JFN, 2012,6 (I) 71-75

STUDI PENGGUNAAN DETEKTOR GELEMBUNG SEBAGAIDOSIMETER DAN DETEKTOR KEKRITISAN

Sjafruddin

Pusat Teknologi Bahan Bakar Nuklir - BATAN, Kawasan Puspiptek, Serpong, 15312

ABSTRAK

Suatu studi terhadap detektor gelembung untuk digunakan sebagai dosimeter dan detektorkekritisan nuklir telah dilakukan. Metoda studi adalah dengan cara menginvestigasi karakteristikdari detektor gelembung terhadap radiasi netron untuk mendapatkan kelebihannya sebagaidosimeter netron dan kemungkinan pengembangannya sebagai detektor kekritisan. Hasilinvestigasi menunjukkan bahwa detektor gelembung jenis BD-100 dan BD-100 R sensitif terhadapnetron cepat, tidak sensitif terhadap gamma, responnya cepat, dapat digunakan berulang untukjenis BD-100 R, dosis radiasi dapat dibaca secara langsung dan jumlah gelembung sebandingdengan besar dosis. Batas dosis tertinggi untuk tipe BR-100R (1.5) dan BD-100R (3.3) berturut­turut adalah 180 mrem dan 560 mrem. 1ndikator bunyi akustik yang ditimbulkan oleh interaksinetron pada tetesan mikroskopik cairan superheated dapat dimanfaatkan untukmengembangkannya sebagai detektor kekritisan nuklir.

Kata kunci : detektor gelembung, cail'an superheated, kecelakaan kekritisan.

ABSTRACT

STUDY ON BUBBLE DETECTOR AS DOSIMETER AND NUCLEAR CRITICALITY DETECTOR. A

study on bubble detector to be used as dosimeter and nuclear criticality detector has been done. Studymethod is by mean investigating the bubble detector characteristics against neutron radiation to obtain itsexpectation as neutron dosimeter and criticality detector. Investigation results shows that bubble detectortype BD-IOO and BD-IOOR have sensitive to fast neutron, not sensitive to gamma ray, rapid response,reusable (type BD-IOOR), directly reading doses and number of bubble proportional to dose. Upper limitdoses of BD-IOOR (/.5) and BD-IOOR (3.3) respectively were 180 mrem and 560 mrem. Acoustic soundindicators produced by neutron interactions on microscopic drops of superheated liquid can be used todevelop as nuclear criticality detector.

Keywords: Bubble detector, superheated liquid, criticality accident

PENDAHULUAN

Sejak dikembangkan oleh Bubble Technology Inc.dan Apfel Enterprises Company sehingga Illenjadidetektor netron yang praktis, sederhana dan cepat,detector gelembung telah memberikan harapan yangbaik sebagai dosimeter netron. Hal ini karenadosimeter netron pendahulunya memiliki beberapakekurangan yang tidak dapat dipenuhi untllkkeperluan secara lImum pad a peillakaian sebagai

Sjafruddin

dosimeter personil. Tiga jenis dosimeter personilnetron yang biasa digunakan sebelum detectorgelembung diperkenalkan, yaitu: plastic! film netrontype A (NTA film), dosimeter Albedotermoluminisensi (TLD Albedo) dan detektor jejakfisi (fission track detector) memiliki masalah pad arespon atau sensitivitas terhadap energi netron danadanya pemudaran (jading), pemakaian bahanradioaktif, perlu proses lebih lanjaut untuk membacadosis dan keterbatasan lainnya[l]. Keilludiandipromosikan dosimeter netron plastik CR-39 untuk

71

JFN, 2012,6 (1) 71-75

memenuhi kekurangan pad a dosimeter NTA film,

yaitu CR-39 memiliki keunggulan tidak sensitifterhadap radiasi gamma dan tidak ada pemudaran,tetapi tidak sensitifterhadap netron thermal.

Detektor gelembung yang dibahas dalam

tulisan ini dapat mengatasi kekurangan-kekuranganyang ada pada keempat jenis dosimeter personilnetron tersebut di atas. Pad a tulisan ini akan dikajikeunggulan detektor gelembung sebagai dosimeter

personil netron dan beberapa karakteristik detektorgelembung diperiksa untuk keperluan pemantauandosis netron. Karakteristik detektor gelembungdalam mendeteksi radiasi netron berupa bunyi(suara akustik) dan respon yang cepat (seketika)

dapat dimanfaatkan dan dikembangkan sebagaidetektor personil atau area untuk memantaukecelakaan seperti kecelakaan kekritisan bahan fisilyang memancarkan radiasi netron.

Ada empat detektor netron yang telah biasadipakai untuk keperluan proteksi radiasi ataudosimeter personil sebelum detektor gelembungdiperkenalkan sebagai dosimeter netron. Walaupuntelah secara luas digunakan, tinjauan terhadapkarakteristik keempat detektor tersebut dalammendeteksi radiasi netron tidak memberikan

kepuasan untuk digunakan sebagai dosimeterpersonil dan pemakaian secara umum. Kekuranganyang dimiliki keempat detektor netron pendahuludetektor gelembung diuraikan berikut ini.

Detektor netron TLD Albedo tidak memiliki

respon atau sensitivitas terhadap rentang energinetron yang lebar. Detektor ini tidak sensitifterhadap netron cepa!. Selain sensitif terhadapnetron thermal, TLD Albedo juga sensitif terhadapradiasi gamma. Jadi untuk mengukur radiasi netronthermal melalui reaksi dengan unsur Li6 dalamTLD, TLD Albedo harus dikombinasikan dengan

pasangannya yang sensitif terhadap radiasi gammasaja (TLD Li7) untuk eliminasi dosis radiasigamma.

Detektor netron NTA film tidak sensitif

terhadap netron thermal dan sensitif terhadapradiasi gamma. Kekurangan lain dari NTA filmadalah adanya pemudaran dari hasil pemantauanpada film sehingga harus ditangani secara hati-hati.

Detektor jejak fisi memiliki respon yang baik

terhadap rentang energi netron dari energi thermalsampai cepat dan tidak sensitif terhadap radiasigamma, namun kekurangannya adalah adanya

penggunaan bahan radioaktif sehingga memberikantambahan dosis pad a personil saat

menggunakannya. Oleh sebab itu penggunaandetektor jejak fisi ditinggalkan sebagai dosimeterpersonil, tetapi tetap dipertahankan sebagai detektorpemantau area kerja.

Detektor netron CR-39 berhasil mengatasi

beberapa kekurangan dari detektor NTA film. CR­39 tidak sensitif terhadap radiasi gamma dan tidak

ada problem fading, namun detektor ini hanya

Sjafruddin

sensitif terhadap netron cepa!.Dari segi pendeteksian radiasi netron dapat

dikatakan bahwa persyaratan dosimeter netron yangdiinginkan adalah memiliki sensitivitas yang lebarpada rentang energi netron, yaitu mulai dari energinetron thermal sampai cepat, dan tidak sensitifterhadap radiasi gamma. Di antara karakter keempatdetektor netron di atas hanya detektor jejak fisiyang memenuhi persyaratan, namun adanya

pemakaian bahan radioaktif menyebabkan detektorini tidak cocok sebagai dosimeter untuk keperluanpersonil.

Kekurangan mendasar dimiliki keempatdetektor netron di atas adalah bahwa untuk

membaca dosis radiasi diperlukan proses lebihlanjut dan alat bantu pembaca dosis serta tidakdapat digunakan secara berulang. Kekurangan inimenyebabkan biaya operasional meningkat,memerlukan waktu untuk membaca dosis dan tidak

praktis.Detektor gelembung dapat mengatasi semua

permasalahan di atas. Selain memiliki responterhadap rentang energi netron dari termal sampai

cepat, detector relembung tidak sensitif terhadapradiasi gamma 2). Sebagai dosimeter netronpersonil, detektor gelembung memiliki responenergi netron yang dekat dengan kurva dosisekivalen yang direkomendasikan InternationalCommission on Radiation Protection (ICRP)[3].Detektor ini tidak mengandung bahan radioaktif,tidak ada masalah pemudaran, dapat digunakanulang untuk jenis tertentu, memiliki respon yangcepat (seketika), dosis netron dapat dibaca secaralangsung tanpa perlu proses lebih lanjut, kecil danringan (silinder dimensi: diameter 16 mm, tinggi 80mm dan berat 20 g) sehingga dapat dikaitkan padasaku baju kerja dan praktis dalam penggunaannya.Dalam tulisan ini diperiksa karakteristik lain daridetektor gelembung untuk keperluan penggunaan

sebagai dosimeter dan detektor kekritisan.Detektor gelembung dikembangkan

berdasarkan prinsip kerja dari kamar gelembung(bubble chamber) yang ditemukan fisikawan D.A.Glaser pada tahun 1952. Pada alat ini gelembungyang terbentuk akibat radiasi pengion dapatbergerak dalam cairan sensitif menuju permukaancairan sehingga lepas ke udara. Saat gelembungterbentuk, gambarnya diambil dengan kamera fotountuk keperluan menghitung dosis radiasi.

Perkembangan pesat pad a detektor radiasipengion seperti detector Geiger llvfu//er,Proporsional Counter dan Kamar lonisasimenyebabkan prinsip kerja kamar gelembung tidakpopular. Pad a tahun 1979 muncul ide dari R.E.Apfel untuk memperbaiki prinsip kerja kamargelembung sehingga dapat digunakan secara praktissebagai detektor pengukur radiasi. Apfelmengusulkan untuk menjebak gelembung yangterbentuk akibat radiasi pengion dalam suatu media

72

JFN, 2012,6 (1) 71-75

semi padat transparan (gelatin) sehingga gelembungtersebut tidak bergerak dan tetap pada posisiterbentuknya. Gelembung kasat mata yang terjebak

dalam media gelatin transparan dapat dihitungsecara langsung untuk menentukan besamya dosisdari radiasi pengion. Ide ini berhasil dilaksanakansehingga terbentuk detektor jenis baru yang disebutdetektor gelembung. Selanjutnya detektor ini ditelitikarakteristiknya untuk berbagai keperluandiantaranya untuk dosimeter netron personil.

Detektor gelembung yang dikenal sebagaiBubble Detector (BD) untuk nama dagang dariBubble Technologi Inc. (BTI) atau SuperheatedDrop Detector (SDD) untuk nama dagang dariApfel Interprises terbuat dari bahan semi padatseperti polimer atau gel sebagai media perangkapgelembung. Dalam gel tersebar secara merata

tetesan-tetesan kecil (diameter sekitar 25 ~lm) cairanyang sensitif terhadap radiasi. Setiap tetesanindependen (tidak terhubung dengan tetesanlainnya) sehingga gelembung yang terbentuk,terperangkap dan kasat mata dapat dihitung denganmudah.

Jenis cairan sensitif radiasi atau dikenal sebagai

superheated liquid dalam detektor gelembungmenentukan karakteristik pendeteksian radiasi.Untuk detektor yang sensitif terhadap netronumumnya digunakan cairan Freon sebagaisuperheated liquid. Ada empat jenis bahansuperheated liquid yang telah diselidiki seperti yangditampilkan pada table berikut, namun hanya jenisFreon-I2 yang memiliki sensitivitas baik terhadaprentang energi netron dari thermal sampai cepat.

Tabel-l. Sifat fisika bahan superheated liquid detector gelembung pada temperature ruangl2J•

Nama

DagangFreon-I 2

Freon-II4Freon-I42B

Isobutana

RumusKimia

CCI2F2

C2CI2F4

C2H3CIF

C4HIO

Titik

Didih (0C)- 29,8

3,5-9,3

-11,7

Tekanan Uap

(atm)5,81,93,03,1

Kerapatan

(g/cm3)1,31,51,10,6

Rentang Energi

Netron (MeV)2,5 x 10-8 sampai 14,0

5,9 sampai 14,03,0 sampai 14,0

2,0 sampai 14,0

B adalah laju pertumbuhan gelembung

(gelembung/detik), IjJ dan V berturut-turut adalahfluks netron (netron/cm2 -detik) dan volume total

cairan sensitif (cm\ cr(En) adalah penampanglintang (cross section) reaksi sebagai fungsi darienergi netron, No adalah bilangan Avogadro, p

adalah kerapatan massa cairan sensitif (g/cm3) dan!'viadalah berat molekul. B proporsional dengan lajudosis radiasi netron atau dengan kata lain jumlahgelembung yang terbentuk sebanding denganbesarnya dosis netron. Berdasarkan persamaan diatas dapat dilihat bahwa sensitivitas dari detectorgelembung dapat diatur dengan variasi volumecairan sensitif dan sensitivitasnya akan berkurangdengan menurunnya volume cairan sensitif ataumenurunnya jumlah tetesan cairan di dalam

detektor. Dengan demikian detektor gelembungmemiliki batas pemakaian yang ditandai batasakumulasi dosis tertinggi yang mampu dideteksi(upper limit dose) akibat berkurangnya jumlahtetesan. Pada tulisan ini juga diperiksa batas dosis

tersebut dan karakteristik lainnya untuk keperluandosimetri dan detektor kecelakaan.

Prinsip pendeteksian radiasi netron padadetektor gelembung merupakan peristiwa reaksiantara netron dengan cairan sensitif sehinggamenyebabkan cairan tersebut mendidih, menguapdan meletus sehingga terbentuk gelembung yangterperangkap dalam gel dalam waktu yang sangatsingkat. Bila yang menumbuk cairan sensitif adalahnetron thermal maka terbentuk partikel bermuatansekunder (secondary charge particle) seperti reaksinuklir berikut:

(1)

Proton (p) yang terbentuk dalam reaksi nuklirtersebut dengan energi 615 ke V mampumendidihkan cairan sensitif sehingga meletusmembentuk gelembung. Bila yang menumbuk

cairan sensitif adalah netron cepat maka terjadiperistiwa hamburan elastik (elastic scattering) yangmenghasilkan inti rekoil (recoil nucleus) berenergi.Inti rekoil menumbuk elektron pada atom danelektron berenergi tersebut dapat mendidihkancairan sensitif sehingga meletus membentukgelembung. Peristiwa ini yang dikenal sebagaiSpike Theory[2).

Untuk menghitung dosis radiasi netron suatu

model persamaan matematis berikut digunakan:

B = IjJ V cr(En) No pi M. (2)

Sjafruddin 73

JFN, 2012, 6 (J) 71-75

METODE

Eksperimen Pemeriksaan Karakteristik OetektorGelembung.

Pemeriksaan karakteristik detektor gelembungdilakukan terhadap dua jenis detektor, yaitu BO-I 00dan BO-I OOR yang pada label detektor tertera BO­100 (2.7), BO-IOOR (1.5) dan BO-IOOR (3.3).Angka dalam kurung menandakan sensitivitasdetektor gelembung dalam satuanmrem/gelembung. Masing-masing jenis dansensitivitas tersedia tiga buah detektor sehingga adasembi Ian detektor yang digunakan. Suatu alatpengompres juga digunakan untuk menghilangkangelembung yang terjebak di dalam gel. Oetektordisinari dengan sumber radioaktif pemanear netroneepat Cf252 yang diketahui emisi fluksnya padajarak 20 em, 30 em dan 40 em dari sumber tanpaada yang menghalangi. Variasi posisi penyinaranjuga dilakukan terhadap detektor dan penyinarandilakukan selama dua jam. Temperatur ruangantempat penyinaran juga dijaga stabil karena ternyatasensitivitasnya juga dipengaruhi oleh temperaturruangan. Oalam eksperimen ini dilakukanpenyinaran pada temperatur sekitar 20 - 21°C.

Suatu grafik sensitivitas terhadap temperatur dariprodusen detektor juga digunakan untukpelaksanaan eksperimen. Selesai penyinaran jumlahgelembung kasat mata dalam gel transparandihitung jumlahnya dan dikonversikan ke dalamsatuan dosis netron (mrem). Untuk pemakaianselanjutnya kedua jenis detektor diberi tekanan

menggunakan alat pengompres genggam agargelembung hilang sehingga tidak menyulitkanpenghitungan gelembung dari hasil penyinaranberikutnya.

HASIL DAN PEMBAHASAN

Hasil pengamatan terhadap karakteristik detektor

gelembung yang digunakan menunjukkan bahwakedua jenis detektor sensitif terhadap radiasi netroneepat yang berasal dari sumber radioaktif Cf252.Pengamatan respon detektor terhadap netronthermal tidak dilakukan karena keterbatasan sumber

penyinaran. Setelah penyinaran netron, padadetektor terbentllk gelembung-gelembung yangdapat dihitllng seeara langsllng seperti terlihat pad aGambar I. Perkalian jumlah gelembllng pad adetektor dengan angka sensitivitas yang tertera pada

label detektor merllpakan besarnya dosis radiasinetron yang diterima detektor.

Sjafruddin

Gambar 1. Detektor gelembung sebelum (kiri)dan sesudah (kanan) penyinaran dengan netron

Gelembllng terperangkap dalam gel transparansehingga dapat dihitung seeara langsllng.Karakteristik lain yang teramati adalah bahwarespon detektor gelembllng (dalam hal ini jumlahgelembung) terhadap variasi dosis radiasi netronadalah sebanding (proporsional) dan diperolehkurva yang lurlls untllk sejumlah akumulasi dosis.Namlln pada jllmlah dosis tertentu kllrva menjaditidak linier akibat berkurangnya jumlah tetesan­tete san eairan sensitif di dalam detektor. Hasil

pengamatan menunjllkkan bahwa batas dosis

tertinggi (upper limit dose) dari detektor gel em bungadalah 180 mrem untuk tipe BO-I OOR (1.5) dan 560mrem untuk tipe BO-IOOR (3.3i4J• Setelahmeneapai dosis tersebut sensitivitas detektorberkurang seeara tajam sehingga tidak dapatdigllnakan kembali. Sedangkan lIntuk tipe BO-IOOtidak dilakukan pemeriksaan batas dosis tertinggikarena kesulitan saat menghitung jumlahgelembllng.

Oari dua jenis detektor yang diperiksakarakteristiknya, tipe BO-100R dapat dipakai ulangdengan eara memberikan kompresi ke dalamdetektor lIntuk menghilangkan gelembllng yangslldah terbentllk, sedangkan tipe BO-I 00 tidak dapatdihaplls gelembllngnya walall telah diberi kompresi.Oengan demikian huruf R pada label detektor

menllnjukkan bahwa detektor tersebllt dapat dipakai1Iiang (reusable).

Karakteristik yang menarik perhatian terhadappenggllnaan detektor gelembllng adalah adanyasllara akustik saat eairan sensitif meletlls akibat

interaksi netron. BlInyi "tik" yang dipanearkandetektor saat tete san sensitif meletlls dapatdimanfaatkan lIntllk menghitllng jllmlah gelembllngyang terbentuk(5] selain dengan eara menghitunglangsung. Namlln untuk pengembangan lebih lanjutdan lIntllk memperillas penggllnaan detektorgelembllng dalam pendeteksian radiasi,

74

JFN, 2012,6 (1) 71-75

Onmidirecriolwl microphone(diam: 6 mm)

\.\1~\ Il\...-.;j'''-.J

\ .

"'-./'

Gambar 2. Blok diagram sistem deteksiPendeteksi kecelakaan kekritisan menggunakan

detektor gelembung

karakteristik suara akustik dan respon yang seketika

tersebut dapat juga dimanfaatkan untuk keperluanpemantauan kecelakaan yang memerlukan responyang cepat pula. Detektor gel em bung tipe BD-IOOatau BD-IOOR memungkinkan untuk digunc:kan

sebagai detektor pemantau kecelakaan radiasi,khususnya detektor kecelakaan kekritisan yangmemancarkan radiasi netron baik untuk personil

maupun area. Detektor dapat dikombinasikandengan suatu suatu mikrofon untuk menangkapsuara akustik dan kemudian diperkuat denganamplifier dan disalurkan ke alat indikator suara(speaker headset atau sirine). Desain blok diagramsistem deteksi kecelakaan tersebut dapat dilihat

pada Gambar-2.

Ge1embung ----toRadiasinelron --+

r Sirine(area)Pens,at ;uara(ampi?1er~

L.r ~ I ,H~'~'"DellktorGekmbung(diam: 16mm)

KESIMPULAN

Berdasarkan hasil studi yang dilakukan dapat

disimpulkan bahwa detektor gelembung cocokdigunakan sebagai dosimeter personil karenakeunggulan sensitivitas terhadap rentang energinetron dari thermal sampai cepat serta tidak sensitifterhadap radiasi gamma. Keunggulan lainnya adalahkemudahan penggunaan seperti praktis, tidakmemerlukan proses lanjut untuk membaca dosis,dapat dipakai ulang (BD-I OOR) dan memiliki responcepat sehingga cocok juga untuk digunakan sebagaidetektor kecelakaan.

Hasil pemeriksaan terhadap karakteristikdetektor gelembung menunjukkan bahwa jumlah

gelembung yang dihasilkan dari radiasi netronproporsional dengan besar dosis yang diterima danpada akumulasi dosis tertentu responnya linear.Respon berkurang secara tajam setelah mencapaiupper limit dose sebesar 180 mrem untuk BD-l OOR(1.5) dan 560 mrem untuk BD-I OOR (3.3).

Untuk keperluan pengembangan sebagaidetektor kecelakaan, khususnya kecelakaankekritisan yang memancarkan radiasi netron makadetektor gelembung memungkinkan untukdigunakan. Desain yang disampaikan dalam tulisanini memungkinkan untuk direalisasaikan (dibuat)karena komponen-komponen untuk itu tersedia saatini di pasar.

DAFTAR PUSTAKA

Mekanisme sistem pendeteksi kecelakaan sepertidiagram di atas adalah ketika netron menumbuktetesan larutan sensitif secara spontan tetesanmeletus dan mengeluarkan bunyi akustik yangditangkap oleh omnidirectional microphone. Iniadalah mikrofon yang hanya menangkap bunyi darisatu arah sehingga tidak terpengaruh oleh suara darisisi-sisinya. Mikrofon yang berukuran kecildipasang pad a bagian atas detektor gelembungmampu menangkap suara dengan frekuensi 20 Hz ­I KHz. Mikrofon seperti ini telah tersediadipasaran saat ini. Suara yang ditangkap olehmikrofon diperkuat oleh suatu amplifier dandisalurkan ke sistem sirine untuk pemantauan areaatau ke headset untuk dipakai oleh personil. Desainseperti walkman memungkinkan dibuat dandigunakan oleh personil untuk mengetahui dengancepat adanya peristiwa kecelakaan kekritisan.Dengan adanya indikator suara yang didengarpersonil, dalam situasi kecelakaan personil dapatmelakukan tindakan segera untuk evakuasimenghindari sumber kecelakaan atau sumber radiasinetron.

Sjafruddin

I. Griffith R.Y. et. ai, Recent Developments in

Personnel Neutron Dosimetry: A Review,Health Physics, Vol. 36 (1979) 235-260.

2. Apfel, R.E., Photon Insensitive, Thermal to

Fast Neutron Detector, Nuclear Instrument

Method, Vol.l97 (1981) 615-616.

3. Apfel R.E., Investigation on the Applicability

of Superheated Drop Detector in Neutron

Dosimetry, Nucl. Instr. Meth. in Physics

Research, Vol.219 (1984) 582-587.

4. Sjafruddin, T. Iguchi, M. Nakazawa,

Investigation on the BD's Characteristics as

New Type Neutron Detector, Proc. 3rd

Scientific Meeting ATOM'94 (1994) 299-305.

5. Biro T. et. aI, Acoustic Detection of Neutrons

by Bubble Detector, IntI. Jour. of Rad. Appl.

and Instrumentation, Part D: Nuclear Track

and Radiation Measurements, Vol.17 (] 990)587-589.

75