Iq~ Prosiding Peretenwan
58
Buku I
PP~-BATAN,
dan Presentasi Ilmiah
Yo!:)Jakarta 15-17 April 1995
PENGUKURAN SINAR X PADA PLASMA FOKUS Sunardi, Suryadi, Widdi Usada, Agus Punvadi PPNY-BATANP.O. Box 1008 Yogyakarta 55010
ABSTRAK PENGUKURAN SINAR X PADA PLASJvfAFOKUS. Telah dilakukan pengukuran sinar X pada tabung plasma fokus. Pengukuran dilakukan dengan menggunakan fotodioda BPX65 sebagai detektor yang di letakkan di atas elektroda dalam dengan jarak 7-10 cm, kemudian pulsa sinar X diamati dengan osiloskap TDS540 dan hasilnya direkam dengan kamera polaroid. Diperoleh pulsa setingii 35 voltyakni pada jarak sejauh 7 cm dari elektroda dalam, sedang pulsa 30 volt tel'jadipadajarak sejauh 8 em. Diperoleh energi total yang dipancarkan adalah 0,00242 joule/detik dan 0,00271 joule/detik. Intensitas terhitung penurunannya tidak mengikuti pola 1/?-.
ABSTRACT MEASUREA1ENTOF X-RAY IN THE PlASMA FOCUS. It has been done measurement of X-ray in the plasmafoeus tube. Measurement is carried out by using BPX65 photodiode as the detector, which is laid about 7-10 em over the inner electrode, thepulse ofX-ray observed by TDS540 oscilloscope and recorded by polaroid camera. The pulse 35 volt is obtained on the distance of7 cmfrom inner 'electrode and the pulse 30 volt obtained on the 8 cmfrom the inner electrode. Totalenergy obtained 0.00242joule/secon and 0.00271 joule/secon. The intencity attenuation is notfollowed the 1/r2law.
PENDAHULUAN
D
i laboratorium Fisika Plasma PPNY telah beroperasi satu unit peralatan tabung plasma fokus yaitu berupa tabung silinder koaksial dengan elektroda dalam berdiameter 1,9 em, panjang 16,5 em. Elektroda luar berdiameter 0.7 em, panjang 16 em. Saluran transmisi listrik adalah 20 kabel koaksial ripe RG8 masing-masing panjangnya 75 em. Dari tabung plasma tersebut telah dilakukan penentuan parameter-parameter plasma yaitu suhu plasma, kerapatan daTIkeeepatan plasmanya, bahkan telah terdeteksi finks daTi hamburan neutron yang dihasilkannya. Peralatan plasma fokus tersebut disamping menghasilkan ion, elektron, sinar ultra violet juga akan menghasilkan sinar X(l) Dalam kesempatan ini penulis mencoba untuk menentukan adanya sinar X yang dihasilkan plasma fokus. Pengukuran sinar X dilakukan dengan fotodioda BPX65 yang ditempatkan antara 7-10 em diatas elelctrodadalampactatabung plasma daTIpulsa diamati dengan osiloskop TDS540 kemudian barn direkam dengan film polaroid. Pacta pengukuran sinar X ini juga dilakukan pengukuran arus plasma daTItegangan plasma yaitu menggunakan kumparan Rogowski untuk mengukur arus clan probe tegangan untuk mengukur tegangan plasma. Pengukuran arus daD tegangan plasma ini
Sunarof,-dkk.
dimaksudkan untuk mengetahui kondisi fokus yang terjadi pactatabung plasma, sehingga dengan kondisi seperti ini .dapat diperkirakan adanya sinar X alan tidak. Panearan sinar X pacta tabung plasma dihasilkan adanya interaksi antara berkas elektron dengan anoda yang berfungsi sebagai target. Dalam hal ini berkas elektron dihasilkan adanya lueutan sinar katoda (efek pseudospark) yaitu fenomena plasma yang mana 'ada banyak tumbukan elektron diantara dua elektroda Bentuk spektrum sinar X sangat tergantung pactaenergi kinetik daTielektron Ee. Hal ini dapat dinyatakan sebagai berikut (2) Ie
-Z (Ee-6,,)
(1)
dengan : Z = Nomor atom daTitarget Be = energikinetikelektron 6x = energi photon sinar X Intensitas total yang dipanearkan dapat diperoleh dengan mengintegralkan Ie untuk semua kemungkinan
Yc
=
energi
t 0
Icd,6X
raton
daTi X
=
0 sampai
Ee
(2)
ISSN 0216-3128
Prosiding Peretemuan dan Presentasi llmiah PPNY-BATAN, Yogyakarta 25-27 April 1995
Buku I
Pacta pereobaan ini digunakan fotodioda BPX65 untuk mendeteksi adanya sinar X pactatabung plasma dengan parameter sebagai berikut: Daerah efektif deteksi 1 mm2
-
-
- 10 flm -0,5 flm -0,5 fls
Tebal silikon intrinsik Teballapisan mati (dead layer) Waktu bangkit (rise time)
Dioda ini terdiri dari dua lempeng silikon, lapisan P daTIlapisan N yang di tengahnya terdapat silikon intrinsik, sehingga dioda ini disebut PIN dioda yang berfungsi seperti detektor zat padat. Fotodioda ini diberi tegangan mundur, yaitu diberi tegangan lebih negatip terhadap katoda.
59
Sensitivitas dioda dapat ditulis sebagai berikul(2) S(A)~
dengan:
-"'-
= koefisfen absorbsi silikon (em2/g) p = rapat massa silikon (g/cm3) Xl = teballapisan mati (dead layer) dioda (em) X2 = daerah deteksi efektif (em) Total energi sinar X yang dipanearkan plasma fokus dapat dibaea pacta osiloskop sebagai Va, sehingga dapat diperoleh energi sinar X sebagai berikut
= x
d&onh
~
R
SeA) e(-flPX)
.
I
. 4ncf A
(4)
sedang : R = impedansiosiloskop SeA) = sensitivitasBPX 65 fl = koefisien absorbsi bahan braking (AI) P = rapat massa bahan bloking (AI)
PIlI
junct1on
p
III ~t Ic.luaran
Gambar 1. Detektor Fotodioda BPX65
Bila detektor dikenai zarah radiasilsinar X makadalamlapisan sensitip (deflectionlayer) timbul pasangan elektron daTIlowong. Medan listrik yang ditimbulkan tegangan bias akan menggiring muatan keluar dari lapisan sensitip masuk ke daerah luar yaitu sambungan p-n. Elektron akan menuju ke terminal positip sedang lowong akan menuju ke terminal negatip. Jumlah muatan yang terbebaskan sebanding dengan energi radiasi yang diserap, sehingga akan menimbulkan pulsa listrik. Pactapenyerapan felon sinar X dengan energi lebih besar atau sama dengan energi yang digunakan untuk membentuk satu pasang elektron-Iowong (silikon 3,55 ev) maka satu atau lebih pasangan elektron-lowong akan menghasilkan aliran muatan pactarangkaian bias. Sehingga felon sinar X dengan energi antara 0,124 eV sampai 124 keV (0.1 A - 100 A), setiap felon akan membebaskan kira-kira 35 35000 elektron sehingga jumlah muatan yang terkumpul sebesar 0,28 C untuk setiap I joule energi yang diserap. Sehingga besarnya amplitude keluaran pacta fotodioda BPX65 sebanding dengan jumlah energi sinar X yang diserap.
}SSN 0216-3128
Vo ,
n
intraJcl1k -------daerah
(3)
fl
E
---------
0,28, exp (-I-LPXj)(l-exp (-I!PX2))
x
=
tebal bloking (em)
d = jarak dioda dengan sumber sinar X (em) A = efektip deteksi dioda (Imm2)
TATA'KERJA Sebagai peralatan pereobaan tabling plasma fokus yaitu tabung plasma bempa sHinder koaksial dengan elektroda dalam berdiameter 1,9 em, panjang 16,5em. elektroda luar berdiamater 0,7 em, panjang 16 em. Saluran transmisi listrik adalah 20 buah kabel koaksial tipe RG8, masing-masing panjangnya 75 em. Pacta tabung/silinder dilengkapi saluran untuk pompa vakum, diagnosa sinar X, tegangan plasma, aIDSplasma. Peralatan plasma fokus ditunjukkan pacta gambar 2.
CJ pbotO
Bl'X65 .blctro4&
Gambar
1"""
2, PeraWJan Plasma Fokus
Sunardi,
dkk,
60
Prosidillg PeretetfUlall dan Pre.ven/as; llmiaJ. PPNY-BA TAN, Yogyakarta 25-27 April 1995
Buklll
Plasma fokus dioperasikan pactatenaga 3,I kJ, kapasitor 28 ~F dengan tegangan operasi 15 kV, tekanan gas argon 0,7 mbar dimuati oleh sumber tegangan tinggi melalui tabananpembatas arus 100k /80 watt Kapasitor dilueuti melalui saklar pengendali spaIk gap, sehingga arus 150 180 kA dengan waktu bangkit 2 ~detik akan menimbulkan plasma yang terfokus. SinarX yang dibasilkan fokus plasma diukur seeara langsung dengan fotodioda BPX65 alas dasar terjadinya interaksi antara elektron daDanoda yang berfungsi sebagai target yang akan tertangkap oleh fotodioda tersebut.
sinar X denganjarak yang berbeda yaitu 7 em dan 8
em.
-
-
..
Fotodioda ini dioperasikan dengan diberi tegangan mundur (reverse bias) 45 volt dengan rangkaian sebagai berikut: Gambar 4a. Pilisa ams plasma (atas), Pilisa sillar X (tengall), Pillsa tegallgan (bawall), skala vertikal 10 V/div, skala lIorizolltall J-lS/div
-4Sv _1
kook.1al
10 II
ko ClIO ~10 II
.
~
Gambar 3. Rangkaian tegangan IIUllIdur
Tegangan bias 45 volt dirangkai dengan 2 buah batery 22,5 volt yang disambung serioTerminal positip dihubungkan ke body, terminal negatip dihubungkan pacta keluaran (ENC) ke osiloskop. Letak fotodioda antara 7 - 10 em di alas elektroda dalam. Diharapkan besar puis a sinar X yang tertampil pacta osiloskop tergantung dengan jarak fotodioda dengan sumber sinar X (anoda dalam). Sedang arns plasma diukur dengan menggunakan kumparan Rogowski, sedang tegangan plasmadiukur dengan menggunakan probe tegangan.
HASIL DAN PEMBAHASAN Pengukuran sinar X dilakukan seeara langsung yaitu pulsa sinar X basil fokus plasma dideteksi oleh fotodioda BPX65 yang kemudian diteruskan ke osiloskop TDS540, pulsa yang terekam ini barn diabadikan dengan kamera polaroid. Untuk terjadinya fokus plasma, tabling plasma dioperasikan dengan tegangan operasi 15 kV, tekanan argon 0,7 mbar. Gambar 4a, 4b menunjukkan basil pengukuran
Sunardi, akk.
Gambar 4b. Pilisa ams plasma (atas), Paisa sinar X (tengall), Pltlsa tegangan (ba1~all), skala vertikal 10 V/div, skala lIorizolltall IJ-S/div
Pulsa diperoleh dengan memblok fotodioda dengan alurni-nium tebal 1 mm di depan fotodioda. Dalam fokus plasma sebetulnya terjadi dua pulsa sinar X yaitu saat terjadi kompresi plasma dan kemudian terjadinya tumbukan antara berkas elektron dengan anoda yang berfungsi sebagai target. Gambar 4a. menunjukkan pulsa arus plasma (atas), pulsa sinar.X (tengah) daDtegangan plasma (bawah) yang diambil denganjarak fotodioda 7 em dari anoda dalam, fokus plasma terjadi 3 rnikro detik setelah plasma berjalan kearah aksial daD puisa kecil yang tertampil menunjukkan sinar X yang ditimbulkan
ISSN 0216-3128
Prosiding Peretemuan dan Presentasi Ilmialz PPNY-BATAN, Yogyakarta 25-27 April 1995
Buku 1
akibat kompresi plasma. Lama teIjadinya fokus plasma kurang lebih 100 llano detik.(3)Favre dkk,(4) telah mendeteksi sinar X pactakompresi plasma ini dengan lebar pulsa 50 llano detik saat plasma fokus dioperasikan dengan campuran gas argon daD hidrogen. Hasil percobaan mereka menunjukkan bahwa makin besar campuran hidrogen makin tinggi pulsa sinar X yang terdeteksi. Dalam percobaan ini pulsa sinar X yang muncul daTikompresi plasma tidak konsisten clanterlihat pulsanya sangat kecil, hal ini disebabkan banyak parameter yang dipengaruhi misalnya tekanan, tegangan, gas isian. Setelah 200 llanO detik timbu1 sinar X hasil interaksi antara elektron dengan anoda, pulsanya terarnati sebesar 35 volt Gambar 4b, menunjukkan pulsa arus plasma (atas),pulsa sinar X (tengah) dID pulsa tegangan plasma (bawah) yang diambil denganjarak fotodioda 8 cm, tampak pulsa sinal X hasil interaksi berkas elektron dengan anoda teramati sebesar 30 volt setelah teIjadi fokus plasma. Dengan hasil percobaan di alas diperoleh pulsa sinar X sebesar 35 volt clan 30 volt, sehingga dapat dihitung energi total sinal X yang timbul akibat interaksiberkas elektron dengan anoda dengan rumus (3) clan(4), diperoleh besarnya energi yaitu 0,00242 joule/detik clan 0,00271 joule/detik. Dengan diketahui energi 0,00242 joule/detik clan0,00271 joule/ detik, sehingga dapat diperkirakan intensitas sinar X yang timbul daTifokus plasmayaitu dengan membagi energi tersebut dengan luasan yaitu I = E/4ndz. wattlcmz,untuk d Diperoleh intensitas II = 3,93.10"6 = 8 cm dID lz = 3,36.10"6wattlcmzuntuk d = 7 cm. .
Kalau sumber sinar X merupakan sumber titik
yang homogen, maka penurunan intensitasnya dapat dinyatakan dengan relasi
61
menggunakan fotodioda BPX65 yaitu sebesar 0,00242joule/detik padajarak 7 cmdari letak sumber Canada)dID0,00271 joule/detik padajarak 8 cm daTi anoda dalam. Dari hasil percobaan diperoleh adanya sinar X pacta saat adanya interaksi berkas elektron dengan anoda, sedangkan sinal X hasil kompresi plasma teramati sangat kecil, sehingga untuk waktu yang akan datang diusahakan kedua pulsa sinar X bisa teramati. Dari hasil pengukuran untuk kedua macam jarak yang berbeda dan dengan tegangan operasi 15 kV maka pulsa sinar X yang diperoleh padajarak 7 cm yaitu sebesar 35 volt, sedang pactajarak 8 cm sebesar 30 volt Dengan hasil tersebut diperoleh energi sinal X yang timbul pactaplasma fokus adalah sebesar 0,00242 joule/detik dID0,00271 joule/detik, diperoleh intensitas masing-masing 3,93.10"6W/cmz dID 3,36.10"6W!cmz. Dengan hasil tersebut dapat disimpulkan bahwa sumber sinar X tersebut bukan merupakan sumber titik yang homogen karena penurunan intensitasnya tidak menurut pola l/rz. Dengan hasil intensitas sinal X diatas dapat diketahui 9ahwa lebih dekat letak detektor ke anoda maka akan diperoleh intensitas yang lebih besar daD begitu sebaliknya.
UCAPAN TERIMA KASIH Penulis mengucapkan banyak terima kasih kepada Giri Slamet, Akhmad Zaenuri, Kasiyo alas segala bantuannya daTipersiapan alat hingga dalam pengoperasian alat-alat percobaan, sehingga kegiatan penelitian pengukuran sinar X pactaplasma fokus bisa terselesaikan dengan baik.
Ilh = r-/r! Iliz = 3,93.10"6/3,36.10"6 = 1,17 rz/rl = 8z/i = 64/49 = 1,3
DAFTAR PUSTAKA 1.
Penurunanintensitas ternyata lebih lambat dibanding dengan rumus l/rz. Hal ini menunjukkan bahwa proses timbulnya sinar X tidak hanya disebabkan proses pengereman elektron pactaanode (memenuhi lit), tapi juga disebabkan karena efek gencet (pinch) pacta saat teIjadinya pemfokusan, efek ini yang menimbulkan penyimpangan daTirumus lit.
-
2.
3.
KESIMPULAN Telah dapat ditentukan besar energi sinar X pacta tabling plasma bentuk silinder dengan
rsSN 0116-3128
4.
WIDDI USADA, dkk. "Optimasi Plasma Fokus", Pertemuan daD Presentasi Ilmiah PPNY-BATAN, Yogyakarta, 12-14 April (1988). C. S. WONG AND S.LEE., Flash X-ray Experiment, Plasma Research Laboratory Physics Department, University of Malaya, Malaysia. TY.TOU et al,"A Small Plasma Fokus Device for Neutron, X-ray and Elektron beam Studies", in Small Plasma Physics Experiment, Ed. S.Lee, World Scientific, Singapore,C1988) M. FAVRE, etal, X-ray Emission in a Small Plasma Focus Operating With Hz-Ar Mixtures,
Sunardi, dkk.
Prosidillg PeretettUlan dun Presellta,'i llmialz PPNY-BATAN, Yo{:yakarta 25-27 April 1995
Buklll
62
Plasma Sources Sci. Technol. 1 (1992) 122-125 United Kingdom. 5. C.E. NEWMAN and VAHE PETROSIAN, ProductionofhardX-ray inaPlasmaFocus, The Physics of Fluids, vol.I8,no.5, May 1975, USA. 6. G. HERZIGER,et al, Hard X-ray Emission from the Plasma Focus, Physics Letters, vol.69A, no.l, Nov. 1978
TANY A-JAW AB
aruhi besarnya sinar X Energi plasma juga akan menentukan bobot ion argon, hal ini akan menentukan besarnya sinar X
Yusuf Menurut referensi detektor dikatakan sensitif pactatenaga sinar X 1 keV 10 keV. Bagaimana efisiensi detektor terhadap sinar X yang 0,124 124 keY? Jangkahenergi sinar X sangat besaryaitu 0,124124 keY (104 kali) apakah puisa yang teramati rangenya tidak terlalu besar misal 0,1 mV 10 V? Apakah alai ini sudah dicoba untuk mengukur sinar X (betul-betul sinar X yang datang daTi tabung sinar X)? Sunardi
-
-
-
Agus Santoso Apakah detektor yang dipakai sudah dikalibrasi dengan mengukur sumter sinar X standart. Berapa energi sinar X yang terukur daD intensitasnya, karena dalam pengukuran radiasi yang lazim dilakukan adalah pengukuran intensitas atau tenaga. Sunardi Belumltidak. Karena kami percaya dengan data BPX 65 tersebut. Misal kita mengukur dengan CRG, kami percaya CRG tersebut telah terka/ibrasi. Disini fasi/itas ka/ibrator untuk sinar X pulsa juga belum ada. Energi terukur:t 0,00242j1dt lntensitas :t 3,93.1(f6Wlcm2 Dalam pengukuran ini kami mengacu pada buku acuan dan terukur energi total. Anwar Budianto Untuk menggunakan suatu detektor, biasanya detektor tersebut memiliki sensitivitas pacta jangkau panjang gelombang raton tersebut. Apakah saudara dapat menurUukkanhal tersebut? Apakah hasil pengukuran saudara sudah dikalibrasi dengan alai lain, karena tal ini bisa menambah keyakinan sau~ara terhadap pengukuran tersebut. Apakah actarelasi yang jelas antara besaran sinar X terukur dengan parameter plasma yang diperlukan? Sunardi Ya, menurut kami sensitivitas BPX 65 seperti pada makalah untuk panjang gelombang 0,1 A 100A Tidak, karena fasi/itas untuk kalibrator juga belum ada. Kami percaya pada alai yang kami beli tersebut. - Ada, misal energi plasma akan mempengaruhi banyalmya elektron dan hal ini akan mempeng-
Sunardi, dkk.
-
i'vlenurut M Farre dkk. (4)dengan peralatan yang
sam a diperoleh plasma Argon mempunyai panjang gelombang 0,3 mm hal ini equivalen dengan tenaga 3 keV (masih dalam range) detektor BPX 65. - Energi sinar X antara 0,124 - 124 keV (0,1 - 100 A) dalam penelitian ini pulsa yang teramati adalah pulsa hasil fokus plasma, dan diperoleh pulsa yang besar hal ini dipengaruhi energi plasma :t 3,1 KJ diperoleh energi sinar X yang keciI0,00242jldt. Belum. Karena photodioda BPX 65 digunakan untukpulsa sinar X dan dalam percobaan pulsa sinar X :t 8 ms dan pulsa plasma fokus :t 100 ns BPX 65 mempunyai respon cepat. Tri Mardji Atmono Apakah dilakukan pengukuran artinya bukan hanya secara teori seperti tadi ditampilkan karakteristik detektor BPX 65? Pacta daerah panjang gelombang mana detektor ini sensitiv? Apakah daerah ini sesuai dengan tenaga sinar X yang diukur? Sinar X pactaplasma fokus bersifat karakteristik atau Bremstrahlung? Mohon penjelasan mengapa Bremstrahlung atau mengapa karakteristik. Sunardi -
Tidak.
Detektor
ini sesuai untuk range
1
- 10 ke V
(acuan). Kami belum menghitung namun pada percobaan ini diperoleh energi yang keci!. . - Sinar X pada plasma fokus bersifat Bremstrahlung (pengereman tenaga). Sebetulnya banyak puncak yang sinar X namun dalam percobaan ini tidak teramati puncak yang dibelakang.
IsSN 0216-3128
