PERHITUNGAN YIELD DAN DISTRIBUSI SUDUT NEUTRON ...

362 ISSN 0216-3128 Saefurrochman, dkk.

PERHITUNGAN YIELD DAN DISTRIBUSI SUDUT NEUTRONPADA GENERATOR NEUTRON

Saefurrochman, SilakhuddinPusat Teknologi Akseleratordan Proses Bahan, BATAN

ABSTRAK

PERHITUNGAN YIELD DAN DISTRIBUSI SUDUT NEUTRON PADA GENERATOR NEUTRON.

Karakteristik keluaran neutron dari reaksi D-T pada generator neutron yaitu yield maksimum,kebergantungan energi dan intensitas neutron sebagai fungsi sudut telah ditentukan melalui perhitunganperhitungan. Perhitungannya dengan menggunakan persamaan-persamaan teori kinematika tumbukan duapartikel. Dengan target tritium 5 Ci dan arus deuteron I mA diperoleh yield maksimum sebesar 7,5 x lOwn/detik. Distribusi sudut dari energi neutron di antara 00 dan 180 0 adalah 14,962 Me V hingga 13,229 Me V.Distribusi intensitas pancaran neutron mempunyai maksimum pada 00 dan minimum pada 1800 denganselisih antara keduanya to %. Data-data ini akan berguna untuk menentukan proses aplikasi lebih lanjut.

Kata kunci: reaksi D-T, yield neutron, distribusi sudut energi neutron, distribusi sudut intensitas neutron

ABSTRACT

CALCULATION OF NEUTRON YIELD AND ANGLE DISTRIBUTIONS ON GENERATOR NEUTRON. The

emergent neutron characteristic of D-T reaction on neutron generator namely: maximum yield, dependenceneutron energy and intensity as a function of laboratory angle have been determined by calculations. Thecalculations using equations of kinematics theory of two bodies collision. By using 5 Ci tritium target and ImA deuteron, it has been obtained a maximum yield in order of 7.5 x 1010 n/s. The angle distribution ofneutron energy between 0 ()and 180 () is 14.962 Me V to 13.299 Me V. The distribution of neutron intensityhas maximum value at 0 0 angle and minimum value at 1800 angle, with difference of 10 %. The datas willbe useful for thefurther applications.

Key words: D-T reaction, neutron yield, angle distribution for neutron energy, angle distribution forneutron intensity.

PENDAHULUAN

Penggunaan generator neutron sebagai sumberneutron baik untuk tujuan analisis pengaktivanneutron maupun reaksi transmutasi (termasukpembentukan radioisotop) memerlukan informasitentang karakteristik yang akurat dari sumbertersebut. Pancaran neutron dari reaksi penembakanion-ion deuteron pada target tritium atau disingkatdengan reaksi D-T mempunyai energi tunggal padasudut pancaran tertentu tetapi besamya terdistribusimenurut sudut pancaran. Intensitasnya juga tidakhomogen ke semua sudut pancaran. Ketidakseragaman energi dan intensitas dalam sudutpancaran ini dapat menyebabkan kesalahan dalammemberikan data input dalam aplikasinya apabilakarakteristik keseragaman tersebut tidak diketahuidengan akurat. Dalam penggunaan analisis sampeltanpa standar misalnya, seJain diperlukan nilai fluksneutron yang akurat juga energi neutron yangsangat akurat. Ketidakakuratan nilai energi neutronyang ditetapkan maka penentuan tampang lintang

reaksinya akan memberikan kesalahan yang besar.Analisis dengan multisampel (Iebih dari satu sampeldaJam waktu bersamaan) keperluan tentangmapping tentang fluks dan energi menjadi lebihpenting lagi, karena sampel-sampel tersebut tidakpada posisi sudut yang sarna. Pada penggunaanyang lebih komplek misalnya sebagai sumberneutron bagi perangkat subkritik (baik untukproduksi radioisotop maupun untuk eksperimenfisika reaktor), memerlukan informasi tentangdistribusi pada sudut dan posisi dari fluks dan energineutron.

Saat ini di laboratorium generator neutronPTAPB-BA TAN Yogyakarta secara rutin telahdilakukan eksperimen analisis aktivasi neutron cepatdengan metoda standar, dalam hal ini materialstandar secara bersamaan diaktivasi dalam medan

neutron pada posisi yang kira-kira sarna denganposisi sampel. Cara seperti ini meminimalkankesalahan-kesalahan dalam penentuan fluks danenergi neutron. Di masa datang tidak tertutup

Prosiding PPI - PDIPTN 2007Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN

Yogyakarta, 10 Juli 2007

Saefurrochman, dkk. ISSN 0216 - 3128 363

Perhitungan Distribusi Sudut Energi Neutron

Untuk keperluan aplikasinya perlu diketahuisebaran terhadap sudut dari energi neutron yangdilepaskan. Jika energi proyektil kurang dari IOMeV maka efek relativistik dapat diabaikan danenergi neutron TJ pada suatu sudut e dapat dihitungdengan formulasi:[2]

kemungkinan eksperimen analisis yang lebih akuratdan lebih komplek diperlukan misalnya denganmetoda absolut dan dengan multisampel. Tambahanjuga, kini sedang dirancang suatu sistem perangkatsubkritik yang sumber neutronnya berasal darigenerator neutron. Pengkajian sedang dilakukanuntuk kemungkinan sistem terse but dipakai untukproduksi radioisotop[l]. Pengkajian jangka panjangjuga sedang dilakukan untuk membangun suatusistem perangkat subkritik bagi studi transmutasi.Untuk maksud ini pengembangan target yangmenghasilkan fluks neutron yang lebih kuat.

Untuk mengantisipasi keperluan-keperluantersebut di masa mendatang, suatu estimasi denganperhitungan tentang yield maksimum yangdihasilkan, distribusi pada sudut dari energi danintensitas neutron perlu dilakukan. Perhitungannyadilakukan secara sederhana dengan programprogram yang sederhana yaitu Turbo Pascal danVisual Basic.Net.

TATAKERJA

Dalam perhitungan-perhitungan yang akandilakukan, ditinjau untuk reaksi T(d,n)He-4 denganasumsi bahwa target berbentuk titik dan tinjauandistribusi dalam dua dimensi seperti ditunjukkanpada Gambar I.

dengan,F

IZ

NA

A

Eop

EI

a(E)

(~:)t:J.E

= yield neutron (neutron/detik)

= arus ion penembak (A)

= muatan ion penembak (sme)

= bilangan Avogadro (morl)

= massa inti target (sma)

= energi ion penembak (MeV)

=energi ambang reaksi (MeV)

= tampang lintang reaksi (cm2)

= stopping power ion penembak pada

material target (MeV/(g/cm2»

= jangkau pengambilan energi dalammenghitung penjumlahan tersebut(MeV)

.pllI•

I•

.~ ~ .

dO T .•••0He-4

Gambar I. Penggambaran kinematika reaksiT(d,n)He-4.

Perhitungan Yield Neutron

Untuk memperkirakan yield neutron digunakan rumus[2J:

(I)

dengan Q = (M1 + M2 - MJ - M4)

di mana,

Q = energi hasil reaksi (MeV)

Ml = massa proyektil (MeV)

M2 = massa inti sasaran (MeV)

MJ = massa neutron yang terlepas (Me V)

M4 = massa inti residu (MeV)

TJ = energi proyektil (MeV)

TJ = massa neutron yang terlepas/energi neutron (MeV)

e = sudut pancaran neutron CO)

Distribusi Sudut Intensitas Neutron

Distribusi sudut dari intensitas pancaranneutron ditentukan oleh distribusi sudut daritampang lintang diferensial reaksi D-T. Untuktarget tipis, distribusi dari pancaran neutron atassudut pancarannya dinyatakan dalam bentukpolinomial[JJ:



364 ISSN 0216 - 3128 Saefurrochman, dkk.

Yield Neutron

HASIL DAN PEMBAHASAN

Yield neutron dihitung dengan asumsiasumsi:

dengan penjumlahan nilai i = 0 hingga n. Untuk Tt

= 100 keV, nilai-nilai Yo, Y1 dan Y2 yangternonnalisair terhadap sudut pancaran 900 berturut

turut adalah: 1, 0,0482 dan 0,0011 dan tampanglintang reaksi diferensialnya CJ = 393,384 mb/sr.

dandihitungSelanjutnya

• Tritium mempunyai aktivitas, A= 5 Ci = 5x 3,7 X 1010 dps = 18,5 X 1010 dps,

Jadi:

Jumlah atom tritium, N = A(dps)/ A (per

detik) = A( dps) x T IIi 0,693

= 10,33 x 1019 atom = 1,7 x 10-4 mole

Jumlah massa, m = jumlah mole x A = 5,1

X 10-4 g = 0,51 mg,

maka tebal tritium sendiri = 0,51 (mg)

/Iuas target (cm2) = 0,07 mg/cm2

Konsentrasi tritium dalam target tersebut0,07/0,75 = 9,3 %.

Untuk menghitung yield pada persamaan (1)

diperlukan masukan-masukan:

• I = 1O-3A.

• Z = 1 (muatan deuteron = 1 sme).

• NA = 6,02 x 1023 mort.

• A = 3 (massa Tritium = 3 sma).

• aCE) diambil untuk harga 5 titik energi: 0,02;0,04; 0,06; 0,08 dan 0,1 MeV diambil dari

pustaka 2, tercantum pada Tabel 1.

• I1E = 0,02 MeV.

F = 7,5 x 1010 n/detik.

· (~: J yaitu stopping power deuteron pada

Ti dihitung untuk tiap-tiap titik energimenggunakan program SRIM 2006 yanghasilnya dapat dilihat pada Tabel 1.

a(E}t:,.E

(~:Jpenjumlahannya, hasilnya dicantumkan pada Tabel1, harga sesungguhnya untuk target tritium harusdikalikan dengan 9,3 % yaitu konsentrasi tritium didalam target.

0,1 a{E)t:,.E

Harga L ( . J untuk target tritium = 9,3 % x

0,02 1 dE

prix

6,95 x 10-28 g = 64,6 x 10-30 g

Akhirnya yield produksi neutron diperoleh denganmemasukkan nilai besaran-besaran pada persamaan

(1) diperoleh:0,753 cm, tebala. Diameter target ¢mg/cm2

Program Perhitungan

1. Program SRIM 2006

SRIM singkatan dari Stopping and Range ofIons in Matter, adalah kumpulan program untukmenghitung "Stopping Power" dan "Range" dari

ion-ion di dalam bahan. Energi ion yang dapatdiakomodasi adalah antara 10 eV hingga 2 GeV.

Perhitungan dilakukan melalui pengolahanmekanika kuantum dari tumbukan ion denganatom[4].

2. Program Visual Basic.Net.

Visual Basic.Net merupakan sebuah bahasa

pemrograman untuk membuat aplikasi berorientasi objek dan berbasis Windows. Dengan

kelengkapan operasi matematika yang dimilikioleh Visual.Net, program ini dapat diaplikasikanuntuk menghitung distribusi sudut dari energineutron[5] .

3. Program Turbo Pascal

Program Turbo Pascal merupakan bahasa pemrograman sederhana yang berbasis Windows.Program ini dapat diaplikasikan untuk membuatprogram perhitungan sederhana seperti perhitungan distribusi sudut intensitas neutron.

1. Arus deuteron yang mengenai target sebesar ImA.

2. Target tritium yang didepositkan pada titaniummempunyai spesifikasi (produk SODERNPerancis ):



Saefurrochman, dkk. ISSN 0216 - 3128

Tabell. Data Perhitungan { ~(E~Ll~ } untuk D pada Ti.I dE

pdx

365

No

Energi, (Y (E),

C dE)

a{E~LlE ')

MeV

x 10-24cmp d; , MeV/(mg/cm2)(~ :) , g

I

0,02 0.07 0.1937,6 x 10-30

2

0,04 0,88 0,2636,7 x 10-29

3

0,06 2,20 0,3081,4 x 10-284

0,08 3,50 0,3392, I x 10-285

0,1 4,80 0,3602,7 x 10-28

0.1 a{E~ML 6,95 x 10-28

0,02 (~ :)

'). harga ..!.. dE telah dikonversi dari satuan MeV/(mg/cm2) menjadi MeV/(g/cm2).pdx

Setelah besarnya yield neutron yangdihasilkan dari generator neutron telah diketahui,maka tluks neutron dapat diketahui nilainya. Fluksneutron merupakan perbandingan antara yieldneutron dengan satuan luas, sehingga estimasi tluks

maksimum pada jarak I cm adalah 6 x 109n/cm2.detik.

Distribusi Energi Neutron

Untuk reaksi 3T( d,n)4He data-data yangdiperlukan untuk menghitung energi neutronadalah!6]:

M] = 2808,761 MeV

M2 = 1875,506 MeV

M3 = 939,512 MeV

M4 = 3727,167 MeV

Q = 17,588 MeV

Jika data-data tersebut dimasukkan ke

persamaan (2) untuk energi proyektil 0,11 MeV dandengan pembulatan, akan terdapat relasi energi

neutron T] sebagai fungsi sudut pancarannya esebagai berikut:

17,59 = 1,25T] - 0,Q3 - 0,29.[i; cose (4)

Dari hasil perhitungan menggunakanprogram Visual Basic. Net akan didapat hubunganantara sudut pancaran neutron dengan energineutron. Di bawah ini adalah tabel hubungan antarasudut pancaran neutron (0) dengan energi neutron T]

(MeV).

Tabel2. Tabel hubungan antara Bdengan T3'

e T30

14.96210

14.948

20

14.906

3014.839

40

14.74850

14.63760

14.509

70

14.368

80

14.220

9014.069

10013.919

110

13.776

120

13.642

130

13.523

14013.421

150

13.339

16013.278

17013.241

18013.229




Dari data pada Tabel 2 dapat ditampilkan dengangrafik hubungan antara sudut pancaran neutron (0)dengan energi neutron (MeV) seperti yang terlihatpada Gambar 2.

Dari hasil perhitungan di atas terlihat bahwasudut pancaran neutron mempunyai jangkauanhingga 180° dimana energi neutron yang dihasilkanberkisar antara 14,962 MeV pada sudut 0° dan13,229 MeV pada sudut 180°. Semakin besar sudutpancaran neutron, maka semakin kecil energineutron yang dihasilkan. Energi neutron terbesaryang dihasilkan terjadi saat tidak ada simpanganpancaran neutron (sudut pancaran neutron 0°).Selisih antara energi maksimum (pada 0° ) danenergi minimum (pada 180°) sebesar 11,1% dan lajuperubahannya kira-kira 0,096 MeV per 10°.

Distribusi Sudut dari Intensitas Neutron

Dengan memasukkan koefisien-koefisien Yo,

Y, dan Y2 pada persamaan (3) diperoleh:

Y(lOO keV,B) = I + 0,0482 cos e+ 0,0011 cos2 e (5)

Yang menggambarkan tampang lintang differentialsebagai fungsi sudut dan temormalisir terhadaptampang lintang pada sudut 90°.

15.2

15

14.8

14.6

~614.4c:e"S 14.2~'1:3\ 14IDc:w

13.8

13.6

13.4

Data numerik persamaan (5) ditampilkanpada Tabel 3 dan dalam bentuk kurva ditunjukkanpada Gambar 3.

Tabel 3. Nilai tampang lintang reaksi diferensial dinormalisasi pada sudut90°.

a, derajat Y0

1,05910

1,04820

1,04630

1,04340

1,03850

1,03160

1,02470

1,01780

1,00890

1,000100

0,992110

0,984120

0,976130

0,969140

0,964150

0,959160

0,956170

0,954180

0,953

13.2o 20 40 60 80 100 120 140

Sudut Pancaran Neutron (derajat)

160 180

Gambar 2. Distribusi energi neutron pada sudut pancaran.



Saefurrochman, dkk. ISSN 0216 - 3128 367-1,06

1,04•..

1,02Ifj cu

1

E 0,98... 0E 0,96Q) •..•.. 0,94~

0,920,90

20 40 60 80 100 120 140 160 180

sudut ( derajat )

Gambar 3. Kurva tampang Iintang reaksi (tlr) difTerensial, ternormalisir terhadap t1r 90°.

Kurva tersebut menggambarkan tentangdistribusi intensitas pancaran neutron sebagai fungsisudut. Intensitas terbesar pada sudut 00dan terkecilpada sudut 1800, dan di antara keduanya hanyaberselisih 10 %, dan laJu perubahannya kira-kira0,56 % per 100. Besamya selisih tersebut cukupkecil sehingga tidak berpengaruh besar pada sumbangan kesalahan (error) pada aplikasinya.

KESIMPULAN

I. Target tritium 5 Ci yang ditembak deuteron (100keV, 1 mA) diestimasikan akan diperoleh fluksmaksimum pada jarak 1cm sebesar 6 x 109n/cm2.detik.

2. Oistribusi energi neutron pada sudut pancaran 0°hingga 180° berkisar antara 14,962 hingga13,229 MeV dengan laju perubahan 0,096 MeVper 100.

3. Oistribusi intensitas pancarannya terletak antarasudut 00 dan 180° berselisih 10 % dan mem

punyai laju perubahan 0,56 % per 100.

UCAP AN TERIMA KASIH

Ucapan terima kasih disampaikan kepadaBapak Supriyanto dan Bapak Sumadji yang telahmemberikan ilmunya mengenai instrumentasi

generator neutron. Semoga Allah SWT membalasamal kebaikannya. Amien.

DAFTAR PUST AKA

1. SYARIP, Ir., Litbang ADS- "SAMOP(Subcritical Assembly for Mo-99 Production)dan Transmutasi Limbah Nuklir, UsulanKegiatan 2007. Pusat Teknologi Akseleratordan Proses Bahan, Yogyakarta, 2007.

2. S.S. NARGOLWALLA AND E.P.PRZYBYLOWICZ, Activation Analysis withNeutron Generators, John Wiley & Sons, Inc,New York, 1973 p12.

3. IAEA-TECOOC-913: Manual For Trouble

shooting and Upgrading Of Neutron Generators, IAEA, November 1996 p 12-14.

4. www.sim.org/srim/srimintro.htm diakses padatanggal22 Mei 2007.

5. ARIS SURYO KUSUMO, Latihan VisuakBasic Net versi 2002 dan 2003, PT. Elek MediaKomputindo, Jakarta, 2004.

6. BYGRA VE W.O. et aI, Accelerator NuclearPhysics, High Voltage Engineering Corporation, Burlington-Massachusetts, 1970 p299.




TANYAJAWAB

Taxwim

Untuk keperluan apa menghitung yield, apakahuntuk mengetahui posisi sebaran neutron?

Saefurrochman

Yield dihitung untuk mengetahui besarnya fiuksneutron bukan sebaran neutron.

Irianto

Bagaimana distribusi dari intensitas dan energidari segala arah.

Pada generator neutron, energi tunggal 14 MeV.Bagaimana hubungan terhadap distribusi sudutenergi neutron (M" M2, M3, M4).

Saefurrochman

- Distribusi dari intensitas dan energi akanmembentuk jungsi cosioner (tergantung arahpembacaan).

M, merupakan energi deuteron, M2 merupakanenergi tritium, M3 merupakan energi neutron, M4merupakan energi a. M sebanding denganenerginya (hukum Einstein E = m e2). Energineutron (T3) terdidtribusi sebagai lungsi sudut.Energi neutron J 4 Me V adalah energi neutron(T3) yang terpanear pada susut z 900.Hubungan antara T3 dengan M" M2' M3' M4ditunjukkan seperti persamaan (2)

Q=T'(I+ MJ )-T,(I-~)- 2JM, T,M, T,M4 M M cosO·4 4

Prosiding PPI - PDIPTN 2007Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BAT AN


PERHITUNGAN YIELD DAN DISTRIBUSI SUDUT NEUTRON ...

Documents

Transcript of PERHITUNGAN YIELD DAN DISTRIBUSI SUDUT NEUTRON ...