Sensor Cahaya (I) Sumber cahaya Spektrum cahaya Geometri pengukuranRadiasi elektromagnetik Radiasi elektromagnetik dapat dibagi menjadi beberapa daerah Daerahdimanamatamanusiasensitifterhadapradiasi tersebutdisebutsebagai daerah cahaya tampak (400 nm to about 700 nm) Derah dengan panjang gelombang lebih pendek dari cahaya tampakadalah ultaviolet, sinar-x, dan sinar gamma Daerahdenganpanjanggelombangyanglebihpanjangadalahinfrared(700 nm to 1000 m) Daerahdenganpanjanggelombanglebihdari 1mmadalahgelombangradio Near Infra Red (NIR) pada rentang 700 nm to 1 mShort Wave Infra Red (SWIR) pada rentang 1-3 mMidWave Infra REd (MWIR) pada rentang 3-5 mLong Wave Infra Red (LWIR) pada rentang lebih dari 5 m Spektrum pada daerah infrared biasanya masih dibagi lagi menjadi subdaerah sebagai berikut: Dalam sembarang kasus dimana suatu benda hitam (blackbody)mengemisikan radiasi, maka distribusi spektrum radiasisebagai fungsi panjanggelombangdapat dinyatakandalampersamaanradiasi Planck, yaitu:dimanah : Planck's constant (6.626 x 10-34 Js),c : the speed of light (2.9979 x 108 m/s), : the wavelength (m)k : Boltzmann's constant (1.381 x 10-23 J/K)T : the absolute temperature in K( ) | | 1/ 5 21 2 =kT che hc W tSpektrumradiasi Emitansi spektrum radiasi, W merupakan daya radiasi yang dipancarkanoleh suatu sumber per satuan luas permukaan sumber persatuan panjanggelombang, dan memiliki satuan W/m2- m Emitansi spektrum radiasi untuk suatu benda hitam yang mengemisikanradiasi pada temperatur 20oC ditunjukkan pada berikutHukum Pergeseran Wien Jikasuatubendamengalami kenaikansuhu, makapertama-tamabendaakanmembaradanberwarnamerahlalupadatemperaturyangsangattinggi akan menjadi putih. Hal ini dapat disimpulkan bahwa puncak spektrum akan bergeser ke arahpanjang gelombang yang lebih pendek jika temperatur benda naik. Peristiwa pergeseran puncak spektrumini dinyatakan dalamhukumPergeseran WienK T = . dimanaK:tetapanpergeseranWien(2.8977685103 mK) : panjang gelombangpuncak spektrum (m)T: temperatur bendahitam(K)Hukum Stefan Boltzmann( )} =01/ 5 21 2 td e hc WkT ch4 43 24 5152T Th ckW ot= =Total daya yang diemisikan suatu target berupa benda hitamsempurnadidapatkandenganmengintegralkanpersamaandistribusi radiasi Planckuntukseluruh panjang gelombang, yaitu :Dimana W adalah emitansi radiasi dan memiliki satuan daya per satuan luas. Hasilpengintegralan adalah sebagai berikut:Persamaan W tersebut dikenal sebagai hukum Stefan-Boltzmann dimana adalahtetapan Stefan dengan nilai = 5,6697 10-8 W/m2-K-4 Persamaan Stefan-Boltzmann hanya bisa digunakan jika seluruh spektrumradiasi memberikan kontribusi pada emitansi radiasi Dalamkebanyakankasus, tidaksemuapanjanggelombangmemberikankontribusi karena adanya peristiwa absorbsi atau refleksi sebelumspektrum mencapai detektor. Contohklasikdari peristiwaini adalahabsorbsi spektruminfraredolehatmosfir bumi padarentangpanjanggelombang5-8 makibat adanyamolekul air Untuk mengantisipasi hal ini perlu dilakukan koreksi terhadap persamaanStefan-Boltzmanndenganmemasukkansuatufaktortransmisi spektrumyang sesuai.Emisivitas radiasi ()( ) ( ) | |1/ 5 21 2 =kT che hc W tc( ) ( )} =01/ 5 21 2 c td e hc WkT cheEmisi dari suatu benda biasa akan hampir sama dengan blackbody dan dapatdinyatakan dengan persamaan distribusi Planck setelah dikoreksi dengan faktoryang disebut sebagai emisivitas, Nilai tergantung pada panjang gelombangsehingga nilai emitansi spektrumradiasi, W dapat dinyatakan sebagaiDayatotal yangdiemisikanpermukaanuntukseluruhpanjanggelombang, WeadalahJika nilai dianggap konstan, maka dapat disubstitusi dengan avg dimana( ) ( )( )}}=01/ 5 201/ 5 21 21 2 t c tcd e hcd e hckT chkT chavgSehingga We akan menjadi( )} =01/ 5 21 2 c td e hc WkT chavg eGeometri Sumber Radiasi Hampir semua permukaan mengemisikanradiasi secara seragam pada ruang didepannya, dan permukaan seperti inidisebut sebagai Lambertian emitter. Dengan mengacu pada sifat Lambertianemitter yang uniform, maka fraksi intensitasradiasi yangdapat ditangkapolehaperturedapatdihitungdenganjalanmembagi solidangle aperture terhadap sudut ruang 2steradian. Sudut pandang detektor terhadap sumbertitik dengan demikian dapat dinyatakansebagait 2O dRadiasi Pantulan (Reflected Radiation) Radiasi yangterpancardari permukaansuatutargettidakhanyaberasaldari emisi target itusendiri, namunjugadapat berasal dari pantulanradiasi dari sumber lain yang jatuh pada target yang akan diamati Misalkantarget yangdiamati adalahsuatubendatidaktembuscahaya(opaque), makaradiasi yangjatuhdi permukaanbendatersebut akandipantulkan atau diserap dan tidak ada yang ditransmisikan Jika suatu target memantulkan spektrumpada panjang gelombangtertentu, maka spektrumyang lain akan diserap, sehingga terdapathubunganantaraabsorbsi danrefleksi padasuatupanjanggelombangtertentu Hubungan ini dapat dinyatakan sebagai( ) ( ) 1 = + r adimanaa() : spectral absorption coefficientr() : spectral reflection coefficient( ) ( ) c a =( ) ( ) 1 = + c rMisalkan target yang diamati memiliki temperatur T, dan berada padakesetimbangan termal dengan lingkungan, maka laju absorbsi akan sama denganlaju emisi, atauSehinggaRadiasi yangdipancardanradiasi yangdipantulkanolehtargetyangdiamatiakanmemiliki distribusi spektrumyangsamakarenadipancarkanolehbendayang memiliki temperatur yang samaPenjumlahan radiasi yang dipancarkan dan radiasi yang dipantulkan akan samadenganpolaradiasi bendahitam, sehinggaakanmemberikannilai emisivitassatu dan refleksitas nol.Kesimpulan : radiasi dalam suatu ruang tertutup dengan dinding-dinding yangmemiliki temperatur sama dengan temperatur suatu benda hitam akanmemiliki spektrumradiasi yang identikPengaruh Temperatur Pada NilaiEmisivitas Nilai emisivitas dan refleksitasselain tergantung pada panjanggelombang juga merupakanfungsi temperatur Pemahaman ini penting untukmengukur nilai reflektansi darisuatu permukaan yang dilapisidengan bahan antireflectioncoating(ARC) multilapis Pada saat temperatur naik, makaakan terjadi ekspansipanjang/ketebalan lapisan ARCsehinggaterjadi pergeserannilaireflektansi pada panjanggelombang targetReflektansi permukaan pada sel surya yang dilapisi denganSLAR (SiNx d = 67 nm) dan DLAR (MgF2/SiNx - d1 = 75 nmd2 = 72 nm) yang dihitung dengan perangkat lunak simulasiARC Calc 1.0.( ) ( ) 1 , , = + T r T c( ) ( ) ( ) | | ( )} } = =0 01/ 5 21/ 5 21 1 2 1 2 c t t d e hc d e r hc Wb bkT ch kT chrPersamaan emisivitas dan refleksitas dapat dituliskan kembali denganmemasukkan faktor temperatur sehingga menjadiObyekataupermukaanyangakandiukurradiansinyadisebutsebagai target.Target lain yang mengelilingi target disebut sebagai latar (background)Jika diasumsikan latar di sekeliling target memiliki temperatur seragam sebesarTb dan target jauh lebih kecil dimensinya dibandingkan latar, maka radiasi yangberasal dari latardanjatuhketargetakansamadenganradiasi bendahitamdengan temperatur TbRadiasi yang dipantulkan dari target dapat dinyatakan sebagaiRadiasi total yang dipancarkan dari target, Wtot, adalah jumlahan dari emisi danrefleksi pada permukaan target, atau :( ) ( ) ( ) | | ( )} } + = + =0 01/ 5 21/ 5 21 1 2 1 2 c t c t d e hc d e hc W W Wb tkT ch kT chr e totBagianradiasi emisi, Weakansama denganspektrum radiasi daritarget padatemperatur target, dan bagian radiasi refleksi, Wr akan sama dengan spektrumdari background pada temperatur backgroundRelasi Geometri Sumber Radiasi dan Detektor Relasi sumber terhadap detektor akan menentukan akurasi pengukuran radiasikarena menyangkut kemampuan permukaan suatu detektor untuk menangkap berkas radiasi Secara umum permukaan detektor berbentuk datar (planar) dan memiliki field of view (FOV) berupa geometri hemisphere (separuh bola). Geometri hemisphere dapat ditunjukkan pada gambar berikut Cahaya dalam ruang menempuh garis lurus sehingga radiasi yangdiemisikan oleh permukaan suatu target dengan kondisi muka aktifdetektor menghadap langsung ke muka target akan dapat ditangkap olehmuka detektor dan dideteksi Untuk detektor planar, maka radiasi dari target dapat dideteksi olehdetektor jika target tersebut berada dalam volume hemisphere di depandetektor sehingga semua sumber radiasi di belakang detektor tidak akanterdeteksi. Kondisi ini berlaku untuk pengukuran radiasi emisi Sebaliknyauntuk pengukuranradiasi refleksi, makatarget di belakangdetektor tetap harus diperhitungkanFaktor Geometri Lensa dan Detektor Untuk suatu target dengan tipe emisi atau refleksi bersifat diffused atauLambertian, makaintensitasradiasi tidakakantergantungpadaarahemisi ataurefleksi (bersifat seragam atau uniform) Padapengukuranemisi ataurefleksi dari suatutarget, kadangdijumpai kondisidimana terdapat perbedaan yang cukup besar antara permukaan target danpermukaandetektor, dimana permukaandetektor lebihkecil dari permukaantarget Untuk mengantisipasi hal ini maka radiasi yang keluar dari permukaan target dapatdifoukuskan terlebih dahulu dengan menggunakan lensa sebelum ditangkap olehpermukaan aktif detektor Detektordiletakkanpadasuaturuangtertutupuntukmencegahradiasidari latar memasuki permukaan aktif detektor Untuk memilihpanjanggelombangyangakandiukur radiasinyadapatdigunakan spectral pass band filter Lapisan di depan detektor harus bersifat transparan atau setidaknyasemitransparan terhadap spektrum yang hendak diukur Semuakomponendetektor harus beradapadatemperatur ambienTa,yang sama sehingga kondisi kesetimbangan termal dapat dipenuhiPemfokusan Berkas RadiasiBerkas radiasi dapat difokuskan dengan menggunakan lensa untukmengantisipasi perbedaan luas target dan luas permukaan aktif detektorLensadapat berukuransamaataulebihbesardari FOVtetapi tidakdapatlebih kecil untuk mencegah radiasi latar masuk ke dalam enclosure(penyungkup) detektorJika lensa yang digunakan adalah lensa tipis, maka hubungan jarak target kelensa (b), jarak permukaan aktif detektor ke lensa (a) dan fokus lensa (f) dapatdinyatakan sebagai :f b a1 1 1= +22detargabAAet t=22 bAFlt=Perbandingan permukaan target yang terfokus pada detektor (Atarget) terhadapluas permukaan aktif detektor (Adet) adalah :Jika radiasi tersebar uniformdi dalamvolumehemisphere di depantargetsebesar 2, makafraksi total radiasi yangdiemisikandandirefleksikandanberhasil ditangkapolehlensadengancross-sectional areaAl, sertadifokuskanmenuju permukaan aktif detektor planar dapat dinyatakan dalam F, dimanaPembilang pada persamaan F akan sama dengan daerah berwarna merah mudapada gambar berikut ini dan b menunjukkan jari-jari bola.Nilai Atargetbertambah dengan bertambahnya b2, sedangkan nilai F berkurangdengan naiknya b2.Keduafaktorini salingmenghilangkansatudenganyang lainsehinggajumlahradiasi yangmencapai permukaanaktifdetektortidaktergantungpadajaraktarget ke lensa (b)Transmitansi Spektrum Radiasi( ) ( ) ( )} =01/ 522arg1 cd e taA A hcPtkT ch d let t( ) | | ( ) ( )} +01/ 5221 1 cd e taA A hcbkT ch d lRadiasi yangakanmemasuki permukaanaktifdetektorharusmelewati lensa,filter panjang gelombang dan jendela detektor.Setiapkomponenini memiliki transmitansi spektral yangbervariasi terhadappanjang gelombangSetiap pengukuran radiasi dilakukan, aspek transmisi atau absorbsi perludiperhitungkan untuk mendapatkan data yang akuratDayaoptisyangdipancarkantarget danmencapai permukaanaktif detektordapat dinyatakan sebagai Ptarget, dimana:( ) ( )( )( ) w f lt t t t =Fungsi transmisi spektrum dapat dinyatakan sebagaidimanatl() : fungsi transmisi spektrum untuk lensatf() : fungsi transmisi spektrum untuk filtertw() : fungsi transmisi spektrum untuk jendela detektorJikaterdapat komponenlaindi antaralintasantarget danpermukaanaktifdetektor, makafungsi transmisi komponentersebut tinggal disisipkanpadapersamaan fungsi transisi spektrum( ) ( )} =01/ 5/22arg1 cd e taA A hcPttkT chT avgd let t( ) ( ) ( )} +01/ 5/221 1 cd e taA A hcbbkT chT avgd l( ) ( ) ( )( ) ( )}}=01/ 501/ 5/11 , ccd e td e t TtttkT chkT chtT angJikanilai emisivitas tergantungpadatemperatur permukaantarget, makapersamaanPtarget dapat dinyatakan kembali sebagai:( ) ( ) ( )( ) ( )}}=01/ 501/ 5/11 , ccd e td e t TbbbkT chkT chtT ang Jika nilai () dapat dianggap konstan pada rentang deteksi spektrum yangdiinginkan, maka faktor avg dapat dikeluarkan dari persamaan dan digantidengan suatu tetapan yang bernilai antara 0 sampai 1. Jikakasusyangterjadi tidakseperti ini, makanilai avguntukTbdanTttidakakansamakarenadibobot untukspektrumradiasi yangberbedasesuai dengan temperatur yang berhubungan dengan spektrum tersebut Sungkup detektor (enclosure) yang mengelilingi detektor akanmemancarkan radiasi yang harus dimasukkan dalam perhitungan Misalkan dinding sungkup, filter spektrum, dan rangkaian detektor beradapada ambien temperature Ta Jikaseluruhmaterial dianggapopaque(tidakmeneruskancahaya)padasemuapanjanggelombang, makadetektor akandikelilingi olehobyekdenganambientemperaturedanberperilakuseperti bendahitamyangmemancarkan radiasi pada ambien temperature tersebut. Untuk kasus ini maka daya optis dari radiasi yang jatuh di permukaan aktifdetektor dapat dinyatakan sebagai( )} =01/ 5 21 2 td e A hc PakT chd bb Jikarespondetektor tidaktergantungpadapanjanggelombang, makadaya optis dapat dihitung dengan persamaan Stefan-Boltzmann Untuk detektor yang cara kerjanya sangat dipengaruhi panjanggelombang, seperti detektor berbasis semikonduktor (photodiodes), makafaktor responsivity harus dimasukkan dalam mencari daya optis Filteryangdigunakanbiasanyahanyameneruskanradiasi padarentangpanjang gelombang yang sangat sempit Filter bersama-samdengan lensa dan jendela detektor akan berlakuseperti obyek yang tidak tembus cahaya (opaque) sehingga mereka akanmengemisikandanmemantulkanradiasi kecuali dalamrentangspectralpassband Padarentangspectral passbandmasihadaradiasi yangdiemisikandandipantulkan karena nilai transmisi tidak 100%.Koreksi untuk nilai Pbb dilakukan dengan mengurangi radiasi ambien yang tidakdiemisikan dan dipantulkanPersamaan Pbb yang telah dikoreksi akan menjadi( ) ( ) ttd e t A hc PakT chd corr1/05 2122|.|

\|=}Dimana adalah solid angle antara aperture dan detektor( ) ( ) ( ) tt t d e t A hc d e A hc Pa akT chdkT chd enclosure1/05 201/ 5 2122 1 2|.|

\| =} }( ) ( )}|.|

\| =01/ 5 2 4122 tt od e t A hc T A PakT chd a d enclosureenclosure et t totalP P P + =argRadiasi optis yang datang dari sungkup detektor menuju permukaan aktifdetektor dapat dinyatakan dalam persamaan berikutAtauDaya optis total yang jatuh dipermukaan aktif detektor merupakan jumlah dariPtargetdan PenclosureSensor Cahaya (II) Tipe detektor cahaya Prinsip kerja detektor cahayaDetektor optikDetektor optik terbagi menjadi dua tipe, yaitu:Thermal detector, termasuk dalam tipe ini adalah:ThermopilesPyroelectricBolometerQuantum detector, termasuk dalam tipe ini adalah:PhotoconductorPhotodiodeThermal detector Detektor optik tipe termal bekerja pada rentang daerah infrared Jikapanjanggelombanglebihpendekdari 1 m, makadetektortermalmenjadi kurang peka Bekerja dengan prinsip absorbsi radiasi termal sehingga temperaturdetektor akan naik atau turun selama proses menujukesetimbangantermal Temperatur detektor tidak akan berubah lagi jika energi yang diserap akansama dengan energi yang diradiasikan keluar Pada prinsipnya kesetimbangan termal yang terjadi bersifat dinamis,artinya proses emisi dan absorbsi terjadi secara terus-menurus dan padalaju yang konstan Berdasarkan prinsip kerja ini, maka detektor radiasi tipe termal biasanyadigabungkan dengan komponen yang dapat mengukur perubahantemperatur saat kesetimbangan berubah akibat absorbsi atau emisi radiasidari detektor( )2 2 4) / ( m A m W T watt P = o c( ) mW W m KK mWwatt P 49 , 5 10 49 , 5 10 . 5 ) 373 ( 10 67 , 5 13 2 6 44 28= = = ( )2 2 4) / ( m A m W T watt P = o c( ) mW W m KK mWwatt P 24 , 2 10 49 , 5 10 . 5 ) 298 ( 10 67 , 5 13 2 6 44 28= = = ( ) mW mW watt P 25 , 3 ) 24 , 2 49 , 5 ( = =Misalkan elemen sensor memiliki luas area aktif 5 mm2, dan absorbsi terjadi idealpada temperatur awal 25oC.Selanjutnya detektor diletakkan dalam ruang pelindung tertutup dengan dindingyang memiliki temperatur 100oC.Pada kondisi ini elemen sensor akan menerima radiasi dari dinding sebesar :Elemen sensor sendiri akan memancarkan radiasi sebesar :Sehingga radiasi total yang diserap elemen detektor adalahKomponen dasar detektor infrared Elemen sensor (sensing element) Struktur pendukung (supporting structure) Struktur pelindung (housing) Jendela (protective window)Elemen sensor (sensing element)Elemen yang peka terhadap radiasi elektromagnetik pada rentang panjanggelombang pengukuran (mulai cahaya tampak sampai Far Infra Red-tergantung pada rentang temperatur yang ingin diukur)Persyaratanutamadari elemensensor adalahresponsyangcepat dankuatpadarentangpanjanggelombangpengukuran, memiliki kestabilanselama pengukuranStruktur pendukung (supporting structure)Menyanggaelemensensor danmengarahkansensor kesumber radiasiyang ingin diukur (target)Struktur pelindung (housing)Melindungi elemen sensor dari pengaruh lingkunganTerpasang secara permanen dengan sensor dan biasa ditambahkan bahaninert seperti nitrogen atau argonJendela (protective window)Bersifat menahan pengaruh lingkugan agar tidak masuk ke detektor, danpada saat bersamaan harus bersifat transparan terhadap panjanggelombang yang ingin diukurBagian permukaan window dapat dilapisi bahan yang dapat meningkatkankemampuan memfilter panjang gelombang yang tidak diinginkan sekaligusmeningkatkan transparansi panjang gelombang yang ingin diukurDetektor Thermopiles Tergolong tipe Passive Infra Red (PIR) detector Digunakan untuk rentang Mid dan Far Infra Red Beroperasi berdasarkan prinsip kerja thermocouple Hanya dapat mengukur gradien temperatur diantara dua titik referensi Satu thermocouple memiliki sensitivitas sekitar 10 V/oC Untuk meningkatkan sensitivitas digunakan gabungan thermocouplesecara seri dan disebut sebagai thermopiles Satu rangkaian thermopiles dapat terdiri dari 50-100 sambunganthermocouple dan mampu meningkatkan kekuatan sinyal sebesar 50-100kali jika disambungkan secara tepatBeda potensial yang dihasilkan mengikuti efek Seebeck, yaitu:dxdxdTdVa ao = Efek Seebeck dimanfaatkan untuk mendesain termocouple Termocouple hanya dapat digunakan untuk mengukur beda temperatur diantara dua titik Untuk mengetahui temperatur benda, maka salah satu titik dihubungkandengan temperatur referensi Temperatur referensi yangdigunakanadalahes yangsedang mencair,yaitu sebesar 0oC Radiasi termal ditangkap oleh membran (jendela sensor), danmenyebabkan perubahan temperatur pada membran Membranbertindaksebagai hot junction, dantitikyanglainbertindaksebagai cold junction Jumlah junctiondapat berkisar dari 20 sampai beberapa ratus tergantungdesain yang diinginkan Bagian hot junction dapat dilapisi bahan absorber atau dicat hitam untukmeningkatkan absorbansi Perbedaan temperatur ini menyebabkan timbulnya beda potensialKondisi pengukuran terbaik dicapai jika detektor memiliki sifat-sifat berikut:Sambungandibuatdari bahan yang memiliki nilaikoefisientermoelektrik() yang tinggiTermal konduktivitas rendahResistivitas listrik rendahUmumnyabahandenganresistivitaslistrikrendahmemiliki nilai yangrendah juga, sebaliknya bahan dengan resistivitas listrik tinggi memiliki nilai yang tinggi juga.Untuk mengatasi hal ini biasanya digunakan material dengan nilai tinggi(misalnya Bi atau Sb) dan didoping dengan Se dan Te untuk meningkatkankonduktivitas.Proses doping ini dapat meningkatkan nilai sampai dengan 230 V/KSpesifikasi thermopile secara umumParameter Nilai Satuan Kondisi standarArea sensitif 0,5 - 2 mm2 -Responsivity 50 V/W 6-14 m, 500 kNoise 30 nV/Hz 25oC, rmsResistansi ekivalen 50 kKonstanta waktu 60 msTCR 0,15 %/KKoefisientemperaturresponsivity-0,2 %/KTemperatur operasi -20 sampai +80oCTemperaturpenyimpanan-40 sampai +100oC Saat ini penggunaan Bi dan Sb sebagai bahan thermopile banyak digantikanoleh silikon karena memiliki nilai yang tinggi Salah satu keunggulan thermopile semikonduktor adalah kemudahan untukmengubah nilai koefisien termoelektrik dan resistivitas melalui prosesdopingDevice SEM micrograph (1x1 mm2)Device LayoutPyroelectric detector Beberapa tipe kristal tertentu akan menunjukkan sifat pyroelectric, yaitutimbulnya beda potensial karena ekspansi termal Padaprinsipnyasifat piezoelectricdanpyroelectrichampir sama, yangmembedakanadalahasal dari stressmekanikyangtimbul padakristalbahan Pada piezoelectric process, stress mekanik timbul dari gaya luar sedangkanpada pyroelectric stress mekanik timbul karena ekspansi termalPyroelectric effectPiezoelectric effect Terdapat bahan-bahan dengan struktur kristal tertentu yang dapatmenunjukkan efek piezoelectric dan pyroelectric Jika bahan dipanaskan atau didinginkan maka akan terjadi regangan padabahan Regangan ini akan mempengaruhi momen dipole bahan sehinggamengarah ke arah tertentu Efek total yang dihasilkan adalah munculnya aliran arus Padaproses deteksi radiasi termal, makadayaradiasi akandikonversimenjadi efek termal yang akan memunculkan efek pyroelectricStruktur dasar pyroelectric detectorStruktur dasar pyroelectric detector terdiri dari 3 komponen utama yaitu Lapisan absorber yang berwarna hitam Dua keping elektroda Matrial pyroelectricBolometer Merupakandetektorinfraredyangpertamakali dibuat(1878, SamuelPierpont Langley, USA) Pada prinsipnya merupakan bahan resistor yang peka terhadap perubahantemperatur Saat terjadi perubahan temperatur, maka resistansi akan berubah Perubahan resistansi ini dapat diukur dengan mengalirkan arus padaresistor dan mengukur beda potensialnyaSpiderweb bolometer for measurements of the cosmic microwave background radiation Struktur dasar bolometerTerdiri dari : Bahan absorber Material referensi Resistive thermometerBahan absorber akan menyerap radiasi yang datang dan mengkonversimenjadi perubahan temperaturMaterial referensi akan mempertahankan temperatur bolometer di atas suatutemperatur referensi( )21 4 t ec o|+=E ZTv( )RdTdR= oGC= tTZRET T T420 = = A) 1 (0T R R A + = oJika pengukuran resistansi bolometer dilakukan dengan tegangan bias sebesar E,maka sensitivitas pengukuran, v dapat dinyatakan sebagaidimana adalah temperature coefficient of resistance (TCR) bolometer, adalahemisivitas permukaan, ZT adalah thermal resistance bolometer, adalah thermaltime constant, dan adalah frekuensiPerubahan temperatur pada bolometer, T adalahResistansi bolometer, R adalahC: heat capacity, G: thermal conductanceMicrobolometer Microbolometer menggunakanbahansemikonduktor untuk komponenabsorbernya Keunggulan material semikonduktor tidak memerlukan pendinginanekstrem untuk membuang residu termal pada bahan absorber Dapat digunakan untuk membentuk citra obyek yang memancarkanradiasi infrared pada rentang 7.5-14 mMicrobolometer dengan jumlah pixel 100 buahStruktur dasar microbolometer Microbolometer terdiri dari kelompok-kelompok pixel Material dasar untuk setiap pixel dibuat dari semikonduktor silikon Bahan absorber mampu menyerap radiasi IR pada rentang 7.5-14 m yangdapat menembus penghalang seperti asap, kabut, debu, uap air Ukurannya kecil dan ringan Dibuatdenganteknologi yangkompatibel denganteknologi CMOSatauMEMSContoh desain microbolometerSingle pixel diode type n-well microbolometerResistor type n-well microbolometer from 16x16 arrayDiode type n-well detectors from 128x128 array Sensor Radiasi (I) Pengertian radiasi Jenis radiasi Interaksi radiasi dan materi Dasar dasar deteksi dan pengukuran radiasiPengertian radiasi : Radiasi merupakan mode transfer energi dari satu titikmenujutitik laindalam ruang dimanadalamprosestransfertersebut tidak dibutuhkan materi sebagai mediumpenghantar. Berdasarkan definisi ini dapat disimpulkan bahwa prosesradiasi dapat berlangsung di ruang hampaJenis radiasi dapat dibagi berdasarkan: Rentang energi (termal, energi tinggi) Partikel pembawaenergi (fonon, foton, partikel bermuatandan tak bermuatan)Jenis radiasi berdasarkan rentang energinya Radiasi termal (pada rentang beberapa eV sampai ratusan eV) Radiasi energi tinggi (minimal pada orde keV) Ingat : 1 eV = 1,6 10-19JRadiasi termal (infrared) matahari Jenis radiasi berdasarkan partikel pembawa energi: Radiasi termal partikel pembawa energi adalah fonon Radiasi elektromagnetik partikel pembawa energi foton Radiasi partikel energi tinggi partikel pembawa energidapat bermuatan(elektron, proton, sinar alfa) ataudapatberupa partikel tak bermuatan (netron)Efek Cherenkov (elektron cepat) pada reaktor riset Secara umum, terminologi radiasi mengacu pada jenisradiasi nontermal,yaituradiasi elektromagnetikdanradiasipartikel Untuk radiasi elektromagnetik, pembahasan pada bab iniakanmengacupadaradiasi sinar-Xdanradiasi gamma.Tiperadiasi elektromagnetikyanglainakandibahas padatopiktentang sensor cahaya. Radiasi dalampengertiansempitmerujukpadaenergi yangdibawa oleh partikel tak bermuatan (foton, netron) ataupartikel bermuatan (proton, elektron, partikel alfa, beta). Energi ini dapat dihasilkan sebagai produk dari gejalaradioaktivitas (peluruhan inti atom) misalnya pada radiasi alfa,beta, dan gamma ataupun sebagai efek dari gejala deeksitasiatom, misalnya pada pembentukan sinar-X karakteristikataupun sinar-X bremmstrahlung.Berdasarkan asalnya, radiasi dapat dihasilkan karena: Proses alam Proses buatanRadiasi alam: Radiasi bumi (terresterial) Radiasi luar angkasa (cosmic)Jejak radiasi partikel kosmis di dalam bubble chamberRadiasi buatan Radiasi dari produksi bahanradioaktif (bahanbakar reaktor nuklir, bahanbakar bekas, radiofarmaka) Radiasi dari akselerator (pesawat sinar-x, linac, cyclotron, synchrotron)Thorium fuel rod Linear accelerator untuk radiotherapy Pada prinsipnya, selama manusia hidup tidak akan lepas dari radiasi dalamtubuh manusia terdapat zat radioaktif alam(14C,40K) Jenis radiasi Energi radiasi AktivitasProses sensingataupenangkapangejala/fenomenaradiasiakan menghasilkan informasi tentangProses penangkapan gejala radiasi Diagram alir proses penangkapan gejala radiasi dapatditunjukkan pada diagram blok berikut iniFenomena radiasiDetektor radiasiInformasiKomponen pengolah informasiKomponen pendukung operasi detektor Fenomena radiasi merupakan gejala yang ingin diketahuiperilakunya. Fenomena yang ingin diketahui dapat berupa : Jenis radiasi Energi radiasi Aktivitas Paparan radiasiDetektor radiasi Detektor radiasi merupakansuatu sensor untukmenangkapfenomenaradiasi. Pemilihandetektor radiasi ditentukanolehjenis fenomena yangingindiketahui informasinya. Prinsipdasaroperasi detektorradiasi dapatdiperlihatkanpadadiagramblok berikut ini.Radiasi Detektor radiasiKonversi energi radiasi menjadi pulsa listrikInteraksi radiasi dan material detektorJenis detektor dapat dibedakan berdasarkan Material detektor Aplikasi detektorBerdasarkanmaterial penyusundetektor, makadetektordapatdibagi menjadi Detektor isian gas ( Geiger Muller-GM, Proportional Counter-PC, Ionization Chamber-IC ) Detektor zat padat ( NaI(Tl), Si-Li, Ge-Li, HP-Ge) Detektor zat cair (liquid scintillator)Berdasarkan aplikasinya: Detektor untuk pengukuran aktivitas (semua jenis detektor) Detektor untuk pengukuran energi /spektroskopi (semua jenisdetektor kecuali GM)Detektor semikonduktor Tabung GMLiquid scintillatorVial liquid scintillatorKristal ScintillatorKristal Scintillator dalam wadahKomponen pendukung operasi detektor Komponenpendukungoperasi detektor merupakanbagiandari perangkat deteksi dan pengukuran radiasi yang berfungsiuntukmembantukerjadetektorataumemperbaiki keluarandari detektor. Termasuk dalam kelompok ini adalah: Supply tegangan tinggi Preamplifier Amplifier Timer CounterDetektor GM dan seperangkat komponen pendukungnyaDetektor NaI(Tl) dan seperangkat komponen pendukungnyaDetektor liquid scintillator dan seperangkat komponen pendukungnyaDetektor Ge-Li dan seperangkat komponen pendukungnyaKomponen pengolah informasi Komponen pengolah informasimerupakanbagiandari sistemdeteksidan pengukuran radiasi yangmenterjemahkan informasi daridetektor sehingga menjadi data yangdapat diakses dan diinterpretasikan. Termasuk dalam bagian ini adalah MultiChannel Analyzer (MCA) Informasi yang dapat diketahui adalah:AktivitasEnergi radiasiPaparan radiasiMulti Channel Analyzer (MCA)Tampilan Software pengolah data dari MCAPerbandingan skema peluruhan dan tampilan hasil pengukuran spektrum energi radiasi dan aktivitas radioisotop 60Co dengan menggunakan detektor NaI(Tl)Skema peluruhan60C0 Hasil pengukuran spektrum energi radiasi 60CoInteraksi radiasi dan materi detektor Prinsipdasar deteksi suatu radiasi adalahinteraksi yang terjadi antararadiasi dan material detektor. Padaproses interaksi ini, di dalamdetektor radiasi akanterjadi hal-halsebagai berikut:Transferenergi dari partikel pembawaenergi radiasi menujumaterialdetektorIonisasi material detektorPengumpulan/penggandaan muatanPengkonversian muatan sebagai arus dan tegangan listrikPembacaan nilai besaran dan penampilan nilai besaran yang ingindiukur Transfer energi dari partikel pembawa energi radiasi menuju materialdetektor akan dipengaruhi oleh hal-hal berikut ini:Jenis partikel radiasiEnergi partikel radiasiMaterial detektor Jenis partikel radiasi terbagi atasPartikel tak bermassa dan tak bermuatan (foton)Partikel bermassa dan bermuatan (partikel alpha, beta, elektron cepat)Partikel bermassa dan tak bermuatan (netron)Interaksi material dengan foton Foton dapat berasal dari radiasi gamma atau sinar-X Terdapat tiga interaksi utama yang mungkin terjadi antara fotondan material detektor Efek fotolistrik Efek Compton Efek produksi pasanganEfek fotolistrik Foton denganenergi Emenabrakelektronatommateri danelektrontersebut lepas. Seluruh energi foton diberikan pada elektron bahan tersebut. Setelah lepas elektron tersebut bergerak dengan energi kinetik Ke,dimana:Ke = E - W0W0 : fungsi kerja bahanEfek Compton Sinar menabrak elektron bebas atau elektron yang terikat sangat lemahdalam atom materi. Sebagian E diberikan kepada elektron sedangkan foton gammaterhambur, E-nya berkurang dan arahnya berubah. Setelah terhambur energi elektron recoil E adalah:' E E Ee + =( )(((((

+ =ucos 1 11120c mEE Eeu adalah sudut hamburan sinar (0-180o), m0 adalah massa diam elektron.Produksi pasangan Bila dengan E > 1,022 MeV bergerak dekat inti berat maka foton gammatsb bisa berubah menjadi elektron dan positron. Berubahnya tenagamenjadi materi disebut materialisasi. Positrontidakstabil, setelahtenaganyahampir habispositrontersebutbergabung dengan elektron menjadi 2 foton gamma yang arahnyaberlawanan dan tenaganya masing-masing 0,511 MeV. Peristiwa inidisebut anihilasi.Probabilitas Interaksi Total Di dalamsuatumaterial probabilitasuntukterjadinyaketigainteraksi diatasakantergantungkepadabesar energi fotondannomor atomdarimaterial detektor. Grafik pada gambar berikut ini menunjukkan probabilitas terjadinya ketigaefek di atas berdasarkan energi dan nomor atom materialnya. Secara teoritis, ketiga jenis interaksi diatas dapat muncul bersamaan,namun mengingat bahwa efek produksi pasangan hanya mungkin terjadiuntukfotondenganenergi minimal, 1,022MeV, makasebagianbesarspektrumhanyaakanmengandung polainteraksi akibatefekfotolistrikdan efek ComptonSpektrum hasil pengukuran energi137Cs Spektrum teoritis137Cs Atenuasi foton oleh materi Saat foton ( radiasi gamma atau sinar-X) melalui suatu materi, maka intensitasnya awalnya, I0 akan berkurang menjadi It yang sebanding dengan ketebalan bahan, atau dapat dinyatakan sebagai:It = I0 e-tdimana adalah koefisien atenuasi linear, dan t adalah ketebalan bahan. Koefisien Atenuasi Linear Koefisien atenuasi linear tergantung pada proses fotolistrik, hamburan Compton danproduksi pasangan yang ditimbulkan oleh foton ketika melewati bahan, dan dapat dinyatakanbahwa : = t + o + kdimanat : koefisien probabilitas timbulnya efek fotolistriko : koefisien probabilitas timbulnya hamburan Comptonk : koefisien probabilitas timbulnya efek produksi pasangan Untuk menyatakan nilai dapat pula digunakan nilai lapisan tebal paro (Half Value Layer HVL), dimana HVL didefinisikan sebagai ketebalan bahan yang dapat mereduksi nilaiintensitas radiasi sehingga berkurang dari separuh nilai semula. Saat benda memilikiketebalan sebesar HVL, maka akan tercapaiIt = I0 Kondisi ini akan tercapai jikaHVL693 , 0= Beberapa Aplikasi Konsep Atenuasi Foton Gamma oleh BahanPengukuran ketebalan bahan Pengukuran level permukaan fluida Penentuan cacat / retakan pipaThyrroid gland scanning Beberapa Aplikasi Konsep Atenuasi Foton Sinar-X oleh BahanFoto dengan sinar-X pertama di dunia (Mrs. Roentgents hand)Foto angiography pembuluh darah tanganFoto saluran pencernaan memanfaatkan barium enemaFoto fluoroscopy saluran pencernaan memanfaatkan barium enemaPesawat sinar-x dari masa ke masaMadame Curie dan mobile x-ray machine pertama Petite Curie (mobil menggunakan Renault)Modern mobile X-ray machine (2004) First commercial x-ray machine (General Electric-1896)Fluoroscopy UnitInteraksi netron dengan materi Netronmerupakanradiasi partikel dengansifatyangkhaskarenadalaminteraksinya dengan suatu materi dapat menimbulkanefek radioaktivitasimbas (induced radioactivity). Berdasarkan energinya, neutron dan dibagi menjadiNeutron termalNeutron epitermalNeutron cepat Sifat netron yang dapat menimbulkan radioaktivitas imbas digunakansebagai dasar untuk mengukur fluks netron. Interaksi netron dengan material dapat terjadi dalam bentuk Hamburan (hamburan elastik, inelastik) Tangkapan Resonansi Reaksi FisiProbabilitas Interaksi Netron dan Materi Probabilitas terjadinya interaksi dinyatakan dalam tampang lintangmikrospik : tampang lintang mikroskopik (barn)1 barn : 10-24 cm2 =10-28 m2 Untuk setiap jenis interaksi, maka akan terdapat nilai . Nilai akan berbanding terbalik terhadap energi netron atauE1 o Untuk suatu bahan dengan densitas massa kg/m3 dan massa atom relatifBAmol/gram, makadapatdicari tampanglintang makroskopikatau sebagai berikut :Ni io = Ei: jenis tampang lintang untuk interaksi tipe i (barn)N : densitas atom (# atom/cm3)ANBAN=ttotale I t IE =0) ( + E + E = Ecapture scattering totalDensitas atom dapat dihitung berdasarkan persamaan:Dengan NA adalah bilangan AvogadroPerubahan flux netron yang melintasi suatu bahan dapat dinyatakan sebagai :I0: fluks netron mula-mulaIt: fluks netron setelah menembus materialt : ketebalan materialAplikasi Hamburan Netron Untuk Pengamatan Difusi Air Pada Media TanahJangkauan Radiasi (Range) Jangkauan radiasi menunjukkan jarak maksimal yang mungkin dicapai olehsuatu jenis radiasi di dalam material. Nilai range ini bermanfaat untuk menentukan ketebalan/geometri efektifdari suatu detektor sehingga menghasilkan efisiensi pengukuran aktivitasradiasi secara maksimal Nilai range (R) akan tergantung pada:Jenis radiasiEnergi radiasiNomor atom bahanMassa jenis bahan Idealnya, material detektor radiasi diharapkan akan menghasilkan R yangkecil agar geometri detektor dapat dibuat sekecil mungkin. Namunpada kenyataannya, suatumaterial hanya akanmenghasilkankinerjaterbaikuntuksuatujenis radiasi atauuntukpengukuransuatubesaran tertentu. Alasan inilah yang mendorong banyaknya tipe-tipematerial penyusun detektor radiasi. Radiasi dengan nilai R besar menunjukkan bahwa radiasi tersebut memiliki daya tembus yangbesar didalammaterial. Dari ilustrasi padagambar terlihat bahwaradiasi alfamemiliki dayatembusterkecil danradiasi gammamemiliki dayatembusterbesar. Hal ini menghasilkankonsekuensi sebagaiberikut : Radiasi alfa lebih mudah ditahan oleh material, sehingga untuk mengukur aktivitas dan energialfa tidak dibutuhkan geometri detektor yang besar. Namun prosedur pengukuran radiasi alfamenjadi lebihrumitkarenaterdapatkemungkinanradiasi alfahabisdiserapolehmaterialdisekeliling detektor sebelum masuk ke dalam detektor Radiasi gamma paling mudah menembus bahan, sehingga memiliki range yang sangat besardidalam material. Untuk mengukur aktivitas radiasi gamma diperlukan suatu detektor dengangeometri yangbesaragarterdapatcukupinteraksi antarafotondanatombahansebelumfoton meninggalkan detektor.Daya tembus radiasiDaya ionisasi radiasi Sifat ionisasi berkebalikan dengan sifatdaya tembus. Radiasi alfa memiliki daya ionisasi terbesardanradiasi gammamenghasilkanionisasiterkecil. Partikel denganenergi yangsamadenganpartikel gammaakanmengasilkanion-ionlebih banyak didalam material karenaenergi yangterdeposisi untuktiapsatuanpanjang lintasan lebih karena karenapartikel alfa menempuh lintasan yang jauhlebih pendek. Energi yang terdeposisi per satuan panjanglintasan ini disebut sebagai linear stoppingpower (LET) yang diukur dari awal partikelmemasuki materi sampai denganpartikeltersebut kehilangan seluruh energinya.Lintasan ionisasi radiasi alphaLintasan ionisasi radiasi betaLintasan ionisasi radiasi gammaSensor Radiasi (II) Jenis Detektor radiasi Karakter Operasi Detektor RadiasiDetektor Isian Gas Detektor isiangas merupakandetektor radiasi yangmenggunakangassebagai medium interaksi dengan radiasi Merupakan detektor dengan konstruksi yang paling sederhana Struktur dasar terdiri dariTabung penyungkup gasMembran permukaan (window area)ElektrodaGas isian Berdasarkan rentang daerah operasinya, detektor isian terdiri dari 3 jenisyaitu:Ionization chamberProportional counterGeiger MullerPembagian daerah operasi detektor berdasarkan tegangan kerjaIonization Chamber (IC) Merupakan detektor tertua yang pernah dibuat Partikel yang menembus jendela detektor akan mengionisasi gas di dalam tabung detektor jika energinya lebih besar dari energi ionisasi gas (sekitar 10 20 eV). Terdapat kemungkinan energi yang ditransfer kepada gas tidak menimbulkan ionisasi dan hanya meningkatkan energi atom gas saja Untuk menilai keefektifan proses ionisasi digunakan besaran W, yang menunjukkan jumlah energi radiasi rerata yang hilang untuk membentuk sepasang ion. Nilai W ini ditentukan oleh jenis gas, tipe radiasi, dan besar energi radiasi sebagaimana ditunjukkan pada tabel berikut iniGas W (eV/pasangan ion)Elektron Cepat Partikel alfaAr 27,0 25,9He 32,5 31,7N235,8 36,0Udara 35,0 35,2CH430,2 29,2 Jika terdapat suatu medan listrik yang timbul diantara dua elektroda makaakan terdapat aliran pembawa muatan negatif dan positif menuju ke arahkutub yang berlawanan (drift process). Aliranpembawamuatanini akanmenghasilkanarus listrik yangakandikumpulkan di elektroda. Lajupembentukanion-ionakanterjadi secarakonstan, danjikavolumegascukupkecil, makalajupembentukanion-ionakansebadingdenganlaju kehilangan ion-ion karena peristiwa rekombinasi, difusi, ataupunmigrasi keluar dari detektor. Jikalajurekombinasi dapat diabaikan, makapasanganionyangdapatdikumpulkanolehelektrodaakanmenjadi ajeg(steadystate), danakanmenjadi ukuran akurat dari laju pembentukan pasangan ion.Skema ionization chamber dan karakteristik output-nya dapat ditunjukkan pada gambar berikutini Padagambarnampakbuahbuahelektrodayangterhubungpadasuatusumberteganganeksternal, E untuk memberikan beda potensial. Pada kondisi ideal, jika tidak terjadi ionisasi, maka tidak akan ada arus yang terdeteksi Radiasi yang datang akan menimbulkan ionisasi sehingga terbentuk ion positif dan negatif. Pada tegangan E yang rendah, maka daya tarik elektroda akan lemah sehingga ion-ion yangberhasil dikumpulkan elektroda sangat sedikit dan sebagian besar mengalami rekombinasi Dengan semakin meningkatnya nilai tegangan E, maka jumlah ion yang berhasil dikumpulkanelektroda akan meningkat, sehingga arus yang terbaca oleh alat ukur akan meningkat Pada suatu saat akan tercapai kondisi saturasi untuk arus dimana terdapat suatu tegangan Esyang menyebabkan semua ion dapat dikumpulkan sehingga proses rekombinasi secara praktisdapat diabaikan Jika tegangan dinaikkan lagi lebih besar dari nilai Es, maka tidak akan terjadi perubahan padabesar arus yang terbaca oleh alat ukurProportional Counter /Chamber (PC) Detektortipeproportional counterbekerjadenganprinsippenggandaanmuatan melalui proses tumbukan beruntun (avalanche) Akibat adanyaprosespenggandaanmuatanini, makapulsa/aruslistrikyang dihasilkan oleh detektor menjadi cukup kuat Detektor ini dimanfaatkan untuk mendeteksi dan mengukur aktivitas sertaenergi radiasi rendah, misalnya pada spektroskopi sinar-X energi rendah Untukmembangkitkanprosesavalancheelektronawal yangterbentuk,maka dibutuhkan medan listrik yang besar di antara dua elektrodasehingga tegangan luar yang dibutuhkan juga besar (sekitar 1000 2000volt) Untuk gas isian pada tekanan atmosferik, maka besar medan listrikminimal yang dibutuhkan sebesar 106 V/m Dengan adanya proses avalanche maka akan terbentuk elektron sekunderdalam jumlah besar sehingga menghasilkan laju cacah pulsa yang tinggi Proses avalanche akan terhenti jika elektron telah mencapai anoda Besar muatan yang terbentuk akan sebanding dengan tegangan eksternalyang digunakan, karena itu detektor ini disebut sebagai proportionalcounterKonstruksi Detektor PC Gas-sealed tube PC Gas-flow tube PCBerdasarkan konstruksinya, maka terdapat dua jenis detektor PC yaitu :Gas-flow tube PCMasing-masing tipe memiliki kelebihan dan kekurangannya masing-masing. Pemilihantipe selalu ditentukan oleh jenis sumber radiasi dan jenis besaran yang akan diukur.Tabel berikut menunjukkan perbandingan sifat kedua tipe detektor PCFeatures Gas-sealed tube Gas-flow tubeJumlah gas berkurang terhadapwaktukonstanPengisian ulang tidak yaUkuran jendela tebal tipisPermeabilitas jendela rendah tinggiAbsorpsi radiasi oleh jendelabanyak sedikitAplikasi pengukuran energi tinggi(unsur berat)pengukuran energi rendah(unsur ringan : Be-Na)Jendela Detektor Jendela detektor merupakan faktor yang sangat penting di dalam menghasilkan pengukuranyang akurat. Pada dasarnya jenis material apapun yang dipilih untuk jendela detektor tetap akanmengurangi sebagian energi yang diukur melalui mekanisme absorbsi. Misalnya bahan Mylar(polyethylenetetrapthalate) setebal 5.5mmakanmengabsorbsi sinar-xkarakteristikdarisumber-sumber berikut sebesar 50% Al-Ka, 70% Mg-Ka, 85% Na-Ka dan 98% F-Ka.Polypropylene mengabsorbsi sekitar 60% lebih rendah dari Mylar dan digunakan secara rutinuntuk jendela detector pada proses deteksi unsur-unsur ringan. Untukmenghindari sinar-Xyangtimbul dari material detektoritusendiri, makadibagianbelakang detektor dipasang dinding berylium (Be) setebal 25 mm untuk untuk mengantisipasikondisi saatmendeteksi sinar-Xberenergi tinggi sehinggasinar-Xtersebutdapatlangsungdilewatkan keluar.X-ray absorption properties of various materials used as window membranes for gas proportional counters as a function of energy.Elements indicate wavelengths of Ka lines (after Potts 1987) Gas Pengisi Detektor Gas pengisi detektor berupa gas tunggal (Ar) atau gas campuran (Ar+10%metana) Tidakbersifat reaktif sehinggamerubahsifat elektrodadansensitivitasdetektor Memiliki umur hidup yang panjang Tidak menghasilkan ion yang bersifat reaktifGas yang digunakan sebagai pengisi detektor memiliki karakter sebagai berikutDetektor Geiger-Mueller (GM) Salah satu detektor tertua, didesain oleh Hans Geiger dan diproduksi secara masal olehWalther Mueller pada 1928. Sederhana, biaya rendah, dan operasinya mudah, jadi terus digunakan sampai sekarang. GM: pencacah sederhana, tidak dapat untuk spektroskopi karena seluruh pulsatingginya sama. Gas yang banyak digunakan: Ar dan He Digunakan untuk gross |-. Kekurangan lain : waktu mati besar terbatas untuk laju cacah yang rendah. Koreksiharus digunakan untuk cacah yang lebih tinggi (beberapa ratus pulsa/sekon). BeberapatabungGeiger jugamempunyai waktuhidupyangterbatas, danakangagal setelahsejumlah cacah tertentu direkamKonstruksi Detektor GM Pelindung jendela: melindungi jendela detektor dari kerusakan Jendela detektor : terbuat dari lapisan tipis yang mudah ditembus radiasidan memiliki permeabilitas rendah Tabung gas : sebagai wadah gas dan dindingnya bertindak sebagai katoda Elektroda: terdiri dari anodayangberbentukkawat dankatodayangberupa dinding tabung Rangkaian elektronik pembentuk pulsa listrikDetektor GM mempunyai konstruksi yang sederhana terdiri dari :Mekanisme pembentukan pulsa listrik Radiasi yang datang akan menembus membran tipis yang bertindaksebagai jendela detektor (Gambar a dan b) Saat radiasi berhasil menembus jendela detektor, maka akan berinteraksidengan detektor untuk membentuk ion positif dan on negatif Ion positif akan menuju ke dinding detektor (katoda) sedangkan ionnegatif akan berkumpul di ujung kawat anoda (Gambar c) Bedapotensial di antarakatodadananodaakanmenyebabkanelektronmendapatkantambahanenergi sehingga mampumenimbulkanprosesionisasi tambahan Pada beda potensial yang tinggi, maka ionisasi tambahan ini sangat besarjumlahnya dan dapat mencapai 109 sampai 1010 pasangan ion. Amplitudo pulsa output juga besar (dalam orde volt) sehingga tidak perlupre-Amp. Pembentukanpasanganionionterhenti saatelektronmencapai anoda,dan gas mengalami proses pendinginan (quenching) Pulsa akanterbaca sebagai cacahpersatuanwaktuataupaparanpersatuan waktu tergantung pada kalibrasi skala pembacaan detektorSkema Mekanisme pembentukan pulsa listrikDetecting Radiation 12Looking closer, we can see the interior chamber where the interaction will occur. Karakter utama operasi detektor GM (I) Daerahplateaumerupakandaerahoperasi ideal detektorGM. Padadaerahinikenaikan tegangan operasi tidak mempengaruhi nilai cacah yang dihasilkansehingga dikatakan bahwa detektor beroprasi secara stabil. Daerahplateaumerupakandaerahoperasi ideal detektorGM. Padadaerahinikenaikan tegangan operasi tidak memperngaruhi nilai cacah yang dihasilkansehingga dikatakan bahwa detektor beroperasi secara stabil. Tegangan operasi optimum akan berada di tengah plateau, yaitu sekitar 150 V -200V diatas titik knee dari kurva.Daerah plateauKarakter utama operasi detektor GM (II) Untuk menentukan kualitas detektor GM, maka kurva tegangan operasi dapat digunakan untuk mencari nilai slope, S dari plateau. Slope didefinisikan sebagai persentase perubahan laju cacah setiap kenaikan tegangan sebesar 100 V di daerah plateau Nilai slope yang baik seharusnya lebih rendah dari 10% dan akan menghasilkan pengukuran yang akurat Slope dapat dihitung dengan persamaan:Slope( )( )( )( )1 2 1 241 210 2V 100 / %V V R RR RS + =Karakter utama operasi detektor GM (III) Waktumati timbul saatdetektortidakdapatmembentukpulsakarenasedang mengolah informasi yang datang lebih awal. Jika radiasi membentuk pasangan ion pada saat berinteraksi dengan gas didalamdetektor, maka pasangan ion tersebut akan memicu prosespembangkitan pulsa. Saat pembangkitan pulsa terjadi, maka detektor menjadi tidak sensitif danradiasi yang masuk tidak tercatat. Peristiwa ini akan menyebabkanhilangnya sebagian informasi karena tidak tercatat oleh detektor. Waktu mati memiliki efek lebih signifikan untuk sumber dengan aktivitastinggi dibandingkan dengan sumber aktivitas rendahWaktu mati (dead time)Detektor tipe pendaran (Scintillation Counter) Detektor ini berfungsi mengubah radiasi foton gamma atau x-ray menjadicahaya tampak melalui proses eksitasi-deeksitasi pada material scintillator Cahayatampakyangdihasilkanolehdeeksitasi elektronpadamaterialscintillator akan diserap oleh suatu photocathode Photocathode akan menghasilkan elektron primer melalui efek fotolistrik Elektronprimerakanmengalami percepatandalam photomultipliertube(PMT) Elektronprimer yangdipercepat ini ketikamenumbukelektrodadalamPMT (dynode) akan menghasilkan elektron sekunder Agar efek penggandaan ini terjadi, maka potensial dynode pertama haruslebih rendah dari dynode selanjutnya, sehingga antara ujung dynode awaldenganpotensial terendahdandynodeakhirdenganpotensial tertinggibiasanya akan terdapat beda potensial beberapa ratus volt.Prinsip dasar scintillation counterProses Interaksi radiasi dan scintillatorSyarat material untuk scintillator Mampumengkonversi fotongamma ataux-ray menjadi fotoncahayatampak Memiliki respon yang cepat dalam mengkonversi energi Memiliki yield (perbandingan foton cahaya tampak yang dihasilkanterhadap foton gamma atau x-ray yang diserap) yang tinggi Memiliki resolusi energi yang rendahSyarat PMT Memiliki gain yang bersifat linear Memiliki efisiensi yang tinggi dan bersifat linear terhadap beda potensialantar dynode Memiliki ketahananyangbaikterhadaptumbukanelektronbereenergitinggiGain total suatu PMT, dinyatakan sebagai G, dimanaG = Ndimana adalahfraksi elektronyangberhasil mencapai ujungPMTdan adalah efisiensi material dynode, N adalah jumlah dynode.Resolusi energi Resolusi energi merupakan kemampuan suatu detektor untukmembedakan dua energi yang berineteraksi bersamaan di dalam detektor Resolusi energi merupakanfaktorpentingdi dalamspektroskopi radiasi(pengukuran energi radiasi) Semakinkecil resolusi energi suatudetektor, makaakansemakinpresisinilai pengukuran energi yang dihasilkan Nilai resolusi energi dinyatakan dalam %FWHM sebagai berikut:peakEE A= FWHM %Pengaruh Resolusi Terhadap Pembacaan SpektrumSensor Radiasi (III) Peluruhan radioisotop Satuan aktivitas Konversi satuan aktivitas Cacah radiasi Efisiensi pencacahan Pengukuran absolut Pengukuran relatifNdtdN = tte N N =0N A =Pengukuran radiasi nuklir melibatkan konsep tentang peluruhan radiasiJika terdapat radioisotop sejumlah N, maka setelah selang waktu t lajupeluruhan radioisotop dapat dinyatakan sebagaiJumlah radiosiotop yang tersisa setelah waktu t adalahDimana N0adalah jumlah radioisotop mula-mula dan adalah tetapanpeluruhan radiasiAktivitas peluruhan dinyatakan sebagai A, dimanaPengukuran RadiasiSatuan aktivitas peluruhan adalah curie (Ci), becquerel (Bq), disintegration per second(dps), disintegration per minute (dpm)Satuan internasional (SI) menggunakan Bq atau dps dimana1 Bq = 1 dpsKonversi untuk satuan lainnya adalah1 Ci = 3,7 1010 Bq1 dps = 60 dpmContohSuatu zat radioaktif meluruh memancarkan radiasi . Diketahui aktivitas mula-mula100 Bq. Jika waktu paro zat radioaktif tersebut 25 hari, tentukan waktu peluruhan zatradioaktif jika aktivitasnya sekarang adalah 30 BqDiketahui sumberisotop60Coadalahpemancarradiasi dengan waktuparo5,25tahun. Seorang petugas di rumah sakit mengukur aktivitas60Co tersebut adalah 100MBq. Jika diketahui aktivitas awal saat isotop tersebut didatangkan adalah sebesar 150Ci, tentukan berapa lama isotop tersebut telah berada di rumah sakitSatuan aktivitasPengukuran radiasi tidak menghasilkan satuan Ci, Bq, atau dpsSatuan pengukuran radiasi adalah cps (counting per second) atau cpm(counting per minute)Perbedaan satuan ini disebabkan oleh adanya efisiensi pencacahan ()Hubungan antara aktivitas (A) dan laju pencacahan (C) dapat dinyatakansebagaiA C q =Berdasarkanpersamaanpencacahandiketahui bahwahasil pencacahantidaklangsung menunjukkan aktivitas radiasi dan masih harus dikoreksi dengan faktorefisiensi pencacahan ()ContohSuatu detektor hendak dikalibrasi efisiensinya sebelumdigunakan untukmengukur keluaran alat Brachytherapy di rumah sakit. Kalibrasi dilakukandengan menggunakan sumber standar60Co. Diketahui sumber standar tersebuttelah dibeli 8 tahun yang lalu dengan aktivitas 10 Ci. Diketahui hasilpencacahan dengan detektor NaI(Tl) mengahsilkan nilai cacah 8500 cps.Tentukan efisiensi detektorCacah radiasi( )(((

+ =2 2121r aafGFaktor geometri (fG)Faktor geometri berhubungan dengan bentuk sumber, luas permukaan detektor,dna jarak sumber ke detektorUntuk detektor dengandiameter 2r, jarak sumber detektor a, dansumberberbentuk titik, maka faktor geometri, fG dapat dinyatakan sebagaiFaktor-faktor yang mempengaruhi efisiensi pencacahanFaktor absorbsi diri (fs)Absorbsi diri akan mengurangi laju cacah real dari sumber radiasi karenasebagaian radiasi akandiserapolehsumber itusendiri sebelummencapaidetektorFaktor absorbsi diri berlaku untuk sumber yang tebal atau sumber dengan nilaiLET tinggi misalnya radiasi . Untuk radiasi dan faktor absorbsi diri, fs dapatdihitung menurut persamaans stse f =dimana sadalahkoefisienatenuasi sumberradiasi dantadalahketebalansumber radiasiFaktor hamburan balik (fB)Lingkungan memberikan pengaruh pada proses pengukuran radiasi dalambentuk cacah latar dan hamburan balikLingkungan yang dimaksud dapat berupa material di sekeliling detektorFaktor absorpsi jendela detektor (fA)Jendeladetektor idealnyabersifat transparanterhadapradiasi yangdiukursehinggatidakterjadi interaksi apapunantarajendeladetektor danberkasradiasiDalam kenyataannya jendeladetektormasih memungkinkanuntuk menyerapradiasi, misalnya jendela detektor scintilasi NaI(Tl) terbuat dari aluminiumsehingga dipastikan akan menyerap sebagian radiasi sebelum menuju ke bahanscintillatorFaktor absorpsi jendela detektor, fA dapat dinyatakan sebagaiw wtAe f =dimana w adalah koefisien atenuasi jendela detektor dan tw adalah tebal jendeladetektorEfisiensi intrinsik detektor (i)Efisiensi intrinsik detektor menunjukkan perbandingan jumlah radiasi yangdiserap oleh detektor terhadap radiasi yang sampai ke detektorDipengaruhi oleh jenis material detektor, faktor geometri detektor, jenis radiasidan energi radiasiNilai i dapat dinyatakan dalam persamaan berikut inid dtie c =1dimana d adalah koefisien atenuasi material detektor, dan td adalah ketebalanmaterial detektorUntuk NaI(Tl) nilai i ditunjukkan pada grafik berikut iniFraksi puncak fotolistrik (fP)Pada saat mengukur energi suatu radioisotop (proses spektroskopi) makaterdapatkemungkinancacahyangterukurpadapuncakenergi tertentutidakmenggambarkan cacah yang sesungguhnyaUntuk menunjukkanfraksi cacahyangterukur padapuncak energi tertentudigunakan istilah fraksi puncak fotolistrik (fP)Nilai (fP) tergantung pada jenis material detektor, geometri detektor dan energiradiasi yang terlibat.Efisiensi total dari sistem pencacahan, sekarang dapat dinyatakan sebagaip i B A s Gf f f f f = c qUntuk NaI(Tl) nilai fP ditunjukkan pada grafik berikut iniSetiap pengukuran radiasi melibatkan suatu ralat sistemik yang disebutsebagai cacah latarCacah latar ini hadir sekalipun di muka detektor tidak terdapat sumber radiasiapapunHal ini menunjukkan bahwa:Lingkungan memiliki radioaktivitas sendiri yang disebut sebagai radiasi latar(background radiation)Perangkat deteksi radiasi menghasilkan suatu pulsa yang biasa disebutsebagai noiseSetiap pengukuran radiasi dengan demikian harus memasukkan faktor koreksicacah latar ini.Cacah LatarMisalkancacahsumber yangterbacadetektor adalahNsdancacahlatarnyaadalah Nb, maka untuk waktu pencacahan sumber dan detektor yang sama, yaitusebesar t, cacah netto adalah Nnet dimanab s netN N N =Laju cacah netto dapat dinyatakan sebagaitNCnetnet =Jikawaktupencacahansumber adalahtsdanwaktupencacahanbackgroundadalah tb, maka laju cacah netto adalahbbssnettNtNC =ContohSuatu radioisotop dicacah dengan detektor GM mengahasilkan10000 cacahdengan waktu pencacahan 5 menit. Sementara itu pencacahan tanparadioisotopmenghasilkan200cacahdalam10detik. Tentukanlajucacahnetto dan aktivitas sumber jika diketahui efisiensi pencacahandetektor GMadalah 0,1 %qssCA =dssfCAq=Dalam pengukuran radiasi dikenal dua metode, yaituMetode absolutMetode relatifMetode absolutDigunakan jika tidak terdapat sumber standar yang sama dengan radioisotopyang akan dicacahFaktor geometri, absorbsi diri, hamburan balik, absorbsi sumber, dan efisiensidetektor berpengaruh terhadap hasil pencacahanJikaefisiensi total adalah , danlajucacahnettoadalahCs, makaaktivitassumber dapat dinyatakan sebagaiUntukradiasipemancar gammaperluditambahkanfraksi peluruhanfd sehinggapersamaan aktivitas menjadiMetode pengukuran radiasiContohSuatu sumber pemancar radiasi gamma berbentuk titik diletakkan pada jarak30 cm dari suatu detektor yang berdiameter 5 cm. Detektor yang digunakanadalah detektor NaI(Tl) dengan jendela aluminiumsetebal 2 mm (Al=0,01/cm). Kristal scintillatormemiliki ketebalan10cm. Energi radiasi darisumber, E = 500 keV. Mula mula dilakukan pencacahan background selama2 menit dan didapatkan hasil 150 cacah. Sumber selanjutnya dicacah selama10 detik dan didapatkan hasil 8000 cacah. Tentukan aktivitas sumberMetode relatifMetoderelatif digunakanjikaterdapat sumber standar yangsamadenganradioisotop yang hendak diukurSemua parameter pengukuran antara sumber standar dan sumber yang ingindiketahui aktivitasnya harus dibuat samaHasil pengukuran lebih akurat dari metode absolutJikasumberstandarmemiliki aktivitasAsdanlajucacahnettoCs, sedangkansumber-x memiliki laju cacah netto Cx, maka aktivitas sumber-x, yaitu Ax dapatdinyatakan sebagaixsxxACCA =ContohDi suatu laboratorium Kimia Nuklir terdapat sumber standar137Cs dengan umurparo30tahun. Sumbertersebutdibeli padatanggal 5Januari 1970denganaktivitas sebesar 100 MBq. Pada tanggal 5 Januari 2010 telah datang sumber137Csyanglainnya. Padasaat akandigunakanpadatanggal 5Januari 2011,sumberyangbarulabelnyasudahtidakterbacalagi karenakertasnyarusak.Dilakukan pencacahan pada sumber yang lama selama 20 detik dan didapatkancacah sebanyak 10000 cacah. Sumber yang labelnya rusak dicacah selama 20detik dan didapatkan cacah sebanyak 25000. Pencacahan background selama 1menitmenghasilkancacahsebesar20.Hitunglahaktivitassumberyangbarudatang.