OPTIMASI KONSENTRASI SINTILATOR CAIRDARI BAHAN TOLUENE DAN PPO UNTUK RADIASI SINAR GAMMA

Sri Mulyono Atmojo

Pusat Perangkat Nuklir dan Rekayasa

dan

Surakhman

Pendidikan Ahli Teknik Nuklir

ABSTRAK

Telah dibuat suatu larutan sintilator cair da.ri bahantoluena yang dicampur dengan PPO (0,25-Di phenyl oxazol e ::::C H NO) dengan berbagai konsentrasi untuk pengukuran ra-1:5 11

diasi gamma. Pada pengukuran antara 0,6 sampai 10 g PPO perliter toluena didapat konsentrasi larutan yang optimum pada5 g/l. Sintilator mempunyai daerah plato di antara 1300­1550 volt, sedangkan tegangan operasinya diletakkan padategangan 1450 voll. Resol usi pada konsentr asi yang opti mumini adalah 0,61 %. Hasil ini cukup baik jika dibandingkandengan sintilator standar.

ABSTARCT

.This experiment is done in order to find an establishedsolution for gamma ray detection. The solution consist ot~PPO C2.5-Diphenyloxazole ::::C H NO) and toluene. It. has1:5 11

variable weight of 0.6 up to 10 gr of PPO in one liter oft.oluene. The observation shows that 5 gr of PPO in oneliter of toluene is the best solution for gamma ray measu­rements. The operation voltage is between 1300-1550 voltand the best operati on is on 1450 vol t. The resol ution itis 0.61 % and is as good as the scintillation reference.

I. PENDAHULUAN

Berbagai cara telah dilakukan guna mendeteksi adanya

radiasi nuklir yang dipancarkan oleh sumber radioaktif.

Juga telah banyak dipergunakan berbagai teknik dan peralatan

untuk mengetahui aktivitas maupun spekt.rum t.enaganya. Teknik

deteksi melalui cahaya yang dihasilkan dalam mat.erial sint.i­

1ator akibat adanya radiasi nuklir yang melewat.inya merupa­

kan teknik yang t.ermasuk cukup tua dalam seJarah pengukur­

an radiasi nuklir.

113

114

Proses ini adalah salah· sat.u met.ode yang pent.ing yang

didapat. unt.uk mendet.eksi dan menent.ukan t.enaga radiasi.

Dalam hal ini. biasanya sint.ilat.or dipergunakan unt.uk pen­

c:acahan zarah bermuat.an dan radiasi gamma t.enaga rendah.

Tet.api un.t.uk keperluan t.ert.ent.udapat. dipergunakan untuk

mendeteksi radiasi yang lain.

Zarah radiasi yang dat.ang pada sintilat.or akan me­

nyebabkan eksit.asi. Keadaan t.ereksit.asiini biasanya tidak

berlangsung lama dan kemudian akan kembali ke keadaan

t.ingkat. dasar (gro,und-state). Pa~a saat. inilah akan di­

lepaskan t.enaga dalam bent.uk foton cahaya. Kelipan cahaya

ini mempunyai panjang gelombang t.ert.ent.udan jika sampai

pada lapisan fotokatode di PMT (photo mult.iplier t.ube), akan

melepaskan elekt.ron dari lapisan t.ersebut.. Elektron ini

akan diperbanyak oleh dinode-dinode yang t.erdapat dalam PMT

dan pada akhirnya elekt.ron ini akan t.erkumpul pada anodenya

dalam bent.uk pulsa listrik. Pulsa ini cukup besar untuk

dapat dipergunakan sebagai masukan penguat awal sistem de­

teksi yang dipergunakan. Informasi yang diperoleh dari

met.ode ini adalah bahwa t.enaga zarah radiasi sebanding

dengan t.inggi pulsa keluaran dan aktifitas akan sebanding

dengan cacah yang diperoleh.

II. TEORI

Berbagai jenis campuran zat.-zat organik dan inorganik

dapat diperegunakan sebagai bahan sintilator dalam bentuk

krist.al at.au cairo Unt.uk sint.ilat.orcair dapat dipergunakan

2 atau lebih Campuran. Sebagai pelarut (solvent) dapat di­

pergunakan bahan-bahan sepert.i t.oluente, xylene, polyvinil­

toluene dan sebagainya. Sedangkan sebagai zat yang dilarut­

kan Csolut.e) dapat dipergunakan bahan-bahan seperti : PPO

C2.5-di phenyl oxazol e). TP Cp-t.erphenyl). POPOP C1 ,4-di-(2­

C5-phenyloxazole))-benzene. DPS Cp-p'diphenyl-st.ilbene) dan

sebgainya.

115

Sin~ila~or yang sederhana ~erdiri dari sua~u campuran

yang dapa~ menimbulkan ~luoresensi dan dapa~ berben~uk kris-

~al. cairan a~au polimer. Tenaga eksi~asi dalam solven~

akiba~ adanya radiasi nuklir. dapa~ cepa~ dipindahkan ke

solu~enya. sebelum sempa~ memudur kekeadaan normalnya.

Pada keadaan ini solu~e akan ~ereksi~asi dan kemudian akan

melepaskan ~enaga dalam ben~uk ~o~on cahaya. Proses. ini

dapa~ di~erangkan dengan diagram sederhana po~ensial ~enaga

seper~i yang ~erlukis pada gambar 1.

~I ,~A' ~2tocCI.I

.•...

to\/Ic:CI.I.•...0c..

jarak inter atom

Gambar 1. Diagram po~ensial ~enaga molekulera. ~ingka~ dasar b. ~ingka~ ~ereksi~asi

Dua buah kurva Cliku) ~ersebu~ mewakili po~ensial ~e­

naga versus jarak in~era~om. Jika sua~u par~ikel radiasi

nuklir da~ang dan menembus sin~ila~or. maka akan mengakiba~­

kan molekul-molekul sin~ila~or diangka~ dari keadaan tingka~

dasar Cground-s~ate) ke ~ingka~ tereksi~asi.

wakili peristiwa pe~indahan keadaan ~ersebu~.

Garis AA' me-

Menuru~ prin-

sip Franck-Condon. pemindahan keadaan i~u akan memerlukan

~empa~ pada sua~u jarak in~era~om ~er~en~u. Ti~ik A' mewa-

kili sua~u keadaan vibrasi yang ~inggi. Tenaga eks~ra ini

akan cepa~ ~erdisipasi sebagai panas vibrasi kisi. yang ke-

mudian akan mencapai keadaan B. ?ada ti~ik ini biasanya

~idak berlangsung lama dan kemudian melekul i~u akan kembali

ke~ingka~ dasar seperti yang digambarkan oleh garis BB'.

116

Pada saat inilah dipancarkan tenaga dalam bentuk foton

cahaya . Untuk sintilato~ cair, hasil eksitasidalam solvent

oleh radiasi nuklir. cepat dipindahkan ke solutenya. Solute

ini akan tereksitasi pula dan akan melepaskan tenaga dalam

bentuk foton cahaya juga. Proses pemindahan tenaga ini ter-

gantung pada jenis dan konsentrasi solute dalam solvent,

migrasi zat pengeksitasi, kepekaan rluoressensi, jumlah pan­

caran rotan dan absorbsi kembali, serta sirat sintilator itu

sendiri, serta tenaga radiasi nuklir yang datang pada sinti­

lator tersebut.

Jika suatu partikel dengan tenaga E CeY), menabrak

molekul-molekul sintilator dan dalam sintilator itu ia mem-

punyai jangkal.,Isebesar r, maka ia akan kehilangan tenaga

spesirik sebesar dE/dr. Bila dalam kejadian ini dapat meng-

eksitasi sebanyak N molekul menjadi tereksitasi pada tingkat

singlet $ , maka hasil eksitasi dapat dinyatakan sebagai10

G C$ ) = 100 CdN/dE)10 Cl)

dengan G adalah sejumlah tenaga yang dilepaskan tiap 100 eV.

Untuk mencari ~ubungan antara roton-roton yang berrluo­

resensi dan molekul-molekul yang tereksitasi, maka dilihat

terlebih dahulu berapa jumlah roton-roton yan ber rluore-

sensi . Jika ada L roton-roton yang berrluoressensi dengan

tenaga sebesar hv, dan molekul-molekul yang tereksitasi pada!tingkat $ memberikan sejumlah kuantum rluoressensi sebesar10¢, maka hasil eksitasi dapat dinyatakan sebagai

G Chv&,) = ¢ G ($ )J. 10 (2)

Untuk beberapa jenis krista1"-kristal aromatik murni seperti

anthracene, trans-stilbene dan p-terphenyl dan sebagai nya,

harga ¢ ini hampir mendekati 1, sehingga zat-zat ini dipakai

sebagai UnSur standar untuk pembanding dengan zat-zat yang

lain yang biasanya mempunyai harga ¢ yang rendah.

Hasil eksitasi G Chvr) tergantung pada kehilangan te­

naga spesifik CdE/dr) dari partikel-partikel radiasi yang

datang pad a sintilator dan ini dapat dinyatakan sebagai

G Chv )f

117

GC' Chvf)1 + A (dE./dr)

:<

(3)

dengan Go Chvf) adalah hasil eksit.asi unt.uk suat.u part.ikelionisasi yang memberikan hasil yang minimum Cmisal elekt.ron

cepat.), A adalah koefisien pemudur ionisasi.xKarena dE./dr pada hakekat.nya juga merupakan fungsi dari

kekent.alan atau konsentrasi larut.an pada bahan sint.ilat.or.

maka secara umum hasil eksit.asi akan t.ergant.ungpada konsen-

trasi larut.an sint.ilat.or Unt.uk keperluan ini maka dicari

sualu konsent.rasi yang opt.imum. yang akan menghasilkan

eksilasi t.erbanyak yang dapat. dilihat. pada jumlah cacahnya.

Diharapkan dengan didapalkan hasil yang opt.imum ini akan di­

peroleh suat.u informasi yang baik dari sumber radioakt.if

lersebul.

III. SUSUNAN PERALATAN DAN PELAKSANAAN PERCOBAAN

Untuk melaksanakan percobaan./eksper imen ini. dibuat.

sualu susunan peralatan seperti yang t.erlukis pada gambar 2

berikul ini. PMT dan bahan sint.ilalor sert.a sumber radioak-

+...ifdiletakan di dalam shielding. Sebagai pencat.at. dat.a

dipergunakan peralat.an-peralat.an sepert.i preamplifier. am-

plifier. counler. timer. CRO. MCA. Peralat.an-peralat.an t.er-

sebul lergabung dal am suatu unit. yang kompak dan disebut.

Liquid Scinlilat.ion Count.ing CScaler Rat.e met.er) t.ipe SR-7.

Sumber yang dipergunakan adalah CS137• sedangkan bahan sin-

tilalornya adalah PPO yang dilarut.kan dalam t.oluene. Per-

alalan yang t.idak tergabung dalam unit. t.ersebut.adalah CRO

dan MCA. CRO dipergunakan unt.uk melihat. t.inggi dan bent.uk

pulsa, sedangkan MCA dipergunakan unt.uk melihat. let.ak puncak

dari sumber radioakt.if t.ersebut..menghit.ung int.egral cacah­

nya. melihat. cacah puncaknya. sert.a unt.uk membuat. gambaI'

spekt.rum dari sumber radioakt.if t.ersebut.. Gambar yang di-peroleh kemudian didokument.asikan dengan pemot.ret.an.

118

3

Gambar 2. Susunan dan rangkaian paralatan

1. Perisai Cshielding)2. Cuplikan Csample)3. Unit PMT4. HV

5. Timer Cpengala)6. Amplirier Cpenguat)7~ Counter Cpencacah)8. MCA

Untuk menentukan optimasinya, unit peralatan dioperasi­

kan pada tegangan operasinya yaitu pada tegangan 1450 volt.

Dengan pengoperasian ini, didapat data-data separti pada:

tabel 1.

Tabel 1. Integral, cacah. letak dan cacah puncak padagai konsentrasi sint.'ilat.orPPO dalam' palarut.ana.

berba­tolu-.

Konsentrasi Integral.cacah ;Letak.,puncak-Cacah,·puncakC g/l

)

0,3

73.73518146.0460,6

88.67518147.3721

100.40218157.9852

105.08418138.8293

106.21818138.8814

113.85818148.9085

114.73518138.9966

116.90018139.2327

105.02818138.6398

105.01918148.6059

106.11618138.72310

106.65318138.636Standar

118.762.18179.223

Kemudian untuk mencarai optimasinya, dibuat grarik hubungan

antara konsentrasi dengan cacah peak. Grarik ini seperti

terlukispada gambar 3. Di sini terlihat bahwa konsentrasi

yang optimum terletak pada sekitar 4-6 g/l.

9

8

7

6

52 3

o

5

119

6 7 8 9 10 gr/l

Gambar 3. Grafik hubungan an~ara konsen~rasi dengan jumlahcacah pada peak.

Se~er usnya dibua ~ pul a grafik hubungan an~ar a konsen-

~rasi dan jumlah in~egra1 coun~. Grafik ini ~erliha~ pada

gambar 4 dan dari gambar ini ~erliha~ pula bahwa konsen~rasi

yang op~imum juga ~erdapa~ pada seki~ar 4-6 g/1. Un~uk men-

cari daerah kerjanya. dibua~ grafik hubungan an~ara resolusi

dengan perubahan HV yang digunakan, pada daerah konsen~rasi

yang op~i mum yai ~u pada konsen~rasi 5 g/1". Gambar 5a-g me­

lukiskan spek~rum Cs137 dengan variasi perubahan HV. Dari'

gambar-gambar ~ersebu~ dapa~ dihi~ung besarnya resolusinya.

Kemudian dibua~ grafik hubungan an~ara reso1usi dengan

perubahan HV ~ersebu~. Dari grafik ~ersebu~ dapa~ di~en~u-

kan bahwa ~egangan operasi sin~ila~or cair yang dibua~

adal ah an~ar a 1300

grafik ~erliha~ da~ar.

1500 vol ~ , karena pada daerah 1n1 ,

Un~uk pengama~an-pengama~an beriku~-

nya digunakan ~egangan sebesar 1450 vo1~.

120

12 x 10 3

cpw

11

10

9

8

72 3 4 5 6 7 8 9 10 gr / I

Gambar 4. Grafik hubungan antara konsentrasi dengan jumlahcacah integral.

cpw

)(103

4

3

2

3

2

1800 1830 chn. 1800 1830 c.hn.

spektrumGambar 5a. Puncak137

Cs Vep.= 1550vol~, konsentrasi5 g/1, resolusi0,5 %.

Gambar 5b. Puncak spektrum137Cs Vep.= 1550volt, konsentrasi5 g/l, resolusi0,55 %.

121

CP""

)(103

£,

3

2

3

2

spektrum

1800

Gambar 5c.

CP""

x103

4

3

2

1830 c.hn.

Puncak137

Cs Vop.= 1450volt, konsentrasi5 g/l, resol usi0, 55 ~~.

18{)0

Gambar 5d.

3

2

1830 chn.

Puncak spektrumCS137 Vep.= 1400volt, konsentrasi5 g/l, resolusiO. 61 ~~.

1800 1830 chn. 1800 1830 chn.

Gambar 5e. Puncak spektrum137Cs Yep.= 1350volt, konsentrasi5 g/l, resolusi0,66 %.

1800

Gambar 5f. Puncak spektrum137Cs Vep.= 1300volt, konsentras15 g/l, resolus10.61 :Yo.

1820 chn.

Gambar 5g.137

Puncak spektrum Cs Vop. = 1250 volt.s1 5 g/l. resolusi 0,83 %.

konsentra-

122

(a) (b)

Gambar 5h. Puncpk spektrum CS~37, V-op. 1450 volt(a) Sintilator dengan konsentrasi 5 g/l.Cb) Sintilator standar Cbuatan pabrik)

(%)0,9

0,8

0,7

0,6

Grafik resolusi vs.5 g/l.

Gambar 6.

0,5

0,4

0,31150 1350

o

1450 1550 Volt

perubahan HV untuk konsentrasi

Sesudah mendapatkan tegangan operasi, dibuat lagi gam­

bar puncak CS1Z3 dengan sintilator tersebut untuk dibanding­

kan dengan puncak CS137 dengan sintilator standar.

Pada layar MCA terlihat bahwa

1. Lelak puncak berbeda sedikil

2. Cacah pada puncak juga berbeda sedikit

3. Cacah integral juga berbeda

Per bedaan -perbedaan ini dapa t di1ihat pada garnbar 5h (1,2).

Namun perbedaan ini bisa diabai kan, sehi ngga kedua bahan

tersebut sebagai detektor dapat dianggap sarna. Oleh karena

123

itu, jika sintilator standar ilu mempunyai efisiensi yangti nggi, maka si nti 1alar buatan sendi r i juga mempunyai ef i­siensi yang linggi pula, demikian juga sebaliknya.

Gambar 7. Bentuk pulsa sintilator konsenlrasi 5 g/l.1450 vol t.

Vop. ==

Gambar 8. Bentuk pulsa larutan standar, VQP. == 1450 volt.

124

IV. ANALISIS DATA

Dari data yang diperoleh. maka dapat diketahui bahwa :

1. Konsentrasi optimum didapat sebesar 5 g/l dan dapat dili-

hat pada gambar 3. Pada gambar ini jumlah cacah pul sa

persatuan waktu yang cukup tinggi terletak pada kon­

sentrasi 4 - 5 g/l.

2 ..Untuk gambar 4 yang menyatakan hubungan antara konsentra­

si dan jumlah integral cacah pada konsentrasi yang ber­

sangkutan. dapat disimpulkan bahwa konsentrasi yang opti­

mum terletak pada 5 g/l.

3. Tegangan operasi detektor sintilasi yang dibuat, dicari

melalui besarnya resolusi sebagai fungsi dari perubahan

HV. Dari gambar 5a-g. dapat dihitung besarnya resolusi

dan hasilnya adalah :

HVResolusi

1550 volt

0,5%1500 volt

.0,55 %1450 volt

0,55 %1400 volt

0,51%1350 volt

0,55 %1300 volt

0.51%1250 volt

0,83 %

Dari gambar 5 dapat ditentukan bahwa tegangan operasi

berada diantara 1300 - 1500 volt, Cdaerah hamjpir datar).

Pada pengambilan data, dioperasikan pad a tegangan 1450

volt.

4. Dari hasil pemotretan dengan sintilator buatan sendiri

untuk puncak Cs-137 pada tegangan 1450 volt ternyata

hampir sama dengan sintilator standar. Yang berbeda

hanyalah jumlah cacah persatuan waktu.

hasil ini cukup baik.

Meskipun demikian

~:Bentuk pulsa yang diperoleh dengan sintilator buatan sen­

diri dan sintilator standar, ternyata sama. Hal ini dapat

dilihat pada gambar 7 dan 8.

125

Y. KESIMPULAN

1. Sin~ila~or yang dibua~ sendiri, ~ernyata dapa~ dikopel

dengan LSC-Scaler Ra~emeter ~ipe SR-7 dan mampu bersaing

dengan Sintila~or bua~an pabrik Csin~ilator s~andar).

2. Konsen~rasi sin~ila~or sebesar 5 g/l merupakan konsen~ra­

si yang op~imum un~uk dapa~ disejajarkan dengan sin~ila­

~or s~andar.

3. Perlu dikembangkan variasi bahan-bahan sin~ila~or, se-

hingga nan~inya dapa~ diperoleh sua~u bahan yang cocok

dengan sumber radiasi yang dipergunakan a~au sumber yang

diama~i.

ACUAN

1. William J. Price, "Nuclear Radia~ion De~ec~ion", Mc.Graw-Hill Book Company. New.York, 1964.

2. Donald L. Horrocks and Chin-Tzu Peng, Organic Scitila~orsand Liquid Scintilla~ion Coun~ing, Academic Press, NewYork, London 1971.

3. Glenn F. Knoll, "Radia~ion De~ec~ion and Measuremen~s",John Willey & Sone. New York 1978.

4. Gregory Ljungberg, "Ins~ruments and Measurements II", In­terna~ional Proceeding, S~ockholm, March 1960.

TANY A JAWAB

1. Pramudita Aneeraita

Baeaimana resoLusi dan ejisiensinya dibandinekan

NalCTL)? Apa "compton edee" tidak kf2Lihatan ?

JAWABAN

- Resotusinya kira-kira 0,6 % dan ini cukup baik, serta

setinekat denean NalCTt~.

- Untuk ejisiensinya betUffidicoba dibandinekan, sebab bi­

asanya sintiLator cair ejisiensinya dibandinekan denean

anthracene.

- Pada. saat percobaan, "Compton edee" tidak kami perhati­

kan, namun aeaknya tidak beeitu nampak.

126

2. Iyos Sl1bti

ApaRah tl1jl1annya?Untl1k daerah enerei-y berapa ?

JAWABAN

- Tl1jl1annya l1ntl1k dapat membl1at komposl~si campuran sen­

diri. sehineea ki to. t idak tereantune pada pabrik pem­

bl1atnya. Berart i akan dapat membl1at sint iLator cair

yane dapat dipakai daLam memenuhi kebutuhan sendiri.

Unt1..J.h.daerah enerei-y yang Lebih kecU dari energi

Cs-t37 C < 0.662 HeV ).

3. Rahmat

ApaRah sl1dah atal1 akan diawaLi karaRteristik misaLnya

efisiensi reLatif t peak to Compton ratio resoL115i. dsb ?

JAWABAN

Pada tahap awaL ini. memang barl1 dicari optimasinya ter­

Lebih dahl1Ll1jika haL ini seLesai.. tentunya akan dicari

RaraRteristiRnya yang Lebih detaiL Lagi.