ABSRACT
SetyadiWS,dkk.
ISSN 0216 -3128
213
Setyadi WS, Dewita P3TM-BATAN ABSTRAK
I
Detektor Sintilasi CsI(TI) dalam bentuk kompak dapat dirakit sendiri dengan menggunakonsuku cadang terurai dari beberapa vendor. Bagian detektor tersebut adalah Kristal sintilator berbentuk kubus ukuran (IxIxl)cm3buatan BICON, Si PIN photodioda tipe S3590-08 don hybrid pramplifier tipe H4083 keduanya buatan Hamamatsu.Sedangkonkomponenlain dibuat sendiri yaitu kemasanaluminium berbentuk selinder, buffer amplifier serlo kabel konektor. Hasil pengujian detektor menggunakan sumber standar Cs-137 menunjukan resolusi detector(FWHM) sebesar 8,99%, Catu daya + 12 J-: -12 V don +24 Volt serta Gras derau minimum sebesar < 110 keV. Hasil ini menunjukkan derajat kesaksamaanyang tinggi dengan detektorsejenis buatan Crismatexyang menghasilkanresolusi (FWHM) sebesar10,72%,.
The compact CsI(TI) detector can be assembly by using detector part from many vendors. The parts of detector are, cubical CsI(TI)crystal made by Bicron, Si PIN photo diode type S3590-08 and hybrid preamplifier type H4083 both are made by Hamamatsu. The other parts such as cylindrical aluminum housing, buffer amplifier and connector cable a1;ehand made. Testresult shows 8.99 % detector resolution, J2 V, -12 V and 24 V pover supply, minimum energy level less than J JOkeV. Theseresults agree with high accuracy to Crismatexdetector with J0.72% enc gy resolution specification.
PENDAHULUAN S
pektroskopi gamma adalah salah satu dari teknik yang paling baik untuk mengkaji radioisotop
dalam berbagai bentuk, karena sinar gamma menunjukan tenaga diskrit dan unik untuk setiap nuklida. Keuntunganspektroskopinuklir antaralain, memungkinkananalisisnuklida secarasimultan atau individual pactasampel yang sarna. Untuk melakukan spektroskopi nuklir tersebut diperlukan perangkat peralatan deteksi dan spektroskopi yang terdiri dari detektor yang dapat mendeteksi pancaranradiasi yang akan menghasil kan keluaran yang dapat diukur dengan peralatan ukur lainnya.I). Oetektor gamma dalam bentuk kecil dan kompak d3.pat dibentuk dengan menggunakan kombinasi Sintilator Csl(T.\) dan Pin photo dioda. Usaha ini dilakukan guna mengganti Photo Multiplier Tube (PMT) pactadetektor untuk mengurangikekurangan detektor Sintilasi Nal(Tl), besarnyategangantinggi misalnya. Photo dioda silikon yang dikopel dengan kristal Sintilator, memberikan karakteristik yang menarik seperti ukuran yang lebih kecil, tegangan catu rendah yaitu sebesar:t 24 V, stabilitas tinggi dan tidak sensitipterhadapmedanmagnit:2).Namun demikian pactakejadian tertentu, di-dalam photodioda tersebut memungkinkandihasilkan beberapa ribu pasanganhole-elektron.sehingga memerlukan
Prosidlng
penguat awal yang rendah derau (low noise amplifier). Desain penguat awal ini lain dari desain penguat awal biasa sehubungandengan besamya kapasitansiphoto dioda:3.4.5) Photo dioda merupakan salah satu peralatan detektor sintilasi pada eksperimen fisika tenaga tinggi dan fisika nuklir, bentuknya sangat kompak, memerlukantenagayang rendah, kuantum efisiensi tinggi dan tidak sensitmterhadap medan magnit. Kelebihan lain adalah keragamanyang tinggi pada luasan aktip, kecilnya dark current. Photo dioda dibuat dari Si/ikon wafer resitiviti tinggi dengan ketebalan 300 J.1yang menghasilkan kapasitansi rendah pada bias rendah. Ada 2 cara pemakaian photo dioda yaitu pengukuran tak langsung dan pengukuran langsung. Pada pengukuran tak langsung digunakan kombinasi photo dioda Sintilator terutama untuk aplikasi:-elektron tenaga tinggi dan sinar gamma. Dengan pertolongan sintilator, radiasi yang lewat photo dioda dikonversi menjadi cahaya dan dideteksi. Pada cara deteksi langsung, photo dioda memiliki resolusi tenaga yang tinggi karena sinyal muatan dibangkitkan dengan efisiensi tinggi. Demikian pula respon yang relatip lebih tinggi. Cara langsung ini digunakan untuk mendeteksipartikel bermuatan.7). Pada makalah ini dibahas perakitan detektor sintilasi Csl(TI) yang dibentuk dari kristal sintilator, photo dioda dan hybrid amplifier. Komponen tersebut bisa didapatkan secara terpisah dari
Pertemuan dan Presentasi IImiah Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan P3TM-BATAN Yogyakarta, 7 -8 Agustus 2001
dan Teknologi
Nuklir
'(.0)
214
ISSN 0216-3128
beberapa vendor. Pengujian dilakukan menggu nakan detector tersebut untuk mencacah sumber standard Cs-137, dengan membanding kannya dengandetektor sejenisdengan dimensi kristal yang sarnabuatanCrismatex.
TEORI Sinti/ator Beberapa sintilator yang bisadikopel dengan photo dioda ditunjukkan pada Tabel 1 dan Gambar 1 di bawah. Dari inforrnasi ini, jejak radiasi yang pendek diperlukan untuk efisiensi deteksi sinar gamma, demikian pula panjang gelombang sinar yang dipancarkan harus pada daerah yang paling sensitip photo dioda yaitu merah sampai dengan infra merah.
Setyadi WS,dkk.
CsI(Tl) adalah inorganik sintilator yang sangat cocok untuk digandeng denganphoto dioda karena memiliki yield cahaya paling tinggi. CsI(Tl) tidak lazim digunakan sebagai sintilator dari Photo Multiplier Tube (PMT), namun :demikian memiliki kelebihan sepertipanjang gelombang radiasi sebesar 1,85 cm dibanding dengan 2,59 cm pada NaI(Tl). Kuatum efisiensi sebesar 69-,"10untuk CsI(Tl) sepanjang spektrumnya, dibanding dengan 49% padaNaI(Tl) untuk photodioda*6). Sambungan optik antara sintilator dengan photodiodatidak berbedadengan PMT, menggunakan optical greaseO6). Dari pengalamanpemakaian selama ini permukaan sintilator yang lebih luas terhadappermukaanphotodioda akan menghasilkan spektrum yang lebih baik dari pada menggunakan sintilator yang lebih kecil.
Tabell. Karakteristiksinti/ator.
~-
-"
~
1~
~
~
~ ~ ~
IlK)
.
-::\...
).~!
' ~
*I
--,.~-~ ~
'~'
.~ >-
e,;:.
,..;,
I
. :~\1~;+-_-~I_~:::~ ; i : -\:"."\ \ .i !T-..+---+ ~. _-:. \ ~ :.. ; .
..
~
t;.
~
i
..:.
aA
~ ~
.~
~
"I: ~ .:'
;2o:J
;" -03
~.
--
-"L
0: ) ",,-."...':;L.;,-;,.-r..
Gambar I.
Prosldlng
:-.
-.c.c.
..I:.c'D
~
I
I~
.r~1
Responspectrumphoto diodaHamamatsu tipeS3590-80dan spectrum emisibeberapasintitator.
Pertemuan dan Presentasilimiah F'enelltlan Dasar IImu Pengetahuan P3TM-BATAN Yogyakarta, 7 -8 Agustus 2001
dan Teknologl
Nukllr
r
215
ISSN 0216 -3128
Setyadi WS,dkk.
PiN Photodioda-Sintilator. Secara singkat urutan proses terjadinya kelipatan adalah sebagaiberikut. Apabila sumber radiasi pengion melewati kristal, maka elektron pada kristal tersebut meningkat sampai ke conduction band. Sehingga pada pita valensi terbentuk hole, hal ini menyebabkanterjadinya eksitasi. Apabila pusat aktivasi meningkat sampai ke excited state oleh karena penyerapanelektron, hole dan eksitasi, maka akan terjadi peristiwa deeksitasi yang diikuti dengan pancaran photonphoton:"). Photo dioda mempunyai karakteristik respon spec-trum yang cocok dengan spektrum emisi beberapasintilator, sepertipadaGambar 2 di bawah ini.
buatan BICRON yang diletakkan pada p-I-n Photodioda tipe 83590-08 buatan HAMAMA T8U dengan menggunakan optical grease yang berfungsi pula sebagai pemandu cahaya. Kristal sintilator CsI(Tl) bersamaphoto dioda dan penguat hibrid tipe H4083 besertaperlengkapanelektronik lainnya, kemudian dikemas dalam aluminium berbentuk sili.iJer yang kedap cahaya. Hal ini dilakukan untuk menghindari kesalahan deteksi, karena kristal sintilator CsI(Tl) dan photo dioda mendeteksiphoton. Penguat awal dan penguat menggunakan teknologi hybrid component sehingga dihasilkan dimensi, derau dan daya yang lebih kecil. 8pesifikasi teknis penguat awal dan penguat sebagaiberikut : Polaritasmasukan/keluaran: Polaritasterbalik Penguatanmuatan
: 0,5 V/pico Coulomb
Derau
: 550 elektron FWHM
KonstantaFeedback Waktu bangkit (Cj=O pF)
: 50 M .0./2pF : < 30 ns
Waktu Jatuh Teganganof set DC
: 100 ~s : -0,6 V
Catu Tegangan
::t 12 V
Konsumsi daya Dimensi
: 150 m W :(24xl0x4) mm) , 9 pin
22 mV/Mev (8i)
RIc~'" t;t~
,',...ITE:
~
Gambar 2. Krisla/ sinli/alor dilelakkan pa da Photo dioda.
Penguat awaI Bila suatudetektor semikonduktorsepertiSi digunakan untuk mendeteksisoft x-ray dan gamma tenaga rendah ataupun tinggi, sinyal keluarannya berupa muatan yang lemah dan lebar pulsa beberapa puluh nano detik. Detektor sebagai elemen deteksi, mempunyai sifat kapasitip dan impedansisangattinggi. Oleh karenaitu diperlukan penguat operationaldalam mode integratordengan menggunakan umpan balik kapasitor. Karena penguat ini memiliki impedansi masukan tinggi dan mengintegrasikan pulsa-pulsa muatan yang lemah, serta mengubah menjadi pulsa tegangan sehingga dihasilkan impedansi keluaran rendah. Oleh karena sifut operasinya tersebut, maka penguatini disebutpenguatawalpeka muatan.
Dimensi penguathibrid ini sepertipadaGambar 3.
BufferAmplifier Agar supaya keluaran penguat Hibrid Hamamatsu model H4083 dapat dideteksi oleh peralatan lain. Maka diperlukan buffer amplifier. Selain itu difungsikan pula sebagai inverter yang membalik polaritas masukan/keluaran.Komponen yang digunakan adalah komponen standard yang banyak digunakan dalam instrumentasinuklir. Sedang gambar detektor secara keseluruhan termasuk penguat peka muatan dtunjukan oleh Gambar 4 dan Gambar S.
HASIL DAN PEMBAHASAN Pada pengujian detektor Csl(TI )-pin Photo dioda digunakan peralatansebagaiberikut : 1. Add on Card Multi Channal Analyzer 16 K
TATA KERJA Digunakan kristal sintilator Csl(Tl) berbentuk kubus dengan dimensi 10 x 10 x 10 mm3
Kanal 2. Osiloskop Textronix
Proaldlng Pertemu.n dan Preaentaal IImlah Penelltl.n Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologl Nukllr P3TM-BATANYogyakarta. 7 -8 Aguatua 2001
"--
216
ISSN 0216 -3128
Setyadi WS,dkk.
Gambar 3. Bentukfisik dan dimensipenguat hibrid Hamamatsumodel H 4083.
Digunakan sumber radio aktip standard Cs137 yang ditempatkan didepan detektor dengan jarak sekitar 40 cm. Jarak yang cukup ini dapat dilihat dari waktu mati MCA. Pada pengujian ini waktu mati MCA peralatan yaitu penguatan kasar, penguatan halus clan pengaturan lainnya diatur sedemikiandihasilkan waktu mati sekitar 15%.
3. Bin Module 4. Penguatpembentukpulsa 5. Personelkomputer 6. SumnerradiasistandardCs-137
-
7. Kabel dan peralatanlainnya. Parameteryang diamati adalah spektrumsumber radio aktip standard dan tenaga gammaminimum. Untuk mendapatkan kedua parameter ini perlu diamati spektrumnya oleh Multi ChannelAnalyzer (MCA) dengan mencacahsumber radiasistandard. Parameter ini merupakan spesifikasi yang lazim diberikan oleh produsendetektor. Untuk memberikan gambarantentang penelitian sejenis,digunakan pembanding yaitu detektor CsI(Tl) buatan Crimatex yang menggunakan kristal sintilator berbentuk kubus ukuran (lxIxl)cm3 .Kedua detektor tersebutdiuji denganperalatan yang sarna.
a. PengamatanSpektrum ,-
Pengujiandetektoryang dirakit dilakukan dengan menggunakan mode live time 1000 detik sedangkan detektor pembanding dicacah selama 2000 detik. sehingga dihasilkan spektrum yang baik untuk dianalisis, yaitu ditandai jumlah cacah yang cukup besar (dalam orde ribuan cacah pada photo-peak). Hasil pencacahan sumber radioaktip standard Cs-137 dengan detektor CsI(TI) seperti pada lampiran I clan2. Dari spektrum ini dihitung FWHM (Full Width Half Maksimum) dari spektrum Cs-137. Perhitungan menggunakan fasilitas analisis yang dimiliki MCA didapatkan FWHM sebesar8,99 % untuk detektor yang dirakit clan 10,72% untuk detektor buatanCrismatex.
Hy~rtdpreamplifier
I
J
!
~; -~
~ ~ '3 ... + 'ts'L
Phot<.KlK>d~
Scintillation LTY.\tal
Reflector Aluminum Dody ,O.S nwil Gambar 4. Detektor Cs/(T/) besertapenguatpeka muatan.
-
Prosldlng
Pertemuan dan Presentasl IImlah Penelltlan Dasar IImu Pengetahuan P3TM-BATAN Yogyakarta. 7 -8 Agustus 2001
dan Teknologl
Nukllr
ISSN 0216-3128
Setyadi WS, dkk.
b. TenagaGammaMinimum Selain
FWHM,
diamati
adalah
adalah
besamya
electronik
derau
ataupun
ataupun
lingkungan,
rendah.
Derau
dicacah,
parameter
besamya
ini
karena
yang
derau
Aras
berasal
karena
umumnya perlu
yang
aras derau.
dari
sinar
perlu derau derau kosmis
muncul
pacta tenaga
didiskriminasi
atau tidak
aI~an mengakibatkan
tingginya
217
waktu mati. Sebelum dilakukan pencacahan sumberstandarddenganmenggunakanMCA, perlu diamati clan diatur besamya waktu mati, agar diperoleh pencacahanyang optimum. Pencacahan optimum antara lain ditandai dengan kecilnya waktu mati MCA sebesar<1%. Untuk itu diatur Low Level Discriminator (LLD) MCA, sehingga pulsa dengan tenaga minimal tertentu saja yang diprosesatautidak didiskriminator.
PEMBAHASAN
tidak dapat dihilangkan sehubungan dengan sifat fisis Si-PINphoto dioda yang digunakan
1. Pengujiandengansumberradioaktip
Hal yang dirasakanadalah efisiensi detektor yang rendah,disebabkankarena bentuk geom..etrikristal daDphoto dioda yang relatif kecil. Hal ini mudah dikenali dengan jumlah cacah yang lebih kecil dibandingkan dengan detektor sintilasi NaI(TI), untuk mencapaijumlah cacahyang sarna.
Pengujian menggunakansumber radioaktif standardbiasanyamenggunakanCs-137,kemudian diukur beberapa parameternya. Dari hasil pengujian tersebutdidapatkanhasil sebagaiberikut Resolusi
: 8,9~1%
Aras derau
: Kurang dari 110 key
Catudaya :+12V,-12Vdan+24V Dari data pengukuran daD spektrum yang dihasilkan, Detekt()r Csl(Tl)-pin photo dioda yang dirakit ini memiliki sifat-sifat yang sarnadengan detektor Sintilasi CsI(TI) buatanCrismatex. Hal ini nampak dari spektrum~~il pencacahandengan sumberstandarCs-137. Selain hal itu kekurangan dari detektor sintilasi CsI(Tl) aljalah adanya tenaga minimum, yaitu besarnya tenaga minimum dimana detektor Csl(Tl) ini laYilk dioperasikan. Dari hasil pencacahanCs-137 didapatkan tenaga minimum lebih kecil dari 110 keV. Tenaga minimum ini Prosldlng
Penggunaancatu daya detektor yang memerlukan tegangan rendah sebesar :I: 24 Volt merupakan salah satu keunggulan dibandingkan dengan detektor sintilasi NaI(TI) ataupun detektor OM.. Berkurangnya derau elektronik pada catu daya amat berpengaruh terhadap stabilitas spektrum tinggi pulsa. Stabilitas spektrum tinggi pulsa ini merupakan salah satu syarat yang harus dipenuhi pencacahanradiasinuklir. Derau elektronik sebesar <110 KeV, merupakan batasbawah tenagagamma yang bisa dideteksi oleh detektor ini.
2. Penguat awal Sambungan optis antara Sintilator dengan photo dioda tidak berbeda dengan sambungan
F'ertemuan dan Presentasilimiah Penelltlan Oasar IImu Pengetahuan P3TM-BATAN Yogyakarta, 7 -8 Agustus 2001
dan Teknologl
Ntlkllr
218
ISSN0216-3128
NaI(T1) yang menggunakan optical grease. Sambunganantara sinti1ator CsI(TI) denganphoto dioda 1ebih menguntungkan dari pada menggunakan PMT. Parameter yang penting adalah rendahnya fluktuasi statistik pada pembangkit muatan atau dengan kata lain adanya peningkatan resolusi detektor,hila noise elektronik dapat ditekan. Besarnya EquivalentNoise Charge (ENC) seperti padapersamaan(1)
Setyadi WS,dkk.
UCAPANTERIMA KASm Penulis menyampaikanucapanterima kasih kepada Mr. Kazuaki SHIMIZU dari Electronic Division, Department Engineering Services, Tokai Research Establishment -JAERI-JAPAN selama mengikuti program STA tahun 1997 atas penyediaankomponen, diskusi clankerjasamayang baik.
DAFTAR PUSTAKA dimana t adalah shaping time (l.1s),Id adalah dark current photo dioda (nA), ~ tahanantotal (G?), C jumlah kapasitas kondensator parallel (pF), gm adalah FET transconductance clan ai, ~ adalah konstanta. Pada umumnya besarnya noise sebanding dengan bl:sarnya kapasitor parallel C, hila dark current dipertahankanpada jangkau nA. Pada hybrid charge sensitive preamp yang digunakan, didesain dengan ENC yang rendah yaitu sebesarkurang dari 1 keY pada kapasitansi II 01 (6). --
Dari bentuk fisik yang kecil clan kompak, yang terdiri dari detektor, penguatawal, penguathibrid, maka tinggal diperlukan rangkaian luar berupa rangkaian diskriminator, catu daya clanantar:muka serta komputer laptop untuk mengkonstruksi peralatan spektroskopi gamma dalam berbagai bentuk clankeperluan. Dengan konsumsidayayang rendah clan bentuk yang kompak ini memudahkan konstruksi peralatantersebutlebih andal.
KESIMPULAN Dari basil perkitan clanpengujian detektor CsI(TI)-PIN photodioda dapatdisimpulkan: I. Detektor ini memiliki kelebihan antara lain bentuk yang lebih kompak, tidak memerlukan catu daya tegangan tinggi clan mampu mendeteksigammadenganjangkau ukur tenaga yang sarnadengandetektor SintilasiNaI(TI). 2. Untuk pemakaiantertentu detektor ini memiliki keunggulan dibandingkan detektor Sintilasi NaI(TI), dari segi harga, bentuk yang kompak clancatu daya. 3. Oari basil pengujian detektor CsI(TI)-pin Photodiode, didapaikan unjuk kerja yang lebih baik, terbukti dari resolusi detektor sebesar 8.99% dibandingkan dengan 10,72 % buatan Crismatex.
Prosldlng
1. Glenn F. Knoll., Radiation Detection and Measurement, John Wiley and Son, New York, Brisbane,Toronto Singapore(1979). 2. Nicholas Tsoulfanidis., Measurement and Detection of radiation, HemispherePublishing Corporation,New York, London, Washington, Philadelphia(1972). 3. G .Bellia at all, 1977, Nuclear Instruments and Methods in Physics ResearchA 38,5halaman 116-112. 4. Makino at all, 1994,Nuclear Instruments and Methods in Physics ResearchA 353 halaman
453-456. 5. Bird at all, 1994, Nuclear Instruments and Methods in Physics ResearchA 353 halaman 46-49. 6. V.Prat at all, 1996, Nuclear Instruments and Methods in Physics ResearchA 369 halaman 617-621. 7. 'Si Photodioda and Charge sensitive amplifier for Scintillation Counting and High Energy Physics' Hamamatsu-Co, Hamamatsu Japan,
1997. 8. Setyadi Ws dkk."Detektor Cs(ltl)-PIN PHOTODIODE Untuk Renograf Jinjing" Prosiding Temu Ilmiah Dua Tahunan Perhimpunan Kedokteran & Biologi Nuklir Indonesia,Semarang12 Desember1998.
TANYAJAWAB Bambang Supardiyono -Contoh detektor adalah hasil penelitian di Jepang dengan perlengkapan cukup lengkap untuk perakitan sendiri memerlukan ruang kedap udara, mohon dijelaskan tehnik pelaksanaanpembuatan.Mohon penjelasan.
Perlemuan dan Presentallilimiah Penelltlan Dasar Ilmu Pengetahuan P3TM-BATAN Yogyakarta, 7 -8 Agustus 2001
dan Teknologl
Nukllr
Setyadi WS,dkk.
219
ISSN 0216 -3128
SetyadiWS -Pada pembuatan detektor CsI (Fl)- PIN Photo dioda tidak memerlukankondisi ruangan atau tempat khusus,ataupunperalatan khusus.
Prosldlng
Pertemuan dan Presentasillmiah
Penelitlan Dasar IImu Pengetahuan
P3TM-BATAN Yogyakarta, 7 -8 Agustus 2001
dan Teknologl
Nuklir
