J. Sains MIPA, Edisi Khusus Tahun 2007, Vol. 13, No. 3, Hal.: 199 - 204 ISSN 1978-1873
DESAIN TRANSDUSER TEGANGAN TINGGI PADA TABUNG GEIGER MULLER UNTUK MENDETEKSI RADIASI RADIOAKTIF Irwandi Jurusan Fisika FMIPA Universitas Syiah Kuala Darussalam Banda Aceh 23111 email:
[email protected] Diterima 28 Agustus 2007, perbaikan 10 Desember 2007, disetujui untuk diterbitkan 27 Desember 2007
ABSTRACT In this paper, we discussed the design of high voltage transducer for radioactive detector by the use of Geiger Muller tube. The high voltage sources was generated in two parts, i.e. the pulse generator series, and voltage multiplier series. The voltage produced was controlled with Wezel feed back system, so that the Geiger Muller tube with the type of ZP1481 Mullard will receive constant limit voltage which is about 400 Volt. The signal obtained has to be strengthen in order to move the input inverter CMOS Schmitt trigger. Schmitt trigger series will produce a square signal which can be counter by counter system to produce the voice signal to show the radioactive existence. The counter system will be controlled by microcontroller which will show the counter result in seven segments. The proper fit test of the design transducer was done by verifying the counter result of radioactive counter instrument made by LeyBold by looking at the counter distribution obtained. The verification result showed that the design transducer was able to show the appropriate counter distribution style with the Poisson distribution. However, the relatively longer measurement time of the transducer shown the reduce in sensitivity in measuring the radiation of low radioactivity. Based on the verification result, it can be concluded that the design transducer obtained is able to be used for education and research purposes related in the measurement of radioactive radiation. Keywords: Geiger Muller tube, high voltage transducer, radioactive detection
1. PENDAHULUAN Sinar radioaktif yang diradiasikan oleh suatu isotop radioaktif tidak dapat dideteksi oleh indera manusia. Kita tidak dapat mengetahui apakah suatu bahan memancarkan radiasi radioaktif yang berbahaya atau tidak. Untuk mengatasi permasalahan tersebut perlu dikembangkan suatu peralatan yang dapat membantu manusia untuk dapat mendeteksi sinar radioaktif tersebut.
Gambar 1. Foto Tabung Geiger Muller ZP1481 Sinar radioaktif merupakan partikel dengan tingkat energi yang relatif tinggi dan relatif sulit berinteraksi secara kimia maupun listrik. Sehingga untuk mendeteksi radiasi radioaktif dibutuhkan detektor khusus seperti detektor tabung Geiger Muller. Namun untuk menggunakan tabung Geiger Muller dibutuhkan tegangan tinggi yang bekisar antara 300V-600V. Sehingga pada rancangan transduser sensor tersebut perlu dikembangkan unit pembangkit tegangan tinggi1). Signal arus listrik yang dihasilkan oleh tabung Geiger Muller relatif sangat kecil sehingga dibutuhkan juga perancangan sistem penguatan signal yang mampu dideteksi oleh alat pencacahan. Peralatan pencacahan yang akan dikembangkan dengan menggunakan sistem digital yang dikontrol mikrokontroler dengan tampilan data pada seven segmen. Untuk menguji
2007 FMIPA Universitas Lampung
199
Irwandi Desain Transduser Tegangan Tinggi pada Tabung
keakuratan detektor radioaktif tersebut perlu dilakukan proses verifikasi. Proses verifikasi peralatan dilakukan dengan membandingkan visualisasi hasil pengukuran dengan peralatan standar buatan Leybold2). Tabung Geiger Muller adalah alat untuk mendeteksi dan pengukur ionisasi dari radiasi nuklir. Ini adalah alat tertua yang digunakan untuk tujuan yang dimaksud, tetapi termasuk salah satu alat ukur yang paling sensitif, terutama untuk radiasi level lemah dan cocok dipergunakan di berbagai situasi. Bagian luar dari Geiger muller ini terdiri dari logam yang sering disebut tabung yang didalamnya diisi dengan gas bertekanan rendah, biasanya berisi gas Argon dan Neon3). Pada Gambar 1 memperlihatkan foto tabung Geiger Muller. Jika tegangan terpasang pada tabung Geiger Muller yang berisi gas dinaikan, maka elektron sekunder yang berada pada kawat yang ditengah tabung akan meningkat, sehingga elektron disekitarnya akan tereksitasi. Apabila ada sinar radioaktif yang memasuki tabung tersebut akan menciptakan ionisasi sehingga menghasilkan pulsa arus pada tabung tersebut. Pulsa arus yang lemah tersebut dikuatkan sehingga dapat dihitung jumlah pulsa yang terjadi. Konfigurasi pemasangan diperlihatkan pada Gambar 2.
Gambar 2. Skema transduser tabung Geiger Muller4)
2. METODE PENELITIAN Penelitian ini dilakukan di Laboratorium Microcontroler dan Robotic Jurusan Fisika FMIPA Universitas Syiah Kuala dengan memanfaatkan detektor Geiger Muller tipe ZP1481 Mullard bekas yang banyak terdapat di Jurusan Fisika FMIPA Universitas Syiah Kuala. Pembuatan transduser menggunakan komponen-komponen khusus terutama yang bekerja pada bagian tegangan tinggi dengan blok diagram diperlihatkan pada Gambar 34).
Signal Pulse Wezel Feedback
Digital counter
Gambar 3. Blok diagram rangkaian transduser tegangan tinggi Geiger Muller Untuk memperlihatkan hasil cacahan tersebut maka digunakan counter mikrokontroler yang terintegrasi pada Single Board Computer (SBC)5). Bagian blok pembangkit signal menggunakan sepasang transistor yang bekerja pada tegangan 9 Volt (Gambar 4a). Osilator pembangkit signal tersebut dikendalikan oleh jalur Wezel yang merupakan umpan balik dari unit tegangan tinggi. Unit tegangan tinggi memanfaatkan sistem induksi melalui sebuah transformator. Tegangan tersebut dikuatkan lagi melalui rangkaian pengganda tegangan6) seperti tampak pada Gambar 5. Tegangan yang dihasilkan oleh unit blok tegangan tinggi harus memiliki nilai tertentu yang konstan sehingga dibutuhkan suatu umpan balik bila tegangan meningkat. Umpan balik tersebut berupa jalur Wezel (Gambar 4b)
200
2007 FMIPA Universitas Lampung
J. Sains MIPA, Edisi Khusus Tahun 2007, Vol. 13
(a)
(b)
Gambar 4. (a) rangkaian pembangkit signal, (b) rangkaian umpan balik Wezel
c
A
Gambar 5. Rangkaian blok pengganda tegangan tinggi Tegangan tinggi yang dihasilkan pada gambar 5 diumpankan ke bagian anoda tabung Geiger Muller. Sedangkan pada bagian katoda dihubungkan dengan rangkaian penguat sinyal. Signal yang telah dikuatkan dibuah dalam bentuk gelombang persegi dengan bantuan rangkaian Schmitt Trigger yang dapat dihubungkan ke sistem counter SBC dan speaker untuk menghasilkan suara detak. Hasil desain transduser tersebut diperlihatkan pada Gambar 6.
Gambar 6. Transduser detektor hasil desain radiasi radioaktif Geiger Muller
2007 FMIPA Universitas Lampung
201
Irwandi Desain Transduser Tegangan Tinggi pada Tabung
3. HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil pengamatan osiloskop terhadap signal yang dihasilkan oleh osilator pembangkit signal diperlihatkan pada gambar 7a. Frekuensi yang dihasilkan sekitar 5div*10ms/div = 20Hz. Pada gelombang tersebut terjadi diskontinuitas yang menyebabkan nilai differensiansi yang relatif besar sehingga bila melewati transfomator akan menghasilkan tegangan tinggi.
(a) Gambar 7. a) Signal Osilator b) signal data yang keluar dari Schmitt Trigger
(b)
Pada saat bahan radioaktif diarahkan ke tabung Geiger Muller maka transduser mendeteksi adanya radiasi radioaktif sehingga menghasilkan signal yang aktif rendah seperti yang dipelihatkan pada Gambar 7b. Semakin banyak terjadi peristiwa ionisasi di dalam tabung Geiger Muller maka akan semakin banyak pula sinyal yang tampak pada osiloskop. Dari data hasil perancangan transduser rancangan dengan menggunakan tabung Geiger Muller tipe ZP1481 Mullard dan transduser produk Leybold diperoleh grafik untuk distribusi peluruhan seperti yang diperlihatkan pada Gambar 8.
(a)
(b)
Gambar 8. Histogram distribusi pencacahan t = 10 detik dengan menggunakan (a) transduser hasil desain (b) transduser produk Leybold.
(a) (b) Gambar 9. Plot data terhadap waktu untuk selang t = 10 detik dengan menggunakan (a) transduser hasil desain (b) transduser produk Leybold.
202
2007 FMIPA Universitas Lampung
J. Sains MIPA, Edisi Khusus Tahun 2007, Vol. 13
Pada Gambar 8 tersebut terlihat transduser hasil desain lebih banyak mencacah dari pada transduser Leybold. Namun keduanya telah mampu memperlihatkan pola distribusi yang mendekati distribusi Poisson berupa garis putus-putus, dimana garis tersebut ada pendekatan dengan menggunakan distribusi Gaussian7). Sedangkan keacakan data diperlihatkan pada Gambar 9a dan 9b. Dari data tersebut dapat digambarkan kekonvegenan nilai rata-rata seperti yang diperlihatkan pada Gambar 10a dan 10b.
(a)
(b)
Gambar 10. Plot kekonvergenan nilai rata-rata selama pengukuran dengan menggunakan (a) transduser hasil desain (b) transduser produk Leybold. Dari Gambar 10a dan Gambar 10b dapat dilihat bahwa nilai cacahan rata-rata yang dihasilkan dengan menggunakan transduser Geiger Muller tipe ZP1481 Mullard cenderung lebih besar dibandingkan dengan nilai rata-rata yang diperoleh melalui pengukuran dengan menggunakan transduser Geiger Muller Produk Leybold. Namun untuk transduser hasil desain mengalami sedikit fluktuasi. Hal ini disebabkan peralatan hasil desain masih memiliki ketidakstabilan komponen bila digunakan dalam waktu pengukuran yang relatif lama. Pengujian juga dilakukan untuk melihat respon tabung Geiger Muller terhadap sudut yang berbeda, yaitu dari sudut -150 o hingga sudut 150 o yang diperlihatkan pada Gambar 11a dan 11b.
(a)
(b)
Gambar 11. Respon tabung Geiger Muller terhadap sudut dengan menggunakan (a) transduser hasil desain (b) transduser produk Leybold. Apabila kita membandingkan kedua grafik tersebut, maka terlihat bahwa pola grafik yang menunjukkan kesamaan, namun memiliki perbedaan dari segi banyaknya cacahan yang dihasilkan. Sebagai tambahan dilakukan juga pengukuran respon tabung Geiger Muller dengan melakukan pergeseran linear tegak lurus terhadap sumbu tabung dengan interval jarak sejauh -45 cm hingga 45. Respon yang diberikan oleh transduser ini dapat dilihat pada Gambar 12a dan 12b. Respon instrumen terhadap radiasi radioaktif ternyata memiliki cacahan radiasi berbeda antara suatu jenis bahan radiasi dengan bahan yang lain. Hal ini dapat ditunjukkan oleh Tabel 1.
2007 FMIPA Universitas Lampung
203
Irwandi Desain Transduser Tegangan Tinggi pada Tabung
(a)
(b)
Gambar 11. Respon tabung Geiger Muller terhadap pergeseran linear (a) transduser hasil desain (b) transduser produk Leybold. Tabel 1. Respon transduser terhadap berbagai jenis bahan radioaktif Jenis Bahan Radiasi yang dipancarkan Banyaknya cacahan/30 detik (Transduser Desain) Banyaknya cacahan/30 detik (Transduser Leybold) Selisih cacahan
Co-60
Am-241
Sr-90
Na-22
Cs-137
Latar -
42
44
564
28
300
13
35
32
144
20
92
12
7
12
420
8
208
1
Perbandingan nilai rata-rata cacahan dengan menggunakan bahan radioaktif yang berbeda menunjukkan bahwa banyaknya cacahan rata-rata yang dicacah dengan menggunakan transduser Geiger Muller ZP1481 Mullard hasil desain lebih lebih banyak dari pada nilai rata-rata cacahan yang dicacah oleh transduser Geiger Muller produk Leybold. Dari hasil verifikasi dapat disimpulkan bahwa tranduser Geiger Muller hasil desain layak digunakan untuk pendidikan dan penelitian yang berhubungan dengan pengukuran radiasi radioaktif.
UCAPAN TERIMA KASIH Ucapan terima kasih penulis sampaikan kepada HEDS Project yang telah memberikan dana PPD HEDS dan Universitas Syiah Kuala yang memberikan fasilitas selama penelitian.
DAFTAR PUSTAKA 1.
Petruzella, F. D. 2002. Elektonik Industri, Penerbit Andi, Yogyakarta.
2.
Leybold, 2001, Instruction sheet, Set of radioactive preparations (559 83), Leybold Heraeus GMBH Germany
3.
Miswardi, 2006. Perancangan Tranduser Pasda Detektor Radiasi Radioaktif Dengan Menggunakan Tabung Geiger Muller Tipe ZP 1481 Mullard, Proyek Akhir, D3 Inskom FMIPA Unsyiah.
4.
Rajibussalim, Irhamni, dan Irwandi, 2006, Simulasi Distribusi Peluruhan Radioaktif dan Verifikasi Dengan Hasil Eksperimen Menggunakan Isotop Cobalt Co-60, Laporan PPD HEDS, Banda Aceh
5.
Syahputra, A., 2005, Perancangan SBC (Single Board Computer) Untuk Membangun Integratead Sistem Menggunakan Intel Data Bus Berbasis Mikrokontroler AT89S52, Proyek Akhir, D3 Inskom FMIPA Unsyiah.
6.
Putten, Anton F. P. Van, 1996, Electronic Measurement Systems, Penerbit Institute of Physics Publishing, London.
7.
Boas, Mary. 1984. Mathematical Methods in Physics Science. Third Edition. Englewood Cliffs. Prentice - Hall, Inc.
204
2007 FMIPA Universitas Lampung
