1

SPEKTROMETER GAMMA

Spektrometer gamma adalah suatu alat yang dapat digunakan untuk

melakukan analisis zat radioaktif yang memancarkan radiasi gamma. Setiap

radionuklida mempunyai tenaga yang berbeda dan tertentu dan bersifat spesifik.

Hal ini digunakan sebagai dasar dalam analisis secara kualitatif. Analisis secara

kuantitatif dilakukan berdasarkan nilai cacahan dari spektrum yang dipancarkan.

Sebelum digunakan dalam pengukuran, terlebih dahulu sistem spektrometer

gamma dikalibrasi dengan sumber standar untuk menentukan hubungan antara

nomor salur dan energi gamma (keV), secara umum hubungan antara nomor salur

dengan energi gamma merupakan hubungan yang linier dan dapat ditentukan

dengan persamaan

Y= a+bx (1)

dengan : Y adalah energi gamma (keV), a dan b adalah bilangan konstanta linier,

dan X adalah nomor salur (channel). Efisiensi tiap-tiap energi gamma

mempunyai nilai tertentu dan untuk menghitung efisiensi tiap-tiap energi

digunakan persamaan

εγ = ( Ns – Nbg )/(At pγ) (2)

dimana: εγadalah efisiensi pada energi gamma teramati (%), N

s adalah laju cacah

standar (cacah per waktu), NBG

adalah laju cacah latar (cacah per waktu), At

adalah aktivitas pada saat pengukuran (Bq), dan Ργadalah limpahan (yield) energi

gamma tertentu (%).

Spektrometer gamma mempunyai batas kemampuan pengukuran pada laju

cacah yang rendah. Untuk itu perlu perlu diketahui batas kemampuan pengukuran

suatu detektor atau berapa deteksi minimum yang bisa dicapai oleh detektor

nuklir. Harga minimum kemampuan mendeteksi suatu detektor dapat dihitung

menggunakan persamaan berikut :

MDA = k2 + 2CDL = 2,71 + 4,653σB (3)

dimana k merupakan konstanta dengan nilai tertentu (k=1,645 untuk selang

kepercayaan 95%), CDL(critical detection limit) adalah batas deteksi kritis yang

2

nilainya sama dengan 2,326σB dan σB merupakan standar deviasi dari pencacahan

tanpa menggunakan sampel radioaktif (Tsoulfanidis, 1995).

Agar dapat mengidentifikasi isotop radioaktif, spektrometer gamma

dilengkapi dengan suatu perangkat lunak untuk kalibrasi dan mencocokkan puncak-

puncak energi foton (photopeak) dengan suatu pustaka data nuklir. Untuk memahami

puncak-puncak energi spektrum maka dibutuhkan pengetahuan tentang interaksi

radiasi sinar gamma dengan materi.

Untuk memeriksa radiasi gamma dibutuhkan alat yang disebut spektrometer

yang terdiri dari detektor radiasi gamma, rangkaian elektronika penunjang, dan alat

yang disebut multichannel pulse-height analyzer (MCA). Rangkaian elektronika, catu

daya tegangan tinggi dan rangkaian MCA kini telah dibuat secara terintegrasi dan

onboard pada slot komputer PC. Dengan perangkat lunak khusus, komputer PC dapat

berfungsi sebagai MCA dengan kemampuan pengolahan dan analisis yang lebih baik.

Gambar 1 : Perangkat-perangkat elektronik yang dipakai pada sistem spektrometer gamma

Pencacahan menggunakan spektrometer gamma diawali dengan terjadinya

interaksi radiasi dengan detektor. Detektor yang digunakan bisa berbentuk planar

dan koaksial (lihat Gambar3-13). Yang mempunyai bentuk planar biasanya

hanyalah detektor Ge kemurnian tinggi, sedangkan detektor koaksial biasa

3

merupakan detektor Ge kemurnian tinggi ataupun detektor Ge(Li) (Susetyo &

Wisnu, 1988).

Gambar 2: Bentuk-bentuk detektor pada spektrometer gamma

Detektor koaksial mempunyai dua keunggulan dibadingkan detektor

planar. Pertama, detektor koaksial dapat dibuat dalam volume yang relatif besar

dan dengan demikian detektor itu mempunyai efisiensi yang tinggi. Kedua,

detektor koaksial mempunyai kapasitansi yang tidak sebanding dengan luas

detektor seperti yang berlaku pada detektor planar. Karena noise penguat awal

adalah fungsi kapasitansi detektor maka detektor koaksial akan menghasilkan

noise elektronik yang rendah.

Susunan detektor

Salah satu detektor spektrometer gamma adalah detektor HPGe (High

Purity Germanium). Adapun susunan detektor secara umum ditunjukan pada

gambar dan setiap detektor harus memiliki bagian-bagian sebagai berikut :

Gambar 3 : Susunan detektor HPGe

Pendingin detektor

Pelindung panas (thermal shield)

4

Susunan menuju alat listrik (mount for electrical contacts)

Pelindung dari getaran luar

Jalur masuk foton

Pendingin detektor

Sistem pendingin detektor menggunakan dewar berkapasitas 30 liter yang

diisi dengan nitrogen cair. Namun saat ini sudah terdapat detektor dengan dewar

kecil yang hanya menampung beberapa liter nitrogen cair dan dimaksudkan

mendinginkan detektor untuk beberapa jam atau sehari. Ukuran dewar yang kecil

ini biasanya dipakai pada spektrometer gamma portabel untuk pengukuran di

lapangan. Detektor HPGe yang didinginkan sangat penting dalam mengurangi

noise akibat adanya arus bocor.

Vakum kualitas tinggi

Vakum kualitas tinggi diperlukan untuk mengurangi pengumpulan

kontaminan pada permukaan detektor yang menyebabkan penururan kinerja

detektor. Kontaminasi pada permukaan yang menyekat detektor dapat

menimbulkan tegangan jatuh. Ruang vakum seperti ini dibuat oleh pabrik dengan

menempatkan beberapa bahan pengabsorbsi di dalam sistem untuk menjebak gas-

gas yang terakumulasi sewaktu-waktu.

Pelindung panas (thermal shield)

Karena bagian luar alat berada pada temperatur ruang dan detektor berada

pada suhu mendekati 77K, maka dibutuhkan pelindung panas untuk mencegah

terjadinya transfer energi panas dari permukaan luar ke detektor (Debertin &

Helmer). Metode pemvakuman digunakan untuk mencegah transfer panas secara

konduksi dan konveksi, sedangkan bahan reflektif (reflective material) digunakan

untuk mencegah hantaran radiasi panas.

Susunan kontak listrik (mount for electrical contacts)

Susunan detektor harus menyediakan keperluan kontak listrik dan

penyekatan. Setiap detektor yang digunakan dalam pencacahan radiasi diberikan

tegangan bias yaitu berkisar antara ratusan sampai 4000Volt. Untuk tegangan bias

yang sangat tinggi dapat memungkinkan terjadinya tegangan breakdown pada

sistem. Hal yang seperti itu dapat dengan mudah merusak transistor pada bagian

depan penguat awal dan dengan demikian sistem vakum harus dibuka untuk

5

memperbaiki dan mengkondisikan kembali permukaan detektor. Pengondisian

kembali ini biasanya dapat merubah karakteristik detektor dan harus dilakukan

kalibrasi alat.

isolasi getaran luar (isolation from external vibration)

Bagian ini harus diperhatikan dengan baik, karena getaran dari luar dapat

menimbulkan sejumlah gangguan (noise) yang menghalangi pengamatan pulsa-

pulsa yang dibuat oleh foton dan dapat menimbulkan sejumlah besar cacah

spektrum yang tidak diperlukan.Pada sistem detektor semikonduktor terdapat

bagian yang bersifat microphonic, yaitu bagian yang peka terhadap getaran luar.

Bagian yang peka sebagai contoh adalah tabung vakum yang terdapat pada

komponen penguat sinyal detektor.

Jendelamasuk foton

Pada susunan detektor HPGe (Gambar 3) terdapat perangkat detektor yang

secara langsung mempengaruhi efisiensi detektor yaitu atenuasi foton di bagian

depan susunan detektor atau lebih dikenal dengan jendela masuk foton (entrance

window for photons). Bagian ini terbuat dari Aluminium atau Berilium, tetapi

untuk kebutuhan tertentu terbuat dari tembaga atau bahan lain. Berilium

digunakan untuk mengurangi atenuasi foton pada energi rendah, khususnya untuk

Si(Li), Ge bentuk planar dan detektor Ge koaksial tipe-n. Tembaga dan

magnesium baru-baru ini digunakan untuk mengurangai radiasi latar (background

radiation) pada bahan detektor.

Proses fisis pada detektor HPGe

Prinsip kerja alat ukur radiasi didasarkan pada interaksi radiasi (alpha,

betha, dan gamma) terhadap material detector yang sedemikian rupa sehingga

respon dari alat akan sebanding dengan efek radiasi atau sebanding dengan sifat

radiasi yang diukur. Bahan-bahan yang dipakai sebagai detektor radiasi dapat

berupa gas, kristal NaI(TL) dan bahan semikonduktor. Setiap radiasi yang

mengenai bahan-bahan detektor tersebut kemungkinan peristiwa yang terjadi

adalah proses ionisasi, eksitasi dan absorbsi (untuk radiasi alpah dan betha).

Sedangkan radiasi gamma yang mengenai bahan detektor akan terjadi peristiwa

efek fotolistrik, efek compton dan produksi pasangan. Secara keseluruhan,

6

masing-masing peristiwa itu dapat membebaskan elektron dari bahan yang

mengikatnya yang pada akhirnya nanti terdeteksi sebagai pulsa listrik.

Secara khusus, detektor HPGe (High Purity Germanium) adalah salah satu

jenis detektor semikonduktor yang sering digunakan. Detektor HPGe atau

detektor semikonduktor umumnya merupakan detektor yang kemajuannya

mengikuti perkembangan dalam teknologi semikonduktor. Oleh karena itu

pemahaman tentang cara kerja detektor HPGe tidak lepas dari teori mengenai

karakteristik bahan semikonduktor.

Diagram energi pada bahan semikonduktor dapat digambarkan sebagai

berikut :

Gambar 4 : Tingkatan energi pada bahan semikonduktor

Gambar diatas menunjukan diagram energi dari atom semikonduktor

murni (intrinsik) yang mana atom-atomnya tidak tereksitasi (tidak dikenai energi

luar). Kondisi ini dicapai ketika suhu mendekati 0°K.

Sebuah bahan semikonduktor murni pada temperatur ruang beberapa

elektronnya dapat meloncati pemisah energi(energi gap) dari pita valensi menuju

pita konduksi.

Gambar 5 : Eksitasi elektron pada bahan semikonduktor ketika dikenai energi dari luar

7

Setiap elektron yang naik ke pita konduksi akibat datangnya energi dari luar,

maka akan berakibat munculnya lubang (hole) pada pita valensi dan selanjutnya

membentuk pasangan elektron-lubang (electron-hole pair). Rekombinasi terjadi

ketika elektron pada pita konduksi kehilangan energi dan kembali mengisi

kekosongan atau lubang pada pita valensi.

Bahan semikonduktor murni tidak dapat menghantarkan listrik dengan

baik karena sedikitnya elektron bebas pada pita konduksi dan hole pada pita

valensi. Oleh karena itu bahan semikonduktor harus dimodifikasi dengan

menambahkan elektron bebas atau hole untuk meningkatkan konduktivitasnya dan

dapat diaplikasikan sebagai detektor. Penambahan elektron bebas atau hole

dilakukan dengan mendoping atau menambahkan atom pengotor. Bahan

semikonduktor dapat didoping dengan atom pengotor pentavalen (memiliki 5

elektron valensi) seperti Fosfor dan Arsen dan atom pengotor trivalen (memiliki 3

elektron valensi) seperti Boron dan Gallium. Atom-atom pengotor seperti arsen,

fosfor dan antimony menjadikan bahan semikonduktor tipe-n ( elektron sebagai

pembawa mayoritas) sedangkan pengotor berupa Boron dan Gallium membentuk

bahan semikonduktor tipe-p (hole sebagai pembawa mayoritas).

Gambar 6 : i. Bahan semikonduktor yang telah diberi atom pengotor pentavalen menghasilkan

bahan semikonduktor tipe-n

ii. Bahan semikonduktor yang telah diberi atom pengotor trivalen menghasilkan

bahanSemikonduktor tipe-p

Dalam teknologi semikonduktor dikenal istilah sambungan pn (pn

junction). Tanpa adanya sambungan pn ini setiap peralatan elektoronika termasuk

detektor radiasi yang terbuat dari bahan semikonduktor tidak dapat bekerja.

Sambungan pn diilustrasikan pada gambar

8

Gambar 7 : Proses fisis yang terjadi pada sambungan p-n

Daerah n memiliki banyak elektron konduksi sedangkan daerah p memiliki

banyak hole. Pada keadaan tanpa tegangan eksternal, elektron konduksi pada

daerah n bergerak ke semua arah secara acak. Ketika daerah n dan daerah p baru

digabungkan beberapa elektron yang berada dekat sambungan bergerak melewati

daerah p dan berkombinasi dengan hole yang berada dekat sambungan (Gambar

7).

Setiap elektron yang melewati sambungan dan berkombinasi dengan hole,

atom pentavalen di dekat sambungan kelebihan elektron dan menjadi ion positif.

Demikian juga ketika elektron berkombinasi dengan hole di daerah p,

menghasilkan atom trivalent dekat sambungan sebagai ion negatif.

Hasil dari proses ini menghasilkan sejumlah besar ion positif dan negatif

di dekat sambungan pn. Elektron-elektron pada daerah n harus mengatasi baik

gaya tarik dari ion positif dan gaya tolak dari ion negatif ketika ingin pindah

menuju daerah p. Keadaan ini akan terus terjadi sambil membentuk depletion

region, hingga akhirnya terjadi keadaan setimbang dimana sangat sedikit sekali

elektron yang dapat melewati sambungan pn.

Detektor HPGe merupakan detektor dengan sambungan p-i-n dimana i

berarti intrinsik. Detektor HPGe dibuat dengan menguapkan lapisan litium pada

daerah tipe-p dari kristal germanium pada suhu ±400°C dalam sebuah evaporator

hampa selama beberapa menit. Litium dalam hal ini adalah atom donor yang

berfungsi mengkompensasi atom-atom akseptor yang masih terdapat pada

material detektor. Lapisan litium yang sudah diuapkan kemudian berdifusi

kedalam kristal dalam jangka waktu singkat dan jarak yang pendek (Debertin &

Helmer, 1988). Selanjutnya tegangan bias balik yang diberikan pada sambungan

9

pn akan mendorong pembawa mayoritas dari kedua sisi sambungan dan

membentuk depletion region yang besarnya sebanding dengan banyaknya atom-

atom akseptor yang terkompensasi. Proses kompensasi ini sedemikian rupa

sehingga selisih antara atom akseptor dan atom litium mendekati nol dan sifat-

sifat semikonduktor mendekati bahan intrinsik.

Gambar 8: Mekanisme deteksi radiasi nuklir oleh detektor HPGe

Kemudian jika terdapat radiasi nuklir yang menembus detektor HPGe maka di

dalam depletion region timbul pasangan lobang-elektron (electron-hole pair)

seperti yang tampak pada Gambar 8. Medan listrik yang ditimbulkan oleh bias

balik akan membawa muatan keluar depletion region masuk ke daerah di luar p-n

junction. Jumlah muatan yang terbebaskan sebading dengan energi radiasi dan ini

menimbulkan pulsa listrik.

Namun elektron-elektron yang terksitasi ke pita konduksi melalui interaksi

radiasi, elektron tereksitasi secara termal, dan mode eksitasi ini menghasilkan

cacah noise. Untuk mengurangi noise ini, detektor harus dioperasikan pada

temperatur yang rendah. Temperatur yang sering dipakai mendekati 77°K dengan

menggunakan nitrogen cair. Adapun susunan detektor dan pendingin ditunjukan

pada gambar berikut :

10

Gambar 9: Sistem pendingin pada detektor HPGe

Perangkat Elektronik Spektrometer Gamma

Power supply

Untuk mengumpulkan muatan yang dibentuk dalam detektor, beda

potensial harus diberikan pada ujung-ujung detektor. Beda potensial optimum

umumnya dispesifikasikan oleh pabrik manufaktur detektor dan biasanya berkisar

antara ratusan volt hingga 4000 V. Tegangan ini dipilih untuk menghindari

terjadinya breakdown dan memancarkan bunga api listrik (arcing). Beda tegangan

harus stabil untuk memelihara kesamaaan gradien tegangan dalam detektor.

Penguat awal

Penguat awal terletak diantara detektor dan penguat. Alat ini mempunyai

beberapa fungsi sebagai berikut :

- untuk melakukan penguatan awal terhadap pulsa keluaran detektor

- untuk melakukan pembentukan pulsa pendahuluan

- untuk mencocokkan impedansi keluaran detektor dengan kabel signal

masuk ke penguat

- untuk mengadakan perubahan muatan menjadi tegangan pada pulsa

keluaran detektor.

Selain itu penguat awal juga memegang peranan dalam menurunkan derau (noise).

11

Sebaiknya penguat awal dipasng sedekat mungkin dengan detektor. Pada

detektor semi-konduktor biasanya penguat awal sudah merupakan satu kesatuan

dengan sistem cryostat detektor.

Ada dua jenis penguat awal yaitu penguat awal peka tegangan dan

penguat awal peka muatan.

Penguat awal peka tegangan mempunyai kelebihan dalam hal memiliki

rasio signal/derau yang tinggi, akan tetapi mempunyai kelemahan dalam hal

stabilitas. Oleh karena itu dalam spektrometri-γ lebih sering digunakan penguat

awal peka muatan. Bentuk penguat awal pada spektrometer gamma dapat dilihat

pada gambar berikut :

Gambar 10 : Rangkaian penguat awal peka muatan

Ketika radiasi datang mengenai detektor, maka akan menimbulkan

muatan-muatan sehingga menimbulkan beda potensial yang merupakan masukan

bagi rangkaian penguat awal. Pada saat yang bersamaan, beda potensial yang nilai

sama juga muncul pada resistor sementara muatan mulai terisi pada kapasitor.

Makin banyak muatan yang terisi pada kapasitor, beda potensial pada resistor

akan turun secara eksponensial danpulsa keluaran yang terbentuk dari peristiwa

ini disebut pulsa ekor (tail pulse).

12

Gambar 11: Pulsa ekor

Bentuk pulsa ekor ini tergantung dari konstanta waktu τ yang nilainya sama

dengan RC (τ=RC).Semakin singkat konstanta waktu τ semakin sedikit muatan

yang terisi pada kapasitor, sedangkan jika konstanta waktu τ semakin besar,

kapasitor akan makin dipenuhi oleh muatan listrik (Gambar 11).

Apabila aktivitas sinar-γ yang dideteksi cukup besar maka pulsa satu akan

tumpang tindih dengan pulsa yang lain. Gejala ini dinamakan pile up dan

mengakibatkan perubahan tinggi tiap individu pulsa, sehingga harus diatasi.

Untuk mengatasi hal itu pulsa-pulsa dapat dipendekkan dengan jalan

mendiferensialkan pulsa-pulsa tersebut dengan suatu rangkaian pendiferensial RC.

Gambar 5-12 menunjukan pulsa-pulsa sebelum dan sesudah dipendekkan.

Gambar 5-12: Gejala pile-up. i)Sebelumdipendekan, ii) Setelah dipendekan

Pulsa yang dihasilkan oleh suatu rangkaian pendifierensial biasanya belum

bisa diproses oleh penganalisis salur ganda. Dengan demikian pulsa dibentuk

lebih lanjut menggunakan rangkaian pengintegral. Apabila digunakan gabungan

satu rangkaian pendiferensial dan satu rangakaian pengintegral akan diperoleh

13

pulsa unipolar. Apabila pulsa masukan didiferensialkan dua kali dan kemudian

baru diintegralkan maka akan muncul pulsa bipolar.

(i) (ii)

Gambar 5-13 : i. Pulsa bipolar ; ii. Pulsa unipolar

Sebuah penguat dalam spektrometer gamma bisa mempunyai dua macam

keluaran yaitu unipolar dan bipolar. Keluaran unipolar biasanya digunakan

apabila detektor yang dipakai adalah detektor semikonduktor sedangkan keluaran

bipolar biasanya digunakan dalam pemakaian detektor NaI(Tl).

Pulsa-pulsa keluaran yang terbentuk dari penguat awal akan dilanjutkan ke

rangkaian penguat berikutnya. Pulsa yang telah dibentuk dan diperkuat itu dikirim

menuju suatu alat yang dapat memisahkan pulsa-pulsa menurut tingginya. Alat

tersebut mempunyai banyak memori, yang dinyatakan dalam cacah salur yang

dimilikinya. Alat semacam ini dinamakan penganalisis salur ganda (multi channel

analyzer). Pulsa dengan tinggi tertentu akan dicatat cacahnya dalam salur dengan

nomor salur tertentu. Data numerik hasil pncacahan tersebut setiap saat

diakumulasikan dalam salur itu, sampai waktu pencacahan selesai. Sebagai

hasilnya, secara analaog dapat dilihat spektrum-γ pada layar penganalisis salur

ganda atau memalui plotter. Data numerik dapa juga dikeluarkan melalui printer,

teletype writer dan lain-lain. Sistem pembentukan spektrum semacam ini disebut

analisis tinggi pulsa (pulse height analysis). Perangkat spektrometer-γ yang

modern biasanya dilengkapi dengan unit pengolahan data berupa mikrokomputer.

Penguat

Pulsa keluaran detektor telah diubah dari pulsa muatan ke pulsa tegangan oleh

penguat sinyal. Selanjutnya pulsa tersebut dikirim sebagai masukan dari penguat.

Penguat yang dipakai tentu saja adalah jenis penguat peka tegangan yang biasa

14

disebut juga sebagai penguat linier. Di sini pulsa dipertinggi sampai mencapai

amplitudo yang dapat dianalisis dengan alat penganalisis tinggi pulsa.

Gambar 5-14: Penguat elektronik

Salah satu jenis penguat yang sering digunakan pada berbagai aplikasi

adalah Op-Amp.Simbol Op-Amp standar ditunjukan pada Gambar 5-14. Ia

memiliki dua terminal masukan, masukan inverting(-) dan masukan

noninverting(+), dan satu terminal keluaran. Untuk beropersasi, Op-Amp

membutuhkan sumber tegangan DC postif dan negatif, seperti terlihat pada

Gambar 5-14. Biasanya simbol terminal tegangan DC ini dihilangkan untuk

penyederhanaan rangkaian. Walaupun demikian, penyederhanaan ini telah

dimengerti oleh para peminat elektronika.

Penguat pada spektrometer gamma harus bersifat linier, sehingga masukan

dan keluaran nilainya sesuai.Agar Op-Amp berfungsi sebagai penguat yang linier,

maka Op-Amp dirangkai menggunakan konsep umpan- balik negatif (negative

feedback) yang diilistrasikan pada Gambar-5-15.

Gambar 5-15 : Rangkaian umpan-balik negatif. a) inverting, b) non-inverting

Rangkaian umpan-balik negatif ditunjukan oleh sebuah tahanan yang

menghubungkan antara terminal keluaran dan terminal masukan (Gambar 5-

15).Dengan metode seperti ini tegangan keluaran yang dikembalikan lagi menuju

daerah masukan akan memiliki sudut fase yang berlawanan terhadap sinyal

masukan. Dari proses ini diperoleh keluaran baik inverting maupun non-inverting

15

yang hampir identik. Oleh karena itu akan menghasilkan keluaran akhir yang

lebih stabil.

Gambar 5-16 : Rangkaian penguat linier spektrometer gamma

Rangkaian penguat linier yang lebih kompleks dan mengunakan konsep

umpan-balik negative dapat dilihat pada Gambar 5-16. Rangkaian ini merupakan

salah satu rangkaian penguat linier yang dibuat di Badan Tenaga Nuklir Nasional

(BATAN). Cara kerja penguat linier ini adalah, IC LM 318 yang pertama

merupakan rangkaian penguat yang mana harga penguatannya dapat diatur dengan

merubah harga tahanan padapotensiometer 10 kΩ. Adapun besar penguatan (gain)

merupakan hasil pembagian dari tahanan feed back ditambah harga tahanan pada

posisi Rp1 dibagi dengan tahanan depan (1,5 kΩ). IC LM 318 yang kedua

merupakan rangkaian pulse shapping untuk membentuk pulsa menjadi Gaussian.

Jadi pulsa ekor yang keluar dari penguat awal dibentuk sekali lagi untuk

mendapatkan pulsa yang jauh lebih sempit dengan waktu timbul lebih lambat dan

waktu jatuh lebih cepat. Oleh karena itu pembentukan pulsa disini dititik beratkan

pada decay time pulsa yang harga konstanta waktunya ditentukan oleh nilai

Resistor feedback (Rf) dan Condensator feedback (Cf). Pada keluaran penguat

linierakan keluar pulsa berbentuk Gaussian dengan tinggi pulsa maksimum 10 V.

Pada spektrometer gamma perubahan penguatan yang besar dari penguat

linier diatur oleh tombol coarse gain sedang perubahan penguatan yang kecil dan

kontinyu diatur oleh tombol fine gain. Kebanyakan penguat yang dipakai dalam

16

spektrometri-γ mempunyai penguatan dengan jangkauan mulai dari lima sampai

dua ribu.

Bentuk pulsa keluaran penguat ditentukan antara lain oleh pertimbangan

perbandingan signal/derau dan kecocokan dengan kemampuan kerja peralatan

elektronik berikutnya (penganalisis tinggi pulsa). Kedua kriteria tersebut biasanya

bertentangan satu dengan yang lain sehingga bentuk pulsa yang dihasilkan

penguat biasanya merupakan kerjasama antara bentuk untuk perbandingan

signal/derau optimum dan bentuk yang paling baik diterima oleh alat penganalisis

tinggi puncak.

Biasanya sebuah penguat mempunyai dua macam keluaran yaitu keluaran

unipolar dan bipolar. Pemilihannya tergantung pada detektor apa yang dipakai.

Jika yang dipakai detektor semikonduktor maka biasanya dipilih keluaran unipolar

tetapi jika digunakan detektor NaI(Tl) biasanya dipilih keluaran bipolar. Keluaran

bipolar juga dipilih untuk laju cacah cuplikan yang tinggi.

Selain itu dalam penguat spektroskopi biasanya juga terdapat tombol

”shaping time” yang mengatur waktu pembentukan pulsa. Shaping time

berhubungan dengan daya pisah sistem. Makin tinggi shaping time makin tinggi

pula daya pisah sistem. Untuk pengukuran spektrometri-γ biasanya dipilih shaping

time di sekitar 1μs.

Pembentukan pulsa dilakukan dengan cara mendifferensialkan pulsa

tersebut. Pendifferensial pulsa keluaran penguat awal yang berupa pulsa ekor akan

menghasilkan suatu pulsa yang mempunyai bagian di bawah garis dasar. Hal ini

tidak diinginkan karena dapat menurunkan daya pisah sistem pada laju cacah yang

tinggi. Untuk mengatasi persoalan tersebut dilakukan penyesuaian pole-zero.

Biasanya pada sebuah penguat di antara tombol-tombolnya terdapat sebuah

sekerup kecil untuk melakukan penyesuaian pole-zero. Tentu saja penyesuaian ini

harus dilakukan dengan memutar-mutar sekerup tersebut sambil mengamati pulsa

keuaran dalam layar oscilloscope yang dipasang untuk maksud itu.

17

(a)

(b)

Gambar 5-17: Kompensasi pole-zero. i) Sebelum, ii) Sesudah

MCA (multi channel analyzer)

Multi Channel Analyzer (MCA) merupakan salah satu alat yang

dibutuhkan dalam memeriksa besarnya radiasi yang terdeteksi. MCA dapat

memisahkan dan melakukan pengukuran terhadap beberapa proses secara real

time. Pemisahan ini berdasarkan beberapa sifat-sifat proses tersebut, dan proses-

proses tersebut dikelompokan pada tempat penyimpanan untuk keperluan

perhitungan yang dinamakan salur(channel).

Gambar 5-18: Salah satu contoh MCA

Rangkaian MCA, rangkaian elektronika dan catu daya tegangan tinggi kini

telah dibuat secara terintegrasipada slot komputer PC. Dengan perangkat lunak

khusus, komputer PC dapat berfungsi sebagai MCA dengan kemampuan pengolahan

dan analisis yang lebih baik.Dalam hal ini perangkat lunak yang digunakan untuk

menganalisis hasil pencacahan adalah Maestro-32.

18

Gambar 5-19: MCA yang telah tergabung dengan CPU

Untuk memulai menggunakan Maestro-32 klik Start pada taskbar

window, kemudian Programs, Maestro 32 dan Maestro for windows (lihat

Gambar 20).

Gambar 20 : Memulai maestro-32

Kemudian akan muncul tampilan awal beserta fitur-fiturnya sebagai

berikut :

1. Tittle bar, menunjukan nama program dan nama sumber dengan

spektrum yang berada pada tampilan jendela komputer.

2. Menubar, pada bagian ini terdiri dari beberapa pilihan menu yang

dapat digunakan untuk menganalisis secara cepat. Pilihan pada

menubar terdiri dari file, acquire, calculate, services, ROI,

dispalay dan window.

3. Tool bar, berada dibawah menu bar yang terdiri dari icon-icon

yang digunakan ketika menginginkan kembali (recall) spektrum,

menyimpan file, menjalankan dan menghentikan akuisisi data dan

mengatur skala spektrum baik vertikal maupun horizontal.

4. Detector list, yang menampilkan hasil pencacahan (spketrum)

detector yang sedang aktif dan buffer.

5. Spektrumarea, merupakan daerah yang menampilkan deretan

spektrum-spektrum yang berasal dari sumber yang dicacah.

CPU yang terintegrasi MCA

19

6. Expanded spektrum view, menunjukan semua atau sebagian dari

histogram.

7. Full spektrum view, menunjukan semua tampilan histogram dari

file dan memori detector.

8. ROI status area, berada pada sisi kanan menu bar yang

mengindikasikan apakah pemberi tanda ROI sedang aktif atau

tidak (Mark atau Unmark).

9. Status side bar, menyediakan informasi mengenai waktu

pencacahan, waktu dan tanggal serta sejumlah tombol yang

digunakan untuk memindahkan dengan mudah puncak-puncak

spektrum, ROI dan catatan pada library.

10. Marker information line, berada di bawah spektrum yang terdiri

dari penanda salur, energi dan isi salur.

11. Supplementary information line, berada di bawah marker

information line yang digunakan untuk menunjukan isi library,

menunjukan hasil perhitungan tertentu, pesan peringatan atau

instruksi.

Gambar 21 : Tampilan awal dan fitur maestro

20

Disamping melalui fitur-fitur tersebut dapat juga dilakukan secara singkat dengan

memakai tombol-tombol yang terdapat pada keyboar. Tombol-tombol tersebut

ditunjukan pada Lampiran II.

Prosedur pencacahan sample radioaktif

Objek yang diukur menggunakan spektrometer gamma adalah bahan

radioaktif atau disebut sebagai sumber standar. Sumber standar yang akan diukur

menggunakan spektrometer gamma perlu disiapkan dengan baik terlebih dahulu

agar selama pengukuran tidak menimbulkan bahaya kontaminasi baik pada

manusia, detektor, tempat kerja dan sebagainya.

Gambar 22: Phantom yang terbuat dari fiberglass yang sudah diisi cairan I-131

Sumber standar dalam hal ini adalah sumber standar gamma yang terdiri

dari I-131 berbentuk cair beserta larutan pengemban NaOH 0,1M ke dalam

sebuah phantom. Phantom terbuat dari fiberglassyang mensimulasikan bagian dari

suatu objek yang memiliki karakteristik penyerapan serupa dengan objek tersebut.

Sebelum melakukan pengukuran, phantom yang sudah terisi sumber

standar ini dibungkus dengan baik ke dalam sebuah plastik mika kemudian

dimasukan lagi ke dalam sebuah wadah marinelli. Hal ini untuk mencegah

kontaminasi radiasi ketika sewaktu-waktu ternyata phantom yang dibuat terdapat

kebocoran.

Gambar 23: Bentuk wadah marinelli yang terdapat diatas detektor

21

Tahap selanjutnya adalah melakukan pengukuran cacah latar. Cacah latar

adalah cacah yang dilakukan tanpa menggunakan sumber standar. Hal ini

dilakukan karena spektrometerg gamma yang dibiarkan bekerja tanpa diberi

sumber standar, ternyata pada layar penganalisis salur ganda (Multichannel

Analyzer) tetap akan didapatkan spektrum gamma yang terdiri dari banyak

puncak. Spektrum-spektrum ini berasal dari zat radioaktif alam seperti 40K, 226Ra

dan deret peluruhan 232Th, 238U dan sebagainya. Uranium, Radium dan Thorium

adalah unsur-unsur radioaktif alam yang memiliki kelimpahan yang tinggi di

bumi. disamping itu juga cacah latar bisa juga berasal dari ruang cacah yang dapat

terdeteksi oleh alat yang dipakai.

Jika persiapan diatas selesai dilakukan, phantom diletakan tepat diatas

detektor dari spektrometer gamma yang sudah diberi pelindung dari cobalt (Pb)

dan pengukuran sumber standar dapat dimulai. Pengukuran ini dilakukan dalam

rentang waktu tertentu sesuai dengan kebutuhan. Hasil yang diperoleh akan

tampak pada layar monitor berbentuk puncak-puncak spketrum yang selanjutnya

dapat dianalisis.

Gambar 5-24: Tampilan pencacahan yang terdapat pada layar monitor

Analisis hasil pencacahan

Hasil pencacahan sampel radioaktif yang sudah diperoleh file spektrumnya

sebaiknya disimpan apabila tidak ingin dianalisis langsung. Langkah-langkah

penyimpanan file ini persis sama ketika menyimpan file pada computer untuk

kebutuhan yang lain yaitu dengan mengklik tombol file pada toolbar→save

22

as→beri nama file pada kolom file name→OK. Untuk lebih jelasnya dapat

dilihat pada tampilan berikut ini :

Gambar 25: Tampilan ketika menyimpan file

Kemudian jika ingin membuka kembali file yang disimpan tersebut, maka klik

File→Recall Spektrum→klik file yang akan dibuka→OK. Setelah itu akan

tampil bentuk spektrum pada gambar berikut :

Gambar 26 : Tampilan pada saat membuka kembali file

23

Gambar 27: Spektrum hasil pencacahan sampel 131I

Zat radioaktif 131I adalah pemancar beta yang diikuti oleh gamma dengan

energi gamma 364,48 keV (81,6%), 636,97 keV (7,12%) dan 722,89 keV

(1,78%).Intensitas (yield) terbesar pada energi gamma 364,5 keV sebesar 81,6%

(Candra dkk, 2009).Gambar 5-25 merupakan plot spektrum dari sampel radioaktif 131I yang dicacah yang mana pada sumbu X menyatakan energi (keV) dan sumbu

Y menyatakan jumlah cacah. Berdasarkan plot tersebut, ternyata puncak-puncak

spektrum yang diperoleh sesuai dengan nilai energi gamma yang dipancarkan oleh

zat radioaktif 131I. Hal ini juga menunjukan bahwa spektrometer gamma yang

digunakan masih bagus untuk pengukuran sampel radioaktif.

Langkah-langkah dalam meROI

Pencacahan sampel yang telah dicacah dalam rentang waktu tertentu harus

dianalisis. Analisis dilakukan dengan melakukan ROI (Region of Interest) atau

memberikan tanda pada spektrum hasil pencacahan. Langkah-langkah yang

dilakukan ketika melakuakan ROI pada spektrum yaitu klik ROI pada menu bar

kemudian pilih mark. Pilih puncak spektrum yang diinginkan dilakukan secara

manual dengan menggerakan garis vertical pada layar ke kiri dan ke kanan

sehingga daerah atau puncak yang ditandai akan berubah warna. Biasanya setiap

orang akan memilih puncak-puncak spektrum yang diperlukan saja. Misalnya

pada suatu pencacahan terdapat sample radioaktif yang memiliki 10 puncak

spektrum, namun kadang-kadang yang ditandai hanya beberapa saja tergantung

kebutuhan penelitian. Jika terjadi kesalahan dan ingin menghapus kembali tanda

24

ini, maka digunakan tombol unmark. Secara umum ini ditunjukan pada gambar

berikut beserta tampilan sepektrum yang telah ditandai.

Gambar 28: Tombol mark untuk menandai spektrum yang dianalisis

Gambar 5-29: Puncak-puncak spektrum yang telah diberi tanda

Setelah memberikan tanda ROI, sebaikinya hasil ini disimpan dengan

mengklik ROI→Save File→berikan nama pada file dan yang terakhir OK.

Gambar 30: Tampilan ketika menyimpan file ROI

Selanjutnya ROI yang sudah diberi tanda, informasi yang diperoleh dari

penandaan ini akan disajikan dalam bentuk tabel. Langkah-langkah yang

25

dilakukan yaitu klik File→ROI Report→ centang Print to File→ OK. Langkah-

langkah ini ditunjukan pada gambar berikut :

Gambar 31: Tampilan ketika menyajikan hasil analisis sampel dalam bentuk table

Sedangkan tabel yang dihasilkan sebagai berikut :

Tabel-1 : Hasil analisis sampel radioaktif menggunakan software

Dari tabel hasil analisis tersebut dapat dilihat bahwa nilai limpahan (yield)

tertinggi terdapat pada rentang energi 363,02 keV-369,29 keV yaitu yang

direperesentasikan pada kolom net (sehari-hari disebut net area), diikuti rentang

energi 635,20 keV-642,47 keV dan yang terakhir adalah 721,42 keV-728,03 keV.

Energi-energi tersebut selalu muncul dengan limpahan yang paling tinggi ketika

mengukur sampel yang mengandung zat 131I. Inilah yang memberikan perbedaan

radionuklida 131I dibandingkan radionuklida yang lain. Pengukuran sampel-

sampel radioaktif yang lain juga akan menghasilkan rentang energi tertentu yang

memiliki limpahan energi tertentu pula. Oleh karena itu dengan mencocokan

besarnya energi radiasi yang diperoleh selama pengukuran dengan energi radiasi

yang terdapat pada tabel data radionuklida akan dapat diketahui zat radioaktif apa

saja yang terkandung pada sampel.

Cacah latar, kalibrasi efisiensi dan batas deteksi terendah (BDT)Melalui analisis yang dilakukan menggunakan software Maestro-32

diperoleh hasil pencacahan radiasi latar sebagai berikut :

26

Tabel-2 : Hasil analisis radiasi latar menggunakan software

Dari tabel tersebut, rentang energi 363,02 keV-369,29 keV memiliki nilai cacah

latar yang jauh lebih tinggi dibandingkan rentang energi yang lain. Adanya nilai

cacah latar yang terbaca ini kemungkinan disebabkan oleh adanya radiasi di

sekitar spektrometer gamma yang tidak bisa diproteksi oleh pelindung detektor

yang terbuat dari timbal.

Setelah melakukan pencacahan radiasi latar, tahap selanjutnya adalah

mengkalibrasi spektromter gamma. Walupun kalibrasi spektrometer gamma ada

dua jenis yaitu kalibrasi energi dan kalibrasi efisiensi, namun pada Praktik Kerja

Lapang ini hanya melakukan kalibrasi efisiensi, karena dalam praktik ini

kandungan radionuklida pada sampel sudah diketahui jenisnya, padahal untuk

mengetahui kandungan radionuklida suatu sampel harus mencocokan energi dan

nomor salur pada hasil pencacahan yang tidak lain merupakan langkah dalam

kalibrasi energi.

Dari hasil kalibrasi efisiensi dengan menggunakan sampel radioaktif 131I

dengan lima aktivitas yang berbeda diperoleh efisiensi deteksi sebagai berikut :

Tabel-3 : Efesiensi detektor pada aktivitas sampel yang berbeda

Sampel ke- Aktivitas (Bq) Laju cacah (cps) Efisiensi (cps/Bq)

1 1377 22±0,20 0,01998±0,00018

2 2754 43±0,28 0,01923±0,00012

3 4131 62±0,34 0,01848±0,00010

4 5508 83±0,39 0,01856±0,00009

5 6885 124±0,43 0,02218±0,00077

Dari tabel tersebut terlihat bahwa efisiensi terkecil berada pada kalibrasi ketiga

dengan nilai (0,01848±0,00010) cps/Bq dan efisiensi tertinggi diperoleh pada

kalibrasi yang kelima yaitu (0,02218±0,00077) cps/Bq. Ini juga menunjukan

efisiensi dari masing-masing pengukuran sampel radioktif memiliki perbedaan

27

yang tidak terlalu kecil. Padahal efisiensi detektor seharusnya memiliki nilai yang

sama atau hampir bersamaan walaupun aktivitasnya berbeda-beda. Perbedaan

nilai efisiensi ini kemungkinan disebabkan oleh posisi sampel terhadap detektor

yang tidak tepat dan berubah-ubah dan mempengaruhi kuantitas energi radiasi

yang mengenai detektor.

Disamping menyajikan nilai efisiensi, Tabel-3 juga menunjukan hubungan

antara aktivitas sampel dan laju pencacahan. Semakin besar aktivitas sampel, nilai

laju cacah ikut meningkat. Hasil ini sesuai karena telah diketahui bahwa aktivitas

merupakan peluruhan zat radioaktif per satuan waktu. Peluruhan ini diikuti

dengan pelepasan energi-energi radiasi diantaranya radiasi α, β dan γ. Sehingga

nilai aktivitas yang besar berarti zat radioaktif melepaskan sejumlah energi radiasi

yang besar. Dan telah diketahui juga bahwa respon detektor yang dilengkapi

dengan sejumlah perangkat elektronik akan sebanding dengan besarnya energi

yang mengenai detektor tersebut. Jika hubungan antara aktivitas sampel dengan

laju cacah disajikan dalam bentuk grafik akan kurva kalibrasi seperti berikut :

Gambar 32 : Kurva kalibrasi detektor untuk sampel 131I

Kurva kalibrasi tersebut memiliki persamaan y=0,017x-6,4 dan korelasi R=0,985,

dimana y adalah laju cacah dan x merupakan aktivitas sampel. Karena aktivitas

dan laju cacah sebanding, maka kurva kalibrasi yang dihasilkan seharusnya

berbentuk linier. Akan tetapi pada kurva kalibrasi tersebut, data-data yang

28

letaknya di bagian akhir sedikit menyimpang dari garis linier. Penyimpangan ini

kemungkinan disebabkan oleh posisi sampel radioaktif yang tidak tepat

menghadap detektor sehingga mengurangi ketepatan hasil pengukuran.

Adapun untuk batas deteksi terendah, perhitungannya dilakukan

menggunakan persamaan 3. Dari persamaan tersebut, nilai batas deteksi terendah

dipengaruhi oleh standar deviasi cacah latar (σB). Nilai cacah latar yang diperoleh

pada pengukuran spektrometer gamma adalah sebesar 0,0013 cps. Setelah nilai ini

dimasukan ke persamaan 3 diperoleh batas deteksi terendah dengan nilai 2,72 cps

untuk selang kepercayaan 95%. Jika nilai ini dimasukan ke persamaan kurva pada

Gambar 32, maka hasilnya setara dengan 536,5 Bq. Nilai batas deteksi terendah

ini tergolong cukup kecil dan ini disebabkan karena pengukuran sampel radioaktif

yang dilakukan menggunakan pelindung yang terbuat dari timbal (Pb) setebal 5

cm, sehingga menghalangi radiasi dari lingkungan yang menuju detektor dan tidak

akan mempengaruhi respon detektor.

29

DAFTAR PUSTAKA

Ardisasmita, Syamsa, Pengembangan Spektrometer Sinar-Gamma Dengan Sistem

Identifikasi Isotop Radioaktif Menggunakan Metode Jaringan Syaraf

Tiruan, Pusat Pengembangan Teknologi Informasi dan Komputasi –

BATAN.

Bunawas dkk, 2006, Pengembangan Wbc Mobile Untuk Pemantauan

Kontaminasi Interna Pada Kedaruratan Nuklir di PTKMR-BATAN,

Prosiding Seminar Nasional Keselamatan, Kesehatan dan Lingkungan II,

Puspitek Serpong.

Candra dkk, 2009, Pembuatan Sumber Standar 133Ba Sebagai Simulator 131I,

Prosiding Seminar Nasional ke-15 Teknologi dan Keselamatan PLTN

Serta Fasilitas Nuklir, Surakarta.

Debertin, K. & Helmer, R.G, 1988, Gamma and X-Ray Spectrometry with

Semiconductor Detectors,Elsevier Science Publishers B.V, Amsterdam.

Floyd, Thomas, 2001, Electronics Fundamentas, Circuits, Devices, and

Applications 5th edition, Prentice Hall, New Jersey.

Fishbane dkk, 2005, Physics For Scientist And Engineers With Modern Physics,

Pearson Prentice Hall, New Jersey

Gautreau, Ronald & Savin, William, 2006, Schaum’s Outlines Fisika Modern

Edisi Kedua, Erlangga, Jakarta.

Giancoli, Douglas, 2005, Physics, Principles with Applications 6th edition,

Pearson Prentice Hall, New Jersey.

Knoll, Glenn F, 2000, Radiation Detection and Measurement 3th edition, John

Wiley and Son.Inc, New York.

Krane, Kenneth S., 2008, Fisika Modern, UI-Press, Jakarta.

Kristiyanti, 2009, Analisis Perhitungan Aktivitas Iodium untuk Diagnosis Pasien

Tiroid, Proseding Pertemuan Ilmiah Rekayasa Perangkat Nuklir PRPN-

BATAN, Serpong.

Maestro-32 User Manual, 2006, ORTEC, USA.

Martin, James E, 2006, Physics for Radiation Protection, A handbook 2th edition,

JohnWiley and Son, USA.

30

Malvino, Paul A, 1985, Aproksimasi Rangkaian Semikonduktor; Pengantar

Transistor dan Rangkaian Terpadu edisi keempat, Erlangga, Jakarta.

Susetyo, Wisnu, 1988, Spektrometri Gamma dan Penerapannya Dalam Analisis

Pengaktifan Neutron, Gadjah Mada University Press, Yogyakarta.

Tedjasari, Suminar R, 1994, Kalibrasi Alat Cacah Seluruh Tubuh untuk

Pencacahan Kelenjar Gondok, Prosiding Presentasi Ilmiah Keselamatan

Radiasi dan Lingkungan, Jakarta.

Tsoulfanidis, Nicholas, 1995, Measurement and Detection of Radiation 2th edition,

Taylor & Francis, Whasington DC.

Wardana, wisnu, 2007, Teknologi Nuklir Proteksi Radiasi Dan Aplikasinya, Andi

Yogyakarta.

Young & Freedman, 2008, University Physics with Modern Physics 12th edition,

Pearson Adison Wesley, New York.