektrometri Gamma

Spektrometri gamma dapat didefinisikansebagai suatu cara pengukuran dan identifikasi zat-

zat radioaktif dengan jalan mengamati spektrumkarakterisitik yang ditimbulkan oleh interaksi foton-r yang dipancarkan oleh zat-zat radioaktif tersebutdengan detektor 12J.

Interaksi foton- r dengan detektor akanmenghasilkan signal pulsa. Tinggi pulsa yangdihasilkan detektor bersesuaian dengan energifoton- r yang mengenai detektor. Selanjutnyapulsa-pulsa tersebut diproses secara elektronikdalam serangkaian perala tan yang membentukperangkat spektrometri gamma.

1.1. Detektor Semikonduktor

Detektor semi konduktor dapat dipandangsebagai detektor ionosasi. Medium gas padadetektor ionisasi diganti dengan zat pad at yangbersifat semikonduktor. Muatan yang dibawa dalamsemi konduktor bukan pasangan elektron dan iontetapi pasangan elektron dan hole (lowongan).

Detektor semi konduktor pad a umumnyadibuat dari bahan germanium dan silikon.Keunggulan Detektor semi konduktor dibandingpencacah radiasi yang lain adalah :1. Daya pisah tenaga ( resolusi) yang sangat baik.2. Tanggap (respon) terhadap radiasi linier (tinggi

pulsa atau versus tenaga partikel)3. Ukuran sangat kompak dan kecil.

1.2. Penguat awal

Penguat awal terletak diantara detektordengan penguat. Alat ini mempunyai beberapafungsi sebagai berikut [2]1. Untuk melakukan amplifikasi awal terhadap

pulsa keluaran detektor.2. Untuk melakukan pembentukan pulsa

pendahuluan.3. Untuk mencocokkan impedansi keluaran

detektor dengan kabel signal mas uk ke penguat.4. Untuk mengadakan perubahan muatan menjadi

tegangan pada pulsa keluaran detektor.Selain itu, penguat awal juga dapat

menurunkan signaL Sebaiknya penguat awaldipasang sedekat mungkin dengan detektor.

Ada dua jenis penguat awal, yaitu penguatawal peka tegangan dan penguat awal peka muatan.Penguat awal peka tegangan mempunyai kelebihandalam hal memiliki signal yang tinggi akan tetapimempunyai kelemahan dalam hal stabilitas. Olehkarena itu dalam spektrometri- r lebih seringdigunakan penguat awal peka muatan.

1.3. Penguat AkhirPulsa keluaran detektor telah diubah dari

pulsa muatan ke pulsa tegangan oleh penguat awal.Selanjutnya pulsa tersebut dikirim sebagai masukandari penguat. Penguat yang dipakai adalah jenispenguat peka tegangan yang biasa disebut penguat

Buku II haI. 308 ISSN 1410 - 8178 Agus Tri P, dkk

~

batan

PRO SIDING SEMINARPENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR

Pusat Teknologi Akselerator dan Proses BahanYogyakarta, Rabu, 11 September 2013

/inier. Pulsa dipertinggi sampai mencapai amplitudoyang dapat dianalisis dengan alat penganalisistinggi pulsa.

Kemampuan suatu penguat untukmemperkuat pulsa disebut dengan gain. Penguatdiraneang agar dapat memberikan gain yang linierdan dapat diatur seeara sinambung dalam suatujangkau (range) yang cukup luas. Kebanyakanpenguat yang dipakai dalam spektrometri- rmempunyai gain yang jangkaunya mulai dari limasampai dua ribu.

Biasanya sebuah penguat mempunyai duamaeam keluaran yaitu keluaran unipolar danbipolar. Pemilihannya tergantung' padapengguanaan detektor. ]ika yang dipakai adalahdetektor NaI(TI) biasanya dipilih keluaran bipolar.Keluaran bipolar juga dapat dipilih untuk laju caeaheuplikan yang tinggi. (2)

1.4. Multi Channel Analyzer (MCA)

Multi Channel Analyzer (MCA) disebutsebagai penganalisis salur ganda yang bolehdianggap gabungan dari banyak penganalisis salurtunggal dan dapat membuat spektrum- r secarasekaligus atau dalam sekali pengukuran [21.

Fungsi utama MCA adalah mengolah danmembuat grafik spektrum tinggi pulsa dengan isieaeah setiap kana!. Mula-mula pulsa yangdihasilkan detektor akan diperkuat atau lebih tepatdipertinggi (amplified) dan dbentuk dalam penguatawal dan kemudian dalam penguat (amplifier).Pulsa yang telah dibentuk dan diperkuat itu dikirimmenuju su~tu alat yang apat memilah-milahkanpulsa-pulsa menurut tingginya. Alat tersebutmempunyai banyak memori yang dinyatakan dalamcaeah salur (channef) yang dimilikinya. Alat inidinamakan Penganalisis salur ganda (Multi ChannelAnalyzer). Pulsa dengan tinggi tertentu akan dicatateaeahnya dalam salur dengan nomor salur tertentu.Data numerik hasil peneacahan tersebut setiap saatdiakumulasikan dalam salur itu sampai waktupeneaeahan selesai. Sebagai hasilnya, seeara analogdapat dilihat spektrum- r pada layar penganilisissalur ganda atau melalui plotter. Data numerikdapat juga dikeluarkan melalui printer. Sistempembentukan spektrum semaeam ini disebutanalisis tinggi pulsa.

TAT A KERJA

Bahan dan Alat Penelitian

a. Bahan penelitianBahan yang digunakan dalam penelitian ini

an tara lain:

a. Nitrogen eair sebagai pendingin detektorb. Sumberstandar Co-60, Eu-152 dan Cs-137

e. Mistar untuk pengukur jarak

2. Alat penelitianAlat-alat yang digunakan dalam penelitian

ini antara lain:

a. Seperangkat spektrometer gamma denganspesifikasi sbb :

Detektor HpGe : Canbera, PRINCETONGAMMA - TECH HpGe Model IGC 8,Serial DC-48.

Amplifier Amp.ORTEC 570. CG=50,FG=0Tegangan tinggi CANBERRA model 3002

b. Skema alat ukur

Seeara skematis seperangkat spektrometrigamma seperti ditunjukkan pada Gambar 1 berikutini:

C'Y0st.!

Gambar I. Diagram perangkat spektrometri gamma

HASIL DAN PEMBAHASAN

1. Resolusi Versus Shaping Time

Sebelum dilakukan optimasi pad aparameter yang lain, yang perlu dilakukan terlebihdahulu adalah melakukan optimasi pada bagiansistem pembentukan pulsa pada peralatan amplifier.dengan melakukan variasi operasi pada shapingtime. Seperti yang disajikan pada table 1.

Pereobaan ini dilakukan untuk mengetahuiparameter mana yang memberikan hasil terbaik •.ditunjukkan dengan resolusi (FWHM) yang keeil.Menggambarkan bahwa dengan FWHM yang kecilberarti daya pisah detektor lebih baik.

Daya pisah atau resolusi detektordidefinisikan sebagai kemampuan detektor untukmemisahkan dua puneak spektrum-y yangmempunyai tenaga berdekatan. Ukuran daya pisahdetektor dinyatakan dengan Iebar setengah tinggimaksimum atau FWHM (Full Width HalfMaximum). Daya pisah detektor adalah fungsienergi sinar-y. semakin tinggi energi sinar-ysemakin rendah daya pisah detektornya.

Dari hasil yang didapatkan. dengan shapingtime 2 ps mendapatkan FWHM yang paling baik.

Agus Tri P, dkk. ISSN 1410 - 8178 Buku II hal. 309

PRO SIDING SEMINARPENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR

Pusot Teknologi Akselerotor don Proses BahanYogyakarta, Rabu 11 September 2013

~

batan

Tabel 1. Hubungan resolusi detektor versus variasishaping time

ShapingResolusi (keV)NoTime AREA

(~s)

FWHMFWTM

1.

0,5 8,0915,0826193Spec detektor :

Canbera,PRINCETON2.18,4012,6625984GAMMA - TECH

HPGE-MODEL3.

26,4112,4925420IGC-8,SERIAL

DC-48. HV=1600keV,4.36,4713,1325631Amp.ORTEC

570,5.

66,5212,9825879CG=50,FG=0,

jarak detektor-sumber = 5 Cm6.106,8913,8925277

2. Tegangan Operasi Versus LuasPhoto peakPercobaan ini dilakukan untuk mengetahui

tegangan operasi optimum yang diperlukan detektoruntuk menghasilkan luas photo peak yang terbesar.Hasil percobaan disajikan pada table 2.

Tabel 2. Hubungan tegangan operasi detector versusluas photo peak

No

TeganganResolusi (keV)AreaOperasi

FWHMFWTM

1.

50030,0859,248298

2.

1.00016,3036,7311749Spectroscopy

Amp. ORTEC3.

1.50013,1036,2712374570, Shapingtime = 2 CG =50,4.

1.60012,4835,7412867FG=O

jarak detektor -5.2.00014.7042.4512835sumber = 5 Cm

6.

2.40028,2938,6212820

Dari data yang diperoleh, menunjukkanbahwa pada tegangan operasi 1600 voltmendapatkan cacahan yang paling banyak.

3. Kalibrasi Energi

Spektrometri- r adalah suatu metodepengukuran yang bersifat nisbi (re/ati}), oleh karenaitu sebelum suatu perangkat spektrometer- r dapatdipakai untuk melakukan analisis alat terse but perludikalibrasi lebih dahulu secara cermat dan teliti.

Ada dua macam kalibrasi yang perlu dilakukan,yaitu kalibrasi energi dan kalibrasi efisiensi [21.

Untuk suatu perangkat spektrometer- rdan suatu setting kondisi kerja (tegangan tinggi,gain penguat, dan lain-lain) perlu dicari hubunganantara nomor salur dan tenaga atau energi. Hal inidilakukan dengan cara mencacah beberapa sumberradioaktif standar yaitu sumber yang sudahdiketahui tenaganya dengan tepa!. Dalam penelitianini, kalibrasi energi menggunakan sumber radioaktifCo-60 dan Cs-137. Hasil pencacahan dan hasilkalibrasi menggunakan Program Greca/ disajikanpada tabel 3.

Tabel 3. Hasil kalibrasi energi

No. ChanalEnergiKeterangan

1.

457661,638Slope = 1,34971

2.

8291173,208Offset = 40,68209

Q.= 1,98100e-053.

9441332,464

4. Kalibrasi Efisiensi

Analisis kuantitatif dalam spektrometer- rmembutuhkan kalibrasi efisiensi. Suatu sumberradioaktif selalu memancarkan sinar radioaktif ke

segala arah (4Jr). Biasanya cuplikan radioaktif

diukur pada jarak tertentu terhadap detektor,sehingga sebenarnya hanya sebagian saja dari sinar-r yang dipancarkan oleh cuplikan yang terdeteksi.Oleh karena itu dibutuhkan kalibrasi efisiensi

mutlak dari puncak serapan total yang secaramatematis dapat dituliskan sebagai berikut :

%£(E) =_Cp_s_xlOO% (1)dpsx Y

dengan :€ (E) = efisiensi mutlak detektor pad a energi ECps = cacah per sekonDps = disintegrasi per sekon / aktivitas sumber padasaat pengukuranY = yield

Harga laju cacah (Cps) didapatkan denganmenghitung luas puncak serapan total dibagi waktupencacahan (dalam detik) :

C luas puncak serapan total ( )ps =---------- 2waktu pencacahan (sekon)Dalam penelitian ini untuk menentukan

kalibrasi efisiensi digunakan sumber standar multienergi Eu-152. Efisiensi detektor dapat dihitungdengan menggunakan persamaan 1. HasH darikalibrasi efisiensi dengan variasi jarak disajikanpada Gambar 2.

5. Nisbah Peak To Compton Ratio

Untuk mengetahui perbandingan Peak ToCompton Ratio, dilakukan pencacahan denganmenggunakan sumber Co 60. Percobaan ini

Buku II hal. 310 ISSN 1410 - 8178 Agus Tri P, dkk

@Jbatan

PRO SIDING SEMINARPENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR

Pusat Teknologi Akselerator dan Proses BahanYogyakarta, Rabu, 11 September 2013

Gambar 2. Hasil kalibrasi effisiensi dengan variasijarak detektor sumber

Tabel 4. Perbandingan puncak photo dengandata ran campton.

KESIMPULAN DAN SARAN

1. Semakin besar tenaga sinar gamma yangdicacah effisiensi detektor akan turun akibat

kebolehjadian foton gamma meloloskan diri daridetektor tanpa berinteraksi semakin besar.

2. Shaping time optimum untuk membentukphoto peak yang baik (simetris dan tidakterbentuk pulsa ekor) adalah 2 llS.

3. Resolusi detektor (FWHM) terkecil didapatkan6.41 keV pada seting shaping time 2 us,

CacahComptonCacahPhotoPerbandi

No.Comptonpeakngan

ChanalCacahrata-rataCo60cacah

1.

119 71

2.

176 34

3.

212 53481268

cacahcacah1: 26

4.

256 32

5.

308 50

dilakukan untuk mengetahui spektrum yangterbentuk, apakah didapatkan perbandingan cacahyang baik antara dataran Compton dengan puncakphoto yang dihasilkan oleh detektor. Dengan cara,sepanjang dataran Compton di cuplik 5 titik chana Ipengukuran dan di rerata hasilnya. Kemudianpuncak photo pad a Co 60 pada energy 1173.208keY diamati dan dicatat cacahnya dan dibandingkandengan hasil rerata puncak Compton. Seperti yangdisajikan pada tabel 4.Dari data yang diperoleh, adalah 1menurUukkan bahwa puncak photo dapatdengan baik, artinya tidak terpengaruhadanya dataran compton yang terbentuk.

8,00£-03

menunjukkan bahwa detector HpGe bekerjadibawah standar yang ditetapkan yaitu 1.8 keY,perlu dilakukan perawatn secara intensipmengenai pendingin detektornya, diharapkandapat memperbaiki resolusinya menjadi 1ebihkecil.

4. Tegangan operasi optimum pada tegangan 1600volt.

5. Didapatkan perbandingan Nisbah Peak ToCompton Ratio 1 : 26, artinya puncak photodapat diamati dengan baik

Dalam kesempatan ini penulismengucapkan terima kasih kepada Prof. Drs.Darsono, M.Sc. yang telah banyak membimbingdalam experimen maupun dalam penulisan maka1ahini. Semoga amal kebaikannya mendapat imbalandari Allah SWT

DAFTAR PUSTAKA

1. DARSONO, 2009, Telaah Teknik AnalisisAktivasi Neutron Gamma Serentak dan Potensi

Aplikasinya, Prosiding Seminar Nasiona1Analisis Aktivasi Neutron, Yogyakarta

2. SUSETYO, W. (1988). "Spektrometri Gammadan Penerapannya Dalam Analisis PengaktifanNeutron" ,. Gadjah Mada University Press.

3. GERHARD ERDTMANN, 1976, NeutronAvtivation Tables, Kernchemie in

Einzeldarstellungen, Vol 6, Verlag Chemie,New York.

Tanya Jawab

Nugroho L~ Bagaimana dapat dikatakan kondisi spektrometer

telah optimum sementara belum ditunjukkan datayang berhubungan dengan resolusi terutamakondisi optimum tegangan tinggi detektor ?

~ Apakah tegangan tinggi detektor tersebut sudahpaling optimum? Bagaimana dengan datanya?

Agus Tri P{> Dalam tabel 2. Telah disajikan data bahwa

pada tegangan operasi detektor 1600 voltresolusi detektor 12,48 keV dan cacah 12867adalah kondisi optimum.

Agus T~ Resolusi HpGe 6,41 keY (standart 1,8 keY)

terlalu besar, detektor sepertinya sudah tidaklayak digunakan atau perlu recycle tetapi padakesimpulan tidak disebutkan. Apa alasannya ?

Agus Tri P

UCAPAN TERIMA KASIH

1500

26,diamati

dengan

1000

_Jarak8Cm

__ Jarak5Cm

__ Jarak 6 Cm----------""'\ir-Jarak 7 Cm

Energi

500

1-··-··--··-·····-··

L .. . ._ ____ _.:__.._ _._,o

7,00£-03

6,00£-03iii5,00£-03c 41

~ 4,00£-033,00£-032,00£-031,00£-03O,OOE+00

Agus Tri PI dkk. ISSN 1410 - 8178 Buku II hal. 311

PRO SIDING SEMINARPENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR

Pusat Teknologl Akselerator dan Proses BahanYogyakarta, Rabu 11 September 2013

~ Dtektor HpGe ini Cuma satu satunya yangmasih dapat dipakai di BTAFN dari 3 detektorHpGe yang ada dan yang paling tua umurnyasehingga dengan reso/usi yang sudah tidak/ayak tetapi masih /ebih baik dari padadetektor Ni Tl.

~ Reso/usi masih dapat diperbaiki, mengingatdetektor sudah tidak dipakai da/am jangkalama sehingga pendinginan nitrogen cairbe/urn berfungsi dengan optima/

Subroto

~ Dilakukan kalibrasi efisiensi dengan variasi jarakjaug. data yang diperoleh digunakan untuk apa ?Agus Tri P~ Untuk memberi- acuan bahwa me/kukan

analisis be/urn tentu dengan jarak detektorsumber yang sarna tergantung aktivitas sumbersehingga diharapkan untuk mengakomodasikeper/uan analisis terse but.

~

batan

Buku II hal. 312 ISSN 1410 - 8178 Agus Tri P, dkk