meneliti celah nano antar atom yangterdapat dalam material.

Endra Susila, dkk. - Studi Literatur Penggunaan Emisi Positron Dalam Bidang Uji Tak Rusak

STUDI LITERATUR PENGGUNAAN EMISI POSITRONDALAM BIDANG un TAK RUSAK

ABSTRAK

Endra Susila, Widodo Soemadi, Suparno, Sutrasno, Sugito"

Dilakukan studi literatur mengenai uji tak rusak menggunakan emisi positron .. Studiliteratur yang dilakukan meliputi sumber radiasi pemancar positron, proses interaksipositron dengan materi, teknik pengujian, sistem spektroskopi dan jenis materialserta cacat yang dapat diuji. Hasil studi literatur disusun dalam suatu makalah.

Pendahuluan

Sampai saat ini metode uji tak rusakyang dikembangkan di PusdiklatBATAN terbatas pada pendeteksiancacat makro menggunakan teknikradiografi, ultrasonik, magnetik partikeldan penetran. Sehingga perludikembangkan metode lain yang mampumendeteksi cacat berukuran mikro ataunano antara lain metode emisi positron.Pengembangan diawali dengan studiliteratur dari website dan diktatInterregionalRadiationApplication

Training Course onMeasurements, and

Teori

a) Positron

Positron (e+) adalah antipartikel daripartikel elektron (e'), memilliki massasarna tetapi muatannya berlawanan.Positron dapat terikat oleh elektronmembentuk ikatan semi stabil yangdisebut positronium. Positroniumukurannya sarna dengan hidrogendengan umur beberapa nano detiktergantung jenis spin kedua partikelterse but dan dapat digunakan untuk

•StafPusat Pendidikan dan Pelatihan - BATAN

Sumber positron yang biasanyadigunakan adalah Na-22 yang berupasenyawa Natrium asetat atau NaCI,persamaan peluruhannya :

Na-22 ~ Ne-22 + e+ +y(1,28 MeV).(1)

Positron dan sinar y dipancarkan secarahampir bersamaan dengan intervalwaktu tidak lebih dari 10-11 detik.Positron berenergi tinggi yangdilepaskan dari sumber positron masukke dalam material dengan cepat (2 - 3pikodetik) mengalami thermalisasidalam material. Jangkauan (penetrasi)positron dalam material padat 0, I - 1mm. Oleh karena itu kemampuanpositron untuk mendeteksi cacat materialhanya pad a daerah permukaan (surface)dan sub permukaan (sub surface) denganjenis cacat terbuka maupun interna yangberukuran mikro.

b) Spektroskopi Positron dalamMaterial

Positron dan elektron jika bertumbukanakan menghasilkan foton pada peristiwaannihilasi. Elektron yang berinteraksidapat berasal dari elektron bebas (free

7

Widyanuklida, Vol. 7, No.2, Desember 2006.

electron) dan elektron yang terikat padaion suatu atom (bound electron).

Tampang lintang (cross section)annihilasi foton dihitung oleh P. Diracdengan pendekatan non relativistik.Tampang lintang bertambah denganberkurangnya kecepatan relatif (v) daripartikel yang bertumbukan seperti padapersamaan berikut :

2 CCY2y=CYD=JrrO _ (2)V

02,,( 0D = tampang lintang annihilasifoton

ro radius elektron klasikc kecepatan cahayav kecepatan partikel

Untuk nilai v mendekati nol, maka nilai0D mendekati tak terhingga (infinitif).Bagaimanapun laju (rate) terjadinyaannihilasi positron AD cenderungterhingga:

AD = CY0 V fie = Jr rg C fie (3)

AD : laju annihilasi positronn, : konsentrasi elektron0D : tampang lintang annihilasi fotonv : kecepatan partikelc : kecepatan cahayaro : radius elektron klasik

Annihilasi elektron - positron terjadij ika momentum dan hukum kekekalanenergi terpenuhi, yang dapat dinyatakandengan rumus :

k, + k2= P = 2mv (4)

kl dan k2 : momentum fotonp : momentum pasangan elek-

tron - positronv : kecepatan pusat massa

pasangan elektron - positrondimana:

8

m=gmo (5)

-2

mo : rnassa diam elektron

Untuk partikel dengan kecepatan cahayamaka persarnaan rnenjadi :

.HH·····(6)

E :energi pasangan elektron - positron

Persarnaan 4 dan 6 menyatakan bahwajika pusat rnassa pasangan partikel padasistem koordinat labora tori urn adalahtetap (v = 0), dua foton hasil akanterpancar berlawanan arah dengan sudutmendekati 1800 dengan energi sarna :

Jika v :f:. 0, maka sudut antara dua fotontidak sarna dengan 1800 dan energinyatidak sarna dengan 0,511 MeV. Olehkarena itu dalam menentukan arah fotonperlu rnelakukan perubahan arahdetektor ke berbagai sudut sehinggadiperoleh intensitas yang optimal.Umur positron dalarn materialtergantung densitas atau kerapatanelektron dalam area annihilasi positrontersebut. Pada bagian material yangrnengalami kekosongan (void)mengakibatkan tidak adanya elektronpada bagian tersebut, sehinggga umurpositron menjadi lebih lama. Olehkarena itu ukuran celah atau ruangkosong antar atom atau kristal di dalammaterial rnenentukan umur positron:

l' =!(1__ R_ + !Sin 2,.R )-1 (7)2 R+6R 2 R+6R

R : jari - jari ruang kosongLlR :teballapisan elektron (= 0,166 nm)

Somieski, et all meIakukan pengujianmenggunakan sumber Na-22 denganaktivitas 1511Ci. Sumber dibungkusdengan aluminium foil setebal 211m.Waktu resolusi (time resolution) 250 ps.Material uji berupa besi murni yangmengalami uji tarik. Skema rangkaianalat spektroskopi untuk uji tak rusakterlihat pada gambar Ia.V. 1. Grafutin dan E. P. Prokop'evmelakukan pengujian dengan susunanperalatan seperti pada gambar lb.

Endra Susila, dkk. - Studi Literatur Penggunaan Emisi Positron Dalam Bidang Uji Tak Rusak

Dari persamaan di atas dimungkinkanuntuk memperoleh informasi adanyacacat pada material. Hubungan antarakekosongan yang terdapat pad a interfacekisi-kisi atom atau kristal suatu materialdengan umur positron dapatdigambarkan secara skematis.

Uji Tak Rusak Dan Hasil

c) Teknik Pcngujian

Teknik pengujian dilakukan meng-gunakan sumber positron denganmengukur radiasi annihilasi. B.

Gambar lao Instalasi untuk menentukan umur positron.I

•• I fEE ·.'2 •

••'1 .'

1. sumber positron Na-223 & 4. cfet~ktOf sintilasi6 MeA

,.•> •

2.blmda uji5 lime to analog converter

Gambar lb. Instalasi untuk menentukan umur positron

9

Widyanuklida, Vol. 7. No.2. Desember 2006.

Hasil pengujian dengan menggunakanalat pada gambar 1a terhadap materialbesi mumi terlihat pada gambar 2. Hasilmenunjukkan kenaikan umur positronsecara signifikan pada tegangan tarikmulai 10%.

Gaya tarik mengakibatkan deformasipada lokasi yang mengalami lelah(fatigue) sehingga mengakibatkanadanya kekosongan atau celah antaratom atau kristal yang menyebabkanumur positron bertambah besar .

KesimpulanDari studi literatur teknik uji tak rusakdengan metode annihilasi positron dapatdilakukan di Pusdiklat BATANmenggunakan susunan peralatan sepertipada gambar lb. Pemilihan miberdasarkan ketersediaan peralatan dansumber positron.

• tIps)180 i110

160

1SO140

130120110

200

1SO100

o10% 20% 50% 80%

e (% of tenIiIe strain)Gambar 2. Umur positron dalam besi mumi setelah mengalami tegangan tarik

(tensile) dan diagram tegangan tarik besi mumi

Gambar 3. Skema dua dimensi kristal dalam material nano kristal. Berbagaikekosongan dan hubungannya dengan umur positron. (1) 'tl = (180 ± 15) ps, (2) 't2

= (360 ± 30) ps, (3) 1000 ps ~ 't3 ~ 5000 ps.

10

Endra Susila, dkk. - Studi Literatur Penggunaan Emisi Positron Dalam Bidang Uji Tak Rusak

DAFTAR PUSTAKA

1. Anonim, Interregional Training Course on Radiation Measurements. and Application.

IAEA,1997.

2. B. Somieski, R. Krause-Rehberg, et all., Application of the Positron Lifetime

Spectroscopy as Method of Non-Destructrive Testing. Journal de Physique IV, Colloque

CI, supplement au Journal de Physique III, Volume 5, Janvier 1995.

3. V. I. Grafutin, E. P. Prokop'ev, Instruments and Methods of Investigation: Positron

Annihilation Spectroscopy in Materials Structure Studies, Uspekhi Fizicheskilkh Nauk,

Russian Academy of Sciences, 2002.

4. Jerzy Dryzek, Fine-Grained Material and Diffusion Trapping Model,

http;llpositron.physik.uni-halle.de/panetiapplications/grains!diff trap model.html,2006.

5. S. U. Fassbender, W. Karpen, et all, NDE Fatigue on Metals Thermography. Acoustic

Microscopy and Positron Annihilation Method, http://www.

ndt.netiarticle/wcndtOO/papers/idn319/idn319.htm, 2006.

6. Anonim, Positron Annihilation Lifetime Spectroscopy. http;llwww.uni-

muenster.de/Chemie.pclFunkelP ASlMethodslP ALSIP ALS.htrnl, 2006

11