Penelilian danPengembanganAplikasi lsolop don Radi~1, /998

TL DAN PTTL PADA KUARSA:DOSIMETRI DOSIS TINGGI UNTUK PROSES RADIASI

Muhammad Fathony

Pusat Standardisasi clan Penelitian Keselamatan Radiasi, BA TAN

ABSTRAK

TL DAN PTTL PADA KUARSA: DOSIMETRI DOSIS TINGGI UNTUK PROSES RADIASI.Termoluminesellsi (TL) dan phototranster termoluminesensi (PTTL) pacta kuarsa ternyata dapat digunakan untuk

mengukur dosis tinggi setingkat penggunaan radiasi dalam industri (proses radiasi). TL adalah pancaran sinar tampak

dari bahan zat padat yang menyerap energi radiasi, sedangkan (PTTL) adalah suatu proses transter elektron dari

perangkap (trap) yang dalam ke perangkap yang dangkal dengan menyinari bahan kuarsa alam yang sebetumnya

diiradiasi dengan gamma dan dipanasi (pada proses bacaan TL 'biasa') dengan sinar ultra-ungu. Proses PTTL sangat

berguna untuk menggali kembali informasi TL yang mungkin hilang pacta proses pembacaan TL 'biasa' akibat

kegagalan listrik dll. Pada makalah ini dibahas karakteristik d!Jsimetri TL clan PTTL pada kuarsa, serta studi

kemungkinan penggunaannya untuk dosimetri dosis tinggi dalam proses radiasi. Hasil eksperimen menunjukkan

karakteristik TL clan PTTL pacta kuarsa sangat cocok untuk dosimetri proses radiasi.

ABSTRACT

TL AND PTTL IN QUARTZ: HIGH DOSE DOSIMETRY FOR RADIATION PROCESSING.Thermoluminescence (TL) and phototranster thermoluminescence (PITL) in quartz has been proved to be able tomeasure high dose at the level of radiation application in industry (radiation processing). TL is the emission of visiblelight from a solid state material having absorbed energy of radiation, while PTIL is the process of electron transfersfrom the deep traps to the shallow ones by exposing the quartZ samples which had been irradia~d with gamma raysand heated (in the TL readout cycles) with UV light. The process is very useful to re-obtain the TL information thatmight be lost during the TL readout which probably due to electricity failure etc. This paper describes thedosimetric characteristics of PTTL in quartZ, and the possibility of its use for high dose dosimetry in radiation processing.The experimental results showed that characteristics of TL and PTTL in quartZ are desirable on their use in radiation

processing dosimetry.

PENDAHULUAN

Salah satu aplikasi radiasi yang demikian luasadalah proses radiasi. Proses radiasi saat ini menawarkanbeberapa keunggulan pada sebagian bidang ilmupengetahuan seperti: kedokteran daD farmasi, pengawetanmakanan, peningkatan kualitas bahan karel, pengolahanbahan kiInia daD produk lain yang secara luas digunakanoleh masyarakat modem. Proses radiasi mungkin dapatdilakukan tanpa mengetahui dosis radiasi YaIlg terserap olehsuatu produk, sejaull pelanggan daD produser senang denganproduk tersebut. Namun, dalam banyak kasus, seperti:sterilisasi dengan radiasi, pengawetan makanan, modiflkasipolimer; membutullkan spesifikasi dosis radiasi yang tepat.Pengukuran dosis radiasi yang diserap oleh produkmembuktikan bahwa proses tersebut dilakukan dalam suatuspesifikasi, sebab spesifikasi dosis tersebut dapat bermanfaatuntuk menyelesaikan ma&1lah yang mungkin terjadi antaraproduser atau fasilitas pelayanan iradiasi dengaIl pelangganmaupWl suatu badan pengawas atau pelindung konsumen

[I].

kualitas (quality as.\'urance) proses radiasi daD produk yangdiiradiasi, Lebih jauh lagi, dengan peranannya pacta kendalimutu (quality control) suatu produk, dosimetri yangterstandardisasi dapat menciptakan justifikasi untukpersetujuan pacta produk yang diiradiasi untuk perdagangannasional daD internasional.

Sistem maupun metode dosimetri yang digunakanuntuk mengukur dosis iradiasi pacta proses radiasimempunyai variasi yang cukup ban yak , terlepas darikeunggulan maupun kelemahan sistem dosimeter tersebut.Secara garis besar, jenis dosimeter sekunder yang secararutin digunakan dalam proses radiasi dapat dikatagorikanmenjadi dua bagian, yaitu: dosimeter kimia daD dosimeterzat padat untllk dosis tinggi. Dosimeter termoluminesensi(TLD) adalah tennasuk di dalam dosimeter zat padat, sertamempunyai keandalan presisi yang relatif paling tinggi (kurang dati 3 %) diantara yang sekatagori dosimeter zatpadat. Jenis TLD yang biasa digunakan untuk proses radiasiadalah: LiF dengan rentang dosis antar2 10~ Gy,Li2B4O7dengan rentang dosis antara 10'CaF2:Mn dengan rentang antara 10.' IiSementara itu penggunaan bahan kl t::::j ~ tennoluminesensi (TL) untuk dosimet C li-- $:/

Gy) dalam proses radiasi telah jUt 0/

Dari semuanya itu, faktor keselamatan, kesehatan,serta ekonomi merupakan hal yang sangat penting.Dosimetri merupakan parameter kunci untuk jaminan

Penelitian £tan Pengembangan Aplikasi Isotop dan Radiosi. /998

Elll..ERMANN (2). NmnUll penggUllaaIlmelOde lebih lanjutberupa phototransfer lermoluminesensi (PTTL) belumtersenluh.

selama 10 menit, guna menghapus elektron yangterperan~ap pacta peran~ap sedalam suhu tertentu.

Proses transfer elektron dapat dilakukan setelahitu dengan menyinari saInpel dengan sinar ultra-ungu yangbe~anjang gelombang masing-masing 254 nm daD 366 nm(produksi Camag, Switzerland), sesuai dengan waktu yangdiinginkan seperti 10 detik daD seterusnya. Sampelkemudian dibaca dengan alat baca TL, guna mendapatkankurva pancaran PTfL. Proses PTTLjuga dilakukan secaraberulang-ulang pacta masing-masing sampel yang sarnaguna mendapatkan data karakteristik pengulangan prosesPTfL pacta quartz.

Pancaran TL serta PTfL dideteksi oleh tabungpengganda foton EMI 9804QA yang dih~bungkan denganefectrometer Keithley model 600B.. Elektrometerdihubungkan dengan sebuah mikroprocessor BascomTurner 8110 yang dapat memproses daD menyimpan databerupa kurva pancaran. Selumh eksperimen dilakukan diUniversity of Birmingham, Inggris.

BASIL DAN PEMBABASAN

Tanggapan TL Kuarsa Alam. Kurva pancaranTL diukur sekitar 30 meDii setelah irradiasi dengan sinargamma dari 6OCO. Pada kurva pancaran yang tertera padaGambar 1, dapat dilihat terdiri alas 4 puncak-pancaranyang cukup jelas yaitu pada suhu sekitar: 110, 160,235 daD325 "C. Hal ini tidak bertentangan dengan basil yangdicapai oleh beberapa peneliti terdahulu seperti padareferensi [3] daD [5], bahwa sebenamya intensitas puncakpancaran TL secara individu agak berbeda satu denganyang lainnya. apalagi jika dibandingkan satu sampel dengansampellainnya. MCKEEVER [5] mengemukakan bahwaposisi yang pasti dari suatu puncak terkadang bervariasibergantung pada beberapa faktor seperti: tinggi-rendahnyadosis iradiasi, jenis sampel daD pengaturan alai baca TLD.

Tanggapan TL pada kuarsa alam terhadap berbagaidosis radiasi dapat dilihat pada Gambar 2. Pada gambartersebut terlihat bahwa setiap puncak pancaran TL padakuarsa alam memiliki prilaku yang tidak jauh berbedasatu dengan yang lainnya. Tingkat linieritas TL pada sampelini terdapat antara 10 sampai dengan 100 kGy, setelah itutanggapan TL mencapai titik jenuh, lihat referensi [3] dan[5]. Hal ini dapat ditafsirkan bahwa pada tingkat linieritas,belum semua perangkap elektron yang ada terisi olehelektron akibat radiasi, sampai titikjenuh. Pada titik jenuh,perangkap elektron dapat diasumsikan telah penult semua.Tanggapan TL akan menu run setelah itu, dapatdiasmllsikan bahwa telah terjadi proses kerusakan kristal(radiation damage) akibat radiasi gamma dengan dosis

tinggi.

Tennolmninesensi (TL) adalah proses pancarancahaya tampak dari suatu zat padat, seperti k~rsa, setelahmenyerap energi radiasi pengion, lalu dipanaskan. lntensitascahaya tampak tersebut sebanding dengan jmnlah energiyang diserap. Terjadinya TL dimulai dengan diserapnyaenergi radiasi oleh u'lt padat, sehingga elektronyang banyakberkuinpw di pita valensi berpindah ke pita konduksimenyeberangi pita larangan. Saat ingin kembali ke pitavalensi; elektron terperangkap oleh "trap" yang acta di pitalaranga~. Apabila zat padat tersebut dipanaskan, makaelektron di dalam "trap" memperoleh energi yang cukupuntuk membebaskan diri daD bergabung dengan "hole" dipusat luminesensi seraya memancarkan cahaya tampak.Sementara itu, P11'L adalah proses transfer elektron yangterperangkap pada "trap" yang dataln ke "trap" yang dangkaidengan menyinari zat padat dengan sinar ultraviolet.Selanjutnya pacta zat padat tersebut dapat dilakukan prosesTL biasa. P11'L ini sangat berguna untuk menggali kembaliinfunnasi TL yang hilang. Di samping itu linieritas dosisyang dihasilkan lebih baik dengan rentang dosis yang lebihpanjang dibanding TL [3,4].

Makalah ini akall membahas metode TL daD PTTLpada quartz yang penggunaannya ditujukan untukpengukuran dosis tinggi terutama pada proses radiasiindustri. Pacta makalah akan dibahas kurva pancar TL daDPTTL quartz, linieritas hubungan dosis radiasi denganmnggapall TL danPTTL, pemucatan ("fading"), daD prosespengulangan dengan UV untuk PTTL.

BAHAN DAN METODE

Bahan yang digunakan dalam penelitian ini, TLdaD PTTL, adalah kuarsa alam berbentuk batuan denganvolume sekitar 2,5 cm3. Sebagaimana dilaporkan pad areferensi [3] daD [4], pertama bahan kuarsa tersebut dicucidengan air destilasi, dilanjutkan dengan pencucianmenggunakan asam nitrat 25% selama 24 jam di dalamultrasonic bath. Setelah itu dicuci lagi dengan air destilasi,sebelum dikeringkan secara alami. Batuan tersebutkemudian ditumbuk dan disaring sehingga menghasilkanserbuk dengan diameter 75 -125 ~m.

Selat1jutnya sampel serbllk di 'annealing' dalamoven pada suhu 500 °C selama 10 menit, guna mengllapuselektron yang secara alami terperangkap pada perangkapdibawah 500 °C. Setelah itu, sampel serbuk diiradiasidengan sinar gamma dari 6OCO, guna mendapatkan test-dose sebesar 10-108 Gy. Selanjutnya sampel serbuk dicatumenjadi sejwulah sampel yang bermassa 5 mg pacta tempatsam pel aluminium yahg masing-masing berdiametersekitar 6 rom, dengan menggunakan teknik sedimentasiaseton. Untuk mendapatkan bacaan TL, sampel yangsudah kering dapat dibaca dengan alat baca TL. Untukmendapatkan kurva-pancaran TL, sampel serbuk langsungibaca dengan alat baca TL, sedangkan untuk mendapatkan

a-pancaran PTTL, sampel terlebih dahulu dipanasi diven pada suhu yang diinginkan misalnya 500 °C,

Pemucatan ("fading") pada kuarsa dapatditayangkan pada gambar 3. Pada gambar tersebut jelasterlihat bahwa puncak TL 110 °C memeiliki tingkatpemucatan yang tinggi sekali dibandingkan puncak-puncakTL lainnya. Sampai dengan 250 detik intensitas TL 'rendah'tersebut tuTUn secara eksponensial. Untuk itu sang atdianjurkan sebelum dilakukan pembacaan TLD, sebaiknyadilakukan penghapusan puncak-puncak rendah dengan

Penelilian dan Pengembangan Aplika_i I._olop dan Radiasi, 1998

kuarsa mungkin tergolong paling murah diantara semuadosimeter proses radiasi yang ada. Hal ini sangatmenjanjikai) dan dapat dibandingkan.

melakukan "pre-amlealing" di oven selama beberapa melllt,sehingga hanya diperoleh puncak-puncak yang lebih stabil.Cara lain dapatjuga diperoleh dengan menunda pembacaanbeberapa hari sampai denga satu minggu. Hal ini jugadianjurkan oleh FATHONY [3).

Tanggapan PTTL pacta Kuarsa. Seperti halnyatanggapan TL, tallggapan PTTL dapat dilihat pacta GambarI. Talnpak pacta gambar itu bahwa kurva-pancaran PTfLmembentuk tiga puncak, yaitu sekitar: 110, 160 dan 235°C. Nalnun karena satu dengall yang lainnya saling tumpangtindih, maka yang paling mudall dievaluasi adalahpuncak-pancaran pacta suhu bc1ca 110 °C. Ha.l ini tidak bertentangandengan basil daTi beberapa penulis terdahulu [3-5). Namundemikian kurva-pancaran untuk setiap puncak dapatdievaluasi dengan cara integrasi area di bawah setiap

puncak.

KESIMPULAN

Dari hasil eksperimen daD analisis di atas, dapatmemberi kesimpulan bahwa karakteristik linieritas dosis -respons TL pada quartz dapat digunakan untuk mengukurdosis radiasi tingkat proses radiasi dengan rentang dosisantara 10 -105 Gy. Namun demikian, sifat pemucatan"fading" TL quartz sebaiknya juga mendapat perhatian.

Pemucatan daD karakteristik linieritas dosis -respons P1TL pada quartz menunjukkan sifat yang lebihbaik. Pemucatan P1TL quartz dapat dikatakan tidak ada,mengingat "trap" yang digunakan sangat stabil. Sementaraitu, linieritas P1TL pada quartz adalah sangat baik denganrentang dosis antara 10 -108 Gy.

Secara umum, quartz -menggunakan metode TLdaD PITL -dapat digunakan untuk dijadikan dosimeterrelatif pengukur dosis pada proses radiasi.

UCAPAN TERIMA KASIH

Penulis mengucapkan terinla kasih kepada OFP-WE BPPT alas beasiswa, serta Batan alas izin, yangdiberikan untuk studi ini. Terima kasih juga disampaikankepadaProf. S.ADurrani danDr.G.F.Alfreydari Universityof Binningkam, UK, alas diskusi dan saran yang sangatbennanfaat.

DAFTARPUSTAKA

McLAUGHLIN, W.L., BOYD., A. W., CHADWICK,K.H., McDONALD, J.C., and MILLER, A.,Dosimetry for Radiation Processing, Taylor & Francis,London (1989).

2. Eln..ERMANN, D.A.E., .Selection of dosimeter systemsfor radiation processing of food, Proc. of Symp. onHigh Dose Dosimetry for Radiation Processil1g,Vienna 5-9 November (1990),45.

Tanggapan PTrL terlladap berbagai dosis radiasigaIllIna dapat dilihat pacta Gambar 4. Pada gambar itu,tampak setiap puncak PTTL memiliki tingkat linearitasyang serupa antara satu puncak dengan yang lainnya.Tingkat linieritas dapat dicapai dengan selang dosis antara10 sampai dengan 100 MGy.

Jika dibandingkan dengan tanggapan TL,taIlggapan PTrL menunjukkan tillgkat linieritas yang lebihbaik. Hal ini bisa dimengerti mengingat PTTL menggaliinfomlasi dari elektJ"on yang terperangkap pada peraIlgkapelektron yang dalam (>500 °C). Mudah dilnengerti pulabahwa perangkap yang dalam bersifat lebih stabildibanding dengan perangkap yang lebih dangkal. Perludijelaskan di sini bahwa elektJ"on pacta perangkap dangkallebih tidak stabil dalam hal pemudaran (fading), lihatreferensi (3) daD (5).

Gambar 5 menyajikan karakteristik PTTL denganbeberapa kali pengulangan masillg-masing sampel kuarsa.Tanggapan P1TL menurun cukup drastis sampai denganpengulangan yang ke-5 untuk semua puncak TL. Hal inidapat dijelaskan bahwa persediaan elektron yangterperangkap semakin menipis setelah setiap proses PTTL.Namun demikian tanggapan PTTL masih baik sampaidengan pengulangan yang ke-5. Setelall itu, walaupU11 stab ii,tanggapan PTrL relatifrendah, sellingga kurang baik untukdigunakan. Hal ini sesuai dengan yang dijelaskan olehreferensi (3).

Oitinjau dari segi linearitas pada karakteristik TLpada kuarsa -apalagi P1TL -antara 10 daD 108 Gy makakuarsa dapat digunakan untuk mengukur dosis radiasi

tingk.1t industJ"i, seperti pada proses radiasi. Hal ini jugadapat mengacu pacta MCLAUGHLIN ill. yang tertulis padareferensi (I) daD (6J yang menyajikan bahwa rentang dosisproses radiasi terletak antara I daD 106 Gy untuk berbagaikeperluan, mulai dari mutasi biji-bijian sampai dengansterilisasi daD penelitian bahan semikonduktor. Namundemikian untuk menambah keyakinan penggunaan kuarsadalaIn dosimetri proses radiasi perlu dilakukan pengkajianlebih lanjut dengan menekankan penggunaannya dilapangan. Oi samping itu, walaupun daTi segi linieritas dosis-respons TLO sudah terbukti, perlu juga dilakukan studiperbandingan dengan dosimeter acuan untuk proses radiasiseperti kamar pengionan. Secara ekonomi, penggunaan

3. FA THONY, M., PhD Thesis, University of Binning ham,

England (1992).

4. FA THONY, M. and DURRANI, S.A., TL and PTTL ofquartz irradiated with Au heavy ions, GSI Report92-1, Dannstadt, Gennany (1991) 249.

5. McKEEVER, S.W.S., Thermoluminescence in quartzand silica, Radiat. Protect. Dosim. 8, (1984) 81.

6. McLAUGlll..IN WL., Novel radiation dosimetrysystems,Proc. ofSymp. on High Dose DosimetJ'y for RadiationProcessing, Vienna 5-9 November (1990),3.

Pene/i/ian dan Pengembangan Ap/ikasi Is%p dan Radios;, /998

1000

I ,, ,,, "

-88

0

~

0 100 400 500

Gambar 1. Kurva pancaran kuarsa yang diberikan "test dose" 10 Gy sinar gamma dari60CO. Garis penuh ada1ahkurva pancaran TL, serta garis putus-putus adalah kurva pancaranPTTL. PTTL dilakukan denganmenyinari sampel (setelah proses TL) dengan sinar ultra-violet berpanjang gelombang 254 run.

PTTL dengan 254 nm UVIIIIII

II

0'-'"c0L 600CUCCC-

oo 400C

-+-J8-00CQ)

-+-'C 200

200 300

Pene/ilian don Pengembangan Ap/ikasi lsolop don Radias;, /998

~:::).()"--'

-.J~c0D-OCJ')CJ')c0

J-

,

1EB10 100 1000 1E4 1ES 1E6 1E7

Oasis iradiasi gamma (Gy)

Gambar 2. Tanggapan TL pada kuarsa terhadap berbagai dosis gamma antara 10 -108 Gy. Tanggapan tampaklinear antara dosis to -105 Gy, lalu menurun setelahjenuh.

Pene/ilion don Pengenlbongan Aplikasi Isalop don Rodiasi. J 998

8

7

6"

::).a"-'

-.JI-

5

4c0C-O0'0'C0

t-

3

2

'-""-.~1

..6 8.' I'I:.:' .:.:;::.':-:. ~:, ~&~..~ :r"..,-':"..".-,.-

0

-1

0 250

mE~njt

300

Gambar 3. Pemucatan ("fading") TL pada kuarsa. Tampak hanya puncak 110 DC yang mengalamipemucatan yang berarti, sementara puncak-puncak lainnya stabil.

50 100 150 200

Penelitian don Pengenrbangan Ap/ikasi /sotop don Radiasi, /998

Puncak PTTL

0 110°C.1 60 °c~ 235 °c T

120~

:J.0

~

~1= 90

~c:aa.a 600')0')c:0

,~-

1 .',T

~

,

.

, ~~.-,., -,

---6'

.onor

,

."U.,"";

Gambar 4. Tanggapall PTrL pada kuarsa terhadap berbagai dosis iradiasi gamma antara 10 daD 108 Gy.Tanggapan PTTL tampak linear antara dosis 10- 108 Gy. "Radiation damage" yang terjadi padaTL tidak berpengaruh pada PTrL.

-._,8.-,.- .~~

0 """'" """'" """'" ~ "I",oJ ~ oJ ~ oJ

1 10 100 1000 1E4 1E5 1E6 1E7 1EB 1E9

Pelle/irian dan Pengembanglm Ap/ikasi [sorop dan Radl"asi. /998

Puncak PTTL:

0 110 °c.1 60 °c~ 23~1 °c

1008 - -01

=I

T'"-" \

..\..\80

1" ." 1 \

", \

,.

"",A~

~'-"", T'.

.!

~

~0...

.T~...:.60T

0.L

\ , , ~""Q 9 6~

0U) 40.-

(/)

~

.t1.

".6 A, ". .6-

'-e.: "~..

...

.820

01 2 3 4 5 6 7

Jumlah pengulangans~

lJV9 10

Gambar 5. Karakteristik tanggapan PTTL pacta beberapa proses pengulangan masing-masing sampeldengan sinar UV. Tampak tanggapan PTTL berkurang banyak pacta pengulangan UV sampaidengan 5 x pengulangan. Setelah itu PTrL tampak stabil.

Pene/itian don Pengembangan Aplikasi J.votop don Radiasi, /998

DISKUSI

RINDYP. TANHINDARTO

1. Bagaimana ketelitian dan kestabilaIl dosimeter yangdibuat ?

2. Berapa lama masa inkubasinya dosimeter setelahiradiasi. Apakah bisa langsung diukur?

3. Kondisi pengukuran dilakukan pada suhu kanlar atausuhu rendah ?

M.FATHONY

1. Ketelitian < 5 % daD sangat stabil.2. Dosimeter dapat langsung dibaca setelah radiasi, asal

seragam waktunya.3. Pengukuran dapat dilaklikan pada suhu kamar, jika/

terutama SlUIU stabil.

RAHA YU Ch.

I. Suhu tamball tinggi, tanggapan TL tambah rendah,pertimbangan apa Anda memilih suhu IlO°C dll, sepertiyang Anda teliti ?

2. Quartz yang dari alam impuritiesnya sangat belVariasi,bagailnana dengan kondisi ini, apabiia teknologi ini akandiaplikasillkan ?

3. Sampel yang Anda gunakan, impuritiesnya berapapersen "

M.FATHONY

I. Sub" tinggi intensitas TL rendall,karella jwniah elektron

pada "trop" yang dangkaIIebih banyak daripada "trop"yang dalam. Ingat ! "trap" S dengan suhu baca TL.

2. Jika Quartz alam digunakan, maka IlaruS distandarkanberasal daTi daerall mana, karena komposisi tergantungasal Quartz.

3. Sampel saya impuritiesnya80 -10.000 ppm Fe"lO.OOO.